JP2019219374A - 水位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】低消費電力で、必要な水位を正確な値で計測することができる、水位センサを提供する。【解決手段】水田の地面に差し込んで運用する、直流電流を用いて直列接続される抵抗の分圧によって水田の水位を計測する水位センサにおいて、水位センサに実装される電極と、それら電極に接続される抵抗を地面から地下に埋まる電極のグループである第一のグループ、地面から地上の所定の水位まで露出する電極のグループである第二のグループ、第二のグループより更に上の水位に露出する電極のグループである第三のグループの、３つのグループに分ける。そして、第二のグループに割り当てられるＡ／Ｄ変換器の電位差を、第一のグループ及び第三のグループより大きい電位差にて割り当てることにより、水田の水位計測に最も必要な水位の範囲に対して必要な分解能を得る。【選択図】図１

Description

本発明は、水田に適した水位センサに関する。

近年、情報処理装置の高性能化及び低価格化を様々な産業に対して最大限に活用する、ＩｏＴ（Internet Of Things）と呼ばれる装置やシステムが多く提案され、広く普及している。農業においても、様々な形態でＩｏＴの導入が試みられている。
農業におけるＩｏＴは、屋外にセンサを設置する必要があるため、電源や通信手段の確保が難しい。

発明者らは、農業の、特に稲作におけるセンシングに着目し、水田に適した水位センサの開発を進めている。
稲作において、水田の水位の管理は極めて重要である。稲の生育には、最適な水位が存在する。水田の水は多すぎても少なすぎても、稲の生育に悪影響を生じる。
しかしながら一方で、現在市販されている殆どの水位センサは高価であったり、電力消費が多い等の、屋外の水田に使用するには適していない。

特許文献１には、測定スパンが数１０ｍ以上のダム水位、深井戸の水位を安価な方法で測定することが可能な、抵抗変化式液面レベル計の技術内容が開示されている。
非特許文献１には、本発明に関係する、抵抗分圧器を使った、多くのスイッチのセンシングに関する技術が開示されている。

特開２０１１−１４１２５５号公報

「抵抗分圧器を使った、多くのスイッチのセンシング(2)」谷川 寛、２０１８年１１月１５日閲覧＜https://synapse.kyoto/tips/ResDiv/page002.html＞

水位の計測には、超音波を用いるものや、交流電流を流すもの等、多種多様なものが考えられている。
超音波を用いるものは、回路構成が複雑になるため、装置構成が高価になり、また電力消費も大きいため、水田のＩｏＴには適さない。
交流電流を用いるものも、電力消費が大きいため、水田のＩｏＴには適切でない。
発明者らは、種々の方法を検討した結果、消費電力が少なく済む、特許文献１に開示される、直流電流を用いる計測方法を採用するに至った。
しかしながら、特許文献１に開示される技術では、ダム水位や深い井戸の水位の測定には向いているものの、水田の水位を正確な値で計測することが困難であることが判明した。

本発明はかかる課題を解決し、低消費電力で、水田における必要な水位を正確な値で計測することができる、水位センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の水位センサは、長手方向の一部が水田の地面に埋設される基板と、一端が直流定電圧ノードに接続される電流制限抵抗と、電流制限抵抗の他端と接地ノードとの間に直列接続される複数の抵抗と、複数の抵抗同士の接続点に接続され、基板の長手方向に等間隔に配置される複数の電極とを具備し、電流制限抵抗の他端と複数の抵抗との間の接続点から検出電圧を得る水位センサである。
複数の抵抗は、接地ノードから水田の地面の表面までに位置する電極に接続される第一のグループと、第一のグループに接続され、水田の地面の表面から所定の水位までに位置する電極に接続される第二のグループと、第二のグループと直流定電圧ノードとの間に接続され、第二のグループに属する電極より更に上の水位に位置する電極に接続される第三のグループとに分類される。
第二のグループから得られる検出電圧の電圧幅は、第一のグループ及び第三のグループから得られる検出電圧の電圧幅より広くなるように、抵抗の抵抗値が構成されている。

本発明によれば、水田における必要な水位を正確な値で、しかも低消費電力で計測することが可能な水位センサを提供することができる。
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。

本発明の第一の実施形態の例である、水位センサの使用状態を説明する概略図である。 無線通信装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 本発明の第一の実施形態の例に係る水位センサの外観図である。 本発明の第一の実施形態の例に係る水位センサの回路図である。 水位センサに実装される抵抗によって実現される、深さ／高さに対する検出電圧との関係を示すグラフである。 水に浸かった状態の水位センサを示す簡略化した回路図と、等価回路図である。 抵抗分圧回路の抵抗値の計算方法を説明する図である。 本発明の第二の実施形態の例に係る水位センサの外観図である。 本発明の第二の実施形態の例に係る水位センサの回路図である。 本発明の第三の実施形態の例に係る水位センサの外観図である。 本発明の第三の実施形態の例に係る水位センサの回路図である。

［第一の実施形態：水位センサ１０１：概略］
図１は、本発明の第一の実施形態の例である、水位センサ１０１の使用状態を説明する概略図である。
図１において、水位センサ１０１は、水稲１０２が栽培されている水田１０３の地面１０４の中に差し込まれている。また、水位センサ１０１は、無線通信装置１０５とケーブル１０６で接続されている。無線通信装置１０５は、足場パイプとも呼ばれる単管パイプ１０７に固定されており、図示しない他の無線通信装置から司令を受けて、水位センサ１０１から得られる水位計測データを、当該他の無線通信装置へ送信する。

最終的に、水位センサ１０１から得られる水位計測データは、図示しないクラウドサーバに蓄積される。クラウドサーバは、無線通信装置１０５の固有ＩＤ情報及び計測日時と共に水位計測データをデータベースに蓄積する。また、水位センサ１０１と無線通信装置１０５を運用する稲作農家は、クラウドサーバ経由で自らが管理する水田１０３に設置された無線通信装置１０５と水位センサ１０１の水位計測データをスマートフォン等で確認することができる。

水位センサ１０１は、フェノール樹脂あるいはエポキシ樹脂等の周知のプリント基板の材料よりなる長尺基板１０８に、多数の電極１０９が形成されている。各々の電極１０９は長尺基板１０８上に形成されているプリントパターンを通じて、長尺基板１０８の上部にある回路ユニット１１０に接続されている。回路ユニット１１０の最上部には、ＵＳＢコネクタ１１１が設けられている。但し、このＵＳＢコネクタ１１１は本来のデジタルデータを送受信するシリアルインターフェースとしてのＵＳＢではなく、無線通信装置１０５から供給される電源と、アナログ信号の送信のために設けられている。
また、長尺基板１０８表面の電極１０９以外の箇所は、プリントパターンの保護と絶縁のために、周知のソルダレジスト膜で覆われている。

長尺基板１０８に形成されている電極１０９は、水田１０３の水１１２に接触すると、後述する回路によって電気抵抗が低下する。これにより、水位センサ１０１は、電極１０９が水１１２と接触することによる電気抵抗の低下を検出することができる。
電極１０９は、長手方向に約１ｃｍの長さを有する。この電極１０９が長尺基板１０８の長手方向に、千鳥状に交互に配置されている。このため、この水位センサ１０１の分解能は物理的に凡そ１ｃｍに制約される。

［無線通信装置１０５］
図２Ａは、無線通信装置１０５のハードウェア構成を示すブロック図である。
マイコンよりなる無線通信装置１０５は、バス２０１に接続されたＣＰＵ２０２、ＲＯＭ２０３、ＲＡＭ２０４、他の無線通信装置と双方向通信を行うための近距離無線インターフェース２０５（図２中は「近距離無線Ｉ／Ｆ」と略記）、水位センサ１０１から出力される電圧信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器２０６（図２中は「Ａ／Ｄ」と略記）、そしてバッファ２０７を介する出力ポート２０８を備える。
近距離無線インターフェース２０５は例えば、ＢｌｕｅＴｏｏｔｈ（登録商標）等である。

図２Ｂは、図２Ａの上位の無線通信装置のハードウェア構成を示すブロック図であり、この無線通信装置は、不図示のクラウドサーバと通信するため、近距離無線Ｉ／Ｆ２０５の他に、携帯電話等の移動体通信網インターフェース２０９（図２中は「移動体通信網Ｉ／Ｆ」と略記）を備える。

無線通信装置１０５は太陽電池２１０で駆動される。太陽電池２１０には大容量キャパシタＣ２１１が並列接続されている。また、太陽電池２１０の正極ノードとＵＳＢコネクタ１１１との間には、センサ電源スイッチ２１２が接続されている。このセンサ電源スイッチ２１２は、出力ポート２０８の論理信号でオンオフ制御される。

無線通信装置１０５は、ＲＯＭ２０３に格納されているプログラムで動作する。無線通信装置１０５は、通常時は図示しないマイコン用のシステムクロックを低い周波数で駆動し、近距離無線インターフェース２０５を数秒間隔で間欠的に駆動する。
他の無線通信装置から電波の入来を検出したら、無線通信装置１０５はシステムクロックを高い周波数に設定し、当該他の無線通信装置と所定の双方向通信のためのハンドシェイクシーケンスを行う。

次に、無線通信装置１０５は、出力ポート２０８を通じてセンサ電源スイッチ２１２をオン制御し、所定の時間経過した後に、Ａ／Ｄ変換器２０６を駆動して、水位センサ１０１が出力する電圧信号をデジタルデータに変換する。
また、無線通信装置１０５は、デジタルデータの取得に成功すると、出力ポート２０８を通じてセンサ電源スイッチ２１２をオフ制御し、デジタルデータを他の無線通信装置へ送信する。
最後に、無線通信装置１０５はシステムクロックの周波数を低い周波数に設定し直して、一連の処理を終了する。

［水位センサ１０１：外観］
図３Ａは、水位センサ１０１の外観図である。図３Ｂは、水位センサ１０１の上部の概略図である。図３Ｃは、水位センサ１０１の下部の概略図である。なお、紙面の都合上、図３Ｂ及び図３Ｃは、図３Ａと比べて電極１０９の数を減らしている。
図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃに示されるように、水位センサ１０１を構成する長尺基板１０８の表側には、長手方向に電極１０９が千鳥状に交互に配置されている。そして、各々の電極１０９にはチップ抵抗３０１が接続されている。なお、一部の電極１０９と一部のチップ抵抗３０１は、増幅部３０２に接続されている。回路ユニット１１０の上部にはＵＳＢコネクタ１１１が配置されている。
図３Ｃに示されるように、長尺基板１０８には基準線Ｌ３０３が描かれている。水位センサ１０１を水田１０３に設置するには、この基準線Ｌ３０３を水田１０３の地面１０４の表面に合わせるように、水位センサ１０１を地面１０４に埋設する。

［水位センサ１０１：回路図］
図４は、水位センサ１０１の回路図である。
無線通信装置１０５から供給される電源の正極ノードには、抵抗Ｒ４０１の一端が接続されている。抵抗Ｒ４０１の他端と接地ノードとの間には、コンデンサＣ４０２とツェナーダイオードＤ４０３が接続されており、このツェナーダイオードＤ４０３とコンデンサＣ４０２によって安定化された電圧源が構成される。これ以降、ツェナーダイオードＤ４０３とコンデンサＣ４０２によって安定化された電圧源のノードを、直流定電圧ノードＥ４０４と呼ぶ。

直流定電圧ノードＥ４０４には、電流制限抵抗Ｒ４１１の一端が接続されている。
電流制限抵抗Ｒ４１１の他端には、抵抗Ｒ４１２の一端が接続されている。また、電流制限抵抗Ｒ４１１の他端と抵抗Ｒ４１２の一端との間には、電極４３１が接続されている。
抵抗Ｒ４１２の他端には、抵抗Ｒ４１３の一端が接続されている。また、抵抗Ｒ４１２の他端と抵抗Ｒ４１３の一端との間には、電極４３２が接続されている。

以下同様に、抵抗Ｒ４１４、Ｒ４１５、Ｒ４１６、Ｒ４１７、Ｒ４１８、Ｒ４１９、Ｒ４２０、Ｒ４２１、Ｒ４２２、Ｒ４２３、Ｒ４２４、Ｒ４２５が直列接続され、Ｒ４２５の他端は接地ノードに接続されている。
また、図４に示すように、各々の抵抗と抵抗との間には、電極４３３、電極４３４、電極４３５、電極４３６、電極４３７、電極４３８、電極４３９、電極４４０、電極４４１、電極４４２、電極４４３、電極４４４が接続され、電極４４５はＲ４２５の他端と共に接地ノードに接続されている。
なお、電流制限抵抗Ｒ４１１〜Ｒ４２５は、周知の抵抗分圧回路を構成している。

電流制限抵抗Ｒ４１１の他端と抵抗Ｒ４１２の一端との間には、電極４３１の他に、第一のオペアンプ４０５の非反転入力端子が接続されている。第一のオペアンプ４０５の反転入力端子と接地ノードとの間には、抵抗Ｒ４０６が接続されている。第一のオペアンプ４０５の反転入力端子と出力端子との間には、抵抗Ｒ４０７が接続されている。したがって第一のオペアンプ４０５は、一般的な非反転増幅回路を構成する。第一のオペアンプ４０５の出力端子は、抵抗Ｒ４０８を介してＵＳＢコネクタ１１１を通じて無線通信装置１０５のＡ／Ｄ変換器２０６に接続される。

［水位センサ１０１：抵抗の構成］
これより、本発明の水位センサ１０１の分解能を説明する。
図５は、水位センサ１０１に実装される抵抗によって実現される、水田における水位の深さ（地表面から水面までの距離）に対する検出電圧との関係を示すグラフである。横軸は水位の深さであり、縦軸は第一のオペアンプ４０５の非反転入力端子に印加される、抵抗分圧回路から得られる検出電圧である。

図４に示した回路図は、抵抗分圧器を使ったスイッチのセンシングを利用したものであり、基本的な技術思想は非特許文献１に開示されている。この技術の詳細については図６Ｂにて後述する。
しかしながら、非特許文献１にも開示されていることではあるが、検出する端子の数が多くなるに連れて、長尺基板１０８上に実装される抵抗の誤差が無視できなくなる。すると、Ａ／Ｄ変換器２０６で測定する電圧に抵抗の誤差が重畳され、結果的に誤検出を引き起こす可能性が高くなる。

そこで発明者らは、稲作農家に対し、水位センサ１０１を導入する目的等を詳細に聞き取り調査を行った。その結果、水田１０３に使用する水位センサ１０１にとって、最低限必要な分解能を確保することが可能はＡ／Ｄ変換器２０６の入力電圧の範囲と、必ずしも高い分解能を必要としないＡ／Ｄ変換器２０６の入力電圧の範囲が存在することを突き止めた。

稲作農家にとって、水田１０３において最も気を付けなければならない点は、水田１０３に水１１２が存在するか、そしてその水位は５ｃｍ以上であるか否か、更に５ｃｍ以下である場合は０ｃｍ以上５ｃｍ以下の、どの程度の水位であるかである。
そこで、発明者らは水位センサ１０１に実装される電極１０９を、大きく３個のグループに分けた。

再び、図４に戻って説明すると、第一のグループＧ４５１は、地面１０４から地下に埋まる電極のグループ。第一のグループＧ４５１の電極は０ｃｍから−５ｃｍの範囲に存在する。図４の回路図では、電極４４２、電極４４３、電極４４４及び電極４４５が該当する。そして、第一のグループＧ４５１には抵抗Ｒ４２２、Ｒ４２３、Ｒ４２４、Ｒ４２５が属する。

第二のグループＧ４５２は、地面１０４から地上に露出する電極１０９のグループ。第二のグループＧ４５２の電極は０ｃｍから＋５ｃｍの範囲に存在する。図４の回路図では、電極４３７、電極４３８、電極４３９、電極４４０及び電極４４１が該当する。そして、第二のグループＧ４５２には抵抗Ｒ４１７、Ｒ４１８、Ｒ４１９、Ｒ４２０、Ｒ４２１が属する。
なお、基準線Ｌ３０３は、第一のグループＧ４５１と第二のグループＧ４５２との境目に位置する。

第三のグループＧ４５３は、第二のグループＧ４５２から更に地上に露出する電極１０９のグループ。第三のグループＧ４５３の電極は＋５ｃｍから＋１０ｃｍの範囲に存在する。図４の回路図では、電極４３２、電極４３３、電極４３４、電極４３５及び電極４３６が該当する。そして、第三のグループＧ４５３には抵抗Ｒ４１２、Ｒ４１３、Ｒ４１４、Ｒ４１５、Ｒ４１６が属する。

そして、発明者らは第二のグループＧ４５２に属する電極に対し、最大の分解能を得られるように、Ａ／Ｄ変換器２０６の入力電圧の範囲を設定した。逆に言えば、第一のグループＧ４５１及び第三のグループＧ４５３に属する電極に対しては、分解能を犠牲にする入力電圧の範囲を設定した。

図５は、この電圧の配分を説明するグラフである。
一例として、図５において、第一のグループＧ４５１に属する電極４４２、電極４４３、電極４４４及び電極４４５には、最大＋３Ｖから最小＋２．５Ｖまでの、０．５Ｖの電圧範囲Ｅ５０１が設定される。
第二のグループＧ４５２に属する電極４３７、電極４３８、電極４３９、電極４４０及び電極４４１には、最大＋２．５Ｖから最小＋１．０Ｖまでの、１．５Ｖの電圧範囲Ｅ５０２が設定される。
第三のグループＧ４５３に属する電極４３２、電極４３３、電極４３４、電極４３５及び電極４３６には、最大＋１．０Ｖから最小＋０．５Ｖまでの、０．５Ｖの電圧範囲Ｅ５０３が設定される。

図６Ａは、水１１２に浸かった状態の水位センサ１０１を示す簡略化した回路図である。
図６Ｂは、水１１２に浸かった状態の水位センサ１０１を示す等価回路図である。
今、直流定電圧ノードＥ４０４（図４参照）に、抵抗Ｒ６０１が接続され、更にＲ６０２、Ｒ６０３、Ｒ６０４、Ｒ６０５及びＲ６０６が直列接続されて、抵抗分圧回路が構成されているとする。
実際の水田１０３の水１１２には、電気抵抗が存在する。このため、図６Ａに示すように、水１１２に浸かった電極１０９は、水１１２の電気抵抗Ｒ６０７及びＲ６０８を介して設置された状態になる。
しかしながら、水１１２の電気抵抗が、直流定電圧ノードＥ４０４から直列接続される各々の抵抗の抵抗値よりも十分小さければ、図６Ｂに示すように、スイッチＳＷ６０９及びスイッチＳＷ６１０にて等価的に導通した状態とみなすことが可能である。

［水位センサ１０１：抵抗値の計算方法］
これより、水位センサ１０１に実装する抵抗の抵抗値の計算方法を説明する。この計算方法は、非特許文献１に開示されている方法と同じものである。
図７Ａは、電圧ノードに接続される抵抗Ｒ７０１と、抵抗Ｒ７０１の直下と接地ノードとの間に接続される抵抗Ｒ７０２よりなる回路図である。
図７Ａにおいて、電圧ノードに接続される抵抗Ｒ７０１と、抵抗Ｒ７０１の直下と接地ノードとの間に接続される抵抗Ｒ７０２との分圧比α_１は、以下の式で表される。

α_１＝Ｒ７０２／（Ｒ７０１＋Ｒ７０２） …（１）
上記（１）式を変形すると、以下の式になる。
Ｒ７０２＝｛α_１／（１−α_１）｝×Ｒ７０１ …（２）

図７Ｂは、電圧ノードに接続される抵抗Ｒ７０１と、抵抗Ｒ７０１の直下に接続される抵抗Ｒ７０２と、抵抗Ｒ７０２と接地ノードとの間に接続される抵抗Ｒ７０３よりなる回路図である。
電圧ノードに接続される抵抗Ｒ７０１と、抵抗Ｒ７０１の直下に接続される抵抗Ｒ７０２と、抵抗Ｒ７０２と接地ノードとの間に接続される抵抗Ｒ７０３との分圧比α_２は、以下の式で表される。

α_２＝ＲＡ／（Ｒ７０１＋ＲＡ） …（３）
上記（３）式を変形すると、以下の式になる。
ＲＡ＝｛α_２／（1−α_２）｝×Ｒ７０１ …（４）
但し、ＲＡ＝Ｒ７０２＋Ｒ７０３ …（５）
であるので、Ｒ７０３を求めてみる。

Ｒ７０３＝ＲＡ−Ｒ７０２
＝｛α_２／（1−α_２）｝×Ｒ７０１−｛α_１／（1−α_１）｝×Ｒ７０１
＝｛α_２／（1−α_２）−α_１／（1−α_１）｝×Ｒ７０１ …（６）

図７Ｃは、電圧ノードに接続される抵抗Ｒ７０１と、抵抗Ｒ７０１の直下に接続される抵抗Ｒ７０２と、抵抗Ｒ７０２の下に接続される抵抗Ｒ７０３と、抵抗Ｒ７０３と接地ノードとの間に接続される抵抗Ｒ７０４よりなる回路図である。
同様に、電圧ノードに接続される抵抗Ｒ７０１と、Ｒ７０１の直下に接続される抵抗Ｒ７０２の下に、更に接続される抵抗Ｒ７０３及び抵抗Ｒ７０４との分圧比α_３は、以下の式で表される。

α_３＝ＲＢ／（Ｒ７０１＋ＲＢ） …（７）
上記（７）式を変形すると、以下の式になる。
ＲＢ＝｛α_３／（1−α_３）｝×Ｒ７０１ …（８）

ここで、
ＲＢ＝Ｒ７０２＋Ｒ７０３＋Ｒ７０４＝ＲＡ＋Ｒ７０４ …（９）
であるので、Ｒ７０４を求めてみる。

Ｒ７０４＝ＲＢ−Ｒ７０２
＝｛α_３／（１−α_３）｝×Ｒ７０１−｛α_２／（１−α_２）｝×Ｒ７０１
＝｛α_３／（１−α_３）−α_２／（１−α_２）｝×Ｒ７０１ …（１０）

以上から、抵抗分圧回路における所望の抵抗値Ｒ_ｎは、以下の式で表される。なお、以下の式においてｎは、Ｒ７０１に直列に接続される抵抗値の数（自然数）である。

Ｒ_ｎ＝｛α_１／（１−α_１）｝×Ｒ７０１ （ｎ＝１） …（１１）
Ｒ_ｎ＝｛α_n／（1−α_n）−α_n−1／（1−α_n−1）｝×Ｒ７０１ （ｎ＞１） …（１１）

抵抗分圧回路における抵抗値の計算に際しては、先ず、分圧比αを、０より大きく１より小さい数で、電極１０９の数だけ決定する。この時、図５にて説明したように、電極１０９が属するグループに応じて、分圧比αの値を決定する。そして、直流定電圧ノードＥ４０４の直下に接続される抵抗の抵抗値を決めると、上述の式で全ての抵抗の抵抗値が求められる。

例えば、第一のグループＧ４５１の電極数を４個、第二のグループＧ４５２の電極数を５個、第三のグループＧ４５３の電極数を５個と設定し、第一のグループＧ４５１のＡ／Ｄ変換器２０６の電圧範囲は０．５Ｖ、第二のグループＧ４５２のＡ／Ｄ変換器２０６の電圧範囲は１．５Ｖ、第三のグループＧ４５３のＡ／Ｄ変換器２０６の電圧範囲は０．５Ｖとする。すなわち、第一のグループＧ４５１、第二のグループＧ４５２、そして第三のグループＧ４５３の電圧範囲の比率は、１：３：１となる。
なお、第一のグループＧ４５１の一番下に位置する電極４５５は接地ノードに接続されるので、第一のグループＧ４５１の抵抗の数は１個減って４個となる。

図７にて説明した計算方法は、第三のグループＧ４５３から分圧比を設定するので、これに習って第三のグループＧ４５３から説明する。
第三のグループＧ４５３は、０から０．２の間を５等分する分圧比を設定する。第一のグループＧ４５１の分圧比α１、α２、α３、α４、α５は、以下の値に設定する。
α１＝0.04、α２＝0.08、α３＝0.12、α４＝0.16、α５＝0.20
第二のグループＧ４５２は、０．２から０．８の間を５等分する分圧比を設定する。第二のグループＧ４５２の分圧比α６、α７、α８、α９、α１０は、以下の値に設定する。
α６＝0.32、α７＝0.44、α８＝0.56、α９＝0.68、α１０＝0.80
第一のグループＧ４５１は、０．８から１の間を５等分する分圧比を設定する。第一のグループＧ４５１の分圧比α１１、α１２、α１３、α１４は、以下の値に設定する。
α１１＝0.84、α１２＝0.88、α１３＝0.92、α１４＝0.96

一例として、直流定電圧ノードＥ４０４の直下に配置する電流制限抵抗Ｒ４１１を100ｋΩとすると、各々の抵抗値は以下の通りになる。なお、抵抗値の小数点以下は四捨五入している。
Ｒ４１２＝100ｋΩ×｛0.04／（1-0.04）｝≒4167Ω
Ｒ４１３＝100ｋΩ×｛0.08／（1-0.08）−0.04／（1-0.04）｝≒4,529Ω
Ｒ４１４＝100ｋΩ×｛0.12／（1-0.12）−0.08／（1-0.08）｝≒4,941Ω
Ｒ４１５＝100ｋΩ×｛0.16／（1-0.16）−0.12／（1-0.12）｝≒5,411Ω
Ｒ４１６＝100ｋΩ×｛0.20／（1-0.20）−0.16／（1-0.16）｝≒5,942Ω
Ｒ４１７＝100ｋΩ×｛0.32／（1-0.32）−0.20／（1-0.20）｝≒22,059Ω
Ｒ４１８＝100ｋΩ×｛0.44／（1-0.44）−0.32／（1-0.32）｝≒31,513Ω
Ｒ４１９＝100ｋΩ×｛0.56／（1-0.56）−0.44／（1-0.44）｝≒48,701Ω
Ｒ４２０＝100ｋΩ×｛0.68／（1-0.68）−0.56／（1-0.56）｝≒85,227Ω
Ｒ４２１＝100ｋΩ×｛0.80／（1-0.80）−0.68／（1-0.68）｝＝187,500Ω
Ｒ４２２＝100ｋΩ×｛0.84／（1-0.84）−0.80／（1-0.80）｝＝125,000Ω
Ｒ４２３＝100ｋΩ×｛0.88／（1-0.88）−0.84／（1-0.84）｝≒208,333Ω
Ｒ４２４＝100ｋΩ×｛0.92／（1-0.92）−0.88／（1-0.88）｝≒416,666Ω
Ｒ４２５＝100ｋΩ×｛0.96／（1-0.96）−0.92／（1-0.92）｝＝1,250,000Ω

以上のように計算して求めた抵抗値は、市場に流通する一般的な受動素子の値の系列であるＥ２４系列とは異なる値なので、市販の抵抗と抵抗値が一致することが稀である。そこで、非特許文献１に開示されているように、隣接する抵抗同士の差をＥ２４系列の値で近似することで、誤差の少ない抵抗列を形成するようにした。

なお、水位センサ１０１の製造出荷前に、各々の電極にプローブを接触させて、各抵抗の抵抗値を測定する。そして、電極毎に接地ノードとショートさせて直流定電圧ノードＥ４０４に電圧を印加して、検出電圧を図示しないサーバのデータベースに記憶しておく。すると、実際に水位センサ１０１が計測を行うときに、データベースに記憶されている電圧範囲と比較することで、高い精度の水位を得ることが可能になる。

［第二の実施形態：寒冷地仕様の水位センサ８０１：外観］
図８Ａは、本発明の第二の実施形態の例である、水位センサ８０１の表側の外観図である。
図８Ｂは、本発明の第二の実施形態の例である、水位センサ８０１の裏側の外観図である。
図８Ａ及び図８Ｂに示す水位センサ８０１の、図１に示す第一の実施形態に係る水位センサ１０１との外観上の相違点は、長尺基板１０８の裏側の、地面１０４に埋没する箇所（基準線Ｌ３０３の下側）に、サーミスタＴＨ８０２を装着している点である。
サーミスタＴＨ８０２は、水田１０３の土中の温度を計測するためのものである。

［第二の実施形態：寒冷地仕様の水位センサ８０１：回路図］
図９は、水位センサ８０１の回路図である。
なお、図９に示す回路図のうち、図４と共通する部品については同一の符号を付して説明を省略する。また、抵抗の配列は、紙面の都合上、その一部を省略している。
図９に示す水位センサ８０１の回路図と、図４に示す第一の実施形態に係る水位センサ１０１の回路図との大きな相違点は、サーミスタＴＨ８０２を設けた点である。
すなわち、図９に示すように、直流定電圧ノードＥ４０４に、抵抗Ｒ９０１とサーミスタＴＨ８０２が直列に接続されている。そして、抵抗Ｒ９０１とサーミスタＴＨ８０２との接続点に、第二のオペアンプ９０２の非反転入力端子が接続されている。

電流制限抵抗Ｒ４１１の他端と抵抗Ｒ４１２の一端との間には、電極４３１の他に、第一のオペアンプ４０５の非反転入力端子が接続されている。第二のオペアンプ９０２の反転入力端子と接地ノードとの間には、抵抗Ｒ９０３が接続されている。第二のオペアンプ９０２の反転入力端子と出力端子との間には、抵抗Ｒ９０４が接続されている。したがって第二のオペアンプ９０２は、第一のオペアンプ４０５と同様、一般的な非反転増幅回路を構成する。第二のオペアンプ９０２の出力端子は、第一のオペアンプ４０５と同様、抵抗Ｒ９０５を介してＵＳＢコネクタ１１１（図２参照）を通じて無線通信装置１０５のＡ／Ｄ変換器２０６に接続される。

主に、我が国の東北地方を境に、東北以北と以南とで、水田１０３による稲作に相違点がある。本来なら、水稲１０２は温帯から亜熱帯にかけて生育する植物であるが、我が国の稲作従事者等による長い年月をかけて行われた品種改良によって、東北以北でも稲作が可能になった。
寒冷地における稲作において、寒冷地に適応した水稲１０２は、茎や葉は比較的寒さに強いものの、茎や葉に比べると根が寒さに弱い。このため、水温が許容温度を下回ると、水稲１０２の生育に悪影響を及ぼす可能性が高くなる。

そのような時には、予め溜め池に溜め込まれた水１１２を水田１０３に供給することで、水田１０３の水温及び地温を上昇させるという対策が行われる。またその際、水稲の冷害を防ぐため、水位を５ｃｍ以上に保つことで水田を冷え難くする深水栽培が行われる。
すなわち、寒冷地における稲作では、水田１０３の水位と共に土中温度のモニタリングが重要である。

そこで、水位センサ８０１に水田１０３の土中温度を計測するサーミスタＴＨ８０２を取り付けることにより、水田１０３の水位と土中温度を同時に計測することが可能になる。
また、サーミスタＴＨ８０２は純粋な抵抗であるため、水位センサ８０１の抵抗配列と直流定電圧ノードＥ４０４を共用できるので、種類の豊富なデュアルオペアンプを最大限活用することができる。なお、デュアルオペアンプは、幅広く市場に多く出回っている電子部品である。

なお、サーミスタＴＨ８０２は水田１０３の土中温度を計測するために、長尺基板１０８の基準線Ｌ３０３の下側に設けられている。これに対し、水田１０３の水中温度を計測するサーミスタＴＨ８０３を、長尺基板１０８の基準線Ｌ３０３の上側に追加してもよい。この場合、サーミスタＴＨ８０３を追加することでオペアンプも同様に追加することになり、コネクタも必要な信号線の数を確保するために変更する必要が生じる。
またサーミスタＴＨ８０３は、必要に応じて基準線Ｌ３０３を跨ぐ位置に設置して、水と土表面の温度を計測する実施形態にしてもよい。

［第三の実施形態：ＥＣ値計測仕様の水位センサ１００１：外観］
図１０Ａは、本発明の第三の実施形態の例である、水位センサ１００１の表側の外観図である。図１０Ｂは、本発明の第三の実施形態の例である、水位センサ１００１の裏側の外観図である。
図１０Ａ及び図１０Ｂに示す水位センサ１００１の、図１に示す第一の実施形態に係る水位センサ１０１との外観上の相違点は、長尺基板１０８の裏側の、地面１０４に埋没する箇所（基準線Ｌ３０３の下側）に、水田１０３の土中の抵抗値を計測する電極１００２と電極１００３を設けた点である。すなわち、この電極１０９は水田１０３の土中の電気伝導度（ＥＣ値：Electro-Conductance）を計測することにより、土中の抵抗値を計測している。

［第三の実施形態：ＥＣ値計測仕様の水位センサ１００１：回路図］
図１１は、第三の実施形態で用いられる水位センサ１００１の回路図である。なお、図１１に示す回路図のうち、図４及び図９と共通する部品については同一の符号を付して説明を省略する。また、抵抗の配列は、紙面の都合上、その一部を省略している。
図１１に示す水位センサ１００１の回路図の、図９に示す第二の実施形態に係る水位センサ１０１の回路図との相違点は、サーミスタＴＨ８０２の代わりに電極１００２が第二のオペアンプ９０２の非反転入力端子に接続されていると共に、電極１００２の近傍に接地ノードに接続される電極１００３が設けられている点である。

稲作に限らず、農作物や観葉植物等の栽培において、肥料の濃度は極めて重要である。これ以降、農作物及び観葉植物を包含する上位概念の言葉として「作物」という言葉を用いることとする。作物に施肥を行う際、作物の生育状況に応じて、肥料の濃度を増減しなければならない。土中または水中の肥料の濃度を計測する単位として、土中または水中の電気伝導度の値（ＥＣ値）が用いられる。このＥＣ値は抵抗値の逆数であるので、第二の実施形態におけるサーミスタＴＨ８０２と同様、第二のオペアンプ９０２で電極間に流れる電流に起因する電位差を計測することで、ＥＣ値を算出することが可能になる。
更に、電極間の抵抗値を計測することで、水１１２の電気抵抗による水位センサ１００１の計測値の誤差を低減することが可能になる。

本発明の実施形態においては、水位センサを開示した。
水田１０３の地面１０４に差し込んで運用する、直流電流を用いて直列接続される抵抗の分圧によって水田１０３の水位を計測する水位センサ１０１において、水位センサ１０１に実装される電極１０９と、それら電極１０９に接続される抵抗を、３つのグループに分けた。第一のグループＧ４５１は、地面１０４から地下に埋まる電極１０９のグループである。第二のグループＧ４５２は、地面１０４から地上の所定の水位まで露出する電極１０９のグループである。第三のグループＧ４５３は、第二のグループＧ４５２より更に上の水位に露出する電極１０９のグループである。

そして、第二のグループＧ４５２に割り当てられるＡ／Ｄ変換器２０６の電位差を、第一のグループＧ４５１及び第三のグループＧ４５３より大きい電位差にて割り当てるようにした。これにより、水田１０３の水位計測に最も必要な水位の範囲に対して必要な分解能を得ることができるようになった。

また、本発明の水位センサ１０１は、第二のグループＧ４５２を高分解能領域に設定したが、高分解能領域の設定箇所は必ずしも第二のグループＧ４５２の位置に限られない。例えば、用水路の水位の溢れを計測するために、第三のグループＧ４５３を高分解能領域とし、第一のグループＧ４５１及び第二のグループＧ４５２の位置を低分解能に構成してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。

１０１…水位センサ、１０２…水稲、１０３…水田、１０４…地面、１０５…無線通信装置、１０６…ケーブル、１０７…単管パイプ、１０８…長尺基板、１０９…電極、１１０…回路ユニット、１１１…ＵＳＢコネクタ、１１２…水、２０１…バス、２０２…ＣＰＵ、２０３…ＲＯＭ、２０４…ＲＡＭ、２０５…近距離無線インターフェース、２０６…Ａ／Ｄ変換器、２０７…バッファ、２０８…出力ポート、２０９…移動体通信網インターフェース、２１０…太陽電池、２１２…センサ電源スイッチ、３０１…チップ抵抗、３０２…増幅部、４０５…第一のオペアンプ、４３１、４３２、４３３、４３４、４３５、４３６、４３７、４３８、４３９、４４０、４４１、４４２、４４３、４４４、４４５、４５５…電極、８０１…水位センサ、９０２…第二のオペアンプ、１００１…水位センサ、１００２…電極、１００３…電極、Ｒ４１１…電流制限抵抗、Ｒ４０１、Ｒ４０６、Ｒ４０７、Ｒ４０８、Ｒ４１２、Ｒ４１３、Ｒ４１４、Ｒ４１７、Ｒ４２２、Ｒ６０１、Ｒ７０１、Ｒ７０２、Ｒ７０３、Ｒ７０４、Ｒ９０１、Ｒ９０３、Ｒ９０４、Ｒ９０５…抵抗、Ｒ６０７、Ｒ６０８…電気抵抗、Ｃ２１１…大容量キャパシタ、Ｌ３０３…基準線、Ｃ４０２…コンデンサ、Ｄ４０３…ツェナーダイオード、ＳＷ６０９…スイッチ、ＳＷ６１０…スイッチ、ＴＨ８０２、ＴＨ８０３…サーミスタ

Claims (4)

1. 長手方向の一部が水田の地面に埋設される基板と、
   一端が直流定電圧ノードに接続される電流制限抵抗と、
   前記電流制限抵抗の他端と接地ノードとの間に直列接続される複数の抵抗と、
   前記複数の抵抗同士の接続点に接続され、前記基板の長手方向に等間隔に配置される複数の電極と、を具備し、前記電流制限抵抗の他端と前記複数の抵抗との間の接続点から検出電圧を得る水位センサであって、
   前記複数の抵抗は、
   前記接地ノードから前記水田の前記地面の表面までに位置する前記電極に接続される第一のグループと、
   前記第一のグループに接続され、前記水田の前記地面の表面から所定の水位までに位置する前記電極に接続される第二のグループと、
   前記第二のグループと前記直流定電圧ノードとの間に接続され、前記第二のグループに属する前記電極より更に上の水位に位置する前記電極に接続される第三のグループと
   に分類され、
   前記第二のグループから得られる検出電圧の電圧幅は、前記第一のグループ及び前記第三のグループから得られる検出電圧の電圧幅より広くなるように、前記抵抗の抵抗値が設定される、水位センサ。
2. さらに、前記直流定電圧ノードには、抵抗を介して前記地面に埋没する箇所に配置されたサーミスタが接続されており、前記サーミスタにより前記地面の土中温度を計測する、
   請求項１に記載の水位センサ。
3. さらに、前記直流定電圧ノードには、抵抗を介して前記水田の地面から露出する箇所に配置されたサーミスタが接続されており、前記サーミスタにより前記水田の水中温度を計測する、
   請求項１に記載の水位センサ。
4. さらに、前記直流定電圧ノードには、前記基板の長手方向に等間隔に配置される複数の電極とは別に、抵抗を介して地面に埋没する箇所に一対の電極が取り付けられ、前記一対の電極により土中の電気伝導度を測定する、
   請求項１に記載の水位センサ。
   

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