KR102397050B1 - 순환식 수경재배용 급액 관리 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 순환식 수경재배용 급액 관리 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 급액 관리 장치는, 사용자로부터 보유 비료염 종류, 및 배액 또는 배지 내 각 양분별 농도 데이터를 입력받는 사용자 입력부; 미리 결정된 각 양분별 기준 당량 농도 비율, 상기 배액 또는 배지 내 각 양분별 농도를 기초로 산출된 배액 또는 배지 내 각 양분별 당량농도 비율인 제1 양분 당량농도 비율, 및 현재 사용중인 양액 내 각 양분별 당량농도 비율인 제2 양분 당량농도 비율을 기초로 각 양분별 목표 당량농도 비율을 산출하는 목표비율 산출부; 및 상기 각 양분별 목표 당량농도 비율을 기초로 상기 보유 비료염의 조합을 통한 양액 조제시 필요한 각 보유 비료염별 농도를 산출하는 양액조성 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이를 통하여, 양액의 전체 양분에서 특정성분이 과잉 또는 결핍되지 않도록 각 개별 양분 간 비율 균형을 관리함으로써 식물 생육에 최적화된 양액 공급이 이루어지도록 할 수 있다.

Description

순환식 수경재배용 급액 관리 장치 및 그 방법{MANAGING APPARATUS FOR SUPPLYING NUTRIENT SOLUTION IN CLOSED HYDROPONICS SYSTEM, AND METHOD THEREOF}
본 발명은 급액 관리 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 순환식 수경재배 시스템에서 각 양액 성분 간의 균형을 고려하여 식물 생육에 최적화된 양액 공급이 이루어질 수 있도록 관리하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
수경재배는 식물을 토양 없이 양액에서 키우는 방식으로서, 뿌리를 양액에 직접 담그는 순수수경과 뿌리를 지지해주는 고형 지지체가 있는 상태에서 지지체에 양액을 공급하여 키우는 고형배지경으로 나눌 수 있다.
수경재배를 통한 식물 재배시에는 환경에 따라 식물의 양분 흡수농도가 동적으로 변화되는 것에 대응하여, 시간이 경과함에 따라 식물 근권부의 양분 농도에도 변동이 나타나게 된다. 수경재배는 토경재배에 비하여 완충용량이 작기 때문에 근권부에서 나타나는 양분 농도의 변동은 각 양분 간의 불균형을 야기할 수 있으며, 이는 곧 식물의 생육에 유의적인 영향을 미치게 된다. 따라서, 각 양분 간의 불균형이 발생하지 않도록 각 양분의 비율을 적극적으로 관리해줄 필요가 있다.
그동안 국내 과채류 수경재배 농가 중 대다수가 관행적으로 적용해오던 비순환식 수경재배 방식은 재배 중 발생되는 배액을 방류하고 관수할 때마다 새롭게 조제한 양액을 공급하는 방식이다. 위 방식은 양분의 변동을 일정 수준 내로 조절할 수는 있으나 물, 비료가 과다 사용되어 비경제적이고, 방류되는 배액의 잔여성분으로 인한 환경오염이 발생되어 많은 문제점이 제기되어 왔다.
비순환식 수경재배의 대안으로 주목받고 있는 순환식 수경재배 방식은 배액을 전량 또는 일부 재사용하는 방식으로서 이에 의하면 전술된 비순환식 수경재배의 문제점을 해결할 수 있다. 다만, 최소 13종의 필수양분들 농도가 재배 시스템 내에서 동적으로 변하기 때문에 각 양분의 균형을 맞추는데 기술적 어려움이 존재한다.
종래에는 일정 주기에 따라 샘플링한 양액을 성분 분석하여 부족분에 대한 보충량을 결정하거나 양분 흡수량을 측정하여 양액 공급량을 결정하는 방식으로 양분의 균형을 제어하였다. 그러나, 이러한 방식들은 단일 재배 수조로만 구성된 순수 수경재배 시스템에서는 큰 오차없이 유용하게 적용될 수 있지만, 과채류 수경재배의 상당부분을 차지하는 고형배지경 시스템에서는 오차가 매우 크게 나타나 적용하는데 많은 기술적 애로사항이 있다.
이에, 고형배지경을 비롯한 순환식 수경재배 시스템 전반에서 높은 정확도로 각 양분 간의 균형을 관리할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
한국공개특허 10-2008-0098945(2008.11.12.)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 순환식 수경재배 시스템에서 각 양액 성분 간의 균형을 고려하여 식물 생육에 최적화된 양액 공급이 이루어질 수 있도록 관리하는 장치 및 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
상기한 목적은 본 발명의 일 양태에 따른 사용자로부터 보유 비료염 종류, 및 배액 또는 배지 내 각 양분별 농도 데이터를 입력받는 사용자 입력부; 미리 결정된 각 양분별 기준 당량농도 비율, 상기 배액 또는 배지 내 각 양분별 농도를 기초로 산출된 배액 또는 배지 내 각 양분별 당량농도 비율인 제1 양분 당량농도 비율, 및 현재 사용중인 양액 내 각 양분별 당량농도 비율인 제2 양분 당량농도 비율을 기초로 각 양분별 목표 당량농도 비율을 산출하는 목표비율 산출부; 및 상기 각 양분별 목표 당량농도 비율을 기초로 상기 보유 비료염의 조합을 통한 양액 조제시 필요한 각 보유 비료염별 농도를 산출하는 양액조성 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 관리 장치를 통하여 달성될 수 있다.
여기서, 상기 목표비율 산출부는, 다음의 수식을 통하여 상기 각 양분별 목표 당량농도 비율을 산출할 수 있다.
Figure 112020036736584-pat00001
참고로, 수학식에서 PAtarget은 양분 A의 목표 당량농도 비율, PAref는 양분 A의 기준 당량농도 비율, PAmeasured는 배액 또는 배지 내 양분 A의 당량농도 비율, k는 제어 계수 (k > 0), PAcurrent는 현재 사용중인 양액 내 양분 A의 당량농도 비율을 의미한다.
한편, 상기 양분별 기준 당량농도 비율, 및 상기 제1 양분 당량농도 비율은 양이온과 음이온에 대하여 각각 정의되고, 암모늄태 질소의 당량농도 비율은 질산태 질소의 당량농도를 기준으로 정의될 수 있다.
또한, 상기 목표비율 산출부는, 상기 양분별 기준 당량농도 비율, 상기 제1 양분 당량농도 비율, 및 상기 제2 양분 당량농도 비율을 기초로 각 양분별 목표 당량농도 비율을 1차적으로 산출하고, 상기 각 양분별 목표 당량농도 비율의 총합이 1이 되도록 상기 각 양분별 목표 당량농도 비율의 값을 조정할 수 있다.
한편, 상기 양액조성 산출부는, 비선형계획법을 이용하여 상기 보유 비료염별 농도를 산출할 수 있다.
구체적으로, 상기 양액조성 산출부는, 상기 보유 비료염을 조합하여 양액 조제시 획득되는 각 양분의 당량농도 비율인 제3 양분 당량농도 비율과 상기 양분별 목표 당량농도 비율의 차이의 제곱값을 모든 양분에 대하여 합한 값이 최소가 되는 상기 보유 비료염별 농도를 산출할 수 있다.
이때, 상기 양액조성 산출부는, 산출된 상기 보유 비료염별 농도에 따라 조성된 양액의 각 양분별 당량 농도의 합이 미리 결정된 양액 내 전체 양분 목표 농도값과 동일할 것을 제1 제약조건으로 적용할 수 있다.
아울러, 상기 양액조성 산출부는, 상기 각 양분별 목표 당량농도 비율이 상기 제2 양분 당량농도 비율보다 크거나 같을 경우, 상기 제3 양분 당량농도 비율이 상기 제2 양분 당량농도 비율보다 크거나 같을 것을 제2 제약조건으로 적용하고, 상기 각 양분별 목표 당량농도 비율이 상기 제2 양분 당량농도 비율보다 더 작을 경우, 상기 제3 양분 당량농도 비율이 상기 제2 양분 당량농도 비율보다 작을 것을 제3 제약조건으로 적용할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기한 목적은 본 발명의 또 다른 양태에 따른 각 단계가 순환식 수경재배용 급액 관리 장치에 의하여 수행되는 순환식 수경재배용 급액 관리 방법에 있어서, (a) 사용자가 보유하고 있는 보유 비료염 종류, 및 배액 또는 배지 내 각 양분별 농도에 관한 데이터를 획득하는 단계; (b) 상기 배액 또는 배지 내 각 양분별 농도를 기초로 배액 또는 배지 내 각 양분별 당량농도 비율인 제1 양분 당량농도 비율을 산출하는 단계; (c) 미리 결정된 각 양분별 기준 당량농도 비율, 상기 제1 양분 당량농도 비율, 및 현재 사용 중인 양액 내 각 양분별 당량농도 비율인 제2 양분 당량농도 비율을 기초로 각 양분별 목표 당량농도 비율을 산출하는 단계; 및 (d) 상기 각 양분별 목표 당량농도 비율을 기초로 상기 보유 비료염의 조합을 통한 양액 조제시 필요한 각 보유 비료염별 농도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 관리 방법에 의해서도 달성될 수 있다.
여기에, 상기 각 양분별 기준 당량농도 비율과 상기 제1 양분 당량농도 비율을 비교하여 상기 (c) 단계와 상기 (d) 단계의 수행 여부를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 제2 양분 당량농도 비율은 사용자 입력부를 통하여 입력받은 데이터를 기초로 산출되거나, 또는, 과거에 산출된 상기 각 보유 비료염별 농도에 관한 데이터를 기초로 산출할 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 양액의 전체 양분에서 특정성분이 과잉 또는 결핍되지 않도록 각 개별 양분 간 비율 균형을 관리함으로써 식물 생육에 최적화된 양액 공급이 이루어지도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 순환식 수경재배용 급액 관리 장치의 구성을 나타낸 블록도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 순환식 수경재배용 급액 관리 방법의 과정을 나타낸 흐름도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 설명하기로 한다. 다만 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
본 발명에 따른 순환식 수경재배용 급액 관리 장치는 복수 종류의 이온화합물 비료염을 조합하여 양액을 조성할 때, 비료염을 구성하는 각 이온 성분에 해당하는 양분 간의 비율 균형을 고려하여 양액 조제 레시피를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 순환식 수경재배용 급액 관리 장치(이하, '급액 관리 장치')의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 급액 관리 장치(100)는 사용자 입력부(10), 디스플레이부(20), 메모리부(30), 및 제어부(40)를 포함한다.
사용자 입력부(10)는 양액 조제 레시피를 산출하는 과정에서 사용자로부터 각종 데이터를 입력받기 위한 장치로 키보드, 마우스, 버튼 등의 다양한 입력장치로 구현될 수 있다. 예컨대, 사용자 입력부(10)는 배액이나 식물 재배 배지 내의 양액에 포함된 각 양분의 농도 데이터와 사용자가 보유하고 있는 비료염의 종류 등을 입력받을 수 있다. 여기서, 입력받는 각 양분의 농도 데이터는 배액이나 식물 재배 배지 내 양액 샘플의 성분을 분석하여 획득될 수 있다.
디스플레이부(20)는 영상, 그래픽, 텍스트 등을 포함한 각종 정보를 화면에 표시하기 위한 것으로, 액정 디스플레이(LCD) 패널, 발광 다이오드(LED) 패널, 유기 발광 다이오드(OLED) 패널 등으로 구현될 수 있다. 또한, 터치 스크린 등과 같이 사용자 입력부(10)와 디스플레이부(20)가 통합되어 하나의 디바이스로 구현될 수도 있다. 디스플레이부(20)는 양액 조제 레시피를 산출하는 과정에서 사용자로부터 각 단계에 필요한 데이터를 입력받기 위한 메뉴, 산출된 결과 등을 표시한다.
메모리부(30)는 RAM, ROM, EEPROM, 플래시 메모리 등의 메모리 소자로 구현되어, 급액 관리 장치(100)의 다양한 운영체제(OS), 미들웨어, 플랫폼, 및 각종 어플리케이션을 저장할 수 있으며, 프로그램 코드 및 신호처리된 영상신호, 음성신호, 및 각종 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 메모리부(30)는 양액 조제 레시피의 산출 과정에서 판단에 필요한 각종 기준 정보, 제어 목표 값, 급액 관리 장치(100)를 통하여 산출된 결과 히스토리 정보 등을 저장할 수 있다.
예컨대, 메모리부(30)는 각 양분별 기준 당량농도 비율에 관한 데이터와 양액 내 전체 양분 목표 농도값을 저장할 수 있다. 여기서, 각 양분별 기준 당량농도 비율은 해당 식물의 생육에 적합한 당량농도 비율로서 각 양분별로 정의될 수 있으며, 양액 내 전체 양분 목표 농도값은 조제 목표가 되는 양액 전체 농도값이다. 여기서, 각 양분별 기준 당량농도 비율에 관한 데이터와 양액 내 전체 양분 목표 농도값은 통계적 또는 실험적으로 식물 생육에 적합한 것으로 증명된 표준 값을 이용할 수 있으며, 식물의 종류나 생육 시기에 대응하여 필요한 양분 및 그 양이 변화됨을 고려하여 식물의 종류와 생육 시기별로 다른 값으로 저장될 수 있다.
제어부(40)는 사용자 입력부(10)를 통하여 입력된 사용자 입력 데이터 또는 내부 프로그램에 의하여 급액 관리 장치(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 제어부(40)는 신호 처리 및 제어를 위한 프로그램 코드 및 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하여 구현될 수 있다. 제어부(40)는 현재와 같은 양액 조제 레시피를 유지할지 또는 신규 조제 레시피를 산출하여 제공할지 여부를 판단하고, 위 판단 결과에 따라 각 양분 간의 비율을 고려한 신규 조제 레시피를 산출하여 제공한다.
도 2를 참조하면, 제어부(40)는 목표비율 산출부(41), 및 양액조성 산출부(43)를 포함한다.
목표비율 산출부(41)는 미리 결정된 각 양분별 기준 당량 농도비율, 배액 또는 재배 배지 내 각 양분별 당량농도 비율(이하, 제1 앙분 당량농도 비율), 및 현재 사용중인 양액 내 각 양분별 당량농도 비율(이하, 제2 양분 당량농도 비율)을 기초로 각 양분별 목표 당량농도 비율을 산출한다.
이처럼, 목표비율 산출부(41)를 통하여 산출되는 목표 당량농도 비율은 후술되는 바와 같이 양액조성 산출부(43)를 통하여 보유 비료염별 적정 농도를 산출할 때 그 기준이 되는 값으로서, 보유 비료염의 조합을 통한 양액 조제시 목표로 하는 각 양분의 당량농도 비율이다.
또한, 각 양분별 기준 당량 농도비율은 전술된 바와 같이 메모리부(30)에 저장된 값을 이용할 수 있고, 사용자 입력부(10)를 통하여 사용자가 해당 식물의 생육에 적합한 각 개별 양분의 재배 표준 농도를 입력하면 이를 기초로 연산하여 각 양분별 기준 당량 농도비율을 산출할 수 있다. 위 산출과정을 간단히 설명하면, 예컨대, 사용자가 몰(mol) 단위로 각 개별 양분의 재배 표준 농도를 입력하면 목표비율 산출부(41)는 입력된 농도를 eq/L 단위의 당량 농도로 변환한다. 이어서, 이와 같이 변환된 개별 양분의 당량 농도를 모두 합하여 총 당량 농도를 산출하고, 각 양분의 당량 농도를 총 당량 농도로 나누어 각 양분의 목표 당량농도 비율을 산출할 수 있다.
제1 양분 당량농도 비율도 이와 유사하게 사용자가 배액 또는 재배 배지 내 양액 샘플의 성분 분석을 통하여 획득된 개별 양분의 농도를 mol 단위로 입력하면, 이를 eq/L 단위의 당량 농도로 변환하고, 각 양분의 당량 농도를 총 당량 농도로 나누어 개별 양분별로 제1 양분 당량농도 비율을 산출할 수 있다.
한편, 전술된 각 양분별 기준 당량농도 비율과 제1 양분 당량농도 비율은 이온의 종류와 무관하게 모든 양분에 대하여 정의될 수도 있으나, 이온의 종류별로 정의될 수도 있다. 예컨대, 양이온과 음이온에 대하여 각각 정의될 수 있다. 예를 들어 사용자가 보유하고 있는 보유 비료염을 구성하는 양분의 종류가 K, Ca, Mg, NH4, NO3, SO4, H2PO4라고 가정할 때, 이온 X의 당량농도 비율인 PX는 Cx/(CK+ CMg+ CCa + CNO3+ CSO4+ CH2SO4)로서 모든 양분의 당량 농도의 총합을 기준으로 정의될 수 있으나, 이 중 양이온인 K, Ca, Mg과 음이온인 NO3, SO4, H2PO4에 대해서 당량 농도 비율을 각각 정의할 수 있다. 이를 수식으로 표현하면, 양이온 Xc의 당량농도 비율 PXc는 CXc/(CK+ CMg+ CCa)으로 정의될 수 있다. 참고로, CX는 양분 X의 당량 농도를 의미한다. 또한, 이와 유사하게 음이온 Xa의 당량농도 비율 PXa는 CXa/(CNO3+ CSO4+ CH2SO4)으로 정의될 수 있다. 또한, 암모늄태 질소(NH4)에 대해서는 질산태 질소(NO3)의 당량 농도를 기준으로 별도로 정의할 수 있다. 이에 의하면, NH4의 당량농도 비율 PNH4는 CNH4/CNO3로 정의될 수 있다. 이처럼, 각 양분별 기준 당량 농도 비율과 제1 양분 당량농도 비율은 이온의 종류에 따라 서로 다른 기준으로 정의될 수 있다.
현재 사용중인 양액 내 각 양분별 당량농도 비율인 제2 양분 당량농도 비율은 급액 관리 장치(100)의 초기 작동시에는 사용자 입력부(10)를 통하여 사용자가 양액 조제시 조합한 비료염의 농도 데이터를 입력받아 산출하고, 그 이후부터는 급액 관리 장치(100)를 통하여 산출된 비료염 농도에 따라서 양액을 조성하였다고 가정하고 바로 이전에 산출된 각 비료염별 농도에 관한 데이터를 적용하여 산출할 수 있다. 다만, 사용자가 산출 결과에 따라 양액을 조성하지 않았을 수도 있으므로 사용자 선택에 따라 이전 산출 데이터를 적용하거나 사용자로부터 비료염의 농도 데이터를 직접 입력받을 수도 있다. 참고로, 사용자로부터 입력된 보유 비료염의 종류를 기초로 비료염의 화학식을 파악할 수 있으므로, 각 비료염의 농도를 알면 각 양분의 당량농도 비율을 산출할 수 있다. 이는 공지된 개념 및 수식에 의하므로 설명의 간략화를 위하여 상세한 설명은 생략하기로 한다.
목표비율 산출부(41)는 다음의 수식을 통하여 각 양분별 목표 당량농도 비율을 산출할 수 있다.
Figure 112020036736584-pat00002
여기서, PAtarget은 양분 A의 목표 당량농도 비율, PAref는 양분 A의 기준 당량농도 비율, PAmeasured는 배액 또는 배지 내 양분 A의 당량농도 비율(A의 제1 양분 당량농도 비율), PAcurrent는 사용중인 농축 양액 내 양분 A의 당량농도 비율(A의 제2 양분 당량농도 비율)을 의미한다. k는 0보다 큰 제어 계수로서 예컨대, 0.2가 적용될 수 있으나 이에 한정되지 않고 실험적으로 결정될 수 있으며, 식물의 종류나 생육 시기에 따라 다른 값이 적용될 수도 있다.
한편, 전술된 바와 같이, PAref와 PAmeasured는 모든 양분의 당량 농도의 합에 대하여 정의될 수도 있으나 음이온과 양이온에 대하여 각각 정의될 수 있다. PAcurrent는 모든 양분의 당량 농도의 합에 대하여 정의될 수 있다.
수학식 1에 의하여 산출되는 PAtarget은 모든 양분의 당량 농도의 합에 대하여 정의되는 비율이며, 모든 양분별로 각각의 목표 당량농도 비율이 산출된다. 이와 같이, 수학식 1을 통해서 개별 양분마다 목표 당량농도 비율이 각각 산출되기 때문에 각 목표 당량농도 비율을 모두 더한 값이 1을 만족하지 못할 가능성이 있다. 이에, 목표비율 산출부(41)는 개별 양분의 목표 당량농도 비율값을 개별 양분의 목표 당량농도 비율의 총합으로 각각 나누어 총합이 1을 만족하도록 수학식 1에 의하여 1차적으로 산출된 각 양분별 목표 당량농도 비율의 값을 조정한다.
이와 같이, 목표비율 산출부(41)을 통하여 산출된 각 양분별 목표 당량농도 비율 값은 양액조성 산출부(43)가 보유 비료염의 조합을 통한 양액 조제시 필요한 각 보유 비료염별 적정 농도를 산출하는데 활용된다. 이를 통하여, 개별 양분 간 비율 균형을 고려한 급액 제어가 가능해진다.
이에 관하여 좀 더 상세히 설명하면, 양액을 조제할 때 모든 양분이 목표비율 산출부(41)를 통하여 산출된 해당 양분의 목표 당량농도 비율 값을 만족하도록 조성하는 것이 이상적이지만, 양액은 복수 종류의 이온화합물 비료염을 적정하게 조합하여 조제되므로 실제로는 모든 양분에 대해서 산출된 목표 당량농도 비율을 정확하게 만족시키기 어렵다. 비료염은 양이온과 음이온의 쌍(pair)으로 이루어져 있고, 동일한 이온이 다른 비료염에도 포함되어 있을 수 있기 때문이다. 예컨대, 사용자가 보유하고 있는 비료염이 Ca(NO3), K2SO4, KH2PO4, NH4NO3, MgSO4, KNO3이라고 가정할 때, K 이온은 K2SO4, KH2PO4, KNO3에 공통적으로 포함되어 있어 K에 대한 목표 당량농도 비율을 맞추기 위해서는 위 3개의 비료염을 구성하는 음이온의 비율도 동시에 고려해야 하므로 사실상 모든 개별 양분에 대한 목표 당량농도 비율을 정확하게 만족시키는 어렵다.
이에, 양액조성 산출부(43)는 사용자의 보유 비료염을 기초로 최대한 각 양분의 목표 당량농도 비율에 가깝도록 양액 조제시 필요한 각 비료염별 농도에 관한 최적 솔루션을 산출한다. 이를 위하여, 양액조성 산출부(43)는 비선형계획법(non-linear programming)을 이용하여 결정변수에 해당하는 각 보유 비료염별 농도를 산출할 수 있다.
양액조성 산출부(43)는 복수의 보유 비료염을 조합하여 양액 조제시 획득되는 각 양분의 당량농도 비율(이하, 제3 양분 당량농도 비율)과 목표비율 산출부(41)를 통하여 산출된 각 양분별 목표 당량농도 비율의 차이의 제곱값을 모든 양분에 대하여 합한 값이 최소가 되는 함수를 목적함수로 적용하여 보유 비료염별 농도(mol 단위)를 산출할 수 있다. 이때, 다음과 같은 제약조건을 적용할 수 있다.
먼저, 산출된 보유 비료염별 농도에 따라 조제된 양액의 각 양분별 당량 농도의 합이 목표로 하는 농도값인 양액 내 전체 양분 목표 농도값과 동일할 것을 제1 제약조건으로 적용할 수 있다. 여기서 양액 내 전체 양분 목표 농도값은 메모리부(30)에 미리 저장된 값일 수 있으며, 또는 사용자 입력부(10)를 통하여 입력될 수도 있다.
또한, 목표비율 산출부(41)를 통하여 산출된 특정 양분의 목표 당량농도 비율이 현재 사용중인 양액 내 해당 양분의 당량농도 비율인 제2 양분 당량농도 비율보다 크거나 같을 경우, 복수의 보유 비료염을 조합하여 양액 조제시 획득되는 해당 양분의 당량농도 비율인 제3 양분 당량농도 비율도 해당 양분의 제2 양분 당량농도 비율보다 크거나 같을 것을 제2 제약조건으로 적용할 수 있다. 이와는 반대로, 목표비율 산출부(41)를 통하여 산출된 특정 양분의 목표 당량농도 비율이 해당 양분의 제2 양분 당량농도 비율보다 작을 경우, 해당 양분의 제3 양분 당량농도 비율도 해당 양분의 제2 양분 당량농도 비율보다 작을 것을 제3 제약조건으로 적용할 수 있다.
전술된 제2 제약조건과 제3 제약조건은 제어 목표인 양분별 목표 당량농도 비율의 방향성을 따르도록 하기 위함이다. 예컨대, 양분별 목표 당량농도 비율에 의할 때 해당 양분별 당량농도 비율이 현재 상태보다 증가해야 하는 경우, 양액조성 산출부(43)를 통하여 산출된 솔루션에 따른 양분 당량농도 비율도 증가하도록 하고, 이와는 반대로 해당 양분별 당량농도 비율이 현재 상태보다 감소해야 하는 경우 솔루션에 따른 해당 양분 당량농도 비율도 감소하도록 함으로써 제어 목표의 방향성을 만족하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 순환식 수경재배용 급액 관리 방법의 과정을 나타낸 흐름도이다. 이하, 도 2를 참조하여 전술된 급액 관리 장치(100) 구성의 유기적인 동작을 살펴보기로 한다. 앞서 설명된 실시예와 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 사용자 입력부(10)를 통하여 사용자가 보유하고 있는 보유 비료염 종류와 성분 분석 결과로서 배액이나 재배 배지 내 양액의 각 양분별 농도 데이터를 획득한다(S10). 여기서, 보유 비료염 종류는 사용자가 초기에 한번 입력하면 이를 메모리부(30)에 저장함으로써 종류에 변경이 없는 한 저장된 데이터를 계속적으로 활용할 수 있다.
이어서, 목표비율 산출부(41)는 입력받은 농도 데이터를 기초로 배액 또는 배지 내 양액의 양분별 당량농도 비율인 제1 양분 당량농도 비율을 산출한다(S20).
목표비율 산출부(41)는 산출된 제1 양분 당량농도 비율과 메모리부(30)에 저장되었거나 사용자로부터 입력된 각 양분별 기준 당량농도 비율을 서로 비교한다(S30). 비교 결과, 제1 양분 당량농도 비율과 기준 당량농도 비율의 차이가 미리 결정된 기준 범위 내에 포함되는 경우 현재 상태의 양액 조제 레시피를 유지하도록 하고, 만약 그 차이가 커서 양액 조제 레시피의 변경 내지 조정이 필요한 경우 신규 조제 레시피를 산출하기 위한 후속 프로세싱을 진행한다(S40). 이때, 미리 결정된 기준 범위는 양분의 종류에 따라 각각 정의될 수 있으며 식물의 종류나 생육 시기에 따라 달리 저장될 수 있다. 또한, 각 양분별로 식물 생육에 영향을 미치는 정도가 다름을 고려하여 양분별로 우선순위를 정할 수 있다. 예컨대, 우선순위가 높은 양분에 대하여 차이가 커서 기준 범위를 벗어나면 다른 양분이 기준 범위 내에 포함되더라도 후속 프로세싱이 진행되도록 할 수 있을 것이다.
이와 같이, 신규 조제 레시피 산출이 필요한 것으로 결정되면, 목표 비율 산출부(41)는 전술된 각 양분별 기준 당량농도 비율, 제1 양분 당량농도 비율, 및 현재 사용중인 양액 내 각 양분별 당량농도 비율인 제2 양분 당량농도 비율을 기초로 각 양분별 목표 당량농도 비율을 산출한다(S50). 이때, 제2 양분 당량농도 비율은 사용자 입력부(10)를 통하여 사용자로부터 직접 입력받거나, 바로 이전에 산출하여 제공한 양액 제조 레시피에 따른 각 보유 비료염별 농도에 관한 데이터를 기초로 산출될 수 있음은 전술된 바와 같다. 목표 비율 산출부(41)는 수학식 1을 적용하여 각 양분별 목표 당량농도 비율을 산출할 수 있다.
이어서, 양액조성 산출부(43)는 각 양분별 목표 당량농도 비율을 기초로 신규 양액 조제 레시피, 즉, 보유 비료염의 조합을 통한 양액 조제시 넣어야 하는 각 보유 비료염별 농도를 산출한다(S60). 이는, 전술된 바와 같이, 비선형계획법을 이용할 수 있으며, 복수의 보유 비료염을 조합하여 양액 조제시 획득되는 각 양분의 당량농도 비율인 제3 양분 당량농도 비율과 목표비율 산출부(41)를 통하여 산출된 각 양분별 목표 당량농도 비율의 차이의 제곱값을 모든 양분에 대하여 합한 값이 최소가 되는 함수를 목적함수로 적용하여 보유 비료염별 농도(mol 단위)를 산출할 수 있다.
이와 같이 산출된 각 보유 비료염별 농도에 관한 산출 결과는 디스플레이부(20)를 통하여 사용자에게 제공된다.
한편, 이상에서 설명된 각 단계는 필요에 따라 적절히 수정되거나 추가되어 적용될 수 있다. 예컨대, S50단계를 통하여 1차적으로 산출된 각 양분별 목표 당량농도 비율의 총합이 1이 되도록 각 양분별 목표 당량농도 비율의 값을 조정하는 단계가 더 포함될 수 있다.
또한, 메모리부(30)는 지금까지 양액 조제 레시피로서 제공된 각 비료염별 농도에 대한 히스토리를 저장하고, 히스토리의 변화 패턴을 분석하여 적절한 배액 또는 배지 내 양액 분석 주기를 산출하여 사용자에게 제공하는 단계가 더 포함될 수도 있다. 예컨대, 산출 결과로서 제공된 각 비료염별 농도가 산출 시기마다 변화가 큰 경우에는 분석 주기를 상대적으로 짧게 산출할 수 있고, 반대로 제공된 결과 간 변화가 미비할 때에는 분석 주기를 길게 산출할 수 있을 것이다. 이를 통하여, 사용자가 양액 분석에 소모할 시간이나 비용을 효과적으로 절감하도록 할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 순환식 수경재배용 급액 관리 장치(100) 및 방법은 양액의 전체 양분에서 특정 성분이 과잉 또는 결핍되지 않도록 각 개별 양분 간 비율의 균형을 관리함으로써 식물 생육에 최적화된 양액 공급이 이루어지도록 할 수 있다.
전술된 순환식 수경재배용 급액 관리 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성되어 마그네틱 저장매체, 광학적 판독매체, 디지털 저장매체 등 다양한 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 사용자 입력부 20: 디스플레이부
30: 메모리부 40: 제어부
41: 목표비율 산출부 43: 양액조성 산출부

Claims (11)

  1. 사용자로부터 보유 비료염 종류, 및 배액 또는 배지 내 각 양분별 농도 데이터를 입력받는 사용자 입력부;
    미리 결정된 각 양분별 기준 당량농도 비율, 상기 배액 또는 배지 내 각 양분별 농도를 기초로 산출된 배액 또는 배지 내 각 양분별 당량농도 비율인 제1 양분 당량농도 비율, 및 현재 사용중인 양액 내 각 양분별 당량농도 비율인 제2 양분 당량농도 비율을 기초로 각 양분별 목표 당량농도 비율을 산출하는 목표비율 산출부; 및
    상기 각 양분별 목표 당량농도 비율을 기초로 상기 보유 비료염의 조합을 통한 양액 조제시 필요한 각 보유 비료염별 농도를 산출하는 양액조성 산출부를 포함하며,
    상기 목표비율 산출부는, 상기 양분별 기준 당량농도 비율, 상기 제1 양분 당량농도 비율, 및 상기 제2 양분 당량농도 비율을 기초로 각 양분별 목표 당량농도 비율을 1차적으로 산출하고, 상기 각 양분별 목표 당량농도 비율의 총합이 1이 되도록 상기 각 양분별 목표 당량농도 비율의 값을 조정하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 목표비율 산출부는,
    다음의 수식을 통하여 상기 각 양분별 목표 당량농도 비율을 산출하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 관리 장치.
    Figure 112020036736584-pat00003

    (여기서, PAtarget은 양분 A의 목표 당량농도 비율, PAref는 양분 A의 기준 당량농도 비율, PAmeasured는 배액 또는 배지 내 양분 A의 당량농도 비율, k는 제어 계수 (k > 0), PAcurrent는 현재 사용중인 양액 내 양분 A의 당량농도 비율을 의미함)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 양분별 기준 당량농도 비율, 및 상기 제1 양분 당량농도 비율은 양이온과 음이온에 대하여 각각 정의되고, 암모늄태 질소의 당량농도 비율은 질산태 질소의 당량농도를 기준으로 정의되는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 관리 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양액조성 산출부는,
    비선형계획법을 이용하여 상기 보유 비료염별 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 관리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 양액조성 산출부는,
    상기 보유 비료염을 조합하여 양액 조제시 획득되는 각 양분의 당량농도 비율인 제3 양분 당량농도 비율과 상기 양분별 목표 당량농도 비율의 차이의 제곱값을 모든 양분에 대하여 합한 값이 최소가 되는 상기 보유 비료염별 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 관리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 양액조성 산출부는,
    산출된 상기 보유 비료염별 농도에 따라 조성된 양액의 각 양분별 당량 농도의 합이 미리 결정된 양액 내 전체 양분 목표 농도값과 동일할 것을 제1 제약조건으로 적용하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 관리 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 양액조성 산출부는,
    상기 각 양분별 목표 당량농도 비율이 상기 제2 양분 당량농도 비율보다 크거나 같을 경우, 상기 제3 양분 당량농도 비율이 상기 제2 양분 당량농도 비율보다 크거나 같을 것을 제2 제약조건으로 적용하고,
    상기 각 양분별 목표 당량농도 비율이 상기 제2 양분 당량농도 비율보다 더 작을 경우, 상기 제3 양분 당량농도 비율이 상기 제2 양분 당량농도 비율보다 작을 것을 제3 제약조건으로 적용하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 관리 장치.
  9. 각 단계가 순환식 수경재배용 급액 관리 장치에 의하여 수행되는 순환식 수경재배용 급액 관리 방법에 있어서,
    (a) 사용자가 보유하고 있는 보유 비료염 종류, 및 배액 또는 배지 내 각 양분별 농도에 관한 데이터를 획득하는 단계;
    (b) 상기 배액 또는 배지 내 각 양분별 농도를 기초로 배액 또는 배지 내 각 양분별 당량농도 비율인 제1 양분 당량농도 비율을 산출하는 단계;
    (c) 미리 결정된 각 양분별 기준 당량농도 비율, 상기 제1 양분 당량농도 비율, 및 현재 사용 중인 양액 내 각 양분별 당량농도 비율인 제2 양분 당량농도 비율을 기초로 각 양분별 목표 당량농도 비율을 산출하는 단계; 및
    (d) 상기 각 양분별 목표 당량농도 비율을 기초로 상기 보유 비료염의 조합을 통한 양액 조제시 필요한 각 보유 비료염별 농도를 산출하는 단계를 포함하며,
    상기 (c) 단계는, 상기 양분별 기준 당량농도 비율, 상기 제1 양분 당량농도 비율, 및 상기 제2 양분 당량농도 비율을 기초로 각 양분별 목표 당량농도 비율을 1차적으로 산출하고, 상기 각 양분별 목표 당량농도 비율의 총합이 1이 되도록 상기 각 양분별 목표 당량농도 비율의 값을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 관리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 각 양분별 기준 당량농도 비율과 상기 제1 양분 당량농도 비율을 비교하여 상기 (c) 단계와 상기 (d) 단계의 수행 여부를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 관리 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 양분 당량농도 비율은 사용자 입력부를 통하여 입력받은 데이터를 기초로 산출되거나, 또는, 과거에 산출된 상기 각 보유 비료염별 농도에 관한 데이터를 기초로 산출되는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 관리 방법.
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