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電子情報通信学会ワードテンプレート (タイトル)
DEIM Forum 2015 P4-2
持続可能な果樹農業を支援するための気象情報取得システムの構築
青木 孝文†
杉崎 洋祐†
山岸 佑多†
大塚 真吾
†
†神奈川工科大学 情報工学科 〒243-0292 神奈川県厚木市下荻野1030
E-mail: †{s1121033, s1221067, s1221025}@ccy.kanagawa-it.ac.jp, [email protected]
あらまし 現在,果樹園農家の高齢化や後継者問題,輸入果物との価格競争など様々な要因により,果樹園農家の数
や果樹園面積が年々減少している.この問題の解決には,高品質な農作物を生産し,利益率を向上させることが重要で
ある.そこで,我々は農作物の品質向上に寄与する気象データを取得するために,小型コンピュータと各種センサを利
用した気象情報取得システムの構築方法について述べる.
キーワード センサデータ,データ解析,農業支援
1. は じ め に
果物栽培の多くは長年に渡り独自の経験則や熟年
者 の 感 覚 を 頼 り に 行 わ れ て い る た め ,気 温 や 湿 度 ,土 壌
の 状況 な ど,作 物の 育 成 に関 す る デー タ は 農業 試 験場
な ど公 的 な 機関 を 除 いて は ほ とん ど 存 在せ ず,デ ジタ
ル な 数 字 や図 で統 計 され てい る こと は少 な い .[1]
ま た,果 樹栽 培 は 作 業量 の 多 さ に 見合 っ た 報 酬を 得
る こ と が 難 し く ,収 穫 と 販 売 は 手 作 業 で 行 わ な け れ ば
な ら な い た め ,人 件 費 が 高 く な る 傾 向 が あ る .ま た ,果 物
の 生産 に 興 味が あ る 若者 も,果 樹 栽培 の 経 験則 の 教示
を 受け る 機 会が 少 な いた め,果 樹 園業 に 新 規参 入 する
こ と が 難 し い 状 況 に あ る .こ れ ら の 要 因 に よ り ,現 在 の
農 林業 は 若 者に 敬 遠 され る 傾 向に あ り,後 継者 の 当て
が な い 農 林 は ,経 営 者 の 高 齢 化 や 死 去 に よ っ て ,廃 園 し
て し ま う ケ ー ス も 増 加 し て い る .[2][3]
図 1 年齢別果樹農業経営者の割合
こ れ ら の 問 題 を 解 消 す る べ く ,企 業 が 販 売 ,促 進 し て
い る 気 象 セ ン サ や 農 業 IT ソ リ ュ ー シ ョ ン サ ー ビ ス も
存 在す る が,大 規模 農 家 を対 象 に した も の が殆 ど であ
り ,上 記 の 問 題 点 を 抱 え る 多 く の 個 人 農 家 や ,中 小 規 模
の農業法人に向けた価格設定でサービス展開を してい
る 所 は 少 な い .そ の た め ,一 般 的 な 果 樹 農 家 の 経 済 状 況
で は ,こ れ ら シ ス テ ム を 導 入 し ラ ン ニ ン グ コ ス ト を 投
資 す る こ と は 難 し い 状 況 に あ る .[4]
そ こ で ,我 々 は こ れ ま で に ,個 人 果 樹 園 農 家 を 対 象 と
し た ,低 コ ス ト で 構 築 ,導 入 が 可 能 な 気 象 セ ン サ シ ス テ
ム の 作 製 ,研 究 を 進 め た .こ の シ ス テ ム は ,低 価 格 で 販 売
されているシングルボードコンピュータや高性能マイ
コ ン を 利 用 し DIY で 作 製 す る た め ,企 業 が 販 売 し て い
る気象センサに比べ大幅にコストダウンを図ることが
できる.
図 2 果樹の栽培面積及び生産量の推移
今 年度 よ り,こ の シ ステ ム を 基 盤 とし て 島 根 県隠 岐
郡 海士 町 が 発足 す る,み かん 農 業 再生 プ ロ ジェ ク トに
参 加 し ,実 際 に 農 作 物 の 育 成 状 況 に 関 わ る 気 象 を 始 め
と
し たデ ー タ の収 集 を 行う 予 定 でい る.本 プ ロジ ェ クト
発 さ れ た ワ ン ボ ー ド マ イ コ ン で あ る .Raspberry Pi 同
の 対象 と な る崎 地 区 は,海士 町 の 中で も 最 南端 に 位置
様 ,I2C で の 入 出 力 に 対 応 し て お り ,機 器 の 拡 張 が 可 能
し 、海 に 面 し 日 当 た り も 良 く ,過 去 に は み か ん の 産 地 と
と な っ て い る .Arduino も 今 ま で に 様 々 な 種 類 の ハ ー ド
し て 知 ら れ て い た .し か し な が ら ,今 現 在 崎 地 区 で の 農
ウェアが開発されており,本研究ではその中でも
林 業は,日 本 国 内の 多 く の果 樹 園 農家 が 抱 える 問 題に
Arduino UNO モ デ ル を 使 用 す る .
直 面 し て お り ,生 産 者 の 高 齢 化 や ,担 い 手 不 足 に よ り 生
産 の 需 要 を 賄 う こ と が 困 難 な 状 況 に あ る .そ こ で ,平 成
3.3. 周 辺 機 器
25 年 度 よ り ,海 士 町 地 産 地 商 課 が こ の 崎 地 区 で 収 穫 さ
上 記 の 通 り ,Raspberry pi,Arduino は そ れ ぞ れ 機 器 の 拡
れるみかんを地域特産品にするために 再生プロジェク
張 が可 能 で ある た め,気 象セ ン サ を作 製 す るに あ たり
ト を 発 足 し ,人 材 募 集 か ら 圃 場 整 備 ,栽 培 方 法 の 検 証 や
以下の機器の取り付けを行った.
作業の効率化を図るためみかん畑の集約等を進めてい
る.
本 稿 で は ,上 記 の 再 生 プ ロ ジ ェ ク ト に て 実 際 に 導 入
する持続気象情報取得 システムの構築方法について述
べる.
2. 概 要
本 研究 で は,崎 み か ん再 生 プ ロ ジ ェク ト の 一 環と し
て ,現 地 の み か ん 農 家 を 対 象 と し た シ ス テ ム の 構 築 ,導
入を行う.
具 体的 な 内 容 は,低 コス ト で 構 築 でき る 持 続 稼働 可
能 な シ ス テ ム を 目 標 と し ,Raspberry Pi や Arduino と い
った低価格で導入可能な小型シングルボードコンピュ
ー タ ,マ イ コ ン を 使 用 す る.主 に,気 温 や 湿 度,土 壌 の 状
況などみかんの育成環境に関する気象データを自動的
に 収集 す る 気象 セ ン サを 作 製 し,電源 供 給 には 太 陽光
電 池 を 用 い る .ま た ,作 製 し た ハ ー ド ウ ェ ア は ,実 際 に 崎
地 区 の み か ん 農 場 に 設 置 し 稼 働 さ せ る た め ,取 得 し た
観測データを定期的にサーバへ送る一連のシステム構
築も行う.
3. 機 器 の 説 明
本システムを作るにあたって使用した機器を以下
に示す.
(1) 温 度 ･湿 度 セ ン サ モ ジ ュ ー ル
Raspberry Pi に は ,Strawberry Linux が 独 自 販 売 し て
い る USB 温 度 ･湿 度 セ ン サ モ ジ ュ ー ル USBRH を 使
用 し た .USB 接 続 で 温 度 と 湿 度 の 計 測 が 可 能 と な っ
て い る .計 測 精 度 は 湿 度 ±3％ ,温 度 ±0.4℃ .
Arduino に は ,SENSIRION 社 が 販 売 し て い る 温 度 ･
湿 度 セ ン サ モ ジ ュ ー ル を 使 用 .本 機 器 は I2C 接 続 で
の 通 信 に 対 応 し て お り ,電 源 電 圧 が 2.4V か ら 対 応 し ,
消費電力を大幅に抑えることが可能となっている.
(2) 土 壌 セ ン サ モ ジ ュ ー ル
米 Spark y’s Widgets 社 が 開 発 し て い る オ ー プ ン ハ
ー ド ウ ェ ア を 使 用 し ,セ ン サ に は 佐 藤 商 事 が 販 売 す
る PE-06HD を 使 用 .土 壌 pH を 計 測 す る の に 用 い る .
ま た ,pH 値 以 外 に 土 壌 の 水 分 量 を 計 測 す る 必 要 も
あ る た め , 中 国 SeeedStudio 社 が 開 発 し て い る
SEN92355P 水 分 セ ン サ を 使 用 .本 機 器 も I2C 接 続 に
対 応 し て お り ,電 源 電 圧 が 3.3V か ら 対 応 と 消 費 電 力
を抑えることができる.
(3) 気 圧 セ ン サ モ ジ ュ ー ル
サ イ ン ス マ ー ト 社 が 開 発 し て い る BMP085 気 圧 セ
ン サ を 使 用 .I2C 接 続 で 300 ～ 1100hpa ま で 測 定 で
き ,2.5hPa の 絶 対 精 度 で 測 定 が 可 能 と な っ て い る .
3.1. Raspberry Pi
Raspberry pi と は 英 ケ ン ブ リ ッ ジ 大 学 の 教 授 ら が 設 立
し た慈 善 団 体,ラズ ベ リ ー財 団 が 教育 福 祉 目的 で 開発
し たシ ン グ ルボ ー ド コン ピ ュ ータ で あ る.外部 の 入出
(4) 無 線 通 信 モ ジ ュ ー ル
収集したセンサデータをアップロードする際に
使用する各種通信機器について記載する.
力 に は USB ポ ー ト の 他 に I2C 通 信 に も 対 応 し て お り ,
Arduino で は 無 線 通 信 を 行 う た め に ,XBee 無 線 モ
気象センサを作製するにあたって機器の拡張が可能と
ジ ュ ー ル を 使 用 す る .XBee は IEEE802.15.4 条 に 基 づ
な っ て い る .今 ま で に 様 々 な バ ー ジ ョ ン の 物 が 開 発 さ
き 構 築 さ れ た 業 界 標 準 規 格 で あ る .こ の XBee を 使 用
れ ,中 で も 本 研 究 で は ,消 費 電 力 が よ り 省 電 力 で 済 む
することでノードの 1 対 1 の通信ネットワークと 1
Raspberr y Pi TypeA を 使 用 す る .
対 多 の 通 信 ネ ッ ト ワ ー ク ,メ ッ シ ュ ネ ッ ト ワ ー ク の
構 築 が 可 能 で あ る .[5]
3.2. Arduino
Arduino と は 2005 年 に イ タ リ ア で 開 始 さ れ た プ ロ ジ
ェ クト の 中 で,安価 で 誰 にで も 扱 える こ と を目 的 に開
Raspberry Pi で は ,無 線 通 信 を 行 う た め に Buffalo
社 が 販 売 し て い る USB 接 続 の Wi-Fi ア ダ プ タ を 使 用
する.
ま た ,野 外 で の デ ー タ 通 信 を 行 う た め ,デ ー タ 通 信
4.1. 機 材 の費 用
端 末 に は NTT docomo の 通 信 規 格 Xi 対 応 の モ バ イ ル
現 在 の 果 樹 園 農 家 の 経 営 状 況 で は ,後 継 者 育 成 の た
ル ータ を 使 用.実 際 に機 器 を 設 置 する み か ん 農場 に
めに気象データを取るための設備やそのランニングコ
て も ,安 定 し た デ ー タ 通 信 を 行 う こ と が 可 能 と な る .
ス トを 投 資 する こ と は難 し い 状況 に あ る .企業 が 展開
す る 農 業 IT ソ リ ュ ー シ ョ ン で は ,本 研 究 の シ ス テ ム と
3.4. ソーラーシステム
同 程 度 の 物 を 想 定 し た 場 合 ,農 地 用 の セ ン サ 機 器 ,フ ィ
上記に記載した各種機器の電源供給には太陽光電池
ー ル ド サ ー バ ー の 設 置 と 初 期 費 用 に お お よ そ 800,000
を 使用 す る.実 際に ソ ー ラー シ ス テム を 構 築す る にあ
円 か ら 1,000,000 円 ほ ど の 価 格 設 定 が さ れ て い る .そ の
たって使用した機器を以下に示す.
た め ,本 研 究 で は 費 用 を 抑 え る こ と を 目 標 に し て い る .
本研究で使用した機材とそれに掛かる費用は主
(1) 太 陽 光 パ ネ ル
に ,Raspberr y Pi を 始 め と し た 小 型 コ ン ピ ュ ー タ と 取 り
本 シ ス テ ム で は ,100W 単 結 晶 シ リ コ ン 基 板 の 太 陽
付 け る セ ン サ 類 ,ソ ー ラ ー シ ス テ ム 構 築 に 必 要 な 機 器
光 パ ネ ル を 使 用 す る .単 結 晶 シ リ コ ン 基 板 は 多 結 晶
で ある.こ れ ら の費 用 を 合計 す る と本 研 究 で構 築 する
シ リ コ ン 基 板 に 比 べ ,発 電 効 率 が 20％ 程 度 と 高 く ,性
シ ス テ ム に 掛 か る 初 期 費 用 は 約 400,000 円 程 度 と な っ
能に優れる特徴がある.
ている.
本 研 究 で は 太 陽 光 パ ネ ル を 5 台 設 置 し ,下 記 の 機 器
に接続する際に発生する電力のロスを考慮しても
毎 時 の 発 電 量 が 425W に な る 見 込 み で あ る .[5]
4.2. ランニングコスト
ラ ンニ ン グ コ ス トに つ い て 説明 す る.企 業 が 展開 す
る 農 業 IT ソ リ ュ ー シ ョ ン で は , 契 約 費 を 含 め 月 額 に
(2) チ ャ ー ジ コ ン ト ロ ー ラ ー
太陽光パネルから得た電力をバッテリーに 充電
50,000 円 前 後 の 料 金 設 定 が さ れ て お り ,年 間 で 必 要 と
な る 維 持 費 は 600,000 円 近 く に 上 る .
し ,各 セ ン サ に 電 力 を 供 給 す る 用 途 で 使 用 す る .ま た ,
本 研究 で は,小 型 コ ンピ ュ ー タ を 使用 す る こ とで 消
バッテリーへの過放電を防ぐことも可能となって
費 する 電 力 を最 小 限 に抑 え る こと が で き ,太陽 光 電池
いる.
からの電源供給のみでの安定稼働が可能となってい
本 シ ス テ ム で は ,未 来 社 が 販 売 し て い る
る.
PV-1230D1AB を 使 用 .こ の 製 品 は 液 晶 表 示 に よ り ,常
そ の た め ,電 気 代 は 発 生 せ ず ,維 持 費 と し て 必 要 な も の
時 充 電 量 の 確 認 が 可 能 と な っ て い る .ま た ,温 度 セ ン
は基本的にはデータ通信端末の通信料金のみ であり,
サ が 内 蔵 さ れ て お り ,バ ッ テ リ ー の 温 度 を 監 視 し ,高
そ の 際 に 必 要 と な る 費 用 は ,年 間 29,800 円 と な る .ま た ,
度な制御システムの構築が可能となっている.
危 惧さ れ る のが バ ッ テリ ー の 寿命 だ が ,今 回使 用 する
デ ィ ー プ サ イ ク ル バ ッ テ リ ー は ,平 均 し て 5 年 ほ ど の
(3) バ ッ テ リ ー
寿 命 を 持 っ て い る た め ,5 年 に 一 度 の 交 換 と 考 え る と 年
太陽光パネルから得た電力を蓄電するために使
間 に か か る 費 用 は 11,700 円 と な る .バ ッ テ リ ー の 費 用
用. 今回使用するディープサイクルバッテリーは,
を 合 計 し て も 年 間 の 維 持 費 は 41,500 円 と な り ,ラ ン ニ
一般的に使用されている自動車用バッテリーとは
ングコストを大幅に抑えることが可能となっている .
違い、放電時に安定した電圧を持続し、頻繁な充放
電に耐え、過充電によるダメージが少なく長寿命と
いった特徴がある.
5. シ ス テ ム の 流 れ
本稿で提案する気象データ取得システムの流れを
以 下 に 示 す 。 ま た ,シ ス テ ム の 構 想 図 を 図 3 に 示 す .
本 研 究 で は ,115Ah の 大 容 量 バ ッ テ リ ー を 5 台 使 用
す る.実 際に 農 場 に 設置 す る 電 力 が必 要 と な る機 器
は ,Raspberr y Pi 5 台 ,Arduino 5 台 の 計 10 台 と 台 数 毎
の 取り 付 け る セ ンサ 類,モ バ イ ル 端末 と な っ てい る
が ,そ れ ら 全 て を 接 続 し て も ,満 充 電 時 に は 5 日 前 後
の 連 続 稼 働 が 可 能 と な っ て い る .そ の た め ,雨 天 が 続
き十分に太陽光の発電が見込めない際にも電力供
給が可能となっている.
4. 設 置 に 関 す る コ ス ト につ い て
(1) 野 外 に 設 置 す る た め , セ ン サ 類 の 電 源 供 給 は 全
てソーラー電源から賄う.
(2) 木 ご と に 設 置 し た 気 象 セ ン サ で デ ー タ を 観 測 す
る.
(3) 観 測 さ れ た デ ー タ は Raspberry Pi,Arduino を 通 し
てサーバにアップロードされる.
図 3 システム構想図
(4) サ ー バ に ア ッ プ ロ ー ド さ れ た 観 測 デ ー タ を Web
図 4 Twitter に 投 稿 し た デ ー タ ロ グ
上で閲覧できるようにする.更に観測データを
Web API を 用 い て グ ラ フ と し て 表 示 す る .
シ ステ ム を 用い る こ とに よ り,持 続可 能 な 気象 情 報取
得 シ ス テ ム の 構 築 が 行 え る 可 能 性 を 示 し た .初 期 投 資
気象センサによって取得された観測データは 1 時間
コ ス ト が 総 額 400,000 円 程 度 と ,決 し て 安 い わ け で は な
毎 に Raspberry Pi,Arduino 内 に テ キ ス ト フ ァ イ ル と し
いが,
ランニングコストは大幅に抑えることができ,
て 蓄 積 さ れ て い く .自 動 更 新 を す る た め に crontab を 使
経営の厳しい果樹園農家でも導入できる現実的な価格
用 し ,各 プ ロ グ ラ ム が そ れ ぞ れ 指 定 の 時 間 に 実 行 さ れ
を 実 現 し た .ま た ,セ ン サ 類 を 拡 張 可 能 な 小 型 シ ン グ ル
る よ う に し て い っ た .そ し て ,蓄 積 さ れ た デ ー タ は ,デ ー
ボ ー ド コ ン ピ ュ ー タ ,マ イ コ ン を 利 用 す る こ と に よ り ,
タ 通 信 端 末 か ら 3G 回 線 を 経 由 し て サ ー バ へ 転 送 さ れ
実際にみかんの栽培を行う農業者の意見を取り入れた
る.気象 セ ン サ によ っ て 取得 さ れ たデ ー タ をレ ン タル
セ ン サ の 作 製 を す る こ と が 可 能 と な り ,崎 み か ん 再 生
サ ー バ に 転 送 す る こ と で ,崎 地 区 の み か ん 畑 に 行 か な
プロジェクトに役立てることができると考える .
く ても 気 温 や湿 度 を 始め と し た,各種 気 象 状況 を ネッ
ま た ,今 回 は プ ロ ジ ェ ク ト の 一 環 で , み か ん 農 家 を 対
ト ワ ー ク に 接 続す る だ け で 知 る こ と が で き る .ま
象 と し た 実 験 を 行 っ た が ,別 の 農 林 業 で も 本 研 究 で 構
た ,twitterAPI を 利 用 す る こ と で SNS サ イ ト に も 観 測 デ
築 した シ ス テム を 使 い,後継 者 育 成の 支 援 や農 林 業の
ー タ を 自 動 更 新 し て お り ,携 帯 電 話 さ え あ れ ば ,簡 単 に
経験則の数値化を行うことが十分可能であると考えら
観 測 デ ー タ を 確 認 す る こ と も で き る , 例 と し て ,twitter
れる.
に投稿したデータログを図 4 に示す.
ま た,取 得さ れ た デ ータ を 理 解 し やす く す る ため に
7. お わ り に
グラフを用いて表示できるようにもする.その際
本 研究 で は,島 根 県 隠岐 郡 海 士 町 のプ ロ ジ ェ クト の
に ,xively と い う 無 償 の ク ラ ウ ド サ ー ビ ス を 使 用 す
一 環 と し て ,提 携 果 樹 園 農 家 に 対 し ,果 樹 栽 培 の 経 験 則
る .xively は ,Raspberry Pi や Arduino を 始 め と し た 各 種
の 数値 化,お よ び機 材 の コス ト 削 減の た め に情 報 技術
プ ラッ ト フ ォー ム 言 語に 対 応 して お り,短 時間 で セン
を導入することで、果樹園の後継者育成を支援するシ
サ デ ー タ の ア ッ プ ロ ー ド が 可 能 と な っ て い る .ま た ,ア
ステムの構築を行った.
ップロードされたセンサデータ値のグラフを容易にブ
インターネット回線を引くことが困難な山の中で
ラ ウ ザ 上 に 表 示 さ せ る こ と が で き ,送 信 し た セ ン サ デ
あ って も,無 線 通信 環 境 を作 り 上 げる こ と で気 象 セン
ー タ 値 を 後 日 取 り 出 す こ と が 可 能 と な っ て い る .ま た ,
サを設置するだけでデータの取得やブラウザ上での視
ライブラリが非常に充実しているといった特徴もあ
覚 化 を 可 能 に し た .こ れ に よ り ,気 象 デ ー タ の 取 得 に よ
り ,Raspberr y Pi や Arduino と の 互 換 性 も 高 く ,様 々 な 拡
る果物栽培の経験則の数値化は可能であると思われ
張性を備えている.
る.
6. 考 察
た め に 新 し い セ ン サ を 取 り 付 け て い く .ま た ,電 力 供 給
今 後の 課 題 と し て,取得 す る デ ー タの 種 類 を 増や す
本 シ ス テ ム で は ,Raspberry Pi,Arduino と い っ た 安 価
に太陽光電池を使用したソーラーシステムを用いてい
な ハー ド ウ ェア を 用 いる こ と によ り,安 価 な気 象 セン
る が ,そ の 点 を よ り 低 コ ス ト で 安 定 し た 装 置 に す る た
サ を 作 製 す る こ と が で き た .ま た ,電 源 供 給 に ソ ー ラ ー
めの手法についても検討を行う予定である.
謝辞
本 研 究 の 一 部 は 科 学 研 究 費 補 助 金 若 手 研 究 (B)( 課
題 番 号 : 24700102) の 助 成 に よ る .
参
考
文
献
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情 報 学 ワ ー ク シ ョ ッ プ 2010(WiNF2010),
pp.103-106, 2010
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