因此，為了了解生存的土地與善盡保護所居住的土壤環境，進而設計此智慧型土壤感測與物聯網系統。其中，結合LoRa與NB-IoT通訊協定，以及整合多種感測器，如土壤感測器與溫溼度感測器。此外，為了讓各個節點可以不受到地域的影響，透過太陽能電池供電，布建出可偵測大範圍面積的適量LoRa節點。最後，進而達到讓整體系統可快速安裝與監測的目的，並可延伸至農漁牧產業等多方面的產業應用。
物聯網感測從消費走向農業
隨著目前的資訊產業與通訊技術不斷地快速發展，將各項消費性產品、智慧感測產品、農業等應用廣泛結合物聯網(Internet of Things, IoT)應用於各大領域，並收集大數據(Big Data)用於改善與突破產品的全方向性能。
這使得產品在安全、可靠度、節能與環保等各方面都有了相對大幅度的進步。但隨著控制單元與智慧單元的增加，需讓裝置的複雜度降低又具有長距離通訊以及保持長續航力發展。其中，NB-IoT就以低功耗廣域網路(LPWAN)規範，能夠在極度節省電力消耗的情況下，進行長距離資料傳輸，以利布署蜂巢式網路的物聯網裝置。
而原本僅在通訊產品或是消費性產品的相關電子技術切入到環境與農漁牧業產業是一個相當重要的課題。目前隨著通訊網路與半導體技術不斷地發展，並加上新的NB-IoT通訊協定被制定與開發出來，使得環境監控系統亦不斷地擴充，並逐漸衍生出各式不同智慧感測設備。
因此，如何使智慧感測產品與環境感測搭配，不論是土壤監測系統、溫度監測系統、溶液PH監測系統值能整合並實現在整個環境監測場域，那麼就須建置與規劃一套完善的通訊協定與雲端資料庫，並讓所有感測資料或是環境資訊可以在雲端內以最完整的網路相連接，進而使單純的環境感測產品發展成為完整的智慧土壤環境監測與聯網系統。
此系統運用LoRa無線網路來實現整個觀測區內的土壤、環境資訊的擷取，並運用NB-IoT的技術將該區土壤感測資訊的資料上傳。其中，運用HT66F2390單晶片來實現LoRa與NB-IoT閘道器與訊號收集與傳輸的核心功能。
物聯網技術可確保農漁牧環境品質
民以食為天，農業產業在日常生活中扮演著不可或缺的角色。而在這高科技工業快速進步的社會裡，如果能將相關高科技電子資訊技術帶入農業產業中，除可節省人力與物力的成本外，亦可在無形中增加土壤種植與農漁牧成長的環境品質。以下列出本系統創新性，完整性與可用性。
．自行開發設計環境監測的物聯網系統以符合使用者需求。
．利用NB-IoT和LoRa低功耗的特性，大幅延長節點待機時間，增加系統續航力。
．系統透過太陽能供電，易於安裝與布建系統。
．用多種感測器建立物聯網環境監測點。
．架資料庫即時更新存取環境測點資料。
．用GPS定位讓使用者易查詢節點位置。
．系統可依照使用需求增減LoRa節點，減少資源浪費。
．隨時查詢土地最新資訊，快速掌握土地環境。
智慧型土壤感測工作原理
本系統使用盛群旗下的HT66F2390與土壤感測器、GPS模組、土壤感測器與LoRa模組等元件所設計而成。主要的工作原理包含：GPS、I2C、UART、ADC、物聯網、NB-IoT、LoRa、太陽能發電等設計原理。
MCU核心元件
本系統主要為物聯網技術應用，透過環境測點將數值傳入主機端匯入資料庫。在環境監測點的建立上使用盛群的MCU進行收值，並透過LoRa子節點模組傳送至LoRa主節點模組。最後，再透過NB-IoT模組上傳至雲端資料庫。其中，所有的LoRa與NB-IoT模組都是由MCU以UART介面來控制與驅動。
GPS工作原理
GPS稱之為全球衛星定位系統，為美國國防部研製和維護的中距離圓型軌道衛星導航系統。GPS系統具有多種優點，其包含使用低頻訊號，縱使天候不佳仍能保持相當的訊號穿透性。
而高達98%的全球覆蓋率，且具備高精度三維定速定時，以及快速、省時與高效率。全球定位系統可滿足位於全球地面任一位置或近地空間的用戶端連續且精確的確定三維位置、三維運動和時間的需求。
該系統包括太空中的31顆GPS人造衛星；地面上1個主控站、3個資訊注入站和5個監測站，以及作為用戶端的GPS接收機。除此之外，最少只需其中3顆衛星，就能夠迅速確定用戶端在地球上所處的位置以及海拔高度；如果所在位置能接收到的衛星訊號數越多，那麼解碼出來的位置就會越精確。
在此系統中，所採用的GPS模組型號為NEO-7m，其功能是定位LoRa節點目前位置，以利得知所要感測的土壤資訊。
I2C工作原理
I2C字面上的意思是積體電路之間。如圖1所示，為I2C匯流排示意圖。它是一種串列通訊匯流排，使用具備容錯機制的主從架構，其由飛利浦公司在1980年代為了讓主機板、嵌入式系統或手機用以連接低速週邊裝置所發展的匯流排規格。
I2C只使用兩條雙向漏極開路(Open Drain)(串列資料(SDA)及串列時脈(SCL))，並利用電阻將電位提升。I2C允許相當大的工作電壓範圍，但典型的電壓準位為+3.3V或+5V。
I2C參考設計使用一個7位元長度的位址空間但保留了16個位址，所以在一組匯流排最多可和112個節點通訊。而常見的I2C匯流排依傳輸速率的不同而有不同的模式：標準模式(100Kbps)與低速模式(10 Kbps)，但時脈頻率可被允許下降至零，這代表可以暫停通訊。而新一代的I2C匯流排可以和更多的節點(支援10位元長度的位址空間)以更快的速率通訊，像是快速模式(400Kbps)與高速模式(3.4Mbps)。雖然最大的節點數目是由位址空間所限制住，但是實際上也會被匯流排上的總電容所限制住，一般而言為400pF。
此外，I2C被應用在簡單且其製造成本較傳輸速度更為要求的週邊上。I2C的另一個強大用途在於微控制器的應用，利用兩條通用的輸入輸出接腳及軟體的規劃，可以讓微控制器控制一個小型網路。
最重要的是，週邊元件或是IC可以在系統仍然在運作的同時，加入或移出匯流排。這代表對於有熱插拔需求的裝置而言是個理想的匯流排。
UART工作原理
UART為串列傳輸縮寫，串列傳輸為CPU與周邊裝置，或者是CPU與CPU間的資料傳輸方法之一。最簡單的串列傳輸只需兩條傳輸線，使用時的方式每次傳輸一個位元的資料，所以具有傳輸線少的優點，並且容易防止雜訊干擾，適合較遠距離的資料傳輸。然而由於資料傳輸一次僅送一個位元，因此傳輸資料的速度慢是其最大的缺點。
串列傳輸的結構雖然簡單，但也由於太簡單所以產生許多問題，必須藉由傳輸協定的設定來解決。其中，最基本的一種非同步式串列介面常被用於一般的串列傳輸應用中。
圖2為UART串列傳輸示意圖，傳輸時間順序由左至右。其中，串列傳輸在傳送一個位元組時，必須以位元的方式來傳遞，至少需要傳送8次以上。而UART的串列傳輸方式是在傳送8個位元資料之前加上1個起始位元，並在傳送8個位元資料之後加上1個停止位元。
串列傳輸協定為傳輸速度，通常以鮑率，即每秒傳輸的位元數來表示。一般UART常使用的鮑率有1,200、2,400、4,800、9,600、19,200bps等，最大的鮑率可到115,200bps。兩種裝置在進行串列傳輸時，必須先定好兩邊要以那一種鮑率來進行資料的相互傳輸。當兩邊的裝置使用同一鮑率時，才能確保資料傳輸正確無誤。
物聯網工作原理
物聯網是網際網路或傳統電信網等資訊承載體，其可讓一般不具獨立運作能力的裝置具備互聯互通的網路，甚至是智慧感知的功能。物聯網一般為無線網路，透過物聯網可以用電腦對機器、電腦對裝置、電腦對人員進行資料收集與監控，進而達到智慧感知的功能。此外，物聯網應用範圍十分廣泛，涵蓋運輸和物流領域、健康醫療領域範圍、智慧環境(家庭、辦公、農漁牧、工廠4.0)領域、個人和社會領域等，已經涵蓋目前各個產業領域。
NB-IoT工作原理
NB-IoT是依據3GPP國際標準規範所研發的新技術，基於授權頻譜的頻段，可直接部署於LTE網路，更可說是5G的前導技術與低功耗廣域網路中最好的解決方案。由於NB-IoT的鏈結僅使用很小的頻寬，因此，能以低功耗實現長距離通訊。
此外，窄頻再加上運作於GHz以下頻帶，意味著NB-IoT擁有極佳的訊號穿透力。而不同於其他競爭的IoT協定需要依賴閘道器，只要當地的網路供應商支援，設計人員僅需在裝置中加入NB-IoT無線電模組就能連接至網際網路。在此系統中，採用遠傳電信公司推出的SIM卡與Sim7020模組實現NB-IoT資料傳輸功能。
LoRa工作原理
LoRa為低功耗廣域網路通訊技術的一種，Semtech公司於2013年發布的超長距離低功耗數據傳輸技術。以往，在LPWAN產生之前，似乎只能在遠距離以及低功耗兩者之間做取捨。而LoRa無線技術的出現，改變了關於傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，不僅可以實現遠距離傳輸，並且同時兼具低功耗、低成本的優點。
在此系統中，採用RYLR890模組，其具備優異的隔絕干擾抑制、低接收電流、高靈敏度等特點。當用於節點資料的傳輸時，不僅可減少資料遺失，亦可提高資料的完整性。
太陽能發電原理
太陽能發電是把光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式。主要是透過太陽能作為偏遠地區電力的設備或是以綠色環保為供電的來源。在此，我們將提供單一物聯網節點的供電來源。在此系統中，於每一個節點配置一太陽能板型號Bb06-04，規格功率為1w，電池型號Ai04-04，額定電壓3.7v，輸出規格2,000mAh。
智慧型土壤感測系統結構剖析
如圖3所示，為本系統之架構圖。其中每一個方框則為一個LoRa子節點。此系統運用HT66F2390為主要節點，以及子節點部分則連接土壤感測器與溫溼度感測器。為了使子節點的分布可以更加地分散，並且不會受到地域的影響；因此，本系統透過太陽能電池供電，並可布置出適量的節點數目。
而透過此系統的設計，可將所要監測區域內的所有土壤資料經由HT66F2390處理，再將資訊藉由LoRa模組傳到主節點。最後，將所有資訊藉由NB-IoT模組上傳至資料庫儲存。主節點部分同步顯示各節點資料，供使用者觀看，亦可透過網頁從電腦端即時監看，或使用APP在手機上即時瀏覽。
如圖4所示，為本系統之硬體方塊示意圖。其中，標示出每一個模組或是感測器的通訊介面。例如，運用I2C匯流排讀取溫濕度感測器，運用RS-485介面讀取GPS模組所內含資料，以及運用UART介面讀取土壤感測器的數值。
軟體部分
如圖5所示，為本系統之應用程式流程圖。在程式初始化完成後會先與子節點上的LoRa模組進行連線，連線完成後主節點會開始接收子節點端回傳的感測值。若收到的值有超標或是異常，本系統就會立刻在網頁顯示異常數值提醒使用者該注意到監測場域的環境狀況。
智慧型土壤感測系統測試方法
如圖6所示，為節點傳輸資料格式，其由左至右分別是定位判斷、緯度、經度、土壤溫度、土壤濕度、電導度、溫度與濕度感測數值。
系統實體設計
如圖7所示，則為實際戶外測試的實體圖。透過多組的LoRa傳輸將可擷取該區農地土質的相關資訊，便於後端的分析處理。
感測數據收集與呈現
如圖8所示，則為遠端量測的數據值。透過本系統，將可了解農地的土質之大數據分析，並作為監測農地完整的數據呈現。資料庫會將其收到的節點情況資訊(例如，土壤溫度與土壤濕度)與即時分析，並以圖形化的方式呈現，供使用者做後續的追蹤分析。而使用者即可一目了然地掌握土地資訊情況。
GPS衛星定位測試
如圖9所示，為使用者登入後的首頁畫面。除了將各個節點的最新資料顯示於網頁上方，節點所在位置以Google Map顯示之外，也提供進一步的資料查詢，提供更友善的資料查詢。
節點耗電量測試
目前子節點耗電數據，透過電力分析儀測試後，可分別測得待機時，消耗0.37mA與運作時，消耗84.7mA。而電池實際可用容量約為2,800mA/h，若系統以10分鐘傳輸一筆資料，且每一次工作時間為10秒的運作時間下，去做每日總耗電量的計算。
與此同時，在經過每日總耗電量的計算之後，我們可以得到以下的數據： (84.7/3600)*10+(0.37/3600)*590=0.295mA/h(每10分鐘總耗電量=待機時間*待機耗電+工作時間x工作耗電)。每日總耗電量=每10分鐘耗電量*每日傳輸資料筆數，則為0.295*144=42.48mA/h。
換句話說，在理想情況，不受外在因素影響下，整體系統完全可以依靠太陽能發電自給自足。即便是連續天日照不足的氣候，也能持續運作超過一個月。
LoRa數據傳輸測試
如圖10所示，為LoRa連線距離傳輸測試。經過我們的傳輸距離測試，至少超過800m，而透過增益天線與電路的匹配設計，傳輸距離可能達數公里之遠。也即是除了減少測試環境對本系統布置的限制外，更能協助我們獲得更完整與大面積範圍的土地資訊。
NB-IoT數據測試
表1為NB-IoT模組在不同電信公司與地區下的連線測試表。因此，本系統在實際場域周圍的NB-IoT收訊是沒有問題。
導入物聯網技術有效減輕人力負擔
隨著科技化時代的來臨，許多電子產品或智慧生活方面等產品推陳出新，但電子產品應用於農漁牧業的相關場域上，則是較不為人所知的。
而農產品相關的食品安全與環境污染中，如重金屬汙染等問題則是不斷地需要人們更加重視的。在此前提下，本作品實作出一套可應用於目前農業場域的智慧型土壤感測與物聯網系統。
而近年來農漁牧產業的人力嚴重短缺，除了人力不足的問題外，農場場域較大不易管理也是一大需解決的方向，所以更需要大量人力投入管理與監測土地的品質狀況。也因此，需要透過此一環境監測系統來長時間的監測土壤狀況，以達到節省人力成本，以及方便人員監測與管理土壤之效果。
最後，透過在雲林縣農地的實測中，驗證本系統的可行性與應用性。未來將結合農民與相關產業來推廣此系統，以建立智慧農業物聯網的最後一哩路。
