【発表資料】自動潅水システムの遠隔監視と UECS の活用(2025.5.25 農業情報学会＠京都大学)

農業情報学会
https://www.jsai.or.jp
２０２５年度全国大会（京都大学）
２日目オーガナイズドセッション
データ駆動型施設園芸の進化と展望
の発表資料です。

Transcript

1. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 自動潅水システムの遠隔監視とUECSの活用 株式会社 B&B Lab. 代表 真崎 康平 / 中村真理 農業情報学会2025年度年次大会＠京都大学農学部総合館 2025.05.25 発表 2025.05.24 ~ 5/25
2. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 会社紹介
3. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 〇概要 ・設立 2018年1月 ・資本金 ３００万円 ・主な業務 IoT機器の開発（農業、自然エネルギー関連） http://b-and-b-lab.jp/ 〇代表取締役 眞崎 康平（まさき こうへい） ：ハードウェア開発担当 業務キャリア ・SONY半導体（鹿児島、熊本、福岡）で１０年弱、イメージセンサ開発に従事 対応領域 画像処理ソフトウェア開発、ハードウェア制御（Visual C++, VBA） 製品評価手法開発（CCD/CMOSイメージセンサ） ハードウェア開発(アナログ、デジタル) ・風力発電パワーコンディショナ開発（4年） 九州大学 応用力学研究所との産学協働プロジェクトにて レンズ風車向けパワーコンディショナ（制御器）開発 大電力、高電圧回路設計 ・その他 医療ベンチャーetc. 〇共同設立者 中村 真理（なかむら しんり）：クラウド、ファームウェア担当 業務キャリア ・バーテンダー ・診療放射線技師 ・ LINE API Expert 会社概要
4. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 背景
5. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 背景 自動潅水については, 農業人口の減少や高齢化に伴う人手不足により高いニーズがある. 新規設備については補助金の活用が容易であり導入が進みつつあるが, 既設のビニールハウ スに対しては補助金の適用が難しく, 導入が遅れているのが現状である. また, 工事の部材費および人件費が導入費用の大部分を占めるため費用負担が大きく, さらに システムに不具合が発生した場合には潅水が滞り, 収量低下や全滅といった重大な被害を招 くおそれがある. このような開発および保守上のリスクが, システムやサービスの開発, 導入の障害となって いることが明らかとなった. 本報告では, 遠隔監視が可能な自動潅水システムの開発を行い, 生産現場への導入および運用 において明らかとなった課題と, それらの課題解決に至るプロセスについて報告する.
6. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 実証実験実施圃場
7. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 本報告の実証実験農場の紹介（概要） 福岡県南部の JA福岡大城管内のアスパラ農家 熊丸様 他１軒 〇電力・通信設備関係の工事のスペシャリスト 〇きのこの施設栽培などビジネス経験 〇圃場の潅水設備のメンテも自ら実施 これらの経験を元にDIYでの施工の可能性、設備仕様に対する ご助言・ご指導賜りました。この場をお借りして御礼申し上げます。
8. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 本報告の実証実験農場の紹介（課題と解決策） 導入前は16箇所の手動バルブを, 収穫後などのタイミングで順次開閉し潅水 する必要があり, 1箇所5分の潅水でも合計約80分, 作業全体では2時間近くを要 する負担の多い作業となっていた. しかし, 既設設備であることから補助金の活用が困難であり, 市販の自動潅水 システムも高額なため導入は見送られてきた. 3つの工夫により低コスト化を図り, 福岡県内のアスパラ農家2軒への導入 と実運用を実現した. 1. 低コスト化を意識した潅水コントローラの開発 2. DIY工事が可能なDC24V駆動の電磁弁の採用 3. 安価な中国製電磁弁の活用 本報告では, 上記1の潅水コントローラの概要と, 実際の運用時に明らかとなっ た課題, および遠隔監視と組み合わせた場合の課題解決について述べる.
9. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 本報告の実証実験農場の紹介（設備） 電磁弁制御系統イメージ ハウス毎に設置する電磁弁
10. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 本報告の実証実験農場の紹介（コントローラー仕様） 制御マイコン：ESP32 電源電圧：DC24V 制御バルブ数：最大１６個 ポンプ制御用 コンタクタ制御 / 故障検出（サーマルリレー） Ethernet I/F, RS485 , 圧力計インターフェイス搭載 タイマー用RTC（バッテリーバックアップ） MicroSD カード（ログ用） タイマー設定用 Web U/I サイズ: 130x80x70mm 防水ケースに格納 →結露などでの故障を回避
11. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 稼働モニタリング機能 現状はコントローラからLTEルータ経由でMQTTでデータ送信 制御状況モニタリング機能 システムの状態 のモニタリング
12. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 稼働状況の遠隔モニタリングの詳細
13. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 圧力センサのインターフェイスについて 配管編 信号編 現地設置編 送水管圧力のモニタリング
14. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 塩ビ管(VP管) 呼び径 13mm or 16mm ※流れがないので 小径の13mm で 問題なし Rp1/2 管用テーパーネジ (JIS B 0202) ※水道蛇口取り付けと同じ 送水流路 送水流路 圧力計測分岐 給水栓用 ソケット ネジ径変換アダプタ 〇ネジの種類と寸法表（安心の水回り専門SHOP 水道屋さん） https://www.rakuten.ne.jp/gold/suidou/html/sunpou_neji.htm 〇困ったときの知恵袋（株式会社彌満和製作所） https://www.yamawa.com/Portals/0/resource/jp/tips/pdf/tips-084.pdf ※管用ねじの組み合わせについて解説 〇接続口の「BSP」とはどのような規格ですか？（アズワン株式会社） https://faq.as-1.co.jp/faq/show/241855?category_id=12188&site_domain=default ※1: BSP イギリス管用平行ねじ規格 ISO規格の各ねじとの互換性 1/2"BSP (Male) ※1 1/4"BSP (Female) ※1 圧力センサ 〇ネジ径変換アダプタ 製品例 〇圧力センサ 製品例 管用平行ねじ G1/4 〇圧力センサのインターフェイスについて (1/3) 配管編 ※ネジ径がBSP表記の ものが安価に購入 できるようです。 ※漏水等の被害は甚大であるため 妥当性の検証は各自の責任で行ってください。
15. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 〇圧力センサのインターフェイスについて (2/3) 信号編:出力電圧→圧力換算 ＡＤ１：センサ供給電圧モニタ ＡＤ２：センサ出力信号モニタ 〇測定回路例 〇センサインターフェイス仕様 0.5MPa (約5気圧 5kgf/cm2) 程度の測定レンジの製品が妥当 A/Dコンバータ例 MicroChip MCP3426A0T-E/MS 16bit / 2ch / I2C 電圧リファレンス内蔵 0 圧力 [MPa] センサ出力[V] 0 (大気圧) 0.5V 0.5MPa (測定レンジ) 4.5V 注意点： 1. ポンプ停止後汲みあげ側の水位 低下で圧力が負になることがあ ります。 2. 送水管内の流体を通じて誘導雷など サージ電圧が印可される可能性が あるので回路保護対策を推奨します。 3. 市販の圧力計等を評価ジグなどを 製作し妥当性の確認を行うことを 推奨します。
16. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 〇圧力センサのインターフェイスについて (3/3) 現地設置編 工事上の注意点 １．センサのリード線は紫外線に晒されると早期に劣化（退色）が起きます。 結線後ビニールテープなどで保護するとともに、必要に応じてコルゲートチュープ等を併用 して保護ください。 ２．冬場の凍結対策として保温材の保護をセンサ部分にも推奨します。 ３．故障診断の便宜のためにセンサをコネクタを介して接続することを推奨します。 屋外での故障診断用に同じコネクタに１０kΩ程度の可変抵抗を接続しセンサを模した 診断ジグを準備しておくと便利です。 〇センサ周辺の配線保護例 〇保温材の追加例 〇コネクタ追加例
17. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 送水端圧力 1.2kgf/cm2 バルブ稼働状況 ０kgf/cm2 ※水源が井戸のためOFFで水位が下がり負圧となる AM9:00 AM9:45 AM9:00 AM9:45 AM9:00 AM9:45 〇自動潅水時の稼働モニター状況例
18. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 〇自動潅水時の稼働モニターから実現可能なこと(1) → メンテナンスの効果測定、メンテナンス時期のアラート機能 フィルタ フィルタ 清掃実施 フィルタの清掃前後の圧力変化から、メンテナンスの効果が定量的に 把握できる。また、低下が起きた際にメッセンジャーなどでアラート をユーザーに通知することが出来、メンテナンスを促すことが可能
19. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 送水端（ポンプ側 ） ※1 以下文献より引用 基礎から学ぶ 流体力学 飯田 明由, 小川 隆申, 武居 昌宏 著 ISBN978-4-274-20435-7 発行元オーム社 Page. 181 図 5.32 図 管路の全損失を考慮した計算 :重力加速度≒ 9.8 [m/s2] :流量 [m3/sec] 数十~百数十m 送水端 圧力センサ P1 埋設配管 潅水チューブ 数m 各ハウス 電磁弁後 〇自動潅水時の稼働モニターから実現可能なこと(2) 潅水チューブ側 圧力センサP2 ※4分岐 潅水流量 推定 P1-P2 ଶ 右辺のすべての項に流量U の２乗が掛かる ※P1 とP2の測定位置は 離れているがUECS活用 で同時測定が現実的に！ 比例定数 k をキャリブレーションで 予め測定しておけば流量推定が可能
20. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 保護回路 / 電源モニタについて
21. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 〇回路例 保護回路 / 電源モニタについて ツェナーダイオード →過電圧、逆接保護 ポリスイッチ （リセッタブルヒューズ） シャント抵抗 （電流検出） シャント抵抗 （電流検出） ツェナー ダイオード ポリスイッチ I2C I/F 〇実装例 シャント抵抗 電位差 シャント抵抗 電位差 ピンピッチが 0.5mm と狭い ためモニタ電圧 入力は直結しな いほうが安全です。 株式会社ストロベリー・リナックス INA226 I2Cディジタル 電流・電圧・電力計モジュール(20Aタイプ) 電源モニタIC Texas Instruments INA266 〇回路試作向け評価基板の紹介 動作イメージを簡単に説明すると ・異常な電源が印可された際に電流をツェナーダイオード にバイパスされることで、保護素子であるポリスイッチ を動作させ電源装置側の過電流保護を動作させます。 ・最悪でも、ツェナーダイオードの焼損で被害を留め ツェナーダイオードの交換だけで修理を行うことが 期待出来ます
22. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator システム供給電圧 システム消費電流 DC24V 1.55A (バルブ稼働時) ※稼働中の 電流の低下は 電磁弁コイルの 発熱による 抵抗増大の影響と 考えられる 電磁弁稼働時の電源電圧低下 の程度電源装置の劣化の判定 や予防保全が可能？ 電圧低下部分 拡大 必要十分な信頼性の 電源の採用による 適正コストと信頼性が両立 〇電源電圧、電流モニタの実際
23. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator RTC（Real Time Clock）について
24. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator RTC（Real Time Clock）について RP2040(Raspberry Pi Pico MPU) 50℃ 30℃ 5/23 0:00 5/17 0:00 専用クロック無し、温度補償なし →時刻の誤差大 屋外は温度差が激しいため温度補償付きの RTCの実装が望ましい RTC RX8900の温度測定機能を用いて測定 システム温度モニタ 年差でも２分以内
25. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 今後の開発の展望と課題
26. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 今後の開発の展望と課題（１） 通信コスト低減、通信の信頼性確保 〇稼働データをすべてクラウドに送信すると通信コストが大きい →トラブルシューティングのためには稼働データは欲しいが クラウドで見れる必要はない。現地で取得出来れば十分 → ユーザー側は必ずしも稼働データは必要としない 死活管理のほうが重要 〇システムの動作完了、死活管理などは高い信頼性が必要 → LTEによる通信は、キャリアによっては通信の信頼性が怪しい（電源再起動を依頼して復旧） 解決策 死活監視に特化した、UECSゲートウェイを開発する LPWA（SONY 提供サービス ELTRESターゲットに開発着手）
27. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator W5500-EVB-Pico-PoE W55RP20-EVB-Pico 今後の開発の展望と課題（１） W55RP20 について →Ethernet デバイスのローコスト化を意識した設計 ゲートウェイの低価格化のために有用と考えるため、移植可能か 評価を行った ３つのチップをSiP（System in Package）に統合
28. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator ADI社のiCoupler RP2040 ¥104 W5500 ¥299 W25Q16JVUXIQ ¥61 計 461円 ※各部品1000個ロット購入時 W55RP20 について 参考 SiPの内部例 ・実装コストも含めるとW55RP20が安価 ・高速信号（SPI）がパッケージ内配線 のため実装の再現性がとりやすい
29. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator W5500側 RP2040側 W55RP20 Datasheet より引用 W55RP20 Datasheet より引用 W55RP20 について UECS 移植上の課題(1) RP2040の目玉機能？である、 PIOインターフェイスで接続 されているため開発、検証が必要
30. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator W55RP20 について UECS 移植上の課題(2) WIZnet では、 lwIP (lightweight IP)ベースの開発環境を正式にサポート、検証を 行っている。 Ethernet2 ライブラリとの互換性はない。 Etherner ライブラリ互換で使える変換レイヤーが準備されている。 MACアドレスについては RP2040 側の外付けフラッシュ にユニークなシリアル番号が 振られているのでそれから生成 出来る。
31. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 弊社 中村が UARDECS をW55RP20へ移植を行いました。 弊社HPにGitHub のリンク を貼っていますので 興味ある方は参照してください 問題残件 ・EEPROMへの設定保存に 問題発生する場合が確認 されている。 皆様のご協力で実用的なものに 仕上げていきたいと思っており ますのでよろしくお願いします。 GitHub
32. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator Demo W55RP20-EVB-PicoによるUECS実装と インバータ動作のデモ
33. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 電源 5V RS485 3相 200V 3相誘導電動機 (100W) インバータ UECSインバータ 制御ノード AC100V (200Vに昇圧して供給) UECS Web I/F 制御ノード (ノートPC) UECS ネットワーク 操作用端末 WiFiルーター WiFi接続 WiFi接続 100 BaseT / WiFi デモ環境 SHT31温湿度センサ
34. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator 第25回オープンエッジデバイス研究会 2025/06/18(水) 19:00 ～ 20:00 ソニークリエイティブラウンジ（SONY品川本社1F） / オンライン W55RP20-EVB-Picoによるインバータ制御については 以下のイベントで技術発表予定
35. 株式会社 B＆B Lab. IoT System R&D Innovator ご清聴ありがとうございました