KR100941875B1 - ｕ-ＩＴ 기반의 정밀농업을 위한 농산물 수확량 모니터링시스템 - Google Patents

ｕ-ＩＴ 기반의 정밀농업을 위한 농산물 수확량 모니터링시스템 Download PDF

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Abstract

최근 들어 농업여건에 적합한 정밀농업기술을 개발하고, 이를 효과적으로 적용하기 위한 방법이 연구되고 있는데, 유비쿼터스 기술을 접목한 농업 응용서비스와 GIS 및 센서를 사용한 수확량 모니터링 시스템 등이 이 중 하나이다. 본 발명은 온실에서의 작물재배 및 수확을 위한 농산물 수확량 모니터링 시스템에 관한 것으로 작물재배의 수확량과 작물의 성장에 영향을 미치는 주변 환경정보를 RFID와 USN 기술을 통해 실시간으로 모니터링할 수 있도록 함으로써 주변환경과 이에 따른 수확량을 다음 작물 재배시에 참고하여 품질 향상 및 생산량 증대에 기여할 수 있다.
RFID, 수동형 태그, 영상, 온도, 습도, 토양, 수확량.

Description

ｕ-ＩＴ 기반의 정밀농업을 위한 농산물 수확량 모니터링 시스템{yield monitoring system for precision farming based on u-IT}
본 발명은 u-IT 기반의 정밀농업을 위한 농산물 수확량 모니터링 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 RFID 태그, 온도, 습도, 토양을 각각 측정하는 센서들을 통해 농산물 수확에 관련한 일련의 모든 행위와 작물의 주변 환경을 수집하고 이를 다음 작물 재배시에 참고자료를 활용함으로써 작물의 생산량을 증대시키고 품질을 개선할 수 있도록 하는 u-IT 기반의 정밀농업을 위한 농산물 수확량 모니터링 시스템에 관한 것이다.
최근 u-IT(ubiquitous Information Technology) 기술을 적용한 u-Fram 서비스가 여러 농업분야에서 등장하고 있다. 농업에서 IT 기술도입의 목적은 노동력 절감, 경쟁력 강화, 생산량 증가, 품질 증대를 위해 최근 FTA(Free Trade Agreement)에 의한 농산물 개방과 관련하여, 기존 농업에서의 생산, 재배, 수확, 물류 및 유통 관리방법을 탈피하기 위함이다. 그리고 u-IT 기술을 통해 효율적이고 능률적인 방법으로 비용절감 등의 효과를 극대화하여 상기 목적을 달성할 수 있도록 하고 있다. 이러한 취지에 따라 정밀농업에서의 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 중 하 나가 수확량 모니터링 시스템이다.
상기한 수확량 모니터링 시스템의 경우 국내외에서 활발한 연구가 진행중에 있다. 일본 및 국내의 경우, 벼 수확량 모니터링 시스템이 대표적인 경우이다. 트랙터와 같은 농기계에 있어 여러 가지 계측센서와 GPS/GIS 시스템을 장착하여, 실시간으로 작물의 생장에 필요한 환경 요소들을 모니터링하고, 진단 소프트웨어를 이용하여 작물 재배를 위한 처방을 할 수 있는 시스템 개발에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
또한 정밀농업을 위한 수확량 모니터링 시스템의 실시간 농작업 의사결정 지원을 위해, 농업토양 환경지리정보시스템을 개발되고 있는데, 이는 일반 농가에서 인터넷을 통해 농지의 특성을 확인하고 실시간으로 농업인이 원하는 농지의 시비처방서를 발급할 수 있으며, 적정한 작물을 선택할 수도 있는 시스템을 지원하고 있다.
상기의 수확량 모니터링 시스템을 위한 정밀농업의 요구사항으로는, 첫 번째 농산물이 성장하는 주변환경 즉, 온도, 습도, 조도, 토양의 비옥도 정보를 위치별로 획득하는 것이다. 정보를 얻는 수단으로는 농산물의 위치, 수확량, 병해충의 발생 정도를 감지하는 센서가 기계에 장착 또는 무선의 원격지에서 사용될 수 있다.
두 번째, 얻어진 정보를 통하여 해당 위치에 적절한 양분 및 화학자재를 원하는 양만큼 투입하는 것이다. 농약 및 비료 등의 농자재 투입 및 작물관리에 대한 의사결정에 결과에 따라 물, 종자, 양분, 화학자재를 혼합하고 살포하는 기계기술이 이 범주에 속한다.
세 번째, 지리정보시스템(GIS)을 이용하여 위치별 작물 생육환경 정보를 관리하고 제어시스템을 구동하기 위한 농자재 투입 처방을 결정하는 것이다. 첫 번째와 두 번째의 범주가 훌륭하게 개발되더라도 세 번째의 의사결정 과정이 이루어지지 않으면 정밀농업의 수행이 어렵게 된다.
이미 공개된 대한민국 특허공개 제10-2006-3930호나 특허 제10-625256호, 특허 제10-700877호 및 특허 제10-766542호 등에는 작물을 재배 및 관리하는 기술이 개시되어 있는데, 특허공개 제10-2006-3930호는 바코드나 RFID를 이용하여 농축산물의 이력을 관리하는 기술에 관한 것이고, 특허 제10-625256호는 비닐하우스나 유리온실 등의 현재상황을 단순히 휴대용 단말기에 실시간으로 제공하는 기술에 관한 것이며, 특허 제10-700877호는 이동 단말기를 이용하여 하우스 즉, 온실, 축사, 냉동창고 등을 모니터링하고 최적의 상태를 유지할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이며, 특허 제10-766542호는 네트워크망을 통해 원격지에 유리 온실 등의 동영상과 음성 그리고 수질, 토양에 관한 정보를 제공하고 온실의 기기를 원격 제어할 수 있도록 하는 기술에 관한 것으로서 작물의 재배관리 및 농산물의 유통방법으로만 한정되어 있다.
본 발명은 상술한 정밀농업의 요구사항 중 첫 번째와 세 번째 요구사항을 충족시키기 위한 것으로서 RFID 태그, 온도, 습도, 토양을 각각 측정하는 센서들을 통해 농산물 수확에 관련한 일련의 모든 행위와 작물의 주변환경을 모니터링하여 다음 작물 재배시 참고하여 작물의 생산량을 증대시키고 품질을 향상시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
즉, 정밀농업에서의 요구사항 중 농산물이 성장하는 주변환경의 여러 정보를 위치별로 획득할 때 GPS나 GIS 시스템과는 달리 RFID 태그를 이용하여 위치정보를 획득하고, 특정 위치에 설치된 센서로부터 환경정보를 수집할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 u-IT 기반의 정밀농업을 위한 농산물 수확량 모니터링 시스템은, 섹터 단위로 분할된 온실의 각 섹터에 설치되어 해당 섹터에 부여된 고유의 위치정보와 해당 섹터에서 농산물을 수확하는 작업자의 개인정보를 전송하는 수동형 태그; 상기 수동형 태그로부터 전송되는 특정 섹터의 위치정보와 작업자의 개인정보 그리고 작업자가 특정 섹터에서 수확한 농산물에 대한 수확량 정보를 무선 전송하는 트레인; 상기 트레인으로부터 전송되는 특정 섹터의 위치정보와 작업자의 개인정보 및 해당 섹터에서 수확한 농산물의 수확량 정보를 데이터베이스에 저장하고 정기적 혹은 사용자의 요청에 따라 사용자에게 제공하는 중앙 수확량 모니터링 서버; 및 상기 중앙 수확량 모니터링 서버로부터 제공되는 특정 섹터의 위치정보와 작업자의 개인정보 및 해당 섹터에서 수확된 농산물의 수확량 정보를 확인할 수 있는 사용자 단말기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 트레인은 수동형 태그로부터 특정 섹터의 위치정보와 개인정보를 읽어 오는 RFID 리더와, 트레인에 실린 농산물의 수확량을 측정하는 로드 쉘과, 상기 RFID 리더에 의해 읽혀진 특정 섹터의 위치정보와 개인정보 그리고 로드 쉘에 의해 얻어진 수확량 정보를 게이트웨이 모듈을 통해 전송받아 무선 전송하는 무선 송신기로 구성될 수 있다.
또한 본 발명은 온실의 섹터마다 온도센서와 습도센서 및 토양센서가 설치되고, 상기 트레인에는 상기 온도센서와 습도센서 및 토양센서로부터 전송되는 주변 환경정보를 수집하여 게이트웨이 모듈로 보내는 싱크 노드가 추가되고, 상기 중앙 수확량 모니터링 서버는 상기 트레인으로부터 전송되는 주변 환경정보를 데이터베이스에 저장하고 정기적 혹은 사용자의 요청에 따라 사용자에게 제공하도록 구성되어, 사용자가 단말기를 통해 상기 중앙 수확량 모니터링 서버로부터 제공되는 특정 섹터의 위치정보와 온도, 습도, 토양의 주변 환경정보를 확인할 수 있다.
그리고 본 발명은 온실의 내부와 외부를 촬영하는 CCTV 카메라가 추가되고, 상기 중앙 수확량 모니터링 서버는 상기 CCTV 카메라에 의해 촬영된 영상정보를 유무선 통신망을 통해 전송받아 데이터베이스에 저장하고, 정기적이나 상황발생시 혹은 사용자의 요청에 따라 사용자에게 제공하도록 구성되어, 사용자가 단말기를 통해 상기 중앙 수확량 모니터링 서버로부터 제공되는 영상정보를 확인할 수 있다.
상기 단말기는 상기 중앙 수확량 모니터링 서버와의 온라인 접속이 가능한 PDA나 휴대전화기 또는 PC 중 하나 혹은 두 이상을 이용할 수 있다.
따라서 본 발명에 의하면, 사용자는 공간이나 시간에 구애받지 않고 PDA나 휴대전화기 또는 PC 등을 통하여 농산물의 수확량을 실시간으로 모니터링할 수 있을뿐더러 농산물의 재배 및 관리를 위한 온도나 습도, 토양에 관한 정보를 실시간으로 제공받을 수 있으며, 화재 감시나 도난 방지를 위한 온실의 영상을 실시간으로 제공받을 수 있다.
즉, 존(zone) 및 섹터(sector) 단위로 수확된 농산물의 수확량을 측정하여 PDA나 휴대전화기 또는 PC 등을 통해 사용자에게 전송함으로써 사용자는 특정 존이나 섹터 등과 같은 위치에서의 농산물 수확량을 확인할 수 있다. 또한 농산물 수확량과 함께 각종 센서에 의해 수집되는 온도, 습도, 토양정보를 사용자에게 전송함으로써 사용자는 정밀농업에서 요구하는 위치별 작물 생육환경정보를 관리하고, 제어시스템을 구동시키기 위한 농자재 투입처방에 대한 적절한 의사결정을 내릴 수 있다. 뿐만 아니라 농산물이 재배되는 온실의 영상정보를 사용자에게 전송함으로써 사용자는 화재 감시는 물론이고 도난사고를 미연에 방지할 수 있다.
특히, 사용자는 온실에서 농산물을 수확하는 작업자의 농산물 수확량(중량)을 정확하게 파악하고, 이에 적절한 임금을 지불할 수 있으므로 온실에서 농산물을 수확하는 작업자를 효율적으로 관리할 수 있다. 또한 사용자(농업인)는 인터넷 등을 통해 온실(농지)의 특성을 확인하고 실시간으로 사용자가 원하는 시비처방서를 발급받을 수 있으며, 적정한 작물을 선택할 수도 있다.
도1은 트레인(20)의 이동을 위한 레일(28)과 수동형 태그(24)가 설치된 파프리카 농장의 온실의 내부 구조를 보인 것으로서 일정한 존(zone)으로 나뉜 온실의 존과 존 사이에는 레일(28)이 놓여 있고, 농산물을 수확 및 운반하는 트레인(20)이 레일(28)을 타고 이동한다. 상기 레일(28)을 타고 이동하는 트레인(20)은 각 섹터(sector)에서 수확된 농산물의 중량을 확인한다. 온실의 각 존은 일정한 크기의 세부적인 섹터로 나누어지고, 각 섹터에는 위치정보가 프로그램밍된 수동형 태그(24)가 설치된다.
도2는 본 발명에 의한 ｕ-ＩＴ 기반의 정밀농업을 위한 농산물 수확량 모니터링 시스템을 보인 것으로서 각종 센서(16)(17)(18), CCTV 카메라(19), RFID 리더(23), 수동형 태그(24), 로드 쉘(22) 등을 포함하는 물리계층과, 상기 물리계층으로부터 들어오는 정보를 저장하는 데이터베이스(15)와 상기 물리계층으로부터 들어오는 정보를 관리하고 사용자로부터 요청되는 서비스를 제공해 주기 위한 중앙 수확량 모니터링 서버(14) 등을 포함하는 미들웨어 계층 그리고 상기 미들웨어계층으로부터 정보를 제공받는 각종 단말기(11)(12)(13)를 포함하는 단말기 계층으로 구성된다.
즉, 농산물 수확량을 모니터링하기 위해, 특정 섹터에 부여된 고유의 위치정보와 해당 섹터에서 농산물을 수확하는 작업자의 개인정보를 전송하는 수동형 태그(24)는 섹터 단위로 분할된 온실의 각 섹터에 설치되어 위치정보와 개인정보를 제공하고, 온실 내부의 레일(28)을 타고 이동하는 트레인(20)은 수동형 태그(24)로부터 전송되는 특정 섹터의 위치정보와 작업자의 개인정보 그리고 작업자가 특정 섹터에서 수확한 농산물에 대한 수확량 정보를 무선 전송하는 역할을 한다.
상기 트레인(20)으로부터 전송되는 특정 섹터의 위치정보와 작업자의 개인정 보 및 해당 섹터에서 수확한 농산물의 수확량 정보를 저장하고 있는 데이터베이스(15)를 구비한 중앙 수확량 모니터링 서버(14)는 위치정보와 개인정보 그리고 수확량 정보를 관리하는 한편 정기적 혹은 사용자의 요청에 따라 해당 정보들을 사용자에게 제공한다.
따라서 사용자는 PDA(11)나 휴대전화기(12) 그리고 PC(13) 등을 통해 중앙 수확량 모니터링 서버(14)로부터 제공되는 특정 섹터의 위치정보와 작업자의 개인정보 및 해당 섹터에서 수확된 농산물의 수확량 정보를 확인할 수 있다.
여기서, 트레인(20)은 무선 통신이 가능한 모듈로서 도3에서와 같이 수동형 태그(24)로부터 특정 섹터의 위치정보와 개인정보를 읽어오는 RFID 리더(23)와, 트레인(20)에 실린 농산물의 수확량을 측정하는 로드 쉘(22)과, RFID 리더(23)에 의해 읽혀진 특정 섹터의 위치정보와 개인정보 그리고 로드 쉘(22)에 의해 얻어진 수확량 정보를 게이트웨이 모듈(26)을 통해 전송받아 무선 전송하는 무선 송신기(25)로 구성되어 있다. 상기 로드 쉘(22)에 의해 감지되는 전기적인 값은 데이터 로거(21)에 의해 디지털 값으로 변환되어 게이트웨이 모듈(26)을 공급된다.
다음으로, 작물의 성장환경을 모니터링하기 위해, 온실의 섹터마다 온도센서(16)와 습도센서(17) 및 토양센서(17)가 설치되고, 트레인(20)에는 도3에서와 같이 온도센서(16)와 습도센서(17) 및 토양센서(18)로부터 전송되는 주변 환경정보를 수집하여 게이트웨이 모듈(26)로 보내는 싱크 노드(27)가 추가되며, 중앙 수확량 모니터링 서버(14)는 트레인(20)으로부터 전송되는 주변 환경정보를 데이터베이스(15)에 저장하고 정기적 혹은 사용자의 요청에 따라 사용자에게 제공하도록 구성 되어 있다.
여기서, 온도센서(16)와 습도센서(17) 및 토양센서(18) 등을 중앙 수확량 모니터링 서버(14)에 연결시켜 주는 IP-USN(Internet Protocol-Ubiquitous Sensor Network)은 트레인(20)의 싱크 노드(27)와 게이트웨이 모듈(26) 등이 기존의 초고속 인터넷의 IP 인프라에 통합되어 광범위한 확장성과 이동성을 보장하는 기술로서 그동안 재해예방이나 기상, 건물 관재 등에 산발적으로 사용된 폐쇄적인 USN(Ubiquitous Sensor Network)에 인터넷을 결합하여 서비스적용 범위와 이용대상을 확대한 것이다.
상기 IP-USN은 광대역통합망(BcN), 차세대 인터넷 주소체계(IPv6), 와이브로, 무선랜 등 인터넷 인프라와 연계해 원하는 장소에 손쉽게 센서 네트워크를 구성하여, 다양한 서비스를 제공할 수 있는 차세대 핵심기술로서 물류, 재해예방, 군사, 홈네트워크, U시티 등에 광범위하게 활용된다.
이 IP-USN은 IP기반의 USN통신망으로 센서노드 각각이 IP통신이 가능하고 광대역통합망(BcN)망과 직접 연동이 가능하다. 통상 IP-USN은 인터넷 연동의 유무에 따라 `비IP-USN'과 연동이 필요한 IP-USN으로 구분된다. 비 IP-USN의 경우 블루투스 헤드 셋이나 지그비를 이용한 휴대폰의 TV리모콘 기능, 철책선침입탐지용 센서 등으로 자체적으로 동작하는 폐쇄적 네트워크를 말한다.
반면에 IP-USN은 인터넷 연동이 필요한 분야로 가령 기상청의 기상정보수집망이나 도로공사의 도로결빙 정보처럼 센서에서 수집된 정보를 인터넷을 통해 해당 기관 서버로 올려 다시 정보수요자에게 공급하는 방식이다. 소방서의 경우 화재 발 생시 센서를 통해 감지할 수 있고 운송화물의 위치정보를 국가단위에서 물류유통 관리서버로 추적하는데도 이와 같은 IP-USN기술이 필요하다.
따라서 사용자가 PDA(11)나 휴대전화기(12) 및 PC(13)와 같은 단말기를 통해 중앙 수확량 모니터링 서버(14)로부터 제공되는 특정 섹터의 위치정보와 온도, 습도, 토양의 주변 환경정보를 확인할 수 있다.
마지막으로, 온실의 각종 상황을 모니터링하기 위해, 온실의 내부와 외부를 촬영하는 CCTV 카메라(19)가 추가되고, 중앙 수확량 모니터링 서버(14)는 CCTV 카메라(19)에 의해 촬영된 영상정보를 유무선 통신망을 통해 전송받아 데이터베이스(15)에 저장하고, 정기적이나 상황발생시 혹은 사용자의 요청에 따라 사용자에게 제공하도록 구성되어 있다.
따라서 사용자는 PDA(11)나 휴대전화기(12) 및 PC(13)와 같은 단말기를 통해 중앙 수확량 모니터링 서버(14)로부터 제공되는 영상정보를 확인할 수 있으므로 원거리에도 온실에서 발생하는 화재나 도난 등의 사고를 감시할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명은 대규모의 논과 같이 외부환경에 노출된 작물에 생장환경이 아닌 온실 등과 같은 일정한 시설이 갖춰진 환경에 적용할 수 있다. 즉, 본 발명은 온실에서 농산물 수확에 관련한 일련의 행위와 결과물을 모니터링하고, 그러한 과정에서 얻어지는 환경정보와 수확된 농산물의 중량정보를 다음 작물 재배시 농산물 재배관리 및 지침으로 사용할 수 있다. 이는 결과적으로 농산물의 생산량 증대와 품질 향상으로 이어질 수 있다.
도1은 트레인의 이동을 위한 레일과 수동형 태그가 설치된 온실의 내부 구조도이다.
도2는 본 발명에 의한 u-IT기반의 정밀농업을 위한 농산물 수확량 모니터링 시스템의 구성도이다.
도3은 트레인에 탑재된 로드 쉘과 데이터로거, RFID 리더, 게이트웨이 모듈 등의 연결관계를 보인 도면이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : PDA 12 : 휴대전화기
13 : PC 14 : 중앙 수확량 모니터링 서버
15 : 데이터 베이스 16 : 온도센서
17 : 습도센서 18 : 토양센서
19 : CCTV 카메라 20 : 트레인
21 : 데이터 로거 22 : 로드 쉘
23 : RFID 리더 24 : 수동형 태그
25 : 무선 송신기 26 : 게이트웨이 모듈
27 : 싱크 노드 28 : 레일

Claims (5)

  1. 섹터 단위로 분할된 온실의 각 섹터에 설치되어 해당 섹터에 부여된 고유의 위치정보와 해당 섹터에서 농산물을 수확하는 작업자의 개인정보를 전송하는 수동형 태그;
    상기 수동형 태그로부터 전송되는 특정 섹터의 위치정보와 작업자의 개인정보 그리고 작업자가 특정 섹터에서 수확한 농산물에 대한 수확량 정보를 무선 전송하는 트레인;
    상기 트레인으로부터 전송되는 특정 섹터의 위치정보와 작업자의 개인정보 및 해당 섹터에서 수확한 농산물의 수확량 정보를 데이터베이스에 저장하고 정기적 혹은 사용자의 요청에 따라 사용자에게 제공하는 중앙 수확량 모니터링 서버; 및
    상기 중앙 수확량 모니터링 서버로부터 제공되는 특정 섹터의 위치정보와 작업자의 개인정보 및 해당 섹터에서 수확된 농산물의 수확량 정보를 확인할 수 있는 사용자 단말기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 u-IT 기반의 정밀농업을 위한 농산물 수확량 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 트레인은 수동형 태그로부터 특정 섹터의 위치정보와 개인정보를 읽어오는 RFID 리더와, 트레인에 실린 농산물의 수확량을 측정하는 로드 쉘과, 상기 RFID 리더에 의해 읽혀진 특정 섹터의 위치정보와 개인정보 그리고 로드 쉘에 의해 얻어진 수확량 정보를 게이트웨이 모듈을 통해 전송받아 무선 전송하는 무선 송신기로 구성되는 것을 특징으로 하는 u-IT 기반의 정밀농업을 위한 농산물 수확량 모니터링 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    온실의 섹터마다 온도센서와 습도센서 및 토양센서가 설치되고, 상기 트레인에는 상기 온도센서와 습도센서 및 토양센서로부터 전송되는 주변 환경정보를 수집하여 게이트웨이 모듈로 보내는 싱크 노드가 추가되고, 상기 중앙 수확량 모니터링 서버는 상기 트레인으로부터 전송되는 주변 환경정보를 데이터베이스에 저장하고 정기적 혹은 사용자의 요청에 따라 사용자에게 제공하도록 구성되어, 사용자가 단말기를 통해 상기 중앙 수확량 모니터링 서버로부터 제공되는 특정 섹터의 위치정보와 온도, 습도, 토양의 주변 환경정보를 확인할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 u-IT 기반의 정밀농업을 위한 농산물 수확량 모니터링 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    온실의 내부와 외부를 촬영하는 CCTV 카메라가 추가되고, 상기 중앙 수확량 모니터링 서버는 상기 CCTV 카메라에 의해 촬영된 영상정보를 유무선 통신망을 통해 전송받아 데이터베이스에 저장하고, 정기적이나 상황발생시 혹은 사용자의 요청에 따라 사용자에게 제공하도록 구성되어, 사용자가 단말기를 통해 상기 중앙 수확 량 모니터링 서버로부터 제공되는 영상정보를 확인할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 u-IT 기반의 정밀농업을 위한 농산물 수확량 모니터링 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단말기는 상기 중앙 수확량 모니터링 서버와의 온라인 접속이 가능한 PDA나 휴대전화기 또는 PC 중 하나인 것을 특징으로 하는 u-IT 기반의 정밀농업을 위한 농산물 수확량 모니터링 시스템.
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