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ハイテクソリューション IoT社会に欠かせないセンサの最新技術
ラピスセミコンダクタの農業IoTソリューション:土壌センサユニットMJ1011

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電波新聞 IoTソリューション ラピスセミコンダクタの土壌センサユニット

はじめに

近年農業分野では「6次産業化」が注目を集め、圃場へもICTの導入が行われてきている。「6次産業化」とは、栽培(1次産業)・加工(2次産業)・流通(3次産業)を一体化し、「食の安全」「安定生産・高効率化」「環境保全」といった農業分野への要求に応えて生産物の価値を高める取り組みだ(1次×2次×3次=6次)。実現に向け各種情報のデジタルデータ化や管理が重要となる。その中でも、栽培工程は天候などの状況に左右されやすく、管理のボトルネックとなっている。

栽培工程の見える化のため、圃場環境情報をリアルタイムでモニタリングしたいというニーズは以前からあった。地上の温度・湿度などは大気中の撹拌で均一化されるため、データ管理がし易い。対して、地中は撹拌できないため不均一になりやすく、センサによる状況把握・制御の要望も強かった。しかし、従来は土壌採取後に評価施設へ運び、溶液中に溶かして分析装置で測定する必要があり、数メートルで大きく変化する土壌環境のリアルタイム計測や広範囲の土壌情報を同時に取得することは困難であった。

このような中、ラピスセミコンダクタは半導体技術をベースにした土壌センサを開発。得意とする低消費電力マイコン技術や無線通信などと組み合わせ、農業IoTソリューション分野での実証実験を行ってきた。そして今回、実証実験結果などを踏まえ、土壌センサユニット「MJ1011」を開発し商品化したので以下に紹介する(図1)。

図1:ラピスセミコンダクタ開発 土壌センサユニット
図1:ラピスセミコンダクタ開発 土壌センサユニット

製品の特長

土壌センサユニット「MJ1011」は、スマート農業に最適な下記の特長を実現した。

土壌環境指標4項目(EC、pH、地中温度、含水率)を同時に計測可能。通信システムとの接続により、リアルタイム計測を実現

pH測定には半導体によるISFET方式を採用した。ISFETとは、Ion Sensitive Field Effect Transistor(イオン感応性電界効果トランジスタ)の略である。イオン感応膜を有するFETで、イオンの活性量をイオン感応膜の表面電位で検出する。シリコン半導体製造技術により作製できる。土壌や水中など測定対象に埋設し、先端に配置したセンサ部で地中や水中のEC(電気伝導度)、pH(酸性度)、地中温度、含水率といった環境情報の計測が可能となった。従来の技術では土壌環境指標4項目を同時に計測する製品はなく、ラピスセミコンダクタの半導体集積化技術により可能になった(図2)。また、本製品と通信システムを併用することで、これまで困難であったリアルタイムでの測定・状況把握も可能になった。

図2:土壌センサユニットの特長

図2:土壌センサユニットの特長

業界トップクラスの制御技術により超低消費電力を実現。
太陽電池での長時間駆動も可能

計測したデータは、専用に開発したアナログフロントエンドLSIと、業界トップクラスの低消費電力を実現した16bitローパワーマイコンML620Q504Hで処理する(図3上)。これによって消費電流は計測時20mA、待機時27µAと低消費電力化を実現した。太陽電池での動作が可能なため、圃場などでの電源供給の課題が解決され、土壌環境モニタリングの実現性を高めることができる。

どこでも使用できる小型・防水モジュール

専用のアナログフロントエンドLSIによって部品点数を削減し、サイズは122 x 42 x 42mmと小型化を実現。先端部の土壌センサ実装部分(センサヘッド)はワンタッチの交換式で、別売りのセンサヘッドと交換できる(図3下)。また、IP67の環境耐性防水規格に対応。土壌、水耕、養液栽培などの各種栽培方式にも使用可能で、各種施設栽培、露地、植物工場などの様々な環境での使用が可能である。

図3:土壌センサユニットの構造

図3:土壌センサユニットの構造

汎用I/Fにより、既存のIoTシステムにもかんたん接続

デジタルインターフェースUARTを搭載。汎用コネクタを採用し、接続仕様を合わせることで、各種データロガー等、既存のIoTシステムへの導入も可能である。また接続可能なIoTシステムのご紹介も行える。

ソリューション応用事例

この土壌センサユニットの特長をいかしたソリューションを構築すべく、農業法人などと連携し、圃場の土壌環境をモニタリングする実証試験を行なってきた。土壌センサをエンドポイントと呼ばれる無線通信機に接続し、複数個所に設置。計測データをコンセントレータ(中継器)経由で、ゲートウエイまで送信する。これをCloudサーバ経由で見える化することにより、環境モニタリングと圃場管理を行なった(図4)。

図4:土壌環境モニタリングシステム設置イメージ
図4:土壌環境モニタリングシステム設置イメージ

本実験に使用したエンドポイント、コンセントレータには、当社の920MHz帯域無線通信LSI(ML7345)と業界トップクラスの低消費電力を実現した16bitローパワーマイコン(ML620Q504H)を使用した。920MHz帯域の無線通信の採用で、見通しが良ければ500m程度※の無線通信が可能なため、複数の圃場をカバーすることを確認した。※ラピスセミコンダクタ評価による。

また、圃場や山間地でのIoT化には電源確保の課題があり、実用化の障害になっていた。本実験では当社の16bitローパワーマイコン(ML620Q504H)などによる低消費電力技術を活かし、太陽電池での駆動が可能であることを確認。様々な設置条件での土壌モニタリングの可能性を示唆した。

取得した環境データは手元のスマートフォンやタブレット、パソコンなどで確認することができる。リアルタイムで圃場環境情報を把握できるだけでなく、これらのデータを蓄積することで、定量的に栽培や管理へのフィードバックが可能となり、肥料や水分、地温の管理、土壌改良、経年データの比較や将来予測など、生産性向上に貢献することが期待される。

今後の取組み

ラピスセミコンダクタは今後も、センサ技術、低消費電力技術、無線通信技術などの強みを活かし、農業・社会インフラ・工場・物流等のIoTソリューションビジネスの加速展開を図り、社会に貢献していく。