(57)【要約】【課題】作物の生育状態を把握した上で、その生育状態に対応したアルゴリズムを用いて、温度管理および肥料の制御を行うことにより、最適な作物の生育管理を行うことができる作物生育システムを提供する。【解決手段】作物生育システムは、作物を保持するためのチャンバーと、チャンバーに養液を供給するための養液供給装置と、作物の生育状況を把握するための生育状況センサと、生育状況センサの信号により把握された作物の生育状況に対応したアルゴリズムにしたがってチャンバーごとに前記養液の液肥濃度および養液温度の少なくとも一方を管理するためのメインコントローラとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作物を保持するためのチャンバー、
前記チャンバーに養液を供給するための養液供給装置、
前記作物の生育状況を把握するための生育状況センサ、および
前記生育状況センサの信号により把握された前記作物の生育状況に対応したアルゴリズムにしたがって前記チャンバーごとに前記養液の液肥濃度および養液温度の少なくとも一方を管理するためのメインコントローラを含む、作物生育システム。
【請求項２】
前記養液供給装置は、前記チャンバーに養液を供給するメイン養液タンクと、前記メイン養液タンクに液肥を供給する複数のサブ養液タンクとを含み、
複数の前記サブ容器タンクには種類および濃度の異なる液肥が蓄積され、前記作物の生育状況に対応したアルゴリズムにしたがって複数の前記サブ養液タンクから前記メイン養液タンクに供給される液肥の量が調整される、請求項１に記載の作物生育システム。
【請求項３】
前記作物の生育状況に対応したアルゴリズムにしたがって前記チャンバーに供給される養液の温度をコントロールするための温度コントローラを含む、請求項１または請求項２に記載の作物生育システム。
【請求項４】
前記作物の生育状況を前記作物の重量で測定するための質量センサを含む、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の作物生育システム。
【請求項５】
前記作物の生育状況を前記作物の茎径または株の大きさで測定するための軸系センサを含む、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の作物生育システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、作物生育システムに関し、特にたとえば、水耕栽培や水気耕栽培などによる作物生育システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、作物を育てるために、畑で作物を育てるのではなく、養液中に作物の根を浸漬し、人工的な光を照射して作物を育てる水耕栽培の技術が発展している。このような水耕栽培において、養液栽培の設備に関する技術が開示されている（特許文献１参照）。また、植物の蒸発散を検出する装置についての技術が開示されている（特許文献２参照）。さらに、つる性植物の茎径を検出する装置が開示されている（特許文献３参照）。また、圧力・抵抗変換素子を用いて植物体内の水分を計測する技術が開示されている（特許文献４参照）。さらに、植物の幹や茎の径を測定し、その情報を活用して植物内水分の水切りを最適に行う技術が開示されている（特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１２５１６１号公報
【特許文献２】米国特許第６３９７１６２号明細書
【特許文献３】国際公開第１９８５／０３１２１号
【特許文献４】特開平７−２８９０８２号公報
【特許文献５】特開平８−００００８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、これまでの水耕栽培では、作物を保持したチャンバーをハウス内に収納し、ハウス全体の温度調節を行ったり、経験に基づいた肥料管理を行っていた。しかしながら、このような管理方法では、最適な温度管理や肥料管理が難しく、冷暖房のエネルギーコストや肥料等の資材コストが大きくなっている。
【０００５】
なお、特許文献２〜特許文献４に示すように、植物の生育状況を計測する技術は開示されているが、いずれも単に生育状況を計測するだけであり、栽培のための制御に利用されているケースはない。また、特許文献５では、植物の生育状況の計測情報より水分量の制御は行われているが、肥料の制御には使用されていない。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、作物の生育状態を把握した上で、その生育状態に対応したアルゴリズムを用いて、温度管理および肥料の制御を行うことにより、最適な作物の生育管理を行うことができる作物生育システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、作物を保持するためのチャンバーと、チャンバーに養液を供給するための養液供給装置と、作物の生育状況を把握するための生育状況センサと、生育状況センサの信号により把握された作物の生育状況に対応したアルゴリズムにしたがってチャンバーごとに養液の液肥濃度および養液温度の少なくとも一方を管理するためのメインコントローラとを含む、作物生育システムである。
作物の生育状況を把握した上で、その生育状況に対応したアルゴリズムにしたがって養液の液肥濃度や養液温度を管理することにより、最適な管理を行うことができ、無駄なエネルギーや肥料の投入を防止することができる。
【０００８】
このような作物生育システムにおいて、養液供給装置は、チャンバーに養液を供給するメイン養液タンクと、メイン養液タンクに液肥を供給する複数のサブ養液タンクとを含み、複数のサブ容器タンクには種類および濃度の異なる液肥が蓄積され、作物の生育状況に対応したアルゴリズムにしたがって複数のサブ養液タンクからメイン養液タンクに供給される液肥の量が調整されることが好ましい。
作物の生育状況に対応して、最適な割合で複数の液肥が混ぜ合わされ、得られた養液が作物に与えられる。この場合、複数のサブ養液タンクに蓄積された種類および濃度の異なる液肥を混合することにより、最適な養液を作製することができる。
【０００９】
さらに、作物の生育状況に対応したアルゴリズムにしたがってチャンバーに供給される養液の温度をコントロールするための温度コントローラを含むことが好ましい。
チャンバーに供給される養液の温度をコントロールすることにより、チャンバーごとに作物の生育状況に対応した温度の養液を供給することができる。
【００１０】
なお、作物の生育状況を作物の重量で測定するための質量センサを含むことができる。
さらに、作物の生育状況を作物の茎径または株の大きさで測定するための軸径センサを含むことができる。
作物の生育状況を把握するために、作物の重量や作物の茎径などを測定することができる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、作物の生育状況に応じて、最適な液肥濃度を有する養液を供給することができるため、無駄な肥料の供給を防止することができる。また、チャンバーごとに養液の温度を調整することができるため、無駄な空調費を節約することができる。これらの管理を行うことにより、作物の生育の促進、品質の安定化、味の向上を図ることができる。
【００１２】
この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための形態の説明から一層明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、この発明の作物生育システムの一例を示す図解図である。
【図２】図２は、制御量のコントロールと作物の生育速度との関係を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、この発明の作物生育システムの一例を示す図解図である。作物生育システム１０は、作物１２を育てるためのチャンバー１４を含む。チャンバー１４は、たとえば、長方形の箱状に形成された蓄液部１６を含み、この蓄液部１６に作物１２に供給される養液が蓄積される。蓄液部１６上には、作物１２を保持するための保持部１８が形成される。この保持部１８に作物１２が保持され、作物１２の根が蓄液部１６に導き入れられる。
【００１５】
チャンバー１４の長手方向の一端側には、養液供給装置２０が接続される。養液供給装置２０は、１つのメイン養液タンク２２と複数のサブ養液タンク２４とを含む。ここでは、２つのサブ養液タンク２４ａ，２４ｂが示されているが、３つ以上のサブ養液タンクが設けられていてもよい。メイン養液タンク２２は、コントロールバルブ２６を介して、チャンバー１４に接続される。また、サブ養液タンク２４ａ，２４ｂは、それぞれコントロールバルブ２８ａ，２８ｂを介してメイン養液タンク２２に接続される。
【００１６】
サブ養液タンク２４ａ，２４ｂには、それぞれ異なる種類の液肥を含む養液あるいは異なる濃度の液肥を含む養液が蓄積される。これらのサブ養液タンク２４ａ，２４ｂの養液が、コントロールバルブ２８ａ，２８ｂを介してメイン養液タンク２２に送られ、適切な種類の液肥が適切な濃度で混合された養液が作製される。
【００１７】
さらに、チャンバー１４の長手方向の他方側には、回収通路３０が形成される。回収通路３０は、フィルタ３２を介してメイン養液タンク２２に接続される。メイン養液タンク２２からコントロールバルブ２６を介してチャンバー１４に供給された養液は、作物１２に液肥を与えた後に、回収通路３０を通ってメイン養液タンク２２に回収される。このとき、回収通路３０を通る養液は、フィルタ３２によって濾過される。
【００１８】
チャンバー１４の保持部１８には、作物１２の生育状況を調べる生育状況センサとしての物理量センサ３４が形成される。物理量センサ３４は、複数の作物１２のそれぞれに設置されてもよく、または、複数の作物１２のうちの１つに設置される。物理量センサ３４としては、たとえば、誘電体センサや圧電体センサなどを用いることができる。これらのセンサを用いることにより、作物１２の茎径や質量を検出することができる。特に、水耕栽培の場合、チャンバー１４に作物１２を固定する必要があるため、保持部１８と物理量センサ３４とを兼ねることができる。
【００１９】
さらに、メイン養液タンク２２には、温度計／濃度計３６が取り付けられる。この温度計／濃度計３６によって、メイン養液タンク２２内の養液の温度および濃度が測定される。また、チャンバー１４の蓄液部１６にも、温度計／濃度計３８が取り付けられる。この温度計／濃度計３８によって、チャンバー１４内の養液の温度および濃度が測定される。
【００２０】
また、メイン養液タンク２２には、温度コントローラ４０が形成される。この温度コントローラ４０によって、メイン養液タンク２２内の養液の温度がコントロールされる。さらに、作物生育システム１０は、メインコントローラ４２を含む。メインコントローラ４２は、物理量センサ３４や温度計／濃度計３６，３８などから情報を集め、これらの状況に対応したアルゴリズムにしたがって、コントロールバルブ２６，２８ａ，２８ｂや温度コントローラ４０などを制御する。
【００２１】
この作物生育システム１０では、物理量センサ３４や温度計／濃度計３６，３８の出力信号は、有線または無線でメインコントローラ４２に送られるが、チャンバー１４が設置されるハウス内のスペースなどを考慮すると、無線で送られることが好ましい。また、メインコントローラ４２からコントロールバルブ２６，２８ａ，２８ｂや温度コントローラ４０に送られる信号も無線によることが好ましい。
【００２２】
メインコントローラ４２で処理される情報は、作物特有のアルゴリズムによって管理される。このアルゴリズムは、植物の適正な生育パターン、およびその状況に応じた温度や液肥の種類、濃度等によって構成され、これに沿ったコントロール指令をアクチュエータに伝達する。ここで、アクチュエータとは、コントロールバルブ２６，２８ａ，２８ｂや温度コントローラ４０のことである。これらのアクチュエータは、それぞれの箇所に設置された温度計／濃度計３６，３８をもってフィードバック調整される。
【００２３】
つまり、メインコントローラ４２において、物理量センサ３４により得られる作物１２の生育状況と、温度計／濃度計３８によって得られる養液の温度および液肥濃度とが最適な組み合わせであるかどうかが判断される。そして、これらの組み合わせが不適切であれば、コントロールバルブ２８ａ，２８ｂを調整することにより、作物１２の生育状況に対応した液肥濃度を有する養液が作製されるとともに、温度コントローラ３４を調整することにより、養液の温度がコントロールされる。また、回収通路３０を通ってメイン養液タンク２２に回収された養液についても、温度計／濃度計３６によって養液の温度および液肥濃度が測定され、コントロールバルブ２８ａ，２８ｂの調整により、最適な液肥濃度と温度とを有する養液が作製される。
【００２４】
さらに、チャンバー１８ごとに養液の温度をコントロールすることができるため、チャンバー１８が置かれるハウスの全体の空調を行わなくても、各チャンバー１８の作物１２に与えられる養液の温度をコントロールすることができ、各チャンバー１８において、作物１２の生育を良好に行うことができる。なお、有線または無線によってアクチュエータへの情報伝達を行うことにより、作業者の負担軽減ができ、省力化を図ることができる。また、アルゴリズムによる養液の管理を行うことにより、液肥の無駄を省くことができ、省コスト化、省廃棄物化につながる。もちろん、このアルゴリズムによる情報は、空調管理や照度管理と組み合わされることにより、さらによい結果を得ることができる。
【００２５】
ここで、アルゴリズムについて説明する。植物は、その生育過程において、茎が太くなり、茎の本数が増え、花が咲き、実がなるというように、その生育過程によって状態が変化する。それぞれの生育過程において、重量の増減があり、また必要な養分、水等が量、質ともに変化してくる。今までは、熟練者による経験と勘により、生育状況に応じて、肥料や薬剤を変えていた。さらに、天候の具合をみて色々な調整をしてきた。しかしながら、今後の農業従事者の減少や高齢化により、熟練者が減少し、このような経験や勘が伝承されなくなる危惧がある。そのため、植物それぞれの生育、管理条件をアルゴリズム化していくことは、農業伝承において重要なポイントとなってくる。
【００２６】
植物の生育、管理条件をアルゴリズム化するにあたって、植物の生育過程における養分、水等の量、質の変化が重要になってくる。たとえば、葉の量が少なく、光合成が活発でない時期には、蒸散が少なく、水の量が少なくてもよい。また、茎や葉の生育には、窒素やリン質の要素が重要である。一方、葉の量が多くなると、光合成が活発化し、蒸散が多くなって、多量の水分が必要となってくる。また、果実がなる時期になると、窒素やリンといった要素のほか、色素を形作るミネラルなどの成分が必要となってくる。このように、植物の生育状況に応じて養液の濃度や成分比を変えていくことにより、より少ない液肥や水で生育をコントロールすることができ、生育速度の向上や品質管理が可能となる。この制御をアルゴリズムを用いてコントロールすれば、より効率的な生産、制御が可能となる。つまり、図２に示すように、経験や勘にたよった制御では、植物の生育に時間がかかるが、管理条件をアルゴリズム化してきめ細かな制御を行うことにより、植物の生育を促進させることができる。
【実施例１】
【００２７】
図１に示す作物生育システム１０を用いてトマトを栽培した。幅５０ｃｍ、長さ１ｍのチャンバー１４に対して、トマトの苗を約１５ｃｍの間隔で、７０本定植した。トマトの苗としては、茎径が８ｍｍ、高さが約３０ｃｍ、第１花房が開花しているものを用いた。生育センサとして、誘電体の測長センサを用いた。なお、センサは、トマト７０株あたりに１対設置した。センサの１つはトマト苗の定植時にチャンバー１４近傍の茎の部分に設置し、もう１つは、第４花房が開花した後に第４花房直上の葉の直下に設置した。トマトは、成長に伴い茎の成長が止まるため、定植から収穫までの期間で精密に成長状態をセンシングするために複数個のセンサが必要である。この実施例に示すように、少なくとも２つのセンサを使用することで、定植から収穫までの期間で精密に成長状態をセンシングすることが可能である。
【００２８】
作物育成システム１０は、気温と光量が管理されたハウス内に設置した。ここで、光を照射する明期は１６時間とし、その間の気温は２３℃とした。光を照射しない暗期は８時間とし、その間の気温は１８℃とした。
【００２９】
トマトの栽培においては、果実へ水分や養分を十分に供給するため、一房当たりの果実の数を調整する摘果や、高さ方向への茎の成長を止める摘芯が行われることが一般的である。摘果については、１段目は３個、２段目は４個、３段目から５個の果実を残すように行った。摘芯については、第５花房のつぼみが出た時点でその上の本葉２枚を残して行った。
【００３０】
養液の供給方法としては、供給した養液を循環させないかけ流し型養液栽培と、循環させる循環型養液栽培とがあるが、本実施例では後者の循環型養液栽培を選択した。
【００３１】
本システムを用いてトマトを栽培した際のアルゴリズムの例を表１および表２に示す。表１の実施例１では、養液濃度は一定とし、トマトの茎径の変化に応じて養液の温度をコトロールしている。表２の実施例２では、トマトの茎径の変化に応じて養液の濃度と養液の温度の両方をコントロールしている。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
【表２】
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【００３４】
比較例として、生育センサおよびアルゴリズムを用いずにトマトの生育を行った。比較例においては、養液の温度は気温により成り行きで変化する。また、循環型養液栽培で一般的に行われるように、１か月に一度養液の全量を取り換えた。なお、実施例１、実施例２、比較例のチャンバーは、同時期に同じハウス内に設置し、同じ環境条件で比較を行った。
【００３５】
実施例１、実施例２、比較例において、定植後３００ｋｇの収量が得られるまでの期間、収穫したトマトにおける不良率、３００ｋｇのトマトを生産したときの養液の廃液量を測定した。そして、その結果を表３に示した。なお、ここでいう不良率とは、全収量に対する、形状がいびつな乱形果や果実が裂けている裂果の発生重量の比率である。
【００３６】
【表３】
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【００３７】
比較例に比べて、実施例１、実施例２では、３００ｋｇの収量を得るまでの期間が短い。植物の成長に対しては根の成長が大きく関係している。本発明では、茎の成長をセンシングして養液の温度や濃度をコントロールすることにより、根の成長をコントロールできることを見出し、それを応用することにより、成長の過程に応じた最適な条件を設定することで同一の収量を得るまでの期間を短縮できたものと考えられる。
【００３８】
また、養液の温度と濃度の両方をコントロールした実施例１では、不良率が低いことがわかる。これは、乱果形や裂果は養分や水の過不足により引き起こされるため、これらをコントロールすることにより、不良の発生が抑制されたものと考えられる。なお、トマトの生長により、養液濃度が成り行きで変化する比較例に比べると、実施例１では養液濃度が一定にコントロールされている。実施例１は実施例２に比べると不良率は高いものの、比較例に比べると不良率は低い。
【００３９】
また、実施例１、実施例２では、順次養液濃度が調整されているため、一定期間ごとに全養液を取り換えてリフレッシュする必要のある比較例に比べると、養液の廃液量は少ない。
【００４０】
次に、図１に示す作物生育システム１０を用いて小松菜を栽培した。生育センサとして、圧電体の質量センサを用いた。なお、センサは小松菜１０株当たりに１つ設置し、１０ｃｍ間隔でチャンバー１４に作付けし、必要な重量に達する期間を調査した。実施例２−１および実施例２−２では、養液の温度コントロールを行い、チャンバー内の温度が１８℃となるようにした。また、実施例２−１では、小松菜の生育重量に比例して窒素濃度が１００ｐｐｍから２００ｐｐｍまで変化するように養液濃度をコントロールした。実施例２−２、比較例については、２週ごとに追肥を行った。栽培はハウス内とし、特にハウス内の温度コントロールは行わなかった。そして、この結果を表４に示した。
【００４１】
【表４】
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【００４２】
表４からわかるように、養液の温度管理を行ったものは、生育が速く、さらに重量に応じて窒素濃度管理を行ったものは、さらに生育が速くなった。
【００４３】
これらの栽培方法は、露地栽培と比較して、作物の生長が早く、ハウスなどの環境管理下では、１年に複数回の栽培が可能であり、収量が大きくなる。
植物の生育状態に応じた必要養分が供給され、作物の生育状態がコントロールされることにより生育速度をより向上させることができ、輪作サイクルの短縮化により収量を向上させることができる。
植物に対する適度なストレスや作物の各部分の生育に必要な養分を最適化することができ、糖度などの味のコントロールができ、品質の安定化と向上を図ることができる。
また、このようなアルゴリズムによるコントロールにより、誰にでも同等の品質のものができるようになり、省力化も可能である。
さらに、養液の最小量化を望むことができ、コストの削減につながる。養液の温度のコントロールを行うことで、作物ラインの局所温度調節が可能になり、ハウス全体を空調するような大きなエネルギーを削減することが可能となり、省エネルギー化、省コスト化にもつながる。
【符号の説明】
【００４４】
１０  作物生育システム
１２  作物
１４  チャンバー
２０  養液供給装置
２２  メイン養液タンク
２４ｑ，２４ｂ  サブ養液タンク
３４  物理量センサ
３６，３８  温度計／濃度計
４０  温度コントローラ
４２  メインコントローラ
【図１】
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【図２】
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