JP2002065086A

JP2002065086A - 土壌灌水制御システム

Info

Publication number: JP2002065086A
Application number: JP2000267602A
Authority: JP
Inventors: Masaki Harada; 雅樹原田; Osamu Nakano; 修中野; Takeshi Minamiura; 武史南浦; Akira Sakaguchi; 明阪口
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2000-09-04
Filing date: 2000-09-04
Publication date: 2002-03-05

Abstract

(57)【要約】【課題】灌水を施すべき複数のエリアについて、各エ
リアの土壌の含水率を測定して、各エリアの土壌の含水
率を分析し、その結果に応じて、各エリアに対する灌水
を制御する土壌灌水制御システムを実現する。【解決手段】本発明に係る土壌灌水制御システムは、
各エリアに配備されたスプリンクラー３等の灌水設備
と、各エリアの土壌中に埋設されて土壌含水率を光学的
に測定するセンサユニット１と、全てのエリアの灌水を
管理する中央管理センターと、各エリアに配置されてセ
ンサユニット１及び灌水設備と接続された送受信機２と
を具え、前記中央管理センターのコンピュータは、各エ
リアのセンサユニット１から送られてくる含水率検出信
号に基づいて、各エリアの灌水設備に対する灌水指令信
号を作成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のエリアを対
象として各エリアの土壌の灌水を制御する土壌灌水制御
システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、農場や山中の広い地域を複数のエ
リアに分割して、エリア毎にスプリンクラー等の灌水設
備を配備し、各エリアの作物の種類や成長段階等に応じ
て、各エリアの散水量を決定し、その結果に基づいて各
エリアの灌水設備を運転することが行なわれている。近
年、この様な灌水作業の省力化と節水を図るべく、各エ
リアに含水率測定器を設置して、各エリアの含水率測定
結果に基づいて、自動的に各エリアの散水量を決定し、
各エリアの灌水設備の運転時間を最適設定する土壌灌水
制御システムの開発が検討されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、広い地
域を対象とする土壌灌水制御システムにおいては、多数
の含水率測定器を設置せねばならないため、含水率測定
器の構成が簡易で単価が低いこと、自然環境下で長期間
に亘る使用に耐え得る高い耐久性を有すること、更に
は、消費電力が少なく、乾電池等で長期間に亘って作動
すること等が要求される。従来、この様な条件が満たし
た含水率測定器は知られておらず、広い地域を対象とす
る土壌灌水制御システムの実現には至っていなかった。

【０００４】そこで本発明の目的は、土壌灌水制御シス
テムの実現に好適な含水率測定器を開発すると共に、こ
の様な含水率測定器を用いた土壌灌水制御システムを実
現することである。

【０００５】

【課題を解決する為の手段】本発明に係る灌水制御シス
テムは、各エリアに配備された灌水設備と、各エリアの
土壌中に埋設されて、各エリアの土壌の含水率を光学的
に測定する含水率測定器と、全てのエリアの灌水を管理
する中央管理装置と、各エリアに配置されて、各エリア
の灌水設備及び含水率検出器と接続され、含水率測定器
から得られる含水率検出信号を中央管理装置へ送信する
と共に、中央管理装置から送られてくる灌水指令信号を
受信する送受信装置とを具え、中央管理装置は、各エリ
アについての含水率検出信号に基づいて、各エリアの灌
水設備に対する灌水指令信号を作成する指令手段を具え
ている。

【０００６】上記本発明の土壌灌水制御システムにおい
ては、含水率測定器が光学式であって、土壌に直接に接
触することなく、土壌の含水率を測定することが出来る
ので、耐環境性が高く、長期間に亘って高い信頼性を維
持する。又、各エリアに配置された送受信装置によっ
て、各エリアの含水率検出器から得られる含水率検出信
号が中央管理装置へ無線で送信されると共に、中央管理
装置から無線で送られてくる各エリアの灌水設備に対す
る灌水指令信号が受信され、各エリアの灌水が制御され
るので、エリアが極めて広い地域に跨っていたとして
も、無人で、各エリアに適切な灌水を施すことが出来
る。

【０００７】具体的構成において、含水率測定器は、水
に対する透過率が大きな第１の波長域及び水に対する透
過率が小さな第２の波長域を含む光を土壌に照射する発
光素子と、前記第１の波長域に感度を有し、土壌からの
反射光を受けて、受光量又はその変化に応じた出力を発
する第１受光素子と、前記第２の波長域に感度を有し、
土壌からの反射光を受けて、受光量又はその変化に応じ
た出力を発する第２受光素子と、前記第１及び第２受光
素子の出力信号に基づいて、土壌の含水率を算出する演
算処理回路とを具えている。

【０００８】上記具体的構成において、第１受光素子
は、水に対する透過率が大きな第１の波長域(１μｍ未
満)に感度を有するのに対し、第２受光素子は、水に対
する透過率が小さな第２の波長域(１μｍ以上)に感度を
有している。従って、土壌の含水率の違いに応じて、第
２受光素子による光検知量に大きな変化が生じるのに対
し、第１受光素子による光検知量には殆ど変化が生じな
い。そこで、第１受光素子による光検知量と第２受光素
子による光検知量の比をとれば、後述する公知のランベ
ルト−ベールの式を用いて、前記光検知量の比から土壌
の含水率を算出することが出来る。該具体的構成によれ
ば、含水率測定器を構成すべき発光素子として比較的広
い波長域の光を発するものを採用すると共に、少なくと
も一方の受光素子として、比較的広い波長域に跨って感
度を有するものを採用することが出来るから、含水率測
定器を簡易な構成で、安価に作製することが出来る。

【０００９】又、具体的構成において、送受信装置に
は、含水率測定器及び送受信装置自体の電源となる電
池、例えば太陽電池が装備されている。該具体的構成に
よれば、外部から電力を供給することなく、含水率測定
器及び送受信装置を動作させることが出来る。ここで、
上記具体的構成を有する含水率測定器を採用すれば、電
力消費量が低減されるので、含水率測定器及び送受信装
置を長期間に亘って動作させることが可能となる。

【００１０】更に具体的な構成においては、複数のエリ
ア毎に、各エリアの送受信装置から送信されてくる含水
率検出信号を受信して中央管理装置へ送信する中継局が
設けられている。該具体的構成によれば、送受信装置
は、中央管理装置よりも近い位置に配備される中継局ま
で電波を送信すればよいから、消費電力が更に削減され
て、長期間に亘る運転が可能となる。

【００１１】

【発明の効果】本発明に係る土壌灌水制御システムにお
いては、土壌含水率の測定に好適な含水率測定器が構成
されており、然も、各エリアに設けた送受信装置を中央
管理装置と無線で接続して、各エリアの灌水を遠隔制御
する構成を採用しているので、広い地域を対象とする灌
水制御が可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につ
き、図面に沿って具体的に説明する。本発明に係る土壌
灌水制御システムにおいては、図１に示す如く、灌水を
施すべき地域が複数のエリア(Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ・・・)に
分割されて、各エリアにスプリンクラー(３)から構成さ
れる灌水設備が設置されている。又、各エリアには、図
３に示す如く、土壌(６)の含水率を測定するためのセン
サユニット(１)が埋設されており、各センサユニット
(１)は、地上に配備された送受信機(２)と有線で接続さ
れている。送受信機(２)には、センサユニット(１)及び
送受信機(２)自体の電源となる太陽電池(23)が装備され
ると共に、後述する中継局と通信を行なうためのアンテ
ナ(24)が装備されている。

【００１３】図１に示す如く、各エリアの送受信機(２)
からは、複数のエリア毎に設けられた中継局(４)へ向け
て、含水率検出信号が送信され、中継局(４)は、受信し
た含水率検出信号を、中央管理センター(５)に設置され
たコンピュータ(図示省略)へ転送する。尚、各中継局
(４)及び中央管理センター(５)にはそれぞれ、無線通信
の為のアンテナ(41)(51)が装備されている。

【００１４】各エリアには、複数箇所にセンサユニット
(１)を埋設することも可能であって、この場合、例えば
図２に示す如く、各エリアに埋設された複数のセンサユ
ニット(１)が、送受信機(図示省略)によって、エリア毎
の中継局(４)と無線で接続され、各中継局(４)が中央管
理センター(５)と無線で接続される。又、各エリアに
は、複数箇所にスプリンクラー(３)が配備されて、中央
管理センター(５)からの灌水指令に従って、各エリアの
土壌に灌水を施す。

【００１５】センサユニット(１)は、図４に示す如く、
一面が開口した筐体(11)の開口部に光透過性部材(12)を
固定してなる密閉ケーシング(10)の内部に、発光素子と
なるタングステンランプ(13)と、一対の受光素子となる
シリコンフォトダイオード(14)及び焦電素子(15)とが配
備され、それぞれケーシング(10)の光透過性部材(12)へ
向けて取り付けられている。尚、光透過性部材(12)は、
可視光領域及び近赤外光領域を含む広帯域の波長の光を
透過させることが可能である。

【００１６】図６(ａ)に示す様に、タングステンランプ
(13)は、可視光領域と近赤外光領域とに跨った広い帯域
を有する光を出射するものである。又、図６(ｂ)に示す
様に、シリコンフォトダイオード(14)は、０.５μｍ〜
１.０μｍの比較的狭い波長域に感度を有し、焦電素子
(15)は、１.０μｍを越える広い波長域にフラットな感
度特性を有するものである。

【００１７】上述の如く、センサユニット(１)のケーシ
ング(10)を構成する光透過性部材(12)は、可視光領域及
び近赤外光領域を含む広帯域の波長の光を透過させるこ
とが可能であるから、タングステンランプ(13)から出射
された光は、光透過性部材(12)を通過して、土壌(６)に
照射され、土壌(６)にて反射された光は、光透過性部材
(12)を通過して、シリコンフォトダイオード(14)及び焦
電素子(15)に入射する。

【００１８】ここで、上記センサユニット(１)を用いた
土壌含水率測定の原理を、図６を用いて説明する。上述
の如く、図６(ａ)は、タングステンランプ(13)の分光分
布特性を示しており、可視光領域と近赤外光領域とに跨
って光が分布している。又、図６(ｂ)は、シリコンフォ
トダイオード(14)の分光分布特性Ｐと焦電素子(15)の分
光分布特性Ｑを表わしており、シリコンフォトダイオー
ド(14)は０.５μｍ〜１.０μｍの比較的狭い波長域に感
度を有し、焦電素子(15)は、１.０μｍを越える広い波
長域にフラットな感度特性を有している。

【００１９】図６(ｃ)は、タングステンランプ(13)から
発せられる光を直接に受光した場合の、シリコンフォト
ダイオード(14)による光検知量の分光分布特性Ｐ′と焦
電素子(15)による光検知量の分光分布特性Ｑ′とを表わ
している。但し、焦電素子(15)は、受光量の変化(微分)
に応じた信号を発する熱型センサーであるため、その出
力信号の波形を積分することによって、受光量の絶対値
に応じたデータが得られるが、本実施例では、近似的
に、その出力信号の波形のピーク値をもって積分値(光
検知量)とする。尚、シリコンフォトダイオード(14)及
び焦電素子(15)によって検知される光検知量の大きさ
は、それぞれ特性曲線Ｐ′及びＱ′で囲まれる領域の面
積に略比例する。

【００２０】図６(ｄ)は、可視光領域から近赤外光領域
にわたる波長域における光の水に対する透過率の分布を
表わしており、可視光領域では、略１の透過率となって
おり、殆ど光が吸収されないのに対し、近赤外光領域で
は、透過率が低下しており、多くの光が吸収されること
がわかる。

【００２１】図６(ｅ)は、タングステンランプ(13)から
発せられた光が水分を含む物質を透過して、シリコンフ
ォトダイオード(14)及び焦電素子(15)に入射した場合
の、シリコンフォトダイオード(14)による光検知量の分
布Ｐｎ(ｎ＝０、４０、８０)及び焦電素子(15)による光
検知量の分布Ｑｎ(ｎ＝０、４０、８０)を表わしてい
る。ここでｎは、前記物質の含水率(％)である。これら
の分布は、図６(ｃ)に示す分光分布特性Ｐ′、Ｑ′と、
図６(ｄ)に示す水の透過率特性の積として把握すること
が出来、シリコンフォトダイオード(14)及び焦電素子(1
5)による光検知量の大きさは、分布曲線Ｐｎ、Ｑｎで囲
まれる領域の面積に略比例する。

【００２２】図６(ｅ)から分かる様に、可視光領域にお
いては、水の透過率が略１であるので、含水率が変化し
てもシリコンフォトダイオード(14)の光検知量には殆ど
変化が見られないが、近赤外光領域においては、含水率
の変化に応じて光が吸収される度合いが変化するため、
焦電素子(15)による光検知量は、含水率に応じて変化す
ることになる。

【００２３】シリコンフォトダイオードによる光検知量
の大きさをＰs、焦電素子による光検知量の大きさをＱs
とすると、測定対象物の含水率Ｗは、ランベルト−ベー
ルの式を用いて、下記数１によって表わされる。

【００２４】

【数１】Ｘ＝−ｌｏｇ(Ｑｓ／Ｐｓ) Ｗ＝ａ・Ｘ＋ｂａ、ｂ：定数

【００２５】尚、上記数１の定数ａ、ｂは実験的に求め
られる。即ち、図７の如く、含水率が既知の複数の物質
について上記Ｘの値と含水率をプロットし、両者の関係
を直線近似することによって、その直線の傾きと接片か
ら定数ａ、ｂを決定することが出来る。

【００２６】上述の原理説明は、光が測定対象物(水を
含む物質)を透過してシリコンフォトダイオード及び焦
電素子に入射する場合を前提としているが、光が測定対
象物(水を含む物質)にて反射されて、その反射光がシリ
コンフォトダイオード及び焦電素子に入射する場合にも
成立する。これは、測定対象物からの反射光には、その
表面で反射された光以外に、測定対象物の内部へ侵入し
て、内部の粒子表面で反射された光、即ち拡散反射光が
含まれており、拡散反射光は、測定対象物の吸収特性の
影響を受けているからである。

【００２７】図４に示す如く、センサユニット(１)のシ
リコンフォトダイオード(14)及び焦電素子(15)の出力信
号(含水率検出信号)は、送受信機(２)の制御回路(21)へ
供給される。該制御回路(21)は、無線回路(22)を経て、
アンテナ(24)から前記中継局(４)へ向けて、無線で含水
率検出信号を送信する。中継局(４)は、受信した含水率
検出信号を前記中央管理センター(５)へ転送する。又、
前記中央管理センター(５)から無線で送られてくる灌水
指令信号は、送受信機(２)のアンテナ(24)を経て無線回
路(22)により受信され、制御回路(21)へ供給される。該
制御回路(21)は、灌水指令信号に基づいて、スプリンク
ラー(３)に接続されたポンプ(31)の動作を制御し、散水
量を最適設定する。

【００２８】図１に示す如く、中央管理センター(５)に
設置されたコンピュータ(図示省略)は、各中継局(４)か
ら転送されてくる各エリアの土壌の含水率検出信号に基
づき、上述の原理に従って、各エリアの含水率を算出
し、その結果に、各エリアの作物の種類、成長の度合い
等を加味した分析を施して、各エリアの灌水の必要性や
散水量を決定する。

【００２９】図５は、上記中央管理センター(５)のコン
ピュータが実行する土壌灌水制御手続きを表わしてい
る。先ずステップＳ１では、各エリアのセンサユニット
(１)に対し、含水率測定指令を出力し、ステップＳ２で
は、各エリアのセンサユニット(１)から中継局(４)を経
て送られてくる含水率検出信号に基づいて、各エリアの
含水率を算出する。尚、各エリアに複数のセンサユニッ
ト(１)を埋設した場合は、これら複数のセンサユニット
(１)からの含水率検出信号の平均値、最大値、或いは最
小値等の代表値に基づいて、そのエリアの含水率を算出
することが出来る。

【００３０】続いてステップＳ３では、算出した全ての
エリアの含水率を考慮して、各エリアの灌水の必要性及
び散水量を決定し、その結果に基づいて、全エリアに配
備された複数台のスプリンクラー(３)の中から駆動すべ
きスプリンクラー(３)を決定し、更にステップＳ４で
は、各スプリンクラー(３)の運転時間を決定する。尚、
各エリアの灌水の必要性は、測定された含水率を既定値
と比較することによって判断することが出来、該既定値
は、そのエリアの作物の種類、成長段階、季節、土壌の
質等によって決まる。次に、ステップＳ５にて、運転の
必要な複数台のスプリンクラー(３)に対する駆動指令を
出力する。その後、一定時間(例えば１時間)の待機を経
て、ステップＳ１に戻って、各エリアの含水率の測定を
繰り返す。

【００３１】上記土壌灌水制御システムによれば、各エ
リアの土壌含水率がリアルタイムに測定され、その結果
に基づいて、各エリアの灌水がきめ細かく制御されるの
で、水資源の節約が実現される。又、各エリアの含水率
を測定するためのセンサユニット(１)と、含水率測定結
果に基づいて各エリアの散水量を決定し、各エリアのス
プリンクラー(３)の動作を制御する中央管理センター
(５)とは、無線で通信を行なうので、広い地域に配備さ
れた多数のスプリンクラー(３)の遠隔制御が可能とな
り、この結果、灌水の省力化が図られる。

【００３２】又、センサユニット(１)は、何れも安価な
部品であるタングステンランプ(13)、シリコンフォトダ
イオード(14)及び焦電素子(15)を配置しただけの簡易な
構成を有しているので、センサユニット(１)の単価の低
減を図ることが出来、これによって、広い地域を対象と
する灌水制御システムの実現が容易となる。更に、タン
グステンランプ(13)、シリコンフォトダイオード(14)及
び焦電素子(15)は、土壌(６)とは非接触の状態で、土壌
(６)の含水率に応じた含水率検出信号を出力するので、
長期間に亘って高い耐久性を維持する。更に又、センサ
ユニット(１)は、例えば１時間に１回の頻度で測定を行
なう場合、４ｍＷ程度の消費電力であるので、単３電池
１本若しくは４ｃｍ四方の小型太陽電池によって、必要
な電力を長期間(例えば数年間)に亘って賄うことが出
来、広い地域の灌水を無人で制御するシステムに好適で
ある。

【００３３】尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に
限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の
変形が可能である。例えば、各エリアの送受信機(２)の
出力を増大させれば、中継局(４)を省略することが可能
である。又、１つのスプリンクラー(３)に１つのセンサ
ユニット(１)を割り当てる構成に限らず、１つのスプリ
ンクラー(３)に複数のセンサユニット(１)を割り当て
て、測定精度の向上を図ることも可能である。更には、
灌水設備はスプリンクラー(３)に限らず、周知の種々の
灌水設備を採用することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る土壌灌水制御システムの全体構成
を説明する図である。

【図２】該システムの制御系統を説明するブロック図で
ある。

【図３】センサユニットと送受信機の配置を説明する図
である。

【図４】センサユニット及び送受信機の構成を表わす図
である。

【図５】中央管理センターのコンピュータが実行する灌
水制御手続きを表わすフローチャートである。

【図６】本発明のセンサユニットの測定原理を説明する
グラフである。

【図７】含水率の実測値と、焦電素子に対するシリコン
フォトダイオードの出力比の対数値との関係を表わすグ
ラフである。

【符号の説明】

(１) センサユニット (10) ケーシング (13) タングステンランプ (14) シリコンフォトダイオード (15) 焦電素子 (２) 送受信機 (３) スプリンクラー (４) 中継局 (５) 中央管理センター (６) 土壌

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者南浦武史大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者阪口明大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内Ｆターム(参考） 2G059 AA01 AA02 BB09 CC09 EE01 EE02 EE11 FF06 FF08 HH01 HH02 KK03 MM12 PP01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】灌水を施すべき複数のエリアについて、
各エリアの土壌の含水率を測定して、各エリアの土壌の
含水率を分析し、その結果に応じて、各エリアに対する
灌水を制御する土壌灌水制御システムにおいて、各エリアに配備された灌水設備と、各エリアの土壌中に埋設されて、各エリアの土壌の含水
率を光学的に測定する含水率測定器と、全てのエリアの灌水を管理する中央管理装置と、各エリアに配置されて、各エリアの灌水設備及び含水率
検出器と接続され、含水率測定器から得られる含水率検
出信号を中央管理装置へ送信すると共に、中央管理装置
から送られてくる灌水指令信号を受信する送受信装置と
を具え、中央管理装置は、各エリアについての含水率検
出信号に基づいて、各エリアの灌水設備に対する灌水指
令信号を作成する指令手段を具えていることを特徴とす
る土壌灌水制御システム。
【請求項２】含水率測定器は、水に対する透過率が大きな第１の波長域及び水に対する
透過率が小さな第２の波長域を含む光を土壌に照射する
発光素子と、前記第１の波長域に感度を有し、土壌からの反射光を受
けて、受光量又はその変化に応じた出力を発する第１受
光素子と、前記第２の波長域に感度を有し、土壌からの反射光を受
けて、受光量又はその変化に応じた出力を発する第２受
光素子と、前記第１及び第２受光素子の出力信号に基づいて、土壌
の含水率を算出する演算処理回路とを具えている請求項
１に記載の土壌灌水制御システム。
【請求項３】送受信装置には、含水率測定器及び送受
信装置自体の電源となる電池が装備されている請求項１
又は請求項２に記載の土壌灌水制御システム。
【請求項４】複数のエリア毎に、各エリアの送受信装
置から送信されてくる含水率検出信号を受信して中央管
理装置へ転送する中継局が設けられている請求項１乃至
請求項３の何れかに記載の土壌灌水制御システム。