JP2012024011A - Automatic controlling indoor plant growing apparatus for plants - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、人と緑の共存による生活品質向上の目的で、人の生活空間で植物を栽培する自動制御型室内栽培装置を提供するものである。省スペース、省エネ、かつ、手間のかからない、植物の自動制御型室内栽培装置に関する。植物の室内栽培は、身近な場所での栽培の愉しみや収穫の喜びを得るばかりでなく、室内インテリアとして心を癒してくれる重要な生活用品の一つとなる。さらには、栽培品種によっては収穫して食することもできる。
The present invention provides an automatically controlled indoor cultivation apparatus for cultivating a plant in a person's living space for the purpose of improving the quality of life due to the coexistence of a person and green. The present invention relates to a plant-controlled indoor cultivation device that saves space, saves energy, and does not require much time. The indoor cultivation of plants is one of the important daily necessities that heals not only the joy of cultivation and the joy of harvesting in familiar places, but also an indoor interior. Furthermore, some cultivars can be harvested and eaten.
従来の一般的な植物の栽培装置は、上部が開口しており、単独では多段に積み重ねることができなかった。その為、棚などを用意して、多段構成にするが、多段構成にした場合には、設置面積が大きくなり、また、養液の補給や装置のメンテナンスがしづらくなる問題があった（例えば、特許文献１参照）。
室内では、自然光の入射量が不足するので、植物を育成する上では人工光源が不可欠になる。従来、植物工場では光量の多い高圧ナトリウムランプ、メタルハライドランプ等が使われてきた。しかし、消費電力や発熱量が多く寿命も短く、費用がかさむ問題があった。
In a room, since the amount of incident natural light is insufficient, an artificial light source is indispensable for growing plants. Conventionally, high pressure sodium lamps, metal halide lamps and the like with high light intensity have been used in plant factories. However, there is a problem that the power consumption and the heat generation amount are large, the life is short, and the cost is high.
近年、安価なLED電球が普及してきておき、より省エネルギーで大光量を得ることができるようになってきている。LEDは、寿命も非常に長く、１日８時間程の通常利用に置いては１０年の寿命があるとされている。また、LEDの発光波長は、青色や赤色で、植物の葉緑素の吸収波長帯に近いので、効率のよい植物育成ライトとなる。また、紫外域の光がでないので、虫が寄り付きにくいといった望ましい効果もある。さらに、LEDは、非常に早く点灯、消灯を繰り返すことができる。例えば、参考文献１では5kHzでLEDを点滅させた場合と連続点灯の場合とでは、植物の生長には変化がないことが知られている。これは、LEDによる消費電力を半減させ、ひいては、LEDの発熱を半減させることができ、LEDをの寿命を倍増できることを示唆している。
（参考文献１） 栗原勇次 他,”LEDを用いた植物育成システムの研究”, 電気・情報関連学会中国支部連合大会講演論文集 57巻444頁, 2008年11月.
In recent years, inexpensive LED bulbs have become widespread, and it has become possible to obtain a large amount of light with more energy saving. The LED has a very long life and is said to have a life of 10 years in a normal use of about 8 hours per day. Moreover, since the emission wavelength of the LED is blue or red and is close to the absorption wavelength band of plant chlorophyll, it is an efficient plant growing light. In addition, since there is no ultraviolet light, there is a desirable effect that insects do not easily approach. Furthermore, the LED can be turned on and off very quickly. For example, it is known from
(Reference 1) Yuji Kurihara et al., “Research on Plant Growing System Using LED”, Proceedings of the Association of Electrical and Information Engineers China Chapter 57, 444, November 2008.
人工光により植物を室内で栽培する植物工場の普及も進んできている。植物工場では、成長速度を高めることに重点がおかれている野菜の生産工場であるために、人工光や養液の供給を制御することで植物の生長を制御するような試みはなされていない。
The spread of plant factories that grow plants indoors using artificial light is also progressing. The plant factory is a vegetable production factory with an emphasis on increasing the growth rate, so no attempt has been made to control plant growth by controlling the supply of artificial light or nutrient solution. .
養液の供給方法は、毛細管現象やフローバルブを使って、減少した分だけ養液を補充する方法の他に、ポンプを使って養液を供給する方法がある（例えば、特許文献２参照）。
特許文献２では、所定の時間間隔で給水する方法が開示されている。しかし、環境の湿度や温度、植物の生長ステージや室内温度によっては、常に一定の時間間隔ではなく、植物の生長に応じた養液の供給が望ましい。
さらに、植物は水分不足にさらすなどのストレスを与えることで、植物体や果実の味が変化することが知られている。例えば、トマトでは水ストレスにさらすことで高糖度化することや、からし菜等では、辛味成分が凝縮することがよく知られている。
Furthermore, it is known that the taste of plants and fruits changes when plants are subjected to stress such as exposure to moisture deficiency. For example, it is well known that tomato has a high sugar content when exposed to water stress, and that mustard components are condensed in mustard vegetables.
しかし、過度の水ストレスを与えすぎると、植物が枯れてしまうことがあるために、植物の状態を見極めながら、水ストレスを与えなければならない。これには、経験と勘と多大な手間が必要とされている。
However, if excessive water stress is applied too much, the plant may wither, so the water stress must be applied while determining the state of the plant. This requires experience, intuition, and a lot of effort.
また、従来の植物栽培装置はライトを有せず、主に自然光に依存した栽培を行うために、室内では日当たりのよい場所でしか使えず、また、季節により太陽の日射時間に変動があるために、植物を栽培できる期間も限定されていた。
In addition, the conventional plant cultivation equipment does not have light, mainly because it grows depending on natural light, it can be used only indoors in a sunny place, and the solar radiation time varies depending on the season Furthermore, the period during which plants can be cultivated was also limited.
植物は、呼吸と光合成を行っており、光合成による獲得エネルギーが呼吸による消費エネルギーを上回ると生長する。しかし、室内栽培においては、あまり丈が大きくならないように管理したいという要求があるので、植物の生長制御技術が求められている。
Plants perform respiration and photosynthesis, and grow when the energy gained by photosynthesis exceeds the energy consumed by respiration. However, in indoor cultivation, there is a demand for management so that the length does not become too large, and therefore plant growth control technology is required.
植物の自動制御型室内栽培装置において、本発明が解決しようとする課題は、次のようになる。
The problems to be solved by the present invention in an automatic plant indoor cultivation apparatus for plants are as follows.
ベランダなどの屋外で太陽光により植物を栽培する場合、収穫は季節の変化に影響されるだけでなく、強風や長雨等の自然環境や、害虫、害鳥、害獣等の被害を受けることがある。また、緑がある気持ちの良い生活をしたいという理由から、人の生活空間内で植物を栽培したいという要望が強くある。
When cultivating plants by sunlight outside on a veranda, harvest is not only affected by seasonal changes, but may also be damaged by natural environments such as strong winds and long rains, and by insects, harmful birds, and harmful animals. . In addition, there is a strong demand for cultivating plants in people's living spaces because they want to have a pleasant life with greenery.
植物を室内で栽培する場合の問題は、光不足を如何に補うかにある。室内照明だけでは、光要求度の低い陰陽植物しか育たない問題がある。この問題を解決するには、人工光源による補光が必要となる。さらに、植物の自動制御型室内栽培装置は可能な限り省エネ型でなければならない。
The problem with cultivating plants indoors is how to compensate for the lack of light. Only indoor lighting has the problem that only Yin Yang plants with low light demand grow. To solve this problem, supplementary light from an artificial light source is required. Furthermore, the plant-controlled indoor cultivation device for plants should be energy saving as much as possible.
また、室内で植物栽培を行う場合には、設置スペースの大きさに制限がでてくる。特に、複数の栽培装置を設置する場合、設置面積は深刻な問題となる。室内栽培装置においては、限り有る室内空間を有効利用することが課題となる。
In addition, when plant cultivation is performed indoors, the size of the installation space is limited. In particular, when a plurality of cultivation apparatuses are installed, the installation area becomes a serious problem. In an indoor cultivation apparatus, it becomes a subject to utilize effectively the limited indoor space.
限り有る室内空間を有効利用するために、多段重ね可能であり、かつ、多段重ねした場合であっても、一つの装置のように扱うことができる室内栽培装置に対する要望がある。
There is a demand for an indoor cultivation apparatus that can be stacked in multiple stages and can be handled like a single apparatus in order to effectively use the limited indoor space.
栽培装置が複数ある場合には、栽培装置に養液を補充するなどのメンテナンスに手間がかかってしまう問題がある。複数の栽培装置がある場合においても、養液を補充する手間を増やしたくないという要望がある。
When there are a plurality of cultivating apparatuses, there is a problem that maintenance such as supplementing the nutrient solution to the cultivating apparatus takes time. Even when there are a plurality of cultivation devices, there is a demand for not wanting to increase the labor for replenishing the nutrient solution.
また、従来の室内栽培では、自然光による栽培であるために、室内では日当たりのよい場所でしか使えず、植物を栽培できる季節も限定されるという問題もあった。室内であっても、通年栽培が可能であり、かつ、天候などの環境変化に影響を受けないようにすることが課題となる。
In addition, since the conventional indoor cultivation is based on natural light, it can be used indoors only in a sunny place, and there is a problem that the season in which plants can be grown is limited. Even indoors, it is possible to cultivate all year round and not be affected by environmental changes such as weather.
さらには、室内栽培にあっては、植物の大きさも制限される。室内空間が限られるために、あまり大きくなりすぎても不都合である。そこで、栽培植物の草丈をあまり大きくしすぎないようにするには、栽培植物の生長をどのようにして制御するればよいかが課題となる。
Furthermore, in indoor cultivation, the size of the plant is also limited. Since the indoor space is limited, it is inconvenient if it becomes too large. Therefore, how to control the growth of the cultivated plant is a problem in order to prevent the plant height of the cultivated plant from becoming too large.
一方で、植物の栽培に置いては、水の供給を制限することにより、植物に水ストレスを与え続けることにより、植物内の栄養分が濃縮されることがある。例えば、トマトなどは、水ストレスを与えることにより高糖度トマトを収穫することができる。トマトに限らず、他の植物でも同様の作用が認められ、より味の濃い作物を収穫することができる。
On the other hand, in plant cultivation, nutrients in the plant may be concentrated by restricting the supply of water and continuing to give water stress to the plant. For example, tomatoes can be harvested with high sugar content by applying water stress. Not only tomatoes, but also other plants have the same effect, and it is possible to harvest more intense crops.
しかしながら、過度に水ストレスを与えると植物を枯らせてしまうことがある。植物を枯らさない程度に水ストレスを与えるには、経験が必要であり、また、多大な手間もかかる作業となる。このために、自動的に適度な水ストレスを与える機構が必要となる。
However, excessive water stress can cause the plant to die. In order to give water stress to such an extent that plants do not wither, experience is required and it takes a lot of work. For this reason, a mechanism for automatically applying an appropriate water stress is required.
植物を室内で栽培するには、土を使わない水耕栽培が適している。土を使わないことにより、雑菌の繁殖を抑えることができ、また、虫の発生も抑えることができる。しかし、水耕栽培では、養液に藻が発生する問題が起きる。室内用栽培装置に置いては、藻の発生を抑制する機構が必要になる。
Hydroponic cultivation without soil is suitable for growing plants indoors. By not using soil, it is possible to suppress the propagation of germs and to reduce the occurrence of insects. However, in hydroponics, there is a problem that algae are generated in the nutrient solution. A mechanism that suppresses the generation of algae is required in an indoor cultivation device.
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、植物の室内用栽培装置とその制御方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a plant indoor cultivation apparatus and a control method thereof.
発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意、努力を重ね、以下の課題を解決するための手段の発明に至った。
In order to solve the above-mentioned problems, the inventors have intensively and intensively worked to arrive at the invention of means for solving the following problems.
人の生活空間で植物を栽培する装置であって、植物の光合成の為の光源や養液供給の為の揚水ポンプ及びそれらの制御装置を有し、複数の栽培装置を左右または上下に連結可能であって、連結時には電源や養液、制御信号も連結され、複数の栽培装置を一体的に利用可能な装置において、二段階の養液オーバーフロー部を構成することにより、栽培皿の取外しを可能にすることを特徴とする、植物の自動制御型室内栽培装置。
A device for cultivating plants in the living space of people, having a light source for photosynthesis of plants, a pumping pump for supplying nutrient solution, and a control device for them. However, when connected, the power supply, nutrient solution, and control signals are also connected, and the cultivation dish can be removed by configuring a two-stage nutrient solution overflow unit in a device that can use multiple cultivation devices in an integrated manner. An automatically controlled indoor cultivation apparatus for plants, characterized in that
個々の栽培装置に内蔵されている揚水ポンプは、栽培皿に養液を供給するためのものであるが、意図的に、栽培皿に養液を過剰に供給することにより、栽培皿上で養液を溢れさせ、その溢れた養液を他の栽培装置へと伝達する。この時、栽培皿から溢れた養液を、栽培皿とは独立した二段階目の受け皿に流した後、二段階目の受け皿から他の栽培装置に養液を伝達することにより、栽培皿を栽培装置から取外し可能にする。栽培装置はチェーン状に接続され、他方からは養液要求信号が発信され、当該栽培装置では、養液要求信号を送液受付信号として受信する。送液受付信号が受信されている間は、養液を溢れさせ続けることにより養液を伝達し続ける。送液受付信号の発信がなくなれば、揚水ポンプを停止して養液伝達を止める。また、養液を伝達して欲しい場合には、他の栽培装置へ養液要求信号を発信することにより、他の栽培装置から養液の伝達を受けることができる。当該栽培装置の養液タンクが満水状態になれば、養液要求信号の発信を止めることで、他の栽培装置からの養液の伝達を止めることができる。また、伝達先の栽培装置が満水の場合には、に段階目の受け皿から養液が溢れ出して養液タンクに戻ることで、養液漏れを防止している。
The pumping pump built in each cultivation device is for supplying nutrient solution to the cultivation dish, but it is intentionally fed on the cultivation plate by supplying excessive nutrient solution to the cultivation plate. The liquid is overflowed and the overflow nutrient solution is transmitted to other cultivation devices. At this time, after flowing the nutrient solution overflowing from the cultivation dish to the second stage saucer independent of the cultivation dish, by transferring the nutrient solution from the second stage dish to the other cultivation device, It can be removed from the cultivation equipment. The cultivation device is connected in a chain shape, and a nutrient solution request signal is transmitted from the other side, and the cultivation device receives the nutrient solution request signal as a solution reception signal. While the liquid feeding acceptance signal is received, the nutrient solution is continuously transmitted by continuously overflowing the nutrient solution. When the liquid feed acceptance signal is not transmitted, the pump is stopped to stop the nutrient solution transmission. Moreover, when wanting to transmit a nutrient solution, transmission of a nutrient solution can be received from another cultivation apparatus by transmitting a nutrient solution request signal to another cultivation apparatus. If the nutrient solution tank of the cultivation apparatus becomes full, the transmission of the nutrient solution from other cultivation apparatuses can be stopped by stopping the transmission of the nutrient solution request signal. Further, when the destination cultivation device is full of water, the nutrient solution overflows from the stage tray and returns to the nutrient tank to prevent the nutrient solution from leaking.
人の生活空間で植物を栽培する装置であって、静電容量を測定することにより、養液の水位を非接触で測定することで、外部光が入ることなく養液の水位及び残存養液量を測定し、残存養液が既定値よりも不足の場合には通知機能により、養液供給を促すことを特徴とする、植物の自動制御型室内栽培装置。
An apparatus for cultivating a plant in a human living space, by measuring the capacitance of the nutrient solution in a non-contact manner by measuring the capacitance, so that the level of the nutrient solution and the remaining nutrient solution without external light entering An automatically controlled indoor cultivation apparatus for plants, which measures the amount and prompts the supply of a nutrient solution by a notification function when the remaining nutrient solution is insufficient below a predetermined value.
養液に光が入ると養液中に藻が発生する。藻が発生すると、見栄えが悪くなるだけでなく、藻が養液の栄養分を使ってしまい植物に栄養が届かなくなる。また、藻が植物の根に絡みつき、植物の生長を阻害する、さらには、揚水ポンプに絡まり故障の原因ともなる。藻の発生を抑制するためには、養液中への酸素の供給量を増やすことと光の侵入を防ぐことが必要である。養液に溶けこむ酸素の量には限界があるので、光の侵入を防ぐことの有効である。通常、養液の水位を測定する場合、最も簡易な方法は、水位を目視することである。しかし、この方法では外部からの光の侵入を許してしまい、藻が発生する原因となる。直接水位を目視するのではなく、浮きを養液中に浮かべて、浮きの高さから間接的に水位を測定する方法もある。この方法でも、浮きを設置する穴の隙間からの光の侵入が起こるために藻の発生の原因となる。最も確実な方法は、完全に遮光した中で水位を測定することである。本発明では、静電容量を測定することにより、養液の水位を非接触で測定することで、外部光が入ることなく養液の水位及び残存養液量を検知している。
When light enters the nutrient solution, algae are generated in the nutrient solution. When algae occur, not only does it look bad, but the algae use nutrients from the nutrient solution and no longer reach the plant. In addition, the algae get entangled with the roots of the plant and inhibit the growth of the plants, and further, they get entangled with the pump and cause a failure. In order to suppress the generation of algae, it is necessary to increase the amount of oxygen supplied into the nutrient solution and prevent light from entering. Since the amount of oxygen dissolved in the nutrient solution is limited, it is effective to prevent light from entering. Usually, when measuring the water level of nutrient solution, the simplest method is to visually check the water level. However, this method allows the entry of light from the outside and causes algae to be generated. There is also a method of measuring the water level indirectly from the height of the float by floating the float in the nutrient solution instead of directly observing the water level. Even in this method, the invasion of light from the gaps in the holes where the floats are installed causes algae generation. The most reliable method is to measure the water level while completely shielded from light. In the present invention, the water level of the nutrient solution and the amount of the remaining nutrient solution are detected by measuring the capacitance without contact with external light by measuring the water level of the nutrient solution in a non-contact manner.
人の生活空間で植物を栽培する装置であって、植物の光合成の為の光源や養液供給の為の揚水ポンプ等の制御装置と植物の生長状態や光量などの外部環境を検出するセンサーを有し、センサーからの外部情報と植物の生長計算モデルにより植物の生長を予測し、光源や揚水ポンプの制御により植物の生長状態を制御することを特徴とする、植物の自動制御型室内栽培装置。
A device for cultivating plants in the human living space, including a light source for photosynthesis of plants and a control device such as a pump for supplying nutrient solution and a sensor for detecting the external environment such as the growth state and light quantity of the plant A plant automatic control type indoor cultivation device, characterized by predicting the growth of a plant by external information from a sensor and a plant growth calculation model, and controlling the growth state of the plant by controlling a light source or a pump .
請求項３の植物栽培装置であって、入射光量を測定する光センサー（S1）と中心波長４５０ｎｍのブルーフィルターを有する光センサー（S2）からなり、両出力の比の変化から植物の生長量を検出することを特徴とする、植物の室内用栽培装置。
4. The plant cultivation apparatus according to
植物の室内栽培装置であって、複数の植物栽培装置を左右または上下に連結可能であって、連結時には電源や養液、制御信号なども連結され複数の栽培装置を一体的に利用可能になり、光源や揚水ポンプ等の制御装置と植物の生長状態や温度や光量などの外部環境を検出するセンサーを有し、センサー情報から植物の生長を予測し、光源や揚水ポンプの制御で、植物の生長状態を制御することを特徴とする、植物の室内用栽培装置。
It is a plant indoor cultivation device, and a plurality of plant cultivation devices can be connected to the left or right or up and down, and at the time of connection, a power source, nutrient solution, control signal, etc. are also connected and a plurality of cultivation devices can be used integrally. It has a control device such as a light source and a water pump and a sensor that detects the external environment such as the growth state of the plant, temperature and light quantity, predicts the growth of the plant from the sensor information, and controls the light source and the pump to control the plant A plant indoor cultivation apparatus characterized by controlling a growth state.
請求項５の人の生活空間で植物を栽培する装置であって、植物の生長観察を可能にする光学式センサーを有し、当該センサーからのBRG値からなる信号から、B/(R+G+B) < Th の条件を満たす領域を植物領域と認識し、植物の生長量を検出することを特徴とする、植物の自動制御型室内栽培装置。
An apparatus for cultivating a plant in a human living space according to
生活空間で植物を栽培する装置であって、植物の根が呼吸しやすいように酸素を供給し、根腐れを防止し植物の生長を促進する目的で、または、植物に水ストレスを与える目的で、根が乾き、十分な呼吸が可能な程度の時間差（１時間〜６時間）を設けて、間欠して養液を供給することを特徴とする、植物の自動制御型室内栽培装置。
A device for cultivating plants in a living space, for the purpose of supplying oxygen so that the roots of plants can breathe easily, preventing root rot and promoting plant growth, or for applying water stress to plants An automatically controlled indoor cultivation apparatus for plants, characterized in that the nutrient solution is supplied intermittently by providing a time difference (1 to 6 hours) sufficient to dry the roots and allow sufficient respiration.
請求項１の人の生活空間で植物を栽培する装置であって、前面パネルを開くことにより栽培皿を引き出し、栽培装置から分離した栽培皿から収穫できることを特徴とする、植物の自動制御型室内栽培装置。
An apparatus for cultivating a plant in the living space of a person according to
植物の頭上にライトがある構成の場合、栽培皿を引き上げる場合には、ライトと植物が接触し植物を傷つけることが起きることがあるので、ライトと植物が接触しないように、栽培皿を引き出す機構が必要となる。
In the case of a structure with light on the head of the plant, when pulling up the cultivation dish, the light and the plant may come into contact with each other and damage the plant, so the mechanism to pull out the cultivation dish so that the light and the plant do not come into contact with each other Is required.
請求項３の人の生活空間で植物を栽培する装置であって、前面パネルを開いて養液を満タン状態にまで供給した後に前面パネルを閉めた時に、前面パネルの開閉検出スチッチの状態を監視して水位センサーの満水レベルを設定することを特徴とする、植物の自動制御型室内栽培装置。
An apparatus for cultivating a plant in the living space of a person according to
静電容量式水位センサーを使った場合、養液の静電容量は、養分濃度により変化する為に、絶対値による水位計測は不可能になる。つまり、養液が空になったことは測定値の絶対値で検出できるが、満水時の測定値が変化する為に、絶対値では水位計測ができない。この問題を解決するために、養液供給の終了を検出して、養液供給時の水位を満水レベルに設定するキャリブレーション機能を発明した。
When an electrostatic capacitance type water level sensor is used, the capacitance of the nutrient solution changes depending on the nutrient concentration, so that it is impossible to measure the water level using an absolute value. In other words, the fact that the nutrient solution is emptied can be detected by the absolute value of the measured value, but the measured value at the time of full water changes, so that the water level cannot be measured by the absolute value. In order to solve this problem, a calibration function has been invented to detect the end of nutrient solution supply and set the water level at the time of nutrient solution supply to a full water level.
人の生活空間で植物を栽培する装置であって、揚水ポンプの負荷電流を検出することにより揚水した養液量を検出することを特徴とする、植物の自動制御型室内栽培装置。
An apparatus for cultivating a plant in a human living space, wherein the amount of nutrient solution pumped by detecting a load current of a pump is detected.
DC駆動型ポンプを使った場合、揚水ポンプの駆動電流と揚水量が比例する特性を利用して、駆動電流の積分値から揚水した水量を検出する。養液が空になっており、揚水できない場合には、揚水ポンプの駆動電流はゼロになる。
When a DC-driven pump is used, the amount of pumped water is detected from the integral value of the drive current using the characteristic that the pump pump's drive current is proportional to the pumped amount. When the nutrient solution is empty and pumping is not possible, the drive current of the pump is zero.
本発明によれば、室内の限られた空間でより多くの植物を、また、より多種類の植物を自動的かつ計画的に栽培でき、光と緑にあふれた生活を楽しむことができる。植物は、適度な湿気と酸素を放出し、室内の二酸化炭素を吸収し、また、騒音の吸収効果も高いために室内環境が改善される。また、無農薬で栽培できるために、清潔で安心安全な野菜を収穫して食することができる。照射される紫外線が少ないために、柔らかく苦味も少ない野菜が作れる。
According to the present invention, more plants and more types of plants can be cultivated automatically and systematically in a limited space in the room, and a life full of light and green can be enjoyed. Plants release moderate moisture and oxygen, absorb carbon dioxide in the room, and have a high noise absorbing effect, so that the indoor environment is improved. In addition, since it can be cultivated without pesticides, it is possible to harvest and eat clean and safe vegetables. Because the amount of ultraviolet light that is irradiated is small, vegetables that are soft and less bitter can be made.
本発明に係る一実施形態について、図１を参照して説明する。
An embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG.
図１は、植物の室内栽培装置の基本構成図である。栽培装置は、３つの部分に分かれる。１はライト部であり、LED光源等の人工光源が内蔵されている。２は支柱部であり、ライト部を栽培部から離れた位置で固定する。３は栽培部であり、植物と植物の栽培皿や養液タンク、さらには、養液を供給する揚水ポンプや水位センサー、温度センサー等が内蔵されている。４では栽培装置が３×２で６台が連結された状態を示している。
FIG. 1 is a basic configuration diagram of a plant indoor cultivation apparatus. The cultivation device is divided into three parts.
図２は、実施形態のバリエーションを示している。（A）は、積み重ね連結形態であり、この場合には、栽培装置を上下左右に連結して利用できる。（B）は、上部開放形態であり、この場合には、植物の生長を観察しやすく、また、植物の生長に合わせて光源の高さを変えることができる。（C）は、栽培部だけを利用する形態であり、自然光を使った栽培が可能となる。これらの形態は、栽培部を共通利用することで実現できる。
FIG. 2 shows a variation of the embodiment. (A) is a stacked connection form, and in this case, the cultivation apparatus can be used by connecting it vertically and horizontally. (B) is an open top configuration. In this case, the growth of the plant can be easily observed, and the height of the light source can be changed in accordance with the growth of the plant. (C) is a form which uses only a cultivation part, and cultivation using natural light is attained. These forms can be realized by sharing the cultivation section.
図３は、栽培部の鳥瞰図と側面図による説明である。１が栽培皿であり、栽培する植物を配置する。２は養液タンクであり、水耕栽培用肥料の希釈液が貯められている。３は開閉型全面パネルであり、開くと栽培皿を引き出すことができる。栽培皿を引き出すことで、植物を傷めることなく収穫できる。栽培皿を引き出した後には、養液タンクも取り出すことができ、洗浄等のメンテナンス性が高い構成になっている。４は、支柱取付部であり、ライト部を支える支柱が取り付けられる穴が開いている。５は給水パイプであり、揚水された養液を栽培皿に流す。６は揚水ポンプであり、養液タンクの養液を給水パイプを通じて栽培皿に揚水する。７は揚水ポンプやライト等を制御する制御回路部であり、養液で濡れることのないように独立ブロック内に収められている。
FIG. 3 is a description of a bird's-eye view and a side view of the cultivation unit. 1 is a cultivation dish and arrange | positions the plant to grow.
図４は、養液の給排水を説明する図である。（１）供給前の状態では、栽培皿に養液はなく、植物の根部は乾燥した状態になっている。乾燥した状態では、植物の根部は空気中から大量の酸素を摂取できる。（２）は、養液の供給が始まった状態を示している。揚水ポンプにより揚水された養液が植物の根部を濡らす。（３）は、ポンプが停止し、栽培皿の底部に開けられた穴から栽培皿に移動した養液が落下して排水されている状態を示している。このように、本栽培装置では、給水と排水を繰り返すことにより、非常に水はけの良い畑を構成している。重要な点は、根部を養液中につけっぱなしにするのではなく、排水することにより、根部に大量の酸素を供給するところにある。植物の根が呼吸しやすいように酸素を供給し、根腐れを防止し植物の生長を促進する目的で、または、植物に水ストレスを与える目的で、根が乾く程度の時間差（１時間〜４時間）を設けて、間欠して養液を供給する。
FIG. 4 is a diagram for explaining supply and drainage of nutrient solution. (1) In the state before supply, there is no nutrient solution in the cultivation dish, and the root part of the plant is in a dry state. In the dry state, the roots of plants can take in large amounts of oxygen from the air. (2) shows a state where the supply of nutrient solution has started. The nutrient solution pumped by the water pump wets the root of the plant. (3) shows a state in which the pump is stopped and the nutrient solution moved to the cultivation dish from the hole opened in the bottom of the cultivation dish is dropped and drained. Thus, in this cultivation apparatus, the field with very good drainage is constituted by repeating water supply and drainage. The important point is that a large amount of oxygen is supplied to the root by draining rather than leaving the root in the nutrient solution. For the purpose of supplying oxygen so that the roots of the plants can breathe easily, preventing root rot and promoting the growth of the plants, or applying water stress to the plants, the time difference (1 to 4) Time) and supplying the nutrient solution intermittently.
図５は、栽培部の詳細な構成を示している。１の栽培皿は、２のレールに載せられており、引き出しが可能になっている。つまり、前面パネルを開くことにより栽培皿を引き出すことができ、また、栽培パネルを押し入れることで、栽培皿に養液が供給され、連結されている他の栽培器へも養液伝達が可能となり、さらに、養液温度や室温が測定可能になる。３は養液水面である、１１の水位センサーにより計測される。４は養液タンクであり養液が貯められている。通常状態では、養液には光が当たらないように遮光される。これは、光により藻が発生し、養液が混濁することを防止するためである。５が栽培する植物であり、２０株〜２５株程度が同時に栽培可能である。６は、遮光板であり植物の根元から光が漏れ込むのを防止する。７は、温度センサーであり、養液が栽培皿部分にある時には液温が計測でき、栽培皿に養液がない時には室温が計測できる。８は給水パイプ、９が揚水ポンプ、１０が制御回路部となっている。制御回路部には、水位センサーや温度センサーが接続される。
FIG. 5 shows a detailed configuration of the cultivation unit. 1 cultivation dish is placed on 2 rails and can be pulled out. In other words, the cultivation dish can be pulled out by opening the front panel, and the nutrient solution is supplied to the cultivation dish by pushing the cultivation panel, and the nutrient solution can be transmitted to other connected cultivation devices. In addition, the nutrient solution temperature and room temperature can be measured. 3 is a nutrient solution water level, measured by 11 water level sensors. 4 is a nutrient solution tank in which nutrient solution is stored. Under normal conditions, the nutrient solution is shielded from light. This is to prevent algae from being generated by light and the nutrient solution becoming cloudy. 5 is a plant to be cultivated, and about 20 to 25 strains can be cultivated simultaneously. 6 is a light-shielding plate, which prevents light from leaking from the root of the plant.
図６は、ライト部の構成を示している。１はLEDアレイであり、LEDが100個近く、マトリックス状に配置されている。２が植物であり、３が植物皿、４が天井板、５が支柱である。天井板は、植物の観察を容易にする目的で透明板が使われることが望ましい。
FIG. 6 shows the configuration of the write unit.
図７は、支柱部の構成図を示している。１が支柱とライト部、及び、栽培部とをつなぐ接続部であり、２は接続爪であり、支柱を接続部の穴に差し込んで、９０ひねれば接続爪により固定される仕組みになっている。３が電極であり、支柱が連結された時に、ライト部と栽培部を電気的につなげる。５は支柱内部に配置された電線であり、栽培部からライト部に電力を供給する。
FIG. 7 shows a configuration diagram of the support column. 1 is a connection part that connects the support column, the light part, and the cultivation part, 2 is a connection claw, and is inserted into the hole of the connection part and twisted by 90 to be fixed by the connection claw. . When 3 is an electrode and a support | pillar is connected, a light part and a cultivation part are electrically connected. 5 is an electric wire arranged inside the support column, and supplies power from the cultivation unit to the light unit.
図８は、オーバーフローによる養液の伝達機構を示している。室内栽培装置が複数、連結されている場合には、養液が伝達されるので１ヶ所から養液を補充するだけでよく、手間が少なくなる。（１）が養液の供給前の状態であり、（２）が養液を供給しているところである。（３）では、養液が第一の栽培皿に過剰に供給され、オーバーフローが発生しているところを示している。（４）は、オーバーフロー部分の拡大であり、オーバーフローした養液は、先ず、第二段階目の受け皿であるバッファ部分に流れる。（５）は、養液伝搬時には、バッファ部分から、他の栽培装置の養液タンクに養液が伝搬される。もし、他の栽培装置が接続されていない場合や、他の栽培装置の養液タンクが満水状態である場合には、バッファ部分に貯められた養液は、さらにオーバーフローによって流れ出し、養液タンクに戻ることになる。また、バッファからオーバーフローした養液を連結先に伝達するパイプ部分に、小さな空気穴を開けておくと、養液が流れる為の高低差が小さい場合でも養液が円滑に伝達し、かつ、養液と空気が混合した状態になるので、より望ましい。
FIG. 8 shows a nutrient solution transmission mechanism due to overflow. When a plurality of indoor cultivation apparatuses are connected, since the nutrient solution is transmitted, it is only necessary to replenish the nutrient solution from one place, and labor is reduced. (1) is the state before supplying the nutrient solution, and (2) is where the nutrient solution is being supplied. (3) shows that the nutrient solution is excessively supplied to the first cultivation dish and overflow has occurred. (4) is an enlargement of the overflow portion, and the overflowed nutrient solution first flows into the buffer portion which is the second stage tray. In (5), at the time of nutrient solution propagation, the nutrient solution is propagated from the buffer portion to the nutrient solution tank of another cultivation apparatus. If no other cultivation device is connected or if the nutrient solution tank of the other cultivation device is full, the nutrient solution stored in the buffer part will flow out due to overflow and enter the nutrient solution tank. Will return. In addition, if a small air hole is made in the pipe section that transmits the nutrient solution overflowing from the buffer to the connection destination, the nutrient solution can be smoothly transmitted even if the height difference for flowing the nutrient solution is small, and This is more desirable because the liquid and air are mixed.
図９は、制御回路部のブロック図を示している。図中のRTCは時計(Real Time Clock)である。製品出荷時に時間設定されており、製品の購入者は自分で時間の設定をする必要はない。RTCの時刻設定は、パソコンを接続することで実施できる。
FIG. 9 shows a block diagram of the control circuit unit. RTC in the figure is a clock (Real Time Clock). The time is set when the product is shipped, and the purchaser of the product does not need to set the time himself. The RTC time can be set by connecting a PC.
図１０は、植物領域と背景領域のRGBH値ヒストグラム図である。R値(Red値)、G値(Green値)、H値（Hue値：色相値）では、植物領域と背景領域の分離が難しいが、B値では容易に、植物領域と背景領域が分離できることが分かる。植物の葉の中に葉緑素が含まれており青色の光を吸収するため、葉の面積に比例してB値の低下が生じるためである。これにより、B/(R+G+B)の値が閾値（この例では0.05に設定）より大きい場合を背景領域、それ以外を植物領域とした。つまり、B/(R+G+B) < Th （Th = 0.05 ）の条件の時に植物領域とみなしている。なお、この時の背景は白色である。
FIG. 10 is an RGBH value histogram diagram of the plant area and the background area. With R value (Red value), G value (Green value), and H value (Hue value: Hue value), it is difficult to separate the plant area and the background area, but with the B value, the plant area and the background area can be easily separated. I understand. This is because chlorophyll is contained in the leaves of the plant and absorbs blue light, so that the B value decreases in proportion to the area of the leaves. As a result, the background area was set when the value of B / (R + G + B) was larger than the threshold value (set to 0.05 in this example), and the other area was set as the plant area. That is, it is regarded as a plant region when B / (R + G + B) <Th (Th = 0.05). The background at this time is white.
本手法を応用すれば、RGBのセンサーを使わずとも、入射光量を測定する光センサー（S1）と中心波長４５０ｎｍのブルーフィルターを有する光センサー（S2）からなり、両出力の比の変化から植物の生長量を検出することでも、植物領域と背景領域が分離された結果が得られ、植物の生長量が検出できる。
If this method is applied, it is composed of a light sensor (S1) that measures the amount of incident light and a light sensor (S2) that has a blue filter with a center wavelength of 450 nm, without using an RGB sensor. By detecting the amount of plant growth, the result of separating the plant region and the background region can be obtained, and the plant growth amount can be detected.
図１１は、B値分離による生長曲線とH値分離による生長曲線である。H値（色相値）分離では、成長曲線にノイズが見えるが、B値分離による成長曲線では、ノイズが消えていることが分かる。
FIG. 11 shows a growth curve by B value separation and a growth curve by H value separation. In the H value (hue value) separation, noise can be seen in the growth curve, but in the growth curve by B value separation, the noise disappears.
生長シミュレーションを行うことで、植物の生長を予測し、養液供給やライトの照射時間を制御することにより、植物の生長を制御することができる。先ず、植物の生長シミュレーションについて述べる。生長シミュレーションには、次の仮定を採用している。
仮定１ 葉は一様方向に一定速度で生長する。
葉の中の細胞数は変化せず、各細胞が膨張すると考える。
仮定２ 葉は楕円で近似表現できる。
葉1枚の生長を楕円の拡大で表現する。葉を楕円形状で近似表現するのは、葉の形状に近いことの他に、長軸方向と生長方向を一致させることができるからである。
仮定３ 葉は互いに重なりあわないよう配置される。
葉の生長方向を存在する葉の半角方向(理想的な最充填)と定める。理想的生長形態をとる。先端がドーム状の葉を持つ植物は受光面積を最大化のため、この生長形態をとろうとする。
仮定４ 葉は2枚ずつ発生し生長する。
同時期に発生した二枚の葉はほぼ同数の***細胞を持つとし、葉一対に同じ生長パラメータを適用する。面積の時間変化は(1)式となる。
n
S(t) = 2πkΣ {aj(0)+dgj(t)} {aj(0)+dgj(t)}……（１）
j=0
ここでS(t)は葉の総面積、kは楕円の縦横比、aj(0)は発生時の葉の初期面積、dは単位時間あたりの成長量、gj(t)は葉の生長関数であり、図１２に示すように発生時ti0から生長完了時tieの区間が単位傾きの直線になる関数である。この関数は、一般に成長曲線と呼ばれるもので、ゴンペルツ曲線やロジスティック曲線が使われることが多いが、ここでは簡単化のために直線近似にしている。
By performing the growth simulation, the growth of the plant can be controlled by predicting the growth of the plant and controlling the nutrient solution supply and the light irradiation time. First, plant growth simulation will be described. The following assumption is adopted for the growth simulation.
The number of cells in the leaves does not change and each cell is considered to expand.
The growth of one leaf is expressed by enlarging an ellipse. The reason why the leaf is approximated by an elliptical shape is that, in addition to being close to the shape of the leaf, the major axis direction and the growing direction can be matched.
The growth direction of leaves is defined as the half-angle direction of the leaves (ideal full filling). Takes an ideal growth form. Plants with dome-shaped leaves at the tip try to take this growth form in order to maximize the light receiving area.
Two leaves generated at the same time have approximately the same number of dividing cells, and the same growth parameter is applied to a pair of leaves. The time change of the area is expressed by equation (1).
n
S (t) = 2πkΣ {aj (0) + dgj (t)} {aj (0) + dgj (t)} …… (1)
j = 0
Where S (t) is the total leaf area, k is the aspect ratio of the ellipse, aj (0) is the initial leaf area when it occurs, d is the growth per unit time, and gj (t) is the leaf growth function As shown in FIG. 12, the section from the generation time ti0 to the growth completion tie is a straight line with a unit inclination. This function is generally called a growth curve, and a Gompertz curve or a logistic curve is often used. Here, for simplicity, a straight line approximation is used.
今、推定すべきパラメータは、生長開始時間tj0、生長完了時間tje、単位時間あたりの生長量dの３つである。設定した推定値によるパラメータでシミュレーションし生長曲線を算出、観測した生長曲線と比較を行う。両者の二乗誤差が最小となるパラメータをニュートン法により求めた。図１３に生長開始点の予測の説明図を示す。これより、葉の隠蔽で設定しにくい生長開始時間も設定できるようになった。
There are three parameters to be estimated now: a growth start time tj0, a growth completion time tje, and a growth amount d per unit time. A growth curve is calculated by simulation with the parameters based on the set estimated values, and compared with the observed growth curve. The parameter that minimizes the square error of both was obtained by the Newton method. FIG. 13 is an explanatory diagram for predicting the growth start point. This makes it possible to set a growth start time that is difficult to set by hiding leaves.
図１４は、撮影画像（上）と楕円形モデル（下）の比較である。楕円モデルの形状は、理想的な形状になるので、撮影画像とは一致しないが、葉の面積は両者で一致する。
FIG. 14 is a comparison between a captured image (upper) and an elliptical model (lower). Since the shape of the ellipse model is an ideal shape, it does not match the photographed image, but the leaf area matches.
図１５は、実測値と生長シミュレーション結果の生長曲線の比較である。観察された成長曲線と（１）式による生長シミュレーション結果はよく一致していることが分かる。比較のために、人間が目で見て設定した生長曲線も合わせて示す。３つとも、よく一致しており、本手法による生長シミュレーションの有効性が確認できる。
FIG. 15 is a comparison of the actual measurement value and the growth curve of the growth simulation result. It can be seen that the observed growth curve and the growth simulation result by equation (1) are in good agreement. For comparison, a growth curve set by human eyes is also shown. All three agree well, and the effectiveness of the growth simulation by this method can be confirmed.
本発明によれば、一般家庭における生活者が室内にて、実益を兼ねた趣味として、１年を通して、無農薬で安全安心、清潔で柔らかくて美味しい野菜を栽培することができる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the consumer in a general household can cultivate a vegetable which is safe, safe, clean, soft and delicious throughout the year as a hobby which also has a profit in the room.
さらに、心を愉ませる光とグリーンの室内インテリアとして活用できる。また、種から苗を栽培するための苗育成装置としても活用でき、室内栽培装置で育てた苗を、屋外の畑に移植して、大きく育てることもできる。
In addition, it can be used as a light and green interior that will delight your heart. It can also be used as a seedling growing device for cultivating seedlings from seeds, and the seedlings grown in an indoor cultivation device can be transplanted to an outdoor field and greatly grown.
室内栽培装置を多数、上下左右に組み合わせれば、野菜を量産するための植物工場として利用できる。例えば、１０列５段で５０機の栽培装置になり、約５ｋｇの野菜が収穫できる。これの構成が、１０行１０列あれば、約５００ｋｇの野菜が収穫できる植物工場となる。
If many indoor cultivation devices are combined vertically and horizontally, it can be used as a plant factory for mass production of vegetables. For example, 50 rows of 10 rows and 5 rows of cultivation equipment can harvest about 5 kg of vegetables. If this configuration is 10 rows and 10 columns, the plant factory can harvest about 500 kg of vegetables.
レストラン等の飲食店に設置すれば、安全、安心な食材を宣伝することができ、店のイメージアップになる。また、鮮烈な香りのする、フレッシュハーブを栽培し、直前に収穫して提供することが可能になる。必要な度に、必要な料だけ収穫するので、使い残しの発生がないので経済的である。また、生ごみの量も減る。
If installed in restaurants and other restaurants, you can advertise safe and secure ingredients, which will enhance the image of the store. It also makes it possible to cultivate fresh herbs with a vivid scent and harvest them just before they are served. Since only the necessary fee is harvested whenever necessary, it is economical because there is no leftover. Also, the amount of garbage is reduced.
植物に与える養液量を少量に制限して、強い水ストレスを与えると、植物の水分が減少し、その結果、濃い味になる。例えば、トマトを栽培している場合、水を制限して水ストレスを与えると、高糖度トマトができることが知られている。本発明は、このような植物栽培も簡単に実施できるので、高付加価値作物栽培の目的で利用することもできる。
If the amount of nutrient solution applied to the plant is limited to a small amount and a strong water stress is applied, the water content of the plant decreases, resulting in a deep taste. For example, when cultivating tomatoes, it is known that high sugar content tomatoes can be produced by applying water stress by restricting water. Since the present invention can easily carry out such plant cultivation, it can also be used for the purpose of cultivation of high value-added crops.
Claims (10)
A device for cultivating plants in a human living space, having a nutrient solution containing a light source for plant photosynthesis and essential nutrients, a pump for supplying nutrient solution, and a control device therefor, The cultivation device can be connected to the left or right or up and down, and at the time of connection, the power source, nutrient solution, and control signal are also connected, and in a device that can use a plurality of cultivation devices integrally, a two-stage nutrient solution overflow part is configured An automatically controlled indoor cultivation apparatus for plants, wherein the cultivation dish can be removed by doing so.
An apparatus for cultivating a plant in a human living space, by measuring the capacitance of the nutrient solution in a non-contact manner by measuring the capacitance, so that the level of the nutrient solution and the remaining nutrient solution without external light entering An automatically controlled indoor cultivation apparatus for plants, which measures the amount and prompts the supply of a nutrient solution by a notification function when the remaining nutrient solution is insufficient below a predetermined value.
A device for cultivating plants in the human living space, including a light source for photosynthesis of plants and a control device such as a pump for supplying nutrient solution and a sensor for detecting the external environment such as the growth state and light quantity of the plant A plant automatic control type indoor cultivation device, characterized by predicting the growth of a plant by external information from a sensor and a plant growth calculation model, and controlling the growth state of the plant by controlling a light source or a pump .
An apparatus for cultivating a plant in a human living space according to claim 3, comprising an optical sensor (S1) for measuring the amount of incident light and an optical sensor (S2) having a blue filter with a central wavelength of 450 nm, and the ratio of both outputs An automatically controlled indoor cultivation apparatus for plants, wherein the amount of plant growth is detected from the change.
An apparatus for cultivating a plant in a human living space, having a control device such as a light source and a pump, and a sensor for detecting an external environment such as a growth state, temperature, and light quantity of the plant. An automatically controlled indoor cultivation apparatus for plants, characterized by predicting growth and controlling the growth state of the plant by controlling a light source and a pump.
An apparatus for cultivating a plant in a human living space according to claim 5, comprising an optical sensor that enables observation of plant growth, and from a signal comprising a BRG value from the sensor, B / (R + G + B) An automatic plant-controlled indoor cultivation device that recognizes a region satisfying the condition of <Th as a plant region and detects the amount of plant growth.
A device for cultivating plants in a living space, for the purpose of supplying oxygen so that the roots of plants can breathe easily, preventing root rot and promoting plant growth, or for applying water stress to plants An automatically controlled indoor cultivation apparatus for plants, characterized in that the nutrient solution is supplied intermittently by providing a time difference (1 to 6 hours) sufficient to dry the roots and allow sufficient respiration.
An apparatus for cultivating a plant in the living space of a person according to claim 1, wherein the cultivation tray is pulled out by opening the front panel and can be harvested from the cultivation dish separated from the cultivation apparatus. Cultivation equipment.
An apparatus for cultivating a plant in the living space of a person according to claim 3, wherein when the front panel is closed after the front panel is opened and the nutrient solution is supplied to a full tank state, the state of the opening / closing detection switch of the front panel is changed. An automatically controlled indoor cultivation apparatus for plants, characterized by monitoring and setting the full water level of the water level sensor.
An apparatus for cultivating a plant in a human living space, wherein the amount of nutrient solution pumped by detecting a load current of a pump is detected.
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