JP6785902B2 - 作物活性指数基盤の施設園芸複合環境制御システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、施設園芸複合環境制御システム及び方法に関するものであり、より詳細には、作物活性指数に基づいて施設園芸作物の栽培環境を制御するための施設園芸複合環境制御システム及び方法に関する。

スマートファームは情報通信技術を農業分野に取り入れて、リモートまたは自動で作物の生育環境を管理することができる農場であって、第４次産業革命の一環として注目されている施設園芸分野の代表アイコンである。

スマートファームは作物の生長に必要な環境を提供し、作物の最大の生産量を得ることができるように、温室内の環境を制御する。具体的に温室内の温度、湿度、日射量、二酸化炭素濃度の情報に基づいて、植物がよく育つことができる環境が造成されるように、温室内の様々な環境因子を制御している。

現在、スマートファーム施設の温室制御は、作物の外部環境条件だけを考慮した情報を利用して、環境制御を行うところ、作物の状態にカスタムメイド化した環境制御を行っていない。つまり、現在の温室制御システムは、作物の生育過程で作物が病気にかかったか否か、水分が不足しているか否か、光合成が順調に進んでいるか否か、蒸散作用はどうかなどについて評価し、これを温室環境制御に反映していない。

温室環境因子は、作物の生産量と品質に大きな影響を与えるため、従来の温室制御ソリューションに比べ作物の生育状態を積極的に反映した新たな温室制御ソリューションが要求される。これにより、作物の収量の増大はもちろん、高品質の作物を獲得することができるものと期待される。

本発明は、前述した従来技術の問題を解決するために案出されたものであり、作物の生育状態または活性状態にカスタムメイド化した最適の温室環境を提供する施設園芸複合環境制御システム及び方法を提供することを目的とする。

前記目的は、本発明の一態様に係る施設園芸複合環境制御システムにおいて、作物活性と関連性を有するあらかじめ決められた環境因子を感知する環境因子感知部と、前記環境因子を基づいて前記作物活性を代表する作物活性指数を算出する活性指数算出部と、前記作物活性指数に基づいて作物の生育環境を調節する複合環境制御部とを含むことを特徴とする施設園芸複合環境制御システムによって達成することができる。

ここで、前記環境因子は、前記作物の表面温度及び前記作物の周辺温度を含み、前記活性指数算出部は、前記表面温度及び前記周辺温度との差に比例する値として前記作物活性指数を決定することができ、また、前記環境因子は、前記施設園芸の内部温度及び内部湿度をさらに含み、前記活性指数算出部は、前記内部温度及び前記内部湿度に応じて決定される湿度不足分と、あらかじめ決められた目標湿度不足分との差に反比例する値を反映して、前記作物活性指数を調整することができる。そして、前記環境因子は、前記施設園芸の日射量を含み、前記活性指数算出部は、前記日射量に比例する値を反映して、前記作物活性指数を調整することができる。これにより、前記活性指数算出部は、前記表面温度及び前記周辺温度の差に比例する値、前記湿度不足分と前記目標湿度不足分の差に反比例する値、および前記日射量に比例する値のそれぞれが予め決められたそれぞれの加重値に応じて前記作物活性指数に反映されることができる。

前記施設園芸複合環境制御システムは、前記作物活性指数についての目標活性指数バンドとして上限値と下限値を持つバンドを提供するバンド設定部をさらに含み、前記複合環境制御部は、前記活性指数算出部から算出される前記作物活性指数が前記上限値と前記下限値の間に維持されるように、前記作物の生育環境を調節することができる。そして、前記複合環境制御部は、前記作物活性指数に応じて前記作物に供給される養液供給を制御することができる。

また、前記施設園芸複合環境制御システムは、日射量の調節のための遮光スクリーン、窓の開閉を制御するための窓開閉装置、温度調節のための冷暖房装置、温湿度調節のための水噴射フォギング装置、および養液供給装置をさらに含み、前記複合環境制御部は、前記作物活性指数を決定するために活用される前記環境因子を考慮して、前記遮光スクリーン、前記窓開閉装置、前記冷暖房装置、前記フォギング装置、及び前記養液供給装置のうち少なくとも一つを選択的に制御することができる。

また、前記目的は、本発明の別の態様に応じた施設園芸環境制御方法において、作物活性と関連性を有するあらかじめ決められた環境因子を感知するステップと、前記環境因子を基づいて前記作物活性を代表する作物活性指数を算出するステップと、前記作物活性指数に基づいて作物の生育環境を制御する複合環境制御ステップを含むことを特徴とする施設園芸複合環境制御方法によって達成することができる。

そして、前記環境因子は、前記作物の表面温度及び前記作物の周辺温度を含み、前記活性指数算出部は、前記表面温度及び前記周辺温度の差に比例する値として前記作物活性指数を決定することができる。

本発明によると、作物活性の変化に対応するように、または制御の目的でカスタムメイド化されるように提供される目標作物活性バンドが設定され、これにカスタムメイド化作物生育指数がリアルタイムで追従するように生育環境を制御することができる。これにより、作物に最適化された複合環境制御による作物生産量の増大と品質の向上が期待される。

本発明の実施形態に係る施設園芸複合環境制御システムの概略的なブロック構成図である。 本発明の実施形態に係り葉温測定用熱画像カメラ及び周辺温度の測定センサの設置活用を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る目標活性指数のバンド形態及びそれに応じた作物活性指数の追従制御を説明するための日のグラフである。 本発明の実施形態に係る施設園芸複合環境制御方法を示すフローチャートである。

以下、添付された図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る施設園芸複合環境制御システムの概略的なブロック構成図である。

図１を参照すると、本発明の実施形態に係る施設園芸複合環境制御システムは、環境因子感知部１０、活性指数算出部２０、バンド設定部３０、複合環境制御部４０、遮光スクリーン５１、フォギング装置５２、窓開閉装置５３、養液供給装置５４、および冷暖房装置５５を含む。

環境因子感知部１０は、作物活性と関連性を有するあらかじめ決められた環境因子を感知するためのものである。ここで、作物活性は、光合成、蒸散、呼吸などの作物の健康度を示す生理的状態を示すことであって、これに関連性を持つ環境因子は、作物の表面温度、特に、葉の表面温度と周辺温度、二酸化炭素／酸素ガス量、日射量、温度、湿度、クロロフィル、秒分光データなどを挙げることができる。

これらの環境因子を測定するための環境因子感知部１０は、作物の表面温度を測定するための熱画像カメラ、表面温度測定用接触式温度計、葉の周辺温度を測定するための温度計、二酸化炭素／酸素ガスメートル、日射量の測定センサー、湿度センサー、超分光センサーなどで具現されることができる。

活性指数算出部２０は、環境因子を基づいて作物活性を代表する作物活性指数を算出する。作物活性指数は、作物活性を代表する値なので、環境因子を変数として光合成、呼吸、蒸散などの生理的作用度を数値化する作物活性推定モデルから算出することができる。

作物の表面温度と周辺温度の差は、作物の増産作用と関連している。蒸散作用が活発すると、葉の表面温度は低くなって周辺温度との差は増加する。したがって、作物活性推定モデルは、葉温と葉の周辺温度の差に比例するようにモデル化することができる。

日射量が増加すると、光合成と蒸散作用は活発になるが、作物に直射される日射量が増加すると葉温は増加するようになり、作物が病気にかかる場合も、葉温は増加して周辺温度との差が大きく出ない。

また、図２に示すように、葉温を測定するための熱画像カメラ１１と温度センサ１２との距離は、葉の表面温度と周辺温度の差を生じさせることができ、これにより、作物の活性推定モデルから算出される作物活性指数の精度の信頼性を下げる。

したがって、様々な病理的状態と日射量などの外的要因を反映して、作物の活性推定モデルの精度を高めるようにすることが望ましい。

例えば、日射量が増加すると、作物活性指数が増加することになり、温度と湿度を基づいて算出される湿度不足分（Ｈｕｍｉｄｉｔｙ Ｄｅｆｉｃｉｔ）が作物活性が高いものと周知された目標湿度不足分（ＨＤ）から離脱するほど、すなわち、作物環境の温度／湿度に基づく湿度不足分と目標ＨＤとの差に反比例する値が反映されて、作物活性指数を減少させるようにする作物活性推定モデルを［数１］のように設定することができる。

ここで、ＣＡＩは作物活性指数、Ｔは周辺温度、表面温度の値、Ｒａｄは内部日射量（ただし、外部日射量である時には１／３適用）、ＨＤは湿度不足分、８は目標ＨＤ、ｄは指数関数の目標ＨＤ中心とする分散度を示す定数である。

そして、ａ、ｂ、ｃは、作物活性指数を決定するのに寄与する加重値として、例えば、各項が作物活性指数の値が０〜１００％の範囲の値を持つようにし、これに及ぼす影響を５：２：３のようなレベルの加重比率になるように選ぶことができる。

要するに、［数１］に提示された作物の活性推定モデルに係ると、作物の周辺温度と表面温度の差に比例する値、湿度不足分と目標ＨＤとの差の絶対値に反比例する値、および内外部の日射量に比例する値のそれぞれがあらかじめ決められた個々の加重値に応じて作物活性指数に反映された例示的なモデルである。したがって、本発明の技術的思想は、［数１］によって限定されない。

再び、図１を参照すると、バンド設定部３０は、作物活性指数についての目標活性指数バンドとして上限値と下限値を持つバンドを提供する。

図３は、本発明の実施形態に係る目標活性指数のバンド形態とそれに応じた作物活性指数の追従制御を説明するための日のグラフである。

図３を参照すると、目標活性指数は横時間軸に沿って長くバンドを構成し、形態に応じて、Ｌ１−Ｌ５の区間に分かれていることを知ることができる。

Ｌ１は、夜間から夜明けまでの時間であり、Ｌ２は午前の時間、Ｌ３は正午を含む作物活性時間、Ｌ４は午後の時間、Ｌ５は夕方と夜の時間帯である。作物活性観点から見ると、Ｌ２は日射量の増加に応じた作物活性が増加する時間であり、Ｌ３は作物の活性が最大である区間であり、Ｌ４は作物活性が減少する時間であり、Ｌ５、Ｌ１は作物活性が低い夕方夜、夜間、夜明けの時間である。

目標活性指数バンドは、これらの日の作物活性度にカスタムメイド化されるように形成されており、ユーザーが作期を開始する初期には作物のエネルギーを少なく利用して、作期の後半に作物のエネルギーを最大に利用することができるように作物活性指数の上限値と下限値をセッティングすることができなければならず、そのために作物活性指数はパーセントで提供されている。

図３に示されたバンドの形態は定植後に作物が成長した時期に応じたものであり、定植後に若い苗木については、他の形態のバンドが提供されることができる。例えば、断続的に一定の量だけ養液を提供することで数個の四角形のバンドが一定の高さに離散的に分布するように形成されることができる。

複合環境制御部４０は、作物活性指数に基づいて作物の生育環境を制御するためのものであり、活性指数算出部２０から算出される前記作物活性指数が目標活性指数バンドの上限値と下限値の間に維持されるように作物の生育環境である温度、湿度、日射量などを制御する。

つまり、複合環境制御部４０は、日射量を調節するための遮光スクリーン５１、温度制御のための窓開閉装置５３、温室の内部温度を冷暖房するための冷暖房装置５５、水噴射を介して温室内の温度及び湿度を調節することができるフォギング装置５２、および作物の養液を供給するための養液供給装置５４のうちの少なくとも一つを選択的に制御することにより、生育環境を調節することができる。

たとえば、［数１］に提示された推定モデルでは、日射量が少なく、作物活性指数がバンドの下限値未満であれば、作物活性指数を高めるために遮光スクリーン５１の遮光面積が減少するようにスクリーンを開くことができる。また、灌水を行っている状況ではない場合、追加灌水を行って、潅水中であれば、灌水時間を一定の割合だけ追加して作物活性指数を高めることができる。

他の例として、温度が高く湿度が低い場合は、フォギング装置５２にとって、水噴射とフォギングを行うようにすることにより、湿度不足分を目標値になるようにすることができ、温度が高いが湿度が適切であれば側窓を開けて通風させたり冷暖房装置５５で温度を下げることができる。

以上のように、算出された作物活性指数が目標活性指数バンドを追従するように作物活性指数の変数である環境因子を変化させる生育環境調整装置を制御することにより、作物活性を調節することができる。

図４は、本発明の実施形態に係る施設園芸複合環境制御方法を示すフローチャートであり、図４を参照して、図１に開示された施設園芸複合環境制御システムの動作を説明する。

まず、バンド設定部３０は、作物の生長時期に応じた日の作物活性に対応する目標活性指数バンドを設定する（Ｓ１）。前述したように、定植したか間もない若い苗木、あるいは一定の生長時期が経過した作物などについて、さまざまなバンドが提供されて、これをユーザーが直接設定または変更することができる。

また、バンド設定部３０は、指向する作物の生育状態にカスタムメイド化された目標活性指数バンドを生成することができる。目指す作物生育状態とは、例えば、栄養生長状態で生息成長状態に切り替えようとする場合、生殖成長状態にカスタムメイド化された目標活性指数バンドを設定する。栄養生長状態では、多くの養液が供給されるようにし、生殖成長においてはストレス条件になるように、少量の養液が供給されるように、バンドの形態、バンドの幅、養液の供給率、養液の供給回数などが調節されるようにすることができる。

その後、環境因子感知部１０は環境因子を感知し（Ｓ２）、作物活性指数算出部２０は環境因子を基づいて作物活性推定モデルから作物活性指数を算出する（Ｓ３）。

作物活性指数は設定された目標活性指数バンドと比較される（Ｓ４）。

作物活性指数が目標活性指数バンドを離脱している場合は、複合環境制御部４０は作物活性指数が目標活性指数バンドの範囲に属するようにするための最も重要な制御方法を選択して、遮光スクリーン５１、フォギング装置５２、窓開閉装置５３、養液供給装置５４、および冷暖房装置５５のうち少なくとも一つを選択し制御する（Ｓ５）。

その後、複合環境制御部４０またはバンド設定部３０は、バンドの変更可否を決定することができる（Ｓ６）。作物の状態について栄養生長／生殖成長を切り替えるための制御に切り替えたい、またはユーザーの入力によるバンドの変更が要求された場合には、バンド設定部３０はバンドを再び変更することになる。

継続的な作物活性指数についてのモニターが要求されたり（Ｓ７）、作物活性指数が目標活性指数バンド内にある場合、環境因子を感知し、そこから算出される作物活性指数が制御の目的どおりバンドを追従するかを確認する反復的な制御が行われる（Ｓ２−Ｓ５）。

以上説明したように、本発明によれば、作物活性の変化に対応するように、または制御の目的にカスタムメイド化されるように提供される目標作物活性バンドが設定され、これにカスタムメイド化作物生育指数がリアルタイムで追従するように生育環境を制御することができる。

これにより、作物に最適化された複合環境制御による作物生産量の増大と品質の向上が期待される。

今まで本発明の実施形態を説明したが、本発明が属する技術分野の通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、前記実施形態を容易に変形することができることを理解できるだろう。

したがって、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶと理解されるべきである。

１０：環境因子感知部
２０：活性指数算出部
３０：バンド設定部
４０：複合環境制御部
５１：遮光スクリーン
５２：フォギング装置
５３：窓開閉装置
５４：養液供給装置
５５：冷暖房装置

Claims (9)

1. 施設園芸複合環境制御システムにおいて、
   作物活性と関連性を有するあらかじめ決められた環境因子を感知する環境因子感知部と、
   前記環境因子を基づいて前記作物活性を代表する作物活性指数を算出する活性指数算出部と、
   前記作物活性指数に基づいて作物の生育環境を調節する複合環境制御部と、
   前記作物活性指数についての目標活性指数バンドとして上限値と下限値を持つバンドを提供するバンド設定部とを含み、
   前記複合環境制御部は、前記活性指数算出部から算出される前記作物活性指数が前記上限値と前記下限値の間に維持されるように、前記作物の生育環境を調節し、
   前記上限値と下限値とが、時間軸に沿った一日の区間毎の日射量に応じてセッティングされることを特徴とする施設園芸複合環境制御システム。
2. 前記環境因子は、前記作物の表面温度及び前記作物の周辺温度を含み、
   前記活性指数算出部は、前記表面温度及び前記周辺温度との差に比例する値として前記作物活性指数を決定することを特徴とする請求項１に記載の施設園芸複合環境制御システム。
3. 前記環境因子は、前記施設園芸の内部温度及び内部湿度を含み、
   前記活性指数算出部は、前記内部温度及び前記内部湿度に応じて決定される湿度不足分と、あらかじめ決められた目標湿度不足分との差に反比例する値を反映して、前記作物活性指数を調整することを特徴とする請求項２に記載の施設園芸複合環境制御システム。
4. 前記環境因子は、前記施設園芸の日射量を含み、
   前記活性指数算出部は、前記日射量に比例する値を反映して、前記作物活性指数を調整することを特徴とする請求項３に記載の施設園芸複合環境制御システム。
5. 前記活性指数算出部は、前記表面温度及び前記周辺温度の差に比例する値、前記湿度不足分と前記目標湿度不足分の差に反比例する値、および前記日射量に比例する値のそれぞれが予め決められたそれぞれの加重値に応じて前記作物活性指数に反映されるようにすることを特徴とする請求項４に記載の施設園芸複合環境制御システム。
6. 前記複合環境制御部は、前記作物活性指数に応じて前記作物に供給される養液供給を制御することを特徴とする請求項１に記載の施設園芸複合環境制御システム。
7. 日射量の調節のための遮光スクリーン、窓の開閉を制御するための窓開閉装置、温度調節のための冷暖房装置、温湿度調節のための水噴射フォギング装置、および養液供給装置をさらに含み、
   前記複合環境制御部は、前記作物活性指数を決定するために活用される前記環境因子を考慮して、前記遮光スクリーン、前記窓開閉装置、前記冷暖房装置、前記フォギング装置、及び前記養液供給装置のうち少なくとも一つを選択的に制御することを特徴とする請求項１に記載の施設園芸複合環境制御システム。
8. 施設園芸複合環境制御方法において、
   作物活性と関連性を有するあらかじめ決められた環境因子を感知するステップと、
   前記環境因子を基づいて前記作物活性を代表する作物活性指数を算出する活性指数算出ステップと、
   前記作物活性指数についての目標活性指数バンドとして上限値と下限値を持つバンドを提供するバンド設定ステップと、
   前記作物活性指数に基づいて作物の生育環境を制御する複合環境制御ステップとを含み、
   前記複合環境制御ステップでは、前記活性指数算出ステップから算出される前記作物活性指数が前記上限値と前記下限値の間に維持されるように、前記作物の生育環境を調節し、
   前記上限値と下限値とが、時間軸に沿った一日の区間毎の日射量に応じてセッティングされることを特徴とする施設園芸複合環境制御方法。
9. 前記環境因子は、前記作物の表面温度及び前記作物の周辺温度を含み、
   前記活性指数算出ステップは、前記表面温度及び前記周辺温度の差に比例する値として前記作物活性指数を決定することを特徴とする請求項８に記載の施設園芸複合環境制御方法。
   

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