KR102624724B1 - 순환식 수경재배 시스템의 급액 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

순환식 수경재배 시스템의 급액 제어 장치 및 그 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102624724B1
KR102624724B1 KR1020210114951A KR20210114951A KR102624724B1 KR 102624724 B1 KR102624724 B1 KR 102624724B1 KR 1020210114951 A KR1020210114951 A KR 1020210114951A KR 20210114951 A KR20210114951 A KR 20210114951A KR 102624724 B1 KR102624724 B1 KR 102624724B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nutrient
individual
concentration
nutrients
nutrient solution
Prior art date
Application number
KR1020210114951A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20230032290A (ko
Inventor
이주영
안태인
양중석
김형석
김상민
정제형
김정도
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020210114951A priority Critical patent/KR102624724B1/ko
Publication of KR20230032290A publication Critical patent/KR20230032290A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102624724B1 publication Critical patent/KR102624724B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G31/00—Soilless cultivation, e.g. hydroponics
    • A01G31/02—Special apparatus therefor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01C—PLANTING; SOWING; FERTILISING
    • A01C23/00—Distributing devices specially adapted for liquid manure or other fertilising liquid, including ammonia, e.g. transport tanks or sprinkling wagons
    • A01C23/007—Metering or regulating systems
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q50/00—Systems or methods specially adapted for specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/02—Agriculture; Fishing; Mining
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G31/00—Soilless cultivation, e.g. hydroponics
    • A01G2031/006—Soilless cultivation, e.g. hydroponics with means for recycling the nutritive solution
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P60/00—Technologies relating to agriculture, livestock or agroalimentary industries
    • Y02P60/20—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions in agriculture, e.g. CO2
    • Y02P60/21—Dinitrogen oxide [N2O], e.g. using aquaponics, hydroponics or efficiency measures

Abstract

본 발명은 순환식 수경재배용 급액 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 순환식 수경재배용 급액 제어 장치는, 수경재배 시스템으로의 각 개별 양분의 공급 정도, 및 작물의 상기 각 개별 양분의 흡수 정도에 따른 상기 수경재배 시스템의 잔여 양액 내의 상기 개별 양분의 농도 변화 관계를 나타낸 농도변화 모델을 저장하는 메모리부; 상기 농도변화 모델을 기초로 소정 시간 동안의 상기 개별 양분의 농도 변화 정도를 추정하는 농도변화 추정부; 추정된 상기 개별 양분의 농도 변화 정도를 기초로 소정 분석 시점에서의 상기 수경재배 시스템의 잔여 양액 내 복수 양분에 대한 상기 개별 양분의 당량 비율을 산출하는 양분비율 산출부; 상기 양분비율 산출부에 의하여 예측되는 상기 분석 시점 이후 미래 시점에서의 상기 수경재배 시스템의 잔여 양액 내 상기 개별 양분의 당량 비율이 기설정된 각 개별 양분의 기준 당량 비율에 도달하기 위한 개별 양분별 목표 당량 비율을 산출하는 목표비율 산출부; 및 상기 개별 양분별 목표 당량농도 비율을 기초로 사용자가 보유하고 있는 보유 비료염의 조합을 통한 차기 양액 조제시 필요한 각 보유 비료염별 농도를 산출하는 양액조성 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

순환식 수경재배 시스템의 급액 제어 장치 및 그 방법{MANAGING APPARATUS FOR CONTROLLING NUTRIENT SOLUTION IN CLOSED HYDROPONICS SYSTEM AND METHOD THEREOF}
본 발명은 급액 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 순환식 수경재배 시스템에서 각 양액 성분 간의 균형을 고려하여 식물 생육에 최적화된 양액 공급이 이루어질 수 있도록 제어하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
수경재배는 식물을 토양 없이 양액에서 키우는 방식으로서, 뿌리를 양액에 직접 담그는 순수수경과 뿌리를 지지해주는 고형 지지체가 있는 상태에서 지지체에 양액을 공급하여 키우는 고형배지경으로 나눌 수 있다.
수경재배를 통한 식물 재배시에는 환경에 따라 식물의 양분 흡수농도가 동적으로 변화되는 것에 대응하여, 시간이 경과함에 따라 식물 근권부의 양분 농도에도 변동이 나타나게 된다. 수경재배는 토경재배에 비하여 완충용량이 작기 때문에 근권부에서 나타나는 양분 농도의 변동은 각 양분 간의 불균형을 야기할 수 있으며, 이는 곧 식물의 생육에 유의적인 영향을 미치게 된다. 따라서, 각 양분 간의 불균형이 발생하지 않도록 각 양분의 비율을 적극적으로 관리해줄 필요가 있다.
그동안 국내 과채류 수경재배 농가 중 대다수가 관행적으로 적용해오던 비순환식 수경재배 방식은 재배 중 발생되는 배액을 방류하고 관수할 때마다 새롭게 조제한 양액을 공급하는 방식이다. 위 방식은 양분의 변동을 일정 수준 내로 조절할 수는 있으나 물, 비료가 과다 사용되어 비경제적이고, 방류되는 배액의 잔여성분으로 인한 환경오염이 발생되어 많은 문제점이 제기되어 왔다.
비순환식 수경재배의 대안으로 주목받고 있는 순환식 수경재배 방식은 배액을 전량 또는 일부 재사용하는 방식으로서 이에 의하면 전술된 비순환식 수경재배의 문제점을 해결할 수 있다. 다만, 최소 13종의 필수양분들 농도가 재배 시스템 내에서 동적으로 변하기 때문에 각 양분의 균형을 맞추는데 기술적 어려움이 존재한다.
종래에는 일정 주기에 따라 샘플링한 양액을 성분 분석하여 부족분에 대한 보충량을 결정하거나 양분 흡수량을 측정하여 양액 공급량을 결정하는 방식으로 양분의 균형을 제어하였다. 그러나, 이러한 방식들은 단일 재배 수조로만 구성된 순수 수경재배 시스템에서는 큰 오차없이 유용하게 적용될 수 있지만, 과채류 수경재배의 상당부분을 차지하는 고형배지경 시스템에서는 오차가 매우 크게 나타나 적용하는데 많은 기술적 애로사항이 있다.
이에, 고형배지경을 비롯한 순환식 수경재배 시스템 전반에서 높은 정확도로 각 양분 간의 균형을 제어할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
한국공개특허 10-2008-0098945(2008.11.12.)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 순환식 수경재배 시스템에서 각 양액 성분 간의 균형을 고려하여 식물 생육에 최적화된 양액 공급이 이루어질 수 있도록 제어하는 장치 및 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
상기한 목적은 본 발명의 일 양태에 따른 순환식 수경재배용 급액 제어 장치에 있어서, 수경재배 시스템으로의 각 개별 양분의 공급 정도, 및 작물의 상기 각 개별 양분의 흡수 정도에 따른 상기 수경재배 시스템의 잔여 양액 내의 상기 개별 양분의 농도 변화 관계를 나타낸 농도변화 모델을 저장하는 메모리부; 상기 농도변화 모델을 기초로 소정 시간 동안의 상기 개별 양분의 농도 변화 정도를 추정하는 농도변화 추정부; 추정된 상기 개별 양분의 농도 변화 정도를 기초로 소정 분석 시점에서의 상기 수경재배 시스템의 잔여 양액 내 복수 양분에 대한 상기 개별 양분의 당량 비율을 산출하는 양분비율 산출부; 상기 양분비율 산출부에 의하여 예측되는 상기 분석 시점 이후 미래 시점에서의 상기 수경재배 시스템의 잔여 양액 내 상기 개별 양분의 당량 비율이 기설정된 각 개별 양분의 기준 당량 비율에 도달하기 위한 개별 양분별 목표 당량 비율을 산출하는 목표비율 산출부; 및 상기 개별 양분별 목표 당량농도 비율을 기초로 사용자가 보유하고 있는 보유 비료염의 조합을 통한 차기 양액 조제시 필요한 각 보유 비료염별 농도를 산출하는 양액조성 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 제어 장치에 의하여 달성될 수 있다.
여기서, 상기 농도변화 모델은 다음의 수식으로 표현될 수 있다.
위 수식에서, CI sub는 수경재배 시스템의 잔여 양액 내 양분 I의 당량농도, Qin은 수경재배 시스템으로 유입되는 양액의 평균 유량, CI stk는 수경재배 시스템으로 유입되는 양액 내 양분 I의 당량농도, VI max는 작물에 의한 양분 I의 최대 흡수 속도, KI m은 VI max의 1/2 지점에서의 작물 근권부 양분 I의 당량농도를 의미한다.
또한, 상기 수식에서 Qin은 다음의 수식에 의하여 산출될 수 있다.
위 수식에서, tped는 기준 시간을 소정의 시간 단위로 변환한 값, topr은 상기 기준 시간동안의 양액 공급 밸브의 평균 가동시간, QinR은 양액 공급 밸브의 유량을 의미한다.
한편, 본 발명에 따른 순환식 수경재배용 급액 제어 장치는, 상기 농도변화 모델에 대하여 진행 곡선 분석(Progress curve analysis)을 수행하여 상기 농도변화 모델에서 작물의 상기 개별 양분의 흡수 정도에 영향을 주는 파라미터 값을 추정하는 파라미터 추정부를 더 포함할 수 있으며, 상기 농도변화 추정부는, 추정된 상기 파라미터의 값을 상기 농도변화 모델에 적용하여 상기 개별 양분의 농도 변화 정도를 추정할 수 있다.
여기서, 상기 파라미터 추정부를 통하여 추정되는 상기 파라미터는 작물에 의한 상기 개별 양분의 최대 흡수 속도, 및 상기 개별 양분의 최대 흡수 속도의 1/2 지점에서의 작물 근권부의 상기 개별 양분의 당량농도일 수 있다.
또한, 상기 파라미터 추정부는, 소정 기간 동안의 상기 수경재배 시스템의 잔여 양액 내의 상기 개별 양분의 농도의 실측값을 복수 양분에 대한 상기 개별 양분의 당량 비율로 변환한 실측 기반 당량 비율의 값과 상기 양분비율 산출부를 통하여 산출되는 상기 개별 양분의 당량 비율의 값의 편차를 최소화하는 상기 파라미터 값을 추정할 수 있다.
한편, 상기 양액조성 산출부는, 비선형 계획법을 이용하여 상기 보유 비료염별 농도를 산출할 수 있다.
이때, 상기 양액조성 산출부는, 상기 보유 비료염을 조합하여 양액 조제시 획득되는 각 개별 양분의 당량 비율인 제1 양분 당량비율과 상기 목표비율 산출부를 통하여 산출된 상기 개별 양분의 목표 당량 비율의 차이의 제곱값을 모든 양분에 대하여 합한 값이 최소가 되는 상기 보유 비료염별 농도를 산출할 수 있다.
또한, 상기 양액조성 산출부는, 산출된 상기 보유 비료염별 농도에 따라 조성된 양액의 각 개별 양분별 당량농도의 합이 미리 결정된 양액 내 전체 양분 목표 농도값과 동일할 것을 제1 제약조건으로 적용할 수 있다.
아울러, 상기 양액조성 산출부는, 상기 목표비율 산출부를 통하여 산출된 상기 개별 양분의 목표 당량 비율이 사용자가 현재 사용중인 양액 내 개별 양분의 당량 비율인 제2 양분 당량비율보다 크거나 같을 경우, 상기 제1 양분 당량비율이 상기 제2 양분 당량비율보다 크거나 같을 것을 제2 제약조건으로 적용하고, 상기 개별 양분의 목표 당량비율이 상기 제2 양분 당량비율보다 더 작을 경우, 상기 제1 양분 당량비율이 상기 제2 양분 당량비율보다 작을 것을 제3 제약조건으로 적용할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기한 목적은 본 발명의 또 다른 양태에 따른 각 단계가 순환식 수경재배용 급액 제어 장치에 의하여 수행되는 수경재배용 급액 제어 방법에 있어서, (a) 수경재배 시스템으로의 각 개별 양분의 공급 정도, 및 작물의 상기 개별 양분의 흡수 정도에 따른 상기 수경재배 시스템의 잔여 양액 내의 상기 개별 양분의 농도 변화 관계를 나타낸 농도변화 모델을 저장하는 단계; (b) 상기 농도변화 모델을 기초로 소정 시간 동안의 상기 개별 양분의 농도 변화 정도를 추정하는 단계; (c) 추정된 상기 개별 양분의 농도 변화 정도를 기초로 소정 분석 시점에서의 상기 수경재배 시스템의 잔여 양액 내 복수 양분에 대한 상기 개별 양분의 당량 비율을 산출하는 단계; (d) 상기 농도변화 모델 및 상기 소정 분석 시점에서의 상기 개별 양분의 당량 비율을 기초로 예측되는 상기 분석 시점 이후 미래 시점에서의 상기 수경재배 시스템의 잔여 양액 내 복수 양분에 대한 상기 개별 양분의 당량 비율이 기설정된 각 개별 양분의 기준 당량 비율에 도달하기 위한 각 개별 양분별 목표 당량 비율을 산출하는 단계; 및 (e) 상기 개별 양분별 목표 당량 비율을 기초로 사용자가 보유하고 있는 비료염의 조합을 통한 차기 양액 조제시 필요한 각 비료염별 농도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 제어 방법에 의해서도 달성될 수 있다.
또한, 상기한 목적은 본 발명의 또 다른 양태에 따른, 상기 순환식 수경재배용 급액 제어 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위하여 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의하여도 달성될 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 양액 내 전체 양분 중 특정성분이 과잉 또는 결핍되지 않도록 각 개별 양분 간 비율 균형을 제어함으로써 식물 생육에 최적화된 양액 공급이 이루어지도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 순환식 수경재배용 급액 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 순환식 수경재배용 급액 제어 방법의 과정을 나타낸 흐름도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 설명하기로 한다. 다만 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
본 발명에 따른 순환식 수경재배용 급액 제어 장치는 복수 종류의 이온 화합물 비료염을 조합하여 양액을 조성할 때, 비료염을 구성하는 각 이온 성분에 해당하는 양분 간의 비율 균형을 고려하여 양액 조제 레시피를 제공한다. 참고로 양액 내 양분의 예시로서, 양이온에 대항하는 K, Ca, Mg, NH4와 음이온에 해당하는 NO3, SO4, H2PO4 등을 들 수 있다.
한편, 본 명세서에서 기재하는 수경재배 시스템은 순수 수경 및 고형배지경을 모두 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 순환식 수경재배용 급액 관리 장치(이하, '급액 제어 장치')의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 급액 제어 장치(100)는 사용자 입력부(10), 디스플레이부(20), 메모리부(30), 및 프로세서(40)를 포함한다.
사용자 입력부(10)는 양액 조제 레시피를 산출하는 과정에서 사용자로부터 각종 데이터를 입력받기 위한 장치로 키보드, 마우스, 버튼 등의 다양한 입력장치로 구현될 수 있다. 사용자 입력부(10)는 작물의 종류 및 재배시기, 사용자가 보유하고 있는 비료염의 종류, 소정 기간 동안 수경재배 시스템의 잔여 양액에 포함된 각 개별 양분의 농도를 실측한 복수의 실측값, 및 사용자가 현재 사용중인 양액에 관한 정보, 예컨대, 수경재배 시스템에 공급하고 있는 양액을 조제할 때 사용자가 조합한 비료염의 농도 데이터 등을 입력받을 수 있다.
여기서, 수경재배 시스템 내의 잔여 양액은 수경재배 시스템에 공급되어 작물에 흡수되거나 증발되고 남은 양액으로서, 고형배지경 시스템의 경우 배액 또는 배지 내의 잔류 양액을 의미하며, 순수 수경 시스템의 경우 배액 또는 식물 베드 내의 잔류 양액을 의미한다.
디스플레이부(20)는 영상, 그래픽, 텍스트 등을 포함한 각종 정보를 화면에 표시하기 위한 것으로, 액정 디스플레이(LCD) 패널, 발광 다이오드(LED) 패널, 유기 발광 다이오드(OLED) 패널 등으로 구현될 수 있다. 또한, 터치 스크린 등과 같이 사용자 입력부(10)와 디스플레이부(20)가 통합되어 하나의 디바이스로 구현될 수도 있다. 디스플레이부(20)는 차기 양액 조제 레시피를 산출하는 과정에서 사용자로부터 각 단계에 필요한 데이터를 입력받기 위한 메뉴, 및 산출된 결과 등을 표시한다.
메모리부(30)는 RAM, ROM, EEPROM, 플래시 메모리 등의 메모리 소자로 구현되어, 급액 제어 장치(100)의 다양한 운영체제(OS), 미들웨어, 플랫폼, 및 각종 어플리케이션을 저장할 수 있으며, 프로그램 코드, 및 신호처리된 영상신호, 음성신호, 및 각종 데이터를 저장할 수 있다.
또한, 메모리부(30)는 소정 시간동안 수경재배 시스템의 배액 또는 배지(베드) 내의 개별 양분의 농도가 어떻게 변화하였는지를 추정하기 위한 농도변화 모델, 위 농도변화 모델의 파라미터 값, 급액 제어 장치(100)를 통하여 과거에 분석된 개별 양분의 비율과 개별 양분의 농도 등 각종 분석 결과 값들을 포함하는 분석 히스토리 정보, 차기 양액 조제 레시피를 사용자에게 가이드하기 위한 정보를 생성하기 위하여 분석에 필요한 각종 기준 정보, 및 제어 목표값 등을 저장할 수 있다.
메모리부(30)에 저장되는 정보 및 데이터에 관하여 좀 더 설명하면, 먼저, 농도변화 모델은 소정 단위 시간 동안 수경재배 시스템의 배지(베드)로 각 개별 양분이 공급된 정도, 및 소정 단위 시간 동안 작물이 개별 양분을 흡수한 정도에 따른 수경재배 시스템의 잔여 양액, 즉, 배액 또는 배지(베드) 내 양액에 포함된 개별 양분의 농도 변화 관계를 나타낸 모델로서, 각 개별 양분에 대하여 별도로 마련된다. 여러 양분 중 임의의 특정 양분 I에 대한 농도변화 모델은 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
여기서, CI sub(eq/L)는 수경재배 시스템의 잔여 양액 내 양분 I의 당량농도, Qin(L/min)은 단위 시간당 수경재배 시스템의 배지(베드)로 유입되는 양액의 평균 유량, CI stk(eq/L)는 수경재배 시스템의 배지(베드)로 유입되는 양액 내 양분 I의 당량농도, VI max(eq/min)는 작물에 의한 양분 I의 최대 흡수 속도, KI m(eq/L)은 VI max의 1/2 지점에서의 작물 근권부 양분 I의 당량농도를 의미한다. 참고로, 위에서는 Qin, VI max의 단위 시간이 분(min)인 것을 예로 들었으나, 분 외에도 시(hour), 초(sec) 등 다양한 단위가 적용될 수 있다.
수학식 1의 Qin은 다음의 수학식 2에 의하여 산출될 수 있다.
[수학식 2]
여기서, tped는 기준 시간을 소정의 시간 단위로 변환한 값이며 topr은 기준 시간 동안의 양액 공급 밸브의 평균 가동시간이다. 예컨대, 기준 시간이 하루이고 시간 단위가 분인 경우 tped는 1440분(24 X 60 = 1440)이 되며, topr은 양액 공급밸브의 하루 평균 가동시간이 될 것이다. 참고로, topr은 양액 공급밸브의 동작을 제어하는 제어모듈로부터 가동시간에 관한 정보를 수신하거나 또는 양액 공급밸브의 가동시간을 계측하는 기기로부터 수신하여 획득될 수 있다. 한편, QinR(L/min)은 양액 공급 밸브를 완전히 개방했을 때의 유량을 의미한다.
수학식 2를 참조하면, 하루 중 양액 공급밸브의 가동시간을 증가시키면 밸브 자체의 유량에 근접해감을 알 수 있다.
또한, 메모리부(30)는 각 양분별 기준 당량 비율에 관한 데이터와 양액 내 전체 양분 목표 농도값을 저장할 수 있다. 여기서, 각 양분별 기준 당량 비율은 식물의 생육에 적합한 해당 양분의 당량 비율로서 양액에 포함되는 복수 양분의 당량 농도의 합에 대한 해당 개별 양분의 당량 농도의 비를 의미한다. 또한, 양액 내 전체 양분 목표 농도값은 조제 목표가 되는 양액 전체 농도값이다. 여기서, 각 양분별 기준 당량농도 비율에 관한 데이터와 양액 내 전체 양분 목표 농도값은 통계적 또는 실험적으로 식물 생육에 적합한 것으로 증명된 표준 값을 이용할 수 있으며, 식물의 종류나 생육 시기에 대응하여 필요한 양분 및 그 양이 변화됨을 고려하여 식물의 종류와 생육 시기별로 다른 값으로 저장될 수 있다.
프로세서(40)는 메모리부(30)에 저장된 데이터, 사용자 입력부(10)를 통하여 입력된 입력 데이터, 및 저장된 내부 프로그램에 의하여 급액 제어 장치(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 프로세서(40)는 농도변화 모델을 기초로 소정 시간 동안의 배액 또는 배지(베드) 내의 개별 양분의 당량농도 변화와 해당 분석 시점에서의 배액 또는 배지(베드) 내의 양액에 포함되는 복수 양분에 대한 개별 양분의 당량 비율을 추정하여 각 개별 양분 간의 비율을 고려한 차기 양액 조제 레시피를 산출하여 제공한다.
도 1을 참조하면, 프로세서(40)는 파라미터 추정부(41), 농도변화 추정부(43), 양분비율 산출부(45), 목표비율 산출부(47), 및 양액조성 산출부(49)를 포함한다.
파라미터 추정부(41)는 농도변화 모델의 파라미터 중 작물의 양분 흡수 정도에 영향을 주는 일부 파라미터의 값을 추정한다. 즉, 작물에 의한 양분 I의 최대 흡수 속도인 VI max, VI max의 1/2 지점에서의 작물 근권부 양분 I의 당량농도에 해당하는 KI m의 값을 추정한다. 파라미터 추정부(41)는 농도변화 모델에 대하여 진행 곡선 분석(Progress curve analysis)을 수행하여 VI max, KI m의 값을 추정한다.
여기서, 진행 곡선 분석 방법은 모델의 파라미터 값을 추정할 때 활용하는 공지된 방법으로서, 논문(Golicnik, M. (2011). Exact and approximate solutions for the decades-old Michaelis-Menten equation: progress-curve analysis through integrated rate equations. Biochemistry and Molecular Biology Education, 39(2), 117-125. doi:10.1002/bmb.20479) 등에 관련 내용이 개시되어 있다.
파라미터 추정부(41)는 VI max, KI m의 추정을 위하여 소정 기간 동안의 수경재배 시스템의 잔여 양액 내 개별 양분의 농도 실측값을 복수 양분에 대한 개별 양분의 당량 비율(이하, '실측 기반 당량 비율')로 각각 변환한다. 이와 같이 변환된 실측 기반 당량 비율 값을 이용하여 모델 피팅(fitting) 프로세싱이 이루어진다. 참고로, 수경재배 시스템의 잔여 양액 내 각 개별 양분의 농도의 실측값은 미리 결정된 소정 기간 동안 주기적 또는 비주기적으로 이온센서를 이용하여 배액이나 배지(베드) 내의 양액의 각 성분의 농도를 측정하거나 또는, 사용자가 배액이나 배지(베드) 내 양액 샘플 성분을 복수 회 분석하여 획득될 수 있다.
파라미터 추정부(41)는 농도변화 모델에서 VI max, KI m 의 값을 임의로 변화시켜가면서 실측 기반 당량 비율의 값과 후술되는 바와 같이 양분비율 산출부(45)에서 농도변화 모델을 기초로 산출되는 복수 양분에 대한 개별 양분의 당량 비율의 값인 모델 기반 당량 비율의 값의 편차, 예컨대, 평균 제곱근 오차(Root Mean Square Error, RMSE)가 최소화되는 값으로 VI max, KI m 파라미터 값을 추정한다.
이와 같이 추정된 VI max, KI m 값은 메모리부(30)에 저장되어 설정된 기간동안 반복적으로 활용할 수 있다. 참고로, 파라미터의 추정은 미리 결정된 주기마다 이루어지도록 할 수 있으며, 이때, 파라미터 추정 주기는 작물의 종류나 작물의 재배 단계 및 재배 시기에 따라 달리 결정될 수 있다.
농도변화 추정부(43)는 농도변화 모델을 기초로 소정 시간 동안의 수경재배 시스템의 잔여 양액, 즉 배액 또는 배지(베드) 내 양액의 각 개별 양분의 농도 변화 정도를 추정한다. 농도변화 모델을 구성하는 파라미터 값들은 다른 기기로부터 수신하거나 사용자 입력부(10)를 통하여 입력된 값, 또는 메모리부(30)에 미리 저장된 값을 적용할 수 있다.
농도변화 모델의 파라미터 중 Qin은 전술된 바와 같이, 위의 수학식 2를 통하여 산출할 수 있으며, 수경재배 시스템의 잔여 양액 내 양분 I의 당량농도인 CI sub는 초기 농도 값은 사용자 입력부(10)를 통하여 입력된 입력 값을 기초로 적용할 수 있으며, 그 이후부터는 메모리부(30)에 저장된 산출 히스토리 정보를 기초로 이전에 분석된 산출 값을 적용할 수 있다.
양액 공급 밸브를 통하여 수경재배 시스템으로 유입되는 양액 내 양분 I의 당량 농도인 CI stk는 초기 작동시에는 사용자 입력부(10)를 통하여 사용자가 양액 조제시 조합한 비료염의 농도 데이터를 입력받아 산출하고, 그 이후부턴 급액 제어 장치(100)를 통하여 산출된 비료염 농도에 따라서 양액을 조성하였다고 가정하고 바로 이전에 산출된 각 비료염별 농도에 관한 데이터를 적용하여 산출할 수 있다. 다만, 사용자가 산출 결과에 따라 양액을 조성하지 않았을 수도 있으므로 사용자 선택에 따라 이전 산출 데이터를 적용하거나 사용자로부터 비료염의 농도 데이터를 직접 입력받을 수도 있다. 참고로, 사용자가 양액 내 각 개별 양분의 농도 정보를 직접 입력할 때에는 사용자는 eq/L 단위의 당량 농도를 바로 입력할 수도 있으나, 사용자가 몰(mol) 단위로 각 개별 양분의 농도 정보를 입력하면 입력된 농도를 당량 농도로 변환할 수도 있으며, 사용자가 농도 수치를 입력하지 않고 사용자가 양액의 제조시 공급한 비료염의 종류와 양, 물의 양을 입력하면 메모리부(30)에 저장된 비료염의 화학식을 기초로 각 개별 양분의 농도를 산출할 수도 있다.
또한, 작물에 의한 양분 I의 최대 흡수 속도인 VI max, VI max의 1/2 지점에서의 작물 근권부 양분 I의 당량농도에 해당하는 KI m는 파라미터 추정부(41)에 의하여 미리 추정되어 메모리부(30)에 저장된 값을 활용할 수 있다.
농도변화 추정부(43)는 농도변화 모델을 통하여 산출된 dCI sub/dt를 수치적분하여 소정의 시간 t 동안의 CI sub의 변화량을 산출한다. 농도변화 추정부(43)는 양액 내 포함된 개별 양분 I, 예컨대, 필수 다량이온에 해당하는 K, Ca, Mg, NH4, NO3, SO4, H2PO4의 농도 변화량을 각각 추정할 수 있다.
양분비율 산출부(45)는 농도변화 추정부(43)를 통하여 추정된 개별 양분의 당량농도 변화량과 이전 분석 시점의 개별 양분의 농도를 기초로 해당 분석 시점의 전체 양분에 대한 개별 양분의 당량비율을 산출한다. 여기서, 이전 분석 시점의 개별 양분의 농도는 메모리부(30)에 저장된 분석 히스토리 정보를 활용할 수 있으며, 처음 산출할 때에는 사용자 입력부(10)를 통하여 입력된 값을 활용할 수 있다.
양분비율 산출부(45)는 다음과 같은 수식을 통하여 해당 분석 시점에서의 각 양분별 당량비율을 산출할 수 있다.
[수학식 3]
여기서, PI sub(T2)는 해당 분석 시점인 T2에서의 배액 또는 배지(베드) 내 복수의 양분에 대한 개별 양분 I의 당량 비율이고, CI sub(T1)은 이전 분석 시점인 T1에서의 배액 또는 배지(베드) 내 양액의 개별 양분 I의 당량 농도(eq/L), DI sub은 농도변화 추정부(43)를 통하여 추정된 T2-T1 시간 동안의 배액 또는 배지(베드) 내 양액의 개별 양분 I의 당량 농도 변화량(eq/L)을 의미한다. k는 양액에 포함되는 양분의 종류로, K, Ca, Mg, NH4, NO3, SO4, H2PO4 등이 될 수 있다.
수학식 3과 같이, 개별 양분의 당량 비율은 해당 분석 시점의 각 개별 양분의 당량 농도를 모두 합하여 총 당량 농도를 구하고, 각 개별 양분의 당량 농도를 총 당량 농도로 나누어 해당 양분의 당량 비율을 각각 산출할 수 있다.
목표비율 산출부(47)는 양분비율 산출부(45)를 통하여 산출되는 소정 미래 시점에서의 수경재배 시스템의 배액 또는 배지(베드) 내 양액에서의 각 개별 양분의 당량 비율이 기설정된 각 개별 양분의 기준 당량 비율에 도달하기 위한 개별 양분별 목표 당량 비율을 산출한다. 목표비율 산출부(47)를 통하여 산출되는 목표 당량 비율은 후술되는 바와 같이 양액조성 산출부(49)를 통하여 보유 비료염별 적정 농도를 산출할 때 그 기준이 되는 값으로서, 보유 비료염의 조합을 통한 차기 양액 조제시 목표로 하는 각 양분의 당량농도 비율이다. 예컨대, 양분 K의 목표 당량 비율이 0.3이라고 가정하면, 양분 K의 당량 비율이 0.3인 차기 양액을 조제하는 것이 목표가 된다. 참고로, 소정 미래 시점은 분석 시점 이후의 시점을 의미하는 것으로, 장치의 분석 주기 또는 사용자 입력에 의하여 설정될 수 있다.
수경재배 시스템으로 특정 값의 양분 I의 당량농도를 가지는 양액이 수경재배 시스템으로 유입되는 것을 가정할 때, 농도변화 모델을 적용하면 농도변화 추정부(43)를 통하여 소정 시간 동안 배액 또는 배지(베드) 내 양액의 양분 I의 농도 변화를 추정할 수 있고 이를 이용하면 양분비율 산출부(45)에서 소정 미래 시점에서의 양분 I의 농도를 예측할 수 있으며, 양액 내 포함되는 복수의 양분에 대한 각각의 예측값을 기초로 결과적으로 소정 미래 시점에서의 배액 또는 배지(베드) 내 복수 양분에 대한 각 개별 양분의 당량 비율을 예측할 수 있게 된다.
목표비율 산출부(47)는 위와 같은 과정을 반복하여 해당 분석 시점, 즉 현재 시점에서의 각 개별 양분의 당량 비율이 특정 미래 시점에서 해당 개별 양분의 기준 당량 비율에 도달하기 위한 개별 양분별 목표 당량 비율을 산출한다. 목표비율 산출부(47)는 농도변화 모델에서 CI stk 의 값을 임의로 변경시켜가면서 개별 양분별 목표 당량 비율을 산출할 수 있으며, 다른 파라미터 값은 메모리부(30)에 저장된 기설정 값을 적용할 수 있다.
각 양분의 목표 당량 비율은 모든 양분의 당량 농도의 합에 대하여 정의되는 비율이며, 모든 양분별로 각각의 목표 당량 비율이 산출된다.
이와 같이, 목표비율 산출부(47)를 통하여 산출된 각 개별 양분별 목표 당량 비율 값은 양액조성 산출부(49)가 보유 비료염의 조합을 통한 차기 양액 조제시 필요한 각 보유 비료염별 적정 농도를 산출하는데 활용된다. 이를 통하여, 개별 양분 간 비율 균형을 고려한 급액 제어가 가능해진다.
이에 관하여 좀 더 상세히 설명하면, 양액을 조제할 때 모든 양분이 목표비율 산출부(47)를 통하여 산출된 해당 양분의 목표 당량 비율 값을 만족하도록 조성하는 것이 이상적이지만, 양액은 복수 종류의 이온화합물 비료염을 적정하게 조합하여 조제되므로 실제로는 모든 양분에 대해서 산출된 목표 당량 비율을 정확하게 만족시키기 어렵다. 비료염은 양이온과 음이온의 쌍(pair)으로 이루어져 있고, 동일한 이온이 다른 비료염에도 포함되어 있을 수 있기 때문이다. 예컨대, 사용자가 보유하고 있는 비료염이 Ca(NO3), K2SO4, KH2PO4, NH4NO3, MgSO4, KNO3이라고 가정할 때, K 이온은 K2SO4, KH2PO4, KNO3에 공통적으로 포함되어 있어 K에 대한 목표 당량비율을 맞추기 위해서는 위 3개의 비료염을 구성하는 음이온의 비율도 동시에 고려해야 하므로 사실상 모든 개별 양분에 대한 목표 당량 비율을 정확하게 만족하여 양액을 조제하기는 어렵다.
이에, 양액조성 산출부(49)는 사용자의 보유 비료염을 기초로 최대한 각 양분의 목표 당량 비율에 가깝도록 차기 양액 조제시 필요한 각 비료염별 농도에 관한 최적 솔루션을 산출한다. 이를 위하여, 양액조성 산출부(49)는 비선형계획법(non-linear programming)을 이용하여 결정변수에 해당하는 각 보유 비료염별 농도를 산출할 수 있다.
양액조성 산출부(49)는 복수의 보유 비료염을 조합하여 양액 조제시 획득되는 각 개별 양분의 당량 비율(이하, '제1 양분 당량비율')과 목표비율 산출부(47)를 통하여 산출된 각 개별 양분별 목표 당량 비율의 차이의 제곱값을 모든 양분에 대하여 더하는 함수를 목적함수로 적용하여 위 목적함수가 최소가 될때의 각 양분별 제1 양분 당량비율을 기초로 보유 비료염별 농도(mol 단위)를 산출할 수 있다. 이때, 다음과 같은 제약조건을 적용할 수 있다.
먼저, 산출된 보유 비료염별 농도에 따라 조제되는 차기 양액의 각 양분별 당량 농도의 합이 목표로 하는 농도값인 양액 내 전체 양분 목표 농도값과 동일할 것을 제1 제약조건으로 적용할 수 있다. 여기서 양액 내 전체 양분 목표 농도값은 메모리부(30)에 미리 저장된 값일 수 있으며, 또는 사용자 입력부(10)를 통하여 입력될 수도 있다.
또한, 목표비율 산출부(47)를 통하여 산출된 특정 양분의 목표 당량 비율이 현재 사용중인 양액, 즉, 가장 마지막으로 수경재배 시스템에 공급된 양액 내 해당 양분의 당량 비율(이하, '제2 양분 당량비율')보다 크거나 같을 경우, 복수의 보유 비료염을 조합하여 양액 조제시 획득되는 해당 양분의 당량농도 비율인 제1 양분 당량비율도 해당 양분의 제2 양분 당량비율보다 크거나 같을 것을 제2 제약조건으로 적용할 수 있다. 이와는 반대로, 목표비율 산출부(47)를 통하여 산출된 특정 양분의 목표 당량 비율이 해당 양분의 제2 양분 당량비율보다 작을 경우, 해당 양분의 제1 양분 당량비율도 해당 양분의 제2 양분 당량비율보다 작을 것을 제3 제약조건으로 적용할 수 있다.
전술된 제2 제약조건과 제3 제약조건은 제어 목표인 양분별 목표 당량 비율의 방향성을 따르도록 하기 위함이다. 예컨대, 양분별 목표 당량 비율에 의할 때 해당 양분별 당량 비율이 현재 상태보다 증가해야 하는 경우, 양액조성 산출부(49)를 통하여 산출된 솔루션에 따른 양분 당량 비율도 증가하도록 하고, 이와는 반대로 해당 양분별 당량 비율이 현재 상태보다 감소해야 하는 경우 솔루션에 따른 해당 양분 당량 비율도 감소하도록 함으로써 제어 목표의 방향성을 만족하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 순환식 수경재배용 급액 제어 방법의 과정을 나타낸 흐름도이다. 이하, 도 2를 참조하여 전술된 급액 제어 장치(100) 구성의 유기적인 동작을 살펴보기로 한다. 앞서 설명된 실시예와 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 메모리부(30)에 수경재배 시스템으로의 각 개별 양분의 공급 정도, 및 작물의 각 개별 양분의 흡수 정도에 따른 수경재배 시스템의 잔여 양액 내의 개별 양분의 농도 변화 관계를 나타낸 농도변화 모델, 위 모델의 기설정 파라미터 값, 각 개별 양분별 기준 당량 비율, 양액 내 전체 양분 목표 농도값 등을 포함하여 차기 양액 조제시 권장되는 각 보유 비료염별 농도를 산출하는 과정에 필요한 각종 데이터를 저장하는 것이 전제된다(S10).
이어서, 사용자 입력부(10)를 통하여 분석 대상 수경재배 시스템에 관한 사용자 입력을 받는다(S20). 사용자 입력으로서, 작물의 종류 및 재배시기, 사용자가 보유하고 있는 비료염의 종류, 사용자가 현재 사용중인 양액에 관한 정보, 예컨대, 수경재배 시스템에 공급된 양액 조제시 사용자가 조합한 비료염의 농도 데이터 등을 입력받을 수 있다. 여기서, 현재 사용중인 양액에 관한 정보는 초기 작동시에는 사용자로부터 입력받고, 이후부터는 급액 제어 장치(100)를 통하여 산출된 비료염 농도에 따라서 양액을 조성하였다고 가정하고 바로 이전에 산출된 각 비료염별 농도에 관한 데이터를 적용할 수 있음은 전술된 바와 같다. 이처럼, 한번 정보를 입력받고 특별한 변경이 없는 한 과거에 입력된 데이터를 지속적으로 활용할 수 있다.
또한, 소정 기간 동안의 수경재배 시스템의 잔여 양액에 포함된 각 개별 양분의 농도를 실측한 실측값을 획득할 수 있다. 실측값은 농도 변화모델의 일부 파라미터 값을 추정하는데 활용된다.
전술된 단계를 통하여 분석에 필요한 제반 데이터가 구비되면, 이어서, 프로세서(40)는 농도변화 모델에서 작물의 양분 흡수정도에 영향을 주는 파라미터인 작물에 의한 양분 I의 최대 흡수 속도인 VI max, 및 VI max의 1/2 지점에서의 작물 근권부 양분 I의 당량농도에 해당하는 KI m 값을 추정하는 프로세싱을 수행한다(S30). 이를 위하여, 파라미터 추정부(41)는 잔여 양액 내 각 개별 양분의 실측값을 복수 양분에 대한 개별 양분의 당량 비율로 변환하고, 변환된 값을 이용하여 모델을 피팅(fitting)한다.
즉, 농도변화 모델에서 VI max, KI m 의 값을 임의로 변화시켜가면서 실측 기반 당량 비율의 값과 양분비율 산출부(45)에서 산출되는 모델 기반 당량 비율의 값의 편차가 최소화되는 값으로 VI max, KI m 파라미터 값을 추정할 수 있음은 전술된 바와 같다. 파라미터의 추정은 초기에 한번 이루어진 후 미리 결정된 주기 동안 반복적으로 연산에 활용될 수 있다.
파라미터 추정이 완료되면, 프로세서(40)는 이전 단계에서 구비된 각 데이터를 기초로 차기 양액 조제 레시피를 산출하기 위한 후속 프로세싱을 진행한다.
먼저, 프로세서(40)는 농도변화 모델을 기초로 소정 시간동안의 배액 또는 배지(베드) 내 각 개별 양분의 농도 변화정도를 추정한다(S40). 즉, 농도변화 모델을 통하여 산출된 dCI sub/dt를 수치적분하여 소정의 시간 t 동안의 CI sub의 변화량을 산출함으로써 양액 내 포함된 개별 양분 I, 예컨대, 필수 다량이온에 해당하는 K, Ca, Mg, NH4, NO3, SO4, H2PO4의 농도 변화량을 각각 추정할 수 있다. 참고로, 농도변화 모델의 Qin 값을 산출하기 위하여 급액 제어 장치(100)는 양액 공급밸브의 가동시간, 유량 등을 측정하는 수경재배 시스템의 다른 기기 및 모듈과 연동되어 필요한 데이터를 수신할 수 있다.
이어서, 추정된 개별 양분의 농도 변화정도와 이전 분석 시점의 개별 양분의 농도를 기초로 해당 분석 시점의 배액 또는 배지(베드) 내 전체 양분에 대한 개별 양분의 당량 비율을 산출한다(S50). 이때, 처음 분석을 시작하거나 양액을 새롭게 교체하여 이전 분석 결과 히스토리가 존재하지 않는 경우 사용자 입력부(10)를 통하여 입력된 개별 양분의 농도에 관한 정보를 활용할 수 있다. 소정 시점의 양액 내 각 개별 양분의 당량비율은 수학식 3을 기초로 산출할 수 있음은 전술된 바와 같다.
위와 같이 각각의 양분에 대하여 해당 분석 시점에서의 배액 또는 배지(베드) 내 개별 양분의 당량 비율이 산출되면, 농도변화 모델 및 해당 분석 시점에서의 개별 양분의 당량 비율을 기초로 예측되는 소정 미래 시점에서의 수경재배 시스템의 배액 또는 배지(베드) 내 양액에서의 각 개별 양분의 당량 비율이 해당 개별 양분의 기준 당량 비율에 도달하기 위한 개별 양분별 목표 당량 비율을 산출한다(S60).
각 양분별 목표 당량 비율을 산출하기 위하여, 프로세서(40)는 CI stk 의 값을 임의로 변경시켜가면서 농도변화 모델에 적용하여 이전 단계에서와 같이, 소정 시간 동안의 해당 양분의 당량 농도 변화량 및 소정 미래 시점에서의 해당 양분의 당량 농도를 예측하고, 복수의 양분에 대한 당량 농도 예측값을 기초로 소정 미래 시점에서의 배액 또는 배지(베드) 내 복수 양분에 대한 각 개별 양분의 당량 비율을 예측하는 일련의 과정을 반복함으로써, 최종적으로 특정 미래 시점에서 각 개별 양분의 당량 비율이 해당 개별 양분의 기준 당량 비율에 도달하기 위한 개별 양분별 목표 당량 비율을 각각 산출할 수 있다.
이어서, 프로세서(40)는 각 양분별 목표 당량 비율을 기초로 차기 양액 조제 레시피, 즉, 보유 비료염의 조합을 통한 차기 양액 조제시 넣어야 하는 각 보유 비료염별 농도를 산출한다(S70). 이는, 전술된 바와 같이, 비선형계획법을 이용할 수 있으며, 복수의 보유 비료염을 조합하여 양액 조제시 획득되는 각 양분의 당량 비율인 제1 양분 당량비율과 이전 단계에서 산출된 각 양분별 목표 당량 비율의 차이의 제곱값을 모든 양분에 대하여 더하는 함수를 목적함수로 적용하여 위 목적함수가 최소가 되도록 하는 양분별 제1 양분 당량비율의 값을 기초로 보유 비료염별 농도를 산출할 수 있다.
이와 같이 산출된 각 보유 비료염별 농도에 관한 산출 결과는 디스플레이부(20)를 통하여 사용자에게 제공되어 사용자가 복수의 비료염을 조합하여 차기 양액을 조제할 때 활용된다.
이와 같이 본 발명에 따른 순환식 수경재배용 급액 제어 장치(100) 및 방법은 양액의 전체 양분에서 특정 성분이 과잉 또는 결핍되지 않도록 각 개별 양분 간 비율의 균형을 관리함으로써 식물 생육에 최적화된 양액 공급이 이루어지도록 할 수 있다.
전술된 순환식 수경재배용 급액 제어 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성되어 마그네틱 저장매체, 광학적 판독매체, 디지털 저장매체 등 다양한 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 사용자 입력부 20: 디스플레이부
30: 메모리부 40: 프로세서
41: 파라미터 추정부 43: 농도변화 추정부
45: 양분비율 산출부 47: 목표비율 산출부
49: 양액조성 산출부

Claims (12)

  1. 수경재배 시스템으로의 각 개별 양분의 공급 정도, 및 작물의 상기 각 개별 양분의 흡수 정도에 따른 상기 수경재배 시스템의 잔여 양액 내의 상기 개별 양분의 농도 변화 관계를 나타낸 농도변화 모델을 저장하는 메모리부;
    상기 농도변화 모델을 기초로 소정 시간 동안의 상기 개별 양분의 농도 변화 정도를 추정하는 농도변화 추정부;
    추정된 상기 개별 양분의 농도 변화 정도를 기초로 소정 분석 시점에서의 상기 수경재배 시스템의 잔여 양액 내 복수 양분에 대한 상기 개별 양분의 당량 비율을 산출하는 양분비율 산출부;
    상기 양분비율 산출부에 의하여 예측되는 상기 분석 시점 이후 미래 시점에서의 상기 수경재배 시스템의 잔여 양액 내 상기 개별 양분의 당량 비율이 기설정된 각 개별 양분의 기준 당량 비율에 도달하기 위한 개별 양분별 목표 당량 비율을 산출하는 목표비율 산출부; 및
    상기 개별 양분별 목표 당량농도 비율을 기초로 사용자가 보유하고 있는 보유 비료염의 조합을 통한 차기 양액 조제시 필요한 각 보유 비료염별 농도를 산출하는 양액조성 산출부를 포함하며,
    상기 양액조성 산출부는,
    비선형 계획법을 이용하여 상기 보유 비료염별 농도를 산출하고, 상기 보유 비료염을 조합하여 양액 조제시 획득되는 각 개별 양분의 당량 비율인 제1 양분 당량비율과 상기 목표비율 산출부를 통하여 산출된 상기 개별 양분의 목표 당량 비율의 차이의 제곱값을 모든 양분에 대하여 합한 값이 최소가 되는 상기 보유 비료염별 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 농도변화 모델은 다음의 수식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 제어 장치.

    (여기서, CI sub는 수경재배 시스템의 잔여 양액 내 양분 I의 당량농도, Qin은 수경재배 시스템으로 유입되는 양액의 평균 유량, CI stk는 수경재배 시스템으로 유입되는 양액 내 양분 I의 당량농도, VI max는 작물에 의한 양분 I의 최대 흡수 속도, KI m은 VI max의 1/2 지점에서의 작물 근권부 양분 I의 당량농도를 의미함)
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수식에서 Qin은 다음의 수식에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 제어 장치.

    (여기서, tped는 기준 시간을 소정의 시간 단위로 변환한 값, topr은 상기 기준 시간동안의 양액 공급 밸브의 평균 가동시간, QinR은 양액 공급 밸브의 유량을 의미함)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 농도변화 모델에 대하여 진행 곡선 분석(Progress curve analysis)을 수행하여 상기 농도변화 모델에서 작물의 상기 개별 양분의 흡수 정도에 영향을 주는 파라미터 값을 추정하는 파라미터 추정부를 더 포함하며,
    상기 농도변화 추정부는, 추정된 상기 파라미터의 값을 상기 농도변화 모델에 적용하여 상기 개별 양분의 농도 변화 정도를 추정하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 파라미터 추정부를 통하여 추정되는 상기 파라미터는 작물에 의한 상기 개별 양분의 최대 흡수 속도, 및 상기 개별 양분의 최대 흡수 속도의 1/2 지점에서의 작물 근권부의 상기 개별 양분의 당량농도인 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 제어 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 파라미터 추정부는,
    소정 기간 동안의 상기 수경재배 시스템의 잔여 양액 내의 상기 개별 양분의 농도의 실측값을 복수 양분에 대한 상기 개별 양분의 당량 비율로 변환한 실측 기반 당량 비율의 값과 상기 양분비율 산출부를 통하여 산출되는 상기 개별 양분의 당량 비율의 값의 편차를 최소화하는 상기 파라미터 값을 추정하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 제어 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 양액조성 산출부는,
    산출된 상기 보유 비료염별 농도에 따라 조성된 양액의 각 개별 양분별 당량농도의 합이 미리 결정된 양액 내 전체 양분 목표 농도값과 동일할 것을 제1 제약조건으로 적용하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 제어 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 양액조성 산출부는,
    상기 목표비율 산출부를 통하여 산출된 상기 개별 양분의 목표 당량 비율이 사용자가 현재 사용중인 양액 내 개별 양분의 당량 비율인 제2 양분 당량비율보다 크거나 같을 경우, 상기 제1 양분 당량비율이 상기 제2 양분 당량비율보다 크거나 같을 것을 제2 제약조건으로 적용하고,
    상기 개별 양분의 목표 당량비율이 상기 제2 양분 당량비율보다 더 작을 경우, 상기 제1 양분 당량비율이 상기 제2 양분 당량비율보다 작을 것을 제3 제약조건으로 적용하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 제어 장치.
  11. 각 단계가 순환식 수경재배용 급액 제어 장치에 의하여 수행되는 수경재배용 급액 제어 방법에 있어서,
    (a) 수경재배 시스템으로의 각 개별 양분의 공급 정도, 및 작물의 상기 개별 양분의 흡수 정도에 따른 상기 수경재배 시스템의 잔여 양액 내의 상기 개별 양분의 농도 변화 관계를 나타낸 농도변화 모델을 저장하는 단계;
    (b) 상기 농도변화 모델을 기초로 소정 시간 동안의 상기 개별 양분의 농도 변화 정도를 추정하는 단계;
    (c) 추정된 상기 개별 양분의 농도 변화 정도를 기초로 소정 분석 시점에서의 상기 수경재배 시스템의 잔여 양액 내 복수 양분에 대한 상기 개별 양분의 당량 비율을 산출하는 단계;
    (d) 상기 농도변화 모델 및 상기 소정 분석 시점에서의 상기 개별 양분의 당량 비율을 기초로 예측되는 상기 분석 시점 이후 미래 시점에서의 상기 수경재배 시스템의 잔여 양액 내 복수 양분에 대한 상기 개별 양분의 당량 비율이 기설정된 각 개별 양분의 기준 당량 비율에 도달하기 위한 각 개별 양분별 목표 당량 비율을 산출하는 단계; 및
    (e) 상기 개별 양분별 목표 당량 비율을 기초로 사용자가 보유하고 있는 보유 비료염의 조합을 통한 차기 양액 조제시 필요한 각 보유 비료염별 농도를 산출하는 단계를 포함하며,
    상기 (e) 단계는,
    비선형 계획법을 이용하여 상기 보유 비료염별 농도를 산출하고, 상기 보유 비료염을 조합하여 양액 조제시 획득되는 각 개별 양분의 당량 비율인 제1 양분 당량비율과 상기 (d) 단계를 통하여 산출된 상기 개별 양분의 목표 당량 비율의 차이의 제곱값을 모든 양분에 대하여 합한 값이 최소가 되는 상기 보유 비료염별 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 순환식 수경재배용 급액 제어 방법.
  12. 제11항에 따른 순환식 수경재배용 급액 제어 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위하여 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
KR1020210114951A 2021-08-30 2021-08-30 순환식 수경재배 시스템의 급액 제어 장치 및 그 방법 KR102624724B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210114951A KR102624724B1 (ko) 2021-08-30 2021-08-30 순환식 수경재배 시스템의 급액 제어 장치 및 그 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210114951A KR102624724B1 (ko) 2021-08-30 2021-08-30 순환식 수경재배 시스템의 급액 제어 장치 및 그 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230032290A KR20230032290A (ko) 2023-03-07
KR102624724B1 true KR102624724B1 (ko) 2024-01-15

Family

ID=85513257

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210114951A KR102624724B1 (ko) 2021-08-30 2021-08-30 순환식 수경재배 시스템의 급액 제어 장치 및 그 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102624724B1 (ko)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7721670B2 (en) 2006-10-30 2010-05-25 David Weber Kayak having deck fairing
KR101871481B1 (ko) * 2016-05-30 2018-06-27 농업회사법인 주식회사 그린코프 원예작물의 양액재배를 위한 비료처방 방법
KR102301629B1 (ko) * 2018-11-20 2021-09-10 서울대학교산학협력단 Lstm을 이용한 순환식 수경재배의 양액 다량이온 추정 장치 및 그 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230032290A (ko) 2023-03-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Son et al. Hydroponic systems
US11341591B2 (en) Environmental management zone modeling and analysis
EP3179319B1 (en) Method for irrigation planning and system for its implementation
Gu et al. Development of an irrigation scheduling software based on model predicted crop water stress
Stirzaker et al. A soil water and solute learning system for small-scale irrigators in Africa
Vico et al. From rainfed agriculture to stress-avoidance irrigation: I. A generalized irrigation scheme with stochastic soil moisture
KR102342987B1 (ko) 인공지능 기반 스마트 작물 재배 관리장치, 및 그 방법
Himanshu et al. Evaluation of crop-growth-stage-based deficit irrigation strategies for cotton production in the Southern High Plains
US20180103596A1 (en) Fertigation system, fertigation control server, salts accumulation determination method, and soil ec sensor
KR102301629B1 (ko) Lstm을 이용한 순환식 수경재배의 양액 다량이온 추정 장치 및 그 방법
US20180308028A1 (en) Control of plant-growing facilities and workforces
Raes et al. AquaCrop-The FAO crop model to simulate yield response to water
WO2021007363A1 (en) Irrigation control with deep reinforcement learning and smart scheduling
CN115423643A (zh) 水肥计算方法、装置、电子设备和存储介质
KR102624724B1 (ko) 순환식 수경재배 시스템의 급액 제어 장치 및 그 방법
Marinescu et al. Advanced control strategies for irrigation systems
KR101871481B1 (ko) 원예작물의 양액재배를 위한 비료처방 방법
Morchid et al. High-Technology Agriculture System to Enhance Food Security: A Concept of Smart Irrigation System Using Internet of Things and Cloud Computing
KR102397050B1 (ko) 순환식 수경재배용 급액 관리 장치 및 그 방법
Incrocci et al. A decision support system to optimise fertigation management in greenhouse crops
Kim et al. Closed hydroponic nutrient solution management using multiple water sources
González-Salazar Agriculture 4.0 the advance in models and new knowledge to improve production
KR102511764B1 (ko) 소형 수경재배 시스템의 급액 관리 장치 및 그 방법
KR20210056213A (ko) 농장 운영정보 제공 시스템
KR102564683B1 (ko) 이온기반 양액 관리 시스템 및 방법

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant