このPDFは，CQ出版社発売の書籍「ラズパイ・Arduino農業実験集」の一部見本です．
内容・購入方法については，下記のWebサイトをご覧ください．
内容：https://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/59/59881.html

見本イントロダクション

農業&自然センシングで広がる世界

編集部

大気コンディション
調べなきゃ

農業×エレクトロニクス

温度管理も便利な時代ね

6見本クーラで冷却しよっ世界は広がる

アイデア次第で作れるはずよ見本7

第 1 部 はじめての農業センシング
第1章

灌水制御の基礎知識と実際

永遠のテーマ「水やり」自動制御装置
黒崎 秀仁

光センサで光セ
光セン
光セン
ンサ
サでで日照量を測る
日照日照量
日照量を測
照量を測る
測る
測る
自作した制御回路．下側にArduino Uno

電源などの配線
は下側から（a）取り付けたところ（b）内部

水の流れる向き植物はこちらストレーナ（ゴミ取りフィルタ）を付ける

今回のターゲット植物
カンキツ類

電磁弁（c）水道管に電磁弁
写真 1

本稿では，農業＆植物栽培の永遠のテーマともいえる「自動水やり制御」に挑戦してみます（写真 1，図 1）

農業での永遠のテーマ「水やり」● 水やりは現代農業においても悩ましい難題
人類が農業を始めてから，とても長い年月が経っていますが，人類はいまだに植物にどのくらい水を与え8（d）今回の水やりターゲットになるカンキツ系の植物たち

農業＆植物栽培の永遠のテーマ…自動水やり装置の自作に挑戦してみたたらよいか悩み続けています．その理由は幾つもあります．
まず，植物がどれだけ水を必要としているのかを，とても予測しにくいことがあります．植物が根から養分とともに吸い上げた水を光合成に利用して，気孔から水蒸気として放出することは蒸散作用として中学校で習います．しかし，どの程度水を吸うかは，土壌の状態，肥料濃度，葉面積，光，風，湿度などさまざま見本第 1 章 永遠のテーマ「水やり」自動制御装置
日射入門

TSL2561（ams）
日射量から水やり量を自動制御する

照度（光）
センサ

IoT

AE-AQM1602A（KIT）（秋月電子通商）マイコン・ボードArduino Uno

LCD

Arduino IDE

TB6643KQ
（東芝）

開発環境

I2C
IN1, IN2

D5, D9マイコン

USB

A0, A1,A2など

画像

モータ・ドライバ・モジュール

PC
プログラミング

設定用ボリューム,スイッチなど

水道から

大気

自作回路

AC
アダプタ

育てたい植物
図1

自動水やり制御装置のハードウェア構成

水やり（灌水）制御方法あれこれ● その 1：タイマ制御
かんすい

この難しい灌水を何らかの合理的な方法で自動化したいという要求は昔からありました．

● その 2：タイマ＋達人の手作業

アイデア

水やりを減らせば，果実の味は良くなりますが，だからといって，全く与えなければ植物は枯れてしまい
ますし，水が足りないと収量も減ってしまいます．これをギリギリのところでコントロールするためのノウ
ハウが無数に存在し，熟練した農家の腕の見せどころとなっています．いわゆる長年の経験と勘です．

最も簡単に灌水を自動化する方法は，毎日，決まった時間に一定時間弁を開くだけのタイマ制御です．雑な方法ですが，導入コストの安さから今でも非常に多く使われています．

土壌

かんすいな要因の影響を受けてしまい，予測することが困難です．
しかも，植物は能動的に気孔の開閉を制御していて，環境が悪化すると気孔を閉じて蒸散を停止してしまいます．ちゃんと水を吸えているのか，光合成できているのか，物言わぬ植物に聞くこともできません．
さらに厄介なことに，植物が欲するだけ幾らでも水を与えればよい，というわけでもないのです．水分を過剰に与えると果実の味は悪くなります．味が薄まってしまうのです．これはトマトなどの果菜類，果樹など果実を収穫し，食味が重視される作物で大きな問題（2）．になります（1）しかし，これでは雨の日も晴れの日も同じように作動してしまい，細かく植物に与える水分を制御できません．そのため，熟練農家は最低限の水はタイマ制御
で与え，後はその日の環境や植物の状態によって追加分を手動で灌水するという手の込んだことをやります．これはあまりにも初心者には難しいものです．

● その 3：吸収した水の量を量る
他には，廃液を計測するという方法がありました．
植物を鉢に植え，与えた水の量に対して，流れ出してきた水の量を量れば，どの程度，水が吸われたか分かります．これは，栽培ベッドなど廃液が回収可能な方法で栽培される作物に使われます．与えた水量に対して廃液が一定の割合になるようにすれば，植物に与える水量を合理的に制御できるはずなのですが，現在では廃液は容器にためて手作業で計測することが多いです．計測を自動化しようとすると，廃液はゴミや肥料成分を含んでいるのでセンサの構造に気を遣います．

見本9

第 2 部 農業 IoT 製作＆実験
第4章

My 農業実験ベンチを Get する

IoT 簡易ビニールハウスの製作実験
安場 健一郎，須田 隼輔

自作ビニールハウス
自作回路
外気気温測定用
サーミスタ
103AT-11（セミテック）

アナログ

増幅回路など12V

駆動用
リレー回路など

換気扇
電磁弁
水道

ターゲット
野菜
日射計
PVSS-01（三弘）

A2 A0 A1

D4ON/OFF

D512V
商用電源（100V）

5V
マイコン
CO2センサ（村田製作所）

ACアダプタEthernet
Shield2

Arduino Uno Rev3

ネットワーク（今回は外部にはつないでいない）

LANつなげられるようにしてあるが今回は未使用
マイコンをウェブ・サーバにしてブラウザからモニタする

LANハブ

モニタ用PC

図 1 自作ビニールハウス＆制御システムの構成

農業で野菜などを作るのに，ビニールハウスなどを使って作物に雨が当たらないようにして栽培する方法があり，施設栽培と呼ばれています．皆さんの食卓に上っている，トマト，キュウリ，ナス，ピーマン，ホウレンソウなど多くの野菜がこういった施設で栽培されています．施設の中は，放っておくと冬は低温に，夏はかなりの高温になります．そのため，施設の中で冬は暖房をしたり，夏は換気をしたりしますが．それ
ぞれ過度の温度調節をしないようにする必要があります．それを自動化すると，省力的に野菜を生産できるようになり便利です．
施設園芸の環境制御は，今まで手動もしくはタイマやサーモスタットなどで実施していましたが，最近で40はコンピュータ制御が普及し始めています．
しかし施設栽培用のコンピュータは概して高価です．施設で本格的に栽培するには長期間の安定性（すぐ壊れるようなものを使うことはできない），正確性などが求められますので仕方がありません．
ただ，最近のラズベリー・パイや Arduino を利用す
れば，かなり安価に施設の環境制御が可能になります．マイコンで収集したデータを後から解析することも簡単です．
今回，簡易なハウス栽培の環境制御をイメージして，Arduino を利用して環境制御用のコントローラを製 作 し， 短 期 間 動 作 テ ス ト を 試 み ま し た（ 図 1，
写真 1，写真 2）
．

見本

第4章

IoT 簡易ビニールハウスの製作実験

入門IoT
画像

換気扇

自作ハウス

大気（a）自作したハウス
日射計

土壌

Arduino&自作回路
電磁弁（b）今回は取りあえず鉢植えに水やり（灌水）する

アイデア

サーミスタ

（c）日射計写真 1 IoT 農業の実験を手軽に行えることを目指して簡易ビニー
ルハウスを自作する（b）の右側にある電磁弁で灌水自体は制御し，電磁弁が開くと左の方にあるチューブを通して植物体に水が灌水される

写真 2 ビニールハウス制御装置も自作する
右の方に Arduino で作成したコントローラと自作の制御基板がある．換
気扇と電磁弁を動作させるため，リレー回路を追加している

ハードウェアArduino を利用して，気温，日射量，CO2 濃度を測定して，換気扇と自動灌水を行うノードを作成しました．気温の測定にはサーミスタ 103AT-11（セミテック），日射量は PV アレイ日射計 PVSS-01（三弘）を使用しました．CO2 センサは今回使用していませんが，今後は村田製作所のセンサを接続できるようにしました．これらのセンサは電圧で測定値を出力するため（サーミスタは 5V 電源と 10kΩの抵抗と直列に接続する），センサ出力を必要に応じて OP アンプで増幅し，Arduino のアナログ入力端子に接続しました．これらの測定値を基に，換気扇を動作させるようにします．
日射量は積算値を計算し，設定した積算日射量を超え
かんすい
るごとに灌水を行います．

見本

出力はリレー接点としています．今回，換気は換気

41

第 3 部 農業と画像センシング
第13 章 これから注目! 植生の画像センシング実験入門

マルチスペクトル
植物カメラの自作に挑戦
エンヤヒロカズ

感度（相対値）

可視領域光で4バンド，赤外領域で1バンドくらい撮れるとマルチスペクトルな感じ

400
0500
600
700
800
9001000450550650750850950 1050
波長［nm］

図 1 特定の波長の光を複数撮影できるカメラをマルチスペクト
ル・カメラという植物をはじめとする生体画像センシングで注目されている植物の画像センシングで注目「マルチスペクトル・カメラ」● マルチスペクトル・カメラとは通常の広い波長領域ではなく，ある特定の波長領域のみの信号を複数取り出せるようなカメラが存在し，マルチスペクトル・カメラと呼ばれています．可視光領域を 4 以上（3 の領域では通常の RGB カメラと同じなので，マルチスペクトルをうたうには少なくとも 4ステッピング・モータ&ギア以上必要）の波長領域で独立した信号として取り出すことが可能です（図 1）．
従来はこのようなカメラは特殊な光学系を用いて実現されており，高価で研究用途で用いられるものが多かったのですが，安価なフィルタが入手可能になり，イメージセンサの性能向上も相まって，農業分野でも使われることが増えてきているようです．しかしながら依然として通常のカメラよりは高価でなかなか手軽に試してみるという状況にはなっていないようです．

● ラズパイで安価なマルチスペクトル・カメラの自作に挑戦
今回ラズベリー・パイ（Raspberry Pi）のカメラを用いてマルチスペクトル・カメラの製作にチャレンジ
しました（写真 1）．ラズベリー・パイ用のカメラは安価かつ高性能で入手が容易というメリットがあります．またラズベリー・パイを使用することで，撮影後のデータ処理やネットワーク連携などの応用が容易に行えるというメリットがあります．
撮影した植物の植生状態を写真 2 に示します．
植物計測には赤外線の感度も重要ですので，カメラには Raspberry Pi Camera Module 2 NoIR（以降，PiNoir）を使用しました（写真 3）．

ステッピング・モータ
PiNoirカメラ

自作したフィルタ・ブロック
ラズベリー・パイ3
ステッピング・モータ制御用
Arduino（a）カメラに重ねる光フィルタをステッピング・モータを動かして選択できる
写真 1

98

（b）ステッピング・モータの制御には今回 Arduino を使用

ラズベリー・パイと光フィルタを使って自作したマルチスペクトル・カメラ

見本第 13 章マルチスペクトル植物カメラの自作に挑戦

入門

赤外成分を多く含む植物だと色再現が悪くなる

IoT（b）赤外線あり画像（赤外カット・フィルタ IRCF なし）

画像（a）赤外線なし画像（赤外カット・フィルタ IRCF あり）写真 2

赤外線（IR）の有無で見え方がガラッと変わる特徴を生かすと植物センシングが行える

ラズパイ・カメラの基本的な分光特性● 入手方法
今回の製作で一番重要な光学フィルタは，光学部品専業メーカ（セラテックジャパン）より購入しました．
以 下 の ウ ェ ブ・ ペ ー ジ か ら 個 人 で も 購 入 可 能 で す（URL は変更になることがある）．

https://www.crtj.co.jp/sales/coating/
今回，可視光領域のダイクロイック・フィルタと赤外線バンドパス・フィルタ（700nm，740nm，810nm）を購入しました．購入から 1 週間以内で配達され，また 1 つ 1 つに検査データが付属していました．

土壌● 波長領域アイデア

自然界にはさまざまな波長の光が存在します．植物の持つある特定の波長に対する反射の状態を取得することで植物の生育状態を知ることができると言われています．
650nm以降の近赤外領域でも感度を持っている

赤外線カット・フィルタ（IRCF）が搭載されていな
いので赤外領域も撮れる

1.2
相対感度（緑を1.0）

イメージセンサはソニー製 IMX119

赤1.0

緑
青0.80.60.40.20.0

図2
写真 3 赤外画像も撮影できるラズパイ用PiNoir V2で実験できる

大気

カメラは通常は赤青緑の光の 3 原色のデータを出力します．また近赤外線領域まで感度を拡張した PiNoir
では RGB の各チャネルに赤外線成分が重畳する形で信号が得られます．図 2 に一般的な CMOS イメージセンサの分光感度特性を示します．
R，G，B の各チャネル共におのおのの色に対応する波長領域を中心に広い波長帯域の光に対して感度を有しており，また 800nm より波長の長い赤外線領域にも感度を有しています．通常のカメラ場合は赤外線遮断フィルタ（IRCF）が装着されており 650nm より波長の長い領域の成分はカットされています．PiNoir は IRCFがありませんので，赤外領域も光電変換されます．

特定波長の光を撮影するための光フィルタ

0450550650750
波長［nm］

8509501050

見本

CMOS イメージセンサの一般的な分光感度特性

MT9V111（マイクロンテクノロジー）仕様書より

99

第4部
第16 章 温暖化時代にますます重要なクーラー・デバイス入門

ペルチェ冷却の実験研究
漆谷 正義

ペルチェ素子クーラー
巣枠

ミツバチは暑すぎると死んでしまう
今回筆者がターゲットにしたミツバチを飼う養蜂箱
写真 1 ペルチェ素子を使って温度センシング＆冷却制御の実験を行う

巣箱
写真 2

温暖化の影響で冷却の重要性が高まっている

上面は中が見えるようにプラスチックを貼ったが，現場では木製の蓋に交換する．積み重ねが可能である● ペルチェ素子の一般的な用途
ペルチェ素子がよく使われるのは CPU の冷却です．また，電子冷蔵庫に使えばモータがないので騒音が気になりません．冷却と加熱が同じ素子でできるので，電子部品をチェックする恒温槽にも使われます．ここではペルチェ素子を使った冷却の基本実験を行ってみます．

きっかけ● 日本に温暖化の影響あり私たちは，ハチミツやローヤル・ゼリーはよく知っていますが，これを生産するハチミツ農家（養蜂家）の仕事はあまり目にすることがありません．
筆者も同様で，特に養蜂に興味があったわけではありませんが，近隣の養蜂家からある相談を受けました．それは，最近の温暖化で，酷暑の時期にミツバチが死んでしまうということです．蜂は集団で一斉に羽根であおいで巣を冷却します．しかし，あまりに温度が高いと，ハチの子と共にミツバチも死んでしまうそうです．
この養蜂家の提案は，ペルチェ素子を使って 2℃ほど冷やしたいとのことでした．ペルチェ素子はあまりなじみのない方が多いと思います．この養蜂家は，現役時代に FA ロボットで有名な老舗の企業に勤務していたそうで，この分野（電気）に詳しく，ペルチェ素子で冷蔵庫（恒温槽）を作ったこともあるそうです．
そこで，このアイデアを受けて，写真 1 のような冷却式養蜂箱を製作しました．また，ミツバチの天敵であるスズメバチが入らないような工夫も施しました．

今回のターゲット「ミツバチ」について● 生態と養蜂
ミツバチの種類には，ニホンミツバチとセイヨウミツバチがあります．現在，ハチミツ生産で利用されるのは，ほとんどが外来種のセイヨウミツバチです．
ニホンミツバチは，群れが常駐せず，集団で逃げてしまうことが多々あります．これに対し，セイヨウミ

見本

注 1：ミツバチが樹液に唾液を混ぜて作った巣の構成物質．抗菌作用があるので飲み薬として使われる．

133

第 6 部 農業 アイデア＆役立ち製作実験
第20 章 イノシシ / シカ / サル / カラス / スズメに効果あり動物にできるだけやさしい撃退機を作る
漆谷 正義

害獣に対しては，電気柵や金網など種々の対策が講じられています．このうち，音声を利用した害獣駆除
は，ラジオを鳴らす，爆竹音を出すなどがあります．
しかし，効果が今ひとつで，害獣が学習してしまうのが難点でした（図 1）．そこで写真 1 の最新型の「イノシシ撃退機」を作りました．イノシシを直接攻撃せずに撃退できる，動物にできるだけ（？）やさしい装置です（図 2）．

ソーラ・パ
ネル付きでそのまま設置できるイノシシが逃げるような音を出す

写真 1

できるだけ動物にやさしい音声イノシシ撃退機

ソーラ・パネル一体型．出荷台数 1200 台超（執筆時点）● ホンネ…若手エンジニア個人のやる気につながれば
筆者は，地域の農家の協力で，害獣が苦しむ声を使った害獣駆除装置を開発・製作し，多数の農家の方
く もんに効果を確認していただきました．苦悶音だと害獣のイノシシ，シカなどによる農作物の被害は，過疎地ほど激しく，農業従事者の高齢化とあいまって，事業縮小だけでなく，耕作放棄（農業からの撤退）も少なからず起きています．

学習効果も小さく，90% 以上のユーザから「効果あり」と判断され，現在では，老後のライフワークとして同装置を製作・販売しています．
商売といっても，元手もなく，企画，設計，製造，販売を，全て 1 人でやっているので，製造の工夫や顧客対応，経理，お金の工面などの雑知識と馬力が必要です．このような経験は，個人で起業したいと考えておられる若いエンジニアの参考になるのではないかと思います．

図 1 音で追い払うアイデアは昔からあるがイノシシが学習してしまう難点があった

図 2 改造版（写真 1）はイノシシが捕獲を警戒していつも逃げてくれる

キッカケ● 動物は学習する

168

見本

第 20 章 動物にできるだけやさしい撃退機を作る

入門

波形

IoT

声紋

スペクトラム（a）通常の鳴き声

画像

写真 2（1） 最初に作ったカラス撃退機
効き目はあったけど，ケースが杉材で塗装もなくすぐ腐食することになった

声紋

大気

波形

スペクトラム土壌（b）警戒時の鳴き声
図3

カラスには警戒しているときの鳴き声がある
写真 3● 初代「カラス撃退機」
筆者は，田畑の多い田舎に住んでいるため，エレクトロニクスを応用して害獣駆除ができないかという相談を 10 数年来たくさん受けてきました．
（1）
中 で も， 以 前 実 際 に 作 っ た「 カ ラ ス 撃 退 機 」（写真 2）は，ソーラ・パネル搭載なので，畑に置いておくだけでよく，近くの農家からしばしば製作を頼まれました．警戒音には図 3 のように明らかなスペクトラムの差が見られます．それを利用してカラスの警戒音を鳴らすと，カラスが逃げ去るという原理です．
初め，回路はユニバーサル基板で組んでいました．
試作時期にパターンを起こすと，修正がきかない上に，コストや日数がかかります．不具合ゼロになってから CAD に向かうのが得策です．
この「カラス撃退機」の配布は，格好のフィールド・テストになりました．圃場は，風雨にさらされる過酷な環境下ですので，予想外の不具合や故障が多数発生します．その都度，出かけたり，返品されたりして，地道に 1 つ 1 つ調査，対応していくと，製品として「使える」レベルに近づいていきます．
コスト面でも，農家の方が，農場からの作物収入かはじら逆算して，価格を「1 万円」と弾き出しました．この販売価格から逆算して材料費を算出し，材料を決めてから回路を設計しました．「初めにコストありき」の設計手法です．

写真 4

イノシシが狙う飼料用のわらのたば

見本
169

アイデア

動物にできるだけやさしい撃退機のアイデア

害獣の音声を収録した牧場（福岡県みやこ町）

見本