近年來，因人類的過度開發與經濟需求造成環境污染、溫室氣體的排放及資源耗竭等問題，這些人為因素促使地球暖化現象日趨嚴重，不僅造成大氣溫度上升，大氣層的氣流及雲層也可能受到影響，改變我們原本的氣候與環境。近年來世界各地陸續發生嚴重的極端氣候及環境變遷，造成持續乾旱、豪雨及氣溫懸殊落差等天然災害。根據研究地球暖化會使土地沙化，及降雨量減少使得旱情加重，同時也加劇了淡水缺乏的危機，再加上全球人口持續成長，可使用的水資源耗損及汙染嚴重，也造成了食物汙染，使得人類產生了更多未知的病變影響健康。這些環境變遷、糧食危機及水資源問題早已成為國際間極重要的課題。造就目前農業新的概念發展，提倡透過可在室內大量生產經濟作物的植物工廠，以克服氣候變遷、環境汙染及資源耗損衝擊所帶來的影響。

本研究提出一個可適用於植物工廠之監控管理平台，可藉由電腦化的自動管理來取代人力，透過感測技術來進行環境監測及控制，以無線感測網路（Wireless Sensor Network, WSN）Zigbee之無線傳輸方式為短距離網狀佈線傳輸方式為基礎，整合感測技術元件建立自動化管理平台，可針對植物生長週期所需要的環境進行調節機制，其中包括光源、溫度、濕度、CO2濃度及土壤等控制管理，將感測資訊傳送至系統進行自動調節維護作業，亦可設置攝影監控系統將畫面傳送管理平台，並可隨著作業將植物生長數據電子化並進行自動記錄，同時也解決了在種植技術方面之經驗累積及人力成本問題，並且做到節能減碳的成效。

In recent years, the phenomenon of global warming is increasingly serious and resulted from human factors such as excessive development of human, environmental pollution, gas emissions and depletion of natural resources. According to researches, global warming leads to desertification, drought, reduction of rainfall and the lack of fresh water crisis. Due to continually growing of global population, available resource is depleted and the pollution of water and food is serious. The extreme environmental changing, the food crisis and the water resources have become an important issue in international. Today, one of new concepts about agricultural development is called “Plant Factory” which could produce mass economic value plant. Furthermore, the plant factory could overcome effect of change of climate, environmental contamination and resource depletion.

This study proposes a monitoring management platform for plant factory. The platform adopts automatic management to replace the man power by the sensor technologies to monitor and control environment. Moreover, it is based on Wireless Sensor Network (WSN), Zigbee-based wireless transmission, and integrating components of sensor technology to establish automatic management platform. According to the need of plant’s growth cycle, include the lighting, temperature, humidity, CO2 concentration and soil. All related information will be delivered to the system for automatic adjustment of maintenance jobs. In addition, manager also can set up camera to transfer picture to the management platform, and the platform can be set up to automatically record growth data and information of plant. The proposed management platform reduces labor costs, achieves effectiveness of carbon reduction and energy saving.

摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 x
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 7
1.3 相關研究技術與步驟 8
1.3.1 使用之技術與方式 8
1.3.2 研究步驟 9
1.3.3 研究範圍與限制 10
1.4 章節規劃 11
第二章 相關理論與技術 13
2.1 植物工廠管理平台 13
2.1.1 植物工廠簡介與定義 13
2.1.2 植物工廠構成條件與架構 15
2.1.3 植物工廠發展趨勢 17
2.2 無線感測網路 19
2.2.1 IEEE 802.15.4標準 22
2.2.2 Zigbee通訊協定簡介 26
2.2.3 Zigbee堆疊架構 27
2.2.4 Zigbee網路拓撲 30
2.3 適用於植物工廠之LED人工光源系統 35
2.3.1 LED人工光源簡介與相關原理 36
2.3.2 LED人工光源在植物栽培之應用 40
2.3.3 LED人工光源系統對農業生產之應用發展 44
第三章 文獻探討 45
3.1 江學者提出之農業害蟲無線網路監測系統 45
3.2 何學者提出之溫室GSM遠距無線監控系統 47
3.3 Fukatsu學者提出之田間伺服器環境監測系統 49
3.4 Guillermo提出之無線感測網路多元應用佈局 50
3.5 Cunha學者提出之葡萄田無線感測網路與遠端存取系統 51
3.6 小結 53
第四章 植物工廠自動化監控管理平台 54
4.1 植物工廠監控管理平台架構 54
4.2 溫、溼度及CO2濃度感測與自動化環控系統 63
4.2.1 無線感測網路之佈局規劃 63
4.2.2 無線感測系統與自動化管控系統架構 64
4.3 電子感測與自動化管控系統運作流程 66
第五章 植物工廠監控管理平台實作規劃與展示 69
5.1 Zigbee通訊模組實作規劃 69
5.1.1 JN-5148簡介 69
5.1.2 JN-5148指令集 72
5.2 Zigbee無線感測網路實作規劃 75
5.2.1 封包格式 75
5.2.2 無線感測網路設定 76
5.3 軟韌體設計實作規劃 79
5.3.1 開發軟韌體之軟體介面介紹 79
5.3.2 JN-5148通訊模組端通訊流程架構 81
5.3.3 植物工廠監控管理平台端工作流程架構 83
5.4 實作展示 83
5.4.1 環境設定 83
5.4.2 感測裝置與植物工廠監控管理平台模擬操作 85
第六章 分析與討論 98
6.1 本研究監控管理平台之SWOT分析 98
6.2 與相關研究之比較 99
第七章 結論與未來發展 101
7.1 結論 101
7.2 未來研究建議與發展 102
參考文獻 103
附錄A JN-5148完整指令集 107

[1] Akyildiz, F., Su, W., Sankarasubramaniam, Y., and Cyirci, E. “A Survey on Sensor Networks,” IEEE Communications Magazine, vol.40, no.8, pp.102 -114, August 2002.
[2] Cunha, Carlos R. Peres, Emanuel Morais, Raul Reis, Manuel Cabral “Enhancing Tourism through Viticulture Enterprises in Douro,” IBIMA Publishing, pp.1-14, 2010.
[3] Esteve, Guillermo “The COIT's vision of Wireless Sensor Networks,” BetaVine Publishing, March 2010.
[4] Fukatsu, T. and Hirafuji, M. “Field Monitoring Using Sensor-nodes with a Web Server,” Journal of Robotics and Mechatronics, vol.17, no.2, pp.164-172, 2005.
[5] IEEE 802.15 Group, “802.15.4d Standard: Wireless Medium Access Control（MAC） and Physical Layer（PHY） Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks（LR-WPANs）,” 3 June 2011, http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html, Retrieved Date：2011/6/25.
[6] Intergovernmental Panel on Climate Change, http://www.ipcc.ch/, Retrieved Date：2011/6/25.
[7] Jao, R. C. and Fang, W. “Effects of Frequency and Duty Ratio on Thegrowth of Potato Plantlets in Vitro Using Light Emitting Diodes,” Published in HortScience, vol.39, pp. 219-462, 2004.
[8] JN5148 Wireless Microcontroller, http://www.jennic.com/products/wireless_ microcontrollers/jn5148, Retrieved Date：2011/7/10.
[9] Kozai, T.,K. Fujiwara and I. Watanabe. “Effects of Stoppers and Vessels on Gas Exchange Rates Between Inside and Outside of Vessels Closed with Stoppers,” J.Agric Meteorol, vol.42, pp.119-127, 1986.
[10] National Aeronautics and Space Administration, http://www.nasa.gov/home/ index.html, Retrieved Date：2011/7/26.
[11] Nichols, Mike and Christie, Bruce. “Greenhouse Production In Japan,” January February 2008, http://www.hydroponics.com.au/free-articles/issue-98-greenhouse- production-in-japan/, Retrieved Date：2011/6/25.
[12] Nichols, M. and Christie, B. “Innovative Plant Factories,” Paracyical Hydroponics & Greenhouse, pp.44-46, April 2008.
[13] Smart Dust Project, “Autonomous sensing and communication in a cubic millimeter,” 2001, http://robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/SmartDust/, Retrieved Date：2011/6/25.
[14] Technology Review, “10 Emerging Technologies That Will Change the World,” http://www.technologyreview.com/article/13060/, Retrieved Date：2011/7/15.
[15] ZigBee Alliance, “ZigBee Specification v1.4d,” April 2009, http://www.zigbee.org/, Retrieved Date：2011/6/25.
[16] 中央氣象局, “百年來臺灣氣候的變化”, http://www.cwb.gov.tw/, Retrieved Date：2011/6/30.
[17] 方煒, “田間伺服器與無線感測網路的國內外發展”, 作物生產及運銷專家系統整合與促進研討會論文, Crop, Environment & Bioinformatics, vol.3, March 2006.
[18] 方煒, “植物工廠發展沿革與其在東亞的發展現況”, 節能減碳與民生科學發展研討會, 2011年3月.
[19] 方煒, “發光二極體在生物產業應用的回顧與前瞻”, 照明學刊, 第23期, pp.26-32, 2006年.
[20] 古在豐樹編著、方煒譯, 「太陽光型植物工廠－永續性的先進植物工廠」, 豐年社, 2011年2月出版.
[21] 史光國, 「半導體發光二極體及固體照明」, 全華科技圖書出版, 2005年.
[22] 台灣國際花卉博覽會,“未來．智慧E建築”, 2010年, http://www.2010taipeiexpo.tw/MP_3.html, Retrieved Date：2011/6/22.
[23] 光茵生物科技,“專家的話：LED 在植物設施栽培中的應用和前景”, http://www.nanobiolight.com/global_11.html, Retrieved Date：2011/7/10.
[24] 江昭皚、盧福明、楊恩誠、曾傳蘆, “無線感測器網路技術在農業害蟲監測之應用”, 農政與農情, 第194期, 2008年8月.
[25] 行政院農業委員會農業試驗所, “永續農業發展政策”, http://www.tari.gov.tw/ taric/, Retrieved Date：2011/6/26.
[26] 行政院環保署土壤及地下水污染整治基金管理會, “土地及地下水汙染整治綱”, http://sgw.epa.gov.tw/public/index.asp, Retrieved Date：2011/6/26.
[27] 何榮祥、田雲生、陳令錫, “溫室GSM遠距無線傳輸監控系統研發”, 行政院農業委員會臺中區農業改良場研究彙報, 第99期, pp.1-9, 2008年.
[28] 李展宏, “基於Zigbee無線感測網路之智慧型照明環境設計與實作”, 國立成功大學電腦與通信研發所碩士學位論文, 2005年7月.
[29] 私立東吳大學資訊科學系之零件相關知識網, http://sun.cis.scu.edu.tw/~lab/knowledge/2.htm, Retrieved Date：2011/6/26.
[30] 張祖亮, 「設施栽培環境監測與控制」, 國立台灣大學園藝學系農業自動化叢書，第十一輯設施栽培自動化專輯, 2001年12月.
[31] 莊芳玲, “以自時系統實作IEEE 802.15.4 之媒體存取層”, 大同大學資訊工程研究所碩士論文, 2007年1月.
[32] 楊純明、李裕娟, “從植物之光週期看發光二極體在農業生產上之應用潛力”, 行政院農委會農業試驗所作物組, 作物環境與生物資訊期刊, 第6卷, 第3期, pp.192-200, 2009年6月.
[33] 萬一怒, “農業無線感測器網路建構技術”, 行政院農業委員會農糧署, 田間無線感測器網路技術暨應用研習班, 2006年.
[34] 經濟部暨水利署災害應變中心服務團計畫, “台灣地區乾旱應變總結報告”, 2009年11月. http://drought.cook-team.org/PDF/report/98rp.pdf, Retrieved Date：2011/6/26.
[35] 劉如熹、王建源, 「白光發光二極體製作技術」, 全華科技圖書出版, 初版, pp.1-34, 2001年.
[36] 蔡田龍, “利用 LED 光源作為蝴蝶蘭組織栽培節能方法之案例研究”, 國立嘉義大學生物機電工程學系研究所碩士論文, 2007年7月.
[37] 聯合國,“安南秘書長呼籲解決水問題” http://www.un.org/chinese/News/ fullstorynews.asp?newsID=60, Retrieved Date：2011/6/26.
[38] 謝清祿, “Development of Remote Monitoring and Traceability System for Protected Culture”, 國立屏東科技大學生物機電工程研究所碩士學位論文, 民國96年7月.
[39] 饒瑞佶、方煒, “高亮度發光二極體在生物產業之應用”, 中華農學會報, 第5卷, 第5期, pp.432-446, 2004年.