JP7002586B2 - 植物工場用の照明制御装置、照明制御方法、および照明制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、植物工場用の照明制御装置、照明制御方法、および照明制御プログラムに関する。

近年、人工的な光と、溶液とを用いて屋内で植物を栽培する植物工場が実用化されている。また、植物の病害虫を抑制するために、ＵＶ-Ｂ（紫外光）波長を照射するＬＥＤ（Light Emitting Diode）が実用化されている。非特許文献１では、植物にＵＶ-Ｂを照射することで、病害虫を抑制する技術が記載されている。

「紫外光照射を基幹としたイチゴの病害虫防除マニュアル 技術編」、国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構中央農業研究センター、平成３１年２月発行

ＬＥＤ素子の性質上、ＬＥＤの照射寿命は５０００時間の制限がある。メーカーより推奨されている使用方法(１日３時間照射)でＬＥＤを使用した場合、ＬＥＤの交換サイクルは４年程度で短い。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、病害虫を抑制するＬＥＤを長寿命化する照明制御装置、照明制御方法、および照明制御プログラムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一態様は、植物工場用の照明制御装置であって、植物の周囲に配置されたセンサが計測した二酸化炭素濃度を受信する受信部と、前記二酸化炭素濃度を用いて、前記植物の生育段階を判定する判定部と、病害虫を抑制する紫外光を前記植物に照射するＬＥＤ照明のオンおよびオフを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記生育段階毎に設定された前記ＬＥＤ照明の積算照射量の上限値および下限値に基づいて、前記ＬＥＤ照明のオンおよびオフを制御する
本発明の一態様は、植物工場用の照明制御装置が行う照明制御方法であって、植物の周囲に配置されたセンサが計測した二酸化炭素濃度を受信する受信ステップと、前記二酸化炭素濃度を用いて、前記植物の生育段階を判定する判定ステップと、病害虫を抑制する紫外光を前記植物に照射するＬＥＤ照明のオンおよびオフを制御する制御ステップと、を行い、前記制御ステップは、前記生育段階毎に設定された前記ＬＥＤ照明の積算照射量の上限値および下限値に基づいて、前記ＬＥＤ照明のオンおよびオフを制御する。

本発明の一態様は、上記照明制御装置として、コンピュータを機能させる照明制御プログラムである。

本発明によれば、病害虫を抑制するＬＥＤを長寿命化する照明制御装置、照明制御方法、および照明制御プログラムを提供することができる。

本発明の実施形態の照明制御システムの構成を示す全体構成図である。 増減テーブルの一例を示す図である。 ＵＶ-ＬＥＤのオン／オフ制御を説明するためのグラフである。 受信部および判定部の動作を示すフローチャートである。 制御部の動作を示すフローチャートである。 ハードウェア構成例である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（照明制御システムの構成）
図１は、本実施形態の照明制御システムの全体構成を示す図である。まず、植物工場の栽培棚９について説明する。栽培棚９では、複数の植物８が栽培される。栽培棚９は、リフレクター９１と、ＵＶ-ＬＥＤ９２とを備える。リフレクター９１は、ＵＶ-ＬＥＤ９２の照射角度を拡大する部材である。

ＵＶ-ＬＥＤ９２（ＬＥＤ照明）は、植物８の病害虫を抑制するＵＶ（紫外光）を、植物８に照射する光源である。本実施形態のＵＶ-ＬＥＤ９２は、ＵＶ－Ｂ（２８０ｎｍ～３１５ｎｍの波長域）を含む光を照射する。

本実施形態の照明制御システムは、少なくとも１つのセンサ１と、照明制御装置３とを備える。センサ１は、栽培棚９内で植物８の周囲に配置され、ＣＯ２（２酸化炭素）濃度を計測する。図示する例では、センサ１は、栽培棚９の左右の壁に１つずつ配置されている。センサ１は、所定のタイミング（例えば、ｎ分毎）でＣＯ２濃度を計測し、計測結果を制御装置３に送信する。センサ１は、測定結果を無線で送信してよく、あるいは有線で送信してもよい。

照明制御装置３は、ＵＶ-ＬＥＤ９２のオン（点灯）、オフ（消灯）を制御する。図示する照明制御装置３は、受信部３１と、判定部３２と、制御部３３と、増減テーブル３４と、閾値記憶部３５とを備える。受信部３１は、センサ１から送信されるＣＯ２濃度（計測結果）を受信する。

判定部３２は、センサ１から受信したＣＯ２濃度に基づいて、植物８の生育段階（生育状況）を判定する。栽培棚９に複数のセンサ１が設置され、複数のセンサ１からＣＯ２濃度を受信した場合、判定部３２は、例えば複数のセンサ１のＣＯ２濃度の平均値などを用いて判定する。

本実施形態では、判定部３２は、植物８が３つの生育段階（ステージ）のいずれの段階であるかを判定する。第１段階は、定植（育苗）段階で、第２段階は栄養成長段階で、第３段階は生殖成長段階である。定植段階は、苗を栽培棚９に植えて、苗を育てている状態である。栄養成長段階は、植物が茎、葉、根などの栄養器官を作る時期である。生殖成長段階は、花芽をつくり、花を咲かせ、実を結ぶ時期である。なお、生育段階は、３段階に限定されず、２段階でも４段階以上でもよい。

植物８は、光合成によりＣＯ２を吸収する。ＣＯ２の吸収量は、光量の条件が等しい場合、植物８の大きさ（体積）に依存する。すなわち、定植段階では、植物８が小さく、ＣＯ２の吸収量は少ない。一方、実がなる生殖成長段階の植物８は大きく、ＣＯ２の吸収量は多くなる。栽培棚９では、ＣＯ２濃度を一定に保つために、ＣＯ２濃度が所定の閾値を下回ると、ＣＯ２供給装置（不図示）からＣＯ２が供給される。

判定部３２は、例えば、センサ１から受信したＣＯ２濃度の時系列データからＣＯ２が供給されてから次のＣＯ２が供給されるまでの供給間隔（インターバル）を算出し、供給間隔を用いて植物の生育段階を判定してもよい。ＣＯ２が供給されるとＣＯ２濃度が急に上昇するため、ＣＯ２濃度の時系列データを参照することでＣＯ２の供給タイミングおよび供給間隔を特定することができる。具体的には、供給期間が長い場合は、植物８によるＣＯ２の吸収速度が遅く、植物８の体積は小さいと推定できる。一方、供給間隔が長い場合は、植物８によるＣＯ２の吸収速度が速く、植物８の体積は大きいと推定できる。判定部３２は、供給間隔が第１閾値以上の場合は定植段階であると判定し、供給間隔が第１閾値未満で第２閾値以上の場合は栄養成長段階であると判定し、供給間隔が第２閾値未満の場合は生殖成長段階であると判定する。この場合、第１閾値は、第２閾値より大きな値である。

なお、判定部３２は、ＣＯ２の吸収速度（ＣＯ２濃度と時間の関係を示すグラフの傾き）を用いて、植物８の生育段階を判定してもよい。この場合、判定部３２は、吸収速度が第３閾値未満の場合は定植段階であると判定し、吸収速度が第３閾値以上で第４閾値未満の場合は栄養成長段階であると判定し、供給間隔が第４閾値以上の場合は生殖成長段階であると判定する。この場合、第３閾値は、第４閾値より小さな値である。

また、判定部３２は、所定の期間におけるＣＯ２の供給回数を用いて、植物８の生育段階を判定してもよい。この場合、判定部３２は、供給回数が第５閾値未満の場合は定植段階であると判定し、供給回数が第５閾値以上で第６閾値未満の場合は栄養成長段階であると判定し、供給回数が第６閾値以上の場合は生殖成長段階であると判定する。この場合、第５閾値は、第６閾値より小さな値である。なお、第１閾値～第６閾値は、閾値記憶部３５に記憶されている。

制御部３３は、判定部３２が判定した生育段階に基づいて、病害虫を抑制するＵＶ-Ｂを照射するＵＶ-ＬＥＤ９２のオンおよびオフを制御する。本実施形態では、制御部３３は、生育段階毎に設定されたＵＶ-ＬＥＤ９２の積算照射量の上限値および下限値に基づいて、ＵＶ-ＬＥＤ９２のオンおよびオフを制御する。具体的には、制御部３３は、積算照射量が上限値に達するとＵＶ-ＬＥＤ９２をオフに制御し、積算照射量が下限値までが低下するとＵＶ-ＬＥＤ９２をオンに制御する。

図２は、ＵＶ-ＬＥＤ９２が照射するＵＶ-Ｂの積算照射量の増減を示す増減テーブル３４の一例である。ここでは、ＵＶ-ＬＥＤ９２の照射強度は、0.2w/m2とする。この場合、1秒あたりのＵＶ-ＬＥＤ９２の照射量は、0.2w/m2 × 1s =200mJ/m2となる。したがって、ＵＶ-ＬＥＤ９２を1秒オンにすると、積算照射量は200mJ/m2増加する。本実施形態では、ＵＶ-ＬＥＤ９２がオンの状態の積算照射量は、全ての生育段階で同じだけ増加するものとする。

一方、ＵＶ-ＬＥＤ９２がオフの状態の積算照射量の減少は、植物８の体積（大きさ）に反比例するものとする。例えば、ハダニの死滅に必要な積算照射量は、生殖成長段階で１日当たり95J/m2とする。この場合、１秒当たりの積算照射量の減少量 は、95J/m2÷ 86400秒 = 1.1mJ/m2となる。したがって、生殖成長段階においてＵＶ-ＬＥＤ９２がオフの状態では、積算照射量は１秒ごとに1.1mJ/m2減少する。

ここで、生殖成長段階の植物８に対する定植段階の苗体積比率は、例えば0.2とする。すなわち、定植段階の植物８の体積は、生殖成長段階の植物８の20％の体積であるとする。この場合、定植段階では、１秒当たりの積算照射量の減少量は、1.1mJ/m2×0.2=0.22 mJ/m2となる。

また、生殖成長段階の植物８に対する栄養成長段階の苗体積比率は、例えば0.8とする。すなわち、栄養成長段階の植物８の体積は、生殖成長段階の植物８の20％の体積であるとする。この場合、栄養成長段階では、１秒当たりの積算照射量の減少量は、1.1mJ/m2×0.8=0.88 mJ/m2となる。

図３は、制御部３３の制御を説明するためのグラフである。閾値記憶部３５には、生育段階毎に単位時間当たりの積算照射量の上限値と下限値とが設定されているものとする。

図示する例では、閾値記憶部３５には、定植段階では下限値Ｎ１および上限値Ｎ２が設定され、栄養成長段階と生殖成長段階とでは、下限値Ｎ３および上限値Ｎ４が設定されている。Ｎ１からＮ４の値は、Ｎ１＜Ｎ２＜Ｎ３＜Ｎ４である。図３では、栄養成長段階と生殖成長段階とで下限値および上限値は同じであるが、栄養成長段階と生殖成長段階とで異なる下限値または上限値としてもよい。

ＵＶ-ＬＥＤ９２がオンの状態では、積算照射量は増加する。制御部３３は、積算照射量が上限値に達するまでＵＶ-ＬＥＤ９２をオンの状態とし、積算照射量が上限値に達するとＵＶ-ＬＥＤ９２をオンからオフに制御する。一方、ＵＶ-ＬＥＤ９２がオフの状態では、積算照射量は減少する。積算照射量が下限値まで低下すると、制御部３３はＵＶ-ＬＥＤ９２をオフからオンに制御する。

定植段階では、制御部３３は、上限値Ｎ２に達するまでＵＶ-ＬＥＤ９２をオンの状態に制御する。オンの状態では、積算照射量は、図２に示す増加変化量（200mJ/m2）で１秒毎に増加する。制御部３３は、ＵＶ-ＬＥＤ９２のオンの状態の時間ｍ１を計測し、当該時間に基づいて積算照射量（＝ｍ１×増加変化量）を算出する。制御部３３は、積算照射量が上限値Ｎ２に達すると、ＵＶ-ＬＥＤ９２をオフにする。

また、制御部３３は、積算照射量が下限値Ｎ１に低下するまでＵＶ-ＬＥＤ９２をオフの状態に制御する。オフの状態では、積算照射量は、図２に示す減少変化量（0.22mJ/m2）で１秒毎に減少する。制御部３３は、ＵＶ-ＬＥＤ９２のオフの状態の時間ｍ２を計測し、当該時間に基づいて積算照射量（＝上限値Ｎ２－ｍ２×減少変化量）を算出する。制御部３３は、積算照射量が下限値Ｎ１まで低下すると、ＵＶ-ＬＥＤ９２をオンにする。

また、制御部３３は、ＵＶ-ＬＥＤ９２をオンにしてからの時間ｍ３を計測し、当該時間に基づいて積算照射量（＝下限値ｎ１＋ｍ３×増加変化量）を算出する。制御部３３は、下限値Ｎ１の積算照射量が、上限値Ｎ２に達するまでＵＶ-ＬＥＤ９２をオンにする。制御部３３は、積算照射量が上限値Ｎ２に達すると、ＵＶ-ＬＥＤ９２をオフにする。制御部３３は、このようなオンおよびオフの制御を、次の生育段階に進まで繰り返し行う。

栄養成長段階においても、制御部３３は、定植段階と同様にＵＶ-ＬＥＤ９２を制御する。具体的には、制御部３３は、判定部３２からの通知を受け付けると、通知を受けた時点の積算照射量から上限値Ｎ４となるまでＵＶ-ＬＥＤ９２をオンに制御し、上限値Ｎ４に達すると、ＵＶ-ＬＥＤ９２をオフにする。そして、制御部３３は、積算照射量が下限値Ｎ３に低下するまでＵＶ-ＬＥＤ９２をオフの状態に制御する。栄養成長段階では、オフの状態では、積算照射量は、図２に示す減少変化量（0.88mJ/m2）で１秒毎に減少する。

生殖成長段階についても、制御部３３は、栄養成長段階と同様の制御を行う。ただし、生殖成長段階では、図２に示す減少変化量（1.1mJ/m2）が栄養成長段階と異なる。

（照明制御装置の動作）
図４は、照明制御装置３の受信部３１および判定部３２の動作を示すフローチャートである。受信部３１は、センサ１から所定のタイミングでＣＯ２濃度を受信する（Ｓ１１）。判定部３２は、受信したＣＯ２濃度の時系列データを用いて植物８の生育段階を判定する（Ｓ１２）。そして、判定部３２は、判定した生育段階が前回判定した生育段階と同じか否かを判定する（Ｓ１３）。前回の生育段階と同じ場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、Ｓ１１に戻り以降の処理が繰り返し行われる。

前回の生育段階と異なる場合（Ｓ１３：ＮＯ）、判定部３２は、植物８は次の段階に進んだとみなし、Ｓ１２で判定した生育段階の判定結果を制御部３３に通知する（Ｓ１４）。その後、Ｓ１１に戻り以降の処理が繰り返し行われる。

図５は、照明制御装置３の制御部３３の動作を示すフローチャートである。図示する動作は、判定部３２から判定結果に通知が通知されることで開始される。なお、最初の定植段階では、制御部３３は、判定部３２からの通知なしに図示する処理を開始してもよい。

制御部３３は、通知された判定結果の生育段階に対応する上限値および下限値を、閾値記憶部３５から取得する（Ｓ２１）。制御部３３は、ＵＶ-ＬＥＤ９２の積算照射量が取得した上限値に達するまで、ＵＶ-ＬＥＤ９２をオンに制御する（Ｓ２２、Ｓ２３：ＮＯ）。

積算照射量が取得した上限値に達した場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）、制御部３３は、積算照射量が取得した下限値に低下するまで、ＵＶ-ＬＥＤ９２をオフに制御する（Ｓ２４、Ｓ２５：ＮＯ）。積算照射量が下限値まで低下した場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）、制御部３３は、Ｓ２２に戻り以降の処理を繰り返し行う。

（本実施形態の効果）
以上説明した本実施形態の植物工場用の照明制御装置３は、植物工場用の照明制御装置３であって、植物８の周囲に配置されたセンサ１が計測した二酸化炭素濃度を受信する受信部３１と、二酸化炭素濃度を用いて植物８の生育段階を判定する判定部３２と、病害虫を抑制する紫外光を前記植物に照射するＬＥＤ照明９２のオンおよびオフを制御する制御部３３とを備え、制御部３３は、生育段階毎に設定されたＬＥＤ照明９２の積算照射量の上限値および下限値に基づいて、前記ＬＥＤ照明のオンおよびオフを制御する。

これにより本実施形態では、病害虫を抑制しつつ、ＵＶ-ＬＥＤ９２の寿命を延ばし、ＵＶ-ＬＥＤ９２の交換サイクルを長くすることができる。したがって、本実施形態では、植物工場のランニングコストを低減することができる。

（ハードウェア構成）
上記説明した照明制御装置３には、例えば、図６に示すような汎用的なコンピュータシステムを用いることができる。図示するコンピュータシステムは、CPU（Central Processing Unit、プロセッサ）９０１と、メモリ９０２と、ストレージ９０３（HDD：Hard Disk Drive、SSD：Solid State Drive）と、通信装置９０４と、入力装置９０５と、出力装置９０６とを備える。メモリ９０２およびストレージ９０３は、記憶装置である。このコンピュータシステムにおいて、CPU９０１がメモリ９０２上にロードされた照明制御装置３用のプログラムを実行することにより、照明制御装置３の各機能が実現される。

また、照明制御装置３は、１つのコンピュータで実装されてもよく、あるいは複数のコンピュータで実装されても良い。また、照明制御装置３は、コンピュータに実装される仮想マシンであっても良い。

照明制御装置３用のプログラムは、HDD、SSD、USB（Universal Serial Bus）メモリ、CD (Compact Disc)、DVD (Digital Versatile Disc)などのコンピュータ読取り可能な記録媒体に記憶することも、ネットワークを介して配信することもできる。

なお、本発明は上記実施形態および変形例に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

１ ：センサ
３ ：照明制御装置
３１：受信部
３２：判定部
３３：制御部
３４：増減テーブル
３５：閾値記憶部
８ ：植物
９ ：栽培棚
９１：リフレクター
９２：照明

Claims (3)

1. 植物工場用の照明制御装置であって、
   植物の周囲に配置されたセンサが計測した二酸化炭素濃度を受信する受信部と、
   前記二酸化炭素濃度を用いて、前記植物の生育段階を判定する判定部と、
   病害虫を抑制する紫外光を前記植物に照射するＬＥＤ照明のオンおよびオフを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記生育段階毎に設定された前記ＬＥＤ照明の照射量の上限値および下限値に基づいて、前記ＬＥＤ照明のオンおよびオフを制御すること
   を特徴とする照明制御装置。
2. 植物工場用の照明制御装置が行う照明制御方法であって、
   植物の周囲に配置されたセンサが計測した二酸化炭素濃度を受信する受信ステップと、
   前記二酸化炭素濃度を用いて、前記植物の生育段階を判定する判定ステップと、
   病害虫を抑制する紫外光を前記植物に照射するＬＥＤ照明のオンおよびオフを制御する制御ステップと、を行い、
   前記制御ステップは、前記生育段階毎に設定された前記ＬＥＤ照明の照射量の上限値および下限値に基づいて、前記ＬＥＤ照明のオンおよびオフを制御すること
   を特徴とする照明制御方法。
3. 請求項１に記載の照明制御装置として、コンピュータを機能させること
   を特徴とする照明制御プログラム。

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