KR100933994B1 - 광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 장치 및 방법 - Google Patents

광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비닐하우스 재배용 작물에 LED 광원을 발광시켜 식물을 재배하는 장치로 이루어지고, 상기 식물 재배 장치는 비닐하우스로 비춰지는 태양광의 세기, 온도를 측정한 후, 마이컴의 제어를 통해 비닐하우스 재배용 작물의 기준 광 요구량에 측정된 광조사량을 연산하고, 그 연산된 결과에 따라 LED형 식물재배등의 광출력을 제어하여 파장대별로 조사시키는 광요구량 자동제어 유닛이 포함되어 구성됨으로서, 비닐하우스로 비춰지는 태양광의 세기, 온도를 감지한 후, 모니터링하여 부족한 광 요구량만큼을 LED형 식물재배등에 조사시키도록 조절할 수 있어, 난방 비 및 전기료를 80%로 줄일 수 있고, 비닐하우스 재배용 작물의 종류 및 발아, 개화, 성장시기에 맞춰 1:1로 가시광선 파장대를 선별하여 광출력시킬 수 있어, 작물의 개화시기 조절하여 생산량을 증대시킬 수 있는 광요구량 자동제어 유닛을 통한 LED형 식물재배등의 식물 재배 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
LED형 식물재배등, 광요구량 자동제어 유닛

Description

광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 장치 및 방법{THE APPARATUS AND METHOD OF GROW VEGETABLE WITH AUTO CONTROL LIGHT DEMAND IN VINYL HOUSE }
본 발명은 비닐하우스로 비춰지는 태양광의 세기, 온도를 측정한 후, 마이컴의 제어를 통해 비닐하우스 재배용 작물의 기준 광 요구량에 측정된 광조사량을 연산하고, 그 연산된 결과에 따라 LED형 식물재배등의 광출력을 제어하여 파장대별로 조사시키는 광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 하우스 재배는 수경 재배 또는 화훼 재배를 포함하는 것으로서, 하우스 재배를 위한 장치로 비닐하우스와, 비닐 하우스 내의 바닥에 수평 방향을 따라 규칙적으로 다수 열 배열되는 복수개의 재배 베드와, 그리고 비닐 하우스 내의 온도를 설정 온도로 유지시키기 위한 난방기 및 냉방기 등이 사용된다. 특히, 복수개의 배 베드 각각에는 실질적으로 재배를 위한 농작물이나 꽃이 성장하게 된 다.
또한, 어두운 밤에도 농작물이 빛 에너지에 의해 광합성을 할 수 있도록 비닐 하우스의 천장에는 복수개의 광원이 설치된다.
하지만, 종래의 하우스 재배를 위한 장치는 다음과 같은 문제가 있다.
복수개의 재배 베드가 비닐 하우스 전체에 걸쳐 바닥에 대해 수평 방향으로 고르게 분포되어 있는 관계로, 흐린날 또는 기온이 떨어지는 날에 비닐 하우스의 온도를 설정 온도로 유지시키기 위해서는 비닐 하우스 전체를 난방시켜야 한다.
따라서, 연료 및 전력 소모가 많이 발생되는 문제가 있다.
또한, 복수개의 재배 베드가 비닐 하우스 전체에 걸쳐 바닥에 대해 수평 방향으로 고르게 분포되어 있는 관계로, 흐린 날에 농작물을 광합성시키기 위해서는 비닐 하우스 전체에 빛 에너지를 공급해야 하므로, 전력 소모가 불필요하게 많아지는 문제가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 국내특허등록 제10-0879711호에서는 640nm∼675nm의 파장을 형성하는 LED;와 425nm∼455nm의 파장을 발생시키는 LED;를 각각 9:1, 8:2, 7:3 및 6:4 중 어느 하나의 비율로 다수의 LED를 혼합 배치하여 빛이 방출되도록 하는 반도체 발광 다이오드 조명이 제시된 바 있으나, 해당 식물에 대해 일정한 파장만을 발광시킴으로서, LED 자체에 열이 많이 발생되어, 시스템의 잦은 고장의 요인이 되었다.
또한, 식물에 발광시키는 LED 조명장치가 비닐하우스로 비춰지는 태양광의 일사량과 무관하게 점등되어, 불필요한 난방비와 전력소비가 발생되는 문제점이 있 었다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 비닐하우스로 비춰지는 태양광의 세기, 온도를 감지한 후, 모니터링하여 부족한 광 요구량만큼을 LED형 식물재배등에 조사시키도록 조절할 수 있어, 난방비 및 전기료를 효율적으로 줄일 수 있고, 비닐하우스 재배용 작물의 종류 및 발아, 개화, 성장시기에 맞춰 1:1로 가시광선 파장대를 선별하여 광출력시킬 수 있어, 작물의 개화시기 조절하여 생산량을 증대시킬 수 있는 광요구량 자동제어 유닛을 통한 LED형 식물재배등의 식물 재배 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 장치는
비닐하우스 재배용 작물에 LED 광원을 발광시켜 식물을 재배하는 장치로 이루어지고,
상기 식물 재배 장치(1)는 비닐하우스로 비춰지는 태양광의 세기, 온도를 측정한 후, 마이컴의 제어를 통해 비닐하우스 재배용 작물의 기준 광 요구량에 측정된 광조사량을 연산하고, 그 연산된 결과에 따라 LED형 식물재배등의 광출력을 제어하여 파장대별로 조사시키는 광요구량 자동제어 유닛이 포함되어 구성됨으로서 달성된다.
특히, 광요구량 자동제어 유닛은 비닐하우스로 비춰지는 태양광의 세기 및 실내 온도를 측정하는 센서부(110)가 구성되고, RS232통신포트를 통해 비닐하우스 재배용 작물에 필요한 기준 광 요구량, 재배용 작물의 발육온도, 습도에 관한 기준 데이터값을 키패드를 통해 입력하는 데이터 입력부(120)가 구성되며, 비닐하우스 재배용 작물의 기준 광 요구량에 센서부로부터 측정된 광조사량을 연산한 후, 그 연산된 결과에 따라 LED형 식물재배등의 광출력을 제어하여 파장대별로 조사되도록 제어하는 마이컴부(130)가 구성되고, 마이컴부의 출력제어신호에 따라 스위칭 소자의 on/off 비율을 조정하여 필터에 가해지는 Vin 펄스의 폭을 넓게 하여 LED형 식물재배등으로 인가되는 최종 출력을 높이거나 또는, Vin 펄스의 폭을 좁게하여 LED형 식물재배등으로 인가되는 최종 출력을 낮추도록 DC전압을 조절하는 출력제어회로부(140)가 구성되며, 마이컴부의 특정 가시광선 파장신호에 따라 출력제어회로부로부터 DC전압을 입력받아 적색광 가시광선 파장, 초적색광 가시광선 파장, 청색광 가시광선 파장, 녹색광 가시광선 파장, 황색광 가시광선 파장 중 어느 하나가 선택되도록 제어하는 파장분류 제어부가 구성되고, 비닐하우스 재배용 작물에 일정높이에 위치하고, 길이방향을 따라 일렬로 나란히 형성되어, 파장분류 제어부로부터 선택된 특정 가시광선 파장을 발광시키는 LED형 식물재배등(160)이 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 방법은
센서부 중 광센서를 통해 비닐 하우스 내부로 비춰주는 태양광의 세기를 측정하는 단계와,
센서부 중 온도센서를 통해 비닐 하우스 내부의 온도를 측정하는 단계와,
데이터 입력부를 통해 비닐하우스 재배용 작물에 필요한 기준 광 요구량, 재배용 작물의 발육온도, 습도에 관한 기준 데이터값을 키패드를 통해 입력하는 단계와,
마이컴부(130)에서 비닐하우스 재배용 작물의 기준 광 요구량에 센서부로부터 측정된 광조사량을 연산하는 단계와,
마이컴부에서 광 요구량 설정부를 통해 연산된 결과에 따라 LED형 식물재배등의 광출력을 제어하도록 DC-DC 컨버터에 PWM 출력제어신호를 보내는 단계와,
마이컴부에서 파장분류 제어부로 특정 가시광선 파장신호를 보내면, 파장분류 제어부에서는 출력제어회로부로부터 DC전압을 입력받아 적색광 가시광선 파장, 초적색광 가시광선 파장, 청색광 가시광선 파장, 녹색광 가시광선 파장, 황색광 가시광선 파장 중 어느 하나가 선택되도록 제어하는 단계와,
LED형 식물재배등에서는 파장분류 제어부에서 보내는 특정 가시광선 파장신호에 따라 비닐 하우스 재배용 작물로 발광시키는 단계로 이루어짐으로서 달성된다.
이상에서 설명드린 바와 같이, 본 발명에서는 기존의 비닐하우스에 비해 난방비 및 전기료를 80%로 줄일 수 있고, 비닐하우스 재배용 작물의 종류 및 발아, 개화, 성장시기에 맞춰 1:1로 가시광선 파장대를 선별하여 광출력시킬 수 있어, 출하시기에 맞게 맞춤생산을 할 수 있고, 작물의 개화시기 조절하여 생산량을 증대시킬 수 있는 좋은 효과가 있다.
본 발명에 설명되는 LED 광원의 식물 재배 장치는 작물 광 생리(Photo-Physiology)의 중심이론을 적용하여 구성된다.
식물은 광수용 단백질인 파이토크롬(phytochrome)에 의해 적색광(660nm)과 초적색광(730nm)의 변화를 감지한다.
즉, 엽록소 a는 적색광(660nm)을 흡수하고, 엽록소 b는 적색광(450nm)를 흡수한다.
광수용 단백질은 불활성형인 형태(Pr)로 존재하다가 적색광(Red)에 의해 활성형태(Pfr)로 전환되어 해길이의 인지, 종자발아, 광합성 산물의 체내이동, 길이신장, 개화, 색소 발현 등 식물의 반응을 유도하고 초적색광(Far-Red)에 의해 다시 불활성형태(Pr) 형태로 전환된다.
즉, 식물이 계절의 변화에 따라 해 길이가 봄과 여름철에 길어지고 가을철에 짧아지는 것을 인식하여 철에 따라 꽃이 피는 것도 광수용 단백질인 파이토 크롬 작용에 의한 해길이를 감지하는 능력이 있기 때문이다.
본 발명에서는 작물 광 생리(Photo-Physiology)의 중심이론을 이용하고, 광요구량 자동제어 유닛의 제어를 통해 비닐하우스로 비춰지는 태양광의 세기, 온도를 측정한 후, 마이컴의 제어를 통해 비닐하우스 재배용 작물의 기준 광 요구량에 측정된 광조사량을 연산하고, 그 연산된 결과에 따라 LED형 식물재배등의 광출력을 제어하여 파장대별로 조사시키도록 구성함으로서, 저렴한 난방비와 전기료를 통해 잎들깨, 국화, 딸기, 참외, 토마토, 인삼, 채소 어린묘, 오이, 고추, 사과, 배, 복숭아와 같은 비닐하우스 재배용 작물을 광수용 단백질인 파이토크롬의 작용을 조절하여 과실의 당도 향상, 개화조절, 생육촉진시키는 것을 특징으로 한다.
이하, LED형 식물재배등 중 빨강(Red) LED, 진한빨강(Ultra-Red) LED, 황색(Yellow) LED, 녹색(Green) LED, 파랑(Blue) LED의 색상이 작물에 미치는 영향에 관해 설명한다.
[빨강( Red ) LED ]
빨강 LED는 광요구량 자동제어 유닛의 제어를 통해 비닐하우스 재배용 작물 중 잎들깨, 국화, 딸기 등에 520nm~620nm 미만의 적색광을 발광시켜 광합성 촉진과 개화를 조절시키는데 이용된다.
[ 진한빨강 ( Ultra - Red ) LED ]
진한빨강(Ultra-Red) LED는 광요구량 자동제어 유닛의 제어를 통해 비닐하우스 재배용 작물 중 참외, 토마토, 인삼 등에 620nm~720nm 미만의 초적색광을 발광시켜 과실수, 당도, 사포닌 증가를 조절시키는데 이용된다.
[파랑( Blue ) LED ]
파랑(Blue) LED는 광요구량 자동제어 유닛의 제어를 통해 비닐하우스 재배용 작물 중 채소 어린묘에 320nm~420nm 미만의 청색광을 발광시켜 웃자람 방지를 조절시키는데 이용된다.
[녹색( Green ) LED ]
녹색(Green) LED는 광요구량 자동제어 유닛의 제어를 통해 비닐하우스 재배용 작물 중 오이, 고추에 420nm~520nm 미만의 녹색광을 발광시켜 곰팡이 발생을 억제시키는데 이용된다.
[황색( Yellow ) LED ]
황색(Yellow) LED는 광요구량 자동제어 유닛의 제어를 통해 비닐하우스 재배용 작물 중 사과, 배, 복숭아에 550~600nm 미만의 황색광을 발광시켜 해충을 억제시키는데 이용된다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광요구량 자동제어 유닛을 통한 LED형 식물재배등의 식물 재배 장치를 도시한 사시도에 관한 것으로, 이는 돔형상, 또는 긴다란 반원형상으로 형성된 비닐하우스 본체와, 비닐하우스 내에 구성되는 식물재배장치(1)로 구성된다.
본 발명에 따른 식물재배장치(1)는 광요구량 자동제어 유닛(100)의 제어를 통해 일사량을 측정하고, 부족한 양만큼을 잎들깨, 국화, 딸기, 참외, 토마토, 인삼, 채소 어린묘, 오이, 고추, 사과, 배, 복숭아와 같은 비닐하우스 재배용 작물에 조사시켜, 최적의 광공급을 해주고, LED형 식물재배등을 통해 파장대별로 조사시킴으로서, 광수용 단백질인 파이토크롬의 작용을 조절하여 과실의 당도 향상, 개화조절, 생육촉진시키는 것을 특징으로 한다.
상기 광요구량 자동제어 유닛(100)은 비닐하우스로 비춰지는 태양광의 세기, 온도를 측정한 후, 마이컴의 제어를 통해 비닐하우스 재배용 작물의 기준 광 요구량에 측정된 광조사량을 연산하고, 그 연산된 결과에 따라 LED형 식물재배등의 광출력을 제어하여 파장대별로 조사시키는 곳으로, 이는 도 2 및 도 4에서 도시한 바와 같이, 센서부(110), 데이터 입력부(120), 마이컴부(130), 출력제어회로부(140), 파장분류 제어부(150), LED형 식물재배등(160)으로 구성된다.
상기 센서부(110)는 비닐하우스로 비춰지는 태양광의 세기 및 실내 온도를 측정하는 역할을 한다.
이는 광센서(111), 온도센서(112)로 구성된다.
상기 광센서(111)는 황화 카드뮴 셀(CDS)로서, 카드뮴과 유황이 화합하여 생긴 황화카드뮴 결정에 금속다리를 붙인 부품으로써 가시광선이 없는 어두운 곳에서는 절연체와 같이 전류가 흐르지 않다가 가시광선이 닿으면 도체와 같이 전류가 잘 흐르는 성질을 가지고 있어서, 어두운 곳에서는 높은 저항값을 갖고 있다가 빛이 밝아질수록 자체의 내부 저항값이 낮아지는 특성을 갖는다.
본 발명에 따른 광센서(111)는 도 3에서 도시한 바와 같이, 태양광이 입사되는 광을 760nm 이상만을 통과시키는 광학필터(111a)가 캡형상으로 프레임 상단에 형성되고, 광학필터의 중앙 일측에는 입사되는 태양광을 포커싱하는 오목 렌즈의 기능을 하는 오목렌즈부(111e)가 형성되며, 바닥면에 기판(111d)이 형성되고, 그 기판상에 태양광의 우/좌방향 감지하는 광다이오드(111c)가 형성되며, 우/좌방향 감지 광다이오드의 상단에 외부 케이싱을 겸하는 광차단부(111d)가 형성된다.
그리고, 본 발명에 따른 광센서는 오목렌즈부에서 포집된 태양광 세기에 의해서 선형적으로 반응전류가 흐르게 된다.
이때, 본 발명에서는 도 4에서 도시한 바와 같이, 광센서와 마이컴부 사이에 센싱저항 R1을 구성하여, 태양광의 세기에 따라 선형적으로 흐르는 반응전류를 센싱저항 R1을 통해서 전압으로 변환시켜 마이컴의 입력단자 일측에 전송시킨다.
상기 센싱저항 R1을 통해서 변환된 전압은 다음의 수학식 1과 같이 표현할 수가 있다.
Figure 112009035672073-pat00001
여기서, V는 센싱저항 R1을 통해서 변환된 전압을 나타내고, Ir은 태양광의 세기에 따라 선형적으로 흐르는 반응전류를 나타내며, R은 센싱저항의 크기를 나타낸다.
이렇게 센싱저항 R1을 통해서 얻은 태양광의 일사량을 마이컴부에서는 도 11에서 도시한 바와 같이, 적분을 하여 태양광 조사량을 얻게 된다.
상기 온도센서(112)는 비닐 하우스 내부의 지지프레임 일측 또는 LED형 식물재배등 일측에 설치되어, 비닐 하우스 내부의 온도를 측정한다.
이는 백금저항온도센서와 써미스터, 그리고, 반도체 온도센서 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
백금저항온도센서는 온도에 따라 백금의 저항치가 변하는 원리를 이용한 것으로 정확도가 높아 -260~630℃ 영역에서는 표준온도센서로 사용된다.
써미스터는 금속산화물을 소결하여 만들며 온도에따라 저항치가 변하는 특성을 이용한 것으로 부특성(NTC) 서미스터, 정특성(PTC) 서미스터로 나눈다.
반도체 온도 센서는 다이오드의 순방향 전압 및 트랜지스터의 컬렉터-이미터 사이에 일정한 전류를 흘릴 때의 베이스-이미터 사이의 전압은 온도에 따라 직선적으로 변화하므로 이 특성을 온도 센서로써 이용한다.
이렇게 측정된 비닐하우스 내부의 온도는 마이컴부의 입력단자 일측에 입력된다.
상기 데이터 입력부(120)는 RS232통신포트를 통해 비닐하우스 재배용 작물에 필요한 기준 광 요구량, 재배용 작물의 발육온도, 습도에 관한 기준 데이터값을 키패드를 통해 입력한다.
상기 마이컴부(130)는 비닐하우스 재배용 작물의 기준 광 요구량에 센서부로부터 측정된 광조사량을 연산한 후, 그 연산된 결과에 따라 LED형 식물재배등의 광출력을 제어하여 파장대별로 조사되도록 제어하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 마이컴부는 PIC원칩마이컴인 PIC16C711로 구성된다.
이는 입력단자 일측에 센싱저항 R1을 통해 광센서가 연결되고, 입력단자 타측에 온도센서가 연결되며, 출력단자 일측에 DC-DC 컨버터가 연결되어 PWM 출력제어신호를 출력시키며, 입력단자 일측에 전력 센싱저항 R2을 통해 LED용 식물재배등의 출력단자와 연결되어, 단일 컬러 LED 모듈 또는 풀 컬러 LED 모듈 작동에 따른 부하전력의 세기가 입력되며, 출력단자 타측에 파장분류 제어부가 연결되어 비닐하우스 재배용 작물의 종류 및 발아, 개화, 성장시기에 맞춰 1:1로 가시광선 파장대를 선별하여 출력시키도록 구성된다.
그리고, 마이컴부(130)는 비닐하우스 재배용 작물의 기준 광 요구량에 센서부로부터 측정된 광조사량을 연산하는 광 요구량 설정부가 구성된다.
여기서, 광 요구량(Ld: Light Demand)은 LED형 식물 재배등에 의해서 조사될 광량을 말한다.
그리고, 광 요구량은 다음의 수학식 2와 같이 표현할 수가 있다.
Figure 112009035672073-pat00002
여기서, A는 온도센서를 통해 측정된 온도값에 대한 비닐하우스 재배용 작물의 종류별로 적용되는 상수이고, Lset은 비닐하우스 재배용 작물의 종류에 따라서 데이터 입력부를 이용해 키입력한 작물의 기준 광 요구량을 나타낸 것이다.
그리고, 태양광 조사량은 광센서를 통하여 일사량을 적분한 데이터를 나타낸 것이다.
상기 출력제어회로부(140)는 마이컴부의 출력제어신호에 따라 스위칭 소자의 on/off 비율을 조정하여 필터에 가해지는 Vin 펄스의 폭을 넓게 하여 LED형 식물재배등으로 인가되는 최종 출력을 높이거나 또는, Vin 펄스의 폭을 좁게하여 LED형 식물재배등으로 인가되는 최종 출력을 낮추도록 DC전압을 조절하는 곳으로, 이는 DC-DC 컨버터로 구성된다.
DC-DC 컨버터는 마이컴부의 PWM 출력제어신호에 따라 턴 온/오프되는 스위칭 트랜지스터(S3,S4)가 연결되고, 스위칭 트랜지스터(S3,S4)가 턴 온/오프되면 Vin 펄스를 승압하여 출력하는 강압트랜스(T1)가 연결되며, 그 강압트랜스(T1)에서 출력되는 전압을 다이오드(D1, D2)를 통해 정류하고, LED형 식물재배등으로 인가되는 최종 DC 전압을 파장분류 제어부로 출력시키는 AC-DC 정류기가 연결되어 구성된다.
상기 AC-DC 정류기는 강압트랜스(T1)로부터 출력되는 전압을 마이컴부의 제어에 따라 특정 가시광선 파장만이 파장분류 제어부를 통해 투과되도록 특정 가시광선 파장에 따른 DC 전압을 출력시키는 역할을 한다.
AC-DC 정류기는 캐패시터 C5를 통해 강압트랜스(T1)로부터 출력되는 전압을 충전시키고, 캐패시터 C5에서 충전이 완료된 전류만을 전류제어 캐패시터(C9)로 보 낸다.
상기 전류제어 캐패시터(C9)는 쌍방향으로 전류를 흘릴 수 있는 소자로서 무극성이며, 특정 가시광선 파장만이 파장분류 제어부를 통해 투과되도록 특정 가시광선 파장에 따른 DC 전압을 출력시키는데 사용된다.
본 발명에 따른 캐패시터의 값은 다음의 수학식 3로 계산할 수가 있다.
Figure 112009035672073-pat00003
여기서, Xc = 캐패시터의 저항[리액턴스]를 나타내고, π = 3.14이며, f = 주파수[Hz]를 나타내며, C = 캐패시터의 용량[Farads]를 나타낸다.
그리고, 개패시터에 흐르는 전류는 다음의 수학식 4를 통해 계산할 수가 있다.
Figure 112009035672073-pat00004
여기서, rms = 교류 실효전압을 나타내고, Xc = 캐패시터의 저항[리액턴스]를 나타낸다.
본 발명에서는 캐패시터의 용량을 가감함으로서, LED형 식물재배등으로 인가되는 최종 출력을 높이거나 낮추도록 DC전압을 조절할 수가 있다.
상기 파장분류 제어부는 마이컴부의 특정 가시광선 파장신호에 따라 출력제어회로부로부터 DC전압을 입력받아 적색광 가시광선 파장, 초적색광 가시광선 파장, 청색광 가시광선 파장, 녹색광 가시광선 파장, 황색광 가시광선 파장 중 어느 하나가 선택되도록 제어하는 역할을 한다.
이는 스위치 탭으로 구성되고, 다음의 표 1과 같이 단계별로 가시광선 파장이 테이블화되어 마이컴부의 특정 가시광선 파장신호에 따라 선택되도록 프로그램된다.
1단계 320nm이상~420nm미만 청색광
2단계 420nm이상~520nm미만 녹색광
3단계 520nm이상~620nm미만 적색광, 황색광
4단계 620nm이상~720nm미만 초적색광
상기 LED형 식물재배등(160)은 비닐하우스 재배용 작물에 일정높이에 위치하고, 길이방향을 따라 일렬로 나란히 형성되어, 파장분류 제어부로부터 선택된 특정 가시광선 파장을 발광시키는 역할을 한다.
이는 도 5 내지 도 7에서 도시한 바와같이, LED 형광등 구조로 형성되고, 본체 내부의 중앙라인을 따라 빨강(Red) LED, 진한빨강(Ultra-Red) LED, 파랑(Blue) LED, 녹색(Green) LED, 황색(Yellow) LED 중 어느 하나가 선택된 단일 파장을 갖는 단일 컬러 LED 모듈(161)이 탈부착식으로 형성되고, 단일 컬러 LED 모듈 일측에 빨강(Red) LED, 진한빨강(Ultra-Red) LED, 파랑(Blue) LED, 녹색(Green) LED, 황색(Yellow) LED 중 어느 하나 이상이 선택되어 복수 파장을 갖는 풀 컬러 LED(Full Color Led) 모듈(162)이 탈부착식으로 형성된다.
본 발명에 따른 LED형 식물재배등(160)은 단일 컬러 LED 모듈 또는 풀 컬러 LED 모듈 작동시 출력되는 전력을 전력센싱저항(164)을 통해 검출하여, 마이컴부로 단일 컬러 LED 모듈 또는 풀 컬러 LED 모듈 작동에 따른 부하전력을 전송시키도록 구성된다.
즉, 본 발명에서는 LED형 식물재배등(160)의 단일 컬러 LED 모듈 및 풀 컬러 LED 모듈과 마이컴부 사이에 전력센싱저항(164) R2를 구성하여, 단일 컬러 LED 모듈 또는 풀 컬러 LED 모듈 작동에 따른 부하전력의 세기에 따라 선형적으로 흐르는 반응전류를 전력 센싱저항 R2를 통해서 전압으로 변환시켜 마이컴의 입력단자 일측에 전송시킨다
이때, 마이컴부에서는 단일 컬러 LED 모듈 또는 풀 컬러 LED 모듈 작동에 따른 부하전력의 세기와, DC-DC 컨버터로 출력된 DC 전압의 세기를 연산하여, 부족한 전압량을 DC-DC 컨버터로 PWM 출력제어신호로 출력시킨다.
본 발명에 따른 LED형 식물재배등(160)은 도 6 및 도 7에서 도시한 바와 같이, LED 형광등 구조(160a)로 형성되거나, 또는 도 8에서 도시한 바와 같이, 백열전구형 구조(160b)로 형성되거나, 또는 도 9에서 도시한 바와 같이, 가로등형 구조(160c)로 형성될 수가 있다.
특히, 본 발명에 따른 LED형 식물재배등(160)은 도 6 및 도 7에서 도시한 바와 같이,
형광램프와 동일한 크기 및 동일한 형상으로 이루어지고, 양측 끝단에 LED 램프 소켓(160a-1)이 형성되고, 그 LED 램프 소켓을 따라 원통형의 긴 봉 구조를 갖는 확산커버(160a-2)가 형성되고, 그 확산커버 내부 일측에 형성된 끼움홈(160a-3)을 따라 양방향 LED 전원기판(160a-4)이 슬라이드되어 끼워지고, 그 양방향 LED 전원기판의 전면 또는 후면에 단일 파장을 갖는 단일 컬러 LED 모듈(161)이 형성되거나, 복수 파장을 갖는 풀 컬러 LED 모듈(162)이 형성되어 연결된다.
그리고, 본 발명에 따른 LED형 식물재배등(160)은 LED에 열이 많이 발생되는 것을 방지하기 위해 기판이 메탈 PCB 기판으로 구성된다.
상기 메탈 PCB 기판(160)은 바닥층에 알미늄 방열판이 형성되고, 그 알미늄 방열판 상단으로 절연패드가 형성되며, 그 절연패드 상단으로 GE(Glass Epoxy) PCB가 형성되고, 그 GE PCB에 칩 LED가 삽입되어 형성된다.
이처럼, 기존 PCB 바닥부분에 알미늄 방열판과 고무재질의 절연패드가 형성된 메탈 PCB로 구성됨으로서, 열 특성에 약한 LED의 수명을 연장시킬 수 있음과 동시에 열에 의한 기기의 오작동을 방지할 수가 있다.
이하, 본 발명에 따른 광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 방법에 관해 설명한다.
비닐하우스 재배용 작물 중 딸기를 재배한다고 가정한다.
도 12에서 도시한 바와 같이, 센서부 중 광센서를 통해 비닐 하우스 내부로 비춰주는 태양광의 세기를 측정한다(S100).
이는 태양광의 세기에 따라 선형적으로 흐르는 반응전류를 센싱저항 R1을 통해서 전압으로 변환시켜 마이컴의 입력단자 일측에 전송시킨다.
이어서, 센서부 중 온도센서를 통해 비닐 하우스 내부의 온도를 측정한다(S200).
이어서, 데이터 입력부를 통해 비닐하우스 재배용 작물에 필요한 기준 광 요구량, 재배용 작물의 발육온도, 습도에 관한 기준 데이터값을 키패드를 통해 입력한다(S300).
이어서, 마이컴부(130)에서 비닐하우스 재배용 작물의 기준 광 요구량에 센서부로부터 측정된 광조사량을 연산한다(S400).
이는 도 13에서 도시한 바와 같이, 광센서부를 통해 태양광 입사량을 측정하고, 이를 수학식 1을 통해 일사량과 특이파장을 적분한다(S100~S110).
이때, 마이컴부의 광 요구량 설정부를 통해 수학식 2에 의해 비닐하우스 재배용 작물의 기준 광 요구량에 센서부로부터 측정된 광조사량을 연산한 후, 비닐하우스 재배용 작물에 광 요구량이 필요하면 LED형 식물 재배등을 점등시킨다(S310~S320).
그리고, 특정파장이 규정치 이하인지 여부를 체크하여, 규정치 이하이면 LED형 식물재배등에 파장을 변환시킨다(S330~S340).
그리고, 설정시간 초과 여부를 체크한다(S350).
즉, 비닐하우스 재배용 작물의 종류에 따라서 데이터 입력부를 이용해 키입력한 작물의 기준 광 요구량에 광센서를 통하여 일사량을 적분하여 얻은 태양광 조사량을 뺀 후, 온도센서를 통해 측정된 온도값에 대한 비닐하우스 재배용 작물의 종류별로 적용되는 상수를 곱해서 LED형 식물 재배등에 의해서 조사될 광요구량을 연산한다.
이어서, 마이컴부에서 광 요구량 설정부를 통해 연산된 결과에 따라 LED형 식물재배등의 광출력을 제어하도록 DC-DC 컨버터에 PWM 출력제어신호를 보낸다(S500).
이때, DC-DC 컨버터에서는 마이컴부의 출력제어신호에 따라 스위칭 소자의 on/off 비율을 조정하여 필터에 가해지는 Vin 펄스의 폭을 넓게 하여 LED형 식물재배등으로 인가되는 최종 출력을 높이거나 또는, Vin 펄스의 폭을 좁게하여 LED형 식물재배등으로 인가되는 최종 출력을 낮추도록 DC전압을 조절한다.
이어서, 마이컴부에서 파장분류 제어부로 특정 가시광선 파장신호를 보내면, 파장분류 제어부에서는 출력제어회로부로부터 DC전압을 입력받아 적색광 가시광선 파장, 초적색광 가시광선 파장, 청색광 가시광선 파장, 녹색광 가시광선 파장, 황색광 가시광선 파장 중 어느 하나가 선택되도록 제어한다(S600).
이어서, LED형 식물재배등에서는 파장분류 제어부에서 보내는 특정 가시광선 파장신호에 따라 비닐 하우스 재배용 작물로 발광시킨다(S700).
이때, LED형 식물재배등(160)의 단일 컬러 LED 모듈 및 풀 컬러 LED 모듈과 마이컴부 사이에 구성된 전력센싱저항(164) R2를 통해, 단일 컬러 LED 모듈 또는 풀 컬러 LED 모듈 작동에 따른 부하전력의 세기에 따라 선형적으로 흐르는 반응전류를 전력 센싱저항 R2를 통해서 전압으로 변환시켜 마이컴의 입력단자 일측에 전송시킨다
그리고, 마이컴부에서는 단일 컬러 LED 모듈 또는 풀 컬러 LED 모듈 작동에 따른 부하전력의 세기와, DC-DC 컨버터로 출력된 DC 전압의 세기를 연산하여, 부족한 전압량을 DC-DC 컨버터로 PWM 출력제어신호로 출력시킨다.
도 1은 본 발명에 따른 광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 장치를 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 장치의 구성요소를 도시한 내부사시도,
도 3은 본 발명에 따른 LED형 식물 재배등의 상단에 구성된 광센서의 내부 구성요소와 온도센서를 도시한 일실시에도,
도 4는 본 발명에 따른 광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 장치의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 5는 본 발명에 따른 LED형 식물 재배등의 중앙라인에 구성된 단일 파장을 갖는 단일 컬러 LED(Full Color Led) 모듈(161)과, 단일 컬러 LED(Full Color Led) 모듈(161) 일측에 형성된 복수 파장을 갖는 풀 컬러 LED(Full Color Led) 모듈(162)을 도시한 일실시예도,
도 6은 본 발명에 따른 형광식 구조를 갖는 LED형 식물 재배등을 도시한 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 형광식 구조를 갖는 LED형 식물 재배등의 구성요소를 분해한 분해사시도,
도 8은 본 발명에 따른 백열전구형 구조를 갖는 LED형 식물 재배등을 도시한 사시도,
도 9은 본 발명에 따른 가로등형 구조를 갖는 LED형 식물 재배등을 도시한 사시도,
도 10은 본 발명에 따른 LED형 식물 재배등에 탈부착식으로 부착되는 단일 컬러 LED(Full Color Led) 모듈(161)과, 복수 파장을 갖는 풀 컬러 LED(Full Color Led) 모듈(162)을 도시한 일실시예도,
도 11은 본 발명에 따른 마이컴부에서 센싱저항 R1을 통해서 얻은 태양광의 일사량을 적분을 하여 태양광 조사량을 측정하는 것을 도시한 그래프,
도 12는 본 발명에 따른 광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 방법을 도시한 순서도,
도 13은 본 발명에 따른 광요구량 설정부를 통해 비닐하우스 재배용 작물에 필요한 광 요구량을 연산하여, LED형 식물용 재배등에 발광시키도록 제어하는 과정을 도시한 순서도.
※ 도면 부호의 간단한 설명 ※
110 : 센서부 120 : 데이터 입력부
130 : 마이컴부 140 : 출력제어회로부
150 : 파장분류 제어부 160: LED형 식물재배등

Claims (7)

  1. 비닐하우스 재배용 작물에 LED 광원을 발광시켜 식물을 재배하는 장치에 있어서,
    상기 식물 재배 장치(1)는 비닐하우스로 비춰지는 태양광의 세기, 온도를 측정한 후, 마이컴의 제어를 통해 비닐하우스 재배용 작물의 기준 광 요구량에 측정된 광조사량을 연산하고, 그 연산된 결과에 따라 LED형 식물재배등의 광출력을 제어하여 파장대별로 조사시키는 광요구량 자동제어 유닛이 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 장치.
  2. 제1항에 있어서, 광요구량 자동제어 유닛(100)은
    비닐하우스로 비춰지는 태양광의 세기를 측정하는 광센서(111)와, 실내 온도를 측정하는 온도센서(112)로 이루어진 센서부(110)가 구성되고, RS232통신포트를 통해 비닐하우스 재배용 작물에 필요한 기준 광 요구량, 재배용 작물의 발육온도, 습도에 관한 기준 데이터값을 키패드를 통해 입력하는 데이터 입력부(120)가 구성되며, 비닐하우스 재배용 작물의 기준 광 요구량에 센서부로부터 측정된 광조사량을 연산한 후, 그 연산된 결과에 따라 LED형 식물재배등의 광출력을 제어하여 파장대별로 조사되도록 제어하는 마이컴부(130)가 구성되고, 마이컴부의 출력제어신호에 따라 스위칭 소자의 on/off 비율을 조정하여 필터에 가해지는 Vin 펄스의 폭을 넓게 하여 LED형 식물재배등으로 인가되는 최종 출력을 높이거나 또는, Vin 펄스의 폭을 좁게하여 LED형 식물재배등으로 인가되는 최종 출력을 낮추도록 DC전압을 조절하는 출력제어회로부(140)가 구성되며, 마이컴부의 특정 가시광선 파장신호에 따라 출력제어회로부로부터 DC전압을 입력받아 적색광 가시광선 파장, 초적색광 가시광선 파장, 청색광 가시광선 파장, 녹색광 가시광선 파장, 황색광 가시광선 파장 중 어느 하나가 선택되도록 제어하는 파장분류 제어부(150)가 구성되고, 비닐하우스 재배용 작물에 일정높이에 위치하고, 길이방향을 따라 일렬로 나란히 형성되어, 파장분류 제어부로부터 선택된 특정 가시광선 파장을 발광시키는 LED형 식물재배등(160)이 구성되는 것을 특징으로 하는 광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 장치.
  3. 제2항에 있어서, 출력제어회로부(140)는 마이컴부의 PWM 출력제어신호에 따라 턴 온/오프되는 스위칭 트랜지스터(S3,S4)가 연결되고, 스위칭 트랜지스터(S3,S4)가 턴 온/오프되면 Vin 펄스를 승압하여 출력하는 강압트랜스(T1)가 연결되며, 그 강압트랜스(T1)에서 출력되는 전압을 다이오드(D1, D2)를 통해 정류하고, LED형 식물재배등으로 인가되는 최종 DC 전압을 파장분류 제어부로 출력시키는 AC-DC 정류기가 연결된 DC-DC 컨버터로 구성되는 것을 특징으로 하는 광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 장치.
  4. 제1항에 있어서, LED형 식물재배등(160)은 본체 내부의 중앙라인을 따라 빨강(Red) LED, 진한빨강(Ultra-Red) LED, 파랑(Blue) LED, 녹색(Green) LED, 황색(Yellow) LED 중 어느 하나가 선택된 단일 파장을 갖는 단일 컬러 LED 모듈(161)이 탈부착식으로 형성되고, 단일 컬러 LED 모듈 일측에 빨강(Red) LED, 진한빨강(Ultra-Red) LED, 파랑(Blue) LED, 녹색(Green) LED, 황색(Yellow) LED 중 어느 하나 이상이 선택되어 복수 파장을 갖는 풀 컬러 LED(Full Color Led) 모듈(162)이 탈부착식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 장치.
  5. 제1항에 있어서, 광센서(111)는 태양광이 입사되는 광을 760nm 이상만을 통과시키는 광학필터(111a)가 캡형상으로 프레임 상단에 형성되는 것을 특징으로 하는 광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 장치.
  6. 센서부 중 광센서를 통해 비닐 하우스 내부로 비춰주는 태양광의 세기를 측정하는 단계(S100)와,
    센서부 중 온도센서를 통해 비닐 하우스 내부의 온도를 측정하는 단계(S200)와,
    데이터 입력부를 통해 비닐하우스 재배용 작물에 필요한 기준 광 요구량, 재배용 작물의 발육온도, 습도에 관한 기준 데이터값을 키패드를 통해 입력하는 단계(S300)와,
    마이컴부(130)에서 비닐하우스 재배용 작물의 기준 광 요구량에 센서부로부터 측정된 광조사량을 연산하는 단계(S400)와,
    마이컴부에서 광 요구량 설정부를 통해 연산된 결과에 따라 LED형 식물재배등의 광출력을 제어하도록 DC-DC 컨버터에 PWM 출력제어신호를 보내는 단계(S500)와,
    마이컴부에서 파장분류 제어부로 특정 가시광선 파장신호를 보내면, 파장분류 제어부에서는 출력제어회로부로부터 DC전압을 입력받아 적색광 가시광선 파장, 초적색광 가시광선 파장, 청색광 가시광선 파장, 녹색광 가시광선 파장, 황색광 가시광선 파장 중 어느 하나가 선택되도록 제어하는 단계(S600)와,
    LED형 식물재배등에서는 파장분류 제어부에서 보내는 특정 가시광선 파장신호에 따라 비닐 하우스 재배용 작물로 발광시키는 단계(S700)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 방법.
  7. 제6항에 있어서, 마이컴부(130)에서 비닐하우스 재배용 작물의 기준 광 요구량에 센서부로부터 측정된 광조사량을 연산하는 단계는,
    광 요구량 설정부를 통해 비닐하우스 재배용 작물에 따라서 데이터 입력부를 통해 키입력한 작물의 기준 광 요구량에다가, 광센서를 통하여 일사량을 적분하여 얻은 태양광 조사량을 뺀 후, 온도센서를 통해 측정된 온도값에 대한 비닐하우스 재배용 작물의 종류별로 적용되는 상수(A)를 곱해서 LED형 식물 재배 등에 의해서 조사될 광요구량을 연산하는 것을 특징으로 하는 광요구량 자동제어 유닛을 통한 비닐하우스용 식물 재배 방법.
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