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知っているようで知らない、「植物の生活」の様子をIoTで調べる

「野菜や植物の生活の様子をIoTで調べる」。これが、今回のIoTで実現したいテーマです。

筆者はIoTデバイスの実験のために知り合いの耕作放棄地の整備を手伝い、畑や植物について日々勉強しています。これまでにも、自宅から50km離れた畑にさまざまなIoTデバイスを設置して、畑の様子を可視化してきました。

最近では、Webカメラが手頃な価格で手に入るようになりました。そこでソーラーパネルとWi-Fiルーター、Webカメラを組み合わせて、1日数回、Webカメラで畑の様子を見ています。今は電力の関係で夕方の数時間しか画像を確認できませんが、小さな畑を見守るには十分です。

写真1. 農園に設置されたカメラからのリアルタイム映像 写真1. 農園に設置されたカメラからのリアルタイム映像

カメラで植物(雑草も含む)が成長する様子を観察するのは、なかなか面白いものです。筆者は2020年まで植物にも農業にも全く縁のない暮らしをしていましたので、植物にはいまさらのように驚かされることが多くあります。特に、その成長力には驚くばかりで、枯れたように見えても生きている苗を何度も見ました。

また、小さな種が大きく育ち立派な野菜となる様子は、収穫以上の喜びを与えてくれます。今回はそのような、けなげでたくましい野菜や植物の様子を、IoTを使って屋内で調べる仕組みを作りました。

使用機材の紹介~室内で植物の成長の様子を調べるために

ソラカメを使って、タイムラプス動画を作る

今回の実験では、植物の生育状況を調べるために最新のWebカメラ「ソラカメ」を使用しています。理由はわずか3480円で購入でき、しかも高性能であるからです。

機材慣熟のために、まず始めにどうしてもやりたかった実験を行いました。それは、「植物の発芽の様子を撮影したタイムラプスを作る」ことです。自宅から離れたところにある仕事場で、4日間かけて撮影を行いました。

動画1. ブロッコリースプラウトの発芽の様子

ソラカメはSORACOMが提供しているWebカメラ「ATOM Cam2」を使用したサービスです。システム構築や専門の技術知識を必要とせず、高品位な映像を得られます。

この動画は単純にソラカメのタイムラプスで撮影しているので、筆者が工作したわけではありません。しかし、筆者が子供の頃にはNHKなどでしか見られなかった映像を、自分で作れました。

実験に使用したブロッコリーは開始2日目ごろから発芽し始めました。いっせいに発芽すると、太陽の光を求めて動き始めます。実験を行った部屋は無風ですが、その動きはまるで風に吹かれているようです。

見たいときに映像を確認できるメリット

ソラカメを使用しながら実験を進めていて気づいたのですが、植物の生育実験では常時映像を見て確認できる仕組みは大変なメリットがあります。筆者が実験装置の設置された仕事場に行けないときにも、ソラカメを使用して植物の様子を観察しながら実験を続けられました。

IoTを使って、植物の生活を調べる

植物の生活〜「植物は二酸化炭素を吸うのか、吐くのか?」

この実験の準備段階で、ベネッセの教育情報サイトで「【植物の生活と種類】 植物は二酸化炭素を吸うのか?吐くのか?」を学びました。 

前述のタイムラプスでも分かるように、植物は光の方向に成長していきます。これは植物が光合成を行い、生体に必要な有機物質を作り出しているためです。光合成が行われている間、植物は二酸化炭素を取り入れ、酸素を出しています。しかし、同時に酸素を吸い、二酸化炭素を吐く呼吸を行っています。つまり、理論的には以下のような活動をしていると考えられます。

光が当たっているあいだ⇒光合成+呼吸(CO2減少?)
光がない状態⇒呼吸だけ(CO2増加?)

「? 」を付けているのは、筆者が実感として理解できなかったことによります。光合成については中学校の理科で学習していますが、感覚的には理解できないところもあります。そこで、密閉性の高いミニ温室を作って、植物の呼吸の様子を調べました。

IoTミニ温室を作る

ミニ温室は、光合成/呼吸を中心とした植物の生活が測定できるように、密閉構造にする必要があります。また、密閉度が保たれているかの対照試験用に、同じ構造のものを二つ作らなくてはなりません。

写真2. IoTミニ温室・初期バージョン 写真2. IoTミニ温室・初期バージョン

写真は、IoTミニ温室です。2階建て構造になっていて、上部が密閉容器(Ⅰ)対照試験用、下部が密閉容器(Ⅱ)植物観察用です。なお写真2.の二酸化炭素発生装置は改良前のものです。後述しますが、実験の過程で改良し、最終的には別のものになっています。

また、下の表は今回の実験に使用したミニ温室の構成要素リストと価格表です。

  購入先 価格(税込)
密閉容器(Ⅰ)…対照試験用(上の部分)    
容器本体 100円ショップ 550円
二酸化炭素濃度測定センサー(「SCD40」) シードプラス 9800円
M5Stack Basic(可視化用の開発モジュール、with「SORACOM Arc」) スイッチサイエンス 6094円
二酸化炭素発生装置(「オイラー」) ホームセンター 660円
密閉容器(Ⅱ)…植物観察用(下の部分)    
容器本体 100円ショップ 550円
二酸化炭素濃度測定センサー(SCD40) シードプラス 9800円
M5Stack Basic(可視化用の開発モジュール、with SORACOM Arc) スイッチサイエンス 6094円
二酸化炭素発生装置 ホームセンター 660円
植物(シルクジャスミン×2) 100円ショップ 660円
  合計金額 3万4868円
     
IoTの比率 91.2%(3万1788円)  
IoT以外の比率 8.8%(3080円)  

(参考)ソラカメ(ATOM Cam2)3480円 ※ATOM Cam 2の価格として
※それぞれ、掲載時点の価格です

表1. 今回の製作にかかった費用と比率

今回は高価な二酸化炭素濃度センサーを2セット使用しているため、他の費用をできるだけ抑えつつ実験装置を製作しました。なお、二酸化炭素発生装置の価格は、改良後のものを掲載しています。

光合成には二酸化炭素が必要……二酸化炭素発生器

「光合成で植物に消費される」と予想して、二酸化炭素発生装置を製作しました。そして、室内よりも容器内のほうが二酸化炭素濃度が高くなるようにしました。

二酸化炭素を発生させる方法はたくさんあります。最初はドライアイスを使う方法を考えましたが、ドライアイスの保存が難しく断念しました。そこで、重曹の水溶液にビタミンCの錠剤を入れて二酸化炭素を発生させることを思いつきました。化学式としては、以下の通りになります。

NaHCO3(重曹)+C6H8O6(アスコルビン酸)
=C6H7O6Na(アスコルビン酸ナトリウム)+CO2+H2O

この方法であれば、劇薬や熱を使用する必要なく、家庭にあるもので簡単に二酸化炭素を発生させる仕組みができます。写真中の白い泡が二酸化炭素です。

写真3. 最初の二酸化炭素発生器 写真3. 最初の二酸化炭素発生器

ただし、この方法にも試行錯誤が必要でした。最初は、二酸化炭素発生器を写真のように直接ミニ温室の中に置いていたのですが、必要以上に二酸化炭素が発生してしまうために最初の実験の後に改良しています。

ミニ温室の環境の可視化について(測定)

今回は「M5Stack Basic」に、スイス・センシリオン社の二酸化炭素/温湿度センサー「SCD40」をI2Cで接続しました。シードプラス製のGROVEコネクター対応のものを使用し、はんだ付け等の作業工程を極力減らしています。二酸化炭素濃度の測定範囲は400-2000ppmですが、参考値として使用する場合は4万ppmまで測定可能です。以下はSCD40の測定諸元について、センシリオン社のデータシートから引用します。

表2. SCD40の諸元(センシリオン社のデータシートより) 表2. SCD40の諸元(センシリオン社のデータシートより)
写真4. SCD40 実装基板・シードプラス製 写真4. SCD40 実装基板・シードプラス製

ミニ温室の環境の可視化について(クラウドへの送信)

また、可視化のためのクラウドへのデータ送信には、SORACOMが2021年に発表した、「SORACOM Arc」を使用しています。

表3. SORACOM Arcのフロー概念図(SORACOMのホームページより) 表3. SORACOM Arcのフロー概念図(SORACOMのホームページより)

SORACOM Arcを使用するメリットは「簡単に、安全に、現在あるWi-FiなどのIP ネットワークから SORACOM の各種プラットフォームサービスに接続できる」点です。接続には、VPNソフトウェア「WireGuard」を使用します。また、ESP32専用のライブラリ(Kenta Ida氏によるWireGuard-ESP32)があるので、非常に簡単に既存のM5Stack(またはESP32を使用しているボード)のコードに適用が可能です。

表4. WireGuard-ESP32について(Kenta Ida氏の資料より) 表4. WireGuard-ESP32について(Kenta Ida氏の資料より)

WireGuard-ESP32は、「Arduino IDE」のライブラリマネージャーからも、「VSCode」の「PlatformIO」からも使用できます。

使用に当たっては、以下の3ステップを踏みます。

  1. バーチャルSIMをSORACOMのユーザーコンソールで取得
  2. WireGuardをインストールして、VPNの設定をする
  3. それぞれの設定した情報をESP32のコードに書き込む

これで、SORACOMの可視化サービス「SORACOM Harvest」への送信が可能になります。最終的には可視化サービスの「SORACOM Lagoon」を使用して、グラフィカルなデータ処理をしています。 

表5. ESP32シリーズでSORACOM Arcを使用するための設定手順 表5. ESP32シリーズでSORACOM Arcを使用するための設定手順

なお、今回測定と可視化で使用したM5Stack Basic用のコードは、「SORACOM UG」で活躍されているKenichiro Kimura氏のコードを参考とさせていただきました。 

ソラカメの役割

今回の実験におけるソラカメの役割は、以下の2つです。

  1. 植物の変化をとらえる(タイムラプス)
  2. M5StackのLCD画面に表示された環境データを、カメラで確認する
     

特に②は仕事場を離れている時間帯の「現状」を確認する上で、非常に役に立ちました。なお、ソラカメの本来の機能である常時録画は使用しませんでした。

実験1.二酸化炭素発生量が多すぎた

実験1.では、二酸化炭素発生器をミニ温室内にそのまま放置して、植物がどの程度二酸化炭素を吸収するかを確認しました。しかし、発生器から出る二酸化炭素の量が想定外に多すぎ、極端に二酸化炭素濃度が上昇してしまいました。

通常、無人の仕事場の二酸化炭素濃度は600ppm前後なのですが、ミニ温室の中の二酸化炭素濃度は上昇を続け、最大で1万5000ppm以上になってしまいました。あまりの上昇に途中で実験を中断しようとも考えましたが、実験終了後にデータを見直すと、面白いことが分かりました。

グラフ1. 二酸化炭素発生器をミニ温室に放置した場合:ピークは1万5000ppm程度 グラフ1. 二酸化炭素発生器をミニ温室に放置した場合:ピークは1万5000ppm程度

上のグラフの緑の線が植物を入れたミニ温室の二酸化炭素濃度を、紫の線が対照実験用のミニ温室の二酸化炭素濃度を示しています。日中は何も入っていない対照試験用のミニ温室と比較すると、植物を入れたミニ温室の二酸化炭素濃度はわずかながら低くなっています。しかし、夜間の時間帯にふたつのミニ温室の二酸化炭素濃度の数値は逆転します。

この時点では不明な点も多く、これが植物の呼吸によるものかは不明でした。とはいえ夜間に植物があるミニ温室の二酸化炭素濃度だけ上昇しているので、これが植物の呼吸によるものかもしれないと仮説を立てて、次の実験を行いました。

IoTミニ温室の改良作業

実験1.では、ミニ温室内に放置した二酸化炭素発生器が予想以上に長時間作動したために、必要以上の二酸化炭素濃度になってしまいました。そこで次の実験からは、実験開始時にミニ温室内を一定の二酸化炭素濃度にするための工夫をしました。

写真5. 二酸化炭素発生器を外付け式に。手前の容器がオイラー 写真5. 二酸化炭素発生器を外付け式に。手前の容器がオイラー

上の写真が、実験1.の後に追加した二酸化炭素発生器です。仕組みは非常に簡単で、オイラーを改造してミニ温室の外側に設置できるようにしました。この中に、前述の重曹の水溶液とビタミンCを入れます。実験のために設定した濃度(2500ppm)付近になったら、この発生器を取り外してシーリング材でふたをします。

非常に簡単な仕組みですが、結果としては十分機能するものになりました。

実験2. 植物の昼と夜

写真6. 実験2.の実施中。ソラカメにて遠隔撮影 写真6. 実験2.の実施中。ソラカメにて遠隔撮影

実験2.では植物の入っているミニ温室と対照試験用のミニ温室の二酸化炭素濃度をそれぞれ2500ppm前後にして実験をスタートしました。対照試験用のミニ温室を同じ濃度にするのは、容器の密閉度を二酸化炭素濃度の減少率で調査するためです。例えば24時間で50%減少するなど、減少率があまりにも高い場合は実験装置として適切かどうかを再検討する必要があると考えたからです。

結果は、昼(光合成+呼吸)と夜(呼吸のみ)で二酸化炭素濃度の具体的な変化を明らかにできました。

グラフ2. 実験2.の結果:光合成と呼吸の様子が可視化できた。紫は対照試験用 グラフ2. 実験2.の結果:光合成と呼吸の様子が可視化できた。紫は対照試験用

光合成のない時間帯(16時以降〜翌日7時ごろ)では、スタート時に2700ppmだった二酸化炭素濃度が右肩上がりになり、ピーク時には7400ppmに達しています。しかし、7時ごろに仕事場の雨戸を開け、光合成の条件を整えると数値は大幅に減少しはじめ、光合成が終わる16時ごろには当初の2700ppm程度になっています。その後は、前日と同じような二酸化炭素の上昇が始まります。

前述のように、植物は光合成しないときには他の生物と同じように酸素を吸い、二酸化炭素を吐き出す呼吸をします。筆者の中では、植物の呼吸はここまで二酸化炭素を吐き出すものではなく、もっとマイルドなイメージがありました。しかし、この実験で得たデータから、植物の呼吸は想像よりも力強いものであると分かりました。

なお、ミニ温室の内部は前出の写真の通り結露しています。温湿度も合わせて測定したので可視化してみました。上の2つの線が湿度を示しており、緑の線が植物の入っているミニ温室です。また、下2つの線は温度を示し、青が植物の入っているミニ温室のデータです。

グラフ3. 実験2.実施中のミニ温室内の温湿度の変化。植物のある温室は結露 グラフ3. 実験2.実施中のミニ温室内の温湿度の変化。植物のある温室は結露

植物のあるミニ温室は、湿度が90~100%に達していますが、対照試験用のミニ温室ではそこまで高くありません。また、温度に関しては2つのセンサーの測定値にほとんど差はなく、このデータによってセンシリオン社のセンサーの特性が分かります。

植物の生活を調べる上での注意点~チャンスを逃さない

最初の実験から実験2.終了まで、およそ2カ月かかりました。一部の実験は、何度か失敗してやり直しています。

この間、予想外のうれしいこともありました。シルクジャスミンの花が咲いたのです。ミニ温室の中は高温多湿になっていますが、その環境はシルクジャスミンにとって良いものだったのかもしれません。ただ、タイムラプスで開花の様子を撮影していなかったのが残念です。

写真7. 左側の鉢に白い花が見えます 写真7. 左側の鉢に白い花が見えます

植物相手の実験には時間がかかり、しかも好機を逃すとさらに時間が必要になります。シルクジャスミンの開花は、植物相手の実験で気を付けなければならないことを筆者に教えてくれました。開花のタイムラプスを撮ろうと考えましたが、次の機会は訪れませんでした。

実験3. 発芽と呼吸

最後の実験は、「発芽と呼吸」に関する実験です。前述の「植物と生活」を思い出してみましょう。

●光が当たっているあいだ⇒光合成+呼吸(CO2減少)
●光がない状態⇒呼吸だけ(CO2増加)

先ほど付けていた「? 」は、実験の結果上記の法則がよく腑に落ちましたので消しました。しかし、ここにきてまた疑問が浮かびました。それは、「発芽時には二酸化炭素は増える? それとも減る? 」です。

もちろんこれも教科書には書いてありますが、実験で確かめていきます。同時にタイムラプスで発芽の様子を撮影して、2つのミニ温室で発芽や生育に差があるかを観察します。

2つの実験を同時に行う

種子の発芽と呼吸の関係では、2つの実験を同時に行います。種子には、ベビーコウサイタイという植物を使用しました。

(実験の内容)

  1. シルクジャスミン1鉢と種子を一緒のミニ温室に入れて観察(密閉)
  2. 種子だけをミニ温室に入れて観察(φ15の空気穴だけを開けておく)

この2種類の実験をしながら、種子の育ち具合に変化が出るかタイプラプスで記録していきます。

写真8. 実験3. 準備中 写真8. 実験3. 準備中

結論:発芽時には普通の呼吸をする

実験3.では、2つのミニ温室の二酸化炭素濃度の変化を調べました。結果は、以下のグラフ4.の通りです。

グラフ4. 実験3. 発芽と呼吸。種子だけの温室(紫)ではCO2濃度は上昇 グラフ4. 実験3. 発芽と呼吸。種子だけの温室(紫)ではCO2濃度は上昇

紫色のグラフはシルクジャスミンのない、種子だけを置いたミニ温室の二酸化炭素濃度の変化を示しています。種子の発芽に応じて、徐々に二酸化炭素の濃度が高くなっていくのが分かります。実験2.に比べて、光合成の際に二酸化炭素量が減少しないのは、この期間は曇りの日が多く、植物の生育を調べることを目的としているこの実験には適していなかったからかもしれません。

この実験の様子は、同時にタイムラプスで撮影しました。結論から言えば、2つのミニ温室のスプラウトに明確な違いはないように思われます。もちろん、あくまでも動画を見た私の印象です。学術的に再検討すれば、異なる知見を得られるかもしれません。

動画2. 実験3.のタイムラプス動画

まとめ

一連の実験を終えてみると、農業IoTから少し離れて最後は植物の実験になってしまった感があります。トライアルにも非常に時間がかかりました。しかし、得るものも多くありました。

まとめとして、筆者が重要だと感じたポイントをいくつか挙げます。

実験は思い通りには進まない、だから意外な喜びもある

今回の執筆では、筆者は植物に良い意味で予想を裏切られました。「植物は光合成しないときには二酸化炭素を放出する」。測定データが示した植物の呼吸の様子は、筆者の予想とかけ離れた力強さでした。

二酸化炭素の消費と放出のバランスの関係は、簡易的な測定のために正確には断定できません。しかし、放出量に関して言えば、筆者の想像をはるかに超えていました。実験2.を終え、二酸化炭素濃度のグラフを確認した時には、動くことがない植物の生命力や存在感をこれまでになく感じました。

当初は、「光合成の促進に」と二酸化炭素濃度発生器も使用しました。しかし実験を終えてから考えれば、ミニ温室には不必要だったようです。ミニ温室は、今回実験に使用した植物にとっては、非常に小さいものだったのかもしれません。筆者の思惑はここでも外れたわけですが、新しいタイプの二酸化炭素発生器のノウハウも得られたので、満足しています。

1つの作品(デバイス)で、いくつもの実験が行えることの大切さ 

IoTの工作や実験で、必ず考慮しなければならないのは予算と時間です。今回は核となるデバイスとして「ミニ温室」を作り上げた後は、小改造や実験条件の変更を重ねながら複数の実験を行いました。結果、追加予算をほとんどかけずに、今回のテーマである「植物の生活を調べる」に沿った実験を3種類(トライアルを含めるとそれ以上)行い、前述の通りのデータを得られました。

実験を行う際に、当初からなるべく柔軟に改造・流用できるようにしておくことは、継続してさまざまな実験や工作をする上でとても大切だと今回の実験を通じて気づかされました。

企業や学校などでも予算問題は切実で、筆者のような個人はなおさらです。予算削減のために、少しでも安い部品を買うことは、筆者も必ず検討します。しかし、購入価格の工夫にも限界があります。予算問題に異なる角度から取り組むためにも、「1つのデバイスを他の用途に有効活用すること」は、今後重要視されるべきポイントです。

リモート授業へIoT活用の可能性

やや話は飛躍しますが、ミニ温室+ソラカメの仕組みは教育現場での理科のリモート授業に大いに役立つかもしれません。

複数の生徒とこのシステムをインターネット上で共有して、今回筆者が1人で行った実験をグループで行うのです。ここまで構築した実験環境を使えばグループでもオンラインでこの実験に参加できます。すでに教育現場では実施されていますが、ソラカメは価格面・使いやすさなどでオンラインでの実験環境をさらに簡単なものにできる可能性を提供しています。

今回はリアルタイムで実験結果を観察するために、SORACOMの新製品「ソラカメ」をミニ温室の前に設置しました。IoTの技術によって可視化される温室の環境データとともに、仕事場から離れた場所にいても実験状況を映像で観察できる環境は、植物を対象とした実験をする場合には最適です。

植物の実験には長い時間を要します。しかし今回ソラカメを経由したことで、仕事場にいない時間帯でも植物の様子をスマホで確認でき、実験を大いに効率化できました。また、発芽の様子などをタイムラプスで撮影することにも成功しました。

リアル環境での実験は大切です。しかし、限られた時間や予算を使って教育が行われている現状を考えると、必ずしもそうではありません。より多くの生徒がオンラインで実験に参加できる仕組みを提供できる可能性が広がることは、非常に大切です。

謝辞と参考文献

今回の執筆に当たっては、以下の方の文献や助言を参考にいたしました。ありがとうございました。

●SORACOM
・ソラカメ ドキュメント

SORACOM UG
・Kenichiro Wada(SORACOM Arcについて)
・Kenichiro Kimura(WireGuard-ESP32を使ったM5Stackのコードについて)


・Kenta Ida(WireGuard-ESP32の開発者)

 

【植物の生活と種類】 植物は二酸化炭素を吸うのか?吐くのか?
ベネッセ・教育情報サイトより

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