JP7108953B1 - 土壌管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力消費量を抑えつつ、栽培環境の急変に備える。【解決手段】電源、制御手段及びスイッチを有する制御部１１０、並びに、温度センサ、水分センサ、及び、送受信部を有するセンサ部１２０を備える土壌センサ１００と、記憶部２４０、環境情報取得手段３０２、環境情報予測手段３０４及び測定間隔設定手段３０６を備える制御装置２００とを備える。制御手段は、所定の測定間隔ごとにスイッチをオン状態にして、電源からセンサ部に電力を供給し、温度センサは、土壌温度を測定し、水分センサは、土壌水分量を測定する。環境情報取得手段は、土壌温度から、環境温度を取得し、環境情報予測手段は、植物特性と、土壌温度、土壌水分量及び環境温度の情報を含む環境情報から、乾燥度の時間変化を予測し、測定間隔設定手段は、予測した乾燥度に基いて、測定間隔を設定して、土壌センサに送る。【選択図】図２

Description

この発明は、土壌管理システムに関する。

植物を育成するためには、土壌温度、土壌水分量、環境温度などを、植物の特性に適した状態に保つことが好ましい。このために、例えば、土壌センサを用いて測定することにより、土壌温度、土壌水分量、環境温度などを把握する必要がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４－５４２３３号公報

しかしながら、従来の土壌センサでの測定は、植物特性に合わせて行われておらず、一定の頻度（測定間隔）で行われるのが一般的である。このため、必要以上の頻度で測定を行う場合には、電力消費量が過剰となり、必要以下の頻度で測定を行う場合には、栽培環境の急変に対応できない。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、電力消費量を抑えつつ、栽培環境の急変に備えることができる、土壌管理システムを提供することにある。

この発明の土壌管理システムは、電源、制御手段及びスイッチを有する制御部、並びに、温度センサ、水分センサ、及び、送受信部を有するセンサ部を備える土壌センサと、記憶部、環境情報取得手段、環境情報予測手段及び測定間隔設定手段を備える制御装置と
を備えて構成される。制御手段は、所定の測定間隔ごとにスイッチをオン状態にして、電源からセンサ部に電力を供給し、温度センサは、土壌温度を測定し、水分センサは、土壌水分量を測定し、送受信部は、土壌温度及び土壌水分量を制御装置に送る。また、環境情報取得手段は、土壌センサから受け取った、土壌温度から、環境温度を取得し、環境情報予測手段は、記憶部に記録されている植物特性と、土壌温度、土壌水分量及び環境温度の情報を含む環境情報から、乾燥度の時間変化を予測し、測定間隔設定手段は、予測した乾燥度に基いて、測定間隔を設定して、土壌センサに送る。植物特性は、高温と低温のいずれが適しているか、また、乾燥と湿潤のいずれが適しているかの組合せで分類されて、記憶部に記録される。

この発明の土壌管理システムでは、測定モードと節電モードの切換を行うため、測定時以外の時間帯における電力消費量を低減させることができ、乾電池の交換や蓄電池の充電の頻度を減らすことができる。

また、測定間隔を植物特性と観測データから判断するため、電力消費量を抑えつつ、栽培環境の急変に備えることができ、植物へのダメージを軽減できる。

土壌センサの模式図である。 土壌管理システムの模式図である。 記憶部に格納されるテーブルを示す模式図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

この発明の土壌管理システムは、土壌センサ１００と、制御装置２００とを備えて構成される。また、土壌管理システムは、栽培者が使用する通信端末装置４００を備えていてもよい。土壌センサ１００は、制御部１１０と、センサ部１２０とを備える。通信端末装置４００は、キーボードやタッチパネルなどの入力手段と、液晶ディスプレイやスピーカなどの出力手段と、通信手段を備える装置であり、例えば、携帯電話、スマートフォンやタブレット端末、パーソナルコンピュータ（ＰＣ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）等を用いることができる。

センサ部１２０は、温度センサ１２２と、水分センサ１２４と、送受信部１２６を備える。また、センサ部１２０が、電圧センサ１２５を備えていてもよい。

水分センサ１２４は、センサプローブを備えて構成されていて、土壌１０を構成する土粒子と、土壌１０に含まれる水の、比誘電率の違いを利用して土壌１０に含まれる水分量を測定する。この水分センサ１２４を構成するセンサプローブは、土壌１０に挿しこんで用いられる。

水分センサ１２４として、例えば、２つの導体間に土壌が配置されたコンデンサの静電容量を測定するキャパシタンス（静電容量）式のセンサを用いることができる。なお、水分センサ１２４は、このキャパシタンス式のセンサに限られず、任意好適な従来公知のセンサを用いることができる。

温度センサ１２２は、土壌温度を測定する。温度センサ１２２は、例えば、センサプローブに設けられうる。温度センサ１２２として、例えば、サーミスタを用いることができる。なお、温度センサ１２２は、このサーミスタに限られず、任意好適な従来公知のセンサを用いることができる。

送受信部１２６は、制御装置２００との間の、信号の送受信を行う通信モジュールとして構成される。この送受信部１２６と制御装置２００との間の接続は、有線でも良いし、無線でも良い。なお、土壌センサ１００を設置する際の配線を不要とするために、送受信部１２６は、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線通信モジュールであるのが良い。また、制御装置２００と土壌センサ１００とは、例えば、インターネットを介して接続される。この場合、土壌センサ１００は、Ｗｉ－Ｆｉルータを介して、制御装置２００との間で、送受信を行う。

また、通信端末装置４００は、Ｗｉ－Ｆｉルータを介して、制御装置２００との間で、送受信を行う。土壌センサ１００と通信端末装置４００の間は、Ｗｉ－ＦｉやＢｌｕｅｔｏｏｔｈを用いて直接通信する構成にしてもよいし、制御装置２００を介して通信する構成にしてもよい。なお、通信端末装置４００は、有線でインターネットに接続されてもよ
い。

制御部１１０は、電源１１２と、スイッチ１１６と、制御手段１１８とを備える。制御手段１１８は、タイマを内蔵している。

電源１１２は、制御部１１０に電力を供給するとともに、スイッチ１１６を経てセンサ部１２０にも電力を供給する。電源１１２は、例えば、乾電池で構成される。なお、電源１１２として充電可能な蓄電池を用いてもよい。

センサ部１２０が備える電圧センサ１２５は、電源１１２の電圧を測定する。電圧センサ１２５が測定する電圧は、乾電池など電源１１２の消耗度を示す。

スイッチ１１６は、制御手段１１８からの指示でオン状態とオフ状態の切換を行う。スイッチ１１６がオン状態のとき、電力はセンサ部１２０に供給され、測定（アクティブ）モードとなる。一方、スイッチ１１６がオフ状態のとき、電力はセンサ部１２０に供給されず、節電（スリープ）モードとなる。

制御手段１１８は、内蔵しているタイマを利用して、時間の測定を行う。制御手段１１８は、節電モードになってから、所定の測定間隔に対応する時間が経過した後、スイッチ１１６をオン状態にする。節電モードになってから、測定モードに切り替えるまでの測定間隔は、制御装置２００から指示される。測定間隔の設定については、後述する。

送受信部１２６は、土壌センサ１００の測定結果として、土壌温度及び土壌水分量を、制御装置２００に送信する。また、センサ部１２０が電圧センサ１２５を備える場合、送受信部１２６は、電源１１２の電圧も、制御装置２００に送信される。また、送受信部１２６は、制御装置２００から測定間隔の指示を受ける。この制御装置２００から送られた測定間隔は、制御手段１１８に送られる。制御手段１１８は、測定間隔の情報を受け取ると、スイッチ１１６をオフ状態にして、節電モードに切り替える。

制御装置２００は、土壌センサ１００から受け取った、土壌温度及び土壌水分量に基いて、測定間隔を設定し、設定した測定間隔を土壌センサ１００に通知する。

制御装置２００は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）や、インターネットに接続されるサーバなど、任意好適な従来公知の電子計算機を用いて構成することができる。

制御装置２００は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｃｅｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３００、データ用メモリ２１０、プログラム用メモリ２２０、送受信手段２３０、記憶部２４０を備えて構成される。データ用メモリ２１０、プログラム用メモリ２２０は、任意好適な構成にすることができる。例えば、データ用メモリ２１０としてＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を用いることができ、プログラム用メモリ２１０としてＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）を用いることができる。

ＣＰＵ３００がプログラム用メモリ２２０に格納されているプログラムを実行することにより、機能手段として、環境情報取得手段３０２と、環境情報予測手段３０４と、測定間隔設定手段３０６が実現される。各機能手段の詳細については、後述する。各機能手段での処理の結果は、一時的にデータ用メモリ２１０に格納される。

記憶部２４０は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）などで構成され、植物特性を示す植物特性テーブル２４２や栽
培履歴を示す栽培履歴テーブル２４４が格納されている。図３は、記憶部２４０に格納されるテーブルを示す模式図である。図３（Ａ）は、植物特性テーブル２４２の一例を示し、図３（Ｂ）は、栽培履歴テーブル２４４の一例を示している。

環境情報取得手段３０２は、送受信手段２３０を経て、土壌センサ１００から、土壌温度及び土壌水分量を含む環境測定情報を取得する。このとき、環境情報取得手段３０２は、環境測定情報の送信元である土壌センサ１００を識別する情報（センサＩＤ）も取得する。

また、土壌温度と、その周囲の気温との相関性が高いことから、環境情報取得手段３０２は、気温（環境温度）の情報を取得する。環境測定情報、及び、環境温度の情報を含む環境情報と、センサＩＤは、環境情報予測手段３０４に送られる。

環境情報予測手段３０４は、記憶装置２４０から読みだした、植物特性と、環境情報から、乾燥度の時間変化を予測する。

植物特性は、土壌センサ１００が設置された箇所で育成される植物の生育に適した環境を示す。植物特性は、例えば、高温と低温のいずれが適しているか、また、乾燥と湿潤のいずれが適しているか、の組合せで分類される。すなわち、高温乾燥、高温湿潤、低温乾燥及び低温湿潤の４つに分類されて、植物特性テーブル２４２として記憶部２４０に記録される（図３（Ａ））。なお、ここでは、植物特性を、温度と水分をそれぞれ２区分して、４つに分類する例を説明するが、これに限定されない。温度や水分のいずれかを３区分以上に分類してもよい。また、植物特性テーブル２４２は、環境情報予測手段３０４での予測に必要な、他の情報を含んで構成されてもよい。

また、この制御装置２００は、複数の土壌センサ１００を同時に管理することができる。この場合、記憶部２４０には、土壌センサ１００のセンサＩＤと、この土壌センサ１００が設置された箇所で育成される植物の情報が関連付けられて、栽培履歴テーブルとして記録される。土壌センサ１００と、土壌センサ１００に関連付けられた植物の情報は、例えば、栽培者が通信端末装置４００を操作して入力し、通信端末装置４００が入力された情報を制御装置２００に送信して記録される構成にすることができる。

植物の高温乾燥、高温湿潤、低温乾燥及び低温湿潤のいずれかへの分類は、栽培者が通信端末装置４００を操作して入力することによって行う構成を含んでもよい。なお、この分類の入力については、土壌管理システムの管理者が行ってもよい。

環境情報予測手段３０４は、環境温度及び土壌温度から、土壌に含まれる水分の、蒸発量の時間変化を推定する。また、環境情報予測手段３０４は、センサＩＤに関連付けられた植物の植物特性から、土壌に含まれる水分の、植物に吸収される量（消費量）の時間変化を推定する。さらに、環境情報予測手段３０４は、蒸発量及び消費量の時間変化を推定した結果に基いて、土壌水分量の時間変化を予測する。

この土壌水分量の時間変化の予測は、既知のモデルを用いた回帰分析を用いて行ってもよいし、過去の測定結果を用いて学習させたニューラルネットワークを用いて行ってもよい。その他、任意好適な従来公知の方法で土壌水分量の時間変化の予測をすることができる。

測定間隔設定手段３０６は、環境情報予測手段３０４が予測した、土壌水分量の時間変化に基いて、測定間隔を設定する。測定間隔設定手段３０６は、測定間隔を、初期状態として、例えば、２４時間に設定する。測定間隔設定手段３０６は、設定した測定間隔内（
例えば、２４時間以内）に、土壌水分量が、植物の生育に適さない環境になると予測されているか否かを判定する。

測定間隔設定手段３０６が、設定した測定間隔内（この例では、２４時間以内）に、植物の生育に適さない環境になると予測した場合、測定間隔設定手段３０６は、測定間隔を１／２の１２時間に設定し、再度、設定した測定間隔内（この例では１２時間以内）に、土壌水分量が、植物の生育に適さない環境になると予測されているか否かを判定する。測定間隔設定手段３０６が、再度、設定した測定間隔内（この例では１２時間以内）に、植物の生育に適さない環境になると予測した場合、測定間隔設定手段３０６は、測定間隔をさらに１／２の６時間に設定し、設定した測定間隔内（この例では６時間以内）に、土壌水分量が、植物の生育に適さない環境になると予測されているか否かを判定する。この過程を、設定した測定間隔内に、土壌水分量が、植物の生育に適さない環境になると予測されなくなるまで、すなわち、土壌水分量が植物の生育に適する環境を維持できると予測されるまで繰り返す。

測定間隔設定手段３０６が、設定した測定間隔内に、植物の生育に適さない環境になると予測しない場合、すなわち、設定した測定間隔に対応する時間が経過するまで、植物の生育に適する環境を維持できると予測した場合、測定間隔設定手段３０６は、この設定した測定間隔を土壌センサ１００に送信する。土壌センサ１００は、この測定間隔設定手段３０６が設定した測定間隔に応じて、節電モードから測定モードへ切り替える。このとき、土壌センサ１００の栽培者の通信端末装置４００にも、取得した環境情報、予測された環境情報、測定間隔、電池の残量などの情報が通知される。これにより、栽培者は、灌水の適切なタイミングを知ることができる。

なお、測定間隔を、最大間隔と、最小間隔との間の時間に設定する構成にできる。この場合、初期状態を最大間隔とするのがよい。また、測定間隔設定手段３０６が、測定間隔を最小間隔に設定したときに、測定間隔内に植物の生育に適さない環境になると予測した場合、この最小間隔に設定した測定間隔を土壌センサに送信する。

例えば、予め最大間隔を２４時間、最小間隔を３時間と定めておき、設定した測定間隔内に、植物の生育に適さない環境になると予測した場合、測定間隔を１／２にする構成にすることができるが、これに限定されない。植物の特性や、土壌センサが設置される環境に応じて、最小間隔を１時間未満の値に設定してもよいし、３時間より大きい値にしてもよい。また、最大間隔を２４時間より大きい値に設定してもよいし、２４時間未満の値に設定してもよい。測定間隔についても、１／２ずつ変化させる構成に限定されず、例えば、１時間ずつ変化させる構成にしてもよい。

また、ＣＰＵ３００がプログラム用メモリ２２０に格納されているプログラムを実行することにより、機能手段として、さらに、履歴情報生成手段３０８が実現されるのがよい。

履歴情報生成手段３０８は、栽培履歴テーブル２４４に、土壌センサ１００ごとに、センサＩＤ、植物、植物特性、履歴情報を記録する。履歴情報として、測定された、土壌温度、土壌水分量及び電池残量と、設定された測定間隔など情報が記憶装置に記録される。ここで、履歴情報として、環境情報予測手段３０４が予測した土壌温度や土壌水分量が記録されてもよい。

なお、栽培者は、通信端末装置４００を操作して、自己の土壌センサ１００に対応する情報を栽培履歴テーブルから読み出すことができる。ここで、栽培者が行う、環境情報の参照や分析を容易にするために、履歴情報生成手段３０８が、履歴情報を読みだして、土
壌温度や土壌水分量の時間変化を示すグラフを生成し、栽培者が操作する通信端末装置４００に表示させる構成にするのがよい。

この発明の土壌管理システムでは、測定モードと節電モードの切換を行うため、測定時以外の時間帯における電力消費量を低減させることができ、乾電池の交換や蓄電池の充電の頻度を減らすことができる。

また、測定間隔を植物特性と観測データから判断するため、電力消費量を抑えつつ、栽培環境の急変に備えることができ、植物へのダメージを軽減できる。また、観測された環境情報や予測された環境情報が、取得された時点で、栽培者の通信端末装置に送信される構成にすれば、栽培者が灌水の適切なタイミングを知ることができる。あるいは、土壌センサの制御部に、１又は２以上のＬＥＤを設けて、乾電池の残量や、測定間隔に対応する時間が経過したか否かを、栽培者が視認可能にしてもよい。

１００ 土壌センサ
１１０ 制御部
１１２ 電源
１１６ スイッチ
１１８ 制御手段
１２０ センサ部
１２２ 温度センサ
１２４ 水分センサ
１２５ 電圧センサ
１２６ 送受信部
２００ 制御装置
２１０ データ用メモリ
２２０ プログラム用メモリ
２３０ 送受信手段
２４０ 記憶部
２４２ 植物特性テーブル
２４４ 栽培履歴テーブル
３００ ＣＰＵ
３０２ 環境情報取得手段
３０４ 環境情報予測手段
３０６ 測定間隔設定手段
３０８ 履歴情報生成手段

Claims (6)

1. 電源、制御手段及びスイッチを有する制御部、並びに、温度センサ、水分センサ、及び、送受信部を有するセンサ部を備える土壌センサと、
   記憶部、環境情報取得手段、環境情報予測手段及び測定間隔設定手段を備える制御装置と
   を備え、
   前記制御手段は、所定の測定間隔ごとに前記スイッチをオン状態にして、前記電源から前記センサ部に電力を供給し、
   前記温度センサは、土壌温度を測定し、
   前記水分センサは、土壌水分量を測定し、
   前記送受信部は、前記土壌温度及び前記土壌水分量を前記制御装置に送り、
   前記環境情報取得手段は、前記土壌センサから受け取った、前記土壌温度から、環境温度を取得し、
   前記環境情報予測手段は、前記記憶部に記録されている植物特性と、前記土壌温度、前記土壌水分量及び前記環境温度の情報を含む環境情報から、乾燥度の時間変化を予測し、
   前記測定間隔設定手段は、予測した乾燥度に基いて、前記測定間隔を設定して、前記土壌センサに送り、
   前記植物特性は、高温と低温のいずれが適しているか、また、乾燥と湿潤のいずれが適しているかの組合せで分類されて、前記記憶部に記録される土壌管理システム。
2. 予め、最大間隔及び最小間隔が定められ、
   前記測定間隔設定手段は、
   測定間隔を、前記最大間隔として設定し、
   設定した測定間隔内に、植物の生育に適さない環境になると予測されているか否かを判定し、
   判定の結果、予測されている場合は、測定間隔を短くして、再度、判定を行い、
   設定した測定間隔内に、植物の生育に適さない環境になると予測されていないか、又は、設定した測定間隔が前記最小間隔以下になった場合に、設定した測定間隔を、前記土壌センサに送る
   ことを特徴とする請求項１に記載の土壌管理システム。
3. 前記土壌管理システムは、前記土壌センサに関連付けられた通信端末装置を備え、
   前記制御装置は、前記測定間隔を土壌センサに送るとともに、前記環境情報及び前記測定間隔を前記通信端末装置に通知する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の土壌管理システム。
4. 前記制御装置は、さらに、
   土壌センサごとに、当該土壌センサが設置されている箇所で栽培されている植物、当該植物の植物特性、当該土壌センサで測定された、土壌温度及び土壌水分量、並びに、前記測定間隔を、前記記憶部に記録する履歴情報生成手段
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の土壌管理システム。
5. 前記履歴情報生成手段は、前記記憶部に記録されている、土壌温度及び土壌水分量の時間変化を示すグラフを生成する
   ことを特徴とする請求項４に記載の土壌管理システム。
6. 前記センサ部が、さらに、電圧センサを備え、
   前記電圧センサは、前記電源の電圧を測定し、
   前記送受信部が、前記電圧を前記制御装置に送る
   ことを特徴とする請求項５に記載の土壌管理システム

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