JP5277413B2 - 植物栽培施設における植物栽培装置 - Google Patents

Description

本発明は、植物の栽培施設において、自動的に植物に培養液を供給する給液制御が行える植物の栽培装置に関する。

食用植物および鑑賞用植物の栽培は人手にたよる作業が多いにもかかわらず、農業人口の減少と近隣諸国の安い農作物等の輸入等により、日本の農業の将来性が危ぶまれている。この様な背景のもとに農作業の機械化と自動化の研究開発が活発化している。
特に果実、なかでも糖度の高いトマトなど商品価値の高い作物を人手を掛けずに自動的に栽培する技術開発が行われている。

例えば特開２００２−２３８３６１号公報記載のトマトの栽培方法の発明では、給水と施肥方法の工夫と植物の成長に応じた茎の支持方法の工夫により、品質が高く収穫量が多いトマトを栽培する方法が開示されている。
特開２００２−２３８３６１号公報

前記特許文献１記載の発明は、トマトの栽培時の給水などを適切に行い、高品質のトマトを栽培するというものであるが、果実の栽培を自動化したとはいえず、手間の掛かる栽培方法を踏襲するものである。

本発明の課題は、自動的に、しかも品質の高い植物（例えば高糖度）を栽培するための植物栽培施設における植物の栽培装置を提供することである。
なお、植物とは果実、蔬菜、穀物等の農作物に限定されない。

本発明の上記課題は、次の解決手段で解決される。
請求項１記載の発明は、生育途中の植物の葉を所定位置から撮影する撮影装置（２）と、植物へ培養液を供給する培養液供給装置（５）と、葉の表面温度を検出する表面温度検出手段と、前記撮影装置（２）で撮影された画像データに基づいて葉の萎れ度合を判定する萎れ判定機能と該萎れ判定機能で判定した萎れ度合に基づいて萎れを解消するべく前記培養液供給装置（５）の培養液供給量を制御する培養液供給量制御機能と植物の培地から排液が排出されることに基づいて前記培養液供給装置（５）の植物への培養液供給を停止させる培養液供給停止機能と前記表面温度検出手段による測定値に基づいて植物栽培施設（１０）内の温度を制御する温度制御機能とを有する制御装置（３）と、前記撮影装置（２）により植物栽培施設（１０）内の各所を撮影できるように、該撮影装置（２）を移動させる移動装置（１２）とを設け、前記制御装置（３）の培養液供給量制御機能は、培養液の濃度を変動可能であって、前記萎れ判定機能で判定した萎れ度合が萎れのない状態から第１の所定度合までの間で大きくなるにつれて供給する培養液の濃度を低下させるが供給量は一定とし、更に萎れ度合が第１の所定度合から第２の所定度合までの間で大きくなるにつれて前記培養液の濃度の低下を継続すると共に供給量を増加させ、更に萎れ度合が第２の所定度合から第３の所定度合までの間で大きくなるにつれて培養液の濃度を第２の所定度合時の値に維持するが培養液の供給量は増加を継続し、更に萎れ度合が第３の所定度合よりも大きくなると供給量も第３の所定度合時の値に維持すると共に前記培養液の濃度の維持を継続する供給量及び濃度の設定で培養液の供給を制御する機能であり、前記制御装置（３）の温度制御機能は、前記表面温度検出手段による測定値よりも所定値高い温度で植物栽培施設（１０）内の温度を制御すると共に、朝方と昼と夕方で前記所定値を異ならせる機能である植物栽培施設（１０）における植物栽培装置である。
なお、本発明の培養液供給装置（５）から植物に供給される培養液は肥料含有液のみならず水も含まれる。

請求項１記載の発明によれば、撮影装置（２）で撮影された画像データに基づいて葉の萎れ度合を萎れ判定機能で判定し、この萎れ度合に基づいて萎れを解消するべく植物へ水分、養液などを供給できるので、植物を萎れさせて枯らすようなことを防止でき、ひいては植物に適度な水ストレスを与えながら栽培することができる。更に、植物の培地から排液が排出されることに基づいて植物への水分などの供給を停止する構成としたので、必要以上に水分等の供給がなされることがなく、しかも植物に確実に水分などを供給することができ、植物を萎れさせて枯らすようなことを確実に防止できる。
また、移動装置（１２）により撮影装置（２）を移動させて施設（１０）内の各所を撮影できるので、施設（１０）内の局所で萎れが発生していても逸早く萎れを判断でき、ひいては植物を萎れさせて枯らすようなことを確実に防止できる。
更に、葉の表面温度に基づいて植物にストレスをかけながら施設（１０）内の温度制御を行うことができるので、これを糖度制御に活用することで目標糖度の植物の生産が可能となる。

また、施設（１０）内の温度を葉の温度より若干高い温度に設定することにより、植物にストレスがかかりやすくなり、目標糖度の植物の生産が可能となる。

本発明の実施例を図面とともに説明する。
図１に本実施例の植物の栽培方法の概念図を示す。植物としてトマトを例に説明するが、本発明はトマトに限定されるものではない。
トマト生育施設（ハウス）１０（図３、図４）内の栽培容器１に植えられて生育中のトマトの葉をトマトの上方から撮影するために、デジタルカメラ（撮影装置）２をハウス１０の適宜の支持部材（図示せず）に支持させてトマトの上方に配置する。またカメラ２で撮影された画像のデジタルデータは制御装置（コンピュータ）３に送信する構成になっている。さらにトマトの植えられた栽培容器１には培養液供給装置５から培養液が供給される。

またトマトの植えられた栽培容器１はガーター６に載せておき、該ガーター６の底部には排液流通口６ａを設けておき、栽培容器１に供給された培養液はトマト生育に利用された後に落下して排液タンク７に回収される。ガーター６の底部に設けた排液流通口６ａには排液感知器９が設置されており、該排液感知器９が排液を検出すると、該検出信号が制御装置３に送信され、制御装置３は培養液供給装置５から栽培容器１への培養液の供給を停止させる。
なお、上記デジタルカメラ２は、その他の用途のためのハウス１０内に設置されるカメラをタイムシェアリングしながら利用することもできる。

また、一回の培養液のトマトへの供給量は植物に応じてそれぞれ適切な量とするが、トマトの場合は一個の栽培容器１に対して５０から２００ｍｌとする。
トマトの葉の萎れ度合を判定する萎れ判定は制御装置３の萎れ度合判定手段である中央演算装置（ＣＰＵ）３ｂで行うが、ＣＰＵ３ｂによる葉の萎れ度合の判定は図２に示すフローチャートに従って行う。

図２に示すフローで、ステップ１でカメラ２で撮影した画像が制御装置３内の画像入力装置３ａに入力されると、ステップ２で葉の上方から撮影した画像を２値化したデータとしてトマトの葉の投影面積を制御装置３内のＣＰＵ３ｂと記憶装置３ｃを用いて算出する。

上記トマトの上方からの投影面積は葉の投影面積を正確に算出する必要はなく、たとえば葉に特定の色に対応する画素の数を求めれば足りる。撮影された各画像に対して投影面積を求めてもよく、一定の時間内に撮影された複数の画像を平均化した上で投影面積を求めてもよい。

次にステップ３ではステップ２で求めたトマトの葉の投影面積の記憶装置３ｃ中に予め設定されている最大の投影面積に対する比率を求める。ステップ４では前記投影面積比に基づき給液をすべきかどうかを判断する。例えば、７５％を給液基準値とし、投影面積比がこの給液基準値を下回るか否かを基準とすれば、簡単に判断することができる。さらに、投影面積比の時間変化率（微分量）や時間積分量も判断材料に加えても良い。このように所定の給液基準値（７０〜９０％が望ましい）を葉の萎れ度合の判定の目安とする。

トマトに対する給液を不要と判断すれば、画像入力のステップ１へ戻る。給液を必要と判断すれば、ステップ５で給液信号を給液信号出力装置３ｄに出力し、該給液信号の出力によって培養液供給装置５のポンプ５ａを作動して、トマトに給液を行う。そして、そのときの投影面積の値を最大投影面積として記憶装置３ｃでの最大投影面積を更新する。

トマトの葉の萎れ度合の判定で、培養液を供給する必要があると、前述のように所定量の培養液を供給するが、一価の培養液の供給で萎れが回復していないと判定されると、一定時間毎（例えば１０〜２０分毎）に萎れ度合いの判定を行い、萎れが無くなり正常値（９８〜１００％）に戻るまで、給液を繰り返す。

一度に大量の給液を行うと、根圏の変化が大きくなり、根の病気、生理障害等の起因になるため、培養液の所定量を少しずつ供給することでストレスを与えつつも、急激な変化を抑制することで栽培期間を長くすることが可能になる。

また、図１に示すデジタルカメラ（撮影装置）２によりトマト生育施設内の各所を撮影できるように、該カメラ２を移動させる移動装置をハウス１０内のカメラ支持部材に設ける。図３（図３（ａ）の側面図と図３（ｂ）の平面図）はハウス１０内のラチス１１の下にレール１２を設け、またカメラ２にはレール１２上を移動できるアクチュエータ（図示せず）を連結している。また、レール１２上を移動するカメラ２の撮影点を予め設定しておき、レール１２の近傍の要所要所のカメラ撮影点となる位置にカメラ２が接近したことを検出する近接センサ（図示せず）を配置している。

こうして、レール１２上を移動するカメラ２が近接センサを配置された特定位置の近傍に来ると、当該特定位置でのトマトの画像を繰り返し撮影することができるので、トマトの葉の萎れ度合を判定することができる。
なお、カメラ２の移動時には撮影しないで、撮影点は固定しており、撮影点の近傍に設けた近接センサがカメラ２を検知して初めて撮影が可能となる。

図４にはハウス１０内のラチス１１の下に矩形レール１２を設け、またカメラ２を矩形レール１２上を移動できるようにし、かつ矩形レール１２にカメラ２を設置した実施例を示す。図４（ａ）にはハウス１０内の平面図を示し、図４（ｂ）には図４（ａ）の矩形レール１２部分の拡大図を示す。カメラ２には近接センサ１４を搭載させておき、矩形状のレール１２の各コーナ部分に近接センサ１４が検知できる反射板１５をそれぞれ配置している。
従って、デジタルカメラ２がレール１２のコーナ部に近づくと、近接センサ１４が反射板１５を検知するので、カメラ２は、移動を停止する。カメラ２が停止するとトマトの葉をカメラ２が撮影し、その場で待機する。

次いで、カメラ２はレール１２上を次のコーナ部に向けて移動して、先ほどと同様にコーナ部で停止した後、トマトの葉の撮影をする。このようにレールコーナ部における定点撮影でトマトの葉の萎れ度合が判定できる。
また、上記トマトの葉の萎れの程度だけでなく、トマトの果実の糖度を予測するシステムにより果実の糖度を予測し、糖度予測値と共に前記培養液供給制御を行っても良い。さらにハウス１０内の温度制御も行うことで高品質トマトを作成するシステムを採用してもよい。

目的の糖度のトマトを収穫するために、まず（１）糖度の予測は糖度予測システムを使用する。次いで（２）培養液の制御は、前述した制御方法を使用した植物の投影面積により適切な培養液の量、濃度を供給する。このとき（３）２４時間一定温度にて（１７℃位）となるように温室内環境の温度制御を行う。

上記（１）の糖度予測システムは、例えば、発光部及び受光部を備え、発光部からの光を果実に当て、果実からの反射光又は果実を通過したあとの透過光を受光部で受光し、その受光の測定値に基づいて糖度を推測する糖度推測装置を使用して構成することができる。

上記（２）の培養液の供給制御は、ＳＰＡ（Speaking Plant Approach）を使用した植物の投影面積比により適切な培養液の量、又は適切な濃度にした培養液を供給する。併せて、例えば糖度推測装置の測定から得られた栽培果実の成熟時の予測糖度と栽培果実の成熟時の目標として予め設定される目標糖度とを比較し、両者の差異が大きいときは水ストレスを多くかけ、両者の差異が小さいときは水ストレスを抑えるべく、培養液の量又は濃度を設定して培養液を供給する。

このとき、トマトのカメラ２による投影面積比に基づき適切な濃度の培養液の量を供給する。図５にその例を示す。萎れの程度が大きいと培養液の供給量を多くするが、萎れの程度が小さくなると共に（ａ）培養液の供給量を減らし、（ｂ）培養液の濃度を高くする。なお、培養液の供給量と濃度のうち、いずれかのみを変動させる構成にしてもよい。

この様にして得られたトマト糖度の予測値に基づいて、目標糖度より低い場合はトマトの前記投影面積比を指標にして、ストレスをかけて給液を行い、目標より高くなる場合、ストレスをかけないように給液を行うことが可能となり、目標糖度のトマトが自動給液により生産可能となる。

また、上記（３）の温室内環境の温度制御は、トマトの葉の温度を表面温度センサで測定して温室内の温度を制御してもよい。 例えば朝方は葉の温度より＋１℃、昼は葉の温度より＋５℃、夕方は葉の温度より＋２℃になるようにトマトにストレスを掛けながら温度制御を行うことで糖度制御に活用する。

このように、室温を葉の温度より若干高い温度に設定することによりストレスがかかりやすくなり、糖度の予測値とトマトの投影面積比と葉温を培養液の供給制御に反映させることで、きめ細かい給液が可能となり、目標糖度のトマト生産が可能となる。

なお、トマトの場合の培養液中の肥料の主成分は、カリウム、カルシウム、マグネシウム、硝酸態窒素、燐酸等である。また、上述の実施例では、果実としてトマトを例にして詳述したが、これに限られるものではなく、トマト以外の果実に応用してもよい。

本発明により、生育途中で葉の萎れ度合を主な判定基準として、培養液の供給をこまめに自動的に行うことで所望の品質の植物を収穫することができると共に、栽培の省力化が図れる。

本発明の実施例の植物の栽培方法の概念図である。 図１に示す植物の栽培方法に用いる葉の萎れ度合の判定を行うフローチャートである。 図１に示す植物の栽培方法に用いる葉の萎れ度合の判定手段のハウス内への設置例を説明する図である。 図１に示す植物の栽培方法に用いる葉の萎れ度合の判定手段のハウス内への他の設置例を説明する図（図４（ａ）は施設内の天井梁部分の平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の矩形レール部分の拡大図）である。 図１に示す植物の栽培方法に用いる葉の萎れ度合（葉の投影面積比）に基づき適切な供給量と濃度の培養液を供給する場合の、供給量と濃度の関係を示す図である。

符号の説明

１ 栽培容器 ２ デジタルカメラ（撮影装置）
３ 制御装置（コンピュータ） ３ａ 画像入力装置
３ｂ ＣＰＵ ３ｃ 記憶装置
３ｄ 給液信号出力装置 ５ 培養液供給装置
５ａ ポンプ ６ ガーター
７ 排液タンク ９ 排液感知器
１０ ハウス １１ ラチス
１２ レール １４ 近接センサ
１５ 反射板

Claims (1)

1. 生育途中の植物の葉を所定位置から撮影する撮影装置（２）と、
   植物へ培養液を供給する培養液供給装置（５）と、
   葉の表面温度を検出する表面温度検出手段と、
   前記撮影装置（２）で撮影された画像データに基づいて葉の萎れ度合を判定する萎れ判定機能と該萎れ判定機能で判定した萎れ度合に基づいて萎れを解消するべく前記培養液供給装置（５）の培養液供給量を制御する培養液供給量制御機能と植物の培地から排液が排出されることに基づいて前記培養液供給装置（５）の植物への培養液供給を停止させる培養液供給停止機能と前記表面温度検出手段による測定値に基づいて植物栽培施設（１０）内の温度を制御する温度制御機能とを有する制御装置（３）と、
   前記撮影装置（２）により植物栽培施設（１０）内の各所を撮影できるように、該撮影装置（２）を移動させる移動装置（１２）と
   を設け、
   前記制御装置（３）の培養液供給量制御機能は、培養液の濃度を変動可能であって、前記萎れ判定機能で判定した萎れ度合が萎れのない状態から第１の所定度合までの間で大きくなるにつれて供給する培養液の濃度を低下させるが供給量は一定とし、更に萎れ度合が第１の所定度合から第２の所定度合までの間で大きくなるにつれて前記培養液の濃度の低下を継続すると共に供給量を増加させ、更に萎れ度合が第２の所定度合から第３の所定度合までの間で大きくなるにつれて培養液の濃度を第２の所定度合時の値に維持するが培養液の供給量は増加を継続し、更に萎れ度合が第３の所定度合よりも大きくなると供給量も第３の所定度合時の値に維持すると共に前記培養液の濃度の維持を継続する供給量及び濃度の設定で培養液の供給を制御する機能であり、
   前記制御装置（３）の温度制御機能は、前記表面温度検出手段による測定値よりも所定値高い温度で植物栽培施設（１０）内の温度を制御すると共に、朝方と昼と夕方で前記所定値を異ならせる機能である
   植物栽培施設（１０）における植物栽培装置。

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