KR102576048B1 - 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템 및 방법 - Google Patents

양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 시설 원예 시스템은, 수경 양액 열교환기와 수경 양액 탱크를 연결하는 유로에 수경 양액을 주 유동으로 분출하고 산소를 포함한 공기를 부 유동으로 흡인하는 이젝터를 구비하고, 이젝터의 공기 유로에 공기 조절 밸브가 구비됨으로써, 수경 재배부로 공급되는 수경 양액의 온도 뿐만 아니라 수경 양액에 포함된 산소 농도까지 조절할 수 있으므로, 최적의 생육 환경을 조성할 수 있는 이점이 있다. 또한, 기계 학습된 인공 신경망 모델을 이용하여, 수경 양액의 온도나 실내 온도가 동일한 조건에서 작물의 성장률이 최대가 될 수 있는 최적의 산소 농도를 도출할 수 있으므로, 수경 재배하는 작물의 성장에 매우 효율적이다.

Description

양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템 및 방법{Greenhouse horticulture system that adjusts and supplies oxygen concentration of the nutrient solution and operating method thereof}
본 발명은 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수경 재배부에 공급되는 수경 양액의 산소 농도를 작물의 성장률을 최대화시킬 수 있는 최적의 농도로 조절할 수 있는 시설 원예 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 시설 원예는 온실이나 비닐하우스를 이용하여 채소, 꽃, 과수 등의 작물을 재배하는 것을 의미한다. 이러한 시설 원예는 온실이나 비닐하우스 등과 같은 시설물을 건축하고 작물 재배 환경을 인위적으로 조절해야 하므로 자본 집약적인 면이 있으나, 작물 재배에 중요한 수분, 온도, 영양분 등을 조절할 수 있으므로 출하시기를 조절하고 생육기간을 연중으로 연장할 수도 있는 장점이 있다.
종래의 첨단형 시설 원예는, 시설물 내 재배 공간 전체를 일괄적으로 냉,난방시키는 방식이 사용되어 왔다. 그러나, 시설물 내부 전체를 냉,난방 시키는 경우, 시설비와 운영비가 많이 발생하며, 이 때 발생하는 연료의 사용은 온난화를 증가시키는 문제점이 있다. 또한, 외기 온도에만 의존하여 시설물 내부의 냉,난방 온도를 조절할 경우, 배지에서 생육하는 작물의 뿌리 등 생육 온도에 민감한 국소부위가 과열 또는 과냉되어, 수분과 양분 흡수가 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-0407075호
본 발명의 목적은, 재배하는 작물에 적합한 산소 농도를 가지는 양액을 공급하여, 작물의 성장률을 향상시킬 수 있는 시설 원예 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템은, 시설물의 내부에 배치되어, 양액에서 작물을 재배하는 수경 재배부와; 상기 시설물의 외부 공기 또는 지중의 열원을 이용하여 냉온수를 생성하는 히트펌프와; 상기 히트펌프에서 생성된 냉온수를 저장하는 축열조와; 상기 수경 재배부의 양액 베드에 공급하기 위한 수경 양액이 저장된 수경 양액 탱크와; 상기 축열조와 상기 수경 양액 탱크 사이에 구비되어, 상기 축열조에서 나온 냉온수 중 일부와 상기 수경 양액 탱크에서 나온 수경 양액을 열교환시켜, 상기 수경 양액의 온도를 조절하기 위한 수경 양액 열교환기와; 상기 수경 양액 탱크와 상기 수경 양액 열교환기의 입구를 연결하여, 상기 수경 양액 탱크에서 나온 수경 양액을 상기 수경 양액 열교환기로 안내하는 제1수경 양액 축열유로와; 상기 수경 양액 열교환기의 출구와 상기 수경 양액 탱크를 연결하여, 상기 수경 양액 열교환기에서 축열되어 나온 수경 양액을 상기 수경 양액 탱크로 안내하는 제2수경 양액 축열유로와; 상기 제2수경 양액 축열유로 상에 설치되어, 상기 수경 양액 열교환기에서 나온 수경 양액을 주 유동으로 분출하고, 산소를 포함한 공기를 부 유동으로 흡인하여, 상기 수경 양액에 상기 공기를 혼합시켜 분사하는 이젝터와; 상기 이젝터에 연결된 공기 유로에 설치되어, 상기 이젝터로 흡인되는 공기의 유량을 단속하는 공기 조절 밸브와; 상기 수경 양액 탱크에 설치되어, 상기 수경 양액 탱크 내에 저장된 수경 양액의 산소 농도를 측정하는 수경 양액 산소 농도 센서와; 상기 수경 양액 산소 농도 센서에서 측정된 산소 농도에 따라 상기 공기 조절 밸브의 개도를 제어하여, 상기 수경 양액에 혼합되는 공기의 유량을 조절하여, 수경 양액의 산소 농도를 조절하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템은, 시설물의 내부에 배치되어, 배지에서 작물을 재배하는 배지경 재배부와; 상기 시설물의 외부 공기 또는 지중의 열원을 이용하여 냉온수를 생성하는 히트펌프와; 상기 히트펌프에서 생성된 냉온수를 저장하는 축열조와; 상기 배지경 재배부의 배지 베드에 공급하기 위한 배지경 양액이 저장된 배지경 양액 탱크와; 상기 축열조와 상기 배지경 양액 탱크 사이에 구비되어, 상기 축열조에서 나온 냉온수 중 일부와 상기 배지경 양액 탱크에서 나온 배지경 양액을 열교환시켜, 상기 배지경 양액의 온도를 조절하기 위한 배지경 양액 열교환기와; 상기 배지경 양액 탱크와 상기 배지경 양액 열교환기의 입구를 연결하여, 상기 배지경 양액 탱크에서 나온 배지경 양액을 상기 배지경 양액 열교환기로 안내하는 제1배지경 양액 축열유로와; 상기 배지경 양액 열교환기의 출구와 상기 배지경 양액 탱크를 연결하여, 상기 배지경 양액 열교환기에서 축열되어 나온 배지경 양액을 상기 배지경 양액 탱크로 안내하는 제2배지경 양액 축열유로와; 상기 제2배지경 양액 축열유로 상에 설치되어, 상기 배지경 양액 열교환기에서 나온 배지경 양액을 주 유동으로 분출하고, 산소를 포함한 공기를 부 유동으로 흡인하여, 상기 배지경 양액에 상기 공기를 혼합시켜 분사하는 이젝터와; 상기 이젝터에 연결된 공기 유로에 설치되어, 상기 이젝터로 흡인되는 공기의 유량을 단속하는 공기 조절 밸브와; 상기 배지경 양액 탱크에 설치되어, 상기 배지경 양액 탱크 내에 저장된 배지경 양액의 산소 농도를 측정하는 배지경 양액 산소 농도 센서와; 상기 배지경 양액 산소 농도 센서에서 측정된 산소 농도에 따라 상기 공기 조절 밸브의 개도를 제어하여, 상기 배지경 양액에 혼합되는 공기의 유량을 조절하여, 배지경 양액의 산소 농도를 조절하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템은, 시설물의 내부에 배치되어, 양액에서 작물을 재배하는 수경 재배부와; 상기 시설물의 외부 공기 또는 지중의 열원을 이용하여 냉온수를 생성하는 히트펌프와; 상기 히트펌프에서 생성된 냉온수를 저장하는 축열조와; 상기 수경 재배부의 양액 베드에 공급하기 위한 수경 양액이 저장된 수경 양액 탱크와; 상기 축열조와 상기 수경 양액 탱크 사이에 구비되어, 상기 축열조에서 나온 냉온수 중 일부와 상기 수경 양액 탱크에서 나온 수경 양액을 열교환시켜, 상기 수경 양액의 온도를 조절하기 위한 수경 양액 열교환기와; 상기 수경 양액 열교환기에서 축열된 수경 양액을 상기 수경 양액 탱크로 안내하는 수경 양액 탱크 공급유로와; 상기 수경 양액 탱크 공급유로 상에 설치되어, 상기 수경 양액 열교환기에서 나온 수경 양액을 주 유동으로 분출하고, 산소를 포함한 공기를 부 유동으로 흡인하여, 상기 수경 양액에 상기 공기를 혼합시켜 분사하는 이젝터와; 상기 이젝터에 연결된 공기 유로에 설치되어, 상기 이젝터로 흡인되는 공기의 유량을 단속하는 공기 조절 밸브와; 상기 수경 양액 탱크에 설치되어, 상기 수경 양액 탱크 내에 저장된 수경 양액의 산소 농도를 측정하는 수경 양액 산소 농도 센서와; 상기 공기 조절 밸브의 개도를 제어하여, 상기 수경 양액에 혼합되는 공기의 유량을 조절하여, 수경 양액의 산소 농도를 조절하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 미리 설정된 설정 기간 동안 수집된 수경 양액의 온도, 수경 양액의 산소 농도, 상기 시설물의 실내 온도 및 작물의 성장 단계를 입력 변수로 하고, 작물의 성장률을 출력 변수로 하여 기계 학습된 인공 신경망 모델을 이용하여, 상기 작물의 성장률이 최대가 되는 수경 양액의 산소 농도를 도출하여 산소 농도 목표값으로 설정하고, 상기 수경 양액 산소 농도 센서에서 측정된 산소 농도가 상기 산소 농도 목표값이 되도록 상기 공기 조절 밸브의 개도를 제어한다.
상기 제어부는, 상기 인공 신경망 모델에 실시간으로 측정된 수경 양액의 온도, 실내 온도, 작물의 성장 단계를 포함한 측정 데이터를 입력하고, 수경 양액의 산소 농도는 설정 범위내에서 변화시키면서 입력하여, 상기 인공 신경망 모델로부터 상기 산소 농도에 따라 다른 상기 작물의 성장률을 계산하고, 상기 작물의 성장률이 최대가 되는 산소 농도를 상기 산소 농도 목표값으로 설정한다.
상기 수경 양액 탱크에 설치되어, 상기 수경 양액 탱크 내에 저장된 수경 양액의 온도를 측정하는 수경 양액 온도 센서를 더 포함한다.
상기 시설물의 내부에 설치되어, 상기 시설물의 실내 온도를 측정하는 실내 온도 센서를 더 포함한다.
상기 시설물의 내부에 설치되어, 상기 작물의 성장률을 측정하는 성장률 센서를 더 포함한다.
상기 성장률 센서는, 상기 시설물의 내부에 설치되어, 상기 작물의 생장 길이와 생장 볼륨 중 적어도 하나를 측정하는 광센서를 포함한다.
상기 시설물의 내부에 설치되어, 상기 작물의 성장률을 측정하는 성장률 센서를 더 포함하고, 상기 작물의 성장 단계는, 상기 성장률 센서에서 측정된 상기 작물의 성장률에 따라 다르게 구분되어 설정된다.
상기 시설물의 내부에 배치되어, 배지에서 작물을 재배하는 배지경 재배부와, 상기 배지경 재배부의 배지 베드에 공급하기 위한 배지경 양액이 저장된 배지경 양액 탱크와, 상기 축열조와 상기 배지경 양액 탱크 사이에 구비되어, 상기 축열조에서 나온 냉온수 중 일부와 상기 배지경 양액 탱크에서 나온 배지경 양액을 열교환시켜, 상기 배지경 양액의 온도를 조절하기 위한 배지경 양액 열교환기와, 상기 배지경 양액 탱크와 상기 배지경 양액 열교환기의 입구를 연결하여, 상기 배지경 양액 탱크에서 나온 배지경 양액을 상기 배지경 양액 열교환기로 안내하는 제1배지경 양액 축열유로와, 상기 배지경 양액 열교환기의 출구와 상기 배지경 양액 탱크를 연결하여, 상기 배지경 양액 열교환기에서 축열되어 나온 배지경 양액을 상기 배지경 양액 탱크로 안내하는 제2배지경 양액 축열유로와, 상기 제2배지경 양액 축열유로 상에 설치되어, 상기 배지경 양액 열교환기에서 나온 배지경 양액을 주 유동으로 분출하고, 산소를 포함한 공기를 부 유동으로 흡인하여, 상기 배지경 양액에 상기 공기를 혼합시켜 분사하는 배지경 이젝터와, 상기 배지경 이젝터에 연결된 공기 유로에 설치되어, 상기 배지경 이젝터로 흡인되는 공기의 유량을 단속하는 배지경 공기 조절 밸브와, 상기 배지경 양액 탱크에 설치되어, 상기 배지경 양액 탱크 내에 저장된 배지경 양액의 산소 농도를 측정하는 배지경 양액 산소 농도 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 배지경 양액 산소 농도 센서에서 측정된 산소 농도에 따라 상기 배지경 공기 조절 밸브의 개도를 제어하여, 상기 배지경 양액에 혼합되는 공기의 유량을 조절하여, 배지경 양액의 산소 농도를 조절한다.
본 발명에 따른 시설 원예 시스템의 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 방법에 있어서, 상기 시설 원예 시스템은, 시설물의 내부에 배치되어, 양액에서 작물을 재배하는 수경 재배부와, 상기 시설물의 외부 공기 또는 지중의 열원을 이용하여 냉온수를 생성하는 히트펌프와, 상기 히트펌프에서 생성된 냉온수를 저장하는 축열조와, 상기 수경 재배부의 양액 베드에 공급하기 위한 수경 양액이 저장된 수경 양액 탱크와, 상기 축열조와 상기 수경 양액 탱크 사이에 구비되어, 상기 축열조에서 나온 냉온수 중 일부와 상기 수경 양액 탱크에서 나온 수경 양액을 열교환시켜, 상기 수경 양액의 온도를 조절하기 위한 수경 양액 열교환기와, 상기 수경 양액 열교환기에서 축열된 수경 양액을 상기 수경 양액 탱크로 안내하는 수경 양액 탱크 공급유로와, 상기 수경 양액 탱크 공급유로 상에 설치되어, 상기 수경 양액 열교환기에서 나온 수경 양액을 주 유동으로 분출하고, 산소를 포함한 공기를 부 유동으로 흡인하여, 상기 수경 양액에 상기 공기를 혼합시켜 분사하는 이젝터와, 상기 이젝터에 연결된 공기 유로에 설치되어, 상기 이젝터로 흡인되는 공기의 유량을 단속하는 공기 조절 밸브와, 상기 수경 양액 탱크에 설치되어, 상기 수경 양액 탱크 내에 저장된 수경 양액의 산소 농도를 측정하는 수경 양액 산소 농도 센서와, 상기 공기 조절 밸브의 개도를 제어하여, 상기 수경 양액에 혼합되는 공기의 유량을 조절하여, 수경 양액의 산소 농도를 조절하는 제어부를 포함하고, 상기 방법은, 상기 제어부가 상기 수경 양액 탱크에 저장된 수경 양액의 온도와 산소 농도, 상기 시설물의 실내 온도 및 상기 수경 재배부에서 재배되는 작물의 성장 단계를 입력 변수로 하고, 작물의 성장률을 출력 변수로 하여, 인공 신경망 모델을 학습하는 인공 신경망 모델 학습 단계와; 상기 인공 신경망 모델에 실시간으로 측정된 수경 양액의 온도, 실내 온도, 작물의 성장 단계를 포함한 측정 데이터를 입력하고, 수경 양액의 산소 농도는 설정 범위내에서 변화시키면서 입력하여, 상기 산소 농도에 따라 다른 작물의 성장률을 계산하는 작물 성장률 계산 단계와; 상기 작물의 성장률이 최대가 되는 산소 농도를 도출하여 산소 농도 목표값으로 설정하는 산소 농도 목표값 설정 단계와; 상기 수경 양액 탱크에 공급되는 공기 중 산소 농도가 상기 산소 농도 목표값이 되도록 상기 수경 양액 탱크에 공급되는 공기의 유량을 조절하는 공기 유량 조절 단계를 포함한다.
상기 수경 양액의 온도는, 상기 수경 양액 탱크에 설치된 수경 양액 온도 센서에서 측정되고, 상기 실내 온도는, 상기 시설물의 내부에 설치된 실내 온도 센서에서 측정된다.
상기 작물의 성장률은, 상기 시설물의 내부에 설치된 성장률 센서에서 측정된다.
상기 작물의 성장 단계는, 상기 성장률 센서에서 측정된 상기 작물의 성장률에 따라 다르게 설정된다.
상기 공기 유량 조절 단계는, 상기 수경 양액 산소 농도 센서에서 측정된 산소 농도가 상기 산소 농도 목표값이 되도록 상기 공기 조절 밸브의 개도를 제어한다.
본 발명에 따른 시설 원예 시스템은, 수경 양액 열교환기와 수경 양액 탱크를 연결하는 유로에 수경 양액을 주 유동으로 분출하고 산소를 포함한 공기를 부 유동으로 흡인하는 이젝터를 구비하고, 이젝터의 공기 유로에 공기 조절 밸브가 구비됨으로써, 수경 재배부로 공급되는 수경 양액의 온도 뿐만 아니라 수경 양액에 포함된 산소 농도까지 조절할 수 있으므로, 최적의 생육 환경을 조성할 수 있는 이점이 있다.
또한, 기계 학습된 인공 신경망 모델을 이용하여, 수경 양액의 온도나 실내 온도가 동일한 조건에서 작물의 성장률이 최대가 될 수 있는 최적의 산소 농도를 도출할 수 있으므로, 수경 재배하는 작물의 성장에 매우 효율적이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수경 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에서 A부분의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수경 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템의 제어 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기계 학습을 통해 인공 신경망 모델을 생성하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에서 생성된 인공 신경망 모델을 이용하여 작물의 성장률을 출력하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 인공 신경망 모델을 이용하여 수경 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배지경 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 도 7에서 B부분의 확대도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수경 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 시설 원예 시스템은, 시설물(10), 히트펌프(20), 축열조(30), 냉온수 축열유로(40), 수경 재배부(100), 수경 양액 탱크(140), 수경 양액 열교환기(150), 수경 냉온수 열교환유로(160), 수경 양액 축열유로(170), 수경 양액 공급유로(180), 수경 양액 환수유로(190), 배지경 재배부(200), 배지경 양액 탱크(240), 배지경 양액 열교환기(250), 배지경 냉온수 열교환유로(260), 배지경 양액 축열유로(170), 배지경 양액 공급유로(280), 배지경 양액 환수유로(290), 배지경 냉온수 공급유로(310), 배지경 냉온수 환수유로(320) 및 제어부(500)를 포함한다.
상기 시설물(10)은, 작물 재배를 위한 공간을 형성하는 곳이며, 유리 온실이나 비닐하우스 등을 포함한다.
상기 시설물(10)의 내부에는 상기 수경 재배부(100)와 상기 배지경 재배부(200)가 배치된다.
상기 수경 재배부(100)는, 양액 베드(101)에 수용된 수경 양액에 작물의 뿌리를 담가서 키우는 수경 재배 방식의 시설이다.
상기 양액 베드(101)에는 양액 베드 온도 센서(105)와 양액 베드 산소 농도 센서(106)가 설치된다.
상기 양액 베드 온도 센서(105)는, 상기 양액 베드(101)에 수용된 수경 양액의 온도를 측정하는 센서이다.
상기 양액 베드 산소 농도 센서(106)는, 상기 양액 베드(101)에 수용된 수경 양액 내에 포함된 산소 농도를 측정하는 센서이다.
상기 배지경 재배부(200)는, 배지 베드(201)에 수용된 고형의 배지(202)에 작물을 고정하고, 상기 배지(202)에 배지 양액을 공급하여 재배하는 고형 배지경 방식의 재배 시설이다.
상기 배지 베드(201)에는 상기 배지(202)의 온도를 측정하기 위한 배지 베드 온도 센서(205)가 설치된다.
상기 배지 온도 센서(205)는, 상기 배지 베드(201)에 수용된 상기 배지(202)의 온도를 측정하는 센서이다.
상기 배지 베드(201)에는 상기 축열조(30)에서 나온 냉온수가 통과하면서 상기 배지(202)에 열전달을 하도록 배지 배관(203)이 구비된다. 상기 배지 배관(203)은, 상기 배지(202)의 좌,우 측면을 따라 길게 배치된다.
상기 히트펌프(20)는, 압축기(미도시), 응축기(미도시), 팽창밸브(미도시), 증발기(미도시), 사방밸브(미도시) 및 냉매 유로(미도시)를 포함하고, 외부 공기 또는 지중을 포함하는 외부의 열원과 냉매를 열교환시킨다. 상기 히트펌프(20)는 냉매와 물을 열교환시켜, 냉수 또는 온수(이하, 냉온수라 칭함)를 생산한다.
상기 축열조(30)는, 상기 히트펌프(20)에서 생성된 냉온수를 저장하는 냉온수 탱크이다.
상기 축열조(30)에는 냉온수의 온도를 측정하기 위한 축열조 온도 센서(35)가 설치된다.
상기 축열조(30)와 상기 히트펌프(20)는 상기 냉온수 축열유로(40)로 연결된다.
상기 냉온수 축열유로(40)는, 제1,2냉온수 축열유로(41)(42)를 포함한다.
상기 제1냉온수 축열유로(41)는, 상기 축열조(30)에 저장된 냉온수를 상기 히트펌프(20)로 안내하는 유로이다. 상기 제1냉온수 축열유로(41)에는 냉온수를 펌핑하는 냉온수 축열펌프(45)가 설치된다.
상기 제2냉온수 축열유로(42)는, 상기 히트펌프(20)에서 나온 냉온수를 상기 축열조(30)로 안내하는 유로이다.
이하, 상기 축열조(30)와 상기 수경 재배부(100) 사이의 구성 요소들에 대해 설명한다.
상기 축열조(30)와 상기 수경 재배부(100)사이에는 상기 수경 양액 탱크(140)와 상기 수경 양액 열교환기(150)가 구비된다.
상기 수경 양액 탱크(140)는, 상기 수경 재배부(100)의 양액 베드(101)에 공급하기 위한 양액이 저장된 탱크이다.
상기 수경 양액 탱크(140)에는, 수경 양액 온도 센서(145)와, 수경 양액 산소 농도 센서(146)가 구비된다.
상기 수경 양액 온도 센서(145)는, 상기 수경 양액 탱크(140)에 저장된 수경 양액의 온도를 측정하는 센서이다.
상기 수경 양액 산소 농도 센서(146)는, 상기 수경 양액 탱크(140)에 저장된 수경 양액의 산소 농도를 측정하는 센서이다.
상기 수경 양액 열교환기(150)는, 상기 축열조(30)와 상기 수경 양액 탱크(140)사이에 구비되어, 상기 축열조(30)에서 나온 냉온수와 상기 수경 양액 탱크(140)에서 나온 수경 양액을 열교환시키는 열교환기이다. 상기 수경 양액 열교환기(150)의 내부는 냉온수가 통과하는 유로와 수경 양액이 통과하는 유로가 별도로 형성되어, 냉온수와 수경 양액이 혼합되지 않는다. 상기 수경 양액 열교환기(150)는, 냉온수의 열원을 상기 수경 양액에 전달한다.
상기 축열조(30)와 상기 수경 양액 열교환기(150)는, 상기 수경 냉온수 열교환유로(16)에 의해 연결된다.
상기 수경 냉온수 열교환유로(160)는, 제1,2수경 냉온수 열교환유로(161)(162)를 포함한다.
상기 제1수경 냉온수 열교환유로(161)는, 상기 축열조(30)에 저장된 냉온수의 열원을 상기 수경 양액 열교환기(150)에 전달하기 위한 유로이다.
상기 제2수경 냉온수 열교환유로(162)는, 상기 수경 양액 열교환기(150)에서 방열하고 나온 냉온수를 상기 축열조(30)로 순환시키는 유로이다.
상기 제1수경 냉온수 열교환유로(161)에는 수경 냉온수 열교환펌프(165)가 설치된다.
또한, 상기 수경 양액 열교환기(150)와 상기 수경 양액 탱크(140)는 상기 수경 양액 축열유로(170)에 의해 연결된다.
상기 수경 양액 축열유로(170)는, 제1,2수경 양액 축열유로(171)(172)를 포함한다.
상기 제1수경 양액 축열유로(171)는, 상기 수경 양액 탱크(140)와 상기 수경 양액 열교환기(150)의 입구를 연결하여, 상기 수경 양액 탱크(140)에서 저장된 수경 양액을 상기 수경 양액 열교환기(150)로 안내하는 유로이다. 상기 제1수경 양액 축열유로(1710에는 수경 양액 축열펌프(175)가 설치된다.
상기 제2수경 양액 축열유로(172)는, 상기 수경 양액 열교환기(150)의 출구와 상기 수경 양액 탱크(140)를 연결하여, 상기 수경 양액 열교환기(150)에서 축열되어 나온 수경 양액을 상기 수경 양액 탱크(140)로 안내하는 유로이다.
상기 제2수경 양액 축열유로(172)에는 공기 공급 수단이 설치된다.
상기 공기 공급 수단은, 상기 수경 양액 탱크(140)에 산소를 포함한 공기를 공급하기 위한 수단이다.
도 2를 참조하면, 상기 공기 공급 수단은, 이젝터(400), 공기 유로(401), 공기 조절 밸브(402)를 포함한다.
상기 이젝터(400)는, 상기 제2수경 양액 축열유로(172) 상에 설치되어, 상기 수경 양액 열교환기(150)에서 나온 수경 양액을 주 유동으로 분출하고, 산소를 포함한 공기를 부 유동으로 흡인하여, 상기 수경 양액에 상기 공기를 혼합시켜 분사하는 수경용 이젝터(이하, 이젝터라 칭함)이다. 상기 이젝터(400)의 주 유동관은 벤츄리 관으로 형성된다.
상기 이젝터(400)의 부 유동관에는 상기 공기 유로(401)가 연결된다.
상기 공기 유로(401)는, 외부로부터 산소를 포함한 공기를 흡입하는 유로이다.
상기 공기 유로(401)에는 상기 공기 조절 밸브(402)가 설치된다.
상기 공기 조절 밸브(402)는, 상기 이젝터(400)로 흡인되는 공기의 유량을 단속하기 위한 전자제어밸브이다. 상기 공기 조절 밸브(402)는 상기 제어부에 따라 개도가 제어된다.
또한, 상기 수경 양액 탱크(140)와 상기 수경 재배부(100)는 상기 수경 양액 공급유로(180)와 상기 수경 양액 환수유로(190)에 의해 연결된다.
상기 수경 양액 공급유로(180)는, 상기 수경 양액 탱크(140)와 상기 수경 재배부(100)의 상기 양액 베드(101)를 연결하는 유로이다. 상기 수경 양액 공급유로(180)는, 상기 수경 양액 탱크(140)에 저장된 수경 양액을 상기 양액 베드(101)로 공급하는 유로이다.
상기 수경 양액 공급유로(180)에는 수경 양액 공급 펌프(185)와, 수경 양액 공급 밸브(186)가 설치된다.
상기 수경 양액 공급 펌프(185)는, 상기 수경 양액 탱크(140)에 저장된 수경 양액을 상기 양액 베드(101)를 향해 펌핑한다.
상기 수경 양액 공급 밸브(186)는, 상기 양액 베드(101)로 공급되는 상기 수경 양액의 유량을 조절하기 위한 전자제어밸브이다.
상기 수경 양액 환수유로(190)는, 상기 양액 베드(101)의 양액 배출구와 상기 수경 양액 탱크(140)를 연결하는 유로이다. 상기 수경 양액 환수유로(190)는, 상기 양액 베드(101)에서 나온 수경 양액을 상기 수경 양액 탱크(140)로 환수하기 위한 유로이다.
상기 수경 양액 환수유로(190)에는 수경 양액 환수 펌프(195)가 설치된다.
이하, 상기 축열조(30)와 상기 배지경 재배부(200) 사이의 구성 요소들에 대해 설명한다.
상기 축열조(30)와 상기 배지경 재배부(200) 사이에는 상기 배지경 양액 탱크(240)와 상기 배지경 양액 열교환기(250)가 구비된다.
본 실시예에서는, 상기 수경 양액 열교환기(150), 상기 수경 양액 탱크(140)와 별도로 상기 배지경 양액 열교환기(250)와 상기 배지경 양액 탱크(240)가 구비된 것으로 예를 들어 설명한다.
다만, 이에 한정되지 않고, 상기 수경 양액 열교환기(150)와 상기 수경 양액 탱크(140)만 구비되어 상기 수경 양액 공급유로(180)로부터 상기 배지경 양액 공급유로(280)가 분기되는 것도 물론 가능하다.
상기 배지경 양액 탱크(240)는, 상기 배지경 재배부(200)의 상기 배지 베드(201)에 수용된 배지(202)에 공급하기 위한 배지경 양액이 저장된 탱크이다.
상기 배지경 양액 탱크(240)에는, 배지경 양액 온도 센서(245)가 구비된다.
상기 배지경 양액 온도 센서(245)는, 상기 배지경 양액 탱크(240)에 저장된 배지경 양액의 온도를 측정하기 위한 센서이다.
상기 배지경 양액 열교환기(250)는, 상기 축열조(30)와 상기 배지경 양액 탱크(240)사이에 구비되어, 상기 축열조(30)에서 나온 냉온수와 상기 배지경 양액 탱크(240)에서 나온 배지경 양액을 열교환시키는 열교환기이다. 상기 배지경 양액 열교환기(150)의 내부는 냉온수가 통과하는 유로와 배지경 양액이 통과하는 유로가 별도로 형성되어, 냉온수와 배지경 양액이 혼합되지 않는다. 상기 배지경 양액 열교환기(250)는, 냉온수의 열원을 상기 배지경 양액에 전달한다.
상기 배지경 냉온수 열교환유로(260)는, 상기 축열조(30)와 상기 배지경 양액 열교환기(250)를 연결하는 유로이다. 상기 배지경 냉온수 열교환유로(260)는 제1,2배지경 냉온수 열교환유로(261)(262)를 포함한다.
상기 제1배지경 냉온수 열교환유로(261)는, 상기 축열조(30)에 저장된 냉온수의 열원을 상기 배지경 양액 열교환기(250)에 전달하기 위한 유로이다.
상기 제1배지경 냉온수 열교환유로(261)에는 배지경 냉온수 열교환펌프(265)가 설치된다.
상기 제2배지경 냉온수 열교환유로(262)는, 상기 배지경 양액 열교환기(250)에서 방열하고 나온 냉온수를 상기 축열조(30)로 순환시키는 유로이다.
상기 배지경 양액 탱크(140)와 상기 배지경 양액 열교환기(250)는 상기 배지경 양액 축열유로(270)로 연결된다.
상기 배지경 양액 축열유로(270)는, 제1,2배지경 양액 축열유로(271)(272)를 포함한다.
상기 제1배지경 양액 축열유로(271)는, 상기 배지경 양액 탱크(240)와 상기 배지경 양액 열교환기(250)의 입구를 연결하여, 상기 배지경 양액 탱크(240)에서 저장된 배지경 양액을 상기 배지경 양액 열교환기(250)로 안내하는 유로이다. 상기 제1배지경 양액 축열유로(271)에는 배지경 양액 축열펌프(275)가 설치된다.
상기 제2배지경 양액 축열유로(272)는, 상기 배지경 양액 열교환기(250)의 출구와 상기 배지경 양액 탱크(240)를 연결하여, 상기 배지경 양액 열교환기(250)에서 축열되어 나온 배지경 양액을 상기 배지경 양액 탱크(240)로 안내하는 유로이다.
또한, 상기 배지경 양액 탱크(240)와 상기 배지경 재배부(200)는 상기 배지경 양액 공급유로(280)와 상기 배지경 양액 환수유로(290)로 연결된다.
상기 배지경 양액 공급유로(280)는, 상기 배지경 양액 탱크(240)와 상기 배지경 재배부(200)의 상기 배지(202)를 연결하는 유로이다. 상기 배지경 양액 공급유로(280)는, 상기 배지경 양액 탱크(240)에 저장된 배지경 양액을 상기 배지(202)로 직접 공급하는 유로이다.
상기 배지경 양액 공급유로(280)에는 배지경 양액 공급 펌프(285)와, 배지경 양액 공급 밸브(286)가 설치된다.
상기 배지경 양액 공급 펌프(285)는, 상기 배지경 양액 탱크(240)에 저장된 배지경 양액을 상기 배지(202)로 공급되도록 펌핑한다.
상기 배지경 양액 공급 밸브(286)는, 상기 배지(202)로 공급되는 상기 배지경 양액의 유량을 조절하기 위한 전자제어밸브이다.
상기 배지경 양액 환수유로(290)는, 상기 배지 베드(201)의 양액 배출구와 상기 배지경 양액 탱크(240)를 연결하는 유로이다. 상기 배지경 양액 환수유로(290)는, 상기 배지 베드(201)에서 나온 배지경 양액을 상기 배지경 양액 탱크(240)로 환수하기 위한 유로이다.
상기 배지경 양액 환수유로(290)에는 배지경 양액 환수 펌프(295)가 설치된다.
또한, 상기 축열조(30)와 상기 배지경 재배부(200)는 상기 배지경 냉온수 공급유로(310)와 상기 배지경 냉온수 환수유로(320)에 의해 연결된다.
상기 배지경 냉온수 공급유로(310)는, 상기 축열조(30)와 상기 배지 배관(203)의 일측을 연결하는 유로이다. 상기 배지경 냉온수 공급유로(310)는, 상기 축열조(30)에서 나온 냉온수를 상기 배지 배관(203)으로 공급하여, 상기 배지(202)의 온도를 조절한다.
상기 배지경 냉온수 공급유로(310)에는 냉온수 공급 펌프(315)가 설치된다.
상기 배지경 냉온수 환수유로(320)는, 상기 배지 배관(203)의 타측과 상기 축열조(30)를 연결하는 유로이다. 상기 배지경 냉온수 환수유로(320)는, 상기 배지 배관(203)을 통과하면서 상기 배지(202)에 열전달을 하고 나온 냉온수를 상기 축열조(30)로 환수하기 위한 유로이다.
또한, 상기 시설물(10)에는 외기 온도 센서(11)와 실내 온도 센서(12)가 설치된다.
상기 외기 온도 센서(11)는, 상기 시설물(10)의 외부에 설치되어 외기의 온도를 측정한다.
상기 실내 온도 센서(12)는, 상기 시설물(10)의 내부에 설치되어 상기 시설물(10)의 실내 온도를 측정한다.
또한, 상기 시설물(10)의 내부에는 상기 작물의 성장률을 측정하는 성장률 센서(14)가 설치된다.
상기 성장률 센서(14)는, 광센서가 사용되는 것으로 예를 들어 설명하나, 상기 작물의 성장 길이와 볼륨 중 적어도 하나를 측정할 수 있는 센서라면 어느 것이나 사용 가능하다.
한편, 상기 제어부(500)는, 상기 외기 온도 센서(11), 상기 실내 온도 센서(12), 상기 축열조 온도 센서(35), 상기 수경 양액 온도 센서(145), 상기 양액 베드 온도 센서(105) 중 적어도 하나에서 측정한 온도에 따라 상기 수경 냉온수 열교환펌프(165), 상기 수경 양액 축열펌프(175), 상기 수경 양액 공급 펌프(185) 및 상기 수경 양액 공급 밸브(186) 중 적어도 하나의 작동을 제어하여, 상기 수경 재배부(100)로 공급되는 수경 양액의 공급 유량과 온도를 제어한다.
또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 외기 온도 센서(11), 상기 실내 온도 센서(12), 상기 축열조 온도 센서(35), 상기 배지경 양액 온도 센서(245) 및 상기 배지 베드 온도 센서(105) 중 적어도 하나에서 측정한 온도에 따라 상기 배지경 냉온수 열교환펌프(265), 상기 배지경 양액 축열펌프(275), 상기 배지경 양액 공급 펌프(285) 및 상기 배지경 양액 공급 밸브(286) 중 적어도 하나의 작동을 제어하여, 상기 배지경 재배부(200)로 공급되는 배지경 양액의 공급 유량과 온도를 제어한다.
또한, 상기 제어부(500)는, 기계학습(machine learning)을 통해 구축된 인공 신경망 모델을 이용하여 상기 작물의 성장률이 최대가 되는 수경 양액의 산소 농도를 도출하여, 도출된 산소 농도를 산소 농도 목표값으로 설정하고, 상기 수경 양액 산소 농도 센서(146)에서 측정된 산소 농도가 상기 산소 농도 목표값이 되도록 상기 공기 조절 밸브(402)의 개도를 제어한다.
본 실시예에서는, 상기 제어부(500)가 미리 수집된 수집 데이터를 이용하여 인공 신경망 모델을 학습하는 것으로 설명하나, 이에 한정되지 않고, 상기 인공 신경망 모델은 별도의 서버 등에서 학습되어 구축되는 것도 물론 가능하다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 시설 원예 시스템의 작동을 설명하면, 다음과 같다.
상기 제어부(미도시)는, 상기 히트펌프(20), 상기 냉온수 축열펌프(45), 상기 수경 냉온수 열교환펌프(165), 상기 수경 양액 축열펌프(175), 상기 수경 양액 공급 펌프(185), 상기 배지경 냉온수 열교환펌프(265), 상기 배지경 냉온수 공급 펌프(315), 상기 배지경 양액 축열펌프(275), 상기 배지경 양액 공급 펌프(285)를 작동시킨다.
상기 히트펌프(20)와 상기 냉온수 축열펌프(45)가 작동되면, 상기 축열조(30)에 저장된 냉온수가 상기 히트펌프(20)에서 열을 흡수한 후, 상기 축열조(30)로 순환된다.
상기 배지경 냉온수 공급 펌프(315)가 작동되면, 상기 축열조(30)에 저장된 냉온수가 상기 배지경 냉온수 공급유로(310)를 통해 상기 배지 배관(203)으로 공급된다.
따라서, 상기 축열조(30)에 저장된 냉온수 중 일부는 상기 배지 배관(203)으로 공급되어 상기 배지(202)로 열전달을 하게 되어 상기 배지(202) 주변의 냉난방이 이루어진다.
또한, 상기 배지경 양액 열교환기(250)에서는 상기 축열조(30)에서 나온 냉온수와 상기 배지경 양액 탱크(240)에서 나온 배지경 양액의 열교환이 이루어진다.
상기 배지경 양액 열교환기(250)에서 상기 냉온수의 열을 흡수한 배지경 양액은 상기 배지경 양액 공급유로(280)를 통해 상기 배지경 재배부(200)의 배지(202)로 공급된다.
또한, 상기 수경 양액 열교환기(150)에서는 상기 축열조(30)에서 나온 냉온수와 상기 수경 양액 탱크(140)에서 나온 수경 양액의 열교환이 이루어진다.
상기 수경 양액 열교환기(150)에서 상기 냉온수의 열을 흡수한 수경 양액이 상기 수경 양액 공급유로(180)를 통해 상기 수경 재배부(100)의 양액 베드(101)내로 공급된다. 상기 양액 베드(101)로 공급된 수경 양액은 작물의 뿌리에 직접 공급될 수 있다.
이 때, 상기 제어부는, 상기 공기 조절 밸브(402)의 개도를 제어하여, 상기 수경 양액에 혼합되는 공기의 유량을 조절한다.
상기 제어부는, 상기 수경 양액 산소 농도 센서(145)에서 측정된 산소 농도가 미리 설정된 산소 농도 목표값이 되도록 상기 공기 조절 밸브(402)의 개도를 제어한다.
즉, 측정된 산소 농도가 상기 산소 농도 목표값 미만이면, 상기 공기 조절 밸브(402)의 개도율을 증가시켜, 상기 이젝터(400)로 흡입되는 공기의 유량을 증가시킨다. 측정된 산소 농도가 상기 산소 농도 목표값을 초과하면, 상기 공기 조절 밸브(402)의 개도율을 감소시킨다.
상기 산소 농도 목표값은 상기 인공 신경망 모델로부터 도출된 작물의 성장률이 최대가 되는 산소 농도로 설정된다. 상기 인공 신경망 모델을 이용하여, 상기 산소 농도 목표값을 설정하는 방법에 대해서는 뒤에서 상세히 설명하기로 한다.
또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 외기 온도 센서(11)에서 측정된 외기 온도에 따라 상기 냉온수 축열 펌프(45)와 상기 배지경 냉온수 공급 펌프(315) 중 적어도 하나의 작동을 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 외기 온도가 미리 설정된 설정 외기 온도 범위 미만이면, 상기 냉온수 축열 펌프(45)의 출력을 증가시킨다. 또한, 상기 외기 온도가 상기 설정 외기 온도 범위를 초과하면, 상기 냉온수 축열 펌프(45)의 출력을 감소시킨다. 따라서, 상기 냉온수의 축열 온도를 상기 외기 온도에 따라 조절할 수 있다. 또한, 이에 한정되지 않고, 상기 외기 온도에 따라 상기 배지경 냉온수 공급 펌프(315)의 출력도 증감시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 외기 온도 센서(111)에서 측정된 외기 온도와 미리 설정된 작물 생육 온도의 차이에 따라 상기 냉온수 축열 펌프(45)와 상기 배지경 냉온수 공급 펌프(315) 중 적어도 하나의 출력을 제어하는 것도 물론 가능하다.
또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 실내 온도 센서(12)에서 측정된 실내 온도에 따라 상기 냉온수 축열 펌프(45)와 상기 배지경 냉온수 공급 펌프(315) 중 적어도 하나의 작동을 제어한다. 즉, 상기 실내 온도 센서(12)에서 측정된 실내의 온도가 미리 설정된 설정 실내 온도 범위 미만이면, 상기 냉온수 축열 펌프(45)와 상기 배지경 냉온수 공급 펌프(315) 중 적어도 하나의 출력을 증가시킨다. 또한, 상기 실내 온도 센서(12)에서 측정된 실내의 온도가 미리 설정된 설정 실내 온도 범위를 초과하면, 상기 냉온수 축열 펌프(45)와 상기 배지경 냉온수 공급 펌프(315) 중 적어도 하나의 출력을 감소시킨다. 따라서, 상기 시설물의 실내 온도에 따라 상기 냉온수의 축열 온도를 제어하거나, 상기 배지 배관(203)으로 공급되는 냉온수의 유량을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 실내 온도 센서(12)에서 측정된 실내 온도와 미리 설정된 작물 생육 온도의 차이에 따라 상기 배지경 냉온수 공급 펌프(315)의 출력을 제어하는 것도 물론 가능하다.
또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 수경 양액 온도 센서(146)와 상기 양액 베드 온도 센서(105) 중 적어도 하나에서 측정된 수경 양액의 온도에 따라 상기 수경 양액 축열펌프(175)와 상기 수경 양액 공급 펌프(185) 중 적어도 하나의 작동을 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 제어부(미도시)는, 상기 수경 양액 온도 센서(146)와 상기 양액 베드 온도 센서(105) 중 적어도 하나에서 미리 설정된 설정 시간 간격으로 측정된 상기 수경 양액의 온도 변화가 미리 설정된 설정값 범위를 벗어나면, 상기 수경 양액 축열 펌프(175)와 상기 수경 양액 공급 펌프(185) 중 적어도 하나의 출력을 감소시킬 수 있다. 즉, 상기 수경 양액의 현재 온도와 이전 온도의 차이인 온도 변화를 측정하여, 적절한 온도의 양액이 주입되고 있는지를 판단할 수 있다. 상기 수경 양액의 온도 변화가 상기 설정값 범위를 벗어나면, 상기 작물의 뿌리 등 근권부가 온도차에 의한 충격으로 수분과 양분 흡수가 저하되어, 뿌리의 발달이 저하될 수 있다.
따라서, 상기 근권부에 온도차에 의한 충격이 발생하지 않도록, 상기 수경 양액의 온도 변화와 산소 농도 변화가 상기 설정값 범위내를 유지하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 배지경 양액 온도 센서(245)에서 측정된 배지경 양액의 온도와, 상기 배지 베드 온도 센서(205)에서 측정된 배지의 온도 중 적어도 하나에 따라 상기 배지경 양액 축열펌프(265)와 상기 배지경 양액 공급 펌프(285) 중 적어도 하나의 작동을 제어할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 시설 원예 시스템은, 상기 수경 재배부(100)에 공급되는 수경 양액의 온도 뿐만 아니라 수경 양액에 포함된 산소의 농도도 조절하여, 최적의 생육 환경을 조성할 수 있는 이점이 있다.
한편, 상기와 같이 구성된 시설 원예 시스템에서 인공 신경망 모델을 이용하여 수경 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 방법을 설명하면, 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기계 학습을 통해 인공 신경망 모델을 생성하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 5는 도 4에서 생성된 인공 신경망 모델을 이용하여 작물의 성장률을 출력하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 인공 신경망 모델을 이용하여 수경 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 인공 신경망 모델을 이용하여 수경 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 방법은, 데이터 수집 단계(S1), 인공 신경망 모델 학습 단계(S2), 작물 성장률 계산 단계(S3), 산소 농도 목표값 설정 단계(S4), 공기 유량 조절 단계(S5)를 포함한다.
본 실시예에서는, 상기 단계들은 상기 제어부(500)에 의해 수행되는 것으로 설명하나, 이에 한정되지 않고 적어도 일부 단계는 상기 제어부(500)와 별도로 구비되어 유,무선 통신이 가능한 서버(미도시) 등에서 수행되는 것도 물론 가능하다.
상기 데이터 수집 단계(S1)는, 미리 설정된 설정 기간 동안 학습 데이터를 수집한다.
상기 학습 데이터는, 상기 수경 양액 탱크(140)에 저장된 수경 양액의 온도, 산소 농도, 상기 시설물(10)의 실내 온도, 작물의 성장 단계, 작물의 성장률을 포함한다. 상기 수경 양액의 온도, 산소 농도, 실내 온도는 상기 설정 기간 동안 수집된 값의 평균값이다. 상기 작물의 성장 단계는, 상기 성장률 센서(14)에서 측정된 상기 작물의 성장률에 따라 다르게 설정된 단계인 것으로 예를 들어 설명한다. 예를 들어, 상기 작물의 성장 단계는, 3개의 초기 성장 단계, 중기 성장 단계 및 성숙 성장 단계로 구분될 수 있다. 즉, 상기 성장률 센서(14)에서 측정된 작물의 성장률에 따라 상기 3개의 단계 중 하나가 입력될 수 있다.
상기 수경 양액의 산소 농도는 상기 수경 양액 탱크(140)내에 저장된 수경 양액의 산소 농도인 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 상기 양액 베드(101)내의 수경 양액의 산소 농도인 것도 물론 가능하다.
상기 인공 신경망 모델 학습 단계(S2)에서는, 상기 학습 데이터를 이용하여 기계 학습하여, 작물의 성장률을 도출하기 위한 인공 신경망 모델을 생성한다. 상기 학습 데이터 중에서 수경 양액의 온도, 수경 양액의 산소 농도, 실내 온도 및 작물의 성장 단계를 입력 변수로 하고, 작물의 성장률을 출력 변수로 하여 기계 학습한다.
상기 작물 성장률 계산 단계(S3)에서는, 상기 인공 신경망 모델에 실시간으로 측정된 수경 양액의 온도, 실내 온도, 작물의 성장 단계를 포함한 측정 데이터를 입력하고, 상기 수경 양액의 산소 농도는 설정 범위 내에서 변화시키면서 입력하여, 상기 산소 농도에 따라 다른 작물의 성장률을 각각 계산한다.
상기 설정 범위는 상기 수경 양액 산소 농도 센서(146)에서 측정된 값에 미리 설정된 설정값을 합한 값과 상기 설정값을 뺀 값 사이의 범위로 설정될 수 있다.
즉, 상기 인공 신경망 모델에 복수의 산소 농도에 대한 값들이 입력되고, 상기 인공 신경망 모델로부터 상기 복수의 산소 농도들에 대한 복수의 작물의 성장률이 도출될 수 있다.
상기 산소 농도 목표값 설정 단계(S4)에서는, 상기 복수의 작물의 성장률 중에서 최대값인 산소 농도를 산소 농도 목표값으로 설정한다. 즉, 상기 수경 양액의 온도, 실내 온도 및 작물의 성장 단계가 현재 상태의 측정값일 때, 상기 작물의 성장률이 최대가 되는 산소 농도를 도출하여, 도출된 산소 농도를 산소 농도 목표값으로 설정한다.
상기 공기 유량 조절 단계(S5)에서는, 상기 수경 양액 산소 농도 센서(146)에서 측정된 산소 농도가 상기 산소 농도 목표값이 되도록 상기 공기 조절 밸브(402)의 개도를 제어한다.
상기 수경 양액 산소 농도 센서(146)에서 측정된 산소 농도가 상기 산소 농도 목표값 미만이면, 상기 공기 조절 밸브(402)의 개도율을 증가시켜, 상기 이젝터(400)로 흡입되는 공기의 유량을 증가시킨다.
상기 이젝터(400)로 흡입되는 공기의 유량이 증가되면, 상기 수경 양액 탱크(140)에 공급되는 공기의 유량이 증가되어, 상기 수경 양액 탱크(140)내에 산소 농도가 증가될 수 있다.
상기 수경 양액 산소 농도 센서(146)에서 측정된 산소 농도가 상기 산소 농도 목표값을 초과하면, 상기 공기 조절 밸브(402)의 개도율을 감소시켜, 상기 이젝터(400)로 흡입되는 공기의 유량을 감소시킨다.
상기 이젝터(400)로 흡입되는 공기의 유량이 감소되면, 상기 수경 양액 탱크(140)에 공급되는 공기의 유량이 감소되어, 상기 수경 양액 탱크(140)내에 산소 농도가 감소될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에서는 상기 수경 재배부(100)로 공급되는 수경 양액의 온도나 시설물(10)의 실내 온도 뿐만 아니라, 수경 양액의 산소 농도를 조절할 수 있다.
또한, 상기 인공 신경망 모델을 통해 수경 양액의 온도나 실내 온도가 동일한 조건에서 작물의 성장률이 최대가 될 수 있는 최적의 산소 농도를 도출할 수 있으므로, 수경 재배하는 작물의 성장에 매우 효율적이다.
한편, 본 실시예에서는, 상기 수경 양액 열교환기(150), 상기 수경 양액 탱크(140)와 별도로 상기 배지경 양액 열교환기(250)와 상기 배지경 양액 탱크(240)가 구비된 것으로 예를 들어 설명하였다.
다만, 이에 한정되지 않고, 상기 수경 양액 열교환기(150)와 상기 수경 양액 탱크(140)만 구비되어 상기 수경 양액 공급유로(180)로부터 상기 배지경 양액 공급유로(280)가 분기되는 것도 물론 가능하다. 상기 배지경 양액 열교환기9250)와 상기 배지경 양액 탱크(240)가 별도로 구비되지 않고, 상기 수경 양액 공급유로(180)로부터 상기 배지경 양액 공급유로(280)가 분기되도록 구성될 경우, 상기 수경 양액 탱크(140)내의 수경 양액의 산소 농도가 조절되면, 상기 배지 베드(203)로 공급되는 배지경 양액의 산소 농도도 조절될 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배지경 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 8은 도 7에서 B부분의 확대도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 시설 원예 시스템은, 배지경 이젝터(600), 배지경 공기 유로(601), 배지경 공기 조절 밸브(602) 및 배지경 양액 산소 농도 센서(246)를 더 포함하는 것이 상기 일 실시예와 상이하고, 그 외 나머지 구성 및 작용은 유사하므로, 유사 구성에 대한 상세한 설명은 생략하고, 상이한 구성을 중심으로 상세히 설명하다.
상기 배지경 이젝터(600)는, 상기 제2배지경 양액 축열유로(272) 상에 설치되어, 상기 배지경 양액 열교환기(250)에서 나온 배지경 양액을 주 유동으로 분출하고, 산소를 포함한 공기를 부 유동으로 흡인하여, 상기 배지경 양액에 상기 공기를 혼합시켜 분사한다. 상기 배지경 이젝터(600)의 주 유동관은 벤츄리 관으로 형성된다.
상기 배지경 이젝터(600)의 부 유동관에는 상기 배지경 공기 유로(601)가 연결된다.
상기 배지경 공기 유로(601)는, 외부로부터 산소를 포함한 공기를 흡입하는 유로이다.
상기 배지경 공기 유로(601)에는 상기 배지경 공기 조절 밸브(602)가 설치된다.
상기 배지경 공기 조절 밸브(602)는, 상기 배지경 이젝터(600)로 흡인되는 공기의 유량을 단속하기 위한 전자제어밸브이다. 상기 배지경 공기 조절 밸브(602)는 상기 제어부(500)에 따라 개도가 제어된다.
상기 제어부(500)는, 상기 배지경 양액 탱크(240)에 설치된 배지경 산소 농도 센서(246)에서 측정된 산소 농도에 따라 상기 배지경 공기 조절 밸브(602)의 개도를 제어하여, 상기 배지경 양액에 혼합되는 공기의 유량을 조절하여 상기 배지경 양액에 포함된 산소 농도를 조절할 수 있다.
또한, 상기 제어부(500)는 상기 일 실시예에 개시된 바와 같이 미리 기계 학습된 인공 신경망 모델을 이용하여, 상기 배지 베드(203)에서 재배되는 작물의 성장률이 최대가 되는 배지경 양액의 산소 농도를 도출하여, 산소 농도 목표값으로 설정하고, 상기 배지경 양액 산소 농도 센서(246)에서 측정된 산소 농도가 상기 산소 농도 목표값이 되도록 상기 공기 조절 밸브(602)의 개도를 제어하는 것도 물론 가능하다. 상기 배지 베드(203)에서 재배되는 작물의 성장률을 도출하기 위한 인공 신경망 모델은, 상기 배지경 양액의 온도, 상기 배지경 양액의 산소 농도, 상기 시설물의 실내 온도 및 상기 작물의 성장 단계를 입력 변수로 하고, 상기 작물의 성장률을 출력 변수로 하여 학습될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 시설물 12: 실내 온도 센서
14: 성장률 센서 20: 히트 펌프
30: 축열조 100: 수경 재배부
101: 양액 베드 105: 양액 베드 온도 센서
106: 양액 베드 산소 농도 센서 145: 수경 양액 온도 센서
146: 수경 양액 산소 농도 센서 180: 수경 양액 공급유로
185: 수경 양액 공급 펌프 186: 수경 양액 공급 밸브
140: 수경 양액 열교환기 150: 수경 양액 탱크
200: 배지경 재배부 240: 배지경 양액 열교환기
250: 배지경 양액 탱크 280: 배지경 양액 공급유로
285: 배지경 양액 공급 펌프 286: 배지경 양액 공급 밸브
310: 배지경 냉온수 공급유로 320: 배지경 냉온수 환수유로
400: 이젝터 401: 공기 유로
402: 공기 조절 밸브 500: 제어부
600: 배지경 이젝터 601: 배지경 공기 유로
602: 공기 조절 밸브

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 시설물의 내부에 배치되어, 배지에서 작물을 재배하는 배지경 재배부와;
    상기 시설물의 외부 공기 또는 지중의 열원을 이용하여 냉온수를 생성하는 히트펌프와;
    상기 히트펌프에서 생성된 냉온수를 저장하는 축열조와;
    상기 배지경 재배부의 배지 베드에 공급하기 위한 배지경 양액이 저장된 배지경 양액 탱크와;
    상기 축열조와 상기 배지경 양액 탱크 사이에 구비되어, 상기 축열조에서 나온 냉온수 중 일부와 상기 배지경 양액 탱크에서 나온 배지경 양액을 열교환시켜, 상기 배지경 양액의 온도를 조절하기 위한 배지경 양액 열교환기와;
    상기 배지경 양액 탱크와 상기 배지경 양액 열교환기의 입구를 연결하여, 상기 배지경 양액 탱크에서 나온 배지경 양액을 상기 배지경 양액 열교환기로 안내하는 제1배지경 양액 축열유로와;
    상기 배지경 양액 열교환기의 출구와 상기 배지경 양액 탱크를 연결하여, 상기 배지경 양액 열교환기에서 축열되어 나온 배지경 양액을 상기 배지경 양액 탱크로 안내하는 제2배지경 양액 축열유로와;
    상기 제2배지경 양액 축열유로 상에 설치되어, 상기 배지경 양액 열교환기에서 나온 배지경 양액을 주 유동으로 분출하고, 산소를 포함한 공기를 부 유동으로 흡인하여, 상기 배지경 양액에 상기 공기를 혼합시켜 분사하는 이젝터와;
    상기 이젝터에 연결된 공기 유로에 설치되어, 상기 이젝터로 흡인되는 공기의 유량을 단속하는 공기 조절 밸브와;
    상기 배지경 양액 탱크에 설치되어, 상기 배지경 양액 탱크 내에 저장된 배지경 양액의 산소 농도를 측정하는 배지경 양액 산소 농도 센서와;
    상기 공기 조절 밸브의 개도를 제어하여, 상기 배지경 양액에 혼합되는 공기의 유량을 조절하여, 배지경 양액의 산소 농도를 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    미리 설정된 설정 기간 동안 수집된 배지경 양액의 온도, 배지경 양액의 산소 농도, 상기 시설물의 실내 온도 및 작물의 성장 단계를 입력 변수로 하고 작물의 성장률을 출력 변수로 하여 기계학습된 인공 신경망 모델을 이용하여, 상기 작물의 성장률이 최대가 되는 배지경 양액의 산소 농도를 도출하여 산소 농도 목표값으로 설정하고,
    상기 배지경 양액 산소 농도 센서에서 측정된 산소 농도가 상기 산소 농도 목표값이 되도록 상기 공기 조절 밸브의 개도를 제어하는,
    양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템.
  3. 시설물의 내부에 배치되어, 양액에서 작물을 재배하는 수경 재배부와;
    상기 시설물의 외부 공기 또는 지중의 열원을 이용하여 냉온수를 생성하는 히트펌프와;
    상기 히트펌프에서 생성된 냉온수를 저장하는 축열조와;
    상기 수경 재배부의 양액 베드에 공급하기 위한 수경 양액이 저장된 수경 양액 탱크와;
    상기 축열조와 상기 수경 양액 탱크 사이에 구비되어, 상기 축열조에서 나온 냉온수 중 일부와 상기 수경 양액 탱크에서 나온 수경 양액을 열교환시켜, 상기 수경 양액의 온도를 조절하기 위한 수경 양액 열교환기와;
    상기 수경 양액 열교환기에서 축열된 수경 양액을 상기 수경 양액 탱크로 안내하는 수경 양액 탱크 공급유로와;
    상기 수경 양액 탱크 공급유로 상에 설치되어, 상기 수경 양액 열교환기에서 나온 수경 양액을 주 유동으로 분출하고, 산소를 포함한 공기를 부 유동으로 흡인하여, 상기 수경 양액에 상기 공기를 혼합시켜 분사하는 이젝터와;
    상기 이젝터에 연결된 공기 유로에 설치되어, 상기 이젝터로 흡인되는 공기의 유량을 단속하는 공기 조절 밸브와;
    상기 수경 양액 탱크에 설치되어, 상기 수경 양액 탱크 내에 저장된 수경 양액의 산소 농도를 측정하는 수경 양액 산소 농도 센서와;
    상기 공기 조절 밸브의 개도를 제어하여, 상기 수경 양액에 혼합되는 공기의 유량을 조절하여, 수경 양액의 산소 농도를 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    미리 설정된 설정 기간 동안 수집된 수경 양액의 온도, 수경 양액의 산소 농도, 상기 시설물의 실내 온도 및 작물의 성장 단계를 입력 변수로 하고, 작물의 성장률을 출력 변수로 하여 기계 학습된 인공 신경망 모델을 이용하여, 상기 작물의 성장률이 최대가 되는 수경 양액의 산소 농도를 도출하여 산소 농도 목표값으로 설정하고,
    상기 수경 양액 산소 농도 센서에서 측정된 산소 농도가 상기 산소 농도 목표값이 되도록 상기 공기 조절 밸브의 개도를 제어하는,
    양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 인공 신경망 모델에 실시간으로 측정된 수경 양액의 온도, 실내 온도, 작물의 성장 단계를 포함한 측정 데이터를 입력하고, 수경 양액의 산소 농도는 설정 범위내에서 변화시키면서 입력하여,
    상기 인공 신경망 모델로부터 상기 산소 농도에 따라 다른 상기 작물의 성장률을 계산하고,
    상기 작물의 성장률이 최대가 되는 산소 농도를 상기 산소 농도 목표값으로 설정하는,
    양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 수경 양액 탱크에 설치되어, 상기 수경 양액 탱크 내에 저장된 수경 양액의 온도를 측정하는 수경 양액 온도 센서를 더 포함하는,
    양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템.
  6. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    상기 시설물의 내부에 설치되어, 상기 시설물의 실내 온도를 측정하는 실내 온도 센서를 더 포함하는,
    양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템.
  7. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    상기 시설물의 내부에 설치되어, 상기 작물의 성장률을 측정하는 성장률 센서를 더 포함하는,
    양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 성장률 센서는,
    상기 시설물의 내부에 설치되어, 상기 작물의 생장 길이와 생장 볼륨 중 적어도 하나를 측정하는 광센서를 포함하는,
    양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템.
  9. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    상기 시설물의 내부에 설치되어, 상기 작물의 성장률을 측정하는 성장률 센서를 더 포함하고,
    상기 작물의 성장 단계는, 상기 성장률 센서에서 측정된 상기 작물의 성장률에 따라 다르게 구분되어 설정되는,
    양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템.
  10. 청구항 3에 있어서,
    상기 시설물의 내부에 배치되어, 배지에서 작물을 재배하는 배지경 재배부와,
    상기 배지경 재배부의 배지 베드에 공급하기 위한 배지경 양액이 저장된 배지경 양액 탱크와,
    상기 축열조와 상기 배지경 양액 탱크 사이에 구비되어, 상기 축열조에서 나온 냉온수 중 일부와 상기 배지경 양액 탱크에서 나온 배지경 양액을 열교환시켜, 상기 배지경 양액의 온도를 조절하기 위한 배지경 양액 열교환기와,
    상기 배지경 양액 탱크와 상기 배지경 양액 열교환기의 입구를 연결하여, 상기 배지경 양액 탱크에서 나온 배지경 양액을 상기 배지경 양액 열교환기로 안내하는 제1배지경 양액 축열유로와,
    상기 배지경 양액 열교환기의 출구와 상기 배지경 양액 탱크를 연결하여, 상기 배지경 양액 열교환기에서 축열되어 나온 배지경 양액을 상기 배지경 양액 탱크로 안내하는 제2배지경 양액 축열유로와,
    상기 제2배지경 양액 축열유로 상에 설치되어, 상기 배지경 양액 열교환기에서 나온 배지경 양액을 주 유동으로 분출하고, 산소를 포함한 공기를 부 유동으로 흡인하여, 상기 배지경 양액에 상기 공기를 혼합시켜 분사하는 배지경 이젝터와,
    상기 배지경 이젝터에 연결된 공기 유로에 설치되어, 상기 배지경 이젝터로 흡인되는 공기의 유량을 단속하는 배지경 공기 조절 밸브와,
    상기 배지경 양액 탱크에 설치되어, 상기 배지경 양액 탱크 내에 저장된 배지경 양액의 산소 농도를 측정하는 배지경 양액 산소 농도 센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 배지경 양액 산소 농도 센서에서 측정된 산소 농도에 따라 상기 배지경 공기 조절 밸브의 개도를 제어하여, 상기 배지경 양액에 혼합되는 공기의 유량을 조절하여, 배지경 양액의 산소 농도를 조절하는,
    양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 시설 원예 시스템.
  11. 시설 원예 시스템의 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 방법에 있어서,
    상기 시설 원예 시스템은,
    시설물의 내부에 배치되어, 양액에서 작물을 재배하는 수경 재배부와,
    상기 시설물의 외부 공기 또는 지중의 열원을 이용하여 냉온수를 생성하는 히트펌프와,
    상기 히트펌프에서 생성된 냉온수를 저장하는 축열조와,
    상기 수경 재배부의 양액 베드에 공급하기 위한 수경 양액이 저장된 수경 양액 탱크와,
    상기 축열조와 상기 수경 양액 탱크 사이에 구비되어, 상기 축열조에서 나온 냉온수 중 일부와 상기 수경 양액 탱크에서 나온 수경 양액을 열교환시켜, 상기 수경 양액의 온도를 조절하기 위한 수경 양액 열교환기와,
    상기 수경 양액 열교환기에서 축열된 수경 양액을 상기 수경 양액 탱크로 안내하는 수경 양액 탱크 공급유로와,
    상기 수경 양액 탱크 공급유로 상에 설치되어, 상기 수경 양액 열교환기에서 나온 수경 양액을 주 유동으로 분출하고, 산소를 포함한 공기를 부 유동으로 흡인하여, 상기 수경 양액에 상기 공기를 혼합시켜 분사하는 이젝터와,
    상기 이젝터에 연결된 공기 유로에 설치되어, 상기 이젝터로 흡인되는 공기의 유량을 단속하는 공기 조절 밸브와,
    상기 수경 양액 탱크에 설치되어, 상기 수경 양액 탱크 내에 저장된 수경 양액의 산소 농도를 측정하는 수경 양액 산소 농도 센서와,
    상기 공기 조절 밸브의 개도를 제어하여, 상기 수경 양액에 혼합되는 공기의 유량을 조절하여, 수경 양액의 산소 농도를 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 제어부가 상기 수경 양액 탱크에 저장된 수경 양액의 온도와 산소 농도, 상기 시설물의 실내 온도 및 상기 수경 재배부에서 재배되는 작물의 성장 단계를 입력 변수로 하고, 작물의 성장률을 출력 변수로 하여, 인공 신경망 모델을 학습하는 인공 신경망 모델 학습 단계와;
    상기 인공 신경망 모델에 실시간으로 측정된 수경 양액의 온도, 실내 온도, 작물의 성장 단계를 포함한 측정 데이터를 입력하고, 수경 양액의 산소 농도는 설정 범위내에서 변화시키면서 입력하여, 상기 산소 농도에 따라 다른 작물의 성장률을 계산하는 작물 성장률 계산 단계와;
    상기 작물의 성장률이 최대가 되는 산소 농도를 도출하여 산소 농도 목표값으로 설정하는 산소 농도 목표값 설정 단계와;
    상기 수경 양액 탱크에 공급되는 공기 중 산소 농도가 상기 산소 농도 목표값이 되도록 상기 수경 양액 탱크에 공급되는 공기의 유량을 조절하는 공기 유량 조절 단계를 포함하는,
    시설 원예 시스템의 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 수경 양액의 온도는, 상기 수경 양액 탱크에 설치된 수경 양액 온도 센서에서 측정되고,
    상기 실내 온도는, 상기 시설물의 내부에 설치된 실내 온도 센서에서 측정되는,
    시설 원예 시스템의 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 작물의 성장률은, 상기 시설물의 내부에 설치된 성장률 센서에서 측정되는,
    시설 원예 시스템의 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 작물의 성장 단계는, 상기 성장률 센서에서 측정된 상기 작물의 성장률에 따라 다르게 설정되는,
    시설 원예 시스템의 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 공기 유량 조절 단계는,
    상기 수경 양액 산소 농도 센서에서 측정된 산소 농도가 상기 산소 농도 목표값이 되도록 상기 공기 조절 밸브의 개도를 제어하는,
    시설 원예 시스템의 양액의 산소 농도를 조절하여 공급하는 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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