宜蘭縣員山鄉深溝村有一群年輕人,因為對農業的熱情,從軟體人變成「作田人」,將軟體工程的專業帶到耕種的田地,試圖以科技的方式,解決耕作時會遇到的各式各樣問題,他們不是一般的農夫,也不是大家所想像的科技農夫,而是運用開源軟體,打造農業新應用的「開源自造科技農夫」。(圖片來源/陳幸延)

在眾多軟體高手雲集的2017年開源人年會(COSCUP)上,有一群年輕人看起來格外不同,曬得通紅的健康黝黑膚色,在軟體工程師中格外亮眼,他們不只是軟體工程師,更是一群善用開源科技的「作田人」。

就連在開源人年會開場,前行政院院長張善政都分享了自己靠開源技術管農田的經驗。張善政每逢週末都會到花蓮自家農地從事農作,最近找來一位朋友,利用開源軟體,用空拍機從高處拍攝農地後,運用影像辨識技術來計算農地上的西瓜數量,而不用走遍整塊田地一一清點。

後來,這個工程師還將這支程式,用來計算養鴨場上的鴨子數量,最近颱風接連來襲,張善政這個朋友乾脆還寫出,可以空拍盤點樹木倒塌數量的應用程式。

張善政呼籲,要重視開源社群中的合作、共享和創新的特質,且臺灣可以善用開源社群的力量,尤其從AI的應用開始投入,而農務正是其中一個運用場景。

臺灣開源自造科技農夫共同打造新農耕模式

不只有張善政變成了科技農夫,宜蘭縣員山鄉深溝村也有一群年輕人,因為對農業的熱情,從軟體人變成「作田人」,將軟體工程的專業帶到耕種的田地,試圖以科技的方式,解決耕作時會遇到的各式各樣問題,他們不是一般的農夫,也不是大家所想像的科技農夫,而是運用開源軟體,打造農業新應用的「開源自造科技農夫」。

「一開始什麼都不懂,就跟著老農夫學。」科技農夫陳幸延在兩年前辭去軟體工程師的工作,一頭栽進了種田的行列,過去他從來沒有接觸過農業,一開始就從頭跟經驗老道的老農夫學起,學習過程中,還認真地將老農夫傳遞的知識,以及每一個步驟,都詳細地記錄下來。

不過,等到陳幸延實際耕作時,才發現,近幾年氣候變遷越來越劇烈,跟老農夫學來的這些經驗,沒辦法因應多變的天氣。

以宜蘭來說,以前每年有200多個下雨日,農夫幾乎是天天都要帶著雨衣,但是,現在則不然,就連最會下雨的冬天,也要到12月才會降雨,光是憑藉著,陳幸延過去1,000多天的耕種經驗,他認為,無法累積出有用的參考依據,於是,陳幸延開始想辦法,要試圖解決這個問題。

首先,為了得到更準確的氣候資訊,陳幸延先從中央氣象局的開放資料平臺上找資料,花了一番功夫才整理出可用的資料,不只得從10年份的表格資料中,統計出10年的在地氣候數據,才能進一步轉換成資料分析所需的格式,最後還得自製一支程式,將氣候變化的趨勢視覺化。

雖然完成了這個工具,但這些圖表卻不實用。一來這個氣象站距離深溝村還有段距離,而且位於半山坡,測站收集到的天氣數據,無法呈現出深溝村平地農田的情況,光是氣溫就相差許多。因此,陳幸延決定開始自己動手組裝一套「微型氣象站」。

陳幸延參考了中央氣象局氣象站所用的設備,自行購買零件自己組裝,還撰寫了程式,蒐集感測器回傳的光照、風向、風速和雨量等數據,再利用這些數據,來製作出更準確的長期溫度變化圖,判斷耕作的時機。「有了這些感測器收集到的資料,長期累積後,才可以知道在地的溫度趨勢。」他解釋。

陳幸延還分析了在地商店的數據,掌握每個季節適合耕種的作物,他還建立了一個農作物資料庫,可以用視覺化的方式,來預測未來3個月內適合種植的作物。

不過,只靠自製氣象站還不夠,「我不可能知道田裡發生的事!」於是,陳幸延他們這群科技農夫,進一步開始自製田間感測器,例如,水田裡設置了水位計,菜園則有土壤濕度計。

現在只要半夜出現豪雨,陳幸延在家裡就能立刻掌握田裡的變化,不用像過去,每逢半夜下大雨,得等到一大早出門巡田才能知道,

「科技帶給人方便,自動裝置可不可以更方便呢?」他搖了搖頭,因為越聰明的程式,越會傳送各種訊息,來通知農夫農田的狀況,「現在反而上下午都要去田裡!」陳幸延笑著說,但即使工作變多了,他卻甘之如飴。

對於剛投入耕種的年輕小農而言,陳幸延並沒有太多的預算來負擔耕作的成本,什麼都要自己動手做,就連電動除草機也要自己DIY。市售電動除草機大約要2萬元,而陳幸延自己製作的除草機,成本卻只要不到2,000元。

愛上耕種的陳幸延,體會到農村的生活與都市其實大不同,「要與當地村民保持良好關係,」在農村,人與人之間的關係非常緊密,常常需要互相依賴、幫忙,這讓他更意識到建立社群對農業的重要性。

於是,陳幸延決定租下了一塊空地,來打造出一個開放農業的實驗基地,稱為「Open Hack Farm」,提供大家實驗新科技的場所,用開放的方式一起討論想法、動手做出工具,期望在農業上實踐出一個可循環、結合在地和開源的經濟合作模式。

Open Hack Farm今年的研究方向包括了IoT田間感測器、開放資料、可遠端控制的農用三軸手臂FarmBot和影像辨識等。

此外,今年春天,另一個開源農業專案「阿龜微氣候天眼通」,也和Open Hack Farm社群聯手,以物聯網技術與資料科學技術,結合在地青小農,來發展農業微氣候分析應用,他們還因此在今年g0v公民科技創新獎助金競賽中,從94件專案脫穎而出,成為最終獲選的8件得獎專案。

自造農具1|微型氣象站

這部陳幸延自行製作的微型氣象站(WeatherBox)就設在農地旁,可將現場的光照、風向、風速和雨量等數據,傳到後端程式,產生最貼近農田的在地微氣候趨勢圖。圖片來源/陳幸延

自造農具2|田間水位計

水位高低影響了水田稻米的生長情況,過去每逢半夜下雨,就得一大早出門巡田開水道放水或進水,現在有了無線傳輸的水位計,在家就能掌握水田情況。圖片來源/陳幸延

自造農具3|田間感測器

土壤情報是種田的關鍵,科技農夫們決定自製能即時偵測土壤溫、濕度變化的田間感測器,從電路板到撰寫程式通通自己來,還結合太陽能版和電池來延長運作時間。圖片來源/陳幸延

資料科學走進農業,自製工具蒐集微氣候數據

阿龜微氣候天眼通的阿龜一詞取自於「Agri」的諧音,同樣以宜蘭的深溝村為實驗基地,要運用資料科學技術來解決臺灣農村的問題。

阿龜微氣候天眼通運作架構

為了蒐集最能反映農地現況的微氣候資訊,阿龜微氣候天眼通專案,彙整田間感測器蒐集大量資料,來建立微氣候資料庫,並透過儀表版App,讓科技農夫在家就能掌握田間狀態。圖片來源/吳君孝

在今年3月獲選g0v公民科技創新獎助金後,正式啟動專案,要用開源軟體打造出給臺灣農民使用的微氣候工具,先以深溝村農民的需求為主,結合物聯網的技術和資料科學,先將深溝村的示範場域的應用完成候,再開始向外拓展。

阿龜微氣候天眼通團隊中有一位資料科學家吳君孝。他過去在許多領域,都擁有豐富的資料科學經驗,曾經分析警政情資、環保、食安和農業等中央部會的資料,不過,吳君孝曾經提出很多建議和計畫,但後續發展都不如他的預期。「與其一直講,不如動手做!」於是,找了幾個開源社群的朋友,一起出來發起了阿龜微氣候天眼通專案。

這個團隊目前大約有20多人,來自不同的領域,包含金融業工程師、前端工程師、軟體工程師、分析師、行銷人員,甚至還有導演幫忙拍攝影片。專案主要目的是幫助青農,吳君孝解釋,過去農村社會人口老化,但近幾年出現轉變,開始有年輕人回來務農,但他們由於缺乏務農經驗,導致青農投入耕種的門檻偏高。

雖然青農可以到農學院上課,也能向老農請教,但是吳君孝開始思考除了這些方式之外,「能不能創造工具讓青農自己學習?」另外,年輕的小農有時間和熱情,卻欠缺足夠資金來購買高單價的農業器具,「能不能找到年輕農夫可以負擔的方式,來協助他們工作?」吳君孝自問。

「很多科技計畫結束後,沒有普及到農民身上!」他認為:「原因就是技術轉移費用過高,好技術走不出實驗室,沒有在真實環境執行,也沒有辦法真正幫助到農民,」因此,吳君孝去年花了一整年的時間,走訪臺灣各地拜訪農夫,也了解現在農業的狀況,他要用開源的方式,打造出「在地農民可用的工具」。

「農業是看天吃飯,」吳君孝希望可以透過遠端監控的工具,讓農夫可以決定到底要不要去巡田,減少勞力的浪費,也希望提供整合數據分析的工具來幫助農夫耕種。

「讓農夫不用過勞」是阿龜微氣候天眼通團隊想要實現的目標。要做到這一步,氣候數據是決定出門與否的關鍵,但吳君孝指出,中央氣象站的資料不能反映出真實的農田資料,尤其臺灣地形特殊,可能山的這邊正在下雨,另一邊卻沒有,再加上目前官方氣象站的測站數量少,就算用推估的方式也很難得知真實的數據。

「中央氣象局可以參考的資料有多少?」吳君孝說,真的太少了,且氣象局資料是透過內插法網格化方式,來推估深溝村的氣溫,並不夠準確。後來他實地走訪農田,在地農夫才告訴他真正的關鍵,「農田最重要的是土壤」,但中央氣象局提供的是廣域氣候資訊,沒有土壤溫度和濕度資料。

因此,阿龜微氣候天眼通團隊透過微氣候氣象盒子和田間感測器收集數據,包含溫度、雨量、風向、濕度、紫外線、日照強度等11種類型的數據,經由LoRa無線網路技術傳輸到雲端資料庫,最後分析結果將顯示在即時監控農用儀表板,提供氣溫、濕度、土壤溫度等關鍵資訊的視覺化即時監控圖表,甚至,還有依據農田的溫度和濕度,來預測福壽螺的出沒機率,作為當作農夫們決策的參考。

若遇到無法親自蒐集的資料類型,吳君孝則會介接其他的外部資訊,舉例來說,因為法規的規定,團隊不能自行產生氣象預報資料,就得介接中央氣象局的資料。

影響微氣候資料科學分析成效的因素,包含農業環境數據、田間紀錄和作物生長指標。但吳君孝指出,目前最難的取得的是田間紀錄和作物生長指標的資料,尤其要蒐集到可用的分析資料,需要專家協助進行田間紀錄,一開始就得將數據正規化,如資料類型等規格都要統一,他坦言,一開始他們光是進行資料正規化就花了非常多時間。

另外,作物生長指標的數據收集也是一大挑戰,如NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)、葉片面積、重量和長度等指標,設法從真實環境中,直接取得這些指標數據是阿龜微氣候天眼通團隊,目前正在努力的工作。

即時監控農用儀表板系統架構

這套開源農用儀表版系統架構分為三層,包括了IoT感測層(Wi-Fi和LoRa傳輸技術),數據處理層(Python搭配MariaDB)和分析應用層,並串接了第三方的開放氣象資料。圖片來源/吳君孝

農用儀表板即時監控畫面

農夫不用過勞是這群科技農夫的目標,透過農用儀表板可以即時掌握光照、溫度、濕度、水位等農田情報,甚至可以預測福壽螺出沒率,來決定要不要出門。圖片來源/吳君孝

軟體開發與耕種大不同,但都要善用開源社群的力量

Open Hack Farm去年才成立,因為農業的實驗,漸漸地聚集了一群不一樣的科技農夫,也建構出聯繫科技農夫的重要社群,另一位社群中的科技農夫林進錕也表示,幾年前就有想耕田的念頭,直到去年因緣際會下終於也來到了宜蘭縣種稻米,認真的他甚至還跑到社區大學上課,學習如何耕種各種作物。

在投入耕種後,林進錕才發現,耕種和軟體開發不同,耕種會因為每年的天氣變化、每一塊田地的土質、播種的籽和秧的不同,甚至是每個人的耕作方式也不大一樣,而產生不一樣的變化。這些問題也沒辦法Google找答案,但「軟體開發和耕種有一個共同點,都需要開源社群的力量。」他說。

依照林進錕的觀察,農村目前面臨的困境是缺乏足夠人力,還有耕種知識無法完整傳達,他呼籲大家開始一同參與,因為過去大家對農耕資料了解太少,應該要用科技的方式,了解數據找出耕作標準,也要將知識和經驗用開源的方式,與更多人共享,找出最適合的耕作方法。

社群共同打造的自動耕種機器人FarmBot
和開源軟體一樣,社群也是這群科技農夫最大的武器,BIOS工程師侯專益在今年COSCUP開源人年會中,展示了他們自己組裝的農業機器人FarmBot。圖片來源/阿龜微氣候天眼通

 開放農業實驗基地 Open Hack Farm小檔案 

● 成立時間:2016年
● 地點:宜蘭縣員山鄉深溝村
● 理念:為農業創造循環、在地化和開源的經濟合作模式
● 最新方向:IoT田間感測器、開放資料、可遠端控制的農用三軸手臂FarmBot和影像辨識等
● 最新專案:阿龜微氣候天眼通
資料來源:iThome整理,2017年8月


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