JP2013200194A - 水分検出装置、電気伝導度検出装置、センサネットワークシステム、プログラム、水分検出方法および電気伝導度検出方法 - Google Patents

水分検出装置、電気伝導度検出装置、センサネットワークシステム、プログラム、水分検出方法および電気伝導度検出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】土壌の水分量や電気伝導度を正確かつ安価で検出する技術を提供する。
【解決手段】センサ６に、培養土８に接触する一対の電極６８，６９と、電極６９に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する信号発生部７０と、電極６９信号発生部７０との間に配置される第２抵抗器７２と、第１入力電気信号と出力電気信号とに基づいてインピーダンスの絶対値｜Ｚ｜を測定する絶対値検出回路７３と、第２入力電気信号と出力電気信号とに基づいてインピーダンスの位相差φを抵抗分圧により測定する位相検出回路７４と、インピーダンスの絶対値｜Ｚ｜に基づいて、一対の電極６８，６９間の抵抗値Ｒを求めるとともに、位相検出回路７４により測定されたインピーダンスの位相差φと当該抵抗値Ｒとに基づいて、水分量θにのみ相関があると近似できる式を解き、水分量θを求めるＣＰＵ６０とを設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、主に、土壌の水分量や電気伝導度を正確かつ安価で検出する技術に関する。さらには、畑などの培地に対する散水や追肥を自動的に制御する技術に関する。
従来より、畑の培地における水分量や養分濃度を検出するセンサが提案されている。
特開平１０−０１４４０２号公報 特開２００４−０７７４１２号公報
ところが、電気伝導度を検出するセンサでは、土中の水分量が多くないと測定が難しいため、例えば、特許文献１に記載の技術では、測定する際に、センサから水分を供給する仕組みが必要となるという問題があった。
また、土中の水分量を電気的に計測する方法には、電気抵抗法や誘電率法などが提案されているが、電気抵抗法は安価である反面、塩分濃度や温度の影響を受けやすく、正確な測定ができないという問題がある。一方、誘電率法は、塩分濃度の影響はある程度抑制されるが、高周波を使用するために、検出装置そのものが比較的高価な構成となるという問題があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、主に、土壌の水分量や電気伝導度を正確かつ安価で検出する技術を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、請求項１の発明は、水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触する一対の電極と、前記電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する信号発生手段と、前記電極の一方と前記信号発生手段との間に配置される抵抗器と、前記第１入力電気信号と前記第１入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する絶対値測定手段と、前記第２入力電気信号と前記第２入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する位相測定手段と、前記絶対値測定手段により測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、前記一対の電極間の抵抗値を求める抵抗値特定手段と、前記位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、水分量にのみ相関があると近似できる式を解き、前記測定対象系における水分量を求める水分量特定手段とを備える。
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る水分検出装置であって、前記抵抗器の抵抗値は、前記一対の電極間の抵抗値の推定値の近似値であり、前記水分量特定手段は、前記水分量にのみ相関があると近似できる式として、
Figure 2013200194
 を解く。
また、請求項３の発明は、請求項１または２の発明に係る水分検出装置であって、前記第１入力電気信号の周波数は、第１基準周波数以上、かつ、第２基準周波数未満の周波数であり、前記第１基準周波数は数十ｋＨｚであり、第２基準周波数は数百ｋＨｚである。
また、請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの発明に係る水分検出装置であって、周囲の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、前記水分量特定手段は、前記位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、前記一対の電極間の静電容量を求めるとともに、前記温度検出手段による検出結果に応じて、前記抵抗値、前記静電容量を補正する。
また、請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかの発明に係る水分検出装置であって、前記信号発生手段は、矩形波の電気信号を前記入力電気信号とする。
また、請求項６の発明は、水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触する一対の電極と、前記電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する信号発生手段と、前記電極の一方と前記信号発生手段との間に配置される抵抗器と、前記第１入力電気信号と前記第１入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する絶対値測定手段と、前記第２入力電気信号と前記第２入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する位相測定手段と、前記絶対値測定手段により測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、前記一対の電極間の抵抗値を求める抵抗値特定手段と、前記位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、前記一対の電極間の静電容量を求め、前記抵抗値と前記静電容量とに基づいて、前記一対の電極間の電気伝導度を求める電気伝導度特定手段とを備える。
また、請求項７の発明は、請求項６の発明に係る電気伝導度検出装置であって、前記電気伝導度特定手段は、
Figure 2013200194
 を解く。
また、請求項８の発明は、請求項７の発明に係る電気伝導度検出装置であって、前記位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、水分量にのみ相関があると近似できる式を解き、前記測定対象系における水分量を求める水分量特定手段をさらに備え、前記水分量特定手段により特定された水分量に応じて、前記電気伝導度特定手段により特定された電気伝導度を補正する。
また、請求項９の発明は、請求項８の発明に係る電気伝導度検出装置であって、前記抵抗器の抵抗値は、前記一対の電極間の抵抗値の推定値の近似値であり、前記水分量特定手段は、前記水分量にのみ相関があると近似できる式として、
Figure 2013200194
 を解く。
また、請求項１０の発明は、請求項６ないし９のいずれかの発明に係る電気伝導度検出装置であって、周囲の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、前記水分量特定手段は、前記温度検出手段による検出結果に応じて、前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値と、前記静電容量とを補正する。
また、請求項１１の発明は、請求項６ないし１０のいずれかの発明に係る電気伝導度検出装置であって、前記信号発生手段は、矩形波の電気信号を前記入力電気信号とする。
また、請求項１２の発明は、測定対象系に水を供給する給水装置と、前記給水装置による水の供給を制御する制御装置と、前記制御装置とネットワークを介してデータ通信が可能な水分検出装置とを備え、前記水分検出装置は、水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触する一対の電極と、前記電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する信号発生手段と、前記電極の一方と前記信号発生手段との間に配置される抵抗器と、前記第１入力電気信号と前記第１入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する絶対値測定手段と、前記第２入力電気信号と前記第２入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する位相測定手段と、前記絶対値測定手段により測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、前記一対の電極間の抵抗値を求める抵抗値特定手段と、前記位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、水分量にのみ相関があると近似できる式を解き、前記測定対象系における水分量を求める水分量特定手段とを備え、前記制御装置は、前記水分検出装置による検出結果に応じて前記給水装置を制御する。
また、請求項１３の発明は、測定対象系に養液を供給する養液供給装置と、前記養液供給装置による養液の供給を制御する制御装置と、前記制御装置とネットワークを介してデータ通信が可能な電気伝導度検出装置とを備え、前記電気伝導度検出装置は、水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触する一対の電極と、前記電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する信号発生手段と、前記電極の一方と前記信号発生手段との間に配置される抵抗器と、前記第１入力電気信号と前記第１入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する絶対値測定手段と、前記第２入力電気信号と前記第２入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する位相測定手段と、前記絶対値測定手段により測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、前記一対の電極間の抵抗値を求める抵抗値特定手段と、前記位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、前記一対の電極間の静電容量を求め、前記抵抗値と前記静電容量とに基づいて、前記一対の電極間の電気伝導度を求める電気伝導度特定手段とを備え、前記制御装置は、前記電気伝導度検出装置による検出結果に応じて前記養液供給装置を制御する。
また、請求項１４の発明は、コンピュータ読み取り可能なプログラムであって、前記プログラムの前記コンピュータによる実行は、前記コンピュータを、水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触する一対の電極と、前記電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する信号発生手段と、前記電極の一方と前記信号発生手段との間に配置される抵抗器と、前記第１入力電気信号と前記第１入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する絶対値測定手段と、前記第２入力電気信号と前記第２入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する位相測定手段と、前記絶対値測定手段により測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、前記一対の電極間の抵抗値を求める抵抗値特定手段と、前記位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、水分量にのみ相関があると近似できる式を解き、前記測定対象系における水分量を求める水分量特定手段とを備える水分検出装置として機能させる。
また、請求項１５の発明は、コンピュータ読み取り可能なプログラムであって、前記プログラムの前記コンピュータによる実行は、前記コンピュータを、水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触する一対の電極と、前記電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する信号発生手段と、前記電極の一方と前記信号発生手段との間に配置される抵抗器と、前記第１入力電気信号と前記第１入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する絶対値測定手段と、前記第２入力電気信号と前記第２入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する位相測定手段と、前記絶対値測定手段により測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、前記一対の電極間の抵抗値を求める抵抗値特定手段と、前記位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、前記一対の電極間の静電容量を求め、前記抵抗値と前記静電容量とに基づいて、前記一対の電極間の電気伝導度を求める電気伝導度特定手段とを備える電気伝導度検出装置として機能させる。
また、請求項１６の発明は、一対の電極を水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触させる工程と、電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する工程と、前記第１入力電気信号と前記第１入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する工程と、前記第２入力電気信号と前記第２入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する工程と、測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、前記一対の電極間の抵抗値を求める工程と、測定されたインピーダンスの位相差と特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、水分量にのみ相関があると近似できる式を解き、前記測定対象系における水分量を求める工程とを有する。
また、請求項１７の発明は、一対の電極を水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触させる工程と、前記電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する工程と、前記第１入力電気信号と前記第１入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する工程と、前記第２入力電気信号と前記第２入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する工程と、測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、前記一対の電極間の抵抗値を求める工程と、測定されたインピーダンスの位相差と前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、前記一対の電極間の静電容量を求める工程と、前記抵抗値と前記静電容量とに基づいて、前記一対の電極間の電気伝導度を求める工程とを有する。
請求項１ないし５および請求項１２，１４，１６に記載の発明は、水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触する一対の電極と、電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する信号発生手段と、電極の一方と信号発生手段との間に配置される抵抗器と、第１入力電気信号と当該第１入力電気信号に応じて電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する絶対値測定手段と、第２入力電気信号と当該第２入力電気信号に応じて電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する位相測定手段と、絶対値測定手段により測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、一対の電極間の抵抗値を求める抵抗値特定手段と、位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と抵抗値特定手段により特定された一対の電極間の抵抗値とに基づいて、水分量にのみ相関があると近似できる式を解き、測定対象系における水分量を求める水分量特定手段とを備えることにより、塩分濃度の影響の少ない水分検出装置を安価に実現できる。
また、請求項６ないし１１および請求項１３，１５，１７に記載の発明は、水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触する一対の電極と、電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する信号発生手段と、電極の一方と信号発生手段との間に配置される抵抗器と、第１入力電気信号と当該第１入力電気信号に応じて電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する絶対値測定手段と、第２入力電気信号と当該第２入力電気信号に応じて電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する位相測定手段と、絶対値測定手段により測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、一対の電極間の抵抗値を求める抵抗値特定手段と、位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と抵抗値特定手段により特定された一対の電極間の抵抗値とに基づいて、一対の電極間の静電容量を求め、当該抵抗値と当該静電容量とに基づいて、一対の電極間の電気伝導度を求める電気伝導度特定手段とを備えることにより、水分量が低い状態でも、測定対象系に接触した状態で使用できる電気伝導度検出装置を安価に提供できる。
本発明に係るセンサネットワークシステムを示す図である。 本発明に係るセンサを示す図である。 測定対象系である培養土の等価回路を示す図である。 本発明に係る水分検出方法および電気伝導度検出方法を示す流れ図である。
以下、本発明の好適な実施の形態について、添付の図面を参照しつつ、詳細に説明する。
＜１． 実施の形態＞
図１は、本発明に係るセンサネットワークシステム１を示す図である。センサネットワークシステム１は、互いにネットワーク９に接続される制御装置２、給水装置３、養液供給装置４および基地局５を備えている。また、センサネットワークシステム１は、測定対象系である培養土８に、一部が埋め込まれるように設置される複数のセンサ６を備えている。
なお、培養土８は、野菜などの植物を育成するための畑を構成しており、一般に、溶媒としての水成分（液体成分）に、当該水に不溶性の溶質である土成分（固体成分）と空気成分（気体成分）とが混合したものである。また、ネットワーク９としては、ＬＡＮ（Local Area Network）が想定されるが、インターネットや公衆網が採用されてもよい。
詳細は図示しないが、制御装置２は、一般的なコンピュータとしての構成および機能を備えた装置であり、データ通信が可能な状態でネットワーク９に接続されている。
制御装置２は、センサ６が検出した情報（センシングデータ：詳細後述）を、基地局５およびネットワーク９を介して受信する。すなわち、制御装置２は、センシングデータを収集する機能を有している。
また、制御装置２は、収集したセンシングデータを分析し、培養土８の状態を判定する機能を有している。特に、制御装置２は、培養土８の水分量と肥料（養分）濃度とが、育成中の植物にとって適正量であるか否かを判定する。このような判定は、予め作成され記憶されている育成レシピ情報（例えば、育成中の植物の種類や生育状況に応じて適正値を記録した情報）に基づいて行うことができる。
さらに、制御装置２は、培養土８の状態に応じて、給水装置３および養液供給装置４を制御する。
給水装置３は、ネットワーク９を介して制御装置２との間でデータ通信が可能となっている。給水装置３は、制御装置２からの制御信号に応じて、培養土８に向けて、水分を供給する機能を有している。したがって、制御装置２が、培養土８に含まれる水分量が不足していると判定した場合には、給水を開始させる制御信号を給水装置３に向けて送信すれば、給水装置３から培養土８に向けて水分が供給される。なお、給水装置３は、培養土８を複数の領域に分割して、各領域ごとに水分を供給することが可能なように設計されている。
養液供給装置４は、ネットワーク９を介して制御装置２との間でデータ通信が可能となっている。養液供給装置４は、制御装置２からの制御信号に応じて、培養土８に向けて、植物の養分（肥料）が溶解した養液を供給する機能を有している。したがって、制御装置２が、培養土８に含まれる養分が不足していると判定した場合には、養液の供給を開始させる制御信号を養液供給装置４に向けて送信すれば、養液供給装置４から培養土８に向けて養液が供給される。なお、養液供給装置４は、給水装置３と同様に、培養土８を複数の領域に分割して、各領域ごとに水分を供給することが可能なように設計されている。
基地局５は、いわゆる無線通信用の基地局であり、後述するセンサ６をネットワーク９に接続する機能を提供する。
センサ６は、培養土８に、ある程度の間隔をおいて、複数、まんべんなく設置されることが好ましい。そのように配置されることによって、例えば、培養土８の状態が均一でなくても、制御装置２が問題のある領域を検出することができる。例えば、畑の一部の領域のみにおいて水分が不足している場合であっても、そのような問題が起きている領域を検出し、対処することができる。
図２は、本発明に係るセンサ６を示す図である。センサ６は、ＣＰＵ６０、ＲＯＭ６１、メモリ６２、操作ボタン６３およびＬＥＤ６４を備えている。
ＣＰＵ６０は、ＲＯＭ６１に記憶されているプログラム７に従って動作することにより、各種データの演算を行うとともに、センサ６が備える各構成を制御する。これによってセンサ６は、プログラム７を実行する一般的なコンピュータとしての機能を有している。なお、ＣＰＵ６０によって実現される機能の詳細については、後述する。
ＲＯＭ６１は、読み取り専用の記憶装置であり、先述のように、主にプログラム７を記憶する。
メモリ６２は、例えば、ＣＰＵ６０の一時的なワーキングエリアとして使用されるＲＡＭや不揮発性のＮＡＮＤメモリ等の記憶装置であり、ＣＰＵ６０による情報の読み取りだけでなく、ＣＰＵ６０による情報の書き込みも可能な記憶装置の総称である。メモリ６２は、センサ６において作成された各種データを記憶するために使用され、特に、温度情報６２０、水分情報６２１および電気伝導度情報６２２を記憶する。
操作ボタン６３は、ユーザによって操作されるハードウェアであり、センサ６に必要な情報（指示情報）を入力するために使用される。操作ボタン６３としては、例えば、電源ボタンやペアリングボタン、初期化ボタンなどが該当する。
ＬＥＤ６４は、ＣＰＵ６０からの制御信号に応じて点滅（あるいは点灯）し、センサ６の状態をユーザに報知する機能を有している。
また、センサ６は、基地局５に向けて電波を送信するとともに、基地局５から送信された電波を受信するアンテナ６５と、アンテナ６５からのアナログ信号をデジタル信号に変換するとともに、ＣＰＵ６０からのデジタル信号をアナログ信号に変換するＲＦ回路６６とを備えている。これらの構成を備えることにより、センサ６は、基地局５との間で、無線によるデータ通信が可能となっており、センサ６がネットワーク９に接続される。
さらに、センサ６は、温度計６７、一対の電極６８，６９、信号発生部７０、第１抵抗器７１、第２抵抗器７２、絶対値検出回路７３、および、位相検出回路７４を備えている。
温度計６７は、センサ６の周囲の温度（主に培養土８中の温度）を検出する機能を有している。温度計６７の検出結果である周囲の温度は、ＣＰＵ６０に伝達されて、温度情報６２０としてメモリ６２に記憶される。
一対の電極６８，６９は、それぞれがセンサ６の下方に突出した柱状の構造物であり、センサ６が設置される際には、培養土８に接触するように、培養土８中に埋没する。なお、一対の電極６８，６９の形状は、ここに示す例に限定されるものではなく、測定対象系である培養土８に対して、ある程度の間隔で接触するものであればよい。
信号発生部７０は、第１信号発生回路７５および第２信号発生回路７６を備えている。
第１信号発生回路７５は、矩形波の交流の電気信号を生成する回路であり、第１周波数の第１入力電気信号を電極６９（一対の電極６８，６９の一方）に印加する。以下、第１周波数を「ｆ1」と称する。０
第２信号発生回路７６は、矩形波の交流の電気信号を生成する回路であり、第２周波数の第２入力電気信号を電極６９（一対の電極６８，６９の一方）に印加する。以下、第２周波数を「ｆ2」と称する。
このように、本実施の形態におけるセンサ６は、矩形波の電気信号を用いることにより、いわゆるマイコンのＩＯのみで実現することができ、正弦波の電気信号を使用する場合に比べて、コストを削減できる。なお、第１周波数ｆ1および第２周波数ｆ2についての詳細は後述する。
第１抵抗器７１は、信号発生部７０（第１信号発生回路７５）と電極６９（一対の電極６８，６９の一方）との間に配置される。
第２抵抗器７２は、信号発生部７０（第２信号発生回路７６）と電極６９との間に配置される。なお、以下では、第２抵抗器７２の抵抗値を「ＲＳ」と称する。
絶対値検出回路７３は、電極６８，６９間（培養土８）のインピーダンスの絶対値（以下、｜Ｚ｜と称する。）を、電気抵抗法により測定する回路である。絶対値検出回路７３は、抵抗分圧を計測することにより、上記絶対値｜Ｚ｜を求める。本実施の形態における絶対値検出回路７３は、第１信号発生回路７５側から入力される第１入力電気信号と、当該第１入力電気信号に対する出力電気信号に基づいて、当該絶対値｜Ｚ｜を求める。また、絶対値検出回路７３は、測定した絶対値｜Ｚ｜をＣＰＵ６０に伝達する。
位相検出回路７４は、電極６８，６９間（培養土８）における電圧と電流との位相差（以下、φと称する。）を、絶対値検出回路７３と同様に、抵抗分圧により、上記位相差φを求める。本実施の形態における位相検出回路７４は、第２信号発生回路７６側から入力される第２入力電気信号と、当該第２入力電気信号に対する出力電気信号に基づいて、当該位相差φを求める。
このように、位相検出回路７４が抵抗分圧により位相差φを検出することで、絶対値｜Ｚ｜を検出するための構成とほぼ同じ回路構成とすることができ、回路や電極６８，６９の共有が容易となる。
また、位相検出回路７４に対しても、矩形波の第２入力電気信号が用いられる。このような矩形波を使用した場合には、正弦波を使用した場合に対して位相差が線形に変化する。すなわち、変化が線形であるため、後述する演算で正弦波を使用した場合と同等の状態に戻すことが可能である。また、矩形波を使用すると、正弦波を使用する場合に比べて位相検出回路７４において検出される位相差φが小さくなる。詳細は後述するが、本実施の形態では、検出する位相差φが３０°以下となるように構成することが好ましく、矩形波を用いることは、この要請に応えることができる。
なお、位相検出回路７４は、絶対値検出回路７３と同様に、測定した位相差φをＣＰＵ６０に伝達する。
次に、絶対値検出回路７３から伝達される絶対値｜Ｚ｜と、位相検出回路７４から伝達される位相差φとに基づいて、培養土８の水分量（以下、θと称する。）および電気伝導度（水分量θが１００％のときの塩分濃度。以下、σと称する。）が求まる原理について説明する。なお、電気伝導度σは、土壌の塩類濃度の指標であり、農業分野においては、土壌中の肥料の量の目安とされる。
図３は、測定対象系である培養土８の等価回路を示す図である。培養土８を電気的に測定する場合には、電極６８，６９と培養土８との間に容量成分８０が形成される。また、培養土８は、容量成分８１と抵抗成分８２で表すことができる。以下では、容量成分８０の静電容量を「ＣS」、容量成分８１の静電容量を「Ｃ」、抵抗成分８２の抵抗値をＲと称する。
培養土８（電極６８，６９間）のインピーダンスの絶対値｜Ｚ｜は、以下に示す式１で表現される。
Figure 2013200194
また、培養土８（電極６８，６９間）における電圧と電流との位相差φは、以下に示す式２で表現される。
Figure 2013200194
上記の式１および式２は、いずれもＣS、Ｃ、Ｒの３つの変数をもつため、３つの連立方程式を解くことで、抵抗値Ｒと静電容量Ｃを求めることができる。
３つの連立方程式を解く方法としては、以下のように、３つの方法がある。１つ目は、３つの異なる周波数の入力電気信号を印加し、それぞれの場合について絶対値｜Ｚ｜を測定して、式１に基づいて３つの連立方程式を立てて演算する方法である。２つ目は、３つの異なる周波数の入力電気信号を印加し、それぞれの場合について位相差φを測定して、式２に基づいて３つの連立方程式を立てて演算する方法である。３つ目は、絶対値｜Ｚ｜または位相差φのうちのいずれか一方について、異なる２つの周波数の入力電気信号を印加して測定し、もう一方については１つの周波数の入力電気信号を印加して測定し、式１および式２に基づいて３つの連立方程式を立てて演算する方法である。
これらの方法によれば、ＣS、Ｃ、Ｒを分離することができ、静電容量ＣS、抵抗値Ｒおよび静電容量Ｃが求まる。しかし、これらの方法は、３つの連立方程式を解くため、演算量が多くなるという問題がある。
そこで、まず、容量成分８０（ＣS）の影響を小さくして、２つの連立方程式を解くことにより、抵抗値Ｒおよび静電容量Ｃを求めることができる。
容量成分８０の静電容量ＣSは、主に、構成される電極６８，６９の材料に依存し、通常は数ｕＦ程度と比較的大きな値である。そこで、１０［kHz］以上（好ましくは数十［kHz］以上）の周波数の入力電気信号を使用すると、静電容量ＣSは、抵抗値Ｒ、静電容量Ｃに比べて、影響が非常に小さくなる。なお、本実施の形態では、１０［kHz］を第１基準周波数と呼び、以下では「ｆα」と称する。第１基準周波数ｆαの値は、電極６８，６９の材料によって最適値が変化する。したがって、電極６８，６９に応じて第１基準周波数ｆαを決定すればよい。
以上のことから、ｆα以上の周波数の入力電気信号を用いることによって、式１および式２は、以下のように近似できる。
Figure 2013200194
Figure 2013200194
上記の式３および式４は、いずれもＣ、Ｒの２つの変数をもつため、２つの連立方程式を解くことで、抵抗値Ｒと静電容量Ｃを求めることができる。すなわち、式１および式２を解く場合に比べて演算量が抑制できる。
式３および式４を用いて、２つの連立方程式を解いて抵抗値Ｒと静電容量Ｃを求める方法としては、以下のように、３つの方法がある。
１つ目は、ｆα≦ｆ1，ｆ2となる２つの異なる周波数ｆ1，ｆ2を決定し、まず、第１信号発生回路７５が第１周波数ｆ1の第１入力電気信号を印加して、絶対値検出回路７３が絶対値｜Ｚ｜を測定する。そして、次に、第１信号発生回路７５が周波数を切り替え、第２周波数ｆ2の第２入力電気信号を印加して、絶対値検出回路７３が絶対値｜Ｚ｜を測定する。そして、ｆα以上の異なる２つの周波数ｆ1，ｆ2を使って測定した絶対値｜Ｚ｜と、式３に基づいて、２つの連立方程式を立てて演算する方法（以下、「第１演算方法」と称する。）である。
２つ目は、ｆα≦ｆ1，ｆ2となる２つの異なる周波数ｆ1，ｆ2を決定し、まず、第２信号発生回路７６が第１周波数ｆ1の第１入力電気信号を印加して、位相検出回路７４が位相差φを測定する。そして、次に、第２信号発生回路７６が周波数を切り替え、第２周波数ｆ2の第２入力電気信号を印加して、位相検出回路７４が位相差φを測定する。そして、ｆα以上の異なる２つの周波数ｆ1，ｆ2を使って測定した位相差φと、式４に基づいて、２つの連立方程式を立てて演算する方法（以下、「第２演算方法」と称する。）である。
３つ目は、ｆα≦ｆ1となる周波数ｆ1を決定し、第１信号発生回路７５が第１周波数ｆ1の第１入力電気信号を印加して、絶対値検出回路７３が絶対値｜Ｚ｜を測定する。一方で、第２信号発生回路７６が、第１周波数ｆ1の第１入力電気信号を印加して、位相検出回路７４が位相差φを測定する。そして、同じ周波数ｆ1を使って測定した絶対値｜Ｚ｜および位相差φと、式３および式４に基づいて、２つの連立方程式を立てて演算する方法（以下、「第３演算方法」と称する。）である。
なお、本実施の形態におけるセンサ６は、絶対値｜Ｚ｜を測定する回路および位相差φを測定する回路が、いずれも抵抗分圧を用いてそれぞれの値を測定する構成となっている。したがって、電極６８，６９を共有することができ、絶対値｜Ｚ｜と位相差φとを同一の条件で測定することができる。
本実施の形態におけるセンサ６は、上記の第１演算方法、第２演算方法および第３演算方法のいずれも採用可能な構成となっている。
次に、上記式３について容量成分８１（Ｃ）の影響を小さくして、上記の２つの連立方程式を解く方法よりもさらに演算量を抑制する方法を提案する。
容量成分８１の静電容量Ｃは、主に、構成される電極６８，６９の形状に依存し、通常は数ｐＦ程度と比較的小さな値である。そこで、数百［kHz］以下の周波数の入力電気信号を使用すると、静電容量Ｃは、抵抗値Ｒに比べて影響が非常に小さくなる。なお、本実施の形態では、数百［kHz］を第２基準周波数と呼び、以下では「ｆβ」と称する。第２基準周波数ｆβの値は、電極６８，６９の形状によって最適値が変化する。したがって、電極６８，６９に応じて第２基準周波数ｆβを決定すればよい。
すなわち、ｆα以上でｆβ未満の周波数の入力電気信号を用いることによって、式３は、以下のように近似できる。
Figure 2013200194
上記式５は、Ｒのみを変数とする方程式である。したがって、ｆα以上でｆβ未満の周波数の入力電気信号を用いることによって、静電容量ＣS，Ｃによる影響の小さい、抵抗値Ｒを求めることができる。
式５を用いて抵抗値Ｒと静電容量Ｃを求める方法としては、以下のように、２つの方法がある。
１つ目は、ｆα≦ｆ1＜ｆβとなる周波数ｆ1と、ｆβ≦ｆ2となる周波数ｆ2を決定し、まず、第１信号発生回路７５が第１周波数ｆ1の第１入力電気信号を印加して、絶対値検出回路７３が絶対値｜Ｚ｜を測定し、式５により抵抗値Ｒを求める。そして、次に、第１信号発生回路７５が周波数を切り替え、第２周波数ｆ2の第２入力電気信号を印加して、絶対値検出回路７３が絶対値｜Ｚ｜を測定する。そして、すでに求めた抵抗値Ｒと、第２入力電気信号を使用して測定した絶対値｜Ｚ｜とを式３に代入することにより静電容量Ｃを演算する方法（以下、「第４演算方法」と称する。）である。
２つ目は、ｆα≦ｆ1＜ｆβとなる周波数ｆ1と、ｆβ≦ｆ2となる周波数ｆ2を決定し、まず、第１信号発生回路７５が第１周波数ｆ1の第１入力電気信号を印加して、絶対値検出回路７３が絶対値｜Ｚ｜を測定し、式５により抵抗値Ｒを求める。これと平行して、第２信号発生回路７６が第２周波数ｆ2の第２入力電気信号を印加して、位相検出回路７４が位相差φを測定する。そして、求めた抵抗値Ｒと、第２入力電気信号を使用して測定した位相差φとを式４に代入することにより静電容量Ｃを演算する方法（以下、「第５演算方法」と称する。）である。
第４演算方法および第５演算方法は、いずれも連立方程式を解く必要がないので、第１演算方法ないし第３演算方法に比べて、演算量がさらに抑制される。
本実施の形態におけるセンサ６は、第４演算方法および第５演算方法のいずれも採用可能な構成を備えているが、以下では、第５演算方法を採用するものとして説明する。すなわち、センサ６のメモリ６２には、式４における関数Ｆ4（Ｃ，Ｒ）および式５における関数Ｆ5（Ｒ）が実験等により求められ、格納されている。また、第５演算方法を採用するため、第１信号発生回路７５および第２信号発生回路７６としては、周波数を変更する機能のない回路を採用できる。
また、本実施の形態では、周波数ｆ1として、１０［kHz］〜数十［kHz］程度の周波数を使用する。また、周波数ｆ2（位相差を測定するための第２入力電気信号の周波数）としては、Ｒ＝１／（ω×Ｃ）となるような周波数が測定上は好ましく、本実施の形態では１０［MHz］程度の周波数を使用する（ただしω＝２πｆ2）。すなわち、抵抗値Ｒおよび静電容量Ｃの値をある程度予測して、適した周波数ｆ2を決定する。
このように、ＣＰＵ６０は、入力電気信号と電極６８（電極６８，６９の他方）からの出力電気信号とに基づいて一対の電極６８，６９間の抵抗値Ｒを求める機能を有しており、本発明における抵抗値特定手段に相当する。また、ＣＰＵ６０は、上記のとおり、一対の電極６８，６９間の静電容量Ｃを求める機能も有している。
なお、第５演算方法により求まる静電容量Ｃは水分量θが小さい範囲において比較的小さな値となる（誤差がでやすい。）。したがって、特に電極６８，６９が小型である場合などには、水分量換算精度が低下するという問題がある。これを克服するために、センサ６では、以下の原理を用いる。
まず、電極６９に並列に入る容量成分の静電容量（基板等で形成される静電容量）を「ＣＰ」と定義する。そして、第２周波数ｆ2が充分に高いことから１／ωＣＳ＝０とすれば、位相検出回路７４における抵抗分圧用の第２抵抗器７２の抵抗値ＲＳを用いて、位相差φは、以下に示す式６で表現される。
Figure 2013200194
さらに、逆関数を使えば、式６は、以下に示す式７となる。
Figure 2013200194
次に、式７を用いて、電気伝導度σ（塩分濃度）の影響を受けず、水分量にのみ相関があると近似できる式を作成する。
まず、水分量θが多く、抵抗値Ｒが小さい場合を評価する。
式７の右辺にあるＲ／（ＲＳ＋Ｒ）は、抵抗値ＲＳが抵抗値Ｒの近似値（１／３ＲＳ＜Ｒ＜３ＲＳ程度）の範囲では対数近似でき、以下に示す式８が成立する。
Figure 2013200194
したがって、式８を式７に代入することにより、以下に示す式９が求まる。
Figure 2013200194
ここで、以下に示す式１０で表現されるＡを定義する。
Figure 2013200194
式９で表現される位相差φを、式１０で定義したＡで割ると式１１が求まる。
Figure 2013200194
次に、抵抗値Ｒの対数を取り、φ／Ａを減算することにより、式１２が求まる。
Figure 2013200194
水分量θが多い範囲では、ΔＣはほとんど変化せず、ほぼ一定と考えてよい。したがって、式１２の右辺におけるＬｏｇ（Ｒ）は、−Ｌｏｇ（Ｒ）×ΔＣによって影響がキャンセルされるため、式１２の右辺はＲに含まれる電気伝導度σ（塩分濃度）の影響を受けずに、一定の値に近づくことがわかる。
このように、少なくとも水分量θが多い範囲では、式１２の左辺は、水分量θにのみ相関があると近似できる式となる。ただし、１／３ＲＳ＜Ｒ＜３ＲＳ程度の範囲となる抵抗値ＲＳが選択されることが条件となる。
次に、水分量θが少なく、抵抗値Ｒが大きい場合を評価する。
抵抗値Ｒが大きい範囲では、Ｒ／（ＲＳ＋Ｒ）は１と近似できるため、式７は、式１３と近似できる。
Figure 2013200194
式１３を式１２の左辺に代入すると、以下に示す式１４が求まる。
Figure 2013200194
ここで、抵抗値Ｒは塩分濃度（すなわち電気伝導度σ）および水分量θによって変化し、以下に示す式１５で表現することができる。
Figure 2013200194
なお、正確には、式１５におけるＱ（σ）は水分量θの関数となっており、Ｑ（σ（θ））である。しかし、ここでは、一旦、式１５で表し、詳細は後述する。
式１４の右辺に式１５の右辺を代入すると、式１６が求まる。
Figure 2013200194
水分量θが少ないとき、電気伝導度σの影響は小さいため、式１６の右辺の第２項に比べて第１項が支配的になる（第２項の影響は小さい）。また、第３項は、静電容量Ｃの関数となるが、塩分濃度が低い状況では、静電容量Ｃは水分量θの関数となるため、第３項も電気伝導度σの影響が小さい項となる。
したがって、水分量θが少ない範囲においても、式１２の左辺は、水分量θにのみ相関があると近似できる式となる。ただし、塩分濃度が低い状況であることが条件となるが、一般的な畑に用いられる培養土８であれば、この条件を満たす。
そして、すでに説明したように、水分量θが小さい範囲では、静電容量Ｃが比較的小さな値となるために、水分量換算精度が低下するという問題がある。しかし、式１６は、第１項に第３項が加算されるため、水分量θを強調するように変化する。すなわち、水分量θとの相関の度合いが高まるので、静電容量Ｃが比較的小さいときであっても、精度を向上させることができる。
以上のことから、水分量θが比較的多いときの抵抗値Ｒに近い値で第２抵抗器７２の抵抗値ＲＳとを決定すれば、以下に示す式１７により水分量θが求まる。
Figure 2013200194
ここで、位相差φが３０°以下であれば、ｔａｎ（φ）≒φと近似できることから、式１７は、式１８と近似できる。
Figure 2013200194
このような近似を用いれば、式１８の左辺も水分量θにのみ相関があると近似できる式となる。式１８では、測定された位相差φに基づいて、ｔａｎ（φ）の値を求める必要がないので、左辺の演算が容易になる。すなわち、位相検出回路７４において測定される位相差φの値が３０°以内となるように第２周波数ｆ2を決めてやれば、式１８の演算量が抑制される。
次に、静電容量Ｃは、塩分濃度（すなわち電気伝導度σ）および水分量θによって変化し、以下に示す式１９で表現することができる。
Figure 2013200194
そして、電気伝導度σが低い（例えば数百mS/m以下。通常の培養土８であればこの範囲となる。）ときには、Ｆ8（σ）が一定（定数Ｂとおく。Ｂは実験等により求めておくことができる。）となるため、式１９は以下に示す式２０に近似できる。
Figure 2013200194
次に、式１５のＦ6（θ）と、式２０のＦ7（θ）とが同じ特性であることを利用して、式１５と式２０とを積算し、以下に示す式２１を求める。
Figure 2013200194
式２１では、水分量θの影響がキャンセルされている。したがって、関数Ｑ（σ）および定数Ｂを実験で予め求めておけば、抵抗値Ｒおよび静電容量Ｃを式２１に代入することによって電気伝導度σを求めることができる。
ここで、厳密には、関数Ｑ（σ）において、電気伝導度σは水分量θの影響を受ける。したがって、これを考慮すると、式２１は、以下に示す式２２となる。
Figure 2013200194
したがって、抵抗値Ｒおよび静電容量Ｃを式２２に代入することにより得られる電気伝導度は、σ（θ）となる。
本実施の形態におけるＣＰＵ６０は、式１７から求めた水分量θにより、σ（θ）を補正して、電気伝導度σを求める。これにより、水分量θの影響を考慮して補正することができるので、電気伝導度σの精度が向上する。
以上が、ＣＰＵ６０が水分量θおよび電気伝導度σを求める原理の説明である。本実施の形態におけるＣＰＵ６０は、求めた水分量θに応じて水分情報６２１を作成するとともに、求めた電気伝導度σに応じて電気伝導度情報６２２を作成する。すなわち、先述のセンシングデータ（センサ６のセンシングデータ）とは、水分情報６２１および電気伝導度情報６２２を含むデータである。
本実施の形態におけるセンサ６（ＣＰＵ６０）は、温度計６７の検出結果（温度情報６２０）に基づいて、求めた抵抗値Ｒおよび静電容量Ｃを温度補正する機能も有している。温度補正は以下のようにして行う。
センサ６のメモリ６２には、容量成分８１の静電容量および抵抗成分８２の抵抗値が温度に応じて、どのように変化するかを予め実験等により求めた情報が格納されている。ＣＰＵ６０は、第５演算方法で抵抗値Ｒおよび静電容量Ｃを求めた後に、温度情報６２０に基づいて当該情報を参照しつつ、抵抗値Ｒおよび静電容量Ｃを補正する。以下では、抵抗値Ｒの温度による補正後の値を「Ｒ0」、静電容量Ｃの温度による補正後の値を「Ｃ0」と称する。
次に、ＣＰＵ６０は、温度による補正後の抵抗値Ｒ0および静電容量Ｃ0を式４に代入して、位相差φを温度補正する。以下では、位相差φの温度による補正後の値を「φ0」と称する。
ＣＰＵ６０は、さらに、作成した水分情報６２１および電気伝導度情報６２２を、適当なタイミングで、制御装置２に向けて送信するように、ＲＦ回路６６を制御する。
以上が、本実施の形態におけるセンサネットワークシステム１の構成および機能の説明である。
次に、センサ６を用いて水分量θおよび電気伝導度σを求める方法について説明する。
図４は、本発明に係る水分検出方法および電気伝導度検出方法を示す流れ図である。図４に示す各工程が開始されるまでに、センサ６は培養土８に適切に設置され、電源が投入され、所定の初期化処理が完了しているものとする。また、第２抵抗器７２の抵抗値ＲＳは、水分量θが比較的多い（例えば４０％以上）ときの、培養土８のおよその電気伝導度σ（例えば２００［mS/m］）における抵抗値Ｒの近似値として決定されているものとする。
図４に示す工程が開始されると、センサ６（ＣＰＵ６０）は、測定タイミングか否かを監視しつつ（ステップＳ１）、待機する状態となる。センサネットワークシステム１では、測定タイミングは、予め初期化処理において制御装置２から送信されスケジュール情報と、センサ６が備えるタイマ（図示せず）とに基づいて検出されるものとする。ただし、スケジュール情報は、制御装置２から送信されるのではなく、プログラム７の一部としてメモリ６２に格納されていてもよい。また、送信要求等により測定タイミングを制御装置２が、逐一、センサ６に報知してもよい。
測定タイミングが検出されると、センサ６はステップＳ１においてＹｅｓと判定し、培養土８のインピーダンスの絶対値｜Ｚ｜を測定する（ステップＳ２）。
ステップＳ２では、まず、ＣＰＵ６０が信号発生部７０に対して、絶対値｜Ｚ｜の測定を開始する旨を伝達する。これに応じて、信号発生部７０は、入力電気信号を発生させるように第１信号発生回路７５を制御する。これにより、第１信号発生回路７５は、第１周波数ｆ1（ｆα≦ｆ1＜ｆβ）の第１入力電気信号を発生させ、電極６９に印加する。そして、絶対値検出回路７３は、第１入力電気信号と電極６８からの出力電気信号とに基づいて、絶対値｜Ｚ｜を測定し、ＣＰＵ６０に伝達する。
絶対値｜Ｚ｜が測定されると、センサ６は、培養土８による位相差φを測定する（ステップＳ３）。
ステップＳ３では、まず、ＣＰＵ６０が信号発生部７０に対して、位相差φの測定を開始する旨を伝達する。これに応じて、信号発生部７０は、入力電気信号を発生させるように第２信号発生回路７６を制御する。これにより、第２信号発生回路７６は、第２周波数ｆ2（ｆβ≦ｆ2）の第２入力電気信号を発生させ、電極６９に印加する。なお、第２周波数ｆ2は、測定される位相差φが３０°以下となるように選択されている。そして、位相検出回路７４は、第２入力電気信号と電極６８からの出力電気信号とに基づいて、位相差φを測定し、ＣＰＵ６０に伝達する。
位相差φが測定されると、ＣＰＵ６０は、温度計６７の値を参照することにより、培養土８中の温度を測定し（ステップＳ４）、温度情報６２０を作成する。
次に、ＣＰＵ６０は、測定された絶対値｜Ｚ｜を式５に代入することにより、抵抗値Ｒを求める（ステップＳ５）。
抵抗値Ｒが求まると、ＣＰＵ６０は、求めた抵抗値Ｒと測定された位相差φとを式４に代入することにより、静電容量Ｃを求める（ステップＳ６）。
抵抗値Ｒと静電容量Ｃとが求まると、ＣＰＵ６０は、温度情報６２０に基づいて、温度補正を行い、抵抗値Ｒ0および静電容量Ｃ0とを求める。そしてさらに、温度補正された抵抗値Ｒ0および静電容量Ｃ0を式４に代入して、温度補正された位相差φ0を求める（ステップＳ７）。
次に、ＣＰＵ６０は、ステップＳ７で求めた抵抗値Ｒ0および位相差φ0を式１８に代入することにより、水分量θを求め、水分情報６２１を作成する（ステップＳ８）。このようにして、センサ６により、培養土８の水分量θが検出される。すなわち、ＣＰＵ６０は水分特定手段としての機能を有しており、センサ６は水分検出装置としての機能を有している。
また、ＣＰＵ６０は、ステップＳ７で求めた抵抗値Ｒ0および静電容量Ｃ0を式２２に代入することにより、電気伝導度σ（θ）を求める（ステップＳ９）。
さらに、ＣＰＵ６０は、ステップＳ８で求めた水分量θに基づいて、ステップＳ９で求めた電気伝導度σ（θ）を補正し、電気伝導度情報６２２を作成する（ステップＳ１０）。このようにして、センサ６により、培養土８の電気伝導度σが検出される。すなわち、ＣＰＵ６０は電気伝導度特定手段としての機能を有しており、センサ６は電気伝導度検出装置としての機能を有している。
水分情報６２１および電気伝導度情報６２２が作成されると、センサ６は、これらの情報を制御装置２に向けて送信する（ステップＳ１１）。
水分情報６２１および電気伝導度情報６２２を制御装置２に送信すると、センサ６は、再び、測定タイミングが到来するまで、待機状態となる。
以上のように、本実施の形態におけるセンサ６は、水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系としての培養土８に接触する一対の電極６８，６９と、電極６９に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する信号発生部７０と、電極６９信号発生部７０との間に配置される第２抵抗器７２と、第１入力電気信号と第１入力電気信号に応じて電極６８から出力される出力電気信号とに基づいて一対の電極６８，６９間におけるインピーダンスの絶対値｜Ｚ｜を測定する絶対値検出回路７３と、第２入力電気信号と第２入力電気信号に応じて電極６８から出力される出力電気信号とに基づいて一対の電極６８，６９間におけるインピーダンスの位相差φを抵抗分圧により測定する位相検出回路７４と、絶対値検出回路７３により測定されたインピーダンスの絶対値｜Ｚ｜に基づいて、一対の電極６８，６９間の抵抗値Ｒを求めるとともに、位相検出回路７４により測定されたインピーダンスの位相差φと特定された一対の電極６８，６９間の抵抗値Ｒとに基づいて、水分量θにのみ相関があると近似できる式を解き、培養土８における水分量θを求めるＣＰＵ６０とを備えることにより、塩分濃度の影響の少ない水分検出装置を安価に実現できる。
また、ＣＰＵ６０が、位相検出回路７４により測定されたインピーダンスの位相差φと特定された一対の電極６８，６９間の抵抗値Ｒとに基づいて、一対の電極６８，６９間の静電容量Ｃを求め、当該抵抗値Ｒと当該静電容量Ｃとに基づいて、一対の電極６８，６９間の電気伝導度σを求めることにより、水分量θが低い状態でも、培養土８に挿した状態で使用できる電気伝導度検出装置を安価に提供できる。
また、第１入力電気信号の第１周波数ｆ1は、第１基準周波数ｆα以上、かつ、第２基準周波数ｆβ未満の周波数であり、第１基準周波数ｆαは数十ｋＨｚであり、第２基準周波数ｆβは数百ｋＨｚであることにより、連立方程式を解く必要がなくなり演算が簡単になる。
また、周囲の温度を検出する温度系６７をさらに備え、ＣＰＵ６０は、抵抗値Ｒ、静電容量Ｃおよび位相差φを補正することにより、温度の影響を除去できるので、精度が向上する。
また、信号発生部７０は、矩形波の電気信号を入力電気信号とすることにより、正弦波の電気信号を使用する場合に比べて、コストを削減できる。
また、ＣＰＵ６０は、特定された水分量θに応じて、特定された電気伝導度σを補正することにより、精度が向上する。
＜２． 変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく様々な変形が可能である。
例えば、図４に示した各工程は、あくまでも例示であって、これに限定されるものではない。したがって、同様の効果が得られるならば、図４に示す各工程の内容や順序が、適宜、変更されてもよい。例えば、ステップＳ２により絶対値｜Ｚ｜が求められた後、ただちにステップＳ５が実行されて抵抗値Ｒが求められてもよい。あるいは、ステップＳ４による温度測定は、ステップＳ７による温度補正の直前に実行されてもよい。
また、通常の培養土８を想定して抵抗値Ｒを推定し、その近似値としての抵抗値ＲＳの値を決定すると説明した。しかし、例えば、第２抵抗器７２を可変抵抗器（抵抗値を変更できる抵抗器）として構成し、一旦、絶対値｜Ｚ｜を暫定的に測定した後に、その測定結果に応じて暫定的な抵抗値Ｒを求めて、その近似値として抵抗値ＲＳを決定し、その後改めて絶対値｜Ｚ｜を測定してもよい。
また、上記実施の形態では、培養土８で育成されるものとして植物を例に説明したが、植物に限定されるものではない。例えば、特殊な環境で増殖させるバクテリア等であってもよい。また、必ずしも育成を目的とする必要もない。すなわち、本発明は、測定対象系の状態を検出する目的において、広く応用が可能である。
また、測定対象系として土成分を含む培養土８を例に説明したが、水栽培のように、個体成分や気体成分をほとんど含まない系が測定対象系となってもよい。その場合、センサ６は水溶液に浮かべるような構成とするのが好ましい。
また、センサネットワークシステム１は、温度を調整する機能を有していてもよい。例えば、センサネットワークシステム１が暖房装置を備えており、センサ６の温度計の値に応じて、制御装置２が当該暖房装置を制御してもよい。
また、センサネットワークシステム１においては、絶対値｜Ｚ｜や位相差φを測定する機能を有する検出装置を採用し、制御装置２が当該検出装置から送信されるセンシングデータ（絶対値｜Ｚ｜や位相差φ）に基づいて、水分量θおよび電気伝導度σを演算により特定してもよい。すなわち、検出装置が水分量θおよび電気伝導度σを演算しなくてもよい。
１ センサネットワークシステム
２ 制御装置
３ 給水装置
４ 養液供給装置
５ 基地局
６ センサ
６０ ＣＰＵ
６１ ＲＯＭ
６２ メモリ
６２０ 温度情報
６２１ 水分情報
６２２ 電気伝導度情報
６３ 操作ボタン
６４ ＬＥＤ
６５ アンテナ
６６ ＲＦ回路
６７ 温度計
６８，６９ 電極
７ プログラム
７０ 信号発生部
７１ 第１抵抗器
７２ 第２抵抗器
７３ 絶対値検出回路
７４ 位相検出回路
７５ 第１信号発生回路
７６ 第２信号発生回路
８ 培養土
９ ネットワーク

Claims (17)

  1. 水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触する一対の電極と、
    前記電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する信号発生手段と、
    前記電極の一方と前記信号発生手段との間に配置される抵抗器と、
    前記第１入力電気信号と前記第１入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する絶対値測定手段と、
    前記第２入力電気信号と前記第２入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する位相測定手段と、
    前記絶対値測定手段により測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、前記一対の電極間の抵抗値を求める抵抗値特定手段と、
    前記位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、水分量にのみ相関があると近似できる式を解き、前記測定対象系における水分量を求める水分量特定手段と、
    を備える水分検出装置。
  2. 請求項１に記載の水分検出装置であって、
    前記抵抗器の抵抗値は、前記一対の電極間の抵抗値の推定値の近似値であり、
    前記水分量特定手段は、前記水分量にのみ相関があると近似できる式として、
    Figure 2013200194
     を解く水分検出装置。
  3. 請求項１または２に記載の水分検出装置であって、
    前記第１入力電気信号の周波数は、第１基準周波数以上、かつ、第２基準周波数未満の周波数であり、
    前記第１基準周波数は数十ｋＨｚであり、第２基準周波数は数百ｋＨｚである水分検出装置。
  4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の水分検出装置であって、
    周囲の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
    前記水分量特定手段は、
    前記位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、前記一対の電極間の静電容量を求めるとともに、前記温度検出手段による検出結果に応じて、前記抵抗値、前記静電容量を補正する水分検出装置。
  5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の水分検出装置であって、
    前記信号発生手段は、矩形波の電気信号を前記入力電気信号とする水分検出装置。
  6. 水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触する一対の電極と、
    前記電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する信号発生手段と、
    前記電極の一方と前記信号発生手段との間に配置される抵抗器と、
    前記第１入力電気信号と前記第１入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する絶対値測定手段と、
    前記第２入力電気信号と前記第２入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する位相測定手段と、
    前記絶対値測定手段により測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、前記一対の電極間の抵抗値を求める抵抗値特定手段と、
    前記位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、前記一対の電極間の静電容量を求め、前記抵抗値と前記静電容量とに基づいて、前記一対の電極間の電気伝導度を求める電気伝導度特定手段と、
    を備える電気伝導度検出装置。
  7. 請求項６に記載の電気伝導度検出装置であって、
    前記電気伝導度特定手段は、
    Figure 2013200194
     を解く電気伝導度検出装置。
  8. 請求項７に記載の電気伝導度検出装置であって、
    前記位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、水分量にのみ相関があると近似できる式を解き、前記測定対象系における水分量を求める水分量特定手段をさらに備え、
    前記水分量特定手段により特定された水分量に応じて、前記電気伝導度特定手段により特定された電気伝導度を補正する電気伝導度検出装置。
  9. 請求項８に記載の電気伝導度検出装置であって、
    前記抵抗器の抵抗値は、前記一対の電極間の抵抗値の推定値の近似値であり、
    前記水分量特定手段は、前記水分量にのみ相関があると近似できる式として、
    Figure 2013200194
     を解く電気伝導度検出装置。
  10. 請求項６ないし９のいずれかに記載の電気伝導度検出装置であって、
    周囲の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
    前記水分量特定手段は、
    前記温度検出手段による検出結果に応じて、前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値と、前記静電容量とを補正する電気伝導度検出装置。
  11. 請求項６ないし１０のいずれかに記載の電気伝導度検出装置であって、
    前記信号発生手段は、矩形波の電気信号を前記入力電気信号とする電気伝導度検出装置。
  12. 測定対象系に水を供給する給水装置と、
    前記給水装置による水の供給を制御する制御装置と、
    前記制御装置とネットワークを介してデータ通信が可能な水分検出装置と、
    を備え、
    前記水分検出装置は、
    水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触する一対の電極と、
    前記電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する信号発生手段と、
    前記電極の一方と前記信号発生手段との間に配置される抵抗器と、
    前記第１入力電気信号と前記第１入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する絶対値測定手段と、
    前記第２入力電気信号と前記第２入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する位相測定手段と、
    を備え、
    前記絶対値測定手段により測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、前記一対の電極間の抵抗値を求める抵抗値特定手段と、
    前記位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、水分量にのみ相関があると近似できる式を解き、前記測定対象系における水分量を求める水分量特定手段と、
    をさらに備え、
    前記制御装置は、前記水分検出装置による検出結果に応じて前記給水装置を制御するセンサネットワークシステム。
  13. 測定対象系に養液を供給する養液供給装置と、
    前記養液供給装置による養液の供給を制御する制御装置と、
    前記制御装置とネットワークを介してデータ通信が可能な電気伝導度検出装置と、
    を備え、
    前記電気伝導度検出装置は、
    水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触する一対の電極と、
    前記電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する信号発生手段と、
    前記電極の一方と前記信号発生手段との間に配置される抵抗器と、
    前記第１入力電気信号と前記第１入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する絶対値測定手段と、
    前記第２入力電気信号と前記第２入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する位相測定手段と、
    を備え、
    前記絶対値測定手段により測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、前記一対の電極間の抵抗値を求める抵抗値特定手段と、
    前記位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、前記一対の電極間の静電容量を求め、前記抵抗値と前記静電容量とに基づいて、前記一対の電極間の電気伝導度を求める電気伝導度特定手段と、
    をさらに備え、
    前記制御装置は、前記電気伝導度検出装置による検出結果に応じて前記養液供給装置を制御するセンサネットワークシステム。
  14. コンピュータ読み取り可能なプログラムであって、前記プログラムの前記コンピュータによる実行は、前記コンピュータを、
    水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触する一対の電極と、
    前記電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する信号発生手段と、
    前記電極の一方と前記信号発生手段との間に配置される抵抗器と、
    前記第１入力電気信号と前記第１入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する絶対値測定手段と、
    前記第２入力電気信号と前記第２入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する位相測定手段と、
    前記絶対値測定手段により測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、前記一対の電極間の抵抗値を求める抵抗値特定手段と、
    前記位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、水分量にのみ相関があると近似できる式を解き、前記測定対象系における水分量を求める水分量特定手段と、
    を備える水分検出装置として機能させるプログラム。
  15. コンピュータ読み取り可能なプログラムであって、前記プログラムの前記コンピュータによる実行は、前記コンピュータを、
    水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触する一対の電極と、
    前記電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する信号発生手段と、
    前記電極の一方と前記信号発生手段との間に配置される抵抗器と、
    前記第１入力電気信号と前記第１入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する絶対値測定手段と、
    前記第２入力電気信号と前記第２入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する位相測定手段と、
    前記絶対値測定手段により測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、前記一対の電極間の抵抗値を求める抵抗値特定手段と、
    前記位相測定手段により測定されたインピーダンスの位相差と前記抵抗値特定手段により特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、前記一対の電極間の静電容量を求め、前記抵抗値と前記静電容量とに基づいて、前記一対の電極間の電気伝導度を求める電気伝導度特定手段と、
    を備える電気伝導度検出装置として機能させるプログラム。
  16. 一対の電極を水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触させる工程と、
    電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する工程と、
    前記第１入力電気信号と前記第１入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する工程と、
    前記第２入力電気信号と前記第２入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する工程と、
    測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、前記一対の電極間の抵抗値を求める工程と、
    測定されたインピーダンスの位相差と特定された前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、水分量にのみ相関があると近似できる式を解き、前記測定対象系における水分量を求める工程と、
    を有する水分検出方法。
  17. 一対の電極を水に対して不溶性の溶質が水中に分散して存在する測定対象系に接触させる工程と、
    前記電極の一方に交流の第１入力電気信号と第２入力電気信号とを印加する工程と、
    前記第１入力電気信号と前記第１入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの絶対値を測定する工程と、
    前記第２入力電気信号と前記第２入力電気信号に応じて前記電極の他方から出力される出力電気信号とに基づいて前記一対の電極間におけるインピーダンスの位相差を抵抗分圧により測定する工程と、
    測定されたインピーダンスの絶対値に基づいて、前記一対の電極間の抵抗値を求める工程と、
    測定されたインピーダンスの位相差と前記一対の電極間の抵抗値とに基づいて、前記一対の電極間の静電容量を求める工程と、
    前記抵抗値と前記静電容量とに基づいて、前記一対の電極間の電気伝導度を求める工程と、
    を有する電気伝導度検出方法。
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