JP2016191654A - 塩類集積判定方法、土壌ecセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
この塩類集積判定方法に適した土壌ECセンサに関する。
なお、本明細書において作物とは、農作物と観葉植物を包含する。
我が国のハウス栽培では、約8割程度、土壌に塩類集積が起きており、ハウス栽培の生産性を低下させる要因になっていることが判明している。塩類集積とは、土壌に肥料を過剰に施肥することで、土壌中の硝酸イオン(NO3 −:硝酸態窒素)の濃度が適正値より大幅に濃くなってしまい、作物の生育に悪影響を及ぼしてしまう現象を指す。
ハウス栽培を実施する農家にとって、土壌に蓄積される塩類の具体的な値は重要ではなく、土壌が塩類集積の状態にあるか否かが重要となる。したがって、土壌の塩類集積を判定するための、簡易かつ安価な方法の提供が望まれている。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
次に、塩類集積の判定方法を踏まえた、新規な土壌ECセンサを説明する。
2つ目の塩類集積判定方法を実施するためのシステムとして、コンピュータ制御を用いた養液土耕システムの機能を利用することが考えられる。そこで、まず発明者らが研究開発している養液土耕システムについて説明する。そして、養液土耕システムのログ機能によって、判定対象となる土壌が作物を栽培していない状態であることを養液土耕システムが把握して、塩類集積判定処理を実施する実施態様を説明する。
図1Aは、本発明に係る第一の塩類集積判定方法を説明する概略図である。図1Bは、塩類集積がない、正常な土壌におけるEC値の変化を示す概略的なグラフである。図1Cは、塩類集積が生じている土壌におけるEC値の変化を示す概略的なグラフである。なお、実際のEC値の変化は曲線であり、ゆらぎを伴うが、図1B及び図1Cでは、理解を容易にするためにあえて直線の折れ線グラフでEC値の変化を表現している。また、後述する図3、図22及び図23でも同様である。
任意の作物について土耕栽培を行うに当たり、土耕栽培を行う土壌101に塩類集積が生じているか否かを確認するために、先ず、作物の栽培に先立ち、土壌ECセンサ(以下「ECセンサ」と略)102を土壌101の地表から約30〜50cm程度の深さの土壌中へ埋め込む。ECとは「Electrical Conductivity」の略で、硝酸態窒素含有量の指標になる、土壌中の電気伝導率を指す。つまりECとは、転じて土壌中の肥料の濃度とほぼ同義の情報として扱われる。ECセンサ102の埋設深さは、作物が生育する際に、作物が生やす根の長さに適合する深さで埋設することが望ましい。ECセンサ102をあまり地表近くに埋設すると、土壌水分が蒸散し易く、EC値の計測に支障をきたす虞がある。
データロガー103によるEC値の測定を開始したECセンサ102の近傍に、チューブ104等を介して注射器105で基準培養液106を注入する。基準培養液106は、養液土耕等に用いる、EC値に関与する陰イオンとして硝酸態窒素のみが所定の濃度に調整された培養液である。例えば、硝酸態窒素が120ppmである。この濃度は、通常の土耕栽培等で用いる、標準的な濃度の培養液である。
基準培養液106をECセンサ102近傍に注入すると、基準培養液106が注入された土壌101が塩類集積を引き起こしているか否かで、EC値の変動傾向が異なる。
もし、塩類集積が生じている土壌である場合は、注射器105によって注入される基準培養液106よりもEC値は高い状態である。したがって、図1Cのように、基準培養液106が注入された時点(T113)から凡そ1〜数時間程度の時間が経過すると、EC値が下降する(T114)。そして、ある時点で極値に達した後、また元のEC値へ戻っていく。なお、この極値は基準培養液106のEC値にほぼ等しい。
以上のように、ECセンサ102近傍への基準培養液106の注入によって、数時間程度で塩類集積を判定できる。
発明者らは前述の第一の塩類集積判定方法を用いて、塩類集積の判定を様々な土壌で実験を行った。そうしてデータを集めていくうちに、第一の塩類集積判定方法では正確に塩類集積を判定できない場合があることがわかってきた。そして、その原因は、ECセンサ102で土壌中のEC値を計測する際、EC値に関与する陰イオンが、硝酸イオンだけではなく、塩素イオン(Cl−)と硫酸イオン(SO4 2−)もある、ということであった。
塩素イオンと硫酸イオンは作物の栄養にはならず、作物の生育にはむしろ邪魔な存在ですらある。したがって、土壌中にこれら塩素イオンと硫酸イオンがどれだけ含まれているのかを把握することにより、より正確に塩類集積を判定できる。
そこで、これより第一の塩類集積判定方法より正確な塩類集積判定方法を説明する。
第一の手順:図2Aに示すように、ECセンサ102近傍にグルコース(ブドウ糖)201等の炭水化物水溶液を注入する。
第二の手順:図3Aに示すように、ECセンサ102の値が下がり切った時点のEC値を「ECbase」として測定し、取得する。
第三の手順:図3Aに示すように、ECセンサ102の値が再び上昇した時点のECセンサ102の値を測定し、取得する。
第四の手順:図2Aに示すように、ECセンサ102の値を取得した後、ECセンサ102近傍に基準培養液106を注入する。
第五の手順:図3A、図3B及び図3Cに示すように、ECセンサ102の値が上昇又は下降して、再び元の値に戻ったことを確認して、極値を示した時点におけるEC値を取得する。
なお、第一の手順から第五の手順に至るまで、EC値の測定は例えば10分間隔で継続的に実行する。
そこで、発明者らは土壌から硝酸イオンを除去することで、土壌中の陰イオンのうち、硝酸イオンを除いた、塩素イオンと硫酸イオンの濃度を把握することを考えた。硝酸イオンを土壌から除去するには、硝酸イオンを硝酸イオンでない物質に変換すればよい。そのためには、土壌中の細菌に硝酸イオンに含まれる硝酸態窒素を消費させ、細菌が硝酸態窒素を取り込むことにより有機態窒素に変換させることが効果的である。
そこで先ず、第一の手順では、図2Aに示すように、ECセンサ102近傍にグルコース201等の炭水化物水溶液を、例えば50cc程度、注入する。これが図3Aの時点T301である。すると、土壌中の細菌が炭水化物を硝酸イオンに含まれる硝酸態窒素と共に消費し、硝酸イオン濃度が減少する。やがて、ECセンサ102近傍の土壌では、硝酸イオン濃度が殆ど0となり、EC値はある値まで下がり切る。これが図3Aの時点T302である。この状態は土壌中に注射器105で注入した炭水化物水溶液に含まれる炭水化物が細菌によって殆ど完全に消費されるまで続く。これが図3Aの時点T303である。
このように、時点T302から時点T303の間は、EC値の変動が殆どない状態が一定期間続く。そこで、第二の手順として、この時点におけるEC値を測定し、保持しておく。これ以降、この時点T304におけるEC値を「ECbase」と呼ぶ。ECbaseとは、硝酸イオンが殆ど無い土壌中のEC値であり、土壌中の塩素イオンと硫酸イオンの濃度にほぼ等しい。
そこで、第三の手順として、時点T305にてEC値が再度上昇した後、平衡状態に至った時点T306において、EC値を取得する。この時のEC値であるECtは、以下の式1で表される。
ECt=ECN+ECbase (式1)
但し、ECN:土壌中の硝酸イオンのEC値
(ECN+ECbase)−ECref≦ECbase (式2)
式2は、基準培養液106を注入する前後におけるEC値の変化が、ECbaseを超えているか否かを判定することを意味する。
図3Aは、塩類集積がない、正常な土壌におけるEC値の変化を示す概略的なグラフである。図3Aに係る土壌は、第一の塩類集積判定方法における図1Bに相当する。すなわち、基準培養液106をECセンサ102近傍に注入する前後で、EC値は上昇している。すなわち、上記式2の左辺が負の値になる。したがって、上記式2の条件を満たすので、塩類集積はないと判定できる。
図3Bは、塩類集積がない、正常な土壌におけるEC値の変化を示す概略的なグラフである。図3Bに係る土壌は、図3Aの土壌と比べると、ECbaseが多くなっている。このため、基準培養液106をECセンサ102近傍に注入する前後(時点T306からT307)で、EC値は下降している。そこで、式2を検証する。すると、時点T306におけるEC値ECtから時点T307のEC値であるECrefを差し引いた値は、ECbaseよりも小さいことが判る。したがって、上記式2の条件を満たすので、塩類集積はないと判定できる。
ECN−ECref≦0 (式3)
よって、
ECN≦ECref (式4)
と書き直すことができる。
すなわち、塩類集積が生じているか否かを判定する根拠は、土壌中の硝酸イオンの濃度が基準培養液106の硝酸イオンの濃度以下であることである。この算定にECNの正確な値を得ることが困難なので、ECbaseを測定するのである。
なお、図3A、図3B及び図3C中、時点T307ではECrefは硝酸イオンのみならず塩素イオン及び硫酸イオンも僅かながら含まれている。これらは、基準培養液106によって薄められたと考えられる。
以上のように、グルコース201等の炭水化物水溶液をECセンサ102近傍に注入し、硝酸イオンを減らしてから基準培養液106を注入することで、より正確な塩類の集積の判定を実現できる。
現在、市場で流通するECセンサは高価である。殆どが個人事業者である農家にとって、ECセンサを多数買い揃えることは経済的負担が大きい。
また、ECセンサは土壌に設置した状態、土壌やECセンサに印加される力、土壌中の水分量等で、容易に測定値が変動してしまうために、測定した値の絶対値が信用できない。このため、土耕栽培の制御にECセンサを用いる場合、ECセンサはその値の増減、すなわち相対的な変化を見て、施肥量を算出する際の参考にするものである。
発明者らは、測定するEC値の変動要因である土壌から、ECセンサのセンサモジュールを隔離することで、極めて簡易なECセンサを着想するに至った。
ECセンサ401は、周知のポーラスカップ402に電極403と水を封入した構造である。全長10cm程度のポーラスカップ402には同軸ケーブル405の芯線406が下方向に伸び、芯線406の先端には腐食しにくい金やステンレス等の金属製よりなる電極403が設けられている。ポーラスカップ402の上面の開口部分には塩化ビニール等の絶縁体よりなるパイプ407が接続され、更にパイプ407の上には腐食しにくい金やステンレス等の金属製よりなるキャップ408が装着されている。キャップ408の中心には穴が開けられており、穴には同軸ケーブル405がゴムパッキンと共に挿入されている。同軸ケーブル405の被覆線、すなわちケーブルグランド(接地電極)はキャップ408に接触しているので、キャップ408がケーブルグランドに接続されている。すなわち、接地電極は水をポーラスカップ402から封止するキャップ408に設けられているといえる。
EC値を測定する際、電極403とケーブルグランドとの間に存在する、ポーラスカップ402に満たされる水に電流が流れる。
ポーラスカップ402は素焼きの器であるので、土壌に埋設されたECセンサ401は、ポーラスカップ402に形成されている無数の微細な穴を通じて、土壌中の陰イオンがポーラスカップ402内の純水に染み込む。そして時間の経過と共に、ポーラスカップ402内の水の陰イオン濃度と、土壌中の陰イオン濃度は平衡状態になる。土壌が乾燥していない限り、ポーラスカップ402内の水が乾燥することはない。
一方で、このECセンサ401は、土壌中のEC値の変化を直ちに測定できない。しかし、そもそも土壌の陰イオン濃度は緩慢に変化するものであり、土壌の陰イオン濃度の変化に対し、ECセンサ401内部の水の陰イオン濃度はほぼ同様な速度で追従できる。したがって、上記の短所は実際に運用する際には、全く問題にならない。
更に、通常、ポーラスカップ402は負圧をかけて土壌中の水分を吸収するために作られたものであり、従来の用途であればポーラスカップ402は使い捨てとして扱われるが、本実施形態のECセンサ401はポーラスカップ402に負圧をかけない。したがって、ポーラスカップ402の微細な穴に目詰りを起こすことはないので、ポーラスカップ402の寿命は極めて長い。現在市場に流通するポーラスカップ402自体は使い捨て用途として作られているため、極めて安価である。すなわち、本実施形態のECセンサ401は、極めて安価に実現できる。
液体等の電気伝導率を測定する際、センサを構成する電極の表面における分極の発生を防ぐため、センサには交流を流すことが必要である。ECセンサ401によるEC値の測定も例外ではなく、交流の微弱な電流をECセンサ401に流して、その電流を検出する等で実現する。
図4B中、抵抗R412、R413、可変抵抗VR414、そしてECセンサ401は周知のホイートストンブリッジを構成する。ECセンサ401は周知のホイートストンブリッジの一辺の抵抗に相当する。可変抵抗VR414の一端とECセンサ401のケーブルグランドは接地ノードに接続される。
可変抵抗VR414はデジタルポテンショメータであり、制御値を与えて抵抗値を設定できる。
点線枠内の矩形波電圧源415、コンパレータ417、EXORゲート418、LPF419及び制御部420は安価なワンチップマイコンで実現可能である。ワンチップマイコンにはコンパレータを内蔵するものがあるので、そのコンパレータをそのまま利用できる。すなわち、抵抗2個、コンデンサ1個、デジタルポテンショメータとワンチップマイコンで、EC値簡易測定装置411が実現できる。
ECセンサ401の基準値は、基準培養液106をECセンサ401近傍に注入することで、ECセンサ401の較正ができる。
土壌に塩類集積が生じていないことが明らかである場合は、塩類集積の判定を行わずとも、ECセンサ401の運用は時間経過に対する相対的な変化のみを見るので、基準培養液106を用いたECセンサ401の較正作業は必ずしも必須ではない。
上述の第二の塩類集積判定方法は、気候条件にもよるが、一週間から一ヶ月程度の、長期間に及ぶ継続的なEC値の測定を必要とする。塩類集積の判定だけにECセンサ102とデータロガー103を用意することは非効率であるが、養液土耕システムのオプション機能として提供されるなら、システム全体の費用対効果は高い。
そこで、これより発明者らが開発している養液土耕システムを説明し、その後、この養液土耕システムにおいて第二の塩類集積判定方法をどのように実施するのかについて、説明する。
養液土耕システム501は、温室502やビニルハウス503等の、天候の変動を緩和する作物栽培施設、すなわちハウスに導入される。
第一の農業従事者504は、温室502に養液土耕システム501を導入している。温室502にはコントローラ505が設置されている。また、第二の農業従事者506は、ビニルハウス503に養液土耕システム501を導入している。ビニルハウス503にもコントローラ505が設置されている。
このように、コントローラ505は多様な農家の設備に対し、柔軟に対応できるように設計されている。
また、第一の農業従事者504は必要に応じて、養液土耕システム501に指示を与えるためのタブレット端末507を操作する。同様に、第二の農業従事者506は必要に応じて、養液土耕システム501に指示を与えるためのスマートフォン508を操作する。
コントローラ505は農家の設備に設置されている様々なセンサの情報を養液土耕制御サーバ510に送信し、養液土耕制御サーバ510から培養液を供給するための制御情報を受信して、適切な量の培養液を作物に供給する。
タブレット端末507やスマートフォン508の端末は、農業従事者の操作を受けて、栽培する作物の種類、作物の栽培の開始と終了、施肥量の微調整等の情報を養液土耕制御サーバ510に送信する。
すなわち、インターネット509に接続される機器の観点で見ると、養液土耕システム501は、コントローラ505と、端末と、養液土耕制御サーバ510よりなる。
農家に設置されたコントローラ505は、インターネット509に接続される養液土耕制御サーバ510から受信した制御情報に基づいて、培養液を作成してハウスに供給する設備を制御する。
第一液肥タンク601aには第一液肥混入器602aが接続されている。第二液肥タンク601bには第二液肥混入器602bが接続されている。
これ以降、第一液肥タンク601aと第二液肥タンク601bを特に区別しない場合は、液肥タンク601と称する。同様に、第一液肥混入器602aと第二液肥混入器602bを特に区別しない場合は、液肥混入器602と称する。
液肥混入器602とは、水道水等の加圧された水(以下「加圧水」と称する)の水圧を利用して、水に対し、液肥タンク601の液肥を設定した割合にて混入させる器具である。なお、加圧水が供給される水源側には流量センサ603が設置されている。
図6を見て判るように、第一液肥混入器602aと第二液肥混入器602bは直列に接続されており、第二液肥混入器602bからは第一液肥タンク601aの液肥と第二液肥タンク601bの液肥とが混合した培養原液が吐出される。
コントローラ505は、水供給弁604と培養原液供給弁605を制御することで、適切な濃度の培養液を適切な量だけ、作物に供給する。
水供給弁604と培養原液供給弁605の吐出側は一つのパイプに接続され、一つ以上の吐出弁に供給される。
以上、液肥タンク601、液肥混入器602、水供給弁604及び培養原液供給弁605は、吐出弁に供給する培養液を生成する培養液生成部606を構成する。
例えば、第一の培養原液供給弁と第二の培養原液供給弁を並列に設けることで、作物によって培養原液を選択することが可能になる。
また例えば、水供給弁604をなくし、同一種類の高濃度液肥を供給する第一の培養原液供給弁と第二の培養原液供給弁を並列に設け、第二の培養原液供給弁は最低限の濃度の培養原液を供給する。このように、水供給弁604がなくても培養液生成部606は構成可能である。
図6では一例として、一つのハウス607に属する第一区画608に第一吐出弁609aが、第二区画610に第二吐出弁609bが設けられている。これ以降、第一吐出弁609aと第二吐出弁609bを区別しない場合には吐出弁609と称する。また、これ以降、ハウス内に設けられ、作物を植栽する第一区画608及び第二区画610を区別しない場合には単に「区画」と略す。
灌水チューブ611には、培養液を射出する複数の穴が等間隔に設けられている。灌水チューブ611の先端は図示しないエンドキャップによって閉じられている。
灌水チューブ611が長くなれば、穴の数も増えるので、単位時間当りの培養液供給量が増加する。つまり、灌水チューブ611の培養液供給量は、単位長さ当たりの培養液供給能力に、敷設される灌水チューブ611の長さを乗じた数になる。
灌水チューブ611には、吐出弁609を通じて培養液が供給される。培養液は、灌水チューブ611に設けられている複数の穴801から、灌水チューブ611が敷設されているハウス607内の地面に散布される。
灌水チューブ611の近傍には土壌センサ612が差し込まれる。なお、土壌センサ612は吐出弁609毎に設けられる場合もあるが、図6では複数の区画で土壌センサ612を共用している。
土壌センサ612は、土壌水分量、土壌EC及び地温を、アナログ電圧信号にて出力する。
ハウス607の近傍には、日射センサ616が設けられる。日射センサ616は日射の強度をアナログ電圧信号にて出力する。
図7にて詳述するが、コントローラ505は周知のマイコンよりなる。コントローラ505には更に測位情報出力部としての機能を有するGPS端末617から測位情報が入力される。そして、コントローラ505は無線通信部618を通じてインターネット509に接続し、養液土耕制御サーバ510と情報の送受信を行う。
これ以降、本実施形態では、養液土耕制御サーバ510は1時間毎にコントローラ505に制御データを送信するものとする。
図7は、コントローラ505のハードウェアの構成を示すブロック図である。なお、養液土耕制御サーバ510と送受信する情報の概略を説明するため、インターネット509に接続される養液土耕制御サーバ510も図示している。
マイコンよりなるコントローラ505は、CPU701、ROM702、RAM703、日時情報を出力するリアルタイムクロック(以下「RTC」と略、図7中も「RTC」と略)704、NIC(Network Information Card)705、第一シリアルインターフェース706(図7中では「第一I/F」と略)が、バス707に接続されている。
更に、バス707に接続されているA/D変換器708(図7中では「A/D」と略)には、マルチプレクサ709(図7中では「MPX」と略)が接続されている。マルチプレクサ709には、日射センサ616、流量センサ603、土壌センサ612、そして気温センサ615が接続される。
更に、バス707に接続されている第二シリアルインターフェース710(図7中では「第二I/F」と略)には、水供給弁604、培養原液供給弁605、第一吐出弁609a、第二吐出弁609b、換気扇613及びボイラー614が接続される。
コントローラ505は、NIC705に接続されている無線通信部618を通じて、インターネット509に接続される。そして養液土耕制御サーバ510に、GPS端末617が出力した測位情報、土壌センサ612を区別する土壌センサ番号、日射センサ616が出力した日射量、土壌センサ612が出力した土壌水分量、土壌EC及び地温、流量センサ603が出力した培養液流量、そして気温センサ615が出力したハウス内気温を送信する。更に養液土耕制御サーバ510から、第一吐出弁609a及び第二吐出弁609bを区別する吐出弁番号、水供給弁開放時間、培養原液供給弁開放時間及び空調制御指令を受信する。
図8は、コントローラ505のソフトウェアの機能を示すブロック図である。
日射センサ616、土壌センサ612、流量センサ603、気温センサ615、そしてGPS端末617が出力する情報は、送信情報作成部801によって例えば周知のXML(Extensible Markup Language)仕様のテキストストリームデータに変換される。そして、XMLテキストストリームデータは、webクライアント802によって、HTTPS(Hyper Text Transfer Protocol Secure)等のプロトコルにて養液土耕制御サーバ510に送信される。
webクライアント802は、養液土耕制御サーバ510から受信したテキストストリームデータを、制御信号作成部803に引き渡す。
制御信号作成部803は、テキストストリームデータから、第一吐出弁609a及び第二吐出弁609bを区別する吐出弁番号、水供給弁開放時間及び培養原液供給弁開放時間を取り出して、水供給弁604、培養原液供給弁605、第一吐出弁609a、第二吐出弁609b、換気扇613及びボイラー614を制御する。
制御部804は、RTC704から日時情報を受け取り、所定の時間に至ったことを認識したら、webクライアント802を通じて養液土耕制御サーバ510に認証情報805を送信して、認証を行う。認証が正常に行われたら、制御部804は送信情報作成部801を起動する。そして、webクライアント802が養液土耕制御サーバ510から受信したテキストストリームデータに制御情報が含まれていれば、制御信号作成部803を起動する。
認証情報805は、ROM702に記憶されている、コントローラ505の機器IDとパスワードである。機器IDとは、コントローラ505を一意に識別する情報である。
すなわち、コントローラ505は、低価格で比較的演算能力の低いマイコンで実現可能である。水供給弁604、培養原液供給弁605、第一吐出弁609a及び第二吐出弁609bを制御するためのデータを作成するための、複雑かつ高度な演算処理は、養液土耕制御サーバ510が担当する。クライアントのハードウェア構成を簡素にすることで、本実施形態の養液土耕システム501は、個人事業者でも比較的容易に導入が可能である。
図9は、養液土耕制御サーバ510のハードウェアの構成を示すブロック図である。
周知のコンピュータよりなる養液土耕制御サーバ510は、CPU901、ROM902、RAM903、RTC904、インターネット509に接続されているNIC905、不揮発性ストレージ906が、バス907に接続されている。不揮発性ストレージ906には、周知のネットワークOSと、コンピュータを養液土耕制御サーバ510として機能させるためのプログラムと、後述する種々のデータベースが格納されている。
なお、一般的なパソコンも養液土耕制御サーバ510として利用可能である。その場合、表示部908と操作部909がバス907に接続されている。但し、表示部908と操作部909は必ずしも養液土耕制御サーバ510に必要ではない。
図10は、養液土耕制御サーバ510のソフトウェアの機能を示すブロック図である。
養液土耕制御サーバ510は、HTTPSのwebサーバである。
webサーバプログラム1001は、クライアントであるコントローラ505とHTTPSにて通信を行い、通信の内容に応じて、認証処理部1002、受信データ処理部1003、GUI処理部1004を実行する。またwebサーバプログラム1001は、制御部1005によって実行される制御データ作成部1006が出力する情報を、コントローラ505へ送信する。なお、通常、HTTPSはTCPポート443番を利用するが、ポート番号はセキュリティを考慮して自由に変更可能である。
認証処理部1002、受信データ処理部1003、制御データ作成部1006及びGUI処理部1004は、例えばCGI(Common Gateway Interface)やアプレットと呼ばれるプログラムである。
受信データ処理部1003は、コントローラ505から受信したデータをログデータベース1008に記録する。
制御データ作成部1006は制御部1005によって起動され、ログデータベース1008、機器データベース1009、日射量データベース1010及びトレンド情報テーブル1011からデータを読み込み、クライアントであるコントローラ505に送信するデータを作成して、webサーバプログラム1001を通じてコントローラ505に送信する。
GUI処理部1004は、クライアントである端末に、後述する基準土壌水分量及び基準土壌ECを操作するためのGUI操作画面を形成して、端末操作者の指示に従い、基準土壌水分量及び基準土壌ECを変更する。その際、閾値範囲マスタ1012を参照する。
制御部1005は、現在、養液土耕制御サーバ510にアクセスしているコントローラ505に、水供給弁604、培養原液供給弁605及び吐出弁609を制御するための制御データを送信する必要があるか否かを、RTC904から得られる現在時刻等から判定する。そして、コントローラ505に制御データを送信する必要があると判定した場合には、制御データ作成部1006を起動する。
また、制御部1005はクライアントと同様の、スケジューラとしての機能も有し、深夜にトレンド情報算出部1013を起動する。トレンド情報算出部1013は、後述するログデータベース1008の第一ログテーブル1201から、土壌水分量及び土壌ECを読み出して、土壌センサ612毎に土壌水分量及び土壌ECのトレンド情報を算出し、これをトレンド情報テーブル1011に記録する。
制御データ作成部1006は、二段階の演算処理を行う。
制御データ作成部1006は最初に、制御部1005から現在、養液土耕制御サーバ510にアクセスしているコントローラ505の機器IDを受け取ると、基本培養液量算出部1101を起動する。
基本培養液量算出部1101は、ログデータベース1008を機器IDと吐出弁番号で特定して、測位情報と日射量と作物種別を得る。そして日射量データベース1010を参照して、基本培養液量を算出する。
次に、培養液量微調整部1102は、ログデータベース1008を機器IDと吐出弁番号で特定して、吐出弁609に紐付く土壌センサ612の土壌水分量と土壌ECを得る。そして機器データベース1009を機器IDと吐出弁番号で特定して、基準土壌水分量と基準土壌ECを得る。更にトレンド情報テーブル1011を機器IDと吐出弁番号で特定して、土壌水分量傾きと土壌EC傾きを得る。そして、これらのデータを基に計算を行い、水供給弁開放時間と、培養原液供給弁開放時間を算出する。
図12は、ログデータベース1008、日射量データベース1010、トレンド情報テーブル1011、閾値範囲マスタ1012及びユーザマスタ1007の構成を示す図である。
図13は、機器データベース1009の構成を示す図である。
ログデータベース1008は、第一ログテーブル1201と第二ログテーブル1202と第三ログテーブル1203を有する。
日射量データベース1010は、日射量培養液量テーブル1204と測位情報テーブル1205を有する。
機器データベース1009は、機器マスタ1301、土壌センサテーブル1302、吐出弁テーブル1303、灌水チューブテーブル1304、灌水チューブマスタ1305、空調設備テーブル1306、ハウステーブル1307、環境センサテーブル1308を有する。
センサ情報テーブルともいえる第一ログテーブル1201は、コントローラ505から受信した情報を格納するテーブルであり、機器IDフィールド、土壌センサ番号フィールド、日時フィールド、測位情報フィールド、日射量フィールド、土壌水分量フィールド、土壌ECフィールド、地温フィールド及び他のセンサ情報フィールドを有する。
機器IDフィールドには、機器IDが格納される。
土壌センサ番号フィールドには、ある機器IDのコントローラ505に接続される土壌センサ612を一意に識別するための土壌センサ番号が格納される。本実施形態のコントローラ505は、最大6個の土壌センサ612が接続可能である。
日時フィールドには、コントローラ505からデータを受信した日時が格納される。
測位情報フィールドには、コントローラ505から受信した、GPS端末617の測位情報が格納される。
日射量フィールドには、コントローラ505から受信した、日射センサ616の日射量データが格納される。
土壌水分量フィールドには、コントローラ505から受信した、土壌センサ612の土壌水分量データが格納される。
土壌ECフィールドには、コントローラ505から受信した、土壌センサ612の土壌ECデータが格納される。
地温フィールドには、コントローラ505から受信した、土壌センサ612の地温データが格納される。
他のセンサ情報フィールドには、コントローラ505から受信した、ハウスの気温センサ615等、他のセンサのセンサIDと測定値の情報が格納される。
機器IDフィールドは、第一ログテーブル1201の同名フィールドと同じである。
吐出弁番号フィールドには、ある機器IDのコントローラ505に接続される吐出弁609を一意に識別するための吐出弁番号が格納される。
水供給弁開放時間フィールドには、水供給弁を開放した時間が格納される。
培養原液供給弁開放時間フィールドには、培養原液供給弁を開放した時間が格納される。
培養液流量フィールドには、コントローラ505から受信した、流量センサ603の培養液流量データが格納される。すなわち、流量センサ603の情報は、培養液供給制御を実行した結果として得られる情報である。
端末IDフィールドには、農業従事者が操作する端末の端末IDが格納される。
機器IDフィールドは、第一ログテーブル1201の同名フィールドと同じである。
吐出弁番号フィールドは、第二ログテーブル1202の同名フィールドと同じである。
土壌センサ番号フィールドは、第一ログテーブル1201の同名フィールドと同じである。
日時フィールドは、第一ログテーブル1201の同名フィールドと同じである。
ステータス情報フィールドには、端末から受信したステータス情報が格納される。
作物種別フィールドには、端末から受信した作物種別が格納される。
この第三ログテーブル1203は、機器IDと吐出弁番号で特定される吐出弁609に紐付く、作物を栽培する区画がどのような状態にあるのかを指し示す情報が格納される。すなわち、当該区画は作物を栽培しているか否か、またその作物は何か、である。更に、後述する塩類集積判定機能にもこの第三ログテーブル1203に記録されるステータス情報が必要である。
測位情報範囲フィールドには、等しい培養液量の算定根拠となる地図上の範囲を示す情報が格納される。
測位IDフィールドには、測位情報範囲フィールドを一意に特定する測位IDが格納される。
測位IDフィールドは、測位情報テーブル1205の同名フィールドと同じである。
作物種別フィールドは、第三ログテーブル1203の同名フィールドと同じである。
日付フィールドには、日射量を測定した日の日付が格納される。
時刻フィールドには、日射量を測定した日の時刻が格納される。
可能日射量フィールドには、日付フィールドと時刻フィールドにて特定される日時の、可能日射量が格納される。可能日射量とは「ポテンシャル日射量」とも呼ばれる、ある場所の緯度・経度と日時において計算上あり得る筈の、最大の日射量(晴天時の日射量)である。
基準培養液量フィールドには、日付フィールドと時刻フィールドにて特定される日時の、可能日射量における培養液の量が格納される。
先ず、コントローラ505に接続されているGPS端末617から得られる測位情報を、測位情報テーブル1205と突き合わせて、測位IDを特定する。すなわち、最寄りの日射量観測地点を特定する。
次に、特定した測位IDと、第三ログテーブル1203から取得した作物種別と、RTC904から得られる日時情報によって、日射量培養液量テーブル1204のレコードを特定する。
続いて、第一ログテーブル1201に記録されている日射量の情報と、日射量培養液量テーブル1204の特定したレコードに記録されている可能日射量とを比較して、日射量の比率を算出し、その比率と基準培養液量を乗算する。すなわち、現在の日射量が可能日射量に対してどの程度の割合であるのかを算出し、その割合で基準培養液量を調整する。例えば、可能日射量の50%の日射量であれば、基準培養液量に50%を乗算する。
ユーザIDフィールドには、農業従事者を一意に識別するための識別情報であるユーザIDが格納される。
ユーザ氏名フィールドには、農業従事者の氏名が格納される。
パスワードハッシュ値フィールドには、ユーザIDフィールドに格納されるユーザIDで特定される農業従事者を認証するための、パスワードのハッシュ値が格納される。
連絡先フィールドには、農業従事者の連絡先を示す情報が格納される。
機器IDフィールドには、農業従事者が使用するコントローラ505の機器IDが格納される。
機器IDフィールドは、第一ログテーブル1201の同名フィールドと同じである。
吐出弁番号フィールドは、第二ログテーブル1202の同名フィールドと同じである。
土壌水分量傾きフィールドには、第一ログテーブルに記録されている、吐出弁番号の吐出弁609に紐付く土壌センサから測定した土壌水分量の傾きが格納される。
土壌EC値傾きフィールドには、第一ログテーブルに記録されている、吐出弁番号の吐出弁609に紐付く土壌センサから測定した土壌EC値の傾きが格納される。
これら土壌水分量の傾きと土壌EC値の傾きは、前述の培養液量微調整部における培養液量の微調整処理に必要な情報である。
作物種別フィールドは、第三ログテーブル1203の同名フィールドと同じである。
日付フィールドは、日射量培養液量テーブルの同名フィールドと同じである。
土壌水分量下限値フィールドには、目標となる土壌水分量の下限値が格納される。
土壌水分量上限値フィールドには、目標となる土壌水分量の上限値が格納される。
土壌EC下限値フィールドには、目標となる土壌EC値の下限値が格納される。
土壌EC上限値フィールドには、目標となる土壌EC値の上限値が格納される。
機器マスタ1301はコントローラ505のテーブルであり、機器IDフィールド、機器オーナーフィールド、パスワードハッシュ値フィールド及び連絡先フィールドを有する。
機器IDフィールドは、第一ログテーブル1201の同名フィールドと同じである。
機器オーナーフィールドには、コントローラ505の所有者の氏名あるいは法人名が格納される。
パスワードハッシュ値フィールドには、コントローラ505の機器IDを認証するためのパスワードのハッシュ値が格納される。
連絡先フィールドには、コントローラ505の所有者の連絡先を示す情報が格納される。
機器IDフィールドは、第一ログテーブル1201の同名フィールドと同じである。
土壌センサ番号フィールドは、第一ログテーブル1201の同名フィールドと同じである。
吐出弁番号フィールドには、土壌センサ番号フィールドに格納される土壌センサ612に属する吐出弁609の吐出弁番号が一つ以上格納される。
作物種別フィールドには、吐出弁番号フィールドに記されている吐出弁609において栽培される作物の種別を示す情報が格納される。
基準土壌水分量フィールドには、吐出弁番号フィールドに記されている吐出弁609において栽培される作物における、基準土壌水分量が格納される。
基準土壌ECフィールドには、吐出弁番号フィールドに記されている吐出弁609において栽培される作物における、基準ECが格納される。
ハウス番号フィールドには、土壌センサ612が敷設されるハウスのハウス番号が格納される。
機器IDフィールドは、第一ログテーブル1201の同名フィールドと同じである。
吐出弁番号フィールドは、第二ログテーブル1202の同名フィールドと同じである。
土壌センサ番号フィールドには、吐出弁番号フィールドに格納される吐出弁609に属する土壌センサ612の土壌センサ番号が一つ以上格納される。
識別コードフィールドには、ある機器IDのある吐出弁番号の吐出弁609を一意に識別するための識別コードが格納される。これは機器IDと吐出弁番号の組み合わせでもよい。この識別コードは、後述する灌水チューブテーブル1304にて利用される。
培養液供給能力フィールドには、吐出弁番号フィールドに格納される吐出弁609の、単位時間当りの培養液の供給量が格納される。これは、本実施形態の養液土耕システムを農家に導入する際に、設備の状態を計測する目的で、水を吐出弁609に供給して、吐出弁609の単位時間当りの液体供給量を計測することで、このフィールドに値を記録する。
ハウス番号フィールドは、土壌センサテーブル1302の同名フィールドと同じである。
識別コードフィールドは、吐出弁テーブル1303の同名フィールドと同じである。
灌水チューブ番号フィールドには、識別コードにて特定される吐出弁609に接続される灌水チューブ611を一意に識別するための番号が一つ以上格納される。
灌水チューブ種別コードフィールドには、灌水チューブ番号フィールドにて特定される灌水チューブ611の種別を示す情報が格納される。
灌水チューブ長さフィールドには、灌水チューブ番号フィールドにて特定される灌水チューブ611の長さを示す情報が格納される。
灌水チューブ種別コードフィールドは、灌水チューブテーブル1304の同名フィールドと同じである。
灌水チューブ名称フィールドには、灌水チューブ611の製造企業名及び商品名が格納される。
培養液散布能力フィールドには、灌水チューブ611種別コードにて特定される灌水チューブ611の、単位長さ及び単位時間当たりの培養液散布量が格納される。
ここで一旦、第一ログテーブル1201、第二ログテーブル1202、土壌センサテーブル1302、吐出弁テーブル1303、灌水チューブテーブル1304、空調設備テーブル1306、ハウステーブル1307及び環境センサテーブル1308の関係を説明する。
図14は、コントローラ505と、これに接続される各種センサ及び機器の関係を示す概略図である。
一つのコントローラ505には、一つの日射センサ616、一つの流量センサ603、一つのGPS端末617、一つの水供給弁604、一つの培養原液供給弁605が対応付けられている。これらは全て一対一の関係である。すなわち、一つの機器IDについて、日射量、培養液流量、測位情報、水供給弁開放時間、培養原液供給弁開放時間は一対一で対応付けられる。
第一ハウス1401には、第一土壌センサ612aと第一吐出弁609aが敷設されている。
第一吐出弁609aには、第一灌水チューブ611a、第二灌水チューブ611b及び第三灌水チューブ611cが敷設されている。
したがって、他の吐出弁609を閉じて第一吐出弁609aを開放すると、水供給弁604と培養原液供給弁605から供給される培養液が、第一灌水チューブ611a、第二灌水チューブ611b及び第三灌水チューブ611cによって、第一ハウス1401内の土壌に散布される。
第一ハウス1401内において、第一土壌センサ612aと第一吐出弁609aは一対一の関係である。この第一ハウス1401内では、一種類の作物を栽培できる。第一ハウス1401内には土壌センサ612が一つしかないので、二種類以上の作物を栽培することはできない。
第二吐出弁609bには、第四灌水チューブ611d及び第五灌水チューブ611eが敷設されている。
第三吐出弁609cには、第六灌水チューブ611f及び第七灌水チューブ611gが敷設されている。
したがって、他の吐出弁609を閉じて第二吐出弁609bを開放すると、水供給弁604と培養原液供給弁605から供給される培養液が、第四灌水チューブ611d及び第五灌水チューブ611eによって、第二ハウス1402内の土壌に散布される。
同様に、他の吐出弁609を閉じて第三吐出弁609cを開放すると、水供給弁604と培養原液供給弁605から供給される培養液が、第六灌水チューブ611f及び第七灌水チューブ611gによって、第二ハウス1402内の土壌に散布される。
第二ハウス1402内において、第二土壌センサ612bと第二吐出弁609b及び第三吐出弁609cは一対多の関係である。この第二ハウス1402内でも、二種類以上の作物を栽培することはできない。つまり、ハウスにて栽培する作物の種類は、吐出弁609と土壌センサ612によって制限される。
第四吐出弁609dには、第八灌水チューブ611h、第九灌水チューブ611i及び第十灌水チューブ611jが敷設されている。
したがって、他の吐出弁609を閉じて第四吐出弁609dを開放すると、水供給弁604と培養原液供給弁605から供給される培養液が、第八灌水チューブ611h、第九灌水チューブ611i及び第十灌水チューブ611jによって、第三ハウス1403内の土壌に散布される。
第三ハウス1403内において、第三土壌センサ612c及び第四土壌センサ612dと第四吐出弁609dは多対一の関係である。この第三ハウス1403内でも、二種類以上の作物を栽培することはできない。すなわち、第三土壌センサ612cと第四土壌センサ612dは、複数種類の作物の栽培のためではなく、同一の作物を栽培するに際し、測定値の精度の向上を目的として敷設されているのである。
土壌センサ612と吐出弁609の関係は、土壌センサテーブル1302に含まれる吐出弁番号フィールドと、吐出弁テーブル1303に含まれる土壌センサ番号フィールドによって、特定できる。すなわち、一つの吐出弁609に対応する一つ以上の土壌センサ612によって、栽培できる作物が特定される。そして、その土壌センサ612に対応する一つ以上の吐出弁609によって、供給すべき培養液の量と濃度が特定される。
前述のように、灌水チューブ611は一端がエンドキャップ802によって閉じたチューブであり、等間隔で培養液あるいは水を吐出する穴801が開けられている。
灌水チューブ611の種類によって、単位時間当りの培養液の供給量である培養液供給強度が変化する。そこで、本実施形態に係る養液土耕制御サーバ510では、様々なメーカーから発売されている灌水チューブ611の種類と、培養液供給強度を、灌水チューブマスタ1305に記録するようにした。そして、農家のハウスに敷設されている灌水チューブ611について、その種別と長さ、そしてその灌水チューブ611がどの吐出弁609に接続されているのか(対応付けられているのか)を、灌水チューブテーブル1304に記録した。
なお、農家の設備に敷設されている灌水チューブ611の品質が高い場合は、吐出弁609、水供給弁604及び培養液供給弁108の開放時間の算出に吐出弁609の単位時間当りの培養液供給能力を用いる代わりに、灌水チューブ611の培養液供給能力を用いてもよい。
水耕とは異なり、養液土耕の場合、培養液を土壌に供給しても直ちに水分量やECが変化しない。したがって、吐出弁609をデータベースに登録するだけでは、作物に対する培養液供給量を正しく算出できない。吐出弁609の培養液供給能力と、吐出弁609に対応して接続されている灌水チューブ611と、灌水チューブ611の種別と長さを全てデータベースに登録することで、初めて作物に対する培養液供給量を正しく算出することができる。
ハウステーブル1307はハウスのテーブルであり、機器IDフィールドと、ハウス番号フィールドを有する。
機器IDフィールドは、第一ログテーブル1201の同名フィールドと同じである。
ハウス番号フィールドには、機器IDのコントローラ505に属する(紐付けられる)ハウスのハウス番号が格納される。
機器IDフィールドは、第一ログテーブル1201の同名フィールドと同じである。
ハウス番号フィールドは、ハウステーブル1307の同名フィールドと同じである。
空調設備IDフィールドには、ハウスに設置されている空調設備を一意に識別する空調設備IDが格納される。
冷暖房種別フィールドには、空調設備IDで特定される空調設備が冷房なのか暖房なのかを示す種別情報が格納される。
機器IDフィールドは、第一ログテーブル1201の同名フィールドと同じである。
ハウス番号フィールドは、ハウステーブル1307の同名フィールドと同じである。
センサIDフィールドには、ハウスに設置されているセンサを一意に識別するセンサIDが格納される。
センサ種別フィールドには、センサIDで特定されるセンサが気温センサ、湿度センサあるいは日射量センサ等のどれなのかを示す種別情報が格納される。
図15は、コントローラ505の動作の流れを示すフローチャートである。
コントローラ505の制御部804が所定の時間に至ったことを識別して、処理を開始すると(S1501)、先ず制御部804は養液土耕制御サーバ510と所定の認証を行った後、送信情報作成部801を起動する。送信情報作成部801は、機器ID、土壌センサ番号、測位情報、日射量、土壌水分量、土壌EC、地温等のデータをXMLテキストストリームデータに変換する。制御部804は、webクライアント802を通じて、XMLテキストストリームデータを養液土耕制御サーバ510へ送信する(S1502)。
養液土耕制御サーバ510からレスポンスが来たら(S1503のYES)、次に、制御部804はそのレスポンスに吐出弁番号、水供給弁開放時間及び培養原液供給弁開放時間のデータが含まれているか否かを確認する(S1504)。もし含まれていなければ(S1504のNO)、そのまま一連の処理を終了する(S1505)。
制御信号作成部803は、養液土耕制御サーバ510から受信したレスポンスのテキストストリームデータから、吐出弁番号、水供給弁開放時間及び培養原液供給弁開放時間を取り出して、水供給弁604、培養原液供給弁605、吐出弁609を制御する(S1506)。そして、目的のハウスに対する培養液の供給が終了したら、制御部804はwebクライアント802を通じて、機器ID、吐出弁番号、培養液流量を養液土耕制御サーバ510へ送信して(S1507)、一連の処理を終了する(S1505)。
なお、図15に示した処理は、コントローラ505に接続されている全ての吐出弁609に対して、一つずつ実行される。図14の場合、第一吐出弁609a、第二吐出弁609b、第三吐出弁609c及び第四吐出弁609dについて、図15の処理がそれぞれ実行される。
図16は、養液土耕制御サーバ510の制御データ作成部1006による、あるコントローラ505のある吐出弁609に対する、培養液量及び濃度の演算処理の流れを示すフローチャートである。
処理を開始すると(S1601)、先ず、制御データ作成部1006は、制御部1005から受け取ったコントローラ505の機器IDを手がかりに、現在、養液土耕制御サーバ510にアクセスしているコントローラ505の、前回培養液量等を演算した時点から現時点までの積算日射量を、第一ログテーブル1201の日射量フィールドの値を読み出して、算出する(S1602)。
先ず、培養液量微調整部1102は、機器IDと吐出弁番号を手がかりにトレンド情報テーブル1011を参照して、吐出弁609が培養液を散布する土壌における、土壌水分量傾きを読み取る。次に、機器IDと吐出弁番号を手がかりに、第一ログテーブル1201を参照して、吐出弁609が培養液を散布する土壌における基準土壌水分量と、現時点の土壌水分量を読み取る。そして、基準土壌水分量と土壌水分量傾きと、現在の土壌水分量を基に、土壌水分量の補正値を算出する(S1606)。
図17Aは、直近2日分の土壌水分量の一例を示すグラフである。図17Aに示すように、土壌水分量は日射量等の天候や、作物の生育状況によって変動する。
図17Bは、直近2日分の土壌水分量の一例と、その積分値を示すグラフである。図17Bに示すように、土壌水分量の変化をスカラ値に変換するために、−2日から−1日までの土壌水分量の積分値と、−1日から今日までの土壌水分量の積分値を算出する。そして、その傾きを土壌水分量傾きとして、トレンド情報テーブル1011に記録する。
今、現在の土壌水分量(点P1801)が、基準土壌水分量に対して不足しているとする。基準土壌水分量から現在の土壌水分量を差し引いた差分を、Δ土壌水分量とする。
水耕栽培の場合、不足または過剰になる水分量をすぐに補正すれば、直ちに水分量が追従する。しかし、養液土耕の場合、いきなりΔ土壌水分量の分だけ水分量を増やしてしまうと、土壌に水分が行き渡らないうちに過剰に水分が供給され、土壌水分量が過多な状態に陥ってしまう。このため、土壌水分量の補正は、2日掛けて補正する、という考え方で、水分量の補正値を決定する。すなわち、明後日の、現在と同じ時刻に、現在の土壌水分量が目標とする基準土壌水分量に到達する(点P1802)ように、少しずつ水分の補給を行う。
図18Bは、図18Aの一部を拡大した図である。現在の土壌水分量から目標の土壌水分量を導き出す手順を説明する図である。
培養液を供給するタイミングを1時間に一回とすると、一日の培養液供給回数は、日出から日没を例えば朝6時から夕方18時とすると、13回である。2日分なので、Δ土壌水分量を26で割った値が、一回に補正すべき土壌水分量となる(点P1803)。
これらマイナス補正、プラス補正によって、一回に補正すべき土壌水分量も変動する(点P1806及びP1807)。
以上の説明から明らかなように、本実施形態の養液土耕システム501は、作物係数を一切使用していない。測位情報と作物種別と日射量に基づいて基本培養液量を算出した後、目標土壌水分量と目標土壌ECに追従するための補正を行うだけである。これらの演算は基本的に四則演算で殆ど実現できる。この、養液土耕制御サーバ510が実行する培養液供給制御は単純な制御なので、培養液の量や濃度が極端に不足する、あるいは過剰になる等の、暴走の可能性が極めて低い。作物の種類によっては、培養液が枯渇しない限り、全くハウスの監視をせずに作物を栽培し、収穫することも不可能ではない。
一般的に、作物には生育ステージというものが存在する。生育ステージ毎に、作物が要求する培養液の量と濃度は異なる。また、例えばトマトの場合、培養液の量を多くすると収量が増え、培養液の量を少なくすると収量が少なくなる代わりに、味覚や食感が向上する。
本実施形態の養液土耕システム501は基本的に全て自動で培養液の供給が行われるが、基準土壌水分量及び基準土壌ECを人の手によるマニュアル操作にて変更することで、農業従事者のノウハウを養液土耕システム501に反映させることができる。
図20A及び図20Bは、GUI処理部1004が出力する描画情報によって端末2003に表示される操作画面である。なお、これ以降、タブレット端末507とスマートフォン508を総称して端末2003と呼ぶ。
GUI処理部1004は、農業従事者が操作する端末2003に、図20A及び図20Bに示すような操作画面を表示する。その際、GUI処理部1004は制御部1005から機器IDと吐出弁番号を受け取り、吐出弁テーブル1303と土壌センサテーブル1302を参照して、ある吐出弁609に対する基準土壌水分量あるいは基準土壌ECを、描画情報に含めて出力する。
但し、設定される基準土壌水分量が、閾値範囲マスタ1012に記述されている土壌水分量下限値あるいは土壌水分量上限値(L2002)を超えると、アラーム機能として、図20Bに示すように横棒L2001の色を変更して、異常値であることを操作者に示す。
以上、図5から図20を参照して、養液土耕システムを説明した。養液土耕システムの養液土耕制御サーバ510には、土壌センサ612の測定値を記録する第一ログテーブルの他に、端末2003から受信した情報として吐出弁609におけるステータス情報を記録する第三ログテーブル1203が設けられている。
先に説明した第二の塩類集積判定方法は、塩類集積を判定しようとする土壌が作物の栽培中であるか否かに関わらず使用可能であるが、当該判定を行うにあたり作物の栽培中でないことが好ましい。作物を栽培していない状態であれば、その土壌の硝酸イオンが作物に摂取されず、より正しい判定が可能となる。
すなわち、作物を栽培していない状態で第二の塩類集積判定方法を先に説明した養液土耕システムで実施するには、これから塩類集積を判定しようとする対象となる土壌において、作物を栽培していないことを、養液土耕制御サーバ510が把握している必要がある。そのためには、作物を栽培していないことを示すステータス情報が格納される第三ログテーブル1203の存在が必須である。
また、グルコース201水溶液や基準培養液106を土壌センサ近傍に注入したことを養液土耕制御サーバ510に知らせるために、端末2003が必須である。
これより、養液土耕システムにおける付加機能である、塩類集積判定機能について説明する。塩類集積判定機能は、養液土耕制御サーバ510のGUI処理部1004に付加機能として実装される。
動作の流れは以下の通りである。
(1)先ず、養液土耕制御サーバ510は、端末2003から様々な情報を受信すると、第三ログテーブル1203にそれら情報を記録する。その際、当該端末2003に属するコントローラ505に紐付く吐出弁609について、栽培中の作物の有無をチェックする。そして、栽培が終了を迎える吐出弁番号の区画があれば、収穫が終わったか否かを問い合わせる画面を端末2003に表示する(図21A)。画面には操作ボタン2101が表示される。
(2)もし、当該吐出弁609に作物の栽培がない場合、その吐出弁609に紐付く土壌センサ612において、塩類集積の判定を行うか否かのメニュー画面を端末2003に提示する(図21B)。
(4)第一ログテーブルに記録されたEC値からECbaseの検出を行ったら、第三ログテーブル1203にステータス情報と共にECbaseを記録する。またこの時点から、端末2003から問い合わせを受けた場合には、EC値の推移をグラフ表示する際に、ECbaseを検出した旨のメッセージを端末2003の画面に表示する(図22E)。
(5)第一ログテーブルに記録されたEC値がECbaseから再度上昇したら、端末2003を通じて標準培養液の注入を農業従事者に指示する(図22F)。
(1)灌水チューブ611は、市場に流通する全ての灌水チューブ611が灌水チューブマスタ1305に登録されていることが理想である。しかし、新製品がすぐにハウスに導入されたか、あるいは農業従事者が独自に灌水チューブ611を自作した場合、灌水チューブマスタ1305には登録されていない灌水チューブ611が存在することとなる。このような例外的な状況に対応するために、灌水チューブテーブル1304に培養液供給強度フィールドを設ける。そして、灌水チューブ611が敷設されている現場にて、灌水チューブ611に水を流して、灌水チューブ611の培養液供給強度を直接測定して、灌水チューブテーブル1304の培養液供給強度フィールドに登録する。灌水チューブ種別コードには、灌水チューブマスタ1305に登録されていないことを示す情報を記入する。このように灌水チューブテーブル1304を構成することで、養液土耕制御サーバ510は未登録の灌水チューブ611にも対応でき、正しい水供給弁開放時間及び培養原液供給弁開放時間を算出することができる。
(3)本実施形態の養液土耕システム501に使用する日射センサ616は、さほど高い精度でなくてもよい。例えば小型の安価なフォトトランジスタを利用する他、太陽光パネルで代用できる等、様々なものが利用可能である。
例えば、第一の作物には第一の培養原液を適用し、第二の作物には第二の培養原液を適用する。第一の培養原液は第一の培養原液供給弁で供給し、第二の培養原液は第二の培養原液供給弁で供給する。複数設けられた培養原液供給弁は、コントローラ505を通じて、作物の種類に応じて排他的に制御してもよいし、作物によっては第一の培養原液と第二の培養原液を混合してもよい。このように養液土耕システム501を構成することで、農家は幅広い種類の作物を僅かな設備で対応可能になる。
そこで、吐出弁についても灌水チューブマスタ1305のように吐出弁の種類と最大許容流速等の情報を格納する吐出弁マスタを設けることで、農家に養液土耕システム501を導入する際の、設備敷設計画作成支援機能を養液土耕制御サーバ510に持たせることが可能になる。設備の設計図を端末2003から入力して、養液土耕制御サーバ510がチェックを行い、吐出弁609の最大許容流速を超える敷設計画には警告を端末2003に表示する等の機能が考えられる。
<1>
水と培養原液とが混合されてなる培養液を供給する培養液生成部から前記培養液の供給を受けて、作物が植栽される土壌に前記培養液の供給と遮断を制御するための吐出弁と、
前記吐出弁から前記培養液の供給を受けて、前記土壌に前記培養液を散布する第一灌水チューブと、
前記第一灌水チューブと共に前記吐出弁から前記培養液の供給を受けて、前記土壌に前記培養液を散布する第二灌水チューブと、
所定の制御情報に基づいて、前記培養液生成部による前記培養液の生成と前記吐出弁の開閉を制御するコントローラと、
前記第一灌水チューブの長さと、前記第二灌水チューブの長さと、前記吐出弁の単位時間当たりの培養液供給能力に基づいて、前記培養液生成部による前記吐出弁の開放時間を算出して、前記吐出弁の開放時間を含む前記制御情報を前記コントローラに提供する、制御データ作成部と
を具備する、養液土耕システム。
<2>
更に、
日照の強度を測定する日射センサと、
前記作物が植栽される場所の測位情報を出力する測位情報出力部と、
測位情報と作物の種別と日付と時間毎に、可能日射量と、前記可能日射量に対応する基準培養液量を記録する日射量培養液量テーブルと
を具備し、
前記制御データ作成部は、前記測位情報と現在日時によって前記日射量培養液量テーブルのレコードを特定して得られた前記基準培養液量と、前記日射センサの日照測定値を参酌して、前記培養液の供給量を算出する、
<1>に記載の養液土耕システム。
<3>
更に、
前記土壌の土壌EC値を測定する土壌ECセンサと、
前記土壌ECセンサの測定値を格納するセンサ情報テーブルと
を具備し、
前記制御データ作成部は、前記センサ情報テーブルから前記土壌ECセンサの測定値の変動傾向を参酌して、前記培養液の供給量を算出する、
<2>に記載の養液土耕システム。
<4>
更に、
前記吐出弁に紐付く前記土壌に作物が植栽されているか否かを示すステータス情報を格納する状態情報テーブルと
を具備し、
前記制御データ作成部は、前記土壌に作物が植栽されていないことを確認して、塩類集積判定のために前記土壌ECセンサの測定値を前記センサ情報テーブルに記録する、
<3>に記載の養液土耕システム。
<5>
水と培養原液とが混合されてなる培養液を供給する培養液生成部から前記培養液の供給を受けて、作物が植栽される第一の土壌領域に前記培養液の供給と遮断を制御するための第一吐出弁と、
前記第一吐出弁から前記培養液の供給を受けて、前記第一の土壌領域に前記培養液を散布する第一灌水チューブと、
前記培養液生成部から前記培養液の供給を受けて、作物が植栽される、前記第一の土壌領域とは異なる第二の土壌領域に前記培養液の供給と遮断を制御するための第二吐出弁と、
前記第二吐出弁から前記培養液の供給を受けて、前記第二の土壌領域に前記培養液を散布する第二灌水チューブと、
所定の制御情報に基づいて、前記培養液生成部による前記培養液の生成と前記第一吐出弁及び前記第二吐出弁を排他的に開閉制御するコントローラと、
前記第一吐出弁の単位時間当たりの培養液供給能力と、前記第一灌水チューブの長さに基づいて、前記培養液生成部による前記第一吐出弁の開放時間を算出すると共に、前記第二吐出弁の単位時間当たりの培養液供給能力と、前記第二灌水チューブの長さに基づいて、前記培養液生成部による前記第二吐出弁の開放時間を算出して、前記第一吐出弁を開放制御するための第一の制御情報と前記第二吐出弁を開放制御するための第二の制御情報を前記コントローラに提供する、制御データ作成部と
を具備する、養液土耕システム。
<6>
更に、
日照の強度を測定する日射センサと、
前記作物が植栽される場所の測位情報を出力する測位情報出力部と、
測位情報と作物の種別と日付と時間毎に、可能日射量と、前記可能日射量に対応する基準培養液量を記録する日射量培養液量テーブルと
を具備し、
前記制御データ作成部は、前記測位情報と現在日時によって前記日射量培養液量テーブルのレコードを特定して得られた前記基準培養液量と、前記日射センサの日照測定値を参酌して、前記培養液の供給量を算出する、
<5>に記載の養液土耕システム。
<7>
更に、
前記土壌の土壌EC値を測定する土壌ECセンサと
を具備し、
前記制御データ作成部は、前記土壌ECセンサの測定値の変動傾向を参酌して、前記培養液の供給量を算出する、
<6>に記載の養液土耕システム。
<8>
更に、
前記吐出弁に紐付く前記土壌に作物が植栽されているか否かを示すステータス情報を格納する状態情報テーブルと
を具備し、
前記制御データ作成部は、前記土壌に作物が植栽されていないことを確認して、塩類集積判定のために前記土壌ECセンサの測定値を前記センサ情報テーブルに記録する、
<7>に記載の養液土耕システム。
<9>
水と培養原液とが混合されてなる培養液を供給する培養液生成部から前記培養液の供給を受けて、作物が植栽される土壌に前記培養液の供給と遮断を制御するための吐出弁の情報を格納する吐出弁テーブルと、
前記吐出弁から前記培養液の供給を受けて、前記土壌に前記培養液を散布する灌水チューブについて、前記吐出弁テーブルに格納される前記吐出弁との関係を示す情報と、単位長さ辺りの培養液供給能力と、長さを格納する灌水チューブテーブルと、
前記灌水チューブテーブルから、前記吐出弁テーブルから特定した前記吐出弁に関連付けられる全ての前記灌水チューブの、前記培養液供給能力及び長さに基づいて、前記培養液生成部による前記培養液の供給量を算出して、前記培養液の供給量を含む制御情報を、前記培養液生成部及び前記吐出弁を制御するコントローラに提供する、制御データ作成部と
を具備する養液土耕制御サーバ。
<10>
更に、
前記コントローラに接続され、前記吐出弁に紐付く前記土壌の土壌EC値を測定する土壌ECセンサの測定値を格納するセンサ情報テーブルと、
前記吐出弁に紐付く前記土壌に作物が植栽されているか否かを示すステータス情報を格納する状態情報テーブルと
を具備し、
前記制御データ作成部は、前記土壌に作物が植栽されていないことを前記状態情報テーブルから確認して、塩類集積判定のために前記コントローラから受信した前記土壌ECセンサの測定値を前記センサ情報テーブルに記録する、
<9>に記載の養液土耕制御サーバ。
第二に、本実施形態の養液土耕システム501は、吐出弁609に接続される灌水チューブ611の種別と長さを養液土耕制御サーバ510に登録しておくことにより、灌水チューブ611の単位時間当りの培養液散布量を正確に把握できる。このことにより、正確な水供給弁604及び培養原液供給弁605と吐出弁609の制御量を算出できる。
第四に、本実施形態の養液土耕システム501は、基準土壌水分量及び基準土壌ECを農業従事者が任意に変更可能にすることで、農業従事者のノウハウを機械制御のシステムに無理なく導入できると共に、培養液の供給過剰あるいは供給不足を防止することができる。
例えば、上記した実施形態は本発明をわかりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細にかつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることは可能であり、更にはある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行するためのソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の揮発性あるいは不揮発性のストレージ、または、ICカード、光ディスク等の記録媒体に保持することができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
Claims (4)
- 土壌中に土壌ECセンサを埋設して土壌EC値を継続的に測定するEC値測定ステップと、
前記土壌ECセンサの近傍に予め硝酸態窒素濃度が判明している基準培養液を注入する基準培養液注入ステップと、
前記基準培養液注入ステップを実行してから土壌EC値が上昇したか下降したかを確認することで塩類集積を判定する塩類集積判定ステップと
を含む、塩類集積判定方法。 - 更に、
前記基準培養液注入ステップに先立ち、前記土壌ECセンサの近傍に炭水化物水溶液を注入する炭水化物水溶液注入ステップと、
前記炭水化物水溶液注入ステップを実行してから土壌EC値が下降しきった極値であるECbaseを保持するECbase保持ステップと
を含み、
前記基準培養液注入ステップは、前記ECbase保持ステップの時点から再び前記土壌の土壌EC値が上昇したことを確認してから、予め硝酸態窒素濃度が判明している基準培養液を注入するものであり、
前記塩類集積判定ステップは、前記基準培養液注入ステップを実行してから土壌EC値が上昇したか下降したかを確認して、前記ECbaseを考慮して塩類集積を判定する、
請求項1に記載の塩類集積判定方法。 - 水を保持するポーラスカップと、
前記ポーラスカップに前記水と共に保持される電極と、
前記電極と前記水との間に電流を流すための接地電極と
を具備する、土壌ECセンサ。 - 前記接地電極は、前記水を前記ポーラスカップから封止するキャップに設けられている、
請求項3に記載の土壌ECセンサ。
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