JP6677946B2 - 栽培中作物の生育状態測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、収穫前の生育段階にある栽培中作物の生育状態測定装置に関する。

野菜栽培の自動制御に必要な情報である、温度・湿度・日射量・土中水分量などをリアルタイムで連続測定するセンサ装置には、既に様々な手段が提案され、製品化されてきた。
しかしながら、生育状況をリアルタイムに把握する為に必要な、作物内の栄養状態に関しては、栽培現場で測定する機器・手段が無く、サンプルを採集しての破壊試験ないしは、果実・野菜を収穫した後の結果測定に留まっていた。
そのため、栽培管理時の栄養状態の調整（灌水・追肥など）は、作業者の経験に頼った属人的な作業を余儀なくされてきた。
また、目的は異なるがサンプリングされた試料中の成分分析を、分光計測によって非接触・非破壊で実施する方法が提案されている（例えば特許文献１）。

特表２０１２−５２６２８９号公報

しかしながら、特許文献１の方法は室内の安定した環境での測定を前提としており、外乱（特に光を信号として扱う分光計測においては太陽などの外乱光）が、時々刻々と変化する環境では大きな測定誤差が発生し実使用には耐えなかった。

そこで本発明は、収穫前の生育段階にある栽培中作物に対して、露地・ハウス内等の栽培現場にて、非接触・非破壊で、植物の栄養状態を連続測定できる、栽培中作物の生育状態測定装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の栽培中作物の生育状態測定装置は、植物１の測定部位１ａ、１ｂ、１ｃに対する照射光を発生する光源１１と、前記光源１１の照射タイミングを制御する投光制御部１２と、前記測定部位１ａ、１ｂ、１ｃからの検出光を受光する受光部１３と、前記受光部１３の受光タイミングを制御する受光制御部１４と、前記受光部１３で受光した前記検出光から、前記植物１の栄養状態を示す、硝酸態窒素量、炭水化物量、タンパク質量、ミネラル成分量、及び抗酸化物質量の少なくともいずれか一つの成分量を算出する演算部１５と、前記植物１の前記測定部位１ａ、１ｂ、１ｃに装着する生体保持構造体２０と、前記光源１１で発生させた前記照射光を前記測定部位１ａ、１ｂ、１ｃに導く投光ファイバ１７と、前記測定部位１ａ、１ｂ、１ｃからの前記検出光を前記受光部１３に導く受光ファイバ１８とを備え、前記植物１が、収穫前の生育段階にある栽培中作物であり、前記測定部位１ａ、１ｂ、１ｃを、茎、果柄、及び葉柄のいずれかとし、前記演算部１５では、前記光源１１の前記照射タイミングでの前記検出光による投光時受光信号と、前記照射タイミングの直前又は直後での前記検出光による非投光時受光信号との差分を用いて演算処理することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の栽培中作物の生育状態測定装置において、前記光源１１として、波長の異なる複数の発光ダイオードを用い、前記受光部１３として分光器を用い、前記投光制御部１２では、複数の前記発光ダイオードの前記照射タイミングを同じとすることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の栽培中作物の生育状態測定装置において、前記光源１１として、波長の異なる複数の発光ダイオードを用い、前記受光部１３としてフォトダイオードを用い、前記投光制御部１２では、それぞれの前記発光ダイオードの前記照射タイミングを異ならせることを特徴とする。

本発明によれば、特に栽培環境下で最も強いノイズである太陽光（直流光）の影響をキャンセルでき、環境光とのＳ／Ｎを向上させることができるので、収穫前の生育段階にある栽培中作物に対して、露地・ハウス内等の栽培現場にて、非接触・非破壊で、植物の栄養状態を連続測定することができる。

（ａ）本発明の一実施例による栽培中作物の生育状態測定装置を示すブロック図、（ｂ）同生育状態測定装置が測定対象とする植物の測定部位を示す図、（ｃ）同測定部位に装着する生体保持構造体を示す図 同生育状態測定装置における投光制御部での出力信号と、受光部での受光信号を示す図 受光部にフォトダイオードを用いた場合の同生育状態測定装置における投光制御部での出力信号と、受光部での受光信号を示す図

本発明の第１の実施の形態による栽培中作物の生育状態測定装置は、植物が、収穫前の生育段階にある栽培中作物であり、測定部位を、茎、果柄、及び葉柄のいずれかとし、演算部では、光源の照射タイミングでの検出光による投光時受光信号と、照射タイミングの直前又は直後での検出光による非投光時受光信号との差分を用いて演算処理するものである。本実施の形態によれば、特に栽培環境下で最も強いノイズである太陽光（直流光）の影響をキャンセルでき、環境光とのＳ／Ｎを向上させることができるので、収穫前の生育段階にある栽培中作物に対して、露地・ハウス内等の栽培現場にて、非接触・非破壊で、植物の栄養状態を連続測定できる。

本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による栽培中作物の生育状態測定装置において、光源として、波長の異なる複数の発光ダイオードを用い、受光部として分光器を用い、投光制御部では、複数の発光ダイオードの照射タイミングを同じとするものである。本実施の形態によれば、限られた時間で投光時受光信号を得ることができるため、環境光の変化の影響を受けにくい。

本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による栽培中作物の生育状態測定装置において、光源として、波長の異なる複数の発光ダイオードを用い、受光部としてフォトダイオードを用い、投光制御部では、それぞれの発光ダイオードの照射タイミングを異ならせるものである。本実施の形態によれば、簡易なフォトダイオードを用いることができる。

以下に本発明の一実施例による栽培中作物の生育状態測定装置について説明する。
図１（ａ）は本発明の一実施例による栽培中作物の生育状態測定装置を示すブロック図、図１（ｂ）は同生育状態測定装置が測定対象とする植物の測定部位を示す図、図１（ｃ）は、同測定部位に装着する生体保持構造体を示す図である。

本実施例による栽培中作物の生育状態測定装置は、植物１の測定部位１ａ、１ｂ、１ｃに対する照射光を発生する光源１１と、光源１１の照射タイミングを制御する投光制御部１２と、測定部位１ａ、１ｂ、１ｃからの検出光を受光する受光部１３と、受光部１３の受光タイミングを制御する受光制御部１４と、受光部１３で受光した検出光から、植物１の栄養状態を示す成分量を算出する演算部１５と、演算部１５で算出した成分量を時刻情報とともに記憶する記憶部１６とを備えている。
また、本実施例による栽培中作物の生育状態測定装置は、植物１の測定部位１ａ、１ｂ、１ｃに装着する生体保持構造体２０と、光源１１で発生させた照射光を測定部位１ａ、１ｂ、１ｃに導く投光ファイバ１７と、測定部位１ａ、１ｂ、１ｃからの検出光を受光部１３に導く受光ファイバ１８とを備えている。

ここで、測定対象となる植物１は、収穫前の生育段階にある栽培中作物であり、測定部位１ａは茎、測定部位１ｂは果柄、測定部位１ｃは葉柄である。
光源１１には、ウォーミングアップ時間が無く、時間応答性の高い発光ダイオードを用いることが好ましく、波長の異なる複数の発光ダイオードを用いる。

受光部１３に分光器を用いる場合には、投光制御部１２では、複数の発光ダイオードの照射タイミングを同じとする。受光部１３に分光器を用い、複数の発光ダイオードの照射タイミングを同じとすることで、限られた時間で投光時受光信号を得ることができるため、環境光の変化の影響を受けにくい。
受光部１３にフォトダイオードを用いる場合には、投光制御部１２では、それぞれの発光ダイオードの照射タイミングを異ならせる。受光部１３に簡易なフォトダイオードを用いることで安価に装置を構成できる。

投光制御部１２での光源１１の照射時間（パルス幅）は、環境光の変動に対応するために十分に早い時間、例えば１／１０秒〜１／１０００秒の時間とすることが好ましい。さらに、一回の受光測定時間は、前述の照射時間で瞬時に完結するため、複数回の測定データを積算化、又は平均化することにより測定データの精度を向上できる。
非投光時受光信号の検出は、照射タイミングに限りなく近い時間が好ましいが、照射タイミングの直前は一つ前の照射時間の後、照射タイミングの直後は一つ後の照射時間の前であればよい。

植物１の栄養状態を示す成分量には、硝酸態窒素量、炭水化物量、タンパク質量、ミネラル成分量、抗酸化物質量、及び水分量の少なくともいずれか一つを含む。

演算部１５では、光源１１の照射タイミングでの検出光による投光時受光信号と、照射タイミングの直前又は直後での検出光による非投光時受光信号との差分を用いて演算処理する。このことで、特に栽培環境下で最も強いノイズである太陽光（直流光）の影響をキャンセルでき、環境光とのＳ／Ｎを向上させることができるので、収穫前の生育段階にある栽培中作物に対して、露地・ハウス内等の栽培現場にて、非接触・非破壊で、植物１の栄養状態を連続測定できる。

図２は、本実施例による生育状態測定装置における投光制御部での出力信号と、受光部での受光信号を示している。
図２（ａ）は投光制御部での出力信号、図２（ｂ）は外乱光によるノイズが影響する場合の受光部での受光信号、図２（ｃ）は昼間の太陽光が影響する場合の受光部での受光信号、図２（ｄ）は夜間の受光部での受光信号をそれぞれ示している。
演算部１５では、投光時受光信号から、照射タイミングの直前又は直後での非投光時受光信号を減算することで、外乱光や太陽光の影響をキャンセルできる。

図３は、受光部にフォトダイオードを用いた場合の本実施例による生育状態測定装置における投光制御部での出力信号と、受光部での受光信号を示している。
投光制御部１２では、それぞれの発光ダイオードの照射タイミングを異ならせることで、それぞれの発光ダイオードによる投光時受光信号を得ることができる。この場合にも、演算部１５では、発光ダイオードａによるＬＥＤａ投光時受光信号から、ＬＥＤａ投光時受光信号の直前での非投光時受光信号を減算し、発光ダイオードｂによるＬＥＤｂ投光時受光信号から、ＬＥＤｂ投光時受光信号の直前での非投光時受光信号を減算し、発光ダイオードｃによるＬＥＤｃ投光時受光信号から、ＬＥＤｃ投光時受光信号の直前での非投光時受光信号を減算することで、外乱光や太陽光の影響をキャンセルできる。

本発明による栽培中作物の生育状態測定装置は、露地栽培やハウス栽培での植物を、昼夜を問わず、栽培期間中継続して生育状態を測定することができる。

１ 植物
１ａ、１ｂ、１ｃ 測定部位
１１ 光源
１２ 投光制御部
１３ 受光部
１４ 受光制御部
１５ 演算部
１６ 記憶部
１７ 投光ファイバ
１８ 受光ファイバ
２０ 生体保持構造体

Claims (3)

1. 植物の測定部位に対する照射光を発生する光源と、
   前記光源の照射タイミングを制御する投光制御部と、
   前記測定部位からの検出光を受光する受光部と、
   前記受光部の受光タイミングを制御する受光制御部と、
   前記受光部で受光した前記検出光から、前記植物の栄養状態を示す、硝酸態窒素量、炭水化物量、タンパク質量、ミネラル成分量、及び抗酸化物質量の少なくともいずれか一つの成分量を算出する演算部と、
   前記植物の前記測定部位に装着する生体保持構造体と、
   前記光源で発生させた前記照射光を前記測定部位に導く投光ファイバと、
   前記測定部位からの前記検出光を前記受光部に導く受光ファイバと
   を備え、
   前記植物が、収穫前の生育段階にある栽培中作物であり、
   前記測定部位を、茎、果柄、及び葉柄のいずれかとし、
   前記演算部では、前記光源の前記照射タイミングでの前記検出光による投光時受光信号と、前記照射タイミングの直前又は直後での前記検出光による非投光時受光信号との差分を用いて演算処理する
   ことを特徴とする栽培中作物の生育状態測定装置。
2. 前記光源として、波長の異なる複数の発光ダイオードを用い、
   前記受光部として分光器を用い、
   前記投光制御部では、複数の前記発光ダイオードの前記照射タイミングを同じとする
   ことを特徴とする請求項１に記載の栽培中作物の生育状態測定装置。
3. 前記光源として、波長の異なる複数の発光ダイオードを用い、
   前記受光部としてフォトダイオードを用い、
   前記投光制御部では、それぞれの前記発光ダイオードの前記照射タイミングを異ならせる
   ことを特徴とする請求項１に記載の栽培中作物の生育状態測定装置。