KR102134397B1 - 작물활성지수 기반 시설원예 복합환경 제어시스템 및 방법 - Google Patents
작물활성지수 기반 시설원예 복합환경 제어시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 시설원예 복합환경 제어시스템은, 작물 활성과 연관성을 갖는 미리 결정된 환경인자를 감지하는 환경인자 감지부; 상기 환경인자를 기초로 상기 작물 활성을 대표하는 작물활성지수를 산출하는 활성지수 산출부; 및 상기 작물활성지수에 기초하여 작물의 생육 환경을 조절하는 복합환경 제어부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 작물 활성 변화에 대응하도록 또는 제어 목적에 맞춤화되도록 제공되는 목표작물활성 밴드가 설정되고, 이에 맞춤화 작물생육지수가 실시간으로 추종되도록 생육 환경을 제어할 수 있게 된다. 이에 따라, 작물에 최적화된 복합환경 제어에 의한 작물 생산량 증대 및 품질 향상이 기대된다.
본 발명에 의하면, 작물 활성 변화에 대응하도록 또는 제어 목적에 맞춤화되도록 제공되는 목표작물활성 밴드가 설정되고, 이에 맞춤화 작물생육지수가 실시간으로 추종되도록 생육 환경을 제어할 수 있게 된다. 이에 따라, 작물에 최적화된 복합환경 제어에 의한 작물 생산량 증대 및 품질 향상이 기대된다.
Description
본 발명은 시설원예 복합환경 제어시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 작물활성지수를 기반으로 시설원예 작물재배 환경을 제어하기 위한 시설원예 복합환경 제어시스템 및 방법에 관한 것이다.
스마트팜은 정보통신기술을 농업 분야에 접목하여 원격이나 자동으로 작물의 생육 환경을 관리할 수 있는 농장으로, 4차 산업혁명의 일환으로 주목받고 있는 시설원예 분야의 대표 아이콘이다.
스마트팜은 작물의 생장에 필요한 환경을 제공하고, 작물의 최대 생산량을 얻을 수 있도록 온실 내 환경을 제어한다. 구체적으로 온실 내의 온도, 습도, 일사량, 이산화탄소 농도 정보를 기반으로 식물이 잘 자랄 수 있는 환경이 조성되도록 온실 내의 다양한 환경 인자를 제어하고 있다.
현재 스마트팜 시설의 온실 제어는 작물의 외부 환경 조건만을 고려한 정보를 이용하여 환경 제어를 하는바, 작물 상태에 맞춤화된 환경 제어를 하지 못하고 있다. 즉, 현재 온실제어 시스템은 작물의 생육 과정에서 작물이 병들었는지, 수분이 부족한지, 광합성이 잘 진행되고 있는지, 증산 작용은 어떠한지 등에 대해 평가하고, 이를 온실 환경제어에 반영하지는 못하고 있다.
온실 환경인자는 작물의 생산량 및 품질에 큰 영향을 미치므로, 종래 온실제어 솔루션 대비 작물의 생육 상태를 적극 반영한 새로운 온실제어 솔루션이 요구된다. 이를 통해 작물 수확량 증대는 물론 고품질의 작물을 획득할 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 작물의 생육 상태 또는 활성 상태에 맞춤화된 최적의 온실 환경을 제공하는 시설원예용 복합환경제어 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은 본 발명의 일 양태에 따른 시설원예 복합환경 제어시스템에 있어서, 작물 활성과 연관성을 갖는 미리 결정된 환경인자를 감지하는 환경인자 감지부; 상기 환경인자를 기초로 상기 작물 활성을 대표하는 작물활성지수를 산출하는 활성지수 산출부; 및 상기 작물활성지수에 기초하여 작물의 생육 환경을 조절하는 복합환경 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시설원예 복합환경 제어시스템에 의해 달성될 수 있다.
여기에서, 상기 환경인자는 상기 작물의 표면온도 및 상기 작물의 주변온도를 포함하고, 상기 활성지수 산출부는 상기 표면온도 및 상기 주변온도 차에 비례하는 값으로 상기 작물활성지수를 결정하도록 할 수 있으며, 또한, 상기 환경인자는 상기 시설원예의 내부온도 및 내부습도를 더 포함하고, 상기 활성지수 산출부는 상기 내부온도 및 상기 내부습도에 따라 결정되는 습도부족분(HD)과 미리 결정된 목표HD간 차이에 반비례하는 값을 반영하여 상기 작물활성지수를 조정하도록 할 수 있다. 그리고, 상기 환경인자는 상기 시설원예의 일사량을 포함하고, 상기 활성지수 산출부는 상기 일사량에 비례하는 값을 반영하여 상기 작물활성지수를 조정하도록 할 수 있다. 이에 따라, 상기 활성지수 산출부는 상기 표면온도 및 상기 주변온도 차에 비례하는 값, 상기 습도부족분과 상기 목표HD간 차이에 반비례하는 값, 및 상기 일사량에 비례하는 값 각각이 미리 결정된 각각의 가중치에 따라 상기 작물활성지수에 반영되도록 할 수 있다.
상기 시설원예 복합환경 제어시스템은 상기 작물활성지수에 대한 목표활성지수 밴드로서 상한값과 하한값을 갖는 밴드를 제공하는 밴드 설정부를 더 포함하고, 상기 복합환경 제어부는 상기 활성지수 산출부로부터 산출되는 상기 작물활성지수가 상기 상한값과 상기 하한값 사이에 유지되도록 상기 작물의 생육 환경을 조절하도록 할 수 있다. 그리고, 상기 복합환경 제어부는 상기 작물활성지수에 따라 상기 작물에 공급되는 양액 공급을 제어할 수 있다.
또한, 상기 시설원예 복합환경 제어시스템은 일사량 조절을 위한 차광스크린, 창문 개폐를 제어하기 위한 창개폐장치, 온도 조절을 위한 냉난방장치, 온습도 조절을 위한 물분사 포깅 디바이스, 및 양액 공급 장치를 더 포함하고, 상기 복합환경 제어부는 상기 작물활성지수를 결정하는데 활용되는 상기 환경인자를 고려하여 상기 차광스크린, 상기 창개폐장치, 상기 냉난방장치, 상기 포깅 디바이스, 및 상기 양액공급장치 중 적어도 하나를 선택적으로 제어할 수 있다.
또한 상기 목적은 본 발명의 다른 양태에 따른 시설원예 환경제어 방법에 있어서, 작물 활성과 연관성을 갖는 미리 결정된 환경인자를 감지하는 단계; 상기 환경인자를 기초로 상기 작물 활성을 대표하는 작물활성지수를 산출하는 단계; 및 상기 작물활성지수에 기초하여 작물의 생육 환경을 조절하는 복합환경 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시설원예 환경제어 방법에 의해 달성될 수 있다.
그리고, 상기 환경인자는 상기 작물의 표면온도 및 상기 작물의 주변온도를 포함하고, 상기 활성지수 산출부는 상기 표면온도 및 상기 주변온도 차에 비례하는 값으로 상기 작물활성지수를 결정하는 것으로 할 수 있다.
본 발명에 의하면 작물 활성 변화에 대응하도록 또는 제어 목적에 맞춤화되도록 제공되는 목표작물활성 밴드가 설정되고, 이에 맞춤화 작물생육지수가 실시간으로 추종되도록 생육 환경을 제어할 수 있게 된다. 이에 따라, 작물에 최적화된 복합환경 제어에 의한 작물 생산량 증대 및 품질 향상이 기대된다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 시설원예 복합환경 제어시스템의 개략적인 블록 구성도;
도2는 본 발명의 실시예에 따라 엽온 측정용 열화상 카메라 및 주변온도 측정 센서의 설치 활용을 설명하기 위한 도면;
도3은 본 발명의 실시예에 따른 목표활성지수의 밴드 형태 및 그에 따른 작물활성지수 추종 제어를 설명하기 위한 일간 그래프; 및
도4는 본 발명의 실시예에 따른 시설원예 복합환경 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도2는 본 발명의 실시예에 따라 엽온 측정용 열화상 카메라 및 주변온도 측정 센서의 설치 활용을 설명하기 위한 도면;
도3은 본 발명의 실시예에 따른 목표활성지수의 밴드 형태 및 그에 따른 작물활성지수 추종 제어를 설명하기 위한 일간 그래프; 및
도4는 본 발명의 실시예에 따른 시설원예 복합환경 제어방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 시설원예 복합환경 제어시스템의 개략적인 블록 구성도이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 시설원예 복합환경 제어시스템은 환경인자 감지부(10), 활성지수 산출부(20), 밴드 설정부(30), 복합환경 제어부(40), 차광스크린(51), 포깅 디바이스(52), 창개폐장치(53), 양액공급장치(54), 및 냉난방장치(55)를 포함하여 구성된다.
환경인자 감지부(10)는 작물 활성과 연관성을 갖는 미리 결정된 환경인자를 감지하기 위한 것이다. 여기에서, 작물 활성은 광합성, 증산, 호흡 등 작물 건강 정도를 나타내는 생리적 상태를 나타내는 것으로, 이에 연관성을 갖는 환경인자는 작물의 표면온도 특히, 잎의 표면온도와 주변온도, 이산화탄소/산소 가스량, 일사량, 온도, 습도, 엽록소, (초)분광데이터 등을 들 수 있다.
이러한 환경인자를 측정하기 위한 환경인자 감지부(10)는 작물의 표면온도를 측정하기 위한 열화상 카메라, 표면온도 측정용 접촉식 온도계, 잎의 주변온도를 측정하기 위한 온도계, 이산화탄소/산소 가스미터, 일사량 측정 센서, 습도 센서, 초분광센서 등으로 구현될 수 있다.
활성지수 산출부(20)는 환경인자를 기초로 작물 활성을 대표하는 작물활성지수를 산출한다. 작물활성지수는 작물 활성을 대표하는 값이므로, 환경인자를 변수로 광합성, 호흡, 증산 등의 생리적 작용도를 수치화하는 작물활성 추정 모델로부터 산출될 수 있다.
작물의 표면온도 및 주변온도의 차는 작물의 증산작용과 관련되어 있다. 증산작용이 활발하면 잎의 표면온도는 낮아지고 주변온도와의 차는 증가한다. 따라서 작물활성 추정모델은 엽온과 잎의 주변온도의 차에 비례하도록 모델링될 수 있다.
일사량이 증가하면 광합성 및 증산작용은 활발하게 되지만, 작물에 직사되는 일사량이 증가하면 엽온은 증가하게 되며, 작물이 병든 경우에도 엽온은 증가하여 주변온도와의 차가 크게 나지 않는다.
또한, 도2에 예시된 바와 같이, 엽온을 측정하기 위한 열화상카메라(11)와 온도센서(12)와의 거리는 잎의 표면온도 및 주변온도 차를 야기할 수 있으며, 이에 따라 작물활성 추정모델로부터 산출되는 작물활성지수의 정확성을 신뢰도를 낮추게 된다.
그러므로 다양한 병리적 상태와 일사량 등의 외적 요인을 반영하여 작물활성 추정모델의 정확성을 높이도록 하는 것이 바람직하다.
예컨대, 일사량이 증가하면 작물활성지수가 증가하게 되도록 하고, 온도 및 습도를 기초로 산출되는 습도부족분(Humidity Deficit)이 작물활성이 높은 것으로 주지된 목표 습도부족분(HD)으로부터 이탈될수록 즉, 작물 환경의 온도/습도에 기반한 습도부족분과 목표HD와의 차에 반비례하는 값이 반영되어 작물활성지수를 감소시키도록 하는 작물활성 추정모델을 하기의 [수학식 1]과 같이 설정할 수 있다.
여기에서, CAI는 작물활성지수, T는 (주변온도 표면온도)값, Rad는 내부일사량(단, 외부일사량일 시 1/3 적용), HD는 습도부족분, 8은 목표 HD, d는 지수함수의 목표HD 중심으로 하는 분산도를 나태는 상수이다.
그리고, a, b, c 는 작물활성지수를 결정하는데 기여하는 가중치로서, 예컨대 각 세 항이 작물활성지수의 값이 0-100% 범위의 값을 갖게하고 이에 미치는 영향을 5:2:3과 같은 수준의 가중비율이 되도록 선정할 수 있다.
요컨대, [수학식 1]에 제시된 작물활성 추정모델에 따르면, 작물 주변온도와 표면온도 차에 비례하는 값, 습도부족분과 목표HD간 차이의 절대값에 반비례하는 값, 및 내외부 일사량에 비례하는 값 각각이 미리 결정된 각각의 가중치에 따라 작물활성지수에 반영된 예시적인 모델이라고 할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 사상은 [수학식 1]에 의해 한정되지 않는다.
다시 도1을 참조하면, 밴드 설정부(30)는 작물활성지수에 대한 목표활성지수 밴드로서 상한값과 하한값을 갖는 밴드를 제공한다.
도3은 본 발명의 실시 예에 따른 목표활성지수의 밴드 형태 및 그에 따른 작물활성지수 추종 제어를 설명하기 위한 일간 그래프이다.
도3을 참조하면, 목표활성지수는 가로 시간축을 따라 길게 밴드를 구성하며, 형태에 따라 L1-L5의 구간으로 나뉘어 있음을 알 수 있다.
L1은 야간부터 새벽까지의 시간이고, L2는 아침 오전시간, L3는 정오를 포함하는 작물 활성시간, L4는 오후 시간, L5는 저녁 및 밤시간대이다. 작물활성 관점에서 볼 때, L2는 일사량 증가에 따른 작물 활성이 증가하는 시간이고, L3는 작물 활성이 최대인 구간이고, L3는 작물 활성이 감소하는 시간이며, L5, L1은 작물 활성이 낮은 저녁, 야간, 새벽 시간이다.
목표활성지수 밴드는 이러한 일간 작물활성도에 맞춤화되도록 형성되어 있으며, 사용자가 작기가 시작하는 초기에는 작물의 에너지를 적게 사용하게 하고 작기 후반기에 작물의 에너지를 최대로 사용할 수 있게 작물 활성지수의 상한 하한값을 세팅할 수 있게 되어야 하고, 이를 위하여 작물활성지수는 백분율로 제공되어 있다.
도3에 개시된 밴드의 형태는 정식 후 작물이 성장한 시기에 따른 것이며, 정식 후 어린 묘목에 대해서는 다른 형태의 밴드가 제공될 수 있다. 예를 들어, 간헐적으로 일정한 양만큼 양액을 제공하는 것으로 수 개의 사각 밴드가 일정한 높이로 이산적으로 분포하도록 형성될 수 있다.
복합환경 제어부(40)는 작물활성지수에 기초하여 작물의 생육 환경을 조절하기 위한 것으로서, 활성지수 산출부(20)로부터 산출되는 상기 작물활성지수가 목표활성지수 밴드의 상한값과 하한값 사이에 유지되도록 작물의 생육 환경인 온도, 습도, 일사량 등을 제어한다.
즉, 복합환경 제어부(40)는 일사량을 조절하기 위한 차광스크린(51), 온도 제어를 위한 창개폐장치(53), 온실 내부온도를 냉난방하기 위한 냉난방장치(55), 물 분사를 통해 온실 내 온도 및 습도를 조절할 수 있는 포깅 디바이스(52), 및 작물에 양액을 공급하기 위한 양액공급장치(54) 중 적어도 하나를 선택적으로 제어함으로써 생육 환경을 조절할 수 있다.
예를 들어, [수학식 1]에 제시된 추정모델에서, 일사량이 적어 작물활성지수가 밴드 하한값 미만이라면 작물활성지수를 높이기 위하여 차광스크린(51)의 차광 면적이 감소하도록 스크린을 열게 할 수 있다. 또한 관수가 되어 있는 상황이 아니라면 추가관수를 하고 관수중이라면 관수시간을 일정비율만큼 추가하는 식으로 작물활성지수를 높일 수 있다.
다른 예로, 온도가 높고 습도가 낮다면, 포깅 디바이스(52)로 하여금 물 분사 및 포깅되도록 함으로써 습도부족분을 목표 값이 되도록 할 수 있고, 온도가 높지만 습도가 적절하다면 측창을 열어 통풍시키거나 냉난방장치(55)로 온도를 낮출 수 있다.
이상과 같이, 산출된 작물활성지수가 목표활성지수 밴드를 추종하도록 작물활성지수의 변수인 환경인자를 변화시키는 생육 환경 조절장치를 제어함으로써 작물 활성을 조절할 수 있다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 시설원예 복합환경 제어방법을 나타내는 순서도로서, 도4를 참조하여, 도1에 개시된 시설원예 복합환경 제어시스템의 동작을 설명하도록 한다.
먼저, 밴드 설정부(30)는 작물의 생장 시기에 따른 일간 작물 활성에 대응하는 목표활성지수 밴드를 설정한다(S1). 전술한 바와 같이, 정식한지 얼마 지나지 않은 어린 묘목이거나, 일정 생장 시기가 경과된 작물 등에 대해서 다양한 밴드가 제공되고 이를 사용자가 직접 세팅하거나 수정할 수 있다.
또한, 밴드 설정부(30)는 지향하는 작물 생육 상태에 맞춤화된 목표활성지수 밴드를 생성할 수 있다. 지향하는 작물 생육 상태란 예컨대, 영양생장 상태에서 생식성장 상태로 전환하고자 하는 경우, 생식성장 상태에 맞춤화된 목표활성지수 밴드를 설정한다. 영양생장 상태에서는 다량의 양액이 공급되도록 하고, 생식성장에서는 스트레스 조건이 되도록 소량의 양액이 공급되도록 밴드의 형태, 밴드의 폭, 양액 공급율, 양액 공급 횟수 등이 조절되도록 할 수 있다.
다음, 환경인자 감지부(10)는 환경인자를 검출하고(S2), 작물활성지수 산출부(20)는 환경인자를 기초로 작물활성 추정모델로부터 작물활성지수를 산출한다(S3).
작물활성지수는 설정된 목표활성지수 밴드와 비교된다(S4).
작물활성지수가 목표활성지수 밴드를 이탈하고 있다면, 복합환경 제어부(40)는 작물활성지수가 목표활성지수 밴드 범위에 속하도록 하기 위한 가장 주요한 제어 방법을 선택하여, 차광스크린(51), 포깅 디바이스(52), 창개폐장치(53), 양액공급장치(54), 및 냉난방장치(55) 중 적어도 하나를 선택 제어한다(S5).
다음, 복합환경 제어부(40) 또는 밴드 설정부(30)는 밴드의 변경 여부를 결정할 수 있다(S6). 작물 상태에 대해 영양생장/생식성장 전환을 위한 제어로 전환하고자 하거나, 사용자 입력에 의한 밴드 변경이 요청되는 경우, 밴드 설정부(30)는 다시 밴드를 변경하게 된다.
지속적인 작물활성지수에 대한 모니터가 요구되거나(S7), 작물활성지수가 목표활성지수 밴드 내에 있다면 환경인자를 감지하고 이로부터 산출되는 작물활성지수가 제어 목적대로 밴드를 추종하는지를 확인하는 반복적인 제어가 수행된다(S2-S5).
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 작물 활성 변화에 대응하도록 또는 제어 목적에 맞춤화되도록 제공되는 목표작물활성 밴드가 설정되고, 이에 맞춤화 작물생육지수가 실시간으로 추종되도록 생육 환경을 제어할 수 있게 된다.
이에 따라, 작물에 최적화된 복합환경 제어에 의한 작물 생산량 증대 및 품질 향상이 기대된다.
지금까지 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 상기 실시예를 용이하게 변형할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물에 미치는 것으로 이해되어야 할 것이다.
Claims (10)
- 시설원예 복합환경 제어시스템에 있어서,
작물 활성과 연관성을 갖는 미리 결정된 환경인자를 감지하는 환경인자 감지부;
상기 환경인자를 기초로 작물의 생리적 작용도를 반영하여 상기 작물 활성을 나타내는 작물활성지수를 산출하는 활성지수 산출부; 및
상기 작물활성지수에 기초하여 작물의 생육 환경을 조절하는 복합환경 제어부를 포함하고,
상기 작물활성지수는 광합성, 증산, 호흡 중 하나의 활성 상태를 나타내는 수치이고,
상기 환경인자는 상기 작물의 표면온도 및 상기 작물의 주변온도, 상기 시설원예의 내부온도 및 내부습도, 및 상기 시설원예의 일사량을 포함하고,
상기 활성지수 산출부는 상기 표면온도 및 상기 주변온도 차에 비례하는 값, 상기 내부온도 및 상기 내부습도에 따라 결정되는 습도부족분과 미리 결정된 목표HD간 차이에 반비례하는 값, 및 상기 일사량에 비례하는 값 각각이 미리 결정된 각각의 가중치에 따라 상기 작물활성지수에 반영되도록 하는 것을 특징으로 하는 시설원예 복합환경 제어시스템.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 작물활성지수에 대한 목표활성지수 밴드로서 상한값과 하한값을 갖는 밴드를 제공하는 밴드 설정부를 더 포함하고,
상기 복합환경 제어부는 상기 활성지수 산출부로부터 산출되는 상기 작물활성지수가 상기 상한값과 상기 하한값 사이에 유지되도록 상기 작물의 생육 환경을 조절하는 것을 특징으로 하는 시설원예 복합환경 제어시스템.
- 제6항에 있어서,
상기 복합환경 제어부는 상기 작물활성지수에 따라 상기 작물에 공급되는 양액 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 시설원예 복합환경 제어시스템.
- 제6항에 있어서,
일사량 조절을 위한 차광스크린, 창문 개폐를 제어하기 위한 창개폐장치, 온도 조절을 위한 냉난방장치, 온습도 조절을 위한 물분사 포깅 디바이스, 및 양액 공급 장치를 더 포함하고,
상기 복합환경 제어부는 상기 작물활성지수를 결정하는데 활용되는 상기 환경인자를 고려하여 상기 차광스크린, 상기 창개폐장치, 상기 냉난방장치, 상기 포깅 디바이스, 및 상기 양액공급장치 중 적어도 하나를 선택적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 시설원예 복합환경 제어시스템.
- 시설원예 복합환경 제어방법에 있어서,
작물 활성과 연관성을 갖는 미리 결정된 환경인자를 감지하는 단계;
상기 환경인자를 기초로 작물의 생리적 작용도를 반영하여 상기 작물 활성을 나타내는 작물활성지수를 산출하는 단계; 및
상기 작물활성지수에 기초하여 작물의 생육 환경을 조절하는 복합환경 제어 단계를 포함하고,
상기 작물활성지수는 광합성, 증산, 호흡 중 하나의 활성 상태를 나타내는 수치이고,
상기 환경인자는 상기 작물의 표면온도 및 상기 작물의 주변온도, 상기 시설원예의 내부온도 및 내부습도, 및 상기 시설원예의 일사량을 포함하고,
상기 작물활성지수는 상기 표면온도 및 상기 주변온도 차에 비례하는 값, 상기 내부온도 및 상기 내부습도에 따라 결정되는 습도부족분과 미리 결정된 목표HD간 차이에 반비례하는 값, 및 상기 일사량에 비례하는 값 각각이 미리 결정된 각각의 가중치에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 시설원예 복합환경 제어방법. - 삭제
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