因此，在民以食為天的基本民生需求下，若沒有從「食」的來源端來管控或是有一套智慧生產的方式協助的話，飲食的問題就會變成不斷上演食物供需失衡的民生問題。而透過智慧農業的切入，將可逐步改善因天候或是人為所導致的各種問題。加上政府致力於智慧農業的導入與建立，以及大量大數據資料的分析與應用，可望逐漸降低不斷從產品生產過程或民生需求所產生的問題。換言之，在智慧農業中，用來量測飼養的家禽或水禽重量的應用於智慧農業之智慧型計重檯秤系統，就有其被開發的需求。
近年全球人口越來越多，糧食的需求也慢慢增加，同時受到氣候變遷所導致的極端氣候及鄉村人口老化、少子化的影響，導致農牧業人力減少許多。因此，政府開始推動智慧農業，結合無線通訊科技進行資料的蒐集，透過資料的整合及分析，減輕農場作業負擔及降低勞動力需求，建立更有效率的農場經營。其中，關鍵元素與作法包括制定相關農業科技策略，發展農業科技技術跨域整合之創新農業技術，重視農產品衛生安全與營養需求，並運用物聯網(IoT)、雲端運算(Cloud Computing)與大數據(Big Data)等技術，進而提升產品附加價值。
文中將說明整合紅外線觸控框(IR Multitouch)介面與具備RS-232串列介面的傳統計重檯秤裝置，該裝置運用邊緣運算的概念，精準地擷取與收集禽隻的數量與正確體重。最後，再將禽隻的體重與數量結果透過NB-IoT無線通訊模組傳送至網頁上，並紀錄每天禽類體重長成的過程，以了解如何孕育出最佳飼料轉換成禽隻體重的最佳養殖環境。
解決台灣養殖體重測量痛點
製做本系統的目的，是針對國內本土環境所提出的應用。透過智慧禽舍採用的智慧型計重檯秤系統，可以針對不同生長周齡的禽隻進行適合其生長的重量擷取與分析，並將環境綜合資訊及參數收集於資料庫，進行分析與經驗數據累積，提高飼養管理效率與品質，並有效節省人力，邁向智慧化生產與管理。
台灣正在邁向智慧養殖，會使用智慧禽舍來監控家禽或水禽的生長環境與飼養過程。其中，最難收集到的數據就是家禽或水禽的成長體重，因為無法固定禽類的動作與位置，使得禽類的重量數值僅能估算或是常出現誤差值。因此本裝置利用紅外線多點觸控取代影像辨識，來計算禽類的數量，可更準確且方便的偵測禽類的數量。一般影像辨識都需要經過較繁瑣的演算法與軟體分析，技術性較高且花費時間多，還會因為光線等外在因素導致判斷錯誤。而改用紅外線觸控框介面，則可以更快速且方便的取得數量，同時搭配計重檯秤取得重量數據後，即可上傳至網路，農場主人便能隨時隨地查看禽類的生長曲線。
此外，此裝置亦內建各種禽類的成長曲線表，確認所擷取的體重是否超出標準值的上下限，進而確保系統收集到準確的禽類體重。由於不同禽隻類型的成長重量曲線不一樣，因此可以運用指撥開關來設定所飼養的是否為家禽(雞)或水禽(鴨)，進而達到智慧化傳統計重檯秤的目標。
紅外線感測取得精準數據
在應用於智慧農業之智慧型計重檯秤系統設計中，使用Holtek HT66F2390微處理器為核心。其中，主要利用紅外線觸控框取得感測資料，再使用NB-IoT模組將資料存入資料庫，供網頁監看與使用。
UART串列介面
UART是一種通用非同步收發傳輸器，通常稱作UART，其為將資料由串列通訊與並列通訊間傳輸轉換。UART通常用在與其他通訊協定(如EIA RS-232）的連結上。在串列傳輸通訊協定的格式內容中，是由四種資料共11個位元所組成，共分為起始位元(Start Bit)、資料內容(Data)、奇偶同位元檢查碼(Priority Bit)、停止位元(Stop Bit)。
如圖1所示，資料透過FIFO(First Input First Output)的方式，由最低有效位元(Least Significant Bit, LSB)開始傳輸直至最高有效位元(Most Significant Bit, MSB)，奇偶同位元(PB)可以選擇忽略不使用。在此系統利用計重檯秤 (DHBH-W)的UART串列介面，讀取磅秤上的重量，並以UART將資料傳輸至微處理器解析。最後，再透過NB-IoT無線通訊模組(SIM7020E)，以UART做初始化，並將處理後的資料透過NB-IoT無線通訊模組上傳至MQTT伺服器。
USB通訊協定/人性化介面
由於紅外線觸控框為USB HID人性化介面裝置。因此，須了解USB協定的基本原理。在USB完整的通訊協定中，包含了USB封包、傳輸類型、描述元、裝置要求、群組等USB規格書中相關的協定。唯有遵循此協定，才能執行USB周邊裝置與PC之間的資料傳輸與命令的設定。如下圖2所示，顯示了USB主機端如何與裝置執行通訊協定的傳輸格式。從圖2中，也可看出一個通訊協定所需包含的各種封包與各類型欄位。
在USB的傳輸中，因不同周邊裝置的類型與應用，訂定了四種的傳輸類型，分別是控制型傳輸(Control Transfer)、中斷型傳輸(Interrupt Transfer)、巨量傳輸(Bulk Transfer)以及等時型傳輸(Isochronous Transfer)。其中，需要特別注意的是慢速裝置僅支援控制型傳輸與中斷型傳輸而已。在USB裝置中，則針對不同裝置的應用特性，個別地執行中斷傳輸、巨量傳輸或等時傳輸。
而USB HID人性化介面裝置是直接與人互動的設備，例如鍵盤、滑鼠與搖桿等，而本系統所採用的紅外線觸控框介面亦為HID人性化介面裝置，其具有以下功能。
·模擬鍵盤、滑鼠輸入指令
·不需加裝其他特殊驅動程式，裝置插上即可使用
·能遊玩眾多使用鍵盤及滑鼠操作之遊戲
·可提供跨平台之操作，方便安裝與移植
但紅外線觸控框介面因有其特定的報告描述元，需透過USB分析儀剖析，進而了解紅外線觸控框介面的觸控資料，以及了解到多少隻禽類的腳爪是踩在計重檯秤上。
在本設計中以微處理器內建之GPIO訊號，來模擬與控制USB HOST(SL811 USB Board)晶片內部暫存器，以解析USB HID人性化介面裝置的訊號。將其應用在紅外線觸控框介面的USB訊號解析，並將其訊號解析值透過GPIO訊號傳入微處理器。最後，再將紅外線觸控框介面的資料加以分析，得出進入紅外線觸控框介面之禽類數量，並取得平均每一隻禽類的重量。
紅外線觸控框
紅外線觸控框技術的操作原理是利用紅外線矩陣組成橫列與縱列的掃描線。當光線被遮斷時，即可用來判斷觸碰位置，圖3即為紅外線觸控框介面的操作示意圖。如同電影裡常見的紅外線保全系統，其優點是透光率高，反應速度快，準確性也好。而觸控螢幕依原理不同，可以分成電阻式、電容式、波動(聲波、紅外線)式等。而本設計使用的是紅外線波動式。此紅外線波動式的觸控框較不易受到電流、電壓和靜電干擾。
一般來說，紅外線觸控框介面是具備USB HID人性化介面群組的功能，因此，需要以USB HOST技術來抓取紅外線觸控框介面所反應的多點觸控的資訊。在本設計中，即可擷取到有多少的禽類的爪在此框內，並進而取得禽隻的數量。整體設計以紅外線觸控框介面所反應的多點觸控的資訊，並擷取有多少的禽類的腳爪踏在紅外線觸控框介面中，進而判斷禽隻的數量。
NB-IoT 無線通訊模組
窄頻物聯網(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)是依據3GPP國際標準規範所研發的新技術，具有低功耗、低成本、廣覆蓋、大連接等特性，適合用於建設智慧城市的各項發展，如：車聯網、智慧路燈、智慧停車、智慧大樓、環境/空汙偵測、電池電量監控、資產追蹤與人身定位(穿戴裝置管理)等智慧應用服務。而基於授權頻譜的頻段，可直接部署於LTE網路，為5G的前導技術與低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)中最好的解決方案。
此NB-IoT無線通訊模組為本系統主要的傳輸模式，而使用的NB-IoT無線通訊模組為SIM7020E。利用微處理器內建之UART訊號，設定模組參數，使之以電信業者的NB-IoT網路SIM卡，將目前磅秤上總重量、禽隻種類、禽隻數量，上傳至電信業者基地台中。而使用者即可透過網頁端訂閱該系統，並將資料彙整分析。
軟硬結合判斷禽類生長
圖4所示為裝置的硬體架構圖，透過微處理器以GPIO的方式將Push Button之訊號接收判斷，切換不同禽類生長曲線圖之模式。其中，所有禽隻的生長曲線已經內建在系統內。接著利用SL811HS作為USB HOST介面以接收紅外線觸控框之感測資料，以及利用計重檯秤以RS-232串列介面將禽類重量回傳至微處理器中，將感測值進行解析，並進行與實際禽類生長曲線圖進行比對，來達到監控禽類生長之結果是否符合預期。最後，利用通訊模組連上NB-IoT Server儲存資料。
軟體方面，如圖5所示，當此系統啟動之後，會依照選擇的禽類去判定腳的數量。若水禽或家禽踏上計重檯秤之後，會依照禽類腳爪的數量，計算站在計重檯秤上的禽類數量，並解析禽類的生長狀態。當確認測量結果符合正常的狀態時，會將結果利用NB-IoT無線上網模組傳送至網路上，提供給飼養者監控禽舍的飼養與成長狀態。
已落地驗證可行性
測試過程中，以Push Button做為切換禽類生長曲線對照表的方法，再將紅外線觸控框之感測資料利用SL811HS控制並接收，以及利用UART介面將計重檯秤接收禽類重量傳至微處理器。最後，將感測值透過微處理器進行解析，並利用內建之實際禽類生長曲線對照表，將感測值驗證與處理，然後，以SIM7020E將相關的體重資料上傳並儲存至NB-IoT Server。
測試條件
在實際系統的測試中，必須先判斷磅秤、紅外線觸控框與NB-IoT無線通訊模組是否皆有初始化成功後，才可開始進行測試。其中，亦可根據實際場域的需求依序分別驗證與測試，特別是NB-IoT訊號是否能成功的連接與傳訊訊號
測試環境
此系統在測試時，須提供磅秤110V及硬體端的5V穩定電壓。而這部分在實際禽舍的環境中，可以提供相關的供應電源。而在雲林縣某實際禽舍養殖場域中，已有測試與實驗，以驗證本系統之可行性。
測試流程
圖6為整體系統操作流程圖。當有水禽或家禽踏入磅秤中，即開始記錄禽類數據。其中，透過內建之禽類生長曲線理論值之表進行比較，藉由該表進行錯誤數值的過濾，並將合理數值儲存至微處理器之Flash Memory中。最後，再透過NB-IoT 無線通訊模組抓取測試時間，以取得參考時間值，並於設定時間中，將Flash Memory所內存的之重量值，並藉由NB-IoT通訊方式傳輸出去。
整合感測/通訊功能
圖7為產品的外觀圖。其中，將測量結果經過處理與分析後，送至伺服器端。而伺服器在蒐集完一天的資料後，會再次計算且跟先前的資料做比較，將合理的資料保存下來儲存至資料庫。而圖8為系統的禽隻重量的成長曲線網頁圖。其中，黑色為預計生長曲線，灰色為生長曲線，往後在網站上可觀看資料與參考值，即可監控禽類的生長狀態與哪種環境適合牠們生長。因此可以正確地了解最重要的禽隻的重量，並進一步了解智慧禽舍的建置環境是否符合最佳的生長環境。換言之，智慧型計重檯秤系統可以滿足目前實際智慧禽舍的禽隻體重的量測需求，並成為智慧農業中，相當重要的模組系統，其重要性不言可喻。
但因紅外線觸控框易受到灰塵、油汙、禽類排泄物甚至液體都會干擾，進而造成錯誤判讀。因此，使用前都需擦拭。這也是本裝置使用一段時間後，會產生需清潔與保養的問題。但相對的來說，本系統的便利性還是有其優勢。
應用於智慧農業之智慧型計重檯秤系統整合紅外線觸控框介面與具備RS-232串列介面的計重檯秤，並運用邊緣運算的概念，精準的擷取與收集禽類的正確體重。最後，再將禽隻的體重與數量結果透過NB-IoT傳送至網頁上，將每天禽類體重長成的過程都記錄下來，以了解如何透過適當的飼料選擇，增加禽類體重，規劃最佳養殖環境。
(本文作者許永和為虎尾科大資工系教授；顏子翔/曾逸軒/蕭偉哲為虎尾科大資工系學生)
