JP2020103285A - 圃場水管理システム及び給水栓制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池の消耗を回避しつつ、通信の遅延を緩和することができる圃場水管理システム。【解決手段】給水栓と、給水栓を作動させるアクチュエータと、電子制御回路と、蓄電池とを備えた給水栓制御装置と、給水栓制御装置に対する遠隔操作情報を設定入力する遠隔操作端末と、遠隔操作端末から遠隔操作情報を受信して対応する給水栓制御装置を遠隔制御する圃場水管理サーバと、を備えている圃場水管理システムであって、電子制御回路は、蓄電池の電力消費を制限する省電力状態と、省電力状態から周期的にウェイクアップして圃場水管理サーバとの交信を含む制御動作を実行可能な動作状態との間で動作モードを切り替える給水栓電力管理部を備え、給水栓電力管理部は、蓄電池の残容量に基づいて前記電子制御回路のウェイクアップ周期を可変に設定するように構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、圃場水管理システム及び給水栓制御装置に関する。

特許文献１には、圃場への給水または圃場からの排水を制御するための変位機構を作動させる圃場用電動アクチュエータを備えた給水栓や排水栓が開示されている。これらの給水栓や排水栓を用いることにより、圃場水管理サーバを介して圃場への給水や圃場からの排水を遠隔制御することが可能になる。

当該圃場用電動アクチュエータは、給水栓や排水栓を制御する制御装置であり、給水栓または排水栓を作動させる電動モータを備えたアクチュエータと、アクチュエータを制御するとともに圃場水管理サーバと交信する電子制御回路を備えた制御部を備えている。

そして、商用電源設備から離隔した圃場では商用電源を利用するのが困難なため、制御部及びアクチュエータに給電する蓄電池と、蓄電池の充電状態の低下を回避するため充電用のソーラーセルを備えている。

さらに、蓄電池の電力を無駄に消費することがないように、制御部は蓄電池の消費電力を制限する省電力状態と、省電力状態から周期的にウェイクアップして圃場水管理サーバとの交信を含む制御動作を実行可能な動作状態との間で動作モードを切り替えるように構成され、制御部は動作状態に切り替わった時に圃場水管理サーバとの交信、給水栓に対するアクチュエータの制御、水位の計測などを行なうように構成されている。

特開２０１７−１９３９１４号公報

しかし、蓄電池の消耗を回避するために省電力状態と動作状態とを切り替える周期を長くすると、圃場水管理サーバから制御装置に対して緊急を要する指令を送信する際に少なくとも１周期分の遅延が生じることになる。

また、省電力状態と動作状態とを切り替える周期を短くすると、圃場水管理サーバからの指令を受信する遅延時間が短くなるが、蓄電池の消耗が早まるという問題があった。

本発明の目的は、上述した問題に鑑み、蓄電池の消耗を回避しつつ、通信の遅延を緩和することができる圃場水管理システム及び給水栓制御装置を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による圃場水管理システムの第一の特徴構成は、給水栓と、前記給水栓を作動させるアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する給水制御部と圃場水管理サーバと交信する通信部とを有する電子制御回路と、前記電子制御回路及び前記アクチュエータに給電する蓄電池とを備え、前記給水栓から灌漑用水を圃場に給水する給水栓制御装置と、前記給水栓制御装置に対する遠隔操作情報を設定入力する遠隔操作端末と、前記遠隔操作端末から前記遠隔操作情報を受信して対応する給水栓制御装置を遠隔制御する圃場水管理サーバと、を備えている圃場水管理システムであって、前記電子制御回路は、前記蓄電池の電力消費を制限する省電力状態と、前記省電力状態から周期的にウェイクアップして前記圃場水管理サーバとの交信を含む制御動作を実行可能な動作状態との間で動作モードを切り替える給水栓電力管理部を備え、前記給水栓電力管理部は、前記蓄電池の残容量に基づいて前記電子制御回路のウェイクアップ周期を可変に設定するように構成されている点にある。

蓄電池の残容量に基づいて電子制御回路のウェイクアップ周期が可変に設定されるため、蓄電池の消耗を回避しつつ、通信の遅延を緩和することができる。例えば、蓄電池の残容量が充分であればウェイクアップ周期を短い値に設定して遅延を短くし、蓄電池の残容量が低下すればウェイクアップ周期を長い値に設定して蓄電池の残容量の低下を抑制することができる。

同第二の特徴構成は、上述の第一の特徴構成に加えて、前記圃場水管理サーバは、前記給水栓制御装置から送信された前記蓄電池の残容量に基づいて前記給水栓電力管理部の前記ウェイクアップ周期の設定情報を更新するように構成されている点にある。

圃場水管理サーバが各給水栓制御装置から送信された蓄電池の残容量を管理し、各残容量に基づいてウェイクアップ周期の設定情報を更新することにより、各給水栓制御装置のウェイクアップ周期に基づいて効率的に制御部の管理ができるようになる。

同第三の特徴構成は、上述の第二の特徴構成に加えて、前記給水栓制御装置は前記蓄電池を充電するソーラーセルをさらに備え、前記圃場水管理サーバは、前記蓄電池の残容量情報に加えて日照情報、時刻情報の何れかの情報に基づいて前記給水栓電力管理部に設定された前記ウェイクアップ周期の設定情報を更新するように構成されている点にある。

蓄電池の残容量に加えて、日照情報からソーラーセルによる発電能力及び蓄電池へ充電能力を評価でき、時刻情報により例えばソーラーセルによる充電が可能な昼間であるのか、充電ができない夜間であるのかを判断できるため、より適切なウェイクアップ周期を設定できる。

同第四の特徴構成は、上述の第二または第三の特徴構成に加えて、前記圃場水管理サーバは、前記遠隔操作端末から計画外の遠隔操作情報を受信した場合に、前記蓄電池の残容量にかかわらず前記給水栓電力管理部に設定された前記ウェイクアップ周期の設定情報を更新するように構成されている点にある。

圃場水管理サーバが遠隔操作端末から計画外の何らかの遠隔操作情報を受信した場合に、蓄電池の残容量にかかわらずウェイクアップ周期の設定情報を更新することにより、ウェイクアップ周期に起因する応答遅延を回避することができる。

同第五の特徴構成は、上述の第四の特徴構成に加えて、前記計画外の遠隔操作情報に、給水栓開閉要求またはウェイクアップ周期更新要求が含まれる点にある。

圃場水管理サーバが遠隔操作端末から給水栓開閉要求またはウェイクアップ周期更新要求があった場合に、ウェイクアップ周期の設定情報を更新することで、その後、圃場水管理サーバから送信される指令に対して大きな遅延を招くことなく給水栓の開閉制御などの適切な応答が可能になる。

同第六の特徴構成は、上述の第二から第五の何れかの特徴構成に加えて、前記圃場水管理サーバは前記給水栓制御装置に時刻情報を送信し、前記給水栓電力管理部は前記時刻情報に基づいて前記ウェイクアップ周期及び時刻を設定する点にある。

圃場水管理サーバから送信された時刻情報に基づいてウェイクアップ周期が設定されるので、圃場水管理サーバと電子制御回路との間で時間同期が図られ、圃場水管理サーバから各電子制御回路に適切に無駄なく通信することができるようになる。

同第七の特徴構成は、上述の第二から第五の何れかの特徴構成に加えて、前記給水栓電力管理部は、前記圃場水管理サーバから送信された前記ウェイクアップ周期の設定情報にかかわらず、前記蓄電池の残容量に基づいて前記ウェイクアップ周期を自動設定する自動設定部を備えている点にある。

圃場水管理サーバから送信されたウェイクアップ周期の設定情報が蓄電池の残容量にそぐわないような異常な場合に、自動設定部によりウェイクアップ周期を設定することにより蓄電池の残容量を効率的に使用できるようになる。

本発明による給水栓制御装置の第一の特徴構成は、前記給水栓を作動させるアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する給水制御部と圃場水管理サーバと交信する通信部とを有する電子制御回路と、前記電子制御回路及び前記アクチュエータに給電する蓄電池とを備え、前記給水栓から灌漑用水を圃場に給水する上述した第一から第七の何れかの特徴構成を備えた圃場水管理システムに用いられる給水栓制御装置であって、前記電子制御回路は、前記蓄電池の電力消費を制限する省電力状態と、前記省電力状態から周期的にウェイクアップして前記圃場水管理サーバとの交信を含む制御動作を実行可能な動作状態と、を切り替える給水栓電力管理部を備え、前記給水栓電力管理部は、前記蓄電池の残容量に基づいてウェイクアップ周期を可変に設定するように構成されている

同第二の特徴構成は、上述の第一の特徴構成に加えて、前記給水栓電力管理部は、前記動作状態に移行した後の所定時間内に前記圃場水管理サーバからのアクセスが無い場合に、前記省電力状態に移行するように構成されている点にある。

以上説明した通り、本発明によれば、蓄電池の消耗を回避しつつ、通信の遅延を緩和することができる圃場水管理システム及び給水栓制御装置を提供することができるようになった。

圃場水管理システムの説明図 給水栓制御装置及び排水栓制御装置の機能ブロックの説明図 給水栓装置の断面図 排水栓装置の断面図 給水栓制御装置により実行される圃場の給水制御の手順を示すフローチャート 圃場水管理サーバにより実行される圃場の給水制御の手順を示すフローチャート

以下に、本発明による圃場水管理システム及び給水栓制御装置を説明する。
［圃場水管理システムの構成］
図１に示すように、稲作が行なわれている各圃場１には、給水管１０に流れる用水を、導水路１１を介して圃場１に導く給水栓装置１２と、放水路２１を介して圃場１の水を排水路２０に排水する排水栓装置２２が設けられ、給水栓装置１２には圃場１の水位を計測する静電容量式の水位センサ２が設けられている。

各給水栓装置１２及び排水栓装置２２がインターネット３０を介して圃場水管理サーバ３４と接続可能に構成され、圃場１の管理者が所有するスマートフォンなどの携帯端末３６がインターネット３０を介して圃場水管理サーバ３４と接続可能に構成されている。即ち、各給水栓装置１２及び排水栓装置２２、携帯端末３６、圃場水管理サーバ３４と、それらを通信可能に接続するインターネット３０により圃場水管理システム１００が構成されている。

稲作を例に説明すると、稲作の各工程、例えば、代掻き、田植え、活着期、分げつ期（前期、後期）、幼穂形成期〜出穂開花期、登熟期など、各時期に応じて圃場の貯水水位を調整する必要がある。特に代掻き時期には複数の圃場が一斉に導水することになるため、湛水のために効率的に給水管理する必要がある。

そのため、圃場水管理サーバ３４は、各管理者により携帯端末３６を介して要求された各圃場１に対する給水要求に基づいて各圃場１に対する給水スケジュールを生成するように構成されている。即ち、携帯端末３６が遠隔操作端末として機能する。

携帯端末３６から送信される給水要求には、給水対象となる圃場を特定する圃場ＩＤ、給水日時、給水水位が含まれる。圃場水管理サーバ３４は、予め登録された圃場マップに従って、給水要求があった各圃場に対する給水スケジュールを生成して圃場水管理サーバ３４に備えた記憶部に記憶するように構成されている。

圃場水管理サーバ３４は、記憶部に記憶された給水スケジュールに定められた給水日時に、該当する圃場１の排水栓装置２２に対して排水水位調整指令を出力するとともに、該当する圃場１の給水栓装置１２に給水指令を出力する。排水水位とは目標とする圃場の貯水水位を意味する。

排水水位調整指令を受信した排水栓装置２２はアクチュエータを介して堰体である排水筒を上下移動させて排水水位を調整し、給水指令を受信した給水栓装置１２はアクチュエータを介して給水弁を開放して圃場１に用水を導く。水位センサ２の信号線が接続された給水栓装置１２は、水位センサ２により検出された圃場水位が所定の貯水水位に達したと判断すると、アクチュエータを介して給水弁を閉止して給水を停止する。

また、圃場水管理サーバ３４が各圃場１の貯水水位を把握できるように、給水栓装置１２は水位センサ２により検出された圃場水位を圃場水管理サーバ３４に送信してもよい。この場合、圃場水管理サーバ３４は受信した水位情報から貯水水位が目標水位に達したと判断すると、給水栓装置１２に対して給水停止指令を送信し、給水停止指令を受信した給水栓装置１２がアクチュエータを介して給水弁を閉止して給水を停止するように構成してもよい。

図２に示すように、排水栓装置２２は、排水栓２２Ａと、排水栓２２Ａに着脱自在に構成された排水栓制御装置２２Ｂで構成されている。
排水栓制御装置２２Ｂは、排水栓２２Ａを作動させるアクチュエータ２４０と、アクチュエータ２４０を制御する排水水位制御部２３６と、圃場水管理サーバ３４と交信する通信部２３７と、排水栓電力管理部２３９と、を備えている。また、アクチュエータ２４０に備えたモータ、排水水位制御部２３６、通信部２３７などに給電する蓄電池２３３、蓄電池２３３を充電するソーラーセル２３２を備えている。

排水水位制御部２３６及び通信部２３７はＣＰＵ、メモリ、入出力回路や通信回路などの周辺回路を備えて構成され、メモリに格納された制御プログラムがＣＰＵで実行されることにより所定の機能、ここでは排水栓２２Ａに備えた堰体に対する昇降制御機能が実現される。即ち、制御盤２３５が電子制御回路となる。

給水栓装置１２は、給水栓１２Ａと、給水栓１２Ａに着脱自在に構成された給水栓制御装置１２Ｂで構成されている。
給水栓制御装置１２Ｂは、給水栓１２Ａを作動させるアクチュエータ１４０と、アクチュエータ１４０を制御する給水制御部１３６と、圃場水管理サーバ３４と交信する通信部１３７と、給水栓電力管理部１３９と、を備えている。また、アクチュエータ１４０に備えたモータ、給水制御部１３６、通信部１３７などに給電する蓄電池１３３、蓄電池１３３を充電するソーラーセル１３２を備えている。

［給水栓装置の構成］
図３に示すように、給水栓制御装置１２Ｂは、圃場に設けられた給水桝１０１（図１参照。）に収容される給水栓１２Ａの上面に着脱自在に取り付けられる。

給水栓１２Ａは、円筒状の弁箱１２０と、弁箱１２０の上下方向中央部に内周側に突出形成された弁座１２１と、弁座１２１に対向配置され、下面にゴム製のシール部材１２３が取り付けられた円盤状の弁体１２４を備えている。弁箱１２０の下端が給水管１０から分岐した導水路１１に接続されている。

弁箱１２０の上端部には、内周面に雌ネジが形成された軸受１２６が取り付けられ、軸受１２６には外周面に雄ネジが形成された弁軸１２５が螺合されている。そして弁軸１２５の下端が弁体１２４に固定されている。

弁座１２１の中央部には通水孔１２２が形成され、弁箱１２０の側壁上部には、複数の出水窓１２７が周方向に並ぶように形成されている。弁軸１２５に回転力が付与されると、軸受１２６に沿って弁軸１２５が上下移動し、弁軸１２５の上下移動に伴って弁体１２４が上下する。即ち、弁座１２１と弁体１２４と弁座１２１と弁体１２４との間に設けられたシール部材１２３などで弁機構が構成されている。

給水栓制御装置１２Ｂは、水密性のケーシング１３１と、ケーシング１３１の天面に太陽を臨むように傾斜姿勢で取り付けられたソーラーセル１３２と、ケーシング１３１に収容された駆動機構１４０と、蓄電池１３３と、アンテナ１３４と、制御盤１３５などを備えて構成されている。制御盤１３５には、弁機構を制御する給水制御部１３６と通信部１３７などが組み込まれている。

給水制御部１３６及び通信部１３７はＣＰＵ、メモリ、入出力回路や通信回路などの周辺回路を備えて構成され、メモリに格納された制御プログラムがＣＰＵで実行されることにより所定の機能、ここでは給水栓１２Ａに備えた弁機構に対する開閉制御機能が実現される。即ち、制御盤１３５が本発明の電子制御回路となる。

給水制御部１３６は、通信部１３７を介して圃場水管理サーバ３４から吸水指示されると予め設定された弁開度まで開弁するべく駆動機構１４０を介して排弁機構を制御し、圃場水管理サーバ３４から圃場の貯水水位が目標水位となったことが送信されると弁機構を閉止する。

ソーラーセル１３２による発電電力が蓄電池１３３に充電され、蓄電池１３３の充電電力が給水制御部１３６及び通信部１３７の制御電力として消費される。

駆動機構１４０は、エンコーダが内蔵されたＤＣモータ１４１と、ＤＣモータ１４１の出力軸に設けられたギア１４２と噛合する中空のメインギア１４３と、メインギア１４３の中空部に挿通された駆動軸１４６などを備えて構成され、弁体１２４を昇降駆動するアクチュエータとして機能する。

メインギア１４３は、上下方向に延びる円筒状のボス部１４４と、ボス部１４４の上下方向中央部に延出形成された円盤状のギア部１４５とを備えた両ボス型のギアで、ボス部１４４の上下が軸受で回転可能に支持されている。ボス部１４４の内周面に形成されたキー溝に駆動軸１４６の外周面に突出形成されたキーが勘合して、メインギア１４３と駆動軸１４６とが一体回転するように構成されている。

駆動軸１４６の下端と弁軸１２５の上端がカップリング１４７を介して駆動連結され、ＤＣモータ１４１が一方向に回転駆動すると弁体１２４が上昇して給水状態となり、ＤＣモータ１４１が反対方向に回転駆動すると弁体１２４が降下して止水状態になる。

［排水栓装置の構成］
図４に示すように、排水栓制御装置２２Ｂは、圃場に設けられた排水桝２０１（図１参照。）に収容される排水栓２２Ａの上面に着脱自在に取り付けられる。

排水栓２２Ａは、排水桝２０１の底部に設置された受枠部材２１１と、受枠部材２１１によって上下移動可能に支持される円筒状の排水筒である堰体２１２と、堰体２１２を上下移動する昇降機構２２０を備えている。堰体２１２の上端開口が排水口２１２ａとして機能し、圃場１に給水された余剰の用水が当該排水口２１２ａから溢流して放水路２１に流出する。

堰体２１２の上端開口に側面視コの字状の支持部２１３が固定され、当該支持部２１３に昇降機構２２０が取り付けられている。昇降機構２２０は、支持部２１３の上面に固定され、内周面に雌ネジが形成された円筒状の可動部２２１と、外周面に雄ネジが形成され、可動部２２１の雌ネジと螺合する回転軸２２２と、可動部２２１が回転軸２２２と連れ回りすることを防止する一対の棒状体２２３を備えている。

つまり、回転軸２２２が一方向に回転することにより、支持部２１３を介して可動部２２１に取付けられた堰体２１２が可動部２２１とともに上昇し、回転軸２２２が反対方向に回転することにより、支持部２１３を介して可動部２２１に取付けられた堰体２１２が可動部２２１とともに降下する。上述した堰体２１２と昇降機構２２０によって排水水位調節部２１０が構成されている。
排水栓制御装置２２Ｂは、基本的構造が上述した給水栓制御装置１２Ｂと同様である。

［給水栓制御装置と圃場水管理サーバとの通信の同期］
給水栓制御装置１２Ｂは、蓄電池１３３の電力消費を制限する省電力状態と、省電力状態から周期的にウェイクアップして圃場水管理サーバとの交信を含む制御動作を実行可能な動作状態との間で動作モードを切り替える給水栓電力管理部１３９を備えている。省電力状態ではＣＰＵの動作の基準となる内部クロックの周期が通常の動作状態より低周期となり、一部のタイマ回路や割込み回路などを除いて動作が停止される。

後に詳述するが、給水栓制御装置１２Ｂは、蓄電池１３３の残容量に基づいて設定されるウェイクアップ周期で省電力状態から動作状態に切り替わり、動作状態で給水栓１２Ａに対する開閉制御を行ない、圃場水管理サーバとの通信を行なうように構成されている。

圃場水管理サーバ３４は、給水栓制御装置１２Ｂが動作状態にある期間に当該給水栓制御装置１２Ｂに対して発信を行ない、給水栓制御装置１２Ｂが省電力状態にある期間に発信を回避するように制御する。給水栓制御装置１２Ｂが省電力状態にある期間に発信しても給水栓制御装置１２Ｂが応答できないためである。

圃場水管理サーバ３４は、各給水栓制御装置１２Ｂが動作状態にある期間に適切に発信できるように、各給水栓制御装置１２Ｂに対して基準時間情報として時刻情報を送信するとともに、各給水栓制御装置１２Ｂから送信された蓄電池の残容量に基づいてウェイクアップ周期の設定情報を送信するように構成されている。ウェイクアップ周期を規定する蓄電池の残容量は少なくとも直近の過去複数回の平均値を用いることが好ましい。

各給水栓制御装置１２Ｂは、圃場水管理サーバ３４から送信された時刻情報に同期するように基準となる内部タイマを設定し、圃場水管理サーバ３４から送信されたウェイクアップ周期でウェイクアップするようにウェイクアップタイマを設定するように構成されている。

［給水栓制御装置の給電管理］
給水栓電力管理部１３９は、蓄電池１３３の電圧を検出する電圧検出回路と、ウェイクアップタイマ回路と、ウェイクアップ割込み回路で構成されている。給水栓電力管理部１３９は電圧検出回路で検出された蓄電池１３３の電圧に基づいて蓄電池１３３の残容量を把握し、残容量に基づいてウェイクアップタイマ回路のタイマ値を設定するように構成されている。

給水栓電力管理部１３９がウェイクアップタイマ回路にタイマ値を設定してスリープコマンドを実行することによりＣＰＵは省電力状態に移行する。省電力状態に移行した後にタイマ回路に設定されたタイマ値がカウントダウンされる。タイマ値が零になるとタイマ回路からウェイクアップ割込み回路に割込み信号が入力されてＣＰＵはスリープ状態からウェイクアップして通常動作状態に移行する。当該タイマ値によりウェイクアップ周期が規定される。

給水栓電力管理部１３９は、蓄電池１３３の残容量に基づいて電子制御回路のウェイクアップ周期を可変に設定するように構成され、蓄電池１３３の電圧が十分高い場合にウェイクアップタイマ回路のタイマ値は短い値に設定され、蓄電池１３３の電圧が低い場合にウェイクアップタイマ回路のタイマ値は長い値に設定され電力消費が抑制される。

上述したように電圧検出回路で検出された蓄電池１３３の電圧は、通信部１３７を介して圃場水管理サーバ３４に送信され、圃場水管理サーバ３４によって各給水栓装置１２に備えた蓄電池の残容量が管理され、各蓄電池の残容量に基づいて各給水栓制御装置１２Ｂのウェイクアップタイマ回路のタイマ値が更新されるように管理されることが好ましい。

さらに、圃場水管理サーバ３４は、蓄電池１３３の残容量情報に加えて日照情報、時刻情報の何れかの情報に基づいて給水栓電力管理部に設定されたウェイクアップ周期の設定情報を更新するように構成されていることが好ましい。

蓄電池１３３の残容量に加えて、日照情報からソーラーセル１３２による発電能力及び蓄電池へ充電能力を評価でき、時刻情報により例えばソーラーセル１３２による充電が可能な昼間であるのか、充電ができない夜間であるのかを判断できるため、より適切なウェイクアップ周期を設定できる。

例えば、蓄電池１３３の残容量が同じであっても、日照条件が悪い曇天や夜間であればソーラーセル１３２による充電が期待できないため、ウェイクアップ周期を長く設定し、日照条件が良い晴天や昼間であればソーラーセル１３２による充電が期待できるのでウェイクアップ周期を短く設定することが可能となる。

日照情報として当日の天候及び時刻情報に季節情報を加味することも可能である。同じ天候及び時刻であっても例えば夏と冬ではソーラーセル１３２の発電能力が相違するため、残容量及び日照情報に基づいて一律にウェイクアップ周期を設定するよりも季節情報を加味した方がより適切なウェイクアップ周期に設定できる。

そのような複数の変動因子の影響を加味して適切なウェイクアップ周期を求めるために機械学習装置を用いることができる。例えば、蓄電池の残容量、時刻情報、その時点の日照情報、季節情報、給水栓装置や排水栓装置の稼働状態を其々正規化した値を入力値とし、入力値に対する最適なウェイクアップ周期を出力値とする機械学習装置を用いればよい。

蓄電池の残容量を０〜１００％、時刻情報を０〜１００％（例えば正午を１００％、午後６時から午前６時を０％、その間を滑らかな曲線で表す）、日照情報を０〜１００％（例えば、夜間０％、昼間快晴１００％、晴天８０％、曇天６０％、雨天３０％）、季節情報を４０〜１００％（例えば、夏至１００％、冬至４０％、春分及び秋分７０％、その間を滑らかな曲線で表す）、給水栓装置や排水栓装置の稼働状態を０〜１００％（例えば、代掻き、田植え、活着期、分げつ期（前期、後期）、幼穂形成期〜出穂開花期、登熟期など稲作の各工程に対して水位管理の重要度の高い時期の順に１００％から農閑期の０％の間で設定する）に正規化することができる。

機械学習装置に用いられるアルゴリズムとして、予め上述の入力値に対する最適な出力値の組み合せを教師信号に用いて学習したニューラルネットワークを好適に採用することができる。

また、グラフ探索アルゴリズムを用いた動的計画法を採用することも可能であり、確率分布関数を用いた統計的アルゴリズムを用いることも可能である。

圃場水管理サーバ３４は、遠隔操作端末３６から計画外の遠隔操作情報を受信した場合に、蓄電池１３３の残容量にかかわらず給水栓電力管理部１３９に設定されたウェイクアップ周期の設定情報を更新するように構成されている。

蓄電池の残容量が低く長いウェイクアップ周期に設定されている場合に、より短いウェイクアップ周期に設定することにより、ウェイクアップ周期に起因する給水栓制御装置１２Ｂの応答遅延を回避することができる。

例えば、予定された給水スケジュールとは異なる計画外の遠隔操作情報として、給水栓開閉要求が遠隔操作端末３６から圃場水管理サーバ３４に送信されるような場合に、事前にウェイクアップ周期を短くすることにより給水栓開閉要求に対する応答遅れが回避できる。計画外の遠隔操作情報は、圃場に湛水するための給水栓開閉要求に限るものではなく、給水栓装置１２の試運転などが含まれる。

また、計画外の遠隔操作情報として蓄電池１３３を交換した場合や蓄電池１３３を急速充電した場合に、遠隔操作端末３６から圃場水管理サーバ３４にウェイクアップ周期再設定要求を送信し、圃場水管理サーバ３４がその後に給水栓制御装置１２Ｂから受信した残容量に基づいて直ちに対応するウェイクアップ周期に設定するようにしてもよい。直近に受信した過去の残容量の平均値に基づく場合には直ちにウェイクアップ周期が交信されない虞があるためである。

なお、遠隔操作端末３６から圃場水管理サーバ３４に対して給水栓開閉要求が発生する予備要求が行なわれ、当該予備要求に応答して圃場水管理サーバ３４から給水栓制御装置１２Ｂにウェイクアップ周期の設定情報が送られることが好ましい。この様な予備要求としてウェイクアップ周期更新要求が含まれる。圃場水管理サーバ３４が遠隔操作端末３６からウェイクアップ周期更新要求を受信したときに給水栓制御装置１２Ｂにウェイクアップ周期の設定情報が送られ、短いウェイクアップ周期に設定されると、その後に発生する給水栓開閉要求に迅速に応答できるようになる。

圃場水管理サーバ３４は、このようにして蓄電池１３３の残容量にかかわらず短いウェイクアップ周期に設定した場合に、遠隔操作端末３６から計画外の遠隔操作情報が所定時間受信されない場合には蓄電池１３３の残容量に対応したウェイクアップ周期に再設定するように構成されている。

給水栓電力管理部１３９は、圃場水管理サーバ３４から送信されたウェイクアップ周期の設定情報にかかわらず、蓄電池の残容量に基づいてウェイクアップ周期を自動設定する自動設定部を備えていることが好ましい。

圃場水管理サーバ３４から送信されたウェイクアップ周期の設定情報が蓄電池１３３の残容量に対応しない異常な状態が続く場合に、自動設定部によりウェイクアップ周期を適正値に設定することにより適切な動作が可能になる。この場合には、給水栓制御装置１２Ｂから自発的に圃場水管理サーバ３４にその旨の送信を行なうことで、以後の圃場水管理サーバ３４からの発信タイミングを適正化できるようになる。

以上説明した給水栓電力管理部１３９の構成と同様、排水栓電力管理部２３９は、蓄電池２３３の電圧を検出する電圧検出回路と、ウェイクアップタイマ回路と、ウェイクアップ割込み回路で構成されている。排水栓電力管理部２３９は電圧検出回路で検出された蓄電池２３３の電圧に基づいて蓄電池２３３の残容量を把握し、残容量に基づいてウェイクアップタイマ回路のタイマ値を設定するように構成されている。

そして、詳しい説明は省略するが、ウェイクアップ周期の設定に関する圃場水管理サーバ３４と給水栓制御装置１２Ｂの遣り取りと同様のやり取りが、圃場水管理サーバ３４と排水栓制御装置２２Ｂの間でも行われる。

少なくとも同じ圃場に設置された給水栓制御装置１２Ｂと排水栓制御装置２２Ｂに対しては、蓄電池の残容量が少ない方のウェイクアップ周期に統一することが好ましい。排水水位の双方がウェイクアップした後に圃場水管理サーバ３４が交信できるような環境を整えることができる。

図５には給水栓制御装置１２Ｂにより実行される圃場１の給水制御の手順が示されている。
給水栓制御装置１２Ｂは、省電力状態から通常動作モードに切り替わると（ＳＡ１）、水位及び蓄電池１３３の電圧を計測した後に（ＳＡ２）、湛水制御状態であるか否かを判断し、湛水制御状態であれば（ＳＡ３，Ｙ）、目標水位に到ったか否かを判断し、目標水位に達していれば（ＳＡ４，Ｙ）、給水栓１２Ａを閉止する（ＳＡ５）。なお、ステップＳＡ３で湛水制御状態でないと判断した場合にはステップＳＡ６に進む。

次に、圃場水管理サーバ３４との接続処理を行ない（ＳＡ６）、ステップＳＡ２で計測した水位情報や蓄電池の電圧、さらには給水栓１２Ａの開閉状態などの制御情報を圃場水管理サーバ３４に送信する（ＳＡ７）。さらに、圃場水管理サーバ３４から基準時刻情報、ウェイクアップ周期、制御指令（給水栓の開放または閉止）、設定水位（一定湛水制御用の水位）を受信すると、基準時刻情報に基づいて基準タイマの時刻を更新し、ウェイクアップタイマを設定するとともに制御指令を実行する（ＳＡ８）。

圃場水管理サーバ３４との送受信処理が完了すると（ＳＡ９，Ｙ）、ウェイクアップタイマをスタートさせた後に（ＳＡ１０）、スリープコマンドを実行して省電力状態に移行する（ＳＡ１１）。送受信処理が完了していないのであれば（ＳＡ９，Ｎ）、制御情報の送信処理に戻る（ＳＡ７）。

図６には圃場水管理サーバにより実行される圃場の給水制御の手順が示されている。
圃場水管理サーバ３４は、各給水栓制御装置１２Ｂから接続要求があれば（ＳＢ０，Ｙ）、水位情報や蓄電池の電圧、さらには給水栓１２Ａの開閉状態などの制御情報を受信する（ＳＢ１）。次に、給水スケジュールを確認して、給水スケジュールがある場合には（ＳＢ２，Ｙ）、圃場水位が目標水位に達しているか否かを判断し、目標水位に達していなければ（ＳＢ３，ＮＧ）、排水栓制御装置２２Ｂに対して目標水位設定情報を送信し（ＳＢ４）、給水栓制御装置１２Ｂに対して給水指令を送信する（ＳＢ５）。ステップＳＢ３で目標水位に達していると判定すると（ＳＢ３，ＯＫ）、給水栓制御装置１２Ｂに対して止水指令を送信する（ＳＢ６）。なお、ステップＳＢ４は対応する排水栓制御装置２２Ｂに対する指令であり、給水栓制御装置１２Ｂに対する指令ではないので、参考ステップとして破線で示している。

さらに、該当する蓄電池の残容量を評価して現在のウェイクアップ周期が適正でなければ（ＳＢ７、ＮＧ）、適正なウェイクアップ周期への更新要求を送信する（ＳＢ８）。

ステップＳＢ２で給水スケジュールが無く、計画外の操作指令が発生していれば（ＳＢ９，Ｙ）、現在のウェイクアップ周期よりも短い所定のウェイクアップ周期への更新要求を送信する（ＳＢ１０）。なお、蓄電池の残容量が十分で最短のウェイクアップ周期に設定されている場合にはその状態が維持される。

各給水栓装置１２及び排水栓装置２２は、圃場水管理サーバ３４との接続は、低消費電力で通信コストが安価な通信媒体であれば特に制限されるものではない。例えば、低消費電力で広域通信が可能なセルラーＬＰＷＡ（ＬＴＥ−Ｍ）などが好適に利用することができる。また、圃場の近傍に無線ルータなどの中継器を設置し、中継器を介してインターネットに接続することも可能である。複数の通信媒体を介在させる場合にはゲートウェイを介装すればよい。

上述した実施形態では、圃場１に給水栓装置１２Ｂ及び排水栓装置２２Ｂが設置された場合を説明したが、圃場１に給水栓制御装置１２Ｂのみが設置され、排水栓２２Ａの堰体を手動で上下操作して排水水位（貯水水位）を調整するような態様の場合には、給水栓制御装置１２Ｂのみがウェイクアップ周期の設定対象となる。

上述した実施形態では、圃場水管理サーバ３４によってウェイクアップタイマ回路のタイマ値が更新される態様を説明したが、給水栓制御装置１２Ｂが蓄電池の残容量に基づいて自らウェイクアップタイマ回路のタイマ値を設定するように構成してもよい。この場合には、ウェイクアップ後に自発的に圃場水管理サーバ３４と交信するように構成すればよい。その際にウェイクアップ周期を圃場水管理サーバ３４に送信すれば、その後、圃場水管理サーバ３４からウェイクアップ後の給水栓制御装置１２Ｂに交信を開始することができる。

上述した実施形態では蓄電池を充電するソーラーセルを備えた各給水栓装置１２及び排水栓装置２２Ｂを説明したが、ソーラーセルを備えることなく蓄電池のみを備えた場合にも本発明を適用することができることは言うまでもない。

ウェイクアップ回路の具体的構成は特に限定されるものではなく、公知の技術を用いればよい。ＣＰＵに内蔵されていてもよいし、ＣＰＵの外部に設けられていてもよい。

上述した実施形態のように、各給水栓制御装置１２Ｂが圃場水管理サーバ３４から送信された時刻情報に同期するように基準となる内部タイマを設定する場合には、予め給水開始時刻を含む給水指令を各給水栓制御装置１２Ｂに送信しておけば、各給水栓制御装置１２Ｂが該当時刻に自発的に給水を開始することができる。この場合は、動作確認のために、その後の圃場水管理サーバ３４との交信時に給水を開始した旨の情報を送信することが好ましい。

以上説明した実施形態は本発明の一例に過ぎず、該記載により本発明の技術的範囲が限定されることを意図するものではなく、給水栓装置、排水栓装置、圃場水管理サーバなどの具体的構成は本発明による作用効果を奏する範囲において適宜変更設計可能であることはいうまでもない。

１００：圃場水管理システム
１：圃場
２：水位センサ
１０：給水管
１２：給水栓装置
１２Ａ：給水栓
１２Ｂ：給水栓制御装置
２０：排水路
２２：排水栓装置
２２Ａ：排水栓
２２Ｂ：排水栓制御装置
３４：圃場水管理サーバ
１３２：ソーラーセル
１３３：蓄電池
１３５：電子制御回路（制御盤）
１３６：給水制御部
１３７：通信部
１３９：給水栓電力管理部
１４０：アクチュエータ

Claims (9)

1. 給水栓と、
   前記給水栓を作動させるアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する給水制御部と圃場水管理サーバと交信する通信部とを有する電子制御回路と、前記電子制御回路及び前記アクチュエータに給電する蓄電池とを備え、前記給水栓から灌漑用水を圃場に給水する給水栓制御装置と、
   前記給水栓制御装置に対する遠隔操作情報を設定入力する遠隔操作端末と、
   前記遠隔操作端末から前記遠隔操作情報を受信して対応する給水栓制御装置を遠隔制御する圃場水管理サーバと、
   を備えている圃場水管理システムであって、
   前記電子制御回路は、前記蓄電池の電力消費を制限する省電力状態と、前記省電力状態から周期的にウェイクアップして前記圃場水管理サーバとの交信を含む制御動作を実行可能な動作状態との間で動作モードを切り替える給水栓電力管理部を備え、
   前記給水栓電力管理部は、前記蓄電池の残容量に基づいて前記電子制御回路のウェイクアップ周期を可変に設定するように構成されている圃場水管理システム。
2. 前記圃場水管理サーバは、前記給水栓制御装置から送信された前記蓄電池の残容量に基づいて前記給水栓電力管理部の前記ウェイクアップ周期の設定情報を更新するように構成されている請求項１記載の圃場水管理システム。
3. 前記給水栓制御装置は前記蓄電池を充電するソーラーセルをさらに備え、
   前記圃場水管理サーバは、前記蓄電池の残容量情報に加えて日照情報、時刻情報の何れかの情報に基づいて前記給水栓電力管理部に設定された前記ウェイクアップ周期の設定情報を更新するように構成されている請求項２記載の圃場水管理システム。
4. 前記圃場水管理サーバは、前記遠隔操作端末から計画外の遠隔操作情報を受信した場合に、前記蓄電池の残容量にかかわらず前記給水栓電力管理部に設定された前記ウェイクアップ周期の設定情報を更新するように構成されている請求項２または３記載の圃場水管理システム。
5. 前記計画外の遠隔操作情報に、給水栓開閉要求またはウェイクアップ周期更新要求が含まれる請求項４記載の圃場水管理システム。
6. 前記圃場水管理サーバは前記給水栓制御装置に時刻情報を送信し、前記給水栓電力管理部は前記時刻情報に基づいて前記ウェイクアップ周期及び時刻を設定する請求項２から５の何れかに記載の圃場水管理システム。
7. 前記給水栓電力管理部は、前記圃場水管理サーバから送信された前記ウェイクアップ周期の設定情報にかかわらず、前記蓄電池の残容量に基づいて前記ウェイクアップ周期を自動設定する自動設定部を備えている請求項２から５の何れかに記載の圃場水管理システム。
8. 前記給水栓を作動させるアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する給水制御部と圃場水管理サーバと交信する通信部とを有する電子制御回路と、前記電子制御回路及び前記アクチュエータに給電する蓄電池とを備え、前記給水栓から灌漑用水を圃場に給水する請求項１から７の何れかに記載の圃場水管理システムに用いられる給水栓制御装置であって、
   前記電子制御回路は、前記蓄電池の電力消費を制限する省電力状態と、前記省電力状態から周期的にウェイクアップして前記圃場水管理サーバとの交信を含む制御動作を実行可能な動作状態と、を切り替える給水栓電力管理部を備え、
   前記給水栓電力管理部は、前記蓄電池の残容量に基づいてウェイクアップ周期を可変に設定するように構成されている給水栓制御装置。
9. 前記給水栓電力管理部は、前記動作状態に移行した後の所定時間内に前記圃場水管理サーバからのアクセスが無い場合に、前記省電力状態に移行するように構成されている請求項８記載の給水栓制御装置。

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