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火龍果園降溫的智慧控制系統
 

中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

 
 

台灣智慧農業的技術水準,就以一篇報導(附錄I)的內容加以討論:

在此篇報導中,有關的智慧技術敘述如下:

 1.夏季強光高溫導致火龍果枝條黃化至壞疽。

 2.花朵在發育期間白天高溫>35℃,使得花粉活力降低。

 3.高雄場的技術是使用物聯網,進行氣象資訊收集,以數據啟動控制器進行噴灑。紅龍果生產晉級成為智慧農業。

 4.設定時間上午11點至下午2點,1小時執行一次。均溫高於35℃而且相對溼度低於75%,即啟動噴灌5-10分鐘。

對於此項所謂"智慧農業"之技術,相關問題如下:

1.火龍果的應力條件是均溫高於35℃,或是累積高溫應力?均溫35℃是多久時間下的平均溫度?如果此段時間之內,作物溫度高於最高忍受溫度,如何應對?

2.如果在T>35℃,RH>75%的條件下,如何應對?

3.如果只是以T>35℃,RH<75%為判斷條件,一小時判斷作業一次。那麼以簡單的控制器在現場即可執行,不需要增加物聯網之高昂成本,更不需要雲端計算與判斷。

4.實行噴灑降溫,需要多少水量才有降溫效果?而水量控制為何是5-10分鐘?確定作業需求時間是多少?

5.噴灑作業之後,如果無外界風力移走高溫高濕空氣,火龍果園內溫度與相對濕度微氣候將會是甚麼狀況?

6.噴灑作業增加土壤水分,然而灌溉控制是由農民自行評估是否進行灌溉。為何沒有配合灌溉自動化系統。

7.在此系統量測與判斷的依據是空氣溫度,不是作物本身溫度。為何不是針對火龍果的本體溫度?

I.真正的智慧系統

.先有智慧灌溉系統,而噴灑降溫只是原來灌溉作業的另一種應用。稱為功能加強版

.以噴灑系統進行作物本身降溫,必須了解作物本體溫度之機制。

.進行降溫作業,更需要了解作物之應力臨界點。以火龍果為例,有兩種溫度臨界點,其一為致命之最高溫度。代表作物不能超過此臨界溫度。在此溫度作物體內葉綠素餅迅速破裂,作物先黃化然後迅速白化。另一種是累積溫度。以現有的植物本身溫度,減去基準溫度,以此差異溫度值,而隨時間累加。如果溫度範圍較廣,則必須考慮溫度與化學反應速率之關係。不能直接累加,必須採用加權係數加以計算。

.控制的對象是火龍果的本體溫度,而植物本體溫度是如何量測?

II. 量測植物本體溫度

.直接量測法

以熱偶線或PT-100等元件埋入植物本體進行量測。此方法直接得到植物溫度。但是感測器之準確度與取樣位置影響了量測性能。對於作物本體造成受傷。

.模式計算法

依據熱量不滅原理進行計算,進入植物體熱量等於散失熱量

 1.進入之熱量

(1)

Rn為太陽能輻射量(W/m2)為火龍果輻射量吸收率,為葉片面積(m2)

2.逸出葉片的能量為Qout

QoutHLEJMEv (2)

J為葉片儲存的熱能,M為葉片光合作用消耗的陽光熱量,兩者數值相當小,因此可加以忽略。

3.葉片與空氣的熱傳遞,H(W/m2)

(3)

為空氣密度(kgm3)Cp為空氣比熱。(Jkg*k)TTa為葉片與空氣的溫度,單位為絕對溫度(k)為空氣熱對流的阻力係數(secm)Aw為葉面面對風向的受風面積(m2)

4.葉片的蒸散作用潛熱,LE

因為葉片經由蒸散作用使水分自體內轉變成為水蒸氣,再散失於空氣。水分自植物體內蒸散時吸收的熱量,可以使用體內水分自液體轉換成氣體吸收的蒸發潛熱其數值加以計算:

 (4)

eeea各為葉片本身水蒸氣壓與空氣中水分蒸氣壓。λ為蒸發潛熱係

(Jkg)rav為水蒸氣自葉片表面至空氣傳輸的阻力係數(sm)rtv

植物體內水蒸氣向表面外界空氣傳輸的阻力係數(sm)

5.葉片上方水分蒸發的熱量,Ev

(5)

M1為提供於葉片上方的水量

將公式(1)=(2)+(3)+(4)+(5)代入已建立或量測的各項係數,即可計算Tl(葉溫)值。

III 火龍果枝條本體溫度模式

火龍果為CAM作物,有其生理特性。

一、假設條件

1.蒸散作用不強,以蒸散方式的降溫功能可加以忽略(LE=0)

2.枝條面向陽光的受光面積為As

 3.以噴灑作業給水時,枝條受水面積Ah,積水量為d為枝條上方水分厚度。

 4.枝條表面對陽光能量之吸收率為

 5.枝條迎風面積Aw

二、能量平衡公式

 1.陽光吸收熱能

 (6)

 2.因為熱對流帶走熱量

 (7)

 枝條假設為圓柱體

(1).氣流為層流(Laminar)

  (8a)

(2).氣流為亂流(turbulent)

 (8b)

3.枝條上方有水滴,水分蒸發帶走熱量

 (9)

由公式(6)=(7)+(8)+(9),可計算作物枝條溫度。

IV.為何需要雲端計算

如果採用模式計算法,其前提就是建立上述各種係數之數值。有些可在工程手冊直接獲得。有些如輻射量吸收係數,火龍果本體內部水分傳輸阻力係數等,必須進行試驗加以量測。在建立上述數值,配合區域性氣象站,量測火龍果果園的大氣溫度,相對溼度、風速、日照量等氣象因子,量測數據傳輸至雲端,即可以計算火龍果現今本體溫度。如果本體溫超過臨界安全值,也可以藉由上述能量公式計算需要提供的水量,用以使得作物本體溫度低於安全範圍。在降溫過程所施用的水量,一定高於作物截留水量。有大部分比例水量灑落地面。這些水量可納入灌溉自動控制模式。

此本體溫度計算涉及非線性公式,需要電腦強大運算功能,用以求此解答Tl(火龍果枝條溫度),這也是使用雲端計算或是邊緣雲端計算之功能意義。

V. 完備的控制系統

使用模式法計算作物體溫,可以預測整個果園作物溫度,但是氣象站感測器失誤時,也可能產生嚴重誤差。因此一種完善的控制系統如下:

1.以小型氣象站量測數據計算作物本體溫度。以不同時間之葉溫,計算累積溫度,並即時比對臨界溫度。

2.裝置溫度感測器元件於火龍果本體,直接量測溫度。

 以上述(1)&(2)之量測數值進行比對。數值差距在某一設定之臨界範圍時,啟動警告裝置。

3.感測元件定期維護校正。

4.需要運算之系統可為在田區設置之為電腦控制系統,也可使用邊緣雲端系統。由實施區域之範圍與作業精度要求,進行設置。

VI.評論

以作物生理角度,要避免作物溫度太高,直接有效的方式是提供遮光網進行光量調節。這是最方便也是最有效的技術。然而成本又是另一個考量因子。

此種作物生理模式為基礎之智慧控制系統,在美國加州葡萄產地,在以色列之蔬菜生產等地區早已實施使用。2019年肯亞發展之智慧控制系統,以結合上述作物本體溫度控制與灌溉控制兩者功能之智慧系統。

比較台灣目前官方發表的火龍果智慧降溫系統其內涵,其技術水準不但低於美國與以色列。就連非洲的肯亞,其技術水準都把台灣比了下去。

附錄I紅龍果園降溫添智慧

2022-06-27 17:49產業

資料來源 : https://www.allnews.tw/news/33890

【本報記者陳明道屏東報導】為改善夏季果園環境以降低紅龍果熱傷害,高雄區農業改良場率先於紅龍果園使用智慧農業系統,將物聯網導入果園管理,透過感測器隨時監控果園溫度及結合原有的噴灌設計,在溫度過高時立即進行灌溉,迅速降低果園及及枝條溫度,減緩夏季紅龍果枝條黃化情形,有效維持植株樹勢並利於果實成長,更兼節水。
高雄場戴順發場長表示,紅龍果的光合作用屬於景天酸代謝模式,氣孔會在白天關閉,到傍晚至清晨較低溫時打開,可減少水分散失,但不利於夏季白天高溫期散熱。因此,夏季的強光高溫常導致紅龍果枝條發生黃化甚至壞疽。此外,若紅龍果花朵發育期間的白天高溫超過35℃,也容易使得花粉活力降低,影響授粉授精,導致果實發育不良。由於夏季高溫逐年攀升,如何在夏季期間改善果園環境,已成為種植紅龍果農友的一大挑戰。
近年來,農委會極力發展及推動「智慧農業」在農作物栽培管理上的應用,高雄場率先在紅龍果園嘗試導入物聯網進行氣象資訊的收集,並依據回傳的數據啟動控制器進行噴灌。研究概念來自大部分的紅龍果園都設有灌溉系統,如果想要升級成智慧化的管理,只需要再配置環境傳感器及附有流量計的灌溉控制器,並裝設Wi-Fi路由器供數據傳輸,即可使紅龍果的生產晉級智慧農業,投入成本相對節省,最重要的是立即而有效。
戴場長進一步指出,在高雄場輔導的示範果園,目前設定在上午11點至下午2點間,每隔1小時執行1次,當均溫高於35℃且相對濕度低於75%時,即啟動噴灌5-10分鐘。如環境條件未到達設定標準,則不啟動灌溉,避免雨天灌溉,以節約用水。此外,利用Line成立灌溉群組,並以程式積木寫入訊息推播的功能,噴灌啟動及結束時都會推播訊息通知農友。在低溫期,條件不足以啟動灌溉天數超過3日時,也會以Line推播提醒農民評估是否需進行灌溉,達到「人機共同決策模式」的目標。