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如何用便宜的PM2.5感測器建立智慧監測物聯網─交大環境工程研究所教授兼任所長白曛綾、交大資工系教授王協源專訪


〈交大幫幫忙〉─主持人林宏文學長

在校園就可測到PM2.5(細懸浮微粒),隨時掌握空汙狀況!交大推動全亞太第一座智慧校園(Smart Campus),建構全台首見的校園環境品質監測網。這項環境品質監測網由校內各系空汙監測、網路工程、巨量數據分析、汙染模式模擬與環境影像分析等專家共同建構,用時下最夯的物聯網技術結合環境監測與巨量數據分析,做出實際應用。

計畫總主持人交大環境工程研究所白曛綾教授是空氣品質專家,他表示,台灣空汙問題十分嚴重,但環保署目前建構的空氣品質標準監測站因動輒耗資千萬,架設點不多,像新竹市僅1座、新竹縣僅2座,也測不到交大空汙狀況,交大乾脆自己來測。

 

PM2.5感測器結合物聯網 降低監測成本

主持人:最近大家對PM2.5很關心,交大在智慧校園裡面有好幾個計畫,其中裡面有一個就是「空氣品質智慧監測網」。我們今天很高興的邀請到空氣品質智慧監測網的計畫總主持人、交大環工所的教授兼所長白曛綾教授,另一位是交大資工系的王協源教授,他們分別在計畫裡面負責環工、資工兩個非常重要的領域。環保署很重視監測技術的精確度,讓我們能夠降低或者是減少空氣危害,是不是先請白所長來跟我們分享一下當時推動這個計畫主要的想法。

白曛綾:一開始會有這樣的想法是因為我住在台中,空氣品質並不是非常理想,所以有不少民眾,尤其是環保團體,希望能夠有更多監測站、監測點,可是一個監測站的成本非常高,目前環保署在全省大概有七十幾個測站,每個測站都是用千萬在計算的。所以就想我們可不可以用一、兩千塊就有的感測器做監測?但便宜就必須要犧牲精準度和使用壽命,我們的目標是做一個雖然便宜但是可以維持準確度的感測器。同時隨著物聯網科技進展我們開始想可不可以透過物跟物交談的方式,做感測器的校正?不過我是學環保的,只懂環保不懂物聯網,所以需要跨域的結合。

那我跟王老師雖然是同事,但不是在交大認識,是有一次一起應行政院人事行政總處邀請參與一個書面審查案,那時段剛好只有我們兩位,很自然就聊了起來,才發現他是交大老師。

 

主持人:測站原本要上千萬,現在要把它降到幾萬塊甚至幾千塊就要靠我們來修正,資工系在這方面技術我相信是最厲害的,請王教授也跟我們分享一下你當初投入計畫的想法。

王協源:我那時候是交大網路工程研究所所長,專長網路通訊領域,最近有從事物聯網的研究,認識白所長後他邀請我把物聯網的技術用在PM2.5的感測上,我二話不說就答應,因為我覺得這是很有意義的研究工作,對人類非常重要。

 

主持人:這樣一個計畫希望達到什麼目標?

白曛綾:希望達成的目標主要有三個:第一,讓感測器變聰明,可以自己做校正。第二,一旦確認數值可靠,接下來就要去找到汙染源。最後,找到汙染源的話就可以做到預警、健康照護。

 

主持人:這個空氣品質智慧監測網計畫參與的教授共有五位教授,而且是跨校的,不只我們交大的教授。

白曛綾:五位老師中有三位來自於交大,那除了跟我一起上節目的王教授以外,還有一位也是資工系的老師,多媒體研究所的彭文志所長,他的專長是巨量數據分析。另外兩位校外的教授一位是中興大學環工系的盧重興教授,專長環境汙染物的傳輸,還有一位是弘光科技大學的羅金翔教授,他的專長可以把影像換成能見度,再從能見度變成PM2.5的濃度。

 

主持人:這個計畫大概怎麼佈點、怎麼推動?都是在交大校園裡面嗎?

白曛綾:交大校園算是我們的第一步,剛好也配合學校的智慧校園政策,當然我們計畫主要的經費來源是科技部,科技部給我們很好的支持。我們在交大做初步的測試以後希望能夠移到中南部去做智慧監測。

 

意外改善LORA傳輸技術 登上國際會議

主持人:是不是請王教授也幫我們介紹一下整個計劃在技術上面是怎麼做的?

王協源:我在這個計畫裡面主要貢獻是物聯網技術,剛剛白所長有說明簡易型PM2.5的感測器比較便宜,所以才有辦法比較大量佈點,但是感測出來的讀數也是要彙整到後端的資料庫才能夠進行數據分析。如果需要付費的頻道來做無線通訊的話每個月要付很可觀的費用,所以我在計畫裡面主要就是把專為物聯網所設計的新技術「LORA」應用在智慧感測上。

 

主持人:LORA是長距離的技術,是不是請王教授跟我們介紹一下這個技術的特色。

王協源:LORA是最近為了物聯網所發展的通訊技術,標榜低功率、長距離,犧牲的代價就是很低的傳輸資料率,世界上的智慧城市都採用LORA作為新的通訊協定技術。但是事實上運作起來效能如何、資料傳輸的遺失率到底會多高?目前很多人都不知道,所以我首先以交大空氣品質監測網作為示範的場域,來量測與了解LORA在真實應用下的效能如何。

 

主持人:王教授講到距離限制是十五到二十公里,所以佈點只要在十五到二十公里就夠了,這是非常有效率的,那你剛講低傳輸速率到底是低到多少?

王協源:因為要同時達到低功率和長距離,傳輸速率大概每秒4kb,對比 Wi-Fi可以達到每秒Gigabit,差了十的六次方到五次方。再補充一下,它除了data rate很低之外,也限制每次傳輸的資料量只能傳輸11byte。

但為什麼世界上的很多智慧城市還是選用LORA作為物聯網的通訊技術?就是因為成本低廉,它用的是免付費頻道ISM band,像3G、4G用的LTE band每年要花很多錢。LORA是最近一、兩年才被提出來,大家都覺得是非常好的技術,但很少人對它有真實的了解,所以我們在這個計畫裡面把交大作為驗證的場景。我們的空氣品質感測網已經在今年二月一號正式上線,可以看到LORA實際上傳輸的時候資料遺失率一般來說可能都會有10-20%,甚至有時候飆到50%、100%。

 

主持人:那跟什麼原因有關?

王協源:我們最近才把所量測到的、探討的成果,寫成論文投到國際會議發表。封包遺失率高的第一個原因是因為是免付費頻道,人人都可以在上面發射訊號不受管制,訊號難免會受到其它訊號干擾。

第二個我們觀察到有時候會受到3G或4G基地台訊號的干擾,我們從封包遺失率的圖形趨勢來看發現和人的作息有關,星期一到星期五天天都有,星期六跟星期日就沒什麼封包遺失率,因為星期六日校園的人比較少。以每天來看的話可以發現從七、八點上班時間開始封包遺失率越來越高,下班的時候就慢慢降下來,可能就是用3G或4G的通話造成的干擾。

 

主持人:所以不只是測PM2.5,在LORA技術發展上面也對產業界幫助很大。除了LORA,白所長是不是也跟我們分享一下要讓資料更精準還有很多事情要做?

白曛綾:我們第一個階段一定會把感測器跟標準的儀器做比對,所謂的標準儀器就是經過國際認可的標準方法,要先在實驗室內架構一個比對的環境,然後看看它在不同的濃度,譬如說我們會燒個香,故意去製造比較高濃度的PM2.5,看看它跟標準的儀器趨勢有沒有一致。

 

主持人:王教授在物聯網管理的技術上面好像也有ㄧ些經驗,是不是也跟大家分享。

王協源:第一步是先了解LORA真實的效能,因為ISM Band是很多人都可以傳輸,所以是很容易掉資料,因此在這個計畫裡面我們有開發通訊協定,希望能夠在這麼高封包遺失率的網路之下還是能夠提供可靠的資料傳輸。

另外一部分是物聯網的管理系統,因為PM2.5的感測器來說散布得很廣,設備若是故障要派人去排除的話會疲於奔命。所以我們需要具有遠端監控的能力,最好當初在設計的時候就要具有容錯的設計,也就是輕微或是某一個單一模件故障不會影響到整個系統的運作,並希望能夠透過遠端網路連網知道系統發生什麼事情,多用網路少用馬路。

 

跨領域團隊將技術帶入真實社會

主持人:我想不管是產業或是環保署等等政府單位都可以當很重要的參考,另外我也想請白所長跟我們分享一下,因為您擔任計畫總主持人,五位教授還跨校,你怎麼樣管理這樣子的一個團隊?另外也有很多的學生參與在這裡面。

白曛綾:學生其實很喜歡跨域研究,從化學化工背景跑到資訊學院,又接觸最新的物聯網。

 

主持人:跨域整合真的是一個非常重要的事情,最後請兩位分別來談跨域整合應該注意到什麼事項?

王協源:我個人覺得跨域合作,特別是跟環工合作開拓了我們的視野,我們以前只是做技術,不曉得對人類社會有什麼貢獻,但現在就可以對PM2.5的問題有貢獻,能夠把感測到的資料可靠地送回來進行即時顯示,就凸顯出這個技術的價值所在。

白曛綾:從計畫總主持人的觀點來看,我認為跨域結合最重要的關鍵就是怎麼用對方懂的語言來講話,我們在溝通的過程中發現每個領域講的話都不一樣。

 

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