KR101531759B1

KR101531759B1 - 광원제어가 가능한 식물공장 led 조명시스템

Info

Publication number: KR101531759B1
Application number: KR1020130113268A
Authority: KR
Inventors: 최현숙
Original assignee: 주식회사 한국에너지
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2015-06-25
Also published as: KR20150033364A

Abstract

본 발명은 다중 광원제어가 가능한 식물공장 LED 조명시스템에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 식물공장 LED 조명 시스템에 있어서, 식물의 조명으로 사용되는 복수의 LED 전등을 구비하는 복수개의 LED 전등부; 상기 LED 전등부를 제어하는 LED 제어기; CO2, O2, 온도, 습도, 밝기값 및 색상값 중 적어도 어느 하나를 감지하여 식물의 생장에 필요한 환경정보를 생성하는 태양광조도제어유닛; 상기 LED 조명 시스템에서 소비되는 전력정보를 측정하는 전력 미터기; 상기 환경정보 및 상기 전력정보를 수신하는 게이트웨이;상기 게이트웨이로부터 상기 환경정보 및 상기 전력정보를 수신하고, 상기 게이트 웨이를 통하여 상기 LED 제어기로 제어데이터를 전송하도록 하는 관리서버;를 포함하고, 상기 LED 전등부는, PCB 기판을 갖는 본체, 상기 본체의 내부에서 서로 다른 파장 범위를 갖고 파장 범위별로 그룹들을 이루어 상기 PCB 기판에 실장되는 다수개의 LED들, 및 상기 LED들과 전기적으로 연결되어 그룹들 간의 파워비율이 상기 LED 제어기로부터 입력되면, 입력되는 파워비율이 기설정 파워 비율 범위에 포함되도록 상기 그룹들의 작동을 제어하는 파워제어모듈을 포함하고, 상기 파워제어모듈은, 상기 그룹들 각각으로 전원을 공급하는 전원공급부와, 상기 그룹들 각각에서 출력되는 파워를 체크하는 파워체크부와, 상기 전원공급부와 상기 그룹들 각각의 LED들을 서로 선택으로 스위칭하는 스위칭부를 포함하고, 상기 LED 제어기는, 상기 전원공급부와 상기 파워체크부 및 상기 스위칭부와 전기적으로 연결되며, 상기 그룹들 간의 파워비율이 입력되면 상기 파워체크부로부터 상기 그룹들 각각의 파워를 전송받아 입력되는 파워비율이 기설정된 파워비율 범위에 포함되도록 상기 전원공급부와 상기 스위칭부를 제어하여 상기 그룹들의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 광원제어가 가능한 식물공장 LED 조명 시스템에 관한 것이다.

Description

광원제어가 가능한 식물공장 LED 조명시스템{Plant factory LED lighting system with controllable light source}

본 발명은 광원제어가 가능한 식물공장 LED 조명시스템에 대한 것이다.

식물공장이란 식물의 생장환경을 인공적으로 제어하여 공산품처럼 계획 생산이 가능한 시스템적인 농업 형태이다.

국내외적으로 최근 심각한 기후 변화로 인해, 안정적인 식량 확보를 위한 식물 공장 도입의 필요성이 크게 증대되고 있다. 심각한 기후 변화는 기온, 강수량, 일사량 등을 변화시켜 기존노지 재배방식의 생산성을 약화시키고 있다. 이로 인해, 1년 내내 안정적으로 식물을 재배할 수 있는 식물공장의 필요성이 주목받고 있다.

기후 변화에 효과적으로 대응하기 위한 목적 이외에, 온실가스 저감 및 수자원 확보 측면에서도 식물공장은 중요한 역할을 한다. 식물공장에 사용되는 물은 도시 중수로 이용될 수 있고, 식물공장에서 발생하는 수증기는 포집하여 깨끗한 식수로 이용될 수 있다. 또한, 외부 이산화탄소를 포집하여 적극적으로 재활용함으로써 이산화탄소를 저감시킬 수 있다. 또한, 도시 내 빌딩에도 식물공장을 설치할 수 있으므로 단위 면적당 생산성을 크게 향상시키며, 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' 식물 공장은 파나소닉의 형광등을 채용하여 경쟁력을 확보하여 도심 곳곳에 점포를 개설하였다. 미쓰비스케미컬은 LED와 태양전지를 이용한 새로운 조명시스템을 개발하여 식물공장 사업에 진출하였다.

미국의 경우 컬럼비아대 건축학과, 일리노이대 연구팀, 미턴건축사무소에서 고층 건물 방식을 채택한 수직형 식물공장 개발에 착수하여 풍력 및 태양력 등의 신재생에너지 사용, 고층의 설계로 재배 면적당 수확량을 획기적으로 늘려 야외 농경지보다 10배 정도의 수확량을 가진다. 국내에서는 상용화의 필요성을 인식한 정부가 식물공장 관련 핵심부품인 IT-LED 개발을 위해 노력 중이고 그 일환으로 신성장 동력 스마트 프로젝트 사업에 'IT-LED 기반 식물공장을 위한 핵심부품 개발과제'를 선정하여 추진중에있다.전라북도에서는LED 기술을농업, 생물, 식품, 부품소재분야와 융합해 부가가치를 높이는 차원에서 식물공장 사업을 진행 중이며, 광주시에서는 전략산업인 광산업을 농업에 접목한 그린산업을 미래전략산업으로 집중 육성 하기로 하였고, 남양주시, 부천시에서는 수직 농장 건축을 진행 중이다.

그러나, 이와 같은 식물공장을 구축하는데에는 고가의 네트워크 설치, 유지 및 보수 비용이 필요할 뿐 아니라, 식물 재배면적의 확장에 따른 네트워크의 확장이 어렵다는 문제점이 있다.

따라서, 보다 적은 비용으로 식물공장 시스템을 설치 및 확장할 수 있고, 보다 높은 에너지 효율을 가지는 식물공장 시스템이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허 제0879711호 대한민국 공개특허 제0944359호 대한민국 공개특허 제0959994호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 본 발명의 일실시예에 따르면, 네트워크를 이용하여 식물공장의 LED 조명 시스템을 구축함으로써 시스템의 설치 및 확장을 보다 용이하고 경제적으로 할 수 있고 네트워크의 성능을 보다 향상시킬 수 있으며, LED제어기 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 있으며, 게이트 웨이를 이용하여 인터넷 망과 지그비 암을 연결함으로써 관리서버 및 휴대단말을 통해 관리자가 시간과 장소의 제약 없이 식물공장의 환경을 관리하고 모니터링 할 수 있는 광원제어가 가능한 식물공장 LED 조명시스템을 제공할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 작물의 생장에 요구되는 조명을 서로 다른 파장 범위를 갖는 블루, 레드, 그린의 LED 들을 그룹화하여 구성하고, 이들 그룹들에서 한 쌍의 그룹을 선출하여 기 설정된 파워비율을 이루도록 LED들의 작동을 제어하여 작물의 생장을 작물 특성에 부합되는 조건으로 최적의 생장조건을 형성할 수 있는 광원제어가 가능한 식물공장 LED 조명시스템을 제공하게 된다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따르면, 태양광 조도제어유닛을 통해 환경정보 데이터를 획득하여 그에 기반하여 LED 전등부를 제어할 수 있고, PCB 기판에 소정의 단위 구조에 따른 LED 전등을 배치하여 인공조명에 의한 광조사에 의하여 수광면의 광강도를 균일하게 분포시킬 수 있어 LED 개수를 줄일 수 있어 식물공장을 경제적으로 운영할 수 있는 광원제어가 가능한 식물공장 LED 조명시스템을 제공하게 된다.

본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.

본 발명의 목적은 식물공장 LED 조명 시스템에 있어서, 식물의 조명으로 사용되는 복수의 LED 전등을 구비하는 복수개의 LED 전등부; 상기 LED 전등부를 제어하는 LED 제어기; CO2, O2, 온도, 습도, 밝기값 및 색상값 중 적어도 어느 하나를 감지하여 식물의 생장에 필요한 환경정보를 생성하는 태양광조도제어유닛; 상기 LED 조명 시스템에서 소비되는 전력정보를 측정하는 전력 미터기; 상기 환경정보 및 상기 전력정보를 수신하는 게이트웨이; 상기 게이트웨이로부터 상기 환경정보 및 상기 전력정보를 수신하고, 상기 게이트 웨이를 통하여 상기 LED 제어기로 제어데이터를 전송하도록 하는 관리서버;를 포함하고, 상기 LED 전등부는, PCB 기판을 갖는 본체, 상기 본체의 내부에서 서로 다른 파장 범위를 갖고 파장 범위별로 그룹들을 이루어 상기 PCB 기판에 실장되는 다수개의 LED들, 및 상기 LED들과 전기적으로 연결되어 그룹들 간의 파워비율이 상기 LED 제어기로부터 입력되면, 입력되는 파워비율이 기설정 파워 비율 범위에 포함되도록 상기 그룹들의 작동을 제어하는 파워제어모듈을 포함하고, 상기 파워제어모듈은, 상기 그룹들 각각으로 전원을 공급하는 전원공급부와, 상기 그룹들 각각에서 출력되는 파워를 체크하는 파워체크부와, 상기 전원공급부와 상기 그룹들 각각의 LED들을 서로 선택으로 스위칭하는 스위칭부를 포함하고, 상기 LED 제어기는, 상기 전원공급부와 상기 파워체크부 및 상기 스위칭부와 전기적으로 연결되며, 상기 그룹들 간의 파워비율이 입력되면 상기 파워체크부로부터 상기 그룹들 각각의 파워를 전송받아 입력되는 파워비율이 기설정된 파워비율 범위에 포함되도록 상기 전원공급부와 상기 스위칭부를 제어하여 상기 그룹들의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 광원제어가 가능한 식물공장 LED 조명 시스템으로서 달성될 수 있다.

또한, LED 그룹은, 640m ~ 670nm의 파장범위를 이루는 다수개의 레드 LED들로 구성되는 제1그룹과, 440nm ~ 470nm의 파장범위를 이루는 다수개의 블루 LED들로 구성되는 제2그룹과, 510nm ~ 540nm의 파장범위를 이루는 다수개의 그린 LED들로 구성되는 제3그룹을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, LED들은 레드 LED, 블루 LED 및 그린 LED로 구성되는 단위 구조를 일정간격으로 배치하여 이루어지고, 상기 레드 LED 및 상기 그린 LED는 사각형 패턴의 그물망 구조를 형성하고, 상기 블루 LED는 삼각형 패턴의 벌집 그물망 구조를 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 태양광 조도제어유닛은, 식물공장으로 비춰지는 태양광의 세기를 측정하는 광센서, 실내온도를 측정하는 온도센서, 실내 CO2량을 측정하는 CO2측정센서 및 식물공장 재배용 작물의 발육에 따른 높이를 측정하는 위치센서를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 식물공장 내에 설치되어 상기 LED들에서 입사된 빛을 반사하는 레퍼런스 반사판과, 상기 재배공간의 식물 위에 배치되어, 그 표면에 식물의 이미지가 맺히는 광각 반사판과, 상기 반사된 빛의 경로 상에 설치되며 상기 광각 반사판에 맺힌 식물 이미지를 획득하고 상기 레퍼런스 반사판에서 반사된 빛의 파장영역 별 강도의 비를 측정하는 카메라를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

따라서, 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따르면, 첫째, 네트워크를 이용하여 식물공장의 LED 조명 시스템을 구축함으로써 시스템의 설치 및 확장을 보다 용이하고 경제적으로 할 수 있고 네트워크의 성능을 보다 향상시킬 수 있으며, LED제어기 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 있으며, 게이트 웨이를 이용하여 인터넷 망과 지그비 암을 연결함으로써 관리서버 및 휴대단말을 통해 관리자가 시간과 장소의 제약 없이 식물공장의 환경을 관리하고 모니터링 할 수 있는 효과를 갖는다.

둘째, 작물의 생장에 요구되는 조명을 서로 다른 파장 범위를 갖는 블루, 레드, 그린의 LED 들을 그룹화하여 구성하고, 이들 그룹들에서 한 쌍의 그룹을 선출하여 기 설정된 파워비율을 이루도록 LED들의 작동을 제어하여 작물의 생장을 작물 특성에 부합되는 조건으로 최적의 생장조건을 형성할 수 있는 효과를 갖는다.

셋째, 태양광 조도제어유닛을 통해 환경정보 데이터를 획득하여 그에 기반하여 LED 전등부를 제어할 수 있고, PCB 기판에 소정의 단위 구조에 따른 LED 전등을 배치하여 인공조명에 의한 광조사에 의하여 수광면의 광강도를 균일하게 분포시킬 수 있어 LED 개수를 줄일 수 있어 식물공장을 경제적으로 운영할 수 있는 장점이 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 식물공장 LED 조명 시스템의 신호흐름을 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 LED 전등부의 동작을 설명하기 위한 블록도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 조도제어유닛의 구성을 나타낸 블록도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 LED부의 단위 구조를 나타낸 배치도,
도 5는 도 4의 단위 구조를 조합하여 형성되는 PCB 기판의 평면도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 식물공장 LED 조명 시스템의 정면도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 LED 전등부를 하강한 상태의 식물공장 LED 조명 시스템의 정면도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 LED 전등부의 단면도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 광각 반사판의 평면도,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 광각 반사판의 측면도,
도 11 및 도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광각 반사판의 사시도,
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광각 반사판과 카메라를 나타낸 측면도를 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명의 일실시예에 따른 식물공장 LED 조명시스템(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 일실시예에 따른 식물공장 LED 조명시스템(100)에 대하여, 크게, 광원제어구조 및 조명시스템(100)의 내부 구조를 나누어 설명하도록 한다.

먼저, 식물공장 LED 조명시스템(100)은, 식물의 조명으로 사용되는 복수의 LED 전등(12)을 구비하는 복수개의 LED 전등부(10); 상기 LED 전등부(10)를 제어하는 LED 제어기(30); CO2, O2, 온도, 습도, 밝기값 및 색상값 중 적어도 어느 하나를 감지하여 식물의 생장에 필요한 환경정보를 생성하는 태양광조도제어유닛(40); 상기 LED 조명 시스템(100)에서 소비되는 전력정보를 측정하는 전력 미터기(50); 상기 환경정보 및 상기 전력정보를 수신하는 게이트웨이(60); 상기 게이트웨이(60)로부터 상기 환경정보 및 상기 전력정보를 수신하고, 상기 게이트 웨이(60)를 통하여 상기 LED 제어기(30)로 제어데이터를 전송하도록 하는 관리서버(70);등을 포함하고 있다.

또한, 상기 LED 전등부(10)는, PCB 기판(11)을 갖는 본체, 상기 본체의 내부에서 서로 다른 파장 범위를 갖고 파장 범위별로 그룹들을 이루어 상기 PCB 기판(11)에 실장되는 다수개의 LED들, 및 상기 LED들과 전기적으로 연결되어 그룹들 간의 파워비율이 상기 LED 제어기(30)로부터 입력되면, 입력되는 파워비율이 기설정 파워 비율 범위에 포함되도록 상기 그룹들의 작동을 제어하는 파워제어모듈(20)을 포함하고 있다.

그리고, 이러한 파워제어모듈(20)은, 상기 그룹들 각각으로 전원을 공급하는 전원공급부(21)와, 상기 그룹들 각각에서 출력되는 파워를 체크하는 파워체크부(22)와, 상기 전원공급부(21)와 상기 그룹들 각각의 LED들을 서로 선택으로 스위칭하는 스위칭부(23)를 포함하고 있다.

또한, 상기 LED 제어기(30)는, 상기 전원공급부(21)와 상기 파워체크부(22) 및 상기 스위칭부(23)와 전기적으로 연결되며, 상기 그룹들 간의 파워비율이 입력되면 상기 파워체크부(22)로부터 상기 그룹들 각각의 파워를 전송받아 입력되는 파워비율이 기설정된 파워비율 범위에 포함되도록 상기 전원공급부(21)와 상기 스위칭부(23)를 제어하여 상기 그룹들의 동작을 제어하게 된다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 식물공장 LED 조명 시스템(100)은, 식물 재배공간을 구비할 수 있도록 한 틀체(110); 상기 틀체(110)의 하부에 배치되어 식물을 식재할 수 있도록 하는 재배상자(120); 상기 재배상자(120)의 상측에 설치되어 상기 식물에 LED 조명을 조사하는 LED 전등부(10); 및 상기 LED 전등부(10)가 고정설치되는 지지대(140)를 상, 하 방향으로 승강하여 LED 조명과 식물간의 거리를 조절하는 승강부재(150);등을 포함하고 있다.

또한, 상기 LED 전등부(10)는, 다수의 LED가 부착되는 PCB기판(11)과, 상기 PCB 기판(11)에 부착되며 상부면이 굴곡면으로 이루어져 방열작용이 이루어지는 전등(12)와, 상기 전등(12)의 길이방향으로 내부에 삽입되는 냉각튜브(15)와, 상기 전등(12)의 굴곡면에 구비되는 다수의 방열핀(14)을 구비하며, 상기 냉각튜브(15)로는 물이 순환되어 냉각작용을 하게 된다.

<광원 제어>

이하에서는 먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 식물공장 LED 조명 시스템(100)에서 광원제어 구조에 대해 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 식물공장 LED 조명 시스템(100)의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 식물공장 LED 조명 시스템(100)은 유비쿼터스 센서 네트워크(USN : Ubiquitous Sensor Network)를 기반으로 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 식물공장 LED 조명 시스템(100)은 LED 전등부(10), LED 제어기(30), 게이트웨이(60), 태양광 조도제어유닛(40), 전력미터기(50), 휴대단말 및 관리서버(70) 등을 포함하고 있음을 알 수 있다.

LED 전등부(10)는 식물의 조명으로 사용되는 복수개의 LED 전등(12)을 포함하며, 식물공장 내에 설치될 수 있다. 각각의 LED 전등(12)은 시리얼 데이터 입출력이 가능하다. LED 전등부(10)는 복구개의 LED로 구성되며, 복수개의 LED는 후에 설명하는 바와 같이, 그룹, 채널을 형성할 수 있고, 이러한 채널은 LED 제어기(30)에 의해 제어되는 최소단위에 해당한다. 이러한 그룹, 채널은 후에 설명되는 바와 같이, 일실시예에 따르면, 하나의 그룹은 적색, 청색 및 녹색으로 구성될 수 있고, LED 전등부(10)는 이를 이용하여 식물이 필요로 하는 파장을 적절한 비율로 제어할 수 있다. LED 전등부(10)에 포함되는 구체적인 구성, 형태, LED 전등(12)들의 배치는 후에 자세히 설명하도록 한다.

LED 제어기(30)는 LED 전등부(10)로 상기 LED 전등(12)의 색상정보를 전송할 수 있다. LED 제어기(30)는 지그비 무선통신 모듈(ZigBee RCM(Radio Communication Module))을 포함하고, 지그비 무선통신모듈을 통하여 인터넷 등의 상위 네트워크로부터 무선으로 전송되는 색상정보 및 제어 정보를 수신하게 된다.

또한, LED 제어기(30)는 수신한 제어정보를 통하여 LED 전등부(10)를 제어하게 된다. 그리고, LED 제어기(30)는 수신한 색상정보를 LED 전등부(10)로 전송하고, LED 전등부(10)는 수신한 색상정보를 기초로 LED 전등(12)의 제어신호를 생성하여 LED 전등(12)으로 전송하게 된다. 이때 제어신호는 식물의 종류에 따른 PWM(Pulse Width Modulation) 주기 및 전류값을 포함하여 이를 기초로 LED 전등(12)의 색상에 따른 밝기값을 제어할 수 있다.

제어신호를 수신한 LED 전등(12)은 LED 전등(12)에 직렬로 연결되는 LED 전등(12)으로 상기 제어신호를 전송한다. 즉, 제어 신호를 수신한 LED 전등(12)의 출력신호는 직렬로 연결된 다음 LED 전등(12)의 입력신호가 된다. 이렇게 반복적으로 직렬로 LED 전등(12)을 연결함으로써 하나의 LED 제어기(30)로 여러개의 LED 전등(12)을 제어할 수 있다.

게이트 웨이(60)는 지그비 무선통신 기능을 이용하여 LED 제어기(30), 태양광 조도제어유닛(40) 및 전력 미터기(50)와 통신하고, TCP/IP 통신기능을 이용하여 휴대단말, 관리서버(70) 등과 통산함으로써 지그비 네트워크와 인터넷의 인터페이스 역할을 할 수 있다.

태양광조도제어유닛(40)은 Co2, O2, 온도, 습도, 밝기값, 색상값 등을 감지함으로써 식물의 생장에 필요한 환경정보를 생성한다. 환경정보는 관리자가 설정한 리포팅 주기로 지그비 무선통신을 통하여 게이트 웨이(60)로 전송될 수 있다.

또한, 전력미터기(50)는 전류를 측정하기 위한 CT 센서와 전압 분배회로를 포함하고, SMPS(Switched0Mode Power Supply)를 통하여 LED 전등부(10)에 인가되는 전류를 측정함으로써 LED 조명 시스템(100)에서 소비되는 전력을 측정할 수 있다. 소비되는 전력에 대한 정보는 관리자가 설정한 리포팅 주기로 지그비 무선통신을 통하여 게이트웨이(60)로 전송될 수 있다.

카메라(190)는 후에 자세히 설명되는 바와 같이, 관리자가 식물의 발육 상태를 관찰하기 위한 것으로, 관리자는 식물공장에 설치된 WiFi-AP을 통하여 스마트 폰 등과 같은 휴대단말을 이용하여 복수개의 카메라(190)에서 촬영된 식물의 발육상태를 외부에서도 관찰할 수 있다.

또한, 관리서버(70)는 식물 공장 내에 설치된 게이트 웨이(60)로부터 주기적 또는 관리자 요구에 따라 환경정보를 수신하게 된다. 관리서버(70)와 게이트 웨이(60)는 동기화된 데이터를 송수신할 수 있으며, 관리서버(70)는 말단 노드로부터 받은 데이터를 파일화하여 일별로 관리할 수 있다. 관리서버(70)는 필요에 따라 인터넷과 연결된 데이터 관리서버(70)와 로컬에서 관리자가 직접 모니터링 및 제어할 수 있도록 구성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 LED 전등부(10)의 동작을 설명하기 위한 블록도를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, LED 전등부(10)는 다수의 LED 전등(12)들이 그루핑되어 구성될 수 있고, 그룹별로 전력을 제어하고, 스위칭될 수 있음을 알 수 있다.

LED 전등부(10)는, 다수의 LED 전등(12)이 실장된 PCB 기판(11), PCB기판(11)에 서로 다른 파장 범위를 갖고 파장 범위별로 그룹들을 이루어 상기 PCB 기판(11)에 실장되는 다수개의 LED들, 및 상기 LED들과 전기적으로 연결되어 그룹들 간의 파워비율이 상기 LED 제어기(30)로부터 입력되면, 입력되는 파워비율이 기설정 파워 비율 범위에 포함되도록 상기 그룹들의 작동을 제어하는 파워제어모듈(20)을 포함하고 있다.

또한, 파워제어모듈(20)은, 상기 그룹들 각각으로 전원을 공급하는 전원공급부(21)와, 상기 그룹들 각각에서 출력되는 파워를 체크하는 파워체크부(22)와, 상기 전원공급부(21)와 상기 그룹들 각각의 LED들을 서로 선택으로 스위칭하는 스위칭부(23)를 포함하고 있다.

그리고, LED 제어기(30)는, 상기 전원공급부(21)와 상기 파워체크부(22) 및 상기 스위칭부(23)와 전기적으로 연결되며, 상기 그룹들 간의 파워비율이 입력되면 상기 파워체크부(22)로부터 상기 그룹들 각각의 파워를 전송받아 입력되는 파워비율이 기설정된 파워비율 범위에 포함되도록 상기 전원공급부(21)와 상기 스위칭부(23)를 제어하여 상기 그룹들의 동작을 제어하게 된다.

PCB 기판(11)은 일정길이를 갖는 판상으로 형성되며, PCB기판(11)에는 발광소자들인 다수개의 LED 전등(12)이 실장된다. 본 발명의 일실시예에 따른 LED 전등(12)은 레드, 블루 및 그린의 LED 전등(G)을 사용하고, 특히 레드 LED 전등(R) 640nm ~ 670nm의 파장범위를 갖는 발광소자로 구성되고, 블루 LED들의 경우에는 440nm ~ 470nm의 파장범위를 이루는 발광소자들을 사용하며, 그린 LED 전등(G)의 경우에 510nm ~ 540nm의 파장범위를 이루는 발광소자를 사용한다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 레드 LED 전등(R)들은 제1그룹을 이루고, 블루LED 전등(B)들은 제2그룹을 이루며, 그린 LED 전등(G)들은 제3그룹을 이룰 수 있다. 각각 그룹에 따른 LED 전등(12)들의 배치에 대해서는 후에 자세히 설명하도록 한다.

본 발명의 일실시예에서는 상기 그룹들 중 한 쌍의 그룹간의 파워비율이 외부로부터 입력되면, 입력되는 바워비율이 기설정된 파워비율 범위에 포함되도록 그룹들의 작동을 제어하는 파워제어모듈(20)을 갖는다. 이러한 파워제어모듈(20)은 도 2에 도시된 바와 같아. 전원공급부(21)와, 파워체크부(22)와, 스위칭부(23)와 이들을 제어하는 LED 제어부로 구성된다.

보다 상세하게, 그룹들은 전원공급부(21)와 전기적으로 연결되어 전원을 각각 공급 받을 수 있다. 즉, 제1그룹은 제1전원공급부와 전기적으로 연결되어 전원을 공급받고, 제2그룹은 제2전원공급부와 전기적으로 연결되어 전원을 공급 받으며,, 제2그룹은 제3전원공급부와 전기적으로 연결되어 전원을 공급 받을 수 있다.

또한, 그룹들 각각의 LED 전등(12)은 전원공급부(21)와의 전기적 경로를 선택적으로 차단시킬 수 있는 스위칭부(23)에 의하여 전원의 공급 및 차단이 이루어질 수 있다. 즉 제1그룹은 제1스위칭부에 의하여 전원 공급 경로인 전기적 경로의 스위칭이 구현되고, 제그룹은 제2스위칭부에 의하여 전원공급경로인 전기적 경로의 스위칭이 구현되고, 제3그룹은 제3스위칭부에 의하여 전원공급경로인 전기적 경로의 스위칭이 구현될 수 있다.

그리고, 그룹들 각각은 전원을 공급받아 발광되는 경우에 발생되는 파워를 체크할 수 있는 파워체크부(22)와 전기적으로 연결된다. 따라서 각 그룹들에서 발생되는 전력은 파워체크부(22)에 의하여 체크되고, 이 체크된 파워는 LED 제어기(30)로 전송될 수 있다. 여기서 제1그룹은 제1파워체크부와 전기적으로 연결되고, 제2그룹은 제2파워체크부와 연결되고, 제3그룹은 제3파워체크부와 연결된다.

따라서 LED 제어기(30)는 각각의 파워체크부(22)로부터 각 그룹들의 파워를 전송받을 수 있고, 이에 따라 LED 제어기(30)에는 상기 그룹들 중 한 쌍의 그룹에 대한 파워비율이 외부로부터 입력될 수 있다.

그리고 LED 제어기(30)는 한 쌍의 그룹에 해당되는 파워를 파워체크부(22)로부터 전송받아 파워비율을 산출한다. 그리고 LED 제어기(30)는 산출되는 파워비율이 기 설정된 파워비율 범위에 포함되도록 전원공급부(21)와 스위칭부(23)를 제어하여 그룹들의 동작을 제어할 수 있다.

여기서, 기 설정되는 파워비율은 제1그룹과 제2그룹이 6:1 내지 12:1의 비율을 이루도록 설정되고, 제1그룹과 제3그룹이 2:1 내지 8:1의 비율을 이루도록 설정되는 것이 바람직하다. LED제어기(30)는 입력되는 파워비율에서 제외된 그룹의 작동을 중지할 수 있도록 전원공급부(21)를 사용하여 제외된 그룹으로의 전원공급을 중지하는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 조도제어유닛(40)의 구성을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 태양광조도제어유닛(40)은 식물공장으로 비춰지는 태양광의 세기, 온도, CO2, O2 등을 측정한 후, 마이컴의 제어를 통해 식물공장 재배용 작물의 기준 광 요구량 등을 산출하기 위한 환경정보를 생성하게 되다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 태양광조도제어유닛(40)은 센서부, 조광측정제어기(45), 무선컨트롤러(46) 등으로 구성될 수 있다.

센서부는 식물공장으로 비춰지는 태양광의 세기를 측정하는 광센서(41)와, 실내온도를 측정하는 온도센서(42), 실내 CO2량을 측정하는 CO2측정센서(43)로 측정하는 것으로 도 3에 도시된 바와 같이, 센서부는 광센서(41), 온도센서(42), CO2측정센서(43), O2측정센서, 위치센서(44)로 구성된다.

광센서(41)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 곳에서도 높은 저항값을 갖고 있다가 빛이 밝아질 수록 자체의 내부 저항값이 낮아지는 특성을 갖는다.

온도센서(42)는 틀체(110)의 프레임 일측 또는 LED 조명 시스템(100) 일측에 설치되어 비닐하우스 내부의 온도를 측정한다. 이는 백금저항온도센서와 써미스터, 그리고 반도체 온도센서 중 어느 하나가 선택되어 구성될 수 있다. 백금저항온도센서는 온도에 따라 백금의 저항치가 변하는 원리를 이용한 것으로 정확도가 높아 -260 ~ 630℃ 영역에서는 표준온도센서로 사용된다. 써미스터는 금속산화물을 소결하여 만들며 온도에 따라 저항치가 변하는 특성을 이용한 것으로 부특성(NTC) 서미스터, 정특성(PTC) 서미스터로 나눈다.

반도체 온도센서는 다이오드의 순방향 전압 및 트랜지스터의 컬렉터-이미터 사이에 일정한 전류를 흘릴 때의 베이스-이미터 사이의 전압은 온도에 따라 직선적으로 변화하므로 이 특성을 온도센서(42)로써 이용한다. 이렇게 측정된 식물공장 내부의 온도는 마이컴부의 입력단자 일측에 입력된다.

CO2측정센서(43)는 식물공장 내의 실내 CO2량을 측정하는 센서로서, 식물공장 재배용 작물에서 배출되는 탄산가스를 측정한다. CO2가스는 광합성에 필수적인 것으로 CO2가스의 적정농도는 작물의 종류, 생육단계, 광도 및 수분 등의 환경조건에 따라 다르다.

위치센서(44)는 식물공장 재배용 작물의 일측에 설치되어 식물공장 재배용 작물의 발육에 따른 높이를 측정하여 마이컴부로 전달시키는 것으로 이는 빛(가시광선, 적외선 또는 레이저)과 초음파에 기반을 두고 있다. 두 개의 기본적인 측정방법은 물체 위에 한 점을 만들어 주는 단일 광선에 의해 물체를 비추는 3 각 측량법 방식이 사용된다. 한 점은 카메라(190) 또는 포토트랜지스터와 같은 수신기와 같이 구성된다.

조광측정제어기(45)는 복수개의 광센서(41)를 측정하고, 측정된 태양광 세기를 포함하는 환경정보를 게이트웨이(60)로 보내는 역할을 하는 것으로 이는 DC12V 전압을 공급받아 구동되고, 일측에 게이트웨이(60)로부터 릴레이 제어신호를 입력받아 식물공장 내에 설치된 복수개의 광센서(41)를 순차적으로 측정하고 저장한 후, 게이트 웨이(60)로 출력하게 된다. 이러한 조광측정제어기(45)는 내부에 전원부, 센서입력부 및 센서출력부 등을 포함하여 구성될 수 있다. 전원부는 DC12V 전압을 공급받아 각 기기에 전원을 공급시키는 역할을 한다. 그리고, 센서입력부는 센서부와 연결되어 광센서(41)로부터 측정된 태양광의 세기데이터, 온도센서(42)로부터 측정된 온도데이터 등을 입력받는다. 그리고, 센서출력부는 이러한 환경정보를 게이트웨이(60)에 출력시키는 역할을 수행한다.

무선 컨트롤러(46)는 RF(Radio Frequency) 무선통신을 통해 게이트 웨이(60)와 태양광조도제어유닛(40)을 연결하고, 환경정보를 수신받은 게이트웨이(60)는 이러한 환경정보와 전력미터기(50)에서 측정된 전력정보를 관리서버(70)에 전송하고, 관리서버(70)는 이러한 데이터에 기반하여 재배용 작물에 필요한 광 요구량, 발육온도, 습도, 발광주기, 파장 등의 데이터가 포함된 제어데이터를 게이트웨이(60)를 통해 LED 제어기(30)로 전송토록 한다.

이하에서는 PCB 기판(11)에 부착되는 다수의 LED 전등(12)들의 그룹별 배치 상태에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 LED부의 단위 구조를 나타낸 배치도를 도시한 것이다. 그리고, 도 5는 도 4의 단위 구조를 조합하여 형성되는 PCB 기판(11)의 평면도를 도시한 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 단위구조는 레드 LED 전등(R)들, 블루 LED 전등(B)들 및 녹색 LED 전등(G)들을 포함한다. LED 전등(12)들은 PCB기판(11)에서 레드 LED 전등(R), 블루 LED 전등(B), 그린 LED 전등(G)으로 구성되는 단위구조를 일정간격으로 배치하게 된다. 본 발명의 일실시예로서, 사각형은 직사각형으로, 삼각형은 정삼각형으로 배열할 수 있다.

단위구조는 레드 LED 전등(R), 블루 LED 전등(B) 및 녹색 LED 전등(G)의 개수가 각각 4개, 3개, 1개로 구성할 수 있다. 단위구조는 4개의 레드 LED 전등(R)의 중심에 배치되며 블루 LED 전등(B) 중 2개는 레드 LED 전등(R)에 의한 사각형의 마주보는 두 변에 배치되고, 두 변 이외의 변과 평행하게 배치되며, 블루 LED 전등(B)의 나머지 하나는 사각형의 외부에 배치되고 삼각형 내부에 그린 LED 전등(G)을 포함하도록 구성할 수 있다.

본 발명의 일실시예로서, 단위 구조는 한 변의 길이가 2 * D, 다른 변의 길이가 4 * L 인 직사각형을 이루고, 직사각형의 16개로 등분하여 9개의 내부 교차점을 만들어, 직사각형의 중심에는 그린 LED 전등(G)을 배치하고, 중심을 둘러싸는 내부의 교차점이 만드는 한 변의 길이가 D, 다른 변의 길이가 2L인 직사각형의 각 모서리에 4개의 레드 LED 전등(R)을 배치하고, 한 변의 길이가 2 * L인 정삼각형의 각 모서리에 3개의 블루 LED 전등(B)을 배치하되 정삼각형의 한 변이 직사각형과 평행하며 정삼각형의 그린 LED 전등(G)을 포함하도록 구성할 수 있다. 이러한 직사각형은 D = @ * L인 정사각형으로 하는 것도 가능할 수 있다.

도 5는 도 4의 단위구조를 조합하여 형성되는 PCB 기판(11)의 구성을 보여주는 배치도로서 도 5에 도시된 바와 같이, 레드 LED 전등(R) 및 그린 LED 전등(G)은 사각형 패턴의 그물망 구조로 배열되어 있고, 블루 LED 전등(B)은 삼각형 패턴의 벌집 그물망 구조로 배열되어 있음을 알 수 있다. 이와 같은 단위구조에 따른 인공 조명에 의한 광조사로 수광면의 광강도를 균일하게 분포시킬 수 있고, 수광면에 필요한 LED 전등(12)의 개수를 줄일 수 있게 된다.

<조명시스템(100)의 내부 구조>

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 식물공장 LED 조명시스템(100)의 내부 구조에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 식물공장 LED 조명 시스템(100)의 정면도를 도시한 것이다.

본 발명의 일실시예에 식물공장 LED 조명시스템(100)은 식물 재배공간을 구비할 수 있도록 한 틀체(110); 상기 틀체(110)의 하부에 배치되어 식물을 식재할 수 있도록 하는 재배상자(120); 상기 재배상자(120)의 상측에 설치되어 상기 식물에 LED 조명을 조사하는 LED 전등부(10); 및 상기 LED 전등부(10)가 고정설치되는 지지대(140)를 상, 하 방향으로 승강하여 LED 조명과 식물간의 거리를 조절하는 승강부재(150)등을 포함하고 있음을 알 수 있다.

또한, LED 전등부(10)는, 다수의 LED가 부착되는 PCB기판(11)과, 상기 PCB 기판(11)에 부착되며 상부면이 굴곡면으로 이루어져 방열작용이 이루어지는 전등(12)와, 상기 전등(12)의 길이방향으로 내부에 삽입되는 냉각튜브(15)와, 상기 전등(12)의 굴곡면에 구비되는 다수의 방열핀(14)을 구비하며, 상기 냉각튜브(15)로는 물이 순환되어 냉각작용을 하게 된다.

틀체(110)는 상, 하부 수평프레임(112,112`)과 수직 프레임(111)을 각각 연결하여 장방형의 틀체(110)를 구비하고, 그 틀체(110)의 내부에 식물이 재배될 수 있는 재배공간이 형성된다. 재배상자(120)는 식물에 따라 수경 또는 토양을 선택하여 사용할 수 있도록 한 형태로 구비되어 식물을 재배할 수 있도록 하는 것으로 틀체(110)의 하부 수평프레임(112`)의 상면 받침판에 설치된다.

LED 전등부(10)는 다수의 LED 전등(12)이 설치된 PCB 기판(11), PCB 기판(11)이 부착되어 방열작용이 이루어지고 상부면이 굴곡면으로 구성되고 길이방향을 따라 내부에 냉각튜브(15)가 내입된 전등(12)와, LED 전등(12)에서 발하는 불빛의 반사작용이 이루어지도록 하는 반사판(16)으로 구비된다.

PCB기판(11)이 구비된 전등(12)는 지지대(140)에 일정간격으로 각각 배치되어 있고, 반사판(16)은 전등(12)와 일정 간격을 두고 설치되어 전등(12)의 방열작용에 지장을 주지 않도록 설치된다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 LED 전등부(10)를 하강한 상태의 식물공장 LED 조명 시스템(100)의 정면도를 도시한 것이다. 승각부재는 LED 전등부(10)가 고정설치되는 지지대(140)의 각 모서리 부분에 이송롤러(151)가 구비된 수직이송가이드(152)를 설치하여 틀체(110)의 수직프레임(111)을 따라 상, 하 방향으로 슬라이드되게 하되 지지대(140)의 중심선상에 걸고리(153)를 구비하여 와이어로프(154)를 연결하여 상부 수평프레임(112)의 중심선상 및 일측단에 형성된 제1,2 가이드롤러(155, 156)를 거쳐 하부 수평프레임(112`)의 일측단에 설치된 로프 권취장치(157)의 권취롤(158)에 권취된 구성으로 로프 권취장치(157)에 의해 지지대(140)를 상,하방향으로 승강할 수 있도록 한다.

로프권취장치(157)는 감속기가 구비되고 일측에 작동핸들(159)이 구비되어 작동핸들(159)에 의해 정역회전하는 수단으로 로프(154)의 권취작동이 이루어지도록 하거나 정역회전이 되는 모터가 구비되어 제어스위치에 의해 권취작동이 이루어지도록 구성될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 LED 전등부(10)의 단면도를 도시한 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, LED 전등부(10)의 전등(12)의 상부면은 굴곡면으로 구성되어 그 표면적을 넓혀 방열작용이 효율적일 수 있도록 형성되며, 이러한 굴곡면에는 다수의 방열핀(14)이 형성되어 방열작용을 극대화시킬 수 있다.

또한, 전등(12)의 길이방향을 따라 내부에 회전축이 내입되어 있어, 각도조절수단(160)에 의해 전등(12)를 포함한 LED 전등부(10) 전체를 회전축 기준으로 회전시켜, LED의 조사 각도를 조절할 수 있다.

또한, 전등(12)는 물이 유동될 수 있는 냉각튜브(15)와, 냉각튜브(15)의 외측면 일측에 형성되어 PCB 기판(11)이 부착될 수 있도록 한 부착면, 냉각튜브(15)의 외측면에 전등(12)를 지지대(140)에 고정설치하기 위한 고정지지편이 구비되어 있다.

전등(12)의 냉각튜브(15)에는 호스연결구(130)를 통해 열결호스의 일측에 연결되고 연결호스(132)의 타측은 지지대(140)에 구비된 급수관로(161)의 분기구(131)와 연결되고, 급수관로(161)는 외부의 급수공급관과 연결되어 펌프 등으로 냉각튜브(15)에 물의 공급 및 순환작용이 이루어 질 수 있도록 하며, 급수관로(161)는 지지대(140)에 고정설치되어 지지대(140)를 따라 승강하게 되므로, 외부의 급수관로(161)에 연결되는 외부의 급수공급관은 승강작용에 지장을 주지 않도록 연결되어야 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 틀체(110)에 재배상자(120)와 LED 전등부(10)로 이루어진 식물재배공간이 1단으로 구비되어 있은 형태로 되어 있으나, 본 발명의 기술수단을 적용하여 다단으로 배치된 식물배치공간을 구비할 수 있음을 물론이다.

또한 본 발명의 일실시예에 따른 식물공장 LED 조명시스템(100)의 재배공간에는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 레퍼런스 반사판(170), 광각 반사판(180), 카메라(190)가 더 포함될 수 있다.

레퍼런스 반사판(170)은 재배공간의 식물들 사이에 배치되어, LED 전등(12)에 의한 빛을 반사한다. 레퍼런스 반사판(170)은 다수의 영역으로 구분되어 있으며, 각각의 영역은 서로 다른 파장 영역을 선택적으로 반사하는 컬러필터가 코팅되어 있다. 컬러필터는 파장영역을 선택적으로 반사하는 물질을 증착하는 방법으로 코팅할 수 있다. 예를 들어, 450±10nm의 파장영역의 파장만 반사하는 블록 컬러필터와 655±10의 파장영역의 파장만 반사하는 레드 컬러필터를 코팅한 반사판을 이용하면, 해당하는 파장영역의 강도를 알 수 있으며, 이로부터 레드 LED 전등(R)과 블루 LED 전등(B)에서 조사되는 빛의 강도를 알 수 있다. 이들의 비율이 최적화된 분광분포를 획득하기 위한 비율 내에 있는 것인지를 분석할 수 있게 된다.

또한, 광각반사판(180)은 카메라(190)를 통해서 이미지를 획득할 수 있는 재배공간의 범위를 넓히기 위한 것으로서, 재배공간의 상부에 배치된다. 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 광각 반사판(180)의 평면도를 도시한 것이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 광각 반사판(180)의 측면도를 도시한 것이다.

도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 광각 반사판(180)의 표면은 방사 대칭인 볼록 거울면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 이 표면에는 광각 반사판(180)의 아래에 위치하는 넓은 원형 영역의 식물의 이미지가 맺힌다. 크리스마스 장식품 중 반짝이는 볼의 표면에 이미지가 맺히는 현상과 유사한 현상이다. 카메라(190)는 광각 반사판(180)의 아래에 배치되어, 광각 반사판(180)에 맺힌 식물의 이미지를 촬영한다. 광각 반사판(180)에 맺힌 식물의 이미지는 왜곡이 되어 있어서, 실제 육안으로 관찰하는 식물의 형태로 변환하기 위해서는 보정이 필요하다.

도 11 및 도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광각 반사판(180)의 사시도를 도시한 것이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 광각 반사판(180)의 표면에 골프공의 표면처엄 딤플(181)을 형성하거나 도 12에 도시된 바와 같이, 서로 다른 영역에 배치되어 있는 식물의 이미지가 맺히도록 다른 각도로 경사진 여러 개의 거울면들을 결합한 광각 반사판(180)을 사용할 수 있다. 가장 자리에 배치된 경사각도가 큰 거울면에는 중심부에서 멀리 떨어져 있는 영역에 배치되어있는 식물의 이미지가 맺히며, 중심부에 배치된 경사각도가 작은 거울 면에는 중심부에 배치되어 있는 식물의 이미지가 맺힌다.

또한, 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광각 반사판(180)과 카메라(190)를 나타낸 측면도를 도시한 것이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 여러개의 거울면들이 결합한 광각 반사판(180)을 설치하고, 측면에 광각 반사판(180)을 향하도록 카메라(190)를 배치하여 식물의 이미지를 촬영할 수도 있다.

카메라(190) 는CCD(charged coupled device) 또는 CMOS(complementary metal semiconductor) 수광 소자를이용하며, 레드(red, R), 그린(green, G), 블루(blue, B) 필터가 수광소자 전단에 부착되어 R, G, B의 빛의 양을 측정하는 장치이다. 본발명에 있어서는 광각반사판(180)의 표면에 맺힌 식물의 이미지를 획득하는 역할과, 레퍼런스 반사판(170)에서 반사된 빛의 분광 분포를 측정하는 역할, 장파장 빛의 강도변화를 측정하는 역할을 한다.

LED 전등(12)에서 입사된 빛은 레퍼런스반사판(170)에 의해서 특정한 파장영역에 해당되는 빛이 선택적으로 반사된 후 광각반사판(180)에 반사되어 카메라(190)의 R, G, B 필터를 통과한 후 수광소자에 입사된다. 그리고 수광소자에 의해서 입사된 빛의 파장영역별 강도가 측정된다. 예를 들어, 450±10㎚의 파장영역의 파장만 반사하는 청색 컬러필터에서 반사된 빛은 카메라(190)의 B 필터를 통과하여 측정되며, 655±10㎚의 파장영역의 파장만 반사하는 적색컬러필터에서 반사된 빛은 카메라(190)의 R 필터를 통과하여 측정된다.

또한, 반사판의 청색 컬러필터는 450±10㎚의 파장영역 만을 반사시키나, 카메라(190)의 청색필터는 400 ~ 550㎚의 파장영역을 통과시킨다. 따라서 레퍼런스 반사판(170)에 컬러필터를 부착함으로써, 측정하고자하는 파장영역의 강도를 좀 더 정확하게 측정할 수 있다. 즉, 레퍼런스 반사판(170)을 사용하지 않으면, 400 ~ 550㎚의파장영역의 빛은 카메라(190)에서 모두 청색으로 인식되나, 레퍼런스 반사판(170)을 사용하면, 측정하고자 하는 450±10㎚ 파장영역의 빛만 청색으로 인식된다.

카메라(190)에서 획득한 식물의 이미지는 태양광, 백색광하에서 식물을 촬영할 때 얻을 수 있는 이미지와는 색상에 있어서 큰 차이가 있다. 식물이 녹색으로 보이는 이유는 식물이 청색광과 적색광을 흡수하고, 녹색광은 반사하기 때문이다. 식물공장에서는 식물의 생장에 사용되지 않아서 불필요한 녹색광은 최소로 하고, 식물의 생장에 필요한 청색광과 적색광만을 조사한다. 따라서 식물공장의 카메라(190)에서 획득한 식물의 색상은 진한 녹색이아닌, 청색이나 적색일 수 있으며, 광원에서 조사되는 빛의 분광 분포가 변화하면 이에 따라서 변화한다.

따라서 카메라(190)에서 획득한 식물의 이미지를 통해서 식물의 생장상태를 파악하기 위해서는 식물의 이미지를 LED전등(12)에서 조사되는 빛의 분광 분포를 고려해서 보정하여야 한다.

LED 제어부는 카메라(190)에서 측정된 파장 영역별 빛의 강도데이터를 이용하여 현재 재배공간에 조사되고 있는 빛의 분광 분포를 계산하여, 레드 LED 전등(R), 블루 LED전등(B), 그린 LED전등(G) 일부의 전원을 차단, 공급하거나, 전원이 공급되는 시간을 조절하여 식물의 생장에 최적화된 분광 분포의 빛이 재배공간에 조사되도록 한다.

또한, 조사되고 있는 빛의 파장 영역별 강도의 비를 이용해서 획득한 식물의 이미지를 백색광이 조사될 때의 이미지로 보정하는 역할을 한다. 보정하는 방법을 예를들면 다음과 같다. 측정 대상물이 백색이고, LED 전등(12)에 의한 입사광이 R:G:B = 8:1:3의 비율로 조사되고, 카메라(190)에서 획득된 이미지는 R:G:B = 4:0.5:1.5로 측정되었다면, 측정 대상물은 적색으로 인식된다. 그러나 입사광의 비율인 R:G:B = 8:1:3을 적용하여 입사광이 백색광인 경우로 보정하면, R:G:B = 0.5:0.5:0.5인 백색의 측정 대상물의 이미지를 얻게 된다. 이러한 보정을 통해서 식물의 백색광에서의 이미지를 얻을 수 있다. 이하에서는 이러한 백색광 하에서의 이미지를 실감이미지라고 한다.

이렇게 획득한 실감이미지를 통해서 식물의 생장상태를 실시간으로 시각적으로 판단하여, 손질의 필요성이나 수확시기의 확인 등을 재배영역에 들어가지 않고도 용이하게 확인할 수 있으며, LED 전등(12)에서 입사되는 빛의 분광 분포를 바꿀 수 있다. 예를 들어, 식물의 성장초기단계에는 레드 LED 전등(R)의 광량을 높게 조사하여, 식물체를 신장시키고, 성숙기에는 적색광을 적게 포함하는 광으로 전환하는 방법으로 수확시기를 빠르게 할 수 있다. 또한, 성장 도중에 잎의 색상이 녹색에서 적색으로 변화하는 식물의 경우, 실감 이미지를 통해서 색상의 변화가 확인되면, 레드 LED 전의 조사량을 줄일 수 있다. 특히, 다품 종을 재배하거나 수확시기가 다른 작물을 동시에 재배하는 경우엔 유효하다.

또한, 관리서버(70)는 게이트 웨이(60)를 통해 카메라(190)에서 측정된 데이터터를 전송받아 카메라(190)에서 획득된 입사광의 파장영역별 강도비 데이터 중에서 장파장의 강도, 즉, 레퍼런스반사판(170)에서 반사된 입사광 중 장파장의 강도와 식물의 이미지에서 획득된 엽록소 형광이나 장파장의 강도를 비교함으로써 식물의 생장상태를 확인할 수 있다. 예를 들면, 엽록소에서 방출되는 형광은 광합성 초기 광화학반응에 사용되지못한 빛에너지의 일부가 다시 빛으로 방출되는 것이다. 이와 같이 버려지는 에너지로서 형광은 식물에는 쓸모가 없으나 광화학 반응이 감소하면 형광이 증가하며 반대의 경우에는 감소하는 상보적인 양상을 보이므로, 형광의 측정 및 분석을 통하거나 장파장(810~830㎚)의 흡수율을 측정하여 광합성 기구의 구조 및 기능의 변화를 민감하게 알 수 있다. 단, 카메라(190)에는 RGB 필터가 장착되어 있어, 원칙적으로 장파장의 빛이 차단되어야 하나, 실제로는 완벽하게 차단되지 않는다. 또한, 필요한 경우에는 일부 수광소자에는 투명한 윈도우(clear window)를 장착하여 장파장의 빛이 통과하도록 할 수도 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연한것으로, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

10:LED 전등부
11:PCB기판
12:LED 전등
13:방열부재
14:방열핀
15:냉각튜브
16:반사판
20:파워제어모듈
21:전원공급부
22:파워체크부
23:스위칭부
30:LED제어기
40:태양광조도제어유닛
41:광센서
42:온도센서
43:CO2측정센서
44:위치센서
45:조광측정제어기
46:무선컨트롤러
50:전력미터기
60:게이트웨이
70:관리서버
100:LED 조명 시스템
110:틀체
111:수직프레임
112:상부 수평프레임
112`:하부 수평프레임
120:재배상자
130:호스연결구
131:분기구
132:연결호스
140:지지대
150:승강부재
151:이송롤러
152:수직이송가이드
153:걸고리
154:와이어로프
155:제1가이드롤러
156:제2가이드롤러
157:로프권취장치
158:권취롤
159:작동핸들
160:각도조절수단
161:급수관로
170:레퍼런스 반사판
180:광각 반사판
181:딤플
190:카메라

Claims

식물공장 LED 조명 시스템에 있어서,
식물의 조명으로 사용되는 복수의 LED 전등을 구비하는 복수개의 LED 전등부;
상기 LED 전등부를 제어하는 LED 제어기;
CO2, O2, 온도, 습도, 밝기값 및 색상값 중 적어도 어느 하나를 감지하여 식물의 생장에 필요한 환경정보를 생성하는 태양광조도제어유닛;
상기 LED 조명 시스템에서 소비되는 전력정보를 측정하는 전력 미터기;
상기 환경정보 및 상기 전력정보를 수신하는 게이트웨이;
상기 게이트웨이로부터 상기 환경정보 및 상기 전력정보를 수신하고, 상기 게이트 웨이를 통하여 상기 LED 제어기로 제어데이터를 전송하도록 하는 관리서버;
상기 식물공장 내에 설치되어 상기 LED들에서 입사된 빛을 반사하는 레퍼런스 반사판;
재배공간의 식물 위에 배치되어, 그 표면에 식물의 이미지가 맺히는 광각 반사판;
상기 반사된 빛의 경로 상에 설치되며 상기 광각 반사판에 맺힌 식물 이미지를 획득하고 상기 레퍼런스 반사판에서 반사된 빛의 파장영역 별 강도의 비를 측정하는 카메라를 포함하고,
상기 LED 전등부는,
PCB 기판을 갖는 본체, 상기 본체의 내부에서 서로 다른 파장 범위를 갖고 파장 범위별로 그룹들을 이루어 상기 PCB 기판에 실장되는 다수개의 LED들, 및 상기 LED들과 전기적으로 연결되어 그룹들 간의 파워비율이 상기 LED 제어기로부터 입력되면, 입력되는 파워비율이 기설정 파워 비율 범위에 포함되도록 상기 그룹들의 작동을 제어하는 파워제어모듈을 포함하고,
상기 파워제어모듈은,
상기 그룹들 각각으로 전원을 공급하는 전원공급부와, 상기 그룹들 각각에서 출력되는 파워를 체크하는 파워체크부와, 상기 전원공급부와 상기 그룹들 각각의 LED들을 서로 선택으로 스위칭하는 스위칭부를 포함하고,
상기 LED 제어기는,
상기 전원공급부와 상기 파워체크부 및 상기 스위칭부와 전기적으로 연결되며, 상기 그룹들 간의 파워비율이 입력되면 상기 파워체크부로부터 상기 그룹들 각각의 파워를 전송받아 입력되는 파워비율이 기설정된 파워비율 범위에 포함되도록 상기 전원공급부와 상기 스위칭부를 제어하여 상기 그룹들의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 광원제어가 가능한 식물공장 LED 조명 시스템.
제 1항에 있어서,
LED 그룹은,
640m ~ 670nm의 파장범위를 이루는 다수개의 레드 LED들로 구성되는 제1그룹과, 440nm ~ 470nm의 파장범위를 이루는 다수개의 블루 LED들로 구성되는 제2그룹과, 510nm ~ 540nm의 파장범위를 이루는 다수개의 그린 LED들로 구성되는 제3그룹을 구비하는 것을 특징으로 하는 광원제어가 가능한 식물공장 LED 조명 시스템.
제2항에 있어서,
상기 LED들은 레드 LED, 블루 LED 및 그린 LED로 구성되는 단위 구조를 일정간격으로 배치하여 이루어지고, 상기 레드 LED 및 상기 그린 LED는 사각형 패턴의 그물망 구조를 형성하고, 상기 블루 LED는 삼각형 패턴의 벌집 그물망 구조를 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 광원제어가 가능한 식물공장 LED 조명 시스템.
제1항에 있어서,
태양광 조도제어유닛은,
식물공장으로 비춰지는 태양광의 세기를 측정하는 광센서, 실내온도를 측정하는 온도센서, 실내 CO2량을 측정하는 CO2측정센서 및 식물공장 재배용 작물의 발육에 따른 높이를 측정하는 위치센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 광원제어가 가능한 식물공장 LED 조명 시스템.
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