年轻小农靠开源翻转传统农业


在众多软件高手云集的2017年开源人年会(COSCUP)上,有一群年轻人看起来格外不同,晒得通红的健康黝黑肤色,在软件工程师中格外亮眼,他们不只是软件工程师,更是一群善用开源科技的「作田人」。
就连在开源人年会开场,前行政院院长张善政都分享了自己靠开源技术管农田的经验。张善政每逢周末都会到花莲自家农地从事农作,最近找来一位朋友,利用开源软件,用空拍机从高处拍摄农地後,运用影像辨识技术来计算农地上的西瓜数量,而不用走遍整块田地一一清点。

後来,这个工程师还将这支程式,用来计算养鸭场上的鸭子数量,最近台风接连来袭,张善政这个朋友乾脆还写出,可以空拍盘点树木倒塌数量的应用程式。

张善政呼吁,要重视开源社群中的合作、共享和创新的特质,且台湾可以善用开源社群的力量,尤其从AI的应用开始投入,而农务正是其中一个运用场景。

台湾开源自造科技农夫共同打造新农耕模式

不只有张善政变成了科技农夫,宜兰县员山乡深沟村也有一群年轻人,因为对农业的热情,从软件人变成「作田人」,将软件工程的专业带到耕种的田地,试图以科技的方式,解决耕作时会遇到的各式各样问题,他们不是一般的农夫,也不是大家所想像的科技农夫,而是运用开源软件,打造农业新应用的「开源自造科技农夫」。

「一开始什麽都不懂,就跟着老农夫学。」科技农夫陈幸延在两年前辞去软件工程师的工作,一头栽进了种田的行列,过去他从来没有接触过农业,一开始就从头跟经验老道的老农夫学起,学习过程中,还认真地将老农夫传递的知识,以及每一个步骤,都详细地记录下来。

不过,等到陈幸延实际耕作时,才发现,近几年气候变迁越来越剧烈,跟老农夫学来的这些经验,没办法因应多变的天气。

以宜兰来说,以前每年有200多个下雨日,农夫几乎是天天都要带着雨衣,但是,现在则不然,就连最会下雨的冬天,也要到12月才会降雨,光是凭藉着,陈幸延过去1,000多天的耕种经验,他认为,无法累积出有用的参考依据,於是,陈幸延开始想办法,要试图解决这个问题。

首先,为了得到更准确的气候资讯,陈幸延先从中央气象局的开放资料平台上找资料,花了一番功夫才整理出可用的资料,不只得从10年份的表格资料中,统计出10年的在地气候数据,才能进一步转换成资料分析所需的格式,最後还得自制一支程式,将气候变化的趋势视觉化。

虽然完成了这个工具,但这些图表却不实用。一来这个气象站距离深沟村还有段距离,而且位於半山坡,测站收集到的天气数据,无法呈现出深沟村平地农田的情况,光是气温就相差许多。因此,陈幸延决定开始自己动手组装一套「微型气象站」。

陈幸延参考了中央气象局气象站所用的设备,自行购买零件自己组装,还撰写了程式,蒐集感测器回传的光照、风向、风速和雨量等数据,再利用这些数据,来制作出更准确的长期温度变化图,判断耕作的时机。「有了这些感测器收集到的资料,长期累积後,才可以知道在地的温度趋势。」他解释。

陈幸延还分析了在地商店的数据,掌握每个季节适合耕种的作物,他还建立了一个农作物资料库,可以用视觉化的方式,来预测未来3个月内适合种植的作物。

不过,只靠自制气象站还不够,「我不可能知道田里发生的事!」於是,陈幸延他们这群科技农夫,进一步开始自制田间感测器,例如,水田里设置了水位计,菜园则有土壤湿度计。

现在只要半夜出现豪雨,陈幸延在家里就能立刻掌握田里的变化,不用像过去,每逢半夜下大雨,得等到一大早出门巡田才能知道,

「科技带给人方便,自动装置可不可以更方便呢?」他摇了摇头,因为越聪明的程式,越会传送各种讯息,来通知农夫农田的状况,「现在反而上下午都要去田里!」陈幸延笑着说,但即使工作变多了,他却甘之如饴。

对於刚投入耕种的年轻小农而言,陈幸延并没有太多的预算来负担耕作的成本,什麽都要自己动手做,就连电动除草机也要自己DIY。市售电动除草机大约要2万元,而陈幸延自己制作的除草机,成本却只要不到2,000元。

爱上耕种的陈幸延,体会到农村的生活与都市其实大不同,「要与当地村民保持良好关系,」在农村,人与人之间的关系非常紧密,常常需要互相依赖、帮忙,这让他更意识到建立社群对农业的重要性。

於是,陈幸延决定租下了一块空地,来打造出一个开放农业的实验基地,称为「Open Hack Farm」,提供大家实验新科技的场所,用开放的方式一起讨论想法、动手做出工具,期望在农业上实践出一个可循环、结合在地和开源的经济合作模式。

Open Hack Farm今年的研究方向包括了IoT田间感测器、开放资料、可远端控制的农用三轴手臂FarmBot和影像辨识等。

此外,今年春天,另一个开源农业专案「阿龟微气候天眼通」,也和Open Hack Farm社群联手,以物联网技术与资料科学技术,结合在地青小农,来发展农业微气候分析应用,他们还因此在今年g0v公民科技创新奖助金竞赛中,从94件专案脱颖而出,成为最终获选的8件得奖专案。

自造农具1|微型气象站

这部陈幸延自行制作的微型气象站(WeatherBox)就设在农地旁,可将现场的光照、风向、风速和雨量等数据,传到後端程式,产生最贴近农田的在地微气候趋势图。

自造农具2|田间水位计

水位高低影响了水田稻米的生长情况,过去每逢半夜下雨,就得一大早出门巡田开水道放水或进水,现在有了无线传输的水位计,在家就能掌握水田情况。

自造农具3|田间感测器

土壤情报是种田的关键,科技农夫们决定自制能即时侦测土壤温、湿度变化的田间感测器,从电路板到撰写程式通通自己来,还结合太阳能版和电池来延长运作时间。

资料科学走进农业,自制工具采集微气候数据

阿龟微气候天眼通的阿龟一词取自於「Agri」的谐音,同样以宜兰的深沟村为实验基地,要运用资料科学技术来解决台湾农村的问题。

阿龟微气候天眼通运作架构

为了采集最能反映农地现况的微气候资讯,阿龟微气候天眼通专案,汇整田间感测器蒐集大量资料,来建立微气候资料库,并透过仪表版App,让科技农夫在家就能掌握田间状态。图片来源/吴君孝

在今年3月获选g0v公民科技创新奖助金後,正式启动专案,要用开源软件打造出给台湾农民使用的微气候工具,先以深沟村农民的需求为主,结合物联网的技术和资料科学,先将深沟村的示范场域的应用完成候,再开始向外拓展。

阿龟微气候天眼通团队中有一位资料科学家吴君孝。他过去在许多领域,都拥有丰富的资料科学经验,曾经分析警政情资、环保、食安和农业等中央部会的资料,不过,吴君孝曾经提出很多建议和计画,但後续发展都不如他的预期。「与其一直讲,不如动手做!」於是,找了几个开源社群的朋友,一起出来发起了阿龟微气候天眼通专案。

这个团队目前大约有20多人,来自不同的领域,包含金融业工程师、前端工程师、软件工程师、分析师、行销人员,甚至还有导演帮忙拍摄影片。专案主要目的是帮助青农,吴君孝解释,过去农村社会人口老化,但近几年出现转变,开始有年轻人回来务农,但他们由於缺乏务农经验,导致青农投入耕种的门槛偏高。

虽然青农可以到农学院上课,也能向老农请教,但是吴君孝开始思考除了这些方式之外,「能不能创造工具让青农自己学习?」另外,年轻的小农有时间和热情,却欠缺足够资金来购买高单价的农业器具,「能不能找到年轻农夫可以负担的方式,来协助他们工作?」吴君孝自问。

「很多科技计划结束後,没有普及到农民身上!」他认为:「原因就是技术转移费用过高,好技术走不出实验室,没有在真实环境执行,也没有办法真正帮助到农民,」因此,吴君孝去年花了一整年的时间,走访台湾各地拜访农夫,也了解现在农业的状况,他要用开源的方式,打造出「在地农民可用的工具」。

「农业是看天吃饭,」吴君孝希望可以透过远端监控的工具,让农夫可以决定到底要不要去巡田,减少劳力的浪费,也希望提供整合数据分析的工具来帮助农夫耕种。

「让农夫不用过劳」是阿龟微气候天眼通团队想要实现的目标。要做到这一步,气候数据是决定出门与否的关键,但吴君孝指出,中央气象站的资料不能反映出真实的农田资料,尤其台湾地形特殊,可能山的这边正在下雨,另一边却没有,再加上目前官方气象站的测站数量少,就算用推估的方式也很难得知真实的数据。

「中央气象局可以参考的资料有多少?」吴君孝说,真的太少了,且气象局资料是透过内插法网格化方式,来推估深沟村的气温,并不够准确。後来他实地走访农田,在地农夫才告诉他真正的关键,「农田最重要的是土壤」,但中央气象局提供的是广域气候资讯,没有土壤温度和湿度资料。

因此,阿龟微气候天眼通团队透过微气候气象盒子和田间感测器收集数据,包含温度、雨量、风向、湿度、紫外线、日照强度等11种类型的数据,经由LoRa无线网路技术传输到云端资料库,最後分析结果将显示在即时监控农用仪表板,提供气温、湿度、土壤温度等关键资讯的视觉化即时监控图表,甚至,还有依据农田的温度和湿度,来预测福寿螺的出没机率,作为当作农夫们决策的参考。

若遇到无法亲自蒐集的资料类型,吴君孝则会介接其他的外部资讯,举例来说,因为法规的规定,团队不能自行产生气象预报资料,就得介接中央气象局的资料。

影响微气候资料科学分析成效的因素,包含农业环境数据、田间纪录和作物生长指标。但吴君孝指出,目前最难的取得的是田间纪录和作物生长指标的资料,尤其要蒐集到可用的分析资料,需要专家协助进行田间纪录,一开始就得将数据正规化,如资料类型等规格都要统一,他坦言,一开始他们光是进行资料正规化就花了非常多时间。

另外,作物生长指标的数据收集也是一大挑战,如NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)、叶片面积、重量和长度等指标,设法从真实环境中,直接取得这些指标数据是阿龟微气候天眼通团队,目前正在努力的工作。

即时监控农用仪表板系统架构

这套开源农用仪表版系统架构分为三层,包括了IoT感测层(Wi-Fi和LoRa传输技术),数据处理层(Python搭配MariaDB)和分析应用层,并串接了第三方的开放气象资料。

农用仪表板即时监控画面

农夫不用过劳是这群科技农夫的目标,透过农用仪表板可以即时掌握光照、温度、湿度、水位等农田情报,甚至可以预测福寿螺出没率,来决定要不要出门。

软件开发与耕种大不同,但都要善用开源社群的力量

Open Hack Farm去年才成立,因为农业的实验,渐渐地聚集了一群不一样的科技农夫,也建构出联系科技农夫的重要社群,另一位社群中的科技农夫林进锟也表示,几年前就有想耕田的念头,直到去年因缘际会下终於也来到了宜兰县种稻米,认真的他甚至还跑到社区大学上课,学习如何耕种各种作物。

在投入耕种後,林进锟才发现,耕种和软件开发不同,耕种会因为每年的天气变化、每一块田地的土质、播种的籽和秧的不同,甚至是每个人的耕作方式也不大一样,而产生不一样的变化。这些问题也没办法Google找答案,但「软件开发和耕种有一个共同点,都需要开源社群的力量。」他说。

依照林进锟的观察,农村目前面临的困境是缺乏足够人力,还有耕种知识无法完整传达,他呼吁大家开始一同参与,因为过去大家对农耕资料了解太少,应该要用科技的方式,了解数据找出耕作标准,也要将知识和经验用开源的方式,与更多人共享,找出最适合的耕作方法。

社群共同打造的自动耕种机器人FarmBot

和开源软件一样,社群也是这群科技农夫最大的武器,BIOS工程师侯专益在今年COSCUP开源人年会中,展示了他们自己组装的农业机器人FarmBot。

开放农业实验基地 Open Hack Farm小档案

  • 成立时间:2016年
  • 地点:宜兰县员山乡深沟村
  • 理念:为农业创造循环、在地化和开源的经济合作模式
  • 最新方向:IoT田间感测器、开放资料、可远端控制的农用三轴手臂FarmBot和影像辨识等
  • 最新专案:阿龟微气候天眼通
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