JP2021064302A - 環境計測装置及び環境計測システム。 - Google Patents

Abstract

【課題】ケースに入れた状態で日照を受けても正確な温度・湿度の計測が可能で、かつ、電池などの電力で長期間動作可能で、かつ、インターネット接続可能な環境計測装置を提供する。【解決手段】環境を計測する環境計測センサ１３と、前記環境計測センサで計測された環境情報を送信する送信部１８と、前記環境計測センサに風をあてる電動ファン１５とを備える環境計測装置１０であって、前記環境計測センサ１３は、前記電動ファン１５の駆動に同期して複数回の計測を行い、前記送信部１８は、前記環境計測センサ１３による計測結果である環境情報を送信する環境計測装置１０。【選択図】図３

Description

本発明は、環境計測装置及び環境計測システムに関する。

近年、農業においてセンサ技術を用いて農作物の育成条件を最適化し、収益を高め品質を向上させる取り組みが行われている。 このためには農場の温度や湿度を正確に測定することが第一に必要である。同様の取り組みが畜産業においてもおこなわれている。

温度や湿度を計測するセンサは多種あり、それらを農業や畜産に持ち込めば、環境情報（温度や湿度）を簡単に計測できると考えられる。 しかし実際には次に示す４つの問題が存在する。

第１の問題は水（センサの耐水性）である。 農場内において水や農薬、肥料などの液体を散布する際に、温度や湿度を計測するセンサに液体が掛かってしまう可能性がある。このため、多少の水がかかった程度では壊れないように耐水性のあるケースにセンサを収納しなければならない。 第２の問題は日照である。農作物には日照が必要なので、たとえハウス内の農業であっても、ガラスやビニール越しに日照が届くようになっている。 この日照がケースを照射すると、ケース内の温度は一挙に高くなり、ケース内部に収納したセンサの計測値は、農場内の温度や湿度とは異なった値となってしまう。 第３の問題は電源である。 農場内において電源が取れる場所は限られているので、できれば電池駆動で動作する温度センサや湿度センサが望ましい。 第４の問題はネットワークである。 多くの農場において、ネットワーク線やネットワーク装置を設置するのは難しい。 また仮に設置したとしても動物にワイヤを齧られるなどのトラブルが発生し、維持管理が大変である。

そこで、上記の問題のうち第１の問題及び第２の問題を解決することのできる技術（気象観測用温度計）が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

実開昭６１−９２８４３号公報 特開昭５７−２８２２５号公報

特許文献１に記載の気象観測用温度計は、温度センサをケースに搭載して雨水を避ける構造となっている。また、特許文献１に記載の気象観測用温度計は、電動のファンを搭載して外部の空気を取り入れるように構成されているため、直射日光を受けてケースが温度上昇した場合においても、正しい温度を計測することができる。 このため、特許文献１に記載の気象観測用温度計によれば、上帰した第１の問題及び第２の問題を解決することができる。

しかしながら、ファンを駆動するためには電力が必要であり、市販されている強制通風型の温度計はいずれも交流電源への接続を前提としている。つまり上記した第３の問題及び第４の問題は解決されていない。

なお、感温プローブからの計測値の変化特性を利用して体温を短時間で測定する電子体温計が知られている（例えば、特許文献２参照。）。 そこで、ファンを併用した温度計を作成し、特許文献２に記載されている方法を適用すれば、ファンの駆動時間を短くできると考えられる。

しかしながら、特許文献２に記載の方法は、ほぼ一定温度の人体に適用する方法である。本発明が対象としている農業用などに適用する温度計では、屋外で日照にさらされることがあり、極めて大きな温度変化を計測しなければならない。このため特許文献２の方法を適用した場合には計測誤差が大きくなってしまう。また、上記した第３の問題及び第４の問題は解決されていない。

そこで、本発明は、上記した第１の問題、第２の問題、第３の問題及び第４の問題のすべてを解決できる環境計測装置及び環境計測システムを提供することを目的とする。

そこで、本発明者は、鋭意努力を重ねた結果、環境計測装置に、環境を計測する環境計測センサと、環境計測センサで計測された環境情報を送信する送信部と、環境計測センサに風をあてる（通風用の）電動ファン（１５）とを搭載するようにすれば、電動ファンの駆動により適正化された環境情報（温度や湿度）を計測してインターネット上のクラウドサーバに伝送し、当該クラウドサーバにおいてより正しい温度を求めて表示することが可能で、上記した第１の問題、第２の問題、第３の問題及び第４の問題のすべてを解決できる環境計測装置及び環境計測システムを実現可能となることに想到した。本発明は以下の構成よりなる。

［１］本発明の環境計測装置は、環境を計測する環境計測センサ（１３）と、前記環境計測センサで計測された環境情報を送信する送信部（１８）と、前記環境計測センサに風をあてる電動ファン（１５）とを備える環境計測センサ（１０）であって、前記環境計測センサ（１３）は、前記電動ファン（１５）の駆動に同期して複数回の計測を行い、前記送信部（１８）は、前記環境計測センサ（１３）による計測結果である環境情報を送信するものである。

［２］本発明の環境計測装置（１０）においては、前記環境計測センサ（１３）は、温度センサを有することが好ましい。

［３］本発明の環境計測装置（１０）においては、前記環境計測センサ（１３）は、湿度センサをさらに有することが好ましい。

［４］本発明の環境計測装置（１０）においては、前記電動ファン（１５）は、前記環境計測センサ（１３）が前記環境を計測しないタイミングでは駆動しないように間欠制御されることが好ましい。

［５］本発明の環境計測装置（１０）は、前記環境計測センサ（１３）とは別に、照度センサ（１４）をさらに備え、前記電動ファン（１５）は、前記照度センサ（１４）の計測結果に応じて動作することが好ましい。

［６］本発明の環境計測装置（１０）においては、前記複数回計測した環境情報から前記環境計測センサ（１３）周囲の気温の推定値を求める演算を、温度勾配を係数とする指数関数を用いて行うことが好ましい。

［７］本発明の環境計測装置（１０）においては、前記電動ファン（１５）による空気移動を容易にする通気ダクト（１０２）をさらに備え、前記通気ダクト（１０２）内に前記環境計測センサ（１３）が設置されていることが好ましい。

［８］本発明の環境計測装置（１０）においては、前記送信部（１８）は、前記環境情報をＬＰＷＡ無線信号にて送信することが好ましい。

［９］本発明の環境計測システム（１）は、本発明の環境計測装置（１０）と、前記環境計測装置（１０）から送信された前記環境情報を受信する受信基地局（７）と、前記受信基地局（７）で受信された前記環境情報から前記環境計測センサ（１３）周囲の環境推定値を求めるクラウドサーバ（２０）とを備える環境計測システム（１）であって、前記環境計測装置（１０）において前記電動ファン（１５）の動作に同期して前記環境情報を複数回計測し、前記複数回計測した前記環境情報を前記受信基地局（７）に送信し、前記受信基地局（７）で受信した前記環境情報から前記環境計測センサ（１３）周囲の環境推定値を求めるものである。

本発明によれば、環境計測装置を、環境を計測する環境計測センサと、環境計測センサで計測された環境情報を送信する送信部と、環境計測センサに風をあてる（通風用の）電動ファンとを備える環境計測装置としたことから、電動ファンの駆動により適正化された環境情報（温度や湿度）を計測してインターネット上のクラウドサーバに伝送し、当該クラウドサーバにおいてより正しい温度を求めて表示することが可能となる。すなわち、本発明によれば、ケースに入れた状態で日照を受けてもより正しい温度の計測が可能で、かつ、電池などの電力で長期間動作可能、かつ、インターネット接続可能な環境計測装置及び環境計測システム、すなわち、上記した第１の問題、第２の問題、第３の問題及び第４の問題のすべてを解決できる環境計測装置及び環境計測システムが実現可能となる。

環境計測システム１の全体構成を説明する図である。 環境計測装置１０の構成を示す図である。 環境計測装置１０の回路構成を示す模式図である。 環境計測装置１０で用いる回路基板１０１の構成図である。 マイクロコントローラ１２のアルゴリズムを示すフローチャートである。 電動ファン１５による温度変化特性と計測値を示す図である。 ペイロードデータ３０の構成を示す図である。 実施例２における、電動ファン１５による温度変化特性と計測値を示す図である。 実施例２における、マイクロコントローラ１２のアルゴリズムを示すフローチャートである。

以下、本開示を実施するための実施形態について説明する。

［実施例１］
図１は、環境計測システム１の全体構成を説明する図である。
実施例１に係る環境計測システム１は、図１に示すように、通風用の電動ファンを搭載した環境計測装置１０で計測した温度、湿度、照度などの環境情報を電動ファンの駆動タイミングに関連付けて複数回計測し、複数回の計測データを低消費電力・長距離伝送可能のＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）無線信号を用いて受信基地局（ＬＰＷＡ基地局）７に伝送する。

受信基地局７は、環境計測装置１０から送信された環境情報を受信して、インターネット上のクラウドコンピュータ２０に伝送する。クラウドコンピュータ２０は、環境情報をデータベース２２に保管していく。 演算エンジン２１はクラウドコンピュータ２０で実行される演算プログラムであって、環境計測装置１０周辺の温度や湿度を正確に求める。 演算エンジン２１により求められた結果はクラウドコンピュータ２０によりインターネット（Ｗｅｂ）上にある表示装置に表示される。 ユーザはユーザ端末８でインターネット（Ｗｅｂ）にアクセスすることにより、環境計測装置１０周辺の温度や湿度を正確に知ることができる。

演算エンジン２１は、例えば農業用温度センサの温度計測値が氷点下になるなど、異常があると判断される場合、ユーザ端末にメールなどの手段で警報を送ることもできる。 警報を発する温度設定値を、ユーザはユーザ端末８を経由してクラウドコンピュータ２０に設定することができる。

環境計測システム１はこのように、通風用の電動ファンを用い、電動ファンの駆動タイミングに関連付けて複数の環境情報をインターネットに送ることにより、ユーザは、これまでの温度計や湿度計よりも正しい温度、湿度などの情報を得ることができる。

＜環境計測装置の構成＞
図２は、環境計測装置１０の構成を示す図である。
実施例１に係る環境計測装置１０は、図２に示すように、小型で防水機能を備え、内蔵するバッテリー１６により駆動されるのでコンセントへの接続が不要となっている。また無線通信デバイスとしてＬＰＷＡ無線送信機１８を搭載しているので、電池駆動であっても長期間の安定動作を実現する。 さらにＬＰＷＡ無線信号により環境情報がネットワークに伝送されるので、難しい無線の設定や、ケーブルの引き回しは必要とせず、誰でも簡単に使うことができる。

環境計測装置１０は、図２（Ｂ）の断面図に示すように、環境計測装置１０の中央部には通気ダクト１０２が設けられ、底部から導入された外気が通気ダクト１０２を通って吹き抜けるように構成されている。温度・湿度センサ１３は、この通気ダクト１０２を通過する空気の温度と湿度を計測する。 通気ダクト１０２の最上部には、電動ファン１５が設置され、通気ダクト１０２内を強制的に換気することにより、環境計測装置１０の内部において、周辺の大気の状態（温度や湿度）を正しく計測することができる。 電子回路は基板１０１に取り付けられ、遮蔽版１０３によって防水機能が実現されている。

ＬＰＷＡ送信アンテナ１９は、環境計測装置１０の上面に設置され、無線通信の性能を最大限発揮するように構成されている。 また環境計測装置１０の上面には照度センサ１４が設置され、環境計測装置１０に日光があたっているかどうかを判断するための照度を計測する。

図３は、環境計測装置１０の回路構成を示す模式図である。図４は、環境計測装置１０で用いる回路基板１０１の構成図である。
前述したように基板１０１には、ＧＰＳ受信機１１、マイクロコントローラ１２、そしてＬＰＷＡ送信機１８が搭載され、環境計測装置１０の上部に設置される。 温度・湿度センサ１３、照度センサ１４及び電動ファン１５は、マイクロコントローラ１２に接続されている。 環境計測装置１０に内蔵されるバッテリー１６は、コネクタＣＮ２により基板１０１に接続され、各電気回路へ電力を供給する。ＧＰＳアンテナ１７は基板１０１上に実装され、ＧＰＳ衛星からの電波を受信する。 照度センサ１４はコネクタＣＮ７により基板１０１に接続され、環境計測装置１０にあたっている日照量を計測してマイクロコントローラ１２に伝送する。

通気ダクト１０２の上部に設置された温度・湿度センサ１３の計測値は、コネクタＣＮ４を経由して基板１０１に接続され、マイクロコントローラ１２に伝送される。 電動ファン１５の制御情報は、コネクタＣＮ８を経由してマイクロコントローラ１２から送られる。

図５は、マイクロコントローラ１２のアルゴリズムを示すフローチャートである。
ステップＳＰ１において、マイクロコントローラ１２はスリープ状態にあり、消費電力を極力削減する。５分経過する毎にステップＳＰ２に移行する。 ステップＳＰ２において、温度・湿度センサ１３、照度センサ１４及びＧＰＳ受信機１１に電源を投入し、各回路を動作させる。

ステップＳＰ３においてマイクロコントローラ１２は、照度センサ１４の計測値を読み取り、温度・湿度の計測間隔Ｔｐを設定する。ステップＳＰ４において、マイクロコントローラ１２は各センサからの値をメモリに取り込むことにより、第１回目の計測を行う。

図６は、電動ファン１５による温度変化特性と計測値を示す図である。
図６の「符号まる１」に示すように、計測１においては未だ電動ファン１５を駆動させていないため、通気ダクト１０２内部が太陽光などにより暖められている場合には、外気よりも高い温度Ｔ１が計測される可能性がある。

ステップＳＰ５において、マイクロコントローラ１２は電動ファン１５に電源を供給し、通気ダクト１０２内部に溜まった空気を追い出す。 図６では、外気の導入により通気ダクト１０２内部の温度は急激に低下していく。 ステップＳＰ６において、計測間隔Ｔｐだけ待ち、ステップＳＰ７において第２回目の計測が行われる。このタイミングで計測される温度Ｔ２は、図６の「符号まる２」に示すようにＴ１よりも低い値になっている。

さらにステップＳＰ８、ＳＰ９において、計測間隔Ｔｐだけ待った後に第３回目の計測が行われ温度Ｔ３がマイクロコントローラ１２のメモリに蓄積される。 図６の「符号まる３」に示すように、Ｔ２よりもさらに低い温度Ｔ３が期待される。

ステップＳＰ１０において、電動ファン１５が停止され、各センサへの電力も停止されることにより、省電力化が実現される。ステップＳＰ１１において、ＧＰＳ受信機１１が計測したＧＰＳ座標情報を取得する。 ＧＰＳ座標情報により、環境計測装置１０が設置されている場所の緯度と経度を知ることができる。 この後、ＧＰＳ受信機１１の電源をシャットダウンして、スリープ期間中の消費電力を低下させる。

図７は、ペイロードデータ３０の構成を示す図である。
ステップＳＰ１２において、各種センサから取得した情報を、図７に示すように、１２８ビットのペイロードデータとしてセットする。

図７において「ＴｏＷ（Time of Week）」は、ＧＰＳ受信機１１から得られる現在時刻の情報である。 「ＴｏＷ」は第１回目の計測時刻を６秒刻みで正確にあらわしている。 次に、ステータス情報（５ビット）、ＧＰＳの緯度情報（２４ビット）及び経度情報（２４ビット）、計測間隔Ｔｐ，そして三回の計測結果でペイロードデータ３０が構成される。

図７左下に示すように、ステータス情報はシステム動作試験をあらわす「Ｔｅｓｔ」情報（１ビット）とバッテリー１６の残量を１６段階で表す「ＢＡＴ」情報（４ビット）で構成される。 次にＧＰＳ受信機１１から得られる緯度情報及び経度情報が続く。 ここでＧＰＳ受信機１１から得られる緯度及び経度の情報は、例えば、北緯３６．０３０１６０度、東経１３８．１５５２９８度といった情報である。緯度及び経度の小数点以下６桁の情報（上の例では“０３０１６０”、“１５５２９８”）をＢＣＤ（Binary Coded Decimal）で表すことにより、それぞれ２４ビットの緯度情報と経度情報に圧縮して、ペイロードデータ３０にセットされる。

緯度及び経度の小数点より上の桁（北緯３６度、東経１３８度）は、受信基地局７において復元することができるので、このように削除して構わない。 このようにして得られる緯度及び経度の情報は、環境計測装置１０が設置された場所をあらわしているので、特に環境計測センサ１０を多数用いる農場などでは、センサを特定するために有用である。

三回の計測データは、照度（４ビット）、湿度（６ビット）、温度（８ビット）に圧縮されて、１８ビットの計測値１〜計測値３としてペイロードデータにセットされる。ここで温度情報は、例えば−２０度からプラス１０８度までの範囲を０．５度刻みで表わすことができるので、８ビットで充分な情報量である。

このようにして構成されたペイロードデータ３０は、ＬＰＷＡ無線信号としてＬＰＷＡ送信アンテナ１９により送信される この無線信号は、市街地などに設置された受信基地局７により受信され、クラウドコンピュータ２０に伝送される。クラウドコンピュータ２０は演算エンジン２１によって環境計測装置１０が置かれた場所での温度を計算し、ユーザ端末８に通知し、ユーザ端末８に表示する。

＜演算エンジン２１の構成＞
電動ファン１５を「TStart」のタイミングで起動することにより、通気ダクト１０２に籠っていた空気が押し出され、温度は、時間とともに点線で示したカーブのように変化し、最終的には外気温ＴＥと一致する。ここで外気温ＴＥが計測したい温度であるから、本来であれば電動ファン１５を連続運転したい。 しかし電動ファン１５を連続運転すると多くの電力を消費してしまうので、この例では３回の計測が終了した時点（Tend）で電動ファン１５の電源をオフにする。 演算エンジン２１は、計測１、計測２、計測３から得られた３つの温度（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）から、外気温ＴＥを計算する。

ここで電動ファン１５による温度変化は一般的に、次の式１であらわされる。
Ｔ（ｔ）＝（ＴＥ−Ｔ１）・{Ｅｘｐ（―ｔ／Ｋ）−１}＋Ｔ１ ・・ ［式１］

上式において、Ｔ（ｔ）は電動ファン１５が駆動されてからｔ秒後の温度をあらわし、Ｋは温度勾配、Ｅｘｐ（）は自然対数を底とする指数関数である。３回の計測結果はそれぞれ時間Ｔｐだけ異なるから、式２と式３が成立する。
Ｔ２＝（ＴＥ−Ｔ１）・{Ｅｘｐ（―Ｔｐ／Ｋ）−１}＋Ｔ１ ・・ ［式２］
Ｔ３＝（ＴＥ−Ｔ１）・{Ｅｘｐ（―２・Ｔｐ／Ｋ）−１}＋Ｔ１ ・・ ［式３］

実際に得られるＴ１，Ｔ２，Ｔ３には誤差が混入するので、演算エンジン２１は最小二乗法を用いて上記［式２］及び［式３］を解き、外気温ＴＥを求めて出力とする。

［実施例２］
太陽光などの直射日光が環境計測センサ１０を直射していた場合は、太陽光によりもたらされる温度上昇により、通気ダクト１０２内部の温度変化特性も変化する。 この様子を図８に模式的に表した。図８は、実施例２における、電動ファン１５による温度変化特性と計測値を示す図である。図８（Ａ）は日照が無い場合の温度変化である。太陽光が環境計測センサ１０を直射した場合には図８（Ｃ）のように温度が変化する。 即ち初期温度Ｔ１が高くなり、同時に温度勾配Ｋの値が大きくなり、温度変化が急峻になる。

そこで、実施例２としては、照度センサ１４により計測された照度の情報により、計測間隔Ｔｐを変化させる。図９は、実施例２における、マイクロコントローラ１２のアルゴリズムを示すフローチャートである。すなわち、図９に示す実施例２のフローチャートにおいては、ステップ３において照度センサ１４の計測値が所定レベルよりも高いか低いかを判断する。照度センサ１４の計測値が所定レベルよりも低い場合は、環境計測装置１０に太陽光が照射されていないと判断し、ステップＳＰ３１において計測間隔Ｔｐをセットする。 この結果、図８（Ａ）に示すように標準の計測間隔Ｔｐにおいて計測が行われる。

これに対して照度センサ１４の計測値が所定のレベルを超えて高く、環境計測装置１０に太陽光が照射されていると判断された場合は、ステップＳＰ３１において計測間隔として標準よりも長い間隔Ｔｐ２を設定する。この結果、図８（Ｃ）に示すように、電動ファン１５の駆動時間を長くし、測定間隔を長めにとって温度の計測が３回行われる。

以上の説明においては、煩雑になることを防ぐために温度計測として説明したが、湿度の計測にも全く同じ手法を適用することができる。また上述の説明においては、無線信号としてＬＰＷＡ無線信号を用いたが、低消費電力の無線信号であればＬＰＷＡ無線信号以外の無線信号を用いることも可能である。

［発明の効果］
本発明では、断続的に駆動した電動ファンに同期して温度・湿度や照度の時間変化を計測し、計測結果をインターネット上のコンピュータに伝送し、コンピュータで計測結果を計算することにより温度や湿度などの情報を求めることにより、従来よりも低消費電力で、簡単に、正確な温度や湿度の変化を計測することができる。

１ 環境計測装置、７ 受信基地局（ＬＰＷＡ受信局）、８ ユーザ端末（スマートフォン）、１０ 環境計測センサ、１１ ＧＰＳ受信機、１２ マイクロコントローラ、１３ 温度・湿度センサ、１４ 照度センサ、１５ 電動ファン、１６ バッテリー、１７ ＧＰＳ受信アンテナ、１８ ＬＰＷＡ無線送信機、１９ ＬＰＷＡ送信アンテナ、２０ クラウドサーバ、２１ 演算エンジン、２２ データベース、１０１ プリント基板、１０２ 通気ダクト、１０３ 遮蔽板

Claims (9)

1. 環境を計測する環境計測センサと、
   前記環境計測センサで計測された環境情報を送信する送信部と、
   前記環境計測センサに風をあてる電動ファンとを備える環境計測装置であって、
   前記環境計測センサは、前記電動ファンの駆動に同期して複数回の計測を行い、
   前記送信部は、前記環境計測センサによる計測結果である環境情報を送信することを特徴とする環境計測装置。
2. 前記環境計測センサは、温度センサを有することを特徴とする請求項１に記載の環境計測装置。
3. 前記環境計測センサは、湿度センサをさらに有することを特徴とする請求項２に記載の環境計測装置。
4. 前記電動ファンは、前記環境計測センサが前記環境を計測しない期間中は駆動しないように間欠制御されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の環境計測装置。
5. 前記環境計測センサとは別に、照度センサをさらに備え、
   前記電動ファンは、前記照度センサの計測結果に応じて動作することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の環境計測装置。
6. 前記複数回計測した環境情報から前記環境計測センサ周囲の気温の推定値を求める演算を、温度勾配を係数とする指数関数を用いて行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の環境計測装置。
7. 前記電動ファンによる空気移動を容易にする通気ダクトをさらに備え、
   前記通気ダクト内に前記環境計測センサが設置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の環境計測装置。
8. 前記送信部は、前記環境情報をＬＰＷＡ無線信号にて送信することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の環境計測装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の環境計測装置と、
   前記環境計測装置から送信された前記環境情報を受信する受信基地局と、
   前記受信基地局で受信された前記環境情報から前記環境計測センサ周囲の環境推定値を求めるクラウドサーバとを備え、
   前記環境計測装置において前記電動ファンの動作に同期して前記環境情報を複数回計測し、前記複数回計測した前記環境情報を前記受信基地局に送信し、前記受信基地局で受信した前記環境情報から前記環境計測センサ周囲の環境推定値を求めること特徴とする環境計測システム。

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