①.ESP32を使用したレモンバーム室内自動栽培システム【設計仕様書】

システム名

レモンバーム室内自動栽培システム

目的

レモンバームの室内栽培において、給水・通風・照明の管理を自動化し、人手作業を水補充（約1か月に1回）と収穫のみに限定する。

前提条件・制約条件

• 室内栽培とする
• 排水なし運用とする
• 肥料は使用しない
• ヒーターは使用しない

定義機能

• 土壌水分を測定する
• 給水要否を判定する
• ポンプを制御する
• 分割給水を実行する
• 給水後の再判定を停止する
• ファンを時間制御する
• 照明をタイマーで制御する（独立動作）

機能制約

• 給水は少量（10〜20ml）とする
• 給水は分割して実行する
• 給水後は一定時間再判定を行わない
• 前回給水から一定時間経過していない場合は給水しない
• 排水なし前提のため過剰給水を避ける
• ESP32は電力供給を行わず制御信号のみ出力する
• 照明はESP32で制御しない

パラメータ定義

初期設定値（参考）

本システムの初期動作確認および安定運用を目的とした参考設定値を以下に示す。

システム構成

• 制御モジュール：ESP32-S3
• センサーモジュール：静電容量式土壌水分センサー
• 給水モジュール：リレー、ポンプ、チューブ、水タンク
• 送風モジュール：トランジスタ、ファン
• 照明モジュール：タイマー内蔵LED
• 電源モジュール：5V 3A電源、DCジャック

モジュール構成図

ESP32を中心とし、センサー入力、ポンプ制御、ファン制御、電源分岐の関係で構成する。

モジュール間関係

• 土壌水分センサーはESP32へ入力する
• ESP32はリレーを介してポンプを制御する
• ESP32はトランジスタを介してファンを制御する
• 電源はポンプ、ファン、ESP32へ供給する
• 照明は独立して動作する

使用機材一覧

電源設計

• 電源は5V 3Aとする
• ポンプ、ファン、ESP32へ直接分岐して供給する
• GNDは共通とする
• ESP32は制御信号のみ出力する

配線仕様

• 電源＋をポンプ、ファン、ESP32へ分岐する
• 電源－を共通GNDとして接続する
• ポンプはリレー経由で制御する
• ファンはトランジスタ経由で制御する
• ポンプには逆起電力対策としてダイオードを接続する
• センサーはESP32の入力ピンへ接続する

制御仕様

本システムの構成、機能、制約、パラメータなどの設計内容を定義する。

給水制御

• 土壌水分がしきい値以下の場合に乾燥と判定する
• 前回給水から最小給水間隔以上経過している場合のみ給水可能とする
• 給水は分割して実行する
• 各給水は少量（10〜20ml）とする
• 給水完了後は一定時間再判定を行わない

ファン制御

• 設定した時刻にONとする
• 設定した時刻にOFFとする

照明

• タイマー内蔵LEDにより毎日自動ON/OFFとする

状態遷移図

本図は、ESP32による制御の状態遷移を示したものである。
通常監視状態を基点として、土壌水分・給水条件・時間制約・温度条件に応じて、給水処理およびファン動作へ遷移する構造とする。

給水は、乾燥判定かつ最小給水間隔を満たした場合のみ実行され、分割給水および給水後の再判定禁止時間を含む制御とする。
また、時間制約を満たさない場合は給水を行わず待機状態へ戻る。

ファンは温度条件により独立してON/OFFされ、給水制御とは並行して動作する。

動作シーケンス

本システムがどのような順序と条件で動作するかを時系列で定義する。

ESP32動作シーケンス

通常監視ループ内で、時刻管理・ファン制御・土壌水分取得を行い、給水条件成立時のみ少量分割給水を実行する。

照明動作シーケンス

照明はESP32日接続
タイマー内蔵LEDが単独で動作する。