【植物工場／スマート農業】植物工場プロジェクト：計画書｜ネットワーク構成｜システム構成（全体像）

植物工場のシステムは、設備を入れた瞬間に完成するものではありません
「省力化・安定化・高度化」を、段階的に実装していくプロジェクトです。

このnoteでは、プロジェクトの芯になる3点をまとめます。

• 開発計画（Phase設計）

• ネットワーク構成（運用の骨格）

• 栽培システム構成（制御対象の全体像）

1. プロジェクトの狙い：「複合環境制御」からスタート

このプロジェクトは、植物工場の自動環境制御を段階的に実施します。
制御対象は、空調・照明・給水・換気・電源管理など。UI/UXも含めて拡張していきます。

ポイントは、最初から理想形に飛ばないこと。
まず動かし、観測し、制御し、最後に統合します。
制御方式は最もスタンダードな「複合環境制御」を採用しています。

2. Phase設計：SwitchBot → 分散制御 → ローカル制御 → PID → AI

開始は 2025年1月〜。
各Phaseの役割を明確にし、順番に実装していきます。

Phase.1（〜2025年3月末）

SwitchBotプラグ／ハブで簡易オートメーション。
まずは立ち上げ。

Phase.2（〜2025年4月末）

Raspberry Pi 5（マスター）＋ Arduino UNO R4 WiFi（スレーブ）の分散構成。
センシング、LCD表示、UDP通信、さらにEcoFlow電源監視も含める。

Phase.3（〜2025年5月末）

SwitchBotのオートメーションを廃止して、ローカル制御へ。
Raspberry PiがSwitchBotプラグ経由でON/OFF制御。

Phase.3改（〜2025年10月末）

水耕と土耕（NFT/DWC/AER/DF）を含む制御システムを設置。
システムごとにMCUを置いて個別ローカル制御へ。

Phase.4（〜2025年12月末）

PIDアルゴリズム導入。デバイス制御を完全ローカル化。

Phase.5（〜2026年6月末）

統合環境制御＋モデルベース＋AIで自動調整（MPC視野）。

3. 使っている技術スタック（要点だけ）

• センサー：BME280, BH1750, TSL系, DS18B20, MH-Z19E, HC-SR04 等

• 通信：UDP（マスター⇔スレーブ）, HTTPS/WebSocket（表示）

• UI：Web UI（Chart.js + JavaScript）

• ハード：Raspberry Pi 5 / Arduino UNO R4 WiFi / ESP32 / SwitchBot / EcoFlow など

4. システム構成：制御対象は「栽培方式 × 液肥 × 環境 × 電力」

全体方針

環境制御された空間に、
水耕（NFT / DWC / AER）を3セット＋土耕（DF）を1セット置きます。
全システムは、液肥タンクを共用し、ポンプ＋電磁弁で自動供給。

電力は太陽光発電を基本に、不足時はグリッドから供給。
さらに、CO2濃度制御や照明／空調制御も全体要素として入ります。

5. 栽培方式ごとの制御ポイント（NFT / DWC / AER / DF）

4方式を「同じ制御思想」で整理します。

NFT方式（薄膜型：循環式）

水位センサーを監視して、ポンプと電磁弁を制御。
水温センサーでチラー／ヒーター制御。EC/pH/DOは将来自動制御。

DWC方式（湛液型：貯留式）

根を液肥に常時浸す。酸素を豊富に含んだ液肥を循環。
温度制御やEC/pH/DOの設計は同様。

AER方式（エアロポニックス）

根を空中にさらし、ミストで直接噴霧。
シャワー機能も持ち、成長ステージで使い分ける。
液肥量を大幅に減らし、回収して再利用できる。

DF方式（点滴施肥灌水：土耕）

唯一の土耕。土壌水分センサを監視して点滴。
将来的に日射比例潅水制御を視野に、土壌温度もモニタ。

6. 設計の意図（比較表）

方式の優劣ではなく、トレードオフの前提を明確にします。

• 酸素供給効率：AERが最も高い

• 液肥使用量：AER・DFは省肥効率が高い

• 液肥回収：NFT/DWC/AERは回収あり、DFはなし（吸収される）

• 温度制御：DFは“制御”ではなくモニタ中心（将来の制御に備える）

7. ネットワーク構成：運用を成立させる「境界線」の設計

植物工場のシステムは、制御そのものよりも「止まったら困る」領域でもあるので、事務ネットワークとは同列に扱わずに、ネットワークの設計思想として分離し、境界線を引きます。

• Gateway：YAMAHA製ルーター RTX1220

• LAN2をWANとしてインターネット接続（HCNA方式でCATV経由）

• セグメントは3系統：LAN1（事務室）／LAN3（植物工場）／LAN2（WAN）

• フィルタリング：LAN1→LAN3は許可、LAN3→LAN1は拒否

植物工場側（LAN3）には、サーバー（Raspberry Pi）やSwitchBot、EcoFlowなどが置かれ、
Web / VNC / VPN / ファイルサーバー用途で運用されます。

次回は、実際の UDPのデータ流れ（ログ） と、Web UIのダッシュボード画面 をスクショで出す予定です。

8. まとめ

植物工場の難しさは、センサーやアルゴリズム以前に、
観測→制御→統合の順番を崩すと、運用が破綻するところにあります。

よって、この計画は、

• まず動かす（Phase.1）

• 見える化する（Phase.2）

• ローカル制御に移す（Phase.3）

• 制御理論を入れる（Phase.4）

• 統合してAIで詰める（Phase.5）

という、順番で確実に組んでいます。

次回：制御システム概要（Phase.2〜3の実装）

Raspberry Pi（マスター）とArduino/ESP32（スレーブ）の分散構成、UDP通信、ログ、Web UI（見える化）——
「観測が制御を生む」プロセスを、まとめていきます。

🔗 関連リンク

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