睡蓮水槽管理装置の効果

コロナウィルス禍に伴う在宅勤務の傍らで睡蓮水槽管理装置の夏場の効果を測定してみました。結論から書くと、猛暑日が起きる環境では二枚貝(※1)を飼育するのは無理ですが周囲温度が40℃に達する環境でも水温を30℃程度に抑える事ができる(※2)ので、飼育している生物の負担をかなり抑えることができそうです。

※1淡水しじみは対策なしでも何とか飼育可能だった
※2水槽や水タンクの壁面等を断熱材で覆うこと

細かい条件は省略して測定結果は以下の通り。

本日の直近のアメダスにおける最高気温は32℃でしたが、この水槽が置いてあるベランダは南側にある駐車場の照り返しなどにより、風通しの良いところに置いた温湿度計(ウェザーニューズ社WxBeacon2)で39.0℃、水タンク直上の温度計で測定した最高気温は41.5℃(※3)に達しました。一方で水温は最高29.9℃でした。

水温の変化(※4)から、水温は気温よりも露点の影響を受けることが分かります。長野の夏は南関東よりは乾燥していることを考えると、同じ装置を南関東に持っていってもこの結果よりは水温が高くなる事が多いと思います。逆に高温でも湿度が低い場合は気化熱式で充分という予測(※5)もできます。

※3エアコン室外機の排気が水槽周辺に滞留しないよう導風板を設置しているので、室外機吸気側に面している調温箱の吸気口温度はもう少し低い(かも)。
※4周囲温度が水温より高くても露点が下がると水温が下がる。
※5例:気温40℃、湿度20%の場合、露点は12.8℃。
 上記グラフの収束温度?と同じところに落ち着くとすると水温26.4℃
 なのでどうにか大型の2枚貝も飼育できそうな温度に収まる。

睡蓮水槽はエアコンの室外機のすぐそば(温度管理装置兼濾過器に至っては室外機の上)にあり、その中で気化熱のみで冷却していたことを考えると健闘していたと言えると思います。ただし、条件が条件なので、エアコンの室外機から離した上で水槽周りの断熱を改善すると、あと1〜2℃程度稼げると予想します。また、二枚貝を飼育したいなどの理由で水温を25℃程度までに抑えたい場合はペルチェ式もしくは冷凍機式のクーラーが別途必要と思われます。

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睡蓮水槽管理装置製作その2

今回作った装置の回路図

今回製作した管理装置の回路図です。SpresenseはArduino Unoとピン配置が互換(実際には少し違う)なのでKi CADにあったArduino Unoの回路記号を流用して描いています。

温度センサーはテキサスインスツルメンツのLMT01LPGを使用。癖が強いですが、配線が簡単なこととI2Cなどによる通信の必要がなく200ms周期で温度が取り出せるので採用しました。中途半端な電圧のパルスで出力されるので、コンパレーターを使用してパルスを整形しています。また、雑音に弱そうだったので

  • 基板からセンサーまでの配線にシールド線を使用
  • マイコンボードから供給される+電圧側をシールド側に配線
  • シールド側にコンデンサを付けて高周波的に接地

という処置を追加。コンデンサーの有無での違いを測定したオシロスコープの画面を保存し忘れましたが、シールド側に0.01uFを追加することによりパルスが出力されている区間の+側の波形が安定します。実際には1m程度のシールド線を通して屋外で使用していますが問題はないようです。

実際の出力波形(コンパレーター出力)

センサーの動作結果を検出する方法に迷いましたが、信号長は固定なので時間を決めて5回分の出力パルスを計数して平均を取って温度を測定しています。

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睡蓮水槽管理装置製作その1

睡蓮水槽には名前の通り温帯睡蓮が植えられています。凍結防止にヒーターを使っていますが温帯睡蓮は冬季に寒さに当てないと花芽ができません。しかし、水温を一桁に設定できる水槽用ヒーターなんてものはないので自作するしかありません。当初は「水槽が前面凍結しなければいいや」と言った感じで手持ちの半導体サーモスタットと水槽用ヒーターの組み合わせで作り、サーモスタット部をシリコンゴムで防水処理して水槽に放り込む案でぼんやり考えていました。

もらいもののSpresenseマイコンボード。結構多機能

そんなある日、某展示会で応募した抽選でSONYのマイコンボードSpresenseが当選。当たったものの画像処理までこなせるマイコンボードの使い道が余り思い浮かばなかったので睡蓮水槽の管理用に使ってみることにしました。

基本方針はこんな感じで

  • 冬季夜間の水温を2〜5℃程度で維持し配管の凍結を防止すると同時に温帯睡蓮の冬眠条件を満たすようにする
  • 水槽の底に温度センサー付きのヒーターを置き底砂及び睡蓮鉢が下から凍結しないようにする
  • 夏季の水温が上がりすぎないようファンを付ける
  • せっかくのマイコンボードなので使える機能は使う

実際に搭載した機能は以下の通り

  • 水槽凍結防止ヒーター制御(ヒーター自体は金魚用)
  • 底砂凍結防止ヒーター(DC12V用シートヒーターと温度センサーで自作)
  • クーラー(いまのところジャンクPC用ファンを使った気化熱式のみ)
  • 月別温度設定
  • 一週間分の気温情報から自動温度設定
  • 気温の急変時にヒーター・クーラーを早めに起動
  • GNSSを使用した自動日時取得

令和元年冬に一応完成、最低気温−10℃程度であれば貯水タンクの水温を0.5℃以上を維持して凍結を防止、かつ冬季の水温上限を10℃未満に抑えることができた。これを執筆している時点(令和2年6月)は夏季の冷却能力を確認中。暑そうな日に日中の温度データを記録する予定。周辺の温度が約38℃の状態で3時間経った際の水温を26℃に抑えることができている模様。

今回実装できなかったけどそのうち実装したい機能

  • 液晶での温度表示
  • SDカードから設定情報読み取り
  • Wi-Fi接続による外部からの状態監視
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睡蓮水槽管理装置製作その零

トロ箱を使ってベランダビオトープもどきを作って遊んでいます。みやんの住む長野は朝晩は南関東よりは涼しいとは言え夏の日中は30℃を普通に上回り、水温が上がりすぎることから水温の変動緩和用に別途水タンク(45L)を設けポンプを使って循環しています。

ベランダビオトープもどきの初期バージョン 今みると結構おしゃれ

初期のものは手持ちのガラス水槽+水タンクを使っていて、水タンク→水槽はDC12V電源の水中ポンプを使用し、戻りはサイホンを使っていたのですが、冬季は市街地と言えども最低気温が-10℃程度まで下がり配管の凍結に悩まされました。特に戻り配管の凍結が頻発しましたが、−10℃を下回ると上り配管も凍結していました。保温材で包む等の対応を試みましたが結局解決せず。結局配管に凍結防止ヒーターを巻き付けてある程度の解決ができました。

睡蓮水槽管理装置全景

後に現在のトロ箱ビオトープもどきを作り同時に凍結防止を強化。上り配管は従来と同じですが、下り配管をφ13→φ25へ太くした上で金属管に置き換えて凍結防止ヒーターの熱効率を向上。-10℃程度でも配管が凍結しなくなりました。更に「もう少しそれっぽいものを作ってみるか」と思い立って今回の睡蓮水槽管理装置をつくりました。

今回、色々あってSONYのマイコンボードSpresenseをSpresense SDK環境でプログラムを作成して使用しました。Spresense SDKを使用した例はまだかなり少ないようで私も最後まで液晶を使った表示ができなかったなど資料の少なさに苦しめられました。ただ、リアルタイムOSを使用したこの環境はマルチスレッド環境が使えるなど、使えるならこっちのほうがSpresenseマイコンボードを使い倒せるようです。

この先、回路図やソースコードも公開します。見様見真似で作り上げた回路とプログラムなので見苦しいことこの上ないかと思います。しかし、資料が無いよりはマシだと思うのでそこはご勘弁願います。

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データベースが吹っ飛んだっぽい

睡蓮水槽管理装置の製作記を書こうとブログを覗いたら「データベース接続エラー」と出ていて何もできなくなっていました。ここ数年ロクに更新していなかったので削除でもいいかな?と思ったけど、せっかく制作記の準備を進めたところなので、新規に作り直します。

ついでに書き込む内容を統一しようかと思っています。

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