KR101788514B1 - IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 환기를 최소화하여 농산물 재배시설의 온도 유지에 필요한 에너지를 절감하되, 재배시설 내부에서 발생하는 농산물의 광합성 및 호흡에 따라 발생되는 산소 및 이산화탄소의 농도를 농산물 생육환경에 적합한 상태로 유지할 수 있는 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템을 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템은 차광장치, 급수장치, 환기장치, 온도조절장치 및 습도조절장치를 포함하는 시설물장치가 설치되고, 밀폐된 공간에서 농산물을 생육하는 농산물 재배시설; 상기 농산물 재배시설 외부 및 내부의 온도와 습도를 검출하고, 상기 농산물 재배시설 내부의 산소와 이산화탄소의 농도를 검출하며, 상기 농산물 재배시설 내부의 조도를 검출하여 상기 농산물 재배시설 내부를 저장된 설정정보에 근거하여 온도, 습도, 산소, 이산화탄소 및 조도로 제어하며, 상기 농산물 재배시설에 설치된 시설물장치를 제어하는 제어장치; 무선 인터넷망 또는 CDMA망을 통해 상기 제어장치의 설정/제어정보 및 상기 제어장치를 제어하는 제어신호를 송수신하는 중계장치; 및 상기 중계장치와의 통신을 통해 상기 제어장치의 설정정보 및 제어정보를 수신하여 표시하고, 상기 제어장치로 상기 농산물 재배시설에 포함된 시설물장치에 대한 제어신호를 송신하는 모바일장치를 포함하여 구성되고, 상기 제어장치는 검출된 온도 및 습도와 미리 설정된 설정정보를 비교하고, 비교에 의해 검출된 온도 및 습도가 미리 설정된 허용범위를 벗어난 경우에는 상기 시설물장치를 제어하여 상기 농산물 재배시설의 온도를 설정정보의 범위로 조절하고, 조절된 온도에 대응하여 상기 농산물 재배시설 내부의 습도를 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템{CULTIVATION ENVIRONMENT CONTROL AND CORRECTION SYSTEM FOR AGRICULTURAL PRODUCT USING INTERNET OF THINGS}
본 발명은 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원격에서 농산물 재배시설을 모니터링하고, 농산물에 대한 온도, 습도, 이산화탄소 및 산소를 조절하여 생육조건을 충족할 수 있도록 하며, 온도에 따른 습도를 제어하고, 광량에 따른 이산화탄소 및 산소를 보정 조절하여 농산물을 원격에서 재배할 수 있는 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템에 관한 것이다.
온실 또는 하우스 등에서 이루어지는 농산물의 재배는 작업자가 직접 재배시설에 접근하여 농산물의 생육 상태를 관찰하고 시설물을 조작하여 농산물에 대한 생육조건을 맞춰줘야만 한다. 그러나 이러한 작업자의 재배시설물 직접 조작 방식은 작업자가 직접 재배시설물에 접근해야되는 시간적 여유가 있어야 하고, 부주의나 제어장치의 결함으로 인해 농작물이 고온장애나 저온장애 등 그 피해가 많으며, 작업자의 경험칙에 의해 농산물을 생육하는 게 현실이다.
이에, 센서와 네트워크 기반의 스마트 농업생산 시스템으로 농산물의 생장, 생육 단계부터 온도, 습도 및 이산화탄소(CO2) 등의 정보 관리에 기초해 최적의 환경을 조성하고, 병충해 등의 피해를 방지할 수 있도록 IoT(Internet Of Things)와 연계한 다양한 농산물 재배 시스템이 개발되었다.
IoT와 연계한 농산물 재배 시스템은 재배시설물 내의 온도 및 습도를 측정하여 표시하고, 카메라, 펌프, 각종 밸브, 전열기구, 조명기구 등을 제어할 수 있도록 한 제어기를 이용하여 원격에서 재배시설물을 모니터링하면서 농산물을 재배하는 것으로서, 최소의 노동력을 통해 다수의 재배시설물을 관리함에 따라 농업 경쟁력을 향상시킬 수 있는 기술로 꼽히고 있다.
이러한 IoT와 연계한 농산물 재배 시스템 중의 하나로서, 등록특허공보 제10-1696761호에는 온실공조 및 대지 환경제어시스템이 개시되었다.
상기 기술은 작물을 재배하는데 있어서 시설 재배가 가능한 온실과, 상기 온실로부터 작물 재배 환경에 대한 데이터를 수신하여 이를 통합관제서버로 송신하고 상기 통합관제서버로 수신된 명령어에 따라 온실의 재배환경을 제어할 수 있도록 하는 통합제어부와, 상기 통합제어부로 수신된 온실의 환경에 대한 데이터를 저장하고 통제할 수 있도록 하는 통합관제서버와, 상기 통합관제서버와 연결되며 상기 통합관제서버로부터 식물 재배와 관련한 자료 요청시 그에 따른 정보를 제공하는 식물재배정보제공서버와, 상기 통합관제서버에 접근하여 온실의 상태를 모니터링 할 수 있도록 하는 개인단말기를 포함하여 이루어지는 온실공조 및 대기환경제어시스템에 관한 것이다.
또한, 등록특허공보 제10-1682066호에는 IoT 기술을 활용한 하우스 운영 관리 시스템이 개시되었다.
상기 기술은 IoT 기술을 활용한 하우스 운영 관리 시스템 비닐하우스 안의 상태가 어떤지 영농인 앱으로 알 수 있어 수시로 체크할 수 있고, 원격제어 기능과 전문가 상담 기능, 전문가에게 알람을 전송하는 기능, 분야에서 유명한 전문가를 추천받는 기능, 스마트 하우스를 원격에서 전문가가 제어하도록 하는 기능, 공동 판매 전문가의 도움을 받아 생산농가의 개별 판매가 아닌 생산농가 생산물을 모두 합하여 공동으로 판매가 가능하도록 하는 기능 및 각 농가마다 영농일지 생성을 자동으로 가능하게 하는 기능을 포함하는 IoT 기술을 활용한 하우스 운영 관리 시스템에 관한 것이다.
그러나 상기 기술들을 포함한 종래 기술들은 환기시 온실의 창문을 개방하거나 하우스의 도어를 개방하도록 관련 재배시설을 제어하게 되는 데, 이러한 환기에 의해 재배시설 내부의 온도가 급격히 변화될 수 있고, 온도의 급격한 변화에 따라 농산물의 생육 환경에 적합한 온도 범위로 조절하기 위해 냉방장치 또는 난방장치가 구동되어 열 손실이 발생되는 문제점이 발생된다.
아울러, 환기에 따라 농산물 재배시설 내부의 온도 변화는 상대습도를 변화시키게 되어 마찬가지로 가변된 상대습도가 농산물의 생육환경을 저해하는 문제점이 있다.
KR 10-1696761 B1 (2017. 01. 10.) KR 10-1682066 B1 (2016. 11. 28.)
본 발명은 상기 종래기술이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 해소하고자 하는 과제는, 환기를 최소화하여 농산물 재배시설의 온도 유지에 필요한 에너지를 절감하되, 재배시설 내부에서 발생하는 농산물의 광합성 및 호흡에 따라 발생되는 산소 및 이산화탄소의 농도를 농산물 생육환경에 적합한 상태로 유지할 수 있는 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템을 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템은 차광장치, 급수장치, 환기장치, 온도조절장치 및 습도조절장치를 포함하는 시설물장치가 설치되고, 밀폐된 공간에서 농산물을 생육하는 농산물 재배시설; 상기 농산물 재배시설 외부 및 내부의 온도와 습도를 검출하고, 상기 농산물 재배시설 내부의 산소와 이산화탄소의 농도를 검출하며, 상기 농산물 재배시설 내부의 조도를 검출하여 상기 농산물 재배시설 내부를 저장된 설정정보에 근거하여 온도, 습도, 산소, 이산화탄소 및 조도로 제어하며, 상기 농산물 재배시설에 설치된 시설물장치를 제어하는 제어장치; 무선 인터넷망 또는 CDMA망을 통해 상기 제어장치의 설정/제어정보 및 상기 제어장치를 제어하는 제어신호를 송수신하는 중계장치; 및 상기 중계장치와의 통신을 통해 상기 제어장치의 설정정보 및 제어정보를 수신하여 표시하고, 상기 제어장치로 상기 농산물 재배시설에 포함된 시설물장치에 대한 제어신호를 송신하는 모바일장치를 포함하여 구성되고, 상기 제어장치는 검출된 온도 및 습도와 미리 설정된 설정정보를 비교하고, 비교에 의해 검출된 온도 및 습도가 미리 설정된 허용범위를 벗어난 경우에는 상기 시설물장치를 제어하여 상기 농산물 재배시설의 온도를 설정정보의 범위로 조절하고, 조절된 온도에 대응하여 상기 농산물 재배시설 내부의 습도를 조절하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 검출된 산소의 농도가 허용범위를 초과한 경우, 상기 제어장치의 제어에 의해 상기 농산물 재배시설 내부의 산소를 포집하여 저장하는 산소조절장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 산소조절장치는 상기 저장된 산소를 압축 냉각하여 액화산소로 저장하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어장치는 온도, 습도, 조도, 산소농도 및 이산화탄소농도를 검출하는 센서부; 상기 온도조절장치, 습도조절장치 및 산소농도조절장치를 제어하는 환경제어부; 상기 차광장치, 급수장치 및 환기장치를 제어하는 시설물제어부; 상기 농산물 재배시설의 외부 및 내부의 이동 물체를 감지하고, 상기 감지에 따라 이동물체를 촬영하는 촬영부; 상기 농산물 재배시설에서 재배되는 농산물에 대한 생육 시기별 환경정보, 사용자의 조작에 의해 입력된 생육환경의 설정정보, 상기 설정정보에 대한 허용범위 정보가 저장 관리되는 저장관리부; 상기 센서부에서 검출된 온도 및 습도와 미리 설정된 설정정보를 비교하고, 비교에 의해 검출된 온도 및 습도가 미리 설정된 허용범위를 벗어난 경우 알람을 출력하는 경고부; 및 상기 센서부에서 검출된 정보와 상기 저장관리부에 저장된 설정정보를 그래프 또는 테스트로 표시하는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제어장치는 상기 농산물 재배시설 내부의 산소와 이산화탄소의 농도를 검출하여 환기가 필요한 것으로 판단되는 경우, 상기 농산물 재배시설 외부 및 내부의 온도를 비교하여 외부 온도와 내부 온도의 차이의 절대 온도값이 3 ~ 5인 범위에서 상기 환기장치를 동작시켜 상기 농산물 재배시설 내부의 공기를 외부로 방출하거나 외부 공기를 상기 농산물 재배시설 내부로 유입시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 농산물 재배시설의 환기를 최소화함에 따라 농산물 재배시설 내부의 온도를 재배되는 농산물의 생육온도로 유지하는 데 따른 냉 난방 에너지 손실이 감소되도록 하여 농산물의 가격 우의를 선점할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템의 전체적인 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템에 적용된 시설물장치에 대한 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템에 적용된 산소조절장치의 분리기의 개략적인 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템에 적용된 제어장치의 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템에서 농산물 재배시설을 관리 및 제어하기 위해 모바일장치에 표시되는 인터페이스.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 원격에서 농산물 재배시설을 모니터링하고, 농산물에 대한 온도, 습도, 이산화탄소 및 산소를 조절하여 생육조건을 충족할 수 있도록 하며, 온도에 따른 습도를 제어하고, 광량에 따른 이산화탄소 및 산소를 보정 조절하여 농산물을 원격에서 재배할 수 있는 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템의 전체적인 구성도를 나타낸 것이다.
첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템은 농산물 재배시설(100), 제어장치(200), 중계장치(300) 및 모바일장치(400)를 포함하여 구성된다.
농산물 재배시설(100)은 외부와 밀폐된 공간을 형성하고 그 내부에 농산물을 재배하는 시설물로서, 하우스 또는 온실 등으로 구성될 수 있고, 농작물 생육에 요구되는 다양한 시설물장치(101)가 구비된다.
도 2는 본 발명에 따른 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템에 적용된 시설물장치에 대한 구성을 나타낸 도면이다.
상기 시설물장치(101)에는 차광장치(110), 급수장치(120), 환기장치(130), 온도조절장치(140), 습도조절장치(150) 및 산소조절장치(160) 등이 포함된다.
차광장치(110)는 햇빛을 차단하여 그늘을 형성하기 위한 장치로서, 모터의 구동에 의해 차광막을 말거나 펼쳐지도록 구성될 수 있다.
급수장치(120)는 상기 농산물 재배시설(100)에서 생육되는 농산물에 물을 공급하기 위한 장치로서, 급수가 수용되는 탱크, 상기 탱크에 수용된 물을 펌핑하는 모터 및 모터에 의해 펌핑되는 물을 공급하는 분사기 등을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 분사기는 바닥에 설치되는 점적호스 또는 지붕 하부에 설치되는 스프링클러(sprinkler) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
환기장치(130)는 농산물 재배시설의 내부 공기를 배출하거나 외부 공기를 유입시켜 농산물 재배시설의 공기를 외부 공기와 교환하는 장치로서, 농산물 재배시설 내부의 공기를 인위적으로 배출시키기 위한 배출팬 또는 외부 공기를 인위적으로 유입시키기 위한 흡입팬 등을 포함하여 구성될 수 있으나, 설계조건에 따라서 창문의 개폐시설로도 구성될 수 있다.
온도조절장치(140)는 농산물 재배시설 내부의 온도를 조절하는 장치로서, 온도를 올려주기 위한 난방기, 온도를 저하시키기 위한 냉방기 등을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 난방기는 화석연료를 이용한 보일러 또는 지중저수열을 이용한 난방시설 등으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 냉방기는 상기 환기장치(130)에 연계하여 생략될 수 있다.
습도조절장치(150)는 농산물 재배시설 내부의 습도를 조절하는 장치로서, 습도를 올려주기 위한 가습기 및 습도를 저감시키기 위한 제습기 등을 포함하여 구성될 수 있다.
산소조절장치(160)는 농산물 재배시설 내부의 산소를 포집하여 산소 농도를 조절하는 장치로서, 공기 중의 산소를 분리하는 분리기와 상기 분리기에서 분리된 산소를 저장하는 산소저장탱크(167)를 포함하여 구성된다.
공기 중에서 산소를 분리하는 방식은 다양하다. 공기 중에서 산소를 분리하는 방식 중에서 공기에 대해 고압으로 압축과 팽창을 반복하면서 질소와 산소의 분자 크기 차이를 이용하는 방식이 있으나, 분리되는 가스의 양에 비해 사용하는 공기의 양이 많고 공정에 시간이 많이 소요되는 등 생산성이 낮은 문제점이 있다.
이에, 본 발명에서 적용되는 산소조절장치(160)의 분리기는 초전도 자기분리 방식을 적용하여 구성될 수 있다.
질소는 아주 약한 반자성(-0.43x10-6cm3/mol)을 띄며, 산소는 상자성 물질 중에서 큰 자화율(108x10-6cm3/mol)을 가지고 있다. 따라서 고자장 하에서 질소는 거의 영향을 받지 않으나, 산소는 강한 자장 방향으로 끌려가게 된다. 물론 산소는 Fe, Ni, Co와 같은 강한 자성체에 비해서는 자화율이 훨씬 작기 때문에 초전도 자기장을 발생시키는 마그네틱이 요구된다.
도 3은 본 발명에 따른 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템에 적용된 산소조절장치의 분리기 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
첨부된 도 3을 참조하면, 산소조절장치의 분리기는 공기가 유입되는 유입관(161), 복수 개의 통공을 가지고 상기 유입관(161) 내부에 설치되는 격막(162), 상기 유입관(161)의 출구측에서 제1 이송관(163)과 제2 이송관(164)으로 분기되는 분기관(164), 상기 유입관(161)과 상기 제2 이송관(164) 내부에 설치되는 자기필터 와이어(165) 및 상기 제2 이송관(164)의 외측면에 설치되는 초전도 마그네틱(166)을 포함하여 구성될 수 있다.
이에 따라, 초전도 마그네틱(165)에 의해서 형성된 자속은 자기필터 와이어(165)에 의해서 제2 이송관(164) 내부에 집중되게 되고, 유입관(161)으로 유입된 공기 중에서 산소는 초전도 마그네틱(166)이 구비되는 제2 이송관(164)으로 유도되어 산소저장탱크(167)에 압축 저장되고, 산소를 제외한 공기(이산화탄소 및 질소 등)는 제1 이송관(163)을 통해 배기된다.
여기서, 밀폐된 구역 내에서 농산물을 밀집 재배하는 경우, 농산물의 광합성 과정에서 많은 이산화탄소를 필요로 한다. 즉, 온도가 유지되는 밀폐된 구역에서 농산물을 재배하는 경우에는 이산화탄소의 농도가 현저히 낮아질 수 있고, 이에, 농산물의 광합성을 유지하기 위해 이산화탄소를 공급해줘야 하는 농산물도 있다. 이에 따라, 상기 제1 이송관(163)을 통해 배기되는 공기 중에서 이산화탄소는 이산화탄소 포집장치를 통해 포집되어 농산물 재배시설 내부로 공급되도록 구성될 수 있다.
제어장치(200)는 농산물 재배시설(100)의 각 장치들을 미리 설정된 설정정보에 근거하여 농산물 생육에 필요한 환경을 제어하는 것으로서, 상기 농산물 재배시설 외부 및 내부의 온도와 습도를 검출하고, 상기 농산물 재배시설 내부의 산소와 이산화탄소의 농도를 검출하며, 상기 농산물 재배시설 내부의 조도를 검출하여 상기 농산물 재배시설 내부를 미리 설정되어 저장된 설정정보에 근거하여 온도, 습도, 산소, 이산화탄소 및 조도로 제어하며, 상기 농산물 재배시설에 설치된 시설물장치를 제어하는 기능을 수행한다.
도 4는 본 발명에 따른 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템에 적용된 제어장치의 구성을 나타낸 도면이다.
첨부된 도 4를 참조하면, 제어장치(200)는 센서부(210), 환경제어부(220), 시설제어부(230), 촬영부(240), 저장관리부(250), 경고부(260) 및 표시부(270)를 포함하여 구성된다.
센서부(210)는 상기 농산물 재배시설(100)의 내·외부의 농작물과 관련된 환경정보를 검출한다.
이때, 환경정보에는 온도, 습도, 조도, 산소농도 및 이산화탄소농도 등이 포함되어 구성될 수 있고, 세부적으로 농산물 재배시설 내·외부의 온도를 검출하는 온도검출모듈(211), 농산물 재배시설 내부의 습도를 검출하는 습도검출모듈(212), 농산물 재배시설 내부의 산소농도를 검출하는 산소농도검출모듈(213), 농산물 재배시설 내부의 이산화탄소농도를 검출하는 이산화탄소검출모듈(214) 및 조도를 검출하는 조도검출모듈(215)을 포함한다.
환경제어부(220)는 농산물의 생육 환경을 제어하고 온도에 대한 습도를 보정하는 기능을 수행하는 것으로서, 온도조절모듈(221), 습도조절모듈(222) 및 산소조절모듈(223)을 포함하여 구성된다.
온도조절모듈(221)은 농산물 재배시설(100) 내부를 미리 설정된 온도정보로 조절하는 기능을 수행하는 것으로서, 상기 센서부(210)의 온도검출모듈(211)에서 검출된 온도와 미리 설정된 설정정보의 온도를 비교하여 상기 온도조절장치(140)를 동작시키는 제어신호를 통해 농산물 재배시설(100) 내부를 미리 설정된 온도의 허용범위로 조절하는 기능을 수행한다.
설계조건에 따라서, 검출된 농산물 재배시설(100) 내부의 온도가 미리 설정된 설정정보의 온도 허용범위보다 상대적으로 높은 경우에는 환기장치(130)를 구동하여 농산물 재배시설(100) 내부의 온도를 저하시키도록 구성될 수 있다. 또는, 차광장치(110)를 구동하여 햇빛을 차단하도록 하여 농산물 재배시설(100) 내부의 온도를 저하시키도록 구성될 수 있다.
즉, 온도조절모듈(221)은 농산물 재배시설 내·외부의 상황과 농산물의 생육환경에 근거하여 주변 장치를 제어하여 온도를 조절하되, 화석 에너지의 사용을 배제하는 온도 제어가 우선되도록 구성될 수 있다.
습도조절모듈(222)은 농산물 재배시설(100) 내부를 미리 설정된 습도로 조절하는 기능을 수행하는 것으로서, 상기 센서부(210)의 습도검출모듈(212)에서 검출된 습도와 미리 설정된 설정정보의 습도를 비교하여 상기 습도조절장치(150)를 동작시키는 제어신호를 통해 농산물 재배시설(100) 내부를 미리 설정된 습도 허용범위로 조절하는 기능을 수행한다.
여기서, 습도는 절대습도와 상대습도로 구분된다.
절대습도는 공기 중에 포함된 수증기의 양을 의미하는 것으로서, 공기 1㎥중에 포함된 수증기의 양을 g으로 나타내며, 수증기밀도 또는 수증기농도라고 한다.
상대습도는 현재 포함된 수증기량과 공기가 최대로 포함될 수 있는 수증기량의 비를 퍼센트로 나타낸 것으로서, 포화수증기량은 온도에 따라 변하기 때문에 공기가 포함한 수증기량이 일정해도 상대습도는 온도에 따라 다른 값을 가지게 된다.
예를 들어, 현재 습도가 100%라고 한다면 현재 공기 중에 있는 수증기량이 현재 온도의 포화수증기량과 동일하다는 의미이며, 이 상태에서 온도가 상승하게 되면 상대습도는 낮아지게 된다.
따라서, 본 발명에서는 상기 온도조절모듈(221)을 통해 농산물 재배시설(100) 내부의 온도가 가변되는 경우에는 습도조절모듈(222)을 연동하여 습도를 보정하도록 구성된다.
즉, 농산물 재배시설 내부의 온도를 낮추는 경우, 상대습도는 상승하게 되고, 포화수증기량을 초과하게 되어, 이슬이 맺히게 되므로, 습도조절모듈(222)의 제습기를 구동하여 습도를 저하시키도록 구성한다. 반대로, 농산물 재배시설 내부의 온도를 높이는 경우, 상대습도가 저하되게 되기 때문에, 습도조절모듈(222)의 가습기를 구동하여 습도를 상승시키도록 한다.
산소조절모듈(223)은 농산물 재배시설(100) 내부를 미리 설정된 산소농도정보로 조절하는 기능을 수행하는 것으로서, 상기 센서부(210)의 산소농도검출모듈(213)에서 검출된 산소농도와 미리 설정된 설정정보의 산소농도를 비교하여 상기 산소조절장치(160)를 동작시키는 제어신호를 통해 농산물 재배시설(100) 내부를 미리 설정된 산소농도 허용범위로 조절하는 기능을 수행한다.
여기서, 설정정보에는 온도에 대한 온도정보, 습도에 대한 습도정보 및 산소농도에 대한 산소농도정보 등이 포함될 수 있고, 이에 더하여 이산화탄소농도정보가 더 포함될 수 있다.
온도, 습도 및 산소농도의 경우 농산물 재배시설에서 생육되는 농산물에 대한 각각의 허용범위가 미리 설정되게 된다. 즉, 각각의 온도정보, 습도정보 및 산소농도정보에는 허용 최소값과 최대값이 포함되게 된다. 이때, 상기 온도조절모듈(221), 습도조절모듈(222) 및 산소조절모듈(223)은 허용범위의 최소값 미만으로 낮아지거나 최대값을 초과하는 경우 동작되고, 동작에 따라 조절되는 값은 최소값과 최대값의 중간값으로 설정되도록 제어될 수 있다.
밀폐된 공간으로 구성되는 농산물 재배시설 내부는 농산물의 광합성에 의해 이산화탄소가 부족할 수 있다. 농산물을 포함한 식물은 광합성과 호흡을 하게 되는 데, 식물은 광합성작용에 따라 이산화탄소를 흡수하여 산소를 방출하고, 호흡작용에 따라 산소를 흡수하여 이산화탄소를 방출하게 된다. 이때, 식물이 광합성작용에 의해 흡수하는 이산화탄소의 양은 호흡작용에 의해 흡수하는 산소의 양보다 상대적으로 많다. 따라서, 밀폐공간에서 이루어지는 농산물 생육의 경우, 산소의 농도는 점진적으로 증가되나 이산화탄소의 양은 점진적으로 감소되게 된다.
이에, 환경제어부는 이산화탄소조절모듈(224)을 더 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소조절모듈(224)은 농산물 재배시설(100) 내부의 이산화탄소의 농도를 검출하여 이산화탄소농도를 적정 수준으로 유지하기 위해 이산화탄소를 공급하는 기능을 수행하는 것으로서, 농산물 재배시설(100) 외부의 공기를 압축하는 컴프레셔, 상기 컴프레셔에 의해 압축된 혼합기체 중 수분 분리 및 기체를 냉각하는 드라이어, 상기 드라이어를 통하여 수분이 제거된 기체 중 특정 기체를 분리하는 멤브레인 필터, 상기 멤브레인 필터를 통하여 이산화탄소를 분리할 때에 압력을 일정하게 조절하는 유량계, 상기 유량계를 통하여 일정한 압력으로 조절된 이산화탄소에 대해 압축저장이 가능한 리시브탱크 및 상기 리시브탱크에 연결된 배출라인으로 구성될 수 있다.
설계조건에 따라서 상기 리시브탱크는 외부에서 공급될 수 있다. 예를 들면 축사, 발전소, 공장 등 이산화탄소가 대량으로 배출되는 지역에서 포집되어 농축 저장된 리시브탱크가 적용될 수 있다. 이에, 이산화탄소의 소비에 따른 환경을 보호할 수 있는 장점이 있다.
여기서, 이산화탄소의 농도와 광합성과의 관계를 살펴보면, 이산화탄소의 농도가 증가될수록 광합성도 증가되나, 공기 중의 이산화탄소농도가 0.1% 범위에 도달되게 되면, 광합성은 더 이상 증가하지 않고 일정 수준을 유지하게 된다. 따라서, 농산물 재배시설 내의 이산화탄소농도는 0.1% 이상 유지하여도 무방하나 공기 중의 이산화탄소 농도인 0.03 ~ 0.1% 범위 내에서 유지되도록 구성됨이 바람직하다.
예를 들면, 파프리카 등의 농산물의 경우 이산화탄소 농도를 700ppm으로 유지하게 되면, 수량이 15% 증가되고 품질이 향상되어 소득이 증가되는 것으로 연구되었다. 따라서, 재배되는 농산물의 품종에 따라 적절한 이산화탄소를 공급하여 농산물의 품질 및 수량을 증가시킬 수 있다.
상기의 구성을 통해 온도조절모듈(221), 습도조절모듈(222) 및 산소농도조절모듈(223)이 상호 연계된 상태에서 농산물 재배시설 내·외부의 상황과 농산물의 생육환경에 근거하여 온도가 조절되도록 하되, 화석 에너지의 사용이 배제되는 온도 제어가 우선되도록 구성될 수 있다.
즉, 제어장치는 상기 농산물 재배시설 내부의 산소와 이산화탄소의 농도를 검출하여 환기가 필요한 것으로 판단되는 경우, 환기장치(130)를 구동하여 농산물 재배시설(100) 내부의 공기와 외부의 공기가 교환되도록 한다. 이때, 필요에 따라 즉시 환기장치를 동작시키지 않고 상기 농산물 재배시설 외부 및 내부의 온도를 비교하여 외부 온도와 내부 온도의 차이의 절대 온도값이 3 ~ 5인 범위에서 상기 환기장치를 동작시켜 상기 농산물 재배시설 내부의 공기를 외부로 방출하거나 외부 공기를 상기 농산물 재배시설 내부로 유입시키도록 구성될 수 있다.
부연하면, 제어장치(200)는 온도조절장치(140)의 구동 시간을 최소화하는 제어방식을 도입하여 화석 에너지의 사용을 절감하도록 구성될 수 있다.
시설제어부(230)는 농산물 재배시설과 연계된 시설물을 제어하는 기능을 수행하는 것으로서, 차광장치(110), 급수장치(120) 및 환기장치(130)를 제어한다. 이때, 상기 장치들은 농산물의 생육 환경에 따라 적절한 햇빛, 물 및 공기를 공급한다.
촬영부(240)는 상기 농산물 재배시설의 외부 및 내부의 이동 물체를 감지하고, 감지에 따라 이동물체를 촬영하여 전송하는 기능을 수행한다.
즉, 촬영부(240)는 농산물의 생육을 원격지에서 관찰하거나 외부의 침입을 감시하는 것으로서, 팬, 틸트 및 줌 기능을 갖는 IP 카메라, CCTV 카메라 등으로 이루어질 수 있다.
저장관리부(250)에는 농산물 재배시설에서 재배되는 농산물에 대한 생육 시기별 환경정보, 사용자의 조작에 의해 입력된 생육환경의 설정정보, 상기 설정정보에 대한 허용범위 정보가 저장 관리된다.
경고부(260)는 상기 센서부(210)에서 검출된 온도 및 습도와 설정정보를 비교하고, 비교에 의해 검출된 온도 및 습도가 설정정보에서 허용범위를 벗어난 경우 알람을 출력하는 기능을 수행한다.
시설물장치(101)는 사용 경과에 따른 노후화 또는 외력에 의한 파손 등에 따라 정상적인 동작을 수행하지 못할 수 있다. 이에, 환경제어부(220) 및 시설물제어부(230)가 정상적으로 동작하여 각 시설물장치를 동작시키는 제어신호를 출력하여도 설정된 생육환경의 허용범위를 벗어나는 환경이 조성될 수 있다.
따라서, 경고부(260)는 센서부(210)에서 검출된 정보가 설정정보를 일정시간이상 초과하는 경우에 동작하여 알람을 출력하거나 사용자의 모바일장치로 경고메시지를 발송하는 기능을 수행한다.
표시부(270)는 상기 센서부에서 검출된 정보와 상기 저장부에 저장된 설정정보를 그래프 또는 테스트로 표시하는 기능을 수행한다.
중계장치(300)는 무선 인터넷망 또는 CDMA망을 통해 상기 제어장치의 설정/제어정보 및 상기 제어장치를 제어하는 제어신호를 송수신하는 기능을 수행한다.
설계조건에 따라서, 상기 중계장치(300)는 상기 제어장치(200)에 통합되어 구성될 수 있다.
모바일장치(400)는 상기 중계장치와의 통신을 통해 상기 제어장치의 설정정보 및 제어정보를 수신하여 표시하고, 상기 제어장치로 상기 농작물 재배시설에 포함된 시설물장치에 대한 제어신호를 송신하는 것으로서, 농산물 재배시설(100)에 연계된 전반적인 제어 및 상황을 파악하도록 구성될 수 있다.
이때, 모바일장치(400)에는 농산물 재배시설(100)을 제어하고 관리할 수 있는 전용 애플리케이션이 설치될 수 있다.
상기 전용 애플리케이션의 구성은 중계기와 통신을 하는 단말기 통신 모듈, 사용자 인증을 실시하는 인증 모듈, 제어장치로부터 전송된 설정정보 및 검출정보를 수신하는 수신모듈, 농산물 재배시설의 촬영 영상을 표시하는 모니터링 모듈, 상기 제어장치를 제어하는 제어모듈 및 농산물 재배시설물에서 재배되는 농작물 상태에 대한 이력 관리를 하는 이력 관리 모듈 등을 포함하여 구성될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템에서 농산물 재배시설을 관리 및 제어하기 위해 모바일장치에 표시되는 인터페이스를 나타낸 것이다.
첨부된 도 5를 참조하면, 인터페이스의 상단에는 농장명과 시간이 표시되고, 그 하단에는 온도정보와 상대습도정보가 표시된다.
상기 온도정보에는 온도에 대한 설정정보와 검출된 온도정보가 포함되고, 상대습도정보에는 상대습도에 대한 설정정보와 검출된 습도정보가 포함된다.
아울러 온도에 대응하여 상대습도의 가변여부를 제어하는 보정가동상태 표시부가 표시된다.
그 하단에는 환기상태 및 조도상태를 나타내는 표시부가 구비되고, 조도상태 표시부 하단에는 이산화탄소(CO2)농도에 대한 설정정보와 검출정보가 표시된다.
이때, 환기를 위해 창문 또는 개방부 등의 개방 정도를 달리하도록 단계별로 제어할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 농산물 재배시설의 환기를 최소화함에 따라 농산물 재배시설 내부의 온도를 재배되는 농산물의 생육온도로 유지하는 데 따른 냉 난방 에너지 손실이 감소되어 농산물의 가격 우의를 선점할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.
100: 농산물 재배시설 101: 시설물장치
110: 차광장치 120: 급수장치
130: 환기장치 140: 온도조절장치
150: 습도조절장치 160: 산소조절장치
200: 제어장치 210: 센서부
211: 온도검출모듈 212: 습도검출모듈
213: 산소검출모듈 214: 이산화탄소검출모듈
215: 조도검출모듈 220: 환경제어부
221: 온도조절모듈 222: 습도조절모듈
223: 산소조절모듈 224: 이산화탄소조절모듈
230: 시설제어부 240: 촬영부
250: 저장관리부 260: 경고부
270: 표시부 300: 중계장치
400: 모바일장치

Claims (5)

  1. 차광장치, 급수장치, 환기장치, 온도조절장치 및 습도조절장치를 포함하는 시설물장치가 설치되고, 밀폐된 공간에서 농산물을 생육하는 농산물 재배시설;
    상기 농산물 재배시설 외부 및 내부의 온도와 습도를 검출하고, 상기 농산물 재배시설 내부의 산소와 이산화탄소의 농도를 검출하며, 상기 농산물 재배시설 내부의 조도를 검출하여 상기 농산물 재배시설 내부를 저장된 설정정보에 근거하여 온도, 습도, 산소, 이산화탄소 및 조도로 제어하며, 상기 농산물 재배시설에 설치된 시설물장치를 제어하는 제어장치;
    무선 인터넷망 또는 CDMA망을 통해 상기 제어장치의 설정/제어정보 및 상기 제어장치를 제어하는 제어신호를 송수신하는 중계장치; 및
    상기 중계장치와의 통신을 통해 상기 제어장치의 설정정보 및 제어정보를 수신하여 표시하고, 상기 제어장치로 상기 농산물 재배시설에 포함된 시설물장치에 대한 제어신호를 송신하는 모바일장치;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 제어장치는,
    검출된 온도 및 습도와 미리 설정된 설정정보를 비교하고, 비교에 의해 검출된 온도 및 습도가 미리 설정된 허용범위를 벗어난 경우에는 상기 시설물장치를 제어하여 상기 농산물 재배시설의 온도를 설정정보의 범위로 조절하고, 조절된 온도에 대응하여 상기 농산물 재배시설 내부의 습도를 조절하며,
    검출된 산소의 농도가 허용범위를 초과한 경우, 상기 제어장치의 제어에 의해 상기 농산물 재배시설 내부의 산소를 포집하여 저장하는 산소조절장치를 더 포함하며,
    상기 산소조절장치는 상기 저장된 산소를 압축 냉각하여 액화산소로 저장하며,
    상기 제어장치는,
    온도, 습도, 조도, 산소농도 및 이산화탄소농도를 검출하는 센서부;
    상기 온도조절장치, 습도조절장치 및 산소농도조절장치를 제어하는 환경제어부;
    상기 차광장치, 급수장치 및 환기장치를 제어하는 시설물제어부;
    상기 농산물 재배시설의 외부 및 내부의 이동 물체를 감지하고, 상기 감지에 따라 이동물체를 촬영하는 촬영부;
    상기 농산물 재배시설에서 재배되는 농산물에 대한 생육 시기별 환경정보, 사용자의 조작에 의해 입력된 생육환경의 설정정보, 상기 설정정보에 대한 허용범위 정보가 저장 관리되는 저장관리부;
    상기 센서부에서 검출된 온도 및 습도와 미리 설정된 설정정보를 비교하고, 비교에 의해 검출된 온도 및 습도가 미리 설정된 허용범위를 벗어난 경우 알람을 출력하는 경고부; 및
    상기 센서부에서 검출된 정보와 상기 저장관리부에 저장된 설정정보를 그래프 또는 테스트로 표시하는 표시부;
    를 포함하며,
    상기 제어장치는,
    상기 농산물 재배시설 내부의 산소와 이산화탄소의 농도를 검출하여 환기가 필요한 것으로 판단되는 경우, 상기 농산물 재배시설 외부 및 내부의 온도를 비교하여 외부 온도와 내부 온도의 차이의 절대 온도값이 3 ~ 5인 범위에서 상기 환기장치를 동작시켜 상기 농산물 재배시설 내부의 공기를 외부로 방출하거나 외부 공기를 상기 농산물 재배시설 내부로 유입시키며,
    상기 시설물장치는 농산물 재배시설 내부의 산소를 포집하여 산소농도를 조절하는 산소조절장치를 더 포함하되,
    상기 산소조절장치는,
    공기 중의 산소를 분리하는 분리기와,
    상기 분리기에서 분리된 산소를 저장하는 산소저장탱크를 포함하여 구성되며,
    상기 분리기는,
    공기가 유입되는 유입관, 복수 개의 통공을 가지고 상기 유입관 내부에 설치되는 격막, 상기 유입관의 출구측에서 제1 이송관과 제2 이송관으로 분기되는 분기관, 상기 유입관과 상기 제2 이송관 내부에 설치되는 자기필터 와이어 및 상기 제2 이송관의 외측면에 설치되는 초전도 마그네틱을 포함하여 구성되며,
    상기 초전도 마그네틱에 의해 형성된 자속이 상기 자기필터 와이어에 의해 제2 이송관 내부에 집중되고, 상기 유입관으로 유입된 공기 중의 산소는 초전도 마그네틱이 구비되는 제2 이송관으로 유도되어 상기 산소저장탱크에 압축 저장되고, 산소를 제외한 이산화탄소 및 질소는 제1 이송관을 통해 배기되며,
    상기 제1 이송관을 통해 배기되는 공기 중의 이산화탄소는 이산화탄소 포집장치를 통해 포집되어 농산물 재배시설 내부로 공급되도록 하며,
    상기 환경제어부는,
    온도조절모듈, 습도조절모듈, 산소조절모듈 및 이산화탄소조절모듈을 포함하여 구성되고,
    상기 온도조절모듈은,
    농산물 재배시설 내부를 미리 설정된 온도정보로 조절하는 기능을 수행하되, 화석 에너지의 사용을 배제하는 온도 제어가 우선되도록, 농산물 재배시설 내부의 검출된 온도가 미리 설정된 설정정보의 온도 허용범위보다 상대적으로 높은 경우 환기장치를 구동하거나, 차광장치의 구동을 통해 햇빛을 차단하여 농산물 재배시설 내부의 온도를 저하시키도록 하며,
    상기 이산화탄소조절모듈은,
    농산물 재배시설 내부의 이산화탄소의 농도를 검출하여 이산화탄소농도를 적정 수준으로 유지하기 위해 이산화탄소를 공급하는 기능을 수행하며,
    농산물 재배시설 외부의 공기를 압축하는 컴프레셔, 상기 컴프레셔에 의해 압축된 혼합기체 중 수분 분리 및 기체를 냉각하는 드라이어, 상기 드라이어를 통해 수분이 제거된 기체 중 특정 기체를 분리하는 멤브레인 필터, 상기 멤브레인 필터를 통해 이산화탄소를 분리할 때 압력을 일정하게 조절하는 유량계, 상기 유량계를 통해 일정한 압력으로 조절된 이산화탄소에 대해 압축저장이 가능한 리시브탱크 및 상기 리시브탱크에 연결된 배출라인으로 구성되며,
    상기 농산물 재배시설 내의 이산화탄소 농도는 0.03 ~ 0.1%의 범위에서 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 IoT를 이용한 농산물 재배환경 제어 및 보정 시스템.
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