研究論文

農業用無線センサネットワークシステムの開発
松生秀正＊１Development of Agricultural Network System by Use of Sensors and Wireless
Modules
Hidemasa MATSUO *1
Industrial Technology Division, AITEC * 1
農作業の効率化の促進と温室の巨大化に対応するため、温度センサと情報収集機器との間のデータ転送を無線化し、低コストな農業用センサネットワークシステムを開発した。このシステムは、温度センサ、無線モジュール、ワンチップマイコンから成り、開発費も含めて低コスト、センサの追加・変更にも柔軟に 対 応 可 能 、 メ ン テ ナ ン ス が 容 易 、 屋 外 で の 使 用 も 可 能 な ど の 特 徴 が あ る 。 温 室 内 の 温 度 を 約 150m 離 れた地点で観測できることを確認した。

２．実験方法１．はじめに
農業分野では、すでに温度、湿度をはじめとするセン

2.1 無線センサネットワーク

サ技術が現場で活用され、農作業の効率化、農産物の品最終的な目標は、無線を利用した温室内の多点計測・質向上・安全にも貢献している。しかし、農業の生産性制御システムであるが、今年度はまず一方向の無線セン向上のため温室の巨大化が進み、それとともにセンサのサネットワークシステムを試作した。図１に本研究で試数・種類が増えた場合、今までの人手に頼る測定手法で作したシステムを示す。前年度の研究 1)で製作したシスは対応できなくなる恐れもあり、センサ技術を効率的にテムが基本となっている。システムは、温度センサ（サ運用するため、ネットワーク上で利用することが急務でーミスタ）、センサ信号処理回路、PIC マイコン（PIC16F876）、ある。

無線モジュール（送信用、受信用、中継器用）、シリアル

そこで本研究では、センサ技術とネットワークを用いインターフェース変換回路、データ記録用パソコンからて、農業分野で活用できるセンサと無線システムを利用成る。センサからの信号をワンチップマイコン（PIC マすることにより、小型、低コスト、低消費電力、かつセイコン）を用いてシリアルデータに変換し、その信号をンサの数・種類の変更にも容易に対応でき、メンテナン

送信用無線モジュールで特定小電力無線により伝送する。

スが容易なセンサネットワークを利用した計測システム

これを中継器を介して受信用無線モジュールで受信したの開発を目標とした。

後、RS232C のデータに変換してパソコンに入力することによりセンサからの情報を表示、記録するシステムで送信側（温室内）

サーミスタ
サーミスタ
サーミスタ

センサ信号

中継器（屋外）

特定小電力
無線

特定小電力
無線

処理回路

受信側（室内）

無線

無線

無線

無線

モジュール

モジュール

モジュール

モジュール

図１

無線センサネットワークシステム

PIC
マイコン

＊

1 工業技術部

機械電子室

シリアル
インターフェース
変換回路
RS232CPIC16F876

Vin⎛V⎞
RT = R1 ⎜⎜ in − 1⎟⎟V⎝ out⎠RT
Vout
R1(3)となるので、供給電圧 Vin が決まれば(2)(3)式より温度 T

AN0AN1AN2が求められる。今回の試作条件では、Vin = 2 (V)、R1 =4.3kΩ とした。
サーミスタの温度は PIC マイコンにより算出した。ま図２

ず、サーミスタ信号処理回路からの出力電圧 Vout を PIC

簡略化したサーミスタの信号処理回路マイコンで A/D 変換し、その値を(3)式に代入して RT をある。図１ではセンサからの信号を受け取るだけの一方求め、さらに(2)式より温度 T を求める C 言語プログラ

向の伝送を示しているが、システムの簡易な変更によりムを作成し、その温度データを無線モジュールにより送双方向伝送も可能である。

信した。

2.2 センサ回路

2.3 無線モジュール

本システムではほとんどのセンサが利用できるが、温無線モジュールは、前年度の研究 1)と同じ特定小電力室内の温度（およそ 5℃〜50℃の範囲）測定のニーズが無線を利用したモジュールを使用した。予備実験で見通強いことから、温度センサとして 3 個のサーミスタを使しのよいところでは 150m 程度の距離でも通信可能であ用することにした。温度センサとして熱電対もよく使わったが、温室の内部から約 150m 離れた建物内の一室へれるが、熱電対は温度範囲は広いものの精度の点ではサの直接の通信では問題が生じたため、中継器を用いるこーミスタより劣り、信号処理回路が複雑になるなど、今ととした。

回のセンサシステムには不向きであると判断した。使用

2.4 受信側ソフトウエア

したサーミスタは、いずれも同じ特性で、抵抗値 10kΩ

前年度の研究では、日本酒の醸造工場の内部の通信を（25℃）、B 定数は 3435(K)である。図２に簡略化したサ行い、見通しのきかない数 10m 離れた場所で温度のモニーミスタの信号処理回路を示す。サーミスタは通常 1 つタを可能とした。本研究では、温室内の温度データを継の測定点に対しリニアライズした回路が必要で、その出続的に記録することが重要なので、Excel VBA で Excel

力電圧から温度を求める。したがって、測定点の数、すのブックにデータを直接取り込み、長期間のデータを記

なわちサーミスタの数が多くなれば、それだけリニアラ録できるようにした。

イズ回路も用意する必要があり、ハードウエアに負担を2.5 ケースかけることになる。当然消費電力も増加するため、低消温室内は温度・湿度条件が厳しい上、水が散布される費電力でコンパクトなシステムをつくるためには好ましことが多く、屋外に近い環境条件である。また、屋外にい方法とはいえない。そこで図２に示すように回路は極中継器を設置するため、回路基板を収納するケースは、めて簡単にし、マイコンのソフトウエアで温度を求める防水・防塵対策を施した透明なケースを使用した。

方法を用いた。 RT はサー ミスタ、 R1 は直列抵抗、PIC16F876 はワンチップマイコン（PIC マイコン）、3個のサーミスタ回路は全て同じで、それぞれ PIC マイコンの A/D 変換入力端子（AN0〜AN2）に接続した。

３．実験結果及び考察
3.1 無線センサネットワークシステム
表 1 に今回試作した無線センサネットワークシステム

サーミスタの基準温度 T0 (℃)における抵抗値を R0の仕様を示す。当初、電源は小型化のためニッケル・水(Ω)、B 定数を B(K)とすると、サーミスタの温度 T (℃)
における抵抗値 RT (Ω)は、次の式で求められる2)。

素電池を使用したが、3 日間程度の寿命でしかなかった⎛ 11 ⎞⎟⎟
RT = R0 ⋅ expB ⎜⎜−⎝ T + 273 T0 + 273⎠(1)(1)式からサーミスタの温度 T (℃)は次の(2)式のようになる。
T =1− 2731RT
1log+
B
R0T 0 + 273

また、 RT は図２よりため、送信側と中継器の電源は 6V の鉛蓄電池に変更した。受信側は室内で受信するので、AC100V 電源にした。
消費電力は送信側は比較的低く抑えられたが、中継器は無線モジュールを 2 個使用しているため、送信側を上回る消費電力となった。ただし、中継器の消費電力を低下(2)させる必要があれば、無線モジュールを 1 個にしてマイコンで通信をコントロールすることも可能である。伝送距離は、中継器を用いて、150m 程度を可能とした。しかし、複数の温室からの情報を収集する場合は通信状態

表１項

無線センサネットワークシステムの仕様
目仕様

鉛蓄電池 DC6V（送信側、中継器）

電源

AC100V（受信側）
DC3.3V,50mA 以下（送信側、セン消費電力

サ 3CH）

温度センサの
リード線

DC3.3V,80mA 以下（中継器）
伝送距離150m（中継器使用の場合）接続可能なセアナログ出力タイプ：最大 5CH

ンサの数

デジタル出力タイプ：最大 22CH

通信形態

１：１（１：Ｎにすることは可能）

リード線

無線送信機
図４

無線送信機が変化することも考えられ、今後、性能の限界を確認する必要がある。
接続可能なセンサは、前年度の研究と同じである。湿度センサなど他のセンサに変更する場合は、アナログ出力タイプ、デジタル出力タイプとも出力の仕様（電圧など）がわかれば変換回路を介して容易に PIC マイコンに接続ができる。センサの数を増やす場合は、PIC マイコ
ンを PIC16F877 に変更することにより、アナログ出力タイプのセンサで最大 7CH、デジタル出力タイプのセンサで最大 33CH まで増加が可能である。また、現在の通信形態は 1：1 であるが、さらにセンサの数を増やす場合あるいは複数の温室内のモニタをする場合は、通信形態を 1：255（最大）にして対応することができる。製作

図５

中継器

費用は部品代として 7〜8 万円程度で済み、低コストの究部建物から約 50m の場所に中継器を設置して通信を無線センサシステムが実現できた。

可能にした。

3.2 実証試験

図４は温室内に設置した温度センサのリード線と無図３は、実証試験を行った愛知県農業総合試験場園芸線送信機、図５は木の上に設置した中継器である。温度研究部の全景である。左側に並んでいるのがトマト栽培

センサは、図４の無線送信機のケース左側から引き出しの温室、右側奥が園芸研究部の建物である。温室と園芸て、おおよそ 1m、2m 及び 3m の高さに設置した。中継研究部の建物とは直線距離で約 150m であるが、直接の器は完全に雨ざらしとなったが、一週間連続の実験では通信では問題が生じたため、温室から約 100m、園芸研問題なく動作した。

園芸研究部建物

温室

図３

園芸研究部全景

図６

無線受信機とデータ記録用パソコン

続運転は可能であると思われる。使用したセンサは温度センサ（サーミスタ）だけであったが、湿度センサなどほかのセンサでも同様にデータ無線通信は可能である。
また、本研究では温度センサの数は 3 個であったが、最大 5 個に増設することも容易である。メンテナンスの点では、基本的に電池の交換だけで済み、送信機、中継器は屋外の使用も可能である。また、温室内で使用する場合、近くに交流電源があれば、直流に変換して本システムに利用することもできる。
図７

Excel のデータ記録画面

図６は、園芸研究部建物内の一室でデータを受信して４．結び以上のシステムで実証試験を行った結果、１週間連続いる無線受信機とデータ記録用のパソコンである。前年して無線通信が可能であることを確認した。ただし、時々度の研究では、受信したデータをシリアルデータに変換

データ落ちや異常値を示すことがあり、ハードウエア、してそれをパソコン側のハイパーターミナルなどのソフソフトウエア両面から原因を検討する必要がある。

トウエアで処理をしていた。今年度はデータの記録を

平成 18 年度は、一方向の無線ネットワークシステムExcel に直接取り込めるようにし、リアルタイムでモニの開発を行ったが、平成 19 年度はそのシステムを完成タできるとともに長期間にわたるデータも記録できるよさせるとともに、双方向の無線ネットワークシステムをうにした。図７は、データを記録中の Excel の画面であ開発し、より完成度の高い実用的なシステムにする予定

る。温度データは 10 分間隔で取り込めるようにした。

である。

ところどころデータ落ちあるいは文字化け等異常なデー

謝辞タもあったが、通信データ自体は一週間連続して計測できた。データが正常に送られなかった理由としては、無本研究の遂行にあたり、協力いただいた愛知県農業総線モジュール自体の通信条件の設定の不具合、パソコン合試験場園芸研究部矢部副部長、伊藤主任研究員（現西側ソフトウエア（Excel VBA）の不具合、送信側、中継三河農林水産事務所農業改良普及専門員）に感謝いたし器の回路へのノイズの混入など、ハードウエア、ソフトます。

ウエア両面で考えられ、まずは正常なデータ通信ができるよう改善する。今回の実験では中継器の電池寿命（電文献圧の低下）の関係で一週間の連続試験で終了したが、中

1）松生：愛知県産業技術研究所研究報告，5，70 (2006)

継器の消費電力を小さくすることができれば、さらに稼2） 松 井 邦 彦 ： セ ン サ 活 用 141 の 実 践 ノ ウ ハ ウ ， P67

働時間を延ばせると思われ、その対策にも取り組む予定である。現システムでは改良により 2〜3 週間程度の連(2001),CQ 出版社