JP2009296940A - 灌漑制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 植物の灌水栽培において比較的簡単な構成で植物に対して水を過不足無く供給する。
【解決手段】 栽培植物（栽培対象の植物）及び栽培植物の生育環境を含む栽培対象３においては天候等の実測データ８、栽培植物の吸水量、地温等のデータ６中央処理部７に出力され、中央処理部７はこのデータに対応して、予め構築されているデータースベースＤＢのエキスパートデータ９、天候予測データ１０等のデータを引出し、このデータに基づいて最適水分供給量を算出し、吸水調整手段４を解して吸水手段２を制御し、前記算出した最適量の水を、必要に応じてヒータ５で加温した後栽培対象３に供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は灌漑システムに係り、特に栽培対象である植物の吸水状態等を測定し、植物に対して過不足無く適正に水分を供給できるよう構成された灌漑用の計測・制御システムに関する。

地球温暖化に伴う深刻な水不足や渇水化の進行による農作物の減収及びこれに伴う農産物の価格が高騰する事態が生じているが、このような事態に対応すべく、農産物の生産増加を目指して耕作不適地においても農作を可能とするため灌漑による農業が実施されている。

栽培対象に対して人為的に水を供給する灌漑農法は古来から行われて来ており、その方法も川や湖沼から水を引いて農地の地表全面に水を供給する古来からの地表灌漑、或いはスプリンクラにより栽培対象に対して水を散布する灌漑方法等が実施されてきた。最近ではこのような灌漑方法に代えて、主として畑地の灌漑においては点滴灌漑、多孔管灌漑等水分を栽培対象植物の根の部分を中心として直接供給することにより使用する水量を上記地表灌漑やスプリンクラ灌漑に比較して大幅に低減できる灌漑方法が広く採用されるようになっている。

本件出願に先行する技術としては下記特許文献記載の発明がある。
特開２００４−０１６０８０ 特開２００２−２１５７１７ 特開２００２−１２４５９９ 米国特許４９２８４２７ 米国特許５８３９６５９

上述の点滴灌漑、多孔管灌漑等により水の供給量自体の低減は可能となったが、栽培対象となっている植物（以下実施例も含めて「栽培植物」とする）に対してその栽培植物の要求量に対応して水を過不足無く供給することは容易なことではない。例えば栽培植物の根が張っている地中の湿度や温度等を計測したとしても、その計測湿度や計測温度に基づいてどの程度の水を供給するのが適正であるかは、栽培植物の種類、生育期間（播種後の日数／生育期か収穫時期に近いか等）或いは季節等、栽培植物の生育状態や生育環境等の各種因子を総合的に判断して決められることである。しかし実際には栽培植物に対する水供給の調整は限られた経験に基づき主観的に実施されているのが実情である。

この点に鑑み上記特許文献を考察すると、特許文献１、特許文献４、特許文献５は点滴灌漑、多孔管灌漑の改良に関するものであり、栽培植物に対して集中的かつ効率的に水を供給することは可能であってその点で水の使用量を低減することが可能であるが、水の供給量、供給時期（時間）等の栽培植物の生育状態や生育環境に対応する水の供給方法に関する提案はなされていない。

特許文献１及び２は栽培植物の生育環境をモニタリングし、栽培植物の生育に適正な水を供給する点においては本願発明と共通する部分もあるが、センシングする因子が極めて多岐に渡る等の理由により複雑高度な演算システムを必要とし、或いはこの複雑高度な演算システムとデータリンクさせる必要がある等システム自体が大規模複雑化する。このためシステム構築に多大の費用がかかると共にシステムの作動環境が限られ、例えば砂漠地帯等、最も灌漑が必要な地域ではあるが電力供給が不安定である等、システム作動のインフラが整っていない地域では事実上このシステムは実施できない。

本発明は上記従来技術の問題点に鑑み構成されたものであって、好適には上述の点滴灌漑や多孔管灌漑等、栽培植物の根の部分に直接水を供給する地中灌水法の一方式である負圧差灌水を用いた灌漑法である。
即ち、本発明は栽培植物に対して水を供給する手段と、栽培植物の栽培環境を計測する手段と、制御部とを有し、制御部は植物に対して最適供給水量を算出するための演算処理を行うデータベースが設けられ、かつこのデータベースには篤農家等により従来から蓄積された栽培植物に対する最適な吸水環境を設定するためのデータ（エキスパートデータ）が栽培植物の種類毎に設けられ、制御部はこのエキスパートデータにより比較的簡単な演算システムを用いて栽培植物に対する吸水量を設定し得るよう構成した栽培植物に対する灌漑のための計測・制御システムである。

本発明によれば栽培植物に対する最適吸水量の算出は複雑な演算処理を行うことなく可能であるため、制御部は通常のノート型パソコンで十分対応可能であり、従って情報の授受、電力供給のインフラ整備が不十分な砂漠地帯等でも実施可能であり、このため単に農作物の生産だけでなく、砂漠の緑化事業にも実施可能である。

本発明における灌漑システムは例えば数アール程度の比較的狭い面積に植栽された栽培植物に対する灌漑を前提としているが、後述するように一つのシステムは比較的簡単な構成となっているため、このシステムを連携して多数構築することにより広大な面積に対して本発明の灌漑システムを実施することも可能となる。この場合面積が広大になれば栽培植物の生育環境も異なることも予想されるが、多数のシステムが個々に実施されそのシステムが及ぶ範囲の栽培植物に対して最適な給水を行うため広大な面積に植栽された栽培植物に対してその環境に合ったきめ細かい灌漑を実施することができる。

また、水の供給手段を負圧差灌漑装置とすることにより水の供給は自然エネルギーのみで可能であり、給水用のポンプ等人工エネルギーを必要とする装置を使用しなくても栽培植物が必要とする最適量の水の供給が可能となり、この点においてもインフラ未整備地に於ける実施が可能である。

制御部として機能する演算手段はパーソナルコンピュータ（ノート型／デスクトップ型等）とし、水の供給手段はマリオット方式の給水手段を設けた地中負圧差灌漑方式とすることにより、インフラ未整備地においても安価にかつ短時間で栽培植物の灌漑システムを構築するように構成する。このように構成すれば演算手段（演算ソフト）、水供給手段、センサ類等は工業的に大量生産可能な既製品として提供可能となるため、本発明の普及に対応してシステムの提供価格をより一層低減することが可能となる。

以下本発明の実施例を図面を参考に説明する。
先ず本発明の基本構成を図１を用いて説明する。
本発明は給水の制御等システム全体の制御を司る演算手段１と、この演算手段１により算出された給水量に対応する水の供給を行う給水手段２と、給水手段２からの水の供給を受けて栽培植物を栽培する栽培対象３を有している。なお「栽培対象」の語は栽培植物及び栽培植物が植栽されている地面（畑地／砂漠等の緑化対象地域）の両方を含む語として以下使用する。なお、給水手段２には供給する水を例えばナノバブル水等に変化（改質）させる給水調整手段４、供給する水の水温を調節するヒータ５が接続している。

上記の構成において、栽培対象３に対しては地中湿度や地中温度等を検知する温度センサや湿度センサが配置され、これらセンサの計測データは栽培対象実測データ６として演算手段１の中央処理部７に出力される。また栽培対象３の環境データとして当該栽培対象３における天候、気温、湿度、風量等が現地実測気象データ８として前記中央処理部７に出力される。

一方演算手段１にはデータベースＤＢが格納されている。なお、当然のことながらデータベースＤＢを演算手段１とは別構成とし、演算手段１が別構成のデータベースＤＢにアクセスするよう構成することも可能である。

データべースＤＢにはエキスパートデータ９、天候予測データ１０、栽培植物の成長データ（成長の記録データ）１１、時間データ１２等が記録されている。このうちエキスパートデータ９は後で詳述する。天候予測データ１０は栽培対象３を中心とした地域における天候予測データであって、１年を通した大まかな天候予測データ、一ヵ月前までの天候予測データ、一週間先までの比較的具体的な天候予測データ等が順次格納される。データの発信先としては我が国における気象庁等の国営、官営の無料データ、民間企業が実施している有料データ等適宜選択して格納する。

栽培植物の成長データ１１は栽培対象３における栽培植物の実際の成長のデータであって後述するエキスパートデータ９における栽培植物の成長予測と実際の成長状態との比較を行う等の場合に利用される。この場合栽培植物の収穫までの実際の成長データと、この間の水供給データとにより、これらのデータの比較から必要であればエキスパートデータ９の補正を行う。

時間データ１２はカレンダーデータにより本システムが作動している月日を特定し、この月日に対応して季節の設定、及び前記天候予測データの対応する月日（季節）に対応する天候予測データの出力を行ったり、或いは時刻データにより昼夜の識別を行ったりするために使用される。

図２はエキスパートデータ構成の一例を示すものであり、例えばトウモロコシのように播種を行い１年以内に収穫を行う植物を例に構成されているものを示している。

先ず、例えばトウモロコシ、ダイズ、小麦或いは所定の花卉類等栽培植物の種類を植物の種類データ９Ａから選択する。また選択された栽培植物の播種が終了したならばその播種月日９Ｃがデータ化される。播種月日データ９Ｃと選択された栽培植物の種類を設定した種類選択データ９Ｂから当該選択された種類の栽培植物の収穫までの必要時間を設定し、この必要時間９Ｄから収穫予定月日９Ｅを設定する。一方この播種月日データ９Ｃと前記種類選択データ９Ｂは補助データ２であるデータ９Ｆにも出力される。

この補助データ９Ｆは前記必要時間９Ｄに対応する期間において、選択された栽培植物の種類に対応する虫害予測データ９Ｆａ、病気発生予測データ９Ｆｂ等を設定する。この場合、補助データ１であるカレンダーデータ９Ｇを用いて栽培植物の成長期間における季節の変化を設定し、前記虫害予測データ９Ｆａ、病気発生予測データ９Ｆｂを設定する。例えば栽培植物が小麦である場合、秋蒔き小麦の場合は成長過程は秋・冬・春・初夏となり、春蒔き小麦の場合には成長過程は春・夏、秋となり成長過程における季節変化が相違するのでこの間に発生する虫害や病気にも当然相違が生じることになり、それぞれに対応した虫害予測データ９Ｆａ、病気発生予測データ９Ｆｂを設定することになる。

一方、前記播種から収穫予定月日までの期間中に選択された栽培植物に必要な温度の変化を予測設定９Ｈし、同時に９Ｊで示すように必要水分量の変化を予測設定する。特に必要水分変化データ９Ｊは本システムを実施するための水供給制御の大まかな目安となるものである。

以上の方法により、選択された特定の種類の栽培植物に対する水供給における具体的なエキスパートシステムを構築し、以下この具体的に構築されたエキスパートシステムと、栽培対象３を含む栽培植物の生育環境の実測値との比較により栽培植物の成長に対応して最適な水供給量を設定して給水手段を制御することになる。

中央処理部７に対しては、栽培対象３における栽培対象実測データ６や現地実測気象データ８が実測データ１３として入力され、中央処理部７はこの実測データ１３、特に当該実測データ１３のうち地中湿度データ及び地中温度データと、エキスパートデータ９において栽培植物の播種月日９Ｃからの経過日時と前記必要水分量変化データ９Ｊとから求められる当日の水分供給量とを比較し、当日供給すべき水の量を算出し、この水分供給量データを制御データ１４の一つとして給水手段２に出力する。なお、実測の地中温度データにより供給水の温度を調整する必要がある場合には制御データ１４には水温制御データも付加されヒータ５を作動させて給水温度を中央処理部７から出力された温度データに対応する温度に調整して栽培植物に供給する。

さらに前記制データ１４の一つとして、中央処理部７は必要に応じて給水調整手段４に対して供給する水自体を酸素水、ナノバブル水、電解水等とするよう指令信号を発して所定の高機能水を得るようにすることもできる。

次に図３及び図４は本発明の第２の実施例を示し、前記実施例に対して水の供給方式をより簡素化するよう構成したもの示している。
即ち、この実施例は点滴灌漑や多孔管灌漑等、栽培植物の根の部分に直接水を供給する地中灌水法の一方式である負圧差灌水法を用いた灌漑システムである。
図中符号１６はパソコンであり、図１の演算手段のうち中央処理部７に対応し、データベースＤＢにアクセス可能に構成されている。なお前述のとおりデータベースＤＢはパソコン１６内に格納することも可能である。また給水手段２はマリッオットタンクとして構成されている。なお、マリオットタンクは供給する水を貯留する貯留槽である本体２９とこの本体２９に連接して供給する水を一時的に滞留させる滞留槽２９´とから構成されている。

さらに栽培対象３は給水原理を明瞭にするため栽培用ポット２２とこの栽培用ポット２２に植栽された栽培植物Ｐとしてある。ポット２２内には水供給用として多孔質の材料からなる給水管２３が埋設されており、この給水管２３を介して供給された水Ｗがポット２２内に浸潤するよう構成されている。

上記の構成において、給水槽はマリオットタンクとして構成されているため、通気管である水位制御管３１の下端と同じ位置になる貯留槽２９´の水面Ｗ´と、給水管２３の給水高さとの差が負圧差Δｈとなり、この負圧差Δ１に対応した所定の量の水が給水配管２４を経て給水管２３からポット２２内に供給されることになる。つまり後で詳述するようにこの負圧差Δ１を調節することによりポット２２に対する水の供給量を調節することが可能となる。

前記実施例でも示したとおり、エキスパートシステムによりパソコン１６に対しては植物の生育状態に対応した最適給水量が設定されている。やや粗い制御にはなるがこの設定された最適給水量に対応してポット２２に対して一方的に所定量の水を供給することもできるが、ポット２３内に地中湿度や地中温度を測定するセンサＳ１、Ｓ２を配置し、この測定データに基づいてエキスパートシステムで設定された給水量を補正し、補正した量の水を供給するよう構成すればより適正な水の供給が可能となる。

次に本実施例における水供給の調整方法について説明する。
水位制御管３１はサーボ機構３２により上下方向に変位可能に構成されている。水の供給量は前記負圧差Δｈの大小により制御されるので、パソコン１６は適正供給量に対応する負圧差Δｈの値を設定し、この負圧差Δｈの値に対応するようサーボ機構３２により水位制御管３１を上下させて所定量の水Ｗをポット２２に供給する。

符号３０はこの水位制御管３１を覆うように配置された波消し管であって、管の下部には貯槽内の水が通過する小孔が形成されることにより波消し管３０内の水位も貯槽内の水位と同じになるよう構成されている。波消し管３０はこの給水装置に必須の要素ではないが、この波消し管３０により外部の影響を受けること無くスムーズに水位制御管３１を作動させることができる。
なお、貯留槽２９´には給水管３の給水高さに対して一定の高さを有する逆流防止壁２７が形成され、給水管２３からの水の逆流を防止することができる。また温水ヒータ２８を設置して給水を所定の温度に調節するよう構成することも可能である。

符号２６はこの給水システムに補助的に設けた給水ポンプであって、通常は負圧差Δｈにより給水配管２４をＡ１方向から給水するが、緊急に大量の水を供給する必要が生じた場合はこの補助ポンプ２６を用いてＡ２方向から水の供給を行う（図４参照）。この使用法においては補助ポンプ２６は必須のものではないが、栽培対象３が図示のような栽培用ポット２２ではなく、乾燥地帯にある一定の区域の土地である場合にはこのような緊急給水が必要となる事態が発生する可能性は低いものではない。

また吸水ポンプ２６には上述の緊急時の使用の外に、本システムを安定的に実行するために定期的に作動させるための装置として設置すればより効果的である。すなわち、図３に示す給水システムにおける水の流れでは常に負圧差状態で給水する方式を採用しているため、減圧状態により供給水中に溶解している空気が次第に気泡となって溜まり給水配管２４内で空隙を形成することになる。この空隙が大きくなると給水配管２４内で液層と気層が分離してしまい、土壌における水分の拡散現象を阻害し、最終的には給水ができない事態となる。これに対して給水ポンプ２６を１日から２日おきに短時間運転すると、この気泡が除去でき、良好な給水状態を維持すことができる。また負圧による水の供給を待たずに冬季では温水を、夏期では冷水を強制供給することにより土壌の温度制御を行ったり、或いはナノバブル水や高濃度酸素水を循環させるなどして土壌に高機能性を持たせるようにすることも給水ポンプ２６を用いて実施できる（図４参照）。なお、図４ではパソコン１６を中央処理部７と分けて、データの入出力手段として構成しているが、図３の構成のように中央処理部７をパソコン１６の中に構成することももとより可能である。

図４においては給水用配管２４に対してバルブＶ１とＶ２が設けられているが、これは次の理由による。例えば雨水が浸潤する等して地表面からの重力水が給水管２３に至り負圧差条件下で重力水が給水管２３に流入し給水配管２４を経て貯留槽２９´に逆流する可能性がある。このような逆流は貯留槽２９´内の水質を悪化させるので逆流を防止する必要がある。この場合はバルブＶ１を開、バルブＶ２を閉とし、ポンプ２６によりＡ２方向から水を供給して負圧差Δｈを解消して水の逆流を防止する。また冷水や温水の供給による土壌の温度制御を行ったりナノパブル水等を循環させる場合にはバルブＶ１、Ｖ２共に開としてこれらの水を循環流動させる。ポンプ２６を作動させる場合にこのようにバルブＶ１、Ｖ２をその目的に対応して適宜開・閉或いは開度を調整することにより目的を達成する。因みに、図３の場合のように負圧差Δｈの下で給水するときはバルブＶ１閉、バルブＶ２開として図３のＡ１方向からの自然給水を行う。

次に貯槽本体２９における水位の調整（水量の調整）は以下の方法で行われる。貯槽本体２９内の水位は水位検知装置によりパソコン１６に出力され、この水位検知データに基づきパソコン１６は図示しない水供給経路から水を貯槽本体２９に供給する。なお、貯槽本体２９内に水を供給するときに貯槽内の水面に波が立つ可能性があるが、この場合前記波消し管３０を設置しておけば、波の影響により水位制御管３１が揺れて前記差圧ｈ１に変動が生じる事態を避けることができる。

図示の構成では水位検知装置は貯槽本体２９内に配置されたフロート３４と、このフロート３４に接続する変圧器（差動変圧器）３３とからなり、フロート３４の位置に対応して変移する電圧をパソコン１６で検知して貯槽本体２９の水位を検知するよう構成されている。符号３５はフロート３４の移動を案内するガイド筒であって、フロート３４の昇降をスムーズに行わせるためのものである。またガイド筒３５は内部の水が貯槽本体２９の全体の水位と同じになるよう筒体に小孔が形成された構成や網状の素材を筒状に構成したもの等が用いられる。

より具体的には、負圧差Δｈの下で貯留槽本体２９の水位を差動変圧器３３により連続的に計測することにより栽培植物Ｐの吸水量をリアルタイムで計測することができる。この吸水量を積算すれば、栽培植物Ｐが何時どれだけの水が必要とするかが明らかとなる。さらにこの吸水量データを測定時間で割れば、当該栽培植物Ｐの吸水速度が求められ、栽培植物Ｐが何時どの程度の蒸散活動（光合成）をしているかも知ることができる。また給水管２３よりもΔｈ低い位置に水面をもつ滞留槽２９´を配設し両者を供給用配管２４で接続することにより、土壌の吸引圧と給水管２３にかかる負圧差Δｈが発生し、この結果毛管現象による無動力灌水が行われることになる。つまり、この灌水方式は電気等の人工的なエネルギーを使用することなく植物の給水力に対応して適量を自動的に灌水することが可能となるという、原理的にすぐれた特性を有している。
なお水位計測用の装置としては上記の差動変圧器３３の外、ポテンショメータ、静電容量方式、圧電素子、レーザ方式の装置なども当然利用可能である。

栽培植物Ｐを含め、植物の吸水活動は日射、気温、湿度等でデリケートに変化するから、これらのデータを駆使すれば、植物に最適な給水システムの構築が初めて可能となる。なお、最適給水量は様々な目的から決めることができる。例えば高品質の作物の収穫、給水制限下での栽培、作物の総生産量や生産額の調整、施肥（特に化学肥料）による環境汚染の防止等の観点からその目的に適った給水量を選定することができる。例えば栽培植物Ｐをトマトとし、負圧差Δｈがゼロの場合、このトマトに水ストレスが働かない状態での吸水量が計測できる。従って負圧差Δｈを調整することでトマトに対して自由に水ストレスを与えることができるため、水ストレスの調整により収穫するトマト品質や収量を調整することが可能となる。具体的には水ストレスを増加させると収量は少なくなるが糖度の高いトマトを収穫でき、反対に水ストレスを低下或いは無くせば糖度は低いが大粒のトマトを収穫できる。水ストレスと品質や収量をとの関係をエキスパートシステムとして構築しておけば給水量の調整を行うことで所望の品質、収量の収穫が期待できる。因みに、植物の吸水量は、栽培ベッド（図３、図４のの栽培ポット２２に対応）に植物を植えない場合を対象区とし、植物の有無により吸水の差を検出することにより求められる。

図５に示す構成は本発明の第３の実施例を示す。
前記実施例はマリオット方式により給水する構成を示している。この方式はハウス栽培におけるハウス内や空調管理された実験室等においては植物の植物の吸水量を正確に測定でき、精密な灌水制御が可能である。しかし、露地栽培等でこのマリオット方式を実施すると気象条件に影響を受け給水制御が不安定になることがある。

例えば図３、４における給水槽本体２９の上部空間に含まれる空気が環境温度の変化に対応して膨張・収縮し、この膨張・収縮容積が給水槽全体の容積に比較して無視できないような場合、空気圧の増減が水位制御管３１の設定液面高さを変化させる。特に乾燥地や夏期の炎天下ではその影響を強く受けることになる。また露地栽培の場合には、地表面をマルチング等によりカバーしても、大量の降雨等で地表面が冠水すれば、植物の茎の隙間等から浸透した水が、負圧下の多孔質給水管２３に吸引されることで、滞留槽２９´内の水面Ｗ´が上昇して水圧が上がり、やはり、水位制御管３１の設定液面高さに影響を及ぼすことで、負圧差Δｈが不安定化する。図５に示す第３の実施例はこのような影響を構造的に解消するものである。

図５の構成において符号３６は給水槽（以下「計測給水槽」とする）であるが、本構成においては図３、４に示されるマリッオット形式をとらず、マリオット方式の場合と相違して大気開放型に構成され、気象条件の影響を受けない負圧差の設定として、水位制御水槽の水位制御用サーボ機構により行う方式を採用している。この水位制御サーボ機構は、水位制御用モータ、漏斗３８、流水センサから成る。この漏斗３８を昇降動作させるサーボ機構３７は計測給水槽３６に管路接続する水槽（以下「水位制御水槽」とする）３６´内の水位を計測する水位計測器３９から構成されている。漏斗３８は水位制御水槽３６´内の水位を一定に保つものであり、漏斗３８の底部に付けられた排水管４０は水位制御水槽３６´の外に通じている。

上記の構成によりサーボ機構３７によって漏斗３８を上下させることにより水位制御水槽３６´内の水位を変えることができるよう構成されている。負圧差Δｈの設定では、バルブＶ３を開けて計測給水槽３６から水位制御水槽３６´に給水し、Δｈまで給水した後、バルブＶ３を閉とする。この際、バルブＶ３の「閉」信号は、漏斗３８からオパーフローする流水を検知することで得ることができる。植物Ｐに対する給水で水位制御水槽３６´内の水位は低下するが、Δｈが大きく変化しないうちに、この水位制御水槽３６´への給水を再び行う。なお、単位時間当たりの給水量は、計測給水槽３６の水位を水位計測器３９で測定したり、同水槽３６から流出する水量を水量計により計測することにより求められる。以上の給水制御法は、夜間や雨天時の吸水量が過多となることによる植物の徒長現象を制御させるような場合も有効である。このような場合、これらの条件を事前に吸水計画に組み込むようなフィードフォワード制御方式で、より高い効果が期待できる。
また多孔質管２３への土中からの浸水防止対策として、降水量や土中水分の計測値等から水分環境を判断し、バルブＶ１、Ｖ２を閉鎖することで抑止する制御法を用いる。

空気抜きの方法は、図３、４に示される前記実施例と同様に吸水バルブＶ１、Ｖ２を開閉して行う。即ち、バルブＶ１、Ｖ２が「開」の状態でボンプ２６を駆動させれば、水は計測制御水槽３６´からボンプ２６を通り、多孔質管２３を経由して戻ることにより、気泡群を除去できる。この空気抜き作業は、負圧差Δｈの設定作業の直前に実施することにより、より精密な負圧差の設定が可能となる。なお、水位制御水槽３６´にヒータ２８やクーラーを配置し、温水や冷水により土中の温度制御を行ったり、ポンプ２６を用いて高機能成分を含む水を供給する等は前記実施例と同様当然可能である。
また多孔質管２３に生成されるバイオフィルム（その生成に関しては後述する）の制御対策として多孔質管２３の周囲を殺菌効果のある樹皮粒子帯を形成する方法を用い、更に水位制御槽３６´に殺菌効果のある微生物菌類を添加したり、同水位制御槽に設置されたクーラー等を利用して温度制御を行うことで、バイオフィルムの形成をアクティブに抑制させるような環境に制御する。

図３、図４、図５に示す負圧差灌水を用いた灌漑システムとして構築した場合には、極めて簡便な構成で植物の吸水量を計測することが可能となる。このシステムを用いれば植物が生育する各種の環境条件（気温、陽光照度、湿度、二酸化炭素ガス濃度等）が変化した場合における、植物の吸水特性を容易に定量化することが可能なる。従って、エキスパートデータを用いて植物を栽培する場合はもとより、このエキスパートデータを使用せずに単独で簡便な植物吸水量計量システムとして利用することも可能である。

更に本システムは栽培植物Ｐの状態（健康状態）を診断するシステムとしても利用することが可能である。即ち、栽培植物Ｐからは当該植物の吸水特性や水ストレス特性が、また給水系からは、給水管２３の閉塞状況や気泡混入状態等をそれぞれ判定できる。従って本システムの一部である吸水計測システムを用いることにより、栽培植物Ｐの健康状態が把握できると共に、負圧差灌漑法の欠点である多孔質管（給水管２３）の閉塞状況や気泡混入による給水性能の低下等を定量的に診断することも可能であって、システム全体の性能低下を防止することができる。

本システムにおいて液肥を地表面から供給する場合（因みに本システムにおいては、栽培植物Ｐに対して供給する水には液肥を入れない。水に液肥を入れるとバイオフィルムが形成され、多孔質管である給水管２３を詰まらせるおれがある。）、地中に浸透した栄養分を含む水が根域で吸収されない分が、負圧環境の多孔質管である給水管２３に吸引され貯留槽２９´に流れ込むから、このときの貯留槽２９´水面の変位を計測することで、液肥の過不足を定量的に把握することができる。このデータに基づいて液肥の供給量を必要最小限度に設定することができる。

また吸引された液肥の成分量を分析することで、施肥対象の植物の摂取成分を分析し、この分析結果をフィードバックすることにより液肥の成分調整を最適状態に維持することが可能となる。従って、植物成長に応じた適正な施肥制御と管理により、過不足無い施肥の実施が可能となり、この結果過剰な肥料成分が土壌、地下水等に流出することがなく肥料による環境汚染を防止することができる。
なお、簡易な仕様として水位制御水槽を省いて給水槽と管路を直接接続させても、栽培植物の吸水により負圧差Δｈが大きく変化ないような小規模な灌漑システムを構成することも可能である。

従来の施設栽培における環境制御では、気温、陽光照度、湿度、二酸化炭素ガス濃度等、植物を取り巻く環境要因の実測値をもとに経験的に植物の吸水量を決定（推測）する方法をとらざるを得なかったが、本システムを用いることにより、植物の吸水量をリアルタイムの状態量として制御系に取り込むことができ、前述のトマトの糖度、収穫量等に対応した高度な給水制御を実施することが可能となる。このように本発明は、植物の吸水特性を含めた高精度の吸水フィートバックシステムを有する計測・制御システムを構築し、かつこの計測・制御システムを独立して実施し、或いは篤農家の経験に基づくエキスパートデータを加味することにより、各々の栽培目的に応じて本システムを有効に実施することができる。

本発明は比較的小規模な一つの灌漑システムとして構成することも可能であるが、これらのシステムを多数連接させて広大な地域に対してきめ細かく灌漑を実施することも可能である。また本発明を実施するための給水手段、パソコン等の演算手段、演算手段を動作させるソフトウエアを格納した媒体等は工業的に大量生還可能であるため、システムを安価に提供することが可能となる。

本発明の第１の実施例を示す灌漑システムのブロック図である。 エキスパートシステムの構成例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施例を示すマリオット方式の給水装置の制御系統図である。 本発明の第２の実施例における実施状態の変形例を示すマリオット方式の給水装置の制御系統図である。 本発明の第３の実施例示す計測制御給水を実施する給水装置の制御系統図である。

符号の説明

１ 演算手段
２ 給水手段
３ 栽培対象（栽培植物／栽培地域）
４ 給水調整手段
５ ヒータ
６ 栽培対象実測データ
７ 中央処理部
８ 現地実測気象データ
９ エキスパートデータ
９Ａ 植物の種類データ
９Ｂ 種類選択データ
９Ｈ 必要温度変化データ
９Ｊ 必要水分変化データ
９Ｆａ 虫害予測データ
９Ｆｂ 病気発生予測データ
１０ 天候予測データ
１１ 栽培植物成長データ
１２ 時間データ
１６ パソコン
２２ 栽培用ポット
２３ 給水管
２４ 給水用配管
２６ 補助ポンプ
２７ 逆流防止壁
２８ 温水ヒータ
２９ 給水槽本体
２９´ （給水槽の）貯留槽
３０ 波消し管
３１ 水位制御管
３２ 水位制御管作動用サーボ機構
３３ 水位計測用作動変圧器
３４ フロート
３５ フロート用ガイド
３６ 計測給水槽
３６´ 水位制御水槽
３７ （漏斗昇降用）サーボ機構
３８ 漏斗
３９ 水位計測器
４０ （漏斗に接続する）排水管
ＤＢ データベース
Δｈ 負圧差
Ｐ 栽培植物
Ｓ１、Ｓ２ センサ
Ｗ 給水
Ｗ´ 滞留槽内の水面

Claims (10)

1. 栽培対象の植物（栽培植物）に対して給水手段を介して水を供給する灌漑システムにおいて、給水手段は演算手段に接続されかつこの演算手段から出力される制御信号により栽培植物に対する水の供給量を調節するよう構成され、演算手段は給水手段に対して制御信号を出力する中央処理部と、この中央処理部の演算を行うためのデータを格納したデータベースとを有し、データベースには少なくともエキスパートデータが格納されていることを特徴とする灌漑のための計測・制御システム。
2. 前記エキスパートデータは栽培植物の種類毎のデータに区分され、各種類毎のデータは、当該種類の栽培植物における経時的な必要水分量データとして必要水分量変化データがそれぞれ設定され、選択された栽培植物に対して演算手段の中央処理部はこのカレンダーデータにより必要水分量変化データからそれぞれの日時における必要水分量を設定し、この設定値に基づいて給水手段に対して栽培植物に対する給水量を制御する信号を発するよう構成したことを特徴とする請求項１記載の灌漑のための計測・制御システム。
3. エキスパートデータには補助データとして各種類の栽培植物の季節に対応した虫害予測データ及び／又は病気発生予測データが格納されていることを特徴とする請求項２記載の灌漑のための計測・制御システム。
4. 栽培植物及び栽培植物が植栽されている栽培環境から成る栽培対象においては、栽培対象の地中湿度、地中温度、及び植物の吸水量等を実測する手段と、栽培対象の日射照度、気温、湿度等を実測する手段のうち、少なくとも一方の手段が設けられ、この手段から出力された実測データにより、前記エキスパートデータから得られた必要水分量データを補正し、中央処理部はこの補正データを給水量を制御する信号として給水手段に出力するよう構成したことを特徴とする請求項２又は３記載の灌漑のための計測・制御システム。
5. データベースにはエキスパートデータの外、栽培対象における一定期間の気象を予測する気象予測データが格納されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の灌漑のための計測・制御システム。
6. 栽培植物に対して給水手段を介して水を供給する灌漑システムにおいて、給水手段は演算手段に接続されかつこの演算手段から出力される制御信号により栽培植物に対する水の供給量を調節するよう構成され、演算手段は給水手段に対して制御信号を出力する中央処理部と、この中央処理部の演算を行うためのデータを格納したデータベースとを有し、給水手段は本体である貯留槽と、この貯留槽に連接する滞留槽とからなるマリオットタンクとして構成され、栽培対象においては栽培植物の根の近傍に多孔質給水管が配置され、栽培植物に対する水の供給は滞留槽内の水面と給水管の給水高さとの負圧差Δｈを用いて無動力で水を供給する地中負圧差灌漑として実行されるよう構成したことを特徴とする灌漑のための計測・制御システム。
7. 負圧差Δｈの下で貯留槽本体内の水位を連続計測し、この水位の変化により栽培植物の吸水量をリアルタイムで計測するよう構成したことを特徴とする請求項６記載の灌漑のための計測・制御システム。
8. 貯留槽にはサーボ機構により昇降する水位制御管が配置され、前記演算手段は、算出された必要水分量を栽培植物に供給するようサーボ機構を介して水位制御管を昇降させて前記負圧差Δｈを調整するよう構成したことを特徴とする請求項６又は７記載の灌漑のための計測・制御システム。
9. 貯留槽には貯留槽内の水の貯留量を検知する手段が設けられ、この検知手段は演算手段に接続し、演算手段は検知手段から出力され水の貯留量に対応して適宜貯留槽に水を補給するよう構成したことを特徴とする請求項６乃至９の何れかに記載の灌漑のための計測・制御システム。
10. 給水槽は大気開放され、この給水槽と管路接続する計測制御水槽に機械制御による又は電子制御による水位制御機構が配置され、前記演算手段は、算出された必要水分量を栽培植物に供給するようサーボ機構を介して漏斗をを昇降させて前記負圧差Δｈを調整するよう構成したことを特徴とする請求項６又は７記載の灌漑のための計測・制御システム。

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