KR101902363B1

KR101902363B1 - 작물별 필요 광량을 조절할 수 있는 식물재배용 조명장치

Info

Publication number: KR101902363B1
Application number: KR1020150190486A
Authority: KR
Inventors: 강상원
Original assignee: 농업회사법인주식회사육성에그리
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2018-11-14
Also published as: KR20170080896A

Abstract

본 발명은 식물재배용 조명장치와 관련된 것으로, 보다 상세하게는 인공조명 시설을 이용하여 작물별로 성장에 필요한 가장 최적의 광량을 조사받아 최적상태로 최단기간 내 성장할 수 있도록 광량을 조절하는 작물별 필요 광량을 조절할 수 있는 식물재배용 조명장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 온실이나 식물공장에서의 작물 재배 시 활용되는 인공조명의 광량을 각 작물에 적합하도록 공급 제어되기 때문에 대상 식물의 생육을 촉진시켜 식물 생장을 극대화시킴으로써 재배작물의 재배기간의 단축 및 계절적인 환경이나 주변 환경에 의한 영향에도 불구하고 많은 수확을 기대할 수 있으며 경제적으로 이득을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

작물별 필요 광량을 조절할 수 있는 식물재배용 조명장치{Horticulture light apparatus of controlling the amount of light needed by crops}

본 발명은 식물재배용 조명장치와 관련된 것으로, 보다 상세하게는 인공조명 시설을 이용하여 작물별로 성장에 필요한 가장 최적의 광량을 조사받아 최적상태로 최단기간 내 성장할 수 있도록 광량을 조절하는 작물별 필요 광량을 조절할 수 있는 식물재배용 조명장치에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 식물은 광합성 생물이므로 빛(光)을 이용하여 광합성 활동을 통해 생장한다.

이때, 광합성이란 '빛을 사용하는 합성'이라는 뜻이며, 광합성 생물인 식물에게는 유기물질을 합성할 때 빛을 에너지로 사용한다는 의미이다.

보다 구체적으로, 광합성은 빛 에너지를 이용하여 이산화탄소와 물로 포도당을 합성하는 것을 말하는데, 이러한 광합성에는 빛을 요구하는 명반응(광인산화)과, 빛을 요구하지 않는 암반응으로 구분되며, 명반응은 엽록체의 그라나에서 빛 에너지를 ATP와 NADPH₂로 전환시켜 암반응의 캘빈회로에 에너지와 무기인산, 환원력과 수소를 공급하며, 암반응은 엽록체의 스트로마에서 상기 ATP와 NADPH₂를 사용하여 포도당을 합성함으로써 생장에 필요한 생체에너지를 얻게 된다.

또한, 식물의 세포는 포도당을 세포질과 미토콘드리아에서 해당과정, TCA회로, 화학삼투적 인산화 과정을 통해 분해하여 화학에너지인 다량의 ATP를 생산하는데, ATP의 자유에너지는 7.3kcal/mole로서 세포는 호흡을 통해 생장에 필요한 에너지를 효율적으로 얻게 된다.

이와 같은 광합성 과정 중에서 식물의 영양생장과 생식생장에 가장 많은 영향을 미치는 인자로 일장(length of day)과 광합성유효광량자량(Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD)을 들 수 있고, 또한 빛의 파장에 따라 생장이 달라진다.

뿐만 아니라, 식물은 가시광선 영역을 포함한 380~760nm 영역에서 광합성이 이루어지며, 광합성이 일어나는 파장범위의 복사에너지를 광합성유효복사(photosynthetically active radition, PAR)라 하고, 식물은 저마다 광 대역(wavelength)과 광합성유효광량자량이 다르다.

그러므로, 온실이나 식물공장은 태양광을 직접 활용하지 못하는 경우가 많기 때문에 작물생육에 필요한 광을 확보하는 것이 매우 중요하고, 이 경우 인공조명을 활용하고 있다.

하지만, 개시되고 있는 인공조명은 단순 ON-OFF 조작에 의한 제어나 타이머 방식을 이용한 ON-OFF 방식이 주로 사용되고 있거나 또는 큰 비용을 투자하여야 하는 식물공장 제어 시스템의 한 부분으로서 구비될 수 있는 현실이다 보니 열악한 농촌 환경에서는 쉽게 구비하여 활용하기가 어렵거나 그 활용도가 떨어지는 실정이다.

대한민국 특허 등록번호 제10-1526676호(2015.06.01.) '식물 재배용 조명 방법' 대한민국 특허 등록번호 제10-1317343호(2013.10.04.) '방전램프의 광질 개선을 위한 식물 생장용 조명 제어 장치' 대한민국 특허 등록번호 제10-1191618호(2012.10.10.) 'ＬＥＤ 조명을 이용한 식물 재배 시스템 및 방법, 식물 재배용 ＬＥＤ 조명 장치 및 그 장치의 구동 방법'

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 농촌 현실과 거리가 괴리감이 큰 기존의 복잡다대하고 고비용을 요구하는 조명장치를 벗어나 구성이 단순하면서도 비용은 저렴하고 작물 재배시 작물별 광량, 파장, 시간 등을 최적상태로 관리 조절하여 작물의 생장을 최적화시킬 수 있는 작물별 필요 광량을 조절할 수 있는 식물재배용 조명장치를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 마이크로프로세서인 제어부; 작물의 성장 및 광원으로부터 조사되는 PPFD를 검출하여 상기 제어부로 송신하는 센서부; 상기 제어부와 센서부 간의 통신을 담당하는 통신부; 상기 제어부의 제어현황, 센서부의 검출현황을 포함한 각종 현황 또는 설정값을 표시하는 디스플레이; 상기 제어부를 포함한 신호처리에 소요되는 전원을 공급하는 전원부; 상기 전원부와 연결되고 제어부의 제어신호에 따라 광을 조사하는 조명부;를 포함하는 작물별 필요 광량을 조절할 수 있는 식물재배용 조명장치에 있어서; 상기 조명부는 작물이 재배되고 있는 공간의 작물 직상방에 간격을 두고 설치되는 LED램프로 이루어지고; 상기 센서부는 작물들 사이 공간에 상기 작물이 성장했을 때 보다 긴 길이를 갖도록 수직하게 세워진 가이드바와, 상기 가이드바를 따라 승하강되어 높이 조절되고 LED램프로부터 조사되는 PPFD를 검출하는 센서로 이루어지며; 상기 작물의 양측에는 간격을 두고 발광부와 수광부가 설치된 포토센서를 구비하여 가장 높이 자란 작물의 상단을 검출하여 상기 제어부가 상기 센서의 위치와 PPFD를 조절하는 것을 특징으로 하는 작물별 필요 광량을 조절할 수 있는 식물재배용 조명장치를 제공한다.

이때, 상기 LED램프는 수평고정대에 구속되고, 상기 수평고정대는 상기 발광부와 수광부 각 외측에 설치된 수직가이드를 타고 상승 또는 하강하도록 구성된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 조명부는 상기 전원부를 구성하는 전원제어부와 연결된 다수의 파워드라이브와, 상기 파워드라이브를 통해 구동되는 다수의 LED램프를 포함하되, 상기 파워드라이브는 상기 제어부에 포함되어 LED램프의 몰(mol)량을 제어하는 PPFD제어기 및 타이머인 시간제어기에 의해 제어되는 것에도 그 특징이 있다.

또한, 본 발명은 인공조명을 위해 작물의 종류를 입력하는 제1단계; 조명정보를 입력하는 제2단계; 인공조명을 실시할 것인지 여부를 확인하여 실시가 거부되면 제1단계로 회귀하는 제3단계; 상기 제3단계를 통해 실시가 허가되면 설정된 초기값으로 조명제어를 실시하는 제4단계; 상기 제4단계와 동시에 실시되어 작물의 성장에 따른 키 검출 및 조사되는 PPFD를 검출하는 센서검출단계; 정해진 조건에 맞춰 조명제어를 실시하던 중 센서검출단계를 통해 수신된 검출정보값에 따라 조건을 변경할 것인지 여부를 판단하고, 조건을 변경해야 한다면 제4단계로 회귀하여 조건을 변경하도록 판단하는 제5단계; 제5단계에서 조건 변경이 필요없다면 조명을 제공하는 제6단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 작물별 필요 광량을 조절할 수 있는 식물재배용 조명장치의 제어방법도 제공한다.

본 발명에 따르면, 온실이나 식물공장에서의 작물 재배 시 활용되는 인공조명의 광량을 각 작물에 적합하도록 공급 제어되기 때문에 대상 식물의 생육을 촉진시켜 식물 생장을 극대화시킴으로써 재배작물의 재배기간의 단축 및 계절적인 환경이나 주변 환경에 의한 영향에도 불구하고 많은 수확을 기대할 수 있으며 경제적으로 이득을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 작물별로 확보된 생장 데이터에 근거하여 자동으로 광량 및 광 파장영역대가 조절되는 조명을 작물 재배에 활용할 수 있어 사용자에게 편의를 제공할 수 있고, 자동모드와 수동모드로의 전환이 가능하기 때문에 상황에 따른 적절한 조명의 제어가 가능하여 돌발상황에 대한 대처가 매우 용이한 효과가 있다.

뿐만 아니라, 농촌의 열악한 환경에서 볼 때 저렴한 비용으로 작물별 선택적 조명제어장치를 공급할 수 있어 관련 산업분야의 발전을 도모할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 작물별 필요 광량을 조절할 수 있는 식물재배용 조명장치의 예시적인 구성블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 구성 중 조명부의 세부 구성을 보인 블럭도이다.
도 3은 본 발명에 따른 작물별 필요 광량을 조절할 수 있는 식물재배용 조명장치를 구성하는 제어기의 외관을 보인 예시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 작물별 필요 광량을 조절할 수 있는 식물재배용 조명장치를 구성하는 센서부의 설치예를 보인 예시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 작물별 필요 광량을 조절할 수 있는 식물재배용 조명장치를 구성하는 센서부의 예를 보인 예시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 작물별 필요 광량을 조절할 수 있는 식물재배용 조명장치의 제어방법을 보인 플로우챠트이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 작물별 필요 광량을 조절할 수 있는 식물재배용 조명장치는 제어부(100), 통신부(200), 센서부(300), 디스플레이부(400), 전원부(500) 및 조명부(600)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 제어부(100)는 마이크로프로세서의 일종으로서, 사용자가 입력한 조명시간과 광량을 연산하도록 CPU와 메모리를 포함하는 연산모듈과, 연산 결과값을 전압과 전류량으로 변환하여 출력하는 컨버터모듈을 포함한다.
구체적으로, 제어부(100)는 작물성장에 대응되는 PPFD 데이터 및 조도값과 조명시간에 따른 작물별 성장속도를 포함하는 생장테이터가 저장되는 메모리와 이를 연산할 수 있는 CPU를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 조명장치는 재배현장 상황에 따라 사용자가 자동모드 또는 수동모드로 조작이 가능하도록 지원하며, 각 모듈은 PCB 형태로 제작된다.

그리고, 상기 통신부(200)는 기본적으로 LAN 방식이며, 상기 센서부(300)에서 들어오는 신호를 제어부(100)로 실시간 피드백해주는 역할을 수행하고, 또한 제어부(100)와 전원부(500) 사이의 신호처리를 위해 사용되는 부분이다.

아울러, 상기 센서부(300)는 광합성유효광량자량(PPFD)를 측정한 값을 통신부(200)를 통해 상기 제어부(100)로 실시간 송신하고, 작물의 성장 및 광원으로부터 조사되는 조도값을 검출하여 상기 조도값과 조명시간에 따른 작물별 성장속도 데이터의 테이블값으로부터 검출된 조도값에 대응되는 PPFD로 환산하는 부분이다.

또한, 상기 전원부(400)는 본 발명에 따른 조명장치의 메인 전원과 각 부분별 필요 전원을 조정 분배하는 역할을 수행하는 부분이다.

나아가, 상기 디스플레이부(500)는 사용자가 입력한 정보와 이를 연산하여 얻은 결과값을 표시하는 LCD 모듈과 전원표시램프 및 운전 표시램프를 포함한다.

마지막으로, 상기 조명부(600)는 LED램프를 포함하며, 상기 제어부(100)의 제어신호에 따라 조절된 광량으로 인공빛을 방출하는 부분이다.

이때, 상기 조명부(600)는 도 2의 도시와 같이, 전원부(500)에 포함된 전원제어부(510)와 연결된 다수의 파워드라이브(610)와, 상기 파워드라이브(610)를 통해 구동되는 다수의 LED램프(620)를 포함한다.

여기에서, 상기 파워드라이브(610)는 상기 제어부(100)에 포함된 PPFD제어기(110)와, 시간제어기(120)에 의해 제어되는데, 상기 PPFD제어기(110)는 LED램프(620)의 몰(mol)량을 제어하기 위한 수단이고, 상기 시간제어기(120)는 일종의 타이머로서 LED램프(620)의 점등시간을 제어하기 위한 수단이다.

또한, 상기 파워드라이브(610)는 상기 제어부(100)에서 설정한 몰(mol)량 만큼 LED램프(620)에 출력하여 구동하도록 하기 위한 수단이며, 이 경우 상기 LED램프(620)는 바(bar) 타입이 바람직하다.

아울러, 이들 각 구성 중 센서부(300)는 조도센서를 이용함이 바람직한데, 조도센서에서 측정된 값과 작물별 필요 광량 정보를 매칭하는 작업이 요구된다.

이것은 조도센서가 검출하는 조도값만으로는 필요 광량이 얼마인지 정확히 산출할 수 없기 때문인데, 이를 위해 먼저 작물별 필요 광량에 대한 정보를 수집할 필요가 있다.

작물별 필요 광량에 대한 정보는 연구논문("형광등과 자연광의 광도에 따른 실내조경식물의 생육반응과 도입방안", 한국조경학회지 2005, "시설재배를 위한 LED의 광세기와 균일도 평가", 충남대)을 참조하여 그 값을 확보하고, 이들 값과 조도센서의 측정값 사이의 관계를 연계시키도록 매칭작업을 실시하여 매칭값을 토대로 제어부(100)를 통해 프로그램적으로 제어하도록 구성할 수 있다.

예컨대, 식물의 광합성에 관련된 광량은 일반적으로 광합성유효광량자량(PPFD)의 단위로 표시하는데, 참고로 몇가지 식물의 최적의 광포화점을 식물별 필요광량 및 조명시간을 예시한 사례(표 1 참조)로 기술하자면, 토마토와 수박은 843(μmolㆍm^-2ㆍs^-1), 양상추는 302(μmolㆍm^-2ㆍs^-1), 난종류는 121(μmolㆍm^-2ㆍs^-1), 인삼은 145(μmolㆍm^-2ㆍs^- ¹)이다(Lee, S. U. 2010. Crop production using plant factory and LED artificial light. Optical Science and Technology 4(3):12-19).

따라서, 조도값과 조명시간에 따른 각 식물(작물)별 성장속도 등을 데이터화하고, 이를 토대로 조도값에 대응되는 PPFD를 산출할 수 있고, 이를 이용하여 각 식물별 성장기간에 맞게 PPFD를 공급할 수 있게 된다. 다만, 이와 같은 산술적인 부분은 프로그램에 의해 자동적으로 이루어질 수 있는 부분으로서 본 발명에서는 그것을 그대로 이용하는 개념이지 그것 자체가 발명의 특징이나 목적이 아니므로 조도값과 PPFD 상호간의 관계식을 유도하는 알고리즘에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

품 종	PPFD(μmolㆍm^-2ㆍs^-1)	조명시간(h/day)
토마토, 수박	843	12
양상추	302	16
난	121	8
인삼	145	10

때문에, 온실이나 식물공장에서의 작물 재배시 활용되는 인공조명의 광량을 각 작물에 적합하도록 공급 제어할 수 있어 대상 식물의 생육을 촉진시킴은 물론 식물 생장을 극대화시킴으로써 재배작물의 재배기간의 단축 및 계절적인 환경이나 주변 환경에 의한 영향에도 불구하고 많은 수확을 기대할 수 있으며 경제적으로 이득을 얻을 수 있다.

또한, 작물별로 확보된 생장 데이터에 근거하여 자동으로 광량 및 광 파장영역대가 조절되는 조명을 작물 재배에 활용함으로써 사용자에게 편의를 제공할 수 있게 된다.

아울러, 도 3에서와 같이, 본 발명에 따른 조명장치를 제어하는 제어반(CT)은 PPFD를 3단계로 조절할 수 있도록 구성됨으로써 작물의 성장속도별로 최적화된 세밀한 제어가 가능하도록 설계함이 바람직하다.

이것은 작물이 성장하는 속도에 따라 서로 다른 광량을 조사해야 하는데, 광량의 가변없이 정해진 광량으로 조사할 경우 광량을 너무 받아 작물의 잎이 말라 비틀어지는 경우가 생기기 때문에 단계적으로 조절하도록 하기 위한 것이다.

이를 테면, 작물의 비용이 싼 경우에는 피해가 크지 않지만, 인삼 같은 경우에는 말라 비틀어져서 폐기할 경우가 생긴다면 그 피해는 실로 막대하기 때문에 이러한 현상을 미연에 방지하기 위한 것이다.

이를 위해, 본 발명에서는 도 3에 예시한 제어반(CT)의 형태와 같이, 3단계로 표시되는 스텝표시부(ST), 3단계로 표시되는 운전표시부(DR), 3단계로 표시되는 동작시간표시부(DT)로 설계될 수 있다.

물론, 바람직한 예로 3단계를 예시한 것에 불과할 뿐, 이에 한정되지 않기 때문에 더 세밀한 조절이 필요하다면 단계를 더 세분화시킬 수도 있음은 물론이다.

여기에서, 상기 스텝표시부(ST)는 단계별로 제어되는 광량, 즉 몰(mol) 양이 표시되도록 함으로써 이를 즉시 확인 관리할 수 있도록 하며, 아예 스텝표시부(ST)를 통해 조사하고자 하는 광량을 조절할 수도 있게 구성할 수 있다. 예컨대, 조절노브 혹은 조절버튼을 설치하고 이를 제어부(100)로부터 할당 받으면 노브 혹은 버튼의 조작을 통해 광량 자체를 설정하거나 변경할 수 있게 된다.

그리고, 운전표시부(DR)는 현재 상태를 표시하는 것으로, 조정이 필요한지 에러가 났는지 현재 정상운전 중인지를 즉시 확인 가능하도록 하여 주며, 동작시간표시부(DT)는 가동시간을 표시하여 시간제어를 직접 확인할 수 있도록 하여 준다.

물론, 이 경우에도 별도의 노브나 버튼을 할당받아 가동시간을 조절하거나 설정할 수도 있을 것이다.

이를 테면, 시간 설정의 경우 1단계는 07:00-11:00까지 가동되도록 설정하고, 2단계는 11:00-15:00까지 가동되도록 설정하며, 3단계는 15:00-19:00까지 가동되도록 설정할 수 있을 것이다.

이렇게 광량, 운전상태, 동작시간을 개별 제어할 수 있도록 하여 해당 작물별 최적의 성장상태에 맞는 PPFD를 제공함으로써 최고 품질의 작물을 최단기간내 재배할 수 있게 된다.

한편, 작물은 계속해서 성장하기 때문에 작물의 성장속도에 맞는 PPFD를 자동으로 검출하여 제어하는 시스템을 구축하기 위해 상기 센서부(300)와 조명부(600)를 다음과 같이 구성할 수 있다.

가장 이상적인 방법은 작물의 키 최상단을 검출하여 작물의 성장속도를 확인하는 것이고, 이때 조사되는 광량, 즉 PPFD를 검출하여 성장속도에 맞게 PPFD를 가변시키는 것이다.

이를 위해, 본 발명에서는 도 4의 예시와 같이, 작물이 재배되고 있는 공간의 작물 직상방에 간격을 두고 조명부(600)를 구성하는 바 타입의 LED램프(620)가 설치되어 하방으로 빛을 조사할 수 있도록 광원이 구비된다.

그리고, 작물들 사이 공간에는 상기 작물이 성장했을 때 보다 긴 길이를 갖는 가이드바(GB)가 세워 설치되고, 상기 가이드바(GB)에는 이를 따라 승하강 조절되는 센서(S)가 설치된다.

이때, 상기 센서(S)는 조도센서일 수 있으며, 조도값을 검출하여 상술한 데이터베이스 정보의 테이블값으로부터 검출된 조도값에 대응되는 PPFD를 제어부(100)가 알 수 있도록 구성된다.

물론, PPFD를 직접 검출할 수 있는 센서가 있다면 이것은 문제가 되지 않는다.

또한, 상기 센서(S)를 승하강시키는 수단은 통상적으로 알려진 볼스크류 타입 혹은 도르레나, 풀리, 기어 등 다양한 방식이 될 수 있다.

아울러, 상기 작물의 양측에는 간격을 두고 포토센서, 즉 발광부(PH1)와 수광부(PH2)가 설치된다.

이 경우, 상기 발광부(PH1)와 수광부(PH2)는 작물이 심겨진 긴 길이의 일부에만 서로 마주보게 설치되어 샘플링방식으로 작물의 성장을 검출할 수도 있고, 더 정밀하고 세밀한 제어가 필요한 경우에는 발광부(PH1)와 수광부(PH2)를 긴 판상으로 제작하여 상호 마주보게 설치함으로써 넓은 면적에 걸쳐 작물의 성장을 검출하도록 구성할 수도 있다.

그러면, 발광부(PH1)에서 방출된 광이 수광부(PH2)에 도달할 경우, 이때에는 작물이 없는 것으로 판단하고, 도달하지 못하면 작물이 있는 것으로 판단하여 작물의 키, 즉 높이를 확인하게 되는데, 만약 줄기 부분에서 광이 가려지지 않고 통과된다면 이는 에러가 될 수 있다.

따라서, 수광되지 않는 것들중 가장 높은 위치에서 수광되는 지점을 작물의 키로 인식하도록 설계하면 작물의 성장을 쉽게 검출할 수 있게 된다.
다시 한 번 설명하면, 최외부에 형성된 일측의 수직가이드의 내측에서 상기 수직가이드와 맞닿게 형성되고 상기 LED램프 및 상기 수직가이드보다 낮게 위치되며, 수직방향으로는 하부에서 상부까지 일정 간격을 두고 20개 이상이 형성되고 수평방향으로는 일정간격을 두고 8개 이상으로 형성되는 포토센서인 발광소자(PH1-1)가 구비되는 판 형상의 발광부(PH1)에 및 작물을 사이에 두고 상기 발광부(PH1)에와 서로 마주보게 설치되도록 최외부에 형성된 타측의 수직가이드의 내측에서 상기 수직가이드와 맞닿게 형성되고 상기 LED램프 및 상기 수직가이드보다 낮게 위치되며, 상기 발광소자와 개수 및 위치가 서로 대응되는 포토센서인 수광소자(PH2-1)가 구비되는 판 형상의 수광부(PH2)가 제작 설치될 수 있다.
상기 발광부(PH1)에 구비된 발광소자(PH1-1)들 전부에서 광을 방출하고 방출된 광이 수광부(PH2)의 수광소자(PH2-1)에 도달할 경우 작물이 없는 것으로 판단하고 도달하지 못하면 작물이 있는 것으로 판단하여 수광되지 않은 것들 중 가장 높은 위치에서 수광되는 지점을 작물의 높이로 인식하여 작물의 성장을 검출할 수 있다.

그리고, 이 정보에 의거하여 작물의 키 높이에 맞게 센서(S)를 상승시켜 광원으로부터 조사되는 PPFD를 검출함으로써 정확한 PPFD 조사가 가능하게 된다.

즉, 작물의 키 높이 정보와 그때 센서(S)를 통해 검출 환산된 PPFD를 비교하여 작물 성장에 대응되는 PPFD 테이블값(기준값으로 DB에 저장되어 있음)과 비교하여 PPFD가 적다면 전압, 전류를 조절하여 광량을 증가시키거나 혹은 광 조사시간을 늘리도록 제어하고, 많다면 반대로 줄이도록 제어하면 된다.

다시 말해, 기준값과 일치될 때 까지 조절한다고 보면 된다.

그러면, 작물이 성장하는데 최적 상태로 PPFD를 받을 수 있어 고품질의 작물을 최단시간내 재배할 수 있게 되는 것이다.

여기에서, 상기 센서(S)를 작물중 가장 키 큰 것의 최상단에 위치되도록 맞춰 PPFD를 검출하도록 하는 이유는 앞서 설명하였듯이, 필요이상의 광량을 받게 되면 말라 죽는 경우가 생기기 때문에 가장 키 큰 것을 기준으로 삼는다면 적어도 그 보다 작은 작물들은 비록 광량이 조금 부족할지라도 말라 죽지는 않기 때문이다.

도 5와 같이, PPFD 조절을 위해 LED램프(620)가 승하강하도록 변형될 수도 있다.

이를 위해, LED램프(620)는 수평고정대(HF)에 구속되고, 상기 수평고정대(HF)는 수직가이드(VG)를 타고 상승 또는 하강하도록 구성될 수 있는데, 이때 승하강 수단은 모터-기어-LM가이드 혹은 모터-풀리-벨트 혹은 모터-볼스크류 타입 등 공지된 다양한 형태가 적용될 수 있다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 다음과 같은 방법으로 제어된다.

먼저, 본 발명에 따른 조명장치를 사용하기 위해 작물의 종류를 입력하는 제1단계(S100)가 수행된다.

상기 제1단계(S100)는 작물의 종류를 분명하게 함으로써 해당 작물별로 성장속도에 맞춰 공급해야 할 PPFD를 최적상태로 제공할 수 있다.

이때, 상기 PPFD의 최적값, 다시 말해 기준값은 본 발명 조명장치를 구성하는 제어부(100)의 메모리 혹은 별도 관리되는 DB 상에 저장되어 있다.

이어, 조명정보를 입력하는 제2단계(S200)가 수행된다.

상기 제2단계(S200)는 조명, 즉 광원의 특성을 확인하여 정확한 제어를 위한 것이다.

이후, 실시여부를 확인하는 제3단계(S300)가 수행된다.

상기 제3단계(S300)는 상기 제1,2단계(S100,S200)에서 얻은 정보들을 토대로 작물로 PPFD를 출력할지 여부를 결정하는 단계이다.

그리고, 상기 제3단계(S300)를 통해 실시가 거부되면(예. 조작 오류로 재입력시 등) 제1단계(S100)로 회귀되고, 실시가 허가되면 조명제어를 실시하는 제4단계(S400)로 진입된다.

이때, 상기 제4단계(S400)는 설정된 조건에 맞춰 LED램프(620)를 통해 광을 조사하는 단계이며, 이 단계 중 센서검출단계(S700)가 동시에 수행된다.

상기 센서검출단계(S700)는 작물의 성장에 따른 키 검출이 이루어지고, 그 키에 최적화된 PPFD가 센서(S)에 의해 검출된 PPFD와 맞는지 여부를 판단하여 조명제어 조건을 변경할지 여부를 결정짓는 아주 중요한 단계이다.

그리고, 조건변경 여부를 판단하는 제5단계(S500)가 수행된다.

상기 제5단계(S500)는 정해진 조건에 맞춰 조명제어를 실시하던 중 센서검출단계(S700)를 통해 수신된 검출정보값에 따라 조건을 변경할 것인지 여부를 판단하는 단계이며, 조건을 변경해야 한다면 제4단계(S400)로 회귀하여 변경된 조건으로 광량 조사를 실시하게 된다.

반면에, 조건 변경이 필요없다면 조명을 제공하는 제6단계(S600)를 수행하게 된다.
다시한번 설명하면, 인공조명을 위해 작물의 종류를 입력하는 제1단계(S100), 조명정보를 입력하는 제2단계(S200), 인공조명을 실시할 것인지 여부를 확인하여 실시가 거부되면 제1단계로 회귀하는 제3단계(S300), 상기 제3단계를 통해 실시가 허가되면 설정된 초기값으로 조명제어하여 LED램프를 통해 광을 조사를 실시하는 제4단계(S400), 상기 제4단계와 동시에 실시되어 작물의 성장에 따른 키 검출 및 조사되는 PPFD를 검출하는 센서검출단계(S700), 정해진 조건에 맞춰 조명제어를 실시하던 중 센서검출단계를 통해 수신된 검출정보값에 따라 조건을 변경할 것인지 여부를 판단하고, 조건을 변경해야 한다면 제4단계로 회귀하여 조건을 변경하도록 판단하는 제5단계(S500), 제5단계에서 조건 변경이 필요없다면 조명을 제공하는 제6단계(S600);를 포함하는 제어방법으로 이루어지는 작물별 필요 광량을 조절할 수 있는 식물재배용 조명장치에 관한 것이다.
먼저, 사용자가 입력한 조명시간과 광량을 연산하도록 CPU와 메모리를 포함하는 연산모듈과 연산 결과값을 전압과 전류량으로 변환하여 출력하는 컨버터모듈을 포함하는 마이크로프로세서인 제어부(100)를 포함할 수 있다.
또한, 작물의 성장 및 광원으로부터 조사되는 PPFD를 검출하여 상기 제어부로 송신하는 센서부(300)와, LAN 방식이며, 상기 센서부에서 들어오는 신호를 제어부로 실시간 피드백해주는 역할을 수행하면서 상기 제어부와 센서부 간의 통신을 담당하고, 상기 제어부와 전원부 사이의 신호처리를 위해 사용되는 통신부(200)와 사용자가 입력한 정보와 이를 연산하여 얻은 결과값을 표시하고, 상기 제어부의 제어현황, 센서부의 검출현황을 포함한 각종 현황 또는 설정값을 표시하도록 LCD 모듈과 전원표시램프 및 운전 표시램프를 포함하는 디스플레이부(400)와, 상기 제어부를 포함한 신호처리에 소요되는 전원을 공급하는 전원부(500) 및 상기 제어부에 포함되어 LED램프의 몰(mol)량을 제어하는 PPFD제어기 및 LED램프의 점등시간을 제어하는 타이머인 시간제어기에 의해 제어되되, 제어부에서 설정한 몰(mol)량 만큼 LED램프에 출력하여 구동되도록 하며 상기 전원부를 구성하는 전원제어부와 연결되는 파워드라이브를 포함하여 제어부의 신호에 따라 광을 조사하는 조명부(600)를 포함할 수 있다.
그리고, 작물이 성장하는 속도에 따라 서로다른 광얀을 조사하기 위하여 몰(mol)양이 표시되도록 하고 조절노브가 설치되어 제어부로부터 할당받은 광량으로 설정 및 변경 가능한 스탭표시부(ST), 현재 운전상태를 표시하는 운전표시부(DR) 및 가동시간을 표시하도록 하며 조절노브를 통해 가동시간을 조절하거나 설정할 수 있는 동작시간표시부(DT)가 각각 3단계로 이루어져 단계설정에 의해 작물에 해당하는 PPDF를 조절할 수 있도록 구성되는 제어반(CT)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 조명부(600)는 작물이 재배되고 있는 공간의 작물 직상방에 간격을 두고 설치되는 수평부(650)와 상기 수평부(650)의 양측 끝단에서 수직방향으로 형성되어 상기 수평부를 지지하는 고정부(660)를 포함하여 '∩' 형상으로 이루어지는 수평고정대(HF)의 중앙에서 상기 고정부(660)와 평행하게 연결되어 구속되며, 상기 수평고정대가 상승 또는 하강하도록 상기 작물의 양측 최외부에 위치되는 수직가이드(VG)에 의해 상승 또는 하강하면서 하방으로 광을 조사하는 다수의 바 형태의 LED램프(620)로 이루어질 수 있다.
아울러, 상기 센서부(300)는 최외부에 형성된 상기 수직가이드의 중앙부분인 작물들 사이 공간에서 상기 작물이 성장했을 때 보다 긴 길이를 갖도록 바닥에서 상기 LED 램프의 하부까지 수직하게 세워진 가이드바와(GB), 상기 가이드바를 따라 승하강되어 높이 조절되고 LED램프로부터 조사되는 PPFD를 검출하는 조도센서로 이루어지는 센서(S)가 마련되며, 판상으로 이루어지고, 최외부에 형성된 상기 수직가이드의 내측에서 상기 수직가이드와 맞닿도록 형성되어 상기 작물의 양측에서 서로 마주보게 설치되되, 일측에는 상기 LED램프 및 상기 수직가이드보다 낮게 위치되고, 수직방향으로는 하부에서 상부까지 일정간격을 두고 다수로 형성되며 수평방향으로는 일정간격을 두고 2개 이상으로 형성되는 발광부(PH1)가 설치되고 타측에는 이에 대응하는 형상의 수광부(PH2)가 제작 설치될 수 있다.
이에따라, 발광부(PH1)에서 방출된 광이 수광부(PH2)에 도달할 경우 작물이 없는 것으로 판단하고 도달하지 못하면 작물이 있는 것으로 판단하여 수광되지 않은 것들 중 가장 높은 위치에서 수광되는 지점을 작물의 높이로 인식함으로써 작물의 높이를 확인하는 포토센서를 구비하여 가장 높이 자란 작물의 상단을 검출하여 상기 제어부가 상기 센서의 위치와 PPFD를 조절할 수 있는 것이다.

이와 같이, 본 발명은 작물의 성장에 맞춰 최적 상태의 PPFD를 제공함으로써 고품질을 작물을 최단기간내 재배할 수 있게 되며, 또한 설비가 간단하여 설치가 용이하고, 설치비용이 저렴하여 특히 농촌지역에 적극적으로 활용될 수 있는 특장점을 가진다.

100: 제어부 200: 통신부
300: 센서부 400: 디스플레이부
500: 전원부 600: 조명부

Claims

조명장치를 사용하도록 작물의 종류를 입력하는 제1단계;
조명정보를 입력하는 제2단계;
인공조명을 실시할 것인지 여부를 확인하여 실시가 거부되면 제1단계로 회귀하는 제3단계;
상기 제3단계를 통해 실시가 허가되면 설정된 초기값으로 조명제어하여 LED램프를 통해 광을 조사를 실시하는 제4단계;
상기 제4단계와 동시에 실시되어 작물의 성장에 따른 키 검출 및 조사되는 PPFD를 검출하는 센서검출단계;
정해진 조건에 맞춰 조명제어를 실시하던 중 센서검출단계를 통해 수신된 검출정보값에 따라 조건을 변경할 것인지 여부를 판단하고, 조건을 변경해야 한다면 제4단계로 회귀하여 조건을 변경하도록 판단하는 제5단계;
제5단계에서 조건 변경이 필요없다면 조명을 제공하는 제6단계;를 포함하는 제어방법으로 이루어지는 작물별 필요 광량을 조절할 수 있는 식물재배용 조명장치로서,
작물성장에 대응되는 PPFD 데이터 및 조도값과 조명시간에 따른 작물별 성장속도를 포함하는 생장테이터가 저장되는 메모리와 이를 연산할 수 있는 CPU를 포함하는 연산모듈과 연산 결과값을 전압과 전류량으로 변환하여 출력하는 컨버터모듈을 포함하는 마이크로프로세서인 제어부;
작물의 성장 및 광원으로부터 조사되는 조도값을 검출하여 상기 조도값과 조명시간에 따른 작물별 성장속도 데이터의 테이블값으로부터 검출된 조도값에 대응되는 PPFD로 환산하여 상기 제어부로 송신하는 센서부;
LAN 방식이며, 상기 센서부에서 들어오는 신호를 제어부로 실시간 피드백해주는 역할을 수행하면서 상기 제어부와 센서부 간의 통신을 담당하고, 상기 제어부와 전원부 사이의 신호처리를 위해 사용되는 통신부;
사용자가 입력한 정보와 이를 연산하여 얻은 결과값을 표시하고, 상기 제어부의 제어현황, 센서부의 검출현황을 포함한 각종 현황 또는 설정값을 표시하도록 LCD 모듈과 전원표시램프 및 운전 표시램프를 포함하는 디스플레이;
상기 제어부를 포함한 신호처리에 소요되는 전원을 공급하는 전원부; 및
상기 제어부에 포함되어 LED램프의 몰(mol)량을 제어하는 PPFD제어기 및 LED램프의 점등시간을 제어하는 타이머인 시간제어기에 의해 제어되되, 제어부에서 설정한 몰(mol)량 만큼 LED램프에 출력하여 구동되도록 하며 상기 전원부를 구성하는 전원제어부와 연결되는 파워드라이브를 포함하여 제어부의 신호에 따라 광을 조사하는 조명부;를 포함하되,
작물이 성장하는 속도에 따라 서로 다른 광량을 조사하기 위하여 몰(mol)양이 표시되도록 하고 조절노브가 설치되어 제어부로부터 할당받은 광량으로 설정 및 변경 가능한 스탭표시부, 현재 운전상태를 표시하는 운전표시부 및 가동시간을 표시하도록 하며 조절 노브를 통해 가동시간을 조절하거나 설정할 수 있는 운전표시부가 각각 3단계로 이루어져 단계설정에 의해 작물에 해당하는 PPDF를 조절할 수 있도록 구성되는 제어반(CT)을 포함하며;
상기 조명부는
작물이 재배되고 있는 공간의 작물 직상방에 간격을 두고 설치되는 수평부와 상기 수평부의 양측 끝단에서 수직방향으로 형성되어 상기 수평부를 지지하는 고정부를 포함하여 '∩' 형상으로 이루어지는 수평고정대의 중앙에서 상기 고정부와 평행하게 연결되어 구속되며, 상기 수평고정대가 상승 또는 하강하도록 상기 작물의 양측 최외부에 위치되는 수직가이드에 의해 상승 또는 하강하면서 하방으로 광을 조사하는 다수의 바 형태의 LED램프로 이루어지고;
상기 센서부는
최외부에 형성된 상기 수직가이드의 중앙부분인 작물들 사이 공간에서 상기 작물이 성장했을 때 보다 긴 길이를 갖도록 바닥에서 상기 LED 램프의 하부까지 수직하게 세워진 가이드바와, 상기 가이드바를 따라 승하강되어 높이 조절되고 LED램프로부터 조사되는 PPFD를 검출하는 조도센서로 이루어지며;
최외부에 형성된 일측의 수직가이드의 내측에서 상기 수직가이드와 맞닿게 형성되고 상기 LED램프 및 상기 수직가이드보다 낮게 위치되며, 수직방향으로는 하부에서 상부까지 일정 간격을 두고 20개 이상이 형성되고 수평방향으로는 일정간격을 두고 8개 이상으로 형성되는 포토센서인 발광소자가 구비되는 판 형상의 발광부 및
작물을 사이에 두고 상기 발광부와 서로 마주보게 설치되도록 최외부에 형성된 타측의 수직가이드의 내측에서 상기 수직가이드와 맞닿게 형성되고 상기 LED램프 및 상기 수직가이드보다 낮게 위치되며, 상기 발광소자와 개수 및 위치가 서로 대응되는 포토센서인 수광소자가 구비되는 판 형상의 수광부가 제작 설치되며,
상기 발광부에 구비된 발광소자들 전부에서 광을 방출하고 방출된 광이 수광부의 수광소자에 도달할 경우 작물이 없는 것으로 판단하고 도달하지 못하면 작물이 있는 것으로 판단하여 수광되지 않은 것들 중 가장 높은 위치에서 수광되는 지점을 작물의 높이로 인식하여 작물의 성장을 검출하고,
가장 높이 자란 작물의 상단으로 조도센서를 상승시켜 광원으로부터 조사되는 작물의 키높이 정보와 이때 센서를 통해 검출 환산된 PPFD를 비교하고 이를 작물성장에 대응되는 데이터의 테이블값과 비교하여 PPFD가 적다면 전압, 전류를 조절하여 광량을 증가시키거나 또는 광 조사시간을 늘리도록 제어하고 많다면 반대로 줄이도록 제어함으로써 작물이 성장하는 속도에 따라 작물에 적합하도록 서로 다른 광량을 조사하는 것을 특징으로 하는 작물별 필요 광량을 조절할 수 있는 식물재배용 조명장치.
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