KR102261867B1 - Led 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템은 버섯재배영역(110), 엽채류재배영역(120), 공조영역(130), 관리영역(140) 및 수확영역(150)으로 구획되는 하우징(100); 상기 하우징(100)의 천장에 설치되는 태양광발전장치(200); 상기 태양광발전장치(200)에서 전기에너지를 전달받아 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)에 광원을 조사하는 LED 조명장치(300); 상기 버섯재배영역(110)에 설치되어 버섯의 재배가 이루어지는 버섯재배용선반(400); 상기 엽채류재배영역(120)에 설치되어 엽채류의 재배가 이루어지는 엽채류재배용선반(500); 상기 공조영역(130)에 설치되며 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)의 이산화탄소 농도, 습도, 온도를 제어하는 공조장치(600); 상기 공조장치(600)와 연결되어 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)의 이산화탄소 농도, 습도, 온도를 감지하는 센서부(700); 상기 관리영역(140)에 설치되며, 상기 공조장치(600)와 연결되어 배양정보를 전달받으며, 배양제어 명령정보를 기초로 상기 LED 조명장치(300)에 공급되는 전원을 제어하여 상기 LED 조명장치(300)로부터 조사되는 광파장을 조절하는 조명조절부(1020)를 포함함으로써, 상기 버섯재배영역(110)과 상기 엽채류재배영역(120)의 배양상태를 제어하는 통합제어부(1000);포함하며, 상기 조명조절부(1020)는 상기 LED 조명장치(300)에서 조사되는 광파장을 380nm ± 5nm, 405nm ± 5nm에서 발광피크를 갖도록 조절하는 생장 모드와, 430nm ± 5nm, 450nm ± 5nm, 640nm ± 5nm, 660nm ± 5nm에서 발광피크를 갖도록 조절하는 성장 모드 중 어느 하나의 모드로 작동시키는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 식물은 뿌리를 통해 양분과 수분을 흡수하고 잎에서의 광합성으로 에너지를 생성하여 생장한다. 식물 생장에 필요한 에너지는 광합성으로 생성되는데, 이때 가장 중요한 것이 빛 에너지이다.
노지에서 재배되는 식물은 자연광(태양광)에 의해 빛에너지를 공급받기 때문에 특별히 빛을 선택하는 경우가 없지만, 식물공장이나 실내에서 재배되는 식물은 식물의 생장을 조절하기 위해 자연광 대신에 자연광과 유사한 인공조명을 활용한다.
이러한 인공조명을 구현하는 방법은 여러 가지가 있지만, 식물의 생육에 적합한 빛의 파장대를 구현하는 것이 중요한데 이러한 인공조명의 목표 조건 파장대를 구현하는 것이 식물공장에서 핵심기술이라 할 수 있다.
종래에는 3파장 형광등을 이용하는 방식을 많이 이용하였지만, 소비전력이 너무 크고 수명은 짧은데 반해, 식물 생육에는 오히려 적합하지 않다는 문제점이 있었다.
이를 극복하기 위해 LED를 이용한 다양한 조명장치들이 개발되었는데, 그 중에서 식물 생장에 매우 중요한 레드 계열의 파장대를 구현하기 위해 레드칩을 채택하였다. 그리고, 이 레드칩에 블루 LED 또는 화이트 LED를 조합하여 목적하는 파장범위를 구현하기도 한다.
그런데, 레드칩은 블루칩에 비해 훨씬 고가이고 소비전력도 커서 식물공장을 운영하는데 있어서 비효율적이지만, 레드 계열의 파장대를 구현하기 위해 채용하고 있는 실정이다.
또한, 비닐하우스, 저온창고, 냉동창고, 등의 내부공간의 온도, 습도, 이산화탄소농도 등의 상태는 내부공간에 재배되는 농작물 또는 내부공간에 수용되는 저장물들에 대응하여 적합하게 유지될 필요성이 있다.
상술한 필요성에 의해, 종래에는 비닐하우스, 저온창고, 냉동창고 등에 온도, 습도 등을 감지하기 위한 각종 센서들과 이러한 센서들로부터 정보를 제공받아 외부로 표시할 수 있는 PC등이 설치되었으며, 사용자는 이러한 장치들을 이용하여 내부공간의 온도, 습도 등의 정보를 모니터링하고, 관리, 유지하였다.
그러나, 버섯은 재배 하우스 등에서 재배가 이루어지며, 재배하우스 내부의 온도, 일정한 습도 유지, 이산화탄소의 농도 등 적절한 생육환경을 맞춰주어야 재배가 이루어진다.
종래에는 이러한 재배 요소들을 종합적으로 관리하지 못하고 온도, 습도, 이산화탄소 농도, 조도 등이 개별적으로 관리되었으며, 이러한 중복시설을 투자비로 소비하여야 하는 문제가 있으며 개별적인 제어에 의해 일정한 품질의 버섯 재배가 어려워 우량의 버섯 품질을 기대할 수 없었다.
또한, 버섯재배를 위한 온도, 습도, 이산화탄소농도, 조도 등이 개별적으로 관리되는 것이어서 버섯 재배기간도 일률적이지 못하여 생산성이 낮아지게 되고, 별도로 제어함에 따라 버섯 생육을 위한 오차범위를 넘어서는 경우가 발생하여 수확하는 버섯의 품질이 고르지 못하게 된다.
또한, 버섯 재배영역 내에서 온도, 습도, 이산화탄소농도, 조도 등 생육환경이 구역별로 편차가 있어 즉, 버섯재배영역의 생육환경이 균일하지 못하여 생산된 버섯이 품질 역시 균일하지 못하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위한 통합적인 버섯 생육실의 관리시스템이 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 배양정보를 기초로 생장모드 또는 성장모드로 작동시킴으로써, 재배식물의 생장 또는 개화, 개화시기 조절에 필요한 광을 식물에게 제공함으로써, 설비비용을 저감하면서도 엽채류 및 버섯의 상시재배가 가능하며 엽채류 및 버섯의 생산량과 품질을 극대화할 수 있는 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템을 제공함에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템은, 버섯재배영역(110), 엽채류재배영역(120), 공조영역(130), 관리영역(140) 및 수확영역(150)으로 구획되는 하우징(100); 상기 하우징(100)의 천장에 설치되는 태양광발전장치(200); 상기 태양광발전장치(200)에서 전기에너지를 전달받아 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)에 광원을 조사하는 LED 조명장치(300); 상기 버섯재배영역(110)에 설치되어 버섯의 재배가 이루어지는 버섯재배용선반(400); 상기 엽채류재배영역(120)에 설치되어 엽채류의 재배가 이루어지는 엽채류재배용선반(500); 상기 공조영역(130)에 설치되며 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)의 이산화탄소 농도, 습도, 온도를 제어하는 공조장치(600); 상기 공조장치(600)와 연결되어 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)의 이산화탄소 농도, 습도, 온도를 감지하는 센서부(700); 상기 관리영역(140)에 설치되며, 상기 공조장치(600)와 연결되어 배양정보를 전달받으며, 배양제어 명령정보를 기초로 상기 LED 조명장치(300)에 공급되는 전원을 제어하여 상기 LED 조명장치(300)로부터 조사되는 광파장을 조절하는 조명조절부(1020)를 포함함으로써, 상기 버섯재배영역(110)과 상기 엽채류재배영역(120)의 배양상태를 제어하는 통합제어부(1000);포함하며, 상기 조명조절부(1020)는 상기 LED 조명장치(300)에서 조사되는 광파장을 380nm ± 5nm, 405nm ± 5nm에서 발광피크를 갖도록 조절하는 생장 모드와, 430nm ± 5nm, 450nm ± 5nm, 640nm ± 5nm, 660nm ± 5nm에서 발광피크를 갖도록 조절하는 성장 모드 중 어느 하나의 모드로 작동시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에 있어, 상기 조명조절부(1020)는, N개의 LED 조명장치(300)와 연결되되, 상기 N개의 LED 조명장치(300) 중 상기 생장모드로 작동하는 제2N-1 LED 조명장치(301) 중 제1 LED 조명장치(301)와 포트가 직렬로 연결되고, 상기 N개의 LED 조명장치(300) 중 상기 성장모드로 작동하는 제2N LED 조명장치(302) 중 제2 LED 조명장치(302)와 다른 포트가 직렬로 연결될 수 있다. (단, 상기 N은 자연수이다)
본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에 있어, 상기 조명조절부는, 상기 제1 LED 조명장치(301) 또는 상기 제2 LED 조명장치(302) 이외의 다른 LED 조명장치(300)와 신호를 주고 받고, 네트워크를 형성하는 메인송수신부(1022); 어드레스 설정이나, 상기 LED 조명장치(300)의 조명제어에 필요한 프로그램이나 데이터를 저장하는 메인저장부(1023); 하이 레벨과 로우 레벨을 갖는 포트로서, 상기 제1 LED 조명장치(301) 또는 제2 LED 조명장치(302)와 직렬 연결되는 메인포트(1024); 및 상기 메인송수신부(1022), 메인저장부(1023), 메인포트(1024)의 동작을 각각 제어하는 메인제어부(1021)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에 있어, 상기 LED 조명장치(300)는, 길이방향으로 길게 형성되며 알루미늄 재질의 방열바(310); 상기 방열바(310) 상부에 설치되며, 상기 태양광발전장치(200)에서 전달받은 교류전압을 직류전압으로 변경하는 SMPS부(미도시); 상기 방열바(310) 하부에 고정 설치되는 PCB 기판(320); 상기 PCB 기판(320)에 부착되되 380nm ± 5nm, 405nm ± 5nm에서 발광피크를 가지는 UV LED 모듈과, 430nm ± 5nm, 450nm ± 5nm, 640nm ± 5nm, 660nm ± 5nm에서 발광피크를 가지는 가시광 LED 모듈 중 선택되는 하나 이상의 LED 모듈(330); 및 상기 방열바(310)의 저면 테두리에 탈착 가능하게 부착되어 상기 PCB 기판(320)과 상기 LED 모듈(330)을 마감하며, 상기 LED 모듈(330)에서 조사되는 500 내지 600 nm의 파장을 갖는 광의 투과를 방지하는 필터링소재가 코팅된 필터마감부재(340);를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템은, 상기 버섯재배용선반(400)과 엽채류재배용선반(500)에 물을 공급하는 관수장치(800); 및 상기 버섯 및 엽채류에 관한 생장 영상 정보를 수집하는 영상장치(900);을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에 있어, 상기 통합제어부(1000)는, 상기 태양광발전장치(200)를 제어하는 태양광조절부(1010); 상기 센서부(700)에 의해 감지된 이산화탄소농도에 따라 상기 공조장치(600)의 작동을 제어함으로써 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)의 이산화탄소농도를 제어하는 농도조절부(1030); 상기 센서부(700)에 의해 감지된 습도에 따라 상기 공조장치(600)의 작동을제어함으로써 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)의 습도를 제어하는 습도조절부(1040); 상기 센서부(700)에 의해 감지된 온도에 따라 상기 공조장치(600)의 작동을 제어함으로써 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)의 온도를 제어하는 온도조절부(1050); 상기 버섯재배용선반(400)과 엽채류재배용선반(500)에 공급되는 물의 양을 제어하는 관수조절부(1060); 및 상기 영상장치(900)에서 전달받는 영상을 제어하는 영상조절부(1070);를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템은 배양정보를 기초로 생장모드 또는 성장모드로 작동시킴으로써, 재배식물의 생장 또는 개화, 개화시기 조절에 필요한 광을 식물에게 제공할 수 있다. 결국, 본 발명은 다양한 작물을 대상으로 재배자가 원하는 고품질의 작물생산이 가능하도록 하며 동시에 작물생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템은 LED 조명장치를 포함함으로써, 엽채류의 잎을 두껍게 하는 작용을 할 수 있고, 색소의 발색 촉진 작용을 하며, 최대 광합성 작용, 최대 엽록소 작용, 해충 유인, 발아작용과 잎 배포 화아 형성 등의 효과를 가진다.
본 발명의 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템은 공조장치를 포함함으로써, 버섯재배영역에서 발생하는 이산화탄소와 엽채류재배영역에서 발생하는 산소를 상호 교환하여, 버섯과 엽채류 재배 효율을 극대화할 수 있다.
본 발명에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템은 설비비용을 저감하면서도 엽채류 및 버섯의 상시재배가 가능하며 엽채류 및 버섯의 생산량과 품질을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템은 버섯재배시 모든 장비를 IOT 기반으로 일체화 관리 및 조정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 버섯 및 엽채류 재배농장을 보여주는 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 내부영역을 보여주는 내부도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 버섯 및 엽채류 재배농장을 보여주는 내부도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 버섯재배영역의 내부 측면을 보여주는 내부 측면도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 관리영역을 확대하여 보여주는 평면도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 엽채류에서 발생하는 산소와 버섯에서 발생하는 이산화탄소의 상호교환을 보여주는 평면도이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템의 구성을 설명하기 위한 블록 구성도이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 조명조절부와 복수개의 LED 조명장치를 설명하기 위한 블록 구성도이고,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 태양광발전장치를 보여주는 블록 구성도이고,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 LED 조명장치를 보여주는 사시도이고,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 공조장치를 보여주는 블록 구성도이고,
도 12는 종래 스위칭 전원장치를 나타낸 도면이고,
도 13은 본 발명에 따른 스위칭 전원장치를 나타낸 도면이고,
도 14는 본 발명에 따른 주파수 제어신호와 스위칭 주파수의 관계를 도식화한 도면이고,
도 15는 도 13의 리플 제어부를 연산증폭기(OP Amp)로써 구현하는 전자회로의 예를 나타낸 도면이고,
도 16은 본 발명에 따른 리플 제어부를 소프트웨어로 구현하는 알고리즘의 예를 보여준 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 내부영역을 보여주는 내부도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 버섯 및 엽채류 재배농장을 보여주는 내부도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 버섯재배영역의 내부 측면을 보여주는 내부 측면도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 관리영역을 확대하여 보여주는 평면도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 엽채류에서 발생하는 산소와 버섯에서 발생하는 이산화탄소의 상호교환을 보여주는 평면도이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템의 구성을 설명하기 위한 블록 구성도이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 조명조절부와 복수개의 LED 조명장치를 설명하기 위한 블록 구성도이고,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 태양광발전장치를 보여주는 블록 구성도이고,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 LED 조명장치를 보여주는 사시도이고,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 공조장치를 보여주는 블록 구성도이고,
도 12는 종래 스위칭 전원장치를 나타낸 도면이고,
도 13은 본 발명에 따른 스위칭 전원장치를 나타낸 도면이고,
도 14는 본 발명에 따른 주파수 제어신호와 스위칭 주파수의 관계를 도식화한 도면이고,
도 15는 도 13의 리플 제어부를 연산증폭기(OP Amp)로써 구현하는 전자회로의 예를 나타낸 도면이고,
도 16은 본 발명에 따른 리플 제어부를 소프트웨어로 구현하는 알고리즘의 예를 보여준 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되 도면 부호에 관계없이 동일 하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니됨을 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 버섯 및 엽채류 재배농장을 보여주는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 내부영역을 보여주는 내부도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 버섯 및 엽채류 재배농장을 보여주는 내부도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 버섯재배영역의 내부 측면을 보여주는 내부 측면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 관리영역을 확대하여 보여주는 평면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 엽채류에서 발생하는 산소와 버섯에서 발생하는 이산화탄소의 상호교환을 보여주는 평면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템의 구성을 설명하기 위한 블록 구성도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 조명조절부와 복수개의 LED 조명장치를 설명하기 위한 블록 구성도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 태양광발전장치를 보여주는 블록 구성도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 LED 조명장치를 보여주는 사시도이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 공조장치를 보여주는 블록 구성도이다.
도 1 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템은, 기본적으로 버섯재배영역(110), 엽채류재배영역(120), 공조영역(130), 관리영역(140) 및 수확영역(150)으로 구획되는 하우징(100);과, 상기 하우징(100)의 천장에 설치되는 태양광발전장치(200);를 포함하며, 상기한 목적 달성을 위해 상기 태양광발전장치(200)에서 전력을 전달받아 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)에 광원을 조사하는 LED 조명장치(300); 상기 버섯재배영역(110)에 설치되어 버섯의 재배가 이루어지는 버섯재배용선반(400); 상기 엽채류재배영역(120)에 설치되어 엽채류의 재배가 이루어지는 엽채류재배용선반(500); 상기 공조영역(130)에 설치되며 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)의 이산화탄소 농도, 습도, 온도를 제어하는 공조장치(600); 상기 공조장치(600)와 연결되어 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)의 이산화탄소 농도, 습도, 온도를 감지하는 센서부(700);와,
상기 관리영역(140)에 설치되며, 상기 공조장치(600)와 연결되어 배양정보를 전달받으며, 배양제어 명령정보를 기초로 상기 LED 조명장치(300)에 공급되는 전원을 제어하여 상기 LED 조명장치(300)로부터 조사되는 광파장을 조절하는 조명조절부(1020)를 포함함으로써, 상기 버섯재배영역(110)과 상기 엽채류재배영역(120)의 배양상태를 제어하는 통합제어부(1000);포함한다.
이때, 본 발명에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템은 상기 LED 조명장치(300)에 공급되는 전원을 상기 조명조절부(1020)에서 개별적으로 조절함으로써 상기 LED 조명장치(300)에서 조사되는 광파장을 380nm ± 5nm, 405nm ± 5nm에서 발광피크를 갖도록 조절하는 생장 모드와, 430nm ± 5nm, 450nm ± 5nm, 640nm ± 5nm, 660nm ± 5nm에서 발광피크를 갖도록 조절하는 성장 모드 중 어느 하나의 모드로 작동시키는 것을 특징으로 한다.
도 8을 참조하면, 상기 조명조절부(1020)는, N개의 LED 조명장치(300)와 연결되되, 상기 N개의 LED 조명장치(300) 중 상기 생장모드로 작동하는 제2N-1 LED 조명장치(301) 중 제1 LED 조명장치(301)와 포트가 직렬로 연결될 수 있고, 상기 N개의 LED 조명장치(300) 중 상기 성장모드로 작동하는 제2N LED 조명장치(302) 중 제2 LED 조명장치(302)와 다른 포트가 직렬로 연결될 수 있다. (단, 상기 N은 자연수이다)
이중 제2N-1 LED 조명장치(301)에 대하여 상세히 설명하면, 상기 조명조절부(1020)는 2N-1개의 LED 조명장치(301) 중 제1 LED 조명장치(301)와 포트가 직렬로 연결되어 있으며, 제1 LED 조명장치(301)는 상기 2N-1개의 LED 조명장치(301) 중 제2 LED 조명장치(301)와 포트가 직렬로 연결되어 있다. 상기 2N-1개의 LED 조명장치(301) 중 최종단인 제2N-1 LED 조명장치(301)는 한쪽만 다른 LED 조명장치(301)와 포트가 직렬로 연결되어 있다. 그리고, 본 발명에서 각각의 LED 조명장치(300)는 서로 다른 어드레스를 가진다.
이때, 상기 조명조절부(1020)는, 상기 제1 LED 조명장치(301) 또는 상기 제2 LED 조명장치(302) 이외의 다른 LED 조명장치(300)와 신호를 주고 받고, 네트워크를 형성하는 메인송수신부(1022); 어드레스 설정이나, 상기 LED 조명장치(300)의 조명제어에 필요한 프로그램이나 데이터를 저장하는 메인저장부(1023); 하이 레벨과 로우 레벨을 갖는 포트로서, 상기 제1 LED 조명장치(301) 또는 제2 LED 조명장치(302)와 직렬 연결되는 메인포트(1024); 및 상기 메인송수신부(1022), 메인저장부(1023), 메인포트(1024)의 동작을 각각 제어하는 메인제어부(1021)을 포함할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템은 상기 배양정보를 기초로 상기 생장모드 또는 상기 성장모드로 작동시킴으로써, 재배식물의 생장 또는 개화, 개화시기 조절에 필요한 광을 식물에게 제공할 수 있다. 결국, 본 발명은 다양한 작물을 대상으로 재배자가 원하는 고품질의 작물생산이 가능하도록 하며 동시에 작물생산성을 향상시킬 수 있다.
이하, 상기 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템의 세부 구성에 대하여 상세히 설명한다.
상기 하우징(100)은 통상의 구조물로서, 다수의 측벽(101)에 의해 양측에 버섯재배영역(110) 중 엽채류재배영역(120) 중 어느 하나로 구획되고, 중앙에 공조영역(130), 관리영역(140) 및 수확영역(150)으로 구획될 수 있다. 이 때, 상기 버섯재배영역(110)에서는 버섯이 재배되며, 상기 엽채류재배영역(120)에서는 엽채류가 재배되며, 상기 공조영역(130)에서는 공기조화가 이루어지며, 상기 관리영역(140)에서는 제어가 이루어지며, 상기 수확영역(150)에서는 상기 버섯과 엽채류의 수확이 이루어질수 있다.
상기 버섯재배영역(110)은 상기 하우징(100)의 좌측 상에 형성될 수 있으며, 상기 엽채류재배영역(120)은 상기 하우징(100)의 우측 상에 형성될 수 있다. 상기 버섯재배영역(110), 상기 엽채류재배영역(120)은 각기 독립적으로 환풍구 및 배기팬을 더 포함할 수 있고, 환기가 필요한 경우 환기를 수행할 수 있다.
또한, 상기 공조영역(130), 관리영역(140) 및 수확영역(150)은 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120) 사이에 형성되는 것이 바람직한데, 이는 상기 버섯재배영역(110)에서 재배한 버섯과 상기 엽채류재배영역(120)에서 재배한 엽채류를 상기 수확영역(150)에 용이하게 운반할 수 있으며, 상기 버섯재배영역(110)에서 주로 발생하는 이산화탄소와 상기 엽채류재배영역(120)에서 주로 발생하는 산소를 공조영역(130)에서 용이하게 상호 전달할 수 있기 때문이다.
도 9를 참조하면, 상기 태양광발전장치(200)는 태양광패널(210), MPPT컨버터(220), DC버스(230), DC/AC인버터(240)를 포함한다. 상기 태양광발전장치(200)는 후술할 태양광조절부(1010)에 의해 장치의 작동, 전력 생산량 등이 제어된다.
상기 태양광패널(210)은 태양광에 의한 전기 에너지를 생성한다.
상기 MPPT컨버터(220)는 Maximum Power Point Tracking converter로서, 상기 태양광패널(210)에서 전달된 전기 에너지의 전압을 최대 전력점에서 승압시켜서 상기 DC/AC인버터(240)의 효율을 극대화시키는 역할을 한다.
상기 DC버스(230)는 상기 MPPT컨버터(220)에서 전달된 전기 에너지를 일시적으로 저장하면서 직류 전압을 일정하게 유지시켜서 정류하는 역할을 한다.
상기 DC/AC인버터(240)는 상기 DC버스(230)에서 전달된 전력을 교류 전압으로 변환한다.
이에 따라, 상기 태양광발전장치(200)는 상기 MPPT컨버터(220)를 이용하여 전력 생성 효율을 극대화할 수 있다.
상기 LED 조명장치(300)는 버섯, 엽채류의 생장을 위해 각 식물마다 요구하는 최적의 파장에 맞게 광을 조사한다. 상기 LED 조명장치(300)는 버섯재배영역(110), 엽채류재배영역(120)에 어디든지 설치될 수 있다. 예컨대, 상기 LED 조명장치(300)는 버섯, 엽채류의 생장을 위해 상기 하우징(100)의 천장(미도시)에 설치될 수 있으며, 버섯재배용선반(400), 엽채류재배용선반(500) 등에 설치될 수 있다.
또한, 상기 LED 조명장치(300)는 상기 하우징(100)의 천장에 설치된 태양광발전장치(200)에서 발생한 전력에 의해 광을 조사할 수 있다.
구체적인 일 예로, 도 10을 참조하면 상기 LED 조명장치(300)는, 길이방향으로 길게 형성되며 알루미늄 재질의 방열바(310); 상기 방열바(310) 상부에 설치되며, 상기 태양광발전장치(200)에서 전달받은 교류전압을 직류전압으로 변경하는 SMPS부(미도시); 상기 방열바(310) 하부에 고정 설치되는 PCB 기판(320); 상기 PCB 기판(320)에 부착되되 380nm ± 5nm, 405nm ± 5nm에서 발광피크를 가지는 UV LED 모듈과, 430nm ± 5nm, 450nm ± 5nm, 640nm ± 5nm, 660nm ± 5nm에서 발광피크를 가지는 가시광 LED 모듈 중 선택되는 하나 이상의 LED 모듈(330); 상기 방열바(310)의 저면 테두리에 탈착 가능하게 부착되어 상기 PCB 기판(320)과 상기 LED 모듈(330)을 마감하며, 상기 LED 모듈(330)에서 조사되는 500 내지 600 nm의 파장을 갖는 광의 투과를 방지하는 필터링소재가 코팅된 필터마감부재(340)를 포함할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템은 상기 LED 조명장치(300)를 포함함으로써, 엽채류의 잎을 두껍게 하는 작용을 할 수 있고, 색소의 발색 촉진 작용을 하며, 최대 광합성 작용, 최대 엽록소 작용, 해충 유인, 발아작용과 잎 배포 화아 형성 등의 효과를 가진다.
상기 버섯재배용선반(400)은 상기 버섯재배영역(110)에서 상기 하우징(100)의 측벽(101)으로부터 소정 간격 이격되어 복수개로 배치되며, 버섯의 재배가 이루어진다. 이때, 버섯은 송하 버섯, 표고 버섯, 차가 버섯 등을 포함할 수 있다.
상기 엽채류재배용선반(500)은 상기 엽채류재배영역(120)에서 상기 버섯재배영역(110)에서 상기 하우징(100)의 측벽(101)으로부터 소정 간격 이격되어 복수개로 배치되며, 엽채류의 재배가 이루어진다. 이때, 엽채류는 시금치, 부추, 취나물, 배추, 상추 등을 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 공조장치(600)는 상기 공조영역(130)에 설치되며, 상기 버섯재배영역(110) 내부와 상기 엽채류재배영역(120) 내부 각각의 이산화탄소 농도, 산소 농도, 습도, 온도 등을 조절한다. 상기 공조장치(600)는 일 실시예에서는 하우징(100) 내부에 설치된 것으로 도시되었으나, 필요에 의해 하우징(100) 외부에 설치될 수 있다.
또한, 상기 공조장치(600)는 상기 버섯재배영역(110)에서 배출되는 이산화탄소를 저장하여 상기 엽채류재배영역(120)으로 전달할 수 있고, 상기 엽채류재배영역(120)에서 배출되는 산소를 저장하여 상기 버섯재배영역(110)으로 전달할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템은 상기 공조장치(600)를 포함함으로써, 상기 버섯재배영역(110)에서는 버섯이 재배됨에 따라 이산화탄소가 주로 발생하며, 상기 엽채류재배영역(120)에서는 엽채류가 재배됨에 따라 산소가 주로 발생함에 따라, 상기 버섯재배영역(110)에서 발생하는 이산화탄소와 상기 엽채류재배영역(120)에서 발생하는 산소를 상호 교환하여, 버섯과 엽채류 재배 효율을 극대화할 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 센서부(700)는 상기 공조장치(600)와 연결되어 상기 버섯재배영역(110) 및 상기 엽채류재배영역(120)에 각각 설치될 수 있다. 상기 센서부(700)는 이산화탄소의 농도를 감지하는 이산화탄소센서(710), 산소의 농도를 감지하는 산소센서(720), 습도를 감지하는 습도센서(730), 및 온도를 감지하는 온도센서(740)을 구비할 수 있다.
상기 관수장치(800)는 상기 버섯재배영역(110) 및 상기 엽채류재배영역(120)에 각각 설치될 수 있다. 구체적으로, 상기 관수장치(300)은 상기 통합제어부(1000)와 전기적으로 연결되며, 상기 통합제어부(1000)의 제어에 의해 상기 버섯재배용선반(400)과 엽채류재배용선반(500)에 물을 공급할 수 있다.
상기 영상장치(900)은 상기 버섯재배영역(110) 및 상기 엽채류재배영역(120)에 각각 설치될 수 있다. 구체적으로, 상기 영상장치(900)은 상기 통합제어부(1000)와 전기적으로 연결되고, 상기 버섯재배영역(110) 및 상기 엽채류재배영역(120) 내에 위치하는 레일 상에서 이동 가능하며, 상술한 버섯재배용선반(400), 엽채류재배용선반(500)을 촬영함으로써 버섯 및 엽채류의 크기를 각각 실시간으로 촬영할 수 있다. 상기 영상장치(900)에서 측정된 영상은 통합제어부(1000)의 영상조절부(1070)로 전달되는데, 버섯 및 엽채류의 크기에 따라 상기 조명조절부(1020)는 상기 LED 조명장치(300)을 생장모드 또는 성장모드로 작동시킬 수 있다.
상기 통합제어부(1000)는 상기 공조장치(600)와 연결되어 상기 버섯재배영역(110)과 상기 엽채류재배영역(120)의 배양정보를 전달받는다. 이때, 상기 통합제어부(1000)는 상기 통합제어부(1000)로부터 전달받은 배양제어 명령정보를 기초로 상기 LED 조명장치(300) 및 공조장치(600)를 제어함으로써 상기 버섯재배영역(110)과 상기 엽채류재배영역(120)의 배양상태를 제어할 수 있다.
또한, 상기 통합제어부(1000)는 후술할 관수장치(800) 및 영상장치(900)과 전기적 연결될 수 있다.
상기 배양정보는 온도, 습도, 광원, 이산화탄소농도, 산소농도, 버섯 크기 및 엽채류 크기 중에서 선택되는 하나 이상의 정보를 포함할 수 있다.
즉, 상기 통합제어부(1000)는 상기 버섯재배영역(110)과 상기 엽채류재배영역(120)의 상태를 감지하여 배양정보를 생성하며, 배양제어 명령정보를 기초로 작동장치를 제어함으로써 상기 버섯재배영역(110)과 상기 엽채류재배영역(120)의 상태를 변화시키는 역할을 한다.
여기서, 상태란 상기 버섯재배영역(110)과 상기 엽채류재배영역(120)에서 각각 생장하고 있는 버섯, 엽채류에 관한 생장 및 배양 환경 등을 포함한 정보를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 통합제어부(1000)는 태양광발전장치(200)을 제어하는 태양광조절부(1010); 상기 LED 조명장치(300)에서 조사되는 광을 제어하는 조명조절부(1020); 상기 센서부(700)에 의해 감지된 이산화탄소농도에 따라 상기 공조장치(600)의 작동을 제어함으로써 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)의 이산화탄소농도를 제어하는 농도조절부(1030); 상기 센서부(700)에 의해 감지된 습도에 따라 상기 공조장치(600)의 작동을 제어함으로써 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)의 습도를 제어하는 습도조절부(1040); 상기 센서부(700)에 의해 감지된 온도에 따라 상기 공조장치(600)의 작동을 제어함으로써 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)의 온도를 제어하는 온도조절부(1050); 상기 버섯재배용선반(400)과 엽채류재배용선반(500)에 공급되는 물의 양을 제어하는 관수조절부(1060); 및 상기 영상장치(900)에서 전달받는 영상을 제어하는 영상조절부(1070);를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템은 관리시스템부(1100)을 더 포함할 수 있다.
도 5에 보는 바와 같이, 상기 관리시스템부(1100)은 상기 관리영역(140)에 설치되며, 상기 통합제어부(1000)와 연결되어 상술한 배양정보를 전달받아 저장하고, 사용자로부터 전달받은 상기 배양제어 명령정보를 상기 통합제어부(1000)로 전달하는 역할을 한다.
상세하게, 상기 관리시스템부(1100)는 스마트폰 등과 정보를 송수신하는 서버부(1110), 상기 배양정보를 저장하는 저장부(1120), 영상조절부(1070)로부터 전달받은 영상정보를 처리하는 영상처리부(1130)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 서버부(1110)는 웹서버(Web Server), 클라우드서버(Cloud Server) 등으로 마련될 수 있다.
또한, 상기 서버부(1110)는 무선에 대응되는 방식의 통신방식으로 마련될 수 있다. 예컨대, 상기 서버부(1110)는 3G(3-Generation), LTE(Long Term Evolution), WiFi(Wireless Fidelity), 블루투스(Bluetooth) 방식 등의 게이트웨이를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에 있어, 상기 관리시스템(1110)은 상기 통합제어부(1000)에서 전달받은 배양정보 중, 상기 영상조절부(1070)에서 입력받은 버섯 균모의 직경크기 값의 평균 값을 산출하고, 상기 저장부(1120)와 영상처리부(1130)에서 버섯(또는 엽채류) 크기별 성장온도, 습도, 이산화탄소 농도를 포함하는 데이터를 입력받아 상기 통합제어부(1000) 제어함으로써 버섯재배영역(110)(또는 엽채류재배영역(120)의 내부 환경을 제어할 수 있다. 구체적인 제어 환경은 하기 표 1에 수록하였다.
| 구분 | 항목 | 버섯 | 녹색채소(엽채류) |
| 성장 환경 |
성장 온도 | 5~20 ℃ | 18~23 ℃ |
| 습도 | 75~85% | 99% 이상 | |
| 이산화탄소 | 억제(배출) | 공급 |
이에 따라, 본 발명에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템은 설비비용을 저감하면서도 엽채류 및 버섯의 상시재배가 가능하며 엽채류 및 버섯의 생산량과 품질을 극대화할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템은 버섯재배시 모든 장비를 IOT 기반으로 일체화 관리 및 조정할 수 있는 장점이 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에서 공조장치를 보여주는 블록 구성도이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 공조장치(600)는 센서부(700)를 통해 상기 버섯재배영역(110)의 이산화탄소 농도를 측정하는 이산화탄소센서(710)와 연결되며, 상기 센서부(700)를 통해 상기 엽채류재배영역(120)의 산소 농도를 측정하는 산소센서(720)와 연결된다.
또한, 상기 공조장치(600)은 이산화탄소흡입탱크(620), 이산화탄소펌프(630), 이산화탄소필터(640), 산소흡입탱크(660), 산소펌프(670), 산소필터(680), 제1리턴펌프(691), 제2리턴펌프(692)를 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소센서(710)는 상기 버섯재배영역(110)에 설치되어 상기 버섯재배영역(110)의 이산화탄소 농도를 측정한다.
상기 이산화탄소흡입탱크(620)는 컴프레서가 내장된 탱크로서, 상기 공조영역(130)에 설치되어 상기 공조장치(600)에 의해 상기 이산화탄소센서(710)에서 측정된 이산화탄소 농도가 설정 수치 이상이면 상기 버섯재배영역(110)의 이산화탄소를 흡입 및 저장한다.
상기 이산화탄소펌프(630)는 상기 공조영역(130)에 설치되어 상기 이산화탄소흡입탱크(620)에 저장된 이산화탄소를 상기 엽채류재배영역(120)로 전달한다.
상기 이산화탄소필터(640)는 상기 이산화탄소흡입탱크(620)와 이산화탄소펌프(630) 사이에 설치되어 이산화탄소에 포함된 분진 및 포자를 필터링한다. 이 때, 상기 이산화탄소필터(640)는 다단식으로 구성되어 오염도가 낮은 필터를 교환할 수 있다.
상기 산소센서(720)는 상기 엽채류재배영역(120)에 설치되어 상기 엽채류재배영역(120)의 산소 농도를 측정한다.
상기 산소흡입탱크(660)는 상기 공조영역(130)에 설치되어 상기 공조장치(600)에 의해 상기 엽채류재배영역(120)에서 측정된 산소 농도가 설정 수치 이상이면 상기 엽채류재배영역(120)의 산소를 흡입 및 저장한다.
상기 산소펌프(670)는 상기 산소흡입탱크(660)에 저장된 산소를 상기 버섯재배영역(110)로 전달한다.
상기 산소필터(680)는 상기 산소흡입탱크(660)와 산소펌프(670) 사이에 설치되어 산소에 포함된 습기를 필터링한다. 이 때, 상기 산소필터(680)는 다단식으로 구성되어 오염도가 낮은 필터를 교환할 수 있다.
상기 제1리턴펌프(691)는 상기 이산화탄소필터(640)에 필터링된 분진 및 포자를 흡입하여 상기 버섯재배영역(110)로 전달한다.
상기 제2리턴펌프(692)는 상기 산소필터(680)에 필터링된 습기를 흡입하여 상기 엽채류재배영역(120)로 전달한다.
또한, 본 발명에 따른 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에 공급되는 전원은 안정성이 중요하며, 오동작시 농작물의 생육에 많은 영향을 미치므로, 이에 대한 대책이 중요하다.
이러한 시스템의 오작동을 방지하기 위한 전원공급기의 노이즈를 제거하기 위한 대책이 필요하며, 이를 살펴보면,
도 12는 종래 스위칭 전원장치를 나타낸 것으로, 종래의 스위칭 전원장치의 전력변환회로는, 입력전압(11)이 공급되고, 스위칭 회로(12)의 게이트 신호에 PWM 신호가 인가되면 스위칭이 발생하며, 이에 따라 구형파 전압이 트랜스포머(13)에 입력되고 상기 트랜스포머(13)의 출력전압은 다이오드(14)회로에 의하여 정류된다. 이 정류된 전압은 저주파 필터(15)에 의하여 직류 또는 저주파 성분의 출력전압으로 나타나고 고주파 리플 성분은 작게 나타난다. 상기 스위칭 회로(12)는 스위칭 소자가 1개인 회로부터 다수인 회로까지 다양한 종류가 있고, 상기 트랜스포머(13)가 없는 회로방식도 포함된다. 출력전압의 파형을 관찰하면 그래프에 나타낸 바와 같이 직류 또는 저주파 성분(VDC)이 있고 여기에 고주파 교류 성분(Vripple)이 나타난다. 교류 성분의 크기를 리플이라고 부르며 리플의 주파수는 PWM 주파수, 즉 스위칭 주파수와 동일하다.
출력전압과 입력전압의 비율인 전압변환비(Voltage conversion ratio)는 PWM 신호의 듀티 비(Duty ratio)에 의하여 결정되며, PWM 주파수와는 직접적인 관계가 없으므로 PWM 주파수를 변경하여도 출력전압은 영향을 받지 않는다. 즉, 출력전압의 크기를 제어하는 회로와 리플을 제한하는 회로는 독립적이다. 출력전압을 제어하는 기능은 전압제어부에서 담당하는데, 출력전압 측정치와 기준치를 비교하여 듀티 비를 조절하는 방식으로 이루어진다.
본 발명은 출력전압 리플의 크기는 저주파 필터용 캐패시터의 용량과 스위칭 주파수에 반비례한다는 관계를 이용한다. 리플이 기준치보다 클 때 스위칭 주파수를 증가시키면 리플은 감소하며 출력전압의 크기는 영향을 받지 않는다.
도 13은 본 발명에 따른 스위칭 전원장치(상술한 SMPS부와 동일 내지 유사함)를 나타낸 것으로, 종래의 스위칭 전원장치를 구성하는 요소인 전압제어부(20)에 사용되는 PWM 신호의 주파수를 변경할 수 있도록 리플제어부(30)가 추가되는 방식으로 적용된다. 전력변환회로부(10)의 종류와 관계없이 적용될 수 있다. PWM 신호발생은 삼각파와 듀티 비(duty ratio) 신호를 비교하여 듀티 비 신호가 삼각파보다 클 때 스위치를 온(on) 시키도록 작동되므로, PWM 주파수는 삼각파 신호의 주파수와 동일하며, PWM 신호의 듀티비는 스위칭 주파수와 관계없고 듀티비 신호에 의하여 결정된다.
본 발명에서는 이러한 스위칭 전원장치의 리플이 상한치를 초과할때 스위칭 주파수를 증가시키도록 삼각파 발진기의 입력신호를 조절하는 방법을 적용한다. 리플제어부(30)의 세부적인 동작을 살펴보면, 스위칭 전원회로의 출력전압으로부터 고주파 성분을 추출하기 위하여 고주파 필터(31)를 사용하고, 리플의 크기에 해당하는 진폭을 측정하기 위하여 진폭 검출기(32)를 이용하며, 리플 측정치와 리플 상한치를 비교하고 그 결과를 이용하여 리플 제어기(33)에서 주파수 제어신호를 발생시키고 삼각파 발진기(23)에 입력시킨다.
상기 리플 제어기(33)는, 상기 리플 측정치가 리플 상한치보다 큰 경우에 주파수 제어신호를 증가시키고 반대의 경우에는 감소시키는 기능을 가지며, 제어 성능과 안정성을 확보하기 위하여 비례-적분제어기 또는 Lead-Lag 보상기 등의 제어방식으로 구현된다. 리플 제어기에서 발생되는 주파수 제어신호는 삼각파 발진기에 입력되어 스위칭 주파수를 결정하는데, 주파수가 너무 낮아지거나 높아지는 상태를 방지하기 위하여 스위칭 주파수를 제한한다.
도 14는 본 발명에 따른 주파수 제어신호와 스위칭 주파수의 관계를 도식화한 것이다. 주파수 제어신호가 넓은 범위에서 변화하여도 스위칭 주파수는 하한치(fMIN)와 상한치(FMAX)를 벗어나지 않도록 한다. 스위칭 주파수의 하한치와 상한치는 전력변환회로의 설계 또는 특성시험에서 결정되는 값이다. 인덕터, 변압기 등의 자성 부품(Magnetic components)은 전압의 주파수가 감소하면 자속 포화의 가능성이 있다는 점을 고려하여 주파수 하한치가 결정되며, 주파수 상한치는 이론적으로는 제한이 없지만, 주파수 증가에 따라 스위칭 손실이 증가한다는 문제와 사용되는 부품들의 주파수 특성을 고려하여 결정된다.
도 15는 도 13의 리플 제어부를 연산증폭기(OP Amp)로써 구현하는 전자회로의 예를 나타낸다. 전원장치의 출력전압 신호로부터 직류 및 저주파 성분을 차단하고 스위칭 주파수에 해당하는 고주파 성분을 추출하기 위하여 대역통과필터(Band Pass Filter, BPF)를 사용한다. 대역통과필터는 고주파 필터를 사용하여도 되지만 스위칭 잡음에 의한 오동작을 방지하기 위한 것이다. 대역통과필터의 주파수 특성은, 스위칭 주파수를 포함하도록 설정되는데, 출력전압의 기본 주파수(직류전압 출력의 경우에는 직류 성분, 교류전압의 경우에는 교류성분)와 스위칭 잡음은 통과되지 않도록 한다. 진폭 검출을 위한 방법으로서 Envelop Detector 회로를 적용하며, 진폭 측정치와 리플 상한치를 비교하여 주파수 제어신호를 생성시킬 수 있도록 비례-적분 보상기를 적용하고 제어신호의 범위를 제한하기 위한 Clipper 회로를 다이오드 두 개로써 구현한다. 여기서 생성된 주파수 제어신호를 전압제어 발진기(Voltage-Controlled Oscillator, VCO)에 입력시켜서 삼각파형을 만들도록 한다. 삼각파형 생성이 가능한 전압제어 발진기(Voltage-Controlled Oscillator, VCO) 회로는 연산증폭기를 사용하여 구현할 수도 있지만, 시판되고 있는 전용 IC (LM566, LTC6990 등)를 이용하여 구현할 수도 있다. 이 삼각파형은 스위칭 전력변환회로의 PWM 신호 생성을 위하여 공급한다.
도 16은 본 발명에 따른 리플 제어부를 소프트웨어로 구현하는 알고리즘의 예를 보여준다. 스위칭 전원장치의 제어기능은 마이크로프로세서를 이용한 소프트웨어 방식으로도 구현될 수 있다. 그 중에서 PWM 신호 생성을 위한 스위칭 주파수를 결정하는 부분에 있어서 마이크로프로세서 내부의 소프트웨어 알고리듬으로써 구현하는 방법은 다음과 같다.
스위칭 주파수의 하한치와 상한치가 미리 설정되어 있고, 출력전압 리플 상한치도 설정되어 있을 때, 리플 제한 주기마다 출력전압 리플을 측정하고, 리플 측정치와 리플 상한치를 비교하며. 측정치가 상한치보다 크면 스위칭 주파수를 증가시키고, 그렇지 않은 경우에는 스위칭 주파수를 감소시킨다. 여기서 결정된 주파수가 스위칭 주파수 하한치와 상한치를 벗어나지 않도록 스위칭 주파수 제한 과정을 거쳐서 스위칭 주파수를 결정한다. 이런 절차를 주기적으로 반복한다. 여기에서 결정된 스위칭 주파수는 전원장치의 출력전압제어 기능에 필요한 PWM 신호 생성에 적용된다.
스위칭 전원장치의 스위칭 주파수를 PWM신호생성 방법은 출력전압의 리플을 측정하는 단계; 상기 측정된 리플을 미리 정한 리플 상한 설정치(Vrip,Lim)와 크기를 비교하는 단계; 상기 측정한 리플의 크기가 미리 정한리플 상한 설정치(Vrip,Lim)보다 큰 경우, 일정량의 주파수를 증가시키고, 상기 리플 상한 설정치(Vrip,Lim)보다 작은 경우, 일정량의 주파수를 감소시키며, 주파수가 미리 정한 최소주파수보다 작은 경우, 그때의 주파수를 PWM 신호의 주파수로 결정하며, 상기 주파수가 미리정한 최소 주파수보다 큰 경우, 상기 주파수가 스위칭 주파수 상한치(FMAX)가 미리정한 최대 주파수보다 크면, 그때의 주파수는 최대주파수(FMAX)로 셋팅되며, 상기 주파수가 상기 최대주파수(FMAX)보다 작으면, 그때의 주파수로 PWM 신호의 주파수로 설정하는 방법으로 구성된다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 하우징 101: 측벽
110 : 버섯재배영역 120 : 엽채류재배영역
130 : 공조영역 140 : 관리영역
150 : 수확영역
200 : 태양광발전장치 210 : 태양광패널
220 : MPPT컨버터 230 : DC버스
240 : DC/AC인버터
300, 301, 302: LED 조명장치 310 : 방열바
320 : PCB 기판 330 : LED 모듈
340 : 필터마감부재
400 : 버섯재배용선반
500 : 엽채류재배용선반
600 : 공조장치 620 : 이산화탄소흡입탱크
630 : 이산화탄소펌프 640 : 이산화탄소필터
660 : 산소흡입탱크 670 : 산소펌프
680 : 산소필터 691 : 제1리턴펌프
692 : 제2리턴펌프
700 : 센서부 710 : 이산화탄소센서
720 : 산소센서 730 : 습도센서
740 : 온도센서
800 : 관수장치
900 : 영상장치
1000 : 통합제어부 1010 : 태양광조절부
1020 : 조명조절부 1030 : 농도조절부
1040 : 습도조절부 1050 : 온도조절부
1060 : 관수조절부 1070 : 영상조절부
1100 : 관리시스템부 1110 : 서버부
1120 : 저장부 1130 : 영상처리부
110 : 버섯재배영역 120 : 엽채류재배영역
130 : 공조영역 140 : 관리영역
150 : 수확영역
200 : 태양광발전장치 210 : 태양광패널
220 : MPPT컨버터 230 : DC버스
240 : DC/AC인버터
300, 301, 302: LED 조명장치 310 : 방열바
320 : PCB 기판 330 : LED 모듈
340 : 필터마감부재
400 : 버섯재배용선반
500 : 엽채류재배용선반
600 : 공조장치 620 : 이산화탄소흡입탱크
630 : 이산화탄소펌프 640 : 이산화탄소필터
660 : 산소흡입탱크 670 : 산소펌프
680 : 산소필터 691 : 제1리턴펌프
692 : 제2리턴펌프
700 : 센서부 710 : 이산화탄소센서
720 : 산소센서 730 : 습도센서
740 : 온도센서
800 : 관수장치
900 : 영상장치
1000 : 통합제어부 1010 : 태양광조절부
1020 : 조명조절부 1030 : 농도조절부
1040 : 습도조절부 1050 : 온도조절부
1060 : 관수조절부 1070 : 영상조절부
1100 : 관리시스템부 1110 : 서버부
1120 : 저장부 1130 : 영상처리부
Claims (6)
- 버섯재배영역(110), 엽채류재배영역(120), 공조영역(130), 관리영역(140) 및 수확영역(150)으로 구획되는 하우징(100); 상기 하우징(100)의 천장에 설치되는 태양광발전장치(200); 상기 태양광발전장치(200)에서 전기에너지를 전달받아 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)에 광원을 조사하는 LED 조명장치(300); 상기 버섯재배영역(110)에 설치되어 버섯의 재배가 이루어지는 버섯재배용선반(400);
상기 엽채류재배영역(120)에 설치되어 엽채류의 재배가 이루어지는 엽채류재배용선반(500); 상기 공조영역(130)에 설치되며 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)의 이산화탄소 농도, 습도, 온도를 제어하는 공조장치(600); 상기 공조장치(600)와 연결되어 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)의 이산화탄소 농도, 습도, 온도를 감지하는 센서부(700);
상기 관리영역(140)에 설치되며, 상기 공조장치(600)와 연결되어 배양정보를 전달받으며, 배양제어 명령정보를 기초로 상기 LED 조명장치(300)에 공급되는 전원을 제어하여 상기 LED 조명장치(300)로부터 조사되는 광파장을 조절하는 조명조절부(1020)를 포함함으로써, 상기 버섯재배영역(110)과 상기 엽채류재배영역(120)의 배양상태를 제어하는 통합제어부(1000);포함하며,
상기 조명조절부(1020)는 상기 LED 조명장치(300)에서 조사되는 광파장을 380nm ± 5nm, 405nm ± 5nm에서 발광피크를 갖도록 조절하는 생장 모드와, 430nm ± 5nm, 450nm ± 5nm, 640nm ± 5nm, 660nm ± 5nm에서 발광피크를 갖도록 조절하는 성장 모드 중 어느 하나의 모드로 작동시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템에 있어서,
상기 버섯재배용선반(400)과 엽채류재배용선반(500)에 물을 공급하는 관수장치(800); 및
상기 버섯 및 엽채류에 관한 생장 영상 정보를 수집하는 영상장치(900);
상기 통합제어부(1000)는,
상기 태양광발전장치(200)를 제어하는 태양광조절부(1010);
상기 센서부(700)에 의해 감지된 이산화탄소농도에 따라 상기 공조장치(600)의 작동을 제어함으로써 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)의 이산화탄소농도를 제어하는 농도조절부(1030);
상기 센서부(700)에 의해 감지된 습도에 따라 상기 공조장치(600)의 작동을제어함으로써 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)의 습도를 제어하는 습도조절부(1040);
상기 센서부(700)에 의해 감지된 온도에 따라 상기 공조장치(600)의 작동을 제어함으로써 상기 버섯재배영역(110)과 엽채류재배영역(120)의 온도를 제어하는 온도조절부(1050);
상기 버섯재배용선반(400)과 엽채류재배용선반(500)에 공급되는 물의 양을 제어하는 관수조절부(1060); 및 상기 영상장치(900)에서 전달받는 영상을 제어하는 영상조절부(1070);를 포함하며,
상기 공조장치(600)는 이산화탄소흡입탱크(620), 이산화탄소펌프(630), 이산화탄소필터(640), 산소흡입탱크(660), 산소펌프(670), 산소필터(680), 제1리턴펌프(691), 제2리턴펌프(692)를 포함하며,
관리시스템부(1100)는 상기 관리영역(140)에 설치되며, 상기 통합제어부(1000)와 연결되어 배양정보를 상기 통합제어부(1000)에서 전달받아 저장하고, 사용자로부터 전달받은 배양제어 명령정보를 상기 통합제어부(1000)로 전달하며, 상기 관리시스템부(1100)는 상기 통합제어부(1000)에서 전달받은 배양정보에서 영상조절부(1070)에서 입력받은 버섯 균모의 직경크기 값의 평균 값을 산출하고, 저장부(1120)와 영상처리부(1130)에서 버섯 또는 엽채류의 크기별 성장온도, 습도, 이산화탄소 농도를 포함하는 데이터를 입력받아 상기 통합제어부(1000)를 제어하여 상기 버섯재배영역(110) 또는 상기 엽채류재배영역(120)의 내부 환경을 제어하는 것을 특징으로 하는 LED 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템.
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ID=71137219
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|---|---|---|---|
| KR1020180158898A KR102261867B1 (ko) | 2018-12-11 | 2018-12-11 | Led 조명제어를 이용한 버섯 및 엽채류 재배 시스템 |
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|---|---|---|---|---|
| KR102664610B1 (ko) | 2021-06-28 | 2024-05-14 | 주식회사 엘앤피 농업회사법인 | 에너지 절감형 스마트 식물공장 시스템 |
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| KR200430022Y1 (ko) * | 2006-07-05 | 2006-11-02 | 주식회사 티씨오 | 고휘도 발광다이오드 조명등 |
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| KR20140102822A (ko) * | 2013-02-15 | 2014-08-25 | 엘지전자 주식회사 | 식물 공장 컨테이너 |
| KR101531759B1 (ko) * | 2013-09-24 | 2015-06-25 | 주식회사 한국에너지 | 광원제어가 가능한 식물공장 led 조명시스템 |
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-
2018
- 2018-12-11 KR KR1020180158898A patent/KR102261867B1/ko active IP Right Grant
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| KR20200071309A (ko) | 2020-06-19 |
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