効率的なスマート灌漑システムの設計：主な特徴と成功のための戦略

世界の取水量の実に70%が灌漑用水であることをご存じでしょうか。悲しいことに、灌漑用水の約60%が蒸発散、土地の流出、非効率的な使用方法によって失われており、水の浪費の大半もここで発生しています。世界人口の増加と淡水資源の減少に伴い、地球規模での水の収集、使用、貯蔵方法を改善するための緊急対策が必要です。このことは、特にモノのインターネット（IoT）が牽引する新興産業において、よりスマートで効率的な方法で資源を管理することの重要な必要性を示しています。このブログでは、スマート灌漑の領域を掘り下げ、世界的に増加する水ストレスレベルを緩和するために、スマート灌漑がどのような重要な役割を果たすことができるかを紹介します。

図1.灌漑スプリンクラーシステム。（画像提供：Radiocrafts）

そこでこのブログでは、スマート灌漑市場を形成する主要な原動力を探り、対処すべき具体的な課題を特定します。さらに、スマート灌漑システムの有望なソリューションとしてRadiocraftsの産業用IPメッシュソリューション（RIIM）を紹介します。

スマート灌漑市場の原動力は？

環境に優しいシステムと持続可能な資源管理への需要が、スマート灌漑市場の原動力となっています。エコロジカルフットプリントを最小限に抑える、効率的で環境に配慮した建築を開発する必要性が高まっています。さらに、費用対効果の高い方法でこれらの目標を達成する必要性も高まっています。コスト効率の良い方法を採用することで、このようなインフラ開発を手頃な価格で実現することができます。

スマート灌漑は、砂漠地帯を含む、以前は人を寄せ付けなかった場所での灌漑システムの開発と食糧生産を可能にする驚くべき能力を持っています。直感に反すると思われるかもしれませんが、スマートな灌漑によって、砂漠を不毛の荒れ地としてではなく、食料生産のための肥沃な土地として捉えることができます。この技術は、乾燥地帯を緑豊かな食糧生産地に変える可能性を秘めており、世界人口の増加による食糧需要の増加に対応することが可能です。さらに、スマート灌漑は、アフリカのサハラ砂漠地帯のような貧困地域では特に重要であり、現地での食糧生産は、人々への食糧供給と食糧安全保障の改善に重要な役割を果たすことができます。

図2.砂漠環境における先進農業。（画像提供：Radiocrafts）

とはいえ、スマート灌漑市場は、水へのアクセス、耕地の利用可能性、灌漑システムを効果的に管理するための十分な労働力の制限など、一定の制約に直面しています。

スマート灌漑で解決すべき具体的な問題とは？

効率的なスマート灌漑システムを構築するには、ワイヤレス通信のいくつかの課題に対処する必要があります。主な要件を下記にいくつか挙げます。

• 信頼性の高い接続性：パケットロスを抑え、99.99%の高いパケット受信率を実現することで、堅牢で信頼性の高い通信を確保します。
• 低遅延：遅延が許容できないリアルタイムアプリケーションでは10ms前後の低遅延を実現します。また、プロセス監視や保守監視のような低速のプロセスなど、多少長い遅延を許容できるアプリケーションも考慮します。
• 十分な範囲とカバレッジ：灌漑システム全体のシームレスな接続性を確保するため、大規模で半開放的な農村環境で広範な範囲とカバレッジを提供します。
• 双方向通信：センサからデータを収集するだけでなく、バルブなどのデバイスを制御するための双方向通信を可能にし、灌漑システムの遠隔操作と制御を実現します。
• シンプルな実装：特に砂漠のような過酷な環境では、システムが極限状態に耐える必要があるため、実装が容易であることが重要になります。
• 高い信頼性：長いバッテリ寿命により、信頼性の高い操作を実現します。また、遠隔地での頻繁なバッテリ交換の必要性を低減します。
• シンプルな設置：電源配線を追加することなくシステムを簡単に設置できるため、さまざまな場所への設置が容易です。
• Over-the-Air（OTA）アップデート：ファームウェアのOTAアップデートを実現することで、特に物理的なアクセスが困難な遠隔地や手の届きにくい場所でのタッチレスアップデートを可能にします。

このようなワイヤレス通信の課題に対処することは、多様な環境で確実に動作し、農業のニーズに合わせて水の使用量を効果的に最適化できる、堅牢で効率的なスマート灌漑システムを開発する上で極めて重要です。

図3.センサデータのモニタリング。（画像提供：Radiocrafts）

Radiocraftsの長距離メッシュソリューションは、効率的なスマート灌漑システムを実現

RadiocraftsのRIIM（Radiocrafts産業用IPメッシュ）ソリューションは、完全なワイヤレスネットワークに不可欠なコンポーネントがすべて付属した、完全組み込み型の産業用IoTメッシュモジュールです。ライセンス料やサブスクリプション費用は一切不要です。RIIMモジュールを購入すると、スマート灌漑システム用のすぐに使えるソリューションが手に入ります。さらに、RIIMのメッシュネットワークアーキテクチャは、自己形成、自己回復、自己最適化を可能にし、スマート灌漑システムの設置と実装を大幅に簡素化します。

（画像提供：Radiocrafts）

RadiocraftsのRIIMは、半開放的な農村環境で約80 x 80km²のカバレッジを提供します。機器間は最大1400メートルをサポートし、機器から機器へ最大28回（28メッシュホップ）データを中継することで、ネットワーク全体にデータを広げることができます。また、RIIMは1台のボーダールータ（ゲートウェイ）で最大1000ノードを収容できるため、大規模な導入の場合、ゲートウェイの数を減らして設置コストを削減できます。さらに、より広い範囲をカバーするために、ボーダールータをもう1台簡単に追加できます。

RIIMのユニークな特徴の1つは、ICI（インテリジェントCプログラマブルI/O）フレームワークです。このフレームワークにより、モジュールの動作を各顧客の特定の要件に合わせて調整することができます。ICIアプリケーションはモジュール上で常に実行されており、無線ネットワーク、ハードウェアインターフェースの構成、およびこれらのインターフェースに対する読み取り/書き込み操作が可能です。つまり、外部回路を必要とせず、土壌水分センサ、給水バルブ制御、UVセンサ、雨/凍結センサ、風センサなど、さまざまなセンサやアクチュエータと直接インターフェースできるのです。

さらに、RIIMはミストコンピューティングをサポートしており、帯域幅の要件を削減し、ローカルイベントへの迅速な応答を可能にしています。これにより、エッジでの効率的なデータ処理と意思決定が可能になります。その結果、クラウドへのデータ伝送の必要性が最小限に抑えられ、ローカルセンサデータに基づくリアルタイムのアクションが可能になります。RIIMのICIフレームワークとミストコンピューティング機能により、スマート灌漑システム向けの強力で柔軟なソリューションが実現し、信頼性とコスト効率の高いパフォーマンスを提供します。

図4.RadiocraftsのICIフレームワーク。（画像提供：Radiocrafts）

RIIMの主な利点の1つは、スマート灌漑システムのバルブ制御に不可欠な双方向対称通信をサポートしていることです。単方向のセンサデータ通信に重点を置く他の多くのIoT接続ソリューションとは異なり、RIIMはアップリンクとダウンリンクの両方の通信に対応するように設計されました。つまり、RIIMはセンサの測定値を収集できるだけでなく、ダウンリンク通信を必要とするバルブなどのデバイスを効果的に制御できます。これにより、RIIMは完全に対称的なソリューションとなり、双方向のシームレスな通信が可能になります。

これは特にスマート灌漑システムにとって重要で、バルブ制御は水流を管理し、灌漑スケジュールを最適化する上で重要な役割を果たします。多くの一般的なLPWAN（Low Power Wide Area Networking）技術では、スケーラブルなダウンリンク通信が課題となっています。その一方で、RIIMはこの要件を効率的に処理するように設計されています。この結果、他の多くのLPWANソリューションがバルブの開閉に1分以上かかる場合があるのに対し、RIIMはわずか数秒でこれを達成できます。RIIMを使用すれば、センサデータの収集とデバイス制御の両方を自信を持って管理することができ、スマート灌漑アプリケーション向けの包括的で信頼性の高いソリューションが実現します。

図5.バルブ制御。（画像提供：Radiocrafts）

さらに、完全に対称的な通信アプローチにより、RIIMではOver-The-Airアップデート（OTA）が可能になります。これは、ネットワークが展開され、完全に稼動していても、ユーザー定義のICIファームウェアを更新できることを意味し、必要に応じて新しいセンサやコントローラのシームレスな統合を可能にします。これは、多くの場所がアクセスしにくく、長時間稼働する可能性があるスマート灌漑システムにおいて特に価値があります。OTAファームウェアアップデートにより、システムの運用を中断することなく、常に最新の状態に保つことができます。これは、新しい機能を追加したり、パフォーマンスを向上させるための便利で効率的な方法を提供します。

RIIMはまた、時間同期チャンネルホッピング（TSCH）のサポートにより、卓越した信頼性で高い評価を得ています。TSCHは、パケットの衝突を最小限に抑え、ネットワーク全体の信頼性を高めるように設計されたメッシュネットワーク技術です。実際、TSCHベースのネットワークは99.99%までの信頼性レベルを達成することが証明されており、RIIMはスマート灌漑アプリケーション向けの堅牢で信頼できるソリューションとなっています。

さらに、RIIMはセキュリティを優先しています。事前共有キーを使用した暗号化が特徴で、DTLSエンドツーエンドのセキュリティをサポートし、スマート灌漑システムを潜在的なハッカーから確実に保護します。RIIMがあれば、システムデータの安全性と灌漑プロセスの保護が保証され、スマート灌漑システムの完全性に安心と信頼を与えることができます。

図6.風センサ。（画像提供：Radiocrafts）

RIIMは特に低電力で動作するように設計されており、バッテリ動作に依存する長期にわたるプロジェクトに最適です。たとえば、RIIMは単3電池2本で7年間のバッテリ寿命をサポートしています。これはどうやって実現したのでしょうか。下記のさまざまな機能を組み込むことで、消費電力を最小限に抑えています。

• 低電力の電子部品：RIIMはエネルギー効率の高い電子部品を採用し、全体的な消費電力を当初から最小限に抑えています。
• ネットワークリーフノード用の「スリーピー」モード：RIIMでは、ネットワークリーフノードを低電力の「スリーピー」モードにすることができ、最小消費電流をわずか4.7uAに抑え、バッテリの寿命を延ばすことができます。
• 構成可能な出力電力：モジュールの出力電力は調整可能で、伝送動作中の不要な電力消費を防ぎ、必要な電力だけを確実に利用できます。
• 時間同期チャンネルホッピング（TSCH）：RIIMはTSCHを採用しています。これにより、RFデータパケットの送受信のためのタイムスロットがない場合、メッシュルータはスリープ状態に移行し、さらに電力を節約できます。
• ICIによるデータ処理：RIIMは、ユーザー定義のICIファームウェアによるデータ処理をサポートしており、消費電力を大幅に削減できます。これにより、クラウドコンピューティングが可能になり、閾値の超過によってトリガされるアラームなど、関連するデータのみがクラウドに送信されます。この結果、不要なデータ転送を最小限に抑え、電力を節約することができます。

このような優れたバッテリ寿命により、RIIMは頻繁にバッテリを交換することなく長期間の低電力動作を必要とするプロジェクトに最適な選択肢となっています。

まとめ

世界人口がかつてないスピードで増え続ける中、限りある資源、特に天然水源はますます不足しつつあります。この差し迫った現実は、限られた資源を可能な限り効率的に使用する緊急の必要性を強調しています。モノのインターネット（IoT）は比較的新しいコンセプトであるにもかかわらず、この目標を達成するために目覚ましい進歩を遂げています。IoT産業が、環境に配慮しながら効率を最大化することに大きく貢献している分野の1つに、スマート灌漑があります。効果的なスマート灌漑システムを構築するには、長距離RFモジュール、広範なカバレッジ、双方向通信、低消費電力など、さまざまな要件を満たす必要があります。Radiocraftsの産業用IPメッシュソリューションは、これらの要件をすべて満たし、スマート灌漑に理想的なソリューションとなっています。IoTの力を活用することで、持続可能な水の使用と保全に向けて大きく前進し、より環境に優しく効率的な未来に貢献することができます。