智慧农业

【科技农夫共创物联网新农耕模式】年轻小农靠开源翻转传统农业

字号+ 作者:何维涓 来源:ithome 2017-08-19 09:59

宜兰县员山乡深沟村也有一群年轻人,因为对农业的热情,从软件人变成“作田人”,将软件工程的专业带到耕种的田地,试图以科技的方式,解决耕作时会遇到的各式各样问题,他们不是一般的农夫,也不是大家所想象的科技农夫,而是运用开源软件,打造农业新应用的“开源自造


健康黝黑的肤色是这群年轻软件人的共通点,因为一股热情,决定卷起袖子踏入农田
 


宜兰县员山乡深沟村也有一群年轻人,因为对农业的热情,从软件人变成“作田人”,将软件工程的专业带到耕种的田地,试图以科技的方式,解决耕作时会遇到的各式各样问题,他们不是一般的农夫,也不是大家所想象的科技农夫,而是运用开源软件,打造农业新应用的“开源自造科技农夫”。
 
“一开始什么都不懂,就跟着老农夫学。”科技农夫陈幸延在两年前辞去软件工程师的工作,一头栽进了种田的行列,过去他从来没有接触过农业,一开始就从头跟经验老道的老农夫学起,学习过程中,还认真地将老农夫传递的知识,以及每一个步骤,都详细地记录下来。
 
不过,等到陈幸延实际耕作时,才发现,近几年气候变迁越来越剧烈,跟老农夫学来的这些经验,没办法应对多变的天气。
 
以宜兰来说,以前每年有200多个下雨日,农夫几乎是天天都要带着雨衣,但是,现在则不然,就连最会下雨的冬天,也要到12月才会降雨,光是凭借着,陈幸延过去1,000多天的耕种经验,他认为,无法累积出有用的参考依据,于是,陈幸延开始想办法,要试图解决这个问题。
 
首先,为了得到更准确的气候信息,陈幸延先从中央气象局的开放数据平台上找数据,花了一番功夫才整理出可用的数据,得从10年份的表格数据中,统计出10年的在地气候数据,才能进一步转换成数据分析所需的格式,最后还得自制一支程序,将气候变化的趋势可视化。
 
虽然完成了这个工具,但这些图表却不实用。一来这个气象站距离深沟村还有段距离,而且位于半山坡,测站收集到的天气数据,无法呈现出深沟村平地农田的情况,光是气温就相差许多。因此,陈幸延决定开始自己动手组装一套“微型气象站”。
 
陈幸延参考了中央气象局气象站所用的设备,自行购买零件自己组装,还撰写了程序,搜集传感器回传的光照、风向、风速和雨量等数据,再利用这些数据,来制作出更准确的长期温度变化图,判断耕作的时机。“有了这些传感器收集到的数据,长期累积后,才可以知道在地的温度趋势。”他解释。
 
陈幸延还分析了在地商店的数据,掌握每个季节适合耕种的作物,他还建立了一个农作物数据库,可以用可视化的方式,来预测未来3个月内适合种植的作物。
 
不过,只靠自制气象站还不够,“我不可能知道田里发生的事!”于是,陈幸延他们这群科技农夫,进一步开始自制田间传感器,例如,水田里设置了水位计,菜园则有土壤湿度计。
 
现在只要半夜出现豪雨,陈幸延在家里就能立刻掌握田里的变化,不用像过去,每逢半夜下大雨,得等到一大早出门巡田才能知道,
 
“科技带给人方便,自动装置可不可以更方便呢?”他摇了摇头,因为越聪明的程序,越会传送各种讯息,来通知农夫农田的状况,“现在反而上下午都要去田里!”陈幸延笑着说,但即使工作变多了,他却甘之如饴。
 
对于刚投入耕种的年轻小农而言,陈幸延并没有太多的预算来负担耕作的成本,什么都要自己动手做,就连电动除草机也要自己DIY。市售电动除草机大约要4000多元,而陈幸延自己制作的除草机,成本却只要不到400元。
 
爱上耕种的陈幸延,体会到农村的生活与都市其实大不同,“要与当地村民保持良好关系,”在农村,人与人之间的关系非常紧密,常常需要互相依赖、帮忙,这让他更意识到建立社群对农业的重要性。
 
于是,陈幸延决定租下了一块空地,来打造出一个开放农业的实验基地,称为“Open Hack Farm”,提供大家实验新科技的场所,用开放的方式一起讨论想法、动手做出工具,期望在农业上实践出一个可循环、结合在地和开源的经济合作模式。
 
Open Hack Farm今年的研究方向包括了物联网田间传感器、开放数据、可远程控制的农用三轴手臂FarmBot和影像辨识等。
 
此外,今年春天,另一个开源农业项目“阿龟微气候天眼通”,也和Open Hack Farm社群连手,以物联网技术与数据科学技术,结合在地青年小农,来发展农业微气候分析应用,他们还因此在今年g0v公民科技创新奖助金竞赛中,从94件项目脱颖而出,成为最终获选的8件得奖项目。
 


自造农具1|微型气象站



 
这部陈幸延自行制作的微型气象站(WeatherBox)就设在农地旁,可将现场的光照、风向、风速和雨量等数据,传到后端程序,产生最贴近农田的在地微气候趋势图。图片来源/陈幸延
 

自造农具2|田间水位计


 
水位高低影响了水田稻米的生长情况,过去每逢半夜下雨,就得一大早出门巡田开水道放水或进水,现在有了无线传输的水位计,在家就能掌握水田情况。图片来源/陈幸延
 
自造农具3|田间传感器

 
土壤情报是种田的关键,科技农夫们决定自制能实时侦测土壤温、湿度变化的田间传感器,从电路板到撰写程序通通自己来,还结合太阳能版和电池来延长运作时间。图片来源/陈幸延
 
资料科学走进农业,自制工具搜集微气候数据
 
阿龟微气候天眼通的阿龟一词取自于“Agri”的谐音,同样以宜兰的深沟村为实验基地,要运用数据科学技术来解决台湾农村的问题。
 
 
 
阿龟微气候天眼通运作架构
 
为了搜集最能反映农地现况的微气候信息,阿龟微气候天眼通项目,汇整田间传感器搜集大量数据,来建立微气候数据库,并透过仪表版App,让科技农夫在家就能掌握田间状态。图片来源/吴君孝
 
在今年3月获选g0v公民科技创新奖助金后,正式启动项目,要用开源软件打造出给台湾农民使用的微气候工具,先以深沟村农民的需求为主,结合物联网的技术和数据科学,先将深沟村的示范场域的应用完成候,再开始向外拓展。
 
阿龟微气候天眼通团队中有一位资料科学家吴君孝。他过去在许多领域,都拥有丰富的资料科学经验,曾经分析警政情资、环保、食品安全和农业等政府部门的资料,不过,吴君孝曾经提出很多建议和计划,但后续发展都不如他的预期。“与其一直讲,不如动手做!”于是,找了几个开源社群的朋友,一起出来发起了阿龟微气候天眼通项目。
 
这个团队目前大约有20多人,来自不同的领域,包含金融业工程师、前端工程师、软件工程师、分析师、营销人员,甚至还有导演帮忙拍摄影片。项目主要目的是帮助青年农民,吴君孝解释,过去农村社会人口老化,但近几年出现转变,开始有年轻人回来务农,但他们由于缺乏务农经验,导致青农投入耕种的门坎偏高。
 
虽然青年农民可以到农学院上课,也能向老农请教,但是吴君孝开始思考除了这些方式之外,“能不能创造工具让青年农民自己学习?”另外,年轻的小农有时间和热情,却欠缺足够资金来购买高单价的农业器具,“能不能找到年轻农夫可以负担的方式,来协助他们工作?”吴君孝自问。
 
“很多科技计划结束后,没有普及到农民身上!”他认为:“原因就是技术转移费用过高,好技术走不出实验室,没有在真实环境执行,也没有办法真正帮助到农民,”因此,吴君孝去年花了一整年的时间,走访台湾各地拜访农夫,也了解现在农业的状况,他要用开源的方式,打造出“在地农民可用的工具”。
 
“农业是看天吃饭,”吴君孝希望可以透过远程监控的工具,让农夫可以决定到底要不要去巡田,减少劳力的浪费,也希望提供整合数据分析的工具来帮助农夫耕种。
 
“让农夫不用过劳”是阿龟微气候天眼通团队想要实现的目标。要做到这一步,气候数据是决定出门与否的关键,但吴君孝指出,中央气象站的资料不能反映出真实的农田数据,尤其台湾地形特殊,可能山的这边正在下雨,另一边却没有,再加上目前官方气象站的测站数量少,就算用推估的方式也很难得知真实的数据。
 
“中央气象局可以参考的数据有多少?”吴君孝说,真的太少了,且气象局数据是透过内插法网格化方式,来推估深沟村的气温,并不够准确。后来他实地走访农田,在地农夫才告诉他真正的关键,“农田最重要的是土壤”,但中央气象局提供的是广域气候信息,没有土壤温度和湿度数据。
 
因此,阿龟微气候天眼通团队透过微气候气象盒子和田间传感器收集数据,包含温度、雨量、风向、湿度、紫外线、日照强度等11种类型的数据,经由LoRa无线网络技术传输到云端数据库,最后分析结果将显示在实时监控农用仪表板,提供气温、湿度、土壤温度等关键信息的可视化实时监控图表,甚至,还有依据农田的温度和湿度,来预测福寿螺的出没机率,作为当作农夫们决策的参考。
 
若遇到无法亲自搜集的数据类型,吴君孝则会介接其他的外部信息,举例来说,因为法规的规定,团队不能自行产生气象预报数据,就得介接中央气象局的资料。
 
影响微气候资料科学分析成效的因素,包含农业环境数据、田间纪录和作物生长指针。但吴君孝指出,目前最难的取得的是田间纪录和作物生长指针的资料,尤其要搜集到可用的分析数据,需要专家协助进行田间纪录,一开始就得将数据正规化,如数据类型等规格都要统一,他坦言,一开始他们光是进行数据正规化就花了非常多时间。
 
另外,作物生长指针的数据收集也是一大挑战,如NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)、叶片面积、重量和长度等指标,设法从真实环境中,直接取得这些指针数据是阿龟微气候天眼通团队,目前正在努力的工作。

 
实时监控农用仪表板系统架构


 
这套开源农用仪表版系统架构分为三层,包括了物联网感测层(Wi-Fi和LoRa传输技术),数据处理层(Python搭配MariaDB)和分析应用层,并串接了第三方的开放气象资料。图片来源/吴君孝
 

农用仪表板实时监控画面


 
农夫不用过劳是这群科技农夫的目标,透过农用仪表板可以实时掌握光照、温度、湿度、水位等农田情报,甚至可以预测福寿螺出没率,来决定要不要出门。图片来源/吴君孝
 


软件开发与耕种大不同,但都要善用开源社群的力量
 
Open Hack Farm去年才成立,因为农业的实验,渐渐地聚集了一群不一样的科技农夫,也建构出联系科技农夫的重要社群,另一位社群中的科技农夫林进锟也表示,几年前就有想耕田的念头,直到去年因缘际会下终于也来到了宜兰县种稻米,认真的他甚至还跑到小区大学上课,学习如何耕种各种作物。
 
在投入耕种后,林进锟才发现,耕种和软件开发不同,耕种会因为每年的天气变化、每一块田地的土质、播种的籽和秧的不同,甚至是每个人的耕作方式也不大一样,而产生不一样的变化。这些问题也没办法Google找答案,但“软件开发和耕种有一个共同点,都需要开源社群的力量。”他说。
 
依照林进锟的观察,农村目前面临的困境是缺乏足够人力,还有耕种知识无法完整传达,他呼吁大家开始一同参与,因为过去大家对农耕数据了解太少,应该要用科技的方式,了解数据找出耕作标准,也要将知识和经验用开源的方式,与更多人共享,找出最适合的耕作方法。
 
 
 
社群共同打造的自动耕种机器人FarmBot
 
和开源软件一样,社群也是这群科技农夫最大的武器,BIOS工程师侯专益在今年COSCUP开源人年会中,展示了他们自己组装的农业机器人FarmBot。图片来源/阿龟微气候天眼通
 
 开放农业实验基地 Open Hack Farm小档案
 
● 成立时间:2016年
● 地点:宜兰县员山乡深沟村
● 理念:为农业创造循环、在地化和开源的经济合作模式
● 最新方向:物联网田间传感器、开放数据、可远程控制的农用三轴手臂FarmBot和影像辨识等
● 最新项目:阿龟微气候天眼通








 

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