KR102251785B1 - 수경재배용 배지의 함수량을 측정하는 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른, 수경재배용 배지의 함수량을 측정하는 시스템은, 수경재배용 배지를 포장한 포장재의 제1 면에 부착되는 제1 전극판; 상기 포장재의 상기 제1 면의 반대편의 제2 면에 상기 제1 전극판을 마주보도록 부착되는 제2 전극판; 및 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판에 정현파 교류를 인가하여 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이의 임피던스를 측정하고 상기 측정된 임피던스를 바탕으로 상기 배지의 함수량 또는 그 변화를 측정하는 측정 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수경재배용 배지의 함수량을 측정하는 시스템{System for water content measurement of hydroponic substrate}
본 발명은 수경재배용 배지의 함수량을 측정하는 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수경재배에서 식물이 식재되는 인공토양 등 배지의 함수량을 콘덴서 방식으로 측정하는 시스템에 관한 것이다.
그린하우스의 장점은 토마토, 딸기, 파프리카 등 다양한 과수를 1년 365일 생산할 수 있으며, 식물이 필요한 영양분을 인위적으로 공급할 수 있기 때문에 윤작의 필요성이 없고, 병충해로부터 비교적 자유롭다는 것이다. 식물에 공급되는 양액은 소량의 액체 영양소와 다량의 물을 혼합하여 만든다. 수경재배 식물은 비닐 등의 포장재로 포장된 배지 위에 식재되고, 양액은 배지의 상부나 하부에서 공급된다.
배지에 공급된 양액은 식물의 뿌리를 통하여 식물로 흡수되고, 과다하게 양액이 공급되면 배지 아랫부분의 배출구를 통하여 배출된다(배출되는 양액을 배액이라 한다). 일사량이 많고 온도가 높으면 식물의 광합성과 증산이 활발하여 배지의 수분이 감소하게 된다. 배지의 수분이 과도하게 소비되어 배지의 함수량이 부족하면 식물의 성장이 느릴 뿐만 아니라 심한 경우에는 스트레스를 받아 고사하게 된다. 따라서 배지의 수분을 실시간으로 측정하여 함수량이 어느 정도 이하가 되면 양액을 공급해야 하여 과다한 배액 소모를 줄여야 한다. 양액의 적절한 공급은 식물의 생장뿐만 아니라 과일의 품질에도 영향을 미치기 때문에 원하는 성분의 양액을 적절한 시기에 적절한 양을 공급하는 장치가 필요하다. 이를 위해 배지의 함수량을 측정하는 방법으로 다음과 같은 기술이 있다.
TDR(Time Domain Reflectometry)은 전송선에 전자파를 인가하여 되돌아오는데 걸리는 시간을 측정하여 토양의 수분을 측정하는 방법이다. 어떤 물질에 금속의 전송선을 통하여 높은 주파수의 전자파 펄스를 인가하면 전송선이 끝나는 위치에서 임피던스 불일치가 발생하여 전송선이 끝나는 위치에서 소스로 전자파가 되돌아온다. 전송선을 따라 움직이는 전자파의 속도는 전송선 주변 물질의 유전율과 전도도에 따라 다르다. 전송선 주변의 유전율은 식 ε=(tㅇc/L)2으로 표현된다. 여기서 ε, t, c, L은 각각 반사된 위치의 유전율, 되돌아오는데 걸리는 시간, 빛의 속도, 전송선의 길이이다. 전송선 주변의 토양에 수분이 많은 경우 ε이 커져 반사시간이 커지게 된다. 따라서 반사시간을 측정하여 수분의 함량을 결정할 수 있다. TDR 방식의 경우 전송선의 길이가 짧아 반사시간이 피코초 단위이기 때문에 정확한 측정을 위해서 복잡하고 정교한 하드웨어와 소프트웨어가 필요하므로 센서 가격이 비싸다.
FDR(Frequency Domain Reflectometry)은 금속 전송선 막대(rod)를 통하여 수백 MHz 급의 주파수의 교류신호를 토양에 인가하는 경우 소스와 토양까지 연결하는 선의 임피던스와 토양내부에 설치된 금속 로드의 임피던스와의 불일치로 인하여 소스로 되돌아오는 반사계수를 측정하여 토양의 함수율을 측정하는 방법이다. 토양의 함수율에 따라 금속 로드의 임피던스가 변화하므로 반사계수가 달라진다. 물의 유전율은 주파수가 증가함에 따라 감소하는 특징을 갖고 있으므로 FDR 방식의 경우 여러 주파수 밴드에서 반사계수를 측정하여 평균적인 유전율을 구하여 토양의 수분을 측정해야 하는 불편함이 있다.
그린하우스에서 많이 사용되고 있는 관수 방식은 일사량에 따라 관수하는 형태로, 일정기간 동안 일사량을 적분하여 기준치 이상이면 양액을 일정기간 동안 관수한다. 이러한 방식으로 관수하면 수분 부족으로 인한 식물스트레스를 막기 위하여 안전하게 많은 양을 관수하게 되어 양액 낭비와 배액으로 인한 환경오염을 가져온다. 다른 한편으로 상기 FDR이나 TDR 형태의 함수량 센서를 이용하여 배지의 함수량을 측정하여 함수량이 낮으면 관수하고 높으면 관수를 멈추는 방식으로 관수하는 시도도 있다. FDR과 TDR 센서는 극히 일부분의 배지 함수량을 측정하기 때문에 배지전체의 평균적 함수량이라고 할 수 없다. 배지내의 식물의 뿌리는 불규칙적으로 분포하기 때문에 배지 일부분을 측정하여 관수하게 되면 효율적인 관수를 할 수 없다. 그린하우스에 사용되는 배지의 경우 중력 때문에 수분 즉 물은 대부분 배지의 아래 부분에 존재하게 된다. 그리고 식물의 뿌리도 배지의 하부에 분포한다. TDR과 FDR 센서는 구조적으로 수분이 몰리게 되어있는 배지 아래 부분의 함수량을 정확하게 측정할 수 없다.
이에 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 배지의 특정 부분에 국한되지 않고 보다 넓은 영역에 걸쳐 평균적인 함수량을 측정할 수 있는 함수량 측정 시스템을 제공하는 데 있다.
또한 그린하우스 운영에 필요한 것 중 하나는 배지의 전기전도도(EC: Electric Conductivity)를 실시간으로 측정하는 것이다. 그린하우스를 운영하는 농부들은 작물의 종류, 성장상태, 환경변수(일사량, 온도, 습도 등)에 따라 실시간으로 배지의 함수량 및 배액율, 배액의 전기전도도와 산화도(pH)를 측정하여 그 값들에 따라 양액을 조절하여 공급하기를 원한다. 현재 농가에서는 수분센서와 별도로 상용화된 전기전도도 측정기를 사용하고 있다.
이에 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 함수량과 함께 전기전도도를 동시에 측정할 수 있는 함수량 측정 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른, 수경재배용 배지의 함수량을 측정하는 시스템은, 수경재배용 배지를 포장한 포장재의 제1 면에 부착되는 제1 전극판; 상기 포장재의 상기 제1 면의 반대편의 제2 면에 상기 제1 전극판을 마주보도록 부착되는 제2 전극판; 및 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판에 정현파 교류를 인가하여 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이의 임피던스를 측정하고 상기 측정된 임피던스를 바탕으로 상기 배지의 함수량 또는 그 변화를 측정하는 측정 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 시스템은 상기 제1 전극판을 둘러싸는 제1 방수절연체; 및 상기 제2 전극판을 둘러싸는 제2 방수절연체를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2면은 각각 상기 포장재의 제1 측면 및 제2 측면이거나, 상기 포장재의 상면 및 하면일 수 있다.
상기 제1 및 제2면은 각각 상기 포장재의 상면 및 하면이고, 상기 제2 전극판은 상기 배지의 양액 배출구 아래에 위치하지 않을 수 있다.
상기 제1 및 제2면은 각각 상기 포장재의 상면 및 하면이고, 상기 제1 전극판은 상기 배지에 식재된 식물 주위를 둘러싸도록 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2면은 각각 상기 포장재의 제1 측면 및 제2 측면이고, 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판은 상기 배지에 식재된 식물의 양쪽에 배치될 수 있다.
상기 제1 및 제2 면은 각각 상기 포장재의 제1 측면 및 제2 측면이고, 상기 제1 및 제2 전극판의 하단은 상기 제1 및 제2 측면의 하단 또는 그 아래에 위치할 수 있다.
상기 측정 장치는 상기 측정된 임피던스의 크기의 증가 및 감소에 따라 상기 함수량의 감소 및 증가를 측정할 수 있다.
상기 측정 장치는 상기 측정된 임피던스를 등가 병렬 또는 직렬인 저항 및 커패시턴스로 변환하고, 상기 커패시턴스의 증가 및 감소에 따라 상기 함수량의 증가 및 감소를 측정하거나, 상기 저항의 증가 및 감소에 따라 상기 함수량의 감소 및 증가를 측정할 수 있다.
상기 측정 장치는 상기 측정된 임피던스를 바탕으로 상기 배지의 전기전도도 또는 그 변화를 측정할 수 있다.
상기 측정 장치는 상기 측정된 임피던스의 크기의 증가 및 감소에 따라 상기 전기전도도의 감소 및 증가를 측정할 수 있다.
상기 측정 장치는 상기 측정된 임피던스를 등가 병렬 또는 직렬인 저항 및 커패시턴스로 변환하고, 상기 저항의 증가 및 감소에 따라 상기 전기전도도의 감소 및 증가를 측정할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른, 수경재배용 배지의 함수량을 측정하는 시스템은, 상기 배지의 제1 부분에 삽입되는 제1 전극판; 상기 제1 전극판을 마주보도록 상기 배지의 제2 부분에 삽입되는 제2 전극판; 및 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이의 임피던스를 측정하고 상기 측정된 임피던스를 바탕으로 상기 배지의 함수량 또는 그 변화를 측정하는 측정 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 시스템은 상기 제1 전극판을 둘러싸는 제1 방수절연체; 및 상기 제2 전극판을 둘러싸는 제2 방수절연체를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판은 상기 배지에 식재된 식물의 양쪽에 배치될 수 있다.
상기 제1 방수절연체 및 상기 제2 방수절연체는 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이가 전기적으로 도통되지 않고 컨덴서가 형성되도록 할 수 있다.
상기 측정 장치는, 상기 정현파 교류를 생성하는 PLL; 상기 정현파 교류를 소정의 크기로 증폭하는 증폭부; 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부; 및 상기 측정된 임피던스를 바탕으로 상기 배지의 함수량 또는 그 변화를 측정하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 의하면, 배지의 특정 부분에 국한되지 않고 보다 넓은 영역에 걸쳐 평균적인 함수량을 측정할 수 있다.
또한, 하나의 시스템으로 함수량과 함께 전기전도도를 동시에 측정할 수 있어 별도의 측정 장치를 이용해야 하는 번거로움이 없고 비용을 절감할 수 있다.
도 1 및 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 함수량 측정 시스템의 전극 센서 구조의 일 예로서, 도 1은 전극 센서가 설치된 모습의 사시도를, 도 2는 전극 센서 부분의 단면도를 나타낸다.
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 함수량 측정 시스템의 전극 센서 구조의 다른 예로서, 도 3은 전극 센서가 설치된 모습의 사시도를, 도 4는 전극 센서 부분의 단면도를 나타낸다.
도 5는 식물이 배지에 식재된 상태에서 도 1의 전극 센서가 설치된 모습의 예를 나타낸다.
도 6은 식물이 배지에 식재된 상태에서 도 3의 전극 센서가 설치된 모습의 예를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 함수량 측정 시스템의 전극 센서 구조의의 또 다른 예를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 함수량 측정 시스템의 측정 장치의 구체적인 구성을 나타낸다.
도 9는 임피던스 측정부를 통해 측정되는 임피던스의 크기와 위상의 시간에 따른 그래프의 예를 나타낸다.
도 10은 측정된 임피던스로부터 변환된 서로 병렬인 저항 및 커패시턴스의 그래프를 나타낸다.
도 11은 측정된 임피던스로부터 변환된 서로 직렬인 저항 및 커패시턴스의 그래프를 나타낸다.
도 12 내지 14는 각각 배지의 배액의 전기전도도가 변화될 때 임피던스의 크기 및 위상, 임피던스로부터 변환된 등가 병렬저항 및 커패시턴스, 임피던스로부터 변환된 등가 직렬저항 및 커패시턴스의 그래프이다.
도 15 및 16은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 함수량 측정 시스템의 전극 센서 구조의 일 예로서, 도 15는 전극 센서가 설치된 모습의 사시도를 도 16은 전극 센서 부분의 단면도를 나타낸다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 구체적인 실시 예들을 설명하기에 앞서, 이해를 돕기 위하여 본 발명의 기초가 되는 기술적 원리에 관하여 설명하기로 한다.
일반적으로 토양의 비유전율은 3~5 정도이나, 물의 비유전율은 80 정도이다. 토양에 물이 있으면 유전율이 증가하게 된다. 토양을 유전체로 생각하여 커패시터를 만들면 토양의 함수량에 따라 유전체의 유전율이 변하게 되어 커패시터의 용량이 변하게 된다.
컨덴서는 유전체의 양측에 도체 전극의 붙여서 만들고 컨덴서의 용량은 수학식 1로 표시할 수 있다.
Figure 112019028655516-pat00001
여기서 ε은 유전율, A는 도체 전극의 면적, d는 두 전극 간의 거리를 나타낸다. 배지의 경우 인공 토양과 양액(물)이 혼합된 유전체로 생각할 수 있다. 따라서 배지에 수분이 많아지면 유전율이 커지게 되어 컨덴서 용량이 커지게 되므로 컨덴서 용량을 측정함으로써 배지의 함수량 또는 그 변화를 측정할 수 있다. 배지 양측에 금속 전극을 부착하고 금속 전극에 교류 신호를 인가하여 임피던스를 측정하면 수학식 2와 같이 실수부(R)과 허수부(X)로 표시할 수 있다.
Figure 112019028655516-pat00002
여기서 실수부 R은 저항, 허수부 X는 리액턴스 성분이다. 임피던스는 크기(Zm)와 위상(θ)으로 표시될 수 있고, 위상값이 양이면 인덕터, 음이면 커패시터이다. 따라서 배지, 즉 인공토양과 양액이 혼합된 배지의 임피던스를 측정하여 허수부를 구하면 배지의 커패시턴스를 구할 수 있다.
간단한 직선형 구조의 저항은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019028655516-pat00003
여기서 σ, L, A는 각각 저항체 물질의 전도도(electric conductivity: EC), 길이, 면적을 나타낸다. 수학식 3에서 전도도가 커지면 저항이 작아지는 것을 알 수 있다. 저항이 작아지면 임피던스도 작아진다.
기하학적으로 복잡한 구조의 컨덴서라고 할지라도 저항(R)과 커패시턴스(C)는 수학식 4와 같은 관계를 가진다.
Figure 112019028655516-pat00004
즉, 저항과 컨덴서의 임피던스 크기가 크게 차이가 나지 않으면 수학식 4에 의하여 R이 증가하면 C가 감소하고 반대로 C가 증가하면 R이 감소한다. 만약 유전율(ε)이나 전도도의 임피던스가 다른 하나보다 월등히 크면 큰 변수에 따라 변화한다. 배지의 유전율은 재질의 종류나 수분의 상태에 따라 변화가 큰 편이다.
본 발명에서는 위와 같은 원리를 이용하여 그린하우스 수경재배용 배지의 보다 넓은 영역에 걸쳐 평균적인 함수량을 측정할 수 있고, 함수량과 함께 전기전도도를 동시에 측정할 수 있는 함수량 측정 시스템을 제공한다.
도 1 및 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 함수량 측정 시스템의 전극 센서 구조의 일 예로서, 도 1은 전극 센서가 설치된 모습의 사시도를, 도 2는 전극 센서 부분의 단면도를 나타낸다.
수경재배용 배지(11)는 예컨대 비닐 등의 포장재(10)에 의해 포장되는데, 배지(11)와 포장재(10)는 대체적으로 직육면체 형상을 가지며 기다랗게 형성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 전극 센서는 포장재(10)의 상면에 부착되는 제1 전극판부(20)와, 포장재(10)의 하면에 제1 전극판부(20)를 마주보도록 부착되는 제2 전극판부(30)를 포함할 수 있다. 제1 전극판부(20)와 제2 전극판부(30)의 쌍은 도시된 바와 같이 배지(11)의 길이 방향을 따라 다수 개 설치될 수 있다. 제1 전극판부(20)와 제2 전극판부(30)는 그 사이의 배지(11)를 유전체로 하는 컨덴서를 형성한다.
도 2를 참조하면, 제1 전극판부(20)는 제1 전극판(21) 및 이를 둘러싸는 제1 방수절연체(22)로 구성되고, 제2 전극판부(30)는 제2 전극판(31) 및 이를 둘러싸는 제2 방수절연체(32)로 구성될 수 있다. 포장재(10)도 일반적으로 절연체 역할을 하므로 방수절연체(22, 32) 없이 제1 전극판(21)과 제2 전극판(31)을 직접 포장재(10)에 부착할 수도 있으나, 이 경우 배지(11) 내의 수분이 포장재(10) 밖으로 스며 나오거나 포장재(10) 표면에 물기가 생기면 제1 전극판(21)과 제2 전극판(31)이 전기적으로 도통되어 배지 함수량에 비례하는 컨덴서가 형성되지 않을 수 있다. 따라서 제1 전극판(21)과 제2 전극판(31)을 각각 방수절연체(22, 32)로 둘러쌈으로써 제1 전극판(21)과 제2 전극판(31) 사이가 전기적으로 도통되지 않고 컨덴서가 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
도시된 바와 같이 제1 전극판(21)과 제2 전극판(31)을 배지(11)의 폭 방향 전체를 커버하도록 설치하면, 배지(11)의 폭 방향 (및 높이 방향) 전체에 걸친 함수량을 측정할 수 있다. 또한, 제1, 2 전극판(21, 31)을 배지(11)의 길이 방향을 따라 길게 형성하거나, 다수의 제1 전극판(21)을 서로 전기적으로 연결하고 다수의 제2 전극판(31)을 서로 전기적으로 연결하여, 배지(11)의 길이 방향 전체에 걸쳐 함수량이 측정되도록 할 수도 있다.
한편, 도시되지는 않았으나 배지(11)에 양액이 과다하게 공급되었을 때 잉여 양액이 배출될 수 있도록 배지(11)의 아랫부분에 양액 배출구가 형성된다. 이때 배출되는 양액이 포장재(10)의 하면과 제2 전극판부(30) 사이로 들어가면 함수량 측정에 오류가 발생할 수 있으므로, 제2 전극판부(30)가 양액 배출구 아래에 위치하지 않도록 해야 한다.
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 함수량 측정 시스템의 전극 센서 구조의 다른 예로서, 도 3은 전극 센서가 설치된 모습의 사시도를, 도 4는 전극 센서 부분의 단면도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 전극 센서는 포장재(10)의 제1 측면(길이 방향 측면)에 부착되는 제1 전극판부(40)와, 포장재(10)의 제1 측면의 반대편의 제2 측면에 부착되는 제2 전극판부(50)를 포함할 수 있다. 제1 전극판부(40)와 제2 전극판부(50) 역시 배지(11)의 길이 방향을 따라 다수 개 설치될 수 있다. 제1 전극판부(40)와 제2 전극판부(50)는 그 사이의 배지(11)를 유전체로 하는 컨덴서를 형성한다.
도 4를 참조하면, 도 2와 마찬가지로, 제1 전극판부(40)는 제1 전극판(41) 및 이를 둘러싸는 제1 방수절연체(42)로 구성되고, 제2 전극판부(50)는 제2 전극판(51) 및 이를 둘러싸는 제2 방수절연체(52)로 구성될 수 있다.
도시된 바와 같이 제1 전극판(41)과 제2 전극판(51)을 배지(11)의 높이 방향 전체를 커버하도록 설치하면, 배지(11)의 높이 방향 (및 폭 방향) 전체에 걸친 함수량을 측정할 수 있다. 특히 배지(11) 하부의 함수량이 측정되도록 하기 위해 제1 전극판(41)과 제2 전극판(51)의 하단이 배지(11)의 제1, 2 측면의 하단 또는 그 아래에 위치하도록 할 수 있다. 또한, 제1, 2 전극판(41, 51)을 배지(11)의 길이 방향을 따라 길게 형성하거나, 다수의 제1 전극판(41)을 서로 전기적으로 연결하고 다수의 제2 전극판(51)을 서로 전기적으로 연결하여, 배지(11)의 길이 방향 전체에 걸쳐 함수량이 측정되도록 할 수도 있다.
도 5는 식물이 배지(11)에 식재된 상태에서 도 1의 전극 센서가 설치된 모습의 예를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 제1 전극판부(20)와 제2 전극판부(30)의 쌍은 식물(P)들 사이 혹은 식물(P) 옆에 설치될 수 있다.
도 6은 식물이 배지(11)에 식재된 상태에서 도 3의 전극 센서가 설치된 모습의 예를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 식물(P) 주변의 배지(11)를 유전체로 하는 콘덴서를 형성하도록 제1 전극판부(40)와 제2 전극판부(50)는 식물(P)의 양쪽에 배치될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 함수량 측정 시스템의 전극 센서 구조의 또 다른 예를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 제1 전극판부(20_1, 2)와 제2 전극판부(30)는 포장재(10)의 상면과 하면에 부착되면서 식물(P)이 식재된 위치에 설치될 수 있다. 이때 제1 전극판부(20_1, 2)는 배지(11)에 식재된 식물(P) 주위를 둘러싸도록 형성될 수 있으며, 예컨대 도시된 바와 같이 'ㄷ' 자형의 제1 부분(20_1)과 제2 부분(20_2)으로 형성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 함수량 측정 시스템의 측정 장치(100)의 구체적인 구성을 나타낸다.
측정 장치(100)는 도 1 내지 7을 통해 설명한 전극 센서의 제1 전극판과 제2 전극판에 정현파 교류를 인가하여 제1 전극판과 제2 전극판 사이의 임피던스를 측정하고 측정된 임피던스를 바탕으로 배지(11)의 함수량 또는 그 변화를 측정한다. 또한 측정 장치(100)는 측정된 임피던스를 바탕으로 배지(11)의 전기전도도 또는 그 변화를 측정할 수 있다.
도 8을 참조하면, 측정 장치(100)는 PLL(110), 증폭부(120), 임피던스 측정부(130), MUX(140), 통신부(150), 제어부(160)를 포함할 수 있다.
PLL(110)은 제1, 2 전극판에 인가할 정현파 교류를 생성하고, 증폭부(120)는 정현파 교류를 소정의 크기로 증폭한다. MUX(140)는 제어부(160)의 제어에 따라 여러 개의 전극 센서 중에서 임피던스를 측정할 전극 센서를 선택한다. MUX(140)는 예컨대 아날로그 스윗치나 릴레이를 이용하여 구성될 수 있다. 임피던스 측정부(130)는 MUX(140)를 통해 선택된 전극 센서의 제1, 2 전극판에 정현파 교류를 인가하고 제1, 2 전극판 사이의 임피던스를 측정한다. 필요에 따라서 임피던스 측정부(130)는 서로 연결된 복수 개의 전극 센서로부터 임피던스를 측정할 수도 있다. 이 경우 MUX(140)는 사용되지 않을 수도 있다. 제어부(160)는 PLL(110), 증폭부(120), 임피던스 측정부(130), MUX(140), 통신부(160) 등 측정 장치(100)의 전반을 제어한다. 예컨대 제어부(160)는 PLL(110)이 생성할 정현파 교류의 주파수를 결정하고, 증폭부(120)의 증폭율을 결정하며, MUX(140)가 선택할 전극 센서를 결정한다. 또한 제어부(160)는 임피던스 측정부(130)의 임피던스 측정 결과를 바탕으로 함수량 또는 그 변화, 전기전도도 또는 그 변화를 측정한다. 통신부(160)는 함수량과 전기전도도의 측정 결과를 유선 또는 무선 통신망을 통해 농장을 관리하는 호스트 컴퓨터나 관수 제어 장치 등 다른 장치로 전송한다.
도 9는 임피던스 측정부(130)를 통해 측정되는 임피던스의 크기와 위상의 시간에 따른 그래프의 예를 나타낸다. 제어부(160)는 측정되는 임피던스를 그것과 등가의 서로 병렬인 저항(R) 및 커패시턴스(C) 또는 서로 직렬인 저항(R) 및 커패시턴스(C)로 변환할 수 있다.
도 10은 측정된 임피던스로부터 변환된 등가 병렬저항(R) 및 커패시턴스(C)의 그래프를 나타내고, 도 11은 측정된 임피던스로부터 변환된 등가 직렬저항(R) 및 커패시턴스(C)의 그래프를 나타낸다. 도 9 내지 11은 배지(11)에 양액이 공급되어 수분이 증가하면 커패시턴스(C)는 증가하고 임피던스의 크기 및 저항(R)은 감소하며, 양액 공급 후 수분이 점차 감소함에 따라 커패시턴스(C)는 점차 감소하고 임피던스의 크기 및 저항(R)은 점차 증가하는 현상을 보여준다.
따라서 제어부(160)는 측정되는 임피던스의 크기, 임피던스로부터 변환된 저항(R) 또는 커패시턴스(C)의 변화를 이용하여 배지(11)의 함수량의 변화를 측정할 수 있다. 즉, 제어부(160)는 커패시턴스(C)의 증가 및 감소에 따라 함수량의 증가 및 감소를 측정하거나, 임피던스의 크기 또는 변환된 저항(R)의 증가 및 감소에 따라 함수량의 감소 및 증가를 측정할 수 있다.
한편, 상기 수학식 3을 통해 전기전도도(σ)가 증가하면 저항이 감소하고 임피던스의 크기가 감소하며, 수학식 4를 통해 저항이 감소하게 되면 커패시턴스가 증가함을 알 수 있다. 도 12 내지 14는 각각 배지(11)의 배액의 전기전도도가 2mS에서 4mS로 변화될 때 임피던스의 크기(Z) 및 위상(θ), 임피던스로부터 변환된 등가 병렬저항(R) 및 커패시턴스(C), 임피던스로부터 변환된 등가 직렬저항(R) 및 커패시턴스(C)를 측정한 결과의 그래프를 나타낸다. 도 10 내지 12를 참조하면 배액의 전기전도도가 2mS에서 4mS로 증가함에 따라 임피던스의 크기(Z)와 저항(R)이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
따라서 제어부(160)는 측정되는 임피던스의 크기 또는 임피던스로부터 변환된 저항(R)의 변화를 이용하여 배지(11)의 전기전도도의 변화를 측정할 수 있다. 즉 제어부(160)는 임피던스의 크기 또는 변환된 저항(R)의 증가 및 감소에 따라 전기전도도의 감소 및 증가를 측정할 수 있다.
도 15 및 16은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 함수량 측정 시스템의 전극 센서 구조의 일 예로서, 도 15는 전극 센서가 설치된 모습의 사시도를 도 16은 전극 센서 부분의 단면도를 나타낸다.
도 1 내지 7의 실시 예는 배지(11)가 대체적으로 직육면체 형태이므로 포장재(10)의 측면 또는 상하면에 전극판을 부착하는 것이 가능하나, 도 15 및 16과 같이 배지(11')가 그 바깥쪽 측면이나 하면에 전극판을 부착하기에 적합하지 않은 형태일 수 있다. 이러한 경우 전극 센서는 배지(11') 및 포장재(10')의 상부에서 배지(11')의 제1 부분에 삽입되는 제1 전극판부(40')와 제1 전극판부(40')를 마주보도록 배지(11')의 제2 부분에 삽입되는 제2 전극판부(50')를 포함할 수 있다. 이때 제1 전극판부(40')와 제2 전극판부(50')는 배지(11')에 식재된 식물(P)의 양쪽에 배치될 수 있다. 제1 전극판부(40')와 제2 전극판부(50')는 도시된 바와 같이, 배지(11')의 폭 방향을 따라 마주보거나 배지(11')의 길이 방향을 따라 마주보도록 배치될 수 있다.
도 16을 참조하면, 도 2, 4와 마찬가지로 제1 전극판부(40') 역시 제1 전극판(41') 및 이를 둘러싸는 제1 방수절연체(42')로 구성되고, 제2 전극판부(50') 역시 제2 전극판(51') 및 이를 둘러싸는 제2 방수절연체(52')로 구성되어, 제1 전극판(41')과 제2 전극판(51') 사이가 전기적으로 도통되지 않고 컨덴서가 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 또한 제1 전극판부(40')와 제2 전극판부(50')는 배지(11')의 상부로부터 하부에 걸쳐 전체적으로 함수량을 측정할 수 있도록 상단은 배지(11')의 상부 또는 그 위에 위치하고 하단은 배지(11')의 바닥면에 위치하도록(즉, 포장재(11')이 내면과 맞닿도록) 설치될 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 의하면, 배지의 특정 부분에 국한되지 않고 배지의 하부를 포함하는 보다 넓은 영역에 걸쳐 평균적인 함수량을 측정할 수 있다. 따라서 배지 전체의 평균수분 측정이 가능하여 식물성장에 필요한 양액을 골고루 공급할 수 있어 식물의 고른 성장을 가능하게 할 수 있다. 식물이 고르게 성장하면 수확량이 증가한다.
또한, 배지의 함수량과 전기전도도를 동시에 측정할 수 있으므로 수동으로 전기전도도를 측정하는 번거로움을 없앨 수 있을 뿐만 아니라, 별도의 전기전도도 측정 장치가 필요 없어 상용 전기전도도 측정기를 장착하는 경우보다 비용을 절감할 수 있다.
식물을 재배함에 따라 배지에는 양액의 영양분이 인공토양에 누적되어 배지 자체의 전기전도도가 배지로부터 배출되는 배액의 전기전도도다 커지게 된다. 대부분의 상용화된 전기전도도 측정기는 배지로부터 나온 배액의 전기전도도를 측정하지만, 본 발명의 실시 예에 따른 시스템은 배지 자체의 전기전도도 변화를 측정하므로 식물의 성장환경을 직접적으로 체크할 수 있어 최적의 식물성장 조건을 만들 수 있다.
또한, 배지의 함수량을 실시간으로 측정 가능하므로 함수량의 최대값과 최저값을 설정하여 배지 함수량을 조정하는 것이 가능하여 재배식물에 따른 함수량 조절이 가능하다.
또한, 배지의 함수량의 최대값을 조절함으로써 급액과 배액량 조절이 가능하여 양액 낭비와 배액의 과다배출을 막을 수 있다. 급액량 조절이 가능하면 농산물생산 원가절감이 가능하고, 배액량 조절이 가능하면 불필요한 배액을 줄임으로써 토양과 수질 오염을 막을 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시 예는 하나 이상의 마이크로프로세서들의 제어 또는 다른 제어 장치들에 의해서 다양한 기능들을 실행할 수 있는, 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩 업 테이블(look-up table) 등과 같은 집적 회로 구성들을 채용할 수 있다. 본 발명에의 구성 요소들이 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소들로 실행될 수 있는 것과 유사하게, 실시 예는 데이터 구조, 프로세스들, 루틴들 또는 다른 프로그래밍 구성들의 조합으로 구현되는 다양한 알고리즘을 포함하여, C, C++, 자바(Java), 어셈블러(assembler) 등과 같은 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능적인 측면들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 실시 예는 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. "매커니즘", "요소", "수단", "구성"과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.
실시 예에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 실시 예의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 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 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10, 10' : 포장재
11, 11' : 수경재배용 배지
20, 40, 40' : 제1 전극판부
30, 50, 50' : 제2 전극판부
21, 41, 41' : 제1 전극판
31, 51, 51' : 제2 전극판부
22, 42, 42' : 제1 방수절연체
32, 52, 52' : 제2 방수절연체
100 : 측정 장치

Claims (17)

  1. 수경재배용 배지의 함수량을 측정하는 시스템으로서,
    수경재배용 배지를 포장한 포장재의 제1 면에 부착되는 제1 전극판과, 상기 포장재의 상기 제1 면의 반대편의 제2 면에 상기 제1 전극판을 마주보도록 부착되는 제2 전극판을 포함하는 전극 센서; 및
    상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판에 정현파 교류를 인가하여 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이의 임피던스를 측정하고 상기 측정된 임피던스를 바탕으로 상기 배지의 함수량 또는 그 변화를 측정하는 측정 장치를 포함하고,
    상기 전극 센서는 상기 배지의 길이 방향을 따라 복수 개 설치되고,
    상기 측정 장치는 상기 복수 개의 전극 센서 중 임피던스를 측정할 전극 센서를 선택하는 먹스를 포함하고,
    상기 측정 장치는, 상기 먹스를 통해 선택된 하나의 전극 센서를 이용하여 상기 선택된 전극 센서에 해당하는 영역에 대해서 상기 함수량 또는 그 변화를 측정하기도 하고, 상기 먹스를 통해 상기 복수 개의 전극 센서에 포함되는 복수의 상기 제1 전극판을 서로 전기적으로 연결하고 상기 복수 개의 전극 센서에 포함되는 복수의 상기 제2 전극판을 서로 전기적으로 연결함으로써 상기 배지의 전체 영역에 대해서 상기 함수량 또는 그 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극판을 둘러싸는 제1 방수절연체; 및
    상기 제2 전극판을 둘러싸는 제2 방수절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2면은 각각 상기 포장재의 제1 측면 및 제2 측면이거나, 상기 포장재의 상면 및 하면인 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2면은 각각 상기 포장재의 상면 및 하면이고, 상기 제2 전극판은 상기 배지의 양액 배출구 아래에 위치하지 않는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2면은 각각 상기 포장재의 상면 및 하면이고,
    상기 제1 전극판은 상기 배지에 식재된 식물 주위를 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2면은 각각 상기 포장재의 제1 측면 및 제2 측면이고,
    상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판은 상기 배지에 식재된 식물의 양쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 면은 각각 상기 포장재의 제1 측면 및 제2 측면이고,
    상기 제1 및 제2 전극판의 하단은 상기 제1 및 제2 측면의 하단 또는 그 아래에 위치하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 측정 장치는 상기 측정된 임피던스의 크기의 증가 및 감소에 따라 상기 함수량의 감소 및 증가를 측정하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 측정 장치는 상기 측정된 임피던스를 등가 병렬 또는 직렬인 저항 및 커패시턴스로 변환하고, 상기 커패시턴스의 증가 및 감소에 따라 상기 함수량의 증가 및 감소를 측정하거나, 상기 저항의 증가 및 감소에 따라 상기 함수량의 감소 및 증가를 측정하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 측정 장치는 상기 측정된 임피던스를 바탕으로 상기 배지의 전기전도도 또는 그 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 측정 장치는 상기 측정된 임피던스의 크기의 증가 및 감소에 따라 상기 전기전도도의 감소 및 증가를 측정하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 측정 장치는 상기 측정된 임피던스를 등가 병렬 또는 직렬인 저항 및 커패시턴스로 변환하고, 상기 저항의 증가 및 감소에 따라 상기 전기전도도의 감소 및 증가를 측정하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 수경재배용 배지의 함수량을 측정하는 시스템으로서,
    상기 배지의 제1 부분에 삽입되는 제1 전극판과, 상기 제1 전극판을 마주보도록 상기 배지의 제2 부분에 삽입되는 제2 전극판을 포함하는 전극 센서; 및
    상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이에 정현파 교류를 인가하여 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이의 임피던스를 측정하고 상기 측정된 임피던스를 바탕으로 상기 배지의 함수량 또는 그 변화를 측정하는 측정 장치를 포함하고,
    상기 전극 센서는 상기 배지의 길이 방향을 따라 복수 개 설치되고,
    상기 측정 장치는 상기 복수 개의 전극 센서 중 임피던스를 측정할 전극 센서를 선택하는 먹스를 포함하고,
    상기 측정 장치는, 상기 먹스를 통해 선택된 하나의 전극 센서를 이용하여 상기 선택된 전극 센서에 해당하는 영역에 대해서 상기 함수량 또는 그 변화를 측정하기도 하고, 상기 먹스를 통해 상기 복수 개의 전극 센서에 포함되는 복수의 상기 제1 전극판을 서로 전기적으로 연결하고 상기 복수 개의 전극 센서에 포함되는 복수의 상기 제2 전극판을 서로 전기적으로 연결함으로써 상기 배지의 전체 영역에 대해서 상기 함수량 또는 그 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 전극판을 둘러싸는 제1 방수절연체; 및
    상기 제2 전극판을 둘러싸는 제2 방수절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판은 상기 배지에 식재된 식물의 양쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제2항 또는 제14항에 있어서,
    상기 제1 방수절연체 및 상기 제2 방수절연체는 상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이가 전기적으로 도통되지 않고 컨덴서가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제1항 또는 제13항에 있어서, 상기 측정 장치는,
    상기 정현파 교류를 생성하는 PLL;
    상기 정현파 교류를 소정의 크기로 증폭하는 증폭부;
    상기 제1 전극판과 상기 제2 전극판 사이의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부; 및
    상기 측정된 임피던스를 바탕으로 상기 배지의 함수량 또는 그 변화를 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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