JP2019154398A - センシングシステム、センシング方法、および非一時的コンピューター可読媒体 - Google Patents

センシングシステム、センシング方法、および非一時的コンピューター可読媒体 Download PDF

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Abstract

【課題】農作物の果実の生育度合いをセンシング可能なセンシングシステム、センシング方法、および非一時的コンピューター可読媒体を提供する。【解決手段】センシングシステム１は、農作物１００の茎１０２に取り付けられ、農作物１００に振動を加えるための振動デバイス１０と、農作物１００の茎１０２に取り付けられ、振動デバイス１０から農作物１００に加えられた振動によって発生した農作物１００の振動をセンシングし、農作物１００の振動に関する振動情報を送信するための少なくとも１つのセンサー２０と、少なくとも１つのセンサー２０から受信した振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を農作物１００の振動の共振周波数として特定し、さらに、特定した共振周波数に基づいて、農作物１００の果実１０１の生育度合いを判断する演算デバイス３０とを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、農作物の果実の生育度合いをセンシングするためのセンシングシステム、センシング方法、および非一時的コンピューター可読媒体に関し、より具体的には、農作物に振動を加え、該振動によって発生した農作物の振動についての振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を農作物の振動の共振周波数として特定し、さらに、特定した共振周波数に基づいて、農作物の果実の生育度合いをセンシングするためのセンシングシステム、センシング方法、および非一時的コンピューター可読媒体に関する。
近年、国際的な自由貿易政策の推進による農業の国際的な競争の激化、農作物の価格低迷、生産資材価格の上昇等の要因により、農業の効率化および高付加価値化の必要性が増している。農業の効率化および高付加価値化のためには、農業事業者が農作物をどの時期に、どの程度収穫および出荷できるといったスケジュールを正確に予測することが非常に重要である。
このようなスケジュールは、農業従事者が事業計画を立てる際に必須な情報であり、この情報の精度が低いと曖昧な事業計画しか立てることができない。農業従事者の悩みのうちの特に大きなものの１つとしては、このような曖昧な事情計画しか立てることができないため、銀行等の金融機関に事業資金の融資を申し込んでも、金融機関の融資審査を通過することが困難であり、銀行等の金融機関から資金の融資を受けることが事実上不可能となっている点である。このような状況は、大規模投資を行い農業の効率化および高付加価値化を望む意欲ある農業従事者の妨げとなっている。このような農業従事者の融資ニーズに対し、日本では日本農業協同組合（ＪＡ）が対応を行っているが、日本農業協同組合だけではなく、より多くの金融機関から融資を受けたいという農業従事者のニーズが存在している。このような理由により、正確な事業計画の策定のため、農作物の生育度合いを正確にセンシングし、農作物の収穫および出荷についての精度の高いスケジュールを得たいという非常に大きなニーズが存在している。
また、近年、農業従事者が、スーパーや八百屋等の小売店やレストランや居酒屋等の飲食店と直接契約を結び、農作物を直接販売することが広く行われている。このような農業従事者と小売店や飲食店との間の直接契約を結ぶことにより、日本農業協同組合等の中間業者を介して小売店や飲食店に農作物を販売する場合と比較して、農作物の安心性や味をユーザーに対して保証することができることから、比較的高い値段で農作物を販売することができる。しかしながら、現状では、上述のように、農作物がどの時期に、どの程度収穫および出荷できるといったスケジュールを正確に予測することができないことから、農業従事者が小売店や飲食店と直接契約を行うときに、納期までに納められる農作物の数を少なめに申告することが多い。これは、天候不順等の要因により、納品できる農作物の数が契約した数に満たなかった場合に、契約違反となってしまうことを防止するためである。しかしながら、このように農作物の数を少なめに申告する場合、農作物が多く収穫できた場合に、契約した数を超えた分の農作物が廃棄品となってしまうという問題が発生する。このような問題を回避するためにも、農作物の生育度合いを正確にセンシングし、農作物の収穫および出荷についての精度の高いスケジュールを得たいという非常に大きなニーズが存在している。
さらに、中国やアメリカでは、農業従事者が、農業組合や小売店を通さず、最終消費者であるユーザーと直接契約を結び、高付加価値の農作物をユーザーに販売することが広く行われている。これは、中国では、食品の安全性を確認したいという切実なニーズに基づくものであり、アメリカでは、富裕層向けの高付加価値の農作物（例えば、有機野菜）に対するニーズに基づく販売方式である。このようなユーザーに直接農作物を販売する際には、ユーザーに対して、農作物の生育度合いに関する情報を、インターネット等を介してリアルタイムで提供するようにし、ユーザーの満足度を高めたいというニーズが存在している。ユーザーの満足度を高めることにより、より高い値段で農作物を販売することができる。このような理由によっても、農作物の生育度合いを正確にセンシングしたいという非常に大きなニーズが存在している。
また、一般的に、農業組合等の中間業者を介して、トマトやナス等の果菜類やイチゴ等の果実的野菜を小売店に販売する場合、果実を収穫してから、最終消費者であるユーザーが購入するまでの時間が比較的長い。そのため、農業従事者は、小売店に農作物が並ぶ際に最も農作物の果実が美味しそうに見えるように（例えば、トマトであれば、果実が最も赤くなるように）、農作物の果実が完熟する前の状態（例えば、トマトであれば、果実が青い状態）で収穫を行い、出荷する。一方、上述のようにユーザーに直接農作物を販売する場合には、農作物を収穫してから、最終消費者であるユーザーに届くまでの時間が短いため、農作物を成熟させるための時間を長く確保することができる。このような場合、どの果実が完熟したのか、どの果実がいつ頃完熟するのかという情報を把握することが重要である。このような情報を把握するためにも、農作物の生育度合いを正確にセンシングしたいという非常に大きなニーズが存在している。
農作物に関連するセンシングシステムとしては、例えば、特許文献１が開示しているような農作物の生育環境（ビニールハウス内の温度、湿度等）をセンシングするシステムが知られている。しかしながら、このようなセンシングシステムは、農作物の生育環境をセンシングおよび制御するためのものであって、農作物の生育度合いをセンシングするものではなく、上述のような非常に大きなニーズに合致するものではなかった。
トマトやナス等の果菜類やイチゴ等の果実的野菜に関し、農作物の果実の生育度合いを定量的に判断するためには、農作物の果実を手に取り、農作物の果実の重さ（質量）を測定することが一般的に考えられる。しかしながら、農作物の果実の重さを測定する際に、秤等の測定器を農作物の果実に接触させる必要があり、農作物の果実が傷ついてしまう恐れがある。また、農作物の果実の重さの測定は、果実に対する風や雨の吹き付け等の外乱による影響を受けやすく、正確に農作物の果実の生育度合いを判断できないことが多い。また、このような作業は、農業従事者が１つ１つ手作業で行うので、農業従事者にとって多大な負担となる。
特開２０１７−１３６０４１号公報
本発明は、上記従来の問題点を鑑みたものであり、その目的は、農作物に対して振動を加え、該振動により発生した農作物の振動についての振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を農作物の振動の共振周波数として特定し、さらに、特定した共振周波数に基づいて、農作物の果実の生育度合いをセンシング可能なセンシングシステム、センシング方法、および非一時的コンピューター可読媒体を提供することにある。
このような目的は、以下の（１）〜（９）の本発明により達成される。
（１）農作物の果実の生育度合いをセンシングするためのセンシングシステムであって、
前記農作物の茎に取り付けられ、前記農作物に振動を加えるための少なくとも１つの振動デバイスと、
前記農作物の前記茎に取り付けられ、前記振動デバイスから前記農作物に加えられた前記振動によって発生した前記農作物の振動をセンシングし、前記農作物の前記振動に関する振動情報を送信するための少なくとも１つのセンサーと、
前記少なくとも１つのセンサーから受信した前記振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を前記農作物の前記振動の共振周波数として特定し、さらに、特定した前記共振周波数に基づいて、前記農作物の前記果実の前記生育度合いを判断する演算デバイスと、を含むことを特徴とするセンシングシステム。
（２）前記農作物の前記果実の生育に関する前記判断は、前記農作物の前記果実の収穫時期についての判断を含む上記（１）に記載のセンシングシステム。
（３）前記演算デバイスは、特定した前記共振周波数が所定のしきい値以下となった場合に、前記農作物の前記果実が収穫すべき大きさにまで育ったと判断する上記（１）または（２）に記載のセンシングシステム。
（４）前記センシングシステムは、前記振動デバイス、前記センサー、および前記演算デバイスを用いて、所定の周期で前記農作物の前記振動の前記共振周波数を特定し、
前記演算デバイスは、前回の測定で得られた前記振動情報から特定された前記農作物の前記振動の前記共振周波数と、今回の測定で得られた前記振動情報から特定された前記農作物の前記振動の前記共振周波数とを比較し、前記農作物の前記振動の前記共振周波数が所定の値以上で低周波側にシフトしていない場合には、前記農作物の前記果実の生育に問題が発生したと判断する上記（１）ないし（３）のいずれかに記載のセンシングシステム。
（５）前記演算デバイスは、前記農作物の前記果実の生育に関する前記判断をユーザーデバイスに送信する上記（１）ないし（４）のいずれかに記載のセンシングシステム。
（６）前記農作物の前記果実は、前記農作物の前記茎の前記少なくとも１つのセンサーが取り付けられている箇所と、前記少なくとも１つの振動デバイスとが取り付けられている箇所との間に位置する箇所において結実している上記（１）ないし（５）のいずれかに記載のセンシングシステム。
（７）前記農作物は、誘引方式で栽培される果菜類または果実的野菜である上記（１）ないし（６）のいずれかに記載のセンシングシステム。
（８）農作物の果実の生育度合いをセンシングするために、プロセッサーを備えた演算デバイスを含むセンシングシステムによって実行されるセンシング方法であって、
前記プロセッサーを用いて、前記農作物の茎に取り付けられた少なくとも１つの振動デバイスおよび少なくとも１つのセンサーに駆動信号を送信し、前記少なくとも１つの振動デバイスを駆動させ、前記農作物に対して振動を加えるとともに、前記少なくとも１つのセンサーを駆動させ、前記少なくとも１つの振動デバイスから前記農作物に加えられた振動によって発生した前記農作物の振動をセンシングする工程と、
前記プロセッサーを用いて、前記少なくとも１つのセンサーから、前記農作物の前記振動に関する振動情報を受信する工程と、
前記プロセッサーを用いて、前記少なくとも１つのセンサーから受信した前記振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を前記農作物の前記振動の共振周波数として特定する工程と、
前記プロセッサーを用いて、特定した前記共振周波数に基づいて、前記農作物の前記果実の前記生育度合いを判断する工程と、を含むことを特徴とするセンシング方法。
（９）農作物の果実の生育度合いをセンシングするために、プロセッサーを備えた演算デバイスによって実行されるコンピューター可読命令を保存している非一時的コンピューター可読媒体であって、前記コンピューター可読命令は、
前記農作物の茎に取り付けられた少なくとも１つの振動デバイスおよび少なくとも１つのセンサーに駆動信号を送信し、前記少なくとも１つの振動デバイスを駆動させ、前記農作物に対して振動を加えるとともに、前記少なくとも１つのセンサーを駆動させ、前記少なくとも１つの振動デバイスから前記農作物に加えられた振動によって発生した前記農作物の振動をセンシングするための命令と、
前記少なくとも１つのセンサーから、前記農作物の前記振動に関する振動情報を受信するための命令と、
前記少なくとも１つのセンサーから受信した前記振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を前記農作物の前記振動の共振周波数として特定するための命令と、
特定した前記共振周波数に基づいて、前記農作物の前記果実の前記生育度合いを判断するための命令と、を含むことを特徴とする非一時的コンピューター可読媒体。
本発明は、振動デバイスを用いて農作物に振動を加え、該振動により発生した農作物の振動についての振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を農作物の振動の共振周波数として特定し、さらに、特定した共振周波数に基づいて、農作物の果実の生育度合いをセンシングしている。農作物を振動させた場合、振動する農作物は、農作物の茎のバネ定数と、農作物、振動デバイス、およびセンサーの質量によって定まる共振系と見なすことができる。そのような共振系の共振周波数は、農作物の周辺環境の変化（例えば、農作物の果実に対する風や雨の吹き付け）等の外乱の影響を受けない。そのため、農作物の振動の共振周波数に基づいて、農作物の果実の生育度合いのセンシングを実行することにより、外乱の影響を受けやすい農作物の果実の質量を直接測定する手法よりも、より正確に農作物の果実の生育度合いをセンシングすることができる。
また、農作物を振動させた場合、農作物の振動についての振動情報から得られる周波数スペクトルは、農作物の果実の質量に起因する極大値（共振周波数）に加え、農作物を誘引するためのワイヤーの質量や、農作物の茎に取り付けられた振動デバイスやセンサーの質量等の農作物の果実の質量以外の要因に起因する複数の極大値を含むことがある。本発明においては、農作物の振動についての振動情報から得られる周波数スペクトルに含まれる複数の極大値のうち一の極大値が、農作物の振動の共振周波数として特定される。そのため、測定対象とする農作物の果実の測定のみを実行することができ、農作物の果実の質量以外の要因に起因する極大値（共振周波数）を測定の対象から排除することができる。
さらに、農作物に結実している果実が複数ある場合、各果実の生育度合いによって、各果実の質量に起因する共振周波数の値は互いに異なったものとなる。この場合、農作物の振動についての振動情報から得られる周波数スペクトルに含まれる複数の極大値のうち、複数の果実のそれぞれに対応する複数の極大値を農作物の振動の共振周波数として特定することにより、同時に複数の果実の生育度合いをセンシングすることができる。
また、農作物の果実の質量を直接測定する場合には、農作物の果実に秤等の測定器を接触させる必要があるが、この場合、農作物の果実が傷つけられ、商品価値が低下してしまう可能性がある。一方、本発明において用いられる振動デバイスおよびセンサーは、農作物の茎に取り付けられ、農作物の果実に接触しない。そのため、農作物の果実に機器を接触させなくとも、農作物の果実の生育度合いをセンシングすることができ、農作物の果実が傷つき、商品価値が低下する恐れがない。
また、農作物の果実の質量を直接測定する場合には、測定の度に、農業従事者が農作物の果実を１つ１つ手に取り、果実の質量を測定する必要がある。このような作業は、果実の数が多い場合、非常に多くの労力を要するため、農業従事者の多大な負担となる。一方、本発明では、振動デバイスとセンサーを一度農作物の茎に取り付けてしまえば、その後、振動デバイスとセンサーを取り外しする必要はない。農作物の生育度合いの測定は、所定の周期で自動的に実行することもできるし、振動デバイスとセンサーとを制御する演算デバイスからの命令によって、任意のタイミングで実行することもできる。そのため、振動デバイスとセンサーを一度農作物の茎に取り付けてしまえば、その後、農作物の果実の生育度合いをセンシングするための農業従事者の労力は非常に少ないものとなる。そのため、本発明によれば、農作物の果実の生育度合いをセンシングするための農業従事者の労力を最小限に抑えることができる。
また、本発明によって得られた農作物の果実の生育度合いに関する情報は、背景技術の欄において述べたような様々な用途に利用することができ、農業従事者の活動に有用である。
本発明のセンシングシステムが用いられる誘引方式により栽培される農作物を示す概念図である。 本発明の第１実施形態に係るセンシングシステムの実施様態を示す概念図である。 図２に示す振動デバイスの斜視図である。 図２に示す振動デバイスの分解斜視図である。 図２に示す振動デバイスの断面図である。 振動する農作物の物理モデルを説明するための図である。 農作物の果実の質量増加による農作物の振動の共振周波数の変化を説明するための図である。 図２に示す演算デバイスのブロック図である。 本発明の第２実施形態に係るセンシングシステムの実施様態を示す概念図である。 本発明のセンシング方法を説明するためのフローチャートである。 図１０に示す農作物の生育度合いを判断するための工程をより詳細に説明するためのフローチャートである。
以下、本発明のセンシングシステム、センシング方法、および非一時的コンピューター可読媒体を、添付図面に示す好適な実施形態に基づいて、説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明のセンシングシステムが用いられる誘引方式により栽培される農作物を示す概念図である。図２は、本発明の第１実施形態に係るセンシングシステムの実施様態を示す概念図である。図３は、図２に示す振動デバイスの斜視図である。図４は、図２に示す振動デバイスの分解斜視図である。図５は、図２に示す振動デバイスの断面図である。図６は、振動する農作物の物理モデルを説明するための図である。図７は、農作物の果実の質量増加による農作物の振動の共振周波数の変化を説明するための図である。図８は、図２に示す演算デバイスのブロック図である。
本発明のセンシングシステム１は、図１に示すような誘引方式で栽培される農作物１００の果実１０１の生育度合いをセンシングするために用いられる。このような誘引方式で栽培される農作物１００は、例えば、トマト、ナス、キュウリ、ピーマンのような果菜類やイチゴのような果実的野菜である。
誘引方式で栽培される農作物１００の上方には、ワイヤー１１０が水平方向に張られており、農作物１００の茎１０２の先端側がワイヤーや縦ヒモ等の吊り下げ具１２０によって、ワイヤー１１０に吊り下げられている。果実１０１は、ワイヤー１１０に吊り下げられた茎１０２の途中に実っており、果実１０１は、茎１０２から吊り下がった状態で栽培される。
図２には、本発明のセンシングシステム１の実施様態が概略的に示されている。センシングシステム１は、農作物１００の茎１０２に取り付けられ、農作物１００に振動を加えるための少なくとも１つの振動デバイス１０と、農作物１００の茎１０２に取り付けられ、振動デバイス１０から農作物１００に加えられた振動によって発生した農作物１００の振動をセンシングし、農作物１００の振動に関する振動情報を送信するための少なくとも１つのセンサー２０と、少なくとも１つのセンサー２０から受信した振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を農作物１００の振動の共振周波数として特定し、さらに、特定した共振周波数に基づいて、農作物１００の果実１０１の生育度合いを判断する演算デバイス３０と、を含む。
振動デバイス１０は、農作物１００の茎１０２の根本側に取り付けられている。一方、センサー２０は、農作物の茎１０２の先端側に取り付けられている。農作物１００の果実１０１は、農作物１００の茎１０２のセンサー２０が取り付けられている箇所と、振動デバイス１０とが取り付けられている箇所との間に位置する箇所において、吊り下がるようにして結実している。
振動デバイス１０やセンサー２０を農作物１００の茎１０２に取り付ける方法は特に限定されず、例えば、クリップ、クランプ、専用ジグ等の任意の機械的手段によって、振動デバイス１０やセンサー２０を農作物１００の茎１０２に取り付けることができる。
農作物１００の茎１０２に取り付けられたセンサー２０は、農作物１００の茎１０２の振動デバイス１０が取り付けられた箇所と、センサー２０が取り付けられた箇所の間の箇所において結実している果実１０１の生育度合いをセンシングするために用いられる。
センサー２０の数は１つに限定されず、生育度合いを測定したい果実１０１（または、果実１０１の房）の数に応じた数のセンサー２０を茎１０２に取り付けることができる。例えば、茎１０２の複数の箇所から複数の果実１０１（または、果実１０１の房）が結実している場合には、生育度合いを測定したい果実１０１（または、果実１０１の房）の数に応じた数のセンサー２０を、生育度合いを測定したい果実１０１（または、果実１０１の房）が結実している箇所に対応した箇所で、農作物１００の茎１０２に取り付けることができる。
また、振動デバイス１０の数は１つに限定されない。振動デバイス１０が、果実１０１よりも茎１０２の根本側に取り付けられており、センサー２０が、果実１０１よりも茎１０２の先端側に取り付けられているという位置関係を満たせば、任意の数の振動デバイス１０を、茎１０２の任意の箇所に取り付けることができる。
また、振動デバイス１０とセンサー２０とは、農作物１００の種類（より具体的には、農作物１００の茎１０２の太さおよび硬さ、並びに、果実１０１の大きさ）にもよるが、少なくとも１０〜２０ｃｍ程度離間するよう配置されていることが好ましい。振動デバイス１０とセンサー２０との離間距離がこれよりも小さいと、センサー２０がセンシングする振動の主たる成分が、農作物１００の振動ではなく、振動デバイス１０の振動となってしまい、農作物１００の振動を精度良くセンシングすることができない。
また、振動デバイス１０とセンサー２０との離間距離は、農作物１００の種類（より具体的には、農作物１００の茎１０２の太さおよび硬さ、並びに、果実１０１の大きさ）にもよるが、２ｍ以内であることが好ましい。振動デバイス１０とセンサー２０との離間距離がこれ以上となると、センサー２０がセンシングする農作物１００の振動が小さくなりすぎてしまい、農作物１００の振動を精度良くセンシングすることができない。
さらに、図２に示すように、上述の位置関係を満たす振動デバイス１０とセンサー２０とのセットが、複数の農作物１００に取り付けられていてもよい。演算デバイス３０は、複数の農作物１００のそれぞれに取り付けられたセンサー２０から、各農作物１００の振動に関する振動情報を受信し、多くの農作物１００の果実１０１の生育度合いを一元的に分析および判断することができる。
振動デバイス１０は、図示しない電源（バッテリー等の内部電源または有線接続された外部電源）と、演算デバイス３０からの信号を有線通信または無線通信によって受信し、振動デバイス１０の制御を行う制御ユニット（図示せず）とを有しており、所定の周期（例えば、毎日１回、毎日２回、毎月１回等）または任意のタイミングで演算デバイス３０から送られてくる信号に応じて、電源（内部電源または外部電源）の電力を用いて駆動し、農作物１００に振動を加えるよう構成されている。なお、振動デバイス１０は、振動や太陽光等の外部エネルギーを用いて発電を実行する発電ユニットを有しており、発電ユニットによって発電された電力を用いて駆動してもよい。この場合、振動デバイス１０は、内部電源または外部電源を有していなくてもよい。
図３〜図５に示すように、振動デバイス１０は、小型（例えば、高さ３０ｍｍ×縦幅３０ｍｍ×横幅３０ｍｍ）のＶＣＭ（Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ｍｏｔｏｒ）型の振動デバイスであり、一共振系を構成する。
振動デバイス１０は、クリップ、クランプ、専用ジグ等の機械的手段を介して農作物１００の茎１０２に取り付け可能に構成されたケース１１と、ケース１１の底面に固定的に設けられ、電源（内部電源や外部電源）または発電ユニットからの電力が供給されるコイル１２と、ケース１１に対して振動可能に設けられた板バネ１３と、板バネ１３に取り付けられ、コイル１２と離間して配置されたマグネット組立体１４とを備えている。
ケース１１は、円筒状の部材であって、クリップ、クランプ、専用ジグ等の機械的手段を介して振動デバイス１０を農作物１００の茎１０２に固定すると共に、振動デバイス１０の各コンポーネントを収納する機能を有する。ケース１１は、カバー１１ａと、ベース１１ｂと、カバー１１ａとベース１１ｂとの間に位置する筒状部１１ｃとを備えている。
ベース１１ｂの外周面には、ベース１１ｂの半径方向に延伸する３つの延伸部が形成されており、３つの延伸部の先端側にはそれぞれ貫通孔１１ｄが形成されている。図示しないネジをベース１１ｂの貫通孔１１ｄに貫通させ、クリップ、クランプ、専用ジグ等の機械的手段に形成されたネジ穴と螺合させる。これにより、ベース１１ｂがクリップ、クランプ、専用ジグ等の機械的手段に対して固定される。クリップや専用ジグ等の機械的手段を農作物１００の茎１０２に対して固定することにより、振動デバイス１０が農作物１００の茎１０２に取り付けられる（固定される）。振動デバイス１０を農作物１００の茎１０２に取り付けることにより、振動デバイス１０の振動を農作物１００に伝達させ、農作物１００を振動させることができる。
コイル１２は、円筒形状を有しており、ベース１１ｂ上に固定的に設けられている。コイル１２の両端部（電気信号供給端）は、電源または発電ユニットに接続されており、電源または発電ユニットからの電流は、コイル１２内を流れる。また、図５に示すように、コイル１２は、振動デバイス１０が組み立てられた状態において、板バネ１３の中央開口部の内側に位置している。
板バネ１３は、中央開口部を有するリング形状を有しており、その外周部がベース１１ｂと筒状部１１ｃとの間で保持され、中央開口部を含む板バネ１３の中央部がケース１１に対して図５の上下方向に振動可能となっている。マグネット組立体１４は、板バネ１３の中央部上に取り付けられており、コイル１２に対して振動可能となっている。
図５に示すように、マグネット組立体１４は、図５の下側に向かって開口する円筒形状を有するマグネット保持部１４ａと、マグネット保持部１４ａの中央下面に固定されたマグネット１４ｂと、マグネット１４ｂの下面に取り付けられたヨーク１４ｃとを有している。
図５に示すように、振動デバイス１０が組み立てられた状態において、マグネット１４ｂおよびヨーク１４ｃは、コイル１２の中央空洞部内に、コイル１２と離間して配置されている。コイル１２に対して電源または発電ユニットから電流が供給されると、マグネット組立体１４（マグネット１４ｂ）を図５中の上下方向に移動させる駆動力が発生する。マグネット組立体１４は、振動可能に設けられた板バネ１３上に取り付けられているので、マグネット組立体１４が上下方向に振動する。
このように、振動デバイス１０のコイル１２に電源または発電ユニットから電流が供給され、コイル１２内を電流が流れると、振動デバイス１０が振動する。振動デバイス１０のような一共振系の動作原理を示す運動方程式は、下記式（１）で表すことができる。
Figure 2019154398
ここで、ｍはマグネット組立体１４（振動子）の質量［ｋｇ］、ｘ（ｔ）はマグネット組立体１４（振動子）の変位量［ｍ］、Ｋｆは一共振系の推力定数［Ｎ／Ａ］、ｉ（ｔ）はコイル１２内を流れる電流［Ａ］、Ｋｓｐは板バネ１３のバネ定数［Ｎ／ｍ］、およびＤは一共振系の減衰係数［Ｎ／（ｍ／ｓ）］である。
また、振動デバイス１０のような一共振系の動作原理を示す回路方程式は、下記式（２）で表すことができる。
Figure 2019154398
ここで、ｅ（ｔ）はコイル１２に印加される電圧［Ｖ］、Ｒはコイル１２の抵抗［Ω］、Ｌはコイル１２のインダクタンス［Ｈ］、およびＫｅは一共振系の逆起電力定数［Ｖ／（ｍ／ｓ）］である。
このように、振動デバイス１０は、所定の周期（例えば、毎日１回、毎日２回、毎月１回等）または任意のタイミングで演算デバイス３０から送られてくる信号に応じて、電源または発電ユニットの電力を用いて駆動し、農作物１００に振動を加えることができる。
図６には、振動デバイス１０から加えられた振動によって振動する農作物１００の物理モデルが示されている。農作物１００の茎１０２に、上述のような位置関係で振動デバイス１０およびセンサー２０が取り付けられている。このような振動デバイス１０からの振動によって振動する農作物１００は、図６の右側に示すような２共振系と見なすことができる。
このような２共振系の振動の運動方程式は、茎１０２の根元から振動デバイス１０が取り付けられた箇所までの茎１０２のバネ定数ｋ１［Ｎ／ｍ］と、振動デバイス１０の質量ｍ１［ｇ］と、振動デバイス１０が取り付けられている箇所から果実１０１が結実している箇所までの茎１０２のバネ定数ｋ２［Ｎ／ｍ］と、センサー２０と果実１０１の合計質量ｍ２［ｇ］によって、下記式（３）および（４）のように表すことができる。
Figure 2019154398
ここで、ｘ１は、果実１０１の変位量［ｍ］であり、ｘ２は、振動デバイス１０の変位量［ｍ］である。
このような運動方程式（３）および（４）において、基本解をｘ１＝Ａｃｏｓ（ωｔ）およびｘ２＝Ｂｃｏｓ（ωｔ）として特性方程式を求めると、下記式（５）を得ることができる。
Figure 2019154398
ここで、ωは固有角振動数であり、ｆは共振周波数である。
上記特性方程式（５）から明らかなように、果実１０１とセンサー２０の合計質量であるｍ２が増加すると、農作物１００の振動の共振周波数ｆが減少する。図２において示した本発明のセンシングシステム１の実施様態において、センサー２０の質量は一定なので、ｍ２の変化は農作物１００の果実１０１の質量の変化とみなすことができる。そうすると、農作物１００の果実１０１の生育が進み、果実１０１の質量が増加すると、農作物１００の振動の共振周波数ｆが低周波側にシフトすることになる。
また、農作物１００の振動の共振周波数ｆと、振動デバイス１０に加えた電圧によって発生する農作物１００の振動の各周波数の伝達関数（加速度／電圧）との関係を以下に述べる。
振動デバイス１０が正弦波加振力（＝Ｆｃｏｓ（ωｔ））で農作物１００に振動を加える場合の運動方程式は、下記式（６）および（７）のように表すことができる。
Figure 2019154398
このような運動方程式（６）および（７）において、基本解をｘ１＝Ａｃｏｓ（ωｔ）およびｘ２＝Ｂｃｏｓ（ωｔ）として特性方程式を求めると、基本解の定数ＡおよびＢを下記式（８）および（９）で表すことができる。
Figure 2019154398
ここで、以下のように定義する。
Figure 2019154398
そうすると、２共振系を構成する質量ｍ１の振動系の伝達関数および質量ｍ２の振動系の伝達関数は、それぞれ、下記式（１０）および（１１）のように、Ａ／ＸｓｔおよびＢ／Ｘｓｔで表すことができる。
Figure 2019154398
ここで、ω１およびω２は、上記式（５）における固有角振動数ωである。
上記式（１１）から明らかなように、質量ｍ２の振動系の伝達関数Ｂ／Ｘｓｔは、角振動数ω（周波数）が、上記式（５）で求めた固有角振動数ω１およびω２（共振周波数ｆ）付近で大きくなる。したがって、農作物１００の振動（より厳密には、２共振系の内の質量ｍ２の振動系の振動）の各周波数の伝達関数の極大値を求めることにより、農作物１００の振動の共振周波数ｆ（固有角振動数ω）を算出することができる。
また、上記式（５）および式（１１）から明らかなように、農作物１００の振動の共振周波数ｆおよび伝達関数には、農作物の周辺環境の変化（例えば、農作物の果実に対する風や雨の吹き付け）等の外乱に対応する項が存在しない。これは、農作物１００の振動の共振周波数ｆおよび伝達関数が、農作物１００の果実１０１に対する外乱に影響されないことを意味する。
そのため、農作物１００の共振周波数ｆに基づいて、農作物１００の果実１０１の生育度合いのセンシングを実行することにより、外乱の影響を受けやすい農作物１００の果実１０１の質量を直接測定するよりも、より正確に農作物１００の果実１０１の生育度合いをセンシングすることができる。
上述のように、農作物１００の振動の共振周波数ｆは、農作物１００の果実１０１の質量（生育度合い）に応じて変化するので、農作物１００の振動の各周波数の伝達関数の極大値から、農作物１００の振動の共振周波数ｆを算出することにより、農作物１００の果実１０１の質量（生育度合い）をセンシングすることができる。
図７には、農作物１００の果実１０１の生育（質量の増加）によって、農作物１００の振動の各周波数の伝達関数の極大値（すなわち、共振周波数ｆ）が変化する様子の例が示されている。図７に示すグラフは、農作物１００の振動から得られる周波数スペクトルである。
図７に示すように、農作物１００の振動から得られる周波数スペクトルは複数の極大値を含んでいる。例えば、図７中において実線で示されている果実１０１の成長度合いが進んでいる（果実１０１が大きい）場合の周波数スペクトルでは、３４０Ｈｚ付近、３９０Ｈｚ付近、４３０Ｈｚ付近、５７０Ｈｚ付近に極大値が存在している。周波数スペクトル中の農作物１００の果実１０１に起因する極大値は、農作物１００の果実１０１の想定される質量、農作物１００の種類や農作物１００の植え付けを実行してからの期間等の事前に取得可能な情報に応じて、ある程度予想できる。また、図７に示すように、農作物１００の果実１０１に起因する極大値は、農作物１００の果実１０１の生育（質量の増加）に伴い、低周波側にシフトしていることがわかる。一方、農作物１００を誘引するためのワイヤー１１０の質量や、農作物１００の茎１０２に取り付けられた振動デバイス１０やセンサー２０の質量等の農作物１００の果実１０１の質量以外の要因に起因する極大値は、ほぼシフトしない。
本発明においては、そのような事前に取得可能な情報に基づく予想や極大値のシフト量に基づいて、周波数スペクトルに含まれる複数の極大値のうち一の極大値を、農作物１００の共振周波数ｆとして特定する。そのため、測定対象とする農作物１００の果実１０１の測定のみを実行することができ、農作物１００の果実１０１の質量以外の要因に起因する極大値（共振周波数）を測定の対象から排除することができる。
上述のように、農作物１００の果実１０１に起因する極大値は、農作物１００の果実１０１の生育（質量の増加）に伴い、低周波側にシフトするため、農作物１００の果実１０１に起因する極大値（すなわち、共振周波数ｆ）を特定することにより、農作物１００の果実１０１の生育をセンシングすることができる。
このように、農作物１００の茎１０２に取り付けられた振動デバイス１０によって振動を農作物１００に加え、該振動によって発生した農作物１００の振動についての振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を農作物１００の振動の共振周波数ｆとして特定することにより、農作物１００の果実１０１の質量の増加、すなわち生育度合いをセンシングすることができる。
また、農作物１００の茎１０２において、振動デバイス１０が取り付けられた箇所と、センサー２０が取り付けられた箇所との間に複数の果実１０１が結実している場合には、農作物１００の振動から得られる周波数スペクトルは、複数の果実１０１の質量のそれぞれに対応する複数の極大値を含む。この場合、複数の果実１０１の質量のそれぞれに対応する複数の極大値を、農作物１００の振動の共振周波数ｆとして特定することにより、同時に複数の果実１０１の生育度合いをセンシングすることができる。
図２に戻り、センサー２０は、農作物１００の茎１０２の先端側に取り付けられており、振動デバイス１０によって農作物１００に加えられた振動によって発生した農作物１００の振動をセンシングし、農作物１００の振動に関する振動情報を、有線通信または無線通信を介して、演算デバイス３０に送信するよう構成されている。
センサー２０は、図示しない電源（バッテリー等の内部電源または有線接続された外部電源）または振動デバイス１０と同様の発電ユニットと、有線通信または無線通信を介して演算デバイス３０と通信を行い、センサー２０の制御を行う制御ユニット（図示せず）とを有しており、所定の周期（例えば、毎日１回、毎日２回、毎月１回等）または任意のタイミングで演算デバイス３０から送られてくる信号に応じて、電源（内部電源または外部電源）または発電ユニットの電力を用いて、振動デバイス１０と同じタイミングで駆動する。センサー２０は、振動デバイス１０からの振動によって発生した農作物１００の振動をセンシングし、農作物１００の振動に関する振動情報を、有線通信または無線通信を介して、演算デバイス３０に送信する。
センサー２０から演算デバイス３０に送信される振動情報は、演算デバイス３０が農作物１００の振動の共振周波数ｆを算出するために必要なデータ（振動の生データ等）を含んでいる。また、センサー２０は、振動情報と共に、自身を識別するためのセンサーＩＤ等のセンサー識別情報を同時に演算デバイス３０に送信する。また、センサー２０は、演算デバイス３０が農作物１００の果実１０１の生育度合いを判断するために有用なその他任意の情報を、振動情報およびセンサー識別情報と共に、演算デバイス３０に送信してもよい。
演算デバイス３０が農作物１００の振動の共振周波数ｆを算出するために必要なデータは、例えば、農作物１００の振動（運動）の加速度に関するデータ等である。演算デバイス３０は、得られたデータに対しフーリエ変換等の処理を行うことにより、農作物１００の振動の各周波数の伝達関数（またはエネルギー）を表す周波数スペクトルを取得することができ、さらに、得られた周波数スペクトルに含まれる農作物１００の振動の各周波数の伝達関数（またはエネルギー）の複数の極大値のうちの一の極大値を、農作物１００の振動の共振周波数ｆとして特定することができる。
センサー２０は、農作物１００の振動をセンシングし、農作物１００の振動に関する振動情報およびセンサー識別情報を演算デバイス３０に送信することができれば特に限定されず、例えば、加速度センサーや歪センサー等をセンサー２０として用いることができる。
演算デバイス３０は、振動デバイス１０およびセンサー２０に対して、所定の周期または任意のタイミングで駆動信号を送信し、振動デバイス１０およびセンサー２０を駆動させ、さらに、センサー２０から農作物１００の振動に関する振動情報を受信し、受信した振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を農作物１００の振動の共振周波数ｆとして特定し、さらに、特定した共振周波数ｆに基づいて、農作物１００の果実１０１の生育度合いを判断するよう構成されている。
また、演算デバイス３０は、農作物１００の果実１０１の生育度合いについての判断を、有線通信または無線通信を介して、センシングシステム１を利用する任意の数のユーザーのユーザーデバイス４０＿１、４０＿２、・・・、４０＿Ｎ（以下、集合的にユーザーデバイス４０という）に送信するよう構成されている。ユーザーデバイス４０は、例えば、デスクトップコンピューター、ラップトップコンピューター、ノートパソコン、ワークステーション、タブレット型コンピューター、携帯電話、スマートフォン、ＰＤＡ等の任意の情報端末であり、有線通信または無線通信を介して、演算デバイス３０から農作物１００の果実１０１の生育度合いについての判断を受信する。
センシングシステム１を利用するユーザーは、ユーザーデバイス４０を用いて、演算デバイス３０から農作物１００の果実１０１の生育度合いについての判断を参照することにより、農作物１００の果実１０１が収穫すべき大きさにまで育ったのか、農作物１００の果実１０１の生育に異常があるのか否か、いつ頃農作物１００の果実１０１を収穫できるのかといった、農業に有用な情報を把握することができる。
演算デバイス３０は、単体のデバイスとして実施されていてもよいし、デスクトップコンピューター、ラップトップコンピューター、ノートパソコン、ワークステーション、タブレット型コンピューター、携帯電話、スマートフォン、ＰＤＡ、ウェアラブル端末等の任意の演算装置内において実施されていてもよい。
図８に示すように、演算デバイス３０は、演算デバイス３０の制御を実行する少なくとも１つのプロセッサー３１と、Ｉ／Ｏ（入出力）インターフェース３２と、プロセッサー３１に通信可能に接続され、演算デバイス３０の制御を行うために必要なデータ、プログラム、モジュール等を保存している少なくとも１つのメモリー３３と、プロセッサー３１に通信可能に接続されたデータベース３６とを含む。演算デバイス３０の各コンポーネントは、システムバス等の種々のバスを介して相互通信可能に接続されている。
プロセッサー３１は、１つ以上のマイクロプロセッサー、マイクロコンピューター、マイクロコントローラー、デジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、メモリーコントロールユニット（ＭＣＵ）、画像処理用演算処理装置（ＧＰＵ）、状態機械、論理回路、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、またはこれらの組み合わせ等のコンピューター可読命令に基づいて信号操作等の演算処理を実行する演算ユニットである。特に、プロセッサー３１は、メモリー３３内に保存されているコンピューター可読命令（例えば、データ、プログラム、モジュール等）をフェッチし、信号操作および制御を実行するよう構成されている。
Ｉ／Ｏインターフェース３２は、ウェブインターフェース、グラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）等の様々なソフトウェアインターフェース、またはハードウェアインターフェースである。Ｉ／Ｏインターフェース３２は、演算デバイス３０が、振動デバイス１０、センサー２０、ユーザーデバイス４０、およびその他任意の外部デバイスと相互通信すること、および、ユーザーが演算デバイス３０にアクセスすることを可能とする。また、Ｉ／Ｏインターフェース３２は、演算デバイス３０が、インターネット等のネットワークを介して、外部に設けられたウェブサーバーやデータサーバーのような任意の外部デバイスと通信を行うことを可能としてもよい。
演算デバイス３０と、振動デバイス１０、センサー２０、ユーザーデバイス４０、および任意の外部デバイスとが有線接続されている場合には、演算デバイス３０は、振動デバイス１０、センサー２０、ユーザーデバイス４０、および任意の外部デバイスと有線通信を行う。演算デバイス３０と、振動デバイス１０、センサー２０、ユーザーデバイス４０、および任意の外部デバイスとが有線接続されていない場合には、ＮＦＣ（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｒａｄｉｏ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）、Ｗｉ−Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の無線通信技術を用いて、振動デバイス１０、センサー２０、ユーザーデバイス４０、および任意の外部デバイスと通信を行う。
メモリー３３は、揮発性記憶媒体（例えば、ＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ）、不揮発性記憶媒体（例えば、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリー、ハードディスク、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク）、またはこれらの組み合わせを含む着脱式または非着脱式のコンピューター可読媒体である。
メモリー３３は、プロセッサー３１により実行可能な複数のモジュール３４を保存しており、さらに、複数のモジュール３４の１つ以上によって受信、処理、生成されたデータと、演算デバイス３０の処理を実行するために必要なその他データを保存するためのデータレポジトリ３５を含んでいる。
モジュール３４は、ルーティーン、アプリケーション、プログラム、アルゴリズム、ライブラリー、オブジェクト、コンポーネント、データ構造、またはこれらの組み合わせ等のプロセッサー３１により実行可能なコンピューター可読命令である。
データベース３６は、各センサー２０のセンサー識別情報、各センサー２０が取り付けられている農作物１００や各センサー２０が取り付けられている茎１０２の箇所、各センサー２０の取り付け日時等の各センサー２０に関するセンサー関連データ３６１と、農作物１００の果実１０１の生育度合いを判断するために必要なパラメーターである生育判断用情報３６２と、演算デバイス３０に各センサー２０から送信されてくる振動情報を蓄積することにより構成される振動情報蓄積データ３６３と、を保存している任意の不揮発性記憶媒体（例えば、ハードディスク、サーバー、フラッシュメモリー）である。
以下、演算デバイス３０の機能を提供するためにプロセッサー３１によって用いられるモジュール３４について説明する。
モジュール３４は、振動デバイス１０、センサー２０、ユーザーデバイス４０、および任意の外部デバイスと、演算デバイス３０との間の通信を実行するための通信モジュール３４１と、センサー２０から受信した農作物１００の振動に関する振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を農作物１００の振動の共振周波数ｆとして特定するための共振周波数特定モジュール３４２と、共振周波数特定モジュール３４２を用いて特定された農作物１００の振動の共振周波数ｆに基づいて、農作物１００の果実１０１の生育度合いを判断するための生育度合い判断モジュール３４３と、演算デバイス３０が提供する機能を補うための任意の数のその他モジュール３４４と、を含んでいる。
プロセッサー３１は、メモリー内に保存されている各種モジュール３４を実行することにより、所望の機能を提供することができる。例えば、プロセッサー３１は、通信モジュール３４１を用いることにより、振動デバイス１０、センサー２０、ユーザーデバイス４０、および任意の外部デバイスとの間の通信を実行することができる。
通信モジュール３４１は、振動デバイス１０、センサー２０、ユーザーデバイス４０、および任意の外部デバイスと、演算デバイス３０との間の通信を実行するために用いられる。演算デバイス３０は、通信モジュール３４１を用いて、所定の周期または任意のタイミングで、振動デバイス１０およびセンサー２０に駆動信号を送信する。この際、演算デバイス３０は、データベース３６内に保存されているセンサー関連データ３６１を参照して、全てのセンサー２０およびそれに対応する振動デバイス１０を同時に駆動してもよいし、任意のセンサー２０およびそれに対応する振動デバイス１０だけを駆動してもよい。
振動デバイス１０は、演算デバイス３０から駆動信号を受信すると、自身の電源または発電ユニットの電力を用いて駆動し、農作物１００に振動を加える。なお、この際、振動デバイス１０の振動の周波数は、農作物１００の種類（より具体的には、農作物１００の茎１０２の太さおよび硬さ、並びに、果実１０１の大きさ）に応じて適宜設定される。例えば、農作物１００がトマトの場合には、振動デバイス１０は、約４００〜８００Ｈｚで振動する。
振動デバイス１０から加えられる振動によって農作物１００が振動すると、センサー２０が農作物１００の振動をセンシングし、農作物１００の振動に関する振動情報が演算デバイス３０に送信される。演算デバイス３０は、通信モジュール３４１を用いて、センサー２０から農作物１００の振動に関する振動情報を受信する。振動デバイス１０によって受信された振動情報は、振動情報を送ってきたセンサー２０を識別するためのセンサー識別情報（例えば、センサーＩＤ）や農作物１００の果実１０１の生育の分析に有用な任意のデータと関連付けられ、振動情報蓄積データ３６３として保存される。
振動情報蓄積データ３６３は、農作物１００の果実１０１の生育に関するいわゆるビックデータであり、農業従事者にとって有用なアプリケーションでの利用や、有用な情報の抽出に活用することができる。
共振周波数特定モジュール３４２は、センサー２０から受信した農作物１００の振動に関する振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を農作物１００の振動の共振周波数ｆとして特定するために用いられる。振動情報から、農作物１００の振動の共振周波数ｆを特定する方法は特に限定されない。例えば、共振周波数特定モジュール３４２は、振動情報に農作物１００の振動の加速度情報が含まれる場合には、農作物１００の振動の加速度情報にフーリエ変換を施すことにより、農作物１００の振動の各周波数の伝達関数（またはパワー）を表す周波数スペクトルを取得する。その後、共振周波数特定モジュール３４２は、農作物１００の種類や農作物１００の植え付けを実行してからの期間等の事前に取得可能な情報に基づく農作物１００の果実１０１の質量の予想や極大値のシフト量に基づいて、周波数スペクトルに含まれる複数の極大値の一の極大値を、農作物１００の振動の共振周波数ｆとして特定することができる。
生育度合い判断モジュール３４３は、共振周波数特定モジュール３４２を用いて特定された農作物１００の振動の共振周波数ｆに基づいて、農作物１００の果実１０１の生育度合いを判断するために用いられる。上述のように、農作物１００の果実１０１が育ち、果実１０１の質量が増加すると、農作物１００の振動の共振周波数ｆは、低周波側にシフトする。そのため、生育度合い判断モジュール３４３は、農作物１００の振動の共振周波数ｆが、所定のしきい値以下であれば、農作物１００の果実１０１が収穫すべき大きさにまで育ったと判断する。なお、所定のしきい値は、農作物１００の種類（より具体的には、農作物１００の茎１０２の太さおよび硬さ、並びに、果実１０１の大きさ）に応じて事前に規定され、データベース３６内に生育判断用情報３６２の１つとして事前に保存されている。
また、生育度合い判断モジュール３４３は、前回の測定で得られた振動情報から特定された農作物１００の振動の共振周波数ｆと、今回の測定で得られた振動情報から特定された農作物１００の振動の共振周波数ｆとを比較して、農作物１００の果実１０１の生育に異常が発生しているか否かを判断する。具体的には、生育度合い判断モジュール３４３は、前回の測定で得られた振動情報から特定された農作物１００の振動の共振周波数ｆと、今回の測定で得られた振動情報から特定された農作物１００の振動の共振周波数ｆとを比較し、農作物１００の振動の共振周波数ｆが所定の値以上で低周波側にシフトしているか否かを判断することにより、農作物１００の果実１０１の生育の異常を検出する。
農作物１００の振動の共振周波数ｆが所定の値以上で低周波側にシフトしていない場合、すなわち、農作物１００の振動の共振周波数ｆの変化量Δｆが所定の値以下、または、農作物１００の振動の共振周波数ｆが高周波側にシフトしている場合には、農作物１００の果実１０１の生育に問題が発生したと判断する。農作物１００の振動の共振周波数ｆの変化量Δｆが所定の値以下である場合には、農作物１００の果実１０１の生育が順調ではないと判断される。また、農作物１００の振動の共振周波数ｆが高周波側にシフトしている場合には、果実１０１が茎１０２から落下した、果実１０１が割れてしまった等の原因により農作物１００の果実１０１の質量が減少したと判断される。なお、所定の値は、農作物１００の種類（より具体的には、農作物１００の茎１０２の太さおよび硬さ、並びに、果実１０１の大きさ）に応じて事前に規定され、データベース３６内に生育判断用情報３６２の１つとして事前に保存されている。
また、生育度合い判断モジュール３４３は、農作物１００の振動の共振周波数ｆが所定のしきい値より大きく、果実１０１が収穫すべき大きさに育っていないものの、農作物１００の振動の共振周波数ｆが所定の値以上で低周波側にシフトしており、果実１０１の生育に問題が発生していないと判断した場合には、算出した農作物１００の振動の共振周波数ｆと所定のしきい値との差や農作物１００の振動の共振周波数ｆの変化量Δｆに基づいて、果実１０１の収穫時期を判断（予想）する。算出した農作物１００の振動の共振周波数ｆと所定のしきい値との差や農作物１００の振動の共振周波数ｆの変化量Δｆから、果実１０１の収穫時期を判断するためのテーブルまたは数式が事前に規定されており、データベース３６内の生育判断用情報３６２の１つとして保存されており、生育度合い判断モジュール３４３は、このテーブルまたは数式を参照して、果実１０１の収穫時期を判断する。
生育度合い判断モジュール３４３によるこのような判断は、通信モジュール３４１を用いて、ユーザーデバイス４０に送信される。センシングシステム１のユーザーは、ユーザーデバイス４０に送信されてきた判断を参照することにより、農作物１００の果実１０１の生育に関する情報を取得することができ、背景技術の欄において述べたような様々な用途に活用することができる。
このように本発明のセンシングシステム１は、振動デバイス１０を用いて農作物１００に振動を加え、該振動により発生した農作物１００の振動をセンサー２０によりセンシングし、さらに、農作物１００の振動についての振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を農作物１００の振動の共振周波数ｆとして特定し、さらに、特定した共振周波数に基づいて、農作物１００の果実１０１の生育度合いをセンシングしている。
上述のように、農作物１００の振動の共振周波数ｆ（および伝達関数）は、農作物１００の周辺環境の変化（例えば、農作物の果実に対する風や雨の吹き付け）等の外乱に依存しない。そのため、農作物１００の振動の共振周波数ｆに基づいて、農作物１００の果実１０１の生育度合いのセンシングを実行することにより、外乱の影響を受けやすい農作物１００の果実１０１の質量を直接測定するよりも、より正確に農作物１００の果実１０１の生育度合いをセンシングすることができる。
また、農作物１００を振動させた場合、農作物１００の振動についての振動情報から得られる周波数スペクトルは、農作物１００の果実１０１の質量に起因する極大値（共振周波数ｆ）に加え、農作物１００を誘引するためのワイヤー１１０の質量や、農作物１００の茎１０２に取り付けられた振動デバイス１０やセンサー２０の質量等の農作物１００の果実１０１の質量以外の要因に起因する複数の極大値を含むことがある。本発明においては、農作物１００の振動についての振動情報から得られる周波数スペクトルに含まれる複数の極大値のうち一の極大値が、農作物１００の振動の共振周波数として特定される。そのため、測定対象とする農作物１００の果実１０１の測定のみを実行することができ、農作物１００の果実１０１の質量以外の要因に起因する極大値（共振周波数）を測定の対象から排除することができる。
また、農作物１００の茎１０２において、振動デバイス１０が取り付けられた箇所と、センサー２０が取り付けられた箇所との間に複数の果実１０１が結実している場合には、農作物１００の振動から得られる周波数スペクトルは、複数の果実１０１の質量のそれぞれに対応する複数の極大値を含む。この場合、複数の果実１０１の質量のそれぞれに対応する複数の極大値を、農作物１００の振動の共振周波数ｆとして特定することにより、同時に複数の果実１０１の生育度合いをセンシングすることができる。
また、農作物１００の果実１０１の質量を直接測定する場合には、農作物１００の果実１０１に秤等の測定器を接触させる必要があるが、この場合、農作物１００の果実１０１が傷つけられ、商品価値が低下してしまう可能性がある。一方、本発明のセンシングシステム１において用いられる振動デバイス１０およびセンサー２０は、農作物１００の茎１０２に取り付けられ、農作物１００の果実１０１に接触しない。そのため、農作物１００の果実１０１に機器を接触させなくとも、農作物１００の果実１０１の生育度合いをセンシングすることができ、農作物１００の果実１０１が傷つき、商品価値が低下する恐れがない。
また、農作物１００の果実１０１の質量を直接測定する場合には、測定の度に、農業従事者が農作物１００の果実１０１を１つ１つ手に取り、質量を測定する必要がある。このような作業は、果実１０１の数が多い場合、非常に多くの労力を要するため、農業従事者の多大な負担となる。一方、本発明のセンシングシステム１では、振動デバイス１０とセンサー２０を一度農作物１００の茎１０２に取り付けてしまえば、その後、取り外しする必要はない。農作物１００の果実１０１の生育度合いの測定は、所定の周期で自動的に実行することもできるし、振動デバイス１０とセンサー２０とを制御する演算デバイス３０からの命令によって、任意のタイミングで実行することもできる。そのため、振動デバイス１０とセンサー２０を一度農作物の茎に取り付けてしまえば、その後、農作物１００の果実１０１の生育度合いをセンシングするための農業従事者の労力は非常に少ないものとなる。そのため、本発明のセンシングシステム１によれば、農作物１００の果実１０１の生育度合いをセンシングするための農業従事者の労力を最小限に抑えることができる。
また、本発明のセンシングシステム１によって得られ、データベース３６内に保存されている農作物１００の果実１０１の生育度合いに関する情報は、背景技術の欄において述べたような様々な用途に利用することができ、農業従事者の活動に有用である。
＜第２実施形態＞
次に、図９を参照して、本発明の第２実施形態に係るセンシングシステムを説明する。図９は、本発明の第２実施形態に係るセンシングシステムの実施様態を示す概念図である。以下、第２実施形態のセンシングシステムについて、第１実施形態のセンシングシステムとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第２実施形態のセンシングシステム１では、演算デバイス３０、振動デバイス１０、センサー２０、およびユーザーデバイス４０がネットワーク５０を介して通信可能となっている点を除き、第１実施形態のセンシングシステム１と同様である。
ネットワーク５０は、イントラネット、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、インターネット、これらの組み合わせ等の広範なネットワークである。また、ネットワーク５０は、専用ネットワークであってもよいし、共有ネットワークであってもよい。共有ネットワークは、様々な種類のネットワーク同士の接続であり、各種プロトコル（例えば、ＨＴＴＰ、ＴＣＰ／ＩＰ、ＷＡＰ）を用いて、互いに通信を行う。さらに、ネットワーク５０は、ルーター、ブリッジ、サーバー、演算デバイス、ストレージデバイス等を含む様々なネットワークデバイスを含んでいてもよい。
本実施形態では、演算デバイス３０と、振動デバイス１０およびセンサー２０との間の通信、並びに、演算デバイス３０と、ユーザーデバイス４０との間の通信が、ネットワーク５０を介して実行される。そのため、本実施形態では、演算デバイス３０と、振動デバイス１０およびセンサー２０と、ユーザーデバイス４０とを近くに配置する必要がない。
そのため、本実施形態のセンシングシステム１は、広大な領域において農作物１００を栽培する大規模農業に対しても用いることができる。本実施形態のセンシングシステム１を用いることにより、広大な領域で栽培される農作物１００の果実１０１の生育度合いを一元的に把握することができ、農業の大規模化および効率化を促進することができる。
また、本実施形態のセンシングシステム１では、それぞれ振動デバイス１０およびセンサー２０が取り付けられている複数の農作物１００は、それぞれ異なるビニールハウス内において栽培されていてもよい。このような様態で本実施形態のセンシングシステム１を用いることにより、例えば、各ビニールハウス内の農作物１００の生育環境をそれぞれ異なるものとし、どのような環境が農作物１００の果実１０１の生育に最も効果的かを調査するためのデータを容易に収集することができる。
以上の説明は、演算デバイス３０が、図２に示すような単一のデバイスとして実施されているものとして提供されたが、本発明はこれに限られない。例えば、演算デバイス３０は、各ユーザーデバイス４０内において実施されていてもよい。
また、各実施形態において、メモリー３３およびデータベース３６は、プロセッサー３１が搭載されている演算デバイス３０内に設けられているが、本発明はこれに限られない。例えば、メモリー３３およびデータベース３６のそれぞれは、該演算デバイス３０の外部に、プロセッサー３１と通信可能に設けられた遠隔ストレージデバイスであってもよい。
さらに、異なる実施形態の１つにおいて、本発明は、コンピューター可読命令（すなわち、モジュール３４）を保存しているコンピューター可読媒体（すなわち、メモリー３３）である。該コンピューター可読命令は、特定のタスクまたは機能を実現するためのコンピューター可読命令（すなわち、通信モジュール３４１、共振周波数特定モジュール３４２、生育度合い判断モジュール３４３、その他モジュール３４４）を含んでいる。
次に、図１０を参照して、本発明のセンシング方法について説明する。図１０は、本発明のセンシング方法を説明するためのフローチャートである。図１１は、図１０に示す農作物の生育度合いを判断するための工程をより詳細に説明するためのフローチャートである。
なお、本発明のセンシング方法は、上述した本発明のセンシングシステム１および本発明のセンシングシステム１と同等の機能を有する任意のシステムを用いて実行することができるが、以下、センシングシステム１を用いて実行されるものとして説明する。
本発明のセンシング方法Ｓ１００は、所定の間隔または任意のタイミングで演算デバイス３０から振動デバイス１０およびセンサー２０に駆動信号が送信されることにより開始される。工程Ｓ１１０において、演算デバイス３０は、データベース３６内のセンサー関連データ３６１を参照し、駆動させる任意のセンサー２０およびそれに対応する振動デバイス１０を決定する。その後、演算デバイス３０は、通信モジュール３４１を用いて、駆動させるセンサー２０およびそれに対応する振動デバイス１０に対して、駆動信号を送信し、振動デバイス１０を駆動させ、農作物１００に対して振動を加えるとともに、センサー２０を駆動させ、振動デバイス１０から農作物１００に加えられた振動によって発生した農作物１００の振動をセンシングする。
工程Ｓ１２０において、演算デバイス３０から駆動信号を受信した振動デバイス１０が駆動し、自身が取り付けられている農作物１００に対して振動を加える。工程Ｓ１３０において、センサー２０が、振動デバイス１０から加えられた振動によって発生した農作物１００の振動をセンシングする。工程Ｓ１４０において、センサー２０は、農作物１００の振動に関する振動情報を、センサー２０を識別するためのセンサー識別情報やその他任意の情報とともに、演算デバイス３０へ送信する。
工程Ｓ１５０において、演算デバイス３０は、センサー２０から受信した振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を農作物１００の振動の共振周波数ｆとして特定し、さらに、特定した共振周波数ｆに基づいて、農作物１００の果実１０１の生育度合いを判断する。また、この際、演算デバイス３０は、センサー２０から受信した振動情報を、センサー２０を識別するためのセンサー識別情報やその他任意の情報と関連付けて、データベース３６内に振動情報蓄積データ３６３に追加する。
図１１には、工程Ｓ１５０の詳細なフローチャートが記載されている。工程Ｓ１５１において、演算デバイス３０は、共振周波数特定モジュール３４２を用いて、受信した農作物１００の振動に関する振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を農作物１００の振動の共振周波数ｆとして特定する。工程Ｓ１５２において、演算デバイス３０は、生育度合い判断モジュール３４３を用いて、工程Ｓ１５１において特定した農作物１００の振動の共振周波数ｆと、データベース３６内の生育判断用情報３６２に含まれる所定のしきい値と比較する。農作物１００の振動の共振周波数ｆが、所定のしきい値以下である場合には、工程Ｓ１５０の処理は、工程Ｓ１５３に移行する。工程Ｓ１５３において、演算デバイス３０は、農作物１００の果実１０１が収穫すべき大きさにまで育ったと判断し、工程Ｓ１５０の処理は終了する。
一方、工程Ｓ１５２において、農作物１００の振動の共振周波数ｆが、所定のしきい値より大きいと判断された場合は、工程Ｓ１５０の処理は、工程Ｓ１５４に移行する。工程Ｓ１５４において、演算デバイス３０は、共振周波数特定モジュール３４２を用いて、データベース３６内に振動情報蓄積データ３６３として保存されている前回の測定で得られた農作物１００の振動の振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を前回の測定の農作物１００の振動の共振周波数ｆとして特定する。その後、演算デバイス３０は、生育度合い判断モジュール３４３を用いて、前回の測定の農作物１００の振動の共振周波数ｆと、今回の測定で得られた振動情報から特定された農作物１００の振動の共振周波数ｆとを比較する。ここで、農作物１００の振動の共振周波数ｆがデータベース３６内の生育判断用情報３６２に含まれる所定の値以上で低周波側にシフトしているか否かが判断される。
農作物１００の振動の共振周波数ｆが、所定の値以上で低周波側にシフトしている場合には、工程Ｓ１５０の処理は、工程Ｓ１５５に移行する。工程Ｓ１５５において、演算デバイス３０は、農作物１００の果実１０１が収穫すべき大きさにまで育ってはいないが、生育に問題はなしと判断する。その後、工程Ｓ１５６において、演算デバイス３０は、生育度合い判断モジュール３４３を用いて、データベース３６内の生育判断用情報３６２として保存されている算出した農作物１００の振動の共振周波数ｆと所定のしきい値との差や農作物１００の振動の共振周波数ｆの変化量Δｆから果実１０１の収穫時期を判断するためのテーブルまたは数式を参照することにより、果実１０１の収穫時期を判断し、工程Ｓ１５０の処理は終了する。
一方、工程Ｓ１５４において、農作物１００の振動の共振周波数ｆが所定の値以上で低周波側にシフトしていないと判断された場合には、工程Ｓ１５０の処理は、工程Ｓ１５７に移行する。工程Ｓ１５７において、演算デバイス３０は、農作物１００の果実１０１の生育に問題が発生したと判断し、工程Ｓ１５０の処理は終了する。
図１０に戻り、工程Ｓ１６０において、演算デバイス３０は、通信モジュール３４１を用いて、工程Ｓ１５０における判断をユーザーデバイス４０に送信し、センシング方法Ｓ１００が終了する。ユーザーは、演算デバイス３０からユーザーデバイス４０に送信された判断を参照することにより、農作物１００の果実１０１の生育度合いを把握することができる。
以上、本発明に係るセンシングシステム１、センシング方法Ｓ１００、および非一時的コンピューター可読媒体を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明の各構成は、同様の機能を発揮し得る任意のものと置換することができ、あるいは、本発明の各構成に任意の構成のものを付加することができる。
例えば、図２に示されたセンシングシステム１や図８に示された演算デバイス３０のコンポーネントの数や種類は、説明のための例示にすぎず、本発明は必ずしもこれに限られない。本発明の原理および意図から逸脱しない範囲において、任意のコンポーネントが追加若しくは組み合わされ、または任意のコンポーネントが削除された態様も、本発明の範囲内である。また、センシングシステム１の各コンポーネントは、ハードウェア的に実現されていてもよいし、ソフトウェア的に実現されていてもよいし、これらの組み合わせによって実現されていてもよい。特に、モジュール３４は、メモリー３３内に保存されているコンピューター可読命令によってソフトウェア的に実現されているものとして記載したが、ハードウェア的に各モジュール３４の機能が実現されているような場合もまた、本発明の範囲内である。また、モジュール３４は、任意のネットワーク上のクラウドベース演算環境において実行されるソフトウェアモジュールとして実施されていてもよい。
また、図１０および図１１に示されたセンシング方法Ｓ１００の工程の数や種類は、説明のための例示にすぎず、本発明は必ずしもこれに限られない。本発明の原理および意図から逸脱しない範囲において、任意の工程が、任意の目的で追加若しくは組み合され、または、任意の工程が削除される様態も、本発明の範囲内である。
１…センシングシステム １０…振動デバイス １１…ケース １１ａ…カバー １１ｂ…ベース １１ｃ…筒状部 １１ｄ…貫通孔 １２…コイル １３…板バネ １４…マグネット組立体 １４ａ…マグネット保持部 １４ｂ…マグネット １４ｃ…ヨーク ２０…センサー ３０…演算デバイス ３１…プロセッサー ３２…Ｉ／Ｏインターフェース ３３…メモリー ３４…モジュール ３４１…通信モジュール ３４２…共振周波数特定モジュール ３４３…生育度合い判断モジュール ３４４…その他モジュール ３５…データレポジトリ ３６…データベース ３６１…センサー関連データ ３６２…生育判断用情報 ３６３…振動情報蓄積データ ４０…ユーザーデバイス ５０…ネットワーク １００…農作物 １０１…果実 １０２…茎 １１０…ワイヤー １２０…吊り下げ具 Ｓ１００…センシング方法 Ｓ１１０、Ｓ１２０、Ｓ１３０、Ｓ１４０、Ｓ１５０〜Ｓ１５７、Ｓ１６０…工程 ｋ１…バネ定数 ｋ２…バネ定数 ｍ１…質量 ｍ２…質量 ｘ１…変位量 ｘ２…変位量

Claims (9)

  1. 農作物の果実の生育度合いをセンシングするためのセンシングシステムであって、
    前記農作物の茎に取り付けられ、前記農作物に振動を加えるための少なくとも１つの振動デバイスと、
    前記農作物の前記茎に取り付けられ、前記振動デバイスから前記農作物に加えられた前記振動によって発生した前記農作物の振動をセンシングし、前記農作物の前記振動に関する振動情報を送信するための少なくとも１つのセンサーと、
    前記少なくとも１つのセンサーから受信した前記振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を前記農作物の前記振動の共振周波数として特定し、さらに、特定した前記共振周波数に基づいて、前記農作物の前記果実の前記生育度合いを判断する演算デバイスと、を含むことを特徴とするセンシングシステム。
  2. 前記農作物の前記果実の生育に関する前記判断は、前記農作物の前記果実の収穫時期についての判断を含む請求項１に記載のセンシングシステム。
  3. 前記演算デバイスは、特定した前記共振周波数が所定のしきい値以下となった場合に、前記農作物の前記果実が収穫すべき大きさにまで育ったと判断する請求項１または２に記載のセンシングシステム。
  4. 前記センシングシステムは、前記振動デバイス、前記センサー、および前記演算デバイスを用いて、所定の周期で前記農作物の前記振動の前記共振周波数を特定し、
    前記演算デバイスは、前回の測定で得られた前記振動情報から特定された前記農作物の前記振動の前記共振周波数と、今回の測定で得られた前記振動情報から特定された前記農作物の前記振動の前記共振周波数とを比較し、前記農作物の前記振動の前記共振周波数が所定の値以上で低周波側にシフトしていない場合には、前記農作物の前記果実の生育に問題が発生したと判断する請求項１ないし３のいずれかに記載のセンシングシステム。
  5. 前記演算デバイスは、前記農作物の前記果実の生育に関する前記判断をユーザーデバイスに送信する請求項１ないし４のいずれかに記載のセンシングシステム。
  6. 前記農作物の前記果実は、前記農作物の前記茎の前記少なくとも１つのセンサーが取り付けられている箇所と、前記少なくとも１つの振動デバイスとが取り付けられている箇所との間に位置する箇所において結実している請求項１ないし５のいずれかに記載のセンシングシステム。
  7. 前記農作物は、誘引方式で栽培される果菜類または果実的野菜である請求項１ないし６のいずれかに記載のセンシングシステム。
  8. 農作物の果実の生育度合いをセンシングするために、プロセッサーを備えた演算デバイスを含むセンシングシステムによって実行されるセンシング方法であって、
    前記プロセッサーを用いて、前記農作物の茎に取り付けられた少なくとも１つの振動デバイスおよび少なくとも１つのセンサーに駆動信号を送信し、前記少なくとも１つの振動デバイスを駆動させ、前記農作物に対して振動を加えるとともに、前記少なくとも１つのセンサーを駆動させ、前記少なくとも１つの振動デバイスから前記農作物に加えられた振動によって発生した前記農作物の振動をセンシングする工程と、
    前記プロセッサーを用いて、前記少なくとも１つのセンサーから、前記農作物の前記振動に関する振動情報を受信する工程と、
    前記プロセッサーを用いて、前記少なくとも１つのセンサーから受信した前記振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を前記農作物の前記振動の共振周波数として特定する工程と、
    前記プロセッサーを用いて、特定した前記共振周波数に基づいて、前記農作物の前記果実の前記生育度合いを判断する工程と、を含むことを特徴とするセンシング方法。
  9. 農作物の果実の生育度合いをセンシングするために、プロセッサーを備えた演算デバイスによって実行されるコンピューター可読命令を保存している非一時的コンピューター可読媒体であって、前記コンピューター可読命令は、
    前記農作物の茎に取り付けられた少なくとも１つの振動デバイスおよび少なくとも１つのセンサーに駆動信号を送信し、前記少なくとも１つの振動デバイスを駆動させ、前記農作物に対して振動を加えるとともに、前記少なくとも１つのセンサーを駆動させ、前記少なくとも１つの振動デバイスから前記農作物に加えられた振動によって発生した前記農作物の振動をセンシングするための命令と、
    前記少なくとも１つのセンサーから、前記農作物の前記振動に関する振動情報を受信するための命令と、
    前記少なくとも１つのセンサーから受信した前記振動情報から得られる周波数スペクトルにおいて、複数の極大値のうち一の極大値を前記農作物の前記振動の共振周波数として特定するための命令と、
    特定した前記共振周波数に基づいて、前記農作物の前記果実の前記生育度合いを判断するための命令と、を含むことを特徴とする非一時的コンピューター可読媒体。
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