施設園芸 • VPD微気象制御 • 高精度養液土耕（施肥灌漑）

温室スマート灌漑工学：飽差（VPD）・日射量・液肥自動希釈

温室やビニールハウス内では自然降雨が遮断されます。ESP32-S3マイコン上で直接実行される、飽差（VPD）、全天短波日射量、および比例養液注入（A+B液）に基づく完全自律型蒸散バランスモデルを解説します。

温室や農業用ハウスは完全に人為制御された閉鎖・半閉鎖環境（Protected Cropping）です。露地栽培向けの標準的な農業気象モデルをそのまま適用すると、致命的な生育不良を引き起こします。外部の降雨は被覆下の作物根圏を潤さないため、降雨連動インターロックを無効化し、日射量と気孔蒸散レートのみに連動した水分・養分供給を行わなければなりません。

無降雨（No-Rain）インターロックの原則：

Waveshare 6CH コントローラーの温室プロファイルでは、外部有効降雨量をゼロ（$ P_{\text{eff}} = 0 $）に固定します。屋外で豪雨が発生していても、温室内の作物は照射エネルギーと空気の乾湿状態に応じて絶え間なく蒸散を続けます。

1. 飽差（VPD: 飽和水蒸気圧差）とテテンスの計算式

相対湿度（$ RH $）の数値単体では、大気が葉面から水分を吸い上げる物理的な推進力を正確に表すことはできません。植物生理学における最重要指標はVPD（Vapor Pressure Deficit：飽和水蒸気圧差）であり、葉内気孔下腔の飽和水蒸気圧（$ e_s $）と温室内空気の水蒸気圧（$ e_a $）の差として定義されます。

$$\text{VPD} = e_s - e_a \quad [\text{kPa}]$$

温度 $ T $ [°C] における飽和水蒸気圧 $ e_s $ は、ESP32-S3上でテテンスの式（Tetens equation）を用いて算出されます。

$$e_s = 0.61078 \times \exp\left( \frac{17.27 \times T}{T + 237.3} \right) \quad [\text{kPa}]$$

実水蒸気圧 $ e_a $ は、計測された相対湿度 $ RH $ [%] から直接求められます。

$$e_a = e_s \times \left( \frac{RH}{100} \right) \quad [\text{kPa}]$$

VPD制御の管理基準レンジ：

$ \text{VPD} < 0.4\text{ kPa} $ – 多湿・飽和状態。作物の蒸散とカルシウム移行が停止し、灰色かび病（ボトリチス）等の病害リスクが極大化します。
$ 0.8\text{ kPa} \le \text{VPD} \le 1.2\text{ kPa} $ – 光合成最適域。気孔が十分に開き、CO2同化と養分吸収が最大限に活性化します。
$ \text{VPD} > 1.6\text{ kPa} $ – 重度の乾燥ストレス。大気の蒸散要求量が根の吸水限界を超え、萎れを防ぐために気孔を強制閉鎖します。

2. 全天日射量（$ R_s $）と遮光係数

施設栽培において蒸散を駆動する一次エネルギー源は日射です。本アルゴリズムでは外部全天短波日射量 $ R_s $ [W/m²] を取得し、被覆材や遮光カーテンの透過率係数 $ S_{\text{coef}} $ を乗算して有効受光量を求めます。

$$R_{\text{eff}} = R_s \times S_{\text{coef}} \quad [\text{W/m}^2]$$

1平方メートルあたりの目標灌水量 $ D_{\text{m2}} $ [l/m²] は、作物の基本基準量に対して日射補正係数（$ M_{\text{rad}} $）およびVPD補正係数（$ M_{\text{vpd}} $）を動的に乗算して算出されます。

$$D_{\text{m2}} = D_{\text{base}} \times M_{\text{rad}} \times M_{\text{vpd}} \quad [\text{l/m}^2]$$

床面積 $ A $ [m²] の温室区画に必要な総灌水量 $ V_{\text{water}} $ [リットル] は次の通りです。

$$V_{\text{water}} = D_{\text{m2}} \times A \quad [\text{リットル}]$$

3. 養液土耕（施肥灌漑）の制御と Waveshare 6CH リレー駆動

ESP32-S3は給水用電磁弁（K1）と高濃度液肥注入ポンプ（K2）を同期制御します。それぞれの稼働秒数は、設置された灌水チューブやポンプの吐出流量仕様に基づいて計算されます。

$$t_{\text{K1 (給水)}} = \left\lfloor \frac{V_{\text{water}}}{Q_{\text{drip}}} \times 3600 \right\rfloor \quad [\text{秒}]$$

注入すべき濃縮原液量は、目的とする希釈比率 $ F_{\text{pct}} $（通常0.7%〜1.5%体積比）によって決定されます。

$$t_{\text{K2 (液肥)}} = \left\lfloor \frac{V_{\text{water}} \times \left( \frac{F_{\text{pct}}}{100} \right)}{Q_{\text{fert}}} \times 3600 \right\rfloor \quad [\text{秒}]$$

作物プロファイル	基本必要量 ($ D_{\text{base}} $)	液肥混合比 ($ F_{\text{pct}} $)	栽培管理上の特性
レタス (GH_CROP_LETTUCE)	2.2 l/m²	0.7% (低EC: 1.1–1.4 mS/cm)	浅根性。培地塩分濃度の上昇およびチップバーン（芯腐れ）に対して極めて過敏。
ガーベラ (GH_CROP_GERBERA)	4.5 l/m²	1.2% (中EC: 1.5–2.0 mS/cm)	切り花栽培。カリウムおよびキレート鉄の要求度が高く、株元過湿による根腐れに注意。
トマト (GH_CROP_TOMATO)	5.5 l/m²	1.5% (高EC: 2.2–2.8 mS/cm)	夏季の蒸散量が膨大。果実肥大期における高いカリウム要求量と厳格な水分制御が必要。

4. 細霧冷房によるVPD緩和制御（フォギングリレー K3）

夏季の酷暑時には、強制換気のみでは温室内の乾燥を防ぎきれず、VPDが危険域である1.6 kPaを突破します。ESP32-S3は温度およびVPDの複合閾値を超えた瞬間、リレー K3（高圧細霧冷房システム） を瞬時に起動します。

$$\text{リレーK3起動条件} \iff \left( T \ge 28.0^\circ\text{C} \quad \wedge \quad \text{VPD} \ge 1.60\text{ kPa} \right)$$

微細な霧が瞬時に気化することで気化潜熱（水1kgあたり約2.45 MJ）を吸収し、葉面温度を3〜6°C低下させると同時に湿度を回復させ、VPDを最適な光合成稼働レンジへと安全に戻します。

システム構成：Waveshare 6CHによる温室自律エッジ制御

greenhouse_irrigation.c エンジンによって駆動される制御系は、ESP32-S3上で完全なリアルタイム性と決定論的動作を実現します。

完全自律エッジ駆動（クラウド非依存）： VPD演算、目標灌水量、タイマー値の導出はすべてローカルSRAM内で2ミリ秒以内に完了します。
高精度な比例注入制御： 給水バルブK1と注入ポンプK2の同期トリガーにより、過剰施肥や培地の塩類濃度障害を防止します。
ハードウェアタイマー安全監視： 各出力リレーは1Hzのハードウェア割り込みレジスタと直結しており、通信断やフリーズが発生しても規定時間経過後に物理遮断されます。

本アーキテクチャは Waveshare ESP32-S3 6CH Relay 上で稼働する ProPresta IT エコシステム専用に設計・検証されています。