JP2012170350A - 節水型灌水制御システム及び灌水制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】植物の効果的な生育を維持し、植物に与える灌水の量が過剰にならず、より効果的な節水が可能な灌水制御装置及び方法を提供すること。
【解決手段】
植物４が育成される培地５に、吸液材３を用いて底面給水により供給される水Ｗの供給量を制御する灌水制御システム１において、吸液材３により吸水される水Ｗを貯留する貯留容器１１と、貯留容器１１の水位を測定する水位測定部１２と、貯留容器１１に供給する水Ｗを滞留させる滞留容器１３と、水Ｗを貯留容器１１へ導く導管１４と、導管１４を開閉する電磁弁１５と、所定時間経過毎に貯留容器１１の水位を演算して測定水位を算出し、基準水位と測定水位との水位差を演算し、水位差から植物４の吸水量を演算し、測定水位が基準水位になるまでバルブ部材１５を開放して、滞留容器１３から貯留容器１１に水Ｗを供給するように制御する制御部１６とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、培地で栽培される植物に対する灌水を制御する節水型灌水制御システム及び灌水制御方法に関する。

地球温暖化に伴って深刻な水不足や渇水化が進行し、様々な植物の栽培に大きな悪影響が出ることや、農作物の生産に悪影響が及ぶことが懸念されている。そこで、少ない水を効果的に使用して植物を栽培することが可能な技術の確立が要請されている。このような技術としては、点滴灌漑法や多孔管灌漑法等を用いて植物を栽培する技術がすでに提案されており、さらに水分を植物の根の部分に直接供給するように構成した地中灌水法等を組み合わせて、水の使用を極力低減させて節水を可能にしたものが従来から知られている。しかし、従来から知られている技術では、単に植物に与える水の量を減らすことはできるものの、植物の効率的な栽培に望ましい量の水が植物に与えられているか否かが分からず、栽培者の経験に頼らなければならず、植物の効果的な生育の点で十分であるとはいえなかった。

そこで、本発明者らは、栽培しようとする植物の生育状態や生育環境に対応させて水を給水手段から供給する灌漑制御システムを提案した（特許文献１）。この灌漑制御システムでは、植物の効果的な生育を維持しつつ、植物に与える水の量が過剰になるおそれを低減することができ、より効果的な節水が可能になる。

ところで、水不足や渇水化は地球規模で進行しており、それに伴い厳しい気候条件であるような地域やインフラ事情の悪い地域などにも節水を可能にした装置が必要とされている。このため、灌漑制御システムは、できるだけ容易に構築可能なものであることが要請される。この点において、特許文献１で提案された栽培システムでは、負圧差灌漑法を適用することで、給水手段の作動を制御する機構をより容易に構築可能なものとすることが試みられている。

特開２００９−２９６９４０号公報

特許文献１でも示されるような負圧差灌漑法は、培地に埋設される多孔質管に送られる吸水量を負圧差で制御するように構成されている。しかし、この方法は多孔質管の孔の閉塞の問題を抱えており、更なる改良が期待されるものである。したがって、効果的な節水が可能であって容易に構築可能な栽培システムは、その確立を待ち望まれている状況にある。

本発明は、
（１）植物が育成される培地に、吸液材を用いて底面給水により供給される灌水を制御する節水型灌水制御装置において、前記吸液材の一部が内部に配置され、この吸液材により吸水される灌水用の水を貯留する貯留容器と、少なくとも一対の電極、前記電極を支持する支持部材、前記電極の周囲を覆うように設けられる絶縁部材、並びに前記支持部材及び前記絶縁部材で覆われた電極を覆うように設けられた防水部材からなり、前記電極間における静電容量を測定して水位検出信号を出力するセンサ部と、前記センサ部と電気的に接続されており、前記水位検出信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号に変換された水位検出信号を出力するＡ／Ｄ変換部と、前記センサ部及びＡ／Ｄ変換部を収容可能に形成されるとともに、前記灌水用の水が内部に出入りできるように構成されており、電気的に接地されている遮蔽部材と、を有し、前記貯留容器内に貯留された前記灌水用の水の水位を測定する水位センサと、前記貯留容器に供給する水を滞留させる滞留容器と、前記滞留容器内に貯留される水を前記貯留容器へ導く導管と、前記導管を開閉するバルブ部材と、前記水位センサ及びバルブ部材と電気的に接続されており、所定時間が経過する毎に前記デジタル信号に変換された水位検出信号から前記貯留容器に貯留された水の水位を演算して測定水位を算出し、予め定められた基準水位と前記測定水位との水位差を演算するとともに、この水位差から植物の吸水量を演算し、前記測定水位が前記基準水位に到達するまで前記バルブ部材を開放して、前記滞留容器から前記貯留容器に水を供給するように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする灌水制御装置、
（２）外部条件を測定し、外部条件検知信号を出力する外部条件測定手段を備え、制御手段は、前記外部条件測定手段と電気的に接続されており、外部条件と植物の吸水量とを対応させたデータベースを有し、前記外部条件検知信号から外部条件を演算し、この演算した外部条件に対応する植物の吸水量を前記データベースから読み込み、この吸水量に相当する水を供給するための水位を演算して、この演算した水位を基準水位として設定する上記（１）記載の灌水制御装置、
（３）植物が育成される培地に、吸液材を用いて底面給水により供給される灌水を制御するための灌水制御方法において、水位センサを用いて貯留容器に貯留された灌水用の水の水位を測定し、その水位を基準水位として設定する工程と、前回の水位の測定から所定時間経過した時に、前記水位センサを用いて前記貯留容器に貯留された前記灌水用の水の水位を演算して測定水位を算出する工程と、この測定した測定水位と前記基準水位との水位差を演算するとともに、この水位差から植物の吸水量を演算する工程と、前記測定水位が前記基準水位に到達するまで前記バルブ部材を開放して、前記滞留容器から前記貯留容器に前記灌水用の水を供給する工程と、を有することを特徴とする灌水供給制御方法、
（４）外部条件測定手段から入力した外部条件検知信号から外部条件を判定する工程と、この判定した外部条件に対応する植物の吸水量をデータベースから読み込む工程と、この吸水量に相当する水を供給するための水位を演算して、この演算した水位を基準水位として設定する工程と、を含む上記（３）記載の灌水供給制御方法、
を要旨とする。

本発明によれば、制御手段が、所定時間が経過する毎にデジタル信号に変換された水位検出信号から貯留容器に貯留された灌水用の水の水位を演算して測定水位を算出し、予め定められた基準水位と測定水位との水位差を演算するとともに、この水位差から植物の吸水量を演算し、測定水位が基準水位に到達するまでバルブ部材を開放して、滞留容器から貯留容器に灌水用の水を供給するように制御するので、植物に与える水の量が過剰になるおそれを低減しながら、植物の育成に必要な量の水を常時供給することができ、植物の効果的な育成を維持すること、及びより効果的な節水が可能になる。

また、本発明によれば、ノイズ信号が乗りやすいセンサ部及びＡ／Ｄ変換部を遮蔽部材内に収容可能な構成にしたので、外部での静電容量の変化による影響を受けないようにすることができ、水位の測定データの信頼性をより向上させることが可能になる。また、これにより、水位検出の精度を飛躍的に向上させることが可能になる。

本発明の実施の形態に係る灌水制御システムの構成を表したブロック図である。 水位センサの構成を表す斜視図である。 本実施の形態に係る灌水制御システムの処理の流れを表すフローチャートである。 本実施の形態に係る灌水制御システムにおいて、貯留容器内における水位の変化を表したタイムチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る灌水制御システムの構成を表したブロック図である。 本形態に係る灌水制御システムの処理の流れを表すフローチャートである。 本形態に係る灌水制御システムにおいて、貯留容器内における水位の変化を表したタイムチャートである。

本発明に係る灌水制御システム１の第１の実施の形態について、図１〜図３に基づいて説明する。まず、本実施の形態に係る灌水制御システム１が適用される栽培装置２について説明する。栽培装置２は、内部に吸液材３が配設されるとともに、その吸液材３の上に植物４が育成される培地５を敷設する栽培領域６を有している。栽培領域６は、植物４を栽培可能な領域部分を示しており、栽培容器７の栽培用の領域部分でもよいし、本灌水制御システムが適用可能な領域であれば農園や露地などというような、植物４を栽培可能な領域部分であってもよい。

栽培領域６は、植物４を栽培可能であれば、形状、深さ、大きさなどを特に限定されるものではなく、栽培容器７を用いる場合、陶器製や樹脂製の鉢や箱などを適宜用いてよい。

培地５としては、植物４の生育が可能なものであれば適宜採用することができる。例えば、培地５には、木材の皮を粉砕した人工土、自然土などのほか、プランター用の土などの市販のものや、これらに任意に肥料などを調合したものであってもよい。

吸液材３は、植物４に対して底面給水により灌水するためのものであり、水Ｗを吸収可能な材料からなるものであれば特に限定されずに使用することが可能であり、織布、不織布などの吸液布などを適宜使用することができ、市販のものを適宜使用可能である。織布、不織布としては、綿、絹、麻などの各種天然繊維や、ポリエステルなどの各種の合成繊維からなるものを用いることができる。そのほかにも、吸液材３は、ウレタン、紙、セラミックスなどを適宜使用してもよい。

栽培装置２には、栽培領域６内に、植物４の根が吸液材３に達することを抑制する防根透液シート８が吸液材３の上に敷設されてもよい。防根透液シート８が敷設されていることで、植物４の根が吸液材３よりも下方に伸長しないようにすることが可能となりつつ、吸液材３から培地５への水Ｗの拡散を維持することができる。防根透液シート８には、市販の防根透液布などを適宜用いることができる。また、例えば、防根透液シート８としては、スパンボンド不織布などを使用することができる。

水Ｗは、水又は水を含む液である。水Ｗは、液肥などのミネラル成分を含む養液であることが好ましい。水Ｗは、水道水、雨水、井戸水など、植物４の生育に使用可能であれば、特に限定されるものではない。

灌水制御システム１は、貯留容器１１、水位測定部１２、滞留容器１３、導管１４、バルブ部材としての電磁弁１５及び制御手段としての制御部１６を備えている。貯留容器１１は、吸液材３により吸水される灌水用の水Ｗを一時的に貯留するためのもので、吸液材３の一部が内部に配置され、少なくとも一部が貯留された水Ｗに浸った状態を維持することができるように構成されている。貯留容器１１としては、水Ｗが一時的に貯留することができるとともに、吸液材３の一部が水Ｗに浸った状態を維持することができればよく、その構成は限定されない。例えば、本実施の形態の貯留容器１１は、上面が全面的に開口した容器を用いているが、上面が部分的に開口したものでもよいし、又は吸液材３の一部が容器内に配置可能であれば、蓋等をしてもよい。また、本実施の形態では、貯留容器１１が栽培装置２の下方に位置するように配置されているが、吸液材３が水Ｗを吸水することができれば、配置される位置は限定されない。

水位測定部１２は、貯留容器１１に貯留されている水Ｗの水位を測定するためのもので、貯留容器１１よりも上流側であって、かつ滞留容器１３の下流側に位置するように設置されており、滞留容器１３から水Ｗが水位測定部１２内に流入し、水位測定部１２内から流出した水Ｗが貯留容器１１内に流入するように構成されている。

水位測定部１２は、水位センサ１７、及び該水位センサ１７を内部に収容可能な大きさに形成されている水位計測容器１８から構成されている。水位センサ１７は、貯留容器１１に貯留されている水Wの水位を測定するためのもので、センサ部２１、Ａ／Ｄ変換部２２、及び遮蔽部材２３を備えている。図２に示すように、センサ部２１は、電極２４の間における静電容量を測定して水位検出信号（アナログ信号）をＡ／Ｄ変換部２２に出力するためのもので、一対の電極２４、支持部材２５、絶縁部材２６及び防水部材２７を有している。図２（ａ）に示すように、電極２４は、導電性を有する棒状の部材からなり、この棒状の部材から延出する引出線３４を備えている。電極２４は、例えば銅、鉄などのような金属、ステンレス（ＳＵＳ）などのような合金から形成されているが、これらの材料に限定されるものではなく、従来から公知の導電性を有するものを任意に選択して、適宜使用することができる。また、電極２４は、少なくとも一対であればよく、一対に限定されるものではない。絶縁部材２６は、電極２４の周囲を覆うように設けられている絶縁性を有する部材である。絶縁部材２６には、例えばポリオレフィン樹脂等を用いることができるが、これに限定されるものではなく、絶縁性を有する材料であれば従来から公知のものを適宜使用することができる。

支持部材２５は、電極２４を支持するためのもので、支持本体２９と、基板取付板３０とを備えており、これら支持本体２９と基板取付板３０とが組み合わされて構成されている。支持本体２９は、棒状に形成された支持部３１と、この支持部３１よりも大径のフランジ部３２とを備えている。支持部３１は円形の棒状に形成されており、外周面に一対の電極２４が対向配置されるように形成されている。なお、この支持部３１は、電極２４を対向配置することができればよく、その形状は円形に限定されるものではない。例えば四角形や六角形等のような多角形状であってもよい。また、支持部３１には、電極２４が対向配置しやすいように溝を形成してもよい。

フランジ部３２は、外径が、後述する遮蔽部材２３の内径と同じか、又は若干小さくなるように形成されている。また、フランジ部３２には、支持本体２９が形成されている側と基板取付板３０が取付固定される側との間を貫通する貫通孔３３が２つ開口形成されている。これらの貫通孔３３は、電極２４から延出する引出線３４を基板取付板３０が取付固定される側へ案内するためのものである。

基板取付板３０は、後述するＡ／Ｄ変換部２２としての機能を有する回路基板を取り付けるためのものである。これら支持本体２９及び基板取付板３０としては、例えばアクリル樹脂を用いることができるが、これ以外のものを任意に選択して用いてもよい。なお、本実施の形態では、支持本体２９と基板取付板３０とを別部材で形成しているが、これらは一体成型してもよい。

図２（ｂ）に示すように、防水部材２７は、電極２４及び支持本体２９を防水するためのもので、これら電極２４及び支持部材２９を覆うように設けられている。この防水部材２７は、電極２４及び支持部材２９を防水できるものであれば、従来から公知のものを任意に選択して使用することができる。

Ａ／Ｄ変換部２２は、センサ部２１と電気的に接続されており、該センサ部２１から出力された水位検出信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換し、このデジタル信号に変換された水位検出信号を後述する制御部１６に出力するためのものである。このＡ／Ｄ変換部２２を構成する回路基板は、基板取付板３０に取付固定されている。なお、Ａ／Ｄ変換するための回路は、従来から公知のものを任意に選択して使用してよい。なお、本実施の形態では、Ａ／Ｄ変換部２２において水位検出信号をデジタル信号に変換するようにしているが、水位検出信号から貯留容器１１内における水Ｗの水位を算出し、この算出した水位をデジタル信号に変換するように構成してもよい。

図２（ｃ）及び図２（ｄ）に示すように、遮蔽部材２３は、センサ部２１及びＡ／Ｄ変換部２２を内部に収容することができる大きさに形成されるとともに、電気的に接地されるように構成されている部材であり、遮蔽部材本体３５、第１蓋部３６及び第２蓋部３７を備えている。遮蔽部材本体３５は、外部での誘電率の変化やノイズ等の影響を受けにくくするためのものである。この遮蔽部材本体３５は、円筒状に形成された筒状の部材であり、第１蓋部３６が取り付けられる一方の端部には雄ネジのネジ山（図示せず）が形成され、第２蓋部３７が取り付けられる他方の端部には雌ネジのネジ山（図示せず）が形成されている。また、遮蔽部材本体３５は、電極２４を取り付けた支持本体を覆うことができるように形成されており、その内径は、支持本体２９のフランジ部３２の外径と略同じか、又は若干大きくなるように形成されており、支持部材２５を遮蔽部材本体３５内に挿入した時に、フランジ部３２を遮蔽部材本体３５に嵌合させることで、支持部材２５の支持本体２９に取り付けられた電極２４の位置決めができるように構成されている。また、遮蔽部材本体３５には、一端部側面の４箇所に円孔３８ａが開口形成されており、他端部側面の４箇所に円孔３８ｂが開口形成されている。円孔３８ａは、遮蔽部材本体３５の内部に水Ｗを流入又は流出させるために設けられており、円孔３８ｂは、遮蔽部材本体３５の内部において水Ｗの水位が変動した場合に空気を流入若しくは流出させたり、又は水Ｗの水位が上昇した時に該水Ｗをオーバーフローさせたりすることができるように設けられている。なお、円孔３８ａ，３８ｂの数は４箇所に限定されるものではなく、任意の数を設けてもよい。

第１蓋部３６は、遮蔽部材本体３５の一方側に取付固定することができるように構成されており、遮蔽部材本体３５と取り付けられる側の端部には雌ネジのネジ山（図示せず）が形成されている。この第１蓋部３６は、遮蔽部材本体３５と同一径の筒状部材により形成されており、遮蔽部材本体３５に取り付けられた場合には、Ａ／Ｄ変換部２２の周囲を覆う位置に配置される。また、第１蓋部３６には、アース線を接続するための端子３９が設けられており、電気的に設置することができるように構成されている。

第２蓋部３７は、遮蔽部材本体３５の他方側に取付固定することができるように構成されており、遮蔽部材本体３５の径と略同一径の大径部３７ａと、大径部３７ａよりも小径の小径部３７ｂとを有する階段状に形成されている。小径部３７ｂには外周に雄ネジのネジ山（図示せず）が形成されるとともに、支持部材２５の他端部が挿入することが可能な大きさの穴部３７ｃが設けられている。この穴部３７ｃは第２蓋部３７を遮蔽部材本体３５に取り付けて支持部材２５が挿入された時に、該支持部材２５が遮蔽部材２３内の中心部に位置するように位置決めできるようにするためのものである。なお、上記において、遮蔽部材本体３５、第１蓋部３６及び第２蓋部３７を組み立てるためにネジ山を形成しているが、遮蔽部材本体３５、第１蓋部３６及び第２蓋部３７を組み立てることができれば、他の方法であってもよい。また、ネジ山を形成する場合には、雄ネジと雌ネジとの関係が上記したものと逆の関係であってもよい。

このように構成された水位センサ１７は、遮蔽部材２３の内部にセンサ部２１及びＡ／Ｄ変換部２２が配置される。そして、図１に示すように、貯留容器１１と水位計測容器１８とは導管１４で接続されており、水Ｗが貯留容器１１と水位計測容器１８との間で行き来することができるので、貯留容器１１の水位Ｌ１と水位計測容器１８の水位Ｌ２とが同じになる。また、水Ｗが栽培装置２に供給される等して水位Ｌ１が変化すると、それに伴って水位Ｌ２も変化し、Ｌ１とＬ２は常に同じ水位を維持するように変動する。このとき、水位計測容器１８の内部の水Ｗは、遮蔽部材２３の円孔３８ａから該遮蔽部材２３の内部に流入又は流出する。そのため、一対の電極２４では、水Ｗの水位が変動することにより、これら電極２４間における誘電率が変化するとともに静電容量も変化する。センサ部２１は、この静電容量を水位検出信号としてＡ／Ｄ変換部２２に出力する。Ａ／Ｄ変換部２２では、水位検出信号の入力を受けると、デジタル信号に変換して、後述する制御部１６に出力する。

なお、本実施の形態では、貯留容器１１と水位計測容器１８とを導管１４で連通させておき、水Ｗが貯留容器１１と水位計測容器１８との間を行き来できるようにすることで、
水位計測容器１８内の水位を水位センサ１７で測定することにより、貯留容器１１内における水Ｗの水位を測定することができるように構成しているが、本実施の形態に係る水位センサ１７を用いて貯留容器１１内における水Ｗの水位を測定できれば、この構成に限定されるものではない。例えば貯留容器１１内に水位センサ１７を配置してもよいし、他の構成によって、貯留容器１１内における水Ｗの水位を測定できるように構成してもよい。

水位計測容器１８は、水位センサ１７を内部に収容することができるように形成された円筒状の部材であり、上流側では滞留容器１３と接続している導管１４と接続し、下流側では貯留容器１１と接続している導管１４と接続するように構成されている。この水位計測容器１８は、内部に配置した水位センサ１７が、該水位計測容器１８内における水位を測定することができればよく、その材料や大きさ、形状などは限定されない。

図１に示すように、滞留容器１３は、貯留容器１１に供給される水Ｗを貯留しておくためのものである。この滞留容器１３は、貯留容器１１に供給可能な水Ｗを貯留しておくことができればよく、容器の構成は従来から公知のものを種々適用してよい。また、滞留容器１３に対して水Ｗを供給する手段を設けてもよいし、この滞留容器１３の水位等を測定して、常に一定量の水Ｗが滞留容器１３内に貯留されているようにしてもよい。また、これら以外の構成を有していてもよい。

導管１４は、滞留容器１３内に貯留される水Ｗを貯留容器１１まで導くためのものであり、滞留容器１３と水位計測容器１８との間、及び水位計測容器１８と貯留容器１１との間を連通するように構成されている。この導管１４は、水Ｗを移送させることができれば、従来から公知のものを任意に選択して用いてよい。また、本実施の形態では、滞留容器１３と貯留容器１１の間に水位測定部１２を配置しているが、滞留容器１３と貯留容器１１との間を導管１４にて連通させて、この導管１４から枝管を分岐させて水位測定部１２を配置させるように構成してもよい。また、他の構成であってもよい。

本実施の形態では、導管１４に電磁弁１５が設けられている。この電磁弁１５は、後述する制御部１６からの開信号又は閉信号に基づいて、導管１４内における水Ｗの流れを許容する開位置と該水Ｗの流れを遮断する閉位置との間で動作し、導管１４を開閉するように構成されている。なお、本実施の形態では、バルブ部材の一例として電磁弁１５を用いているが、導管１４内における水の流れを遮断又は許容することができれば、電磁弁１５以外の他のバルブ部材を任意に選択して用いてもよい。また、バルブ部材としては、開閉動作のみを行うもののほかに、導管１４内を流れる水Ｗの流量を調節する流量調節弁を用いてもよい。

制御部１６は、本実施の形態に係る灌水制御システム１において灌水を制御するためのもので、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを有しているほかに、ＩＣ時計等のような内部時計を有している。また、制御部１６は、水位センサ１７のＡ／Ｄ変換部２２及び電磁弁１５と電気的に接続されており、Ａ／Ｄ変換部２２からはデジタル信号に変換された水位検出信号が入力し、電磁弁１５に対しては、該電磁弁１５に開動作を行わせる開信号又は該電磁弁１５に閉動作を行わせる閉信号を出力できるように構成されている。この制御部１６は、起動時に水位検出信号が入力すると、その水位検出信号から、貯留容器１１における水Ｗの水位を演算し、この演算した水位を基準水位として設定してＲＡＭに一時的に記憶させる。また、制御部１６は、前回の水位の測定から所定時間（本実施の形態では４０分）経過する毎に、水位検出信号の入力を受けて、その水位検出信号から、貯留容器１１内における水Ｗの水位を演算して測定水位を算出し、基準水位と測定水位との水位差を演算するように構成されている。また、制御部１６は、この水位差から植物４の吸水量も演算し、測定水位が基準水位に到達するまで、すなわち、植物４の吸水量に相当する量の水Ｗを貯留容器１１へ供給するために、該電磁弁１５に対して開信号を出力するようにも構成されている。

なお、制御部１６は、水位センサ１７のＡ／Ｄ変換部２２から水位検出信号の入力を受け、入力信号に基づいて上記した演算を行い、電磁弁１５に開信号又は閉信号を出力することができればよく、その設置場所や構成などは限定されない。また、制御部は、水位センサ等が設置されている現場に配置して現場での操作をすることができるように構成してもよいし、現場から離れた場所に設置して遠隔操作を行えるように構成してもよい。さらに、現場での操作と遠隔操作のいずれをもできるようにし、現場で操作する場合と遠隔操作をする場合とで切り替えられるように構成してもよい。また、この制御部に使用されるコンピュータは、汎用のパソコン等を用いてもよいし、他のコンピュータを任意に選択して使用してもよい。

次に、本実施の形態に係る灌水制御システム１における一連の処理の流れを図３に基づいて説明する。

まず、灌水制御システム１を起動させる。制御部１６は、灌水制御システム１が起動すると、貯留容器１１に貯留された水Ｗの水位を測定する（ステップＳ１）。水位測定部１２は、センサ部２１の電極２４によって現在の水位に対応する静電容量を測定し、水位検出信号を出力する。Ａ／Ｄ変換部２２では、水位検出信号が入力すると、この水位検出信号をデジタル信号に変換して出力する。

制御部１６は、Ａ／Ｄ変換部２２からデジタル信号に変換された水位検出信号の入力を受けると、この水位検出信号から貯留容器１１内における水Ｗの水位を演算する。そして、この演算した水位を基準水位として設定し、ＲＡＭに記憶させる。（ステップ２）。

次に、制御部１６は、前回の水位の測定から４０分経過したか否かを所定の周期で判定する（ステップＳ３）。ここで、前回の水位測定からまだ４０分経過していない場合には、ステップＳ３の処理を所定の周期で繰り返し行う。

制御部１６は、ステップＳ３において、前回の水位の測定から４０分経過したと判定した場合には、水位検出信号の入力を受けて、貯留容器１１内における水Ｗの水位（測定水位）を測定する（ステップＳ４）。

次に、制御部１６は、ＲＡＭから基準水位を読み込んで、基準水位と測定水位との差を演算して、水位差を算出する（ステップＳ５）。また、制御部１６は、この水位差から、植物４の吸水量を演算して算出する（ステップＳ６）。

次に、制御部１６は、電磁弁１５に開信号を出力し、電磁弁１５を開く（ステップＳ７）。電磁弁１５を開くと、滞留容器１３と貯留容器１１との間が連通し、滞留容器１３内の水Ｗが導管１４を通じて貯留容器１１に流入する。そして、貯留容器１１内では、流入した水Ｗによって、該水Ｗの水位が上昇する。制御部１６は、この水Ｗの水位が基準水位に到達するまで電磁弁１５を開いた状態を維持し、水Ｗの水位が基準水位に到達した場合、言い換えればステップＳ５で算出した水位差に対応する量の水が貯留容器１１に供給された場合には、電磁弁１５に閉信号を出力して、電磁弁１５を閉じる（ステップＳ８，Ｓ９）。なお、ここで水Ｗの水位が基準水位に到達したか否かの判定は、従来から公知の制御方法を任意に選択して用いることができる。例えば、フィードバック制御で制御してもよいし、他の方法で制御してもよい。

制御部１６は、ステップＳ９までの処理が終了すると、次の処理となるステップＳ３へ処理を移行させ、再度前回の水位の測定から４０分経過したか否かを所定の周期で判定する。

図４は、横軸に時間ｔを、縦軸に水位Ｈをとって、貯留容器１１内における水位の時間的な変化を表したものである。ｔ＝０のところで灌水制御システム１を起動させると、この時の水位が基準水位として設定される。図中の点線は基準水位を表す。貯留容器１１に貯留された水Ｗは、吸液材３を介して土壌に供給され、さらに植物４が吸水する。そのため、貯留容器１１内における水Ｗの水位は、時間の経過に伴って低くなる。そして、水位を測定してから４０分経過後には、図中のＡ点に到達する。

上記の通り、制御部１６は、Ａ点の測定水位を算出するとともに基準水位との水位差を演算する。そして、電磁弁１５を開けるように制御して、滞留容器１３から貯留容器１１に水Ｗが供給される。そのため、貯留容器１１の水位は、滞留容器１３から供給される水ＷによってＡ点から上昇してＢ点に到達する。Ｂ点は、測定水位が基準水位まで到達した点である。

制御部１６は、測定水位がＢ点に到達すると、電磁弁１５を閉じるように制御して、滞留容器１３から貯留容器１１への水Ｗの供給を停止させる。そして、先と同様に、水位が低くなっていき、Ａ点における水位を算出してから４０分経過するとＣ点に到達する。このような水位の変化を繰り返し行わせながら、植物４の育成に適切な量の水Ｗを栽培装置２に常時提供する。

このように、本実施の形態に係る灌水制御システム１は、所定時間（本実施の形態では４０分）における植物４の吸水量を容易に測定し、リアルタイムで把握することができる。また、この植物４の吸水量を把握することができることで、植物４の吸水量に応じた量の水Ｗを常時供給することができる。そのため、本実施の形態に係る灌水制御システム１によれば、植物４に対して過剰な量の水Ｗを供給して根腐れを発生させたり、又は、植物４に提供する水Ｗの量が少なすぎて、植物４がいわゆる昼寝現象を起こすというような事態を防止することができ、従来よりもはるかによく植物４を育成することが可能になる。

また、本実施の形態に係る灌水制御システム１は、植物４の吸水量に応じた量の水Ｗを提供するので、植物４の栽培に要する水の量を大幅に低減することができ、より効果的に節水をすることが可能になる。

また、本実施の形態に係る灌水制御システム１を構成する水位センサ１７が遮蔽部材２３を備えた構成になっており、この遮蔽部材２３が電気的に接地されているので、内部に配置されるセンサ部２１及びＡ／Ｄ変換部２２は、遮蔽部材２３によって静電遮蔽された状態になる。そのため、外部において誘電率や静電容量が変化する事態が生じたとしても、その遮蔽部材２３が電気的に接地されていることによってこれらの影響を受けなくすることができ、水位センサ１７における静電容量の検出精度をより向上させることが可能になる。特に、本実施の形態における水位センサ１７は、遮蔽部材２３内にＡ／Ｄ変換部２２を配置しており、水位センサ１７の外部に出力する信号はすべてデジタル変換されたものであるから、この点でもノイズ信号の影響を受けにくくし、検出精度を向上させることが可能になっている。

さらに、水位センサ１７のセンサ部２１は、支持部材２５を構成するフランジ部３２を遮蔽部材本体３５の内部に嵌合させ、さらに支持本体２９の他端部を第２蓋部３７の穴部３７ｃに挿入させることで、遮蔽部材２３内における支持部材２５の位置決めを確実に行うことができ、遮蔽部材本体３５の内周面と電極２４の外周面との間の隙間を一定にすることができる。そのため、静電容量の測定精度をさらにより向上させることが可能になる。

また、水位センサ１７の遮蔽部材２３を遮蔽部材本体３５、第１蓋部３６及び第２蓋部３７から構成することにより、水位センサ１７のメンテナンス性を向上させることも可能になる。

なお、本実施の形態では、４０分毎に貯留容器１１内における水Ｗの水位等の演算を行うようにしているが、この水Ｗの水位等の演算は４０分以外の任意の時間ごとに行ってもよい。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る灌水制御装置５１について、図５〜７に基づいて説明する。なお、本実施の形態に係る灌水制御装置５１の構成が先に説明したものと同一のものである場合には、その説明を省略し、符号も同一のものを使用する。

本実施の形態に係る灌水制御装置５１は、外部条件測定手段としての温度センサ５２、湿度センサ５３、日射センサ５４及び風速センサ５５を備えており、制御部５６がデータベース５７を有している。これら各種センサは、灌水制御装置５１の外部条件として設定されている温度、湿度、日射量及び風速を測定するためのものである。これら各種センサは、従来から公知のものを適宜使用することができる。また、これら各種センサは、制御部５６と電気的に接続されており、これらセンサによる測定結果は、制御部５６に対して外部条件検知信号としての検知信号を出力するように構成されている。なお、上記した温度、湿度、日射量及び風速は、本発明に係る外部条件を意味するものであるが、これらは外部条件の一例であり、これらに限定されるものではなく、他の条件も外部条件としてもよい。

制御部５６は、温度、湿度、日射量及び風速のそれぞれに対して植物４の吸水量を対応付けたデータベース５７を有している。この植物４の吸水量との対応付けは、上記した温度、湿度、日射量及び風速のそれぞれに対して別個に行ってもよいし、温度、湿度、日射量及び風速の少なくとも２つ以上を関連させながら行ってもよい。なお、このデータベース５７は、温度のみならず、湿度、日射量及び風速についてデータベース化するだけではなく、外部条件として捉えられる他の条件をデータベース化しておいてもよい。

制御部５６は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを有しているほかに、ＩＣ時計等のような内部時計を有している。また、制御部５６は、水位センサ１７のＡ／Ｄ変換部２２、電磁弁１５、温度センサ５２、湿度センサ５３、日射センサ５４及び風速センサ５５と電気的に接続されている。制御部５６には、Ａ／Ｄ変換部２２からはデジタル信号に変換された水位検出信号が入力し、電磁弁１５に対しては、該電磁弁１５に開閉駆動を行わせる駆動信号を出力できるように構成されている。また、制御部５６には、温度センサ５２からは温度検出信号が入力し、湿度センサ５３からは湿度検出信号が入力し、日射センサ５４からは日射量検出信号が入力し、風速センサ５５からは風速検出信号が入力されるようにも構成されている。

制御部５６は、起動時に水位検出信号が入力すると、その水位検出信号から、貯留容器１１における水Ｗの水位を演算し、この演算した水位を基準水位として設定してＲＡＭに一時的に記憶させる。また、制御部５６は、前回の水位の測定から所定時間（本実施の形態では４０分）経過する毎に、水位検出信号の入力を受けて、その水位検出信号から、貯留容器１１内における水Ｗの水位を演算して測定水位を算出する。また、制御部５６は、温度検出信号、湿度検出信号、日射量検出信号及び風速検出信号の入力を受けると、これら各種検出信号から、温度、湿度、日射量、及び風速を演算し、この演算結果をデータベース５７に格納されている各種データと照合し、植物４の吸水量に関するデータをデータベース５７から読み込む。そして、データベース５７から読み出した植物４の吸水量と基準水位から算出される植物４の吸水量との間に差異がある場合には、データベース５７から読み出した植物４の吸水量に相当する水Ｗを供給するための水位を演算して求め、この演算した水位を基準水位として設定するように構成されている。

なお、本実施の形態では、データベース５７を制御部５６の内部に配置するように構成しているが、データベース５７は制御部５６の外部に設置するように構成してもよい。また、制御部５６は、水位センサ１７のＡ／Ｄ変換部２２から水位検出信号の入力を受け、入力信号に基づいて上記した演算を行い、電磁弁１５に開信号又は閉信号を出力することができればよく、その設置場所や構成などは限定されない。また、制御部５６は、水位センサ等が設置されている現場に配置して現場での操作をすることができるように構成してもよいし、現場から離れた場所に設置して遠隔操作を行えるように構成してもよい。さらに、現場での操作と遠隔操作のいずれをもできるようにし、現場で操作する場合と遠隔操作をする場合とで切り替えられるように構成してもよい。また、この制御部５６に使用されるコンピュータは、汎用のパソコン等を用いてもよいし、他のコンピュータを任意に選択して使用してもよい。

次に、本実施の形態に係る灌水制御装置５１の一連の処理の流れを図６に基づいて説明する。

まず、灌水制御装置５１を起動させる。制御部５６は、灌水制御装置５１が起動すると、貯留容器１１内における水Ｗの水位を測定する（ステップＳ１１）。水位センサ１７は、センサ部２１の電極２４によって現在の水位に対応する静電容量を測定し、水位検出信号を出力する。Ａ／Ｄ変換部２２では、水位検出信号が入力すると、この水位検出信号をデジタル信号に変換して出力する。

制御部５６は、Ａ／Ｄ変換部２２からデジタル信号に変換された水位検出信号の入力を受けると、この水位検出信号から貯留容器１１内における水Ｗの水位を演算する。そして、この演算した水位を基準水位として設定し、ＲＡＭに記憶させる（ステップＳ１２）

次に、制御部５６は、前回の水位の測定から４０分経過したか否かを所定の周期で判定する（ステップＳ１３）。ここで、前回の水位の測定からまだ４０分を経過していない場合には、ステップＳ１３の処理を所定の周期で繰り返し行う。

制御部５６は、ステップＳ１３において、前回の水位の測定から４０分経過したと判定した場合には、水位検出信号の入力を受けて、貯留容器１１内における水Ｗの水位（測定水位）を測定する（ステップＳ１４）。

次に、制御部５６は、温度センサ５２から温度検出信号の入力を、湿度センサ５３から湿度検出信号の入力を、日射センサ５４から日射量検出信号の入力を、そして風速センサ５５から風速検出信号の入力を受ける。そして、これら検出信号から、外部条件としての温度、湿度、日射量及び風速を演算する（ステップＳ１５）。

次に、制御部５６は、データベース５７からこれら温度、湿度、日射量及び風速に関するデータと照合し、各センサにて測定された外部条件に対して植物４の育成に適正な吸水量を判定する（ステップＳ１６）。

次に、制御部５６は、基準水位における吸水量を演算によって算出し、データベース５７から読みだした植物４の吸水量と、基準水位における吸水量との間に差異があるか否かを判定する（ステップＳ１７）。そして、この差異がないと判定した場合には、ステップＳ１９に処理を移行させる。

一方、制御部５６は、この差異があると判定した場合には、このデータベース５７から読み出した植物４の吸水量に相当する水Ｗを供給するための水位を演算して求め、この演算した水位を基準水位として設定し、ＲＡＭに記録する（ステップＳ１８）。

次に、制御部５６は、基準水位と測定水位との差を演算して、水位差を算出し（ステップＳ１９）、この水位差から、植物４の吸水量を演算して算出する（ステップＳ２０）。そして、制御部５６は、電磁弁１５に開信号を出力し、電磁弁１５を開く（ステップＳ２１）。電磁弁１５を開くと、滞留容器１３と貯留容器１１との間が連通し、滞留容器１３内の水Ｗが導管１４を通じて貯留容器１１に流入する。そして、貯留容器１１内では、流入した水Ｗによって、該水Ｗの水位が上昇する。制御部５６は、この水Ｗの水位が基準水位に到達するまで電磁弁１５を開いた状態を維持し、水Ｗの水位が基準水位に到達した場合、言い換えればステップＳ５で算出した水位差に対応する量の水が貯留容器１１に供給された場合には、電磁弁１５に閉信号を出力して、電磁弁１５を閉じる（ステップＳ２２，Ｓ２３）。なお、ここで水Ｗの水位が基準水位に到達したか否かの判定は、従来から公知の制御方法を任意に選択して用いることができる。例えば、フィードバック制御で制御してもよいし、他の方法で制御してもよい。

制御部５６は、ステップＳ２２までの処理が終了すると、次の処理となるステップＳ１３へ移行し、再度前回の水位の測定から４０分経過したか否かを所定の周期で判定する。

図７は、横軸に時間ｔを、縦軸に水位Ｈをとって、貯留容器１１内における水位の時間的な変化及び基準水位の変化の一例を表したものである。ｔ＝０のところで灌水制御装置５１を起動させると、この時の水位が基準水位として設定される。図中の点線は基準水位を表す。貯留容器１１の水Ｗは、吸液材３を介して土壌に供給され、さらに植物４によって吸水される。そのため、貯留容器１１内における水Ｗの水位は、時間の経過に伴って低くなる。そして、水位の測定から４０分経過後には、図中のＧ点に到達する。

上記の通り、制御部５６は、Ｇ点の測定水位を算出するとともに、温度検出信号、湿度検出信号、日射量検出信号及び風速検出信号（以下、温度検出信号等という。）に基づいて温度、湿度、日射量及び風速（以下、温度等という。）を演算して、これら演算結果をデータベース５７の温度等に関するデータと照合し、各センサにて測定された外部条件に対して植物４の育成に適正な吸水量を判定する。ここで、制御部５６は、Ｇ点では基準水位における吸水量とデータベース５７から読み出した植物４の吸水量との間に差異がないと判定したため、基準水位は変動させず、水位差を算出した後に電磁弁１５を開けるように制御して、滞留容器１３から貯留容器１１に水Ｗが供給されるようになる。そのため、貯留容器１１の水位は、供給される水ＷによってＧ点から上昇してＨ点に到達する。Ｈ点は、測定水位が基準水位まで到達した点である。制御部５６は、測定水位がＨ点に到達すると、電磁弁１５を閉じるように制御して、滞留容器１３から貯留容器１１への水Ｗの供給を停止させる。その後、貯留容器１１内における水Ｗの水位は、時間の経過に伴って低くなり、Ｇ点での水位の測定から４０分経過後には、水位は図中のＩ点に到達する。

制御部５６は、Ｇ点での水位の測定から４０分経過して、Ｉ点の水位を測定した場合には、データベース５７から読み出した吸水量と基準水位における吸水量との間に差異があると判定したため、データベース５７から読み出した吸水量に対応する水位を演算し、この水位をＲＡＭに記憶させて基準水位とする。図７においては、新たに設定された基準水位は、その前の基準水位によりもΔＨ１高くなるように設定されている。そのため、制御部５６は、この新たに設定された基準水位と測定水位との水位差を演算し、電磁弁１５の開閉制御をして、貯留容器１１内における水Ｗの水位がＪ点に到達するように制御する。

このような方法により、制御部５６は、Ｋ点では基準水位をΔＨ２だけ高くなるように設定して、貯留容器１１内における水Ｗの水位が基準水位であるＬ点に到達するように制御する。また、Ｍ点では、制御部５６は、基準水位をΔＨ２だけ低くするように設定して、貯留容器１１内における水Ｗの水位がＮ点に到達するように制御する。同様に、Ｏ点では、制御部５６は、基準水位をΔＨ１だけ低くするように設定して、貯留容器１１内における水Ｗの水位がＰ点に到達するように制御する。

本実施の形態に係る灌水制御装置５１によれば、植物４に対して、より適切な量の水を提供することができる。また、季節の変動が激しい地域や、年間を通して気温が高い地域等のように、地域によって外部条件が大きく異なる場合であっても、適切な量の水を植物４に提供することができ、さらにより良く植物４を育成することが可能になる。

なお、本実施の形態では、基準水位の変化をΔＨ１とΔＨ２として表しているが、この変化量は任意に設定できる値である。また、設定される変化量は２つに限定されるものではなく、任意の数を選択して適宜設定してよい。また、本実施の形態では、４０分毎に貯留容器１１内における水Ｗの水位等の演算を行うようにしているが、この水Ｗの水位等の演算は４０分以外の任意の時間ごとに行ってもよい。

また、本発明に係る灌水制御装置は、制御部において演算した植物の吸水量などの各種データを表示する表示手段を設けてもよい。

１，５１ 灌水制御装置
２ 栽培装置
３ 吸液材
４ 植物
５ 培地
６ 栽培領域
７ 栽培容器
８ 防根透液シート
１１ 貯留容器
１２ 水位測定部
１３ 滞留容器
１４ 導管
１５ 電磁弁
１６，５６ 制御部
１７ 水位センサ
１８ 水位計測容器
２１ センサ部
２２ Ａ／Ｄ変換部
２３ 遮蔽部材
２４ 電極
２５ 支持部材
２６ 絶縁部材
２７ 防水部材
２９ 支持本体
３０ 基板取付板
３１ 支持部
３２ フランジ部
３３ 貫通孔
３４ 引出線
３５ 遮蔽部材本体
３６ 第１蓋部
３７ 第２蓋部
３８ 円孔
３９ 端子
５２ 温度センサ
５３ 湿度センサ
５４ 日射センサ
５５ 風速センサ
５７ データベース
Ｗ 水

Claims (4)

1. 植物が育成される培地に、吸液材を用いて底面給水により供給される灌水を制御する節水型灌水制御装置において、
   前記吸液材の一部が内部に配置され、この吸液材により吸水される灌水用の水を貯留する貯留容器と、
   少なくとも一対の電極、前記電極を支持する支持部材、前記電極の周囲を覆うように設けられる絶縁部材、並びに前記支持部材及び前記絶縁部材で覆われた電極を覆うように設けられた防水部材からなり、前記電極間における静電容量を測定して水位検出信号を出力するセンサ部と、前記センサ部と電気的に接続されており、前記水位検出信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号に変換された水位検出信号を出力するＡ／Ｄ変換部と、前記センサ部及びＡ／Ｄ変換部を収容可能に形成されるとともに、前記灌水用の水が内部に出入りできるように構成されており、電気的に接地されている遮蔽部材と、を有し、前記貯留容器内に貯留された前記灌水用の水の水位を測定する水位センサと、
   前記貯留容器に供給する水を滞留させる滞留容器と、
   前記滞留容器内に貯留される水を前記貯留容器へ導く導管と、
   前記導管を開閉するバルブ部材と、
   前記水位センサ及びバルブ部材と電気的に接続されており、所定時間が経過する毎に前記デジタル信号に変換された水位検出信号から前記貯留容器に貯留された水の水位を演算して測定水位を算出し、予め定められた基準水位と前記測定水位との水位差を演算するとともに、この水位差から植物の吸水量を演算し、前記測定水位が前記基準水位に到達するまで前記バルブ部材を開放して、前記滞留容器から前記貯留容器に水を供給するように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする灌水制御装置。
2. 外部条件を測定し、外部条件検知信号を出力する外部条件測定手段を備え、
   制御手段は、
   前記外部条件測定手段と電気的に接続されており、
   外部条件と植物の吸水量とを対応させたデータベースを有し、
   前記外部条件検知信号から外部条件を演算し、この演算した外部条件に対応する植物の吸水量を前記データベースから読み込み、この吸水量に相当する水を供給するための水位を演算して、この演算した水位を基準水位として設定する請求項１記載の灌水制御装置。
3. 植物が育成される培地に、吸液材を用いて底面給水により供給される灌水を制御するための灌水制御方法において、
   水位センサを用いて貯留容器に貯留された灌水用の水の水位を測定し、その水位を基準水位として設定する工程と、
   前回の水位の測定から所定時間経過した時に、前記水位センサを用いて前記貯留容器に貯留された前記灌水用の水の水位を演算して測定水位を算出する工程と、
   この測定した測定水位と前記基準水位との水位差を演算するとともに、この水位差から植物の吸水量を演算する工程と、
   前記測定水位が前記基準水位に到達するまで前記バルブ部材を開放して、前記滞留容器から前記貯留容器に前記灌水用の水を供給する工程と、
   を有することを特徴とする灌水供給制御方法。
4. 外部条件測定手段から入力した外部条件検知信号から外部条件を判定する工程と、
   この判定した外部条件に対応する植物の吸水量をデータベースから読み込む工程と、
   この吸水量に相当する水を供給するための水位を演算して、この演算した水位を基準水位として設定する工程と、
   を含む請求項３記載の灌水供給制御方法。

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