こんにちは、音楽家の朝比奈幸太郎です。
北海道への移住カテゴリーにて、移住に関するブログを投稿していますが、北海道に移住してきた目的の一つに家庭菜園があります。

基本的にはせっかくご縁があって手に入れたGPS技術と、プログラミング技術を使って、半自動〜できる限り全自動で構成していこうと企んでいるわけであります。

家庭菜園はマクロのステップとしては、水やり、追肥、雑草抜き、収穫の4ステップ。
追肥を液体型にしてあげれば自動化することは可能であり、雑草抜きと収穫に関しては、Pythonなどの技術と併用することになるが、ハードの設計も必要になってくる。

この記事ではまずはマクロの整理をしていきたく、ハードとソフトを分けて考えてみる。
そして、まずはソフト類をみていこうと思う。

ではここからソフトで環境制御管理をするために必要なセンサー類をみていきます。

1. 土壌・培地関連センサー（根圏制御）

植物の根の健康や養分吸収効率を最適化するためのデータを取得。

• 土壌水分センサー
  • 計測項目：体積含水率（VWC）、水分テンション（pF値）
  • 役割：自動潅水制御、過剰潅水防止、根酸欠防止

スイッチサイエンス〜Qwiic – 土壌水分センサ

水分センサーの環境制御としては、M5stack用の給水ポンプ付きセンサーも見つけました。

M5Stack用 水分測定センサ付き給水ポンプユニット

• 土壌温度センサー
  • 計測項目：根域温度
  • 役割：発根促進、低温ストレス回避
• 土壌EC（電気伝導度）センサー
  • 計測項目：溶液中の塩分・肥料濃度
  • 役割：肥料濃度の最適化、塩害防止
• 土壌pHセンサー
  • 計測項目：土壌pH
  • 役割：養分吸収効率の最適化、pH異常の早期発見

2. 気象・環境関連センサー（外部条件制御）

露地・施設内の気象条件をリアルタイム取得し、制御ロジックに反映。

• 気温・湿度センサー
  • 計測項目：外気温、相対湿度
  • 役割：灌水・換気制御、蒸散量推定

MPL3115A2 – I2C気圧・高度・気温センサ

半田付けができればこちらも興味深い

Raspberry Pi PicoWを使った環境測定基板(気温、湿度、気圧など)(キット)

スイッチサイエンス BME280搭載温湿度・気圧センサモジュール（Grove/Qwiic/STEMMA QTコネクタ搭載）

• 風速・風向センサー
  • 計測項目：風速、風向
  • 役割：防風対策、散布ドリフト防止
• 降雨センサー
  • 計測項目：降水量、降水有無
  • 役割：潅水スケジュール調整、農薬散布中止判断
• 日射センサー（PARセンサー）
  • 計測項目：光合成有効放射（400〜700nm）
  • 役割：光合成モデル入力、遮光制御
• UVセンサー
  • 計測項目：UV-A/UV-B量
  • 役割：病害虫抑制、光ストレス制御

APIを使って情報を取得し、記録と管理をする方向がいいのではないかと思っています。

詳しくはこちらの記事を参照してください。

GPS測位で得た緯度・経度を使ってリアルタイム天気情報をPythonで取得する

3. 温室・内部環境関連センサー（微気象制御）

作物周囲のマイクロクライメイトを把握し、生育最適化。

• 葉面温度センサー（赤外線式）
  • 計測項目：葉面温度
  • 役割：水ストレス検出、灌水タイミング最適化
• CO₂濃度センサー
  • 計測項目：CO₂ ppm
  • 役割：光合成効率向上、換気・施肥制御
• 葉面湿度センサー
  • 計測項目：葉表面の結露状態
  • 役割：病害（灰色かび等）発生予測
• 空気ECセンサー（空気導電度）
  • 計測項目：空気中イオン濃度
  • 役割：微量ガス・養液蒸散モニタリング

4. GPS・位置情報関連（精密農業用）

• GNSS/GPS受信機（RTK対応推奨）
  • 精度：±2〜3cm（RTK）
  • 役割：可変施肥、可変潅水、作業経路自動化

GPSとどう関連させるのか？
は大きなポイントになります。

作業経路自動化としていますが、基本的にすべてのハードをこの地上で管理するためにRTK測位は必須であるといえます。

現在時点の構想としては、畑を区画整理しながらレールを敷き、レール上の座標を移動できるようにしたいと考えています。

RTK測位のためのモジュール類はジオセンス社から揃えることができます。

株式会社ジオセンス

5. 植物生理反応センサー（高度制御）

オランダ型先進環境制御で特に重要視される分野。

• クロロフィル蛍光センサー
  • 計測項目：光合成効率（Fv/Fm）
  • 役割：ストレス検出、光量調整
• 茎径変動センサー
  • 計測項目：茎径微変化（μm単位）
  • 役割：日内水分変動モニタリング
• 樹液流センサー
  • 計測項目：樹液流速・流量
  • 役割：蒸散量の直接推定

このあたりは書籍を読みながら情報をしっかり把握していこうと思います。

全体分類まとめ表

分類	センサー	主な計測項目	主な役割
土壌	水分	VWC, pF	潅水制御
土壌	温度	根域温度	発根・ストレス管理
土壌	EC	塩分・肥料濃度	肥料最適化
土壌	pH	酸性/アルカリ性	養分吸収管理
気象	気温・湿度	外気温, RH	蒸散推定
気象	風速・風向	m/s, 方位	防風, 散布管理
気象	降雨	mm	潅水調整
気象	日射	PAR	光合成管理
気象	UV	UV-A/B量	病害虫抑制
内部	葉面温度	℃	水ストレス管理
内部	CO₂	ppm	光合成強化
内部	葉面湿度	結露	病害予測
GPS	GNSS	cm精度位置	精密作業
生理	クロロ蛍光	Fv/Fm	ストレス検知
生理	茎径	μm変化	水分動態解析
生理	樹液流	流速	蒸散量推定

• オランダの温室園芸（特にPlant Empowerment理論）で採用されている主要センサー体系
• 農研機構（NARO）および国内スマート農業プロジェクトの公開資料
• 精密農業（Precision Agriculture）における根圏・気象・植物生理の統合制御モデル