KR101270383B1 - 유비쿼터스 센서 네트워크 기반의 식물 공장 ｌｅｄ 조명 시스템 및 방법 - Google Patents

유비쿼터스 센서 네트워크 기반의 식물 공장 ｌｅｄ 조명 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

유비쿼터스 센서 네트워크를 기반으로 식물 공장의 LED 조명을 제어하는 시스템 및 방법이 개시된다. 유비쿼터스 센서 네트워크를 기반으로 하는 LED(Light Emitting Diode) 조명 시스템은 식물의 조명으로 사용되는 복수개의 LED 전등을 포함하는 LED 전등부; 및 상기 LED 전등부로 상기 LED 전등의 색상 정보를 전송하는 LED 제어기를 포함하고, 상기 LED 전등부는 상기 색상 정보를 기초로 상기 LED 전등의 제어 신호를 생성하여 상기 LED 전등으로 전송함으로써, 상기 제어 신호가 상기 LED 전등에 직렬로 연결되는 LED 전등으로 전송되도록 할 수 있다.

Description

유비쿼터스 센서 네트워크 기반의 식물 공장 ＬＥＤ 조명 시스템 및 방법{UBIQUITOUS SENSOR NETWORK BASED PLANT FACTORY LED LIGHTING SYSTEM AND METHOD}
본 발명의 실시예들은 유비쿼터스 센서 네트워크를 기반으로 식물 공장의 LED 조명을 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
식물공장이란 식물의 생장 환경을 인공적으로 제어하여 공산품처럼 계획생산이 가능한 시스템적인 농업형태이다.
국내외적으로 최근 심각한 기후변화로 인해, 안정적인 식량 확보를 위한 식물공장 도입의 필요성이 크게 증대 되고 있다. 심각한 기후변화는 기온, 강수량, 일사량 등을 변화시켜 기존 노지 재배 방식의 생산성을 약화시키고 있다. 이로 인해, 1년 내내 안정적으로 식물을 재배 할 수 있는 식물공장의 필요성이 주목 받고 있다.
기후변화에 효과적으로 대응하기 위한 목적 이외에, 온실가스 저감 및 수자원 확보 측면에서도 식물공장은 중요한 역할을 한다. 식물 공장에 사용되는 물은 도시 중수로 이용될 수 있고, 식물공장에서 발생하는 수증기는 포집하여 깨끗한 식수로 이용될 수 있다. 또한, 외부 이산화탄소를 포집하여 적극적으로 재활용 함으로써 이산화탄소를 저감시킬 수 있다. 또한, 도시 내 빌딩에도 식물공장을 설치할 수 있으므로 단위 면적당 생산성을 크게 향상 시키며, 유통 비용 절감과 제품 신선도를 유지할 수 있다.
이와 같은 식물공장에 대한 연구는 유럽에서 시작되었으며, 미국을 거쳐 일본에서 가장 활발하게 진행되고 있다. 일본의 큐피(주)는 식물공장 'TS-farm'을 개발하여 비용 경쟁력을 확보하였고, 이를 통해 식물공장 시설을 확대 보급하고 있으며, (주)미라이의 'Green Flavor' 식물공장은 파나소닉의 형광등을 채용하여 경쟁력을 확보하여 도심 곳곳에 점포를 개설하였다. 미쓰비스 케미컬은 LED와 태양전지를 이용한 새로운 조명 시스템을 개발하여 식물 공장 사업에 진출 하였다. 미국의 경우 컬럼비아대 건축학과, 일리노이대 연구팀, 미턴 건축사무소에서 고층 건물 방식을 채택한 수직형 식물공장 개발에 착수하여 풍력 및 태양력 등의 신 재생에너지 사용, 고층의 설계로 재배면적당 수확량을 획기적으로 늘려 야외 농경지보다 10배 정도의 수확량을 가진다. 국내에서는 상용화의 필요성을 인식한 정부가 식물공장 관련 핵심 부품인 IT-LED 개발을 위해 노력 중이고 그 일환으로 신 성장 동력 스마트 프로젝트 사업에 'IT-LED 기반 식물공장을 위한 핵심부품 개발 과제'를 선정하여 추진 중에 있다. 전라북도에서는 LED 기술을 농업, 생물, 식품, 부품소재 분야와 융합해 부가가치를 높이는 차원에서 식물공장 사업을 진행 중이며, 광주시에서는 전략산업인 광산업을 농업에 접목한 그린산업을 미래 전략 산업으로 집중 육성하기로 하였고, 남양주시, 부천시에서는 수직농장 건축을 진행 중이다.
그러나, 이와 같은 식물 공장을 구축하는 데에는 고가의 네트워크 설치, 유지 및 보수 비용이 필요할 뿐 아니라, 식물 재배 면적의 확장에 따른 네트워크의 확장이 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 보다 적은 비용으로 식물 공장 시스템을 설치 및 확장할 수 있고, 보다 높은 에너지 효율을 가지는 식물 공장 시스템이 요구되고 있는 실정이다.
식물 공장 시스템의 설치 및 확장이 보다 경제적이고 용이하며, 네트워크의 성능을 보다 향상시킬 수 있는 LED 조명 시스템 및 방법이 제공된다.
식물의 종류에 따라 광합성 및 생장에 필요한 파장 영역만을 선택적으로 공급함으로써 에너지 절감 및 식물의 색소제어, 항산화 물질의 증강, 병해충 방제 효과를 극대화할 수 있는 LED 조명 시스템 및 방법이 제공된다.
관리자가 시간과 장소의 제약 없이 식물공장의 환경을 관리하고 모니터링 할 수 있는 LED 조명 시스템 및 방법이 제공된다.
유비쿼터스 센서 네트워크를 기반으로 하는 LED(Light Emitting Diode) 조명 시스템은 식물의 조명으로 사용되는 복수개의 LED 전등을 포함하는 LED 전등부 및 상기 LED 전등부로 상기 LED 전등의 색상 정보를 전송하는 LED 제어기를 포함하고, 상기 LED 전등부는 상기 색상 정보를 기초로 상기 LED 전등의 제어 신호를 생성하여 상기 LED 전등으로 전송함으로써, 상기 제어 신호가 상기 LED 전등에 직렬로 연결되는 LED 전등으로 전송되도록 할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 제어 신호는 상기 식물의 종류에 따른 PWM(Pulse Width Modulation) 주기 및 전류값을 기초로 상기 LED 전등의 색상에 따른 밝기값을 제어하는 신호일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 LED 전등부는 각각의 LED 전등에 어드레스를 자동으로 할당하고, 상기 제어 신호를 기초로 상기 할당된 어드레스를 이용하여 해당하는 LED 전등의 색상값 또는 밝기값을 제어할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, CO2, O2, 온도, 습도, 밝기값 및 색상값 중 적어도 하나를 감지하여 상기 식물의 생장에 필요한 환경 정보를 생성하는 환경 계측기, 상기 환경 계측기에서 생성된 상기 환경 정보를 수신하는 게이트웨이 및 상기 게이트웨이로부터 상기 환경 정보를 수신하고, 상기 게이트웨이를 통하여 상기 LED 제어기로 상기 칼라 정보를 전송하는 관리 서버를 더 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, LED 조명 시스템에서 소비되는 전력을 측정하는 전력 미터기를 더 포함하고, 상기 게이트웨이는 상기 측정된 전력에 대한 정보를 수신하여 상기 관리 서버로 전송할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 게이트웨이는 지그비(ZigBee) 무선 통신을 기초로 상기 환경 계측기, 상기 전력 미터기 및 상기 LED 제어기와 통신하고, 인터넷을 통하여 상기 관리 서버와 통신할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제어 신호에 상기 LED 제어기로부터 출력되는 상기 제어 신호를 수신할 LED 전등부를 선택하는 선택 신호를 추가하는 신호 선택기를 더 포함할 수 있다.
유비쿼터스 센서 네트워크를 기반으로 하는 LED(Light Emitting Diode) 조명 시스템을 이용한 LED 조명 방법은 식물의 조명으로 사용되는 복수개의 LED 전등을 포함하는 LED 전등부가 LED 제어기로부터 색상 정보를 수신하는 수신 단계, 상기 색상 정보를 기초로 상기 LED 전등의 제어 신호를 생성하는 생성 단계 및 상기 제어 신호를 상기 LED 전등으로 전송하여 상기 제어 신호가 상기 LED 전등에 직렬로 연결되는 LED 전등으로 전송되도록 하는 전송 단계를 포함할 수 있다.
유비쿼터스 센서 네트워크를 이용하여 식물 공장의 LED 조명 시스템을 구축함으로써 시스템의 설치 및 확장을 보다 용이하고 경제적으로 할 수 있고 네트워크의 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
LED 제어기 및 LED 전등부를 이용하여 식물의 종류에 따라 광합성 및 생장에 필요한 파장 영역만을 선택적으로 공급함으로써 에너지 절감 및 식물의 색소제어, 항산화 물질의 증강, 병해충 방제 효과를 극대화할 수 있다.
게이트웨이를 이용하여 인터넷 망과 지그비(ZigBee) 망을 연결함으로써 관리 서버 및 휴대 단말을 통해 관리자가 시간과 장소의 제약 없이 식물공장의 환경을 관리하고 모니터링 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, LED 조명 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, LED 전등부의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 3(a)는 본 발명의 일실시예에 있어서, LED 제어기의 내부 구성을 도시한 블록도이고, 도 3(b)는 본 발명의 일실시예에 있어서, 전력 미터기의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 4(a)는 본 발명의 일실시예에 있어서, 환경 계측기의 내부 구성을 도시한 블록도이고, 도 4(b)는 본 발명의 일실시예에 있어서, 게이트웨이의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 신호 선택기의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 신호 선택기를 이용하여 하나의 LED 제어기로 복수개의 LED 전등부를 제어하는 구성을 나타내는 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, LED 조명 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 유비쿼터스 센서 네트워크(USN: Ubiquitous Sensor Network)를 기반으로 하는 LED(Light Emitting Diode) 조명 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 도면을 참조하면 LED 조명 시스템은 LED 전등부(110), LED 제어기(120), 게이트웨이(130), 환경 계측기(140), 전력 미터기(150), SMPS(Switching Mode Power Supply)(160), 웹 카메라(170), WiFi AP(Access Point)(180), 휴대 단말(185) 및 관리 서버(190)를 포함할 수 있다.
LED 전등부(110)는 도시된 바와 같이, 식물의 조명으로 사용되는 복수개의 LED 전등을 포함하며, 식물 공장 내에 설치될 수 있다. 각각의 LED 전등은 시리얼 데이터 입출력이 가능하다. 또한, 상기 LED 전등은 복수개의 LED로 구성될 수 있는데, 복수개의 LED는 하나의 채널을 형성할 수 있고, 이러한 채널은 LED 제어기(120)에 의해 제어되는 최소 단위로서 상기 LED 전등 마다 복수개 구비될 수 있다. 일 예로서, 하나의 채널은 적색, 청색 및 녹색의 LED으로 구성될 수 있고, LED 전등부(110)는 이를 이용하여 식물이 필요로 하는 파장을 적절한 비율로 제어할 수 있다.
LED 제어기(120)는 LED 전등부(110)로 상기 LED 전등의 색상 정보를 전송할 수 있다. LED 제어기(120)는 지그비 무선 통신 모듈(ZigBee RCM(Radio Communication Module))을 포함하고, 상기 지그비 무선 통신 모듈을 통하여 인터넷 등의 상위 네트워크로부터 무선으로 전송되는 색상 정보와 제어 정보를 수신한다.
LED 제어기(120)는 수신한 제어 정보를 이용하여 LED 전등부(110)를 제어할 수 있다. 또한, LED 제어기(120)는 수신한 색상 정보를 LED 전등부(110)로 전송하고, 상기 LED 전등부(110)는 수신한 색상 정보를 기초로 LED 전등의 제어 신호를 생성하여 상기 LED 전등으로 전송한다. 이 때, 상기 제어 신호는 식물의 종류에 따른 PWM(Pulse Width Modulation) 주기 및 전류값을 포함하여 이를 기초로 LED 전등의 색상에 따른 밝기값을 제어할 수 있다.
제어 신호를 수신한 LED전등은 상기 LED 전등에 직렬로 연결되는 LED 전등으로 상기 제어 신호를 전송한다. 즉, 제어 신호를 수신한 LED 전등의 출력 신호는 직렬로 연결된 다음 LED 전등의 입력 신호가 된다. 이렇게 반복적으로 직렬로 LED 전등을 연결함으로써 하나의 LED제어기(120)로 여러개의 LED 전등을 제어할 수 있다.
게이트웨이(130)는 지그비(ZigBee) 무선 통신 기능을 이용하여 LED 제어기(120), 환경 계측기(140) 및 전력 미터기(150)와 통신하고, TCP/IP 통신 기능을 이용하여 휴대 단말(185), 관리 서버(190) 등과 통신함으로써 지그비 네트워크와 인터넷의 인터페이스 역할을 할 수 있다.
환경 계측기(140)는 CO2, O2, 온도, 습도, 밝기값, 색상값 등을 감지함으로써 식물의 생장에 필요한 환경 정보를 생성한다. 상기 환경 정보는 관리자가 설정한 리포팅 주기로 지그비 무선 통신을 통하여 게이트웨이(130)로 전송될 수 있다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 하나의 환경 계측기(140)만이 도시되어 있지만, 상기 환경 계측기(140)는 당업자의 요구에 따라 복수개가 원하는 위치에 설치될 수 있다.
전력 미터기(150)는 전류 측정을 위한 CT 센서와 전압 분배회로를 포함하고, SMPS(Switched-Mode Power Supply)(160)를 통하여 LED 전등부(110)에 인가되는 전류를 측정함으로써 LED 조명 시스템에서 소비되는 전력을 측정할 수 있다. 소비되는 전력에 대한 정보는 관리자가 설정한 리포팅 주기로 지그비 무선 통신을 통하여 게이트웨이(130)로 전송될 수 있다.
웹 카메라(170)는 관리자가 식물의 발육 상태를 관찰하기 위한 것으로, 관리자는 식물 공장에 설치된 WiFi-AP(180)을 통하여 스마트 폰 등과 같은 휴대 단말(185)를 이용하여 복수개의 웹 카메라(170)에서 촬영된 식물의 발육 상태를 외부에서도 관찰할 수 있고, LED 제어기(130)를 제어 할 수 있다. 관리 서버(190)는 식물 공장 내에 설치된 게이트웨이(130)로부터 주기적 또는 관리자 요구에 따라 환경정보를 수신한다. 관리 서버(190)와 게이트웨이(130)는 동기화된 데이터를 송수신 할 수 있으며, 관리 서버(190)는 말단 노드로부터 받은 데이터를 파일화하여 일별로 관리할 수 있다. 상기 관리 서버(190)는 필요에 따라 인터넷과 연결된 데이터 관리 서버와 로컬에서 관리자가 직접 모니터링 및 제어할 수 있는 관리 서버로 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, LED 전등부의 내부 구성을 도시한 블록도이다. 이하, 도 2를 참조하여 LED 전등부를 보다 상세히 설명한다.
LED 전등부는 LED 전등(210) 및 LED 드라이버(220)를 포함한다. LED 전등(210)은 복수개의 LED를 포함할 수 있는데, 식물 생장에 효과적인 적색, 청색, 녹색의 LED로 구성될 수 있다. 각각의 LED 전등은 도면 부호 215에 도시된 바와 같이, 입력 전압에 따라 복수개의 LED가 직렬로 다수 연결됨으로써 채널을 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 채널은 앞서 언급한 바와 같이 LED제어기에 의해 제어되는 최소 단위가 된다.
LED 전등(210)의 출력은 그 다음 연결되는 LED 전등의 입력이 되는 구조로, 직렬로 다수의 LED 전등이 연결될 수 있다. 이렇게 직렬로 연결되는 구조는 하나의 제어기로 다수의 LED 전등을 제어 할 수 있게 되므로 매우 경제적이다.
LED의 형태는 다양할 수 있으나 식물공장 특성상 수경재배 작물의 경우 막대형으로 긴 수로 형태로 길게 나열 되므로, 형광등 형태로 구성될 수 있다. 또한, LED는 특성상 발광 시 많은 열을 발생하므로, 방열할 수 있는 알루미늄 방열부를 포함할 수 있다.
한편, LED 드라이버(220)에는 네트워크 제어 모듈(221), 중앙 제어 모듈(222), PWM 모듈(223), 정전류 제어 모듈(224), 정전류 구동 모듈(225), LED 검출 모듈(226) 및 전원 공급 모듈(227)이 포함될 수 있다.
네트워크 제어 모듈(221)은 관리 서버 또는 LED 제어기로부터 색상 정보를 수신하고, 상기 색상 정보를 중앙 제어 모듈(222)로 전송함으로써 해당하는 LED 전등으로 전송되도록 한다. 상기 색상 정보는 제어하고자 하는 각각의 LED의 색상에 대한 밝기값을 포함할 수 있다. 또한, 상기 네트워크 제어 모듈(221)은 자동 어드레싱 기능이 있어 LED 제어기로부터 수신한 자동 어드레스 설정 명령에 의해 자동으로 어드레스를 할당한다. 이렇게 할당된 어드레스를 바탕으로 LED 제어기는 원하는 LED의 위치에 원하는 색상값을 설정할 수 있게 된다. 상기 어드레스는 LED제어기에 연결된 순서에 따라 순차적으로 할당될 수 있다.
중앙 제어 모듈(222)은 LED 전등부의 전반적인 동작을 제어하는 것으로서, 상기 네트워크 제어 모듈(221)을 통하여 수신한 상기 색상 정보를 기초로 LED 전등의 색상값 밝기값 등을 제어하는 제어 신호를 생성한다.
LED의 제어 방법에 있어 광량은 PWM과 디지털 볼륨에 의한 전류 조정으로 가능하며, PWM 펄스 주기 역시 설정 가능하다. LED 전등(210)에 입력되는 제어 신호는 비동기식인 경우 1라인, 동기식인 경우는 2라인으로 구성되며 데이터와 클럭으로 구성될 수 있다. 동기식은 비동기식보다 빠른 속도로 데이터를 전송 할 수 있다. 따라서, 전원과 그라운드를 포함하여 LED 전등에 연결되는 케이블은 입력과 출력이 각각 4라인으로 구성될 수 있으므로 연결이 매우 간편하다.
PWM 모듈(223)은 중앙 제어 모듈(222)로부터 수신한 제어 신호에 포함된 색상 정보를 기초로 자체적으로 PWM 기능을 수행한다. 따라서, 복수개의 LED 전등이 직렬로 연결되는 경우, 앞단에서 제어하는 LED 제어기의 부담이 최소화될 수 있다.
정전류 제어 모듈(224)은 정전류 구동 모듈(225)을 제어함으로써 전자 볼륨에 설정된 값에 따라 동일한 전류값을 유지하도록 한다.
한편, LED 검출 모듈(226)은 LED 불량 시 LED 상태를 감지할 수 있는 기능을 포함함으로써, LED의 불량 발생 시 이를 신속히 검출하여 LED 불량 정보를 생성하고 이를 중앙 제어 모듈(222)로 전송할 수 있다.
전원 공급 모듈(227)은 입력된 전압을 감압하여 LED 드라이브(220)에 공급하는 역할을 수행한다.
도 3(a)는 본 발명의 일실시예에 있어서, LED 제어기의 내부 구성을 도시한 블록도이고, 도 3(b)는 본 발명의 일실시예에 있어서, 전력 미터기의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
먼저, LED 제어기(300)는 LED 제어 모듈(301), RTC(Real Time Clock) (302), 저장 모듈(303), 온도 센서(304), 유선 통신 모듈(305) 및 지그비 무선 통신 모듈(ZigBee RCM)(306)을 포함할 수 있다.
LED 제어 모듈(301)은 LED 전등을 제어하기 위한 기능으로, 소프트웨어 드라이버와 하드웨어 인터페이스를 포함한다. 하드웨어 인터페이스는 RS485, CMOS, TTL, LVCMOS, LVTTL, ECL 등의 다양한 인터페이스를 사용할 수 있으나, 전송거리 제약을 감안하여 RS485로 구성할 수 있다. 상기 LED 제어기 모듈(301)은 LED 밝기, PWM 주기, LED 구동 전류 등을 설정할 수 있다.
RTC(302)는 LED 전등의 on/off 시간을 LED 제어기 단위로 설정할 경우 사용할 수 있다.
저장 모듈(303)은 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)과 같은 비휘발성 메모리를 구현될 수 있다. 상기 저장 모듈(303)은 색상 정보, LED 전등 on/off 시간, 리포팅 주기 등과 같은 보드 설정값을 저장할 수 있으며, 전원 인가시나 설정 변경 시 로드될 수 있다. 또한, 상기 저장 모듈(303)에는 색상 정보와 함께 PWM 주파수, 전류 설정 등이 저장될 수 있다.
온도 센서(304)는 관리자가 설정한 시간 주기로 상위 네트워크단에 보고하는 역할을 수행하는 것으로서, 관리자의 설정값을 벗어나는 이상 온도 발생 시 LED 제어기(300)는 게이트웨이(130)를 통하여 관리 서버로 메시지를 전송하고, 이렇게 보고된 알람 메시지는 관리 서버에 의해 관리자의 휴대 단말로 SMS, MMS등을 통하여 전송 될 수 있다. 또한, LED 제어기(300)에는 필요에 따라 온도 센서 이외에 습도 센서, O2 센서, CO2 센서, 밝기값 센서, 색상값 센서 등이 포함될 수 있다.
유선 통신 모듈(305)은 유선으로 보드 설정값을 모니터링하고 변경하는데 사용되는 것으로서, RS232 통신 포트 등으로 구현될 수 있다.
지그비 무선 통신 모듈(306)은 LED 제어기(300)가 LED 전등부 및 게이트웨이와 지그비 무선 통신을 수행하는데 사용될 수 있다.
LED 제어기(300)는 무선 통신 기능과 LED 제어 기능을 포함할 수 있다. 그러나 LED 제어 포트가 추가되어 늘어날 경우 LED 제어 기능을 분리하여 MCU(Micro Controller Unit)로 구현할 수 있다. 상기 LED 제어기(310)는 ZR(ZigBee Router)로 구현할 수 있지만, ZED(ZigBee End Device)로도 구현할 수 있다.
한편, 전력 미터기(350)는 전력 측정 모듈(351), 저장 모듈(352), 온도 센서(353), 유선 통신 모듈(354) 및 지그비 무선 통신 모듈(355)를 포함할 수 있다.
전력 측정 모듈(351)은 식물 공장 시스템에서 소비 되는 전력을 측정하는 기능을 수행한다. 전력 미터기(350)는 측정하고자 하는 부하 인입선에 위치하여 전압과 전류를 측정함으로써 순시 전력값을 계산하고, 관리자가 설정한 리포팅 주기로 상위 네트워크단에 보고할 수 있다. 상위 네트워크인 관리 서버 또는 휴대 단말 등에서는 일간, 주간, 월별, 년간 등 소정 주기 간격으로 소비 전력을 확인할 수 있다.
저장 모듈(352)은 상술한 LED 제어기(300)의 저장 모듈(303)과 같이 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)과 같은 비휘발성 메모리를 구현되어, 리포팅 주기 등과 같은 보드 설정값을 저장할 수 있다.
온도 센서(353)는 관리자의 설정값을 벗어난 이상 온도 발생 시 관리자가 설정한 시간 주기로 상위 네트워크단에 보고하는 역할을 수행하는 것으로서, 필요에 따라 온도 센서 이외에 습도 센서, O2 센서, CO2 센서, 밝기값 센서, 색상값 센서 등이 포함될 수 있다.
유선 통신 모듈(354)은 유선으로 보드 설정값을 모니터링하고 변경하는데 사용되는 것으로서, RS232 통신 포트 등으로 구현될 수 있고, 지그비 무선 통신 모듈(355)은 게이트웨이와 지그비 무선 통신을 수행하는데 사용될 수 있다.
도 4(a)는 본 발명의 일실시예에 있어서, 환경 계측기의 내부 구성을 도시한 블록도이고, 도 4(b)는 본 발명의 일실시예에 있어서, 게이트웨이의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
환경 계측기(400)는 습도 센싱 모듈(401), 온도 센싱 모듈(402), CO2 센싱 모듈(403), O2 센싱 모듈(404), 색상값 센싱 모듈(405), 밝기값 센싱 모듈(406), 저장 모듈(407), 유선 통신 모듈(408) 및 지그비 무선 통신 모듈(409)을 포함할 수 있다.
식물공장 시스템에서 재배 환경을 측정하는 것은 매우 중요한 것으로서, 상기 환경 계측기(400)는 식물 생장에 필요한 환경 변수를 측정하기 위하여 각각의 센싱 모듈(401~406)을 이용하여 온도, 습도, CO2, O2, 색상값, 밝기값 등을 측정할 수 있다.
환경 계측기(400) 또한 관리자가 설정된 리포팅 주기로 측정된 환경 정보를 관리 서버, 휴대 단말 등으로 전송할 수 있으며, 상기 리포팅 주기는 EEPROM 등으로 구현되는 저장 모듈(407)에 저장될 수 있다. 상기 환경 정보는 관리 서버에 데이터베이스화 되어, 향후 식물 성장분석, 공장 환경 관리 자료 등으로 이용될 수 있다.
유선 통신 모듈(408)은 유선으로 보드 설정값을 모니터링하고 변경하는데 사용되는 것으로서, RS232 통신 포트 등으로 구현될 수 있고, 지그비 무선 통신 모듈(409)은 게이트웨이와 지그비 무선 통신을 수행하는데 사용될 수 있다.
한편, 환경 계측기(400)는 관리자가 계측하고자 하는 관측 포인트에 자유롭게 부착 및 이동이 가능 하도록 하는 것이 편리하므로, 전원으로 배터리를 사용할 수 있는 구조일 수 있으며, 전원의 효율성을 위해 ZED(ZigBee End Device)로서 Sleepy device로 구현할 수 있다. 그러나, 상시 전원이 가능한 위치에서는 다른 기기들에 대한 메쉬 네트워크 구조의 라우터 기능을 수행할 수 있는 ZR(ZigBee Router)로도 구현이 가능하다. 상기 환경 계측기(400)는 USN 사용 주파수인 2.4GHz의 무선으로 식물 공장 내외에 삼차원적으로 설치가 가능하다.
게이트웨이(450)는 이더넷 모듈(451), 저장 모듈(452), 표시 모듈(453), 입력 모듈(454), 유선 통신 모듈(455) 및 지그비 무선 통신 모듈(456)을 포함할 수 있다.
지그비 상위 네트워크는 인터넷 환경이 구축된 곳이라면 어디라도 식물공장을 관찰하고 제어하기 위하여 기존 인프라를 사용할 수 있는 인터넷을 사용하는 것이 매우 효율적이기 때문에, 지그비에서 이더넷으로 브릿지 역할을 수행하고 양방향 통신을 수행하는 게이트웨이(450)를 포함할 수 있다.
이더넷 모듈(451)은 지그비 무선 통신과 이더넷 무선 통신 간의 브릿지 역할을 수행한다.
저장 모듈(452)은 EEPROM과 같은 비휘발성 메모리를 구현되어, 관리자의 보드 설정값 등이 저장될 수 있다. 이 설정값은 인터넷에 연결된 관리 서버와 휴대 단말 등과 연동될 수 있다.
게이트웨이(450)는 표시 모듈(453) 및 입력 모듈(454)을 포함하여, 관리자에게 각각의 환경 계측기(400)에서 측정된 환경 정보 또는 전력 미터기(350)에서 측정된 전력값을 표시하고, 관리자로부터 설정값을 입력 받을 수 있다. 일 예로, 상기 표시 모듈(453) 및 입력 모듈(455)은 터치 패널이 구비되는 LCD 등으로 구현되어, 관리자가 상기 LCD를 통하여 각각의 LED의 상태, 환경 정보, 전력값 등을 확인하고, 상기 LCD의 터치 스크린을 통하여 로컬에서 직접 색상값, LED on/off 시간, 리포팅 주기 설정 등을 제어할 수 있다.
유선 통신 모듈(455)은 유선으로 보드 설정값을 모니터링하고 변경하는데 사용되는 것으로서, RS232 통신 포트 등으로 구현될 수 있고, 지그비 무선 통신 모듈(456)은 LED 제어기(300), 전력 미터기(350), 환경 계측기(400) 등과 무선 통신을 수행하는데 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 신호 선택기의 내부 구성을 도시한 블록도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 신호 선택기를 이용하여 하나의 LED 제어기로 복수개의 LED 전등부를 제어하는 구성을 나타내는 예시도이다.
먼저, 도 5를 살펴보면, 신호 선택기(500)는 하나의 LED 제어기로 다수의 LED 전등부를 제어하기 위한 것으로, 식물 공장에서 필요한 LED 제어기의 수를 줄임으로써 경제성을 높일 수 있다.
신호 선택기(500)는 2n 디코더(decoder)를 포함하여, 데이터(DATA), 클럭(CLOCK)으로 통신하는 기본구조에서 제어하고자 하는 라인을 선택할 수 있는 선택신호(SELECT)를 추가함으로써 하나의 LED 제어기로 제어 가능한 LED 전등부를 2n 만큼 확장할 수 있다. 예를 들어, 도 6과 같이 LED제어기(300)에서 출력되는 제어 신호를 신호 선택기(500)가 3개의 선택신호를 추가함으로써 8개의 LED 전등부(200)를 제어할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, LED 조명 방법을 나타내는 흐름도이다. 이하 도면을 참조하여 LED 조명 시스템이 LED 조명을 제어하는 방법에 대해서 설명한다.
먼저, 관리자는 상기 관리 서버, 휴대 단말 등을 통하여 전력값, 환경 정보, LED 상태 등을 수신하고, 제어하고자 하는 LED의 색상 정보를 관리 서버 또는 휴대 단말 등을 이용하여 인터넷을 통하여 게이트웨이로 전송하면 LED 제어기는 관리 서버, 휴대 단말 등으로부터 전송된 색상 정보를 게이트웨이를 통하여 수신한다(S710). 이때, 관리자는 게이트웨이에 구비된 표시 모듈, 입력 모듈 등을 이용하여 현장에서 직접 상기 LED를 제어할 수도 있다.
LED 제어기로부터 출력되는 색상 정보는 신호 선택기를 통하여 해당하는 LED 전등부로 전송될 수 있고, 이후, 해당하는 LED 전등부는 LED 제어기로부터 색상 정보를 수신한다(S720). 상기 LED 전등부는 수신한 색상 정보를 기초로 PWM 주기, 전류값 등을 이용하여 제어 신호를 생성하고(S730), 상기 제어 신호를 해당하는 LED 전등으로 전송한다(S740).
이후, 제어 신호를 수신한 상기 LED 전등은 상기 LED 전등에 직렬로 연결된 LED 전등으로 제어 신호를 전송한다(S750). 따라서, 제어 신호를 수신한 LED 전등의 출력 신호는 직렬로 연결된 다음 LED 전등의 입력 신호가 되기 때문에 LED 제어기의 부담을 최소화할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 LED 조명 시스템 및 방법을 통하여 식물 공장의 네트워크 성능을 개선할 수 있으며, 유/무선 네트워크의 설치 및 확장을 보다 용이하게 할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: LED 전등부
120: LED 제어기
130: 게이트웨이
140: 환경 계측기
150: 전력 미터기
160: SMPS
170: 웹 카메라
180: WiFi AP
185: 휴대 단말
190: 관리 서버

Claims (14)

  1. 유비쿼터스 센서 네트워크를 기반으로 하는 LED(Light Emitting Diode) 조명 시스템에 있어서,
    식물의 조명으로 사용되는 복수개의 LED 전등을 포함하는 복수개의 LED 전등부;
    상기 LED 전등부로 상기 LED 전등의 색상 정보를 전송하는 LED 제어기;
    상기 복수개의 LED 전등부 중 상기 색상 정보를 수신할 LED 전등부를 선택하는 신호 선택기;
    CO2, O2, 온도, 습도, 밝기값 및 색상값 중 적어도 하나를 감지하여 상기 식물의 생장에 필요한 환경 정보를 생성하는 환경 계측기;
    LED 조명 시스템에서 소비되는 전력을 측정하는 전력 미터기;
    상기 환경 계측기에서 생성된 상기 환경 정보와 상기 전력 미터기에서 측정된 전력에 대한 정보를 수신하는 게이트웨이; 및
    상기 게이트웨이로부터 상기 환경 정보 및 상기 측정된 전력에 대한 정보를 수신하고, 상기 게이트웨이를 통하여 상기 LED 제어기로 상기 색상 정보를 전송하는 관리 서버
    를 포함하고,
    상기 복수개의 LED 전등부는,
    관리 서버, 휴대 단말 또는 상기 LED 제어기로부터 상기 색상 정보를 수신하는 네트워크 제어 모듈;
    상기 색상 정보를 기초로 상기 식물의 종류에 따라 펄스폭과 펄스 주기를 다르게 조정하는 PWM 모듈;
    디지털 볼륨에 설정된 값에 따라 전류값을 제어하는 정전류 제어 모듈;
    상기 펄스폭, 펄스 주기 및 전류값을 기초로 상기 LED 전등의 색상에 따른 밝기값을 제어하는 제어 신호를 생성하는 중앙 제어 모듈; 및
    상기 LED 전등에 포함된 LED의 상태를 감지하는 LED 검출 모듈
    을 각각 포함하고, 각각의 LED 전등에 어드레스를 자동으로 할당하고, 상기 제어 신호를 기초로 상기 할당된 어드레스를 이용하여 해당하는 LED 전등의 색상값 또는 밝기값을 제어하며,
    상기 LED 제어기는,
    LED 밝기, PWM(Pulse Width Modulation) 주기 및 LED 구동 전류를 설정하여 상기 복수개의 LED 전등을 제어하는 LED 제어 모듈;
    상기 복수개의 LED 전등의 온/오프 시간을 설정하는 RTC;
    상기 색상 정보, PWM 주파수 및 전류 설정을 저장하는 저장 모듈;
    관리자의 설정값을 벗어나는 이상 온도 발생 시 상기 관리 서버로 메시지를 전송하는 온도 센서;
    유선으로 보드 설정값을 모니터링하고 변경하는 유선 통신 모듈; 및
    상기 LED 전등부 및 게이트웨이와 지그비 무선 통신을 수행하는 지그비 무선 통신 모듈
    을 포함하고,
    상기 생성된 제어 신호는,
    해당하는 LED 전등으로 전송되고,
    상기 제어 신호를 수신한 LED 전등의 출력 신호는,
    상기 제어 신호를 수신한 LED 전등에 직렬로 연결된 다음 LED 전등의 입력 신호가 됨으로써 하나의 LED 제어기로 다수의 LED 전등을 제어하는 LED 조명 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 게이트웨이는,
    지그비(ZigBee) 무선 통신을 기초로 상기 환경 계측기, 상기 전력 미터기 및 상기 LED 제어기와 통신하고, 인터넷을 통하여 상기 관리 서버와 통신하는, LED 조명 시스템.
  7. 삭제
  8. 유비쿼터스 센서 네트워크를 기반으로 하는 LED(Light Emitting Diode) 조명 시스템을 이용한 LED 조명 방법에 있어서,
    식물의 조명으로 사용되는 복수개의 LED 전등을 포함하는 LED 전등부가 관리 서버, 휴대 단말 또는 LED 제어기로부터 색상 정보를 수신하는 단계;
    상기 색상 정보를 기초로 상기 식물의 종류에 따라 펄스폭과 펄스 주기를 다르게 조정하고 디지털 볼륨에 설정된 값에 따라 전류값을 제어하는 단계;
    상기 펄스폭, 펄스 주기 및 전류값을 기초로 상기 LED 전등의 색상에 따른 밝기값을 제어하는 제어 신호를 생성하는 생성 단계; 및
    상기 생성한 제어 신호를 해당하는 LED 전등으로 전송하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제어 신호를 수신한 LED 전등의 출력 신호는,
    상기 제어 신호를 수신한 LED 전등에 직렬로 연결된 다음 LED 전등의 입력 신호가 되며,
    상기 색상 정보는,
    복수개의 상기 LED 전등부 중 상기 색상 정보를 수집할 LED 전등부를 선택하는 신호 선택기에 의해 상기 LED 전등부로 전송되며,
    상기 관리 서버는,
    게이트웨이를 통하여 환경 계측기에서 감지된 상기 식물의 생장에 필요한 환경 정보와 상기 LED 조명 시스템에서 소비되는 전력에 대한 정보를 수신하고,
    상기 LED 전등부는,
    상기 LED 전등에 포함된 LED의 상태를 감지하고, 각각의 LED 전등에 어드레스를 자동으로 할당하고, 상기 제어 신호를 기초로 상기 할당된 어드레스를 이용하여 해당하는 LED 전등의 색상값 또는 밝기값을 제어하고,
    상기 LED 제어기는,
    LED 밝기, PWM(Pulse Width Modulation) 주기 및 LED 구동 전류를 설정하여 상기 복수개의 LED 전등을 제어하고, 상기 복수개의 LED 전등의 온/오프 시간을 설정하고, 상기 색상 정보, PWM 주파수 및 전류 설정을 저장하고, 관리자의 설정값을 벗어나는 이상 온도 발생 시 상기 관리 서버로 메시지를 전송하고, 유선으로 보드 설정값을 모니터링하고 변경하고, 상기 LED 전등부 및 게이트웨이와 지그비 무선 통신을 수행하고, 상기 게이트웨이를 통하여 상기 관리 서버로부터 상기 색상 정보를 수신하는 LED 조명 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제8항에 있어서,
    상기 게이트웨이는,
    지그비(ZigBee) 무선 통신을 기초로 상기 환경 계측기, 상기 전력 미터기 및 상기 LED 제어기와 통신하고, 인터넷을 통하여 상기 관리 서버와 통신하는, LED 조명 방법.
  14. 삭제
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