KR102541151B1

KR102541151B1 - 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 방법 및 장치

Info

Publication number: KR102541151B1
Application number: KR1020180103405A
Authority: KR
Inventors: 김형주; 윤태항; 김지은; 박기수; 송학진; 양영헌; 이상현; 정우영; 고경찬; 양윤정; 이은빈
Original assignee: 건국대학교 산학협력단
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2023-06-08
Also published as: KR20200025675A

Abstract

인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 방법이 소개된다.
이를 위해 본 발명은 (a) 코일의 중심부에 식물을 배치하고 인덕턴스 측정기로 상기 코일의 인덕턴스를 측정하는 단계; 및 (b) 측정된 상기 코일의 인덕턴스 값을 통해 상기 식물의 다양한 생리적, 물리 화학적 상태를 해석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 식물의 잎이나 줄기에 센서를 부착하지 않아 식물의 생장을 저해하거나 식물에 스트레스를 유발하지 않으며 식물이 가지고 있는 전자기적특성을 이용하여 비 접촉식으로 식물 상태 측정을 할 수 있게 된다.

Description

인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 방법 및 장치{Method and apparatus for measuring health status of plants with measuring inductance}

본 발명은 식물의 생육환경 변화를 전자기적 방법으로 측정하여 식물의 상태와 생육환경 변화를 분석하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 함수량 및 내부의 영양상태에 영향을 받아 투자율이 변화되는 식물을 코일의 중심부에 배치한 후 코일의 인덕턴스를 측정한 다음 측정값을 토대로 식물의 다양한 생리적, 물리 화학적 상태를 해석하여 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.

식물은 생태계의 가장 중요한 구성요소로서, 생명체는 식물의 활성에 의하여 유지된다고 할 수 있다. 최근의 식물관련 연구는, 전통적인 식물로부터의 식량생산분야(예: 각종 곡물 및 과일 생산)에서 식물을 이용한 산업용 에너지, 조경, 천연약물 등의 생산 및 공해 방지, 황사제거 등 더욱 다양하고 융합적인 분야로 확대되고 있다.

또한, 식물의 산업적 재배를 위한 선진국에서의 식물공장 관련 시장의 확대가 중요한 추세로 자리 잡고 있으며, 식물공장 구성 및 이를 통하여 생산되는 각종산물의 시장 규모는 일본을 기준으로(2009년) 약 96억 엔에 이르는 등 식물의 시장규모는 증가하고 있다. 현재 식물 공장을 중심으로, 다양한 고부가가치 식물을 재배하고자 하는 연구가 진행되고 있으나, 일반적인 자연 및 준 자연 상태에서 생육하는 식물과는 다른 특성을 나타내는 경우가 많으며, 이는 식물이 필요로 하는 각종 조건의 부족 또는 공급과잉이 그 원인이라고 판단된다. 따라서 식물이 요구하는 조건을 또는 식물의 상태를 인간이 명확히, 정확하게 이해할 수 있다면 이 방법은 식물 산업의 적극적인 발달을 유도하여, 국가적인 경제적, 문화적 이득을 창출할 수 있을 뿐 아니라, 궁극적으로 생물권의 안정적 유지가 가능할 수 있다고 예측할 수 있다.

동물은 적극적인 음향, 동작 기반 신호 생성이 가능한 반면, 식물은 색깔 변화, 건조, 낙엽, 개화, 결실 등 다양한 시각적으로 인지 가능한 신호 및 부패, 발향, 꽃가루, 이산화탄소, 산소, 수증기 생성 등 물리 화학적인 신호를 생성하며, 이들에 대한 경험적 해석을 통한 식물 상태의 유추가 진행되어 왔다.

국내외의 식물 생성 신호에 대한 측정 연구는 그 예를 많이 찾아보기 힘들다. 다만, 최근 이탈리아의 PLSED(PLants Employed As SEnsing Devices)와 같은 전극을 식물에 삽입하고 여기서 측정되는 각종 신호를 분석하여, 식물의 언어, 즉 상태 표현을 이해하고자 하는 시도는 현재 다양하게 진행 중이다.

그러나, 이와 같은 시도의 문제점은 식물 상태 모니터링을 위하여 반드시 sensor probe(e.g. electrode)를 식물의 내부에 삽입하여야 하며 probe와 식물간의 전기적 저항 및 간섭에 대한 대책을 세워야만 한다. 또한 다목적 측정을 위한 다발성 전극의 삽입이 필요하며, 장기적 사용 시 발생하는 접점 효율의 감소와 습기 발생으로 인한 각종 신호측정 장애가 발생할 가능성이 높다. 가장 중요한 문제는 식물에 대한 직접적인 삽입으로 발생하는 식물의 손상이 발생한다는 점이다. 이를 극복할 수 있는 식물 상태 모니터링 연구는 아직 구체적으로 진행되는 사례를 찾기 힘들다.

이와 관련된 선행기술의 일 예로서, 하기의 특허문헌 1에서는 '식물생장 모니터링 시스템'이 제안된 바 있고, 하기의 특허문헌 2에서는 '다중채널 정전용량형 유전율 변화 감지 장치 및 그 방법과 이를 포함하는 식물 가뭄 모니터링 시스템'이 제안된 바 있다.

특허문헌 1은 온실에서 재배되는 식물의 생장을 모니터링하기 위하여 온실의 온도, 습도, 일사량, 대기상태 등을 측정하고, 이 데이터를 이용하여 온실을 제어하는 방법을 제안하나, 식물의 수분량, 양분량 등을 측정하는 것이 아닌 온실의 상태에 대한 측정 및 제어이기 때문에 식물의 언어와는 거리가 있다.

특허문헌 2는 다중채널 정전용량 타입의 유전율 변화 감지 센서를 이용하여 식물체의 유전율 변화에 따른 신호로부터 평균 면 정전용량을 획득하여 실시간으로 식물체 내부의 수분량, 건조상태 및 가뭄 스트레스를 모니터링하는 방법을 제안하나, 식물체 표면에 복수의 유전율 변화 감지 센서를 부착해야 하는바 식물체에 중량을 가하게 되어 식물의 생장을 저해하고 식물체에 스트레스를 유발하게 되는 단점이 있었다.

이에 본 발명의 출원인은 식물이 가지고 있는 전자기적 특성을 이용한 인간의 언어로 이해 가능한 식물 상태 측정에 대한 연구를 거듭하여 본 발명을 완성하게 되었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1888623호(공고일자 2018년 08월 16일) 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0038206호(공개일자 2018년 04월 16일)

본 발명의 목적은, 식물의 잎이나 줄기에 센서를 부착하지 않아 식물의 생장을 저해하거나 식물에 스트레스를 유발하지 않으며 식물이 가지고 있는 전자기적 특성을 이용한 비 접촉식으로 식물 상태 측정을 할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

그리고, 식물 주위의 온도, 습도, 일사량, 대기상태 등을 측정하는 것이 아니라 식물이 가지고 있는 전자기적 특성을 이용하여 식물 자체의 상태를 확인할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

그리고, 식물이 가지고 있는 전자기적 특성을 이용하여 식물이 생성하는 신호를 측정하고 식물의 상태를 분석하여 식물이 필요로 하는 각종 생육인자를 공급 또는 제거함으로써 식물산업발전에 기여할 수 있는 식물 상태 측정 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

그리고, 비 접촉식인 전자기적 측정을 통하여 식물의 상태를 분석할 수 있어 식물 관리에 소요되는 시간 및 노동력을 절감할 수 있으며 허브, 율마, 버베나 같이 생육에 많은 주의가 필요한 식물을 효율적으로 관리할 수 있는 식물 상태 측정 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

그리고, 사용자에게 실시간으로 식물을 중심으로 식물 주위를 둘러싸는 코일의 인덕턴스 값을 제공하고 사용자는 식물의 상태를 확인하여 식물의 함수량 및 내부의 영양상태를 실시간으로 모니터링할 수 있는 식물 상태 측정 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 방법은 (a) 코일의 중심부에 식물을 배치하고 인덕턴스 측정기로 상기 코일의 인덕턴스를 측정하는 단계; 및 (b) 측정된 상기 코일의 인덕턴스 값을 통해 상기 식물의 다양한 생리적, 물리 화학적 상태를 해석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 장치는, 식물을 중심으로 상기 식물 주위를 둘러싸도록 설치되는 전도체 소재의 코일; 및 상기 코일에 연결되어 상기 코일의 인덕턴스를 측정하기 위한 인덕턴스 측정기;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 방법 및 장치에 의하면, 식물의 잎이나 줄기에 센서를 부착하지 않아 식물의 생장을 저해하거나 식물에 스트레스를 유발하지 않으며 식물이 가지고 있는 전자기적특성을 이용하여 비 접촉식으로 식물 상태 측정을 할 수 있게 되는 효과가 얻어진다.

그리고, 식물 주위의 온도, 습도, 일사량, 대기상태 등을 측정하는 것이 아니라 식물이 가지고 있는 전자기적 특성을 이용하여 식물 자체의 상태를 확인할 수 있는바 농가 산업의 질적 향상과 효율성을 높일 수 있게 되는 효과가 얻어진다.

그리고, 식물이 가지고 있는 전자기적 특성을 이용하여 식물이 생성하는 신호를 측정하고 식물의 상태를 분석하여 식물이 필요로 하는 각종 생육인자를 공급 또는 제거함으로써 식물산업발전에 기여할 수 있게 되는 효과가 얻어진다.

그리고, 비 접촉식인 전자기적 측정을 통하여 식물의 상태를 분석할 수 있어 식물 관리에 소요되는 시간 및 노동력을 절감할 수 있으며 허브, 율마, 버베나 같이 생육에 많은 주의가 필요한 식물을 효율적으로 관리할 수 있게 되는 효과가 얻어진다.

그리고, 사용자에게 실시간으로 식물을 중심으로 식물 주위를 둘러싸는 코일의 인덕턴스 값을 제공하고 사용자는 식물의 상태를 확인하여 식물의 함수량 및 내부의 영양상태를 실시간으로 모니터링할 수 있게 되는 효과가 얻어진다.

그리고, 농산물의 최적 생산 환경 구현을 통한 품질 향상 및 수입 증대를 꾀할 수 있고, 친환경적이고, 경제적인 최적의 식물생장환경을 구축하고, 개선 시스템을 통한 에너지 소모, 비용증대 최소화, 비료, 천연/인공 토양 산업, 인테리어분야, 센서 개발 산업 등 다양한 관련 산업의 발전을 촉진할 수 있게 되는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 방법을 보다 상세히 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 장치를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 장치를 설명하기 위한 블럭도이다.
도 5는 자성체 코어의 유무에 따른 단층 솔레노이드 코일의 자속밀도 변화를 보여주는 도면이다.
도 6은 단층 솔레노이드 코일의 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 출원인이 실시한 일 실험예에 따른 코일의 인덕턴스 값의 변화를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 장치를 나타낸 구성도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.

또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.

또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명은 함수량 및 내부의 영양상태에 영향을 받아 투자율이 변화되는 식물을 코일의 중심부에 배치한 후 코일의 인덕턴스를 측정한 다음 측정값을 토대로 식물의 다양한 생리적, 물리 화학적 상태를 해석하여 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.

구체적으로 살펴보면, 식물은 내부 물 농도, 물 확산도, 영양 농도, 영양 확산도에 따라 투자율이 변화하게 되는바, 식물을 코일의 중심부에 배치하면 코일 내부 매질(공기 및 식물)의 투자율도 변화되어 코일의 인덕턴스 값이 변화되게 되므로, 측정된 코일의 인덕턴스 값의 변화를 토대로 식물의 상태를 분석하여 측정값의 변화 원인을 식물에 대한 자극 및 외부/내부 생육 환경 변화에 적용하여 해석하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 외부 환경의 변화에 따른 식물의 상태를 전자기적 방법으로 분석하는 방법을 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 방법을 보다 상세히 설명하기 위한 흐름도이다.

본 발명에 따른 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 방법은 (a) 코일의 중심부에 식물을 배치하고 인덕턴스 측정기로 상기 코일의 인덕턴스를 측정하는 단계와 (b) 측정된 상기 코일의 인덕턴스 값을 통해 상기 식물의 다양한 생리적, 물리 화학적 상태를 해석하는 단계를 포함한다(도 1 참조).

그리고, (a) 단계는, (a1) 상기 식물을 중심으로 상기 식물 주위를 둘러싸도록 전도체 소재의 상기 코일을 설치하는 단계와 (a2) 상기 코일에 상기 인덕턴스 측정기를 연결하는 단계 및 (a3) 상기 인덕턴스 측정기로 상기 코일의 인덕턴스를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다(도 2 참조).

이때, (a1) 단계는, 상기 식물을 중심으로 상기 식물의 토양 밖으로 노출된 부분(줄기와 잎) 주위를 둘러싸도록 전도체 소재의 상기 코일을 설치하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이는, 화분의 토양에 심어진 식물의 경우 식물을 화분과 함께 코일의 중심부에 배치하게 되면 내부 물 농도, 물 확산도, 영양 농도, 영양 확산도에 따른 식물의 투자율 변화만이 아니라 화분에 담긴 토양의 수분 함유량, 비료 주입량 등에 따른 화분(pot) 부분의 투자율 변화가 코일 내부 매질의 투자율 변화에 반영되기 때문이다.

한편, 본 발명에서는 화분을 중심으로 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 통나무, 버섯, 식품 등에도 사용할 수 있음은 자명하다.

즉, 화분에 담긴 토양의 수분 함유량, 비료 주입량 등에 따른 코일 내부 매질의 투자율 변화를 최소화하고, 내부 물 농도, 물 확산도, 영양 농도, 영양 확산도에 따른 식물의 투자율 변화만 코일 내부 매질의 투자율 변화에 반영되어 코일의 인덕턴스 값의 변화에 반영되도록 하기 위한 것이다.

다만, 대규모 식물재배시설 등의 식물의 이동이 어려운 일반적인 식물 생장 환경에서는 코일을 토양 아래에 설치할 이유가 없는 바, 화분이 아닌 경우에는 코일의 설치 시에 이러한 주의사항이 문제될 가능성이 거의 없을 것이다.

그리고, (a) 단계는 페러데이 케이지(Faraday cage) 내부에서 실행되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이는 페러데이 케이지 내부의 정전기적으로 차폐된 상태에서 코일의 인덕턴스를 측정함으로써 외부 자기장의 영향을 최소화하기 위한 것이다.

그리고, (b) 단계는, 상기 식물의 정상상태인 경우의 상기 코일의 인덕턴스 값을 측정한 다음, 상기 식물에 대하여 일사량, 영양상태, 수분량을 포함하는 식물의 생장 요인을 하나씩 변화시키면서 일정한 자극(stress)을 부여한 후 상기 코일의 인덕턴스 값을 측정하여 정상상태의 상기 코일의 인덕턴스 값과 비교 분석하는 방식으로 실행되는 것을 특징으로 할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정장치를 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정장치를 나타낸 구성도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정장치를 설명하기 위한 블럭도이며, 도 5는 자성체 코어의 유무에 따른 단층 솔레노이드 코일의 자속밀도(B) 변화를 보여주는 도면이고, 도 6은 단층 솔레노이드 코일의 구조를 도시한 도면이다.

또한, 도 3은 화분을 중심으로 한 전도체 소재의 코일배치라면, 도 8은 식물을 중심으로 한 전도체 소재의 코일배치도이다.

도 3 또는 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정장치(1)는, 식물(10)을 중심으로 상기 식물(10) 주위를 둘러싸도록 설치되는 전도체 소재의 코일(20) 및 상기 코일(20)에 연결되어 상기 코일(20)의 인덕턴스를 측정하기 위한 인덕턴스 측정기(30)를 포함한다.

코일(20)은 식물(10)의 생리적, 물리 화학적 상태를 감지하는 기능을 한다. 즉, 코일(20)의 중심부에는 식물(10)이 배치되는바, 내부 물 농도, 물 확산도, 영양 농도, 영양 확산도에 따른 식물(10)의 투자율 변화에 따라 코일(20)의 인덕턴스 값도 변화되게 되므로, 코일(20)의 인덕턴스 값의 변화는 식물(10)의 생리적, 물리 화학적 상태를 반영하게 되는 것이다.

그리고, 상기 코일(20) 및 상기 인덕턴스 측정기(30)가 내부에 설치되는 페러데이 케이지(Faraday cage)(40)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이는, 상기한 바와 같이, 페러데이 케이지(40) 내부의 정전기적으로 차폐된 상태에서 코일(20)의 인덕턴스를 측정함으로써 외부 자기장의 영향을 최소화하기 위한 것이다.

그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정장치는 상기 인덕턴스 측정기(30)에 의해 측정된 상기 코일(20)의 인덕턴스 값을 전송하는 통신부(50), 전력 공급부(60) 및 외부 단말기(70)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

통신부(50)는 인덕턴스 측정기(30)에 의해 측정된 코일(20)의 인덕턴스 값을 외부로 전송한다. 예를 들면, 통신부(50)는 무선 전송 집적 회로(Wireless data transport device) 또는 무선 전송 장치일 수 있으며, 통신부(50)는 인덕턴스 측정기(30)와 외부 단말기(70) 사이에 정보가 교환될 수 있도록 네트워크로 연결될 수 있다. 여기서, 네트워크는 무선 및 유선 네트워크를 포함하며, 예를 들어 근거리 통신 네트워크(블루투스, WiFi direct, IrDA(Infrared data association) 등) 또는 원거리 통신 네트워크(셀룰러 네트워크, 인터넷 또는 컴퓨터 네트워크(LAN 또는 WAN))일 수 있다.

실시예에 따라서, 통신부(50)는 서로 다른 전송대역폭으로 코일(20)의 인덕턴스 값을 송수신할 수 있으며, 커버리지(coverage)에 따라 지그비, 블루투스, 지웨이브, Wi-Fi, Wi-Max, IEEE 802.11 및 공유 무선 액세스 프로토콜(SWAP) 중 적어도 어느 하나의 무선 방식이 적용될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

전력 공급부(60)는 인덕턴스 측정기(30) 및 통신부(50) 중의 적어도 하나 이상에 구동 전력을 공급할 수 있다.

예를 들면, 전력 공급부(60)는 초소형 충/방전 배터리 또는 초소형 수퍼커패시터(super-capacitor)를 사용하는 액티브(Active) 소자로 구성될 수 있다.

실시예에 따라서, 전력 공급부(60)는 코인 전지와 같은 1차 전지나 리튬-폴리머 배터리와 같은 2차 전지일 수 있다. 또한, 전력 공급부(60)가 2차 전지일 경우 외부 전원에 의해 충전될 수 있고, 코인 전지와 같은 1차 전지일 경우 교환될 수 있다.

외부 단말기(70)는 통신부(50)로부터 코일(20)의 인덕턴스 값을 전송받아 상기 코일(20)의 인덕턴스 값에 따른 상기 식물(10)의 생리적, 물리 화학적 상태를 모니터링하는 기능을 한다.

이러한 외부 단말기(70)는 다양한 정보를 네트워크를 통해 송수신할 수 있고 필요한 정보를 디스플레이에 표시할 수 있는 기기로서, CPU, 디스플레이부, 메모리부, 입력장치 등으로 구성되는 컴퓨터로 구현될 수 있으며, 유무선 통신 시스템 모듈, 스피커, 키 버튼 등이 다양하게 부가될 수 있다.

여기서, 상기 컴퓨터는 PDA(Personal Digital Assistant), IMT(International Mobile Telecommunication)-2000, CDMA(Code Division Multiple Access)-2000, W-CDMA(W-Code Division Multiple Access), Wibro(Wireless Broadband Internet) 단말, 스마트폰(smartphone), 스마트 패드(smartpad), 타블렛 PC(Tablet PC) 등과 같은 핸드헬드(Handheld) 기반의 무선 통신 장치를 포함할 수 있다.

이러한 실시예에서, 통신부(50)는 측정된 코일(20)의 인덕턴스 값을 실시간으로 외부 단말기(70)로 전송할 수 있고, 외부 단말기(70)는 코일(20)의 인덕턴스 값의 변화량 및 변화율을 해석하여 식물(10)의 다양한 생리적, 물리 화학적 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다.

외부 단말기(70)에는 다양한 응용 기능을 담당하는 어플리케이션이 설치되어 있을 수 있고, 단말기에 설치된 어플리케이션을 이용하여 외부 서버 또는 통신부(50)와 통신할 수 있다. 그러므로, 외부 단말기(70)는 단말기에 설치된 어플리케이션을 일컫을 수도 있다.

그리고, 상기 코일(20)은 상기 식물(10)을 중심으로 상기 식물(10)의 토양 밖으로 노출된 부분 주위를 둘러싸도록 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

이는, 상기한 바와 같이, 화분에 담긴 토양의 수분 함유량, 비료 주입량 등에 따른 코일 내부 매질의 투자율 변화를 최소화하고, 내부 물 농도, 물 확산도, 영양 농도, 영양 확산도에 따른 식물(10)의 투자율 변화만 코일(20) 내부 매질의 투자율 변화에 반영되어 코일(20)의 인덕턴스 값의 변화에 반영되도록 하기 위한 것이다.

그리고, 상기 코일(20)은, 구리, 니켈, 알루미늄, 텅스텐, 스테인리스강, 철, 은, 금, 리튬, 나트륨, 아연, 카드뮴, 납 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속류, 탄소를 포함하는 비금속류 및 전도성 고분자 물질로 구성된 군으로부터 선택되는 전도체 소재를 이용하여 제작된 것임을 특징으로 할 수 있다.

식물은 내부의 물관 체관을 포함하는 뿌리, 줄기, 잎 등으로 구성되어 있으며, 내부의 수분, 영양성분인 고분자 물질 및 각종 전해질로 인하여 일정 수준의 전도성 및 투자율을 갖게 되는바, 중심부에 식물이 배치된 코일(20)의 인덕턴스 값을 변화시킬 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같은 단층 솔레노이드 코일의 인덕턴스는 아래와 같은 수식으로 구할 수 있다.

(수식 1)

여기서, L: 인덕턴스(H), N: 권수, k: 나가오카 계수, S: 코일의 단면적(m²), μ: 코일 내부 매질의 투자율(H/m), ℓ: 코일의 길이(m) 이다.

그리고, 코일의 중심부에 식물이 배치되게 되면, 도 5에 도시된 바와 같이 코일 내부 공기의 투자율과 식물의 투자율이 모두 반영되어 코일 내부 매질의 투자율이 변화되게 된다.

식물의 투자율에 영향을 주는 인자는 전해질의 농도 및 분포, 뿌리와 토양의 전기적 연결상태, 식물의 크기, 공기 조성 등 각종 외부의 환경 조건 등이 될 수 있으며, 이러한 인자들에 의한 식물(10)의 투자율 변화에 의해 코일(20)의 인덕턴스 값에 변화를 유발시킬 수 있다. 따라서, 코일(20)의 인덕턴스 값을 측정하고 이를 해석한다면, 일정 범위에서 식물(10)의 표현을 이해하고 이에 대한 피드백(feedback)을 할 수 있게 된다.

코일(20)의 인덕턴스 측정값은 식물(10)의 특정 상태에 대한 표현함수로서 인식될 수 있다. 따라서, 각종 식물에 따른 코일(20)의 적절한 인덕턴스 값을 스캐닝(scanning)을 거쳐 확인하고, 확인된 인덕턴스 값의 변화량 및 변화율을 해석할 수 있다면 식물(10)이 발생시키는 다양한 형태의 전자기 신호를 수신할 수 있게 된다.

식물의 상태를 크게 3가지로 나누어 정상적인 상태(normal status), 물이 부족 혹은 결핍한 상태(lack water), 영양분이 부족 혹은 결핍한 상태(lack of nutrient) 로 나눌 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 상태로 실험이 가능하다.

결론적으로, 코일(20)의 인덕턴스 값의 변화의 원인을 식물에 대한 자극 및 외부/내부 생육 환경 변화에 적용하여 해석할 수 있다면 식물(10)의 상태를 전자기적 방법으로 분석할 수 있는 새로운 방법의 개발이 가능할 것으로 판단된다.

이하, 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실험예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

도 7은 본 출원인이 실시한 일 실험예에 따른 코일의 인덕턴스 값의 변화를 도시한 그래프이다.

[실험 장치의 제작]

본 실험에서는 구리선을 비 전도체인 지름 28Cm의 하드보드지에 100회 감아 인덕턴스 값 측정을 위한 코일(20)을 제작하였다.

식물(10)로는 70Cm 높이의 오렌지 쟈스민을 사용하였으며, 이를 코일(20)의 중심부에 배치하였다.

인덕턴스 측정기(30)를 코일(20)의 양 말단에 연결하여 코일(20)의 인덕턴스를 측정하였으며, 이러한 실험은 페러데이 케이지(40) 내부에서 수행되었다.

페러데이 케이지(40)는 PVC 소재 선반(크기: 71Cm × 35Cm × 138Cm)에 구리 메시(공극 크기: 2mm × 2mm)를 덮어 제작하였다.

[실험예 1]

본 실시예에서는, 상기한 바와 같이, 식물(10)로는 70Cm 높이의 오렌지 쟈스민을 사용하였으며, 빛의 세기 4000 lux 인 상태 8시간 / 빛이 없는 상태 16시간인 기본 빛 조건에서 2일 간격으로 200 ml의 증류수를 급수하면서 코일(20)의 인덕턴스 값을 측정하였다.

측정은 매일 특정한 시간(오후 2시)에 진행하였으며, 6일간 코일(20)의 인덕턴스 값을 측정하였다.

본 실시예에 따른 코일(20)의 인덕턴스 값의 변화를 도 7에 도시하였다.

도 7에 도시된 바와 같이, 식물(10)에 200 ml의 증류수를 급수한 날에 코일(20)의 인덕턴스 값이 상승함을 확인하였으며, 급수일의 코일(20)의 인덕턴스 값들이 상이한 것은 영양 농도, 영양 확산도 등의 차이에 의한 것으로 예상된다.

본 실험예에 의하면, 식물(10)의 생육조건의 변화에 따라 코일(20)의 인덕턴스 값이 변화하는 것으로 판단되는바, 이를 이용하여 식물의 다양한 생리적, 물리 화학적 상태를 해석할 수 있을 것으로 예측된다.

[실험예 2]

실험예 1과 같은 조건하에서, 100ml의 액상 비료 주입시의 코일(20)의 인덕턴스 값을 측정하였다.

본 실험예의 경우, 보다 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 위하여 반복하여 실험을 실시하고 있는 상태이다.

[실험예 3]

상기한 바와 같은 기본 빛 조건으로부터 10일간의 암실 조건으로 진행하여 빛 차단시의 코일(20)의 인덕턴스 값을 측정하였다.

[실험예 4]

실험예 1과 같은 조건하에서, 열풍기(heat gun: 60~150℃)로 식물(10)을 5분간 가열한 후 코일(20)의 인덕턴스 값을 측정하였다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 방법 및 장치에 의하면, 코일(20)의 인덕턴스 값을 통해 내부 물 농도, 물 확산도, 영양 농도, 영양 확산도에 따라 달라지는 식물(10)의 투자율을 계산하여 식물의 다양한 생리적, 물리 화학적 상태를 해석할 수 있다.

또한, 식물의 전기적 접지를 통한 다양한 응용 실험 등, 관련 연구가 다양하게 진행 중이다. 따라서, 본 출원인의 문제 해결을 위한 수행 능력 및 연구결과의 산출은 충분히 가능하다고 판단할 수 있다.

본 발명에 따른 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 방법 및 장치에 의하면, 식물의 잎이나 줄기에 센서를 부착하지 않아 식물의 생장을 저해하거나 식물에 스트레스를 유발하지 않으며 식물이 가지고 있는 전자기적특성을 이용하여 비 접촉식으로 식물 상태 측정을 할 수 있게 되는 이점이 있다.

그리고, 식물 주위의 온도, 습도, 일사량, 대기상태 등을 측정하는 것이 아니라 식물이 가지고 있는 전자기적 특성을 이용하여 식물 자체의 상태를 확인할 수 있는바 농가 산업의 질적 향상과 효율성을 높일 수 있게 되는 이점이 있다.

그리고, 식물이 가지고 있는 전자기적 특성을 이용하여 식물이 생성하는 신호를 측정하고 식물의 상태를 분석하여 식물이 필요로 하는 각종 생육인자를 공급 또는 제거함으로써 식물산업발전에 기여할 수 있게 되는 이점이 있다.

그리고, 비 접촉식인 전자기적 측정을 통하여 식물의 상태를 분석할 수 있어 식물 관리에 소요되는 시간 및 노동력을 절감할 수 있으며 허브, 율마, 버베나 같이 생육에 많은 주의가 필요한 식물을 효율적으로 관리할 수 있게 되는 이점이 있다.

그리고, 사용자에게 실시간으로 식물을 중심으로 식물 주위를 둘러싸는 코일의 인덕턴스 값을 제공하고 사용자는 식물의 상태를 확인하여 식물의 함수량 및 내부의 영양상태를 실시간으로 모니터링할 수 있게 되는 이점이 있다.

그리고, 농산물의 최적 생산 환경 구현을 통한 품질 향상 및 수입 증대를 꾀할 수 있고, 친환경적이고, 경제적인 최적의 식물생장환경을 구축하고, 개선 시스템을 통한 에너지 소모, 비용증대 최소화, 비료, 천연/인공 토양 산업, 인테리어분야, 센서 개발 산업 등 다양한 관련 산업의 발전을 촉진할 수 있게 되는 이점이 있다.

이상 본 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 범위를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 수정 및 변형 가능한 것은 물론이다. 따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 장치를 나타낸 구성도
10: 식물 20: 코일
30: 인덕턴스 측정기 40: 페러데이 케이지
50: 통신부 60: 전력 공급부
70: 외부 단말기

Claims

(a) 코일의 중심부에 식물을 배치하고 인덕턴스 측정기로 상기 코일의 인덕턴스를 측정하는 단계; 및
(b) 측정된 상기 코일의 인덕턴스 값을 통해 상기 식물의 생리적, 물리 화학적 상태를 해석하는 단계;를 포함하고,
상기 (a) 단계는, (a1) 상기 식물을 중심으로 상기 식물 주위를 둘러싸도록 전도체 소재의 상기 코일을 설치하는 단계와, (a2) 상기 코일에 상기 인덕턴스 측정기를 연결하는 단계, 및 (a3) 상기 인덕턴스 측정기로 상기 코일의 인덕턴스를 측정하는 단계를 포함하여, 페러데이 케이지(Faraday cage) 내부에서 실행되고,
상기 (a1) 단계는, 상기 식물을 중심으로 상기 식물의 토양 밖으로 노출된 부분 주위를 둘러싸도록 전도체 소재의 상기 코일을 설치하고,
상기 (b) 단계는, 상기 식물이 정상상태인 경우의 상기 코일의 인덕턴스 값을 측정한 다음, 상기 식물에 대하여 일사량, 영양상태, 수분량을 포함하는 식물의 생장 요인을 하나씩 변화시키면서 일정한 자극(stress)을 부여한 후 상기 코일의 인덕턴스 값을 측정하여 정상상태의 상기 코일의 인덕턴스 값과 비교 분석하는 방식으로 실행되며, 상기 식물의 내부 물 농도, 물 확산도, 영양 농도, 영양 확산도에 따라 달라지는 상기 코일의 인덕턴스 값을 측정하여 상기 식물의 생리적, 물리 화학적 상태를 해석하는 것을 특징으로 하는 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 방법.
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제1항에 있어서,
상기 코일은, 구리, 니켈, 알루미늄, 텅스텐, 스테인리스강, 철, 은, 금, 리튬, 나트륨, 아연, 카드뮴, 납 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속류, 탄소를 포함하는 비금속류 및 전도성 고분자 물질로 구성된 군으로부터 선택되는 전도체 소재를 이용하여 제작된 것임을 특징으로 하는 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 방법.
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식물을 중심으로 상기 식물 주위를 둘러싸도록 설치되는 전도체 소재의 코일;
상기 코일에 연결되어 상기 코일의 인덕턴스를 측정하기 위한 인덕턴스 측정기;
상기 코일 및 상기 인덕턴스 측정기가 내부에 설치되는 페러데이 케이지(Faraday cage);
상기 인덕턴스 측정기에 의해 측정된 상기 코일의 인덕턴스 값을 전송하는 통신부; 및
상기 코일의 인덕턴스 값에 따른 상기 식물의 생리적, 물리 화학적 상태를 모니터링하는 외부 단말기;를 포함하고,
상기 코일은, 구리, 니켈, 알루미늄, 텅스텐, 스테인리스강, 철, 은, 금, 리튬, 나트륨, 아연, 카드뮴, 납 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속류, 탄소를 포함하는 비금속류 및 전도성 고분자 물질로 구성된 군으로부터 선택되는 전도체 소재를 이용하여 제작된 것이고,
상기 코일은 상기 식물을 중심으로 상기 식물의 토양 밖으로 노출된 부분 주위를 둘러싸도록 설치되어,
상기 인덕턴스 측정기는 상기 식물이 정상상태인 경우의 상기 코일의 인덕턴스 값을 측정한 다음, 상기 식물에 대하여 일사량, 영양상태, 수분량을 포함하는 식물의 생장 요인을 하나씩 변화시키면서 일정한 자극(stress)을 부여한 후 상기 코일의 인덕턴스 값을 측정하여 정상상태의 상기 코일의 인덕턴스 값과 비교 분석하는 방식으로 실행되며, 상기 식물의 내부 물 농도, 물 확산도, 영양 농도, 영양 확산도에 따라 달라지는 상기 코일의 인덕턴스 값을 측정하여 상기 식물의 생리적, 물리 화학적 상태를 해석하는 것을 특징으로 하는 인덕턴스 측정을 통한 식물의 건강상태 측정 장치.
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