利用物聯網遠端監測系統來減緩極端氣候對環境的損害
背景簡介
全球暖化造成海平面上升，使得夏季易受暴雨侵襲，河岸壩堤和低窪地帶，可透過智慧監測來防止洪水倒灌所帶來的災難。同時，長期乾旱也導致水資源短缺，必須採取進一步的解決措施。包括災害預防和水資源管理等，這些都是與水相關的重要議題。
以四面環海的台灣為例，每逢夏季，各地經常遭受颱風暴雨所帶來的水患，或因長時間不下雨而導致水庫水位下降，民生用水面臨不足的危機。因此，低窪地區的淹水監測以及乾旱緊急應變機制一直是台灣政府長期面臨且關注的議題。
面臨的挑戰
河道防洪堤防水閘門排水設施：
河道堤防抽水站通常是無人看管的設施，使用燃油運轉以排水。然而，在需要排水時，如果燃油幫浦燃料不足，就會發生問題。因此，在平常時期需要耗費大量人力巡邏監管，造成了時間和人力成本的浪費。
低窪地區積水通報與警示設計：
暴雨所帶來的另一個災害為低漥地區積水。若有暴雨發生，低窪地區瞬間湧入大量雨水，在災情擴大前需要做到快速通報與撤離，並且做好現場警示避免不知情的駕駛人將車輛駛入積水區，造成生命財產安全損失。並且設備安裝現場多為戶外，容易受長時間曝曬以及高低溫環境溫度變化大，資料傳送也難以用有線的方式部署。
乾旱季節民生用水臨時加水站：
在乾旱季節，水庫因低水位而面臨供水不足的問題，導致水壓無法順利送達家庭。為了解決這個問題，地方政府大量設置臨時大型儲水站，透過加水車運送水源，以緩解臨時的用水需求。然而，目前臨時供水站的水量數據難以維護，只能靠人工巡檢，這造成了人力成本浪費與資訊回報嚴重延遲等問題。
如何解決?
透過下表分析，我們可以找出在環境限制下，所衍生的技術以及所對應的解決方案。
| 面臨挑戰 | 如何解決 | 優點好處 |
|---|---|---|
| 有線網路佈建不易 | 用無線技術以 NB-IOT，Cat-M1 Cellular 基地台，在手機收得到訊號的地方就可使用遠端操控。 | 降低網路建置成本 |
| 人員維護管理不易 | NB-IOT 和 Cat-M1 簡化數據量，月租費低。 | 降低維護人力成本 |
設備電力管理 | LPWA Device 設計為低耗電量，可進入休眠模式 | 降低設備電力成本 |
| 感測器 (Sensor) 的耗電管理 | 感測器的電力消耗往往被忽略，所以方案必須包含感測器的電力管理。 | |
| 現場電力取得不易 | 電池或太陽能供電方案 | |
| 遠端控制的需求 | 收集器需要能接收控制中心給予的命令控制 | 遠端監控與控制 |
| 取得數據後立即判斷並做出反應 | 設備事件功能可以設置啟動參數 (門檻值)，當數據超過或低於啟動參數，就會自動觸發 DO (Digital Output) 或縮短上傳週期，提高數據的傳輸效率。 | |
| 能對抗戶外惡劣環境的需求 | 防水寬溫，防水等級達 IP65，溫度耐受能達 -30°C ~ 70°C | 嚴苛環境下能穩定運作 |
由上表可知，若能善用以上相關技術，不但能克服現場布建條件的限制，更有降低成本、維護更便利以及寬溫下能穩定操作的優點。
應用案例
以下我們將用三個案例，說明在極端氣候下，政府單位可以針對防洪跟乾旱訴求，來設置的智慧型災害應變系統。
案例 1. 低窪地區水閘門關閉後強制排水系統油料槽油量管理：
無人管理的防洪抽水站，通常會用柴油泵浦來做為排水系統，因此油料槽的液位高度監控就非常重要。燃油有可能因為自然揮發或經過多次使用，油量逐漸減少，所以必須透過遠端監測系統的建置，來監測燃油量，以利維護管理。
油料槽油量管理系統是如何運作呢?
柴油儲存量透過益網科技 EDGE-2 Device 進行每小時一次的監測，益網科技 EDGE-2 Device 透過 RS485 / Modbus 方式詢問 PLC 壓力計的資料。然後系統會使用 NB-IOT/Cat-M1 透過 MQTT或 AZURE/AWS 把資料傳輸到雲端，再由雲端判斷後，派遣人員前往加油。過去柴油儲存量皆是透過人力巡檢的方式記錄，而今改由益網科技 EDGE-2 Device 用雲端抓取資料的方式，將會讓維護人力更精簡便利。
案例 2. 低窪地區淹水警示與通報以及河川水位監測
異常氣候下，瞬間暴雨常常導致低窪地區積水，嚴重危及人民生命安全。因此低窪地區淹水警示通報系統將能達到遠端監控以及緊急應變處理，即時阻擋洪水災害發生。
淹水警示通報系統是如何運作呢?
低窪地區的水位監測設備中配備的 EDGE 2 Device 常態為 睡眠低耗電量模式* 。每十分鐘將會甦醒 (wake up)，透過 AI / DI / RS485 取得的感知器數據，藉由 NB-IOT / CAT-M1 上傳資料，同時 EDGE Device 系統也會同步判斷現場是否有淹水狀況；若有，則會透過 DO (Digital Output) 開啟警報與廣播器，來通知附近人員請勿進入，並關閉防洪柵欄。同時縮短抓資料時間和上傳時間為每 5 分鐘一次，如此能更及時的做災害防治。
此外，由本防洪機制延伸的河川水位監測，也能透過相似的方式，偵測水位，進而及早發現河水即將超過警戒水位，及時觸發警報，來達到降低災害發生的訴求。
備註： EDGE 解決方案包含 50AH 3.6V 電源配置。透過電源控制板將電壓升壓為 12V，提供電力給感知器；而當 EDGE 2 進入睡眠模式時，電源供應器將停止提供電力給感知器，直到下一次甦醒模式來臨時，再提供電源給感知器，以達到省電的目的。
案例 3. 季節民生用水儲水槽的供水系統建置：
當水庫即將見底，水壓不足無法將供水順利送到各個區域。因此地方政府透過在各地設置大型儲水容器，暫時緩解用水的需求。這種大型儲水容器使用遠端監控的方式，將水槽水位資料即時傳送到供水單位，供水單位收到缺水通報後，再安排送水車至現場補水。
供水系統是如何運作呢?
首先，這些臨時地區民生供水儲存槽透過益網科技 EDGE-2 Device 以 NB-IOT/CAT-M1 每 10/per mins 會由睡眠模式中甦醒運作一次，接著讀取感應器的資訊 (Ultrasonic sensor data)，然後系統會透過 MQTT 或是 AZURE / AWS 把資料傳輸到雲端，再由雲端判斷後，通知加水車前往補水。
結語
小小的一台 EDGE2 data logger 讓您的應用變得聰明並具備高度彈性。EDGE2 可以輕易的成為 PLC 抓取資料設備，透過 NB-IOT/Cat-M1 的方式來作資料傳輸。由於其為無線傳輸，將不需面對線路布建的難題。您只要在手機有訊號的地方就可以進行傳輸。傳輸便利且費用低廉，又能大幅降地設備建置以及維護成本。
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