KR102481577B1 - Control method and system for efficient energy consumption and fish growth - Google Patents

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Abstract

본 발명은 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 수족관의 환경 제어 시스템을 이용한 수족관의 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 방법은, 수족관에 설치된 센서로부터 내부 환경 매개 변수를 수집하고, 외부 장치로부터 외부 환경 매개 변수를 수집하는 데이터 수집 단계; 상기 데이터를 전처리 및 분할하여, 상기 수족관 내의 환경을 예측한 예측 환경 매개 변수를 계산하는 데이터 예측 단계: 상기 예측 환경 매개 변수를 이용해 상기 수족관내의 환경을 최적화하는 최적 생육 환경 매개 변수를 계산하는 데이터 최적화 단계; 및 상기 예측 환경 매개 변수와 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 이용해 상기 수족관에 설치된 액추에이터(actuator)를 동작시켜 상기 수족관 내의 환경을 제어하는 환경 제어 단계를 포함한다.The present invention relates to a control method and system for optimizing fish growth and energy efficiency. a data collection step of collecting internal environment parameters from sensors and external environment parameters from external devices; Data prediction step of pre-processing and dividing the data to calculate predicted environment parameters predicting the environment in the aquarium: Data optimization to calculate optimal growth environment parameters for optimizing the environment in the aquarium using the predicted environment parameters step; and an environment control step of controlling the environment in the aquarium by operating an actuator installed in the aquarium using the predicted environment parameter and the optimal growth environment parameter.

Description

물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 방법 및 시스템{CONTROL METHOD AND SYSTEM FOR EFFICIENT ENERGY CONSUMPTION AND FISH GROWTH}Control method and system for optimizing fish growth and energy efficiency {CONTROL METHOD AND SYSTEM FOR EFFICIENT ENERGY CONSUMPTION AND FISH GROWTH}

본 발명은 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물고기의 생육 환경을 적절하게 유지하면서 수족관의 자원과 에너지의 효과적인 관리를 제공할 수 있는 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a control method and system for optimizing fish growth and energy efficiency, and more particularly, fish growth and energy efficiency that can provide effective management of resources and energy in an aquarium while appropriately maintaining a fish growth environment. It relates to a control method and system for optimization.

인류는 기후 변화, 자연 재해, 자연 자원에 대한 환경 파괴의 영향으로 인해 2050년까지 90 억 명이 넘는 인구에게 식량과 생계를 제공해야 한다는 엄청난 도전을 극복해야 한다.Humanity must overcome the formidable challenge of providing food and livelihoods to over 9 billion people by 2050 due to the impacts of climate change, natural disasters and environmental degradation on natural resources.

SOFIA(State of World Fisheries and Aquaculture)는 2016년도의 어류 생산량이 역대 가장 높은 1 억 7,600 만 톤에 도달했으며, 이와 같은 어류 생산의 88 %가 소비되었다고 발표했다.The State of World Fisheries and Aquaculture (SOFIA) announced that fish production in 2016 reached an all-time high of 176 million tonnes, with 88% of this fish production consumed.

이와 같이 오늘날 어류 및 어류 제품은 세계에서 가장 많이 거래되는 식품 중 하나이다. 2016년 통계에 따르면, 전 세계 어류 생산의 거의 35 %가 직접적인 인간 소비 또는 비 식용 목적으로 국제 무역이 이루어지고 있다.As such, today fish and fish products are among the most traded foods in the world. According to 2016 statistics, nearly 35% of global fish production is in international trade for direct human consumption or non-food purposes.

그러나, 어류가 더 빠른 속도로 더 많은 양이 잡히게 되면 어류의 번식이 어려워지므로 어류 개체수는 쉽게 감소할 수 있다. 지난 40 년 동안 어류의 양은 1970 년에 비해 절반으로 줄었다. 이와 같이 바다에 점점 더 많은 압력이 가해지면 바다의 생태 균형이 파괴될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 국제기구, 사회, 기관, 연구원 및 개인이 실용적이고 효율적인 해결책을 찾기 위해 노력해야 한다.However, fish populations can easily decline if fish are caught in larger quantities at a faster rate, making it difficult for fish to reproduce. Over the past 40 years, fish stocks have halved compared to 1970. This increasing pressure on the ocean can upset the ecological balance of the ocean. In order to solve these problems, international organizations, societies, institutions, researchers and individuals must strive to find practical and efficient solutions.

이와 같은 해결책 중의 하나는 양식 산업으로, 지난 몇 년간 전 세계적으로 크게 성장한 가장 생산적이고 풍부한 개념이다.One such solution is the aquaculture industry, which is one of the most productive and prolific concepts that has grown significantly worldwide over the past few years.

양식업은 기수, 담수 또는 해수를 이용해 어류, 조개류 또는 수생 식물을 양식(양식, 수확 및 번식)하는 것으로서, 현재 202 개의 국가 중 194 개 국가에서 활발히 양식 산업이 이루어지고 있다. 어업 양식이 전 세계 어업 양식 및 양식업 생산에 대한 기여 꾸준히 증가하여 2016 년에 46.8 %에 이르렀으며 2000 년에 비해 20 % 이상 성장하였다.Aquaculture is the farming (farming, harvesting and propagation) of fish, shellfish or aquatic plants using brackish, fresh or seawater. Currently, 194 out of 202 countries have an active aquaculture industry. The contribution of aquaculture to global aquaculture and aquaculture production has steadily increased, reaching 46.8% in 2016, an increase of more than 20% compared to 2000.

일반적으로 수족관은 효율적인 어류 생산이 가능하고, 새로운 형태의 직업을 창출할 수 있으며, 경제적이면서도 어느 곳에서 설치할 수 있는 장점이 있다.In general, aquariums can produce fish efficiently, create new types of jobs, and have the advantage of being economical and can be installed anywhere.

그러나, 수족관에서는 폐기물의 감소, 재사용 및 재활용이 가능하나, 수원 부족, 질병의 발생, 관리의 어려움, 풍수해 등의 문제가 발생할 수 있다.However, in aquariums, waste reduction, reuse and recycling are possible, but problems such as lack of water sources, occurrence of diseases, difficulty in management, and flood damage may occur.

SFP(Sustainable Fisheries Partnership Foundation) 보고서에 따르면 양식장의 약 40 %가 제대로 관리되지 않으며, 바이러스에 감염된 어류 제품을 생산하고 있는 것으로 알려져 있다.According to a report by the Sustainable Fisheries Partnership Foundation (SFP), about 40% of farms are poorly managed and are known to produce fish products infected with the virus.

따라서, 체계적이고 효율적으로 수족관을 관리할 수 있는 스마트 수족관 시스템에 대한 요구가 높아지고 있다.Therefore, there is an increasing demand for a smart aquarium system capable of systematically and efficiently managing the aquarium.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 수족관에 최적의 환경 매개 변수를 제공함으로써 액추에이터(actuator)에서 최소 에너지 소비와 최대의 물고기 생육 및 건강한 어류 생산성을 달성하고자 한다.The present invention was made to solve the above problems, and the present invention aims to achieve minimum energy consumption and maximum fish growth and healthy fish productivity in an actuator by providing optimal environmental parameters in an aquarium.

또한, 본 발명은 수족관의 효율적인 에너지 소비 및 물고기 성장을 위한 최적의 임베디드 제어 플랫폼 기반의 임베디드 머신 러닝 기술을 통해 최소한의 에너지 소비로 최적의 물고기 성장 환경을 제공하고자 한다.In addition, the present invention aims to provide an optimal fish growth environment with minimum energy consumption through an embedded machine learning technology based on an optimal embedded control platform for efficient energy consumption and fish growth in an aquarium.

전술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 수족관의 환경 제어 시스템을 이용한 수족관의 환경 제어 방법은 수족관에 설치된 센서로부터 내부 환경 매개 변수를 수집하고, 외부 장치로부터 외부 환경 매개 변수를 수집하는 데이터 수집 단계; 상기 데이터를 전처리 및 분할하여, 상기 수족관 내의 환경을 예측한 예측 환경 매개 변수를 계산하는 데이터 예측 단계: 상기 예측 환경 매개 변수를 이용해 상기 수족관내의 환경을 최적화하는 최적 생육 환경 매개 변수를 계산하는 데이터 최적화 단계; 및 상기 예측 환경 매개 변수와 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 이용해 상기 수족관에 설치된 액추에이터(actuator)를 동작시켜 상기 수족관 내의 환경을 제어하는 환경 제어 단계;를 포함한다.An aquarium environment control method using an aquarium environment control system according to an embodiment of the present invention for solving the above problems is to collect internal environment parameters from sensors installed in the aquarium and external environment parameters from external devices. data collection step; Data prediction step of pre-processing and dividing the data to calculate predicted environment parameters predicting the environment in the aquarium: Data optimization to calculate optimal growth environment parameters for optimizing the environment in the aquarium using the predicted environment parameters step; and an environment control step of controlling the environment in the aquarium by operating an actuator installed in the aquarium using the predicted environment parameter and the optimal growth environment parameter.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 데이터 예측 단계는 인공 신경망(ANN: Artificial Neural Network)이나 수학적 칼만필터(Kalman Filter) 기반 예측 모듈을 사용하여, 상기 수족관 내의 온도, PH, 전도도 및 수위에 해당하는 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 계산할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the data prediction step uses an Artificial Neural Network (ANN) or a mathematical Kalman Filter-based prediction module to determine the temperature, PH, conductivity, and water level in the aquarium. The corresponding optimal growth environment parameters can be calculated.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 데이터 최적화 단계는 사용자의 설정값 및 시스템 제약 조건을 기반으로 상기 수족관내의 환경을 최적화하는 최적 생육 환경 매개 변수를 계산할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, in the data optimization step, optimal growth environment parameters for optimizing the environment in the aquarium may be calculated based on user set values and system constraints.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 데이터 최적화 단계는 하기의 수학식의 목적 함수를 이용해 상기 수족관내의 환경 최적화 지수를 계산할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, in the data optimization step, an environmental optimization index in the aquarium may be calculated using an objective function of the following equation.

[수학식][mathematical expression]

J = max(αEC(1-(EC*)2) + αOE(1-(OE*)2)J = max(α EC (1-(EC*) 2 ) + α OE (1-(OE*) 2 )

(이때, J는 수족관내의 환경 최적화 지수, αEC는 에너지 소비의 목표 가중치, αOE는 최적 생육 환경의 목표 가중치, EC* = (EC - ECmin)(ECmax-ECmin), OE* = (OE - OEmin)(OEmax-OEmin), EC는 액추에이터의 에너지 소비 수치, ECmin은 액추에이터의 에너지 소비의 최소치, ECmax는 액추에이터의 에너지 소비의 최대치, OE는 최적 생육 환경 수치, OEmin는 최적 생육 환경의 최소치, OEmax는 최적 생육 환경의 최대치임.)(At this time, J is the environmental optimization index in the aquarium, α EC is the target weight of energy consumption, α OE is the target weight of the optimal growth environment, EC * = (EC - EC min ) (EC max -EC min ), OE * = (OE - OE min )(OE max -OE min ), EC is the actuator's energy consumption value, EC min is the actuator's minimum energy consumption value, EC max is the actuator's maximum energy consumption value, OE is the optimal growth environment value, OE min is the minimum value of the optimal growth environment, and OE max is the maximum value of the optimal growth environment.)

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 환경 제어 단계는 퍼지 로직 제어(FLC: Fuzzy Logic Control) 모듈을 사용하여, 상기 예측 환경 매개 변수와 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 이용해 상기 액추에이터의 동작 수준과 시간을 제어하여 상기 수족관 내의 환경을 제어할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the environment control step uses a Fuzzy Logic Control (FLC) module to determine the operating level and the operating level of the actuator using the predicted environment parameter and the optimum growth environment parameter. The environment in the aquarium can be controlled by controlling the time.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 데이터 수집 단계는 사용자 설정 변수(User-desired parameter), 내부 환경 매개 변수(Indoor Environmental parameters), 외부 환경 매개 변수(Outdoor Environmental parameters), 에너지 구동 변수(Energy Control parameters) 및 전력 정책 변수(Power Policy)를 수집할 수 있다.본 발명의 일실시예에 따른 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 시스템은 수족관에 설치된 센서로부터 내부 환경 매개 변수를 수집하고, 외부 장치로부터 외부 환경 매개 변수를 수집하는 데이터 수집부; 상기 데이터 수집부에서 수집된 데이터를 전처리 및 분할하여, 상기 수족관 내의 환경을 예측한 예측 환경 매개 변수를 계산하는 데이터 예측부: 상기 예측 환경 매개 변수를 이용해 상기 수족관내의 환경을 최적화하는 최적 생육 환경 매개 변수를 계산하는 데이터 최적화부; 및 상기 예측 환경 매개 변수와 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 이용해 상기 수족관에 설치된 액추에이터(actuator)를 동작시켜 상기 수족관 내의 환경을 제어하는 환경 제어부;를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the data collection step includes user-desired parameters, indoor environmental parameters, outdoor environmental parameters, and energy driven parameters. Control parameters and power policy variables may be collected. A control system for optimizing fish growth and energy efficiency according to an embodiment of the present invention collects internal environmental parameters from sensors installed in an aquarium, and collects external parameters. a data collection unit that collects external environmental parameters from the device; A data prediction unit that preprocesses and divides the data collected by the data collection unit to calculate a predicted environmental parameter that predicts the environment in the aquarium: an optimal growth environment parameter that optimizes the environment in the aquarium using the predicted environment parameter a data optimization unit that calculates variables; and an environment control unit controlling the environment in the aquarium by operating an actuator installed in the aquarium using the predicted environment parameter and the optimal growth environment parameter.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 데이터 예측부는 인공 신경망(ANN: Artificial Neural Network) 또는 수학적 칼만필터(Kalman Filter) 기반 예측 모듈을 사용하여, 상기 수족관 내의 온도, PH, 전도도 및 수위에 해당하는 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 계산할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the data prediction unit corresponds to the temperature, PH, conductivity, and water level in the aquarium by using an artificial neural network (ANN) or a mathematical Kalman filter-based prediction module. The optimal growth environment parameters can be calculated.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 데이터 최적화부는 사용자의 설정값 및 시스템 제약 조건을 기반으로 상기 수족관내의 환경을 최적화하는 최적 생육 환경 매개 변수를 계산할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the data optimization unit may calculate an optimal growth environment parameter for optimizing the environment in the aquarium based on a user's set value and system constraints.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 데이터 최적화부는 하기의 수학식의 목적 함수를 이용해 상기 수족관내의 환경 최적화 지수를 계산할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the data optimization unit may calculate an environmental optimization index in the aquarium using an objective function of the following equation.

[수학식][mathematical expression]

J = max(αEC(1-(EC*)2) + αOE(1-(OE*)2)J = max(α EC (1-(EC*) 2 ) + α OE (1-(OE*) 2 )

(이때, J는 수족관내의 환경 최적화 지수, αEC는 에너지 소비의 목표 가중치, αOE는 최적 생육 환경의 목표 가중치, EC* = (EC - ECmin)(ECmax-ECmin), OE* = (OE - OEmin)(OEmax-OEmin), EC는 액추에이터의 에너지 소비 수치, ECmin은 액추에이터의 에너지 소비의 최소치, ECmax는 액추에이터의 에너지 소비의 최대치, OE는 최적 생육 환경 수치, OEmin 는 최적 생육 환경의 최소치, OEmax는 최적 생육 환경의 최대치임.)(At this time, J is the environmental optimization index in the aquarium, α EC is the target weight of energy consumption, α OE is the target weight of the optimal growth environment, EC * = (EC - EC min ) (EC max -EC min ), OE * = (OE - OE min )(OE max -OE min ), EC is the actuator's energy consumption value, EC min is the actuator's minimum energy consumption value, EC max is the actuator's maximum energy consumption value, OE is the optimal growth environment value, OE min is the minimum value of the optimal growth environment, and OE max is the maximum value of the optimal growth environment.)

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 환경 제어부는 퍼지 로직 제어(FLC: Fuzzy Logic Control) 모듈을 사용하여, 상기 예측 환경 매개 변수와 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 이용해 상기 액추에이터의 동작 수준과 시간을 제어하여 상기 수족관 내의 환경을 제어할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the environment control unit uses a fuzzy logic control (FLC) module to determine the operation level and time of the actuator using the predicted environment parameter and the optimal growth environment parameter. It is possible to control the environment in the aquarium by controlling.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 데이터 수집부는 사용자 설정 변수(User-desired parameter), 내부 환경 매개 변수(Indoor Environmental parameters), 외부 환경 매개 변수(Outdoor Environmental parameters), 에너지 구동 변수(Energy Control parameters) 및 전력 정책 변수(Power Policy)를 수집할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the data collection unit user-desired parameters, indoor environmental parameters, outdoor environmental parameters, energy control parameters parameters) and power policy variables (Power Policy) can be collected.

본 발명은 수족관에 최적의 환경 매개 변수를 제공함으로써 액추에이터에서 최소 에너지 소비와 최대의 물고기 생육 및 건강한 어류 생산성을 달성할 수 있다.The present invention can achieve minimum energy consumption and maximum fish growth and healthy fish productivity in the actuator by providing optimal environmental parameters for the aquarium.

또한, 본 발명은 수족관의 효율적인 에너지 소비 및 물고기 성장을 위한 최적의 임베디드 제어 플랫폼 기반의 임베디드 머신 러닝 기술을 통해 최소한의 에너지 소비로 최적의 물고기 성장 환경을 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide an optimal fish growth environment with minimal energy consumption through an embedded machine learning technology based on an optimal embedded control platform for efficient energy consumption and fish growth in an aquarium.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 방법을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 예측 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 퍼지 로직 제어(FLC)를 통한 수족관의 환경 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 동일한 정격 전력(와트)인 액추에이터의 작업 레벨을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 액추에이터 작동 시간에 따른 멤버쉽 기능 그래프이다.
1 is a diagram showing a control system for optimizing fish growth and energy efficiency according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram for explaining a control method for optimizing fish growth and energy efficiency according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram for explaining in detail a control method for optimizing fish growth and energy efficiency according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram for explaining a prediction method for optimizing fish growth and energy efficiency according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram for explaining a method for controlling the environment of an aquarium through fuzzy logic control (FLC) according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing the working level of actuators having the same rated power (watts) according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph of membership function according to actuator operation time according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail. However, in describing the embodiments, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. In addition, the size of each component in the drawings may be exaggerated for description, and does not mean a size that is actually applied.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 시스템을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram showing a control system for fish growth and energy efficiency optimization according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 describes a control method for fish growth and energy efficiency optimization according to an embodiment of the present invention. It is a drawing for

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 시스템은 스마트 수족관에 대한 환경 제어 시스템으로서, 기능이 다른 다양한 계층을 포함한다. 보다 구체적으로, 이러한 계층은 환경, IoT 장치, 게이트웨이, 네트워크, 응용 프로그램 및 서버 계층으로 구성될 수 있다.As shown in FIG. 1, the control system for optimizing fish growth and energy efficiency according to the present invention is an environmental control system for a smart aquarium and includes various layers with different functions. More specifically, these layers may consist of environment, IoT device, gateway, network, application and server layers.

환경 매개 변수는 센서(Sensor) 및 액추에이터(Actuator)를 통해 수집 및 제어된다.Environmental parameters are collected and controlled through sensors and actuators.

IoT 게이트웨이 계층은 임베디드 장치, 서버 및 응용 프로그램 간의 브리지 역할을 한다. 또한 IoT 게이트웨이 계층은 감지 데이터, 온도, pH, 물 및 전도도 수준 제어 프로세스와 같은 여러 프로세스를 제어한다.The IoT gateway layer acts as a bridge between embedded devices, servers and applications. The IoT gateway layer also controls several processes, such as sensing data, temperature, pH, water and conductivity level control processes.

사용자는 인터넷을 통해 사용자 친화적인 응용 프로그램을 사용하여 환경과 서버에 연결할 수 있으며, 수족관의 환경을 제어할 수 있는 시스템은 서버로 구성되어 데이터 수집, 데이터 전처리, 예측, 최적화 및 제어 모듈을 포함하도록 구성될 수 있다.Users can connect to the environment and servers using a user-friendly application via the Internet, and the system that can control the aquarium's environment is composed of servers to include data collection, data preprocessing, prediction, optimization and control modules. can be configured.

본 발명에 따르면 시스템의 내부 환경 매개 변수와 외부 환경 매개 변수가 있다. 내부 매개 변수는 수온, pH, 전도도 및 수위를 포함하고, 외부 환경 매개 변수는 태양 복사, 온도, 풍속 및 습도이다.According to the present invention, there are internal environment parameters and external environment parameters of the system. The internal parameters include water temperature, pH, conductivity and water level, and the external environmental parameters are solar radiation, temperature, wind speed and humidity.

이와 같은 변수들은 온도, pH, 전도도 및 수위 변수를 예측하기 위해 인공 신경망(ANN: Artificial Neural Network) 또는 수학적 칼만필터(Kalman Filter) 기반 예측 모듈에 대한 입력 데이터로 사용되어 수족관 내의 수질을 제어하는데 사용된다.These variables can be used as input data to prediction modules based on artificial neural networks (ANNs) or mathematical Kalman filters to predict temperature, pH, conductivity and water level variables to control water quality in aquariums. do.

예측 환경 매개 변수, 사용자가 원하는 설정 및 시스템 제약 조건에 따라 목적 함수 기반 최적화 모듈은 효율적인 에너지 소비로 가장 최적의 환경 매개 변수를 계산한다.According to the predicted environmental parameters, user-desired settings and system constraints, the objective function-based optimization module calculates the most optimal environmental parameters with efficient energy consumption.

또한, 퍼지 로직 제어 모듈은 최적의 환경 매개 변수 제어를 위해 액추에이터의 작동 수준 및 작동 기간을 계산한다.In addition, the fuzzy logic control module calculates the actuator's operating level and operating duration for optimum environmental parameter control.

퍼지 제어의 논리는 예측 온도가 최적 온도보다 낮은 경우 히터가 활성화되고 수온을 높이는 등 IF-THEN을 기반으로 한다. 예상 온도가 최적 온도보다 높으면 냉각기가 활성화되고 온도를 최적 지점으로 낮춘다. 예상 온도가 최적의 사용자가 원하는 범위 사이에 있으면 히터와 쿨러 액추에이터가 비활성화된다.The logic of fuzzy control is based on IF-THEN, such that if the predicted temperature is lower than the optimum temperature, the heater is activated and increases the water temperature. If the expected temperature is higher than the optimum temperature, the chiller is activated and reduces the temperature to the optimum point. The heater and cooler actuators are deactivated when the expected temperature is within the optimum user desired range.

이와 같은 제어 방식은 액추에이터를 통한 pH, 전도도 및 수위 매개 변수 제어에도 동일하게 적용된다.The same control method is applied to the control of pH, conductivity and water level parameters through actuators.

도 2를 참조하면, 데이터 수집 단계로서, 수족관에 설치된 센서로부터 내부 환경 매개 변수를 수집하고, 외부 장치로부터 외부 환경 매개 변수를 수집한다.Referring to FIG. 2 , as a data collection step, internal environmental parameters are collected from sensors installed in the aquarium, and external environmental parameters are collected from external devices.

이후, 데이터 예측 단계로서, 상기 수집된 데이터를 이용해 상기 수족관 내의 환경을 예측한 예측 환경 매개 변수를 계산하여 데이터를 예측할 수 있다.Thereafter, as a data prediction step, data may be predicted by calculating predicted environmental parameters that predict the environment in the aquarium using the collected data.

보다 구체적으로, 이 과정에서 상기 데이터를 전처리 및 분할하여, 상기 수족관 내의 환경을 예측한 예측 환경 매개 변수를 계산함으로써 데이터를 예측할 수 있다.More specifically, in this process, the data may be predicted by pre-processing and dividing the data to calculate predicted environmental parameters predicting the environment in the aquarium.

이때, 상기 데이터 예측 단계에서는 인공 신경망(ANN: Artificial Neural Network) 또는 수학적 칼만필터(Kalman Filter) 기반 예측 모듈을 사용하여, 상기 수족관 내의 온도, PH, 전도도 및 수위에 해당하는 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 계산할 수 있다.At this time, in the data prediction step, the optimal growth environment parameters corresponding to the temperature, PH, conductivity, and water level in the aquarium are obtained by using an artificial neural network (ANN) or a mathematical Kalman filter-based prediction module. can be calculated.

이후에는, 데이터 최적화 단계로서, 상기 예측 환경 매개 변수를 이용해 상기 수족관내의 환경을 최적화하는 최적 생육 환경 매개 변수를 계산한다.Then, as a data optimization step, optimal growth environment parameters for optimizing the environment in the aquarium are calculated using the predicted environment parameters.

보다 구체적으로, 상기 데이터 최적화 단계에서는 사용자의 설정값 및 시스템 제약 조건을 기반으로 상기 수족관내의 환경을 최적화하는 최적 생육 환경 매개 변수를 계산할 수 있다.More specifically, in the data optimization step, optimal growth environment parameters for optimizing the environment in the aquarium may be calculated based on user set values and system constraints.

이후, 환경 제어 단계로서, 상기 예측 환경 매개 변수와 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 이용해 상기 수족관에 설치된 액추에이터(actuator)를 동작시켜 상기 수족관 내의 환경을 적절하게 제어하며, 이때 상기 환경 제어 단계에서는 퍼지 로직 제어(FLC: Fuzzy Logic Control) 모듈을 사용하여, 상기 예측 환경 매개 변수와 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 이용해 상기 액추에이터의 동작 수준과 시간을 제어하여 상기 수족관 내의 환경을 물고기 생육에 맞추어 적절하게 제어할 수 있다.Thereafter, as an environment control step, an actuator installed in the aquarium is operated to appropriately control the environment in the aquarium using the predicted environment parameter and the optimal growth environment parameter. At this time, in the environment control step, fuzzy logic Using a control (FLC: Fuzzy Logic Control) module, the operation level and time of the actuator are controlled using the predicted environment parameters and the optimal growth environment parameters to appropriately control the environment in the aquarium according to the growth of fish. can

이와 같은 환경 제어를 위해서는 환경 제어 모듈로서 MySQL 데이터베이스를 사용하여 Apache HTTP Server를 구성하여 사용할 수 있다. Apache는 Apache Software Foundation에서 개발하고 유지 관리하는 오픈 소스 무료 웹 서버 소프트웨어로서, 사용자 요청에 따라 응답 파일 또는 텍스트를 전달하여 서버와 사용자를 연결할 수 있다.For such environment control, Apache HTTP Server can be configured and used by using MySQL database as an environment control module. Apache is an open-source, free web server software developed and maintained by the Apache Software Foundation. It can connect a server and a user by passing a response file or text according to the user's request.

Apache는 통신 및 정보 변경을 위해 HTTP를 사용하여 협업, 분산 및 하이퍼 미디어 정보 시스템을 위한 요청 / 응답 프로토콜로서, 클라이언트, IoT 장치 및 서버간에 안정적이고 효율적인 통신을 제공 할 수 있다.Apache is a request/response protocol for collaborative, distributed and hypermedia information systems using HTTP for communication and information change, which can provide reliable and efficient communication between clients, IoT devices and servers.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 방법을 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.3 is a diagram for explaining in detail a control method for optimizing fish growth and energy efficiency according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 데이터 수집 단계에서는 사용자 설정 변수(User-desired parameter), 내부 환경 매개 변수(Indoor Environmental parameters), 외부 환경 매개 변수(Outdoor Environmental parameters), 에너지 구동 변수(Energy Control parameters) 및 전력 정책 변수(Power Policy)를 수집할 수 있다.Referring to FIG. 3, in the data collection step, user-desired parameters, indoor environmental parameters, outdoor environmental parameters, energy control parameters, and power You can collect policy variables (Power Policy).

이때, 상기 사용자 설정 변수(User-desired parameter)는 사용자가 환경에 가장 적합하도록 설정한 값으로서, 사용자는 물고기 성장에 가장 적합한 최소 및 최대 온도, 수위, pH 수준 또는 전도도 수준을 설정할 수 있다.At this time, the user-desired parameter is a value set by the user to be most suitable for the environment, and the user can set the minimum and maximum temperature, water level, pH level, or conductivity level most suitable for fish growth.

상기 내부 환경 매개 변수(Indoor Environmental parameters)는 수족관에서 수집되는 온도, ph 레벨, 전도도 및 시계열 데이터(time-series data)가 있는 수위 센서에서 수집된 데이터이다.The Indoor Environmental parameters are data collected from water level sensors with temperature, ph level, conductivity and time-series data collected from the aquarium.

또한, 상기 외부 환경 매개 변수(Outdoor Environmental parameters)는 온도, 습도 및 태양 복사로서, 예측 모델의 성능을 향상시킬 수 있으며, 이는 외부의 온도가 낮은 경우 내부의 온도에도 영향을 끼칠 수 있기 때문이다.In addition, the outdoor environmental parameters are temperature, humidity, and solar radiation, and the performance of the prediction model can be improved, because when the outside temperature is low, the inside temperature can also be affected.

상기 에너지 구동 변수(Energy Control parameters)는 액추에이터의 제어값으로서 작동 레벨 및 활성화 시간(duration)을 나타내며, 작업 수준과 작동 시간을 제어하여 전력 소비를 제어할 수 있다.The energy control parameters represent an operation level and an activation duration as control values of the actuator, and power consumption can be controlled by controlling the operation level and operation time.

상기 전력 정책 변수(Power Policy)는 액추에이터의 소비 에너지 가격에 해당한다.The power policy variable corresponds to the energy consumption price of the actuator.

이후, 데이터 예측 단계에서는 상기 수집된 데이터를 이용해 상기 수족관 내의 환경을 예측한 예측 환경 매개 변수를 계산하여 데이터를 예측할 수 있다.Thereafter, in the data prediction step, data may be predicted by calculating predicted environmental parameters that predict the environment in the aquarium using the collected data.

이후에는, 데이터 최적화 단계에서는 상기 예측 환경 매개 변수를 이용해 상기 수족관내의 환경을 최적화하는 최적 생육 환경 매개 변수를 계산한다.Thereafter, in the data optimization step, optimal growth environment parameters for optimizing the environment in the aquarium are calculated using the predicted environment parameters.

이후, 환경 제어 단계에서는 상기 사용자 설정 변수(User-desired parameter), 상기 내부 환경 매개 변수(Indoor Environmental parameters), 상기 외부 환경 매개 변수(Outdoor Environmental parameters), 상기 에너지 구동 변수(Energy Control parameters) 및 상기 전력 정책 변수(Power Policy)를 이용해 상기 수족관에 설치된 액추에이터(actuator)를 동작시켜 상기 수족관 내의 환경을 제어할 수 있다.Thereafter, in the environmental control step, the user-desired parameter, the indoor environmental parameters, the outdoor environmental parameters, the energy control parameters, and the The environment in the aquarium may be controlled by operating an actuator installed in the aquarium using a power policy variable.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 예측 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 본 발명에 따른 ANN 기반 예측 모듈을 설명하고 있다.4 is a diagram for explaining a prediction method for optimizing fish growth and energy efficiency according to an embodiment of the present invention, and describes an ANN-based prediction module according to the present invention.

ANN 알고리즘은 범용 학습 알고리즘이며 분류, 패턴 인식, 회귀, 시계열 데이터 처리 및 예측과 같은 광범위한 문제를 해결하는 데 널리 사용된다.ANN algorithms are general purpose learning algorithms and are widely used to solve a wide range of problems such as classification, pattern recognition, regression, time series data processing, and forecasting.

본 발명에 따른 최적의 수족관 환경 제어 방법에서는 ANN 기반 예측 모듈을 사용하여 온도, pH, 전도도 및 수위를 예측한다.In the optimal aquarium environment control method according to the present invention, temperature, pH, conductivity, and water level are predicted using an ANN-based prediction module.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면 입력 레이어, 8 개의 히든 레이어 및 출력 레이어로 다양한 외부 환경 매개 변수(태양 복사, 외부 온도, 풍속, 습도) 및 양식장/수족관의 내부 환경 감지 매개 변수(수온, pH 레벨, 전도도 및 수위)가 사용될 수 있으며, ANN 알고리즘은 예측 온도, 예측 pH 수준, 예측 전도도 및 예측 수위를 제공할 수 있다.As shown in FIG. 4, according to the present invention, various external environmental parameters (solar radiation, external temperature, wind speed, humidity) and internal environmental sensing parameters of the fish farm/aquarium ( water temperature, pH level, conductivity, and water level) can be used, and the ANN algorithm can provide the predicted temperature, predicted pH level, predicted conductivity, and predicted water level.

본 발명에 따른 ANN 기반 예측 모듈은 데이터 수집 과정, 데이터 준비 과정, 데이터 분할 과정 및 예측 과정을 실행할 수 있다.The ANN-based prediction module according to the present invention may execute a data collection process, a data preparation process, a data segmentation process, and a prediction process.

데이터 수집 과정에서는 실제 수조에 설치된 온도, pH, 전도도 및 수위 센서를 사용하여 내부 환경 매개 변수를 수집할 수 있으며, 외부 환경 매개 변수는 별도의 날씨 서버로부터 제공받을 수 있다.In the data collection process, internal environmental parameters can be collected using temperature, pH, conductivity, and water level sensors installed in the actual water tank, and external environmental parameters can be provided from a separate weather server.

이와 같이 수집된 데이터에는 °C, 산 수준, μS / cm, %와 같은 측정값과 측정 단위가 포함되어 있다. 데이터 준비 과정에서는 이러한 측정 단위를 제거하고 한 단계 이전의 데이터를 이용하여 누락된 데이터를 채웠다. 일반적으로 현재 데이터와 한 단계 이전의 데이터간의 환경값에는 큰 차이가 없다.The data collected in this way includes measurements and units of measure such as °C, acid level, μS/cm, %. In the data preparation process, these measurement units were removed and missing data was filled in using data from one step earlier. In general, there is no significant difference in environmental values between the current data and the previous data.

또한, 데이터 분할 과정에서는 데이터의 70 %가 학습에 사용되고 나머지 30 %는 ANN 알고리즘 테스트에 사용되었다.Also, in the data segmentation process, 70% of the data was used for training and the remaining 30% was used for testing the ANN algorithm.

데이터 예측 과정에서는 내부 및 외부 환경 입력 매개 변수를 기반으로 어항의 온도, pH 수준, 전도도 및 수위를 예측한다.The data prediction process predicts the tank's temperature, pH level, conductivity and water level based on internal and external environmental input parameters.

ANN은 어류 환경 예측의 비선형 및 복잡한 프로세스를 정확하게 예측할 수 있는 강력한 모델링 기술이기 때문에 수족관의 매개 변수의 비선형 특성을 고려하여 ANN을 적용하였다.Since ANN is a powerful modeling technique that can accurately predict non-linear and complex processes of fish environment prediction, ANN was applied considering the non-linear characteristics of aquarium parameters.

이후부터는 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 최적화 방법으로서, 예측 환경 매개 변수를 이용해 상기 수족관내의 환경을 최적화하는 최적 생육 환경 매개 변수를 계산하는 방법을 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, as a data optimization method according to an embodiment of the present invention, a method of calculating optimal growth environment parameters for optimizing the environment in the aquarium using predicted environmental parameters will be described in more detail.

본 발명에 따르면 예측 치, 사용자가 원하는 설정 및 시스템 제약 조건을 기반으로 효율적인 에너지 소비를 하면서도 어류 환경 매개 변수를 최대화하기 위하여 목적 함수를 사용한다.According to the present invention, an objective function is used to maximize fish environmental parameters while efficiently consuming energy based on predicted values, user-desired settings, and system constraints.

본 발명에 따르면, T, pH, C 및 W는 각각 수온, pH 수준, 전도도 및 수위를 나타낸다. 또한, 수족관 환경 관리 시간은 하루로 가정하며, 하루는 T 타임 슬롯으로 나뉘고 각 슬롯 지속 시간은 15 분으로 간주되어 하루는 T = 96 슬롯으로 나뉜다.According to the present invention, T, pH, C and W represent water temperature, pH level, conductivity and water level, respectively. In addition, the aquarium environment management time is assumed to be one day, a day is divided into T time slots and each slot duration is considered to be 15 minutes, so a day is divided into T = 96 slots.

하기의 표 1은 본 발명의 수학식을 설명하기 위한 것이다.Table 1 below is for explaining the formula of the present invention.

NotationNotation DescriptionDescription TT 타임 슬롯 수number of time slots SDSD 슬롯 지속 시간(분)Slot Duration (minutes) EPEP 환경 매개 변수environment parameters Tp, pHp, Cp, Wp T p , pH p , C p , W p 예측된 환경 매개 변수Predicted environmental parameters Td, pHd, Cd, Wd T d , pH d , C d , W d 수족관의 바람직한 환경 매개 변수Desirable environmental parameters of the aquarium Tmin, pHmin, Cmin, Wmin T min , pH min , C min , W min 원하는 환경 매개 변수의 최소 범위Minimum range of desired environmental parameters Tmax, pHmax, Cmax, Wmax T max , pH max , C max , W max 원하는 환경 매개 변수의 최대 범위Maximum range of desired environmental parameters Topt, pHopt, Copt, Wopt T opt , pH opt , C opt , W opt 환경 매개 변수의 최적 수준Optimal level of environmental parameters ECEC 엑츄에이터용 에너지 소비량(히터, 쿨러, 워터 펌프, pH 및 전도도 컨트롤러)Energy consumption for actuators (heaters, coolers, water pumps, pH and conductivity controllers) OEOE 최적 생육 환경Optimal growth environment αEC, αOE α EC, α OE 에너지 소비와 최적 생육 환경의 목표 가중치Target Weight of Energy Consumption and Optimal Growth Environment ECmin EC min 원하는 최소 매개 변수 범위의 총 에너지 소비Total energy consumption in the desired minimum parameter range ECmax EC max 원하는 최대 파라미터 범위를 가진 총 에너지 소비Total energy consumption with the desired maximum parameter range ECopt EC opt 최적의 환경 매개 변수로 최적의 에너지 소비Optimal energy consumption with optimal environmental parameters gmax g max 예측된 환경 변수와 원하는 환경 변수 사이의 최대 범위Maximum range between predicted and desired environment variables grgr 시간 t에서 예측된 환경 변수와 원하는 환경 변수의 범위Range of predicted and desired environment variables at time t Amax A max 액추에이터의 최대 작업 수준 (더 적은 시간 슬롯과 더 높은 에너지 소비 필요)Actuator's maximum working level (requires fewer time slots and higher energy consumption) Amin A min 액추에이터의 최소 작동 수준 (더 많은 시간 슬롯과 적은 에너지 소비)Minimum operating level of the actuator (more time slots and less energy consumption)

수족관에 대한 예측된 환경 매개 변수는 다음의 수학식 1과 같다.The predicted environmental parameters for the aquarium are shown in Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

EPFp = [Tp, pHp, Cp, Wp]EPF p = [T p , pH p , C p , W p ]

여기서, Tp, pHp, Cp, Wp는 ANN 기반 예측 모델을 사용하여 예측된 온도, pH, 전도도, 수위이다.Here, Tp, pHp, Cp, and Wp are the predicted temperature, pH, conductivity, and water level using the ANN-based prediction model.

사용자는 각 값에 대해 수족관 환경 매개 변수에 대해 매우 바람직한 값의 범위를 하기의 수학식 2와 같이 설정할 수 있다.For each value, the user can set a very desirable range of values for the aquarium environment parameter as shown in Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

EPFd = [Td, pHd, Cd, Wd]EPF d = [T d , pH d , C d , W d ]

사용자가 원하는 설정값은 각 파라미터의 최소 및 최대 범위는 하기의 수학식 3에서 허용된다.The setting value desired by the user is allowed in Equation 3 below for the minimum and maximum ranges of each parameter.

[수학식 3][Equation 3]

Td = [Tmin, Tmax]T d = [T min , T max ]

pHd = [pHmin, pHmax ]pH d = [pH min , pH max ]

Cd = [Cmin, Cmax]C d = [C min , C max ]

Wd = [Wmin, Wmax]W d = [W min , W max ]

원하는 범위를 기준으로 최대값은 환경에 가장 적합한 설정을 가져오며 최소값은 환경 매개 변수에 가장 적합한 값이다.Based on your desired range, the maximum value will result in the best settings for your environment, and the minimum value will be the best value for your environment parameters.

원하는 환경 설정을 달성 할 수 있는 시간 t에서 최적의 환경 매개 변수를 하기의 수학식 4에서와 같이 가정해 본다.Assume optimal environmental parameters at time t at which the desired environmental setting can be achieved as shown in Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

EPFopt = [Topt, pHopt, Copt, Wopt]EPF opt = [T opt , pH opt , C opt , W opt ]

최적의 값은 하기의 수학식 5에서와 같이 사용자가 원하는 최소 범위와 최대 범위 사이이다.The optimal value is between the minimum range and the maximum range desired by the user as shown in Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

Topt

Figure 112020099008541-pat00001
[Tmin, Tmax]T opt
Figure 112020099008541-pat00001
[T min , T max ]

pHopt

Figure 112020099008541-pat00002
[pHmin, pHmax]pH opt
Figure 112020099008541-pat00002
[pH min , pH max ]

Copt

Figure 112020099008541-pat00003
[Cmin, Cmax]C opt
Figure 112020099008541-pat00003
[C min , C max ]

Wopt

Figure 112020099008541-pat00004
[Wmin, Wmax]W opt
Figure 112020099008541-pat00004
[W min , W max ]

하기의 수학식 6에서와 같이, 목적 함수(objective function)는 수족관에 도입된 전체 에너지 소비(EC)와 최적 생육 환경(CC)의 두 가지를 고려한다.As in Equation 6 below, the objective function considers two of the total energy consumption (EC) introduced into the aquarium and the optimum growth environment (CC).

전체 에너지 소비량은 액추에이터의 에너지 소비, 시간 및 작업 수준 및 작동 기간에 따라 계산할 수 있으며, 최소 작동 수준의 액추에이터를 사용하면 에너지를 적게 소비하지만 최적의 조건을 달성하기 위해 더 많은 작동 기간을 필요로 한다.The total energy consumption can be calculated according to the energy consumption of the actuator, the time and work level and the operating period. Using the minimum operating level of the actuator consumes less energy but requires more operating period to achieve the optimum condition. .

[수학식 6][Equation 6]

ECmin =

Figure 112020099008541-pat00005
heat min +
Figure 112020099008541-pat00006
cooler min+
Figure 112020099008541-pat00007
pump min
Figure 112020099008541-pat00008
pHCont. min+
Figure 112020099008541-pat00009
conductcontr. min EC min =
Figure 112020099008541-pat00005
heat min +
Figure 112020099008541-pat00006
cooler min +
Figure 112020099008541-pat00007
pump min
Figure 112020099008541-pat00008
pHCont. min +
Figure 112020099008541-pat00009
conduct control. min

최대 작업 수준의 액추에이터는 더 많은 에너지를 소비하지만 최적의 조건을 달성하기 위해 보다 적은 작동 기간을 필요로 한다.Actuators at their maximum working level consume more energy but require less operating duration to achieve optimal conditions.

[수학식 7][Equation 7]

ECmax =

Figure 112020099008541-pat00010
heat max +
Figure 112020099008541-pat00011
cooler max+
Figure 112020099008541-pat00012
pump max
Figure 112020099008541-pat00013
pHCont. max+
Figure 112020099008541-pat00014
conductcontr. max EC max =
Figure 112020099008541-pat00010
heat max +
Figure 112020099008541-pat00011
cooler max
Figure 112020099008541-pat00012
pump max
Figure 112020099008541-pat00013
pHCont. max +
Figure 112020099008541-pat00014
conduct control. max

수학식 8의 OE는 환경이 안정된 상태에서 수족관에 최적화된 환경을 의미한다.OE of Equation 8 means an environment optimized for an aquarium in a stable environment.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112020099008541-pat00015
*A
Figure 112020099008541-pat00015
*A

이때, gr은 시간 t에서 예측된 환경 파라미터 범위와 원하는 환경 파라미터 범위 사이의 범위를 기술한다.At this time, gr describes the range between the predicted environmental parameter range and the desired environmental parameter range at time t.

양식장 또는 수족관 내의 적합한 환경은 액추에이터의 작동 수준과 작동 기간에 따라 좌우된다.A suitable environment within a farm or aquarium depends on the operating level and duration of the actuator.

최소 작동 수준으로 히터 액추에이터를 실행하면 최적의 환경과 gmax(각 수족관 매개 변수의 실제 수준과 원하는 수준 사이의 최대 범위)를 달성하는 데에는 시간 상의 차이가 발생한다.Running the heater actuator at its minimum operating level introduces a time lag in achieving the optimal environment and gmax (the maximum range between actual and desired levels for each aquarium parameter).

상기 수학식 8은 액추에이터의 최소 및 최대 작동 수준에 따른 기후 적 적합함을 설명하고 있다.Equation 8 above explains the climatic suitability according to the minimum and maximum operating levels of the actuator.

실제 입력 매개 변수는 실제 입력 매개 변수의 레벨에 따라 세 가지 범주로서 '낮음, 보통 및 매우 높음'으로 분류되며, 최적의 환경을 달성하기 위해서는 각기 다른 시간과 작동 주기를 필요로 한다.Actual input parameters are classified into three categories 'low, medium and very high' according to the level of the actual input parameters, each requiring different times and operating cycles to achieve an optimal environment.

예를 들어, 실제 온도 수준이 낮으면 히터를 활성화해야 한다. 히터가 최대 작동 수준으로 활성화되면 최적의 환경을 달성하기 위해 3 시간 슬롯(3-time slots)을 필요로 한다.For example, if the actual temperature level is low, the heater should be activated. When the heater is activated to its maximum operating level, it takes 3-time slots to achieve an optimal environment.

히터가 최소 작동 수준으로 활성화되면 액추에이터는 하기의 수학식 9와 와 같이 최적의 환경 매개 변수를 달성하기 위해 4 시간 슬롯을 필요로 한다. 다른 액추에이터에도 동일하게 적용된다.When the heater is activated to a minimum operating level, the actuator takes 4 time slots to achieve optimal environmental parameters as shown in Equation 9 below. The same applies to other actuators.

[수학식 9][Equation 9]

OEmin =

Figure 112020099008541-pat00016
+
Figure 112020099008541-pat00017
*Aheat min OE min =
Figure 112020099008541-pat00016
+
Figure 112020099008541-pat00017
*A heat min

OEmax =

Figure 112020099008541-pat00018
+
Figure 112020099008541-pat00019
*Aheat max OE max =
Figure 112020099008541-pat00018
+
Figure 112020099008541-pat00019
*A heat max

이때, gr은 시간 t에서 예측된 환경 파라미터 범위와 원하는 환경 파라미터 범위 사이의 범위를 말한다.Here, gr denotes a range between the predicted environmental parameter range and the desired environmental parameter range at time t.

[수학식 10][Equation 10]

OEmin =

Figure 112020099008541-pat00020
heat min +
Figure 112020099008541-pat00021
cooler min+
Figure 112020099008541-pat00022
pump min
Figure 112020099008541-pat00023
over min OE min =
Figure 112020099008541-pat00020
heat min +
Figure 112020099008541-pat00021
cooler min +
Figure 112020099008541-pat00022
pump min
Figure 112020099008541-pat00023
over min

OEmax =

Figure 112020099008541-pat00024
heat max +
Figure 112020099008541-pat00025
cooler max+
Figure 112020099008541-pat00026
pump max
Figure 112020099008541-pat00027
over max OE max =
Figure 112020099008541-pat00024
heat max +
Figure 112020099008541-pat00025
cooler max
Figure 112020099008541-pat00026
pump max
Figure 112020099008541-pat00027
over max

목적 함수(objective function)는 상기 수학식 10의 두 가지 비용 지수의 볼록 조합(convex combination)을 한 것으로서, 하기의 수학식 11과 같이 표현된다.The objective function is a convex combination of the two cost indices of Equation 10, and is expressed as Equation 11 below.

[수학식 11][Equation 11]

EC* = (EC - ECmin)(ECmax-ECmin)EC* = (EC - EC min )(EC max -EC min )

OE* = (OE - OEmin)(OEmax-OEmin)OE* = (OE - OE min )(OE max -OE min )

여기서, ECmin, ECmax, OEmin, OEmax 는 에너지 소비(EC)와 최적의 환경(OE)에서 달성할 수 있는 최소값과 최대값을 나타낸다.Here, EC min , EC max , OE min , and OE max represent the minimum and maximum values achievable in energy consumption (EC) and optimal environment (OE).

최대화 할 최종 목적 함수는 다음의 수학식 12에서와 같이 표현된다.The final objective function to be maximized is expressed as in Equation 12 below.

[수학식 12][Equation 12]

J = max(αEC(1-(EC*)2) + αOE(1-(OE)2) J = max(α EC (1-(EC*) 2 ) + α OE (1-(OE) 2 )

이때, J는 수족관내의 환경 최적화 지수, Ta<Td min<Topt<Td max, Wa<Wd min<Wopt<Wd max, 0 <ECmin<ECopt<ECmax, 0 <CCmin<CCopt<CCmax이다.At this time, J is the environmental optimization index in the aquarium, T a <T d min <T opt <T d max , W a <W d min <W opt <W d max , 0 <EC min <EC opt <EC max , 0 <CC min <CC opt <CC max .

한편, 본 발명에 따른 수족관의 환경 제어 시에는 퍼지 로직 제어(FLC: Fuzzy Logic Control) 모듈을 사용하여, 예측 환경 매개 변수와 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 이용해 상기 액추에이터의 동작 수준과 시간을 제어하여 상기 수족관 내의 환경을 제어할 수 있다.On the other hand, when controlling the environment of the aquarium according to the present invention, a Fuzzy Logic Control (FLC) module is used to control the operation level and time of the actuator using the predicted environment parameters and the optimal growth environment parameters. The environment in the aquarium can be controlled.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 퍼지 로직 제어(FLC)를 통한 수족관의 환경 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.5 is a diagram for explaining a method for controlling the environment of an aquarium through fuzzy logic control (FLC) according to an embodiment of the present invention.

이후부터는 도 5를 참조하여, 퍼지 로직 제어(FLC: Fuzzy Logic Control) 모듈을 사용한 환경 제어 방법을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereafter, referring to FIG. 5 , an environment control method using a fuzzy logic control (FLC) module will be described in detail.

퍼지 제어의 기본은 퍼지 논리로서, 기존의 제어 방법보다 인간의 사고와 자연어에 더 가까우며, 본 발명에서는 퍼지 로직 제어를 사용하여 예측 및 최적화된 데이터를 기반으로 액추에이터의 작동 수준 및 작동 기간을 설정할 수 있다.The basis of fuzzy control is fuzzy logic, which is closer to human thinking and natural language than conventional control methods. there is.

예측되고 최적화된 환경 매개 변수는 퍼지 로직 제어(FLC) 모듈의 입력 변수이고, 이와 반대로 출력 변수는 작동기의 작동 수준 및 작동 시간이다.The predicted and optimized environmental parameters are the input variables of the fuzzy logic control (FLC) module, whereas the output variables are the operating level and operating time of the actuator.

퍼지 로직 제어(FLC) 모듈은 퍼지 화, 추론 메커니즘 및 비퍼지화 (defuzzification)의 세 가지 필수 구성 요소로 구성된다.The fuzzy logic control (FLC) module consists of three essential components: fuzzification, inference mechanism, and defuzzification.

첫째 구성 요소로서, 실제 입력 매개 변수는 언어 매개 변수로 변환되고, 둘째 구성 요소로서, 추론 엔진은 "IF-THEN"규칙을 사용하여 의사 결정 문제의 특정 조건에 대한 언어 출력을 찾으며, 셋째 구성 요소로서 비퍼지화에서 언어 변수는 숫자 매개 변수로 변환된다.As the first component, the actual input parameters are converted into language parameters; as the second component, the inference engine uses "IF-THEN" rules to find the verbal output for the specific conditions of the decision problem; and as the third component, As in defuzzification, linguistic variables are converted to numeric parameters.

각 언어 변수는 신뢰 변수와 연결되므로 각각 고유 한 신뢰값을 갖는다. 퍼지 시스템에 대한 입력 파라미터는 온도, pH, 전도도 및 수위 감지 데이터의 예측 및 최적화된 수준이며, 퍼지 로직 제어(FLC) 모듈은 예측되고 최적화된 감지값을 기반으로 액추에이터에 대한 가장 바람직한 작업 수준 및 작동 시간을 계산할 수 있다.Since each linguistic variable is linked to a confidence variable, each has its own confidence value. The input parameters to the fuzzy system are predicted and optimized levels of temperature, pH, conductivity and water level sensing data, and the fuzzy logic control (FLC) module determines the most desirable operating level and operation for the actuator based on the predicted and optimized sensing values. time can be calculated.

퍼지 과정에서는 시스템의 모든 입력 및 출력 매개 변수가 퍼지 언어 변수로 변환되며, 이때 입력 변수로는 1) 예상 온도, pH, 전도도 및 수위(매우 낮음, 보통, 높음, 매우 높음), 입력 변수로서 2) 최적화된 온도, pH, 전도도 및 수위(최적)가 있으며, 출력 변수로는 3) 액추에이터 작동 수준(최소, 중간 및 최대), 또한 출력 변수로서 4) 액추에이터 작동 지속 시간(꺼짐, 아주 적음, 보통, 많음, 매우 많음)이 있을 수 있다.In the purge process, all input and output parameters of the system are converted into fuzzy language variables, where 1) expected temperature, pH, conductivity and water level (very low, medium, high, very high) as input variables, 2 as input variables. ) with optimized temperature, pH, conductivity and water level (optimum), as output variables 3) actuator operating level (minimum, medium and maximum), also as output variable 4) actuator operating duration (off, very little, normal) , many, very many).

입력 매개 변수에서 볼 수 있듯이 예측된 환경 감지 데이터 값을 4 가지 범주로 나눌 수 있다. 다른 입력 매개 변수는 환경값으로 최적화했으며, 목적 함수는 단위당 각 매개 변수의 최적 레벨을 계산할 수 있다.As can be seen from the input parameters, the predicted environmental sensing data values can be divided into four categories. Other input parameters are optimized with environmental values, and the objective function can compute the optimal level for each parameter per unit.

퍼지 규칙에 따라 시스템은 가변 레벨 액추에이터에 대한 작업 레벨 및 작동 시간을 제공할 수 있다. 비교를 위해 액추에이터의 작동 수준은 최소, 중간 및 최대 수준의 세 가지 수준으로 선택될 수 있으며, 가변 작업 레벨 액추에이터가 다양한 작업 레벨로 작동 될 때, 현재 환경을 실제 환경으로 개선하기 위해 각기 다른 시간과 에너지가 소비된다.According to the fuzzy rule, the system can provide the working level and actuation time for the variable level actuator. For comparison, the operating level of the actuator can be selected from three levels: minimum, medium and maximum. Energy is consumed.

멤버쉽 함수의 그래프는 입력 및 출력 매개 변수를 기반으로 설명될 수 있다. 멤버쉽 함수는 퍼지 논리의 진실의 정도를 나타낸다. 입력 및 출력 변수의 범위값은 실험을 통해 얻을 수 있다.The graph of a membership function can be described based on input and output parameters. The membership function represents the degree of truth of the fuzzy logic. Range values of input and output variables can be obtained through experiments.

NoNo 입력값 input value 용어 설명Glossary of Terms 매우 낮음 (x1, x2)very low (x1, x2) 낮음 (x2, x3)Low (x2, x3) 보통 (x3, x4)Normal (x3, x4) 높음 (x4, x5)high (x4, x5) 매우 높음(x6, x7)Very high (x6, x7) 1One 예측 온도(°C)Prediction temperature (°C) -5-10-5-10 5-205-20 15-3015-30 20-3520-35 30-4030-40 22 예측 pHpredicted pH 0-40-4 3-73-7 6-106-10 9-139-13 12-1412-14 33 예측 전도도(μ)Predicted Conductivity (μ) 10-40010-400 350-750350-750 700-1100700-1100 1050-14501050-1450 1400-20001400-2000 44 예측 수위(mm)Prediction level (mm) 0-1000-100 75-17575-175 150-225150-225 200-300200-300 275-350275-350

NoNo 입력값input value 용어 설명Glossary of Terms 최적 (x1, x2)optimal (x1, x2) 1One 최적 온도(°C)Optimum temperature (°C) 20-2520-25 22 최적 pHOptimal pH 6.5-8.06.5-8.0 33 최적 전도도 (μ)Optimal conductivity (μ) 150-500150-500 44 최적 수위 (mm)Optimal water level (mm) 300-320300-320

표 2는 예측된 입력값의 용어를 설명하기 위한 것이고, 도 3은 최적화된 입력값에 대한 용어를 설명하기 위한 것이다.Table 2 is for explaining terms for predicted input values, and FIG. 3 is for explaining terms for optimized input values.

예측되고 최적화된 수준은 VL, L, N, H 및 VH로 표시되며 각각 매우 낮음, 낮음, 보통, 높음 및 매우 높음을 나타낸다. The predicted and optimized levels are denoted by VL, L, N, H and VH, representing very low, low, medium, high and very high, respectively.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 동일한 정격 전력(와트)인 액추에이터의 작업 레벨을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the working level of actuators having the same rated power (watts) according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 현재 수위 감지 데이터가 분당 200에서 350mm 사이임을 나타낸다. 그래프에서 현재 수위가 200 ~ 230mm 사이이면 퍼지 세트가 매우 낮게 표시된 것으로 가정 할 수 있으며, 수위가 305와 320mm 사이이면 퍼지가 높게 표시된 것이다. 마찬가지로 다른 레이블, 즉 낮음, 중간 및 높음에 적용 할 수 있으며, 최적화된 수위는 사용자가 원하는 최소 설정 점과 최대 설정 점 사이에서 계산된 것이다.Referring to FIG. 6 , it indicates that current water level detection data is between 200 and 350 mm per minute. In the graph, if the current water level is between 200 and 230 mm, it can be assumed that the purge set is marked very low, and if the water level is between 305 and 320 mm, the purge set is marked high. Similarly, it can be applied to the other labels, namely low, medium and high, and the optimized water level is calculated between the minimum and maximum set points desired by the user.

본 발명에 따르면, 사용자는 기본 애플리케이션 시뮬레이터를 통해 원하는 설정값을 시스템에 삽입 할 수 있으며, 다양한 조건에서 새로운 최적의 매개 변수를 계산할 수 있다.According to the present invention, the user can insert desired setting values into the system through the basic application simulator, and can calculate new optimal parameters under various conditions.

위에서 설명한 것처럼 출력 매개 변수는 각 액추에이터의 작동 레벨 및 작동 시간이다.As described above, the output parameters are the actuation level and actuation time of each actuator.

본 발명에 따르면, 히터, 쿨러, 워터 펌프, PH 컨트롤러, 전도도 컨트롤러 등 5 가지 유형의 액추에이터를 사용하는 실시예를 설명하였으나, 다양한 다른 종류의 액추에이터에도 적용 될 수 있다.According to the present invention, an embodiment using five types of actuators, such as a heater, a cooler, a water pump, a PH controller, and a conductivity controller, has been described, but it can also be applied to various other types of actuators.

이와 같은 액추에이터는 단위당 예측된 감지 데이터에 따라 자동으로 활성화된다.These actuators are automatically activated based on predicted sensing data per unit.

일반적으로 Tp <To이면 히터가 활성화되고 To <Tp이면 냉각기가 작동해야 한다. Wp <Wo 인 경우 수족관 시스템 수위의 경우 워터 펌프가 작동된다. Wo <Wp이면 제2 워터 펌프를 동작시켜 수위를 낮출 수 있다.In general, if Tp < To, the heater should be activated, and if To < Tp, the cooler should be activated. If Wp < Wo, the water pump is activated in the case of the aquarium system water level. If Wo<Wp, the water level may be lowered by operating the second water pump.

가변 속도 액추에이터의 작동 레벨을 최소 레벨, 중간 레벨 및 최대 레벨의 세 가지 범주로 나누어질 수 있으며, 이러한 작업 수준은 MinLev, MedLev 및 MaxLev로 표시될 수 있다. 액추에이터의 작업 수준과 속도에 따라 각각 상이하게 전력 소비가 이루어진다. 도 5는 이와 같은 3 가지 작업 레벨, 즉 최소, 중간 및 최대에 따른 액추에이터의 전력 등급 범위를 나타내고 있다.The operating level of the variable speed actuator can be divided into three categories: minimum level, medium level and maximum level, and these operation levels can be denoted as MinLev, MedLev and MaxLev. Power consumption is different depending on the work level and speed of the actuator. Figure 5 shows the range of actuator power ratings according to these three working levels: minimum, medium and maximum.

x1, x2, x3 및 x4는 출력 매개 변수에 대한 멤버쉽 함수 그래프의 범위의 지점을 나타내며, 각 액추에이터의 작동 과정에 따라 전력 소비가 다르다.x1, x2, x3 and x4 represent the range points of the membership function graph for the output parameters, and the power consumption is different according to the operation process of each actuator.

한편, 하기의 표 4는 3 개의 작업 수준에서 수족관 액추에이터의 일반적인 전력 등급을 1 분 단위로 나타내고 있다.On the other hand, Table 4 below shows typical power ratings of aquarium actuators in units of one minute at three operation levels.

워터 펌프 액추에이터가 최소 작동 수준으로 작동하면 분당 600 (x1) ~ 1000 (x2) 와트의 전력 범위를 소비한다. 워터 펌프가 중간 작동 수준으로 작동되면 1000 (xx2) ~ 1400 (x3) 와트가 필요하다. 최대 작동 수준의 경우 워터 펌프는 분당 1400 (x3) ~ 1800 (x4) 와트를 소비한다. 다른 모든 액추에이터 변수 및 전력 정격에도 동일하게 적용될 수 있다.When operating at minimum operating levels, the water pump actuator consumes a power range of 600 (x1) to 1000 (x2) watts per minute. When the water pump is running at medium operating level, it requires 1000 (xx2) to 1400 (x3) watts. At maximum operating levels, the water pump draws between 1400 (x3) and 1800 (x4) watts per minute. The same applies to all other actuator parameters and power ratings.

NoNo 액추에이터actuator 전력 등급 (Watts)Power Rating (Watts) 최소 (x1, x2)min(x1, x2) 중간 (x2, x3)Medium (x2, x3) 최대 (x3, x4)max (x3, x4) 1One 워터 펌프water pump 600-1000600-1000 1000-14001000-1400 1400-18001400-1800 22 오버플로 시스템overflow system 30-12030-120 120-210120-210 210-300210-300 33 제습기dehumidifier 700-800 700-800 800-900800-900 900-1000900-1000 44 가습기humidifier 400-500400-500 500-600500-600 600-700600-700

앞서 설명한 바와 같이, 액추에이터의 정확한 지속 시간 선택은 수족관의 자동화와 효율적인 에너지 관리 모두에서 중요한 역할을 한다. 예측된 감지 데이터가 매우 낮게 표시되면 액추에이터는 작업 레벨 중 하나(최소, 중간 또는 최대)로 작동해야 한다. 액추에이터의 작업 수준 또는 속도에 따라 액추에이터 환경 제어를 위한 최적의 환경에 도달 할 때까지 액추에이터의 작동 시간도 달라진다. 보다 상세하게 설명하면, 워터 펌프가 최소 작동 수준으로 작동하면 시간이 많이 걸리고. 반대로 워터 펌프가 최대 작동 수준으로 작동하면 시간이 거의 필요하지 않는다As explained earlier, the correct duration selection of actuators plays an important role in both the automation and efficient energy management of an aquarium. If the predicted sensing data indicates very low, the actuator should operate at one of the working levels (minimum, medium or maximum). Depending on the work level or speed of the actuator, the operating time of the actuator also varies until the optimum environment for controlling the actuator environment is reached. More specifically, when the water pump is running at its minimum operating level, it is time-consuming. Conversely, if the water pump is running at full operating level, little time is needed.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 액추에이터 작동 시간(분)에 따른 멤버쉽 기능 그래프이다.7 is a graph of membership functions according to actuator operation time (minutes) according to an embodiment of the present invention.

액추에이터 작동 시간의 출력 변수에는 6 가지 멤버쉽 기능이 있다. 이러한 멤버쉽 기능은 OFF, VLT, LT, NT, MT 및 VMT로 표시되며 액추에이터 오프, 매우 적은 시간, 적은 시간, 정상 시간, 많은 시간 및 많은 시간으로 축약된다.There are six membership functions for the output variable of the actuator operating time. These membership functions are denoted OFF, VLT, LT, NT, MT, and VMT, abbreviated to actuator off, very little time, little time, normal time, many hours and many hours.

액추에이터의 작동 시간은 분 단위로 기술되며 시간 범위는 농업 및 기술 지식에 따라 결정되고 얻어진다. 이러한 멤버쉽 기능은 모든 액추에이터의 작동 기간 동안 허용된다.The operating time of the actuator is described in minutes and the time range is determined and obtained according to agricultural and technical knowledge. This membership function is allowed for the lifetime of all actuators.

전류 감지 데이터가 최적의 데이터와 같으면 액추에이터의 작동 시간이 0 분이 되고 액추에이터를 활성화 할 필요가 없다(OFF). 전류 감지 데이터가 최적화된 데이터와 비교하여 매우 낮은 경우, 원하는 최적 생육 환경을 달성하기 위해서는 액추에이터를 매우 많은 시간(12-15 분)으로 활성화해야 한다.If the current sensing data equals the optimal data, the operating time of the actuator is 0 minutes and there is no need to activate the actuator (OFF). If the current sensing data is very low compared to the optimized data, the actuator must be activated a very large amount of time (12-15 min) to achieve the desired optimal growth environment.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.In the detailed description of the present invention as described above, specific embodiments have been described. However, various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. The technical spirit of the present invention should not be limited to the above-described embodiments of the present invention and should not be defined, and should be defined by not only the claims but also those equivalent to these claims.

Claims (12)

수족관의 환경 제어 시스템을 이용하여 수족관의 물고기 생육 및 에너지를 제어하는 방법에 있어서,
데이터 수집부가 수족관에 설치된 센서로부터 내부 환경 매개 변수를 수집하고, 외부 장치로부터 외부 환경 매개 변수를 수집하는 데이터 수집 단계;
데이터 예측부가 상기 수집된 데이터를 전처리 및 분할하여, 상기 수족관 내의 환경을 예측한 예측 환경 매개 변수를 계산하는 데이터 예측 단계:
데이터 최적화부가 상기 예측 환경 매개 변수를 이용해 상기 수족관내의 환경을 최적화하는 최적 생육 환경 매개 변수를 계산하는 데이터 최적화 단계; 및
환경 제어부가 상기 예측 환경 매개 변수와 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 이용해 상기 수족관에 설치된 액추에이터(actuator)를 동작시켜 상기 수족관 내의 환경을 제어하는 환경 제어 단계;를 포함하고,
상기 데이터 최적화 단계는,
상기 데이터 최적화부가 하기의 수학식의 목적 함수를 이용해 상기 수족관내의 환경 최적화 지수를 계산하는 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 방법.
[수학식]
J = max(αEC(1-(EC*)2) + αOE(1-(OE*)2))
(이때, J는 수족관내의 환경 최적화 지수, αEC는 에너지 소비의 목표 가중치, αOE는 최적 생육 환경의 목표 가중치, EC* = (EC - ECmin)(ECmax-ECmin), OE* = (OE - OEmin)(OEmax-OEmin), EC는 액추에이터의 에너지 소비 수치, ECmin은 액추에이터의 에너지 소비의 최소치, ECmax는 액추에이터의 에너지 소비의 최대치, OE는 최적 생육 환경 수치, OEmin는 최적 생육 환경의 최소치, OEmax는 최적 생육 환경의 최대치임.)
A method for controlling fish growth and energy in an aquarium using an aquarium environment control system,
A data collection step in which the data collection unit collects internal environmental parameters from sensors installed in the aquarium and external environmental parameters from an external device;
A data prediction step in which a data prediction unit pre-processes and divides the collected data to calculate predicted environmental parameters predicting the environment in the aquarium:
a data optimization step in which a data optimization unit calculates optimum growth environment parameters for optimizing the environment in the aquarium using the predicted environment parameters; and
An environment control step in which an environment control unit operates an actuator installed in the aquarium using the predicted environment parameter and the optimal growth environment parameter to control the environment in the aquarium;
The data optimization step,
A control method for optimizing fish growth and energy efficiency in which the data optimization unit calculates an environmental optimization index in the aquarium using an objective function of the following equation.
[mathematical expression]
J = max(α EC (1-(EC*) 2 ) + α OE (1-(OE*) 2 ))
(At this time, J is the environmental optimization index in the aquarium, α EC is the target weight of energy consumption, α OE is the target weight of the optimal growth environment, EC * = (EC - EC min ) (EC max -EC min ), OE * = (OE - OE min )(OE max -OE min ), EC is the actuator's energy consumption value, EC min is the actuator's minimum energy consumption value, EC max is the actuator's maximum energy consumption value, OE is the optimal growth environment value, OE min is the minimum value of the optimal growth environment, and OE max is the maximum value of the optimal growth environment.)
청구항 1에 있어서,
상기 데이터 예측 단계는,
상기 데이터 예측부가 인공 신경망(ANN: Artificial Neural Network) 또는 수학적 칼만필터(Kalman Filter) 기반 예측 모듈을 사용하여, 상기 수족관 내의 온도, PH, 전도도 및 수위에 해당하는 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 계산하는 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 방법.
The method of claim 1,
The data prediction step,
The data prediction unit uses an artificial neural network (ANN) or a mathematical Kalman filter-based prediction module to calculate the optimal growth environment parameters corresponding to temperature, PH, conductivity and water level in the aquarium Control methods for optimizing fish growth and energy efficiency.
청구항 1에 있어서,
상기 데이터 최적화 단계는,
상기 데이터 최적화부가 사용자의 환경 설정 기준값 및 시스템 제약 조건을 기반으로 상기 수족관내의 생육 환경을 일정 수준으로 유지하면서 액추에이터의 에너지 소비를 최소화할 수 있도록 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 계산하는 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 방법.
The method of claim 1,
The data optimization step,
Fish growth and energy efficiency in which the data optimization unit calculates the optimal growth environment parameters to minimize the energy consumption of the actuator while maintaining the growth environment in the aquarium at a certain level based on the user's environment setting reference value and system constraints Control methods for optimization.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 환경 제어 단계는,
상기 환경 제어부가 퍼지 로직 제어(FLC: Fuzzy Logic Control) 모듈을 사용하여, 상기 예측 환경 매개 변수와 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 이용해 상기 액추에이터의 동작 수준과 시간을 제어하여 상기 수족관 내의 환경을 제어하는 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 방법.
The method of claim 1,
In the environmental control step,
The environment control unit uses a Fuzzy Logic Control (FLC) module to control the operation level and time of the actuator using the predicted environment parameter and the optimal growth environment parameter to control the environment in the aquarium. Control methods for optimizing fish growth and energy efficiency.
청구항 1에 있어서,
상기 데이터 수집 단계는,
상기 데이터 수집부가 사용자 설정 변수(User-desired parameter), 내부 환경 매개 변수(Indoor Environmental parameters), 외부 환경 매개 변수(Outdoor Environmental parameters), 에너지 구동 변수(Energy Control parameters) 및 전력 정책 변수(Power Policy)를 수집하는 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 방법.
The method of claim 1,
The data collection step,
The data collector collects user-desired parameters, indoor environmental parameters, outdoor environmental parameters, energy control parameters, and power policy parameters. Control methods for optimizing fish growth and energy efficiency.
수족관에 설치된 센서로부터 내부 환경 매개 변수를 수집하고, 외부 장치로부터 외부 환경 매개 변수를 수집하는 데이터 수집부;
상기 데이터 수집부에서 수집된 데이터를 전처리 및 분할하여, 상기 수족관 내의 환경을 예측한 예측 환경 매개 변수를 계산하는 데이터 예측부:
상기 예측 환경 매개 변수를 이용해 상기 수족관내의 환경을 최적화하는 최적 생육 환경 매개 변수를 계산하는 데이터 최적화부; 및
상기 예측 환경 매개 변수와 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 이용해 상기 수족관에 설치된 액추에이터(actuator)를 동작시켜 상기 수족관 내의 환경을 제어하는 환경 제어부;를 포함하고,
상기 데이터 최적화부는,
하기의 수학식의 목적 함수를 이용해 상기 수족관내의 환경 최적화 지수를 계산하는 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 시스템.
[수학식]
J = max(αEC(1-(EC*)2) + αOE(1-(OE*)2))
(이때, J는 수족관내의 환경 최적화 지수, αEC는 에너지 소비의 목표 가중치, αOE는 최적 생육 환경의 목표 가중치, EC* = (EC - ECmin)(ECmax-ECmin), OE* = (OE - OEmin)(OEmax-OEmin), EC는 액추에이터의 에너지 소비 수치, ECmin은 액추에이터의 에너지 소비의 최소치, ECmax는 액추에이터의 에너지 소비의 최대치, OE는 최적 생육 환경 수치, OEmin는 최적 생육 환경의 최소치, OEmax는 최적 생육 환경의 최대치임.)
a data collection unit that collects internal environmental parameters from sensors installed in the aquarium and external environmental parameters from external devices;
A data prediction unit that preprocesses and divides the data collected by the data collection unit to calculate predicted environmental parameters that predict the environment in the aquarium:
a data optimization unit that calculates optimal growth environment parameters for optimizing the environment in the aquarium using the predicted environment parameters; and
An environment control unit controlling the environment in the aquarium by operating an actuator installed in the aquarium using the predicted environment parameter and the optimal growth environment parameter,
The data optimization unit,
A control system for optimizing fish growth and energy efficiency that calculates an environmental optimization index in the aquarium using the objective function of the following equation.
[mathematical expression]
J = max(α EC (1-(EC*) 2 ) + α OE (1-(OE*) 2 ))
(At this time, J is the environmental optimization index in the aquarium, α EC is the target weight of energy consumption, α OE is the target weight of the optimal growth environment, EC * = (EC - EC min ) (EC max -EC min ), OE * = (OE - OE min )(OE max -OE min ), EC is the actuator's energy consumption value, EC min is the actuator's minimum energy consumption value, EC max is the actuator's maximum energy consumption value, OE is the optimal growth environment value, OE min is the minimum value of the optimal growth environment, and OE max is the maximum value of the optimal growth environment.)
청구항 7에 있어서,
상기 데이터 예측부는,
인공 신경망(ANN: Artificial Neural Network) 또는 수학적 칼만필터(Kalman Filter) 기반 예측 모듈을 사용하여, 상기 수족관 내의 온도, PH, 전도도 및 수위에 해당하는 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 계산하는 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 시스템.
The method of claim 7,
The data prediction unit,
Fish growth and energy that calculates the optimal growth environment parameters corresponding to the temperature, PH, conductivity and water level in the aquarium using an artificial neural network (ANN) or a mathematical Kalman filter-based prediction module. Control systems for optimizing efficiency.
청구항 7에 있어서,
상기 데이터 최적화부는,
사용자의 설정값 및 시스템 제약 조건을 기반으로 상기 수족관내의 환경을 최적화하는 최적 생육 환경 매개 변수를 계산하는 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 시스템.
The method of claim 7,
The data optimization unit,
A control system for optimizing fish growth and energy efficiency that calculates optimal growth environment parameters for optimizing the environment in the aquarium based on user set values and system constraints.
삭제delete 청구항 7에 있어서,
상기 환경 제어부는,
퍼지 로직 제어(FLC: Fuzzy Logic Control) 모듈을 사용하여, 상기 예측 환경 매개 변수와 상기 최적 생육 환경 매개 변수를 이용해 상기 액추에이터의 동작 수준과 시간을 제어하여 상기 수족관 내의 환경을 제어하는 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 시스템.
The method of claim 7,
The environmental control unit,
Fish growth and energy controlling the environment in the aquarium by using a fuzzy logic control (FLC) module to control the operation level and time of the actuator using the predicted environment parameter and the optimal growth environment parameter Control systems for optimizing efficiency.
청구항 7에 있어서,
상기 데이터 수집부는,
사용자 설정 변수(User-desired parameter), 내부 환경 매개 변수(Indoor Environmental parameters), 외부 환경 매개 변수(Outdoor Environmental parameters), 에너지 구동 변수(Energy Control parameters) 및 전력 정책 변수(Power Policy)를 수집하는 물고기 생육 및 에너지 효율 최적화를 위한 제어 시스템.
The method of claim 7,
The data collection unit,
Fish collecting User-desired parameters, Indoor Environmental parameters, Outdoor Environmental parameters, Energy Control parameters and Power Policy parameters Control systems for optimizing growth and energy efficiency.
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