JP6555781B2

JP6555781B2 - 水位管理システム

Info

Publication number: JP6555781B2
Application number: JP2016107778A
Authority: JP
Inventors: 幸俊逸見; 小林　伸行; 伸行小林
Original assignee: 株式会社笑農和
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2019-08-07
Anticipated expiration: 2036-05-30
Also published as: JP2016220681A

Description

本発明は、通信機器を備えたセンサーもしくは無人飛行体によって、各種環境情報を取得し、その情報に基づいて水門を調節し水田の水位調整を行い、水田等の水の管理を省力化する情報管理システムに関する。

近年、農業従事者の高年齢化、就農人口の減少に伴い、農場経営が大規模化し、経営耕地が大型化してきている。そこで、インターネットなどの電気通信回線を用いた情報通信技術を農業経営に利用する試みが行われている。特許文献１によれば、環境情報を収集するデータ収集装置を遠隔地に設置して、このデータ収集装置により収集した環境情報を電気通信回線を介して集計して一元的に管理したり、データ収集装置により収集した環境情報を自宅の端末にて閲覧できるようにすることが、情報通信技術の利用により実現可能となる。

また、特許文献２のデータ処理装置によれば、カメラユニットにより、水田の設置された目盛り付き水位板を被写体とした画像を影像し、このカメラユニットにより影像した画像の画像データを水位データとして外部端末であるセンターサーバや農家側端末に送信して、農家側端末にて閲覧できることが可能となる。

さらに、特許文献３の水田水位調整装置によれば、無線によって、操作され、送信器から、水田水位設定の信号が送られると、その信号を受信器で受信し、制御器に設定水位の信号を送りモーターを回転させ、溢水口の高さを変化させ、水位を調整することが可能となる。

特開２００７−１９９３６８特開２００９−２３６６３８特開平１１−１１３４３１

しかしながら、前記特許文献１に係る発明では、水田の水位管理（深水管理ともいう。）のためにその水門がある場所まで出向いて水門開閉に係る作業を行う必要があるため、大型経営耕地を有する生産者（以下、単に生産者ということもあるが、生産者には、このような規模以外の経営耕地を持つ生産者も含まれる。）にとって大きな負担となっている。また、前記特許文献２に係る発明のデータ収集装置では、カメラユニットにより撮影できる範囲は限られているため前記生産者にとって、その管理する水田すべてをカバーするためにデータ収集装置が必要となるため、大きなコスト負担となる。さらに、前記特許文献３に係る水田水位調整装置では、制御箱に受信部，制御部，バッテリ，モータ，駆動機構部とが一体となって格納されているため、いずれか一つが故障した場合に、迅速な対応を取ることが難しい。

また、一般的に、水稲の栽培リスクとして、鼠やモグラ等により、水が抜けて水田が干上がるということがある。かかる状況を把握し、即座に解決するためには水田を監視する必要があるが、生産者にとっては容易ではない。また、所定の時刻に各圃場に水を供給したいという欲求があるが生産者にとって同時刻に各圃場に水を給水するということは困難である。

以上の従来技術における問題に鑑み、本発明の目的は、各圃場における水門の管理を省力化すること及び各圃場に最適となる水の管理をすることができる水位情報管理システムを提供することにある。

また、本発明の別の目的としては、前記水位情報管理システムに利用することもでき、誰にでも容易にメンテナンスをすることが可能となる水門を提供することにある。

本発明の水位管理システムは、圃場に給水用水門並びに排水用水門並びに水位計測用指標を設置し、所定の空路を飛行する無人飛行体から圃場乃至水位計測指標を撮影する手段と、撮影された画像を無人飛行体から送信する手段と、送信された画像を解析して水位を算出する手段と、所定の基準水位と算出された前記水位情報とを比較し、無線モジュールを有した給水用水門若しくは排水用水門に対して開閉指示を送信する手段を有することを特徴とする。

さらに、本発明の水位管理システムは、圃場に給水用水門並びに排水用水門並びに温湿度センサ、地温センサ、地中水分センサ、pH、電気伝導率センサ、溶存酸素センサ、濁度センサ、日射量センサ、又は炭酸ガスセンサから選ばれる１以上のセンサを設置し、前記各種センサから各種環境情報を取得する手段と、取得された前記環境情報を通信機器を介して送信する手段と、前記環境情報を解析して水位を算出する手段と、所定の基準水位と算出された前記水位情報とを比較し、無線モジュールを有した給水用水門若しくは排水用水門に対して開閉指示を送信する手段を有することを特徴とする。

本発明の水門は、機構部２と通信部５と制御部６とモーター４と動力源７とからなり、少なくとも機構部２と、動力源７がそれぞれ単体ユニットであることを特徴とする。

本発明によれば、各圃場に設置されたセンサー、水門に設置されたセンサー又は無人飛行体が、水位等に関する環境情報を取得し、クラウド上に情報を送信し、水田の開閉指示を自動又は生産者の情報端末で行うことができるので、大型経営耕地を有する生産者であっても、全ての水田を見回る必要がなくなり、労力の低減が期待できる。また、環境情報はクラウド上のアプリケーションに保存されるため、生産者はそのシーズンにおける水田に関する情報を容易に入手することができ、これらと収穫量等の分析を行うこともできる。

また、本発明によれば、所定の時間に一斉に生産者側端末によって水門を調整することができるため、同時間に水を給水することができる。また、所定の時間ごとに前記端末に環境情報を送信することが可能であり、前記端末から水門へ直接開閉指示を行うことができるので、水田の予測不可能な変化に対応することができる。

さらに、本発明によれば、水門を構成するユニットがそれぞれ別ユニットとなっているから、例えば、バッテリーに故障が発生した場合、バッテリーのユニットのみを交換すれば良く、誰にでも容易にメンテナンスを実施することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る水位情報管理システムに用いる水門１の全体図である。図２は、本発明の実施の形態に係る水位情報管理システムに用いる水門の他の実施の形態である。図３は、本発明の実施の形態に係る水位情報管理システムに用いる機構部の実施の形態である。図４（ａ）（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る水位情報管理システムに用いる水門を設置した断面図である。図５は、本発明の実施の形態に係る水位情報管理システムに用いる無人飛行体１３が撮影する水位計測指標５の全体図である。図６は、本発明の実施の形態に係る水位情報管理システムに用いるセンサー１０の全体図である。図７は、本発明の実施の形態に係る水位情報システムに用いる水門１を各水田（図示せず）に設置し、クラウド上のアプリケーション及び生産者側端末から前記水門へ開閉指示を送る場合の構成図である。図８は、本発明の実施の形態に係る水位情報管理システムの無人飛行体を利用した場合の断面図である。図９は、本発明の実施の形態に係る水位情報管理システムの無人飛行体を利用した場合の他の断面図である。図１０は、本発明の実施の形態に係る水位情報管理システムの無人飛行体を利用した場合の他の概念図である。図１１は、本発明の実施の形態に係る水位情報システムに用いるセンサーを各水田(図示せず)に設置し、ソーラーシステムを備えたゲートウェイに送信し、前記ゲートウェイからクラウド上のアプリケーションに送信する構成図である。図１２は、本発明の実施の形態に係る水位情報管理システムのセンサーを利用した場合の概念図である。図１３は、本発明の実施の形態に係る水位情報管理システムの無人飛行体を利用した場合のフローチャートである。図１４は、本発明の実施の形態に係る水位情報管理システムの無人飛行体を利用した場合の他の実施のフローチャートである。図１５は、本発明の実施の形態に係る水位情報管理システムのセンサーを利用した場合のフローチャートである。図１６は、本発明の実施の形態に係る水位情報管理システムの水門の設置したセンサーを利用した場合のフローチャートである。

以下に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明に用いる水門１の概略図である。本水門１は、無線モジュール、制御装置、乾電池を備えた半自動制御の水門である。

本願発明に係る給水用水門を図２を用いてさらに詳細に説明する。調整用アタッチメント３は、水口の幅、長さが各圃場によって異なるものであることから、水口に機構部を設置する際に、水口の大きさに対応するために用いる。モーター４の動力源７としては、乾電池、ソーラー電池、風力、水力、地熱等の自然エネルギーを用いることができる。通信部５は、３G回線等の電気通信回線を用いることができ、後述するクラウド上のアプリケーションとの通信を行う。制御部６は、通信部５からの指令をモーター４へ伝達する。

機構部の形態について図３を用いて説明する。まず、機構部の第一の形態は（ａ）、機構部２の下部に、水の通気口が突設され、前記通気口に直径が略等しい円筒様ホース１０が延設されている。前記ホース１０の先端には、剛体棒８からワイヤー９が連結されている。図（ａ）上図は、水田へ水を給水している状態であるが、給水を停止する際には、モーター４により、ワイヤー９を巻き上げ水田への給水を停止する。
また、機構部の第二の形態（ｂ）について説明する。機構部２の下部に、水の通気口が突設され、前記通気口に直径が略等しい円筒１３が延設されている。円筒１３の略中間の位置にワイヤー１２が巻回されている。給水を停止する際には、ワイヤー１２を絞り上げ水田への給水を停止する。かかる両実施の形態に係る円筒１３は、軟質塩ビ樹脂製等の材質からなり、変形することができるホースを使用するとよい。。
さらに、機構部の第三の形態（ｃ）について説明する。機構部２の下部に、水の通気口が突設され、上下方向に移動する剛体棒１４及び固定された剛体棒１５が設置されている。
前記剛体棒１４には、中空棒とそれに設置された板が取り付けられている。モーター４により、剛体棒１４を上下方向に移動させ、給排水を行う。前記板の材質については特に制限されないが、耐久性等を考慮して、ステンレス等を使用するとよい。

また、図示していないが、別ユニットとして、カメラ等の撮影機器を取り付けることもできる。かかる撮影機器により、水位等を撮影し、リアルタイムの状況を把握することができる。また、各種試験紙等を測定するユニットを設置し、水位、pH等の測定結果を送付することもできる。さらに、環境情報測定センサーを取り付け、各種環境情報を取得することができる。各種センサーにより取得する環境情報には、温湿度、地温、地中水分、pH、電気伝導率、溶存酸素、濁度、日射量、炭酸ガス等が含まれる。これらの中から一種又は二種以上を組み合わせて所望の各種環境情報を取得できる。

温湿度を測定する温湿度センサは、温度および湿度を検出するセンサであり、白金測温抵抗体型（温度）および静電容量式高分子ポリマー型（湿度）などを用いることができ、その場所の温度および湿度を検出する。地温を測定する地温センサは、水田における土壌温度を検出するセンサである。また、地中御水分を測定する地中水分センサは、水田における土壌水分を検出するセンサであり、例えば、電気抵抗型のセンサを用いることができる。pHを測定するpHセンサは、水田における水素イオン濃度を検出するセンサである。電気伝導率を測定する電気伝導率センサは、電気伝導度を用いて、水田の土壌中に存在している肥料分の含有傾向又は農薬等を検出するセンサである。当該電気伝導率センサは、各種イオン（F^-、Cl^-、NO^3-、Ca²⁺、K⁺、NH⁴⁺ 等）をも測定できる。日射量を測定する日射量センサは、地表面上の全天日射量を検出するセンサであり、熱電対型などを用いることができる。炭酸ガスを測定する炭酸ガスセンサは、ＣＯ^２濃度を検出するセンサであり、個体高分子型などを用いることができる。

図４（ａ）及び（ｂ）は、水門を水田に設置した状態を表した図である。水田と水路とを仕切る畦に水量調整板１７を備えた給水用水門１（ａ）と排水用水門１（ｂ）を設置する。水量調整板１７の動力は、バネ等の非電力とすることもできるし、太陽電池等も使用することができる。

図５は、無人飛行体（図示せず）が読み取る四角錐１８にボール１９を入れたものからなる水位計測指標２０である。これを水田に設置し、水面に接したボールの面積を無人飛行体が撮影し、画像処理を行うことによって水位情報を獲得する。なお、無人飛行体とは、遠隔操作や無線操縦で動く飛行体をいい、一例としてドローンが挙げられる。

図６は、本発明に係るセンサー部について示したものである。設置部材２１にモバイル通信機能２２を有した計測部２３（乾電池等（図示せず）を動力とすることができる。）乃至センサ部（超音波センサー、温度センサー等各種センサーが含まれる。（図示せず））を取り付けるものである。本センサー２４によって、各種環境情報を取得することができる。ここで、センサには、温湿度センサ、地温センサ、地中水分センサ、pH、電気伝導率センサ、溶存酸素センサ、濁度センサ、日射量センサ、又は炭酸ガスセンサが含まれ、これらの中から一種又は二種以上を組み合わせて所望の各種環境情報を取得することができる。なお、前述したセンサと同様の物を使用することができる。

図７は、クラウド上のアプリケーション２５から水門１へ開閉指示を送信した模式図である。また、本願発明に係る水位情報システムは、クラウド上アプリケーション２５を介さず、生産者側端末２６からも水門１へ開閉指示を送信することができる。ここで、生産者側端末とは、スマートフォン、タブレット又はパソコン等の各種情報処理端末のことをいう。
このように、生産者側端末から水門へ直接開閉指示を送信することができることによって、急に水門の開閉作業が必要となった場合に、各圃場に出向くことなく、行うことが可能となる。

クラウド上のアプリケーション２５は、水田の水位の値が所定値となるように、水田の水門の制御部に対して制御指令を出力するものである。前記クラウド上のアプリケーション２５は、無人飛行体により撮像された水田の画像又はセンサーの値を解析処理することで、水田の水位を算出する。算出された水田の水位の値を予め設定された所定の基準水位と比較して、水田の水位の値が所定の基準水位未満であれば、給水側水門の制御部６に対して機構部２を水門の開度を増加させる制御指令を出力する。一方、水田の水位の値が所定の基準水位を越えていれば、排水側水門１aに対して水門の開度を増加させる制御指令を出力する。
ここで、所定の基準水位とは、圃場の地面から水の表面までの目標となる距離のことをいう。かかる所定の基準水位の設定は、栽培する米の品種、稲の発育過程、稲の栽培地域における土壌、気候、気象条件、各圃場の地形、高低差、形状、水温又は前記各種環境情報等を総合的に考慮して、経験的又は統計的な観点から決定される。
一例をあげると、田植えから２カ月程度の時期の所定の基準水位は、栽培する米の品種などによるが、概ね約１０ｃｍ〜１５ｃｍである。
また、クラウド上のアプリケーション２５は、各種センサーから集められた環境情報を記憶する機能をも担っている。例えば、その環境情報を取得した時間や日付などの情報が環境情報に対応付けて記憶される。

以下、本願発明に係る実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図８は、無人飛行体２７を利用した場合の水位情報管理システムの実施の第一の実施の形態である。図１３と合わせて詳細に説明する。図８に示されるように各圃場に給水用水門１ａ並びに排水用水門１ｂ並びに水位計測用指標２０を設置する。あらかじめ空路を設定した無人飛行体２７による飛行により４、５枚の圃場乃至水位計測指標２０を撮影する。この場合、撮影に要する時間は、約１５〜２０分である。基地（図示せず）に戻った無人飛行体２７は、画像を送信し、画像解析ソフトから水位を計算しクラウド上のアプリケーション２５に保存する。あらかじめ設定された水位と無人飛行体から送信され解析された水位情報とを比較し、無線モジュールを有した給水用水門１ａへ若しくは排水用水門１ｂに対して開閉指示をクラウド上のアプリケーション２５から信号を送信する。前記各水門１は信号を受け取ると開閉を行う。生産者側端末２６からも水門１へ開閉指示を送信することができる。

（第２の実施の形態）
図９は、無人飛行体２７を利用した場合の水位情報管理システムの第２の実施の形態である。図１１と合わせて詳細に説明する。図６に示されるように各圃場に給水用水門１ａ並びに排水用水門１ｂを設置する。あらかじめ空路を設定した無人飛行体２７による飛行により各圃場を撮影する。この場合、撮影に要する時間は、約１５〜２０分である。基地（図示せず）に戻った無人飛行体２７は、画像を送信し、画像解析ソフトから三次元データを作成し、水位情報に加えて、圃場の高低差及び／又は作物の葉緑素を算出しこれらの情報をクラウド上のアプリケーション２５に保存する。あらかじめ前記各種情報を基に設定された水位と無人飛行体から送信され解析された前記各種情報とを比較し、情報通信機器を有した給水用水門１ａへ若しくは排水用水門１ｂに対して開閉指示をクラウド上のアプリケーション２５から信号を送信する。前記各水門１は信号を受け取ると開閉を行う。また、クラウド上のアプリケーション２５を生産者側端末２６から参照し、水門１へ開閉指示を送信することができる。

画像解析ソフトから圃場の高低差を算出する一つの方法として、以下の方法がある。写真撮影は、飛行コースでラップさせて撮影する。画像解析により各写真の特徴点抽出と写真間の対応付けを行うことで、カメラ位置（X、Y、Z、Yaw、Pitch、Roll）を推定し、、三次元座標をもった点（ポイントクラウドともいう。）を大量に得ることができる。これらを解析することで、オルソフォト、点群データ、DSM、三次元モデル等を出力データとして得ることができる。

圃場の高低差を算出することの第一の効果として、稲の倒伏を防ぐことができる。具体的には、台風や発達した低気圧が接近した場合等の急激な気象条件の変化による稲の倒伏を防ぐためには、水田を深水させる必要がある。そこで、事前に無人飛行機により圃場の高低差を解析し、各圃場の低い箇所にセンサーを設置する。次いで、前記箇所の水位を測定する。そして、あらかじめ稲の倒伏を防ぐべく設定された基準水位と比較して、水門の開閉指示を行い、水位を基準水位とすることで、稲の倒伏を防ぐことができる。また、稲の発育を行っていない時期に圃場の高低差を測定することにより、圃場を均す対策を講ずることができる。

圃場の高低差を算出することの第二の効果として、農薬を適切に散布、管理することができる。圃場の低い箇所には、散布した農薬が長期間滞留することになるから、土壌の微生物を死滅させてしまう。また、高低差が大きいと、散布した農薬は単に流出することとなり、農薬の効果を得ることができない。さらに、農薬が十分に散布されていない場合には、稲作の生育に悪影響を及ぼし、収穫時期に稲を倒伏させることになる。したがって、圃場内の高い箇所並びに低い箇所に水位計測用指標を設置し、これらの箇所の測定結果から、農薬が滞留していると判断される場合には、水門の開閉作業により水位を調節して、農薬を排斥することで、適切な量へと調整することができる。これを生産者の各圃場毎に実施することにより最適となる水の管理を行うことができる。

圃場の作物の葉の色を解析して葉緑素を算出することにより、稲の発育過程におけるその解析時点の状態を把握することができる。すなわち、稲の葉緑素を測定することで、各圃場の水量及び／又は肥料が稲の発育に十分足りているか否かを判断し、対策を講ずるすることができる。一例としては、水量が足りていない箇所には、水位計測用指標を事後的に設置して、所定の基準値となるように水位調整をすることができる。したがって、単に水田の水位、温度等の情報だけではなく、直接的に各圃場の稲の発育状態を考慮しつつ、各圃場ごとに最適となる水の管理を行うことができる。

（第３の実施の形態）
図１０は無人飛行体２７を利用した場合の水位情報管理システムの第３の実施の形態である。図１３と合わせて詳細に説明する。本実施例では、通信機器（図示せず）乃至センサー（図示せず）を搭載した無人飛行体２７を使用する。各圃場に給水用水門１ａ並びに排水用水門１ｂ並びに水位計測用指標２０を設置する。あらかじめ空路を設定した無人飛行体２７の飛行により、水位計測指標２０を撮影する。搭載されたセンサー（図示せず）によって水位情報を獲得し、あらかじめ設定しておいた水位設定値と得られた情報から解析を行い無線モジュールを有した給水用水門１ａ若しくは排水用水門１ｂに対してへ通信機器（図示せず）を介して開閉指示を行う。前記各水門１は信号を受け取ると開閉を行う。生産者側端末２６からも水門１へ開閉指示を送信することができる。

（第４の実施の形態）
図１１は図６に記載のセンサー２４を利用した場合の水位情報管理システムの第４の実施の形態である。図１５と合わせて詳細に説明する。センサー２４を各圃場毎（図示せず）に設置し、圃場１０枚単位に１台のソーラーパネル電池を備えたゲートウェイ２８を設置する。各圃場毎に設置されたセンサー２４は、水田の水位、水温、温度、湿度等を所定時間毎に測定し、これらのデータを無線にてソーラーパネルを備えたゲートウェイ２８を経由しクラウド上のアプリケーション２５に保存する。あらかじめ設定された水位とセンサー１０から送信され解析された水位情報とを比較し、無線モジュールを有した給水用水門１ａ若しくは排水用水門１ｂに対して開閉指示をクラウド上のアプリケーションから送信する。前記各水門１は信号を受け取ると開閉を行う。生産者側端末２６からも水門１へ開閉指示を送信することができる。

（第５の実施の形態）
図１２は図４に記載のセンサー２４を利用した場合の水位情報管理システムの第５の実施の形態である。図１５と合わせて詳細に説明する。センサー２４を各圃場毎に設置し、水門１を各圃場毎に設置する。各圃場毎に設置されたセンサー２４は、水田の水位、水温、温度、湿度等の各種環境情報を所定時間毎に測定し、これらのデータを情報通信手段によりクラウド上のアプリケーション２５に保存する。あらかじめ各種環境情報等に対応して設定された水位とセンサー１０から送信され解析された水位等の各種環境情報とを比較し、情報通信手段を有した給水用水門(図示せず）若しくは排水用水門(図示せず）に対して開閉指示をクラウド上のアプリケーション２６から送信する。前記各水門は信号を受け取ると開閉を行う。また、生産者側端末１２からも給水用水門又は排水用水門へ開閉指示を送信することもできる。

（第６の実施の形態）
図１２は水門１を利用した場合の水位情報管理システムの第６の実施の形態である。図１６と合わせて詳細に説明する。水門１を各圃場毎に設置する。各水門に設置されたセンサー(図示せず）は、水田の水位、水温、温度、湿度等を所定時間毎に測定し、これらのデータを各種情報通信手段によりクラウド上のアプリケーション２５に保存する。あらかじめ各種環境情報等に対応して設定された所定の基準水位とセンサーから送信され解析された水位等の各種環境情報とを比較し、各種通信機能を有した給水用水門１ａ若しくは排水用水門１ｂに対して開閉指示をクラウド上のアプリケーション２５から送信する。前記各水門１は信号を受け取ると開閉を行う。また、生産者側端末２６からクラウド上の前記データを送受信し、給水用水門１ａ又は排水用水門１ｂへ開閉指示を送信することもできる。

本発明は水田等の水位管理に要する労力を大幅に低減することができ、無線モジュールを有した水門へ開閉指示を行うことにより、水位管理を容易に行うことができる。

Claims

圃場に給水用水門並びに排水用水門並びに水位計測用指標を設置し、所定の空路を飛行する無人飛行体から圃場及び水位計測指標を撮影する手段と、撮影された画像を無人飛行体から送信する手段と、送信された画像を解析して水位を算出する手段と、所定の基準水位と算出された前記水位情報とを比較し、無線モジュールを有した給水用水門若しくは排水用水門に対して開閉指示を送信する手段を有することを特徴とする水位管理システム。
前記給水用水門は、機構部と、通信部と、制御部と、モーターと、動力源と、からなり、少なくとも機構部と、動力源とがそれぞれ単体ユニットであることを特徴とする請求項１に記載の水位管理システム。
請求項１又は請求項２に記載の水位管理システムにおいて、圃場に、温湿度センサ、地温センサ、地中水分センサ、pH、電気伝導率センサ、溶存酸素センサ、濁度センサ、日射量センサ、又は炭酸ガスセンサから選ばれる１以上のセンサを設置し、前記各種センサから各種環境情報を取得し、アプリケーションに記憶する手段を有することを特徴とする水位管理システム。