田间湛水感测装置、感测系统及感测方法

摘要

本发明提供了一种田间湛水感测装置、感测系统及感测方法。所述感测装置包含电导度尺，其设有至少一个侦测点所述至少一个侦测点设有电导度电极组；电路单元，与所述电导度尺电性连接以为其提供电压和/或电流信号以及接收来自电导度尺的侦测信号；以及电源供应单元模块，其与电路单元电性连接以提供所需电源。本发明还提供一田间感测系统，包含一云端服务器、至少一田间湛水感测装置以及一远端监控平台服务器。因此，本发明能够即时监测水田湛水深及比电导度以求达到最佳化水资源利用、节省水田用水量，降低植物损失率，同时可管理水田肥料施用量，提高产量，质量和利润等效果。若有工业废水污染水田灌溉用水，本系统可作为预警之用。

说明书

技术领域

本发明涉及田间用水侦测领域，特别是关于一种整合物联网架构、感测装置及监控平台的田间湛水感测装置、感测系统、及感测方法。

背景技术

现今，由于环境污染问题、都市化效应、滥垦滥伐以及降雨形态的改变导致可利用水资源越来越少，如何因应自然界的气候变迁，是全球必须共同面对的课题，必须加以调整水资源的经营和管理方式；另外，人为的不当破坏，则须由严格的规范和彻底的执行，才能有效提高管理的效率来改善。因此，必须加强水资源的管理。经由有效的调配和管理不但可以减少水资源的浪费，更能提升水资源的使用效率。

目前水稻田的灌溉多以人工操作配水，因此导致灌溉水量无法精密控管，调控过程的输水损失亦无法精确计算。而随着气候变迁导致丰枯水期降雨不均现象更加剧烈，若能由用水量最大来源的水稻田用水，以精准调配水量的技术，节省用水，应可大量提升不同用水标的的水资源调配空间，为目前极重要的发展领域与方向。

田间用水管理，以维持适当的湛水深度为关键，即于水稻插秧后，在水田维持适当的淹水深度，以缓冲环境对水稻生育初期所造成的不利影响。维持湛水深度的时间一期作约30-35天，二期作约20-25天，水深约为4-6公分。除此之外，适当的湛水深度有助于提升水稻吸收所需的水分及养分，并保持土壤的还原状态使杂草种子不能获得足够生长机会，以达到有效控制杂草的目的。因此，水稻田的湛水深度管理除了关系到农作灌溉的水资源利用外，对稻作的生长亦十分重要，也就是农夫在稻作期间每天巡田水的主要原因。

由于面临因气候变迁或原本水资源不足区域，近年，国际间推动稻作强化体系(System of rice intensification,SRI)或在雨季使用深水密植栽培(Deepwatermanagement practice,DMP)；其中，SRI采用干湿交替灌溉(Alternative Wet and Dry,AWD)，并于不同水稻生长期时期保持不同湛水深度，可以有效节省灌溉用水量，且土壤通气性措施，改善水田生态环境，提高回归水品质，提高稻米品质等好处。但所述方法对湛水深度的管控更严格，是推动的主要困难之一。

由上述可知，水稻田的湛水深度管理除了关系到农作灌溉的水资源利用外，对稻作的生长均十分重要，然而目前仍缺乏有效即时的管理方式，对水稻田的水资源管理与稻作生产确实是亟待解决的问题。

除了上述所说关于水资源的管控之外，精确农业(Precision Agriculture)被认为是现代农业(Modern agricultural)第三波革命的关键，精确农业中利用大量的即时监测器/感知器(Real-time sensors)监测农作物的用水状况、湿度、NP营养盐、pH、EC等数据，使农业生产的效率得以提升。精确农业事实上是物联网应用在现在农业的实践之一，提升水稻田的灌溉用水管理效率外，提高水资源的调配的弹性。

发明内容

有鉴于此，本发明人藉由开发智慧化电导度尺及进一步结合物联网建立即时智慧化水稻田用水及水质管理系统，以即时监测水稻田的湛水深度及比电导度以求达到最佳化水资源利用、降低植物损失率，缩短生产时间，减少农药施用，提高产量、质量和利润等效果。另外，本发明亦可以做为推动水稻田精确农业化的基础。

换言之，本发明可以提供一种田间湛水感测装置，其包含：一电导度尺，其设有至少一个侦测点，并且所述至少一个侦测点设有电导度电极组；一电路单元，其是与所述电导度尺电性连接，用以提供所述电导度尺所需的电压信号和/或电流信号，并接收来自所述电导度尺的侦测信号；所述电路单元包含有激励信号源模块、信号处理与控制模块、微处理器、显示模块、数据储存模块、输出模块、以及控制节点模块；其中所述激励信号源模块和所述电导度电极组电性连接；所述激励信号源模块和所述信号处理与控制模块电性连接；所述微处理器和所述信号处理与控制模块、所述显示模块、所述数据储存模块、所述输出模块、以及所述控制节点模块电性连接；以及一电源供应单元模块，其与所述电路单元电性连接，用以提供所需电源。

根据本发明的一实施例，所述电导度尺进一步设有至少一个温度侦测点，且所述至少一个温度侦测点设有与所述激励信号源模块电性连接的温度电极组，用以侦测待测区域的水温。

根据本发明的一实施例，所述至少一个侦测点为多个，且各个所述侦测点的间距为在0.5cm～5cm的范围；较佳为在0.5～2.5cm的范围；更佳为在0.5～2.0cm的范围；最佳为在0.5～1.0cm的范围。

根据本发明的一实施例，所述激励信号源模块是以并联方式与所述多个侦测点中的电导度电极组电性连接。

根据本发明的一实施例，所述侦测信号为模拟信号或数字信号。

另外，本发明还可以提供一种田间湛水感测系统，其包含：一云端服务器；至少一田间湛水感测装置，其是经由无线网络与所述云端服务器连接，并传送至少一个侦测点的电导度信息至所述云端服务器；以及一远端监控平台，其是以无线网络连接所述云端服务器，以控制所述田间湛水感测装置并取得所述至少一个侦测点的所述电导度信息，然后基于所述至少一个侦测点的位置及所述电导度信息生成一湛水检测信息。

根据本发明的一实施例，所述湛水检测信息至少包含水位高度、底泥深度、施肥状况、降雨情形、及水质污染状况中的一种或多种。

根据本发明的一实施例，所述田间湛水感测系统进一步包含有与所述远端监控平台连接的一输入水闸控制器、以及一输出水闸控制器，用以调整输入或输出待测区域中的水流量。

根据本发明的一实施例，所述远端监控平台为智能手机、平板电脑、笔记型电脑、或桌上型电脑。

又，本发明亦可以提供一种田间湛水感测方法，其步骤包括:1.将田间湛水感测装置中的电导度尺垂直插入待测区域中直到所述电导度尺的底端接触地面进行侦测，取得所述至少一个侦测点的电导度信息；以及基于所述至少一个侦测点的位置以及所述电导度信息获得湛水检测信息，其中所述湛水检测信息至少包含水位高度、底泥深度、施肥状况、降雨情形、及水质污染状况中的一种或多种。

附图说明

图1为本发明的田间湛水感测系统的系统架构图。

图2为图1中的电导度尺10的结构示意图。

图3为图1中的电路单元11的内部架构示意图。

图4为本发明的实施例1至3中的水平衡系统图。

图5为实施例1至3中的田区模拟图。

图6A为实施例1及比较例1中的侦测点位置与电导度关系变化图。

图6B为实施例2及比较例2中的侦测点位置与电导度关系变化图。

图6C为实施例3及比较例3中的侦测点位置与电导度关系变化图。

图7A为实施例4中的侦测点位置与电导度关系变化图。

图7B为实施例5中的侦测点位置与电导度关系变化图。

图8为实施例6中的施肥量与电导度关系变化图。

图9A及图9B分别显示实施例7中下雨前及下雨后的侦测点位置与电导度关系曲线图。

其中:1：田间湛水感测装置、10：电导度尺、101：电导度电极组、102：温度电极组、11：电路单元、111：激励信号源模块、112：信号处理与控制模块、113：微处理器、114：显示模块、115：数据储存模块、116：输出模块、117：控制节点模块、12：电源供应单元、 2：云端服务器、3：远端监控平台。

具体实施方式

以下，针对本发明的实施方式列举不同的具体实施例而更加详尽地叙述与说明，以便使本发明的精神与内容更为完备而易于了解；然而，本项技艺中具有通常知识者应当明了本发明当然不受限于此等实例而已，亦可利用其他相同或均等的功能与步骤顺序来达成本发明。

在本文中，此处所用的科学与技术词汇的含义与本发明所属技术领域中具有通常知识者所理解与惯用的意义相同。此外，在不和上下文冲突的情形下，本说明书所用的单数名词涵盖所述名词的复数型；而所用的复数名词时亦涵盖所述名词的单数型。

在本文中，对于用以界定本发明范围的数值与参数，本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差，因而大多是以约略的数量值来表示，然而于具体实施例中则尽可能精确呈现的相关数值。在本文中，「约」通常视本发明所属技术领域中具有通常知识者的考量而定，一般是指代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，例如，所述实际数值为在一特定数值或范围的±10％、±5％、±1％、或±0.5％以内。

首先，请参阅图1，其为本发明的田间湛水感测系统的系统架构图。所述田间湛水感测系统是用以提供至少一用户取得湛水检测信息，其包含有田间湛水感测装置1、云端服务器2、以及远端监控平台3，以构成一种分散式监控系统。

所述田间湛水感测装置1包含有电导度尺10、电路单元11、电源供应单元12。请参阅图2，其为电导度尺10的结构示意图。所述电导度尺10是做为感测探头，能够垂直插入于待测区域中侦测电流讯号，并且将所述电流讯号传送至所述电路单元11中进行分析处理。而电源供应单元12与所述电路单元11电性连接，用以提供电路单元11 运作时的所需电源。

请参阅图2，其为电导度尺10的结构示意图。所述电导度尺10 设有刻度，并且在尺面上设有多个侦测点，且所述些侦测点上分别设有电导度电极组101、及温度电极组102。不同位置的电导度电极组 101是用以侦测不同水位的电导度值，温度电极组102则是用来侦测湛水的温度。

另外，本发明所属技术领域中具有通常知识者应可理解，图2 所示的电导度电极组101和温度电极组102的图例及设置数量仅仅为例示而已，电极组的数量、材质、外观形状、排列方式、与间距可以基于液体种类、湛水深度、湛水位置进行调整，在此不限制。举例来说，各个电导度电极组101设置的间距可以是在0.5cm～5cm的范围；较佳为在0.5～2.5cm的范围；更佳为在0.5～2.0cm的范围；最佳为在 0.5～1.0cm的范围。另外，电导度电极组和温度电极组的种类可以是双极式电极或四级式电极。

根据本发明的技术思想，当将所述电导度尺10垂直插入待测区域时，在尺身底端可利用金属垫圈、螺丝、或钉子将尺身加以连结固定于地面，防止尺身倾倒；另外，所述电导度尺10的底部也可以视情形加装具有尖端结构的元件，使所述电导度尺10能够轻易插入底泥或是土壤层之中。

接着，请再参阅图3，其为电路单元11的内部结构示意图。所述电路单元11包含有激励信号源模块111、信号处理与控制模块112、微处理器113、显示模块114、数据储存模块115、输出模块116、以及控制节点模块117。其中，电导度尺10中的电导度电极组101和温度电极组102是以并联方式与激励信号源模块111电性连接；激励信号源模块111与信号处理与控制模块112电性连接；微处理器113与信号处理与控制模块112、显示模块114、数据储存模块115、输出模块116、以及控制节点模块117电性连接。

激励信号源模块111用于将电压信号及/或电流信号传送给电导度尺10中的电导度电极组101、及/或温度电极组102；电导度电极组 101、及/或温度电极组102接收到电压信号及/或电流信号后，会产生对应的侦测信号并经由激励信号源模块111将侦测信号传送给信号处理与控制模块112，所述侦测信号可以是模拟信号或是数字信号。然后，信号处理与控制模块112再将电导度电极组101、及/或温度电极组102传送过来的侦测信号处理后发送给微处理器113。

微处理器113接收来自信号处理与控制模块112的侦测信号并进行运算分析后获得电导度信息及温度信息，然后将电导度信息及温度信息发送给显示模块114和数据储存模块115；显示模块114用于接受微处理器113发送的电导度信息及温度信息并进行显示，而数据储存模块115则是用于接受微处理器113发送的电导度信息及温度信息并进行储存。

输出模块116是用于接收微处理器113的电导度信息及温度信息，并以模拟信号或是以数字信号输出发送给远端监控平台2；控制节点模块117是用于接收来自微处理器113的控制信号，并采取相应的输出信号断开(open)或闭合(close)。

接着，说明电路单元11实际运作流程如下：

激励信号源模块111提供电导度电极组101、及/或温度电极组 102所需的电压信号及/或电流信号，电导度电极组101、及/或温度电极组102侦测待测区域进而产生类比或数字信号，并经由激励信号源模块111传送至信号处理与控制模块112并转化为可处理的数位或类比数据至微处理器113，微处理器113经过内部运算和分析后，得到测量值如电导度(或比电组值)与温度值，并将测量值传送到显示模块 114显示、储存于数据储存模块115中、以及经由输出模块116传送到远端监控平台2。另外，微处理器113也可以接受远端监控平台2 的控制命令来操控电路操作，并自动依测量值去驱动控制节点模块 117，使得输出信号断开或闭合。

远端监控平台3可通过云端服务器2获得田间湛水感测装置1 中各个侦测点的电导度数据以及温度数据，并且进行信息储存、分析、及处理，以产生待测区域的湛水检测信息并进行展示，所述湛水检测信息包含水位高度、湛水温度、底泥深度、施肥状况、降雨情形、及水质污染状况中的至少一种。设置水田中的田间湛水感测装置1运行后，通过互联网的形式传送至云端服务器2，远端监控平台3可通过云端服务器2获取上述数据，而任一用户通过应用程式的帐号登入，并经操作取得远端监控平台3的数据处理后的所述湛水检测信息。若所述用户所使用远端监控平台为手机，所述湛水检测信息可以在手机上的应用程式被所述用户读取。

由于电路单元11施加于各个电导度电极组101的电压及/或电流信号为固定值，微处理器113将电导度尺10取得的侦测信号处理分析后可经由欧姆定律算换乘获得电阻值，再利用以下的电导度公式进行换算获得电导度：

k＝G×K

其中k为电导度(S/cm)；

G为电导(S)，并且G＝I÷V＝1÷R，(R为电阻)，

K为电极常数。

接着，以下具体实施例说明使用本发明的田间湛水感测装置进行侦测的方法。

实施例1至3

在实施例1至3中是选择以水稻为主要耕种作物的灌溉区，然后根据google地图确定比例尺的整体面积大小，而后去往实地勘察，先确定进水渠道与排水沟渠的位置，并且描绘出所述地的模拟图，建立一个质量守恒的系统。

而此水稻田的水平衡系统其原理主要是藉由水文学中水平衡系统的定义而建立的。在本实施例中，将一地的数个区块的田地与其灌排的沟渠假设为一封闭的水平衡系统，并假设其系统当下所储存的水量为W

W

其中，

W

Q

Q

ET

Q

(P

另外，根据如图5所示的田区模拟图可以了解田区的进出流位置，并加以测量，根据进出流量的水位测量与流速测量，可由曼宁公式换算流量，并由此算出系统的水量，而水稻田中除了系统的输出入之外，仍有其余的系统外的损失，包括沟渠、渗漏及作物蒸发散量等等。若于一较大的田区当中以电导度尺测量区域A、及区域C两处的水位差便可求得所述田区的系统输入，并且在于特定的系统输出点观测其输出差值，便可求得所述区域的系统变化量，尽可能达到质量守恒。

掌握测量区域之后，将本发明的田间湛水感测装置中的电导度尺垂直插入进水渠道、水田进水口处、及水田中央处直到电导度尺的底端接触地面并进行侦测。

在实施例1至3中所使用的所述田间湛水感测装置中的电导度尺具有10个侦测点，其中侦测点1位于距离电导度尺底端2公分的位置，侦测点2至10则以间距1公分依序设置。然后，将田间湛水感测装置所测得的电导度数值经由无线网络传送至远端监控平台中(智能手机或平板电脑)。

各个区域分别量测20次后，将所测得的电导度值加以平均并将数值纪录于表1。由于空气的电导度趋近于0、水体的电导度约在 300-400μS/cm之间、以及底泥的电导度约在100-200μS/cm之间，因此可由所测得的电导度得知湛水的深度。

比较例1至3

在比较例1至3中，是使用市售电导度计固定于塑胶直尺上进行量测，量测区域与前述实施例1至3相同，各个区域分别量测20 次后，将所测得的电导度值加以平均并将数值纪录于表1。

表1

接着，将表1的数据结果分别绘制成图6A至图6C，其中图6A 为实施例1与比较例1的结果数据比较图、图6B为实施例2与比较例2的结果数据比较图、以及图6C为实施例3与比较例3的结果数据比较图。

由图6A至6C的结果可知，当以本发明的田间湛水感测装置进行量测时，进水渠道的水位高度约在7～8公分之间，并且水中无污泥存在；水田进水口处的水位高度约在7～8公分之间，并且水中有大量底泥存在；以及水田中央处的水位高位约在5～6公分之间，并且水中有大量底泥存在。

另外，由图6A至6C的结果亦可看出，分别以本发明的田间湛水感测装置和市售电导度计进行量测时，可获得相近的结果，显示本发明的田间湛水感测装置能够取代市售电导度计，并且进一步能够与物联网连接构成田间湛水感测系统。

实施例4至5

在实施例4及5中，分别在两处不同灌溉水道 (区域A及区域B)以本发明的田间湛水感测装置进行量测，将田间湛水感测装置中的电导度尺垂直插入直到电导度尺的底端接触地面并进行侦测，并将所测得的电导度数值经由无线网络传送至远端监控平台中(智能手机或平板电脑)。

在实施例4及5中所使用的所述田间湛水感测装置中的电导度尺具有7个侦测点，其中侦测点1位于距离电导度尺底端的位置，侦测点2至7则以间距5公分依序设置。

分别量测20次后，将所测得的电导度值加以平均并将数值纪录于表2。

表2

接着，将表2的数据结果分别绘制成图7A及图7B。由表2及图 7A的结果可看出，区域A的水位高度约在20～25公分之间，底泥深度约在5～10公分之间；另外，由表2及图7B的结果可知，区域B的水位高度约在25～30公分之间，底泥深度约在5～10公分之间。

实施例6

将灌溉用水与肥料配制成如表3所示的浓度，然后分别以本发明的田间湛水感测装置及市售电导度计量测其电导度，并将所得数值纪录于表3中。

表3

然后，将表3的数值结果绘制成图8进行回归分析后，以本发明的田间湛水感测装置所测得的电导度数值结果符合以下方程式 II(R

y＝11.943x+521.63…….II

另外，以市售电导度计所测得的电导度数值结果符合以下方程式 III(R

y＝11.943x+521.63 11.868x+555.04…..III

由上述结果可知，在湛水中的肥料含量也会影响电导度的数值，灌溉用水的电导度值会随着肥料含量增加而上升，因此可以利用在湛水中的肥料含量与导电度的相对关系绘制成检量线，并以本发明的田间湛水感测装置进行实地感测所得导电值换算获得实地湛水中的肥料含量。因此，判断水稻田的前后回归水中是否含有前端的残余肥料，同时作为下游灌溉田的氮磷肥料添加管理。

实施例7

以本发明的田间湛水感测装置量测下雨前后灌溉沟渠的电导度变化，将所测得的电导度数值经由无线网络传送至远端监控平台中(智能手机或平板电脑)，并将数值纪录于表4中。

在本实施例中所使用的所述田间湛水感测装置中的电导度尺具有 8个侦测点，其中侦测点1位于距离电导度尺底端的位置，侦测点2 至7则以间距5公分依序设置。

表4

接着，将表4的结果分别绘制成图9A及图9B，图9A为下雨前的沟渠水深与电导度变化曲线图，图9B为下雨后的沟渠水深与电导度变化曲线图。

由图9A及图9B可观察到在下雨前后沟渠中的电导度与水位皆产生了变化。可看出下雨后的沟渠水位上升，且雨水稀释原有的肥料，使得各个侦测点的电导度数值下降。

因此，本发明的田间湛水感测系统中的远端监控平台还可以进一步和一输入水闸控制器、以及一输出水闸控制器通讯连接，用以调整输入或输出所述灌溉区的沟渠中的水流量。因此，能够远端控制水位与水闸门开闭，并且针对某些沟渠段进行调整，不须经由人员前往实地勘查。

再者，利用本发明的田间湛水感测装置定时定点量测电导度，配合现场采样分析，并将相关数据传送至云端服务器，同时配合一般状况下的监测数据，能够建立一大数据库，以调配区域水稻田的供水量的最佳化分配。并可由监测值判断是否有外来污染(尤其是工业排水) 改变水质而造成电导度的变化。

因而，由本发明的田间湛水感测装置及系统，能够获得有关水位高度、污泥深度、施肥情形、降雨情形、及水质变化等湛水检测信息。

是以，由上述实施例的结果可以确认本发明具有以下优点：

1.在面临水资源的缺乏与调配困难的情况下，对于高比例用水的水稻田用水，本发明可提供一个系统化(Systematic)、即时化 (Real-time)的水稻田用水管理系统。

2.由本发明的田间湛水感测装置所测得的电导度于灌溉渠道及农田水面的垂直变化，可以同时得知农业灌排及水稻田的水位及底泥深度。另外，农业用水常受工业废水的排放污染，此电导度的时间变化常跟农业用水水质异常有关，因此，此电导度亦可作为农业用水的水质异常的预警用。

3.本发明的田间湛水感测系统具有即时监测、运算、推估的功能，能够因应各区域灌溉系统的水田高程变化、土壤性质、作物栽种情形、气候状况的不同，有效管理田间用水。

4.本发明的田间湛水感测系统同时利用物联网的概念，可提供给农民从而由手机APP可监测其所耕种农田的水深及电导度(P2M)，以降低农民巡水的工作负荷，同时农田水利管理单位可由本系统提供的信息最佳化管理水稻田的供水及水质的监控(P2M)及(M2M)。若结合自动水闸门的开启深度控制，就可达到田间湛水深度的管理，对水堤水资源管理更有助益。

5.由于降雨量不同与农业用水的水资源可用量亦逐年逐季不同，本发明的田间湛水感测系统能够建立灌溉区域在不同灌溉水资源量条件下作情境的模拟，建立水稻田的灌溉用水的最佳管理策略与水资源管理效益的分析。

在如上所列举的实施例中已经举例而具体地说明本发明的内容了，然而本发明并非仅限定于此等实施方式而已。本发明所属技术领域中具有通常知识者应当明白：在不脱离本发明的精神和范围内，当可再进行各种的更动与修饰；例如，将前述实施例中所例示的各技术内容加以组合或变更而成为新的实施方式，此等实施方式也当然视为本发明所属内容。因此，本案所欲保护的范围也包括权利要求书及其所限定的范围。