設計有效的智慧灌溉系統：成功的關鍵特點和策略

您是否知道，世界上有多達 70% 的取水量用於灌溉？可悲的是，這也是大多數水白白浪費掉的地方；有大約 60% 的灌溉水因為蒸散作用、土地逕流和低效率的使用方法而流失。隨著全球人口增長且淡水資源減少，我們必須採取緊急行動，在全球改善水的收集、使用和儲存方式。這凸顯出我們有迫切需求，必須以更智慧、更有效的方式管理資源，尤其是在物聯網 (IoT) 推動的新興產業中。我們將在此深入探討智慧灌溉的領域，以及這對緩解全球日益嚴重的水資源壓力程度方面有何關鍵作用。

圖 1.灌溉噴水系統。(圖片來源： Radiocrafts)

因此，在這篇部落格文章中，我們將探討影響智慧灌溉市場的關鍵推動因素、找出需要解決的具體挑戰，也會介紹 Radiocrafts 工業 IP 網狀網路解決方案 (RIIM)，以作為智慧灌溉系統的潛力解決方案。

智慧灌溉市場的推動因素有哪些？

對環保系統和永續資源管理的需求，已成為智慧灌溉市場的推動力之一。開發高效且對環境負責的建築物，盡可能將人類的生態足跡降至最低，這樣的需求越來越多。此外，以符合成本效益的方式達到這些目標，也是越來越受重視的要求，以便讓這類基礎設施的開發更容易取用且可行。

智慧灌溉具有非凡的能力，能讓以前荒涼的地方 (包括沙漠地貌) 達到灌溉系統的發展和糧食生產。這似乎有悖常理，但透過智慧灌溉，就可徹底改變對沙漠的看法：不再是貧瘠的荒地，而是生產糧食的沃土。這項技術有潛力能將乾旱的土地轉變為翠綠的糧食生產天堂，以便我們因應全球人口增長隨之而來的糧食需求。此外，智慧灌溉在貧困地區尤其重要，例如非洲撒哈拉地區，在地的糧食生產在餵養人口和改善糧食安全方面可發揮關鍵作用。

圖 2：沙漠環境中的先進農業。(圖片來源：Radiocrafts)

然而，智慧灌溉市場也面臨特定的限制，例如取水的限制、耕地的可用性，以及是否有足夠人力可有效管理灌溉系統。

智慧灌溉需要解決的具體問題有哪些？

在打造有效的智慧灌溉系統時，有幾項無線通訊挑戰必須克服。一些關鍵的要求包括：

• 可靠的連線：達到低封包遺失率，以及 99.99% 的高封包接收率，以確保通訊穩健可靠。
• 低延遲：針對不可接受延遲的即時性應用，達到大約 10 ms 的低延遲，同時也適用於可容忍稍長延遲的應用，例如流程監測與維護作業監督等緩慢行動的過程。
• 足夠的距離和覆蓋範圍：在遼闊的半開放式農村環境中提供廣大的距離和覆蓋範圍，以確保整個灌溉系統享有順暢連線。
• 雙向通訊：達到雙向通訊不僅可以從感測器收集資料，更可控制閥門等裝置，以便達到灌溉系統的遠端操作和控制。
• 實作簡單：在系統需要耐受極端條件的環境中，例如沙漠等嚴峻環境，必須確保實作的簡便性。
• 高可靠度：確保具備長效電池續航力，以達到可靠操作，並可減少在偏遠地區頻繁更換電池的需求。
• 安裝簡單：有利於簡易安裝，無需額外的電源佈線，因此能更輕易在眾多位置架設系統。
• 空中 (OTA) 更新：能讓韌體進行 OTA 更新，就可達到零接觸更新，特別適合實體接觸有所困難的偏僻及難以觸及的場所。

克服這些無線通訊挑戰，對於開發強大且高效的智慧灌溉系統來說至關重要，以便在不同的環境中可靠運作，並有效針對農業需求達到最佳化用水量。

圖 3.感測器資料監測。(圖片來源：Radiocrafts)

Radiocrafts 的遠距網狀網路解決方案是智慧灌溉系統的高效解決方案

Radiocrafts 的 RIIM (Radiocrafts 工業 IP 網狀網路) 解決方案屬於全嵌入式工業 IoT 網狀網路模組，配備完整無線網路所需的所有必備元件，無需任何授權費或訂閱費用。若您購買 RIIM 模組，就可讓您的智慧灌溉系統享有現成可用的解決方案。此外，RIIM 的網狀網路架構具有自我成形、自我修復和自我最佳化的能力，因此可大幅簡化智慧灌溉系統的安裝和實作。

(圖片來源： Radiocrafts)

Radiocrafts 的 RIIM 可在半開放的鄉村環境中提供大約 80 x 80 km² 令人驚艷的覆蓋範圍。可支援設備之間長達 1400 公尺的距離，並且可以在裝置之間轉送資料多達 28 次 (28 個網狀躍點)，藉此在網路中傳遞資料。RIIM 還可針對單一邊界路由器 (閘道) 容納多達 1000 個節點，因此在大規模部署時，需要的閘道器更少，就可降低安裝成本。此外，為了覆蓋更大的區域，還可輕鬆添加另一個邊界路由器。

RIIM 的獨特功能之一就是其 ICI (智慧 C 語言可編程 I/O) 框架，可確保模組的行為可以依據每位客戶的特定要求進行客製化。ICI 應用程式會一直在模組上運作，並可對無線電網路、硬體介面以及這些介面的讀／寫操作進行配置。這表示您可直接介接多種感測器和致動器，例如土壤濕度感測器、水閥控制器、UV 感測器、雨水／冰凍感測器、風力感測器等，且無需外部電路。

此外，RIIM 還支援霧化運算 (mist computing)，可降低頻寬需求，並可達到對本地事件的快速回應。如此一來，就可在邊緣進行有效的資料處理和決策，將對雲端的資料傳輸需求降至最低，並可達到依據本地感測器資料的即時動作。RIIM 的 ICI 框架和霧化運算能力，能為智慧灌溉系統提供強大且靈活的解決方案，提供可靠且符合成本效益的效能。

圖 4：Radiocrafts 的 ICI 框架。(圖片來源：Radiocrafts)

RIIM 有個關鍵優勢就是支援雙向對稱通訊，這對於智慧灌溉系統的閥門控制而言相當重要。與其他許多專注於單向感測器數據通訊的 IoT 連線解決方案不同的是，RIIM 的設計可處理上行鏈路和下行鏈路通訊。這表示 RIIM 不僅可收集感測器讀數，也可有效地控制需要下行鏈路通訊的裝置，例如閥門。因此 RIIM 屬於全對稱式解決方案，可達到順暢的雙向通訊。

這對智慧灌溉系統來說尤其重要，因為在智慧灌溉系統中，閥門控制對水流管理和灌溉排程最佳化來說有關鍵作用。許多常見的低功率廣域網路 (LPWAN) 技術在可擴充的下行鏈路通訊方面窒礙難行，但 RIIM 就是專門有效處理這類要求而打造的。因此，其他許多 LPWAN 解決方案可能需要大約 1 分鐘或更長的時間才能打開和關閉閥門，但 RIIM 只需幾秒鐘就可完成動作。透過 RIIM，您可安心管理感測器資料收集和裝置控制作業，為智慧灌溉應用提供全面性而可靠的解決方案。

圖 5：閥門控制。(圖片來源：Radiocrafts)

此外，全對稱式通訊作法可在 RIIM 中促成空中更新 (OTA)。這表示，即使網路已部署且完全運作，您也可以更新使用者定義的 ICI 韌體，如此就可順利整合必要的新感測器或控制器。這對智慧灌溉系統來說尤其實用，因為有許多地方可能難以觸及且會長時間保持運作。OTA 韌體更新可確保您的系統，可在不中斷運作的情況下保持最新狀態，如此就能以方便有效的方式添加新功能或增進效能。

RIIM 也以其卓越的可靠度而聞名，這都歸功於具有時間同步跳頻 (TSCH) 的支援。TSCH 是一種網狀網路技術，可將封包衝突降至最低，並可提高整體網路可靠性。事實上，TSCH 型網路已經過證明，可以達到高達 99.99% 的可靠度水準，因此 RIIM 能為智慧灌溉應用提供強大可靠的解決方案。

除此之外，RIIM 更將安全列為優先考量。採用預先共用金鑰進行加密，並支援 DTLS 端對端保密性，可確保您的智慧灌溉系統在潛在駭客攻擊下也可獲得保護。透過 RIIM，您就可放心知道系統資料安全無虞，而且灌溉流程受到保護，不僅可安心使用智慧灌溉系統，並對其完整性具有信心。

圖 6：風力感測器。(圖片來源：Radiocrafts)

RIIM 專為低功率運作而設計，非常適合仰賴電池供電的長期專案使用。舉例而言，RIIM 只需使用兩顆 AA 電池就可提供 7 年的電池續航力。怎麼辦到的？納入眾多特點且一同運作，以便將功耗降至最低，包括：

• 低功率電子元件：RIIM 採用節能電子元件，確保從一開始就將整體功耗降至最低。
• 網路葉節點的「休眠」模式：RIIM 可讓網路葉節點進入低功耗「休眠」模式，藉此降低電流消耗量，最低達 4.7 uA，因此有助於延長電池續航力。
• 可配置輸出功率：模組的輸出功率可以調整，以免發射作業期間產生不必要的功耗，並可確保僅使用必要的電力。
• 時間同步跳頻 (TSCH)：RIIM 採用 TSCH，若沒有空檔可以傳入或傳出 RF 數據封包，網狀網路路由器就會進入睡眠狀態，進一步節省電力。
• 使用 ICI 進行資料處理：RIIM 可透過使用者定義的 ICI 韌體進行資料處理，因此可大幅降低功耗。也可運用雲端運算，只將相關資料 (如超過臨界值而觸發的警報) 傳送到雲端，如此就可將不必要的資料傳輸降至最低並達到省電。

因具有令人驚艷的電池續航力，因此 RIIM 對於需要長期、低功耗運作且無法頻繁更換電池的專案來說是絕佳的選擇。

可從中學到什麼？

在全球人口持續以前所未見的速度增長下，我們有限的資源，特別是天然水源，將越來越稀缺。這個急迫的現實突顯出，我們有迫切需求，應該盡可能有效地利用有限的資源。物聯網 (IoT) 儘管是相對較新的概念，但在達成此目標方面已有顯著進步。IoT 產業在智慧灌溉領域有顯著貢獻，不僅發揮最大效率更兼具環保。打造有效的智慧灌溉系統必須符合多種要求，例如遠端 RF 模組、廣大的覆蓋範圍、雙向通訊和低功耗等。Radiocrafts 的工業 IP 網狀網路解決方案不僅符合所有要求，更具有傑出表現，因此是智慧灌溉的理想方案。透過 IoT 的力量，我們可以在水資源的永續使用和節水方面達到重大進展，更可促進環保、高效的未來。