JP2023040690A - plant cultivation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、植物栽培システムに関する。 The present invention relates to a plant cultivation system.
一般的に植物工場では、建物内の施設のように、完全に閉鎖された栽培室や、半閉鎖された栽培室を含む施設内において、光、温度、湿度及び二酸化炭素(CO2)濃度といった内部環境を人工的に制御して、野菜等の植物が生産される。また、このような植物工場は太陽光を使わずLED等の光源からの人工光を利用する完全人工光型と、太陽光を利用する太陽光型とに大別される。完全人工光型及び太陽光型のいずれの場合も、温度、湿度などの室内環境を一定に保つ必要があるため、エアコンや除湿機を利用して環境制御が行われる。 Generally, in a plant factory, light, temperature, humidity and carbon dioxide (CO 2 ) concentration are controlled in a facility including a completely closed cultivation room and a semi-closed cultivation room, such as a facility in a building. Plants such as vegetables are produced by artificially controlling the internal environment. In addition, such plant factories are roughly classified into a complete artificial light type that uses artificial light from light sources such as LEDs without using sunlight, and a solar type that uses sunlight. In both the full artificial light type and the sunlight type, it is necessary to keep the indoor environment such as temperature and humidity constant, so environmental control is performed using air conditioners and dehumidifiers.
例えば特許文献1は、植物の栽培に適した空質条件を適正に均質化し、維持することができ、植物の品質安定及び収穫量増に寄与するための技術を開示している。特許文献1の植物栽培装置は、具体的には、筐体と、空気回収用配管と、空調装置と、空気供給用配管と、を備える。筐体は、植物を栽培する空間を内部に有する。空気回収用配管は、筐体内の空気を回収する筐体の回収穴と連結される。空調装置は、回収穴から空気回収用配管を介して回収した空気の温度、湿度、及びCO2濃度を植物の栽培に対応した条件に調整する。空気供給用配管は、空調装置と筐体の供給穴とを連結して、空調装置で調整後の空気を筐体の供給穴から筐体内に供給する。
For example,
例えば特許文献1のような技術を利用することで、植物の栽培環境において空質条件を適正に均質化することが可能になる。しかしながら、植物の実際の生育状況は一定ではないので、例えば事前に予定した適切な収穫期に植物を収穫できるとは限らない。
For example, by using a technique such as
そこで、植物の実際の生育状況を正しく把握するための技術が求められる。
また、実際の植物工場においては、例えば野菜など様々な品種の植物を生産する場合に、狙い通りの収穫期に、それぞれの植物を収穫できるように生育状況を調整可能にすることが望まれている。また、植物の収穫量を増やしたり、植物の栽培による収益が最大になるように管理可能にすることも望まれている。
Therefore, there is a demand for a technique for correctly grasping the actual growth conditions of plants.
In an actual plant factory, when various kinds of plants such as vegetables are produced, it is desired to be able to adjust the growth conditions so that each plant can be harvested at the desired harvest time. there is It is also desired to increase the yield of plants and to manage the cultivation of plants so that the profit from their cultivation is maximized.
ところで、例えば植物の葉における光合成の状況や、葉からの蒸散の状況と植物の生育状況との間には大きな相関がある。また、植物の光合成速度と、光合成に伴って植物が吸収する二酸化炭素の量との間にも大きな相関がある。したがって、実際に植物が吸収した二酸化炭素の量を正しく把握できれば、植物の生育状況の把握が可能である。 By the way, for example, there is a large correlation between the state of photosynthesis in plant leaves, the state of transpiration from leaves, and the growth state of plants. There is also a large correlation between the rate of plant photosynthesis and the amount of carbon dioxide absorbed by the plant during photosynthesis. Therefore, if the amount of carbon dioxide actually absorbed by the plant can be correctly grasped, the growth condition of the plant can be grasped.
しかしながら、植物が吸収した二酸化炭素の量を正しく把握することは非常に難しい。例えば、ほぼ密閉された空間の中に植物が存在する場合であっても、植物の生育に必要な空気環境を維持するために空気を循環させる必要があり、この循環により空気の温度、湿度、二酸化炭素濃度などが常時変動する。 However, it is very difficult to correctly grasp the amount of carbon dioxide absorbed by plants. For example, even if plants exist in an almost closed space, it is necessary to circulate the air in order to maintain the air environment necessary for the growth of the plants. Concentration of carbon dioxide fluctuates all the time.
したがって、植物が吸収した二酸化炭素の量又は植物が呼吸により排出した二酸化炭素の量を把握することを目的として、空気中の二酸化炭素濃度を測定する場合には、最低でも空間内の2箇所でそれぞれ二酸化炭素濃度を測定し、2箇所の二酸化炭素濃度の差分を把握することが必要とされる。 Therefore, when measuring the carbon dioxide concentration in the air for the purpose of grasping the amount of carbon dioxide absorbed by plants or the amount of carbon dioxide emitted by plants through respiration, at least two points in the space should be used. It is necessary to measure the carbon dioxide concentration at each and grasp the difference in the carbon dioxide concentration at the two locations.
そのため、二酸化炭素濃度などを測定する計測器やセンサを複数用意して、これらをそれぞれ異なる場所に設置しなければならない。また、研究室で使用するような測定精度の高い計測器やセンサは非常に高価である。 Therefore, it is necessary to prepare a plurality of measuring instruments and sensors for measuring the carbon dioxide concentration, etc., and install them in different places. In addition, high-precision measuring instruments and sensors used in laboratories are very expensive.
しかし、実際に植物工場を稼働させる場合には、なるべく安価な設備コストで大量の植物を生産することが要求されるので、二酸化炭素濃度などを測定するために必要な計測器の数やその費用は最小限とすることが望ましい。特に、多品種の植物を同時に栽培したり、収穫時期が異なる植物をそれぞれ独立した環境で栽培するような状況では、互いに独立した多数の栽培室が必要になる。そのため、栽培室毎に個別に計測器を設置すると、植物工場全体では多数の計測器が必要になる。また、共通の1台又は複数台の計測器を使い回して複数の栽培室毎で使用する場合には、作業者が手作業で計測器の設置位置を頻繁に変更しなければならず、人的コストが増大する。 However, when actually operating a plant factory, it is necessary to produce a large number of plants at the lowest equipment cost possible. should be minimized. In particular, when a variety of plants are grown at the same time or when plants with different harvest times are grown in independent environments, a large number of mutually independent cultivation chambers are required. Therefore, if a measuring instrument is individually installed for each cultivation room, a large number of measuring instruments are required for the entire plant factory. In addition, when one or more common measuring instruments are reused for each of a plurality of cultivation rooms, the operator must frequently change the installation position of the measuring instrument manually. increase in operational costs.
本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、実際の植物の生育状況を正しく把握可能にすると共に、計測に係るコスト及び手間を削減可能な植物栽培システムを提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to provide a plant cultivation system that enables accurate grasping of actual plant growth conditions and that can reduce the cost and labor associated with measurement. That is.
前述した目的を達成するために、本発明に係る植物栽培システムは下記(1)~(9)を特徴としている。
(1) 外気から隔離された半閉鎖空間を内部に形成可能な栽培室と、
前記栽培室内に配置され、植物の栽培に利用可能な栽培容器と、
前記栽培室内と実質的に密閉空間を形成し、前記栽培室内の空気環境を調整可能な空気環境調整部と、
前記栽培室内、もしくは前記栽培室に空気が出入りする部位の近傍で、二酸化炭素および水分の少なくとも一方を検出可能な環境センサと、
前記環境センサの検出した二酸化炭素又は水分に基づいて前記栽培容器内の植物の栽培環境を評価する評価部と、
を備え、
前記評価部は、前記栽培室内の空気環境が基準状態に到達した状態で、前記環境センサの検出した二酸化炭素又は水分の変化に基づいて前記栽培容器内の植物の栽培環境を評価する、
植物栽培システム。
In order to achieve the above object, a plant cultivation system according to the present invention is characterized by the following (1) to (9).
(1) a cultivation chamber capable of forming a semi-enclosed space isolated from the outside air;
a cultivation container that is arranged in the cultivation chamber and that can be used for cultivating plants;
an air environment adjustment unit that forms a substantially closed space with the cultivation room and is capable of adjusting the air environment in the cultivation room;
an environment sensor capable of detecting at least one of carbon dioxide and moisture in the cultivation room or in the vicinity of a portion where air enters and exits the cultivation room;
an evaluation unit that evaluates the cultivation environment of the plant in the cultivation container based on carbon dioxide or moisture detected by the environment sensor;
with
The evaluation unit evaluates the cultivation environment of the plant in the cultivation container based on changes in carbon dioxide or moisture detected by the environment sensor in a state where the air environment in the cultivation room has reached a reference state.
plant cultivation system.
(2) 前記環境センサに比べて検出精度が高い所定の基準測定器の測定結果に基づき事前に生成された補正データを保持する補正データ保持部を有し、
前記評価部は、前記環境センサの検出値を前記補正データを用いて補正した結果に基づいて前記栽培容器内の植物の栽培環境を評価する、
上記(1)に記載の植物栽培システム。
(2) having a correction data holding unit that holds correction data generated in advance based on measurement results of a predetermined reference measuring instrument having higher detection accuracy than the environment sensor;
The evaluation unit evaluates the cultivation environment of the plant in the cultivation container based on the result of correcting the detection value of the environment sensor using the correction data.
The plant cultivation system according to (1) above.
(3) 前記評価部は、前記環境センサの出力から前記栽培室内における二酸化炭素濃度の情報を取得し、二酸化炭素濃度の変化速度に基づいて前記栽培室内の植物の光合成速度又は暗期における呼吸速度を評価する、
上記(1)又は(2)に記載の植物栽培システム。
(3) The evaluation unit acquires information on the carbon dioxide concentration in the cultivation room from the output of the environment sensor, and based on the rate of change in the carbon dioxide concentration, the photosynthetic rate of the plants in the cultivation room or the respiration rate in the dark period. evaluate the
The plant cultivation system according to (1) or (2) above.
(4) 前記評価部は、前記環境センサの出力から前記栽培室内における空気中の水分量の情報を取得し、空気中の水分量の変化速度に基づいて前記栽培室内の植物の蒸散速度を評価する、
上記(1)又は(2)に記載の植物栽培システム。
(4) The evaluation unit acquires information on the moisture content in the air in the cultivation chamber from the output of the environment sensor, and evaluates the transpiration rate of the plants in the cultivation chamber based on the rate of change in the moisture content in the air. do,
The plant cultivation system according to (1) or (2) above.
(5) 前記栽培室と前記空気環境調整部との接続の有無を切り替え可能な接続切替部と、
前記接続切替部を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、事前に定めた上限値および下限値に基づいて前記接続切替部を制御し、前記栽培室内の二酸化炭素濃度が上昇して前記上限値に到達すると、前記接続切替部を制御して前記栽培室と前記空気環境調整部との間の空気流路を閉じ、前記栽培室内の二酸化炭素濃度が低下して前記下限値に到達すると、前記接続切替部を制御して前記栽培室と前記空気環境調整部との間の空気流路を開く、
上記(1)乃至(4)のいずれかに記載の植物栽培システム。
(5) a connection switching unit capable of switching between connection and non-connection between the cultivation room and the air environment adjustment unit;
a control unit that controls the connection switching unit;
The control unit controls the connection switching unit based on predetermined upper and lower limits, and controls the connection switching unit when the concentration of carbon dioxide in the cultivation chamber rises and reaches the upper limit. to close the air flow path between the cultivation room and the air environment adjustment section, and when the concentration of carbon dioxide in the cultivation room decreases and reaches the lower limit, the connection switching section is controlled to close the cultivation room and the air environment adjustment section. opening an air flow path between the air environment adjustment unit;
The plant cultivation system according to any one of (1) to (4) above.
(6) 前記栽培容器内の植物の栽培環境を制御する栽培環境調整部を備え、
前記栽培環境調整部は、前記評価部の評価結果を前記栽培容器内の植物の栽培環境調整に反映する、
上記(1)乃至(5)のいずれかに記載の植物栽培システム。
(6) A cultivation environment adjustment unit that controls the cultivation environment of the plant in the cultivation container;
The cultivation environment adjustment unit reflects the evaluation result of the evaluation unit in adjusting the cultivation environment of the plant in the cultivation container.
The plant cultivation system according to any one of (1) to (5) above.
(7) 前記栽培室は、前記半閉鎖空間に形成された空気出口、及び空気入口を有し、
前記空気環境調整部は、前記栽培室の前記空気出口、及び前記空気入口に接続可能な空気管路と、前記空気管路を通過する空気の温度及び湿度を調整する温湿度調整部と、前記空気管路に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給部とを有し、
前記接続切替部は、前記前記栽培室の空気出口の近傍、及び前記前記栽培室の空気入口近傍にそれぞれ配置された2つの開閉弁を有する、
上記(5)に記載の植物栽培システム。
(7) the cultivation chamber has an air outlet and an air inlet formed in the semi-enclosed space;
The air environment adjustment section includes an air conduit connectable to the air outlet and the air inlet of the cultivation chamber, a temperature and humidity adjustment section that adjusts the temperature and humidity of the air passing through the air conduit, and the a carbon dioxide supply unit that supplies carbon dioxide to the air conduit;
The connection switching unit has two on-off valves arranged near an air outlet of the cultivation room and near an air inlet of the cultivation room, respectively.
The plant cultivation system according to (5) above.
(8) 前記栽培環境調整部は、前記植物の光合成を評価した結果に基づいて、前記植物の生育速度を調整するように前記栽培容器内の植物の栽培環境を制御する、
上記(6)に記載の植物栽培システム。
(8) The cultivation environment adjustment unit controls the cultivation environment of the plant in the cultivation container so as to adjust the growth rate of the plant based on the results of evaluating the photosynthesis of the plant.
The plant cultivation system according to (6) above.
(9) 前記植物の画像データを取得するカメラを備える、
上記(1)乃至(8)のいずれかに記載の植物栽培システム。
(9) comprising a camera for acquiring image data of the plant;
The plant cultivation system according to any one of (1) to (8) above.
上記(1)の構成の植物栽培システムによれば、例えば前記環境センサの検出値から算出可能な二酸化炭素濃度の変化速度に基づいて、栽培室内にある植物全体の光合成速度を推定可能である。また、例えば前記環境センサの検出値から算出可能な湿度変化速度に基づいて植物の葉における蒸散速度を推定可能である。すなわち、前記環境センサは前記栽培室と前記空気環境調整部とが実質的に密閉空間を形成した状態、つまり前記栽培室内の空気が入れ替わらない状態で測定を実施するので、植物の光合成の影響分、又は植物の蒸散の影響分だけを正しく測定できる。このように、植物を実際に栽培している空間での計測が可能となるため、実際の植物の生育状況を直接的に把握可能となる。よって、例えば、計測の都度、植物を実際の栽培空間と異なる計測用装置内等に移動させる必要がないため、計測に係るコストや手間を削減できる。 According to the plant cultivation system configured in (1) above, it is possible to estimate the photosynthetic rate of the entire plant in the cultivation chamber based on the rate of change in carbon dioxide concentration that can be calculated from the detection value of the environment sensor. Also, for example, the transpiration rate in the leaves of the plant can be estimated based on the humidity change rate that can be calculated from the detection value of the environment sensor. That is, since the environment sensor performs measurement in a state in which the cultivation room and the air environment adjustment unit form a substantially closed space, that is, in a state in which the air in the cultivation room is not exchanged, the influence of plant photosynthesis minutes, or just the effect of plant transpiration can be measured correctly. In this way, measurement can be performed in the space where the plant is actually cultivated, so it is possible to directly grasp the actual growth condition of the plant. Therefore, for example, since it is not necessary to move the plant to a measuring device or the like different from the actual cultivation space each time the measurement is performed, it is possible to reduce the cost and labor involved in the measurement.
上記(2)の構成の植物栽培システムによれば、前記環境センサとして比較的安価な汎用品を利用する場合でも、前記補正データに基づき検出値を補正することで測定誤差の影響を大幅に低減できる。前記補正データを生成するために必要な前記基準測定器については、植物工場の稼働時には不要である。したがって、多数の栽培室を有する植物工場の場合でも、前記基準測定器は1台だけ用意すればよく、精度の高い高価な測定器も利用できる。 According to the plant cultivation system having the configuration (2) above, even when relatively inexpensive general-purpose products are used as the environment sensors, the effects of measurement errors are greatly reduced by correcting the detected values based on the correction data. can. The reference measuring instrument required for generating the correction data is unnecessary during operation of the plant factory. Therefore, even in the case of a plant factory having a large number of cultivation rooms, it is sufficient to prepare only one reference measuring instrument, and a highly accurate and expensive measuring instrument can be used.
上記(3)の構成の植物栽培システムによれば、前記栽培室内の植物の光合成速度を評価するので、前記植物の育成状況を正しく推定可能になる。これにより、植物工場における植物の収穫量を増やしたり、収穫時期を調整するための植物工場の環境制御が栽培室毎に可能になる。 According to the plant cultivation system having the configuration (3) above, since the photosynthetic rate of the plants in the cultivation chamber is evaluated, it is possible to correctly estimate the growth status of the plants. This makes it possible to increase the yield of plants in the plant factory and to control the environment of the plant factory for adjusting the harvest time for each cultivation room.
上記(4)の構成の植物栽培システムによれば、前記栽培室内の植物の蒸散速度を評価するので、前記植物の育成状況を正しく推定可能になる。これにより、植物工場における植物の生育を早めたり遅らせたりすることができるため、収穫時期を調整するための植物工場の制御が栽培室毎に可能になる。 According to the plant cultivation system having the configuration (4) above, since the transpiration rate of the plant in the cultivation chamber is evaluated, it is possible to correctly estimate the growing state of the plant. As a result, the growth of plants in the plant factory can be advanced or delayed, so that the plant factory can be controlled for each cultivation room to adjust the harvest time.
上記(5)の構成の植物栽培システムによれば、前記栽培室内の二酸化炭素濃度が前記上限値および前記下限値の範囲内に維持されるように制御することが容易になる。これにより、前記栽培室内の植物の育成環境に大きな変動が生じるのを避けることができる。また、前記栽培室と前記空気環境調整部との間の空気流路が閉じている時に、前記環境センサの測定値の変化から、植物の光合成評価に必要な二酸化炭素濃度の変化速度の情報を取得可能になる。 According to the plant cultivation system having the configuration (5) above, it becomes easy to control the concentration of carbon dioxide in the cultivation chamber so as to be maintained within the range of the upper limit and the lower limit. As a result, it is possible to avoid large fluctuations in the environment for growing plants in the cultivation chamber. In addition, when the air flow path between the cultivation room and the air environment adjustment unit is closed, information on the rate of change in carbon dioxide concentration necessary for evaluating plant photosynthesis is obtained from changes in the measured values of the environment sensor. become available.
上記(6)の構成の植物栽培システムによれば、前記評価部の評価結果を前記栽培容器内の植物の栽培環境調整に反映するので、実際の植物の生育状況が、目標とする栽培スケジュールに近づくように環境を調整することが可能になる。これにより、栽培室毎に植物の収穫量を増やしたり、収穫時期を調整することが容易になる。 According to the plant cultivation system having the configuration of (6) above, since the evaluation result of the evaluation unit is reflected in the adjustment of the cultivation environment for the plants in the cultivation container, the actual growth status of the plants can be adjusted according to the target cultivation schedule. It becomes possible to adjust the environment so that it approaches. This makes it easier to increase the yield of plants and adjust the harvest time for each cultivation room.
上記(7)の構成の植物栽培システムによれば、前記2つの開閉弁を開いた状態では、前記栽培室の半閉鎖空間内に前記空気入口から前記空気出口に向かう空気の流れを作り、前記空気管路に前記栽培室の前記空気出口側から前記空気入口側に向かう空気の流れを作り循環させることができる。また、循環する空気の温度及び湿度を調整したり、植物の光合成に伴い消費され減少した二酸化炭素を補給することもできるので、植物の栽培に適した空気環境を維持できる。また、前記2つの開閉弁を一時的に閉じることで、前記栽培室の空気中の二酸化炭素量の変化や水分量の変化を正しく測定可能な状態になる。 According to the plant cultivation system having the configuration of (7) above, when the two on-off valves are open, an air flow is created in the semi-closed space of the cultivation chamber from the air inlet toward the air outlet, It is possible to create and circulate an air flow from the air outlet side of the cultivation chamber to the air inlet side in the air duct. In addition, it is possible to adjust the temperature and humidity of the circulating air, and to replenish carbon dioxide that has been consumed and reduced in the photosynthesis of plants, so that an air environment suitable for plant cultivation can be maintained. By temporarily closing the two on-off valves, changes in the amount of carbon dioxide and the amount of water in the air in the cultivation room can be accurately measured.
上記(8)の構成の植物栽培システムによれば、フィードバック制御により、自動的に前記植物の生育状態を均一化できる。したがって、植物工場の稼働の際に、例えば温度、湿度、二酸化炭素濃度、酸素濃度などを適切に調整するための手動操作が不要になり、もしくは減少し、人的コストが削減される。 According to the plant cultivation system having the configuration of (8) above, feedback control can automatically equalize the growing state of the plants. Therefore, manual operations for appropriately adjusting temperature, humidity, carbon dioxide concentration, oxygen concentration, etc. are eliminated or reduced during the operation of the plant factory, and personnel costs are reduced.
上記(9)の構成の植物栽培システムによれば、カメラが取得した画像データから、前記植物の生育状態を直接的に把握できる。これにより、例えば、光合成速度と実際の生育状況との両方をモニタリングしながら栽培を行うことでき、環境調整することで生育をコントロールすることができる。 According to the plant cultivation system having the configuration (9) above, the growth state of the plant can be directly grasped from the image data acquired by the camera. Thereby, for example, cultivation can be performed while monitoring both the photosynthetic rate and the actual growth state, and the growth can be controlled by adjusting the environment.
本発明の植物栽培システムによれば、実際の植物の生育状況を正しく把握可能になる。しかも、植物工場を稼働させる際に、実際に植物を栽培している空間での計測が可能となるため、計測に係るコスト及び手間を削減できる。 According to the plant cultivation system of the present invention, it is possible to correctly grasp the actual growth conditions of plants. Moreover, when the plant factory is operated, the measurement can be performed in the space where the plants are actually cultivated, so that the cost and labor involved in the measurement can be reduced.
以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。 The present invention has been briefly described above. Furthermore, the details of the present invention will be further clarified by reading the detailed description below with reference to the accompanying drawings.
本発明に関する具体的な実施の形態について、各図を参照しながら以下に説明する。
<システムの構成>
本発明の実施形態における植物栽培システム50の基本的な構成例を図1に示す。すなわち、植物工場に含まれる植物栽培システムの主要部の内部構造概要が図1に示されている。
Specific embodiments of the present invention will be described below with reference to each drawing.
<System configuration>
FIG. 1 shows a basic configuration example of a
図1に示した植物栽培システム50は、植物13を栽培するために必要な1つの栽培室10を備えている。この栽培室10は、箱状筐体の内側に形成された半閉鎖空間11を有している。すなわち、箱状筐体は、断熱性や遮光性を有し、更にある程度の気密性及び水密性を有する材料(例えば、ウレタンフォーム等の樹脂や、グラスウール、ロックウール等の繊維系断熱材)により構成される複数の壁部、底部、天井部などで囲まれた半閉鎖空間11を形成している。また、発生した光を栽培室10の内部で効率よく植物13に照射可能にするために、箱状筐体の内壁各部は光の反射率が高い材料を用いて構成してある。
The
したがって、箱状筐体内の半閉鎖空間11は外気から隔離されており、栽培室10の空気環境、すなわち二酸化炭素濃度、酸素濃度、温度、湿度等の条件は、外気とは異なる状態になっている。
Therefore, the
図1に示すように、栽培室10の底部近傍には複数の植物13の栽培が可能な栽培容器12が設置されている。この栽培容器12は、植物13を水耕栽培するために必要な養液14を収容可能なプールを形成し、その上部に複数の植物13を並べて配置可能なプレート状のトレイを有している。栽培室10の、例えば天井近傍には、植物13の画像データを取得するカメラ18が設置されている。カメラ18が取得した画像データから、植物13の生育状態を直接的に把握できる 。
As shown in FIG. 1, a
また、植物13の生育に必要な光を照射するために、照明装置15が栽培室10内の天井付近に設置されている。なお、照明装置15の設置位置は天井付近に限定されない。また、照明装置15としてLED光源を用いた装置等既存のいずれの装置をも利用できる。また、例えばLED光源を栽培室10の外部に設置し、このLED光源から出射された光を、栽培室10内に設けた導光板を介して植物13に照射してもよい。
A
栽培室10内の空気環境の調整を可能にするために、栽培室10の一方の壁面に空気入口10aが形成され、反対側の壁面に空気出口10bが形成されている。そして、空気管路20の管路出口20bが空気入口10aと接続され、空気管路20の管路入口20aが空気出口10bと接続されている。
In order to enable adjustment of the air environment in the
空気管路20は、一例として、気密性を有し断面積が略一定のパイプなどで構成され、栽培室10内の空気をその外側で循環するための空気流路を形成している。すなわち、栽培室10内の空気は空気出口10bから管路入口20aを介して空気管路20に入り、空気管路20内の流路を通過して管路出口20bに至り、空気入口10aを介して栽培室10内に再び導入される。
As an example, the
空気管路20の流路の途中には、空調部23が接続されている。また、図示しないが必要に応じてエアポンプまたはファンが空気管路20上に配置される。この空気管路20は、管路出口20bから栽培室10内に向かう方向の空気の流れを形成できる。空調部23は、空気管路20を通過する空気に対する除湿・加湿機能、及び温度調節機能を有している。
An
また、ボンベ24が補給管路25を経由して空気管路20と接続されている。ボンベ24は、その内部に蓄積している二酸化炭素(CO2)を必要に応じて補給管路25に供給できる。補給管路25を通る二酸化炭素は、補給点25aの箇所で空気管路20内の空気に補給される。したがって、必要に応じて空気管路20内で空気中の二酸化炭素濃度を上げることができる。
A
なお、ボンベ24には二酸化炭素供給のオンオフ又は供給量を制御するための電磁弁がそれぞれ備わっている。この電磁弁は、一例として、制御部40により制御される。また、ボンベ24の他に酸素(O2)を供給するボンベ(図示せず)を補給管路25に接続する場合もある。
Each
空気管路20、空調部23、ボンベ24、および補給管路25は、栽培室10内と実質的に密閉空間を形成し、栽培室10内の空気環境を調整可能な空気環境調整部を構成する。
The
図1に示すように、管路入口20aの近傍に開閉弁21が接続され、管路出口20bの近傍に開閉弁22が接続されている。開閉弁21及び22は、それぞれ制御部40が出力する制御信号SG1及びSG2により開閉制御される。
As shown in FIG. 1, an on-off
通常は、開閉弁21及び22が開いた状態になる。これにより、半閉鎖空間11内の空気は空気管路20を通って循環しつつ、温度、湿度、二酸化炭素濃度などを適正な範囲に維持することが可能になる。
Normally, the on-off
例えば、植物13の光合成に伴って二酸化炭素が消費されるため、半閉鎖空間11内の空気中の二酸化炭素濃度が少しずつ低下する。同時に、植物13からの蒸散に伴って半閉鎖空間11の空気中の湿度が上昇する。空気管路20を利用して空気を循環させることで、半閉鎖空間11内の二酸化炭素濃度や湿度の変化を抑制し、植物13の生育に適した環境を形成できる。
For example, since carbon dioxide is consumed by photosynthesis of the
また、半閉鎖空間11の内部には複数の送風機16が設置されている。これらの送風機16は、適切な空気の流れを形成すると共に、半閉鎖空間11内の空気環境を均一化するために利用できる。
A plurality of
本実施形態においては、植物13の実際の光合成速度や蒸散速度の推定に利用可能な情報を測定するために、後述するように、開閉弁21及び22を一時的に閉じる。これにより、半閉鎖空間11は閉鎖された状態になる。一方、開閉弁21及び22が開いた状態において、半閉鎖空間11内と、空気環境調整部とは、実質的に密閉空間を形成する。この状態において、ボンベ24による二酸化炭素供給を停止し、空気管路20、空調部23と栽培室10内に空気をめぐらすことで、後述する空気環境測定器17による測定が可能となる。
In this embodiment, in order to measure information that can be used for estimating the actual photosynthetic rate and transpiration rate of the
図1に示した構成においては、半閉鎖空間11内の空気出口10bの近傍に、空気環境測定器17が設置されている。この空気環境測定器17は、植物工場で日常的に使用可能な比較的安価な汎用の測定器である。また、この空気環境測定器17は二酸化炭素濃度、温度、及び湿度を測定する機能を有している。例えば、T&D社製のおんどとり(登録商標)(RTR576)を空気環境測定器17として利用可能である。
In the configuration shown in FIG. 1, an air
空気環境測定器17は、測定結果情報i17を例えば無線通信により制御部40に送信できる。測定結果情報i17は、空気環境測定器17の測定により得られる二酸化炭素濃度、温度、及び湿度の情報を含んでいる。
The air
また、図1に示した植物栽培システム50においては、半閉鎖空間11内に空気環境測定器17が1つ設置されているが、栽培室10の大きさによっては、空気環境測定器17を複数個設置し、数値を平均化することが好ましい。
In addition, in the
図1に示した例では、通常の栽培状態において、栽培室10内に空気入口10aから空気出口10bに向かう方向の空気の流れを形成できる。特に、栽培室10内の幅(図1中の左右方向の寸法)や奥行き(図1中の紙面に垂直な方向の寸法)に比べて底部から天井部までの高さが比較的小さいので、栽培室10内で水平方向に向かう安定した空気の流れを形成できる。
In the example shown in FIG. 1, in a normal cultivation state, an air flow can be formed in the
植物13を栽培する際には、植物13による光合成に伴って二酸化炭素(6CO2)及び水分(12H2O)が吸収され、ブドウ糖(C6H12O6)、酸素(6O2)、及び水分(6H2O)が排出される。そのため、空気中の二酸化炭素濃度の変化や、蒸散により排出される水分の変化を正しく把握できれば、それに基づいて光合成を評価し、植物13の実際の生育状況を推定することが可能になる。また、暗期における空気中の二酸化炭素濃度の変化を把握することで、植物13の呼吸速度を評価することが可能となる。本開示において、暗期とは、植物に照射される光が十分でなく植物の光合成がほとんど生じない期間であり、例えば照明装置15がオフとされている期間を意味する。
When cultivating the
図1に示した植物栽培システム50においては、制御部40が半閉鎖空間11内の空気環境である二酸化炭素濃度、酸素濃度、温度、湿度などを植物13の生育に適した目標値に維持するための制御機能を有している。また、制御部40は空気環境測定器17の測定により得られる測定結果情報i17から、制御部40が二酸化炭素濃度、及び湿度を把握し、光合成速度、呼吸速度および蒸散速度を推定し、その結果を植物13の栽培環境の制御に反映する。以下、光合成速度、呼吸速度および蒸散速度を光合成速度等と称する場合がある。
In the
また、制御部40は光合成速度等の推定に必要な測定結果情報i17を測定する際に、後述するように制御信号SG1及びSG2を用いて開閉弁21及び22の開閉制御を実施する。これにより、制御部40は、比較的安価な単一の空気環境測定器17を用いるだけで、光合成速度等を精度良く推定可能になる。
Further, when measuring the measurement result information i17 necessary for estimating the photosynthetic rate and the like, the
図1に示すように、栽培室10と隣接する場所に、養液タンク33が設置されている。養液供給管31は、一端が養液タンク33と接続され、他端が栽培室10の養液入口を経由して栽培容器12と接続されている。また、養液排出管32は一端が栽培室10の養液出口を経由して栽培容器12と接続され、他端が養液タンク33と接続されている。
As shown in FIG. 1 , a
また、肥料供給源34が肥料供給部35と接続され、肥料供給部35が肥料供給管を経由して養液タンク33と接続されている。肥料供給部35は、栽培室10内の植物13の生育促進に必要な肥料を、必要に応じて肥料供給源34から取り込んで養液タンク33に供給することができる。そして、例えば養液タンク33内の養液14のpH(水素イオン濃度指数)やEC(電気伝導度、導電率)が目標値になるように制御される。pH及びECを測定するために、養液タンク33内にpH測定器36が設置されている。
A
養液タンク33内の養液14は、ポンプ37の駆動により養液供給管31を経由して栽培容器12の内部に必要な量だけ供給される。また、栽培容器12の下流側から排出される養液14は、養液排出管32を経由して養液タンク33に回収される。
The
栽培容器12上に配置された各植物13の苗は、根の箇所が栽培容器12内の養液14中に漬かる状態で支持されるので、栽培容器12内に供給された養液14中から養分や水分を吸い上げて成長することができる。なお、光合成速度を評価中、養液循環は運転していても、停止していても構わない。
The seedlings of each
<主要な制御>
図1の植物栽培システム50における主要な制御の具体例を図2に示す。すなわち、図1に示した制御部40が図2の制御を実施する。また、図2の制御を実施する際には、制御部40は事前に決定した補正データを保持している補正データ記憶部TB1を利用する。この補正データは、後述する校正処理の結果として生成されるものである。図2の制御について以下に説明する。
<Main control>
A specific example of main controls in the
制御部40は、最初のステップS11で制御信号SG1及びSG2を制御して、開閉弁21及び22をそれぞれ開いた状態に切り替える。これにより、半閉鎖空間11内の空気は空気管路20を通って循環する状態になる。
The
半閉鎖空間11内では植物13の光合成に伴って二酸化炭素が消費されるので、何もしなければ空気中の二酸化炭素濃度は徐々に低下する。また、植物13の蒸散に伴って空気中の湿度が上昇する。しかし、空気管路20を通って空気が循環する状態では、ボンベ24から二酸化炭素が補給されるので、空気中の二酸化炭素濃度を徐々に上げることができる。また、空調部23の除湿機能を利用して循環する空気の湿度を下げることができる。
Since carbon dioxide is consumed by the photosynthesis of the
一方、半閉鎖空間11内に配置されている空気環境測定器17は、二酸化炭素濃度、温度、及び湿度の測定を繰り返し、その測定結果を示す測定結果情報i17を無線通信により周期的に繰り返し送信する。
On the other hand, the air
制御部40は、空気環境測定器17の測定により得られる測定結果情報i17をステップS12で取得する。そして、制御部40は空気環境測定器17の測定により得られた最新の二酸化炭素濃度を事前に定めた上限値VU(例えば1000[ppm])と比較する(S13)。
The
検出した二酸化炭素濃度が上限値VU以上になると、制御部40はステップS13からS14の処理に進み、制御信号SG1及びSG2を制御して、開閉弁21及び22をそれぞれ閉じた状態に切り替える。
When the detected carbon dioxide concentration reaches or exceeds the upper limit value VU, the
これにより、半閉鎖空間11は空気管路20から隔離された状態になり、空気の循環は一時的に停止する。また、空気の循環が停止すると、植物13の光合成に伴って半閉鎖空間11内の空気中の二酸化炭素濃度は徐々に低下する。同時に、蒸散に伴って空気中の湿度が徐々に上昇する。
As a result, the
制御部40は、空気環境測定器17の測定により得られる測定結果情報i17をステップS15で取得する。そして、制御部40は空気環境測定器17の測定により得られた最新の二酸化炭素濃度および湿度のそれぞれの変化の観測を繰り返し実行する(S16)。
The
制御部40は、ステップS16で検出した二酸化炭素濃度の低下速度に基づいて、植物13の光合成速度の推定を実施する(S17)。同時に、ステップS16で検出した湿度の上昇速度に基づいて、植物13の蒸散速度の推定も実施する。また、より精度の高い推定を可能にするために、制御部40は補正データ記憶部TB1が保持している補正データを利用して各推定値の補正を実施する。
The
制御部40は、ステップS17で算出した光合成速度の推定値、及び蒸散速度の推定値を次のステップS18で植物工場の環境制御に反映する。例えば、予定している植物成長状況に比べて実際の植物成長が遅れている場合には、予定に比べて光合成速度、及び蒸散速度が小さくなる傾向があると考えられるので、植物成長を促進するために二酸化炭素濃度の基準値(制御目標値)を上げるなどの調整を自動又は手動で実施する。また、予定している植物成長状況に比べて実際の植物成長が早すぎる場合には、予定に比べて光合成速度、及び蒸散速度が大きくなる傾向があると考えられるので、植物成長を抑制するために二酸化炭素濃度の基準値を下げるなどの自動調整を実施する。これにより植物成長の均一化などが可能になる。
The
制御部40は、ステップS15で取得した最新の二酸化炭素濃度を事前に定めた下限値VL(例えば300[ppm])と比較する(S19)。そして、検出した二酸化炭素濃度が下限値VL以下になると、制御部40はステップS19からS20の処理に進み、制御信号SG1及びSG2を制御して、開閉弁21及び22をそれぞれ開く。これにより、空気の循環が再開されるので、空気中の二酸化炭素濃度が徐々に上昇し、湿度は徐々に低下する。
The
なお、図2に示した制御は、植物13の実際の成長状況を把握する必要がある時点において、必要に応じて制御部40が実施する。図2に示した制御を実施しない時には、半閉鎖空間11内の空気中の二酸化炭素濃度等は、事前に定めた一定の目標値に近づくように制御部40により制御される。
Note that the control shown in FIG. 2 is performed by the
<制御中の状態変化の例>
図2の制御を実施する場合の開閉弁21、22の状態及び二酸化炭素濃度の経時変化の例を図3に示す。
<Example of state change during control>
FIG. 3 shows an example of the state of the on-off
図2の制御を実施する場合には、図3に示すように空気中の二酸化炭素濃度が上限値VUと下限値VLとの間の範囲内に維持されるように、二酸化炭素濃度の上昇と下降とが交互に繰り返される。 When carrying out the control of FIG. 2, the concentration of carbon dioxide in the air is increased and the descent is alternately repeated.
すなわち、開閉弁21及び22が開いている状態では二酸化炭素濃度が上昇を続け、開閉弁21及び22が閉じている状態では二酸化炭素濃度が下降を続ける。
そして、図2の制御においては、図3に示す各測定区間Tm、つまり二酸化炭素濃度が下降するタイミングにおいて、制御部40が二酸化炭素濃度の変化の状況を把握し、その結果に基づいて光合成速度を推定する。
That is, the carbon dioxide concentration continues to rise while the on-off
In the control of FIG. 2, at each measurement interval Tm shown in FIG. to estimate
すなわち、開閉弁21及び22が閉じている状態では半閉鎖空間11内の空気量が一定であり入れ替わりも生じないので、半閉鎖空間11内で植物13が光合成に伴って吸収した二酸化炭素の量が二酸化炭素濃度の低下をもたらす。したがって、制御部40は、測定により得られた二酸化炭素濃度の低下速度に基づいて光合成速度を推定できる。同様に、制御部40は、暗期において測定により得られた二酸化炭素濃度の増加速度に基づいて呼吸速度を推定できる。
That is, when the on-off
また、制御部40は測定区間Tmにおける湿度の変化状況に基づいて蒸散速度を推定する。なお、植物の光合成速度、呼吸速度および蒸散速度の間には大きな相関関係があるので、植物工場で植物を管理する場合には、光合成速度、呼吸速度および蒸散速度のいずれか一を把握するだけでも適切に管理可能である。
Also, the
<校正処理>
植物栽培システム50の制御部40が使用する補正データ記憶部TB1上の補正データを生成するために実施する校正処理の手順を図4に示す。
<Calibration process>
FIG. 4 shows a procedure of calibration processing performed to generate correction data in the correction data storage unit TB1 used by the
図1に示した植物栽培システム50においては、半閉鎖空間11内に比較的安価な空気環境測定器17を1台だけ設置して二酸化炭素濃度などを測定しているので、空気環境測定器17の測定結果をそのまま利用すると誤差が大きくなり、光合成速度の推定精度が低下する場合がある。そこで、本実施形態では、空気環境測定器17に比べて検出精度が高い基準測定器を用意して、空気環境測定器17の測定誤差を減らすために必要な校正処理を実施する。その校正処理の手順が図4に示されている。
In the
用意する基準測定器としては、例えばメイワフォーシス株式会社製の「植物光合成総合解析システム」LI-6800を利用できる。この基準測定器は高価であるため植物工場で常時使用するのは困難であるが、測定精度が高いので半閉鎖空間11内の空気環境測定器17を校正するための用途では利用可能である。 As the reference measuring instrument to be prepared, for example, "Plant Photosynthesis Comprehensive Analysis System" LI-6800 manufactured by Meiwa Forsys Co., Ltd. can be used. Since this reference measuring instrument is expensive, it is difficult to use it at all times in a plant factory.
図4に示した校正処理について以下に説明する。
ステップS31では、図1に示した植物栽培システム50と同等の環境において、例えば制御部40が開閉弁21及び22を開いて栽培室10内の二酸化炭素濃度を目標値まで上げる。目標値は例えば1000[ppm]とする。
The calibration process shown in FIG. 4 will be described below.
In step S31, in an environment equivalent to the
栽培室10内の二酸化炭素濃度が目標値に到達すると、例えば制御部40が開閉弁21及び22を閉じ、半閉鎖空間11内への二酸化炭素供給を停止する(S32)。
When the carbon dioxide concentration in the
ステップS33では、空気環境測定器17が測定した二酸化炭素濃度の時間推移を、例えば制御部40で監視してその時系列データを取得し記録する。
In step S33, the time transition of the carbon dioxide concentration measured by the air
次に、図示しない基準測定器を用意して、作業者がこの基準測定器の検出部を栽培室10内に設置する(S34)。具体的には、基準測定器の2つのセンサ部の一方を空気入口10a又は管路出口20bの近傍(in側)に配置し、他方を空気出口10b又は管路入口20aの近傍(out側)に配置する。これにより、in側流路の空気とout側流路の空気とを測定対象にできる。この場合の光合成速度Vpsは、基準測定器の検出状態に基づき次式から算出できる。
Next, a reference measuring device (not shown) is prepared, and the operator installs the detection unit of this reference measuring device in the cultivation room 10 (S34). Specifically, one of the two sensor units of the reference measuring instrument is arranged near the
Vps=Vaf×RCO2×Rh ・・・ (1)
Vps:光合成速度[μmol/m2/s]
RCO2 =(VCO2in-VCO2out)
Rh =VH2Oin/VH2Oout
Vaf:流路の空気風量
RCO2:二酸化炭素吸収比率
Rh :湿度変化比率
VCO2in :in側の二酸化炭素濃度
VCO2out:out側の二酸化炭素濃度
VH2Oin :in側の湿度
VH2Oout:out側の湿度
Vps=Vaf*RCO2*Rh (1)
Vps: Photosynthetic rate [μmol/m 2 /s]
RCO2 = (VCO2in - VCO2out)
Rh = VH2Oin/VH2Oout
Vaf: air volume in flow path RCO2: carbon dioxide absorption ratio Rh: humidity change ratio VCO2in: in-side carbon dioxide concentration VCO2out: out-side carbon dioxide concentration VH2Oin: in-side humidity VH2Oout: out-side humidity
基準測定器は、光合成速度Vps及び蒸散速度を測定値として出力する。
図4のステップS35では、例えば制御部40が開閉弁21及び22を開いて栽培室10内の二酸化炭素濃度を目標値まで上げ、その状態を維持する。ここで、目標値は例えば1000[ppm]とする。
The reference instrument outputs the photosynthetic rate Vps and the transpiration rate as measurements.
In step S35 of FIG. 4, for example, the
ステップS36、S37では、基準測定器で光合成速度等の測定を繰り返し、これらの計測値が十分に安定するまで制御部40又は作業者が監視する。
基準測定器の計測値が安定したら、次のステップS38で基準測定器の計測値のデータ、すなわち光合成速度、呼吸速度および蒸散速度を記録する。
In steps S36 and S37, measurements of the photosynthetic rate and the like are repeated with the reference measuring instrument, and the
When the measured value of the reference measuring instrument is stabilized, the data of the measured value of the reference measuring instrument, that is, the photosynthetic rate, respiration rate and transpiration rate are recorded in the next step S38.
次のステップS39では、S38で得られた基準測定器の光合成速度等と、ステップS33で取得した空気環境測定器17の測定データとを比較する。但し、比較する前に両者のデータの単位を揃えるための換算を実施する必要がある。また、半閉鎖空間11内における蒸散速度を算出する際には絶対湿度変化量の把握が必要であるが、空気環境測定器17の測定値は相対湿度であるので、基準測定器と空気環境測定器17の測定データを比較する際に相対湿度/絶対湿度の相互変換を実施する必要がある。
In the next step S39, the photosynthetic rate and the like of the reference measuring instrument obtained in S38 are compared with the measurement data of the air
また、ステップS39では基準測定器の光合成速度等を正しい値として、空気環境測定器17の測定データの誤差を減らすために必要な補正データを計算により生成する。そして、生成した補正データを補正データ記憶部TB1に保存する。
Further, in step S39, correcting the photosynthetic rate of the reference measuring instrument and the like, correction data required to reduce errors in the measurement data of the air
<植物工場の制御系>
複数の栽培室を含む植物工場100の制御系の構成例を図5に示す。
図5に示した構成においては、それぞれが互いに独立した半閉鎖空間11を有する4つの栽培室10A、10B、10C、及び10Dが植物工場100に備わっている。これらの栽培室10A~10Dは、それぞれが図1に示した植物栽培システム50と同等の互いに独立した制御系を有している。
<Control system of plant factory>
FIG. 5 shows a configuration example of the control system of the
In the configuration shown in FIG. 5, a
データ管理部61は、稼働している各栽培室10A~10Dがそれぞれ出力するデータを逐次取得し、取得したデータを栽培室毎に区別した状態でデータ蓄積部62に蓄積する。このデータの中には、各栽培室の測定結果情報i17に含まれる温度、湿度、及び二酸化炭素濃度や、日時、開閉弁21及び22の開閉状態などの情報が含まれている。
The
光合成評価部63は、データ蓄積部62が蓄積しているデータを取得して、植物13の実際の育成状況を把握するために光合成の評価を栽培室毎に個別に実施する。すなわち、光合成評価部63は、図3に示した測定区間Tm毎の二酸化炭素濃度の変化速度に基づいて光合成速度を算出する。また、光合成評価部63は、測定区間Tm毎の湿度変化速度に基づいて蒸散速度を算出する。また、光合成評価部63は、日時情報に基づいて暗期を特定し、暗期において開閉弁21及び22が閉状態である測定区間毎の二酸化炭素濃度の変化速度に基づいて呼吸速度を算出する。
The
光合成評価部63は、栽培室毎の評価結果、すなわち算出した光合成速度等のデータを栽培環境決定部64の入力にフィードバックする。
The
栽培環境決定部64は、例えば事前に定めた植物の品種毎の栽培レシピと、光合成評価部63からフィードバックされた光合成速度等とを比較して実際の植物の生育状況を栽培室毎に推定する。また、栽培環境決定部64は、推定した実際の植物の生育状況と、植物工場100における栽培室毎の植物13の栽培スケジュールとを比較して、栽培環境の調整を栽培室毎に実施する。
The cultivation
例えば、栽培室10Aにおける植物13の栽培スケジュールと比べて実際の植物13の生育状況が遅れている場合には、栽培環境決定部64が栽培室10Aに与える環境条件(A)において、半閉鎖空間11内の二酸化炭素濃度の制御目標値を上げるように指示する。又は、栽培環境決定部64は、照明装置15に対して、点灯する時間が長くなるように、或いは植物13に照射する光の光量を上げるように指示を与える。
For example, when the actual growth of the
また、栽培室10Bにおける植物13の栽培スケジュールと比べて実際の植物13の生育状況が早すぎる場合には、栽培環境決定部64が栽培室10Bに与える環境条件(B)において、半閉鎖空間11内の二酸化炭素濃度の制御目標値を下げるように指示する。
又は、日中に照明装置15を点灯する時間が短くなるように、或いは照明装置15が植物13に照射する光の光量を下げるように指示を与える。
In addition, when the actual growth of the
Alternatively, an instruction is given to shorten the time during which the
上記のような栽培環境決定部64の制御により、植物工場100における各植物13の実際の生育状況を均一化し、栽培スケジュールと一致するように各植物13を栽培することが容易になる。
Control by the cultivation
<制御内容の根拠の説明>
-<二酸化炭素濃度推移>
栽培室10内の二酸化炭素濃度推移の例を図6(a)、図6(b)、及び図6(c)に示す。
<Description of the grounds for control content>
- <Transition of carbon dioxide concentration>
Examples of changes in carbon dioxide concentration in the
すなわち、栽培室10内の二酸化炭素濃度を所定の目標値に維持している状態から、開閉弁21及び22を閉じた後の二酸化炭素濃度の時系列変化を、栽培室10内に配置した空気環境測定器17で測定した結果が図6(a)~図6(c)に示されている。また、この測定は3回繰り返し実施した。3回の測定結果がそれぞれのグラフに示されている。
That is, from the state in which the carbon dioxide concentration in the
図6(a)の測定結果は、二酸化炭素濃度の目標値が1000[ppm]の条件で測定した結果である。また、図6(b)及び図6(c)測定結果については、それぞれ二酸化炭素濃度の目標値が1500及び2000[ppm]の条件で測定した結果である。 The measurement result of FIG. 6A is the result of measurement under the condition that the target value of carbon dioxide concentration is 1000 [ppm]. The measurement results of FIGS. 6B and 6C are the results obtained under conditions where the target values of the carbon dioxide concentration are 1500 and 2000 [ppm], respectively.
すなわち、開閉弁21及び22を閉じた後の栽培室10内の二酸化炭素の総量は一定であるので、栽培室10内の植物13における光合成に伴う二酸化炭素消費量が、二酸化炭素濃度の低下に反映される。
That is, since the total amount of carbon dioxide in the
図6(a)~図6(c)の測定結果から、栽培室10内の二酸化炭素濃度は時間経過に伴って少しずつ安定的に低下する傾向があることが分かる。また、その変化を空気環境測定器17で測定できる。つまり、開閉弁21及び22を閉じた時に栽培室10内の空気環境測定器17により測定される二酸化炭素濃度の低下速度は、栽培室10内の植物13における光合成速度を反映していると考えられる。
From the measurement results of FIGS. 6(a) to 6(c), it can be seen that the carbon dioxide concentration in the
-<光合成速度推移>
栽培室10内の二酸化炭素濃度を一定値に制御した状態で、前述の基準測定器(LI6800)を用いて測定した光合成速度推移の例を図7(a)、図7(b)、及び図7(c)に示す。
-<Transition of photosynthetic rate>
7(a), 7(b) and FIG. 7(c).
図7(a)の測定結果は、二酸化炭素濃度の目標値が1000[ppm]の条件で測定した結果である。また、図7(b)及び図7(c)測定結果については、それぞれ二酸化炭素濃度の目標値が1500及び2000[ppm]の条件で測定した結果である。 The measurement result of FIG. 7A is the result of measurement under the condition that the target value of carbon dioxide concentration is 1000 [ppm]. The measurement results of FIGS. 7B and 7C are the results obtained under conditions where the target values of the carbon dioxide concentration are 1500 and 2000 [ppm], respectively.
図7(a)~図7(c)の測定結果から、栽培室10内の光合成速度を基準測定器で計測する場合には、測定開始から20分程度の時間を経過した後であれば、安定した反応状態で光合成を計測できることが分かる。
From the measurement results of FIGS. 7(a) to 7(c), when measuring the photosynthetic rate in the
したがって、例えば図4に示した校正処理において、ステップS37で基準測定器の計測値が安定するまでに必要な所要時間は20分程度になると考えられる。 Therefore, in the calibration process shown in FIG. 4, for example, it is considered that the time required for the measurement value of the reference measuring device to stabilize in step S37 will be about 20 minutes.
-<測定結果の相関関係>
空気環境測定器17及び基準測定器のそれぞれの測定結果に基づいて算出した光合成速度、及び蒸散速度の相関関係を図8(a)、及び図8(b)に示す。
- <Correlation of measurement results>
Correlations between the photosynthetic rate and the transpiration rate calculated based on the measurement results of the air
図8(a)において、縦軸は基準測定器(LI6800)で計測した光合成速度[μmol/kg/s]を示し、横軸は空気環境測定器17の計測結果を基準測定器の測定結果と対比できるように換算した結果の光合成速度を示している。また、二酸化炭素濃度の目標値が1000、1500、及び2000[ppm]の3種類のそれぞれの条件で測定した結果が図8(a)のグラフに含まれている。
In FIG. 8(a), the vertical axis indicates the photosynthetic rate [μmol/kg/s] measured by the reference measuring device (LI6800), and the horizontal axis indicates the measurement result of the air
図8(b)において、縦軸は基準測定器(LI6800)で計測した蒸散速度[μmol/kg/s]を示し、横軸は空気環境測定器17の計測結果を基準測定器の測定結果と対比できるように換算した結果の蒸散速度を示している。また、二酸化炭素濃度の目標値が1000、1500、及び2000[ppm]の3種類のそれぞれの条件で測定した結果が図8(b)のグラフに含まれている。
In FIG. 8(b), the vertical axis indicates the transpiration rate [μmol/kg/s] measured by the reference measuring device (LI6800), and the horizontal axis indicates the measurement result of the air
図8(a)に示したグラフの内容から、基準測定器と空気環境測定器17のそれぞれの計測値から得られる光合成速度は、二酸化炭素濃度の変化に対して線形に近い相関関係を有していることが明らかである。
From the contents of the graph shown in FIG. 8(a), the photosynthetic rate obtained from the measured values of the reference measuring instrument and the air
また、図8(b)に示したグラフの内容から、基準測定器と空気環境測定器17のそれぞれの計測値から得られる蒸散速度は、二酸化炭素濃度の変化に対して線形に近い相関関係を有していることが明らかである。
Further, from the contents of the graph shown in FIG. 8(b), the transpiration rate obtained from the measurement values of the reference measuring device and the air
また、測定開始から一定時間を経過した後のように安定した状態であれば、基準測定器の特性、及び空気環境測定器17の特性に大きな変動は生じないと考えられる。したがって、空気環境測定器17の計測結果を基準測定器の計測結果に近づけるように、所定の補正係数を用いて空気環境測定器17の計測結果を補正すれば、空気環境測定器17の計測結果だけに基づいて精度の高い光合成速度等を得ることができる。
In addition, it is considered that the characteristics of the reference measuring device and the characteristics of the air
そのような補正係数は、図4に示した校正処理により事前に取得することができ、補正データ記憶部TB1に登録しておくことができる。したがって、図2に示した制御を行う場合には、栽培室10毎に1つずつ設置した空気環境測定器17の測定結果に基づいて、光合成速度等を高精度で把握できる。また、得られた光合成速度等を植物工場の制御にフィードバックすることで、効率的な植物栽培が可能になる。例えば、植物の育成状況を均一化して栽培スケジュールに合わせたり、収穫量を増やすために植物の生育を促進するように半閉鎖空間11内の空気環境を調整することが容易になる。
Such correction coefficients can be obtained in advance by the calibration process shown in FIG. 4, and can be registered in the correction data storage unit TB1. Therefore, when the control shown in FIG. 2 is performed, the photosynthetic rate and the like can be grasped with high accuracy based on the measurement results of the air
<二酸化炭素濃度推移の例>
栽培室内の二酸化炭素濃度を一定に制御する場合の濃度推移の例を図9に示す。
<Example of changes in carbon dioxide concentration>
FIG. 9 shows an example of concentration transition when the carbon dioxide concentration in the cultivation room is controlled to be constant.
通常の植物工場においては、光合成速度や蒸散速度の測定を常時行う必要はない。したがって、日常的な栽培環境においては図1に示した栽培室10内の二酸化炭素濃度が一定の目標値(設定値)、例えば1000[ppm]になるように制御部40が制御を実施する。
In a normal plant factory, it is not necessary to constantly measure photosynthetic rate and transpiration rate. Therefore, in a daily cultivation environment, the
例えば、空気環境測定器17が検出した二酸化炭素濃度が設定値を超えると、制御部40は開閉弁21、22を閉じるか、又はボンベ24からの補給管路25を閉じて二酸化炭素の供給を停止する。また、空気環境測定器17が検出した二酸化炭素濃度が設定値未満になると、制御部40は開閉弁21、22を開くか、又はボンベ24からの補給管路25を開いて二酸化炭素の供給を再開する。
For example, when the concentration of carbon dioxide detected by the air
制御部40が上記のような制御を行う場合には、栽培室10内の実際の二酸化炭素濃度は図9に示すように設定値に近い安定した状態に維持される。したがって、安定した空気環境で栽培室10内の植物13を栽培できる。
When the
なお、図1に示した植物栽培システム50においては、栽培室10の空気出口10bに近い位置に空気環境測定器17を設置してあるが、他の場所に空気環境測定器17を設置しても良い。また、栽培室10と接続する空気管路20の管路入口20a及び管路出口20bの位置については、別の位置に変更しても良い。例えば、管路入口20a及び管路出口20bを栽培室10内の同じ側の壁面に接続しても良い。
In the
<植物栽培システムの利点>
図1に示した植物栽培システム50においては、栽培室10内に設置した空気環境測定器17の測定結果を利用するだけで、植物13を実際に栽培している環境における光合成速度等を把握できる。しかも、植物栽培システム50においては、事前に行う校正処理により得られる補正データ記憶部TB1上の補正データを用いて測定結果を補正することで、光合成速度等の推定精度を大幅に改善することができる。
<Advantages of Plant Cultivation System>
In the
したがって、例えば互いに独立した多数の栽培室を有する植物工場で様々な品種、或いは出荷時期が異なる複数グループの植物を同時に栽培する場合であっても、設備コストを大幅に上昇させることなく、実際の植物の生育状況を栽培室毎に把握可能になる。また、空気環境測定器17の設置場所を変更するような作業も不要であるため、作業に伴う人的コストの上昇も避けることができる。
Therefore, for example, even in the case of simultaneously cultivating various varieties or a plurality of groups of plants with different shipping times in a plant factory having a large number of mutually independent cultivation chambers, the equipment cost does not increase significantly, and the actual production It becomes possible to grasp the growth status of plants for each cultivation room. In addition, since work such as changing the installation location of the air
<漏気を加味した計測>
上述した通り、図1に示した植物栽培システム50においては、植物13を実際に栽培している環境において、実質的に密閉空間とされた半閉鎖空間11内の二酸化炭素濃度及び湿度を測定する。しかし、実際には、半閉鎖空間11の内外における空気の移動、すなわち漏気が存在する。そこで、漏気を加味した計測を行うことが好ましい。具体的には、植物13がない状態で半閉鎖空間内を空調した際の漏気量を予め測定し、制御部40に記憶させておく。そして、制御部40は、空気環境測定器17の測定により得られる測定結果情報i17から、この漏気量を差し引いた値で、光合成速度等を評価する。
<Measurement with air leakage>
As described above, in the
<補足説明>
ここで、上述した本発明に係る植物栽培システムの実施形態の特徴をそれぞれ以下[1]~[9]に簡潔に纏めて列記する。
[1] 外気から隔離された半閉鎖空間を内部に形成可能な栽培室(10)と、
前記栽培室内に配置され、植物の栽培に利用可能な栽培容器(12)と、
前記栽培室内と実質的に密閉空間を形成し、前記栽培室内の空気環境を調整可能な空気環境調整部(空気管路20)と、
前記栽培室内、もしくは前記栽培室に空気が出入りする部位の近傍で、二酸化炭素および水分の少なくとも一方を検出可能な環境センサ(空気環境測定器17)と、
前記環境センサの検出した二酸化炭素又は水分に基づいて前記栽培容器内の植物の栽培環境を評価する評価部(制御部40、S17)と、
を備え、
前記評価部は、前記栽培室内の空気環境が基準状態に到達した状態で、前記環境センサの検出した二酸化炭素又は水分の変化(S16)に基づいて前記栽培容器内の植物の栽培環境を評価する(S17)、
植物栽培システム(50)。
<Supplementary explanation>
Here, the features of the embodiment of the plant cultivation system according to the present invention described above are summarized and listed briefly in [1] to [9] below.
[1] a cultivation chamber (10) capable of forming a semi-enclosed space isolated from the outside air;
a cultivation container (12) that is arranged in the cultivation chamber and that can be used for cultivating plants;
an air environment adjustment unit (air conduit 20) that forms a substantially closed space with the cultivation room and is capable of adjusting the air environment in the cultivation room;
an environment sensor (air environment measuring device 17) capable of detecting at least one of carbon dioxide and moisture in the cultivation room or in the vicinity of a portion where air enters and exits the cultivation room;
an evaluation unit (control
with
The evaluation unit evaluates the cultivation environment of the plant in the cultivation container based on the change in carbon dioxide or moisture detected by the environment sensor (S16) in a state where the air environment in the cultivation room reaches a reference state. (S17),
A plant cultivation system (50).
[2] 前記環境センサに比べて検出精度が高い所定の基準測定器の測定結果に基づき事前に生成された補正データを保持する補正データ保持部(補正データ記憶部TB1)を有し、
前記評価部は、前記環境センサの検出値を前記補正データを用いて補正した結果に基づいて前記栽培容器内の植物の栽培環境を評価する(S17)、
上記[1]に記載の植物栽培システム。
[2] having a correction data holding unit (correction data storage unit TB1) that holds correction data generated in advance based on the measurement results of a predetermined reference measuring instrument that has higher detection accuracy than the environment sensor;
The evaluation unit evaluates the cultivation environment of the plant in the cultivation container based on the result of correcting the detection value of the environment sensor using the correction data (S17);
The plant cultivation system according to [1] above.
[3] 前記評価部は、前記環境センサの出力から前記栽培室内における二酸化炭素濃度の情報を取得し、二酸化炭素濃度の変化速度に基づいて前記栽培室内の植物の光合成速度又は暗期における呼吸速度を評価する(S17)、
上記[1]又は[2]に記載の植物栽培システム。
[3] The evaluation unit acquires information on the carbon dioxide concentration in the cultivation room from the output of the environment sensor, and based on the rate of change in the carbon dioxide concentration, the photosynthetic rate or the respiration rate in the dark period of the plants in the cultivation room. (S17),
The plant cultivation system according to the above [1] or [2].
[4] 前記評価部は、前記環境センサの出力から前記栽培室内における空気中の水分量の情報を取得し、空気中の水分量の変化速度に基づいて前記栽培室内の植物の蒸散速度を評価する(S17)、
上記[1]又は[2]に記載の植物栽培システム。
[4] The evaluation unit acquires information on the moisture content in the air in the cultivation chamber from the output of the environment sensor, and evaluates the transpiration rate of the plants in the cultivation chamber based on the rate of change in the moisture content in the air. (S17),
The plant cultivation system according to the above [1] or [2].
[5] 前記栽培室と前記空気環境調整部との接続の有無を切り替え可能な接続切替部(開閉弁21、22)と、
前記接続切替部を制御する制御部(40)と、を有し、
前記制御部は、事前に定めた上限値および下限値に基づいて前記接続切替部を制御し、前記栽培室内の二酸化炭素濃度が上昇して前記上限値に到達すると、前記接続切替部を制御して前記栽培室と前記空気環境調整部との間の空気流路を閉じ(S14)、前記栽培室内の二酸化炭素濃度が低下して前記下限値に到達すると、前記接続切替部を制御して前記栽培室と前記空気環境調整部との間の空気流路を開く(S20)、
上記[1]乃至[4]のいずれかに記載の植物栽培システム。
[5] A connection switching unit (on-off
a control unit (40) that controls the connection switching unit;
The control unit controls the connection switching unit based on predetermined upper and lower limits, and controls the connection switching unit when the concentration of carbon dioxide in the cultivation chamber rises and reaches the upper limit. closes the air flow path between the cultivation room and the air environment adjustment unit (S14), and when the concentration of carbon dioxide in the cultivation room decreases and reaches the lower limit, the connection switching unit is controlled to control the opening an air flow path between the cultivation room and the air environment adjusting unit (S20);
The plant cultivation system according to any one of [1] to [4] above.
[6] 前記栽培容器内の植物の栽培環境を制御する栽培環境調整部(制御部40)を備え、
前記栽培環境調整部は、前記評価部の評価結果を前記栽培容器内の植物の栽培環境調整に反映する(S18)、
上記[1]乃至[5]のいずれかに記載の植物栽培システム。
[6] A cultivation environment adjustment unit (control unit 40) that controls the cultivation environment of the plant in the cultivation container;
The cultivation environment adjustment unit reflects the evaluation result of the evaluation unit in the cultivation environment adjustment of the plant in the cultivation container (S18),
The plant cultivation system according to any one of [1] to [5] above.
[7] 前記栽培室は、前記半閉鎖空間に形成された空気出口(10b)、及び空気入口(10a)を有し、
前記空気環境調整部は、前記栽培室の前記空気出口、及び前記空気入口に接続可能な空気管路(20)と、前記空気管路を通過する空気の温度及び湿度を調整する温湿度調整部(空調部23)と、前記空気管路に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給部(ボンベ24)とを有し、
前記接続切替部は、前記前記栽培室の空気出口の近傍、及び前記前記栽培室の空気入口近傍にそれぞれ配置された2つの開閉弁(開閉弁21、22)を有する、
上記[5]に記載の植物栽培システム。
[7] The cultivation chamber has an air outlet (10b) and an air inlet (10a) formed in the semi-enclosed space,
The air environment adjustment unit includes an air pipeline (20) connectable to the air outlet and the air inlet of the cultivation room, and a temperature and humidity adjustment unit that adjusts the temperature and humidity of the air passing through the air pipeline. (Air conditioning unit 23) and a carbon dioxide supply unit (cylinder 24) that supplies carbon dioxide to the air pipeline,
The connection switching unit has two on-off valves (on-off
The plant cultivation system according to [5] above.
[8] 前記栽培環境調整部は、前記植物の光合成を評価した結果に基づいて、前記植物の生育速度を調整するように前記栽培容器内の植物の栽培環境を制御する、
上記[6]に記載の植物栽培システム。
[9] 前記植物の画像データを取得するカメラ(18)を備える、
上記[1]乃至[8]のいずれかに記載の植物栽培システム。
[8] The cultivation environment adjustment unit controls the cultivation environment of the plant in the cultivation container so as to adjust the growth rate of the plant based on the results of evaluating the photosynthesis of the plant.
The plant cultivation system according to [6] above.
[9] A camera (18) for acquiring image data of the plant,
The plant cultivation system according to any one of [1] to [8] above.
10,10A,10B,10C,10D 栽培室
10a 空気入口
10b 空気出口
11 半閉鎖空間
12 栽培容器
13 植物
14 養液
15 照明装置
16 送風機
17 空気環境測定器
18 カメラ
20 空気管路
20a 管路入口
20b 管路出口
21,22 開閉弁
23 空調部
24 ボンベ
25 補給管路
25a 補給点
31 養液供給管
32 養液排出管
33 養液タンク
34 肥料供給源
35 肥料供給部
36 pH測定器
37 ポンプ
40 制御部
50 植物栽培システム
61 データ管理部
62 データ蓄積部
63 光合成評価部
64 栽培環境決定部
100 植物工場
i17 測定結果情報
SG1,SG2 制御信号
TB1 補正データ記憶部
Tm 測定区間
VU 上限値
VL 下限値
Claims (9)
前記栽培室内に配置され、植物の栽培に利用可能な栽培容器と、
前記栽培室内と実質的に密閉空間を形成し、前記栽培室内の空気環境を調整可能な空気環境調整部と、
前記栽培室内、もしくは前記栽培室に空気が出入りする部位の近傍で、二酸化炭素および水分の少なくとも一方を検出可能な環境センサと、
前記環境センサの検出した二酸化炭素又は水分に基づいて前記栽培容器内の植物の栽培環境を評価する評価部と、
を備え、
前記評価部は、前記栽培室内の空気環境が基準状態に到達した状態で、前記環境センサの検出した二酸化炭素又は水分の変化に基づいて前記栽培容器内の植物の栽培環境を評価する、
植物栽培システム。 a cultivation chamber in which a semi-enclosed space isolated from the outside air can be formed;
a cultivation container that is arranged in the cultivation chamber and that can be used for cultivating plants;
an air environment adjustment unit that forms a substantially closed space with the cultivation room and is capable of adjusting the air environment in the cultivation room;
an environment sensor capable of detecting at least one of carbon dioxide and moisture in the cultivation room or in the vicinity of a portion where air enters and exits the cultivation room;
an evaluation unit that evaluates the cultivation environment of the plant in the cultivation container based on carbon dioxide or moisture detected by the environment sensor;
with
The evaluation unit evaluates the cultivation environment of the plant in the cultivation container based on changes in carbon dioxide or moisture detected by the environment sensor in a state where the air environment in the cultivation room has reached a reference state.
plant cultivation system.
前記評価部は、前記環境センサの検出値を前記補正データを用いて補正した結果に基づいて前記栽培容器内の植物の栽培環境を評価する、
請求項1に記載の植物栽培システム。 a correction data holding unit that holds correction data generated in advance based on the measurement result of a predetermined reference measuring instrument having detection accuracy higher than that of the environment sensor;
The evaluation unit evaluates the cultivation environment of the plant in the cultivation container based on the result of correcting the detection value of the environment sensor using the correction data.
The plant cultivation system according to claim 1.
請求項1又は請求項2に記載の植物栽培システム。 The evaluation unit acquires information on the carbon dioxide concentration in the cultivation room from the output of the environment sensor, and evaluates the photosynthetic rate or the respiration rate in the dark period of the plants in the cultivation room based on the rate of change in the carbon dioxide concentration. ,
The plant cultivation system according to claim 1 or 2.
請求項1又は請求項2に記載の植物栽培システム。 The evaluation unit acquires information on the amount of moisture in the air in the cultivation chamber from the output of the environment sensor, and evaluates the transpiration rate of the plants in the cultivation chamber based on the rate of change in the amount of moisture in the air.
The plant cultivation system according to claim 1 or 2.
前記接続切替部を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、事前に定めた上限値および下限値に基づいて前記接続切替部を制御し、前記栽培室内の二酸化炭素濃度が上昇して前記上限値に到達すると、前記接続切替部を制御して前記栽培室と前記空気環境調整部との間の空気流路を閉じ、前記栽培室内の二酸化炭素濃度が低下して前記下限値に到達すると、前記接続切替部を制御して前記栽培室と前記空気環境調整部との間の空気流路を開く、
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の植物栽培システム。 a connection switching unit capable of switching between the presence or absence of connection between the cultivation room and the air environment adjustment unit;
a control unit that controls the connection switching unit;
The control unit controls the connection switching unit based on predetermined upper and lower limits, and controls the connection switching unit when the concentration of carbon dioxide in the cultivation chamber rises and reaches the upper limit. to close the air flow path between the cultivation room and the air environment adjustment section, and when the concentration of carbon dioxide in the cultivation room decreases and reaches the lower limit, the connection switching section is controlled to close the cultivation room and the air environment adjustment section. opening an air flow path between the air environment adjustment unit;
The plant cultivation system according to any one of claims 1 to 4.
前記栽培環境調整部は、前記評価部の評価結果を前記栽培容器内の植物の栽培環境調整に反映する、
請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の植物栽培システム。 A cultivation environment adjustment unit that controls the cultivation environment of the plant in the cultivation container,
The cultivation environment adjustment unit reflects the evaluation result of the evaluation unit in adjusting the cultivation environment of the plant in the cultivation container.
The plant cultivation system according to any one of claims 1 to 5.
前記空気環境調整部は、前記栽培室の前記空気出口、及び前記空気入口に接続可能な空気管路と、前記空気管路を通過する空気の温度及び湿度を調整する温湿度調整部と、前記空気管路に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給部とを有し、
前記接続切替部は、前記前記栽培室の空気出口の近傍、及び前記前記栽培室の空気入口近傍にそれぞれ配置された2つの開閉弁を有する、
請求項5に記載の植物栽培システム。 The cultivation chamber has an air outlet and an air inlet formed in the semi-enclosed space,
The air environment adjustment section includes an air conduit connectable to the air outlet and the air inlet of the cultivation chamber, a temperature and humidity adjustment section that adjusts the temperature and humidity of the air passing through the air conduit, and the a carbon dioxide supply unit that supplies carbon dioxide to the air conduit;
The connection switching unit has two on-off valves arranged near an air outlet of the cultivation room and near an air inlet of the cultivation room, respectively.
The plant cultivation system according to claim 5.
請求項6に記載の植物栽培システム。 The cultivation environment adjustment unit controls the cultivation environment of the plant in the cultivation container so as to adjust the growth rate of the plant based on the result of evaluating the photosynthesis of the plant.
The plant cultivation system according to claim 6.
請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載の植物栽培システム。 A camera that acquires image data of the plant,
The plant cultivation system according to any one of claims 1 to 8.
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