KR101328482B1 - Hybrid controller of orchard with ubiquitous sensor network - Google Patents

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KR101328482B1
KR101328482B1 KR1020110027884A KR20110027884A KR101328482B1 KR 101328482 B1 KR101328482 B1 KR 101328482B1 KR 1020110027884 A KR1020110027884 A KR 1020110027884A KR 20110027884 A KR20110027884 A KR 20110027884A KR 101328482 B1 KR101328482 B1 KR 101328482B1
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Abstract

본 발명은 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치에 관한 것으로서, 독립하여 동작할 수 있는 임베디드 하드웨어, 상기 임베디드 하드웨어에 유선 또는 무선으로 연결되고 하나 이상의 센서 네트워크와 연동하여 수신 또는 송신을 하는 베이스 노드 등으로 구성되며, 상기 임베디드 하드웨어는 유선 또는 무선 통신을 통하여 모니터링 장치에 연동되고, 상기 하나 이상의 센서 네트워크는 온도, 습도, 조도, 토양수분, 토양 ph 센서 중에 어느 하나 이상으로 된 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치이며, 상기 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치에 의해 과원의 효율적인 관리가 가능하게 된다.The present invention relates to a hybrid orchard management device interworking with a ubiquitous sensor network, embedded hardware that can operate independently, a base node connected to the embedded hardware by wire or wirelessly and interoperating with one or more sensor networks to receive or transmit. And the embedded hardware is linked to a monitoring device through wired or wireless communication, and the at least one sensor network is connected to a ubiquitous sensor network made of any one or more of temperature, humidity, roughness, soil moisture, and soil ph sensors. A hybrid orchard management device, and the hybrid orchard management device interworking with the ubiquitous sensor network enables efficient management of the orchard.

Description

유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치{HYBRID CONTROLLER OF ORCHARD WITH UBIQUITOUS SENSOR NETWORK}HYBRID CONTROLLER OF ORCHARD WITH UBIQUITOUS SENSOR NETWORK}

본 발명은 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치에 관한 것으로서, 상세히는 과원관리에 필요한 온도, 광(光), 상대습도, CO2 등의 기상 환경인자와, 토양수분, 지온(地溫), 토양분, pH 등의 토양 환경인자에 대한 정보를 무선으로 감지, 저장, 가공, 통합하는 유비쿼터스 센서 네트워크(이하 USN)를 통해 다양한 과원관리 요인으로부터 발생하는 관리의 복잡성에 종합적으로 대응하여 실시간적으로 제어할 수 있는 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치에 관한 것이다.
The present invention, specifically the temperature required for orchard management, light (光), and the gaseous environment factors of relative humidity, CO 2, such as soil moisture, soil temperature (地溫) relates to a hybrid orchard management unit linking the ubiquitous sensor network Through the ubiquitous sensor network (USN), which wirelessly detects, stores, processes, and integrates information on soil environmental factors such as soil content, pH, and pH, it responds comprehensively to the management complexity arising from various over-management factors. The present invention relates to a hybrid over-the-counter management device incorporating a ubiquitous sensor network that can be controlled.

(1) 국내 연구현황(1) Status of domestic research

-국내에서는 USN에 대한 기초적 개념은 알려져 있으나 농업에 응용된 사례는 전무하며, 상기 USN의 기자재 중 센서 노드와 관련 부품의 일부는 국산화가 이루어진 상태이나 거의 대부분은 수입제품을 사용하고 있다.-The basic concept of USN is known in Korea, but there are no examples of application in agriculture, and some of the sensor nodes and related parts of the USN equipment are localized, but most of them use imported products.

-USN을 이용한 과수재배의 기초적 연구는 2009년 농진청 특화작목 연구개발과제의 일환으로 이루어졌으며 상기 USN으로 주요 과원관리 요인의 효율적인 측정이 가능한 것으로 판단하였다. The basic research on fruit cultivation using USN was conducted as part of R & D project of specialized crops in 2009, and it was judged that USN can effectively measure major orchard management factors.

-국내의 관련 연구로서 작물생육 환경 및 작업 상태를 제어하기 위해 농촌진흥청 원예연구소에서는 과수용 자동관수장치를 개발하였다.-As a related study in Korea, the Rural Horticulture Research Institute developed an automatic irrigation system for fruiting to control crop growth environment and working conditions.

-ARM의 마이크로프로세서를 이용하려는 연구는 공학 분야에서 시도되고 있으나, 그 장점을 농업이나 특히 과수원관리에 응용하는 연구는 시도된 적이 없다.Research into the use of ARM microprocessors has been attempted in engineering, but no attempt has been made to apply its benefits to agriculture or, in particular, orchard management.

(2)국외 연구현황(2) Status of Overseas Research

-국외의 USN의 응용은 제한적이며 과수관리에 대한 응용은 개념 정립의 단계에 있다.The application of USNs outside of Korea is limited, and the application of fruit management is in the stage of conception.

-미국과 같은 농업 선진국에서도 무선통신을 응용한 연구는 소수 보고되고 있으나 다재다능한 USN 및 ARM의 제어시스템의 과수 응용은 전무한 실정에 있다.There are only a few reports on the use of wireless communications in advanced agricultural countries such as the United States, but there are no fruitful applications of the versatile USN and ARM control systems.

-일본 농업환경연구소에서 Wi-Fi 통신 네트워크와 웹 카메라 사용으로 작물생육 환경 데이터 관리를 시도한 바 있다.The Japanese Institute of Agricultural and Environmental Research has attempted to manage crop growth environment data using a Wi-Fi communication network and a web camera.

-이스라엘 파이토크에서는 식물생장 모니터링으로 관개를 제어하기 위해 400MHz 대역 무선 네트워크 및 CDMA 데이터 통신을 연동하여 실용화하였다.Israel's Pytok talks about the practical use of 400MHz band wireless network and CDMA data communication to control irrigation by monitoring plant growth.

-미국 Spectrum technology에서는 800MHz 대역의 무선 네트워크와 CDMA를 연결하여 데이터 통신용 병해충 관련 응용프로그램을 개발 보급하였다.
In the US, Spectrum technology has developed and distributed pest-related applications for data communication by connecting CDMA to 800MHz wireless network.

본 발명은 과원관리의 기상 환경인자와 토양 환경인자의 통합적 자동계측을 위한 효율적인 유비쿼터스 센서 네트워크 장치 및 유비쿼터스 센서 네트워크 장치의 센서 통합출력을 이용한 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치를 제공하고자 하는 것으로,An object of the present invention is to provide an efficient ubiquitous sensor network device for integrated automatic measurement of meteorological and soil environmental factors in over-management, and a hybrid over-management device integrating a ubiquitous sensor network using sensor integrated output of a ubiquitous sensor network device. ,

본 발명의 구체적인 첫 번째 목적은 독립하여 동작할 수 있는 임베디드 하드웨어, 상기 임베디드 하드웨어에 유선 또는 무선으로 연결되며 하나 이상의 센서 네트워크와 연동하여 수신 또는 송신을 하는 베이스 노드 등으로 구성되는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치를 제공하는 것에 있다.A specific first object of the present invention is ubiquitous, characterized in that it is composed of an embedded hardware that can operate independently, a base node that is connected to the embedded hardware by wire or wirelessly and interworks with one or more sensor networks. The present invention is to provide a hybrid over-the-counter management device in conjunction with a sensor network.

본 발명의 다른 목적은 상기 하나 이상의 센서 네트워크는 온도, 습도, 조도, 토양수분, 토양 ph 센서 중에 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치를 제공하는 것에 있다. Another object of the present invention is to provide a hybrid over-management device in conjunction with the ubiquitous sensor network, characterized in that the at least one sensor network is any one or more of temperature, humidity, roughness, soil moisture, soil ph sensor.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 임베디드 하드웨어는 유선 또는 무선 통신을 통하여 모니터링 장치에 연동되는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치를 제공하는 것에 있다.Still another object of the present invention is to provide a hybrid over-the-counter management apparatus incorporating a ubiquitous sensor network, wherein the embedded hardware is linked to a monitoring apparatus through wired or wireless communication.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 하나 이상의 센서 네트워크는 네트워크 간의 통신을 통하여 네트워크 연결거리를 증가시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치를 제공하는 것에 있다. Still another object of the present invention is to provide a hybrid over-management device in which the one or more sensor networks are linked with a ubiquitous sensor network, which can increase a network connection distance through communication between networks.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 하나 이상의 센서 네트워크는 독립된 프로그램을 내장하고 있어, 자동 또는 서버의 요청에 의하여 측정된 센서 값을 송신하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치를 제공하는 것에 있다. Still another object of the present invention is to provide a hybrid oversight management device incorporating a ubiquitous sensor network, characterized in that the one or more sensor networks have a built-in independent program and transmit sensor values measured automatically or at the request of a server. It is in doing it.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 모니터링 장치는 키보드 및 마우스 등의 입력신호에 의하여 하나 이상의 센서 네트워크에 명령을 전달하고 센서 값을 수신하여 표시하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치를 제공하는 것에 있다. Still another object of the present invention is a hybrid oversight management device in conjunction with a ubiquitous sensor network, characterized in that the monitoring device transmits a command to one or more sensor networks by input signals such as a keyboard and a mouse, and receives and displays sensor values. Is to provide.

본 발명의 또 다른 목적은 하나 이상의 출력 네트워크를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치를 제공하는 것에 있다. Still another object of the present invention is to provide a hybrid over-management device incorporating a ubiquitous sensor network, further comprising one or more output networks.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 하나 이상의 출력 네트워크는 릴레이를 이용하여 외부에 모터, 솔레노이드 밸브 중 어느 하나 이상을 ON 및 OFF 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치를 제공하는 것에 있다. Still another object of the present invention is the one or more output network using a relay, a hybrid over-management device in conjunction with the ubiquitous sensor network, characterized in that the external control of any one or more of the motor, solenoid valve on and off. It is to offer.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 하나 이상의 출력 네트워크는 별도의 전원을 이용하여 모터, 솔레노이드 밸브 중 어느 하나 이상을 ON 및 OFF 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치를 제공하는 것에 있다. Another object of the present invention is a hybrid over-management device in conjunction with the ubiquitous sensor network, characterized in that the one or more output network can control any one or more of the motor, solenoid valve using a separate power source. It is to offer.

본 발명의 또 다른 목적은 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치를 제어하는 방법에 있어서, 하나 또는 그 이상의 센서 네트워크의 토양 수분 센서의 입력이 기준치 이하이면, 측정된 센서 네트워크에서 가장 가까운 출력 네트워크의 솔레노이드 밸브 및/또는 모터를 구동하여 수분을 토양에 공급하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치의 제어방법을 제공하는 것에 있다.
Still another object of the present invention is a method for controlling a hybrid over-management device in conjunction with a ubiquitous sensor network, wherein the input of one or more sensor networks is less than a reference value, and the output network closest to the measured sensor network It is to provide a control method of a hybrid over-management device in conjunction with a ubiquitous sensor network, characterized in that to supply the soil by driving the solenoid valve and / or motor of the.

본 발명은 독립하여 동작할 수 있는 임베디드 하드웨어, 상기 임베디드 하드웨어에 유선 또는 무선으로 연결되고 하나 이상의 센서 네트워크와 연동하여 수신 또는 송신을 하는 베이스 노드 등으로 구성되며, 상기 임베디드 하드웨어는 유선 또는 무선 통신을 통하여 모니터링 장치에 연동되고, 상기 하나 이상의 센서 네트워크는 온도, 습도, 조도, 토양수분, 토양 ph 센서 중에 어느 하나 이상으로 된 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치를 해결 수단으로 한다.
The present invention comprises an embedded hardware that can operate independently, a base node connected to the embedded hardware in a wired or wireless manner and receiving or transmitting in conjunction with one or more sensor networks, the embedded hardware is a wired or wireless communication The at least one sensor network is linked to the monitoring device, and the hybrid orthographic management device is interlocked with a ubiquitous sensor network made of any one or more of temperature, humidity, roughness, soil moisture, and soil ph sensors.

본 발명은 과원관리의 기상 환경인자와 토양 환경인자의 통합적 자동계측을 위한 효율적인 유비쿼터스 센서 네트워크 장치를 개발하고, 상기 유비쿼터스 센서 네트워크 장치의 센서 통합출력을 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치에서 사용하도록 함으로써 과원의 효율적인 관리가 가능하도록 하였다.The present invention develops an efficient ubiquitous sensor network device for integrated automatic measurement of meteorological and soil environmental factors of over-management, and uses the integrated sensor output of the ubiquitous sensor network device in a hybrid over-the-counter management device interworking with a ubiquitous sensor network. By doing so, efficient management of the orchard was possible.

도 1은 과원관리 USN 시스템의 센서 및 제어 node
도 2는 조도센서 연동을 위한 LabVIEW 그래픽 프로그램
도 3은 LabVIEW PC console 프로그램의 실제적 layout
도 4는 센서 값의 그래프 display
도 5는 실험과수원의 위성사진
1 is a sensor and control node of the over-management USN system
2 is a LabVIEW graphical program for interfacing with a light sensor
3 is the actual layout of the LabVIEW PC console program
4 is a graph display of sensor values
5 is a satellite image of the experimental orchard

(1)본 발명의 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치에 있어서, 과원관리의 기상 환경인자와 토양 환경인자의 통합적 자동계측을 위한 효율적인 유비쿼터스 센서 네트워크 장치를 구성하기 위한 구체적인 내용은 다음과 같다.(1) In the hybrid orchard management apparatus interworking with the ubiquitous sensor network of the present invention, specific details for constructing an efficient ubiquitous sensor network apparatus for integrated automatic measurement of meteorological and soil environmental factors of over-management are as follows. .

가.유비쿼터스 센서 네트워크(USN)Ubiquitous Sensor Network (USN)

센서기술과 무선통신 기술로 개발된 것이 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network : USN)이며, 때로는 무선 센서 네트워크(WSN)라고도 한다. 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)의 두 가지 주요 기능은 사용자가 하는 상황 발생에 대한 데이터를 각 센서노드들에게 전파시키는 것과 각 개별 센서노드가 받은 데이터를 수집하여 싱크를 통해 사용자에 전달하는 것이다. Ubiquitous Sensor Network (USN), developed by sensor technology and wireless communication technology, is sometimes referred to as wireless sensor network (WSN). The two main functions of the ubiquitous sensor network (USN) are to propagate data about the occurrence of the situation to each sensor node, and collect data received by each individual sensor node and pass it to the user through the sink.

USN은 ad-hoc 방법으로 통신망이 구성되며, 데이터 수집을 위한 센서, 수집된 센서정보를 처리하고 제어하기 위한 MCU, 그리고 수집된 무선정보를 전달하기 위한 무선통신부로 구성된다. 센서 네트워크의 활동 범위는 동물관리, 홈네트워크, 병원환자의 관리, 환경과 공해 감시 등 모든 사물 및 환경에서 각각의 정보를 감시할 수 있는 센서를 부착하여 네트워크에서 실시간으로 관리 및 감시를 할 수 있는 곳은 어디나 활용이 가능하다. The USN consists of a communication network in an ad-hoc manner, and includes a sensor for data collection, an MCU for processing and controlling the collected sensor information, and a wireless communication unit for transferring the collected wireless information. The scope of activity of the sensor network can be managed and monitored in real time on the network by attaching sensors that can monitor individual information in all objects and environments such as animal management, home network, hospital patient management, environment and pollution monitoring. Places can be used anywhere.

USN은 IEEE802.15.4의 PHY계층과 MAC계층 위에 존재하는 ZigBee 연합에서 정의하는 네트워크 계층과 응용계층을 기본으로 하는 통신 프로토콜을 따른다. 도 1은 ZigBee 프로토콜 스택을 보여주고 있다. ZigBee에 사용되는 주파수 대역을 보면 유럽에서는 868MHz대역의 단일 채널을 사용하고 있으며, 북미에서는 915MHz를 중심으로 하는 10개 채널의 주파수를 사용하고 있고, 2.4GHz대역에서는 16채널을 사용하고 있다.The USN follows the communication protocol based on the network layer and application layer defined by the ZigBee federation that exist on the PHY layer and MAC layer of IEEE802.15.4. 1 shows a ZigBee protocol stack. In the frequency band used for ZigBee, a single channel of 868 MHz is used in Europe, 10 channels centered at 915 MHz in North America, and 16 channels in 2.4 GHz.

이를 전체적으로 보면 크게 3개 주파수 밴드에서 27개 주파수 채널을 사용하는 것으로 볼 수 있다. 최근 대부분의 업체에서는 전송속도가 가장 높은 2.4GHz 대역의 ZigBee Transceiver를 내놓고 있다. Overall, it can be seen that 27 frequency channels are used in three frequency bands. Recently, most companies have released ZigBee Transceiver of 2.4GHz band, which has the highest transmission speed.

송신 파워는 일반적으로 10∼75m range, 75m/1mW 이하이며 송신의 경우 30mA의 전력소모를 가지는 것이 일반적이다. 하지만 사용하고자 하는 곳의 지리적인 위치 및 외부 환경에 따라 송신전력을 S/W적으로 변경하여 소비되는 전력량을 줄일 수도 있다. 2.4GHz RF의 경우에 실내에서는 30m의 통신거리를 보장하며, 실외의 환경에서는 일반적으로 100m 정도를 보장한다.The transmit power is generally in the range of 10m to 75m, 75m / 1mW or less, and it is common to have a power consumption of 30mA for the transmission. However, the amount of power consumed can be reduced by changing the transmission power to S / W according to the geographical location and the external environment of the place to be used. In the case of the 2.4 GHz RF, it guarantees a communication distance of 30 m indoors and 100 m in an outdoor environment.

USN을 구축하는 방법은 그 방법에 따라 전송 패킷의 전달 정확성 및 에너지 사용 형태에 많은 영향을 미친다. 따라서 USN의 라우팅 방법은 다양하게 연구되고 있으며 평면기반 라우팅(Directed Diffusion, Gradient Based Routing, Energy-aware routing 등), 위치기반 라우팅(Greedy Based Routing, Location Hop Counter;Directional Flooding 등), 계층기반 라우팅(LEACH, PEGASIS 등)과 같이 여러 가지 라우팅 프로토콜이 제시되고 있다. 도 2는 계층기반 라우팅과 더불어 위치기반 라우팅 프로토콜의 상대적 위치도를 포함하고 있다. The method of constructing the USN greatly influences the transmission accuracy and the energy usage form of the transport packet according to the method. Therefore, the routing method of USN has been studied in various ways, such as flat-based routing (Directed Diffusion, Gradient Based Routing, Energy-aware routing, etc.), location-based routing (Greedy Based Routing, Location Hop Counter; Directional Flooding, etc.), layer-based routing ( Several routing protocols have been proposed, such as LEACH, PEGASIS, etc. Figure 2 includes the relative location diagram of the location-based routing protocol in addition to layer-based routing.

나. 효율적 과원관리를 위한 USN의 설계 및 구축I. Design and Implementation of USN for Effective Overage Management

국내에서는 센서 네트워크 및 센서노드의 보급이 다양하지 않은 것으로 분석되었다. 그러나 보급된 종류 중에서 성능과 가격 면에서 Mote류 센서노드가 과원관리의 주요요인 통합계측에 적합한 것으로 판단되었다.It is analyzed that the spread of sensor network and sensor node is not diverse in Korea. However, in terms of performance and price, Mote sensor nodes were found to be suitable for integrative measurement, which is a major factor in over-management.

본 발명에서 선정된 센서 네트워크는 공개된 프로토콜을 바탕으로 국내 기술로 개발된 한백전자의 ZigBex 시리즈였다. 도 3에 센서노드의 상세 구성의 예를 보여주고 있다.The sensor network selected in the present invention was a ZigBex series of Hanbaek Electronics developed by domestic technology based on the published protocol. 3 shows an example of a detailed configuration of the sensor node.

센서노드는 크게 Mica 계열의 Atmel의 AVR 시리즈와 Telos 계열의 TI MSP430시리즈가 일반적이나 선정된 시스템은 Mica 계열의 노드이다. MCU로서 저전력 8비트 클록의 RISC CPU(Atmel의 Atmega 시리즈)가 장착되어 있고, 본 발명에서는 공개 S/W로서 초소형 TinyOS 운영체제, TinyDB 데이터베이스, NesC 확장언어를 기반으로 운용된다. TinyOS는 Mica 계열 센서노드에서 이용되며, 미국, 스탠포드대학교에서 공개S/W로서 개발/보급되었다.Sensor nodes are largely the Mica Atmel AVR series and Telos TI MSP430 series, but the selected system is the Mica node. The MCU is equipped with a low-power 8-bit clock RISC CPU (Atmel's Atmega series). In the present invention, the open S / W is operated based on the tiny TinyOS operating system, TinyDB database, and NesC extension language. TinyOS is used in Mica series sensor nodes and developed / distributed as open software at Stanford University.

TinyOS는 event-driven 구조로서 메모리는 단일 스택으로 NesC 언어를 기반으로 구현되며 센서 네트워크에서 직면하는 에너지의 한정된 사용을 극대화하기 위하여 초소형으로 장착된다.TinyOS is an event-driven architecture with a single stack of memory built on top of the NesC language and compactly mounted to maximize the limited use of energy encountered in sensor networks.

NesC는 기존 C언어를 바탕으로 센서 네트워크를 위해 개발된 컴포넌트(component) 프로그래밍 언어로서, 이와 같은 컴포넌트 언어는 여러 개의 컴포넌트 블록(block)을 연결(wiring)하여 하나의 응용프로그램 형태를 조합한다. 특히 센서노드에 올라갈 하나의 응용프로그램을 위해 꼭 필요한 라이브러리 및 커널 컴포넌트만 올라가기 때문에 코드의 사이즈가 작으며 기존 C언어에 비해 프로그램이 편리하다. 또한 TinyOS의 Main 함수에서 구동되는 스케줄러는 단순한 FIFO 타입이며 커널이 없고 동적 및 가상 메모리를 사용하지 않는 특징이 있다.NesC is a component programming language developed for the sensor network based on the existing C language. Such a component language combines a single application program form by connecting several component blocks. In particular, since only the libraries and kernel components necessary for one application program to be loaded on the sensor node are loaded, the code size is small and the program is more convenient than the existing C language. In addition, the scheduler running in TinyOS's Main function is a simple FIFO type with no kernel and no dynamic and virtual memory.

무선 RF모듈은 IEEE 802.15.4/ZigBee 기반의 CC2420이다. 여러 가지 센서 중에서 온도, 습도, 조도 센서는 온칩화되어 계측의 편리성을 증대하였으며 레이저, 모션디텍터, GPS 센서 등은 모듈화로 연동작동이 가능하도록 구성하였다.The wireless RF module is a CC2420 based on IEEE 802.15.4 / ZigBee. Among various sensors, temperature, humidity, and illuminance sensors are on-chip to increase the convenience of measurement, and the laser, motion detector, and GPS sensors are configured to be interoperable by modularization.

USN 측정시스템에 선정된 노드들과 그 특성 Nodes Selected in USN Measurement System and Their Characteristics ClassiClassi -- ficationfication NodeNode nono .. T/H/PT / H / P
sensesense
ContCont . . signalsignal DataData StructureStructure
toto BasetationBasetation
RemarkRemark
Base
Station
Base
Station
00 NoNo NoNo
CameraCamera 1One NoNo NoNo Depending on cameraDepending on camera Camera
대체가능
Camera
Replaceable
GPSGPS 22 YesYes NoNo typedef {uint8_t NodeNo;
uint16_t temp;
uint16_t humi;
uint16_t photo;
uint8_t gps[64];}
typedef {uint8_t NodeNo;
uint16_t temp;
uint16_t humi;
uint16_t photo;
uint8_t gps [64];}
위도, 경도,
높이로 출력
Latitude, longitude,
Output to height
Motion detectorMotion detector 33 YesYes NoNo typedef {uint8_t NodeNo;
uint16_t temp;
uint16_t humi;
uint16_t photo;
uint16_t pir;}
typedef {uint8_t NodeNo;
uint16_t temp;
uint16_t humi;
uint16_t photo;
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생물체
접근 유무
organism
Access
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Soil
pH
Soil
pH
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Soil
moisture
Soil
moisture
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Extra
THP
Extra
THP
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중요 지점
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Important point
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AC motor
on/off
AC motor
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AC motor
on/off
AC motor
on / off
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Control
AC
Control
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AC Power
up and down
(Dimmer)
AC Power
up and down
(Dimmer)
DC
Control
DC
Control
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DC Motor
(or power)
on/off
DC Motor
(or power)
on / off

본 발명에서는 효율적 과원 관리를 위해 측정해야할 기본 인자로서 온도, 습도, 조도를 선택하였고, 응용인자로서 공기 중 이산화탄소 함량, 토양의 수분과 pH 수준을 선정하였다. 또한 응용인자로서 과수원에 접근하는 유해 동물 혹은 사람의 접근을 감지하는 생물체 열감지센서, 향후 과수원과 연관하여 지리정보시스템(GIS)의 특성을 적용하기 위한 GPS 위치센서, 실시간 혹은 과수원 특별감시를 위한 영상 카메라 센서를 포함하였다. In the present invention, the temperature, humidity, and roughness were selected as basic factors to be measured for efficient over-management, and the carbon dioxide content in the air, the moisture, and the pH level of the soil were selected as application factors. In addition, as an application factor, a biological heat sensor that detects the access of a pest or an animal approaching an orchard, a GPS position sensor for applying the characteristics of a GIS in connection with an orchard in the future, or for special monitoring for real time or orchard Imaging camera sensor was included.

나아가 ARM의 제어시스템이 전달된 여러 센서의 값을 분석한 후 과원관리의 의사결정에 따라 스프링클러 급수 펌프, 비료 및 방제 기계, 조명시스템 등을 관리하는 Actuator를 제어하기 위한 제어인자로서 두 개의 AC motor on/off 제어 채널과 AC power on/off 채널, 각각 한 개의 AC와 DC의 출력을 연속적으로 제어하는 power level 채널을 선정하였다. 특히 ARM의 제어시스템에서 발생하는 Actuator 제어 signal은 각 채널의 해당 노드를 통해 무선으로 각 Actuator에 전달된다. Furthermore, after analyzing the values of several sensors transmitted by ARM control system, two AC motors are used as control factors to control actuators to manage sprinkler feed pump, fertilizer and control machine, lighting system according to decision of over management. On / off control channel and AC power on / off channel, power level channel which continuously control the output of one AC and DC are selected. In particular, the actuator control signal generated by the ARM control system is transmitted to each actuator wirelessly through the corresponding node of each channel.

상기 표 1은 본 발명에서 선정된 센서와 Actuator 제어 노드의 특성을 보여주고 있다. 두 번째 열에서 노드 번호는 무선 통신에서 각 채널에서 호환되는 무선 통신 패킷을 구분하는 번호이다. 상기 표 1에서 보는 바와 같이 총 13의 노드 중에서 Basestation인 0번 노드, 무선 데이터의 송신량이 너무 많아 과부하가 걸리는 카메라 노드 1번, 생물체 감지를 포함하는 3번 노드의 상황에 의해 제어 신호를 독점 관리하는 10번 릴레이 노드를 제외한 10개의 노드는 2번 GPS 노드의 위치 파악 신호 송출과 같은 자신의 고유 역할을 수행하면서도 기본적 측정인자인 온도, 습도, 조도 값을 ARM 제어 시스템에 송출하며 이 기초적 측정인자 값들은 효율적 과수관리를 위한 의사결정에 기여를 하게 된다. Table 1 shows the characteristics of the sensor and the actuator control node selected in the present invention. In the second column, the node number is a number that distinguishes compatible wireless communication packets in each channel in wireless communication. As shown in Table 1, control signals are exclusively managed by the situation of node 0, which is a base station, a camera node 1 that is overloaded due to a large amount of wireless data transmission, and node 3, which includes living organisms, as shown in Table 1 above. Ten nodes, except for relay node 10, which play its own role, such as the positioning signal transmission of GPS node 2, transmit the basic measurement factors such as temperature, humidity, and illuminance values to the ARM control system. Values contribute to decision making for efficient fruit management.

상기 표 1에서 5번열은 각각의 측정 노드가 그 계측 값을 무선으로 Basestation에 전달할 때 사용하는 packet의 자료구조를 보여주고 있으며, 이 자료는 디지털로 parsing되어 정확한 값이 ARM 제어시스템의 DB로 전달되고 저장된다. 8번과 9번 노드는 급수, 방제 혹은 비료 살포를 담당하는 전기적 모터의 제어 모듈로서 ARM 제어시스템의 의사결정에 따라 무선으로 전기적 입출력을 제어하는 모듈이다. AC 제어를 담당하는 11번 노드는 Actuator에 들어가는 AC전원의 크기를 제어하는 모듈로서 주로 전자기 Actuator를 제어하는 모듈로 사용된다. 또한 DC 제어를 담당하는 12번 노드는 솔레노이드 밸브와 같은 DC용 Actuator를 제어하게 된다. Column 5 in Table 1 shows the data structure of a packet that each measurement node uses when transmitting its measured values wirelessly to the base station. This data is digitally parsed and the correct value is transmitted to the DB of the ARM control system. And stored. Nodes 8 and 9 are control modules for electric motors that are in charge of water supply, control, or fertilizer spraying. Modules that control electrical input and output wirelessly according to the decision of ARM control system. Node 11 in charge of AC control is a module to control the size of AC power that enters Actuator. It is mainly used as a module to control electromagnetic actuator. Also, node 12 in charge of DC control will control the actuator for DC such as solenoid valve.

본 발명에서 설계된 이 USN 시스템의 무선 계측부와 무선 제어부는 쉽게 확장이 가능하여 계측 노드의 추가가 필요한 상황이면 노드 번호 13번부터 언제든지 추가할 수 있으며, 마찬가지로 무선 릴레이 제어부도 노드 번호가 충돌이 되지 않으면 이론적으로 무한 확장이 가능하다. The wireless measurement unit and the wireless control unit of the USN system designed in the present invention can be easily extended and can be added at any time from the node number 13 when a measurement node needs to be added. Likewise, if the node number does not conflict with the wireless relay control unit, In theory, infinite expansion is possible.

다. 과원관리 USN의 주요 측정노드 및 제어노드 구축 및 특성All. Construction and characteristics of major measurement nodes and control nodes

도 1에 도시한 바와 같이, Basestation 노드(a)는 과원관리 USN 시스템의 sink 노드로서 시리얼 통신으로 ARM 제어시스템과 직접적으로 연결되고, 과수원에 산재된 측정 노드로부터 송출되는 센서 값을 받아들이며, 또한 ARM 제어시스템에서 의사결정된 Actuator의 제어신호를 해당 노드에 무선으로 송출하는 역할을 담당한다. As shown in Fig. 1, the basestation node (a) is a sink node of an over-management USN system, which is directly connected to the ARM control system through serial communication, and accepts sensor values sent from measurement nodes scattered in the orchard. It plays a role of wirelessly transmitting the control signal of the actuator determined by the control system to the corresponding node.

카메라 노드(b)는 C328-7640 이미지 센서를 내장하고 영상처리를 위한 CPU로서 ATmega128 프로세서를 사용하고 있다. C328-7640 모듈은 JPEG CODEC 압축엔진을 내장하고 있는데 TinyOS를 통하여 7가지 color type과 4가지의 영상크기를 사용할 수 있다. 본 발명에서는 green color type과 640x480 영상크기를 사용하였으나 다른 센서 노드와 달리 영상처리의 자료는 크기가 크기 때문에 영상송출 시에는 다른 센서의 무선자료 송출이 제한을 받게 된다.The camera node (b) has a C328-7640 image sensor and uses an ATmega128 processor as a CPU for image processing. The C328-7640 module has a built-in JPEG CODEC compression engine that can be used with 7 different color types and 4 image sizes through TinyOS. In the present invention, the green color type and the 640x480 image size are used. However, unlike other sensor nodes, the data of the image processing is large, and thus, the transmission of wireless data from other sensors is limited during image transmission.

GPS 노드(c)는 SiRFstar III GPS 수신기를 장착하고 있으며, 모듈은 512ms마다 무선으로 위도, 경도와 고도를 측정하여 ARM 제어시스템에 전달하고, 동시에 정해진 시간마다 설치 지역에서의 기본적 과원관리 정보인 온도, 습도 및 조도를 송출한다. GPS와 온도, 습도, 조도의 측정시간은 해당 응용사례에 따라 변경이 초 단위로 가능하며 몇 시간, 혹은 몇일 단위로 설정할 수 있다. 본 발명에서는 시스템 개발 단계에 있는 관계로 측정시간을 5초로 짧게 설정하였다. The GPS node (c) is equipped with a SiRFstar III GPS receiver, and the module measures the latitude, longitude and altitude wirelessly every 512 ms and transmits it to the ARM control system. Send out humidity, illuminance. GPS, temperature, humidity, and illumination measurement time can be changed in seconds, depending on the application, and can be set in hours or days. In the present invention, the measurement time was shortened to 5 seconds because it is in the system development stage.

Motion detector 노드(d)는 Nippon Ceramic사의 RE200B PIR(Pyroelectric Infrared Sensor)센서를 사용하며, 이 센서의 motion 감지 범위는 X축 방향으로 138도, Y축 방향으로 비교적 넓은 범위를 감지하는 능력이 있다. PIR센서는 적외선의 초전 효과를 이용하여 살아 있는 생물체가 발산하는 적외선 영역의 열에너지를 통해 10∼15m 내의 범위에서 생물체를 감지한다. The motion detector node (d) uses Nippon Ceramic's RE200B PIR (Pyroelectric Infrared Sensor) sensor, which has the ability to detect a relatively wide range in the X-axis direction and 138 degrees in the Y-axis direction. The PIR sensor uses the pyroelectric effect of infrared rays to detect living organisms in the range of 10 to 15 meters through the thermal energy of the infrared region emitted by living organisms.

CO2 노드(e)는 해당지역에서 공기 중의 이산화탄소를 측정하는 노드로서 0∼3000ppm의 범위에서 이산화탄소의 함량을 측정한다. 노드의 CO2 측정방법은 Non-Dispersive infrared(NDIR)에 기초한다. 이는 가스의 특정 파장에 대한 빛의 흡광도를 말하며 CO2는 4.26㎛에서 IR을 가장 많이 흡수하며 이를 통하여 CO2의 농도를 측정하는 방식이다. 이 노드에서 CO2 측정값은 ±2ppm의 정밀도를 가지며 매 2초마다 업데이트 되지만 Basestation에는 정해진 시간마다 그 값을 무선으로 송출하게 된다. CO 2 node (e) is a node for measuring carbon dioxide in the air in the region to measure the content of carbon dioxide in the range of 0 ~ 3000ppm. The CO 2 measurement of the node is based on non-dispersive infrared (NDIR). This refers to the absorbance of light to a specific wavelength of gas, and CO 2 absorbs the most IR at 4.26㎛ and measures the concentration of CO 2 through it. At this node, the CO 2 readings are updated every 2 seconds with a precision of ± 2 ppm, but the basestation sends them out wirelessly at fixed times.

토양 pH 노드(f)는 pH 센서를 아날로그 신호를 디지털로 변화하는 포트에 증폭하여 신호를 입력하였다. 입력된 신호는 0∼3V의 신호를 10bit 정밀도로 변환하여 측정하고 있다. Soil pH node (f) amplified the pH sensor to a port that changes the analog signal to digital input signal. The input signal is measured by converting a signal of 0 to 3V with 10-bit precision.

토양수분 노드(g)에 연결된 토양수분 센서는 전극형 수분함량 센서로 토양 수분을 0∼99.9%까지 측정하며 오차는 ±2%이다. 토양수분은 측정 센서봉을 땅속에 다 넣은 후에 측정되며 그 값은 정해진 시간마다 mote를 통해 무선으로 Basestation에 전달된다.The soil moisture sensor connected to the soil moisture node (g) is an electrode type moisture content sensor that measures soil moisture from 0 to 99.9% with an error of ± 2%. Soil moisture is measured after the measuring rod is placed in the ground, and the value is transmitted to the basestation wirelessly through the mote every fixed time.

라. 과원관리 USN의 운용 프로그램la. Management Program of Orchard Management USN

과원관리 USN 시스템은 무선통신을 바탕으로 하며 NEsC 프로그래밍 언어에 기초한 TinyOS를 firm 웨어로 하여 작동된다. 노드는 기초적으로 온도/습도/조도를 측정, 송출하며 동시에 GPS 위치정보를 응용 센서로서 측정하고 있음을 나타낸다. Overworking The USN system is based on wireless communication and works with TinyOS firmly based on the NEsC programming language. The node basically measures and transmits temperature / humidity / illuminance, and simultaneously indicates GPS position information as an application sensor.

(2)유비쿼터스 센서 네트워크 장치의 센서 통합출력을 이용한 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치의 구체적인 내용은 다음과 같다.(2) The details of the hybrid over-the-counter management device integrating the ubiquitous sensor network using the sensor integrated output of the ubiquitous sensor network device are as follows.

가.하이브리드 과원관리장치 운영프로그램의 개발A. Development of hybrid orchard management device operation program

본 발명의 하이브리드 과원관리장치는 미국의 National Instrument사가 개발한 LabVIEW 프로그램을 사용하여 개발하였다.The hybrid orchard management apparatus of the present invention was developed using a LabVIEW program developed by National Instrument of America.

프로그램의 개발을 단순하게 하고 추후의 보수 및 디버깅작업을 위하여 LabVIEW 와 embedded LabVIEW를 연동할 수 있는 ARM 코아 기반의 하드웨어 플랫폼을 USN 네트워크 노드0과 직결하여 하드웨어를 구성하고, 이를 구동하기 위하여 PC에서 구동되는 LabVIEW 프로그램과 ARM 코아 기반의 하드웨어 플랫폼에서 구동되는 embedded LabVIEW 프로그램을 개발하였다.An ARM core-based hardware platform that simplifies program development and can be integrated with LabVIEW and embedded LabVIEW for later maintenance and debugging. We developed a new LabVIEW program and an embedded LabVIEW program that runs on an ARM core-based hardware platform.

먼저, embedded LabVIEW 프로그램을 설명하면, 도 2와 같이 랩뷰와 동일한 프로그래밍 환경에서 프로그램하며, 다만, 장치의 개발에서 정한 노드와 각 노드마다의 입출력포트에 입력과 출력을 제어하는 형태로 프로그램을 작성하는 것에 차이가 있다.First, when describing an embedded LabVIEW program, it is programmed in the same programming environment as in LabVIEW as shown in FIG. 2, except that the program is written in a form of controlling inputs and outputs on nodes defined in device development and input / output ports for each node. There is a difference.

PC에서 구동되는 LabVIEW 프로그램은 관리자가 없을 때에도 독자적인 프로그램으로 과원관리의 역할을 담당할 중추적 구성이다. A LabVIEW program running on a PC is a central component that will play a role as an independent program even in the absence of an administrator.

도 3은 LabVIEW PC console 프로그램의 실제적 layout를 보여주고 있으며 도 4는 온도/습도/조도 등 USN에서 무선 송출되어진 값들을 그래프로 display 하는 모양을 보여주고 있다. 그래픽 display는 계측 값의 경향을 보여주어 과원관리 의사결정에 반영되어진다. FIG. 3 shows the actual layout of the LabVIEW PC console program. FIG. 4 shows the graphical display of wirelessly transmitted values from USN such as temperature / humidity / illuminance. The graphical display shows the trend of the measured values and is reflected in the decision making process.

본 발명에서는 과원관리에 필요한 주요 관리요인들의 선정에 바탕을 두어 온도, 습도, 조도, 토양수분, 토양양분, 모션검출기, GPS 및 CO2 측정센서 등의 계측인자가 설정되었으며, 과원관리 요인 중 기초인자로 구분되는 온도, 습도 및 조도에 대하여 기초적 특성을 실험하였다. In the present invention, the measurement factors such as temperature, humidity, roughness, soil moisture, soil nutrients, motion detectors, GPS and CO2 measuring sensors were set based on the selection of the main management factors necessary for managing the orchard. Basic characteristics were tested for temperature, humidity and illuminance.

실험 과수원의 주요 센서노드들의 무선 측정값 Wireless Measurements of Major Sensor Nodes in Experimental Orchards 노드Node RFRF datadata
toto ARMARM 제어시스템 Control system
비고Remarks
CameraCamera

Figure 112011022682174-pat00001
Figure 112011022682174-pat00001
스틸영상Still image GPSGPS 위도 36.57;
경도 동경127.5495;
고도 149.50
Latitude 36.57;
Longitude 127.5495;
Height 149.50
모션
감지
motion
Detection
Yes ( Boolean 1 )Yes (Boolean 1) 생물체 접근Creature Approach
CO2CO2 평균 180.5 ppm180.5 ppm average 토양
pH
soil
pH
6.76.7 거의 중성Almost neutral
토양
수분
soil
moisture
평균 32.5%Average 32.5%
릴레이1Relay 1 YesYes AC 전원
on/off
AC power
on / off

표 2는 실험 과수원에서 수행된 USN 계측시스템과 ARM 제어시스템의 검증실험에서 주요 센서 노드들과 제어 노드들에서 송출도인 무선 측정값의 예를 보여주고 있다. 표 2에서 GPS센서는 실험과수원의 위치를 위도 36.57°, 경도 동경127.5495°로 나타내고 있으며 이 과수원 위치에 대한 인공위성 사진은 도 5에서 보여주고 있다.
Table 2 shows an example of radiometric values of emission from the major sensor nodes and control nodes in the verification experiments of the USN measurement system and ARM control system performed in the experimental orchard. In Table 2, the GPS sensor shows the location of the experimental orchard at latitude 36.57 ° and longitude 127.5495 °, and the satellite image of the orchard location is shown in FIG.

Claims (10)

독립하여 동작할 수 있는 임베디드 하드웨어, 상기 임베디드 하드웨어에 유선 또는 무선으로 연결되며 하나 이상의 센서 네트워크 및 하나 이상의 출력 네트워크와 연동하여 수신 및 송신을 하는 베이스 노드로 구성한 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치에 있어서,
상기 임베디드 하드웨어는 유선 또는 무선 통신을 통하여 모니터링 장치에 연동되며;
상기 센서 네트워크는 독립된 프로그램을 내장하고 자동 또는 서버의 요청에 의하여 온도, 습도, 조도, 토양수분, 토양pH 센서의 측정값을 베이스 노드에 송신하며, 센서 또는 출력 네트워크 간의 통신을 통하여 네트워크 연결거리를 증가 시키며;
상기 출력 네트워크는 별도의 전원을 이용하여 모터, 솔레노이드 밸브 중 어느 하나 이상을 on 및 off 제어할 수 있어 상기 센서 네트워크에서 측정된 토양 수분 센서의 입력이 기준치 이하이면, 상기 센서 네트워크에서 가장 가까운 출력 네트워크의 솔레노이드 밸브를 구동하여 수분을 토양에 공급하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치.
An embedded hardware capable of operating independently, a base node connected to the embedded hardware by wire or wirelessly and configured to receive and transmit by interworking with one or more sensor networks and one or more output networks, interworking with a ubiquitous sensor network. In hybrid orchard management device,
The embedded hardware is linked to the monitoring device via wired or wireless communication;
The sensor network has a built-in independent program and transmits the measured values of temperature, humidity, roughness, soil moisture, and soil pH sensor to the base node by automatic or server request, and establishes a network connection distance through communication between sensors or output networks. Increases;
The output network may control on or off at least one of a motor and a solenoid valve by using a separate power source, and if the input of the soil moisture sensor measured in the sensor network is less than or equal to the reference value, the output network closest to the sensor network Hybrid over-management device in conjunction with the ubiquitous sensor network, characterized in that to drive the solenoid valve of the water supply to the soil.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 모니터링 장치는 키보드 및 마우스 등의 입력신호에 의하여 하나 이상의 센서 네트워크에 명령을 전달하고 센서 값을 수신하여 표시하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리장치.
The method of claim 1,
The monitoring device is a hybrid over-management device in conjunction with a ubiquitous sensor network, characterized in that for transmitting a command to one or more sensor networks by the input signal, such as keyboard and mouse, and receiving and displaying the sensor value.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 독립하여 동작할 수 있는 임베디드 하드웨어, 상기 임베디드 하드웨어에 유선 또는 무선으로 연결되며 하나 이상의 센서 네트워크 및 하나 이상의 출력 네트워크와 연동하여 수신 및 송신을 하는 베이스 노드로 구성한 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리방법에 있어서,
상기 임베디드 하드웨어는 유선 또는 무선 통신을 통하여 모니터링 장치에 연동되며;
상기 센서 네트워크는 독립된 프로그램을 내장하고 자동 또는 서버의 요청에 의하여 온도, 습도, 조도, 토양수분, 토양pH 센서의 측정값을 베이스 노드에 송신하며, 네트워크 간의 통신을 통하여 네트워크 연결거리를 증가 시키며;
상기 출력 네트워크는 별도의 전원을 이용하여 모터, 솔레노이드 밸브 중 어느 하나 이상을 on 및 off 제어할 수 있어 상기 센서 네트워크에서 측정된 토양 수분 센서의 입력이 기준치 이하이면, 상기 센서 네트워크에서 가장 가까운 출력 네트워크의 솔레노이드 밸브를 구동하여 수분을 토양에 공급하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 센서 네트워크를 연동한 하이브리드 과원관리방법.
An embedded hardware capable of operating independently, a base node connected to the embedded hardware by wire or wirelessly and configured to receive and transmit by interworking with one or more sensor networks and one or more output networks, interworking with a ubiquitous sensor network. In the hybrid orchard management method,
The embedded hardware is linked to the monitoring device via wired or wireless communication;
The sensor network has a built-in independent program and transmits the measured values of temperature, humidity, roughness, soil moisture, soil pH sensor to the base node automatically or at the request of a server, and increases the network connection distance through communication between networks;
The output network may control on or off at least one of a motor and a solenoid valve by using a separate power source, and if the input of the soil moisture sensor measured in the sensor network is less than or equal to the reference value, the output network closest to the sensor network Hybrid oversight management method in conjunction with the ubiquitous sensor network, characterized in that to drive the solenoid valve of the water supply to the soil.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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