KR102564683B1 - 이온기반 양액 관리 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이온 기반 양액 관리 시스템에 관한 것으로서, 식물 재배 구조물에서 사용된 후 배출된 배액을 공급받는 양액 공급부; 상기 양액 공급부로 공급된 배액 내에 함유된 제 1 이온, 제 2 이온, 제 3 이온 농도를 측정하는 농도 측정부; 상기 농도 측정부에서 측정된 이온 농도로부터 제 1 이온, 제 2 이온, 제 3 이온 필요량을 계산하는 이온 필요량 계산부; 제 3 이온 필요량을 기반으로 제 1 이온 및 제 3 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 제 1 농축액 주입량 산출부; 제 3 이온 : 제 4 이온 흡수비 기반으로 제 1 이온 및 제 4 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 제 2 농축액 주입량 산출부; 제 1 이온 및 제 3 이온 혼합 농축액 주입량과 상기 제 1 이온 및 제 4 이온 혼합 농축액 주입량에 의한 제 1 이온 보충량을 제외하였을 때 제 1 이온 필요량을 위해 요구되는 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 제 3 농축액 주입량 산출부; 상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량에 의하여 제 2 이온 필요량을 초과하는지 여부를 판단하는 제어부; 상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량에 의하여 제 2 이온 필요량을 초과하지 않는 경우, 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입에 의한 제 2 이온 보충량을 제외하였을 때 K 이온 필요량을 위해 요구되는 제 2 이온 농축액 주입량을 산출하는 제 4 농축액 주입량 산출부; 상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량 및/또는 상기 산출된 제 2 이온 농축액 주입량에 의하여 제 2 이온 필요량을 초과하는 경우, 제 1 이온 : 제 5 이온 흡수비 기반으로 제 5 이온 및 제 6 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 제 5 농축액 주입량 산출부; 제 1 이온 : 제 6 이온 흡수비 기반으로 투입된 제 6 이온 보충량을 계산하여 부족한 경우 암모늄 농축액 주입량을 산출하는 제 6 농축액 주입량 산출부;를 포함하고, 제 1 이온인 질산태 질소와 제 6 이온인 암모니아태 질소의 투입 비율이 자동적으로 유지되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 이온기반 양액 관리 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 순환식 수경재배 방식을 사용하는 식물재배 시스템에서 식물에 공급되는 양액 내 이온들의 농도 비율이 균형을 유지하도록 양액 내의 이온들을 자동적으로 보충할 수 있는 이온기반 양액 관리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근에 첨단 농업을 선도하며 각광받고 있는 기술 집약형 식물공장은 통제된 시설 내에서 인공적으로 환경을 제어하여 계절과 장소에 상관없이 식물을 연속적이고 안정적으로 생산할 수 있는 식물재배 시스템이다.
상기 식물재배 시스템은 일반적으로 순환식(closed) 수경재배 방식 또는 비순환식(open) 수경재배 방식으로 운영될 수 있는데, 비순환식(open) 수경재배 방식은 식물재배에 사용된 배액을 재사용하지 않고 새로운 양액을 계속 공급해야 하므로, 수량과 양액의 소모가 과다하여 식물재배를 위한 비용이 증가한다는 문제점이 있다.
순환식(closed) 수경재배 방식은 식물재배에 사용된 배액을 재사용하므로 수량과 양액의 소모를 저감할 수 있으나, 재사용되는 배액 내의 이온 조성비가 달라지므로 식물에 공급되는 양액 내의 이온 불균형이 유발되어 양액이 산성화되고 양액 내 염류 농축이 증가하므로 식물재배에 필요한 수량과 양액의 공급이 원활하게 이루어질 수 없다는 문제점이 있다.
순환식 수경재배 방식을 사용하는 식물재배 시스템은 외부 환경과 차단되어 통제된 시설 내 복층의 식물재배 구조물에서 식물을 재배하기 위해서 양액 내의 영양요소의 농도를 측정하여 영양요소들간의 농도 균형을 조절하는 것이 중요하다.
이러한 영양요소들은 양액 내에서 주로 이온으로 존재하므로 전기전도도(EC: Electrical Conductivity) 측정에 의하여 영양요소들의 농도를 추정하는 것이 가능한데, 이러한 EC 측정에 의한 농도 추정은 양액 내에 여러가지 이온이 존재하는 경우에는 각각의 이온별 농도 추정이 어려워 전체 이온 농도를 추정하여 조절하게 되므로 특정 이온의 감소와 이로 인한 다른 이온의 증가를 수반하는 경우에는 이온들간의 균형을 유지하는 것이 어렵다는 문제점이 있다.
또한 식물에 다양한 영양요소들을 공급하기 위하여 각각의 영양요소를 함유하는 양액을 개별적으로 보관하게 되면 각각의 영양요소별로 많은 수의 탱크들이 필요하고 이러한 많은 수의 탱크들로부터 양액을 식물에 자동적으로 공급하기 위해서는 시스템 및 방법이 너무 복잡해진다는 문제점이 있다.
등록특허공보 제10-1404666호는 식물공장형 양액 재배를 위한 휴대용 양액 분석장치에 관한 것으로서, 양액 내 개별 이온의 농도를 측정하기 위하여 기준전극을 중심으로 복수의 측정전극을 방사상으로 배치하고, 이온 선택성 멤브레인을 설치하여 개별 이온의 농도를 검출하고 측정할 수 있으나, 검출할 수 있는 이온의 수와 종류가 제한적이므로 나머지 다른 이온의 농도를 정확하게 검출할 수 없다는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2015-0056188호는 양액 공급 장치에 관한 것으로서, 식물공장에 순환되는 양액 내에 부족한 복수의 이온 각각의 농도를 측정하는 측정 센서의 세척 효율성을 높이고 여러 복합 비료가 동일한 이온을 포함하는 경우 각각의 복합 비료의 적절한 투입량을 보장하기 위하여 Ca, N, K 이온 필요량을 결정한 후 나머지 다른 이온의 필요량을 결정하고 있으나, 시간이 지날수록 특정 이온들의 농도 비율이 균형을 유지하지 못하여 식물재배에 필요한 수량과 양액의 공급이 원활하게 이루어질 수 없다는 문제점이 있다.
Myat Thaint Ko, Tae In Ahn, and Jung Eek Son, 25 February 2013, Comparisons of Ion Balance, Fruit Yield, Water, and Fertilizer Use Efficiencies in Open and Closed Soilless Culture of Paprika (Capsicum annuum L.)
양은영, 박금순, 오정심, 이혜진, 이용범, 2008. 10. 9., 순환식 수경재배시 무기이온 조절이 Single-Node cutting 장미의 양분흡수, 생육 및 품질에 미치는 영향
본 발명은 순환식 수경재배 방식을 사용하는 식물재배 시스템에서 식물에 공급되는 양액 내 이온들의 농도 비율이 균형을 유지하도록 양액 내의 이온들을 자동적으로 보충하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명의 다른 목적은 식물이 흡수하는 양액 내의 이온들 중에서 식물에 의한 흡수량이 많은 특정 이온과 상기 특정 이온에 비하여 식물에 의한 흡수량이 적은 다른 이온의 농도 비율이 서로 균형을 유지하도록 식물에 공급되는 양액 내의 이온들을 자동적으로 보충하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 식물에 의한 흡수비율이 서로 다른 이온들을 구분하고 식물에 의한 흡수비율이 서로 동일한 이온들을 함께 혼합하여 양액 농축액을 조성함으로써 양액 보관 탱크의 수를 최소화하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 시간이 지나더라도 특정 이온들의 농도 비율이 균형을 유지하여 식물재배에 필요한 수량과 양액의 공급이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 자동화된 설비를 사용하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 함량 성분의 변이가 다양한 유기질 액상 비료를 적용하는 양액을 경우에도 식물에 공급되는 양액 내 이온들의 농도 비율이 균형을 유지하도록 양액 내의 이온들을 자동적으로 보충하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 목적으로만 제한하지 아니하고, 위에서 명시적으로 나타내지 아니한 다른 기술적 과제는 이하 본 발명의 구성 및 작용을 통하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에서는, 상기 과제를 해결하기 위하여 이하의 구성을 포함한다.
본 발명은 이온 기반 양액 관리 시스템에 관한 것으로서, 식물 재배 구조물에서 사용된 후 배출된 배액을 공급받는 양액 공급부; 상기 양액 공급부로 공급된 배액 내에 함유된 제 1 이온, 제 2 이온, 제 3 이온 농도를 측정하는 농도 측정부; 상기 농도 측정부에서 측정된 이온 농도로부터 제 1 이온, 제 2 이온, 제 3 이온 필요량을 계산하는 이온 필요량 계산부; 제 3 이온 필요량을 기반으로 제 1 이온 및 제 3 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 제 1 농축액 주입량 산출부; 제 3 이온 : 제 4 이온 흡수비 기반으로 제 1 이온 및 제 4 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 제 2 농축액 주입량 산출부; 제 1 이온 및 제 3 이온 혼합 농축액 주입량과 상기 제 1 이온 및 제 4 이온 혼합 농축액 주입량에 의한 제 1 이온 보충량을 제외하였을 때 제 1 이온 필요량을 위해 요구되는 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 제 3 농축액 주입량 산출부; 상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량에 의하여 제 2 이온 필요량을 초과하는지 여부를 판단하는 제어부; 상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량에 의하여 제 2 이온 필요량을 초과하지 않는 경우, 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입에 의한 제 2 이온 보충량을 제외하였을 때 K 이온 필요량을 위해 요구되는 제 2 이온 농축액 주입량을 산출하는 제 4 농축액 주입량 산출부; 상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량 및/또는 상기 산출된 제 2 이온 농축액 주입량에 의하여 제 2 이온 필요량을 초과하는 경우, 제 1 이온 : 제 5 이온 흡수비 기반으로 제 5 이온 및 제 6 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 제 5 농축액 주입량 산출부; 제 1 이온 : 제 6 이온 흡수비 기반으로 투입된 제 6 이온 보충량을 계산하여 부족한 경우 암모늄 농축액 주입량을 산출하는 제 6 농축액 주입량 산출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 산출된 농축액 주입량 주입을 위한 펌프 구동 시간을 계산하는 펌프 구동 시간 계산부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 농도 측정부에서 농도를 측정하는 제 1 이온, 제 2 이온, 제 3 이온은 각각 NO3, K, Ca 이온인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 4 이온, 제 5 이온, 제 6 이온은 각각 Mg, PO4, NH4 이온인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 제 1 이온 및 제 3 이온 혼합 농축액을 보관하는 제 1 농축액 보관 탱크; 제 1 이온 및 제 4 이온 혼합 농축액을 보관하는 제 2 농축액 보관 탱크; 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액을 보관하는 제 3 농축액 보관 탱크; 제 2 이온 농축액을 보관하는 제 4 농축액 보관 탱크; 제 5 이온 및 제 6 이온 혼합 농축액을 보관하는 제 5 농축액 보관 탱크; 암모늄 농축액을 보관하는 제 6 농축액 보관 탱크;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 이온 기반 양액 관리 방법에 관한 것으로서, 양액 공급부로 공급된 배액 내에 함유된 제 1 이온, 제 2 이온, 제 3 이온 농도를 측정하는 단계; 상기 측정된 이온 농도로부터 제 1 이온, 제 2 이온, 제 3 이온 필요량을 계산하는 단계; 제 3 이온 필요량을 기반으로 제 1 이온 및 제 3 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 단계; 제 3 이온 : 제 4 이온 흡수비 기반으로 제 1 이온 및 제 4 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 단계; 제 1 이온 및 제 3 이온 혼합 농축액 주입량과 상기 제 1 이온 및 제 4 이온 혼합 농축액 주입량에 의한 제 1 이온 보충량을 제외하였을 때 제 1 이온 필요량을 위해 요구되는 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 단계; 상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량에 의하여 제 2 이온 필요량을 초과하는지 여부를 판단하는 단계; 상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량에 의하여 제 2 이온 필요량을 초과하지 않는 경우, 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입에 의한 제 2 이온 보충량을 제외하였을 때 K 이온 필요량을 위해 요구되는 제 2 이온 농축액 주입량을 산출하는 단계; 상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량 및/또는 상기 산출된 제 2 이온 농축액 주입량에 의하여 제 2 이온 필요량을 초과하는 경우, 제 1 이온 : 제 5 이온 흡수비 기반으로 제 5 이온 및 제 6 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 단계; 제 1 이온 : 제 6 이온 흡수비 기반으로 투입된 제 6 이온 보충량을 계산하여 부족한 경우 암모늄 농축액 주입량을 산출하는 단계; 산출된 농축액 주입량 주입을 위한 펌프 구동 시간을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 이온 기반 양액 관리 방법에 관한 것으로서, 양액 공급부로 공급된 배액 내에 함유된 NO3, K, Ca 이온 농도를 측정하는 단계; 상기 측정된 NO3, K, Ca 이온 농도로부터 NO3, K, Ca 이온 필요량을 계산하는 단계; Ca 이온 필요량을 기반으로 Ca(NO3)2 농축액 주입량을 산출하는 단계; Mg : Ca 흡수비 기반으로 MgNO3 및 미량요소 농축액 주입량을 산출하는 단계; 상기 Ca(NO3)2 농축액 주입량과 상기 MgNO3 및 미량요소 농축액 주입량에 의한 NO3 이온 보충량을 제외하였을 때 NO3 이온 필요량을 위해 요구되는 KNO3 농축액 주입량을 산출하는 단계; 상기 산출된 KNO3 농축액 주입량에 의하여 K 이온 필요량을 초과하는지 여부를 판단하는 단계; 상기 산출된 KNO3 농축액 주입량에 의하여 K 이온 필요량을 초과하지 않는 경우, KNO3 농축액 주입에 의한 K 이온 보충량을 제외하였을 때 K 이온 필요량을 위해 요구되는 K2SO4 농축액 주입량을 산출하는 단계; 상기 산출된 KNO3 농축액 주입량 및/또는 상기 산출된 K2SO4 농축액 주입량에 의하여 K 이온 필요량을 초과하는 경우, NO3 : PO4 흡수비 기반으로 NH4H2PO4 농축액 주입량을 산출하는 단계; NO3 : NH4 흡수비 기반으로 투입된 NH4 량을 계산하여 부족한 경우 암모늄 농축액 주입량을 산출하는 단계; 산출된 농축액 주입량 주입을 위한 펌프 구동 시간을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 이온 기반 양액 관리 방법을 실행시키기 위하여 기록매체에 저장된 컴퓨터프로그램인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 효과는 순환식 수경재배 방식을 사용하는 식물재배 시스템에서 식물에 공급되는 양액 내 이온들의 농도 비율이 균형을 유지하도록 양액 내의 이온들을 자동적으로 보충하는 것을 가능하게 하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 효과는 식물이 흡수하는 양액 내의 이온들 중에서 식물에 의한 흡수량이 많은 특정 이온과 상기 특정 이온에 비하여 식물에 의한 흡수량이 적은 다른 이온의 농도 비율이 서로 균형을 유지하도록 식물에 공급되는 양액 내의 이온들을 자동적으로 보충하는 것을 가능하게 하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 효과는 식물에 의한 흡수비율이 서로 다른 이온들을 구분하고 식물에 의한 흡수비율이 서로 동일한 이온들을 함께 혼합하여 양액 농축액을 조성함으로써 양액 보관 탱크의 수를 최소화하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 효과는 시간이 지나더라도 특정 이온들의 농도 비율이 균형을 유지하여 식물재배에 필요한 수량과 양액의 공급이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 자동화된 설비를 사용할 수 있도록 하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 효과는 함량 성분의 변이가 다양한 유기질 액상 비료를 적용하는 양액을 경우에도 식물에 공급되는 양액 내 이온들의 농도 비율이 균형을 유지하도록 양액 내의 이온들을 자동적으로 보충할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명에 의한 효과는 상기 효과로만 제한하지 아니하고, 위에서 명시적으로 나타내지 아니한 다른 효과는 이하 본 발명의 구성 및 작용을 통하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명인 이온 기반 양액 관리 시스템의 전체적인 구성도를 도시한다.
도 2는 본 발명인 이온 기반 양액 관리 시스템 내의 중앙 처리부의 구체적인 구성도를 도시한다.
도 3a, 도 3b는 본 발명인 이온 기반 양액 관리 방법의 전체적인 흐름도를 도시한다.
도 4는 종래의 이온 기반 양액 관리 방법의 전체적인 흐름도를 도시한다.
도 2는 본 발명인 이온 기반 양액 관리 시스템 내의 중앙 처리부의 구체적인 구성도를 도시한다.
도 3a, 도 3b는 본 발명인 이온 기반 양액 관리 방법의 전체적인 흐름도를 도시한다.
도 4는 종래의 이온 기반 양액 관리 방법의 전체적인 흐름도를 도시한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전체적인 구성 및 작용에 대해 설명하기로 한다. 이러한 실시예는 예시적인 것으로서 본 발명의 구성 및 작용을 제한하지는 아니하고, 실시예에서 명시적으로 나타내지 아니한 다른 구성 및 작용도 이하 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있는 경우는 본 발명의 기술적 사상으로 볼 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명인 이온 기반 양액 관리 시스템의 전체적인 구성도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 발명인 이온 기반 양액 관리 시스템은 제 1 내지 6 농축액 보관 탱크(110~160), 양액 공급부(200), 농도 측정부(300), 중앙 처리부(400), 배액 보관 탱크(500), 식물 재배 구조물(600), 원수 보관 탱크((700)를 포함하고 있다.
제 1 내지 6 농축액 보관 탱크(110~160)는 혼합 농축액을 보관하는 구성으로서, 제 1 이온 및 제 3 이온 혼합 농축액을 보관하는 제 1 농축액 보관 탱크(110), 제 1 이온 및 제 4 이온 혼합 농축액을 보관하는 제 2 농축액 보관 탱크(120), 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액을 보관하는 제 3 농축액 보관 탱크(130), 제 2 이온 농축액을 보관하는 제 4 농축액 보관 탱크(140), 제 5 이온 및 제 6 이온 혼합 농축액을 보관하는 제 5 농축액 보관 탱크(150), 암모늄 농축액을 보관하는 제 6 농축액 보관 탱크(160)를 포함할 수 있다.
제 1 내지 6 이온은 여러 가지 농축액에 혼합되어 존재할 수 있는데, 본 발명은 식물이 흡수하는 영양 요소의 비율과 영양 요소들간의 길항 작용을 고려하여 농축액 보관 탱크를 최소화하도록 제 1 내지 제 6 농축액을 보관하도록 구성하고 있다.
제 1 이온, 제 2 이온, 제 3 이온은 각각 NO3, K, Ca 이온으로서 상기 농도 측정부(300)에서 측정이 가능한 이온이고, 제 4 이온, 제 5 이온, 제 6 이온은 각각 Mg, PO4, NH4 이온으로서 상기 측정이 가능한 이온과 함께 식물의 흡수비로부터 계산되는 이온이다.
또한 제 1 농축액 보관 탱크(110)에는 제 1 이온 및 제 3 이온을 함유하는 혼합 농축액으로서 질산칼슘(Ca(NO3)2) 농축액이 보관되어 질산태 질소와 칼슘을 공급하게 된다.
제 2 농축액 보관 탱크(120)에는 제 1 이온 및 제 4 이온을 함유하는 혼합 농축액으로서 질산마그네슘(MgNO3)과 미량요소 농축액이 보관되어 제 1 이온인 질산태 질소, 제 4 이온인 마그네슘, 미량요소를 공급하게 된다.
제 3 농축액 보관 탱크(130)에는 제 1 이온 및 제 2 이온을 함유하는 혼합 농축액으로서 질산칼륨(KNO3) 농축액이 보관되어 제 1 이온인 질산태 질소와 제 2 이온인 칼륨을 공급하게 된다.
제 4 농축액 보관 탱크(140)에는 제 2 이온 농축액으로서 황산칼륨(K2SO4) 농축액이 보관되어 제 2 이온인 칼륨을 공급하게 된다.
제 5 농축액 보관 탱크(150)에는 제 5 이온 및 제 6 이온을 함유하는 혼합 농축액으로서 제일인산암모늄(NH4H2PO4) 농축액이 보관되어, 제 5 이온인 인산과 제 6 이온인 암모니아태 질소를 공급하게 된다.
제 6 농축액 보관 탱크(160)에는 암모늄 농축액으로서 제 6 이온인 암모니아태 질소를 공급하게 되며, 황산암모늄, 요소 등을 사용할 수 있다.
상기 양액 공급부(200)는 제 1 내지 6 농축액 보관 탱크로부터 농축액을 공급받아서 배액 내의 잔류 이온들의 균형을 유지할 수 있도록 하는 구성으로서, 도면에 도시된 바는 없으나 제 1 내지 6 농축액 보관 탱크로부터 상기 양액 공급부(200)로 농축액을 적절하게 공급하기 위하여 펌프의 구동 시간에 따라 제 1 내지 6 농축액 보관 탱크로부터 공급되는 농축액의 양이 조절되어 배액 내의 잔류 이온들의 균형을 유지할 수 있도록 한다. 상기 펌프의 구동 시간은 상기 중앙 처리부(400)에서 제어하게 되며, 좀 더 구체적인 설명은 아래에서 한다.
상기 농도 측정부(300)는 상기 양액 공급부(120)로부터 배액의 일부를 공급받아 배액 내에 포함된 제 1 내지 제 3 이온인 NO3, K, Ca 이온 농도를 측정할 수 있으며, 이온 농도의 측정은 전기전도도(EC: Electrical Conductivity) 측정에 의하여 수행되고, 이러한 EC 측정에 의한 농도 측정은 배액 내에 여러가지 이온이 존재하는 경우에는 각각의 이온별 농도 측정이 어려우므로, 기준전극을 중심으로 복수의 측정 전극을 방사상으로 배치하고, NO3, K, Ca 이온 선택성 멤브레인을 설치하여 개별 이온의 농도를 검출하여 측정하게 된다.
상기 농도 측정부(300)에서 배액 내에 존재하는 이온 농도를 측정하는데 상용된 상기 배액의 일부는 배액 보관 탱크(500)로 배출될 수 있다.
상기 중앙 처리부(400)는 상기 농도 측정부(300)로부터 각각의 이온별 농도 측정 결과를 받아서 제 1 내지 6 농축액 보관 탱크로부터 상기 양액 공급부(200)로 농축액을 적절하게 공급하기 위하여 펌프의 구동 시간을 계산하고 이에 따라 제 1 내지 6 농축액 보관 탱크로부터 공급되는 농축액의 양이 조절될 수 있도록 한다.
상기 배액 보관 탱크(500)에는 상기 식물 재배 구조물(600)에서 사용된 후 배출되는 배액이 보관되고, 상기 식물 재배 구조물(600)은 순환식 수경 재배 방식이 사용되어 양액 사용된 후 배출되는 배액이 상기 배액 보관 탱크(500)로부터 다시 양액 공급부(200)로 공급되어 재사용될 수 있도록 한다.
상기 원수 보관 탱크(700)에는 상기 식물 재배용 구조물(600)에 공급되는 여러 가지 영양분이 기설정된 농도로 혼합되어 보관되고, 상기 양액 공급부(200)로 공급되는 배액이 부족한 경우 상기 원수 보관 탱크(700)로부터 원수가 상기 양액 공급부(200)로 공급될 수 있다.
도 2는 본 발명인 이온 기반 양액 관리 시스템 내의 중앙 처리부의 구체적인 구성도를 도시하고, 도 3a, 도 3b는 본 발명인 이온 기반 양액 관리 방법의 전체적인 흐름도를 도시한다.
도 2, 도 3a, 도 3b를 참조하면, 본 발명의 중앙 처리부(400)는 이온 필요량 계산부(410), 제 1 내지 제 6 농축액 주입량 산출부(421 ~ 426), 펌프 구동 시간 계산부(430), 펌프 구동부(440), 제어부(450), 저장부(460)를 포함할 수 있다.
먼저, 식물이 흡수하는 영양요소의 비율과 영양요소들간의 길항작용을 고려하여 양약 공급부(200)에서 식물 재배 구조물(600)로 공급되도록 목표로 하는 양액 내의 이온 농도(, , )가 결정될 수 있다.
특히, 제 1 이온, 제 2 이온, 제 3 이온인 NO3, K, Ca 이온의 농도가 결정되고, 식물 재배 구조물(600)에서 사용된 후 배출된 배액을 상기 양액 공급부(200)에서 공급받고, 농도 측정부(300)는 상기 양액 공급부(200)로 공급된 배액 내에 함유된 제 1 이온, 제 2 이온, 제 3 이온 농도를 측정한다.
상기 이온 필요량 계산부(410)는 상기 농도 측정부(300)에서 측정된 이온 농도(, , )로부터 제 1 이온, 제 2 이온, 제 3 이온 필요량(, , )을 다음의 [수학식 1]로 계산한다.
여기서, , , 는 사용자에 의해서 입력되는 값으로서 식물이 흡수하는 영양요소의 비율과 영양요소들간의 길항작용을 고려하여 결정되는 목표값이고, , , 는 상기 농도 측정부(300)에서 측정된 제 1 이온, 제 2 이온, 제 3 이온 농도값이며, 는 사용자가 입력하는 상수값으로서 상기 양액 공급부(200)에서 상기 식물 재배 구조물(600)로 공급되는 양액의 양이다.
제 1 농축액 주입량 산출부(421)는 제 3 이온 필요량()을 기반으로 제 1 이온 및 제 3 이온 혼합 농축액 주입량()을 산출하고, 제 2 농축액 주입량 산출부(422)는 제 3 이온 : 제 4 이온 흡수비()를 기반으로 제 1 이온 및 제 4 이온(Mg 이온) 혼합 농축액(질산마그네슘(MgNO3)과 미량요소 농축액) 주입량()을 산출하며, 제 3 농축액 주입량 산출부(423)는 제 1 이온 및 제 3 이온 혼합 농축액 주입량과 상기 제 1 이온 및 제 4 이온 혼합 농축액 주입량에 의한 제 1 이온 보충량을 제외하였을 때 제 1 이온 필요량을 위해 요구되는 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량()을 산출하며, 이는 다음의 [수학식 2]로 나타낼 수 있다.
여기서, , , 는 각각 제 1 농축액, 제 2 농축액, 제 3 농축액의 농도이고, 는 제 3 이온에 대한 제 4 이온의 흡수비이다.
상기 제어부(450)는 상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량()에 의하여 제 2 이온 필요량()을 초과하는지 여부를 판단한다.
제 4 농축액 주입량 산출부(424)는 상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량()에 의하여 제 2 이온 필요량()을 초과하지 않는 경우, 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입에 의한 제 2 이온 보충량을 제외하였을 때 K 이온 필요량을 위해 요구되는 제 2 이온 농축액 주입량을 산출하며, 이는 다음의 [수학식 3]으로 나타낼 수 있다.
여기서, 는 제 4 농축액의 농도이다.
제 5 농축액 주입량 산출부(425)는 상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량() 및/또는 상기 산출된 제 2 이온 농축액 주입량에 의하여 제 2 이온 필요량을 초과하는 경우, 제 1 이온 : 제 5 이온(PO4 이온) 흡수비() 기반으로 제 5 이온(H2PO4 이온) 및 제 6 이온(NH4 이온) 혼합 농축액 주입량(제일인산암모늄(NH4H2PO4) 농축액)을 산출하고, 제 6 농축액 주입량 산출부(426)는 제 1 이온 : 제 6 이온(NH4 이온) 흡수비() 기반으로 투입된 제 6 이온(NH4 이온) 보충량을 계산하여 부족한 경우 암모늄 농축액((NH4)2SO4) 주입량을 산출한다.
여기서, , 는 각각 제 5 농축액, 제 6 농축액의 농도이고, 는 제 1 이온에 대한 제 5 이온의 흡수비이며, 는 제 1 이온에 대한 제 6 이온의 흡수비이다.
제 5 농축액 보관 탱크(150)에는 제 5 이온 및 제 6 이온을 함유하는 혼합 농축액으로서 제일인산암모늄(NH4H2PO4) 농축액이 보관되어, 제 5 이온인 인산과 제 6 이온인 암모니아태 질소를 공급하게 된다.
제 6 농축액 보관 탱크(160)에는 암모늄 농축액이 보관되어 제 6 이온인 암모니아태 질소를 공급하게 된다.
또한 본 발명은 이온 기반 양액 관리 방법을 실행시키기 위하여 기록매체에 저장된 컴퓨터프로그램일 수 있다.
도 4는 종래의 이온 기반 양액 관리 방법의 전체적인 흐름도를 도시한다.
도 4를 참조하면, 질소, 칼륨, 칼슘 이온 필요량에 따라 나머지 이온들의 필요량을 결정하여 농축액 주입량을 산출하고 있으나, 이러한 종래의 이온 기반 양액 관리 방법에 따르면 여전히 특정 이온의 감소와 다른 특정 이온의 증가가 발생하여 이온 기반 양액 관리를 자동적으로 수행할 수 없고, 질산태 질소와 암모니아태 질소의 투입 비율을 고려하지 아니하여 식물 재배 구조물에 투입되는 양액 내 이온의 균형이 유지되지 못하게 된다.
그러나, 종래의 이온 기반 양액 관리 방법과는 달리 본 발명에서는 이온 기반 양액 관리를 자동적으로 수행하더라도 특정 이온의 감소와 다른 특정 이온의 증가가 최소화되고 질산태 질소와 암모니아태 질소의 투입 비율도 자동적으로 유지할 수 있다.
110 ~ 160: 제 1 ~ 제 6 농축액 보관 탱크
200: 양액 공급부
300: 농도 측정부
400: 중앙 처리부
410: 이온 필요량 계산수
421 ~ 426: 제 1 ~ 제 6 농축액 주입량 산출부
430: 펌프 구동 시간 계산부
440: 펌프 구동부
450: 제어부
460: 저장부
500: 배액 보관 탱크
600: 식물 재배 구조물
700: 원수 보관 탱크
200: 양액 공급부
300: 농도 측정부
400: 중앙 처리부
410: 이온 필요량 계산수
421 ~ 426: 제 1 ~ 제 6 농축액 주입량 산출부
430: 펌프 구동 시간 계산부
440: 펌프 구동부
450: 제어부
460: 저장부
500: 배액 보관 탱크
600: 식물 재배 구조물
700: 원수 보관 탱크
Claims (8)
- 이온 기반 양액 관리 시스템에 있어서,
식물 재배 구조물에서 사용된 후 배출된 배액을 공급받는 양액 공급부;상기 양액 공급부로 공급된 배액 내에 함유된 제 1 이온, 제 2 이온, 제 3 이온 농도를 측정하는 농도 측정부;
상기 농도 측정부에서 측정된 이온 농도로부터 제 1 이온, 제 2 이온, 제 3 이온 필요량을 계산하는 이온 필요량 계산부;
제 3 이온 필요량을 기반으로 제 1 이온 및 제 3 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 제 1 농축액 주입량 산출부;
제 3 이온 : 제 4 이온 흡수비 기반으로 제 1 이온 및 제 4 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 제 2 농축액 주입량 산출부;
제 1 이온 및 제 3 이온 혼합 농축액 주입량과 상기 제 1 이온 및 제 4 이온 혼합 농축액 주입량에 의한 제 1 이온 보충량을 제외하였을 때 제 1 이온 필요량을 위해 요구되는 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 제 3 농축액 주입량 산출부;
상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량에 의하여 제 2 이온 필요량을 초과하는지 여부를 판단하는 제어부;
상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량에 의하여 제 2 이온 필요량을 초과하지 않는 경우, 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입에 의한 제 2 이온 보충량을 제외하였을 때 K 이온 필요량을 위해 요구되는 제 2 이온 농축액 주입량을 산출하는 제 4 농축액 주입량 산출부;
상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량 및/또는 상기 산출된 제 2 이온 농축액 주입량에 의하여 제 2 이온 필요량을 초과하는 경우, 제 1 이온 : 제 5 이온 흡수비 기반으로 제 5 이온 및 제 6 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 제 5 농축액 주입량 산출부;
제 1 이온 : 제 6 이온 흡수비 기반으로 투입된 제 6 이온 보충량을 계산하여 부족한 경우 암모늄 농축액 주입량을 산출하는 제 6 농축액 주입량 산출부;를 포함하고,
제 1 이온인 질산태 질소와 제 6 이온인 암모니아태 질소의 투입 비율이 자동적으로 유지되는 것을 특징으로 하는 이온 기반 양액 관리 시스템.
- 제 1 항에 있어서,산출된 농축액 주입량 주입을 위한 펌프 구동 시간을 계산하는 펌프 구동 시간 계산부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 기반 양액 관리 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 농도 측정부에서 농도를 측정하는 제 1 이온, 제 2 이온, 제 3 이온은 각각 NO3, K, Ca 이온인 것을 특징으로 하는 이온 기반 양액 관리 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
제 4 이온, 제 5 이온, 제 6 이온은 각각 Mg, PO4, NH4 이온인 것을 특징으로 하는 이온 기반 양액 관리 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
제 1 이온 및 제 3 이온 혼합 농축액을 보관하는 제 1 농축액 보관 탱크;
제 1 이온 및 제 4 이온 혼합 농축액을 보관하는 제 2 농축액 보관 탱크;
제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액을 보관하는 제 3 농축액 보관 탱크;
제 2 이온 농축액을 보관하는 제 4 농축액 보관 탱크;
제 5 이온 및 제 6 이온 혼합 농축액을 보관하는 제 5 농축액 보관 탱크;
암모늄 농축액을 보관하는 제 6 농축액 보관 탱크;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 기반 양액 관리 시스템.
- 이온 기반 양액 관리 방법에 있어서,
양액 공급부로 공급된 배액 내에 함유된 제 1 이온, 제 2 이온, 제 3 이온 농도를 측정하는 단계;
상기 측정된 이온 농도로부터 제 1 이온, 제 2 이온, 제 3 이온 필요량을 계산하는 단계;
제 3 이온 필요량을 기반으로 제 1 이온 및 제 3 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 단계;
제 3 이온 : 제 4 이온 흡수비 기반으로 제 1 이온 및 제 4 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 단계;
제 1 이온 및 제 3 이온 혼합 농축액 주입량과 상기 제 1 이온 및 제 4 이온 혼합 농축액 주입량에 의한 제 1 이온 보충량을 제외하였을 때 제 1 이온 필요량을 위해 요구되는 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 단계;
상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량에 의하여 제 2 이온 필요량을 초과하는지 여부를 판단하는 단계;
상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량에 의하여 제 2 이온 필요량을 초과하지 않는 경우, 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입에 의한 제 2 이온 보충량을 제외하였을 때 K 이온 필요량을 위해 요구되는 제 2 이온 농축액 주입량을 산출하는 단계;
상기 산출된 제 1 이온 및 제 2 이온 혼합 농축액 주입량 및/또는 상기 산출된 제 2 이온 농축액 주입량에 의하여 제 2 이온 필요량을 초과하는 경우, 제 1 이온 : 제 5 이온 흡수비 기반으로 제 5 이온 및 제 6 이온 혼합 농축액 주입량을 산출하는 단계;
제 1 이온 : 제 6 이온 흡수비 기반으로 투입된 제 6 이온 보충량을 계산하여 부족한 경우 암모늄 농축액 주입량을 산출하는 단계;
산출된 농축액 주입량 주입을 위한 펌프 구동 시간을 계산하는 단계;를 포함하고,
제 1 이온인 질산태 질소와 제 6 이온인 암모니아태 질소의 투입 비율이 자동적으로 유지되는 것을 특징으로 하는 이온 기반 양액 관리 방법.
- 이온 기반 양액 관리 방법에 있어서,
양액 공급부로 공급된 배액 내에 함유된 NO3, K, Ca 이온 농도를 측정하는 단계;
상기 측정된 NO3, K, Ca 이온 농도로부터 NO3, K, Ca 이온 필요량을 계산하는 단계;
Ca 이온 필요량을 기반으로 Ca(NO3)2 농축액 주입량을 산출하는 단계;
Mg : Ca 흡수비 기반으로 MgNO3 및 미량요소 농축액 주입량을 산출하는 단계;
상기 Ca(NO3)2 농축액 주입량과 상기 MgNO3 및 미량요소 농축액 주입량에 의한 NO3 이온 보충량을 제외하였을 때 NO3 이온 필요량을 위해 요구되는 KNO3 농축액 주입량을 산출하는 단계;
상기 산출된 KNO3 농축액 주입량에 의하여 K 이온 필요량을 초과하는지 여부를 판단하는 단계;
상기 산출된 KNO3 농축액 주입량에 의하여 K 이온 필요량을 초과하지 않는 경우, KNO3 농축액 주입에 의한 K 이온 보충량을 제외하였을 때 K 이온 필요량을 위해 요구되는 K2SO4 농축액 주입량을 산출하는 단계;
상기 산출된 KNO3 농축액 주입량 및/또는 상기 산출된 K2SO4 농축액 주입량에 의하여 K 이온 필요량을 초과하는 경우, NO3 : PO4 흡수비 기반으로 NH4H2PO4 농축액 주입량을 산출하는 단계;
NO3 : NH4 흡수비 기반으로 투입된 NH4 량을 계산하여 부족한 경우 암모늄 농축액 주입량을 산출하는 단계;
산출된 농축액 주입량 주입을 위한 펌프 구동 시간을 계산하는 단계;를 포함하고,
제 1 이온인 질산태 질소와 제 6 이온인 암모니아태 질소의 투입 비율이 자동적으로 유지되는 것을 특징으로 하는 이온 기반 양액 관리 방법.
- 제 6 항 또는 제 7 항의 이온 기반 양액 관리 방법을 실행시키기 위하여 기록매체에 저장된 컴퓨터프로그램.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020210022890A KR102564683B1 (ko) | 2021-02-19 | 2021-02-19 | 이온기반 양액 관리 시스템 및 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210022890A KR102564683B1 (ko) | 2021-02-19 | 2021-02-19 | 이온기반 양액 관리 시스템 및 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220118867A KR20220118867A (ko) | 2022-08-26 |
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Family
ID=83113316
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020210022890A KR102564683B1 (ko) | 2021-02-19 | 2021-02-19 | 이온기반 양액 관리 시스템 및 방법 |
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-
2021
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| KR20220118867A (ko) | 2022-08-26 |
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