UECS を利用した環境制御温室教材の製作と、スマート農業分野への授業展開の研究
長野県下伊那農業高等学校
腰原 裕一

１．はじめに日本の農業は就農者の高齢化と新規就農者数の低迷により、多くの課題を抱えている。農林水産省統計部の農林業センサスによると、農業従事者の平均年齢が 2020 年の概数値で 67.8 歳である。このままでは、日本の農業の担い手が大幅に減少し、耕作放棄地が多くなり、農村では今までの生態系が維持できなくなってしまう。
これらの課題を解決するために、情報通信技術（ICT）やモノのインターネット（IoT）を利用した『スマート農業』への取り組みが始まっている。労働力を補い、農業を発展させていくためには、ICT や IoT を利用して効率化と省力化を推し進める必要がある。そのために、農業高校生が ICT や IoT を利用した『スマート農業』に触れ、労働力を技術で補うことを学び、『スマート農業』を実践していく授業を農業高校は研究、実践していくことが求められている。
本研究では、ユビキタス環境制御システム（UECS）を利用した環境制御温室教材の製作に取り組んでいる。これは、園芸用ハウスに温度・湿度・二酸化炭素・日射量などのセンサ類や換気扇、ヒーター等のアクチュエータ類を設置し、分散したコンピュータがネットワークを介して制御を行うシステムである。今までのコンピュータ１台による中央集中管理システムとは異なり、規模の小さい園芸用ハウスでも、コストを抑えて収益が上がるように設計されたシステムである。中山間地域では、大規模な農業が展開できないため、UECS のようなシステムを利用することで収益を得られる農業ができると考える。
本研究では、このようなスマート農業に取り組む人材を育てるために必要な、教材の製作や授業の展開を試みる。
２．環境制御温室教材の製作
ビニールハウスやガラス温室などの園芸施設は、過酷な気象環境から植物を保護し、天窓の開閉や暖房機などによって、気温や湿度などを調整する。しかし、園芸施設の外の気象は時々刻々と変わるため、農業従事者が園芸施設内の気温に常に気を配って、天窓の開閉や暖房機、換気扇の操作をしなくてはいけない。このような作業を農業従事者の代わりにコンピュータが行う複合環境制御温室が 1980 年代に販売され、導入がある程度進んだ。写真１は本校の複合環境制御温室である。しかし、設備が高価であるとともに、大規模施

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写真1

下伊那農業高校の複合環境制御温室

設でないと採算が合わないため、日本で主流の中小規模・軽装備施設に導入することが難しく、普及が進まなかった。
今回の研究で製作する環境制御温室教材には、中小規模・軽装備施設でも導入が容易であるように設計された UECS を利用する。
２－１．UECS とは
UECS は、ユビキタス環境制御システム（Ubiquitous Environment Control System）の頭文字で、「ウエックス」と発音する。UECS の特徴としては、従来までの１つの制御装置が環境制御温室の全てを管理する集中管理システムとは違い、気温や湿度などを測定するセンサや、天窓の開閉などを行うアクチュエータが、それぞれネットワークでつながっており、互いに通信を行う自律分散システムである。これは、様々な「モノ」がインターネットに接続され、情報交換することにより相互に制御する『IoT（Internet of Things）』と同じ考え方により設計されている。
UECS では、気温や湿度のセンサの数を自由に変更できるため、後からセンサを追加することも容易にできる。このため、中小規模・軽装備施設でも費用を抑えて導入し、必要に応じてカスタマイズすることができる。
もう１つの特徴として、UECS の規格のオープン化がある。システムの販売元が、UECS 研究会が公開している UECS の通信規約に基づいて通信機器を製作するため、各社の機器が混在していても、自律分散システムで動作するようになっている。図１に示すロゴマークの付された製品
は、UECS のネットワークで他の機器との接続・共存が可能である。一般的な集中管理システムには、他の企業との互換性がない機器が使われている場合があり、企業が撤退してしまえば、代替品が無くなって、全ての機器を交換しなくてはならないことがある。しかし、UECS 対応機器であれば、別の企業のものでも代替ができるという利点がある。
このように、UECS は今までの環境制御とは違った考え方で設計されたシステムであり、中小規模・軽装備施設への導入による利点が大き図１ UECS規格の準拠により掲出可能となるロゴマークいと考えられる。
２－２．教材の設計
今回製作する UECS を利用した環境制御温室教材は、教材として製作され制御装置が古くなって使われなくなってしまった温室教材を利活用し、スマート農業に関する学習ができるように設計を行い製作した。
教材の設計では、文献１で取り上げられている例を参考にし、既存の教材の換気扇やヒーターなどのアクチュエータは、そのまま利用した。一方、各種のセンサや、制御装置は新しいものを購入し、UECS を利用できるように一新した。センサ類については温度、湿度、及び二酸化炭素のセンサを新しく購入し、制御装置はシングルボードコンピュータの Raspberry Pi に株式会社

2ワビット社製の UECS-Pi Basic という汎用の環境制御ソフトウェアを利用した。なお、UECS-Pi
Basic は無償で利用できる。センサやアクチュエータは、UECS の通信方式を利用してシングルボードコンピュータに情報を入力し、処理したデータを元に UECS を通してアクチュエータに信号を送り制御を行う。また、センサのデータを学校に配備されたタブレットを利用してモニタリングし、データの活用方法について学べるようにした。
２－３．製作した教材
UECS を利用した環境制御温室教材を写真２に示す。教材は授業の展開を考え、同じものを５つ製作している。
次に教材の概要を説明する。環境制御温室教材は写真２の右側にある透明な板で囲まれた温室部と、左側にある操作パネル部からなる。操作パネル部を写真３に示す。操作パネルは、既存の温室教材の操作パネルであったものをそのまま利用した『メイン操作パネル』と、今回新しく追加した装置の制御を行う『サブ操作パネル』からなる。これらの操作パネルは、電源の ON、OFF機能と、手動、自動の切り替えを行うスイッチが配置されている。

写真２

製作した環境制御温室教材

写真３

操作パネル

温室部の中には写真４から写真９に示すように様々な機材が配置されている。表１にこれらの機器のリストを示す。

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写真６

写真４

温室内の機器（正面）

写真５

温室内の機器（上面）

温室内の機器（天窓）

写真７4

温室内の機器（側面）

写真８

写真９

温室内の機器（床面）

表 1
分類名称

温室内の機器（照明）

環境制御温室教材の機器一覧
数量

製品名

メーカー

センサ
アクチュエータ
制御機器

温度・湿度センサ２

SHT-31㈱ストロベリー・リナックス

CO2 センサ

１S-300G-3V㈱ ELT SENSOR

日射センサ

１

PVSS-01㈱三弘カメラ

１CMS-V45S

サンワサプライ㈱

換気扇

２

攪拌扇

２ヒーター

１

天窓開閉装置

１

照明装置

２

LSB2TS

OptoSupply

水やり装置

１

UECS-Pi Basic
制御基板

２

RaspberryPi3
Model B

Raspberry Pi 財団

環境制御温室教材の温室部には写真４に示す制御機器があり、この制御機器にセンサが接続されている。制御機器には Wi-Fi を利用して、タブレットやノートパソコンからアクセスすることができる。制御機器にアクセスすると、図２のようなソフトウェアの画面が表示され、センサの現在の値を確認することができる。

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図２

ソフトウェアの画面（UECS-Pi Basic）

３．教材を利用したスマート農業の授業展開
スマート農業とは、ロボット技術や情報通信技術（ICT）を活用して、省力化・精密化や高品質生産を実現する等を推進している新たな農業のことである。スマート農業の中核である ICT を活用して、熟練農家の農業技術を若手農家に継承していくこともできる。
今まで農業を営むためには時間をかけて、農作物の生長を観察し、『 勘 』や『 経験 』を養うことが必要であった。しかし、ICT を活用して、センサから得られた情報を蓄積し、解析することにより、農作物の生育や病害を正確に予測し、高度な農業経営をすることが可能になってきた。
製作した環境制御温室教材は、実習や課題研究の授業で利用し、生徒が情報を蓄積し、解析する方法や知識を習得できるように活用していく計画である。
授業展開①『 実践的なスマート農業を学ぶ 』
製作した環境制御温室教材は、農業を学ぶ生徒が『スマート農業』の一端に触れ、農業を営むために必要な知識や技能を身につけることを目的としている。このため、文献２に書かれているように、『農業で収益を上げるにはどのようにしたらよいのか』ということに結びつけて、授業を展開していきたいと考えている。具体的には文献２を参考に表２にまとめた。

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表2
制御量

湿度

CO2
水光

水
肥料
光

授業展開のポイント

学習内容

実習内容

適切な湿度調整によって、灰色カビ病な 作物の気孔を開かせるための飽差管理
どの病害発生の抑制ができることを学ぶ。 １ 温度・湿度を計測し、飽差を求める。
また、病害発生の抑制のために使用する ２ 各種アクチュエータを利用して、装置農薬を減らせることで、農薬を散布する内の温度・湿度を変える。
労力を削減し、減農薬による安全・安心 ３ UECS を利用して、アクチュエータを制な農作物を提供することで、増収につな御し温度・湿度を一定に保ち、測定値がることを学ぶ。
を記録する。
光合成のために必要な二酸化炭素や水は、供給する時間と量によって作物の収量に影響することを学ぶ。
また、二酸化炭素や水、光の制御による光合成の最大化が、作物の増収と品質向上につながることを学ぶ。

安定した光合成を行わせるための二酸化炭素の管理
１ 二酸化炭素を計測する。
２ 二酸化炭素を発生させる装置について学ぶ。
３ UECS を利用して、二酸化炭素の濃度を制御しつつ、測定値を記録する。

ハウス内の日射量などの情報から、農作物に必要な水、肥料を供給する最適な時間と量について学ぶ。
また、水、肥料および光、並びに温度制御に必要な燃料の利用効率向上が、増収につながることを学ぶ。

日射量に合わせたかん水の管理
１ 日射量を計測する。
２ 水やりシステムを利用して植物に水を与える。
３ UECS を利用して、日射量に応じた水やりを行う。

次に、授業の構成については３部構成として、基礎から応用まで身につくようにする。
第１部はセンサやアクチュエータについて学ぶ。各センサで測定する項目や、単位などについて知識を深める。また、気温と湿度のデータから、空気中にあとどれくらい水蒸気が入る余地があるかを示す『飽差』を理解する。アクチュエータは換気扇やヒーター、天窓の開閉モータなど、指令を出して動く装置のことであり、これらについて稼働するために必要な費用と、稼働したことによる効果を学ぶ。
第２部として制御装置および UECS の通信方法を学ぶ。教材の制御装置である『RaspberryPi』の概要を学び、アクチュエータを動作させるために必要な制御機器の『リレー』について知識を深める。また、UECS が開発された背景に触れながら、自律分散システムの概要を学ぶ。
第３部では第１部、第２部の知識を基礎として、実際のシステムの例を学ぶようにする。具体的には、表２に示した内容を学ぶ。
授業展開②『 UECS-GEAR の利用 』
環境制御温室教材の温室部に、種子や植物などを設置し、観察をすることも教材利用の１つとして検討している。例えば、種子の発芽については、発芽するときに光を必要とする種子（光発芽種子）や光があると発芽しにくい種子（暗発芽種子）がある。これを観察するために、環境制御温室教材を２つ用意し、一方を布で覆うことで比較実験ができると考える。
観察には、農研機構の生物系特定産業技術研究支援センタ－の革新的技術開発・緊急展開事業

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（うち地域戦略プロジェクト）の研究課題「UECS プラットホームで日本型施設園芸が活きるスマート農業の実現」の成果として、公開されているソフトウェア『UECS-GEAR』を用いるのが有効と考えている。図３は UECS-GEAR のトップ画面である。UECS-GEAR は、モニタリングや、記録、これからの育成予想機能がある便利なツールである。

図３

ソフトウェアの画面（UECS-GEAR）

授業展開③『 UECSロジック編集ツールの利用 』
環境制御温室教材の操作パネル内には制御機器があり、この制御機器にアクチュエータの信号線が接続されている。制御機器には Wi-Fi を利用して、タブレットやノートパソコンからアクセスすることができる。制御機器はソフトウェアの UECS-Pi Basic が動き、図５に示すようにアクチュエータの現在の値を確認することができる。また、操作を「Auto」、「ON」、「OFF」などに変更することで、タブレットを使ってアクチュエータの動作、停止を行うことができる。

図４

ソフトウェアの画面（UECS-Pi Basicのアクチュエータ）8

環境制御温室教材では、温度を一定になるように制御するなど、プログラミングの知識が必要になる。そこで、プログラミングの知識が少ない者でも使えるソフトウェアを利用する。農研機
構の生物系特定産業技術研究支援センタ－の革新的技術開発・緊急展開事業（うち地域戦略プロジェクト）の研究課題「UECS プラットホームで日本型施設園芸が活きるスマート農業の実現」の成果として、公開されているソフトウェア『UECS ロジック編集ツール』を用いるのが有効と考えている。図５は UECS ロジック編集ツールの画面である。

図５

ソフトウェアの画面（UECSロジック編集ツール）

UECS ロジック編集ツールは、図５に示した画面左側のアイコンから、必要なセンサやアクチュエータ、制御器などを選び、マウスでドラッグ＆ドロップして登録し、連動させたいアイコン間を結線することで、制御ロジックを簡単に作成することができる。例えば、図５の中央に配置した３つのアイコンは左から、温室内気温センサ、制御器、換気扇である。このアイコンはそれぞれ結線され、制御器は 25℃以上なら換気扇を動作させるように設定してある。この状態
で、図５の左上の「実行」ボタンを押し、環境制御温室教材と Wi-Fi の通信が確立すれば、気温が 25℃以上になれば換気扇が自動で動き出し、25℃未満の温度になると換気扇が自動で停止する。このようにアイコンを並べて結線し、制御器の設定をすれば容易に制御をすることができる。
また、制御器の設定は、通常モードと上級者モードがあり、上級者モードに切り替えることによって、プログラミング言語の C# を使って、プログラミングをすることができる。課題研究の授業では、環境制御温室教材を利用して、生徒自ら様々な制御に取り組み、プログラミングの学習にも利用できると考えている。
４．結果
本研究は、スマート農業に取り組む人材を育てるために、教材の製作や授業の展開について検討をしてきた。教材の製作では、UECS を利用した環境制御温室教材を１台作り終えた。また、

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残り４台を製作予定であり、同じ仕様のものを年度内に製作する計画である。
授業の展開については、データを活用し『農業で収益を上げるにはどのようにしたらよいのか』ということが身につくように内容を検討してきた。生徒が興味、関心を持って取り組めるよ
うに教材を上手に利用して授業の展開ができるように、さらに検討をしていく。
５．考察
製作した UECS を利用した環境制御温室教材を本校の農業科の職員に紹介したところ、反響は大きかった。しかし、UECS や制御に対して、知識が少なく授業で利用できるか不安であるという声も少なからずあった。このことから、実習用のテキストの作成を早めに進め、職員に対する研修会を行い、授業を展開する準備が必要であると考えた。
スマート農業に取り組む人材を育てるためには、教える側の職員１人１人の知識、技能の向上が必要であり、ICT や IoT などの新しい技術を学び、積極的に取り組む雰囲気作りが大切だと感じている。
６．今後の展望スマート農業に取り組む人材を育てるために、環境制御温室教材を使った授業を展開し、座学や実習を通して、基礎知識を習得させる。使用するテキストは実際に就農した後も使えるような形式で作成したいと考えている。
また、教材と同じシステムを校内の園芸用ハウスに設置し、費用について考えるとともに、収益がどのくらいになるのか予想することで、より実践的なことが学べるカリキュラムを作成していきたいと考える。
スマート農業では、ICT や IoT、AI の技術を使ってこれを実現しようとしている。今後は次の２つを目的にして授業の展開を考えていく。１つ目は、無駄なコストを省き、作物の成長を制御し、収穫時期と収穫量を作付け計画に沿うようにする技術を身につけることである。２つ目は、味や見た目など作物の付加価値をどのようにつけていくか考え、付加価値のついた作目が安定して供給できるように栽培する技術を身につけることである。この２つを目的とした授業は、まず課題研究の授業で取り組み、知見やノウハウが蓄積できたら、実習等の授業で展開していきたいと考える。
農業高校生が ICT や IoT を利用した『スマート農業』に触れ、農業に興味、関心を持ち、農業に携わる職種に就きたいと考えるようになるような授業を展開していきたい。
謝辞
本研究を遂行するにあたり、研究助成をいただいた公益財団法人下中記念財団及び関係の方々に深く感謝の意を表します。

10【参考文献】
1) 中野明正「ICT 農業の環境制御システム製作」（誠文堂新光社）p8-12  2018 年
2) 斉藤章「ハウスの環境制御ガイドブック」（農村漁村文化協）p10-13  2015 年
3) 角田公正 他「栽培環境」（実教出版）p169  2002 年4) 木谷収 他「農業機械」（実教出版）p158  2019 年
5) 星岳彦「UECS-GEAR 説明書」2020 年
6) 農研機構「UECS 用ロジック開発ツール活用マニュアル１」2019 年

11腰原 裕一 先生（こしはら ゆういち）＜略歴＞
1987 年９月

長野県生まれ2009 年３月

筑波大学第三学群工学システム学類 卒業

2009 年４月

腰原製作所 勤務

2012 年４月

長野県松本工業高等学校 勤務2014 年４月

長野県蘇南高等学校 勤務2016 年４月

株式会社 Doog 勤務

2019 年４月

長野県下伊那農業高等学校 勤務
現在に至る

＜研究歴＞
2020 年農作物の生長過程の記録からはじめるスマート農業の導入研究（長野県農業教育研究会研究会誌 第 53 号 p30-33）＜勤務校＞
長野県下伊那農業高等学校〒 395-0804
電話長野県飯田市鼎名古熊 2366-4

0265-22-5550

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