KR100941087B1 - 화분용 수분 모니터링 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 토양의 수분 함량을 모니터링하는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화분내 토양의 수분함량에 따라 변화하는 정전용량을 감지하여 토양의 수분함량을 표시하는 화분용 수분 모니터링 장치에 관한 것이다. 상기 화분용 수분 모니터링 장치는 화분내 토양의 수분함량에 따라 변화하는 정전용량을 감지하는 전극부 및 상기 전극부에서 정전용량을 감지하는 것을 제어하고, 감지된 결과를 출력하는 주장치부로 구성된 화분용 수분 모니터링 장치에 있어서, 상기 전극부는 플레이트 형태이며, 상기 전극부의 일단에는 단일 전극이 형성되어 있고, 상기 주장치부는 (a) 정전용량센서 회로부; (b) 장치의 구동을 위한 전력을 공급하는 전원부; (c) 상기 전극부에서 감지된 정전용량을 신호로 표시하는 출력부; 및 (d) 상기 정전용량센서 회로부, 상기 전원부, 상기 전극부 및 상기 출력부의 작동관계를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 전극부와 주장치부는 일체형의 인쇄회로기판에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
화분, 토양, 수분, 정전용량, 모니터링

Description

화분용 수분 모니터링 장치{Moisture Monitoring Apparatus for Flowerpot}
본 발명은 토양의 수분 함량을 모니터링하는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화분내 토양의 수분함량에 따라 변화하는 정전용량을 감지하여 토양의 수분함량을 표시하는 화분용 수분 모니터링 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 화분에 심겨진 화초나 나무는 실내 분위기를 부드럽고 편안하게 연출할 뿐만 아니라, 건강에 기여하는 바가 큰 것으로 보고되고 있다. 최근 건축된 대부분의 아파트나 개인 주택에는 발코니가 있는데, 이공간을 이용하여 화초나 나무들을 가꾸는 가정이 점차 늘어나고 있는 실정이다.
화초나 나무들의 바람직한 생육환경을 조성하기 위해서는 온도, 수분, 일조량 및 영양분 공급을 적절하게 해야한다. 특히 실내에서 화초나 나무를 재배할 경우에는 자연적인 수분공급을 기대할 수 없으므로 적절한 수분공급이 무엇보다 중요하다. 더욱이, 화초나 나무의 종류에 따라 필요로 하는 수분량이 각기 다르므로 급수 대상의 화초나 나무의 종류에 따라 적절하게 급수할 필요가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 화분내 토양의 수분 함량을 측정하여 수분량을 간단히 표시하거나 수분 부족을 알려주는 장치들이 개발되었다.
한국공개특허 제2007-0091255호에서는 태양전지판 또는 일반전지로부터 전력을 공급받는 반도체 타입의 습도센서를 포함하는 화분의 수분량 검출장치를 개시하였고, 한국공개특허 제2009-0061274호에서는 계측부에 위치한 5개의 전극과 3개의 수분센서를 조합하여 화분속에 존재하는 수분량을 검출하는 장치를 개시하였다.
일반적으로 전도도 센서를 이용하는 기존의 기술은 원형 전극 봉의 끝 단에서 절연체로 분리되는 플러스 전극과 마이너스 전극으로 구성되며, 두 전극 사이에 흐르는 전류를 측정하여 토양의 수분함량을 측정하였다. 이 때 두 전극은 반드시 전류 잘 흘릴 수 있는 도체(금속) 전극을 사용하여야 하는데, 금속 전극은 장시간 수분에 노출되어 사용될 경우 녹이 쓸거나 형질이 변형되어, 측정 제현성이 현저히 저하될 수 있는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 화분내 토양의 수분함량에 따라 변화하는 정전용량을 감지할 수 있도록 전극부와 주장치부를 인쇄회로기판에 일체형으로 형성시키고, 전극을 절연체로 코팅시킬 경우, 전극의 부식이 발생되지 않아, 장기간 사용하여도 정확도를 유지할 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 식물의 종류에 따라 검출감도 및 출력신호 레벨의 조절이 가능한 화분용 수분 모니터링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전극의 부식이 발생되지 않아, 장기간 사용하여도 정확도를 유지할 수 있는 화분용 수분 모니터링 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 화분내 토양의 수분함량에 따라 변화하는 정전용량을 감지하는 전극부 및 상기 전극부에서 정전용량을 감지하는 것을 제어하고, 감지된 결과를 출력하는 주장치부로 구성된 화분용 수분 모니터링 장치에 있어서, 상기 전극부는 플레이트 형태이며, 상기 전극부의 일단에는 단일 전극이 형성되어 있고, 상기 주장치부는 (a) 정전용량센서 회로부; (b) 장치의 구동을 위한 전력을 공급하는 전원부; (c) 상기 전극부에서 감지된 정전용량을 신호로 표시하는 출력부; 및 (d) 상기 정전용량센서 회로부, 상기 전원부, 상기 전극부 및 상기 출력부의 작동관계를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 전극부와 주장치부는 일체형의 인쇄회로기판에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 화분용 수분 모니터링 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 화분용 수분 모니터링 장치는 전극이 절연체로 코팅되어 있 어, 전극의 부식이 발생되지 않아, 장기간 사용하여도 정확도를 유지할 수 있으며, 식물의 종류에 따라 정전용량의 감지 감도 또는 출력신호 레벨을 조절함으로써, 화분내 토양에 존재하는 수분을 모니터링 할 수 있다.
본 발명은 일 관점에서, 화분내 토양의 수분함량에 따라 변화하는 정전용량을 감지하는 전극부 및 상기 전극부에서 정전용량을 감지하는 것을 제어하고, 감지된 결과를 출력하는 주장치부로 구성된 화분용 수분 모니터링 장치에 있어서, 상기 전극부는 플레이트 형태이며, 상기 전극부의 일단에는 단일 전극이 형성되어 있고, 상기 주장치부는 (a) 정전용량센서 회로부; (b) 장치의 구동을 위한 전력을 공급하는 전원부; (c) 상기 전극부에서 감지된 정전용량을 신호로 표시하는 출력부; 및 (d) 상기 정전용량센서 회로부, 상기 전원부, 상기 전극부 및 상기 출력부의 작동관계를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 전극부와 주장치부는 일체형의 인쇄회로기판에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 화분용 수분 모니터링 장치에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 정전용량센서는 정전용량센서 회로부 및 전극부를 포함하는 개념의 용어이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 화분용 수분 모니터링 장치를 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화분용 수분 모니터링 장치의 내부를 나 타낸 도면이다.
도 1에 도시된바와 같이, 본 발명에 따른 화분용 수분 모니터링 장치(100)는 화분내 토양의 수분함량에 따라 변화하는 정전용량을 감지하는 전극부(10) 및 상기 전극부에서 정전용량을 감지하는 것을 제어하고, 감지된 결과를 출력하는 주장치부(20)로 크게 구분될 수 있으나, 상기 전극부(10)와 주장치부(20)는 일체형의 인쇄회로기판에 형성되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전극부(10)의 일단에는 전극(12)이 형성되어 있으며, 상기 전극(12)은 절연체로 코팅되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 전극부(10)의 크기는 사용되는 화분의 크기에 따라 그에 맞추어 달리할 수 있으나, 가로 0.5~5㎝, 세로 5~20㎝의 플레이트 형태인 것이 바람직하며, 토양에 삽입이 용이하도록 끝단이 뾰족한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 전극부(10)의 일단에 형성된 전극(12)은 상기 인쇄회로기판의 상부 또는 하부에 형성될 수 있으나, 상기 인쇄회로기판의 하부, 즉, 정전용량센서 회로부가 형성된 면의 반대편에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 전극(12)은 도전체라면 특별한 제한없이 이용할 수 있고, 은, 구리, 철, 알루미늄, 아연, 마그네슘 등을 예시할 수 있으며, 상기 전극은 전극의 기능을 수행할 수 있는 한 그 형태나 크기는 크게 제한되지 않는다.
상기 전극(12)은 인쇄회로기판 제조과정에서 형성될 수 있으며, 또한 인쇄회로기판 제조과정중의 하나인 Photo Solder Resist(PSR)잉크로 도포하는 과정을 통하여 코팅될 수 있다.
즉, 본 발명에서는 별도의 전극 제작공정 및 코팅 공정을 거치지 않고, 일반적인 인쇄회로기판 제작과정을 통하여 수분 모니터링 장치의 전극을 형성하고, 형성된 전극을 절연체로 코팅함으로써, 비용절감을 할 수 있을 뿐만 아니라, 코팅된 전극은 사용시 수분과 접촉하지 않으므로, 부식이 발생되지 않아 장시간 사용하여도 정확도를 유지할 수 있다.
도 2는 화분에 장착된 화분용 수분 모니터링 장치의 전기적 모델링을 나타낸 도면이다.
본 발명의 화분용 수분 모니터링 장치는 단일의 전극(12)을 사용하여 토양의 수분 함량 정도를 모니터링하는 것을 특징으로 한다. 종래에는 2개의 전극을 사용하여 두 전극 사이의 저항, 또는 커패시턴스를 측정함으로써, 토양의 수분 함량 정도를 판단하였다. 그러나 본 발명에서는 단일의 전극(12)과 대지(5) 사이에 존재하는 임피던스가 토양(4)의 수분 함량에 따라 변화한다는 사실을 확인하고, 단일의 전극(12)을 이용하여 화분속 수분의 함량을 모니터링 하고자 하였다.
도 2에 도시된 모델링은 전극(12)과 대지(5) 사이에 존재하는 임피던스를 도시하였으나, 반드시 모든 임피던스를 정확히 도시하고 있지는 않다. 본 발명에 따르면, 전극(12)과 대지(5) 사이에 토양(4)의 수분 함량에 따라서 변화하는 임피던스가 있다는 사실 그 자체가 중요하며, 반드시 모델링이 정확할 필요는 없다. 먼저, 전극(12)과 화분(2) 사이에는 커패시턴스 및 저항 성분이 존재한다.
도 2에서는 화분(2)의 한점에 연결되는 것으로 도시하였으나, 실제로는 커패시턴스 및 저항은 산포하여 존재할 것이다. 화분(2)은 비 전도성이 대부분으로 화 분(2)이 전기적으로 동일 노드인 것은 아니므로, 실제로는 점(6)도 산포한다. 상기 화분(2)이 있는 지점은 화분(2)과 접하고 있는 토양(4)의 최외각 면으로 생각해도 된다. 먼저, 전극(12)과 화분(2) 사이에는 저항 Rf2를 생각할 수 있으며, 이와 병렬로 전극(12)과 화분(2) 사이에는 저항 Rf1과 커패시터 Cf가 존재하는 것으로 생각할 수 있다. 상기 Cf, Rf1, Rf2는 모두 토양(4)의 수분 함량에 따라 변화하는 값이다. 한편, 화분(2)과 대지 사이에는 저항 Re와 커패시터 Ce가 존재하는 것으로 생각할 수 있다. 저항 Re와 커패시터 Ce는 토양(4)의 수분 함량 정도와는 무관한 값이다. 정리하면, 전극(12)에서 대지(5)를 바라볼 때, 전극(12)과 대지(5) 사이에는 토양의 수분 함량에 따라서 달라지는 커패시턴스 및 저항을 포함하는 임피던스 성분이 존재한다.
상기 주장치부(20)는 정전용량센서 회로부(12), 장치(100)의 구동을 위한 전력을 공급하는 전원부(14); 상기 전극부(10)에서 감지된 정전용량을 신호로 표시하는 출력부(16); 및 상기 정전용량센서 회로부(12), 상기 전원부(14), 상기 전극부(10) 및 상기 출력부(16)의 작동관계를 제어하는 제어부(18)를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전극부와 주장치부는 일체형의 인쇄회로기판에 형성되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 상기 인쇄회로기판상에는 정전용량센서 회로부(12), 전원부(14), 출력부(16), 제어부(18) 등이 형성될 수 있으며, 이들의 위치는 특별한 제한을 받지 않는다.
상기 정전용량센서 회로부(12)는 정전용량을 감지하는데 필요한 발진소자, 펄스 카운터 등을 포함할 수 있다(도 3 참조).
상기 발진소자는 펄스 신호를 발생시키는 것으로서, 임피던스에 따라서 발생되는 펄스의 주기와 듀티비가 가변된다. 상기 발진소자는 상용의 NE555 칩 등을 이용할 수 있다.
상기 펄스 카운터는 주어진 시간 동안 신호의 주파수를 카운팅하여 제어부(MCU)에 전달하므로, 제어부(18)는 상기 주파수에 따라서 수분 함량 정도를 판단할 수 있게 된다.
상기 전원부(14)는 수분 모니터링장치(100)의 구동을 위한 전력을 공급하기 위한 것으로서, 통상적으로 사용되는 전지를 이용할 수 있다.
상기 전원부(14)는 정전용량센서 회로부(12), 제어부(18), 출력부(16), 전극부(10) 등에 연속적으로 전력을 공급하지 않고, 주기적으로 전력을 공급함으로써, 전지의 수명을 연장시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
따라서, 주장치부는 평상시 발진소자에 전력을 공급하고 있지 않다가, 예를 들면 1시간에 한번씩만 발진소자에 전력을 공급하여 수분 함량 정도를 측정하여 표시할 수 있다.
상기 출력부(16)는 감지된 정전용량에 따라 화분내 토양의 수분함량을 램프 또는 음성 신호로 출력하는 것으로서, 상기 전극부에서 정전용량을 감지하면, 제어부(18)를 거쳐 정전용량 알림 신호를 수신받은 후, 상기 정전용량을 램프 또는 음성신호로 출력할 수 있다. 상기 신호의 출력은 사용자가 필요에 따라 적절히 출력방식을 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 출력부(16)는 출력주기에 따라 주기적으로 신호를 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 출력주기는 사용자의 선택에 따라 조절이 가능하다.
상기 제어부(18)는 상기 정전용량센서 회로부(12), 상기 전원부(14), 상기 전극부(10) 및 상기 출력부(16)의 작동관계를 제어하기 위한 것으로서, 상기 제어부(18)는 식물의 종류에 따라 정전용량의 감지 감도 또는 출력신호 레벨을 조절할 수 있다.
하기 표 1에 나타난 바와 같이, 상기 제어부(18)는 매우 건조한 상태에서 가장 큰 정전용량을 감지하도록 설계될 수 있다. 즉, 매우 건조할 때의 최대 검출신호 레벨을 100으로 보았을 때, 식물선택 [A]는 98, [B]는 85, [C]는 75 정도의 검출기준값을 갖도록 프로그래밍할 수 있다. 이때 상기 검출기준값은 필요에 따라 조절이 가능하다.
따라서, 측정시에 화분의 수분함량이 검출기준값 보다 습하면 검출신호가 검출기준값보다 낮게 측정되고, 녹색 LED 또는 음성신호를 출력한다. 반대로 화분의 수분함량이 검출기준값 보다 건조하면 검출기준값보다 높게 측정되며, 이때는 적색 LED 또는 음성신호를 출력한다.
[표 1]
식물선택 스위치 수분 함량 정도 추천식물 검출기준값 적색 LED 표시기준
A 매우 건조한 상태 선인장, 다육 식물 98 검출신호레벨>98
B 조금 건조한 상태 관엽 식물 85 검출신호레벨>85
C 조금 습한 상태 꽂, 열매 식물 75 검출신호레벨>75
또한, 상기 제어부에는 ADC(Analog-Digital Converter)가 내장되어 있어 아날로그 형태인 전압 레벨을 디지털로 변환시킬 수 있으며, 디지털로 변환된 전압값 에 따라 디스플레이부에서 수분함량 정도를 단계별로 표시할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이. 본 발명의 일 실시예에 따른 화분용 수분 모니터링 장치의 상기 주장치부(20)는 케이스(30)로 덮여 있을 수 있다. 상기 케이스(30)에는 식물의 수분함량 정도를 단계별로 표시하는 디스플레이부를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 화분용 수분 모니터링 장치를 화분에 장착시킨 사진이다. 도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 화분용 수분 모니터링 장치의 전극부가 화분의 토양에 삽입되어, 토양의 수분 함량을 모니터링 할 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화분용 수분 모니터링 장치의 내부를 나타낸 도면이다.
도 2는 화분에 장착된 화분용 수분 모니터링 장치의 전기적 모델링을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 화분용 수분 모니터링 장치의 회로도를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화분용 수분 모니터링 장치 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 화분용 수분 모니터링 장치를 화분에 장착시킨 사진이다.

Claims (7)

  1. 화분내 토양의 수분함량에 따라 변화하는 정전용량을 감지하는 전극부 및 상기 전극부에서 정전용량을 감지하는 것을 제어하고, 감지된 결과를 출력하는 주장치부로 구성된 화분용 수분 모니터링 장치에 있어서,
    상기 전극부는 플레이트 형태이며, 상기 전극부의 일단에는 전극과 대지 사이에 토양 수분 함량에 따라서 변하는 임피던스를 이용하여 화분 속 수분의 함량을모니터링 할 수 있는 절연체로 코팅된 단일 전극이 형성되어 있고,
    상기 주장치부는 (a) 정전용량센서 회로부; (b) 장치의 구동을 위한 전력을 공급하는 전원부; (c) 상기 전극부에서 감지된 정전용량을 신호로 표시하는 출력부; 및 (d) 상기 정전용량센서 회로부, 상기 전원부, 상기 전극부 및 상기 출력부의 작동관계를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 전극부와 주장치부는 일체형의 인쇄회로기판에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 화분용 수분 모니터링 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 전극부의 일단에 형성된 전극은 상기 인쇄회로기판의 상부 또는 하부에 형성된 것을 특징으로 하는 화분용 수분 모니터링 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전극부는 가로 0.5~5㎝, 세로 5~20㎝의 플레이트 형태이며, 토양에 삽입이 용이하도록 끝단이 뾰족한 것을 특징으로 하는 화분용 수분 모니터링 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 출력부는 상기 감지된 정전용량에 따라 화분내 토양의 수분함량을 램프 또는 음성 신호로 출력하는 것을 특징으로 하는 화분용 수분 모니터링 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 식물의 종류에 따라 정전용량의 감지 감도 또는 출력신호 레벨을 조절하는 것을 특징으로 하는 화분용 수분 모니터링 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 주장치부는 케이스로 덮이는 것을 특징으로 하는 화분용 수분 모니터링 장치.
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