KR102166725B1

KR102166725B1 - Device for monitoring plant condition and method using the same

Info

Publication number: KR102166725B1
Application number: KR1020180142428A
Authority: KR
Inventors: 김형주; 윤태항; 송학진; 정우영; 김지은; 이상현; 박기수; 양영헌
Original assignee: 건국대학교 산학협력단
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2020-10-16
Also published as: KR20200058007A

Abstract

본 발명은 3전극계 시스템을 이용하여 비접촉식 방식으로 식물의 상태를 전기화학적으로 분석하는 방법 및 장치에 대한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for electrochemically analyzing the state of plants in a non-contact manner using a three-electrode system.

Description

TECHNICAL FIELD [DEVICE FOR MONITORING PLANT CONDITION AND METHOD USING THE SAME}

본 발명은 3전극계 시스템을 이용하여 식물의 상태를 전기화학적으로 분석하는 방법 및 장치에 대한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for electrochemically analyzing the state of plants using a three-electrode system.

식물의 상태를 모니터링하는 방법은 주로 식물의 키, 잎의 수, 색깔, 모양 등의 외향을 관찰하거나, 식물 재배 환경의 온도, 습도, 일조량 등의 환경 지수를 측정하거나, 식물을 채취하여 화학적으로 분석하여 이루어졌다. 그러나 이러한 방법들은 식물의 상태를 직접적으로 정확히 알기 어려운 문제가 있다. 이에, 식물의 잎이나 줄기에 직접적으로 프로브(probe)를 삽입하여 식물의 상태를 분석하는 방법이 개발되었으나, 식물에 직접적으로 프로브를 삽입하므로 식물의 생장을 저해하고 스트레스를 유발할 수 있다.The method of monitoring the state of a plant is mainly to observe the appearance of the plant's height, number of leaves, color, and shape, measure environmental indices such as temperature, humidity, and sunlight in the plant cultivation environment, or collect plants and chemically It was done by analysis. However, these methods have a problem that it is difficult to know exactly the state of the plant directly. Accordingly, a method of analyzing the state of a plant by inserting a probe directly into a leaf or stem of a plant has been developed, but since the probe is directly inserted into the plant, it can inhibit plant growth and cause stress.

대한민국 등록특허 제10-1564626호Korean Patent Registration No. 10-1564626

본 발명의 목적은 3전극계 시스템을 이용하여 식물의 상태를 전기화학적으로 분석하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method and apparatus for electrochemically analyzing the state of plants using a three-electrode system.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 3전극계 시스템을 이용하여 식물 근권부의 리조디포시트(Rhizodeposit)에 따라 변화하는 전류를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 전류값을 분석하여 식물의 상태를 해석하는 단계를 포함하는, 식물의 상태를 전기화학적으로 분석하는 방법 제공한다.In order to achieve the above object, an aspect of the present invention is to measure the current varying according to the Rhizodeposit (Rhizodeposit) of the root of the plant using a three-electrode system; And it provides a method for analyzing the state of the plant electrochemically comprising the step of analyzing the state of the plant by analyzing the measured current value.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 3전극계 시스템은 식물의 줄기 잎 또는 뿌리에 비접촉식으로 설치될 수 있으며, 예를 들어, 뿌리에 비접촉식으로 설치될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the three-electrode system may be installed in a non-contact manner on a stem leaf or a root of a plant, for example, it may be installed in a non-contact manner on a root.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 3전극계 시스템은 기준전극, 작업전극 및 상대전극을 포함한다. 상기 기준전극, 작업전극 및 상대전극은 각각 구리, 니켈, 알루미늄, 텅스텐, 스테인레스강, 철, 은, 금, 리튬, 나트륨, 아연, 카드뮴, 납 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속류, 탄소를 포함하는 비금속류 또는 유기황을 포함하는 고분자 전극물질일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the three-electrode system includes a reference electrode, a working electrode, and a counter electrode. The reference electrode, the working electrode, and the counter electrode are metals selected from the group consisting of copper, nickel, aluminum, tungsten, stainless steel, iron, silver, gold, lithium, sodium, zinc, cadmium, lead, and alloys thereof, respectively, and carbon. It may be a polymer electrode material containing non-metals or organic sulfur containing.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 전류를 측정하는 단계는 상기 작업전극과 보조전극 사이에 흐르는 전류를 측정하는 것으로, 식물에서 방출된 리조디포시트(Rhizodeposit)에 의해 전기화학적 활성 미생물이 활성화되어 작업전극에 전류가 흐르게 됨으로써 전류를 측정할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step of measuring the current is measuring the current flowing between the working electrode and the auxiliary electrode, and electrochemically active microorganisms are activated by Rhizodeposit released from the plant. Current can be measured by flowing current through the working electrode.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 식물의 뿌리에서 방출된 리조디포시트(Rhizodeposit)에 따라 달라지는 전류값을 측정하여 식물의 생리적, 물리적 및 화학적 상태를 분석할 수 있으며, 일사량, 온도, 영양상태 및 수분량을 포함하는 외부 환경에 따른 식물의 변화를 분석할 수 있다.In one embodiment of the present invention, it is possible to analyze the physiological, physical and chemical state of the plant by measuring a current value that varies depending on the Rhizodeposit released from the root of the plant, and insolation, temperature, nutritional state, and It is possible to analyze changes in plants according to the external environment including moisture content.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 3전극 시스템의 전극은 전류를 측정하는 측정기와 연결될 수 있으며, 예를 들어, 상기 측정기는 포텐시오스태트(Potentiostat)를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the electrode of the three-electrode system may be connected to a measuring device that measures a current, for example, the measuring device may include a potentiostat (Potentiostat).

본 발명의 또 다른 측면은 기준전극, 작업전극 및 상대전극을 포함하는 3전극계; 및 상기 3전극계에서 발생하는 전류를 측정하는 측정기를 포함하는 식물의 상태를 측정하기 위한 장치를 제공한다.Another aspect of the present invention is a three-electrode system including a reference electrode, a working electrode and a counter electrode; And it provides a device for measuring the state of the plant including a measuring device for measuring the current generated in the three-electrode system.

본 발명은 3전극계 시스템을 이용하여 비접촉식 방법으로 식물의 상태를 모니터링할 수 있어 기존의 접촉식 방법에 의한 식물 생장 저해 및 스트레스와 같은 부작용을 해소할 수 있다. 본 발명의 식물 상태 모니터링 방법은 식물의 상태를 전기화학적으로 분석할 수 있어 식물 관리에 소모되는 노동력 및 시간을 절감할 수 있으며, 생육에 많은 주의가 필요한 식물을 효율적으로 관리할 수 있다. 또한, IoT 기술과 연계하여 실시간으로 또는 이동 중에도 식물의 상태를 모니터링 할 수 있다.In the present invention, since the state of the plant can be monitored by a non-contact method using a three-electrode system, side effects such as plant growth inhibition and stress can be solved by the conventional contact method. The plant condition monitoring method of the present invention can electrochemically analyze the condition of the plant, thereby reducing labor and time spent on plant management, and efficiently managing plants that require much attention for growth. In addition, in conjunction with IoT technology, it is possible to monitor the condition of plants in real time or on the go.

또한, 본 발명의 식물 상태를 모니터링 할 수 있는 방법은 농산물의 추적 생산 환경 구현을 통한 품질 향상 및 수입 증대 효과를 나타낼 수 있으며, 비료, 천연/인공 토양 산업, 센서 개발 산업 등 다양한 관련 산업에 적용될 수 있다.In addition, the method for monitoring the plant condition of the present invention can exhibit the effect of improving quality and increasing income through the implementation of a tracking production environment of agricultural products, and can be applied to various related industries such as fertilizer, natural/artificial soil industry, and sensor development industry. I can.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 3전극계 시스템을 포함하는 식물 상태 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서 정상 상태의 식물과 고사 상태의 식물의 전류 신호를 비교한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서 식물에 비료 공급시 전류 신호를 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서 빛 조건 변화시 식물로부터 측정된 전류 신호 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서 온도 조건 변화시 식물로부터 측정된 전류 신호 변화를 나타낸 그래프이다.1 is a view showing a plant condition measuring apparatus including a three-electrode system according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph comparing current signals of plants in a normal state and plants in a dead state according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph comparing current signals when fertilizer is supplied to plants in an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a change in a current signal measured from a plant when a light condition changes according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing a change in a current signal measured from a plant when a temperature condition changes according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 이하의 설명에 있어, 당업자에게 주지 저명한 기술에 대해서는 그 상세한 설명을 생략할 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, detailed descriptions of techniques well known to those skilled in the art may be omitted. In addition, in describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description may be omitted. In addition, terms used in the present specification are terms used to properly express preferred embodiments of the present invention, which may vary depending on the intention of users or operators, or customs in the field to which the present invention belongs.

따라서 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Therefore, the definitions of these terms should be made based on the contents throughout this specification. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 3전극계 시스템을 포함하는 식물 상태 측정 장치를 도시한 도면이다.1 is a view showing a plant state measuring apparatus including a three-electrode system according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 식물 상태 측정 장치는 작업전극(Working Electrode; WE), 기준전극(Reference Electrode; RE) 및 상대전극(Counter Electrode; CE)의 3전극계로 구성된다. 상기 3전극계의 각 전극은 전류를 측정하는 측정기와 연결된다. 상기 측정기는 예를 들어, 포텐시오스태트 (Potentiostat)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 측정기에서 측정된 전류 데이터는 분석기로 보내져 측정된 전류값과 정상 상태의 전류값을 비교분석하여 식물의 상태를 전기적으로 분석한다.As shown in FIG. 1, the apparatus for measuring plant state according to an embodiment of the present invention includes three electrodes of a working electrode (WE), a reference electrode (RE), and a counter electrode (CE). It consists of a system. Each electrode of the three-electrode system is connected to a measuring device that measures current. The measuring device may include, for example, a Potentiostat, but is not limited thereto. The current data measured by the measuring device is sent to an analyzer to compare and analyze the measured current value and the current value in a normal state to electrically analyze the state of the plant.

상기 3전극계의 전극은 구리, 니켈, 알루미늄, 텅스텐, 스테인레스강, 철, 은, 금, 리튬, 나트륨, 아연, 카드뮴, 납 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속류, 탄소를 포함하는 비금속류 또는 유기황을 포함하는 고분자 전극물질일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 기준전극은 구리-황산구리 합금일 수 있으며 작업전극 및 상대전극은 탄소 펠트(Carbon felt)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The electrode of the three-electrode system is a metal selected from the group consisting of copper, nickel, aluminum, tungsten, stainless steel, iron, silver, gold, lithium, sodium, zinc, cadmium, lead, and alloys thereof, and a non-metal including carbon It may be a polymer electrode material containing a liquid or organic sulfur, but is not limited thereto. For example, the reference electrode may be a copper-copper sulfate alloy, and the working electrode and the counter electrode may be carbon felt, but the present invention is not limited thereto.

상기 3전극계의 전극은 식물의 줄기 잎 또는 뿌리에 비접촉식으로 설치될 수 있으며, 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 뿌리에 근접하여 비접촉식으로 설치될 수 있다. The electrode of the three-electrode system may be installed in a non-contact manner on the stem leaf or root of a plant, for example, as shown in FIG. 1, it may be installed in a non-contact manner in proximity to the root.

광합성을 통해 식물에서 생성된 유기물이 식물의 근권부(뿌리)를 통해 리조디포시트(Rhizodeposit) 형태로 흙으로 방출되며, 이때 뿌리 근처에 서식하는 박테리아 등의 미생물이 이 유기물을 분해하여 전자와 이온이 방출되어 작업전극 주위에 전류가 생성된다. 3전극계 시스템은 작업전극에 일정한 전압을 유지시키면서, 작업전극과 보조전극인 상대전극 사이에 흐르는 전류를 측정할 수 있다. 식물의 뿌리로부터 방출되는 유기물은 식물의 생리, 물리, 화학적 상태, 예를 들어, 일사량, 영양상태, 수분량 등에 따라 달라지게 되고, 이에 따라 전극에서 측정되는 전류에 변화가 생기게 되고, 이를 정상 상태의 전류값과 비교분석하여 식물의 상태를 측정할 수 있다.Organic matter generated from plants through photosynthesis is released into the soil in the form of Rhizodeposit through the roots (roots) of the plant, and at this time, microorganisms such as bacteria living near the roots decompose these organic matters and cause electrons and ions Is discharged and a current is generated around the working electrode. The three-electrode system can measure the current flowing between the working electrode and the counter electrode, which is an auxiliary electrode, while maintaining a constant voltage on the working electrode. The organic matter released from the roots of the plant varies depending on the physiology, physical, and chemical state of the plant, for example, solar radiation, nutritional status, moisture content, etc., and accordingly, a change in the current measured by the electrode occurs. By comparing and analyzing the current value, the state of the plant can be measured.

전류 발생량 측정을 원활히 하기 위해 뿌리에 존재하는 미생물의 전자를 전극으로 이동시키는 역할을 하는 전자 전달 물질을 식물의 뿌리 근처에 도포할 수 있다. 상기 전자 전달 물질은 예를 들어 2-Hydroxy-1,4-napthoquinone일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In order to facilitate the measurement of the amount of electric current generated, an electron transfer material that serves to transfer electrons of microorganisms present in the roots to the electrodes may be applied near the roots of plants. The electron transport material may be, for example, 2-Hydroxy-1,4-napthoquinone, but is not limited thereto.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by examples. However, these examples are for explaining the present invention more specifically, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

[실시예] [Example]

[실시예 1][Example 1]

PVC 소재 화분(330 × 150 × 150 mm)에 배양토 총 1kg을 채운 후 실험식물로서 털 별꽃 아재비(Galinsoga ciliata)를 심었다. 기준전극으로 구리-황선구리 전극을 사용하고, 작업전극 및 상대전극은 Carbon felt(200 × 100 × 2 mm)를 사용하였다. 상기 세 전극을 도 1에 도시된 바와 같이 털 별꽃 아재비의 뿌리 근처에 설치하고, 각 전극을 구리 도선으로 Potentiostat에 연결한 후 전류를 측정하였다. 전류 값을 증가를 위해 전자 전달 물질로서 50 ml의 2-Hydroxy-1,4-napthoquinone을 뿌리 주변에 도포하였다. 전류 측정은 1분 단위로 진행하였다.After filling a total of 1 kg of cultured soil in a PVC pot (330 × 150 × 150 mm), a hairy chickweed (Galinsoga ciliata) was planted as an experimental plant. A copper-yellow copper electrode was used as the reference electrode, and carbon felt (200 × 100 × 2 mm) was used as the working electrode and the counter electrode. As shown in FIG. 1, the three electrodes were installed near the root of the hairy chickweed, and each electrode was connected to the Potentiostat with a copper wire, and the current was measured. In order to increase the current value, 50 ml of 2-Hydroxy-1,4-napthoquinone as an electron transfer material was applied around the root. Current measurement was performed in 1 minute increments.

[실시예 2][Example 2]

실시예 1에서와 같이 구성된 3전극계 시스템을 사용하여 식물 외부의 환경을 변화시키면서 전류를 측정하였다. Using the three-electrode system configured as in Example 1, the current was measured while changing the environment outside the plant.

급수는 2일 간격으로 200ml의 증류수로 해주며, 빛은 4000lux의 세기에서 8hour / 16hour light-dark cycle을 기본 조건으로 진행하였다. Water was supplied with 200ml of distilled water every two days, and the light was conducted under the basic conditions of an 8hour / 16hour light-dark cycle at 4000lux intensity.

우선, Heat gun(60℃ ~ 150℃)을 이용하여 식물의 고사를 유도하고 정상 식물과 고사 유도 식물의 전류 값을 측정 후 비교하였다. 도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 고사 상태일 때와 정상 상태일 때 전류의 변화가 관찰되었다. First, a heat gun (60℃ ~ 150℃) was used to induce the death of plants, and the current values of the normal plants and the death-inducing plants were measured and compared. As can be seen in FIG. 2, a change in current was observed in the dead state and in the normal state.

식물의 비료 공급에 따른 전류 변화를 측정하기 위해, Fertilizer solution 100 ml를 공급하고 그 결과를 도 3에 나타냈다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 정상 식물에서는 비료가 공급될 때마다 전류값이 상승하였으나, 열 쇼크를 받은 식물은 비료 공급시에도 전류의 변화가 없음을 확인할 수 있었다.In order to measure the current change according to the supply of fertilizer to the plant, 100 ml of Fertilizer solution was supplied and the results are shown in FIG. 3. As can be seen in FIG. 3, in normal plants, the current value increased each time fertilizer was supplied, but it was confirmed that the current was not changed in the plants subjected to heat shock even when fertilizer was supplied.

빛 조건 변화 시 식물의 전류 변화를 측정하기 위해, 15일 간격으로 4000 lux / 0 lux로 변화시키며 전류를 측정하였다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 정상 식물은 일정한 전류를 유지하는 반면, 열 쇼크를 받은 식물은 열 쇼크에 의해 전류가 감소된 후, 빛 조건의 변화에도 정상 식물보다 더 낮은 전류값을 나타냈다.In order to measure the change in the current of the plant when the light conditions change, the current was measured by changing the current to 4000 lux / 0 lux every 15 days. As can be seen in FIG. 4, the normal plants maintained a constant current, whereas the plants subjected to heat shock showed lower current values than the normal plants even after the change in light conditions after the current was reduced by heat shock.

온도 조건 변화 시 식물의 전류 변화를 측정하기 위해, 10일 간격으로 7℃와 35℃로 변화시키며 전류를 측정하였다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 열 쇼크를 받은 식물은 열 쇼크에 의해 전류가 감소된 후 정상 식물보다 더 낮은 전류값을 나타냄을 확인할 수 있었다.In order to measure the change in the current of the plant when the temperature condition changes, the current was measured by changing the current at 7°C and 35°C every 10 days. As can be seen in FIG. 5, it was confirmed that the plants subjected to heat shock showed lower current values than normal plants after the current was reduced by heat shock.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been looked at around its preferred embodiments. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative point of view rather than a limiting point of view. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

Claims

Measuring a current that changes according to Rhizodeposit in the plant root region using a three-electrode system; And
Analyzing the measured current value to analyze the state of the plant
Including, as a method of electrochemically analyzing the state of a plant, the three-electrode system includes a reference electrode, a working electrode, and a counter electrode, and the method includes an external environment including solar radiation, temperature, nutritional status, and moisture content. The method of analyzing changes in plants according to.

The method of claim 1,
The method of the three-electrode system is installed in a non-contact type on the stem, leaf or root of the plant.

delete

The method of claim 1,
The method of measuring the current flowing between the working electrode and the auxiliary electrode.

The method of claim 1,
The method in which the electrochemically active microorganism is activated by the Rhizodeposit released from the plant, and an electric current flows through the working electrode.

The method of claim 1,
The method of analyzing the physiological, physical and chemical state of the plant by measuring a current value that varies depending on the Rhizodeposit released from the root of the plant.

The method of claim 1,
The method in which the electrode of the three-electrode system is connected to a measuring device for measuring current.

The method of claim 7,
The measuring device includes a Potentiostat.

The method of claim 1,
The reference electrode, the working electrode, and the counter electrode are metals selected from the group consisting of copper, nickel, aluminum, tungsten, stainless steel, iron, silver, gold, lithium, sodium, zinc, cadmium, lead, and alloys thereof, respectively, and carbon. A method of a polymer electrode material containing non-metals or organic sulfur containing a.

delete

A three-electrode system including a reference electrode, a working electrode, and a counter electrode; And
Measuring device for measuring the current generated in the three-electrode system
Device for measuring the state of the plant comprising a.