(57)【要約】【課題】耕作地の地下水位を検出するために、低消費電力で電食防止機能、ゴミ・虫による誤動作回避機能をもった地下水位計を提供する。【解決手段】対抗した電極セットを等間隔で並べた水検知部へは測定時のみ電流を流し、最終出力段の出力部はアナログ信号を保持し、中間の信号処理部は測定時以外はスリープ状態で待機する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を検知するための受信電極を複数並べて配置し直流電圧パルスを印加する送信電極を前記受信電極に対向して配置し
前記直流電圧パルスに同期させて前記受信電極の信号を取り込むシフトレジスタを配置した水検出部回路と
前記水検出部への電源供給をＯＮＯＦＦする回路とスリープ機能を持ったＣＰＵとからなる信号処理部と
前記信号処理部が判定した結果をアナログ出力として保持する出力部回路と
を備え
前記信号処理部がスリープから目覚めて動作を開始するまでは前記水検出部への電源供給は遮断され
前記信号処理部はスリープし、前記出力部には電流が供給されて判定結果を出力し続けることを特徴とする地下水位検出装置。
【請求項２】
前記信号処理部は前記シフトレジスタを介して取得した複数の前記受信電極の水検知情報において中抜けがあった場合には
ゴミや虫などによる異常事態と判定し正しく補正して前記出力部に伝えるプログラムを実装したことを特徴とする請求項１記載の地下水位検出装置。
【請求項３】
前記水検出部と前記信号処理部と電池と無線発信器とを細長いプリント基板上に配置し
前記受信電極と前記送信電極を除いて防水モールドで覆い
導水穴を設けた中空管内に前記プリント基板を納めた
ことを特徴とする請求項１から請求項２に記載の地下水位検出装置。
【請求項４】
６ワットクラスのソーラパネルと１２Ｖ車載バッテリを電源として
ＧＰＳからの現在時刻と現在位置座標と前記出力部からの地下水位情報を入力し
ボールバルブの開閉を制御する出力を持ち
作物の各生育ステージにおいて必要な所定の水を耕作地に導水するように
前記現在時刻と前記現在位置座標と前記地下水位情報を条件として前記ボールバルブを開閉するプログラムを実装したことを特徴とする請求項１から請求項３に記載の地下水位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  耕作地で水位を検出するために使用される電気抵抗式水検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  固定された目標水位に対して到達したか否かを判定する場合は、お風呂ブザーや水洗トイレタンクのフロート方式が有名である。この場合水面の位置がどこにあるかを判定できれば良い。別の言い方をすれば空気と水の境目を区別できれば良い。【０００３】  水分の検出方法として、電極間に交流電圧を印可し電極間の電流又は静電容量の変化を検出する方法（特許文献１）が、また水の誘電率を利用して櫛形電極間の静電容量の変化を検出する方法（特許文献２）が、さらにセンサ表面の静電容量変化を検出しセンサ表面の水分量を測定する方法を応用して植物体の葉面水分を予測する葉面濡れセンサ（特許文献３）も開示されている。
静電容量の変化をとらえる水位計への応用としては、周波数の変化としてとらえる方法や数百ｋＨｚ以上の交流で一方の電極部を励磁し、他方の電極からの信号を増幅して電圧変化として捉える方法などが利用されてきた。
【先行技術文献】
【特許文献１】実開昭６４−３０４７０号公報
【特許文献２】特開２００５−２０８０１８号公報
【特許文献３】特開２００９−１０３５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  稲作では、代掻き、除草剤散布（１回目）、田植え、除草剤散布（２回目）、幼穂保護のための深水、出穂前追肥、中干し、再注水、収穫前落水などの手順があり、水位を一定に保っていれば良いわけではない。稲作では、ミリ単位での水位制御は必要なく、ダイナミックレンジは０〜１０ｃｍ、精度は１ｃｍ単位で充分である。【０００５】  一方、同じ水田作物である大豆栽培においては畝間灌水と並んで地下水位が大きな影響を持つ。地下水位の計測は精度１ｃｍを保ったままダイナミックレンジは最低でも１ｍが求められる。耕作地における水検出において電気抵抗式水検知方式は安価で安定した性能が期待できる。しかし、電気抵抗式水検知方式は電極間に電圧をかけるためマイナス電極側に電気的腐食（以下、電食）が発生しやすい。耕作地における水位変動はゆるやかなため所定のインターバルで計測されることが多く計測時のみ電力供給されるのが一般的だが、水位検出装置には常時給電しておいて測定用ロガーを所定のインターバルで駆動して計測値を記録する場合がある。このような場合は水位検出装置の消費電流が大きいとバッテリや充電用ソーラパネルも大型化し高価なものを用意する必要が出てくる。
電気抵抗式水検知方式に限らず屋外での水位測定ではゴミ、草、蛭などの生物が水検出部に絡んだり張り付いたりして誤検出の要因となる。前述したように作物の各生育ステージにおいて必要な水分量が異なるが、播種日もしくは移植日からの時間的経過を正しく把握するためには水管理システム全体が現在時刻を正しく把握していなければならない。
本発明は上記の問題を解決すべく、電食や消費電流を極力抑えゴミ、虫などによる誤検出を防いで作物の成長に連動した水管理を可能とする地下水位検出装置を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  請求項１記載の地下水位検出装置は、水の導電性を利用して対抗した電極セットが等間隔で並べられ、電極セットの片側に直流電圧を印可すると水を介してもう一方の電極に電流が流れその情報をラッチ回路で捉えてシフトレジスタを使って順番にＣＰＵの入力ポートに運んでくる水検出部回路があり信号処理部によって電流供給をＯＮＯＦＦすることが可能となっている。信号処理部は水検出部回路からの水の有無情報を受け取って判定し出力部回路に渡して自らはスリープする。出力部回路だけは常時給電されており信号処理部から渡された水位判定情報をアナログ電圧出力として保持し続ける。ＣＰＵは所定のスリープ時間後、水検出部に電流を供給して測定を行い、出力部に判定結果を渡すことを繰り返す。【０００７】  請求項２記載の地下水位検出装置は、等間隔で並べられた電極セットのそれぞれの水の有無情報を水検出部からシフトレジスタを使って受け取った信号処理部は水の有無情報に中抜けがあった場合には、ゴミや虫などによる異常事態と判定し正しく補正したのちに結果を出力部に渡す。【０００８】  請求項３記載の地下水位検出装置は、細長いプリント基板に電極セットを形成し水に接触させる部分を電極セットだけとしその他の回路は防水対策をする必要から防水モールドを施し、導水穴が穿ってある細長い中空管に納める。出力部回路に替えて無線発信器を出力とし電源として電池を使用する。【０００９】  請求項４記載の地下水位検出装置は、６ワットクラスのソーラパネルと１２Ｖ車載バッテリを電源としてＧＰＳからの現在時刻と現在位置座標と地下水位情報を入力し、ボールバルブの開閉を制御する出力を持ち、作物の各生育ステージにおいて必要な所定の水を耕作地に導水するようにボールバルブを開閉するプログラムを実装した。
【発明の効果】
【００１０】（１）水検出部の等間隔で並べられた対抗電極セットと必要分のシフトレジスタを増設することで測定レンジを長くすることが容易である。また回路を覆う防水モールドのシールド性能が劣化しても、約２００ｍ秒間の動作時以外は水検出部への電力供給は信号処理部によって完全にＯＦＦされているので水を介した電流の回り込みが発生せず電極の電食を抑えることができる。同時に信号処理部もスリープしており省電力モードとなっている。唯一出力部のみが電力供給されて出力信号を保持している。【００１１】（２）電気抵抗式水検知方式の最大のメリットは等間隔で並べられた電極セットのそれぞれの水の有無情報を知ることができる点にある。水検出部からシフトレジスタを使って受け取った信号処理部は水の有無情報に不自然な中抜けがあった場合にはゴミや虫などによる異常事態と判定し補正することができる。また、上下に充分な水有り情報がある中抜けの場合には水温、気温との総合判断によって水の凍結を知ることができる。【００１２】（３）水に触れさせる対抗電極を細長いプリント基板の片側に集中させ、水に触れてはいけない回路部分をその反対側に配置することで、シリコンやウレタンなどを使う防水モールド作業が確実に早くできる。上下水道管などで広く普及している塩ビパイプを中空管ケーシングに使うことで、安価で加工作業がし易くなる。
耕作地に広く分布させて設置する用途においては電池を電源としてアナログ出力ではなく無線送信器を使用するのが有効である。有線の地下水位計をほ場に設置するにはセンサケーブルを数十メートル用意する必要がありほ場にケーブルを引き回すと耕耘機や草刈り器の作業のじゃまになる。水田作物においてはその代表格の米、麦、大豆、そばのいずれにおいても水管理の時期は数ヶ月である。その間必要十分な電力を供給できる電池と間欠に水位データを送信する無線送信器を水位計の最上部に設置する。【００１３】（４）入手性が高く手頃な６ワットクラスのソーラパネルと流通量が豊富で安価な１２Ｖ車載バッテリを電源とする。ＧＰＳからの時刻取得で現在時刻を補正できるので作物の播種日もしくは移植日からの時間的経過を正しく把握することが可能となる。同じくＧＰＳからの現在位置座標の取得で天文日長を計算することができる。これらと地下水位情報とを勘案して作物の各生育ステージにおいて必要な所定の水を耕作地に導水するようにボールバルブを開閉する。一歩進めて気温や雨量などの微気象データも同時に測定すれば作物の生育スピードの予察も可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】  以下、添付図面を参照して本発明に係わる地下水位検出装置の最良の形態について説明する。【００１５】  図１は、本発明の水検知部分の回路である。電極セット１は液面から液底に向かって等間隔に並べてある。以下に水検出シーケンスを示す。まず電源信号ＯＮＯＦＦ回路により水検出部に電源が供給され、続いて直流電圧２が印可され、次にラッチ回路にデータが取り込まれると直流電圧２の印可は解除される。この間約１０マイクロ秒である。続いてＣＰＵからのクロック信号３に同期してラッチされたデータがシフトレジスタによってＣＰＵに送り込まれてくる。次に電源信号ＯＮＯＦＦ回路によって水検出部への電源供給が停止される。最後にＣＰＵはシフトレジスタによって送り込まれたデータ列を分析し水位を判定して出力部に渡す。シフトレジスタによってＣＰＵに送り込まれたデータ列を図５に示す。もし水位検出長を５メートル、電極セット間を１センチメートルとすると、前記データ列は５００個となる。検出感度を決めているのは、電極セット１のお互いの間隔と直流電圧２の電圧と抵抗４の値である。中空管に納めた場合出力部と信号処理部を除いた水検出部が常時水に浸かっている可能性が高いため、万が一防水モールド５のシールド性能が劣化してシフトレジスタやラッチ回路から電極１への電流リークが発生すると電極１に電食が起きてしまう。電源信号ＯＮＯＦＦ回路によって水検出部への電流供給が遮断されていれば防水シールドが破れても電流リークは発生しない。なお上記の水検出シーケンス中に電流リークが発生しても水没していない電極セットには電流が流れないため水検出動作には影響は与えない。【００１６】  図２は、水に接触させる電極セット１を細長いプリント基板の表面に配置し、電子回路素子を裏面に配置して防水モールド５を施したプリント基板の断面図である。最低でも水検出部を防水モールドする必要があるが、想定外の大雨洪水などを想定して信号処理部や出力部も防水モールドすることが望ましい。【００１７】  図３は、消費電流を抑えたままアナログ出力を保持するための回路図である。信号処理部のＣＰＵは出力部シフトレジスタに対してシリアルで信号を送り込んで自らはスリープする。シフトレジスタはシリアルデータをラッチして並列データとしてラダー抵抗に渡し、ラダー抵抗はアナログ電圧に変換してバッファを通して外部出力する。信号処理部のＣＰＵがスリープから目覚めて上記水検出シーケンスを再開するまでアナログ出力を保持し続ける。耕作地の水位検出において最適なスリープ期間は１〜２時間である。なお電源を強化しスリープなしで使えば土砂崩れ予知や大雨洪水警報などのリアルタイム測定に使用することも可能である。【００１８】  図４は、電源供給を示すブロック図である。電源供給を制御できるロガーを使えば電源供給開始から上記水検出シーケンスを経て出力部からの外部出力が安定してロガーでデータを取り込めるまで長くても約２００ｍ秒であり、そのうち電極に電流が流れる時間は約１０マイクロ秒である。しかし電源供給を制御できるロガーは高価であり耕作地に広く分布させて設置したい場合には不向きである。対して安価なロガーには電源供給を制御できる機能はなく測定インタ��バルの間も常時電源供給しておく必要があり、省電力でかつアナログ出力を保持し続けることが求められていた。この点を解決すべく図４に示すように待機時には出力部のみが動いて信号処理部は眠っており水検出部は完全に電源断されるように本発明がなされた。【００１９】  図５は、各電極が検出した水の有無データである。水分を含んだゴミが上流から流れてきて引っかかったり蛭などの生物が水位計をよじ登ってくることがある。そのような場合水検出部から信号処理部に送られてくるデータ列に連続性がなく不自然な中抜けが発生する。信号処理部のＣＰＵには中抜けを補正して正しい水位を判定するプログラムを実装する。各電極セットの水の有無を独立して捉えることができることは電気抵抗式水検知方式の最大の利点である。【００２０】  フロート式水位計を使って導水量を制御して水位を一定に保ったり、耕作地の排水路を調整して水位を一定にしたりする方法が良く使われている。さらに進化させて請求項４では各種情報を総合的に判断して耕作地に最適な水を導入するシステムを提案している。それは作物の各生育ステージにおいて必要な水の量が異なるため時間経過と気温や雨量などの微気象データを総合的に検討して現時点での必要水量に見合う導水を行うようにボールバルブを開閉することによって実現している。【００２１】  手順を以下に示す。播種日もしくは移植日を入力し定期的にＧＰＳからの時刻取得をし正しい時間を刻む。生育予測において天文日長の計算が必要な場合にはＧＰＳからの現在位置座標の取得で実現できる。望ましくは気温、地温、土壌水分や雨量などの微気象データも同時に測定すれば作物の生育スピードが一層正確に予察可能となる。これらと地下水位情報とを勘案してあらかじめ記憶域に納められた各種作物の必要水量と照合して現在必要水量を割り出し必要な所定の水を耕作地に導水するようにボールバルブを開閉する。電源として入手性が高く手頃な６ワットクラスのソーラパネルと流通量が豊富で安価な１２Ｖ車載バッテリを使用する。【００２２】  そもそも従来の水位計は水の最上部の位置がどこにあるのかを検知すれば事足りていた。本発明による地下水位検出装置は水没している電極セットのそれぞれが水の有無を検出できるためゴミ・草・蛭などによる誤検知を補正して水位を正しく判定でき、省電力状態でアナログ出力を保持し続けることが最大の特徴である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の回路図である。
【図２】本発明の水位検知電極と回路素子部の断面図である。
【図３】本発明の出力部の回路図である。
【図４】本発明の電源供給を示すブロック図である。
【図５】本発明の各電極が検出した水の有無データである。
【符号の説明】
【００２４】１    電極セット
２    直流電圧
３    クロック信号
４    抵抗
５    防水モールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
2015070826.tif 000005
【図４】
2015070826.tif 000006
【図５】
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