都市型農業ICTに向けた⽔耕栽培システムの開発情報理⼯学研究科情報・通信⼯学専攻佐藤証 1 研究者略歴国⽴⼤学法⼈電気通信⼤学情報理⼯学研究科教授佐藤証  1989年早稲⽥⼤学⼤学院理⼯学研究科電気⼯学専攻修⼠課程修了  同年⽇本アイ･ビー･エム(株)東京基礎研究所⼊所⾼性能回路技術に関する研究開発に従事し，メインフレームやストレージデバイスに暗号，データ圧縮，エラー訂正機能を導⼊  1999年早稲⽥⼤学より博⼠（⼯学）授与  2007年 (独)産業技術総合研究所⼊所 ICカード等の暗号デバイスの安全性評価⼿法の国際標準化，近距離無線規格IEEE802.15.6の標準化とヘルスケアへの応⽤の研究等に従事  2013年国⽴電気通信⼤学赴任顧問として電通⼤ベンチャーの⽴ち上げ，物理セキュリティ評価装置のビジネス，無線センサネットワークの⽤いた植物⼯場への応⽤の研究等に従事 2 研究領域研究⼩型･⾼速･省電⼒実装セキュリティディペンダビリティ近接無線･センサー技術微⼩信号検出 PUF 暗号プライバシー保護 NFC 組み込みSW/HW 電磁波モニタ FPGA動的再構成トレーサビリティ真贋判定 ICカード･RFID 無線規格半導体･医薬品･⾷料品 IEEE 802.15.6 医療･ヘルスケア Body Area Network セキュリティ評価 ISO/IEC 19790/24759/17825 模倣品対策 GS1 BarCodes/EPCglobal ISO PC246/TC247 T20/T21/T22 標準化脈拍センサカプセル内視鏡健康管理⾒守り介護アミューズメントスマートフォン等⾎流センサ⾞載システム⾞内ネットワークデータセキュリティリアルタイム制御⾮正規品混⼊防⽌実⽤化・事業化概要 4 ⽬的  電気通信⼤学で開発中の無線センサーネットワーク技術を広島上野園芸の『空宙栽培⽅式』に適⽤し，⽣育環境をモニター・制御，栽培のノウハウのデータ化することで，低コストで効率的なスマート農業システムを開発する  都市部の屋上やベランダ等の中⼩規模の遊休スペースを利⽤し，無農薬で⾼糖度のトマトを⽔耕栽培により育て，地産地消としての加⼯・販売による６次産業化，屋上緑化や憩いのスペースとしての活⽤など付加価値の⾼いビジネスを⾏う 5 新規性と優位性  新規性 - 地⽅での⼤規模集中化と逆の省スペース都市型分散農業農地ではなく屋上等の遊休地を利⽤した空宙⽔耕栽培無線センサで⽣育環境をモニタ･管理しながら栽培のノウハウをDB化葉物だけでない多品種の果菜類の栽培に対応  優位性 - ⾷の安全に応える無農薬栽培や⾼いトレーサビリティ - 液肥の管理による⾼品質果菜の栽培(トマトは糖度12 度とくだもの並) - ビルの屋上緑化や憩いのスペース等の付加価値の創出 - 栽培･加⼯･販売まで6次産業化による究極の地産地消 - 都⼼型農業により⽇本の農業の後継者を育成 6 現在の状況  広島上野園芸の技術『空宙栽培⽅式』と電気通信⼤学のセンサー技術を組み合わせたトマト･キウリ等の試験栽培を開始 - ⼤学屋上，横須賀の企業の屋上，⼤学近隣の農家 - トマトを4⽉末に苗を定植し，6⽉下旬から収穫の予定 - 同時期に栽培を始めたキウリは3週間⽬から収穫開始  東京都農林総合研究センターとトマトの⽔耕栽培について農学と⼯学の⽴場から協⼒  銀座の三井不動産ビルで7⽉から試験栽培を始め．収穫したトマトは⽇本橋のレストランに提供予定  病院や学校等への設置などの社会貢献を検討中研究開発の背景 8 植物⼯場の市場拡⼤  中国等の外国産⾷材の問題から，安全・安⼼な国産⾷材を求める消費者意識の⾼まり  天候に左右されない安定供給と⽣産性の向上  農業先進国のオランダの1/10の規模 (億円) 1,600 国内植物⼯場の市場規模完全⼈⼯光型 1,400 完全人工光型太陽光利用型 1,200 1,000 443 303 800 201 600 400 200 0 34 132 199 271 2013 2015 1,057 814 532 2018 2020 2025 2014年2⽉⽮野経済研究所推計太陽光利⽤型 9 植物⼯場の特徴環境モニタリングと⽣育予測に基いた計画的な⽣産環境制御で⽣育や品質を調節⽣産技術農薬・肥料・⽔分の使⽤量を低減栄養成分・機能性成分の強化施設内の快適な環境で⽐較的軽労働が中⼼天候に左右されず歩留まりが⾼く，定価での安定供給販売⾍や異物の混⼊が少なく，洗浄や調製作業の縮減完全なトレーサビリティ設備⽴地場所を選ばず⾮農地・栽培不適地での⽣産完全⼈⼯光型では多段化による⾼度な空間利⽤ 10 国内植物⼯場と栽培作物  2009年3⽉の50ヶ所が，２013年3⽉で383ヶ所に急増  しかし中⼼は葉物平成21年3⽉現在 http://miraigroup.jp/vegetables/ 11 ⼀般家庭⽤⽔耕栽培装置  LED照明を⽤いた⽔耕栽培装置(1~2万円)が売れている  専⽤種800円/回，電気代300円/⽉なのでユーザは元を取れないが，新鮮・安⼼，インテリアとして受けている  装置の売り切りでないビジネス  単純な機構で葉物の栽培しかできない http://store.greenfarm.uing.u-tc.co.jp/ 12 なぜ葉物なのか？  果実は葉が育っても売り物にならず，エネルギー効率の点で⽣産コストが⾒合わない  果実は葉物の何倍もの場所を取る  果実は栽培にノウハウと⼿間を要し⾮常に難しい  低カリウムメロンなど付加価値の⾼い果実の栽培  ⼤規模⼯場ではなく，空き部屋，ベランダ，屋上等のスペースを活⽤  センサー・無線通信技術を⽤いて，環境・⽣育データを監視し，栽培のノウハウやカンを知財として蓄積 ICT技術を⽤いた⾼付加価値植物の栽培⽔耕栽培装置の研究開発〜完全⼈⼯光型〜 14 提供する製品・サービスと開発する技術製品・サービス  実のなる野菜・果物を主とし，センサーによって育成状況を監視し制御する⽔耕栽培システム  屋外農場を含め，センサ情報をサーバーにリアルタイム送信し，モバイル端末で栽培を管理する無線システム  低カリウムや医薬品の原料等⾼機能な作物も視野に開発技術  メンテナンス・ランニングコストを含めて低コストで⽣産性の⾼い⽔耕栽培装置・機構  栽培環境・育成状況をセンサーで監視し無線で制御を⾏う電気・電⼦系システム  栽培のノウハウを，各種センサーデータと連動・解析し知財として蓄積・活⽤する解析システム 15 試作システムの概要ローカルサーバー管理サーバー⽣育データ蓄積解析・制御データ/制御栽培サポートデータ制御⽔耕栽培装置センサモジュールモバイル端末 16 太陽光利⽤型装置     循環ポンプ，エアー，ヒーターを備えた初号機を作製制御は現在タイマーとサーモスタット製作⽇数30⽇，製作費3万円トマトといちごを試験栽培 17 太陽光利⽤型装置       ⽐較実験⽤に⼩型･簡易化した⼆号機を6台製作初号機と基本機能は同じでLEDを設置トマトとレタスを定植 I科の他研究室に配布製作⽇数30⽇，製作費9,000円/台単体の植物育成⽤の三号機を試作三号機⼆号機トマト･レタス定植 LED設置 18 完全⼈⼯光型装置  センサ制御による完全⼈⼯光型装置 - 植物育成⽤蛍光灯・LED - 循環ポンプ，エアレーション，ヒーター，ファン，冷却装置，⽔位センサー，温度センサー  製作⽇数30⽇，製作費30万円  いちごの試験栽培中 19 開発状況〜センサーモジュール  Arduinoに温度，湿度，照度，⼟中湿度センサーを実装し， SDカードにデータを記録するモジュールを開発  東京農⼯⼤学の屋外ブルーベリー園に設置し信頼性評価試験  ⽔位センサーを実装しRaspberry Piと通信(有線)しPCにログを記録するモジュールを⼆号機に設置複数センサーの設置と，収集データの収集には無線技術の導⼊が不可⽋ 20 最近の無線デバイス  500円SIM＋SIMフリー3Gルーター - 携帯電話の3G回線を利⽤して低速(数百Kbps)ながら安価(500円/ ⽉〜)なデータ通信を⾏うサービスが登場 - 電波法の規制で利⽤可能な3Gルーターは限られ価格も7,000円程度と安くはない  2.4GHz帯省電⼒通信デバイス - ZigBee：250kbpsと低速ながら消費電⼒が少なく乾電池で数ヶ⽉~2年利⽤可能 - Bluetooth LE (SMART)：ヘルスケア，スポーツ，IoT等の⽤途に開発された規格．通信速度 ~1Mbps．乾電池で数ヶ⽉〜2年利⽤可能直進性が⾼い2.4GHz通信は障害物に弱く⽔に吸収されやすい 21 EnOcean  独Siemens AGが開発したバッテリーレス無線通信技術  欧⽶で300社以上の企業が1,200種類以上の製品を販売 - メイン⽤途はビルオートメーションで，照明スイッチ，窓開閉検知，動体センサー，各種スイッチ等  国内で無線通信には315MHzと928MHzが使⽤可能で， 2.4GHzのように⽔・⾦属等の障害物の影響を受けにくい  通信距離は⾒通し300mで広い耕作地にセンサーを点在させるのに有利  ⽔や遮蔽物の多い屋内の植物⼯場での利⽤にも有利 https://www.enocean.com/jp 22 LED照明の制御  多くの植物⼯場では電源オン/オフによる照明の点灯時間の制御しか⾏われていない - ⽣育状況に応じた調光・光源(波⻑)制御も育成・省電⼒に重要 - 数百本の照明を有線で制御するのは困難 - ウシオライティングから2014年10⽉にEnOcean内蔵の無線制御 LED照明が発表された  複数作物･⾼付加価値作物の栽培に照明以外の制御も必要植物⼯場の環境データ取得と環境制御にもEnOceanを活⽤ http://www.ushiolighting.co.jp/cms/news/?p=4281#more-4281 ⽔耕栽培装置の研究開発〜太陽光利⽤型〜 24 都⼼における植物⼯場の⼤きな可能性  ⼤きな消費地は東京・⼤阪だが，農業ICTや植物⼯場は東北や北海道などが中⼼  完全⼈⼯光型植物⼯場は電気を⾷う  ⾍の侵⼊に細⼼の注意が必要  育成のために⼆酸化炭素ガスを⽣産している  広い⼟地・農地が必要なためだが，都⼼には使われていない屋上が多数ある  屋上は⽇当たりがよい  ⾍の⼼配がほとんどない  緑地化によりヒートアイランド対策のほかカーボンオフセットや空調効率の向上などの効果が得られる  地産地消からさらにブランド化も 25 屋上・壁⾯緑化  都市部のビル屋上の緑化・菜園導⼊のメリット - 利⽤者のストレス緩和・宣伝効果 - ヒートアイランド現象対策・温室効果ガスの削減  ⾏政の⽀援・優遇制度 - 都市緑地法第34条は⼀定規模以上の建築物の新築・増築に敷地⾯積の⼀定割合以上の緑化を義務付けている - 低利融資制度：⽇本政策投資銀⾏から建設費の融資が受けられる． - 都市計画上の優遇制度：容積率が割り増しされる． - 固定資産税の軽減：緑化施設整備計画認定制度で認定された緑化重点地区内の建物は固定資産税が5年間1/2に軽減される - 助成制度：建設省住宅局，北区・板橋区・中央区・豊島区など⼆番町ガーデンの壁⾯緑化なんばパークスゴーヤのカーテン 26 屋上・壁⾯緑化実績  国⼟交通省『平成25年全国屋上･壁⾯緑化施⼯実績調査』 http://www.mlit.go.jp/report/press/toshi10_hh_000171.html - 2014年中で屋上緑化23.8ha(サッカーコート約33⾯分)，壁⾯緑化約6.3ha(同約9⾯分) - 2000〜2013年の14年間で，屋上緑化約383ha，壁⾯緑化約62ha - 2013年は医療福祉施設における屋上緑化空間の創出が過去最⾼の施⼯実績屋上緑化施⾏⾯積壁⾯緑化施⾏⾯積 27 屋上・壁⾯緑化実績  建築着⼯数はＨ21〜25年でほぼ横ばいで推移  屋上緑化の施⼯件数はＨ21〜24でほぼ横ばい，Ｈ24〜25 年で減少  壁⾯緑化の施⼯件数はほぼ横ばいで推移  屋上緑化は壁⾯緑化に⽐べてコストやメンテナンスの課題が⼤きい建築着⼯数は『建築着⼯統計調査(H25 国⼟交通省)』における鉄⾻鉄筋コンクリート造着・造着⼯数 28  防⽔屋上緑化の課題 - ⼀般的な屋上の防⽔⼯事以上に慎重な計画と施⼯が必要  防根 - 根が⼟壌を貫通し防⽔⾯を破ると⽔漏れ・構造物の破壊が⽣じる  灌漑･排⽔･通気性の確保 - ⼈⼿での⽔やりのコストやスプリンクラー設置の検討  軽量化 - 芝類で300kg/m2，⾼⽊で1000kg/m2の荷重⾒込みが必要  ⼿⼊れの簡便化 - 吸⽔・剪定の⼿間は⼀般的な庭園同様かそれ以上に必要⽔耕栽培⽅式の空中トマトはこれらの問題が解決できる 29 空宙トマト  広島の上野園芸の⽔耕栽培システム  地⾯から離れた空間で栽培  広い空間を⽴体的に活⽤  ⽴ったまま農作業が可能  夏場に⽇陰で作業が可能  タイマーでタンクの⽔を循環  他の制御は⼀切なし  太陽電池で駆動可環境制御により収穫量は向上する 30 空宙トマト  ⽴林⽅式で狭い⾯積で集約的な栽培  果菜類や葉物野菜，根菜類等も栽培可能 - いちご，キャベツ，レス，きうり，すいか，芋  栽培指導の⼿間から広島市内数ヶ所での栽培 - 上野農園の他，学校やデパート屋上ビヤガーデン等  1セット(売価20万円)で4m×4mのトマトによる緑化が可能導⼊が容易で制御系の設置も簡単太陽電池で⽔を循環トマトの栽培も可能⼤学屋上での栽培実験４月22日装置の組み立て６月6日 32 ４月３０日 5月8日 5月13日土での栽培 33 空宙トマト  無線技術による遠隔管理により導⼊エリアの拡⼤が可能 - センサ・カメラ・通信機器等は各数千円で⼊⼿可能 - 通信料⾦も500円/⽉〜  家庭菜園的な簡易装置には⼗分だが，中〜⼤規模のビジネス化には装置の信頼性，機能の充実，保守管理が重要  環境に応じた育成のノウハウが不可⽋  都⼼のビル屋上の緑化ビジネスに有望⼀番多いトラブルは⽔切れ … バビロンの空中庭園(B.C.700) 天空の城ラピュタ ©スタジオジブリ 34 空宙トマト＋無線技術  国⼟交通省『全国における「緑のカーテン」取組み状況』 (http://www.mlit.go.jp/common/000996286.pdf)によると2012年度「緑のカーテン」へ取組む地⽅公共団体の数は 369団体で前年の231団体の1.6倍．⼤都市に限らず全国的な広がりを⾒せている空宙トマト装置 Intel Edisonによる育成環境のモニター春から電通⼤の屋上でも無線センサーを⽤いた空宙トマトの試験栽培中 35 個⼈住宅での環境問題に関する調査  2009年の三井不動産レジデンシャル株式会社の住宅購⼊検討者へのアンケートで，9割以上が「環境問題に関⼼がある」と回答  導⼊を希望する環境対応型設備機器は、「省エネ型家電」がトップで導⼊意向は97.5％  「屋上･壁⾯緑化」の 55.5％は12項⽬で最下位だが「環境への効果がしっかりと実感できそう」との導⼊意向理由は 71.5％で他の項⽬に⽐べ極めて⾼い緑化は設備・機器に⽐べ導⼊の敷居が⾼いが環境対策のイメージが⾮常に良い http://www.mitsuifudosan.co.jp/corporate/news/2009/1014/index.html 36 個⼈住宅での環境問題に関する調査  2014年の環境省の『グリーンカーテンに関するアンケート結果』(http://www.env.go.jp/earth/setsudenco2/green.pdf)によるとグリーンカーテンの認知度は約8割と⾼く，約5割が栽培に関⼼を持っているが，2013年に育てた⼈は約1割，育てた経験のある⼈は約2割  主な良かった点 - 植物の栽培を楽しめた，植物により，癒やしを得た，直射⽇光を遮ることができた  主な困った点・育てない理由 - 植物・⼟の後⽚付け，うまく育たなかった - コストより設置時・育成の問題や⼿間・煩雑さ，情報の不⾜  主なグリーンカーテン育成のための条件 - プランター・ネット・種・⼟等の資材提供，利点・楽しみ⽅・栽培⽅法の情報提供，植物が枯れた後の処理や廃棄のサポート個⼈住宅でも緑化の関⼼は⾼く課題はコストではなく⼿間と栽培ノウハウの不⾜ 37 屋上緑化の事業における利点と課題 空中トマトの利点 - 従来の⼟を⼊れる緑化に対して導⼊･栽培･維持が簡単極めて低コストで既存の建物にも⼯事なしで導⼊可能⽇照条件がよいため⼩型の太陽電池で駆動できる頭上を緑化した下のスペースを有効活⽤できる緑化に加えて実や果物が収穫できるキウリ･スイカ･メロンなども収穫でき話題作りに 課題 - トマトは夏場多くの⽔が必要で広い屋上では給⽔設備(⽔道の蛇⼝)が必要 - 屋上の⾵の影響・対策を検討する必要がある - 助成⾦は⼟の厚さで決まるため，空宙トマトは対象外 ⇒ 逆の意味でこれまでにない新しい技術 ⇒ 今後助成対象として要求その有効性を実証することが今後の事業化において重要 38 屋上緑化の事業展開について ビジネスの対象 - 従来の屋上緑化において，荷重やコスト，メンテナンスなどの点で導⼊できなかった施設 - 従来の屋上緑化が可能な施設に対しても新たな選択肢として - 壁⾯緑化への導⼊も - 現在の屋上緑化ビジネスの調査が必要 新たなビジネス - 収穫した果物の販売 上野園芸はトマトの販売で利益を上げている 「皇居のはちみつ」のようなブランド化 ⾍のいない屋上で栽培した無農薬野菜の付加価値化 ビル内の⾷堂での究極の地産地消 - オーナー制度(売り上げに応じた利益還元) 初期導⼊コストの回収 - 空宙トマトのシステムのリース 関⼼は⾼いが設備や⼿間で⼆の⾜を踏んでいた個⼈にも 39 まとめ安全･安⼼・安定供給の植物⼯場の市場が拡⼤葉物を中⼼とする集約⽣産でコスト競争にセンサーと無線技術を利⽤した⾃動制御・遠隔監視による⽔耕栽培システムの研究開発カンやノウハウをデータ化した果菜類の栽培「空宙トマト」による屋上緑化ビジネスへの参⼊収穫した果実のブランド化，6次産業化，装置リース，オーナー制度など周辺ビジネスの拡⼤ Technologies for Sustainable Society 40 おまけ ~⼯学＋農学  コンピュータ上のシミュレーションで終わるのではなく実際に物を作り動かすことが⼯学では重要  装置が完璧でも実世界では予期しない問題が発⽣ - トマトの根っこが排⽔⼝を塞いで⽔があふれ出す - 窓の隙間から侵⼊した⾍の⼤群にトマト壊滅 - 夜にたぬきがセンサーを引っこ抜く  ⾃然に学び利⽤し，⼯学の⼒で栽培をサポート天空の城ラピュタ ©スタジオジブリ ©スタジオジブリ⾵の⾕のナウシカ電⼦回路の歴史はわずか6秒平成狸合戦ぽんぽこ ©スタジオジブリ IoT Internet of T mat