JP2008096287A - 無線式土壌湿度計測装置および植物用自動給水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】土壌の湿度を長期に渡って確実に計測することが可能な無線式土壌湿度計測装置を提供する。
【解決手段】それぞれ土壌の計測対象部位１１に設置され、計測用電波を発信する計測用送信アンテナ６、およびこの計測用送信アンテナ６より発信された計測用電波を受信する計測用受信アンテナ７と、計測用電波を生成する計測用電波送信手段２と、計測用受信アンテナ７にて受信した計測用電波の強度を計測する受信電力検出回路８と、この受信電力検出回路８の受信強度より計測対象部位１１の湿度を検知する制御部１５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、土壌中を伝搬する高周波電波の減衰量より土壌の湿度を計測する無線式土壌湿度計測装置、およびこれを用いた植物用給水装置に関するものである。

従来より、鉢植え植物（例えば、観葉植物）等への自動給水方法として、一定時間毎に水を補給するタイマ式や、鉢の中に土と一緒に埋め込んだ帯紐状の不織布片に水を浸透させて水を補給する毛細管現象方式等が知られているが、これらの方法は、土壌に含まれる水分量に関係なく給水が行われるため、土壌水分の適切な調整が難しく、給水不足で植物を枯らしたり、給水過多で根腐させる等の問題があった。

また、湿度計により土壌の湿度を計測し、その計測結果に基づいて植物への給水量を制御する方法も提案されており、例えば、特許文献１が開示されている。

特許文献１は、植物周辺の土壌中に設置した導電性の金属棒間の電気抵抗値より土壌の湿度を計測するものであるが、この方法は、抵抗計測用の金属棒が腐食し易いため、長期的に正確な湿度を計測することが難しいという欠点があった。
実用新案登録 第３０８３２０３号

本発明は、上記問題点に鑑みて成されたもので、その目的は、土壌の湿度を長期に渡り確実に計測することが可能な無線式土壌湿度計測装置を提供することであり、また、他の目的は、土壌の湿度に応じた適切な給水が行える植物用自動給水装置を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の発明は、それぞれ土壌の計測対象部位に設置され、計測用電波を発信する計測用送信アンテナ、および当該計測用送信アンテナより発信された計測用電波を受信する計測用受信アンテナと、前記計測用電波を生成する計測用電波送信手段と、前記計測用受信アンテナにて受信した前記計測用電波の強度を計測する受信電力検出回路と、当該受信電力検出回路の受信強度より前記計測対象部位の湿度を検知する制御部とを備えることを特徴とする無線式土壌湿度計測装置である。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の無線式土壌湿度計測装置において、無線通信網を介して上位装置と接続するための高周波送信回路および高周波受信回路を備え、且つ、前記計測用電波送信手段に前記高周波送信回路を使用することを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の無線式土壌湿度計測装置において、前記制御部で検知した湿度情報を前記高周波送信回路により前記上位装置に伝送することを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の無線式土壌湿度計測装置において、前記計測用送信アンテナおよび計測用受信アンテナにパターンアンテナを用いることを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の無線式土壌湿度計測装置において、電力供給源として太陽電池が接続可能であることを特徴としている。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５までの何れかに記載の無線式土壌湿度計測装置において、前記計測用電波送信手段は、自身の識別符号を含む計測用電波を発信し、且つ、前記受信電力検出回路は、前記自身の識別符号に対応した計測用電波の受信強度を計測することを特徴としている。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６までの何れかに記載の無線式土壌湿度計測装置と、給水施設に設けられ、当該無線式土壌湿度計測装置にて検知した湿度に応じて前記計測対象部位への給水量を制御する給水制御機構とを備えることを特徴とする植物用自動給水装置である。

また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の植物用自動給水装置において、前記給水制御機構として電磁弁を用い、前記電磁弁の開放時に前記給水施設の水圧を利用して給水することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、土壌に設置した計測用送信アンテナより発信した計測用電波を計測用受信アンテナで受信し、その受信強度から土壌の湿度を検知するように構成したので、土壌の湿度を確実に計測することが可能となると共に、アンテナは、通常樹脂コーティングされているため、土壌中に設置しても腐食の虞は少なく、よって、長期に渡って安定した湿度の計測が行える。

請求項２に記載の発明によれば、上位装置との無線通信に用いる高周波送信回路を利用して計測用電波を生成するようにしたので、計測用電波生成用の回路を別途設ける必要が無くなり、これにより、装置の低価格化と小型化を図ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、検知した湿度情報を上位装置に無線伝送することにより、畑等の広範囲な場所に無線式土壌湿度計測装置を複数設置して土壌の湿度を一括して監視することが可能となる。また、上位装置との配線は不要であるため、システム構築が容易である。

請求項４に記載の発明によれば、計測用送信アンテナと計測用受信アンテナにパターンアンテナを用いることにより、アンテナの低価格化と小型化を図ることができると共に、アンテナの設置も容易となる。

請求項５に記載の発明によれば、電力源として太陽電池を接続することにより、無線式土壌湿度計測装置への電源配線が不要となり、装置の設置が容易となると共に、電池式のように定期的な電池交換も不要であるから、保守・点検作業も容易である。

請求項６に記載の発明によれば、複数の無線式土壌湿度計測装置が隣接して設置されている場合、送信側において計測用電波に自身の装置を特定づける識別符号を挿入し、受信側においてこの識別符号を認識し、複数の計測用電波より自身の計測用電波を判別することにより、他の計測用電波の受信強度を誤計測することを防止できる。

請求項７に記載の発明によれば、無線式土壌湿度計測装置の計測用送信アンテナと計測用受信アンテナを水補給したい植物の根元（計測対象部位）に設置することにより、土壌の湿度が自動的に計測され、その計測結果に基づき給水施設より土壌の湿度に応じた好適量の自動給水が行われるため、植物が水不足で枯れたり、水分過多で根腐れを起こしたりすることが防止できる。
また、無線式土壌湿度計測装置で検知した土壌の湿度情報や給水制御機構による給水状態等、植物育成に係わる様々な運用状況を上位装置に無線伝送することにより、畑等の広範囲な場所に無線式土壌湿度計測装置が複数設置されている場合でも、上位装置が上記運用状況をリアルタイムで収集し、植物の育成状態を一括監視することが可能となる。

また、請求項８に記載の本発明は、給水制御機構として電磁弁を用い、給水槽や水道の水圧を利用して給水することにより、給水に電動ポンプ等を用いる場合に比べて給水制御機構の電力消費を少なくできるため、小型、省電力の植物用自動給水装置を実現できる。

以下、図１〜図４に基づいて本発明に係る無線式土壌湿度計測装置の実施形態を説明する。
図１〜図３は無線式土壌湿度計測装置の構成を示し、図４はパターンアンテナの設置状態を示している。

図１に示すように、本実施形態による無線式土壌湿度計測装置１０は、通信用の高周波受信回路１と高周波送信回路２、および、これら高周波受信回路１と高周波送信回路２に接続されて各回路１、２の通信動作を制御する制御部１５（ＭＰＵ）を備える。
高周波受信回路１および高周波送信回路２は、送／受信切替器３を介して通信アンテナ４に接続され、無線通信網を経由して上位装置４０（例えば、パーソナルコンピュータ）に接続される。
高周波送信回路２と送／受信切替器３の間には通信／計測切替器５が介在されている。この通信／計測切替器５は、通信時に高周波送信回路２で生成される高周波電波と、湿度計測時に同高周波送信回路２で生成される計測用電波の切り替えを行う。このように、高周波送信回路２は、上位装置４０と通信するための送信手段と、土壌の湿度を計測するための計測用電波の送信手段を共有する回路構成である。

また、無線式土壌湿度計測装置１０は、計測用送信アンテナ６、計測用受信アンテナ７、受信電力検出回路８、Ａ／Ｄ変換器９を備える。
計測用送信アンテナ６および計測用受信アンテナ７は鉢植や畑等の計測対象部位１１に対向状態に設置されており、計測用送信アンテナ６は、通信／計測切替器５の出力側に接続され、計測用受信アンテナ７は受信電力検出回路８の入力側に接続されている。
受信電力検出回路８の出力は、Ａ／Ｄ変換器９を介して制御部１に接続されており、制御部１は、上述した上位装置４０との通信制御の他、後述する土壌湿度の算出処理も行う。

計測用送信アンテナ６および計測用受信アンテナ７として誘電体基板に設けたパターンアンテナを用いることができる。
パターンアンテナを鉢植１１に設置する場合は、鉢植１１に埋め込むのではなく、図４に示すように、鉢植１１の外側に設置（貼り付ける）しても良く、土壌湿度の計測は可能である。この方法は、アンテナの設置が容易であると共に、アンテナ自体が直接土壌に接触していないため、アンテナが腐食し難いというメリットがある。

上記構成の土壌湿度計測装置１０では、土壌湿度の計測時は、高周波送信回路２において生成された計測用電波が通信／計測切替器４により計測用送信アンテナ６に切り替えられる。計測用送信アンテナ６より発信された計測用電波は、計測対象部位１１である鉢植や畑等の土壌中を伝搬し、計測用受信アンテナ７より受信される。
この際、計測用電波は土壌に含まれる水分に吸収されるため、計測用受信アンテナ７が受信した計測用電波の電力（受信強度）は減衰している。すなわち、土壌内の水分か多く湿度が高い場合は計測用電波の減衰量が多くなり、土壌湿度が低くなると減衰量も少なくなる。従って、計測用電波としては、水分に吸収され易い周波数帯である２．４ＧＨｚ近辺を使用することが測定感度向上の面で好ましい。

計測用受信アンテナ７で受信された計測用電波の電力は受信電力検出回路８において電圧に変換され、その電圧値がＡ／Ｄ変換器９を介してデジタルデータとして制御部１５に入力されると共に、制御部１５において、入力された電圧値より計測用電波の減衰量が算出され、減衰量より土壌の水分量（湿度）を得る。
この土壌の湿度情報は、高周波送信回路２より通信／計測切替器５を介して上位装置４０に無線伝送される。

尚、図１に示すように、計測対象部位１１の近傍に温度センサ１２（例えば、サーミスタ１２）を設置し、その検知出力をＡ／Ｄ変換器９を介して制御部１に取り込むことにより、受信強度の温度誤差を補正することも可能であり、これにより、湿度の測定精度を向上することができる。

また、高周波送信回路２は、生成した計測用電波に自身の装置を特定づける識別符号を挿入することも可能である。この場合、受信電力検出回路８においてこの識別符号が認識され、複数の計測用電波より自身の計測用電波を判別することにより、自身の識別符号に対応した計測用電波の電力のみが計測される。

以上、本実施形態による無線式土壌湿度計測装置１０では、土壌に設置した計測用送信アンテナ６より発信した計測用電波を計測用受信アンテナ７で受信し、その受信強度から土壌の湿度を検知するように構成したので、土壌の湿度を確実に計測することが可能となる。また、通常、アンテナは樹脂コーティングされているため、土壌中に設置しておいても腐食の虞は少なく、よって、長期に渡って安定した湿度の計測が行える。

また、高周波送信回路２に、上位装置４０との通信機能と計測用電波の生成機能を持たせることにより、高価な回路部分を共有することができ、これにより、装置の低価格化と小型化を図ることができる。

また、制御部１５で得られた湿度情報を上位装置４０に無線伝送することにより、畑等の広範囲な場所に無線式土壌湿度計測装置１０を複数設置して土壌の湿度を一括集計して監視することができ、且つ、上位装置４０との複雑な配線は不要であるため、システム構築も容易である。

また、計測用送信アンテナ６と計測用受信アンテナ７にパターンアンテナを用いることにより、低価格化と小型化を図ることができると共に、アンテナの設置も容易となる。また、鉢植等に設置する場合は、アンテナ自体を土壌に埋めなくて済むため、アンテナの耐久性の面でも好ましい。

また、計測用電波に自身の装置を特定づける識別符号を挿入することにより、複数の無線式土壌湿度計測装置１０が隣接して設置されている場合、受信側においてこの識別符号を認識して自身の計測用電波を判別することができるため、他の計測用電波の受信強度を誤計測することを防止できる。これにより、信頼性の高い湿度計測が可能となる。

次に、図２、図３に無線式土壌湿度計測装置１０の別の構成例を示す。尚、図２、図３において、図１と共通する部分については同一の符号を用いた。

図２に示す無線式土壌湿度計測装置１０は、高周波受信回路１と送／受信切替器３の間に第二の通信／計測切替器１３を設け、上位装置４０との通信用の高周波受信回路１を計測用電波の強度計測用（図１の受信電力検出回路８に相当）として用いるように構成したものである。
すなわち、計測用受信アンテナ７で受信された計測用電波は、第二の通信／計測切替器１３を介してこの高周波受信回路１に入力されて電力計測が行われる。このような構成にすることにより、受信電力検出回路８を削減でき装置の低価格化と小型化を図ることができる。

図３に示す無線式土壌湿度計測装置１０は、高周波受信回路２１と高周波送信回路２２で成る第１無線ユニット２０と、高周波受信回路３１と高周波送信回路３２で成る第２無線ユニット３０とを備えている。これら無線ユニット２０、３０の各回路２１、２２、３１、３２は、全て通信用の専用ＩＣにて構成することができる。

第１無線ユニット２０の高周波送信回路２２と第２無線ユニット３０の高周波受信回路３１は、送／受信切替器３を経由して通信アンテナ４に接続され、無線通信網を経由して上位装置４０と接続される。
他方、無線ユニット３０の高周波送信回路３２が計測用送信アンテナ６に接続され、無線ユニット２０の高周波受信回路２１が計測用受信アンテナ７に接続されて、土壌湿度の計測用回路が構成されている。すなわち、高周波送信回路３２において計測用電波が生成され、高周波受信回路２１において、受信電波の強度計測が行われる。
このように、通信用の専用ＩＣを用いて湿度の計測用回路を構成することにより、上述した識別符号の挿入や認識も容易に行えるようになると共に、同一のＩＣを多数使用することによるコストダウン効果が期待できるというメリットがある。

次に、図５に基づいて植物用自動給水装置５０の実施形態を説明する。図５は植物用自動給水装置の構成を示している。

図５に示すように、本実施形態の植物用自動給水装置５０は、上述した無線式土壌湿度計測装置１０と、水槽（ペットボトルでも可）や水道設備等の給水施設５１と、この給水施設５１の出口部に設けられて当給水施設５１からの給水量を制御する給水制御機構５２とで構成されており、本実施形態では、給水制御機構５２として電磁弁５２が使用されている。
水は給水施設５１より給水管５３を通して給水対象に補給されるが、ペットボトルのような小型容器を用いて鉢植等に給水する場合は、給水管５３を介さずに鉢植に直接容器を設置することが可能であり、装置の設置は極めて容易である。
また、無線式土壌湿度計測装置１０の計測用送信アンテナ６と計測用受信アンテナ７は、水補給したい鉢植や畑等の植物の根元付近に設置される。

電磁弁５２には無線式土壌湿度計測装置１０が接続されており、当無線式土壌湿度計測装置１０にて検知された土壌の湿度より給水が必要と判断されると、電磁弁５２が開放され、給水施設５１から土壌の湿度に応じた適量の給水が自動的に行なわれる。これにより、植物が水不足で枯れたり、水分過多で根腐れを起こすことが防止できる。
尚、電磁弁５２の開閉動作は、無線式土壌湿度計測装置１０の制御部１５からの通電制御により行われるため、育成する植物の種類や鉢植のサイズ等、或いは周囲の環境条件等に応じて、給水時間や給水のタイミング等を変えることも勿論可能である。

また、電磁弁を用い、水槽や水道の水圧を利用して給水することにより、給水に電動ポンプ等を用いる場合に比べて給水制御機構５２の電力消費を少なくでき、小型、省電力の植物用自動給水装置を実現することができる。

また、図示のように、無線式土壌湿度計測装置１０に太陽電池１４を接続することにより、無線式土壌湿度計測装置１０への電源配線が不要となり、装置の設置が容易となると共に、電池式のように定期的に電池を交換する面倒な保守点検作業を無くすことができるため、植物の育成管理が楽になる。

また、無線式土壌湿度計測装置で検知した土壌の湿度情報や給水制御機構による給水状態等、植物育成に係わる様々な運用状況を上位装置に無線伝送することにより、畑等の広範囲な場所に無線式土壌湿度計測装置が複数設置されている場合でも、上位装置が上記運用状況をリアルタイムで収集し、植物の育成状態を一括監視することが可能となる。

以上、本発明の無線式土壌湿度計測装置１０は、計測対象部位の湿度を計測してその湿度情報を上位装置４０に無線伝送可能であるため、上述したような植物の育成監視以外に、例えば、土壌の危険箇所に無線式土壌湿度計測装置１０を複数設置しておいて各所の湿度情報を収集することにより、堤防の決壊や土砂崩れ等を監視することも可能である。

本発明に係る無線式土壌湿度計測装置の構成を示すブロック図。 同、図１とは別の無線式土壌湿度計測装置の構成を示すブロック図。 同、図２とは別の無線式土壌湿度計測装置の構成を示すブロック図。 パターンアンテナによる計測用送信アンテナと計測用受信アンテナの設置状況を示す図。 本発明に係る植物用自動給水装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１ 高周波受信回路
２ 高周波送信回路
６ 計測用送信アンテナ
７ 計測用受信アンテナ
８ 受信電力検出回路
１０ 無線式土壌湿度計測装置
１１ 計測対象部位
１４ 太陽電池
１５ 制御部
４０ 上位装置
５０ 植物用自動給水装置
５１ 給水施設
５２ 給水制御機構（電磁弁）

Claims (8)

1. それぞれ土壌の計測対象部位に設置され、計測用電波を発信する計測用送信アンテナ、および当該計測用送信アンテナより発信された計測用電波を受信する計測用受信アンテナと、
   前記計測用電波を生成する計測用電波送信手段と、前記計測用受信アンテナにて受信した前記計測用電波の強度を計測する受信電力検出回路と、当該受信電力検出回路の受信強度より前記計測対象部位の湿度を検知する制御部とを備えることを特徴とする無線式土壌湿度計測装置。
2. 無線通信網を介して上位装置と接続するための高周波送信回路および高周波受信回路を備え、且つ、前記計測用電波送信手段に前記高周波送信回路を使用することを特徴とする請求項１に記載の無線式土壌湿度計測装置。
3. 前記制御部で検知した湿度情報を前記高周波送信回路により前記上位装置に伝送することを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の無線式土壌湿度計測装置。
4. 前記計測用送信アンテナおよび計測用受信アンテナにパターンアンテナを用いることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の無線式土壌湿度計測装置。
5. 電力供給源として太陽電池が接続可能であることを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の無線式土壌湿度計測装置。
6. 前記計測用電波送信手段は、自身の識別符号を含む計測用電波を発信し、且つ、前記受信電力検出回路は、前記自身の識別符号に対応した計測用電波の受信強度を計測することを特徴とする請求項１から請求項５までの何れかに記載の無線式土壌湿度計測装置。
7. 請求項１から請求項６までの何れかに記載の無線式土壌湿度計測装置と、給水施設に設けられ、当該無線式土壌湿度計測装置にて検知した湿度に応じて前記計測対象部位への給水量を制御する給水制御機構とを備えることを特徴とする植物用自動給水装置。
8. 前記給水制御機構として電磁弁を用い、当該電磁弁の開放時に前記給水施設の水圧を利用して給水することを特徴とする請求項７に記載の植物用自動給水装置。

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