TWI809285B - 農場感測系統及其感測器資料校正方法 - Google Patents
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Abstract
一種農場感測系統，包括：一雲端伺服器；一感測裝置，用以連接至設置於一農場中的一特定感測器；以及一電腦裝置，用以透過該雲端伺服器從感測裝置取得特定感測器所產生的特定感測器資料。因應於特定感測器有潛在失效，感測裝置進入一感測器校正模式。因應於參考感測器已連接至感測裝置，感測裝置定時地接收特定感測器資料及參考感測器資料以建立校正表，並執行有限狀態機以對校正表中之各項目進行校正程序。因應於在校正表中之特定項目之對應關係的連續命中次數到達預定次數N，有限狀態機係中斷校正程序並判斷特定項目為可校正。
Description
本發明係有關於感測裝置，特別是有關於一種農場感測系統及其感測器資料校正方法。
對於物聯網(Internet of Things, IoT)之各種應用來説，會廣泛設置不同類型的感測器於需要的地點。因為，許多物聯網的智慧型應用常常會因為設置的感測器失效、老化或受到干擾進而造成所產生的感測器資料不準確，故感測器校正是一個相當重要的課題，特別是在戶外設置感測器的應用，例如智慧型農業(smart agriculture)。因為智慧型農業之應用需要在農場(例如室外環境)設置許多不同類型的感測器，若有部分感測器失效/老化而造成所產生的感測器資料不準確，則可能會對農場不當地噴灑水、殺蟲劑或肥料，進而造成農損。
因此，需要一種農場感測系統及其感測器資料校正方法以解決上述問題。
本發明係提供一種農場感測系統，包括：一雲端伺服器；一感測裝置，用以連接至設置於一農場中的一特定感測器，其中該特定感測器係偵測該農場之環境資訊以產生相應的特定感測器資料；以及一電腦裝置，用以透過該雲端伺服器從該感測裝置取得該特定感測器所產生的該特定感測器資料。因應於該電腦裝置依據該感測器資料判斷該特定感測器有潛在失效的情況，該電腦裝置係透過該雲端伺服器傳送校正指令至該感測裝置以使該感測裝置進入一感測器校正模式。因應於與該特定感測器相同類型的一參考感測器已連接至該感測裝置，該感測裝置係持續定時地從該特定感測器及該參考感測器分別接收該特定感測器資料及參考感測器資料以建立一校正表，其中該校正表之各項目係記錄該特定感測器資料及該參考感測器資料之一對一對應關係。該感測裝置更執行一有限狀態機以對該校正表中之各項目進行一校正程序。因應於在該校正表中之一特定項目所儲存之該參考感測器資料與該參考感測器資料之對應關係的連續命中次數到達一預定次數N，該有限狀態機係中斷該特定項目之該校正程序並判斷該特定項目為可校正。
在一些實施例中，因應於在該校正表中之該特定項目所儲存之該參考感測器資料與該參考感測器資料之對應關係的連續未命中次數到達該預定次數N，該有限狀態機係中斷該特定項目之該校正程序並判斷該特定項目為無法校正。在一些實施例中，該預定次數N等於2。
在一些實施例中，當該有限狀態機判斷該特定項目為無法校正，該感測裝置係判斷該特定感測器失效，並傳送一感測器失效訊息至該電腦裝置以提醒該農場之管理者更換該特定感測器。
在一些實施例中，當該感測裝置判斷該校正表中之各項目均為可校正，該感測裝置係使用該校正表用以校正該特定感測器所產生的該特定感測器資料，並將校正後的該特定感測器資料透過該雲端伺服器傳送至該電腦裝置。
本發明更提供一種感測器資料校正方法，用於一農場感測系統，其中該農場感測系統包括：一雲端伺服器、一感測裝置及一電腦裝置，且該感測裝置係連接至設置於一農場中的一特定感測器，其中該特定感測器係偵測該農場之環境資訊以產生相應的特定感測器資料，該方法包括：利用該電腦裝置透過該雲端伺服器從該感測裝置接收該特定感測器所產生的該特定感測器資料；因應於依據該感測器資料判斷該特定感測器有潛在失效的情況，利用該電腦裝置透過該雲端伺服器傳送校正指令至該感測裝置以使該感測裝置進入一感測器校正模式；因應於與該特定感測器相同類型的一參考感測器已連接至該感測裝置，利用該感測裝置持續定時地從該特定感測器及該參考感測器分別接收該特定感測器資料及參考感測器資料以建立一校正表，其中該校正表之各項目係記錄該特定感測器資料及該參考感測器資料之一對一對應關係；利用該感測裝置執行一有限狀態機以對該校正表中之各項目進行一校正程序；以及因應於在該校正表中之一特定項目所儲存之該參考感測器資料與該參考感測器資料之對應關係的連續命中次數到達一預定次數N，利用該有限狀態機中斷該特定項目之該校正程序並判斷該特定項目為可校正。
在一些實施例中，該方法更包括：因應於在該校正表中之該特定項目所儲存之該參考感測器資料與該參考感測器資料之對應關係的連續未命中次數到達該預定次數N，利用該有限狀態機中斷該特定項目之該校正程序並判斷該特定項目為無法校正。在一些實施例中，該預定次數N等於2。
在一些實施例中，該方法更包括：當該有限狀態機判斷該特定項目為無法校正，利用該感測裝置判斷該特定感測器失效，並傳送一感測器失效訊息至該電腦裝置以提醒該農場之管理者以更換該特定感測器。
在一些實施例中，該方法更包括：當該感測裝置判斷該校正表中之各項目均為可校正，利用該感測裝置使用該校正表用以校正該特定感測器所產生的該特定感測器資料，並將校正後的該特定感測器資料透過該雲端伺服器傳送至該電腦裝置。
以下說明係為完成發明的較佳實現方式，其目的在於描述本發明的基本精神，但並不用以限定本發明。實際的發明內容必須參考之後的權利要求範圍。
必須了解的是，使用於本說明書中的"包含"、"包括"等詞，係用以表示存在特定的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件以及/或組件，但並不排除可加上更多的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件、組件，或以上的任意組合。
於權利要求中使用如"第一"、"第二"、"第三"等詞係用來修飾權利要求中的元件，並非用來表示之間具有優先權順序，先行關係，或者是一個元件先於另一個元件，或者是執行方法步驟時的時間先後順序，僅用來區別具有相同名字的元件。
第1圖係顯示依據本發明一實施例中之農場感測系統的示意圖。
農場感測系統100主要包括一感測部件110、一雲端伺服器120、一致動部件130及一電腦裝置140，其中感測部件110、致動部件130及電腦裝置140係電性連接至雲端伺服器120。感測部件110係用以偵測農場之各種環境資訊以產生多種類型之感測器資料。
在一實施例中，感測部件110包括一感測裝置111及複數個感測器1601～160N、及感測器115。此外，感測裝置111包括控制器113、揮發性記憶體1131、非揮發性記憶體1132及多個感測器介面1121～112N及114。感測器1601～160N之每一者例如可透過對應的感測器介面1121～112N以連接至感測裝置111，且感測器115例如可透過感測器介面114以連接至感測裝置111。控制器113例如可為一中央處理器、通用處理器或微控制器，但本發明並不限於此。
舉例來説，感測器1601～160N可設置於感測裝置111之外部，且感測器1601～160N為用於偵測農場之不同類型資訊的感測器，例如包括但不限於：溫度感測器、紫外線感測器、濕度感測器、二氧化碳感測器、大氣壓力感測器、土壤濕度感測器、土壤溫度感測器、土壤導電度感測器、土壤酸鹼值感測器，其中土壤濕度感測器、土壤溫度感測器、土壤導電度感測器及土壤酸鹼值感測器例如可統稱為土壤感測器(soil sensor)。需注意的是，同一類型的感測器之數量並不限於一個，使用者可視農場之大小及實際情況為各類型之感測器資料配置不同數量的感測器。舉例來説，使用者可在農場之不同角落或預定位置分別設置濕度感測器及土壤感測器，藉以較準確地判斷農場之不同位置的環境資訊。此外，感測裝置111更包括雨量計116及風速計117，其中雨量計116及風速計117例如可設置於感測裝置111之外殼(未繪示)內部，用以偵測農場之雨量及風速。
詳細而言，感測裝置111更包括一揮發性記憶體1131及一非揮發性記憶體1132。揮發性記憶體1131例如可為一動態隨機存取記憶體(dynamic random access memory，DRAM)或一靜態隨機存取記憶體(static random access memory，SRAM)，但本發明並不限於此。非揮發性記憶體1132例如可為一硬碟機、固態硬碟、快閃記憶體或唯讀記憶體等等，但本發明並不限於此。非揮發性記憶體1132係儲存裝置應用程式(device application，DA)1133及感測器應用程式(sensor application，SA)1134。
裝置應用程式1133例如支援超文本傳輸安全協定(Hyper-text Transfer Protocol Secure，HTTPS)及訊息佇列遙測傳輸(Message Queuing Telemetry Transport，MQTT)之標準以進行物聯網通訊，藉以與雲端伺服器120進行溝通。感測器應用程式1134則用以執行感測器之校正機制，例如可建立校正表(calibration table)以對原始感測器資料進行校正。感測裝置111中之控制器113可從非揮發性記憶體1132將裝置應用程式1133及感測器應用程式1134讀取至揮發性記憶體1131並執行。
控制器113例如可從感測器1601～160N、雨量計116及風速計117接收對應的原始感測器資料。控制器113所執行的感測器應用程式1134則對各感測器之原始感測器資料進行校正，並由裝置應用程式1133透過HTTPS及MQTT協定以有線傳輸或無線傳輸的方式將校正後的感測器資料傳送雲端伺服器120。
雲端伺服器120係接收來自感測部件110所偵測到之農場的各種環境資訊，並可執行一或多個人工智慧模型以判斷是否需傳送致動指令至致動控制裝置131以控制農場致動器150～156對農場進行相應的處理動作。此外，雲端伺服器120亦做為感測裝置111、致動控制裝置131及電腦裝置140之間的溝通橋樑，意即電腦裝置140傳送控制指令或校正指令至致動控制裝置131或感測裝置111需透過雲端伺服器120，感測裝置111所取得的感測器資料亦是經由雲端伺服器120以傳送至電腦裝置140。
在一實施例中，致動部件130包括致動控制裝置131及多個農場致動器150～156，其中農場致動器150、152、154及156例如分別為灑水器、驅蟲劑噴灑器、肥料噴灑器及驅蟲燈。此外，致動控制裝置131包括控制器133、揮發性記憶體1331及非揮發性記憶體1334。控制器133例如可為一中央處理器、通用處理器或微控制器，但本發明並不限於此。揮發性記憶體1331例如可為一動態隨機存取記憶體(dynamic random access memory，DRAM)或一靜態隨機存取記憶體(static random access memory，SRAM)，但本發明並不限於此。非揮發性記憶體1332例如可為一硬碟機、固態硬碟、快閃記憶體或唯讀記憶體等等，但本發明並不限於此。非揮發性記憶體1332係儲存致動器應用程式(actuator application，SA)1334。致動控制裝置131中之控制器133可從非揮發性記憶體1332將致動器應用程式1334讀取至揮發性記憶體1331並執行。
農場致動器150～156係連接至致動控制裝置131，且致動控制裝置131之控制器133係依據來自雲端伺服器120之致動指令控制農場致動器150～156對農場進行對應動作，例如噴灑水、驅蟲劑、肥料、或是啟動驅蟲燈。
電腦裝置140可為一個人電腦或可攜式電子裝置(例如智慧型手機或平板電腦)。為了便於說明，在下面實施例中，電腦裝置140係以智慧型手機為例進行說明。電腦裝置140例如可透過無線通訊協定以與雲端伺服器120進行溝通及資料傳輸，其中上述無線通訊協定例如包括3G、4G、5G、WiFi、LTE、近場通訊、藍牙、低功耗廣域網路(low-power wide area network，LPWAN)、LoRaWAN、Sigfox、NB-IoT等等，但本發明並不限於此。
如第1圖所示，電腦裝置140例如可執行一監控程式(未繪示)以在顯示螢幕142上顯示網頁基礎式的監看介面143，且監控程式可將電腦裝置140從雲端伺服器120所接收的感測部件110所偵測到的感測器資料顯示於上述監控介面143。
在一實施例中，電腦裝置140可依據所接收到的感測器資料以對部分類型的感測器進行同位(homogeneous)測試、異位(heterogeneous)測試、或其組合，藉以判斷是否有感測部件111中是否有感測器可能有潛在失效(potential failure)的情況。電腦裝置140並且在判斷有感測器有潛在失效時，在上述監控介面顯示警告訊息以通知農夫，並傳送失效偵測訊息至雲端伺服器120，以使雲端伺服器120傳送一校正指令至感測裝置111，以使感測裝置111從正常模式進入一感測器校正模式。
舉例來説，電腦裝置140所進行的同位測試係指對在同一農場中之相同類型的各感測器所產生的感測器資料進行數據分析，藉以判斷在該類型的是否有感測器有潛在失效。以氣壓感測器、溫度感測器、濕度感測器及二氧化碳感測器為例，理論上設置於同一農場中的之同一類型的多個感測器所產生的感測器資料彼此之間係呈現高度相關(highly correlated)。若同一類型的多個感測器中有一特定感測器所產生的感測器資料與其他感測器所產生的感測器資料之間的誤差過大(例如大於一標準差，非限定)，則電腦裝置140可判斷該特定感測器有潛在失效的情況。
此外，若不同農場之位置及海拔高度相差很大，則上述多種類型的感測器在不同位置的農場所偵測到的感測器資料理論上亦會不同。意即，電腦裝置140除了可以互相比對在同一農場中的相同類型之感測器的感測器資料之外，亦可以比對在不同位置之農場中的相同類型之感測器的感測器資料。此外，若在同一農場中僅設置了一組感測部件110，則電腦裝置140可由最近的政府氣象站取得天氣資訊，並與感測部件110中之相應的感測器之感測器資料進行比對，藉以判斷是否有感測器有潛在失效。
電腦裝置140所進行的異位測試例如需要感測器1601～160N及農場致動器150～156進行配合。舉例來説，以土壤濕度感測器及灑水器為例，當設置在同一農場的土壤濕度感測器及灑水器均正常運作時，電腦裝置140可計算在灑水器開啟及關閉之間的延遲時間t。依據延遲時間t之長方圖(histogram)，電腦裝置140可推導出用於選擇適合的延遲時間閾值T之分布。當無法確定設置在同一農場的土壤濕度感測器或灑水器是否正常運作時，電腦裝置140會藉由衡量上述延遲時間t以持續進行土壤濕度感測器及灑水器之交互測試。若灑水器開啟後無法在延遲時間閾值T之內關閉，則電腦裝置140則會判斷有潛在失效情況發生。
詳細而言，當雲端伺服器120從感測裝置111所接收到的土壤濕度感測器之感測器資料表示農場土壤的RH值太低(例如低於45% RH)，電腦裝置140所執行之致動器應用程式1334可透過雲端伺服器120發出控制信號至致動控制裝置131以使其控制灑水器開始灑水。若灑水器能正常運作，則經過一預定時間後，農場土壤的濕度應該會增加至預定閾值(例如45% RH)。當土壤濕度感測器偵測到農場土壤的濕度在延遲時間閾值T之內到達預定閾值，則電腦裝置140透過雲端伺服器120接收到土壤濕度感測器之感測器資料後，會判斷可能是土壤濕度偵測器或灑水器有潛在失效。此時，電腦裝置140之監控介面143會顯示警告訊息以通知農夫，並同時會發送警告訊息至雲端伺服器120以表示有潛在失效情況(potential failure)發生。
第2圖為依據本發明一實施例中之感測裝置與雲端伺服器進行通訊的示意圖。
如第2圖所示，感測裝置111所執行的裝置應用程式1133及感測器應用程式1134可再細分為正常模式下及感測器校正模式下所使用的子模組。舉例來説，感測器應用程式1134係包含子模組1135及1136，且裝置應用程式1133包含子模組1137、1138及1139。子模組1137及1138例如為輸入裝置特徵(input device feature，IDF)，且可分別稱為IDF X及IDF Cb
通道，其可視為感測裝置111及雲端伺服器120之間的不同通訊通道。例如，感測裝置111可將感測器Sx
及Sw
之感測器資料分別透過IDF X及IDF Cb
通道傳送至雲端伺服器。子模組1139例如可稱為輸出裝置特徵(output device feature，ODF)，其係用於感測器校正模式，例如可從雲端伺服器120接收從電腦裝置140所發出的校正請求，故子模組1139亦可稱為ODF Cb
模組。
在正常模式下，感測器應用程式1134之子模組1135及裝置應用程式1133之子模組1138並未啟用。當感測裝置111處於感測器校正模式時，控制器113會啟用感測器應用程式1134之子模組1135及裝置應用程式1133之子模組1138及1139。需注意的是，無論感測裝置111處於正常模式或感測器校正模式，感測器應用程式1134之子模組1136及裝置應用程式1133之子模組1137均一直在啟用狀態。
感測器Sx
係表示原先連接至感測裝置111之感測器1601～160N之其中一者。在正常模式下，感測器1601～160N係連接至感測裝置111並定時偵測農場的環境資訊，但感測器115並未連接至感測裝置111。不同類型的感測器之偵測週期不同，且使用者可視實際情況來調整各感測器偵測的週期或控制器111擷取來自各感測器之感測器資料的週期。感測器Sx
所產生的感測器資料會傳送至感測器應用程式1134中的子模組1136(例如可稱為SAx
模組)，且子模組1136會對感測器資料進行處理，並將處理過的感測器資料透過子模組1137以傳送至雲端伺服器120。
需注意的是，以溫度感測器為例，若其偵測的溫度範圍為攝氏-40度至65度。因為處於室外環境而造成損壞或老化、感測器的製造過程出現瑕疵、或是在偵測過程中受到干擾，溫度感測器可能在部分的溫度區間無法準確的偵測溫度，此類問題亦可視為溫度感測器出現潛在失效的情況。其他類型的感測器亦可用類似的方式進行判斷是否出現潛在失效的情況。
在前述實施例中，當雲端伺服器120傳送一校正指令至感測裝置111，以使感測裝置111從正常模式進入一感測器校正模式。此時，控制器113會啟用感測器應用程式1134之子模組1135及裝置應用程式1133之子模組1138。在開始感測器資料校正程序前，感測器115(即感測器Sw
)需先連接至感測裝置111，並且置於出現潛在失效情況的感測器Sx
旁邊，以確保兩者所偵測到的環境資訊是類似的。感測器115例如可稱為標準感測器或參考感測器，意即感測器115為事先經過確認可正常運作的感測器，故其所產生的感測器資料之準確度是值得信賴的。
給定Tx
為在校正表中之項目X的感測器Sx
所量測到資料數值，且變數Vx
為用於儲存從感測器Sx
最近接收到之資料，感測器應用程式1134之子模組1136例如可執行下列虛擬程式碼：
當開始建立校正表之項目內容時，會先將感測器Sx
所偵測到的不同數值依序填入校正表中的項目，例如第一筆資料填入項目1，第二筆資料填入項目2，依此類推。簡單來説，校正表之內容一開始是空的，所以感測器Sx
所偵測到的不同數值會持續填入校正表之各項目中。需注意的是，無論感測裝置111是否處於感測器校正模式，步驟S1～S5均會持續執行。意即若農場的環境變化大，則校正表中的項目數量可能會增加。
在此實施例中，當感測裝置111處於感測器校正模式，感測器應用程式1134之子模組1135係執行校正程序，例如將校正表中之各項目所對應的標準數值填入感測器Sw
所偵測到的數值。舉例來説，感測裝置111會使用相同的週期以同時擷取來自感測器Sw
及Sx
之感測器資料，其中感測器Sx
可稱為待測物(device under test，簡稱DUT)，感測器Sw
可稱為標準感測器(簡稱STD)。以溫度感測器為例，若在校正表中的第1個項目為DUT=26.52度，且同時間量測到的STD=24.98度，則24.98度會填入校正表中之第1個項目對應的標準數值。類似地，若在校正表中的第2個項目為DUT=27.41度，且同時間量測到的STD=25.79度，則25.79度會填入校正表中之第2個項目對應的標準數值。經由反覆執行上述步驟，可建立校正表中之各項目對應的標準數值，如表1所示：
表1
| 項目 | DUT() | STD() |
| 1 | 26.52 | 24.98 |
| 2 | 27.41 | 25.79 |
| 3 | 28.90 | 27.19 |
| 4 | 31.45 | 29.68 |
| 5 | 32.73 | 29.85 |
| 6 | 33.00 | 31.22 |
| 7 | 32.73 | 31.61 |
| 8 | 33.79 | 32.35 |
| 9 | 34.67 | 33.82 |
| 10 | 35.33 | 33.86 |
| 11 | 35.90 | 34.48 |
| 12 | 35.88 | 34.51 |
在另一實施例中，以濕度感測器為例，若在校正表中的第1個項目為DUT=78.47%(RH)，且同時間量測到的STD=77.24%，則77.24%會填入校正表中之第1個項目對應的標準數值。類似地，若在校正表中的第2個項目為DUT=77.31%，且同時間量測到的STD=76.56%，則76.56%會填入校正表中之第2個項目對應的標準數值。經由反覆執行上述步驟，可建立校正表中之各項目對應的標準數值，如表2所示：
表2
| 項目 | DUT(%) | STD(%) |
| 1 | 78.47 | 77.24 |
| 2 | 77.31 | 76.56 |
| 3 | 72.41 | 72.29 |
| 4 | 63.63 | 64.31 |
| 5 | 57.47 | 58.80 |
| 6 | 58.28 | 58.67 |
| 7 | 50.80 | 52.58 |
| 8 | 51.06 | 52.16 |
| 9 | 46.56 | 45.85 |
| 10 | 45.86 | 47.69 |
| 11 | 45.07 | 46.92 |
| 12 | 43.71 | 46.09 |
在校正過程中，感測器Sx
(即DUT)可能會偵測到先前已偵測過的相同數值，故感測器Sx
偵測到為相同數值的情況下會指到校正表的同一個項目。假定Tx
(vx
)之項目先前已填入對應的標準數值vW
，若感測器Sx
偵測到數值vx
，且此時感測器Sw
係偵測到數值vW
，則表示對應關係命中(hit)。若感測器Sx
偵測到數值vx
，且此時感測器Sw
係偵測到不為vW
之數值，則表示對應關係未命中(miss)。上述校正過程係由一有限狀態機(finite state machine，FSM)所控制，且對應關係命中或未命中即為有限狀態機之輸入信號，並可控制有限狀態機之狀態進行轉換，例如第3A圖所示。需注意的是，各感測器均有相應的有限狀態機以校正其感測器資料。
在此實施例中，若校正訊息M=(s,id)係在感測裝置111及雲端伺服器120之間透過控制通道進行交換，且上述校正訊息係從雲端伺服器120發送至感測裝置111，則狀態M.s=R，其表示此為校正請求(calibration request)。若上述校正訊息係由感測裝置111發送至雲端伺服器120，則狀態M.s=C，其表示校正程序已成功完成，且狀態M.s=F表示校正過程失敗。M.id則表示需要校正的感測器之編號。在校正表Tx
中的每個項目Tx
(v
)在有限狀態機中的相應狀態係由Fx
(v
)表示。因此，感測器應用程式1134之子模組1135所執行的上述校正程序可利用下列虛擬程式碼表示：
需注意的是步驟S1至S5與步驟W1至W6是獨立執行的。在步驟S2所產生的Vx
值與步驟W4執行的時間大約是同時。在一實施例中，就算感測器Sx
可被校正，但是由於感測器Sx
可能會低機率出現隨機錯誤，因此在校正程序中仍然可能發生未命中(miss)的情況。若未命中的機率不為0，故理論上在第3A圖中的有限狀態機最終會前進至Fx
(v
)=N的狀態，且步驟W6a可能會判斷校正程序失敗。在此情況下，電腦裝置140(或雲端伺服器120)會通知農夫需要更換被誤判斷失效的感測器之硬體，但是實際上感測器Sx
並未失效，故可能會造成不必要的成本增加。
在一般情況下，若感測器Sx
可以校正，則步驟W6b會被執行以成功地完成校正程序。在第3A圖中的有限狀態機FSM0，唯一的穩定狀態為Fx
(v
)=N。為了確保Fx
(v
)=1也是穩定狀態，在第3A圖中之有限狀態機FSM0係變化為第3B圖之有限狀態機FSM1。因此，校正程序成功完成後，會在步驟W6b中止，其中成功完成校正程序並中止的機率推導如下。
令在第3B圖中之第i個狀態所發生的機率，因為狀態0為暫態(transient state)，故其發生機率。因此，其他狀態1～N之發生機率之總和為1，可用下式(1)表示：
令資料命中的機率Pr(hit)=p且資料未命中的機率Pr(miss)=1-p，則可得到式(2)：
對於1>n>N，可得到式(3)及式(4)：
因此，若感測器Sx
可被校正，則不管所選擇的N值為何，感測器Sx
在穩定狀態時均有機率p可以成功地校正。若感測器Sx
需要更換，則依據式(4)，需更換感測器Sx
的機率為。換言之，若選擇較大的N值，在決定感測器Sx
需更換之前，需要花費很長的時間進行上述校正程序才能進行判斷。在一較佳實施例中，會選擇N=2以進行上述校正程序。
舉例來説，對於每個v
值來説，當第3B圖中之有限狀態機FSM1第一次前進至FX
(v
)=1或N時，對於此v
值之校正可能會中止。因此，有限狀態機FSM1則會隨機進入狀態1或N時中止。對於上述隨機模型，校正程序在步驟W6b中止的機率為：
對於N=2，校正程序在步驟W6a中止的機率為：
當的數值很大時，要到達的步驟W6b(即校正程序成功完成)的機率相當低。因此，需要增加式(5)中之成功完成校正程序的機率。詳細而言，如第3C圖之有限狀態機FSM2所示，若對於校正表Tx
中的特定項目有連續兩次命中(hit)，則該特定項目可視為已校正(或可校正)，且針對該特定項目的有限狀態機FSM2則會中止。因此，機率表示有限狀態機FSM2在到達狀態3之前已造訪n次的狀態1的機率，其可表示為：
因此，有限狀態機FSM2最終在狀態3中止的機率為：
類似地，有限狀態機FSM2在到達狀態4之前已造訪n次的狀態1的機率，其可表示為：
因此，有限狀態機FSM2最終在狀態4中止的機率為：
其中式(8)及式(10)係滿足。
因此，對於有限狀態機FSM2，可得到校正完成及校正失敗的機率如式(11)及式(12)所示：
舉例來説，參考第3C圖中之有限狀態機FSM2，若特定項目之參考感測器資料與參考感測器資料的對應關係在第一次命中後接著未命中，則會進入狀態2。若在狀態2時發生第二次命中，有限狀態機FSM2則會進入狀態1。在狀態1時發生第三次命中時，有限狀態機FSM2才會進入狀態3以判斷該特定項目為可校正。若在狀態2時再發生未命中，有限狀態機FSM2則會進入狀態4，並判斷該特定項目為無法校正且該感測器Sx
(例如參考感測器)為失效。簡單來説，若對於校正表Tx
中的特定項目有連續兩次未命中(miss)，則該特定項目可視為無法校正。
第4A圖為依據本發明一實施例中之有限狀態機FSM1及FSM2可成功進行校正之機率與校正表之項目數量的關係圖。第4B圖為依據本發明一實施例中之有限狀態機FSM1及FSM2校正失敗之機率與校正表之項目數量的關係圖。請同時參考第2圖及第4A-4B圖。
在一實施例中，若感測器Sx
之感測器資料可成功命中的機率p=0.999，在第4A圖中對於有限狀態機FSM1之成功校正的機率會隨著校正表的項目數量TX
增加而逐漸降低，但是有限狀態機FSM2之成功校正的機率一直維持在接近1。若感測器Sx
為真正失效且需要被更換(例如成功命中機率p=0.1)，第4B圖則繪示了有限狀態機FSM1及FSM2校正失敗之機率與校正表之項目數量的關係。從第4B圖可得知，若校正表的項目數量TX
大於等於5，則有限狀態機FSM1及FSM2判斷感測器Sx
失效的機率Pr[M.s=C]均接近1。
由此可知，若感測器Sx
為可校正，則在第3C圖中的有限狀態機FSM2最終仍可成功建立校正表。此外，相較於第3B圖中的有限狀態機FSM1，若感測器Sx
是真正失效而需要更換時，在第3C圖中的有限狀態機FSM2之校正程序可以快速地中止，意即有限狀態機FSM2可快速地判斷出感測器Sx
已失效。詳細而言，當感測裝置111判斷校正表中之各項目均為可校正，感測裝置111係使用該校正表之可校正的項目用以校正感測器Sx
所產生的感測器資料，並將校正後的該感測器資料透過雲端伺服器120傳送至該電腦裝置140而不必考慮感測裝置111是否在感測器模正模式。在感測器Sx
校正完成後，農夫即可將感測器Sw
從感測裝置111拔除。然而，若校正表中有任何一個項目被有限狀態機FSM2(或FSM1)判斷為無法校正，則感測裝置111係判斷感測器Sx
失效，並傳送一感測器失效訊息至電腦裝置140以提醒農場之管理者(例如農夫)。
第5圖為依據本發明一實施例中之感測器校正方法的流程圖。請同時參考第1圖及第5圖。
在步驟S510，電腦裝置140透過雲端伺服器120從感測裝置111接收一特定感測器(例如感測器1601)所產生的特定感測器資料。上述特定感測器例如可為：溫度感測器、紫外線感測器、濕度感測器、二氧化碳感測器、大氣壓力感測器、土壤濕度感測器、土壤溫度感測器、土壤導電度感測器、土壤酸鹼值感測器之其中一者，但本發明並不限於此。
在步驟S520，因應於電腦裝置140依據該感測器資料判斷該特定感測器有潛在失效的情況，電腦裝置140透過雲端伺服器120傳送校正指令至感測裝置111以使感測裝置111進入一感測器校正模式。舉例來説，電腦裝置140可依據所接收到的感測器資料以對部分類型的感測器進行同位、異位測試、或其組合，藉以判斷是否有感測部件111中是否有感測器可能有潛在失效(potential failure)的情況，其細節請參考前述實施例。
在步驟S530，因應於與該特定感測器相同類型的一參考感測器已連接至感測裝置111，感測裝置111係持續定時地從該特定感測器及該參考感測器分別接收特定感測器資料及參考感測器資料以建立一校正表，其中該校正表之各項目係記錄該特定感測器資料及該參考感測器資料之一對一對應關係(one-to-one correspondence)。
在步驟S540，執行一有限狀態機以對該校正表中之各項目進行一校正程序。舉例來説，上述有限狀態機例如可為第3B圖所示的有限狀態機FSM1或第3C圖所示的有限狀態機FSM2。
在步驟S550，因應於在該校正表中之一特定項目所儲存之該參考感測器資料與該參考感測器資料之連續命中次數到達一預定次數N，該有限狀態機係中斷該特定項目之該校正程序並判斷該特定項目為可校正。依據前述實施例，該預定次數N為大於或等於2的自然數。在一較佳實施例中，該預定次數N=2，但本發明並不限於此，且本發明中具有通常知識者當可依據實際情況以調整預定次數N之數值。
舉例來説，如第3C圖所示，有限狀態機FSM2例如包含狀態0、狀態1、狀態2、狀態3及狀態4。在狀態0時會總是命中，故必定進入狀態1。在狀態1～4之間的狀態轉換則視有限狀態機FSM2之輸入(例如命中及未命中)而定。若特定項目之參考感測器資料與參考感測器資料的對應關係在第一次命中後(狀態0至狀態1)接著未命中，有限狀態機FSM2則會進入狀態2。若在狀態2時發生第二次命中，有限狀態機FSM2則會進入狀態1。在狀態1時發生第三次命中時，有限狀態機FSM2才會進入狀態3以判斷該特定項目為可校正。若在狀態2時再發生未命中，有限狀態機FSM2則會進入狀態4，並判斷該特定項目為不可校正且該感測器Sx
(例如參考感測器)為失效。
綜上所述，本發明係提供一種農場感測系統及其感測器資料校正方法，其可在判斷農場的感測器有潛在失效情況發生時，利用參考感測器以對有潛在失效的感測器進行感測器資料的校正程序。此外，在校正程序中的有限狀態機可以快速準確地判斷出上述感測器是否可校正或是已失效，故可節省時間成本且可避免不必要的感測器硬體更換。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:農場感測系統
110:感測部件
111:感測裝置
113:控制器
114、1121~112N:感測器介面
115、1601-160N:感測器
116:雨量計
117:風速計
1131:揮發性記憶體
1132:非揮發性記憶體
1133:裝置應用程式
1134:感測器應用程式
1135-1139:子模組
120:雲端伺服器
130:致動部件
131:致動控制裝置
133:控制器
1331:揮發性記憶體
1332:非揮發性記憶體
1334:致動器應用程式
140:電腦裝置
142:顯示螢幕
143:監控介面
SX
:感測器
SW
:參考感測器
S510-S550:步驟
第1圖係顯示依據本發明一實施例中之農場感測系統的示意圖。
第2圖為依據本發明一實施例中之感測裝置與雲端伺服器進行通訊的示意圖。
第3A～3C為為依據本發明一實施例中之不同有限狀態機的示意圖。
第4A圖為依據本發明一實施例中之有限狀態機FSM1及FSM2可成功進行校正之機率與校正表之項目數量的關係圖。
第4B圖為依據本發明一實施例中之有限狀態機FSM1及FSM2校正失敗之機率與校正表之項目數量的關係圖。
第5圖為依據本發明一實施例中之感測器校正方法的流程圖。
S510-S550:步驟
Claims (6)
- 一種農場感測系統，包括：一雲端伺服器；一感測裝置，用以連接至設置於一農場中的一特定感測器，其中該特定感測器係偵測該農場之環境資訊以產生相應的特定感測器資料；以及一電腦裝置，用以透過該雲端伺服器從該感測裝置取得該特定感測器所產生的該特定感測器資料；其中，因應於該電腦裝置依據該感測器資料判斷該特定感測器有潛在失效的情況，該電腦裝置係透過該雲端伺服器傳送校正指令至該感測裝置以使該感測裝置進入一感測器校正模式，其中，因應於與該特定感測器相同類型的一參考感測器已連接至該感測裝置，該感測裝置係持續定時地從該特定感測器及該參考感測器分別接收該特定感測器資料及參考感測器資料以建立一校正表，其中該校正表之各項目係記錄該特定感測器資料及該參考感測器資料之一對一對應關係，其中，該感測裝置更執行一有限狀態機以對該校正表中之各項目進行一校正程序，其中，因應於在該校正表中之一特定項目所儲存之該參考感測器資料與該參考感測器資料之對應關係的連續命中次數到達一預定次數N，該有限狀態機係中斷該特定項目之該校正程序並判斷該特定項目為可校正， 其中因應於在該校正表中之該特定項目所儲存之該參考感測器資料與該參考感測器資料之對應關係的連續未命中次數到達該預定次數N，該有限狀態機係中斷該特定項目之該校正程序並判斷該特定項目為無法校正，其中該預定次數N等於2。
- 如請求項1之農場感測系統，其中當該有限狀態機判斷該特定項目為無法校正，該感測裝置係判斷該特定感測器失效，並傳送一感測器失效訊息至該電腦裝置以提醒該農場之管理者更換該特定感測器。
- 如請求項1之農場感測系統，其中當該感測裝置判斷該校正表中之各項目均為可校正，該感測裝置係使用該校正表用以校正該特定感測器所產生的該特定感測器資料，並將校正後的該特定感測器資料透過該雲端伺服器傳送至該電腦裝置。
- 一種感測器資料校正方法，用於一農場感測系統，其中該農場感測系統包括：一雲端伺服器、一感測裝置及一電腦裝置，且該感測裝置係連接至設置於一農場中的一特定感測器，其中該特定感測器係偵測該農場之環境資訊以產生相應的特定感測器資料，該方法包括：利用該電腦裝置透過該雲端伺服器從該感測裝置接收該特定感測器所產生的該特定感測器資料； 因應於依據該感測器資料判斷該特定感測器有潛在失效的情況，利用該電腦裝置透過該雲端伺服器傳送校正指令至該感測裝置以使該感測裝置進入一感測器校正模式；因應於與該特定感測器相同類型的一參考感測器已連接至該感測裝置，利用該感測裝置持續定時地從該特定感測器及該參考感測器分別接收該特定感測器資料及參考感測器資料以建立一校正表，其中該校正表之各項目係記錄該特定感測器資料及該參考感測器資料之一對一對應關係；利用該感測裝置執行一有限狀態機以對該校正表中之各項目進行一校正程序；因應於在該校正表中之一特定項目所儲存之該參考感測器資料與該參考感測器資料之對應關係的連續命中次數到達一預定次數N，利用該有限狀態機中斷該特定項目之該校正程序並判斷該特定項目為可校正；以及因應於在該校正表中之該特定項目所儲存之該參考感測器資料與該參考感測器資料之對應關係的連續未命中次數到達該預定次數N，利用該有限狀態機中斷該特定項目之該校正程序並判斷該特定項目為無法校正，其中該預定次數N等於2。
- 如請求項4之感測器資料校正方法，更包括：當該有限狀態機判斷該特定項目為無法校正，利用該感測裝置判斷該特 定感測器失效，並傳送一感測器失效訊息至該電腦裝置以提醒該農場之管理者更換該特定感測器。
- 如請求項4之感測器資料校正方法，當該感測裝置判斷該校正表中之各項目均為可校正，利用該感測裝置使用該校正表用以校正該特定感測器所產生的該特定感測器資料，並將校正後的該特定感測器資料透過該雲端伺服器傳送至該電腦裝置。
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