KR102370216B1 - 토양 센싱 장치, 토양 센싱 인터페이스 회로, 및 토양 센싱 방법 - Google Patents

토양 센싱 장치, 토양 센싱 인터페이스 회로, 및 토양 센싱 방법 Download PDF

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Abstract

토양 센싱 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 장치는 토양에 침투하는 공통 접지 전극; 상기 토양에 침투하는 제1 전극; 상기 토양에 침투하는 제2 전극; 상기 제1 센싱 공진 회로로부터 제1 센싱 공진 주파수를 가지는 제1 채널 센싱 신호를 수신하고, 상기 제2 센싱 공진 회로로부터 제2 센싱 공진 주파수를 가지는 제2 채널 센싱 신호를 수신하고, 제1 채널 출력 신호 및 제2 채널 출력 신호를 생성하는 출력 회로; 및 상기 제1 채널 출력 신호 및 상기 제2 채널 출력 신호를 수신하여 상기 토양의 전기 전도도를 측정하는 측정 회로를 포함하고, 상기 토양의 전기 전도도는 상기 제1 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제1 레퍼런스 공진 주파수 및 상기 제2 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제2 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이인 채널 간격 정보, 및 상기 제1 채널 센싱 정보 및 상기 제2 채널 센싱 정보 간의 차이인 채널 센싱 값 차이 정보 간의 비율에 기반하여 결정된다.

Description

토양 센싱 장치, 토양 센싱 인터페이스 회로, 및 토양 센싱 방법 {SOIL SENSING APPARATUS, SOIL SENSING INTERFACE CIRCUIT, AND SOIL SENSING METHOD}
본 발명은 토양의 수분 및 전기 전도도(EC)를 함께 측정하는 토양 센서 및 센싱 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 토양의 수분 및 EC를 함께 측정하는 경우에 가용 범위를 넓히는 토양 센서, 토양 센서에 포함되는 토양 센싱 인터페이스 회로, 및 이를 이용하는 토양 센싱 방법에 관한 것이다.
기존의 토양 수분 계측 방법으로는 건조평량법, 토성별 감촉에 의하여 토양 수분을 평가하는 감촉법, 석고 블록 모세관 공극에 흡수된 수분의 전기 전도도로 측정하는 방법, 초벌구이 다공질 컵(porous cup) 수분 장력계 방법, 중성자 측정(neutron probe) 방법 등이 있다.
건조평량법으로 수분의 중량 백분율을 구하는 방법은 오래 동안 수분 측정의 대표적인 방법으로 자리하였지만 그 절차가 번거롭고 시간이 오래 걸려서 불편함을 초래하였고, 토성별 감촉에 의하여 토양 수분을 평가하는 감촉법은 평가하는 사람마다의 개인 편차가 크고 상당한 훈련이 요구되어 비효율적이다. 비교적 간편한 방법으로 석고 블록 모세관 공극에 흡수된 수분의 전기 전도도로 측정하는 방법은 석고 블록의 공극이 매우 미세하여 토양 수분 장력이 낮을 때에는 거의 모든 공극이 포화되어 만족스럽지 못한 결과를 초래한다는 단점이 있고, 초벌구이 다공질컵(porous cup) 수분 장력계 방법도 관개 시점 판별 등에 널리 채택되지만 수분 장력이 1기압 보다 높은 영역에서 작동하지 않는다는 단점이 있다.
중성자 측정(neutron probe) 방법은 초기 보정(calibration)절차가 까다롭고 운반 측정 조작이 번거롭고 가격이 상당한 고가이어서 일반에 널리 사용되지 못하고 있다는 단점이 있다.
또한 기가 헤르쯔(Giga Herz) 전자장에서 이온의 이동은 무시할 정도로 적어져서 물 분자 회전운동에 따른 물의 유전 특성만 부각되는 원리를 이용하는 TDR(Time Domain Reflectometry) 방식이 제안되기도 하였다. TDR은 기가헤르쯔 레벨의 고에너지 주파수를, 토양에 삽입한 무피복 철봉을 콘덴서로 사용하는 센서에 발사하여 토양수분에 따른 유전율의 정도에 따라 반사되어 오는 주파수의 수에 따라 시간차 또는 전압차를 분석하는 방식이다. TDR은 콘덴서에 의해 전자파가 변형되는 원리를 이용하여 토양 콘덴서로 변형된 반사되어 오는 전자파를 간단히 증폭한 후 오실로스코프로 읽는 방법으로 토양 수분을 정량화 하는데, 이에 필요한 장비가 비교적 복잡하고 고가라는 단점이 제기되어 왔다.
이러한 이유로 말미암아 보다 간편하고 조작과 절차가 간단하며, 빠른 시간 내에 정확한 데이터를 측정하고 수집할 수 있는 저가의 토양 수분 측정 장치의 개발과 도입이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
한편, 일본특허출원공개공보 제2016-217795호 "수분 센서 및 수분 측정 장치"에서는 서로 엇갈리는 빗살(comb teeth) 모양으로 구성된 전극을 가지는 수분센서를 이용하여 토양에 포함되는 수분량의 변화에 의한 등가 인덕턴스 변화에 따라 공진 주파수가 변화하는 공진 회로를 형성하고 이 공진 회로에 의해 발진되는 공진 주파수를 산출하는 수분 센서가 개시된 바 있다. 상기 선행기술은 공진 회로를 이용하여 임피던스 변화를 인덕턴스 변화로 치환해 검출하는 구성 상의 특징이 있다.
그러나 상기 선행기술에 의하더라도 공진 주파수를 직접적으로 측정하는 것이 아니라 측정된 진폭 값을 변환하여 산출하는 과정이 복잡하므로 공진 주파수를 신속하고 정밀하게 측정하기 어려운 문제점이 있다. 이로 인하여 실시간으로 토양의 수분량을 측정하는 경우 노이즈(noise)가 발생하여 측정값이 부정확해지는 문제점이 있다.
한편 토양 내의 수분 뿐만 아니라 염류에 의한 전기 전도도(EC, Electric Conductivity) 또한 토양의 특성으로서 중요한 파라미터이다. 토양의 수분과 염류를 측정하기 위한 센서로서, 한국특허출원공개공보 KR 10-2016-0006564 "유기배지용 수분 및 염류 측정 장치 및 방법"을 들 수 있다. KR 10-2016-0006564는 3개의 탐침을 토양에 침투시키고, 단일 고주파의 반사파를 검출하되 토양의 수분은 임피던스 변환을 이용하여 측정하고, 염류는 고주파 성분의 반사파를 검출하여 특정하는 수단이 개시된다. 전기 전도도는 저항 성분의 역수이므로 일반적으로 토양의 임피던스를 측정하여 전기 전도도를 산출하는 방법이 널리 알려져 있다.
도 1에서와 같이, 미국특허등록공보 제5,621,669호 "Moisture sensor probe and control mechanism"에서는 토양에 침투하는 프로브의 외주에 전기 전도도 센서(18), 및 정전용량식 임피던스 센서(20)가 번갈아가며 형성되는 토양 모니터링 센서의 실시예가 개시된다. 정전용량식 임피던스 센서(20)가 토양의 수분을 측정하고, 전기 전도도 센서(18)는 토양의 저항 성분을 측정하여 전기 전도도를 산출한다.
상기 선행기술은 해당 분야에서 일반적으로 이용되는 기술이지만, 전기 전도도 센서 파트와 토양 수분 센서 파트의 위치가 일치하지 않는 문제점이 있다.
미국특허출원공개공보 US 2017/0241973, "System and method for instantaneously determining uniform distribution of water, salinity, conductivity, temperature and other conditions in soil"는 토양의 수분, 염류, 전기전도도, 및 온도를 감지하는 토양 모니터링 센서의 외형 및 시스템을 개시한다.
한편, 상기 선행기술들에서 이용되는, 토양의 저항 성분을 직접 측정하는 방식은 토양에 수분이 과도하게 많은 경우(예를 들어 토양에 하천이 범람하거나 물이 흘러 넘치는 경우 등)에는 적용되기 어려운 문제점이 있다.
일본특허출원공개공보 제2016-217795호, "수분 센서 및 수분 측정 장치", (공개일 2016년 12월 22일) 한국특허출원공개공보 KR 10-2016-0006564 "유기배지용 수분 및 염류 측정 장치 및 방법" (공개일 2016년 1월 19일) 미국특허출원공개공보 US 2017/0241973, "System and method for instantaneously determining uniform distribution of water, salinity, conductivity, temperature and other conditions in soil" (공개일 2017년 8월 24일) 미국특허등록공보 제5,621,669호 "Moisture sensor probe and control mechanism" (공개일 1997년 4월 15일)
일반적으로 토양 모니터링 센서는 EC 센서와 토양 수분 센서를 결합한 형태로 제공된다. EC 센서는 토양의 저항 성분을 측정하여 그 역수를 취하며, 토양 수분 센서는 정전용량식 측정 방법에 의하여 임피던스의 변화를 측정한다.
종래의 EC 센서와 수분 센서는 측정 방식이 상이하여 전극 및 회로 구성이 별도로 이루어지거나, 상기 선행문헌 US 5,621,669호 "Moisture sensor probe and control mechanism"에서처럼 EC를 측정하는 위치와 수분을 측정하는 위치가 상이한 경우가 많았다.
이러한 종래의 EC 센서와 토양 수분 센서가 결합된 토양 모니터링 센서는 EC 센서 채널과 수분 센서 채널 측을 서로 분리하거나, 적어도 서로 간섭하지 않도록 구현하여 장치의 소형화가 어려운 문제점도 있었다.
신호의 진폭을 측정하고 임피던스의 실수부를 계산하여 EC를 측정하는 종래의 방식은, 수분이 지나치게 많은 경우 또는 지나치게 적은 경우에 측정값의 오류가 발생하는 경우가 많으며, 이는 EC 센서의 다이나믹 레인지가 크지 않은 때문인 것으로 추정된다.
본 발명은 토양의 수분을 측정하는 방식을 2개의 채널로 운용하여 토양의 EC를 측정하는 토양 센싱 장치 및 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 EC를 측정하는 위치와 수분을 측정하는 토양 위치가 정확히 일치하므로, 측정되는 정보 간 높은 correlation을 유지할 수 있는 토양 센싱 장치 및 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 측정되는 대상의 주파수가 변동하는 다이나믹 레인지가 큰 경우에도 대응할 수 있는 측정 기법을 적용하며, 이로써 얻어지는 2개 이상의 채널의 측정값 간의 산술 연산을 통하여 토양의 수분이 많거나 적은 경우에도 오류 없이 수분과 EC를 모두 측정할 수 있는 토양 센싱 장치 및 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 토양의 현재 상황이 어떤 경우이든 안정적으로 토양의 수분과 EC를 측정할 수 있어, 일시적인 환경의 변화에도 매우 강인한(robust) 토양 센싱 장치 및 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에 따른 토양 센싱 장치는 비파괴적이며 반영구적으로 사용 가능하고, 장치의 안정성을 제공하고, 입력 전기 신호의 주파수를 가변시키는 구성이 필요하지 않으므로 종래의 토양 모니터링 센서보다 생산비를 크게 절감할 수 있는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 토양 센싱 장치는 공진 주파수의 편이(shift)를 효과적으로 검출할 수 있는 회로 및 동작 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명에 따른 토양 모니터링 센서는 입력 전기 신호의 주파수를 가변하는 과정이 필요하지 않으므로 토양 수분 센싱 시간을 단축하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 토양 센싱 장치는 보다 정확한 토양의 수분 함유량을 검출하기 위하여 온도 센서를 더 포함할 수 있고, 온도 센서에 기반하여 토양의 수분 함유량을 보상하여 정밀한 수분 함유량을 측정하는 것을 목적으로 한다.
선행문헌들은 3개 또는 4개의 전극을 토양에 침투시켜 그 인접한 영역에 대한 토양의 수분 및 염류를 모니터링하거나(KR 10-2016-0006564, US 2017/0241973), 두 개의 전극을 이용하되 두 전극 사이의 토양이 위치하는 접촉 면적을 늘리는 구조를 이용한다(JP 2016-217795). US 5,621,669는 EC 센서 전극과 수분 센서 전극이 완전히 분리되어 별도의 깊이에서 측정된다. 이들 선행문헌들은 프로브의 형태로 인하여 모니터링의 대상이 되는 토양의 범위가 제한되거나, 정확도가 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 공통 접지 전극 외에 2개의 센싱 전극을 이용하되, 2개의 센싱 전극 모두가 토양 수분과 EC를 측정하는 과정에 관여하도록 설계된 토양 센싱 장치를 제안하는 것을 목적으로 한다. 따라서 토양의 수분 및 염류 등 특성 파라미터를 모니터링할 수 있는 토양의 범위가 제한되지 않고, 다양한 환경의 토양에 대응할 수 있으며, 시간의 변화에 따른 측정값들 간의 correlation을 높일 수 있는 토양 센싱 장치를 제공하는 것을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 도출된 구성으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 인터페이스 회로는 토양에 침투하는 제1 전극에 연결되는 제1 센싱 공진 회로로부터 제1 센싱 공진 주파수를 가지는 제1 채널 센싱 신호를 수신하는 제1 채널 인터페이스 회로; 토양에 침투하는 제2 전극에 연결되는 제2 센싱 공진 회로로부터 제2 센싱 공진 주파수를 가지는 제2 채널 센싱 신호를 수신하는 제2 채널 인터페이스 회로; 및 제1 채널 인터페이스 회로를 경유하여 제1 채널 센싱 신호를 수신하고, 제2 채널 인터페이스 회로를 경유하여 제2 채널 센싱 신호를 수신하고, 제1 채널 출력 신호 및 제2 채널 출력 신호를 생성하는 출력 회로를 포함한다.
이때 출력 회로는 제1 채널 센싱 신호를 이용하여 제1 센싱 공진 주파수에 기반한 제1 채널 센싱 정보를 생성하고, 제2 채널 센싱 신호를 이용하여 제2 센싱 공진 주파수에 기반한 제2 채널 센싱 정보를 생성하고, 제1 채널 센싱 정보에 기반하여 제1 채널 출력 신호를 출력하고, 제2 채널 센싱 정보에 기반하여 제2 채널 출력 신호를 출력한다.
이때 토양의 전기 전도도는 제1 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제1 레퍼런스 공진 주파수 및 제2 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제2 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이인 채널 간격 정보, 및 제1 채널 센싱 정보 및 제2 채널 센싱 정보 간의 차이인 채널 센싱 값 차이 정보 간의 비율에 기반하여 결정될 수 있다.
이때 제1 채널 인터페이스 회로는 제1 레퍼런스 공진 회로로부터 제1 레퍼런스 공진 주파수를 가지는 제1 채널 레퍼런스 신호를 수신하고, 제2 채널 인터페이스 회로는 제2 레퍼런스 공진 회로로부터 제2 레퍼런스 공진 주파수를 가지는 제2 채널 레퍼런스 신호를 수신할 수 있다.
이때 출력 회로는 제1 채널 센싱 신호 및 제1 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 제1 센싱 공진 주파수 및 제1 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 기반한 제1 채널 센싱 정보를 생성하고, 제2 채널 센싱 신호 및 제2 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 제2 센싱 공진 주파수 및 제2 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 기반한 제2 채널 센싱 정보를 생성할 수 있다.
이때 출력 회로는 제1 채널 센싱 신호 및 제1 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 제1 센싱 공진 주파수 및 제1 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 대응하는 제1 채널 차동 공진 주파수를 가지는 제1 채널 차동 신호를 생성하고, 제2 채널 센싱 신호 및 제2 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 제2 센싱 공진 주파수 및 제2 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 대응하는 제2 채널 차동 공진 주파수를 가지는 제2 채널 차동 신호를 생성하는 신호 처리 회로; 및 제1 채널 차동 공진 주파수에 비례하는 크기를 가지는 제1 채널 출력 신호를 생성하고, 제2 채널 차동 공진 주파수에 비례하는 크기를 가지는 제2 채널 출력 신호를 생성하는 신호 변환 회로를 포함할 수 있다.
이때 토양의 수분은 제1 채널 센싱 정보 및 제2 채널 센싱 정보 중 적어도 하나 이상에 기반하여 결정될 수 있으며, 제1 채널 센싱 정보 및 제2 채널 센싱 정보를 조합하여 결정될 수도 있다.
이때 출력 회로는 토양의 수분 및 토양의 전기 전도도에 대한 시간의 경과에 따른 변화가 제1 채널 센싱 정보 및 제2 채널 센싱 정보의 시간의 경과에 따른 변화에 의하여 나타내어지는 토양 모니터링 기능을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 장치는 토양에 침투하는 공통 접지 전극; 토양에 침투하는 제1 전극; 토양에 침투하는 제2 전극; 제1 센싱 공진 회로로부터 제1 센싱 공진 주파수를 가지는 제1 채널 센싱 신호를 수신하고, 제2 센싱 공진 회로로부터 제2 센싱 공진 주파수를 가지는 제2 채널 센싱 신호를 수신하고, 제1 채널 출력 신호 및 제2 채널 출력 신호를 생성하는 출력 회로; 및 제1 채널 출력 신호 및 제2 채널 출력 신호를 수신하여 토양의 전기 전도도를 측정하는 측정 회로를 포함한다.
이때 토양의 전기 전도도는 제1 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제1 레퍼런스 공진 주파수 및 제2 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제2 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이인 채널 간격 정보, 및 제1 채널 센싱 정보 및 제2 채널 센싱 정보 간의 차이인 채널 센싱 값 차이 정보 간의 비율에 기반하여 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 방법은 토양에 침투하는 제1 전극에 연결되는 제1 센싱 공진 회로로부터 제1 센싱 공진 주파수를 가지는 제1 채널 센싱 신호를 수신하는 단계; 토양에 침투하는 제2 전극에 연결되는 제2 센싱 공진 회로로부터 제2 센싱 공진 주파수를 가지는 제2 채널 센싱 신호를 수신하는 단계; 제1 채널 센싱 신호를 이용하여 제1 센싱 공진 주파수에 기반한 제1 채널 센싱 정보를 생성하는 단계; 제2 채널 센싱 신호를 이용하여 제2 센싱 공진 주파수에 기반한 제2 채널 센싱 정보를 생성하는 단계; 제1 채널 센싱 정보 및 제2 채널 센싱 정보 간의 차이인 채널 센싱 값 차이 정보를 생성하는 단계; 및 제1 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제1 레퍼런스 공진 주파수 및 제2 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제2 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이인 채널 간격 정보, 및 채널 센싱 값 차이 정보 간의 비율에 기반하여 토양의 전기 전도도를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면 토양의 수분을 측정하는 방식을 2개의 채널로 운용하여 토양의 EC를 측정하는 토양 센싱 장치 및 방법을 구현할 수 있다. 본 발명에 따르면 EC를 측정하는 위치와 수분을 측정하는 토양 위치가 정확히 일치하므로, 측정되는 정보 간 높은 correlation을 유지할 수 있는 토양 센싱 장치 및 방법을 구현할 수 있다.
본 발명에 따르면 측정되는 대상의 주파수가 변동하는 다이나믹 레인지가 큰 경우에도 대응할 수 있는 측정 기법을 적용하며, 이로써 얻어지는 2개 이상의 채널의 측정값 간의 산술 연산을 통하여 토양의 수분이 많거나 적은 경우에도 오류 없이 수분과 EC를 모두 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면 토양의 현재 상황이 어떤 경우이든 안정적으로 토양의 수분과 EC를 측정할 수 있어, 일시적인 환경의 변화에도 매우 강인한(robust) 토양 센싱 장치 및 방법을 구현할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 토양 센싱 장치는 비파괴적이며 반영구적으로 사용 가능하고, 장치의 안정성을 제공하고, 입력 전기 신호의 주파수를 가변시키는 구성이 필요하지 않으므로 종래의 토양 모니터링 센서보다 생산비를 크게 절감할 수 있다.
본 발명에 따른 토양 센싱 장치는 공진 주파수의 편이(shift)를 효과적으로 검출할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 토양 모니터링 센서는 입력 전기 신호의 주파수를 가변하는 과정이 필요하지 않으므로 토양 수분 센싱 시간을 단축할 수 있다.
본 발명에 따른 토양 센싱 장치는 보다 정확한 토양의 수분 함유량을 검출하기 위하여 온도 센서를 더 포함할 수 있고, 온도 센서에 기반하여 토양의 수분 함유량을 보상하여 정밀한 수분 함유량을 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면 공통 접지 전극 외에 2개의 센싱 전극을 이용하되, 2개의 센싱 전극 모두가 토양 수분과 EC를 측정하는 과정에 관여하도록 설계된 토양 센싱 장치를 구현할 수 있다. 따라서 본 발명의 토양 센싱 장치에 따르면 토양의 수분 및 염류 등 특성 파라미터를 모니터링할 수 있는 토양의 범위가 제한되지 않고, 다양한 환경의 토양에 대응할 수 있으며, 시간의 변화에 따른 측정값들 간의 correlation을 높일 수 있다.
도 1은 종래 기술의 EC 측정용 2단 탐침봉의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 장치의 외형을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 장치의 구성 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 장치 내의 토양 센싱 인터페이스 회로의 내부 구성 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 장치의 제1 채널 센싱 공진 회로와 제1 채널 인터페이스 회로 간의 상호 동작을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 장치의 제2 채널 센싱 공진 회로와 제2 채널 인터페이스 회로 간의 상호 동작을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 인터페이스 회로의 출력 회로의 구성을 도시하고, 제1 센싱 공진 회로, 제1 레퍼런스 공진 회로, 및 출력 회로 간의 상호 동작을 도시하는 도면이다.
도 8은 도 4의 토양 센싱 인터페이스 회로의 동작 방법의 일 실시예를 도시하는 동작 흐름도이다.
도 9는 도 3의 토양 센싱 장치의 동작 방법의 일 실시예를 도시하는 동작 흐름도이다.
도 10은 도 8 및 도 9의 단계 S830을 상세히 도시하는 동작 흐름도이다.
도 11은 도 8 및 도 9의 단계 S840을 상세히 도시하는 동작 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 등가 회로를 도시하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 장치가 EC를 결정하는 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 인터페이스 회로, 토양 센싱 장치, 및 그 동작 방법을 첨부된 도 2 내지 도 13을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 장치의 외형을 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 토양 센싱 장치(210)는 인쇄 회로 기판, 전자 회로 등을 포함하는 케이스, 3개의 탐침 전극들(220, 230, 240)을 포함한다.
3개의 탐침 전극들(220, 230, 240)은 설명의 편의상 공통 접지 전극(220), 제1 전극(230), 및 제2 전극(240)으로 구분된다고 가정한다.
제1 전극(230)은 제1 채널 센싱 동작에 관여하고, 제2 전극(240)은 제2 채널 센싱 동작에 관여한다. 제1 채널 센싱 동작과 제2 채널 센싱 동작은 모두 토양의 수분과 전기 전도도(EC)를 측정하는 데에 적용될 수 있다.
상기 선행문헌들(KR 10-2016-0006564, US 2017/0241973, US 5,621,669)은 EC 센싱에 별도의 채널을, 토양의 수분 센싱에 또 다른 별도의 채널을 할당한다. 반면 본 발명의 실시예는 제1 채널과 제2 채널이 함께 토양의 수분 센싱에 관여하고, 제1 채널과 제2 채널의 센싱 결과를 조합하여 토양의 EC를 결정하는 점에서 차이가 있다.
토양의 수분을 측정하는 과정은 각각의 채널에서 센싱 공진 주파수와 레퍼런스 공진 주파수 간의 주파수 차이에 기반하여 수행된다. 최종적으로 토양의 수분은 각각의 채널에서 측정된 공진 주파수 shift 값을 조합하여 결정될 수 있다. 또는 두 개 이상의 채널들 중 어느 하나를 우선하여 우선 채널의 공진 주파수 shift 값을 이용하여 토양의 수분이 결정될 수도 있다.
토양의 EC를 측정하는 과정은 각각의 채널에서 얻어진 공진 주파수 shift 값의 차이를 이용하여 수행될 수 있다. 이때 각각의 채널은 서로 다른 레퍼런스 공진 주파수에 의하여 초기화될 수 있다. 즉, 각각의 채널이 초기화된 상태의 레퍼런스 공진 주파수가 다르므로, 서로 다른 레퍼런스 주파수에서 측정된 공진 주파수 shift 값은 토양의 수분에 의한 정전용량 변화의 기여분과 저항 성분의 기여분을 모두 포함할 수 있다. 이러한 특성을 이용하여, 서로 다른 레퍼런스 주파수에서 측정된 서로 다른 채널 측정값(공진 주파수 shift 값)을 이용하여 토양의 EC가 결정될 수 있다. 이와 관련된 자세한 사항은 도 13을 참고하여 후술한다.
본 발명의 일 실시예에서는 제1 전극(230)과 제2 전극(240) 중 어느 쪽이 보다 고주파가 인가되고 나머지 한 쪽에 저주파가 인가될 것인 지는 미리 결정되어 고정될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서는 MUX 회로를 이용하여 전기적 위치를 변화함으로써 제1 전극(230)과 제2 전극(240)에 인가되는 고주파 또는 저주파를 서로 교체할 수 있다.
MUX 회로를 이용하여 제1 전극(230)에 고주파, 제2 전극(240)에 저주파를 인가하는 제1 동작과, 제1 전극(230)에 저주파, 제2 전극(240)에 고주파를 인가하는 제2 동작을 서로 비교 검증함으로써 채널 전극과 출력 신호 간의 상호 검증 및 캘리브레이션이 수행될 수 있다. 이때 MUX 회로를 구성하기에 따라서는 제1 전극(230), 제2 전극(240) 외에 공통 접지 전극(220)도 서로 교체될 수 있다. 이 같은 과정은 채널 전극 간의 캘리브레이션을 더욱 고도화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 제1 전극(230) 및 제2 전극(240) 각각에 인가되는 초기화된 교류 신호의 공진 주파수는 인쇄 회로 기판 상의 전기 소자 (R, L, C)에 의하여 고정될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에서는 MUX 회로를 이용하여 서로 다른 값을 capacitor 및/또는 inductor를 선택적으로 연결하는 경우 레퍼런스 공진 주파수를 변화시킬 수 있다. 이처럼 레퍼런스 공진 주파수를 변화시킨 경우 각각에서 측정되는 출력 신호를 비교 검증함으로써 제1 전극(230) 및 제2 전극(240) 각각에 대한 캘리브레이션이 수행될 수 있다.
도 2에서는 3개의 탐침 전극들(220, 230, 240) 및 케이스만이 도시되었지만, 본 발명의 다른 실시예에서는 토양 깊숙이 토양 센싱 장치(210)를 침투시켜 토양의 수분 및 EC를 측정할 수 있도록 한쪽 방향으로 길게 연장된 몸체에 케이스가 설치될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 장치(210)의 구성 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 장치(210)는 토양에 침투하는 공통 접지 전극(220), 토양에 침투하는 제1 전극(230), 토양에 침투하는 제2 전극(240), 토양 센싱 인터페이스 회로(310), 및 측정 회로(340)를 포함한다.
토양 센싱 인터페이스 회로(310)는 제1 전극(230) 및 공통 접지 전극(220) 간의 제1 채널 센싱 동작에 의한 제1 채널 센싱 신호를 수신하여 제1 채널 출력 신호(Ch1_out)를 출력하고, 제2 전극(240) 및 공통 접지 전극(220) 간의 제2 채널 센싱 동작에 의한 제2 채널 센싱 신호를 수신하여 제2 채널 출력 신호(Ch2_out)를 출력할 수 있다. 토양 센싱 인터페이스 회로(310)는 일종의 ROIC로 간주될 수 있다.
측정 회로(340)는 제1 채널 출력 신호(Ch1_out) 및 제2 채널 출력 신호(Ch2_out)를 수신하여 토양의 전기 전도도(EC)를 측정할 수 있다.
이때 토양의 전기 전도도(EC)는 채널 간격 정보 및 채널 센싱 값 차이 정보 간의 비율에 기반하여 결정될 수 있다. 채널 간격 정보는 제1 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref) 및 제2 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제2 레퍼런스 공진 주파수(ω2_ref) 간의 차이에 해당한다. 채널 센싱 값 차이 정보는 제1 채널 센싱 정보 및 제2 채널 센싱 정보 간의 차이에 해당하고, 제1 채널 센싱 정보는 제1 채널 출력 신호(Ch1_out)로부터, 제2 채널 센싱 정보는 제2 채널 출력 신호(Ch2_out)로부터 얻어질 수 있다.
도 3에 도시되지는 않았으나, 토양 센싱 인터페이스 회로(310)는 4개의 공진 회로들(2개의 채널에 대한 센싱 공진 회로 및 2개의 채널에 대한 레퍼런스 공진 회로)을 포함할 수 있다.
측정 회로(340)는 예를 들어 마이크로프로세서, 또는 마이크로컨트롤러 유닛(MCU) 등에 의하여 구현될 수 있으며, 유무선 통신 모듈과 결합하여 측정 결과가 외부의 서버 또는 데이터베이스에 저장되도록 서버 또는 데이터베이스에 측정 결과를 전송할 수 있다.
토양 센싱 인터페이스 회로(310)와 측정 회로(340) 각각은 별개의 IC로 구현되어 하나의 인쇄 회로 기판 상에 배치될 수 있다. 또 다른 실시예에서는 토양 센싱 인터페이스 회로(310)와 측정 회로(340)는 하나의 IC 내에 임베디드될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 장치(210) 내의 토양 센싱 인터페이스 회로(310)의 내부 구성 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 인터페이스 회로(310)는 토양에 침투하는 제1 전극(230)에 연결되는 제1 센싱 공진 회로(410)로부터 제1 센싱 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 채널 센싱 신호를 수신하는 제1 채널 인터페이스 회로(420); 토양에 침투하는 제2 전극(240)에 연결되는 제2 센싱 공진 회로(412)로부터 제2 센싱 공진 주파수(ω2)를 가지는 제2 채널 센싱 신호를 수신하는 제2 채널 인터페이스 회로(422); 및 제1 채널 인터페이스 회로(420)를 경유하여 제1 채널 센싱 신호를 수신하고, 제2 채널 인터페이스 회로(422)를 경유하여 제2 채널 센싱 신호를 수신하고, 제1 채널 출력 신호(Ch1_out) 및 제2 채널 출력 신호(Ch2_out)를 생성하는 출력 회로(430)를 포함한다.
이때 출력 회로(430)는 제1 채널 센싱 신호를 이용하여 제1 센싱 공진 주파수(ω1)에 기반한 제1 채널 센싱 정보를 생성하고, 제2 채널 센싱 신호를 이용하여 제2 센싱 공진 주파수(ω2)에 기반한 제2 채널 센싱 정보를 생성하고, 제1 채널 센싱 정보에 기반하여 제1 채널 출력 신호(Ch1_out)를 출력하고, 제2 채널 센싱 정보에 기반하여 제2 채널 출력 신호(Ch2_out)를 출력한다.
이때 토양의 전기 전도도(EC)는 채널 간격 정보 및 채널 센싱 값 차이 정보 간의 비율에 기반하여 결정될 수 있다. 채널 간격 정보는 제1 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref) 및 제2 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제2 레퍼런스 공진 주파수(ω2_ref) 간의 차이일 수 있다. 채널 센싱 값 차이 정보는 제1 채널 센싱 정보 및 제2 채널 센싱 정보 간의 차이일 수 있다.
이때 제1 채널 인터페이스 회로(420)는 제1 레퍼런스 공진 회로로부터 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref)를 가지는 제1 채널 레퍼런스 신호를 수신하고, 제2 채널 인터페이스 회로(422)는 제2 레퍼런스 공진 회로로부터 제2 레퍼런스 공진 주파수(ω2_ref)를 가지는 제2 채널 레퍼런스 신호를 수신할 수 있다.
이때 출력 회로(430)는 제1 채널 센싱 신호 및 제1 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 제1 센싱 공진 주파수(ω1) 및 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref) 간의 차이에 기반한 제1 채널 센싱 정보를 생성하고, 제2 채널 센싱 신호 및 제2 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 제2 센싱 공진 주파수(ω2) 및 제2 레퍼런스 공진 주파수(ω2_ref) 간의 차이에 기반한 제2 채널 센싱 정보를 생성할 수 있다.
이때 출력 회로(430)는 제1 채널 센싱 신호 및 제1 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 제1 센싱 공진 주파수(ω1) 및 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref) 간의 차이에 대응하는 제1 채널 차동 공진 주파수를 가지는 제1 채널 차동 신호를 생성하고, 제2 채널 센싱 신호 및 제2 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 제2 센싱 공진 주파수(ω2) 및 제2 레퍼런스 공진 주파수(ω2_ref) 간의 차이에 대응하는 제2 채널 차동 공진 주파수를 가지는 제2 채널 차동 신호를 생성하는 신호 처리 회로, 및 제1 채널 차동 공진 주파수에 비례하는 크기를 가지는 제1 채널 출력 신호(Ch1_out)를 생성하고, 제2 채널 차동 공진 주파수에 비례하는 크기를 가지는 제2 채널 출력 신호(Ch2_out)를 생성하는 신호 변환 회로를 포함할 수 있다.
이때 토양의 수분은 제1 채널 센싱 정보 및 제2 채널 센싱 정보 중 적어도 하나 이상에 기반하여 결정될 수 있으며, 제1 채널 센싱 정보 및 제2 채널 센싱 정보를 조합하여 결정될 수도 있다. 제1 채널 센싱 정보 및 제2 채널 센싱 정보의 조합의 간단한 예로는 산술 평균을 들 수 있으며, 캘리브레이션 결과 제1 채널과 제2 채널 중 어느 한 쪽에 가중치를 부여하여 가중치가 반영된 대표값을 생성할 수 있다.
이때 출력 회로(430)는 토양의 수분 및 토양의 전기 전도도(EC)에 대한 시간의 경과에 따른 변화가 제1 채널 센싱 정보 및 제2 채널 센싱 정보의 시간의 경과에 따른 변화에 의하여 나타내어지는 토양 모니터링 기능을 제공할 수 있다.
도 3의 토양 센싱 장치(210) 또는 도 4의 토양 센싱 인터페이스 회로(310)는 3개의 전극들(220, 230, 240) 중 적어도 하나 이상에 결합된 온도 센서(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 측정 회로(340)는 온도 센서의 보상 전에 토양의 상태에 대한 수분 또는 EC 측정에 대한 제1 판정 값을 획득할 수 있다. 측정 회로(340)는 온도 센서에 의하여 측정된 온도에 기반하여 제1 판정 값을 보상함으로써 토양의 상태에 대한 제2 판정 값을 생성할 수 있다(수분 또는 EC 측정값 모두에 적용 가능). 이때, 설명의 편의를 위하여 제1 판정 값과 제2 판정 값을 도입하였지만, 측정 회로(340)에 수신되기 전의 각 채널 센싱 신호를 출력 회로(430)에서 보상하여 측정 회로(340)에 제공할 수 있다. 이때 출력 회로(430)는 보상 전의 제1 측정값에 온도 센서에 의하여 측정된 온도에 기반한 판정 기준을 적용함으로써 제2 측정값이 생성될 수도 있다. 토양의 수분 또는 전기 전도도(EC)는 온도에 비례하거나 반비례하여 달라지는 것으로 알려져 있으므로, 출력 회로(430) 및/또는 측정 회로(340)에서 온도 보상 전의 제1 측정값 또는 제1 판정 값에 온도에 기반한 수분 및/또는 전기 전도도(EC) 판정 기준을 적용함으로써 온도에 의하여 보상된 토양 수분 및/또는 전기 전도도에 대한 제2 측정값 또는 제2 판정 값이 생성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 장치(210)의 제1 채널 센싱 공진 회로(410)와 제1 채널 인터페이스 회로(420) 간의 상호 동작을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 장치(210)의 제2 채널 센싱 공진 회로(412)와 제2 채널 인터페이스 회로(422) 간의 상호 동작을 도시하는 도면이다.
도 5와 도 6을 함께 참고하면, 제1 발진 회로(410a)가 제1 센싱 공진 회로(410)에 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref)의 교류 신호를 여기하고, 제2 발진 회로(412a)가 제2 센싱 공진 회로(412)에 제2 레퍼런스 공진 주파수(ω2_ref)의 교류 신호를 여기한다.
토양 센싱 장치(210)의 3개의 전극들(220, 230, 240)이 토양에 침투되기 전, 즉, 제1 센싱 공진 회로(410) 또는 제2 센싱 공진 회로(412)가 초기화된 상태에서는 제1 센싱 공진 회로(410)에 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref)가 유지되고, 제2 센싱 공진 회로(412)에는 제2 레퍼런스 공진 주파수(ω2_ref)가 유지된다.
토양 센싱 장치(210)의 3개의 전극들(220, 230, 240)이 토양에 침투되면, 토양의 수분과 EC에 기반하여 제1 센싱 공진 회로(410) 및 제2 센싱 공진 회로(412) 각각이 영향을 받는다. 토양의 수분과 EC의 영향을 등가 회로로 나타내면, 제1 센싱 공진 회로(410) 및 제2 센싱 공진 회로(412) 각각에 기생 용량 Cx 및 기생 저항 성분 Rx가 결합한 것과 같은 형태로 간주할 수 있다.
제1 센싱 공진 회로(410) 및 제2 센싱 공진 회로(412) 각각에 여기된 교류 신호는 토양의 수분과 EC에 영향을 받아서 새로운 공진 주파수를 가지는 교류 신호가 형성된다. 이때 제1 센싱 공진 회로(410)에 형성된 교류 신호를 제1 채널 센싱 신호, 제2 센싱 공진 회로(412)에 형성된 교류 신호를 제2 채널 센싱 신호라 하면, 제1 채널 센싱 신호의 공진 주파수를 제1 센싱 공진 주파수(ω1), 제2 채널 센싱 신호의 공진 주파수를 제2 센싱 공진 주파수(ω2)라 할 수 있다.
초기화된 각 채널의 레퍼런스 공진 주파수로부터 토양의 수분과 EC의 영향으로 인한 각 채널의 공진 회로의 공진 주파수가 shift되어 센싱 공진 주파수가 형성되었으므로, 각 채널의 공진 주파수 shift를 정량적으로 검출함으로써 토양의 수분과 EC에 대한 센싱 정보를 획득할 수 있다.
이때 각 채널의 레퍼런스 공진 주파수 및 센싱 공진 주파수 각각을 검출하여 그 차이를 구하는 방법도 가능하겠으나, 공진 회로의 레퍼런스 공진 주파수가 온도 등의 영향으로 실시간으로 변화하므로, 이 같은 방법으로는 측정되는 토양의 환경의 실시간 변화를 정확하게 검출할 수 없다.
따라서, 본 발명에서는 별도의 레퍼런스 공진 회로를 각 채널 별로 배치하여, 각 채널의 센싱 공진 주파수와 레퍼런스 공진 주파수를 각각 구하여 차감하는 방법을 대신하여, 각 채널의 센싱 신호와 레퍼런스 공진 회로의 레퍼런스 신호를 신호 처리함으로써 각 채널의 센싱 공진 주파수 및 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이를 주파수로 가지는 교류 신호를 획득하는 방법을 이용한다.
즉, 제1 채널에서는 (ω1 - ω1_ref)의 주파수를 가지는 제1 채널 중간 신호가 생성되고, 제2 채널에서는 (ω2 - ω2_ref)의 주파수를 가지는 제2 채널 중간 신호가 생성된다. 제1 채널 중간 신호로부터 제1 채널 센싱 정보를 획득하고, 제2 채널 중간 신호로부터 제2 채널 센싱 정보를 획득할 수 있다. 이와 관련된 사항은 이하의 도 7에서 후술한다.
제1 센싱 공진 회로(410)는 저항기(414), 인덕터(416), 커패시터(418)를 포함할 수 있다. 저항기(414), 인덕터(416), 커패시터(418)은 등가 회로로 나타낸 것일 뿐이고, 실제로는 보다 복잡한 형태의 수동 소자들의 조합으로 제1 센싱 공진 회로(410)가 구현될 수 있다.
제2 센싱 공진 회로(412)는 저항기(415), 인덕터(417), 및 커패시터(419)를 포함할 수 있다. 제1 센싱 공진 회로(410)와 제2 센싱 공진 회로(412) 간에 중복되는 설명은 생략한다.
제1 전극(230)과 제1 센싱 공진 회로(410)가 연결되고 제2 전극(240)과 제2 센싱 공진 회로(412)가 연결되도록 고정될 수도 있고, MUX 회로를 경유하여 연결되는 경우 제1 전극(230)과 제2 센싱 공진 회로(412)가 연결되고 제2 전극(230)과 제1 센싱 공진 회로(410)가 교차되어 연결될 수도 있다. 이러한 교차 연결을 통하여 각 채널의 캘리브레이션이 가능함은 앞에서 언급한 바와 같다.
각 센싱 공진 회로(410, 412)에 또 다른 MUX 회로를 경유하여 부가적인 저항기, 인덕터, 및 커패시터가 선택적으로 연결되어 공진 주파수가 조정될 수도 있다. 이러한 조정을 통하여 각 채널의 캘리브레이션이 가능함은 앞에서 언급한 바와 같다. 또한 각 채널의 공진 주파수가 조정될 때에는 각 채널의 센싱 공진 회로와 레퍼런스 공진 회로가 동등하게 조정되어야 공진 주파수의 shift 검출 기능에 문제가 없음은 당업자에게 자명하게 이해될 것이다.
도 5에서는 제1 발진 회로(410a)가 제1 센싱 공진 회로(410) 및 제1 채널 인터페이스 회로(420)의 사이에 배치되는 실시예가 도시되었으나, 본 발명의 다른 실시예에서는 제1 발진 회로(410a)는 제1 센싱 공진 회로(410), 제1 채널 인터페이스 회로(420), 및 출력 회로(430) 중 어느 하나의 내부에 포함될 수도 있다. 도 6의 제2 발진 회로(412a) 또한 동일하게 변경될 수 있다.
또한, 인덕터(416, 417)은 코일의 형태를 취할 수도 있으나 제어 가능한 인덕턴스를 가지는 반도체 패턴의 형태로 구현될 수도 있다. 도 5 및 도 6에 도시된 저항기(414, 415) 외에 다른 회로들 간의 밸런싱을 위하여 도시되지 않는 저항기 R'가 추가로 배치될 수도 있다.
센싱을 위한 발진 회로들(410a, 412a)는 push pull 방식의 발진 회로로 구현될 수 있다. 제1 발진 회로(410a)와 등가적인 기능을 가지는 발진 회로가 제1 센싱 공진 회로(410)와 등가적인 특성을 가지는 제1 레퍼런스 공진 회로에 연결될 수 있다(ω1_ref). 제2 발진 회로(412)와 등가적인 기능을 가지는 발진 회로가 제2 센싱 공진 회로(412)와 등가적인 특성을 가지는 제2 레퍼런스 공진 회로에 연결될 수 있다(ω2_ref).
4개의 공진 회로들은 토양 센싱 인터페이스 회로(310) 외부에 인쇄 회로 기판에 배치된 수동 소자들로 구현될 수 있다. 센싱을 위한 발진 회로들(410a, 412a) 및 등가적인 레퍼런스 발진 회로들은 공간적 배치, 소모 전류를 고려하여 토양 센싱 인터페이스 회로(310) 내부에 하나의 집적회로로서 배치될 수 있다. 발진 회로들의 이러한 배치 방식은 부가적인 능동 소자들을 필요로 하지 않아 소형화, 저전력 구성에 유리할 수 있다.
발진 회로들이 하나의 칩(chip)인 토양 센싱 인터페이스 회로(310) 내부에 배치되는 경우, 레이아웃 상 등가적인 성능의 발진 회로들이 근접하게 배치되고, 동일한 종류의 소자로 제작되므로, 공정 변이(process variation)에 따른 측정 오차를 줄일 수 있으므로, 공진 주파수의 shift 검출 능력을 향상시키고, 실시간으로 정확하게 토양 내의 수분량을 판정할 수 있다.
제1 채널 인터페이스 회로(420)는 제1 전극(230), 제1 센싱 공진 회로(410), 또는 제1 발진 회로(410a)와 연결되는 제1 채널 센싱 단자일 수도 있고, 제1 채널 센싱 단자를 포함하되 공통 접지 전극(220)과 연결되는 또 다른 전기 단자를 포함하는 제1 채널 센싱 포트일 수도 있으며, 제1 채널 센싱 단자 및/또는 제1 채널 센싱 포트에 연결되는 아날로그 또는 디지털 버퍼 회로를 포함하여 구현될 수도 있다.
또한 제1 채널 인터페이스 회로(420)는 제1 레퍼런스 공진 회로(RLC), 또는 제1 레퍼런스 발진 회로와 연결되는 제1 채널 레퍼런스 단자일 수도 있고, 제1 채널 레퍼런스 단자를 포함하되 공통 접지 전극(220)과 연결되는 또 다른 전기 단자를 포함하는 제1 채널 레퍼런스 포트일 수도 있으며, 제1 채널 레퍼런스 자 및/또는 제1 채널 레퍼런스 포트에 연결되는 아날로그 또는 디지털 버퍼 회로를 포함하여 구현될 수도 있다.
제2 채널 인터페이스 회로(422)는 제2 채널에 대하여 구현되며, 구체적인 구성은 제1 채널 인터페이스 회로(420)와 유사하게 구현된다. 중복되는 설명은 생략한다.
도 5 및 도 6에 도시되지는 않았으나, 두 채널의 레퍼런스 공진 회로들은 외부에 노출되지 않으므로 토양에 함유하는 수분 유무에 관계없이 전기적 특성에는 영향이 없다. 따라서 제2 전기 신호는 토양에 함유하는 수분 유무에 관계없이 초기화된 상태의 채널 별 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref, ω2_ref)를 유지할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 제1 센싱 공진 회로(410) 및 제2 센싱 공진 회로(412)는 등가 회로를 나타낸 것으로 간주될 수도 있다. 이때에는 반드시 lumped RLC 요소를 포함해야 하는 것은 아니다. 예를 들어 커패시턴스, 인덕턴스, 저항은 독립적인 소자일 수도 있고, 기생 성분을 나타낸 것일 수도 있다. 또한 독립적인 소자를 이용하여 제1 센싱 공진 회로(410) 및 제2 센싱 공진 회로(412)를 구현한 경우에도, 소자의 배치가 반드시 도 5 및/또는 도 6을 따를 필요는 없으며 등가적으로 도 5 및/또는 도 6의 회로에 대응할 수 있으면 충분하다. 또한 제1 공진 센싱 공진 회로(420)는 제1 레퍼런스 공진 회로와 전기적으로 동일한 특성을 가지는 것이 추천되지만, 차이가 있더라도 사용자 입력이 없는 상태에서 측정되는 공진 주파수 차이는 오프셋으로 보상 처리될 수 있다. 제2 센싱 공진 회로(412)와 제1 레퍼런스 공진 회로에 대해서도 동일하게 처리될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 인터페이스 회로(310)의 출력 회로(430)의 구성을 도시하고, 제1 센싱 공진 회로(410), 제1 레퍼런스 공진 회로(710), 및 출력 회로(430) 간의 상호 동작을 도시하는 도면이다. 도 7은 제1 채널의 동작에 대하여 도시되었지만 당업자라면 도 7을 참고하여 제2 채널의 동작에 대해서도 유추할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 인터페이스 회로(310)의 출력 회로(430)는 신호 처리 회로(432) 및 converter 회로(438)를 포함한다.
신호 처리 회로(432)는 제1 채널 센싱 신호 및 제1 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 제1 센싱 공진 주파수(ω1) 및 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref) 간의 차이에 대응하는 제1 채널 차동 공진 주파수를 가지는 제1 채널 차동 신호를 생성할 수 있다.
converter 회로(438)는 신호 처리 회로(432)의 출력단에 연결되어 제1 채널 차동 공진 주파수에 비례하는 크기를 가지는 제1 채널 출력 신호(Ch1_out)를 생성할 수 있다.
출력 회로(430)는 제1 전극(230)의 외부를 둘러싸는 토양에 함유하는 수분량의 정도에 따라 형성되는 정전 용량 Cx, 및 토양의 전기 전도도에 따라 형성되는 기생 저항 성분 Rx에 기반하여 제1 센싱 공진 회로(410)에 형성되는 제1 채널 센싱 신호의 제1 센싱 공진 주파수(ω1)의 shift를 정량적으로 검출한다. 이때 제1 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref)를 충분히 크게 선택하면 제1 센싱 공진 주파수(ω1)의 shift가 주로 정전 용량 Cx에 의하여 영향받도록 설계될 수 있다.
이때 출력 회로(430)는 검출된 제1 센싱 공진 주파수(ω1)의 정량적 변화는 정전 용량 Cx에 기반하여 제1 전극(230)의 외부를 둘러싸는 토양에 함유하는 수분량을 측정할 수 있다.
구체적으로, 정전용량은 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112021111863793-pat00001
여기서, C는 정전용량/커패시턴스이고, ε은 유전상수이고, S는 대향하는 전극의 면적, d는 전극 간의 거리이다. 유전상수 ε와 정전용량 C는 서로 비례한다. 또한,
ε0 = 8.854 * 10-12 F/m (진공의 유전율)
εr = Relative Permittivity (비유전율)
로서, 유전상수 ε은 일정한 진공의 유전율인 ε0와의 비율인 비유전율 εr을 특성값으로 사용한다. 공기의 비유전율은 진공의 비유전율과 유사하고, 물의 비유전율 εr은 80 정도로 공기와 토양입자들에 비하여 상대적으로 훨씬 크기 때문에, 토양의 유전상수는 토양의 수분함량에 강하게 영향을 받는다. 토양 사이의 공극 또한 공기이므로 수분 함량에 의한 비유전율의 변화에 크게 영향을 주지 못한다. 한편, 진공의 비유전율은 온도의 변화에 상관없이 항상 1을 유지하나, 물의 유전율은 온도가 높아지면 감소한다. 따라서, 일정한 온도에서 토양에 함유되는 수분량이 많을수록 토양의 유전상수가 증가할 것이며, 그에 따라 토양의 정전용량은 증가할 것이다.
온도가 변화하면 그에 따라 물의 유전율이 달라질 것이므로 온도의 변화에 기반하여 토양에 함유되는 수분량에 대한 보상이 필요하다.
토양에 함유된 수분을 센싱하는 회로와 레퍼런스 회로의 공진 주파수 f는 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112021111863793-pat00002
여기서, L은 인덕턴스(inductance)이고, C는 정전용량이다. 공진 주파수 f와 정전용량 C는 서로 반비례한다. 따라서, 토양의 정전용량이 증가할수록 공진 주파수 f는 감소하게 된다.
토양에 함유된 수분을 센싱하는 회로에서, 토양에 함유하는 수분량에 따라 형성되는 정전 용량 Cx의 변화로 인하여 제1 센싱 공진 회로(410)의 임피던스 및 정전 용량 Cx가 등가적으로 병렬로 연결되는 것으로 간주할 수 있고, 합성 임피던스는 정전 용량 Cx가 제1 센싱 공진 회로(410)의 임피던스에 산술적으로 가산됨으로써 얻어질 수 있다. 합성 임피던스가 변화함에 따라 제1 센싱 신호의 제1 센싱 공진 주파수(ω1)도 변화한다. 구체적으로, 제1 전극(230)의 외부를 둘러싸는 토양에 함유하는 수분량이 많을수록 제1 전극(230) 및 공통 접지 전극(220) 간에 커플링되는 정전 용량 Cx이 커지므로, 병렬적으로 연결되어 산술적으로 더해지는 제1 센싱 공진 회로(410)의 합성 정전 용량에 의해 형성되는 제1 채널 센싱 신호의 제1 센싱 공진 주파수(ω1)는 감소할 것이다.
두 채널의 레퍼런스 공진 회로들은 외부에 노출되지 않으므로 토양에 함유하는 수분 유무에 관계없이 전기적 특성에는 영향이 없다. 따라서 제1 레퍼런스 공진 회로(710)는 토양에 함유하는 수분 유무에 관계없이 초기화된 상태의 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref)를 유지할 수 있다.
제1 센싱 공진 주파수(ω1)과 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref)의 차이를 검출하면 제1 센싱 공진 회로(410)의 제1 센싱 공진 주파수(ω1)가 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref)에서 shift되었는지 여부, 및 shift되었다면 그 shift된 정도에 대한 정량적인 분석이 가능하다.
3개의 탐침 전극들(220, 230, 240)이 토양에 침투되면, 3개의 탐침 전극들(220, 230, 240)을 둘러싸는 토양과의 상호작용으로 인하여 제1 센싱 공진 주파수(ω1)가 변화하는데(이때 제2 센싱 공진 주파수(ω2)도 변화할 것이다), 이때 대단히 건조한 토양, 예를 들면 마른 모래, 또는 건조한 황무지에서는 제1 센싱 공진 주파수(ω1) 및 제2 센싱 공진 주파수(ω2)의 변화는 크지 않고, 수분을 함유한 토양의 경우에는 제1 센싱 공진 주파수(ω1) 및 제2 센싱 공진 주파수(ω2)의 변화가 크게 감지된다.
제1 채널에 대해서는 제1 센싱 공진 주파수(ω1) 및 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref) 간의 차이가 검출되고, 도 7에 도시되지는 않았지만 제2 채널에 대해서는 제2 센싱 공진 주파수(ω2) 및 제2 레퍼런스 공진 주파수(ω2_ref) 간의 차이가 검출될 수 있다.
이때 검출되는 제1 채널의 센싱값은 (ω1 - ω1_ref)이고, 제2 채널의 센싱값은 (ω2 - ω2_ref)이다. 각 센싱값에 기반하여 토양에 함유하는 수분량이 측정될 수 있다.
한편, 토양에 도전체와 같은 이물질이 들어간 경우, 또는 토양에 함유된 수분이 매우 많은 경우, 예를 들어 진흙탕이 된 경우에는 3개의 탐침 전극들(220, 230, 240) 주변의 토양의 전기적 특성이 최초 가정된 범위에서 크게 벗어날 수 있다. 또한 토양에 함유된 수분이 너무 많은 경우로서 물이 토양에서 흘러 넘치는 수준인 경우, 또는 반대로 물에 토양이 잠긴 것과 같은 경우에도 3개의 탐침 전극들(220, 230, 240) 주변의 토양의 전기적 특성이 최초 가정된 범위에서 크게 벗어날 수 있다.
이처럼 토양의 전기적 특성이 최초 가정된 범위에서 크게 벗어나는 경우에 드물게 센싱값이 음수가 되거나 의도하지 않은 결과가 얻어질 수 있는데, 이때 적절한 센싱이 아닌 것으로 판정되는 임계값이 미리 설정될 수 있다.
반대로 검출되는 각 채널의 센싱값이 0이 아니지만 너무 작은 경우에도 유의미한 측정으로 간주되지 않는 제1 임계값이 미리 설정될 수도 있다. 각 채널의 센싱값이 제1 임계값 이상인 경우에 토양에 함유되는 수분이 유효한 의미를 갖는 양으로 존재하고 있음으로 판정할 수 있다.
제1 센싱 공진 회로(410) 및 제1 레퍼런스 공진 회로(710)는 동일한 임피던스를 가지도록 초기화되어야 하지만, 실제로는 공정 조건 또는 다양한 주변 환경 변수에 의하여 제1 센싱 공진 주파수(ω1)의 초기값과 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref)가 미세한 주파수 차이를 가질 수 있다.
이러한 미세한 주파수 차이값을 오프셋(offset)으로 설정할 수 있다. 앞서 언급한 제1 임계값은 오프셋을 고려하여 설정될 수도 있다.
또한 출력 회로(430)에서 캘리브레이션(calibration) 과정이 수행될 수 있다. 캘리브레이션은 오프셋이 zero가 되도록 제1 센싱 공진 회로(410) 및/또는 제1 레퍼런스 공진 회로(710)가 조정되는 과정일 수 있다.
캘리브레이션을 거친 후 제1 센싱 공진 회로(410) 및/또는 제1 레퍼런스 공진 회로(710)의 조정은 가변 저항기 R'의 값을 조정하는 등의 수단을 이용하여 실행될 수 있다.
다른 실시예에서는 캘리브레이션 과정은 오프셋을 검출하는 과정일 수도 있다. 이때에는 각 채널 및 상황에 따른 오프셋이 별도의 메모리 또는 스토리지(storage)에 저장되어 향후 출력 회로(430) 및/또는 측정 회로(340)의 토양 수분 센싱 과정에서 오프셋(offset) 정보로 처리될 수 있다.
본 발명과 대비되는 종래 기술은 가변 주파수 스캔을 통하여 복수의 주파수 신호를 순차적으로 입력한 이후 임피던스의 변화를 측정하는 것이었는데, 이 같은 방법은 신호의 크기를 정확히 검출하고 비교해야 하는 전제 조건이 있었다. 따라서 측정하는 데에 시간이 소요되고 소비 전력이 큰 문제점이 있었다.
본 발명은 신호들의 진폭을 주된 검출 대상으로 삼는 대신 공진 주파수의 변화를 주된 검출 대상으로 삼았으며, 또한 가변 주파수 스캔과 같은 방식을 채택하지 않고 동일 주파수의 교류 신호를 인가하는 수단만으로도 충분히 소기의 목적을 달성할 수 있다. 따라서 이러한 방식을 이용하여 본 발명은 종래 기술 대비 소비 전력을 현저하게 절감할 수 있다.
또한 공진 주파수의 변화가 간접적인 방법으로 검출되는 것이 아니라 주파수의 값이 직접적으로 검출되므로, 이를 이용하여 정확한 출력신호를 생성하기 용이하다. 측정된 공진 주파수의 변화에 비례하는 아날로그 신호 또는 디지털 값을 생성할 수 있고, 따라서 측정된 정보를 정확하게 손실 없이 측정 회로(340)에 전달할 수 있는 장점이 있다.
연산기(434)는 제1 센싱 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 채널 센싱 신호와 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref)를 가지는 제1 체널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리(signal processing)에 의하여 제1 센싱 공진 주파수(ω1)와 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref) 간의 차이인 차동 공진 주파수(ω1-ω1_ref)에 대응하는 주파수를 가지는 차동 공진 주파수 성분 신호를 생성할 수 있다. 이때 연산기(434)는 제1 센싱 공진 주파수(ω1)를 직접 구하거나 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref)를 직접 구할 필요는 없다. 연산기(434)에 의하여 얻어지는 차동 공진 주파수 성분 신호의 주파수는 차동 공진 주파수(ω1-ω1_ref)에 대응하며, 제1 센싱 공진 주파수(ω1) 또는 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref) 각각보다 작은 값이므로 차동 공진 주파수 성분 신호를 처리하는 데에 고성능의 신호 처리 회로가 필요하지 않다. 차동 공진 주파수 성분 신호를 생성하는 제1 채널 센싱 신호와 제1 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리는 아날로그 도메인에서 이루어질 수도 있고, 디지털 도메인에서 이루어질 수도 있고, 아날로그-디지털 mixed 도메인에서 이루어질 수도 있다.
차동 공진 주파수 성분 신호를 생성하는 제1 채널 센싱 신호와 제1 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리에서 얻어지는 부가적인 정보 또는 시간의 경과에 따른 차동 공진 주파수 성분 신호에 대한 모니터링 등을 통하여 차동 공진 주파수(ω1-ω1_ref)가 양수인지, 음수인지, 또는 제1 센싱 공진 주파수(ω1)와 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref) 중 어느 쪽이 큰 지에 대한 정보가 얻어질 수 있다. 시간의 경과에 따른 차동 공진 주파수 성분 신호에 대한 모니터링 등을 통하여 제1 센싱 공진 주파수(ω1)와 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref) 중 어느 쪽이 큰 지에 대한 정보가 정확한 지 추가적으로 검증될 수 있다.
converter 회로(438)가 생성하는 제1 채널 출력 신호(Ch1_out)는 제1 센싱 공진 주파수(ω1)와 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref) 간의 차이에 해당하는 정량적 정보에 비례하는 크기의 전압, 전류, 진폭, 또는 위상 등을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예 중 하나에 따르는 converter 회로(438)는 차동 공진 주파수 성분 신호의 주파수에 비례하는 디지털화된 값을 생성하는 타임-투-디지털 변환기(Time-to-Digital Converter)일 수도 있고, 본 발명의 다른 실시예에 따라서는 측정된 주파수 차이에 비례하는 아날로그 신호를 생성하는 아날로그 전압 생성기일 수도 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따라서는 측정된 주파수 차이에 비례하는 아날로그 전류 생성기일 수도 있다. 출력 신호가 아날로그 전압 또는 아날로그 전류인 경우에는 공진 주파수의 차이가 0인 경우에 아날로그 전압 또는 아날로그 전류가 가지는 기본 오프셋이 주어지고, 공진 주파수의 차이의 변화에 비례하여 출력 신호의 크기가 증가하거나 감소할 수 있다.
공진 주파수의 차이를 전압으로 변환하여 아날로그 신호로 출력하는 수단은 Frequency to Voltage Converter 회로를 이용할 수 있다. 이때 노이즈를 제거하기 위하여 Filter용 커패시터가 추가될 수 있고, Filter용 커패시터의 커패시턴스가 커야 하는 경우에는 토양 센싱 인터페이스 회로(310)의 외부에 커패시터가 연결될 수 있도록 외부로 노출되는 커패시터 연결용 핀이 제공될 수 있다.
출력 회로(430)의 실시예에 따라서는 차동 공진 주파수 성분 신호에 대한 샘플러 및 비교기(comparator)를 포함할 수 있는데, 이때 출력 회로(430)의 원활한 동작을 위하여 샘플러 및 비교기는 앞서 설명한 유의미한 측정인지 여부를 판정하는 제1 측정 임계값보다 충분히 크고, 감지 대상 변위에 대응하는 공진 주파수 성분의 동작 범위보다 충분히 큰 동작 주파수를 선택하여 설계될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서는 출력 회로(430)에서 채널의 전기 신호의 진폭과 독립적으로(진폭의 검출 없이) 채널의 공진 주파수 정보를 검출할 수 있다. 이때 본 발명의 다른 실시예에 따라서는 공진 주파수와 독립적으로 진폭을 검출하는 종래의 기술을 병행적으로 적용하고, 서로 독립적으로 얻어진 두 개의 감지 정보(진폭의 검출에 기반한 제1 감지 정보, 진폭과 독립적으로 공진 주파수의 검출에 기반한 제1 레퍼런스 감지 정보)를 상호 교차 검증할 수도 있다.
즉, 공진 주파수의 차이를 검출하여 토양의 상태를 추정한 제1 추정 정보와, 공진 신호의 진폭을 검출하여 토양의 상태를 추정하는 제2 추정 정보를 종합적으로 참조하여 측정의 정확도를 더욱 향상시킬 수도 있다. 제1 추정 정보에 제2 추정 정보가 보상된 토양의 상태 정보를 생성할 수 있으며, 그 반대도 가능하다.
본 발명의 토양 센싱 장치(210)는 3극 탐침 전극들(220, 230, 240)를 이용하여 토양 내 침투 위치 및 토양의 상태에 대해서 강인한 측정 결과를 제공하며, 다중 주파수를 스캔할 필요 없이 한번에 주파수 특성을 검출할 수 있고, 토양의 수분을 측정하기 위하여 공진 주파수의 차이를 검출함으로써 공진 신호의 진폭을 별도로 검출할 필요도 없으므로, 측정의 비용을 절감, 시간을 단축하며 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한 토양의 전기 전도도(EC)와 토양의 수분을 별도로 측정하는 것이 아니고, 토양의 수분을 측정하기 위한 2개의 채널의 센싱 값을 이용하여 전기 전도도를 산출할 수 있다.
또는 온도 센서(250)에 의하여 측정된 온도에 기반하여 일반적인 토양의 수분과 공진 주파수 간의 차이값의 관계가 데이터로서 메모리 또는 데이터베이스에 저장되고, 검출된 공진 주파수 간의 차이값과 온도에 기반하여 메모리 또는 데이터베이스에 저장된 데이터를 참조하여 현재 측정된 토양의 수분에 대한 판정 값이 생성될 수 있다.
도 7에 도시되지는 않았지만, 신호 처리 회로(432)는 제2 채널 센싱 신호 및 제2 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 제2 센싱 공진 주파수(ω2) 및 제2 레퍼런스 공진 주파수(ω2_ref) 간의 차이에 대응하는 제2 채널 차동 공진 주파수를 가지는 제2 채널 차동 신호를 생성할 수 있다.
이때 converter 회로(438)는 제2 채널 차동 공진 주파수에 비례하는 크기를 가지는 제2 채널 출력 신호(Ch2_out)를 생성할 수 있다.
제1 채널과 제2 채널의 동작을 위한 본 발명의 제1 실시예에서는 실시간으로 변화하는 토양의 상태를 측정하기 위하여(실시간성을 유지하기 위하여), 신호 처리 회로(432)가 제1 채널에 할당된 연산기(434) 및 제2 채널에 별도로 할당된 연산기를 포함할 수 있다.
제1 채널과 제2 채널의 동작을 위한 본 발명의 제2 실시예에서는 실시간 대응보다 소형화에 초점을 맞추어, 하나의 연산기(434)가 제1 채널과 제2 채널의 동작을 시간 분할에 의하여 수행할 수도 있다.
도 7에서 도시된 것은, 토양의 상태를 측정하기 위한 각 채널의 동작이다. 이때 앞서 설명한 것처럼 레퍼런스 공진 주파수의 크기를 충분히 크게 설정하면, 각 채널의 센싱값은 주로 토양의 수분에 의한 영향을 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 두 개의 채널의 센싱값 간의 미세한 차이를 통하여 토양의 전기 전도도(EC)에 의한 영향을 산출할 수 있다. 본 발명과 대비되는 종래 기술에서는 토양의 전기 전도도를 직접 측정하는데, 토양의 수분이 매우 크거나(예를 들어 토양이 범람한 경우) 토양이 너무 건조한 경우에 측정이 불가하다. 본 발명은 종래 기술의 전기 전도도 측정이 적용 불가능한 토양의 상태에서도, 사용 가능한(available) 주파수 대역에서 측정된 두 개의 채널 센싱값을 이용하여 토양의 전기 전도도와 토양의 수분을 모두 측정할 수 있다. 따라서 본 발명은 대응 가능한 주파수 대역 및 대응 가능한 토양의 환경의 범위가 매우 넓다.
도 8은 도 4의 토양 센싱 인터페이스 회로(310)의 동작 방법의 일 실시예를 도시하는 동작 흐름도이다.
도 9는 도 3의 토양 센싱 장치(210)의 동작 방법의 일 실시예를 도시하는 동작 흐름도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 토양 센싱 인터페이스 회로(310) 및/또는 토양 센싱 장치(210)는 토양에 침투하는 제1 전극(230)에 연결되는 제1 센싱 공진 회로(410)로부터 제1 센싱 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 채널 센싱 신호를 수신한다(S810).
토양 센싱 인터페이스 회로(310) 및/또는 토양 센싱 장치(210)는 토양에 침투하는 제2 전극(240)에 연결되는 제2 센싱 공진 회로(412)로부터 제2 센싱 공진 주파수(ω2)를 가지는 제2 채널 센싱 신호를 수신한다(S820).
토양 센싱 인터페이스 회로(310) 및/또는 토양 센싱 장치(210)는 제1 채널 센싱 신호를 이용하여 제1 센싱 공진 주파수(ω1)에 기반한 제1 채널 센싱 정보를 생성한다(S830).
토양 센싱 인터페이스 회로(310) 및/또는 토양 센싱 장치(210)는 제2 채널 센싱 신호를 이용하여 제2 센싱 공진 주파수(ω2)에 기반한 제2 채널 센싱 정보를 생성한다(S840).
토양 센싱 인터페이스 회로(310)에 의하여 제1 채널 센싱 정보에 비례하는 크기를 가지는 제1 채널 출력 신호(Ch1_out), 및 제2 채널 센싱 정보에 비례하는 크기를 가지는 제2 채널 출력 신호(Ch2_out)이 측정 회로(340)에 전달된다.
토양 센싱 장치(210)의 측정 회로(340)는 제1 채널 출력 신호(Ch1_out)에 기반하여 제1 채널 센싱 정보를 획득하고, 제2 채널 출력 신호(Ch2_out)에 기반하여 제2 채널 센싱 정보를 획득할 수 있다.
토양 센싱 장치(210)의 측정 회로(340)는 제1 채널 센싱 정보 및 제2 채널 센싱 정보 간의 차이인 채널 센싱 값 차이 정보(Ch1_out - Ch2_out)를 생성한다(S850).
토양 센싱 장치(210)의 측정 회로(340)는 채널 간격 정보 및 채널 센싱 값 차이 정보 간의 비율에 기반하여 토양의 전기 전도도를 결정한다(S860). 채널 간격 정보는 제1 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref) 및 제2 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제2 레퍼런스 공진 주파수(ω2_ref) 간의 차이일 수 있다.
도 2 내지 도 9의 실시예에서, 공지의 온도 센서가 부가되어 다양한 방법으로 활용될 수 있다. 널리 알려진 온도 측정 방법 중 하나는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 물질을 이용하는 것이다. 온도에 기반하여 저항 등의 값이 달라질 것이므로 이를 활용하여 전압, 전류 등 전기적 신호의 변화를 감지하여 온도를 산출해 낼 수 있다.
측정 회로(340)는 측정된 온도에 기반하여 물의 유전율을 산출하고, 측정된 주파수 shift 및 온도 보상된 물의 유전율에 기반하여 보상된 정전 용량 값을 산출할 수 있다. 측정 회로(340)는 보상된 정전 용량 값에 기반하여 토양 또는 배지(작물이 생장하는 배지)의 수분 함유량 또는 함수율(Water Content)을 산출할 수 있다.
이때, 함수율 또는 정전 용량 값은 온도 및 공진 주파수의 shift 의 함수로 주어질 수 있다. 또는 측정 회로(340)는 미리 정해지고 미리 저장된 테이블 정보에 기반하여 온도에 기반하여 토양의 함수율을 산출할 수 있다. 테이블 정보는 온도 및 다른 변수들과의 관련성 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어 온도와 대비될 수 있는 다른 변수들은 함수율, 정전 용량 값, 임피던스의 변화 또는 공진 주파수의 shift 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
토양 센싱 장치(210)는 각 채널의 센싱값(ω1- ω1_ref, ω2 - ω2_ref)에 기반하여, 3개의 탐침 전극들(220, 230, 240)의 외부를 둘러싸는 토양에 함유된 수분이 유의미한 양인지 여부를 판정할 수 있다. 이때 각 채널의 센싱값에 기반하여 토양에 함유된 수분이 유의미한 양으로 판단하지 않는다면 현재의 프로세스를 종료한다. 필요에 따라 일정 시간 경과 후 또는 일정 조건이 충족되면 단계 S810부터 다시 되풀이될 수 있다.
도 10은 도 8 및 도 9의 단계 S830을 상세히 도시하는 동작 흐름도이다.
토양 센싱 인터페이스 회로(310) 내의 출력 회로(430)는 제1 레퍼런스 공진 회로(710)로부터 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref)를 가지는 제1 채널 레퍼런스 신호를 수신한다(S812).
출력 회로(430)는 제1 채널 센싱 신호(단계 S810에 의하여 수신됨) 및 제1 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 수행한다(S832).
출력 회로(430)는 제1 센싱 공진 주파수(ω1) 및 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref) 간의 차이에 기반한 제1 채널 센싱 정보를 생성한다(S834).
출력 회로(430)는 제1 채널 센싱 정보에 비례하는 제1 채널 출력 신호(Ch1_out)를 생성하고 출력한다.
도 11은 도 8 및 도 9의 단계 S840을 상세히 도시하는 동작 흐름도이다.
출력 회로(430)는 제2 레퍼런스 공진 회로로부터 제2 레퍼런스 공진 주파수(ω2_ref)를 가지는 제2 채널 레퍼런스 신호를 수신한다(S822).
출력 회로(430)는 제2 채널 센싱 신호(단계 S820에 의하여 수신됨) 및 제2 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 수행한다(S842).
출력 회로(430)는 제2 센싱 공진 주파수(ω2) 및 제2 레퍼런스 공진 주파수(ω2_ref) 간의 차이에 기반한 제2 채널 센싱 정보를 생성한다(S844).
출력 회로(430)는 제2 채널 센싱 정보에 비례하는 제2 채널 출력 신호(Ch2_out)를 생성하고 출력한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 장치(210)의 동작 원리를 설명하기 위한 등가 회로를 도시하는 도면이다. 도 12는 제1 채널을 예시적으로 설명하지만 제2 채널도 유사하게 이해될 수 있을 것이다.
제1 센싱 공진 회로(420)를 구성하는 제1 인덕터(1236), 및 제1 커패시터(1238)에 제1 발진 회로(1232)가 제1 교류 신호를 인가한다. 제1 센싱 공진 회로(420)와 제1 전극(230) 및 공통 접지 전극(220) 사이를 연결하는 한 쌍의 전극 배선에 의하여 나타나는 기생 저항은 도 12에서 Rp로 나타내어진다. 토양과 탐침전극들(220, 230, 240) 사이의 상호 작용에 의하여 제1 전극(230)에 나타내어지는 기생 정전 용량 Cs(1268) 및 기생 저항(Rs)이 배선의 기생 저항(Rp), 제1 인덕터(1236), 및 제1 커패시터(1238)의 임피던스와 합성되면서, 도 12의 토양 센싱 장치(210)의 합성 임피던스가 형성된다. 이 합성 임피던스에 기반하여 도 12의 등가 회로에 형성되는 제1 채널 센싱 신호의 제1 센싱 공진 주파수(ω1)가 결정된다.
일반적으로 기생 정전 용량 Cs(1268)는 고주파 신호 환경에서 임피던스의 변화에 강한 영향을 미치고, 토양의 수분에 의하여 영향받는 것으로 알려져 있다. 기생 저항 Rs(1264)는 상대적으로 저주파 환경에서 임피던스의 변화에 강한 영향을 미치고, 토양의 전기 전도도(EC)에 의하여 영향받는 것으로 알려져 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 출력 회로(430) 및 측정 회로(340)는 수백 MHz 대역의 주파수 성분을 이용하여 토양의 수분을 측정하며, 수 MHz 또는 수백 kHz 대역의 주파수 성분을 이용하여 토양의 전기 전도도(EC)를 측정할 수 있다. 이때 토양의 수분을 측정하는 채널/루틴과 토양의 전기 전도도를 측정하는 채널/루틴이 동시에 2개의 채널/루틴에 의하여 얻어지는 전기 신호를 분석하여 토양의 수분과 전기 전도도(EC)를 동시에 얻을 수 있다.
종래 기술에서는 토양의 수분을 측정하는 채널과 토양의 전기 전도도를 측정하는 채널이 구분되는데, 본 발명에서는 레퍼런스 공진 주파수들을 적절히 설정함으로써 2개의 채널에 의하여 얻어진 채널 센싱값들과 레퍼런스 공진 주파수들의 정보를 이용하여 전기 전도도를 얻을 수 있고, 채널 센싱값들은 토양의 수분을 측정하는 데에 이용된다.
본 발명의 일 실시예에서는, 판정 회로(120)는 하나의 채널에서는 수백 MHz 대역의 주파수 성분을 이용하여 채널 센싱 신호의 센싱 공진 주파수의 shift를 정량적으로 검출하고 토양의 수분을 측정하며, 또 다른 하나의 채널에서는 수 MHz 또는 수백 kHz 대역의 주파수 성분을 이용하여 채널 센싱 신호의 센싱 공진 주파수의 shift를 정량적으로 검출하고 토양의 수분을 측정할 수 있다. 이때 두 채널에서 얻어진 정보에 포함되어 있는 토양의 전기 전도도(EC)에 의한 채널 센싱값들 사이의 차이를 이용하여 토양의 전기 전도도를 측정할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 센싱 장치(210)가 전기 전도도(EC)를 결정하는 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 13에서는 설명의 편의를 위하여 X축은 주파수 도메인, Y축은 채널 출력 신호의 출력값 또는 채널 센싱값이 매핑된 그래프가 도시된다.
Y축은 채널 출력 신호의 출력값인 경우 디지털 또는 아날로그 신호의 전압 또는 전류의 크기, 교류 신호인 경우에는 진폭일 수 있다.
Y축이 채널 센싱값인 경우에는 각 채널에서 얻어진 센싱 공진 주파수의 shift 값일 수 있다. 채널 출력 신호는 채널 센싱값, 즉, 센싱 공진 주파수의 shift 값에 비례하는 크기를 가지도록 변환된 신호이므로 이러한 매핑이 가능하다.
제1 채널의 제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref), 및 제1 채널 출력 신호(Ch1_out) 값이 도 13의 제1 채널 센싱 정보(1310)로서 매핑된다.
제2 채널의 제2 레퍼런스 공진 주파수(ω2_ref), 및 제2 채널 출력 신호(Ch2_out) 값이 도 13의 제2 채널 센싱 정보(1320)로서 매핑된다.
제1 레퍼런스 공진 주파수(ω1_ref) 및 제2 레퍼런스 공진 주파수(ω2_ref)의 차이값인 채널 간격 정보(1340)가 도 13의 그래프 상의 제1 채널 센싱 정보(1310), 및 제2 채널 센싱 정보(1320)의 X좌표 사이의 간격으로 표시된다.
제1 채널 센싱 정보 및 제2 채널 센싱 정보 간의 차이는 제1 채널 출력 신호(Ch1_out) 및 제2 채널 출력 신호(Ch2_out)의 크기로 구할 수 있다. 이렇게 얻어진 채널 센싱 값 차이 정보(1350)는 도 13의 그래프 상의 제1 채널 센싱 정보(1310), 및 제2 채널 센싱 정보(1320)의 Y좌표 사이의 간격으로 표시된다.
토양의 전기 전도도(EC)는 채널 간격 정보(1340) 및 채널 센싱 값 차이 정보(1350) 간의 비율에 기반하여 결정될 수 있다. 이 비율은 도 13의 그래프에서 제1 채널 센싱 정보(1310), 및 제2 채널 센싱 정보(1320)를 지나는 직선(1330)의 기울기(1360)와 같다.
토양의 전기 전도도(EC)를 구하는 제1 실시예에서는, 기울기(1360) 값을 레퍼런스가 되는 정밀 센서로 측정한 값들 사이의 채널 간 센싱 정보의 레퍼런스 기울기들과 비교하고, 센싱된 기울기(1360)에 매핑되는 레퍼런스 센서의 레퍼런스 EC를 센싱된 토양의 EC로 판정할 수 있다.
이때 레퍼런스 센서는 정밀 센서로서 다양한 토양의 수분, 및 전기 전도도 조건에서 주파수를 달리 하며 측정된 공진 주파수 shift 값을 테이블로 저장하고, 본 발명의 토양 센싱 장치(210)는 센싱된 기울기(1360)에 가장 적절히 매핑되는 레퍼런스 센서의 측정 조건을 센싱된 기울기(1360)에 의하여 얻어지는 토양의 전기 전도도(EC)로 제공할 수 있다.
이러한 과정은 rule-based 방식으로 테이블과 비교함으로써 수행될 수도 있고, 기계 학습에 의하여 기울기를 입력받아 EC를 추론하는 기능을 학습한 기계 학습 엔진에 의하여 실행될 수도 있다. 기계 학습 엔진은 인공 신경망일 수 있다.
토양의 전기 전도도(EC)를 구하는 제2 실시예에서는, 도 13의 그래프에서 직선(1330)이 연장되어 Y축과 만나는 점의 Y좌표(Y절편)을 구하여 레퍼런스 공진 주파수=0일 때를 가정한 채널 측정값을 추정할 수 있다.
이때 얻어진 Y절편 값으로부터 임피던스의 저항 성분을 추정 후, 저항 성분을 역산하여 EC를 얻을 수도 있다.
한편 토양의 수분은 도 13에 도시된 두 개의 채널 측정값들의 평균을 취하거나, 두 개의 채널 측정값들 중 우선 순위에 따라서 어느 한 쪽을 취하여 토양의 수분 측정 결과로서 제공될 수 있다. 평균은 산술평균, 조화평균, 기하평균 등을 모두 포함하며, 두 개의 채널 측정값들 중 우선 순위에 따라서 가중치가 부여된 평균값이 토양의 수분 측정 결과로서 제공될 수도 있다.
교류 신호가 인가되는 경우 전기장과 자기장의 세기가 시간에 따라 계속 변하기 때문에, 유전율은 복소 유전율로 취급해야 하고, 복소 유전율은 실수부와 허수부를 포함한다.
이때 복소 유전율(ε_comp)은 주파수(ω)의 함수이고, 복소 유전율은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
ε_comp(ω) = ε_real(ω) - iε_imag(ω)
ε_comp(ω)는 복소 유전율, ε_real는 실수부, ε_imag는 허수부이고, i는 허수단위이다.
복소 유전율을 취급할 때, 주파수(ω)가 좁은 대역에서만 유지되면 유전율을 주파수에 무관하거나 간단한 모델 함수로 근사될 수 있다. 일반적인 종래 기술에서는 특정한 주파수에서만 전기 전도도(EC)를 측정하고, 별도의 특정한 주파수에서 토양의 수분을 측정한다.
본 발명에서는 두 개의 채널의 레퍼런스 공진 주파수를 상당한 차이가 있도록 설정한다. 이로 인하여 복소 유전율에서 실수부와 허수부의 영향이 측정값에 모두 반영될 수 있다. 즉, 도 13에서 도시된 채널 간격 정보(1340)가 충분히 큰 경우에는 두 개의 센싱 측정값들이 유의미한 차이를 가지도록 설계될 수 있고, 이를 이용하여 복소 유전율의 실수부와 허수부를 모두 구할 수 있다.
이러한 복소 유전율의 변화는 매질(본 발명의 어플리케이션에서는 토양)에서의 이온의 농도 변화에 의한 전기적인 특성의 변화와 밀접한 관련이 있고, 서로 다른 주파수 대역에서 복소 유전율의 변화를 특정하면 매질에서 이온의 농도 변화에 의한 전기적인 특성의 변화를 특정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회로의 동작 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. 본 발명의 실시예와 도면에 소개된 길이, 높이, 크기, 폭 등은 이해를 돕기 위해 과장된 것일 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
210: 토양 센싱 장치
220: 공통 접지 전극
230: 제1 전극 240: 제2 전극
310: 토양 센싱 인터페이스 회로
340: 측정 회로
410, 412: 센싱 공진 회로
430: 출력 회로

Claims (11)

  1. 토양에 침투하는 제1 전극에 연결되는 제1 센싱 공진 회로로부터 제1 센싱 공진 주파수를 가지는 제1 채널 센싱 신호를 수신하는 제1 채널 인터페이스 회로;
    상기 토양에 침투하는 제2 전극에 연결되는 제2 센싱 공진 회로로부터 제2 센싱 공진 주파수를 가지는 제2 채널 센싱 신호를 수신하는 제2 채널 인터페이스 회로; 및
    상기 제1 채널 센싱 신호, 및 상기 제2 채널 센싱 신호를 수신하고 제1 채널 출력 신호 및 제2 채널 출력 신호를 생성하는 출력 회로;
    를 포함하고,
    상기 출력 회로는
    상기 제1 채널 센싱 신호를 이용하여 상기 제1 센싱 공진 주파수에 기반한 제1 채널 센싱 정보를 생성하고,
    상기 제2 채널 센싱 신호를 이용하여 상기 제2 센싱 공진 주파수에 기반한 제2 채널 센싱 정보를 생성하고,
    상기 제1 채널 센싱 정보에 기반하여 상기 제1 채널 출력 신호를 출력하고,
    상기 제2 채널 센싱 정보에 기반하여 상기 제2 채널 출력 신호를 출력하고,
    상기 토양의 전기 전도도는 상기 제1 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제1 레퍼런스 공진 주파수 및 상기 제2 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제2 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이인 채널 간격 정보, 및 상기 제1 채널 센싱 정보 및 상기 제2 채널 센싱 정보 간의 차이인 채널 센싱 값 차이 정보 간의 비율에 기반하여 결정되는 토양 센싱 인터페이스 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 채널 인터페이스 회로는
    제1 레퍼런스 공진 회로로부터 상기 제1 레퍼런스 공진 주파수를 가지는 제1 채널 레퍼런스 신호를 수신하고,
    상기 제2 채널 인터페이스 회로는
    제2 레퍼런스 공진 회로로부터 상기 제2 레퍼런스 공진 주파수를 가지는 제2 채널 레퍼런스 신호를 수신하고,
    상기 출력 회로는
    상기 제1 채널 센싱 신호 및 상기 제1 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 상기 제1 센싱 공진 주파수 및 상기 제1 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 기반한 제1 채널 센싱 정보를 생성하고,
    상기 제2 채널 센싱 신호 및 상기 제2 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 상기 제2 센싱 공진 주파수 및 상기 제2 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 기반한 제2 채널 센싱 정보를 생성하는 토양 센싱 인터페이스 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 출력 회로는
    상기 제1 채널 센싱 신호 및 상기 제1 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 상기 제1 센싱 공진 주파수 및 상기 제1 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 대응하는 제1 채널 차동 공진 주파수를 가지는 제1 채널 차동 신호를 생성하고, 상기 제2 채널 센싱 신호 및 상기 제2 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 상기 제2 센싱 공진 주파수 및 상기 제2 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 대응하는 제2 채널 차동 공진 주파수를 가지는 제2 채널 차동 신호를 생성하는 신호 처리 회로; 및
    상기 제1 채널 차동 공진 주파수에 비례하는 크기를 가지는 상기 제1 채널 출력 신호를 생성하고, 상기 제2 채널 차동 공진 주파수에 비례하는 크기를 가지는 상기 제2 채널 출력 신호를 생성하는 신호 변환 회로;
    를 포함하는 토양 센싱 인터페이스 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 토양의 수분은 상기 제1 채널 센싱 정보 및 상기 제2 채널 센싱 정보에 기반하여 결정되는 토양 센싱 인터페이스 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 출력 회로는
    상기 토양의 수분 및 상기 토양의 전기 전도도에 대한 시간의 경과에 따른 변화가 상기 제1 채널 센싱 정보 및 상기 제2 채널 센싱 정보의 시간의 경과에 따른 변화에 의하여 나타내어지는 토양 모니터링 기능을 제공하는 토양 센싱 인터페이스 회로.
  6. 토양에 침투하는 공통 접지 전극;
    상기 토양에 침투하는 제1 전극;
    상기 제1 전극에 연결되는 제1 센싱 공진 회로;
    상기 제1 센싱 공진 회로로부터 제1 센싱 공진 주파수를 가지는 제1 채널 센싱 신호를 수신하는 제1 채널 인터페이스 회로;
    상기 토양에 침투하는 제2 전극;
    상기 제2 전극에 연결되는 제2 센싱 공진 회로;
    상기 제2 센싱 공진 회로로부터 제2 센싱 공진 주파수를 가지는 제2 채널 센싱 신호를 수신하는 제2 채널 인터페이스 회로;
    상기 제1 채널 센싱 신호, 및 상기 제2 채널 센싱 신호를 수신하고 제1 채널 출력 신호 및 제2 채널 출력 신호를 생성하는 출력 회로; 및
    상기 제1 채널 출력 신호 및 상기 제2 채널 출력 신호를 수신하여 상기 토양의 전기 전도도를 측정하는 측정 회로;
    를 포함하고,
    상기 출력 회로는
    상기 제1 채널 센싱 신호를 이용하여 상기 제1 센싱 공진 주파수에 기반한 제1 채널 센싱 정보를 생성하고,
    상기 제2 채널 센싱 신호를 이용하여 상기 제2 센싱 공진 주파수에 기반한 제2 채널 센싱 정보를 생성하고,
    상기 제1 채널 센싱 정보에 기반하여 상기 제1 채널 출력 신호를 출력하고,
    상기 제2 채널 센싱 정보에 기반하여 상기 제2 채널 출력 신호를 출력하고,
    상기 측정 회로는
    상기 제1 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제1 레퍼런스 공진 주파수 및 상기 제2 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제2 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이인 채널 간격 정보, 및 상기 제1 채널 센싱 정보 및 상기 제2 채널 센싱 정보 간의 차이인 채널 센싱 값 차이 정보 간의 비율에 기반하여 상기 토양의 전기 전도도를 측정하는 토양 센싱 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    제1 레퍼런스 공진 회로; 및
    제2 레퍼런스 공진 회로; 를 더 포함하고,
    상기 제1 채널 인터페이스 회로는
    상기 제1 레퍼런스 공진 회로로부터 상기 제1 레퍼런스 공진 주파수를 가지는 제1 채널 레퍼런스 신호를 수신하고,
    상기 제2 채널 인터페이스 회로는
    상기 제2 레퍼런스 공진 회로로부터 상기 제2 레퍼런스 공진 주파수를 가지는 제2 채널 레퍼런스 신호를 수신하고,
    상기 출력 회로는
    상기 제1 채널 센싱 신호 및 상기 제1 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 상기 제1 센싱 공진 주파수 및 상기 제1 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 기반한 제1 채널 센싱 정보를 생성하고,
    상기 제2 채널 센싱 신호 및 상기 제2 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 상기 제2 센싱 공진 주파수 및 상기 제2 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 기반한 제2 채널 센싱 정보를 생성하는 토양 센싱 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 토양의 수분은 상기 제1 채널 센싱 정보 및 상기 제2 채널 센싱 정보에 기반하여 결정되는 토양 센싱 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 출력 회로 및 상기 측정 회로는
    상기 토양의 수분 및 상기 토양의 전기 전도도에 대한 시간의 경과에 따른 변화가 상기 제1 채널 센싱 정보 및 상기 제2 채널 센싱 정보의 시간의 경과에 따른 변화에 의하여 나타내어지는 토양 모니터링 기능을 제공하는 토양 센싱 장치.
  10. 토양에 침투하는 제1 전극에 연결되는 제1 센싱 공진 회로로부터 제1 센싱 공진 주파수를 가지는 제1 채널 센싱 신호를 수신하는 단계;
    상기 토양에 침투하는 제2 전극에 연결되는 제2 센싱 공진 회로로부터 제2 센싱 공진 주파수를 가지는 제2 채널 센싱 신호를 수신하는 단계;
    상기 제1 채널 센싱 신호를 이용하여 상기 제1 센싱 공진 주파수에 기반한 제1 채널 센싱 정보를 생성하는 단계;
    상기 제2 채널 센싱 신호를 이용하여 상기 제2 센싱 공진 주파수에 기반한 제2 채널 센싱 정보를 생성하는 단계;
    상기 제1 채널 센싱 정보 및 상기 제2 채널 센싱 정보 간의 차이인 채널 센싱 값 차이 정보를 생성하는 단계; 및
    상기 제1 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제1 레퍼런스 공진 주파수 및 상기 제2 채널 센싱 신호가 초기화된 상태의 제2 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이인 채널 간격 정보, 및 상기 채널 센싱 값 차이 정보 간의 비율에 기반하여 상기 토양의 전기 전도도를 결정하는 단계;
    를 포함하는 토양 센싱 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 채널 센싱 정보를 생성하는 단계 이전에, 제1 레퍼런스 공진 회로로부터 상기 제1 레퍼런스 공진 주파수를 가지는 제1 채널 레퍼런스 신호를 수신하는 단계;
    상기 제2 채널 센싱 정보를 생성하는 단계 이전에, 제2 레퍼런스 공진 회로로부터 상기 제2 레퍼런스 공진 주파수를 가지는 제2 채널 레퍼런스 신호를 수신하는 단계;
    를 더 포함하고,
    상기 제1 채널 센싱 정보를 생성하는 단계는
    상기 제1 채널 센싱 신호 및 상기 제1 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 상기 제1 센싱 공진 주파수 및 상기 제1 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 기반한 제1 채널 센싱 정보를 생성하고,
    상기 제2 채널 센싱 정보를 생성하는 단계는
    상기 제2 채널 센싱 신호 및 상기 제2 채널 레퍼런스 신호에 대한 신호 처리 과정을 통하여 상기 제2 센싱 공진 주파수 및 상기 제2 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 기반한 제2 채널 센싱 정보를 생성하는 토양 센싱 방법.
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Citations (6)

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Title
미국특허등록공보 제5,621,669호 "Moisture sensor probe and control mechanism" (공개일 1997년 4월 15일)
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