JP6871823B2 - 果実生育監視システム、及び果実生育監視方法 - Google Patents
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Description
本開示は、植物体に着生する果実の生育状況を監視する果実生育監視システム、及び監視方法に関する。
ＩｏＴ（Internet of Things）など、情報通信技術を用いて農業の効率化を図ることが試行されている。果実の収穫時期や熟度を判定するための技術が種々提案されている。
特許文献１には、イチゴなどの果実をカメラで撮影し、着色率から収穫時期か否かを判断する収穫機が開示されている。
特許文献２には、スイカ又はメロンなどの果実の直径を計測するとともに、果実に対して打撃によって振動を与えて共鳴を起し、振動センサで検出した振動から二次共鳴周波数を抽出し、熟度を判定する装置が開示されている。
しかしながら、特許文献１のような画像を用いる方法では、画像のデータ量が大きいので、カメラからエッジ又はクラウドに配置された分析部へデータ伝送するのがネックとなる。
特許文献２のように、果実に打撃を与える方法は、生育過程において繰り返し実行すれば、果実を損傷するおそれがある。
果実の生育過程は、果実が肥大する肥大過程があり、肥大過程の次には果実が熟成する熟成過程がある。上記特許文献１、２のいずれも熟成過程の生育状況を判定する技術である。一方、肥大過程において果実の肥大状況を検知することが望まれる。
本開示は、このような課題に着目してなされたものであって、その目的は、肥大過程における果実の生育状況を監視する果実生育監視システム、及び監視方法を提供することである。
本開示の果実生育監視システムは、
植物に着生している果実と茎との間にある果柄又は枝に対して所定の振動を与える加振機と、
前記加振機が与えた振動により生じる前記果柄又は枝の振動を検出する振動センサと、
前記振動センサが検知した振動の周波数に基づいて、前記果実の重量又は重量変化を検出する検出部と、
を備える。
植物に着生している果実と茎との間にある果柄又は枝に対して所定の振動を与える加振機と、
前記加振機が与えた振動により生じる前記果柄又は枝の振動を検出する振動センサと、
前記振動センサが検知した振動の周波数に基づいて、前記果実の重量又は重量変化を検出する検出部と、
を備える。
このようなシステムによれば、果実に直接打撃を与えるわけではないので、繰り返し検査が可能であり、果実の日々の生育状況を監視することが可能となる。また、画像データを用いずに振動センサの信号を用いるので、データ量が小さく、高速回線がない環境でもシステムを構築することが可能となる。さらに、果実の肥大に伴って振動の周波数が変化するので、周波数に基づき重量変化を検出可能となる。もしくは、振動の周波数に応じて果実の重量を検出することが可能となる。
したがって、果実の肥大に伴う重量変化又は重量を監視することができ、肥大過程における果実の生育状況を監視する果実生育監視システム、及び監視方法を提供することが可能となる。
したがって、果実の肥大に伴う重量変化又は重量を監視することができ、肥大過程における果実の生育状況を監視する果実生育監視システム、及び監視方法を提供することが可能となる。
以下に、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。
本実施形態の果実生育監視システム１は、図１に示すように、果実Ｐ１の肥大に伴う果実Ｐ１の重量変化を監視する。監視対象となる果実の例としては、トマト、きゅうり、なす、ズッキーニ、メロンなどの種々の果菜類、ブドウ、みかん、りんごなどの種々の果物類が挙げられる。システム１は、加振機１０と、振動センサ１１と、検出部１２と、を有する。
加振機１０及び振動センサ１１は、植物に取り付けられる。加振機１０及び振動センサ１１は、それぞれ、接着剤又はテープなどを用いて植物に直接取り付けられてもよいし、本実施形態のように、間接的に植物に取り付けられてもよい。すなわち、本実施形態では、取り付けを容易にするために、加振機１０及び振動センサ１１をユニット部材１４に取り付けている。ユニット部材１４を植物に取り付ければ、加振機１０及び振動センサ１１がまとめて設置されるからである。ユニット部材１４は、プラスチック、ゴム、金属など、又はそれらの組み合わせで形成されることが好ましい。ユニット部材１４を植物に取り付ける方法としては、接着剤又はテープを用いてもよいし、植物を挟むクランプ機構を設けてもよい。ユニット部材１４を長尺状に形成して、少なくとも２個所以上を植物に取り付けるように構成して、ユニット部材１４を、植物を支持するサポート材にしてもよい。
加振機１０は、図１及び図２に示すように、植物に着生している果実Ｐ１と茎Ｐ２との間にある枝Ｐ４又は果柄Ｐ３に対して所定の振動を与える。図１の例では、果実Ｐ１と茎Ｐ２とを接続する枝Ｐ４に対して振動を与える。図１の例は、トマトであり、複数の果実Ｐ１が集まって一つの集合体を形成しており、このような集合体は果房と呼ばれる。図１の例のように、複数の果実Ｐ１が果房を形成している場合、加振機１０が枝Ｐ４に対して振動を与えることが好ましく、破線で示す枝Ｐ４の根元部分、つまり枝Ｐ４のうち茎Ｐ２に近接した箇所に対して振動を与えることがより好ましい。果房が接続された枝Ｐ４に対して振動を与えて検出することで、一つの果実Ｐ１だけでなく果房全体での計測が可能となる。ただし、複数の果実Ｐ１が果房を形成している場合であっても、各果柄Ｐ３に加振機１０からの振動を与えることもできる。
トマト以外の例では、図２に示すような形態もあり、茎Ｐ２に枝Ｐ４があり、枝Ｐ４に果柄Ｐ３を介して果実Ｐ１が実っている。この場合、加振機１０が振動を与える部分は、果柄Ｐ３でもよいし、枝Ｐ４でもよいが、破線で示す果柄Ｐ３の根元部分、または、枝Ｐ４の根元部分が好ましい。果柄Ｐ３の根元部分とは、果柄Ｐ３のうち枝Ｐ４に近接する部分であり、枝Ｐ４の根元部分とは、枝Ｐ４のうち茎Ｐ２に近接する部分である。
加振機１０は、枝Ｐ４又は果柄Ｐ３に対して所定の周波数の振動を与えることができればよく、種々の機器を使用することができる。例えば、電磁コイル加振器や各種モータによる加振、ハンマーなどを用いた直接的な打撃を与える方法などが考えられる。
振動センサ１１は、加振機１０が与えた振動により生じる枝Ｐ４又は果柄Ｐ３の振動を検出する。本実施形態では、振動を電気信号に変換する歪ゲージを用いているが、これに限定されない。例えば、圧電素子、静電容量型センサなどが挙げられる。加振機１０が加振する位置と、振動センサ１１が検出する位置とは、同一でもよいし、異なっていてもよい。本実施形態では、作業性の観点から、加振機１０及び振動センサ１１をユニット部材１４によって一体化して植物に取り付けているため、加振機１０が加振する位置と、振動センサ１１が検出する位置とが略同一となっている。
図１の例のように、複数の果実Ｐ１が果房を形成しており、果房全体での重量を計測したい場合、振動センサ１１は、破線で示す枝Ｐ４の根元部分、つまり枝Ｐ４のうち茎Ｐ２に近接した箇所の振動を検出することがより好ましい。図２の例のように、果実Ｐ１が果房を形成していない場合、振動センサ１１は、破線で示す果柄Ｐ３の根元部分、または、枝Ｐ４の根元部分の振動を検出することが好ましい。枝Ｐ４のうち茎Ｐ２に近接した箇所、あるいは果柄Ｐ３のうち枝Ｐ４に近接した箇所で振動を計測する場合には、振動の節となる部分での計測となるので、比較的大きな歪が計測でき、信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
検出部１２は、振動センサ１１が検知した振動の周波数に基づいて、果実Ｐ１の重量変化を検出する。果実Ｐ１の肥大に伴って周波数が変化するからである。具体的には、茎又は枝などの土台と、土台に基端が接続される梁（枝又は果柄）と、梁の先端に接続された重りである果実と、を有する振動モデルを想定している。梁に与えた振動が振動特性により変化し、梁全体の振動として検出される。この振動特性は、重りを含む梁全体の重量によって変化する。すなわち、梁の振動の周波数が、重りを含む梁全体の重量に応じて変化する。重りの重量が増えれば、振動の周波数が低下していく。検出部１２は、振動の時間軸に沿って変化する振幅のデータをフーリエ変換して、周波数を抽出する。ＦＦＴ（fast Fourier transform）解析して、複数の周波数成分に分離してもよい。
図３は、肥大過程の或る時期ｔ０、ｔ１、ｔ２において所定振動を与えたときの周波数波形を示す概念図である。図３は周波数スペクトルを示し、横軸は周波数を示し、縦軸は、周波数成分の強度を示す。図３において、時期ｔ０に梁に対して所定振動を与えたときの波形を実線で、時期ｔ０から更に時間が経過した別の或る時期ｔ１に所定振動を与えたときの波形を一点鎖線で、時期ｔ１から更に時間が経過した別の或る時期ｔ２に同一の所定振動を与えたときの波形を破線で示す。図３に示すように、肥大過程の或る時期ｔ０に所定振動を与えると、或る周波数Ｆ０の振動が得られる。更に時間が経過した別の或る時期ｔ１に同一の所定振動を与えると、更に周波数が低下した周波数Ｆ１の振動が得られる。更に時間が経過した別の或る時期ｔ２において、更に周波数が低下した周波数Ｆ２の振動が得られる。すなわち、複数回振動を検出し、各々の振動の周波数の変化量に基づいて重量変化を検知することができる。
図３は説明のために波形を簡略化している。一例として、強度が最も高い周波数をＦ０、Ｆ１、Ｆ２と表しているが、強度が最も高い周波数を特定するために、複数回の測定を行い、複数回の計測結果に対して統計的な処理を施してもよい。統計的な処理としては、異常値の除去、平均値算出などが挙げられる。また、所定振動を与え、検出した振動の周波数を計測することを１回の測定とした場合に、所定振動は毎回同一でもよいし、測定毎に所定振動の振動特性を変化させてもよい。
なお、風などの外因で果柄Ｐ３及び枝Ｐ４が揺れたとしても、加振機１０が与える所定振動とは区別される。加振機１０が与える所定振動は、振動センサ１１が検出する振動の周波数成分がシングルピーク（図３参照）になるような波形が好ましい。所定振動は、少なくとも１パルスの短い波形が考えられる。
図１に示すように、システム１に生育状況判定部１３を更に設けてもよい。生育状況判定部１３は、単位期間あたりの周波数変化量が所定値以下になったときに、観測対象の果柄Ｐ３又は枝Ｐ４に実る果実Ｐ１が肥大過程から熟成過程に移行したと判定する。単位期間あたりの周波数変化量が所定値以下でない場合には、熟成過程に移行していないと判定する。単位時間あたりの周波数変化は、例えば、｜Ｆ０−Ｆ１｜／｜ｔ０−ｔ１｜で算出することができる。なお、生育状況判定部１３を省略してもよい。
本実施形態において、図１に示すように、検出部１２及び生育状況判定部１３は、クラウドや遠隔のデータセンタなどに設置された遠隔のコンピュータ１７に実装されている。振動センサ１１の信号を遠隔のコンピュータ１７に伝送するために、振動センサ１１の信号を無線で送信する送信機１５と、送信機１５の信号を受信する受信機１６と、を設けている。受信機１６で受信した振動センサ１１の信号は、インターネット回線などの通信回線ＮＷを介して遠隔のコンピュータ１７へ伝送される。
本実施形態において、検出部１２及び生育状況判定部１３は、送信機１５の電波が届かない遠隔のコンピュータ１７に実装されているが、これに限定されない。例えば、栽培ハウス内又は栽培ハウス周辺の無線通信可能な範囲（栽培スペース）に配置したサーバに実装するようにしてもよい。
以上のように、本実施形態の果実生育監視システムは、
植物に着生している果実Ｐ１と茎Ｐ２との間にある果柄Ｐ３又は枝Ｐ４に対して所定の振動を与える加振機１０と、
加振機１０が与えた振動により生じる果柄Ｐ３又は枝Ｐ４の振動を検出する振動センサ１１と、
振動センサ１１が検知した振動の周波数に基づいて、果実Ｐ１の重量変化を検出する検出部１２と、
を備える。
植物に着生している果実Ｐ１と茎Ｐ２との間にある果柄Ｐ３又は枝Ｐ４に対して所定の振動を与える加振機１０と、
加振機１０が与えた振動により生じる果柄Ｐ３又は枝Ｐ４の振動を検出する振動センサ１１と、
振動センサ１１が検知した振動の周波数に基づいて、果実Ｐ１の重量変化を検出する検出部１２と、
を備える。
本実施形態の果実生育監視方法は、
植物に着生している果実Ｐ１と茎Ｐ２との間にある果柄Ｐ３又は枝Ｐ４に対して加振機１０が所定の振動を与えるステップと、
加振機１０が与えた振動により生じる果柄Ｐ３又は枝Ｐ４の振動を振動センサ１１が検出するステップと、
振動センサ１１が検知した振動の周波数に基づいて、果実の重量変化を検出するステップと、
を含む。
植物に着生している果実Ｐ１と茎Ｐ２との間にある果柄Ｐ３又は枝Ｐ４に対して加振機１０が所定の振動を与えるステップと、
加振機１０が与えた振動により生じる果柄Ｐ３又は枝Ｐ４の振動を振動センサ１１が検出するステップと、
振動センサ１１が検知した振動の周波数に基づいて、果実の重量変化を検出するステップと、
を含む。
このようなシステム及び方法によれば、果実Ｐ１に直接打撃を与えるわけではないので、繰り返し検査が可能であり、果実Ｐ１の日々の生育状況を監視することが可能となる。また、画像データを用いずに振動センサの信号を用いるので、データ量が小さく、高速回線がない環境でもシステムを構築することが可能となる。さらに、果実Ｐ１の肥大に伴って振動の周波数が変化するので、周波数に基づき重量変化を検出可能となる。
したがって、果実Ｐ１の肥大に伴う重量変化を監視することができ、肥大過程における果実の生育状況を監視する果実生育監視システム、及び監視方法を提供することが可能となる。
したがって、果実Ｐ１の肥大に伴う重量変化を監視することができ、肥大過程における果実の生育状況を監視する果実生育監視システム、及び監視方法を提供することが可能となる。
本実施形態のシステム及び方法において、複数回振動を検出し、各々の振動の周波数の変化量に基づいて重量変化を検知する。
果実の肥大に伴い重量が増えるので、複数回検出した振動は、検出した時点が後になるほど振動の周波数が低くなる。よって、各振動の周波数の変化量に基づいて果実Ｐ１の重量変化を検出可能となる。
本実施形態のシステムは、単位期間あたりの周波数変化量が所定値以下になったときに、肥大過程から熟成過程に移行したと判定する生育状況判定部１３を備える。
本実施形態の方法は、単位期間あたりの周波数変化量が所定値以下になったときに、肥大過程から熟成過程に移行したと判定するステップを含む。
本実施形態の方法は、単位期間あたりの周波数変化量が所定値以下になったときに、肥大過程から熟成過程に移行したと判定するステップを含む。
肥大過程では、果実Ｐ１が肥大を続けるので、熟成過程と比較して重量が増える速度が速い。重量の増加に伴い周波数が減少しつづけるため、肥大過程では、単位期間あたりの周波数変化量が相対的に大きい。肥大過程が終われば、重量が増える速度が遅くなり、その結果、周波数の低下が緩やかになり、単位期間あたりの周波数変化量が相対的に小さくなる。よって、単位期間あたりの周波数変化量が所定値以下になることをもって、肥大過程から熟成過程に移行したと判断可能となる。
本実施形態のシステム及び方法において、加振機１０及び振動センサ１１は、ユニット部材１４に固定され、ユニット部材１４を介して果柄Ｐ３又は枝Ｐ４に取り付けられている。
このように加振機１０及び振動センサ１１がユニット部材１４に取り付けられているので、ユニット部材１４を植物に取り付けるだけで、加振機１０及び振動センサ１１を設置でき、植物に対して取り付けしやすくなる。
以上、本開示の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
上記実施形態では、検出部１２は、振動センサ１１が検知した振動の周波数に基づいて、果実Ｐ１の重量変化を検出するが、これに限定されない。例えば、検出部１２は、振動センサ１１が検知した振動の周波数に基づいて、果実Ｐ１の重量自体を検出するようにしてもよい。具体的な一例として、振動の周波数と果実の重量とを関連付けた重量情報が予め設定されており、検出部２は、重量情報を参照して、振動センサ１１が検知した振動の周波数に対応する重量が果実の重量であると検出する。
このようにすれば、果実に直接打撃を与えずに、果実の重量を検出することが可能となる。
１ 果実生育監視システム
１０ 加振機
１１ 振動センサ
１２ 検出部
１３ 生育状況判定部
１４ ユニット部材
Ｐ１ 果実
Ｐ２ 茎
Ｐ３ 果柄
Ｐ４ 枝
１０ 加振機
１１ 振動センサ
１２ 検出部
１３ 生育状況判定部
１４ ユニット部材
Ｐ１ 果実
Ｐ２ 茎
Ｐ３ 果柄
Ｐ４ 枝
Claims (5)
- 植物に着生している果実と茎との間にある果柄又は枝に対して所定の振動を与える加振機と、
前記加振機が与えた振動により生じる前記果柄又は枝の振動を検出する振動センサと、
前記振動センサが検知した振動の周波数に基づいて、前記果実の重量又は重量変化を検出する検出部と、
を備える、果実生育監視システム。 - 複数回振動を検出し、各々の振動の周波数の変化量に基づいて重量変化を検知する、請求項１に記載のシステム。
- 単位期間あたりの周波数変化量が所定値以下になったときに、肥大過程から熟成過程に移行したと判定する生育状況判定部を備える、請求項１又は２に記載のシステム。
- 前記加振機及び前記振動センサは、ユニット部材に固定され、前記ユニット部材を介して前記果柄又は前記枝に取り付けられている、請求項１〜３のいずれかに記載のシステム。
- 植物に着生している果実と茎との間にある果柄又は枝に対して加振機が所定の振動を与えるステップと、
前記加振機が与えた振動により生じる前記果柄又は枝の振動を振動センサが検出するステップと、
前記振動センサが検知した振動の周波数に基づいて、前記果実の重量又は重量変化を検出するステップと、
を含む、果実生育監視方法。
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