KR101368781B1

KR101368781B1 - 온실 최적 조명시스템

Info

Publication number: KR101368781B1
Application number: KR1020120029967A
Authority: KR
Inventors: 허치영; 서영광; 전석민
Original assignee: 주식회사 텔레웍스
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2014-03-03
Also published as: KR20130130202A

Abstract

본 발명은 온실에서의 농작물 재배에 있어서 자연 광원 이외에 인공 광원을 통해 작물의 성장 촉진 및 질적 향상을 도모하기 위한 조명시스템과 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인공 광원을 통해 최적의 광량을 제공할 수 있도록 이를 조절함으로써 최적의 온실환경을 조성하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 온실에 LED 인공 광원을 활용함에 있어서, 보다 효율적으로 생장을 촉진할 수 있게 되는 효과가 있다. 또한 본 발명은 LED 인공 광원의 디밍제어가 가능하도록 하고, 조도센서에 의해 광량을 파악할 수 있도록 하여, 농작물에 필요한 정확한 광량을 산출하고, 이에 적합한 광원의 종류, 휘도 및 조사 시간을 결정할 수 있게 하는 효과가 있다. 또한 본 발명은 LED 인공 광원의 디밍제어를 통해, 전기 사용량을 감소시켜 에너지를 절약할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.

Description

온실 최적 조명시스템{System for lightning environment of greenhouse}

본 발명은 온실에서의 농작물 재배에 있어서 자연 광원 이외에 인공 광원을 통해 작물의 성장 촉진 및 질적 향상을 도모하기 위한 조명시스템과 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인공 광원을 통해 최적의 광량을 제공할 수 있도록 이를 조절함으로써 최적의 온실환경을 조성하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 수확량을 늘리고, 제철이 아닌 작물을 재배하고, 양질의 작물을 얻기 위해 온실을 이용한다. 현재 이러한 온실은 최근 급속도로 발전하고 있는 인터넷, 근거리 무선통신 기술 및 다양한 온실의 생장환경을 측정할 수 있는 센싱 기술들을 적용한 원격 모니터링, 환경을 관리할 수 있는 온실 모니터링 및 관리 시스템들이 적용되고 있는 추세이다.

이러한 통상적인 온실 모니터링 및 관리 시스템들은 온실 내에서 생장환경을 측정하는 센서모듈들간에는 근거리 무선통신을 적용하고, 원격지의 관리자와는 근거리통신망선 또는 전화선을 통한 유선 인터넷망을 통해 연결된다.

이러한 온실 관리 시스템에서의 주요 부분 중 하나가, 인공 광원의 제공이다. 인공 광원과 관련하여, 식물 재배에 있어서 특정대역의 광파장이 영향을 미치게 되는데, 예를 들어 청색광의 경우는 줄기와 뿌리를 생장시켜 굵게 하며 특히 뿌리를 굵게 하고 측근을 늘리는 효과가 있고, 적색광은 잎과 줄기의 생장을 촉진해 엽록소를 만들고 광합성에 작용하며, 황색이나 원적외색의 경우는 병충에 효과가 있다고 알려져 있다. 종래에는 부족한 광량을 보충하거나 개화조절, 착색 등을 위한 적당한 생육조건을 제공하기 위해 백열등, 형광등, 나트륨등 등을 이용하였으나 이러한 조명기구는 가시광선 이외의 적외선, 자외선 등 모든 파장 대역의 광이 섞여 있으며 특정대역의 파장이 필요한 경우 불필요한 파장까지 같이 조사하게 된다.

그런데 LED의 경우 적색, 청색, 녹색, 황색, 원적외색 등 필요한 파장만을 방사하는 모듈을 사용하므로 이를 이용한 광환경 요건을 제공하는 방법이 연구, 개발되고 있는 실정이다.

지금까지의 LED 활용에 따르면, 이를 단순히 온오프(ON/OFF) 제어하는 수준에 지나지 않아, 농작물에 과도하거나 또는 부족한 광량을 제공하게 되는 문제점이 있다. 이는 불필요한 에너지 소모로도 이어지는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 온실에 LED 인공 광원을 활용함에 있어서, 보다 효율적으로 생장을 촉진하기 위한 조명시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 LED 인공 광원의 디밍제어가 가능하도록 하고, 조도센서에 의해 광량을 파악할 수 있도록 하여, 농작물에 필요한 정확한 광량을 산출하고, 이에 적합한 광원의 종류, 휘도 및 조사 시간을 결정할 수 있는 조명시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 LED 인공 광원의 디밍제어를 통해, 전기 사용량을 감소시켜 에너지를 절약할 수 있는 조명시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 온실 내의 광환경 데이터를 감지하는 광환경 센서부; 상기 광환경 센서부에서 검출된 광환경 데이터를 저장하는 검출데이터 저장부; 상기 검출데이터와 설정데이터를 비교하여 필요한 광환경에 따른 제어를 하는 제어부; 및 상기 제어부의 제어에 따라 동작되며, 온실 내에 필요 광환경에 따른 빛을 조사하는 LED조명장치;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 온실 최적 조명시스템을 제공한다.

상기 광환경 센서부는 조도센서를 포함하고, 상기 검출데이터는 조도데이터를 포함하고, 상기 제어부는 상기 조도데이터에 따른 조사 광량을 상기 설정데이터와 비교하는 것을 특징으로 한다.

상기 LED조명장치는: LED소자를 포함하여 구성되는 LED발광부; 및 상기 LED발광부의 파장별 LED소자를 선택하여 제어하는 LED제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 LED발광부는 디밍제어에 따라 휘도가 조절되는 것을 특징으로 한다.

펄스폭변조부를 더 포함하여 구성되고, 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 펄스폭변조부에서 펄스폭변조방식으로 상기 LED발광부의 휘도를 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한, 온실 내의 광환경에 따른 조명시스템 제어방법에 있어서, 1) 광환경 센서부에서 온실 내의 광환경 계측정보를 실시간으로 수집하는 단계; 2) 상기 광환경 센서부에서 계측된 검출데이터를 검출데이터 저장부에 저장하는 단계; 3) 제어부에서 기 설정되어 있던 설정데이터와 상기 검출데이터를 비교하는 단계; 및 4) 비교에 따라 필요한 광량이 있는 경우에 조명장치를 온/오프제어하고, 휘도를 디밍제어하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 온실 최적 조명시스템의 제어방법을 제공한다.

상기 제어부의 제어에 따라, 펄스폭변조부에서 펄스폭변조방식에 의해 상기 조명장치를 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 온실에 LED 인공 광원을 활용함에 있어서, 보다 효율적으로 생장을 촉진할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한 본 발명은 LED 인공 광원의 디밍제어가 가능하도록 하고, 조도센서에 의해 광량을 파악할 수 있도록 하여, 농작물에 필요한 정확한 광량을 산출하고, 이에 적합한 광원의 종류, 휘도 및 조사 시간을 결정할 수 있게 하는 효과가 있다.

또한 본 발명은 LED 인공 광원의 디밍제어를 통해, 전기 사용량을 감소시켜 에너지를 절약할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 온실 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 온실 관리시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 온실 최적 조명시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 온실 최적 조명시스템의 제어방법을 순서도로 나타내는 도면이다.

이하 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 실시예를 참조하여, 본 발명의 구성을 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 온실 구조를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 온실(1) 내에는 인공 광원으로 LED조명장치(10)가 구비되고, 일측에는 조도센서(20)가 구비되는데, 이는 온실 제어장치(100)의 제어에 따라 동작 및 검출 작업을 하게 된다. 조도를 측정하는 조도센서(20)를 통해 어느 정도의 광량이 유입되는지를 검출하게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 온실 관리시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 온실 제어장치(100)는 온실 내에 설치되는 각종 조명장치, 온도센서, 습도센서, 조도센서, 이산화탄소센서, 일사량센서, pH센서 등과 온실 모니터링 게이트웨이(110)를 통해 연결되며, 아울러 온실 외부에 설치되는 적어도 하나 이상의 온실 외부 기상 계측부(200)와도 연결되어 있다.

온실 외부 기상계측부(200)는 온실 외부의 실외 기상 환경 상태를 측정하고, 측정된 실외 기상환경정보를 온실 모니터링 게이트웨이(110)로 송신한다. 상기 실외 기상환경정보는 온실 외부의 온도, 습도, 풍속, 광량, 조도 및 일조량 등을 말하며, 상기 실외 기상상태정보는 상기 온도, 습도, 풍속, 광량, 조도 및 일조량 정보 등을 포함한다.

온실 내부는 생장환경을 다양하게 측정, 검출하게 되는데, 온실 생장환경이란, 온실 내부의 대기환경, 관원환경, 근권환경 등을 포함한다. 상기 대기환경 정보로는 온실 내부의 온도, 습도, 이산화탄소 농도 정보 등이 될 수 있고, 관원환경 정보로는 광량, 조도, 일사량 정보 등이 될 수 있으며, 근권환경 정보로는 토양온도, 토양습도, 수소이온농도(PH), 전기전도도(EC) 정보 등이 될 수 있을 것이다.

온실 모니터링 게이트웨이(110)는 상기 온실 외부 기상계측부(200) 및 온실 내부의 각종 계측, 검출 센서로부터 측정된 온실 외부기상정보 및 온실 생장환경정보를 수집하고, 수집된 외부기상정보를 고려하여 상기 온실에서 재배되고 있는 재배 작물에 대해 미리 설정된 날짜별 및 시간별 정의되는 기준 생장환경 정보와 상기 온실 생장환경정보를 비교하여 측정되는 온실 생장환경에 차이가 발생하면 생장 환경조성기능을 가지는 각종 장치를 통해 상기 온실의 생장 환경조절 정보를 송신하여 온실의 생장 환경을 조절시킨다.

본 발명은 이러한 여러가지 생장 환경 중에, 광량과 관련된 조명장치의 제어를 주로 제안한다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 온실 최적 조명시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명은 LED조명장치(10), 광환경 센서부, 온실 제어장치(100)를 포함하고, LED조명장치(10)는 LED발광부(12) 및 LED제어부(14)를 포함하여 구성된다. 광환경 센서부는 조도센서(20)를 구비하여, 온실 내부의 조도를 측정하여, 조도데이터를 제어장치(100)의 검출 데이터저장부(130)로 송신한다.

제어장치(100)는 제어부(120), 검출 데이터저장부(130) 및 펄스폭 변조부(140)를 포함하여 구성된다. 제어부(120)는 검출 데이터저장부(130)에 저장된 조도 데이터와, 기 설정된 기준 조도데이터 값을 비교하여, 추가적인 인공 조명이 필요한지, 어느 정도 필요한지를 측정, 연산하게 된다. 이에 따라 제어부(120)는 LED조명장치(10)의 LED발광부(12)를 온 또는 오프할 스케줄을 정하게 되고, 이에 따라 동작시키게 된다. 이 때 LED발광부(12)는 동일한 출력을 갖도록 온, 오프되는 것이 아니라, 필요한 광량에 적합한 값을 갖도록 휘도를 조절하는 즉, 디밍(Dimming) 제어를 하게 된다.

이 때 제어장치(100)의 펄스폭변조부(140)는 LED발광부(12)의 휘도를 조절하기 위한 것으로서, 종래와 같이 전압, 전류 제어방식이 아닌, 발광다이오드로 인가되는 신호를 일정 주파수의 구형파로 입력하며, 이 구형파 펄스의 듀티비(Duty ratio)를 조절함으로써 발광다이오드의 휘도를 제어하는 펄스폭변조방식(PWM; Pulse Width Modulation)을 사용하게 된다. 이같은 펄스폭변조방식을 사용함으로써 발광다이오드의 휘도의 조절과 함께 발광다이오드의 수명을 연장할 수 있게 되고, 전기 사용량을 감소키시는 효과를 갖게 된다.

LED제어부(14)는 LED발광부(12)의 파장별 LED소자를 선택하여 온오프 등을 제어하는 기능을 한다.

도 4를 참조하면, 조도센서(20)로부터 수신된 조도데이터 값에 따라, 제어부(120)에서 연산된 결과에 따라, LED조명의 디밍제어를 하게 되면, 펄스폭변조방식에 의해 LED발광부(12)가 제어된다. 미설명부호는 전원공급장치(160) 및 레귤레이터(150)이다.

도 5는 본 발명에 따른 온실 최적 조명시스템의 제어방법을 순서도로 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 광환경 센서부 즉, 조도센서(20)로부터 계측정보를 실시간으로 수집하고(S10), 계측정보 중 광량값, 조도데이터는 검출데이터 저장부(130)에 저장된다(S20). 제어부(120)는 관리서버의 데이터베이스에 미리 설정된 설정값이 있는지 판단 후 이를 로드하여(S30), 상기 검출데이터 저장부(130)에 저장된 조도데이터 등의 값과 비교하여, 필요 설정값 범위 내에 속하지 DSKG는 경우에는 LED조명장치를 구동하도록 제어한다(S40). 이에 따라 LED조명장치는 온, 오프제어됨은 물론, 펄스폭변조방식에 따라서 디밍제어가 가능하게 된다(S50).

상기한 바와 같은 본 발명은 온실환경과 온실생작물의 재배환경을 유비쿼터스 기반에서 언제 어디서나 관리 및 제어하여 온실환경에서 생작물을 재배하는데 필요한 온실 운영비용, 난방비용, 노동비용 등을 궁극적으로 절감하고 온실생작물의 생산량을 증대시키는 효과를 볼 수 있다. 아울러, 조명의 제어에 따른 보다 효율적이고 정확한 광량 제어가 가능하게 되며, 전기 사용량도 감축시킬 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 무선기반의 유비쿼터스 환경과 원격에서 온실환경과 생작물을 모니터링하고 제어함으로써 현장에 관리자가 상주하지 않고도 작업을 진행할 수 있을 뿐만 아니라 기술지원이나 전문가의 자문, 위탁 운영 등을 받을 수 있는 효과가 있다. 아울러, 문제점 발견시 즉각적인 기술지원을 받을 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 모든 정보가 데이터베이스화되어 온실환경 운영에 필요한 재배기술과 노하우를 축적하여 향후 지속적으로 활용할 수 있을 뿐만 아니라 문제점을 분석하여 향후 해결할 수 있는 기반을 마련한다는 장점이 있다.

그리고 자동 제어된 정보와 설정된 정책에 따라 모니터링된 정보가 관리자에게 통보됨으로써 온실환경과 생작물 상태의 확인이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 다양한 온실환경과 온실환경이 지역별로 산재해 있는 경우에도 통합관리가 가능하고 전체 온실환경이 일괄적으로 관리될 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 언제 어디서나 온실환경을 모니터링하고 제어할 수 있는 효과를 볼 수 있으며, 데이터베이스화된 정보를 바탕으로 체계적인 온실운영이 가능하다는 장점을 갖는다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

1 : 온실 3 : 관리단말기
10 : LED조명장치 12 : LED발광부
14 : LED제어부 20 : 조도센서
100 : 온실 제어장치 110 : 온실 모니터링 게이트웨이
120 : 제어부 130 : 검출데이터 저장부
140 : 펄스폭 변조부 150 : 레귤레이터
160 : 전원공급장치 200 : 온실 외부 기상계측부

Claims

온실 내의 광환경 데이터를 감지하는 광환경 센서부;
상기 광환경 센서부에서 검출된 광환경 데이터를 저장하는 검출데이터 저장부;
상기 검출데이터와 설정데이터를 비교하여 필요한 광환경에 따른 제어를 하는 제어부; 및
상기 제어부의 제어에 따라 동작되며, 온실 내에 필요 광환경에 따른 빛을 조사하는 LED조명장치;를 포함하고,
상기 LED조명장치는:
LED소자를 포함하여 구성되는 LED발광부; 및
상기 LED발광부의 파장별 LED소자를 선택하여 제어하는 LED제어부;를 포함하고,
상기 LED발광부는 디밍제어에 따라 휘도가 조절되는 것을 특징으로 하는 온실 최적 조명시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 광환경 센서부는 조도센서를 포함하고,
상기 검출데이터는 조도데이터를 포함하고,
상기 제어부는 상기 조도데이터에 따른 조사 광량을 상기 설정데이터와 비교하는 것을 특징으로 하는 온실 최적 조명시스템.
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제 1 항에 있어서,
펄스폭변조부를 더 포함하여 구성되고,
상기 제어부의 제어에 따라, 상기 펄스폭변조부에서 펄스폭변조방식으로 상기 LED발광부의 휘도를 조절하는 것을 특징으로 하는 온실 최적 조명시스템.
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