SmartAgro: 精密農業向け 高度IoTソリューション

必要な部品と材料

Arduino MKR GSM 1400	×1
SORACOM Air Global IoT SIM	×1
Arduino MKR MEM Shield (SDカードスロット付き)	×1
GY-21 温湿度センサー (I2C)	×1
Adafruit SI1145 UV/可視光/赤外光センサー	×1
SparkFun 土壌水分センサー (ネジ端子付き)	×1
Adafruit 防水 DS18B20 デジタル温度センサー (土壌温度用)	×1
ジャンパーワイヤー	×1

必要な工具と機器

• はんだごて (汎用)

プロジェクト概要

概要

農地は現代社会の存続に不可欠な資源です。しかし農業には多くの課題があります: 作物に適した温度・湿度・日照を確保し、病害虫や干ばつから守る必要があります。

近年「スマートファーミング (スマート農業)」の概念が広がっていますが、既存システムは高価で小規模農家には手が出ず、大規模農場にも対応しきれていません。

SmartAgro は、フィールドに設置するデバイスネットワークを低コストで構築し、大気データ・土壌パラメータ・光環境を収集してクラウドのダッシュボードで可視化するソリューションです。あらゆる規模の農場が、拡張可能なデバイス群で「次の時代の農業」に踏み出せるようにします。

機能

SmartAgroデバイスは設定間隔でセンサーサンプリングを行い、データをSDカード (CSV) に記録しつつ、SORACOM経由でクラウドバックエンドへ送信します。フロントエンド (デバイス側) とバックエンド (SORACOM) で構成されます。

フロントエンド (フィールドデバイス)

• SDカード記録: datalog.csv に追記保存。起動時にファイル存在確認し、なければヘッダー付きで新規作成。
• 電源管理: LiPoバッテリー、モバイルバッテリー、またはVINピンから給電可能。測定間隔はスリープモードで消費電力を抑制。
• データ送信: GSM経由でSORACOM HarvestへJSONペイロードをPOST送信。ペイロード例:

  {
    "Latitude": 53.3570404,
    "Longitude": -6.2609935,
    "soilTemp": 20.56,
    "soilHumidity": 40,
    "atmoTemp": 22.12,
    "atmoHumidity": 62,
    "uvLight": 0.00,
    "irLight": 257,
    "deviceName": "device1"
  }

バックエンド (SORACOM)

SORACOM Air でデータ受信、Harvest で蓄積、Lagoon でダッシュボード表示・アラート設定。

• ダッシュボード: 各デバイスの位置と全センサーデータをプロット。
• アラート機能: UV指数や土壌湿度が異常値のときメール通知。

メリット

• いつでもどこでもダッシュボードでデータ可視化
• デバイスを容易にスケールアウト可能 (フリート管理)
• 既存ソリューションより大幅なコスト削減

製作手順

Step 1: 必要な部材

• Arduino MKR GSM 1400
• Arduino MKR MEM Shield
• GY-21 温湿度モジュール
• 防水温度センサー (DS18B20)
• SI-1145 UV光センサー
• 土壌水分センサー
• 単3電池ボックス (電池込み) または LiPoバッテリー
• SORACOM SIMカード
• SDカード (FAT32フォーマット)
• ジャンパーワイヤー、はんだ付け用品

Step 2: 回路接続

Fritzing回路図 (記事内画像参照) に従ってはんだ付け。MKR MEM Shield をボードに装着するのを忘れずに。

Step 3: コードの構成理解

コードは4つの主要セクションで構成:

• SDカード準備 (checkFile(), createFile()) - CSVファイルの存在確認/作成
• データ収集 (collectData()) - 全センサーから温度、湿度、光量などを取得
• SDカード書き込み (burnData()) - CSV行を追記
• SORACOM送信 (parseData()) - HTTP POST で JSON ペイロードを送信

各関数の詳細は記事内のコードブロックを参照。

Step 4: ユーザー設定変数

• deviceName: デバイス識別名 (フリート管理用)
• sleepTime: スリープ時間 (ミリ秒)。バッテリー節約のため調整
• proDebug: デバッグモード。true ならシリアルモニタ接続必須。現地設置時は false に

Step 5: SDカード準備

SDカードを FAT32 でフォーマット (記事内の手順画像参照)。

Step 6: コード書き込み & 初期データ送信

MKR GSM をPCに接続しコード書き込み (モード=1で)。全センサーを水に浸し、ボタンを押してデータ収集・送信を数回繰り返し、SORACOM側にデータを蓄積。

Step 7: SORACOM セットアップ

Section 1: アカウント作成・SIM登録 (記事内のスクリーンショット手順参照。SORACOMユーザーコンソールでオペレーター作成→SIM登録→グループ作成→Harvest有効化)

Section 2: グループとHarvest設定 (Harvest Data の有効化、データ確認)

Step 8: SORACOM Lagoon ダッシュボード構築

Lagoon でダッシュボード作成、グラフ・マップ・アラート (メール通知) を設定 (記事内の大量のスクリーンショット手順参照)。

使用ライブラリ

• ArduinoLowPower, MKRGSM, Wire, OneWire, DallasTemperature, RTCZero, SPI, SD

筐体設計

UVセンサー用に上面を透明にした専用ケースを設計・3Dプリント (記事内画像参照)。実運用ではセンサーをケース外に出して干渉を避けています。

背景

バスから見える田畑を眺めながら、高価な農業IoTデバイスを安価なArduinoで代替できないかと思いつきました。あらゆる規模の農家がIoTとスマート農業の恩恵を受けられるよう、このプロジェクトを作りました。

コード

完全なコードは記事内のコードブロック、またはGitHubリポジトリを参照。

回路図

schematics_rrBJ3HiIfc.fzz (Fritzingファイル)