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IoT技術と植物葉の葉面電位応答特性を融合した「わさび植物工場」の至適環境制御
ボラジ・オグイントインボ1)、平間淳司2)
(1)金沢工業高等専門学校 電気電子工学科 講師(2)金沢工業大学 工学部 電気電子工学科 教授
目次
背景と目的
IoT技術：Seeds-Nシステム
SPA制御：葉面電位応答特性
まとめ
従来の植物工場における問題点
植物工場
稼動コスト
生産量
生産量あたりの稼動コストが課題
植物体の生育促進により生産量向上が必要
光熱費・人件費 収益
近年の食品問題による安全性の重視→植物工場への取り組みが活発化
しかし…
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SPA式植物工場(金沢工大では葉面電位を計測：健康診断)
SPA(Speaking Plant Approach)とは？植物の生体計測で得られた健康診断結果を環境制御へ反映
生育促進と病害の定量的な診断が可能
環境制御
環境計測環境パラメータ参
照
健康診断
異常あり異常なし
変更
リセット
生体計測・葉緑素濃度・光合成速度・クロロフィル蛍光
・葉面電位
SPA制御
従来制御
植物工場
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SPA式植物工場によるわさび栽培
わさびの特徴・栽培適地が限定→最適温度は15℃付近、水質・水量が豊富な土地
・生育期間が約1～2年と長い
・栽培適地と類似した環境を設定可能・SPA制御によって生育期間を短縮→至適環境の設定による生育促進
SPA式植物工場の利用
SPA式植物工場の利点が顕著に表れる作物
以上の特徴より
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IoT技術の利用
IoT(Internet of Things)とは？身の回りのモノがインターネットに繋がる仕組み
離れた場所からモノの状態管理や操作が可能
植物工場
・環境センサ温度、湿度、光、養液濃度…
・環境制御機器エアコン、加湿器、養液制御機器…
遠隔管理・操作
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目的
IoTとSPAの融合による植物工場の発展
SPAによる至適環境制御
SPAで植物の健康診断をすることで至適環境条件を設定
IOTによる管理センサネットワークとIOT技術で
植物工場内の情報を取得し環境制御に反映
IoT+SPAによって作物の生育促進さらに生産量あたりの光熱費・人件費削減
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目次
背景と目的
IoT技術：Seeds-Nシステム
SPA制御：葉面電位応答特性
まとめ
Seeds-Nシステム サカ・テクノサイエンス(株)と共同研究
Seeds-Nシステムとは？
・クラウド管理による遠隔操作が可能・クラウド接続されたセンサ・アクチュエータを搭載・環境パラメータを自由に変更可能・多品目の栽培を実施
至適環境条件の調査に特化した植物工場
マルチセンサネットワーク
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クラウドシステムによる遠隔管理
ECHONET
データベース
UDP/IP プロトコルスタック
管理の処理
データベース
TCP/IPプロトコル
ユーザインタフェース
農業施設
一般家庭外食産業
大学・研究機関
企業植物工場
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環境管理画面
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ロギングデータ(例：マルチセンサデータ)
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％R
H
℃lx
CO
2(p
pm
)
制御プロファイル
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Seeds-Nシステムの機器構成
・水耕栽培システム(NFT 方式) ・溶液イオン濃度・空気環境と光源 ・画像データ取得
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地元産わさびの生育状況
Seeds-Nシステムにおける栽培で通常生育速度の約4倍
定植 約2ヵ月後約5ヵ月後(収穫前)
室温 15±1[℃]
温度 65±5[％]
水温 15±1[℃]
光源 16L8D
光強度 100[μmolm-2s-1]
養液 大塚ハウス1号/2号
pH 6.5-7
EC 1.5-2.0[mS]
栽培条件
約8cm
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目次
背景と目的
IoT技術：Seeds-Nシステム
SPA制御：葉面電位応答特性
まとめ
葉面電位応答特性
葉面電位が生理活性の指標となり得る
生体生理現象の発生光合成や蒸散など
細胞膜内外にイオンを移動
イオン勾配により膜電位(葉面電位)が発生
葉面電位とは？
植物体の葉面から発生する微弱な電気信号人間の場合：心電図や脳波計測で用いられる信号
植物細胞
＋
＋
＋＋
－
－
－－
タンパク質
核イオン
細胞膜
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電位計測方法
ディスポ電極に金箔を貼り付けて電位を取得
ダメージを軽減・枯死の抑制
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SPA制御における葉面電位利用
環境パラメータ従来制御
生体計測・葉緑素濃度・光合成速度・クロロフィル蛍光
・葉面電位 SPA制御
変更or
リセット健康診断
植物工場
生体計測において新たに葉面電位を組込む全国的に例のない取り組み
健康診断方法が斬新
それ故に
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健康診断方法の確立 (前例が無く本システムでは優位性が高い)
植物：複数の葉面電位データと形態形成から異常を推定
SPA制御による健康診断方法人間：複数の患者の統計データから健康診断
→逆問題アプローチ
プロファイル制御環境を一定制御
SPA制御異常・病気の治療
通常時 健康不良時健康診断
健康状態から至適環境条件を設定
(環境を一時的に調整)
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葉面電位の定量化
葉面電位の解析を行い健康診断に利用
リズム性の定量化FFT値
変動具合の定量化RMS値
定量化した値に健康の境目を設けることでプログラムによる健康診断が可能
葉面電位(生データ)
解析
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葉面電位解析：RMS値
RMSとは？
二乗平均平方根：RMS(Root Mean Square)
RMS値：葉面電位のゆらぎ変動エネルギー成分
変動具合を定量化
一定時間内にどの程度
ゆらぎエネルギーの変化を判断時間[h]
10ｍV葉面電位
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葉面電位解析：RMS値(光のON/OFF時の応答例)RMS値[mV]
葉面電位[mV]
日付計算区間 ずらし間隔 1ポイント
[point] [時間] [point] [時間] [時間]180 3h 90 1.5h 1min
光(ON/OFF)
葉面電位RMS値
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葉面電位解析：FFT値
FFTとは？
高速フーリエ変換：FFT(Fast Fourier Transform）
FFT値：葉面電位における概周期変動成分
リズム性を定量化
植物も体内時計を保持
バイオリズムを判断
特定の周波数における振幅値を抽出
時間[h]
10ｍV葉面電位
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葉面電位解析：FFT値(光のON/OFF時の応答例)
計算区間 ずらし間隔 1ポイント[point] [時間] [point] [時間] [時間]512 約72h 256 約36h 506s
FFT値[mV]
葉面電位[mV]
日付
光(ON/OFF)
葉面電位
FFT値
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葉面電位によるSPA制御例R
MS値
[mV
]
時間
閾値:健康の境目
RMS値
時間
FFT値
[arb
]
閾値:健康の境目
FFT値
閾値以下：強光
閾値以上：弱光
閾値以上：弱光
閾値以下：強光
例：光の強度を制御する場合
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故意に環境状態を悪化させて健康の境目を推定
今後の研究
目次
背景と目的
IoT技術：Seeds-Nシステム
SPA制御：葉面電位応答特性
まとめ
まとめ
・作物の生育促進による生産量の向上・生産量あたりの光熱費と人権費の削減
IoT+SPAによる優位性
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環境パラメータ従来制御+IOT技術
葉面電位計測SPA制御 変更
orリセット健康診断わさび工場
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お問い合わせ先金沢工業大学
産学連携局 産学連携東京分室
新川 実、高田 理尋
TEL 03-5777-2243
FAX 03-5777-1965
E-mail [email protected]