智慧澆灌系統之設計與應用

前言

近年來全球氣候變遷，直接影響產業水資源分配問題，依據行政院經濟部水利署分析水資源利用現況 圖一，雖然臺灣寶島四面環海，降雨量充沛，但降雨分布不均加上氣候因素，使年利用總水量僅為年降雨量的17.55%。水資源供需統計更明顯指出，農業用水量占年總用水量的72.07%，其中灌溉用水又占農業用水的91.30%。

但往往在枯水期時，不經意地又須面對與農民搶水，且在輿論壓力與窘境下，實為工業發展背後最大的隱憂，因此如何有效率地將水資源活用，其目標應包含開發智慧型澆灌系統，及其相關管路連通設施、感測元件的改善，將外界環境參數納入系統設計中，並利用資料庫的建立，發展人性化的澆灌系統，讓生態景觀用水需求能自己自足。

文獻回顧

景觀綠化澆灌模式之演進，早期由傳統人工澆灌，將增加人事成本，故增設噴灌系統以解決人力問題，但利用手動開關仍難以控制水量多寡，太多的水會造成植栽無法吸收且引發病蟲害，過少又會造成植物需水量的不足而枯萎^[1]。隨著科技進步，自動化定時定量澆灌系統(Automatic Irrigating System)乃綠地景觀的首選設備，但使用自動化定時定量的澆灌系統會產生另外一個可能的問題，當雨季來臨時，定時澆灌系統依舊會照著時間進行澆灌，這時則需要雨量偵測器進行偵測，當偵測器偵測到下雨時，即停止進行澆灌，研究指出約可節省47%的耗水量^[2]，當沒有偵測到雨水時，就進行澆灌，避免水資源之浪費。

自動化澆灌系統僅為定時定量開關灌水控制，雖加上降雨感測器等裝置來防止灌水不必要之浪費，但降雨感測器無法測得降雨量是否足夠供植物生長所需之田間容水量，致使灌溉需水量產生盲點。未來應開發智慧型中央電腦控制灌溉系統，結合環境參數設定，才可精確的提供植物所需灌溉水量^[3]。

廠區現況說明與未來需求

廠區現況說明

目前景觀澆灌用水水源主要為空調冷凝水及雨水回收，計算廠區用水量，以台積電12廠為例 表一，年總用水量約15,200噸，雖然回收水勉強足夠供應灌溉，但面臨長期處於乾旱季節下（如夏季及秋季），又必須因應大規模植栽及生態水池設計，水資源利用管理日益重要，開源節流理念開始落實於景觀澆灌上，而各廠區因開源不易，但仍執行各項節流措施，如降低灌溉頻度、設立截水溝等。

台積電晶圓十二廠第七期之澆灌系統設計

水資源開源節流的理念為多開發水源，節省水源的流失，開源與節流保持並重階段，俾能達成水資源合理利用。以台積電晶圓十二廠第七期之澆灌系統設計為例，突破以往廠區設計，儲存更多的回收水資源，並將植物需水量納入設計考量 圖三，使水資源更有效管理。

開源－增加洗菜水及RO飲水機回收水

增加回收水水源是水資源活化的首要步驟，為解決上述夏季發生缺水問題，於台積電十二廠第七期水源設計導入潔淨室洗手水、RO飲水機廢水及廚房洗菜水回收 圖四，增加水源用量，每日回收量預估可增加42噸，可供應景觀整年澆灌量，以及避免河道乾枯之問題。另設計上加入多層過濾，並定時監測水質狀況，使洗菜水降低水質問題之疑慮。

節流－依水源多寡及植栽種類特性分區澆灌

將澆灌範圍的植物種類進行需水性的分類，依照不同植物特性分區進行管理，除可增加管理便利性外，亦能有效運用水資源，以台積電十二廠第七期為例，將其設計之植物，透過植物圖鑑，以星號區分需水量等級與澆灌頻率，分級標準如 表二。

將種植植物按照生長習性區分為喬木、灌木、地被及草坪三大類，再將其所屬植物區分五級的需水性，配合台積電十二廠第七期廠區水源設計，雨水回收應用澆灌區種植稍耐旱植物 圖五，如青剛櫟、台灣海桐等；辦公室水回收應用澆灌區，因附近水源較為充沛，且避免減少輸水時的損失，故種植需水性中等及耐濕植物，如穗花棋盤腳、長尾蕨等。

未來澆灌系統之發展－智慧澆灌系統

精確控制給水可以節約資源的使用，並使植物處於最佳生長狀態。過度灌溉不但浪費水資源，更因需要使用馬達而浪費電 表三，同時亦容易造成水分過多而引發多源病蟲害，為改善上述問題，開啟了智慧型灌溉系統發展之鑰^[4]。

智慧型灌溉系統(Smart Irrigation Systems)是根據植物種類、土壤性質，以及環境參數等調整決定澆灌量，以達到灌溉的最小耗損量^[5]。系統技術包含設置土壤溼度偵測器(Soil moisture sensor controllers, SMS)、蒸發散控制器(Evapotranspiration based con-trollers, ET)及雨水感知器(Rain sensor, RS)，進而準確的偵測正確的澆灌量，以節省用水。研究發現，智慧型澆灌系統和自動化澆灌系統的傳統系統植物生長情況無明顯差異，然前者卻比後者節省介於16%到30%的水量^[6]。

隨著智慧連網運用漸趨成熟，澆灌方法由自動澆灌的定時定量，逐漸演變到依照天氣的變化、土壤溼度、植物需水量資訊的收集在與內建植物生長環境資料庫比對，綜合上述資訊計算出植物需水量控制植物澆灌時間及頻度，依據環境狀況調整智慧澆灌模式 圖六。

智慧澆灌系統在設計引入智聯網概念，在系統上設計可分為如下敘述。

感知層

收集雨水回收池水量、偵測土壤濕度、外氣溫濕度、風速、降雨量偵測等相關資訊 圖七，提供應用層計算澆灌水量。

室外溫溼度計

環境的溫度及濕度須定時監測，以追蹤植物生長環境狀態，如冬季寒流來襲時，早上澆水，不可晚上澆水，且澆灌水量需減少，夏季初秋溫高，則需水量較多。

風速計

紀錄風速計的測值亦相當重要，由以新竹地區或受風面區域，當風較大，濕度降低，植物葉片蒸散量遽增，導致葉片乾枯，故此時須注意補水。

日照計

當日照過強時，此時若澆灌，容易使植物發生日燒症(Sun scald)，故應紀錄環境日照時間及強度，必要時應延後澆灌時間。

土壤溼度偵測器

使用土壤濕度偵測器可監控植物生長栽種期間的土壤濕度，減少在環境中，土壤濕度過高導致病蟲害及根部潰爛的問題發生，或土壤過乾水分不足，造成植栽生長不良。

蒸發散控制器

由外界環境溫度、濕度、日照、降雨量等各參數，經由程式計算蒸發散量，基本上土壤的水分蒸發加上植物葉片的蒸散等於植物的蒸發散，以計算每日澆灌需水量。

雨水感知器

當降雨量大於偵測器的設定值，即回傳系統，關閉澆灌。

網路層

收集中央氣象局天氣預報，用水量、系統運轉狀況，及感知層各偵測器（如室外溫溼度器、風速計、日照計、雨量器、日照計、土壤溫濕度計等），利用通訊網路層傳送相關資訊至控制中心，即可預測天氣變化，並提供應用層調整當天澆灌程序資訊。通訊網路層是透過動態路由的方式來進行資料與控制指令的傳送，以ZigBee作為基礎的無線感測節點，利用各個節點間進行連線，將訊息送達傳輸目的地，將所有節點形成了區域網路，使降低佈線的複雜度，並可即時回傳環境變化數；當環境參數出現異常時系統可具有警報功能。

Zigbee是一種短距離、架構簡單、低消耗功率與低傳輸速率之無線通訊技術，其傳輸距離約為數十公尺，具有省電、可靠度高及高度擴充等特性。以日本為例，發展了田間伺服器，即使用PICNIC卡(Tristate Crop, Japan)與溫度、濕度、照度、網路攝影機等感測器相結合，可判斷農作物的需水狀態。而國內運用此無線通訊技術，在農業生產管理應用上，均屬起步階段，其中硬體技術發展遠高於軟體之發展，特別是在後端資訊平臺之發展上尤其匱乏。目前於國內大都將此技術使用於農業用途，近年來已引進於蘭花溫室，進行蘭花溫室內部微氣候環境監測測試^[7]，但卻尚未使用於園藝景觀作物之澆灌系統上，若能克服使用技術之困難性，對於節水效益及智慧技術是一大佳音。

採用無線傳輸可能衍生之問題

• 感測器之間有時會產生衝突，須依不同環境選擇偵測參數的準確性，如遮陰處溫、濕度感測數據較可採信；反之光照直射時，溫、濕度的量測值會受輻射的影響而不準確。
• 另偵測器多未做適當防水封裝，直接裸露之電路板無法承受農業生產環境中高氣候劇烈的變化，容易發生腐蝕現象而損壞。
• 部分技術將感測器直接鑲崁在電路板之設計，若直接封裝，則又使部分感測器將失去功能。

故如何運用適當之感測器與電路元件進行銜接，並包裝成植栽生長環境可資運用之產品，是尚待努力的空間。

控制中心資料訊號回傳 圖八

• 步驟一、澆灌依據由末端感知器(Sensor)提供，由PLC進行資料收集
• 步驟二、透過TCP/IP進行資料傳送
• 步驟三、伺服器(Server)於後端進行資料分析
• 步驟四、決定澆灌與否

應用層

也就是雲端運算層，利用所收集植物生長環境資料庫，將植物需水量與澆灌頻度量化。依照感知層與網路層所提供的資料，調整植物澆灌時間及頻度，使水分管理發揮最大效益。應用層中以雲端計算為其核心，提供澆灌頻度集合廠區澆灌系統相關訊息、判定。

流量監控

建置流量器明確記錄用水量，用以評估植栽需水狀況、有無滲漏情形。

• 顯示當天各分區目前用水總量
• 顯示各分區日、週、月平均用水量

水質水位監控

以台積電十二廠第七期為例，未來導入廚房洗滌用水，為避免水質疑慮，應加入溶氧電極模組、pH電極模組、電導度電極模組、濁度電極模組等，即時監測水質狀況。此外，紀錄雨水回收池的水位，可計算雨水用量，另需補充多少循環水(RCW)及自來水。

• 顯示目前水質狀況（pH值、溶氧量）
• 顯示各雨水回收池水位：水位正常、低水位（改為循環水(RCW)供水）、高水位（暴雨緊急排水）

澆灌變因設定

• 植栽種類設定

澆灌系統中的目標對象主要是植物，而影響植物生長的因素有很多，諸如：日照、水分、養分、氣溫、空氣品質、土壤性質等皆會影響其生長，依照不同環境決定那些參數作為參考的依據^[8]，但一定必須紀錄環境資料，主要是環境中的因素能對應出相對的蒸發散量（作物需水量），以獲得動態的每日時作物需水量（蒸發散量）與環境中溫溼度及日射的對應關係^[9]。利用需水量區分為耐濕、中性、耐旱植物

建立植栽資料庫（喬木、灌木、地被及草坪），其管理介面應可針對每種植物設定的項目為植物名稱、合適的高低溫範圍、濕度範圍、日照程度等級、需要水量單位設計、水分蒸發散量、澆灌次數

每日澆灌次數、時間

每次澆灌持續時間

迴路設定：設定對應的植栽種類

• 環境參數設定

運算所需輸入之氣候環境管理資料主要包括：

日照時數及強度：強度大於多少單位值，延後澆灌

最高、最低氣溫：設定溫度高於或低於多少度，延後澆灌

風速及相對溼度：新竹氣候風大，環境相對濕度低，對部分植栽（如腎蕨）會影響生長，因此可設定風速高於多少或相對溼度低於多少，必須增加澆灌次數

降雨量：可加設雨水感知器輔助

設定提前或延後澆灌期限值

• 土壤溫濕度偵測

設定各植栽種類澆灌後須達基本濕度值

不同土壤性質其設定澆灌頻度亦不相同

設定未達濕度值時，延長多久的澆灌時間

設定濕度下限值，未達，則延後進行澆灌

設定延後澆灌期限值

澆灌事件設定

• 澆灌管路依面積進行劃分
• 以面積為單位進行設定
• 將此面積欲參考的因子加入
• 設定預設澆灌排程：設定預設澆灌時段、時間
• 設定特殊澆灌事件：如當溫度或日照高於某一設定值，增加澆灌次數

異常通知

• 流量異常、設備異常、水質異常、水位異常
• 人員資料設定，當異常發生時以SMS簡訊通知

資料分析與紀錄

• 記錄每天各面積澆灌因子與用水量資料
• 分析比對各面積每月用水總量的差異
• 分析比對各面積每季用水總量的差異
• 與其他未導入智能澆灌廠區比較用水量

結論

對於節水議題上，智慧澆灌相較於自動灌溉定時定量的設計，其用水量預估可明顯降低 圖十，主要原因乃智慧化澆灌系統克服了傳統簡易型自動化造成的盲點，將外界環境因素與植物生長因素共同納入系統考量中，相較於自動化灌溉系統而言更符合人性化。雖目前研究鮮少，但卻能結合電腦與相關周邊完成了自動化澆灌系統的應用雛形。

若運用適當的無線通訊技術，配合感測系統的運用，相關監測資料，進行統計分析，同時亦可藉由長期紀錄的資料，配合植物生長狀況調查，使提升維護管理上之效率。此外，現階段應選擇何種適合之感知偵測器，如何運用適當的無線通訊技術，將前端感知器所收集之「資料」，轉換並量化成與景觀植物生長管理相關之「工具」，使澆灌系統發展進入一個全新的時代，且可朝向蒐集氣象資料，形成龐大的數據庫，著眼展望未來，技術將繼續精進，水資源將更能精確的運用。