[論文レビュー] Automated Smart Wick System-Based Microfarm Using Internet of Things.

Romeo L. Jorda, C. Alcabasa+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2019

Water Quality Monitoring Technologies参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、都市農業における自動化されたマイクロファームを実現するIoTベースのシステムを提案する。ウィック方式を用い、センサーがアーキテクチャマイコンを介して光、湿り気、温度を監視し、データをラズベリーパイゲートウェイおよびAndroidアプリに送信する。システムはLEDグローライト、ウォーターポンプ、エアーコーラーを自動制御し、最適な生育環境を維持する。その結果、標準生育と比較してマスタードグリーンスの平均生育高が0.23 cm増加した。

ABSTRACT

This paper presents a study conducted to allow urban farmers to remotely monitor their farm through the design and development of an Internet of Things-based (IoT) microfarm prototype which utilized wick system as planting method. The system involves the detection of three environmental parameters namely, light intensity, soil moisture and temperature through the use of respective sensors which were connected to the Arduino microcontroller, the sensor node of the system. Irregularities in the aforementioned parameters were neutralized through the use of parameter regulators such as LED growlight strips, water pump and air cooler. The data collected by these sensors were gathered by the Arduino microcontroller and were sent to the Web database through the IoT gateway which was the Raspberry Pi computer chip. These data were also sent to an Android unit installed with the Microfarm Companion application which was capable of monitoring and controlling the environmental parameters observed in the microfarm. The application allows the user to view the current value of the parameter involved and to choose whether to control the parameter regulators automatically or manually. The microfarm system runs autonomously which reduces the labor required to produce healthy plants and crops. Mustard greens samples were used in testing the system. After a month of monitoring the height of the samples, it was observed that the average height of the samples is about 0.23 cm taller than the standard height. The proponents has also tested the system functionality by evaluating the sensor data log that provides the values gathered by the sensors and the turn-on times of the parameter regulators. From these data, it can be observed that whenever the values obtained by the sensors fall outside the threshold range, the parameter regulators turns on, indicating that the system is working properly.

研究の動機と目的

• 人的労力の多い都市農業の課題に対処するため、マイクロファームの環境パラメータを遠隔監視・自動制御可能にする。
• 効率的な水配給を実現するウィック方式を用いた、低コストでスケーラブルなIoTベースの都市マイクロファームソリューションを開発する。
• センサー駆動のアクチュエータを用いて、光、湿り気、温度の自動制御により、最適な植物生育を実現する。
• 変動する環境閾値下でのリアルタイムのセンサーロギングとレギュレータ反応を確認することで、システムの機能性を検証する。
• 1か月間の監視期間中にマスタードグリーンスを試験作物として用い、システムの有効性を評価する。

提案手法

• アーキテクチャマイコンがセンサーノードとして機能し、光、土壌湿り気、温度センサーからのリアルタイムデータを収集する。
• 環境の閾値を定義。センサーの測定値がこれらの範囲外にあると、システムがアクチュエータ（LEDグローライト、ウォーターポンプ、エアーコーラー）を起動して状態を是正する。
• センサーからのデータはIoTゲートウェイ（ラズベリーパイ）を介してウェブベースのデータベースに送信され、保存およびリモートアクセス可能となる。
• Androidベースの「マイクロファームコンパニオン」アプリケーションにより、ユーザーはリアルタイムのパrameter値を確認でき、手動モードと自動モードの切り替えが可能となる。
• システムは自律的に稼働し、人的介入を最小限に抑えつつ安定した生育環境を維持する。
• システムの性能は、センサーログデータとレギュレータ作動時間の分析により検証され、閾値違反に対する適切な反応が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IoTベースのシステムは、マイクロファーム環境において、光、湿り気、温度といった重要な環境パラメータを効果的に監視・制御できるか？
• RQ2 環境要因の自動制御は、標準的状態と比較して、植物生育にどの程度向上効果をもたらすか？
• RQ3 システムは、パラメータの逸脱をどの程度信頼性高く検出し、アクチュエータによる是正処理をトリガーできるか？
• RQ4 モバイルアプリによる遠隔監視・制御は、都市マイクロファームにおける使いやすさ向上と人的労力削減に寄与するか？

主な発見

• 自動制御システムは、センサー値が事前に定義された閾値を超えた場合に、レギュレータを起動することで最適な生育環境を維持した。
• センサーログデータから、環境値が許容範囲外に逸脱した際に正確にレギュレータが作動していることが確認され、システムの信頼性が裏付けられた。
• 1か月間の監視後、本システムで育てたマスタードグリーンスは、標準生育と比較して平均で0.23 cmの生育高増加を示した。
• アーキテクチャマイコン、ラズベリーパイ、およびAndroidのマイクロファームコンパニオンアプリの統合により、マイクロファーム環境のリアルタイム遠隔監視・制御が可能になった。
• 本システムは自律的機能を示し、植物ケアおよび環境管理における人的労力の著しい削減が達成された。