KR102646723B1 - 스마트팜의 자연 채광 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스마트팜의 자연 채광 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 적어도 하나 이상의 재배 유닛을 통해 작물을 재배하기 위한 스마트팜의 자연 채광 시스템에 있어서, 집광판을 이용하여 자연광을 수집하는 집광부; 상기 집광부의 전단 또는 후단에 적어도 하나 이상이 설치되고, 수집된 자연광에서 기 설정된 파장 대역의 광을 필터링하는 필터링부; 상기 필터링부를 거쳐 전송되는 자연광을 전송하는 도광부; 및 상기 집광부 및 도광부를 거쳐 유입되는 자연광을 상기 재배 유닛 방향으로 조명하는 산광부를 포함하는 시스템일 수 있다.

Description

스마트팜의 자연 채광 시스템 및 그 방법{System for natural lighting of Smart farm and its method}

본 발명은 자연광과 인공광의 하이브리드 조명 구조를 통해 작물 재배 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 스마트팜의 자연 채광 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 일 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

스마트팜(Smart Farm)은 농업, 임업, 축산업, 수산물의 생산, 가공 및 유통 단계에서 정보 통신 기술(ICT)을 접목해 지능화된 농업 시스템으로서, 사물인터넷(IoT) 등 기술을 이용해 환경을 유지 및 관리하고, 스마트 기기 등으로 자동관리할 수 있도록 한다.

이러한 스마트팜 시스템은 재배시설물 내의 온도 및 습도를 측정하여 표시하고, 카메라, 펌프, 각종 밸브, 전열기구, 조명기구 등을 제어할 수 있도록 한 제어장치를 이용하여 원격으로 재배시설물을 모니터링하면서 농작물을 재배할 수 있기 때문에, 최소의 노동력을 통해 다수의 재배시설물을 관리함에 따라 농업 경쟁력을 향상시킬 수 있는 기술로 꼽히고 있으며, 이를 이용한 다양한 제어 기술이 연구되고 있다.

농업적으로는 식물의 생장 및 발달(개화, 착과 등)이 입사 스펙트럼의 영향을 받으므로 식물에 제공되는 광의 스펙트럼은 식물의 생산성에 큰 영향을 미친다. 따라서, 인공조명을 이용한 식물 재배에서는 식물에 제공되는 광의 스펙트럼을 식물생산에 최적화 시키는 것이 매우 중요하다.

그러나, 현재까지 스마트팜 및 식물공장과 같은 인공조명을 사용한 식물 재배에서 사용되는 인공광원들의 스펙트럼은 태양광과 크게 다를 뿐만 아니라, 인공광원의 종류 즉, 나트륨등, 형광등, LED 등에 따라서도 각각 큰 차이를 갖는다.

일반적으로 스마트팜에는 복수의 LED를 인공광원으로 사용하고 있는데, 자연광 유입이 어려운 컨테이너형 스마트팜은 인공 광원을 이용한 조명과 실내로 유입되는 자연채광을 이용하여 작물 재배의 효율성을 향상시키고 있다.

컨테이너형 스마트팜에 적용되는 자연 채광 시스템은 광덕트 시스템, 반사 거울 시스템, 광케이블을 이용한 조명 시스템 등이 있으며, 대부분 광케이블을 이용한 조명 시스템을 적용하고 있다.

완전히 밀폐된 공간에서 인공광을 이용하여 식물을 재배하는 컨테이너형 스마트팜의 경우에, 태양광을 사용하지 않고 LED 등의 인공광을 사용한 컨테이너형 스마트팜은 완전 폐쇄된 형태로 재배하기 때문에 농약이 필요 없고 전체 계획 생산을 목표로 하는 것이 가능하지만 인공조명을 제어하기 위해 필요한 전력량과, 소비 전력량에 따른 전기 요금 등의 비용이 너무 많이 소요되는 단점이 있다.

반면에, 태양광을 사용한 컨테이너형 스마트팜은 태양광 설비를 이용하여 고급 기술의 환경 제어 및 관리가 필요하고, 인공조명에 비해 낮은 비용으로 운영할 수 있지만 날씨의 영향으로 태양의 양이 변화할 수 있어 인공광을 사용한 스마트팜에 비해 불안정한 생산이 예상되는 단점이 있다.

따라서, 태양광과 인공광을 사용한 하이브리드 조명 구조는 태양광을 사용한 컨테이너형 스마트팜에 복수의 LED를 인공조명으로 설치하여 보조 광원으로 사용할 수 있어 고급 환경 제어 및 년간 재배가 가능하다는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 컨테이너형 스마트팜에 광케이블을 이용한 조명 시스템을 적용한 상태를 설명하는 도면이고, 도 2는 종래의 광케이블을 이용한 조명 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 컨테이너형 스마트팜(10)에서 광케이블을 이용한 조명 시스템(20)은 집광렌즈와 태양위치 검출용 광센서를 포함하는 집광부(21), 특수 피복제를 사용하여 유연성을 확보하며 광을 전송하는 광케이블(22) 및 다양한 산광 타입 선택이 가능한 산광부(23)를 포함하고 있다.

산광부(23)가 재배되는 작물의 상부 또는 일측면에서 자연광을 조사할 수 있도록, 광케이블(22)은 설치의 용이성을 위해 폴리머 계열을 사용하고 있다. 이러한 폴리머 계열의 광케이블(22)은 조명 설치가 용이하다는 장점이 있지만, 태양광 집광에 따른 고온에 의해 말단부가 변형될 수 있으며, 장시간 사용시 자연광에 포함된 자외선에 의해 색상 변화가 발생하고, 이로 인해 광효율을 감소시키게 되는 문제점이 있다.

자연광을 이용한 스마트팜의 작물재배의 경우에, 자외선 파장 대역의 광에 대해 민감하며, 자외선 노출이 많을수록 작물의 크기도 작고 수확량이 줄어드는 경향이 있기 때문에 식물 성장에 유해한 영향을 미치는 자외선 파장 대역의 광을 차단할 필요가 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 폴리머 계열의 광케이블의 변색을 방지하면서 자연광과 인공광의 하이브리드 조명 구조를 통해 작물 재배 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 스마트팜의 자연 채광 시스템 및 그 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜의 자연 채광 시스템은, 적어도 하나 이상의 재배 유닛을 통해 작물을 재배하기 위한 스마트팜의 자연 채광 시스템에 있어서, 집광판을 이용하여 자연광을 수집하는 집광부; 상기 집광부의 전단 또는 후단에 적어도 하나 이상이 설치되고, 수집된 자연광에서 기 설정된 파장 대역의 광을 필터링하는 필터링부; 상기 필터링부를 거쳐 전송되는 자연광을 전송하는 도광부; 및 상기 집광부 및 도광부를 거쳐 유입되는 자연광을 상기 재배 유닛 방향으로 조명하는 산광부를 포함하는 것이다.

상기 필터링부는, 자연광 중 자외선(Ultra Violet) 파장 대역에 해당되는 100nm ~ 400nm의 광을 필터링하는 것이다.

상기 필터링부는, 자연광 중에서 250nm 이하의 자외선 파장대역의 광을 차단하고, 280nm ~ 385nm 사이의 자외선 파장대역의 광을 기 설정된 횟수 이내에서 단속적으로 통과시키는 것이다.

한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스마트팜의 자연 채광 시스템은, 적어도 하나 이상의 재배 유닛을 통해 작물을 재배하기 위한 스마트팜의 자연 채광 시스템에 있어서, 자연광을 수집하여 상기 재배 유닛에 재배되는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기 설정된 파장 대역의 광을 주 조명으로 제공하는 채광 장치; 상기 재배 유닛에 재배되는 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기 설정된 파장 대역의 인공광을 보조 조명으로 제공하는 인공 조명 장치; 및 상기 채광 장치에서 수집되는 자연광의 광량에 따라 상기 보조 조명에 대한 조명 제어를 수행하고, 상기 대상 작물에 따라 유효 파장 대역의 광원이 선택되도록 제어 명령을 통해 채광 장치와 인공 조명 장치를 제어하는 조명 제어 장치를 포함하되, 상기 채광 장치는, 집광판을 이용하여 자연광을 수집하는 집광부; 상기 집광부의 전단 또는 후단에 적어도 하나 이상이 설치되고, 수집된 자연광에서 기 설정된 파장 대역의 광을 필터링하는 필터링부; 상기 필터링부를 거쳐 전송되는 자연광을 전송하는 도광부; 및 상기 집광부 및 도광부를 거쳐 유입되는 자연광을 상기 재배 유닛 방향으로 조명하는 산광부를 포함하는 것이다.

상기 필터링부는, 자연광 중 자외선(Ultra Violet) 파장 대역에 해당되는 100nm ~ 400nm의 광을 필터링하는 것이다.

상기 조명 제어 장치는, 상기 도광부로 유입되는 자연광의 광량을 감지하는 광량 감지 센서를 포함하는 것이다.

상기 조명 제어 장치는, 상기 대상 작물의 생육 정보와 재배 환경 정보에 기초하여 기 설정된 유효 광량 데이터에 따라 상기 주 조명과 보조 조명의 광량에 대한 공급을 제어하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜의 자연 채광 방법은, 적어도 하나 이상의 재배 유닛을 통해 작물을 재배하기 위한 스마트팜의 자연 채광 시스템에 수행되는 자연 채광 방법에 있어서, 집광판을 이용하여 자연광을 수집하는 단계; 수집된 자연광에서 자외선(Ultra Violet) 파장 대역의 광을 필터링하는 단계; 필터링된 자연광을 광케이블을 통해 전송하는 단계; 및 상기 광케이블을 거쳐 유입되는 자연광을 상기 재배 유닛 방향으로 조명하는 단계를 포함하는 것이다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스마트팜의 자연 채광 방법은, 적어도 하나 이상의 재배 유닛을 통해 작물을 재배하기 위한 스마트팜의 자연 채광 시스템에 수행되는 자연 채광 방법에 있어서, 집광판을 이용하여 자연광을 수집하는 단계; 수집된 자연광에서 자외선(Ultra Violet) 파장 대역의 광을 필터링하는 단계; 필터링된 자연광을 광케이블을 통해 전송하는 단계; 상기 광케이블을 거쳐 유입되는 자연광을 주 조명으로 상기 재배 유닛 방향으로 조명하는 단계; 상기 광케이블을 통해 유입되는 광의 광량을 감지하고, 감지된 광량이 상기 대상 작물의 생육 정보와 재배 환경 정보에 기초하여 기 설정된 유효 광량 데이터를 만족하는지를 확인하는 단계; 및 상기 감지된 광량이 상기 유효 광량 데이터를 만족하지 않은 경우에, 상기 감지된 광량과 유효 광량 데이터와의 차이값에 해당하는 부족한 광량을 기 설정된 파장 대역의 인공광을 사용하여 보조 조명으로 제공하는 단계를 포함하는 것이다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 자연광을 전송하는 광케이블의 변색을 방지하면서 대상 작물의 성장에 유해한 영향을 미치는 자외선 파장 대역의 광을 차단할 수 있고, 자연광을 효율적으로 수집하여 작물 재배에 제공하면서 LED 등의 인공광을 보조 조명으로 제공하는 자연광과 인공광의 하이브리드 조명 공급을 통해 재배되는 작물을 효율적이고, 경제적으로 재배할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 컨테이너형 스마트팜에 광케이블을 이용한 조명 시스템을 적용한 상태를 설명하는 도면이다.
도 2는 종래의 광케이블을 이용한 조명 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜의 자연 채광 시스템을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 3의 채광 장치의 구성을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜의 자연 채광 시스템이 적용된 조명 설비를 설명하는 예시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스마트팜의 자연 채광 시스템을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜의 자연 채광 방법을 설명하는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스마트팜의 자연 채광 방법을 설명하는 순서도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 ‘단말’은 휴대성 및 이동성이 보장된 무선 통신 장치일 수 있으며, 예를 들어 스마트 폰, 태블릿 PC 또는 노트북 등과 같은 모든 종류의 핸드헬드(Handheld) 기반의 무선 통신 장치일 수 있다. 또한, ‘단말’은 네트워크를 통해 다른 단말 또는 서버 등에 접속할 수 있는 PC 등의 유선 통신 장치인 것도 가능하다. 또한, 네트워크는 단말들 및 서버들과 같은 각각의 노드 상호 간에 정보 교환이 가능한 연결 구조를 의미하는 것으로, 근거리 통신망(LAN: Local Area Network), 광역 통신망(WAN: Wide Area Network), 인터넷 (WWW: World Wide Web), 유무선 데이터 통신망, 전화망, 유무선 텔레비전 통신망 등을 포함한다.

무선 데이터 통신망의 일례에는 3G, 4G, 5G, 3GPP(3rd Generation Partnership Project), LTE(Long Term Evolution), WIMAX(World Interoperability for Microwave Access), 와이파이(Wi-Fi), 블루투스 통신, 적외선 통신, 초음파 통신, 가시광 통신(VLC: Visible Light Communication), 라이파이(LiFi) 등이 포함되나 이에 한정되지는 않는다.

이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 동일 범위의 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.

또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜의 자연 채광 시스템을 설명하는 도면이고, 도 4는 도 3의 채광 장치의 구성을 설명하는 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜의 자연 채광 시스템이 적용된 조명 설비를 설명하는 예시도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 스마트팜의 자연 채광 시스템은 집광부(110), 필터링부(141, 142), 도광부(120) 및 산광부(130)를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.

집광부(110)는 태양광을 받아들여서 도광부(120)로 자연광을 전달하는 것으로서, 거울, 프리넬 렌즈, 프리즘 등을 이용한다. 일례로, 집광부(110)는 집광효율이 뛰어난 고성능 비구면 렌즈와 센서를 갖고, 2축 모터에 의해 구동되며, 집광부(110)를 보호하는 아크릴 돔 커버 및 본체 하부에 컨트롤 유닛이 내장될 수 있다.

도광부(120)는 집광부(110)로부터 받아들인 자연광을 실내로 전달하고, 광케이블, 광덕트, 광파이프 등을 이용한다. 도광부(120)는 광케이블 말단의 고정과 안전 확보 및 천정 내 수납을 위해 단말기구를 포함할 수 있다.

산광부(130)는 도광부(120)로부터 전송된 자연광을 재배 유닛 방향으로 조사한다.

필터링부(141, 142)는 집광부(110)의 전단 또는 후단에 적어도 하나 이상 설치될 수 있지만, 집광부(110)의 후단과 도광부(120)의 전단 사이에 설치되는 것이 가장 바람직하다. 이러한 필터링부(141, 142)는 자연광 중에서 자외선 파장대역의 광을 차단하고, 나머지 파장 대역의 광을 통과시키는 역할을 수행한다.

필터링부(141, 142)는 자외선 중에서도 작물에 유해한 영향을 미치는 250nm 이하의 자외선 파장대역의 광을 차단하고, 280nm ~ 385nm 사이의 자외선 파장대역의 광을 기 설정된 횟수 이내에서 단속적으로 통과시킬 수 있다.

280nm ~ 385nm 사이의 자외선 B(UV-B)는 신장 성장 감소, 잎 두께 및 밀랍 증가, 붉은 잎 상추와 일부 다른 식물의 잎 색상 향상, 병원균 및 곤충에 대한 저항력 강화, 보관 수명 2배 향상, 유익한 산화 방지제 및 플라보노이드 생성량 증가, 과일과 야채의 영양가 증가 등에 영향을 준다고 알려져 있다. 따라서, 필터링부(141, 142)는 24시간 동안 기 설정된 횟수(2회)로 기 설정된 시간 동안 단속적으로 UV-B를 통과시켜 식물 재배에 사용할 수 있다.

조명 제어 장치는 자연광에서 자외선 파장 대역의 광을 차단시키고, 나머지 광은 통과시키는 필터링부(141, 142)의 필터링 동작을 제어할 수 있는데, UV-B 광이 식물에 유해한 영향을 미치치 않도록 제한하기 위해 자외선을 제외한 나머지 자연광(400~750㎚의 파장 대역)은 연속적으로 점등하고, UV-B 광은 정해진 횟수와 시간에 따라 단속적으로 점등되도록 할 수 있다. 이때, 필터링부(141, 142)는 복수의 필터로 구성되어 조명 제어 장치()의 제어에 따라 필터를 선택적으로 사용할 수 있도록 구성될 수 있지만, 폴리머 계열의 광케이블로 구성되는 도광부(120)의 변색이나 광효율 저하를 방지하기 위해 유입되는 자연광에서 자외선 파장 대역의 광을 모두 차단하도록 하나의 필터로 구성될 수도 있다.

따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 도광부(120)가 가늘고 가벼워서 다루기 쉽고 설치가 용이한 폴리머 광케이블로 구성되어 조명이 필요한 각 장소마다 설치되어 컨테이너식 스마트팜의 내부, 지하실, 창고 등 평소 햇빛을 받지못하거나 자연광이 직접 도달하지 못하는 임의의 장소 등에 자연광을 공급해 줄 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스마트팜의 자연 채광 시스템을 설명하는 도면이다.

도 6을 참조하면, 스마트팜의 자연 채광 시스템은 채광 장치(100), 인공 조명 장치(200) 및 조명 제어 장치(300)를 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.

컨테이너식 스마트팜의 경우에, 재배 유닛(50)이 복수의 층으로 수직 적층되는 다층 구조 방식으로 한번에 많은 양의 작물을 재배하기 위한 공간을 확보할 수 있다.

이러한 컨테이너식 스마트팜의 조명 제어 시스템은 자연광과 인공광의 하이브리드 조명 방식을 채택하는데, 채광 장치(100)는 도 3 및 도 4에서 이미 설명한 바와 같이 자연광을 수집하여 대상 작물의 주 조명으로 제공하고, 인공 조명 장치(200)는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기 설정된 파장 대역의 인공광을 보조 조명으로 제공한다. 이때, 인공 조명 장치(200)는 재배 유닛(50)에 가깝게 설치하여 조명의 세기와 스펙트럼 방사율을 조절해 작물의 성장을 최적화하도록 재배 조명을 제공할 수 있다.

조명 제어 장치(300)는 채광 장치(100)에서 수집되는 자연광의 광량에 따라 보조 조명에 대한 조명 제어를 수행하고, 대상 작물에 따라 유효 파장 대역의 광원이 선택되도록 제어 명령을 통해 채광 장치(100)와 인공 조명 장치(200)를 제어한다.

조명 제어 장치(300)는 도광부(120)로 유입되는 자연광의 광량을 감지하는 광량 감지 센서(미도시)를 포함하고, 대상 작물의 생육 정보와 재배 환경 정보에 기초하여 기 설정된 유효 광량 데이터에 따라 광량 감지센서에서 감지한 주 조명의 광량이 부족할 경우에 보조 조명을 통해 부족한 광량을 공급할 수 있도록 인공 조명 장치(200)의 구동 시간이나 적색 LED, 녹색 LED, 청색 LED에 대한 온/오프를 결정한다.

대상 작물이 토마토인 경우에, 발아 단계에서는 680nm 파장의 빛의 세기가 식물의 성장 속도에 매우 중요한 역할을 하지만 발아 이후에는 거의 영향을 미치지 않는다. 식물의 생장 단계에서는 650nm의 빛 세기가 성장과 엽록소(색소) 농도를 최적화하지만, 성장 기간의 각 단계(발아, 생장, 과실 단계)는 서로 다른 파장을 이용한 빛 조사가 필요하다.

따라서, 스마트팜의 주통제장치(미도시)는 여러 식물의 생장 및 광합성에 필요한 고유의 스펙트럼 광 프로파일 정보(스펙트럼 파장 범위와 24시간 주기 포함)를 수집하여 생육 정보에 포함시키고, 스마트팜 내에 설치된 온도, 습도, 카메라 등의 IoT 센서와 연결하여 재배 환경 정보를 수집하여 저장한다. 작물 재배에 사용되는 광 스펙트럼은 대체로 파장이 400~700nm 사이인 가시광선 스펙트럼에 있고, 피크는 적색과 청색 범위에 있다. 스마트팜의 주통제장치는 IoT 센서를 이용하여 재배환경의 데이터를 실시간으로 계측 및 수집하는 동시에 클라우드 서비스를 이용하여 데이터를 축적 및 분석하여 토마토, 딸기, 상추 등 작물재배에 활용할 수 있도록 재배 유닛에서 기온, 지온, 수분, 일사량, 토양의 비료농도 등을 측정하여 일정 시간 간격으로 클라우드 서버에 전송되어 수집/분석/예측 등을 수행한 후 각 재배유닛에 최적의 온도, 습도, 조명, 영영 요소 등의 재배환경을 자동으로 관리하고, 관리 결과를 사용자 단말에 제공할 수 있다.

조명 제어 장치(300)는 스마트팜의 주통제장치의 통제에 따라 태양광의 매일 달라지는 일조량 변화를 반영하여 대상 작물의 24시간 주기에 맞춰 인공 조명 장치(200)를 제어한다. 따라서, 조명 제어 장치(300)는 인공 조명 장치(200)의 각 LED의 구동 시간과 온도에 걸쳐 출력을 조정해 지정된 색도와 강도를 유지하도록 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜의 자연 채광 방법을 설명하는 순서도이다.

도 7을 참조하면, 스마트팜의 자연 채광 방법은, 집광판(111)을 이용하여 자연광을 수집하고(S11), 필터링부(141, 142)를 통해 수집된 자연광에서 식물에 유해한 영향을 끼치면서 광케이블의 색상 변형을 유발시키는 자외선 파장 대역의 광을 필터링한다(S12).

필터링부(141, 142)에서 필터링된 자연광이 케이블을 통해 전송되고(S13), 산광부(130)에서 광케이블을 거쳐 유입되는 자연광을 재배 유닛 방향으로 조사한다(S14). 따라서, 집광부(110)에서 수집된 자연광을 대상 작물에 조사하고, 수집된 자연광 중에서 광케이블을 변형시키면서 대상 작물에 유해한 영향을 끼치는 자외선 파장 대역의 광을 차단함으로써 광케이블의 변형을 방지하면서 작물 생장 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스마트팜의 자연 채광 방법을 설명하는 순서도이다.

도 8을 참조하면, 자연광과 인공광의 하이브리드 조명 방식을 적용한 스마트팜의 자연 채광 방법은, 채광 장치(100)에서 자연광을 수집하고(S21), 필터링부(141, 142)를 통해 수집된 자연광에서 자외선 파장 대역의 광을 필터링한다(S22).

또한, 채광 장치(100)는 광케이블을 통해 필터링된 자연광을 광케이블을 통해 전송하고(S23), 산광부(130)에서 광케이블을 거쳐 유입되는 자연광을 재배 유닛 방향으로 조사한다(S24).

광량 감지 센서는 광케이블을 통해 유입되는 자연광의 광량을 감지하고(S25), 조명 제어 장치(300)는 광량 감지 센서에서 감지된 광량이 대상 작물의 생육 정보와 재배 환경 정보에 기초하여 기 설정된 유효 광량 데이터를 만족하는지를 확인한다(S26).

조명 제어 장치(300)는 감지된 광량이 유효 광량 데이터를 만족하지 않은 경우에, 감지된 광량과 유효 광량 데이터와의 차이값에 해당하는 부족한 광량을 기 설정된 파장 대역의 인공광을 사용하여 보조 조명으로 제공한다(S27).

이와 같이, 본 발명은 자연광 유입이 어려운 컨테이너형 스마트팜에 적용될 경우에, 자연광을 이용하여 작물 재배에 필요한 주조명을 제공하고, 일조량의 변화에 따라 주조명만으로 부족한 광량을 인공광을 이용한 보조 조명으로 채워줄 수 있다.

따라서, 본 발명은 자연광과 인공광을 이용하여 컨테이너식 스마트팜의 운영이 가능해짐에 따라 고기능성 식물 원료 대량 생산이 가능하며, 기후변화, 자원의 고갈 및 토양의 황폐화 등으로 인한 농업생산의 정체화가 지속됨에 따라 농작물 수급의 안정성을 확보할 수 있도록 한다.

한편, 도 7 및 도 8의 각 단계는 본 발명의 구현예에 따라서 추가적인 단계들로 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계간의 순서가 변경될 수도 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 이러한 기록 매체는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하며, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함하며, 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 채광 장치
110 : 집광부
120 : 도광부
130 : 산광부
141, 142 : 필터링부
200 : 인공 조명 장치
300 : 조명 제어 장치

Claims (9)

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2. 삭제
3. 삭제
4. 적어도 하나 이상의 재배 유닛을 통해 작물을 재배하기 위한 스마트팜의 자연 채광 시스템에 있어서,
   자연광을 수집하여 상기 재배 유닛에 재배되는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기 설정된 파장 대역의 광을 주 조명으로 제공하는 채광 장치;
   상기 재배 유닛에 재배되는 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기 설정된 파장 대역의 인공광을 보조 조명으로 제공하는 인공 조명 장치;
   상기 채광 장치에서 수집되는 자연광의 광량에 따라 상기 보조 조명에 대한 조명 제어를 수행하고, 상기 대상 작물에 따라 유효 파장 대역의 광원이 선택되도록 제어 명령을 통해 채광 장치와 인공 조명 장치를 제어하는 조명 제어 장치; 및
   여러 식물의 생장 및 광합성에 필요한 고유의 스펙트럼 광 프로파일 정보를 수집하여 생육 정보에 포함시키고, 스마트팜 내에 설치된 온도, 습도, 카메라를 포함하는 IoT 센서와 연결하여 재배 환경 정보를 수집하여 저장하는 주통제장치를 포함하되,
   상기 채광 장치는,
   비구면 렌즈 및 센서를 포함하고 2축 모터에 의해 구동되며, 보호를 위해 아크릴 돔 커버 및 본체 하부에 컨트롤 유닛이 내장되며, 집광판을 이용하여 자연광을 수집하는 집광부;
   상기 집광부의 후단에 적어도 하나 이상이 설치되고, 수집된 자연광 중 250nm 이하의 자외선 파장대역의 광은 차단하되 280 내지 385nm 사이의 자외선 파장대역의 광은 기 설정된 횟수 이내에서 단속적으로 통과시키며, 나머지 파장대역의 광은 통과시키는 필터링부;
   폴리머 계열의 광케이블, 광덕트 및 광파이프를 이용하여 상기 필터링부를 거쳐 전송되는 자연광을 전송하고, 상기 광케이블의 고정과 안전 확보 및 수납을 위해 단말기구를 포함하는 도광부; 및
   상기 집광부 및 도광부를 거쳐 유입되는 자연광을 상기 재배 유닛 방향으로 조명하는 산광부를 포함하고,
   상기 필터링부는 24시간 동안 2회만큼 기 설정된 시간 동안 단속적으로 280 내지 385nm 사이의 자외선 파장대역의 광을 통과시키고,
   상기 조명 제어장치는 상기 도광부로 유입되는 자연광의 광량을 감지하는 광량 감지 센서를 포함하고, 대상 작물의 생육 정보와 재배 환경 정보에 기초하여 기 설정된 유효 광량 데이터에 따라 광량 감지센서에서 감지한 주 조명의 광량이 부족할 경우에 부족한 광량을 공급할 수 있도록 상기 인공 조명 장치의 구동 시간을 결정하고,
   상기 주통제장치는 재배 유닛에서 기온, 지온, 수분, 일사량, 토양의 비료농도를 측정하여 기 설정된 시간 간격으로 클라우드 서버에 전송되어 수집·분석·예측을 수행한 후, 각 재배유닛에 최적의 온도, 습도, 조명, 영양 요소의 재배환경을 자동으로 관리하고, 관리 결과를 사용자 단말에 제공하는 것인, 스마트팜의 자연 채광 시스템.
   
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