KR20130041703A - 가변형 인공 광원을 이용한 온실내 인삼재배 방법 및 시스템 - Google Patents

가변형 인공 광원을 이용한 온실내 인삼재배 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가변형 인공광원을 이용한 온실내 인삼재배 방법 및 시스템에 관한 것으로, 상세히는 인삼의 생태적 특성에 기인한 온실 재배상의 인삼의 생육과 생산성과 품질에 예측을 통해 품질과 생산성을 유지하도록 컴퓨팅 기반의 제어시스템구축을 통하여 온실내의 환경정보를 가지고 부족한 환경에서의 보완을 통해 인삼 생육특성을 유지하여 치적의 조건제공을 통해 생산성과 품질을 향상하기 위한 가변형 인공광원을 이용한 온실내 인삼재배 방법 및 시스템에 관한 것이다.

Description

가변형 인공 광원을 이용한 온실내 인삼재배 방법 및 시스템{the inside green house ginseng grawing method and system by variable artificial light source}
본 발명은 가변형 인공광원을 이용한 온실내 인삼재배 방법 및 시스템에 관한 것으로, 상세히는 인삼의 생태적 특성에 기인한 온실 재배상의 인삼의 생육과 생산성과 품질에 예측을 통해 품질과 생산성을 유지하도록 컴퓨팅 기반의 제어시스템구축을 통하여 온실내의 환경정보를 가지고 부족한 환경에서의 보완을 통해 인삼 생육특성을 유지하여 치적의 조건제공을 통해 생산성과 품질을 향상하기 위한 가변형 인공광원을 이용한 온실내 인삼재배 방법 및 시스템에 관한 것이다.
인삼은 심산에 자생하던 식물로서 이를 채굴하여 약용하여 왔으나,산출이 고갈됨에 따라 한국에서는 16세기부터 인공재배가 시작되었는데,재배방법을 기술한 문헌으로서는 해동역사, 임원십육지(林園十六志),증보문헌비고(增補文獻備考),구한국 삼정국(舊韓國蔘政局)에서 조사한 재래경작법 등이 있다.
그 후 개성지방의 경작법, 금산지방의 경작법 등이 전래 되어 왔으나 현재는 표준경작법이 전국적으로 시행되고 있다.
인삼경작의 특색은 다른 작물과 특이하여 준비기묘포기본포기로 나누어져 각 기마다 특색 있는 재배관리를 하여야 한다.
⑴ 예정지 선정 및 관리:지세는 평탄지 또는 북향이나 동북향의 완경사지로서 북쪽에 높은 산이나 방풍물이 없이 넓게 트인 곳이 적지이다. 토양은 표토가 사양토 또는 식양토이고 심토는 점토질이 다소 많은 식양토로서 토층의 구분이 명료한 곳으로 특히 배수가 잘 되는 곳이 좋다. 초작지가 좋으며 연작할 때에는 밭은 10년 이상, 논은 6년 이상 경과해야 한다. 예정지는 최소한 1～2년간 휴한해야 하며 휴한 중에는 연중 15회 이상, 15cm 이상 깊이로 갈고 기비를 시여하는 동시에 일광 또는 약제살포로 토양소독을 하여 병충해 예방을 한다.
⑵ 개갑관리(開匣管理)와 파종:종자는 인공적으로 개갑관리를 하여 묘포에 식부해야 하는데 그 관리는 독특하다. 종자의 보관은 다른 작물과 달라 특유한 시설로 매장하였다가 식부기 가까이에 개갑관리를 한다. 개갑관리는 수분과 온도를 적절히 하여 건강한 발아를 할 수 있도록 한다.
파종할 종자는 파종 2～3일 전에 개갑장에서 꺼내어 종자와 같이 섞어서 저장하였던 모래를 어레미로 분리시킨 후 물로 깨끗이 씻은 다음 종자만을 골라 건조하지 않도록 그늘지고 서늘한 곳에 보관하였다가 종자소독을 한 후 파종한다. 파종시기는 추파는 10월 하순에서 11월 중순에, 춘파는 3월 중순에 한다. 먼저 파종할 상면(床面)에 점파용 장척을 사용하여 간격을 균일하게 구멍을 뚫고 한 구멍에 종자 한 알씩을 주의 깊게 파종한다.
⑶ 일복가설(日覆架設)이식:인삼은 직사광선을 기피하므로 일복가설이 필요하다. 일복가설은 전주높이 90cm, 후주 54cm로 하고 피복물은 이엉을 덮어 햇볕의 직사와 폭우의 피해를 막아 적절한 광선과 습도를 유지하게 한다. 묘포에서 1년간 생장한 묘삼은 3월 하순에서 4월 상순에 본포에 이식한다.
⑷ 비료:인삼재배에서는 분뇨나 화학비료를 사용하지 않는다. 인삼의 비료는 주로 약토(藥土)라 하여 농가에서 조제하여 시비하는데 그 조제법은 다음과 같다.
① 활엽수의 생엽(나뭇가지는 3～4cm로 절단)이나 낙엽 등을 옥외에 퇴적하고 적당히 관수하면서 월 2～3회 뒤집기를 하여 완전히 부숙시켜 거친 것이 없도록 분쇄한 다음 어레미로 친다.
② 활엽수 잎이나 낙엽의 부숙을 촉진시키기 위하여 쌀겨깻묵뼛가루 등을 첨가시킬 경우는 부엽토(腐葉土) 대 첨가제의 비율이 50:1(이하)이 되도록 한다.
⑸ 채종과 수확:인삼의 채종은 4년근에서 1회 하는 것이 원칙이다. 수확에 있어서 홍삼의 원료로 사용할 것은 6년근을, 백삼으로 제조할 것은 4～5년근을 수확한다.
이와 같은 종래의 경작법에 따른 인삼의 생산은 예정지 선정에서부터 수확까지 많은 시간과 노력 및 시설 인건비가 투입에도 불구하고 생산성이 더디며, 새로운 품종의 육성에는 수년 내지 수십년이 소요되는 문제점이 있다.
특히,인삼은 봄에 발아하여 수개월간 생육후 11월경 잎이 황변후 뇌두가 형성된 다음에 저온상태로 수개월 휴면에 들어가 월동한 다음 다시 발아되어 생육되는 특성으로 일반 경작법으로 연중 생산할 수 없는 문제점이 있다.
상기와 같이 인삼 생태적 특성에 기인한 재배상의 특수성 때문에 일반농작물에 비해 재배기술 개발이 미흡하고 재배방법도 일반화되지 않은 실정이다.
그러나 최근 인삼의 일반 경작재배에 있어서, 재배지 선정 및 관리의 문제점이나, 일복가설에 따른 적절한 광선과 습도 조절 등의 문제에 비해 유지관리가 쉽고 생산성이 높은 경제적인 재배 방식으로 처음 NASA에서 극한의 환경조건이나, 우주선내에서 사용하던 방식으로 수경재배에 따른 인산 생산방법이 도입단계에 이르고 있다.
수경재배는 토양을 사용하지 않고 묘판에서 적당하게 기른 모종을 재배조에 이식후에 작물에 필요한 필수 영양액을 작물의 뿌리에 공급하는 방식으로 국내등록실용신안 20-0174607호 '식물재배용 복합배지의 적층구조'에 따른 재배조인 배지베드 상부에는 점적호스를, 하부에는 냉온수파이프를 설치한 복합배지로 채널형상의 배지배드에는 입상압면체와 펄라이트층이 교대로 적층배치하거나, 입상암면체와 펄라이트를 일정 혼합한 혼합배지로 형성된 배지베드 하부에 설치한 유공망사를 통해 침적된 양액은 배수용 용기에 집수되어 배수로를 통해 배수되는 것으로 수분보유량을 개선하거나 수분함량에 일정하도록 해 양액 공급주기를 길게 하여 양액의 소비를 절약하도록 한 것임을 알 수 있다.
또, 다른 국내의 선원기술중 국내선원기술로 등록특허 제10-0463429호 '영양액 분무식 수경재배장치'에서는 수경재배함에 있어서 영양액을 작물의 뿌리에 분무하는 방식으로 공급하는 수경재배장치로서,"다리의 상측에 다수의 연결간으로 입설되는 지지프레임의 저부중간에 지지간으로 지지되는 하단에 영양액공급관이 연결된 영약액분문노즐이 부착된 지지프레임 양단과 영양액분무노즐외측으로 영양액수용지로 임의 형태의 골을 형성시키고, 지지프레임 상측에 재치시킨 재치판의 재식공을 마련한 장치"로 마련된 재식공에 식재된 엽채류작물의 뿌리에 영양액을 분무시키는 방식으로 영양액에 작물의 뿌리가 담긴 상태가 아닌 공중에 노출된 상태에서 영양분을 공급한다는데 그 의미를 두고 있다.
상기와 같이 재배조의 배지내에 식재한 작물의 뿌리주변에 영양액을 공급하거나, 재배조 상부에 재치시킨 재치판에 재식시킨후 뿌리주위에 영양액을 분무시키는 방식중 후자의 방식으로 수경재배를 방법을 통해 최근 인삼재배에도 적용한 선원기술이 있다.
그 대표적 선원기술로 국내등록특허 제10-0959254호 '청정수삼 및 인삼엽 생산방법'에 개시된 인삼수경재배시스템은 "배수홈이 있는 베드의 내부에 형성된 혼합배지에 저온저장된 묘삼을 정식한후, 양액을 조제하여, 양액을 혼합배지에 공급하는 배지경인삼수경재배 또는 미스트노즐을 통해 묘삼의 뿌리에 분사하는 분무경인삼수경재배방식으로, 양액은 베드 일단에 형성된 배수구를 통해 양액탱크에 유입되어 재 사용하는 방식으로 이루어진 청정수삼 및 인삼엽생산방법"이 개시된 것으로 본 기술에서의 인삼 수경 재배조는 정식용상토와 마사토를 동일비율로 혼합한 제1배지 또는 제1배지와 강모래와 상토를 동일비율로 구성한 제2배지로 이루어진 배지경 인삼수경재배와 미스트 의한 분무경 인삼수경재배방식으로 개시되어 있다.
또,다른 인삼수경재배방법 및 장치로 국내 특허공개번호 10-2010-0121042호 에서는 "인삼과 관엽식물과 알뿌리 식물이 포함된 식용과 관상식물의 수경재배에 있어서, 수경재배장치는 배양액수조에 수용된 물과 균사체나 영양소가 용해되어 버블배양수가 생성되고, 갈매기형상으로 이동이 편리하고 결합과 분리가 용이하도록 구비되어 성장판하우징 상부에 가역적으로 이동되도록 구성되는 성장판과; 성장판 상부에 구비되어 상부에 씨앗이 파종되고 하부에 버블배양수가 흡수되어 씨앗이 발아되도록 구성된 발아패드와; 발아패드 상부에 구비되어 외주면을 따라 소정폭의 테두리가 형성되고 배분밀대가 구비되어 하부에 배분구가 형성된 파종판"으로 구성된 인삼수경재배방법 및 시스템이 개시되어 있다.
[문헌 1] KR 20-0174607 Y1 1999.12.29 [문헌 2] KR 10-0463429 B1 2004.12.15 [문헌 3] KR 10-0959254 B1 2010.05.14 [문헌 4] KR 10-2010-0121042 A 2010.11.17
상기와 같은 점을 감안하여, 본 발명에서는 온실로 비춰지는 태양광의 일사량 및 외부기상 등을 측정한 후, 컴퓨터 또는 마이컴에 의한 제어를 통해 인삼재배시 발아,개화에 요구되는 기준 광요구량과 광 조사량을 비교연산해 인공 광원으로 조사해, 광합성을 증진시키고, 특정파장 범위로 변광시켜 특정 해충을 방제하는 효과를 내는 재배환경 구축과, 특히 광합성의 필수요소인 이산화탄소의 농도 변화에 따라 환기 또는 공급을 통하여, 생산성 저하방지와 지속적인 생산량과 품질을 유지하고, 동절기 또는 장마철과 같은 약 광기에 난방비를 절감할 수 있는 가변형 인공 광원을 이용한 온실내 인삼재배 방법 및 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 가변형 인공(보조)광원을 이용한 식물 재배 장치는 온실 재배용 작물에 인공광원을 조사시켜 식물을 재배하는 장치에 있어서, 상기 식물 재배 장치는 온실로 비춰지는 태양광의 세기, 온도를 측정한 후, 마이컴의 제어를 통해 온실 재배용 작물의 기준 광 요구량에 따라 가시광선, 청색, 적색 파장범위에서 변광하는 가변형 인공(보조)광원의 광출력을 제어하여 조사하는 광요구량 자동제어 유닛을 포함하여 이루어지도록 하여야 한다.
그리고 본 발명은 따른 광요구량 자동제어 유닛은 온실로 비춰지는 태양광의 세기를 측정하는 광센서와, 실내 온도를 측정하는 온도센서로 이루어진 센서부가 구성되고, 유·무선 통신포트를 통해 온실 재배용 작물에 필요한 기준 광 요구량, 재배용 작물의 발육온도, 습도, 이산화탄소에 관한 기준 데이터값을 키패드를 통해 입력하는 데이터 입력부가 구성되며, 온실 재배용 작물의 기준 광 요구량에 센서부로부터 측정된 광조사량을 연산한 후, 그 연산된 결과에 따라 가변형 인공(보조)광원의 광출력을 제어하여 파장대별로 조사되도록 제어하는 마이컴부가 구성되고, 적색광 가시광선, 청색광 파장 중 어느 하나가 선택되도록 제어하여 가변형 인공(보조)광원으로 선택된 특정 파장범위의 신호를 전송하는 파장분류 제어부를 포함하여 이루어지도록 하여야 한다.
본 발명에 가변형 인공광원을 이용한 온실내 인삼재배방법 및 시스템은 온실내 인공광원을 사용하는 딸기 재배시 온실로 비춰지는 태양광의 세기 및 온도 등을 측정한 후, 마이컴에 의한 제어를 통해 재배용 작물의 각 시기별로 요구되는 기준 광요구량 및 광조사량을 연산해 가변형 인공 광원에서 조사되는 빛을 각 시기별로 요구되는 파장 범위로 변광시켜 조사하는 재배방법으로 광합성작용의 주요 인자인 이산화탄소 시용시기 및 시용량을 제어하는 시스템제공을 통해 광합성작용촉진을 통한 작물의 품질향상 기여와, 통해 온실내 난방비 절감에도 기여하도록 효과를 제공한다.식물의 생육 및 재배를 위한 최적의 환경을 조성하기 위해 재배용 작물의 종류에 따라 발아, 개화 및 성장 시기에 맞추어, 각 시기별로 요구되는 특정 파장대 범위에서 변광하는 가변형 인공(보조)광원을 이용한 광요구량 자동제어 유닛을 도입하여 온실로 비춰지는 태양광의 세기 및 온도 등을 측정한 후, 마이컴에 의한 제어를 통해 재배용 작물의 각 시기별로 요구되는 기준 광요구량을 측정하여 광조사량을 연산하고, 그 연산된 결과에 따라 가변형 인공(보조)광원에서 조사되는 빛을 각 시기별로 요구되는 파장 범위로 변광시킴으로써 난방비 및 전기료를 절감할 수 있고, 온실 재배용 작물의 종류에 따라 발아, 개화 및 성장 시기 등을 조절하는 것이 가능하여 그 생산량을 증대시키는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 분석모듈 S/W엔진 개념도
도 2는 도 1의 환경분석 모듈 모식도
도 3은 도 1의 생육진단 보정모듈 모식도
도 4는 도 1의 에너지 관리모듈 모식도
도 5는 환경분석 모듈의 모식도
도 6은 도 5의 온도분석모듈 DB 챠트
도 7은 일일온도 DB 챠트
도 8은 온도분석모듈의 알고리즘 순서도
도 9는 습도분석모듈 DB 챠트
도 10은 일일 습도 DB챠트
도 11은 광합성광량 DB 챠트
도 12는 일일 광합성 DB챠트
도 13은 광합성분석 모듈의 알고리즘 순서도
도 14는 이산화탄소 DB의 챠트
도 15는 일일 이산화탄소 DB챠트
도 16은 생육진단 보정모듈의 구조도
도 17은 생육조사 DB 모식챠트
도 18은 파괴조사 DB 모식챠트
도 19는 탄수화물 DB 모식챠트
도 20은 온실식물체의 생육과 생산성과 품질에 대한 예측엔진 개념도
도 21은 예측엔진의 알고리즘
도 22는 작물생장 설정 흐름도
도 23은 온실 복합환경 제어흐름도
도 24는 온실애 온도제어 흐름도
도 25는 온실내 습도제어 흐름도
도 26은 온실내 인공광원 제어 흐름도
도 27은 온실내 이산화탄소 제어 흐름도
도 28은 온실내 최적관수 제어 개념도
도 29는 가변형 인공 광원 구조도로 ⅰ)은 형광등 적용 예시도, ⅱ)는 LED 적용 예시도.
먼저, 본 발명에 따른 온실내 인삼재배방법에 따른 생장환경최적화를 위한 재배력별 미기상적환경적 생장환경에 대한 분석방법 및 알고리즘을 기반으로 예측엔진에 대한 시스템의 전체적인 구조와 각 모듈구조, 모듈기능, 인터페이스를 정의하고자 한다.
[분석모듈 S/W 시스템]
온실내 인삼 최적생육설정을 위해 도 1에 도시된 분석모듈 S/W엔진 개념도와 같이, 온실 외부의 온도,습도, 풍속 및 풍향, 온실내부의 온도,습도,CO2 농도의 변화를 측정하여 환경분석모듈을 통하여, 분석후 분석DB에 저장하여 예측 모듈S/W에서 활용이 가능하도록 한다. 또한 생육진단에 필요한 엽면적, 기관의 건물중 데이터는 분석을 통하여 생육진단에 모듈을 통하여 입력하도록 한다.
1)환경분석모듈
환경분석모듈의 구조는 도 2와 같이 환경DB에 있는 데이터를 5분단위로 분석하여 시설환경 정보에 저장한다.
환경분석 모듈에서 분석되는 데이터는 온실내부의 미기상 환경계측 데이터인 온도,습도, 광합성 파장대역의 광량, 이며, 온실외부이 온도,습도,풍향,풍속,가웅등의 데이터가 환경유에 저장되면 매 5분단위로 분석하여 분석DB에 저장하는 역할을 한다.
또한, 시설환경 정보DB에는 일일에 대한 측정데이터를 6시간 마다 다음과 같이 4등분하여 저장하여 관리한다.
1)04:00～10:00:1'st Quarter period
2)10:00～16:00:2'nd Quarter period
3)16:00～22:00:3'rd Quarter period
4)22:00～04:00:4'th Quarter period
2)생육진단 보정모듈
생육진단 모듈의 구조는 도 3과 같이, 환경DB에 있는 데이터를 5분단위로 분석하여 시설환경 정보에 저장한다.
생육진단 보정모듈에서 작물에 대한 다음과 같은 생육특성을 주단위로 측정하여 입력한다.
-식물체길이,엽폭,엽길이,엽의수, 엽록소함량,출아율등의 생육 분석데이터
-엽생체중, 줄기 생체중, 뿌리 생체중, 엽면적,엽건물중, 줄기 건물중, 뿌리 건물중 등의 생육파괴조사 분석데이터
-엽의 탄수화물, 줄기의 탄수화물, 뿌리의 탄수화물 등에 대한 분석데이터
3)에너지 관리모듈
에너지 관리모듈의 구조는 도 4와 같이 에너지 사용랴엥 대한 데이터를 5분단위로 분석하여 에너지 사용량 정보에 저장한다.
에너지 사용량 정보에 대해서는 다음과 같은 생육특성을 1분단위로 측정하여 입력한다.
에너지 사용량 분석은 센서입력과 연계되므로 사용량 입력의 방식을 선택하여 1분단위 측정이 원칙이나 사용자에 의한 일일 에너지 사용량 입력방식을 택한다.
[환경분석모듈]
환경분석의 모듈은 도 5와 같이 환경DB에 있는 온실외부의 온도,습도,풍속 및 풍향 데이터와 온실내부의 온도,습도,이산화탄소농도의 변화를 5분 단위로 분석하여 정보DB의 시설환경 정보에 저장한다.
1)온도분석모듈
온실내부의 온도분석은 5분 단위의 적산 값, 평균치,최대치,최소치,편차등을 계산하여 도 6과 같은 DB구조로 저장관리하며, 도 7과 같이 일일 온도에 대한 DB를 생성하여, 저장관리한다.
도 8은 환경분석DB에 저장된 온도데이터를 분석하는 알고리즘이며, 생성되는 데이터는 적산값,평균치,최대치,최소치의 데이터가 생긴다.
2)습도 분석모듈
온도내부의 온도분석은 5분단위의 평균치, 최대치,최소치, 편차등을 계산하여 도 9와 같은 DB구조로 저장관리하며, 도 10과 같이 일일습도에 대한 DB를 생성하여 저장관리한다.
3)광합성 광량분석
온실내부의 광량분석은 5분단위의 적산량 평균치, 최대치, 최소치,편차등을 계산하여 도 11과 같은 DB구조로 저장관리하며, 도 12와 같이 일일 광합성 광량에 대한 DB를 생성하여 저장관리한다.
도 13은 환경분석 DB에 저장된 광량데이터를 분석하는 알고리즘이며, 생성되는 데이터는 적산 값, 평균치,최대치,최소치이 데이터가 생성된다.
4)이산화탄소 분석
온실내부의 이산화탄소 분석은 5분단위의 평균치,최대치, 최소치, 편차등을 계산하여 도 14와 같은 DB구조로 저장관리하며, 도 15와 같이 일일 이산화탄소에 대한 DB를 생성하여 저장관리한다.
[생육진단 보정모듈 구조]
생육진단 보정 모듈의 구조는 도 16과 같이, 작물에 대한 생육조사 분석과 파괴조사분석, 탄수화물을 실시하여 매주단위로 정보DB의 생육단계 정보에 저장한다.
1)생육조사 DB
생육조사 DB의 구조는 도 17과 같이, 식물체 길이, 엽폭,엽의 길이,엽의수, 엽록소함량,출아뮬 등의 생육 분석데이터를 입력하여 저장하고 관리할수 있는 구조로 한다.
2)파괴조사 DB
파괴조사DB의 구조는 도 18과 같이, 엽생체중,줄기생체중,뿌리생체중과 엽면적,엽 건물중,뿌리건물중 등의 생육파괴 조사분석데이터를 입력하여 저장하고 관리할 수 있는 구조로 한다.
3)탄수화물 DB
도 19의 예시와 같이 엽의 탄수화물,줄기의 탄수화물, 뿌리의 탄수화물 등에 대한 분석데이터를 입력하여 저장하고 관리할 수 있는 구조로 한다.
온실내 인삼 최적생육설정을 위한 상기 도 1에 도시된 분석모듈 S/W엔진 개념도의 실시예 1과 같은 분석모듈 S/W에 관리된 인삼의 생육단계 정보와, 병충해정보를 담은 분석DB에 의하여, 다음으로 예측되는 병충해, 생리장해, 생산량 및 품질 예측S/W엔진은 다음과 같이 진행된다.
[예측 S/W 엔진]
도 1과 도 20의 도시와 같이, 예측S/W 엔진은 표 6과 같이 생산량/예측 알고리즘모듈과 병충해 예측 알고리즘 모듈, 생리장해 예측 알고리즘을 구성되며, 도 21과 같은 흐름으로 S/W 엔진이 가동된다.
도 21에 의한 분석DB의 온실 미기상환경정보(온도/습도/광량/CO2), 외부기상(온/습도/풍량/풍속/강우),생육단계정보, 생체분석정보(즐기건물중, 엽 건물중, 뿌리건물중,과실 건물중)의 정보를 기반으로 예측알고리즘을 가동하여 그 결과치로 환경제어 목표치를 설정하며, 인삼의 새육을 설정한후에 명기(04:00～22:00-시간설정가능)시에 광량데이터 분석을 통하여 광보상점 이하 이거나, 광포화점 이상등을 고려하며, 온/습도 목표치, CO2, 광량목표치등을 고려하여 제어비용 산출과 최적제어 실행을 요청한다.
[작물 생육설정]
작물의 생육 설정에 동원되는 입력변수로는 도 22와 같이 먼저, 최초 정식시에 작물묘의 마디수, 엽중 엽면적, 경중, 그리고 재식밀도 등 생육초기 값을 받으면서, 예측알고리즘 모델이 실행된다.
그 다음은 온실내부의 온도와 상대습도, 그리고 일사량값을 이용하여 작물생육모델이 가동된다.
이때 얻어지는 생장량 지표는 마디수, 경중, 엽면적, 경중 등의 생육형질 값과 과실수, 생과중 등 수량형질을 모두 얻을 수 있다.
한편, 예측모델의 주기는 사용자가 정할수 있는데, 해당주기마다 온실내으의 미사상적 측정데이터를 입력받아 생장량을 계산한다.
[환경제어 목표치 설정]
온실의 환경제어를 위한 최적제어 목ㅍ치 설정에 대한 논리도는 도 23과 같다. 먼저, 온실 미기상 완경 계측치를 통해 얻은 온실내부의 온도 미 습도값을 중심축으로 온도의 경우 ±5℃범위에서 0.5℃간격의 등급을 정하고, 습도의 경우 ±10% 범위에서 1% 간격의 등급을 설정한다.
이들 온습도의 조건을 작물생육모형의 입력변수로 이용하여 그 결과물로서 예상 광합성값을 얻을수 있다.
이 데이터를 반응표면분석을 통해 광합성을 최대화하는 온도 및 습도조건을 탐색한다.
이를 이용해 제어를 수행하는데 1일을 4등분하여 04:00부터 10:00까지는 1'st 쿼터/day로 정하고, 10:00부터 16:00까지는 2'nd쿼터/day, 16:00부터 22:00까지는 3'st쿼터/day, 22:00부터 익일04:00까지는 4st쿼터/day기간으로 설정한다.
온/습도 제어에 있어서는 4단계 분리와 병행하여 일출과 일몰. 인공광원 제어등을 고려하여 설정한다. 명기와 암기에 대한 온,습도 제어를 실행한다.
[환경제어 예측설정]
먼저, 예측온도제어는 도 24와 같이, 제어목표치가 설정되면 제어농리모듈이 가동되는데 이는 크게 온도에 대한 제어요구생성,습도에 대한 제어요구생성, 광량에 대한 주야간 결정요구 생성등을 거쳐 전체적인 제어시이퀸스를 거치게 된다.
도 24와 같이. 먼저 제어목표치가 들어오면 현재의 온실내부의 온도와의 편차가 오차범위내에 제어가 필요할 만큼 높은지 낮은지를 판단하여 높은 경우, 먼저 가온기를 오프시키고 환기,창문개폐의 과정을 순차적으로 진행한다.
이 경우 한가지 제어방향이 결정되면 다른 제어기의 가동은 무시되며 사위의 제어만을 수행하게 되며, 향후 제어도달치가 만족스럽지 못할 경우에는 다은 제어기를 선택하거나 제어강도를 조절하게 된다.
다음 예측습도제어는 도 25과 같이, 습도에 대한 제어목표치가 들어오면 주/야간 설정치에 따라 현재의 온실내부의 습도와의 편차가 오차범위내에서 제어가 필요할 만큼 높은지 낮은지를 판단하여 높은 경우 환기, 가온의 과정을 순차적으로 진행한다. 이 경우도 한가지 제어방향이 결정되면 다른 제어기의 가동은 무시되며 상위의 제어만을 수행하게 되며 제어 목표치에 도달할 때 까지 제어를 실행하게 된다.
다음 광원제어는 도 26과 같이, 온실내의 태양광 조건에서 최적의 광합성에 필요한 광량이 일일중1'st쿼터/day기간중에 가능하며,이때요한 광합성목표치에 미달될 경우 일일 생육에 미치는 영양이 크다.
따라서, 자연광에 대한 인공광원 제어의 필요성은 1's쿼터/day 기간동안의 누적광량을 분석하고, 2'nd쿼터/day기간중에 태양광의 광도를 비교하여 요구광량에 미달되는 경우 제어가 필요하다.
또한, 1'st쿼터/day 기간동안의 누적광량이 광포화점에 도달하여 누적광량이 지속된 경우 및 내부온도의 측정데이터가 기준치 이상인 경우에는 환기와 차광제어가 필요하다.
3'rd쿼터/day 기간중에 인공광원 제어방법은 '생장환경요구분석서' 의 관리방법을 가지고 작물의 특성에 맞추어 제어한다.
4'th쿼터/day 기간중에는 작물의 암기 기간으로 광원에 대한 제어를 하지 않으며 적절한 온/습도 관리만을 처리한다.
다음 이산화탄소 제어는 도 27과 같이, CO2 의 제어는 온실내 광합성에 필요한 주요 요소로 광반응에 따라 이산화탄소 농도가 변한다. 이산화탄소는 320ppm-700ppm의 농도로 관리하며, 외부기온이 적정치 일때는 환가ㅣ를 통한 자연대류방식이 효과적이며, 700ppm 이상을 유지하여도 가능하나 경제적측면을 고려하여 공급할 필요가 있디.
특히,3'rd쿼터/day 기간동안에 인공조명에 의한 제어를 실행하는 동안에는 320-400ppm를 유지하는 것이 바람직하다.
다음 관수제어는 작물의 관개개시 시기를 결정하는데에는 작물체내의 수분상태를 기준으로 하고 관수량은 증발산량에 근거하여 결정하는 것이 타당하며, 본 발명에서는 경직경 변화의 연속적 모니터링에 의하여 식물체내의 수분상태를 진단하여 관수시기를 결정하는 한편, 증산모델을 이용하여 관수량을 계산하여 관개를 하는 관수제어알고리즘을 설계한다.
도 28은 본 발명에 따른 최적 관수제어를 나타낸다.
상기 도 28에서와 같이, 센서입력, 자료저장,제어조건비교, 관개제어의 과정을 반복수행하면서 제어를 수행한다. 토양수분장력,일사량, 경직경 증가량의 값을 사용하여 관수시기를 결정하며 관수량은 직전의 관수시기로부터 현재 관수시까지 증산에 의한 토양수분소모를 증산량 예측모델로 계산하여 결정한다.
[식물의 생장예측 엔진]
식물의 생장이란 식물의 씨앗이 발아하여 뿌리,줄기, 잎을 내며 그후 질소 동화를 하면서,점차 크기와 무게를 더해가는 과정으로 그 예측엔진은 식물체의 생장특성을 고려하여 S자형, 또는 계단형을 기반으로 예측알고리즘을 구현하고 구동되어야 한다.
이에 본 발명에서는 온실내 인공광원을 사용하는 인삼 재배시 인삼 생육과 생산성과 품질에 대한 예측을 통하여 품질과 생산량을 유지하도록 시설내 컴퓨팅기반의 제어시스템 구축이 요구되며, 온실내의 환경정보를 가지고 부족한 환경의 보완을 통해 인삼생육특성을 유지하며, 최적의 조건제공을 통해 인삼 생산성과 품질을 유지하고자 하는 목적을 달성하기 위해 미기상적 환경을 계측하여 분석을 하고 현재의 생육특성을 진단분석하여 예측해 이를 기반으로 인삼생육의 최적조건으로 제어를 실행하도록 하는 예측엔진시스템에 의한 가변형 인공 광원을 이용한 온실내 인삼재배 방법 및 장치하고자 하는 것이다. ]
온실내 인삼 최적 생육설정요소는 다음과 같다.
[온도 및 습도관리]
인삼은 30℃이상 되는 고온에서 생장장애가 크다.
참고로 시설내에서의 인삼 재배의 온도관리는 다음 표 1과 같다.
생육단계 낮기온(℃) 최저기온(℃) 비고
전엽기 18 ～ 20 12
개화기 20 ～ 25 20
수확기 18 ～ 20 12
습도 관리는 외기환기에 다른 제어가 힘들므로 일사량과 온도 대비 관수에 의한 관리를 한다.
[광 관리]
인삼은 생육에 비교적 낮은 광도의 빛을 요하는 반음지성 식물로 잎의 광합성 광보상점은 최저 7μmol/㎡/s(0.5klux)정도이다. 그러나 아주 낮은 광에서는 광합성의 부족으로 생육이 부진하나 높은 광도에서는 잎의 광합성 능력이 저하되고 엽록소가 감소되며 심하면 엽소현상이 일어나고 잎이 고사한다.
잎의 광포화점은 15～20℃에서는 157～196μmol/㎡/s(12～15klux)이나,30℃에서는 78～104μmol/㎡/s(6～8klux)로서, 인삼잎은 낮은 온도에서는 비교적 높은 고아도에서도 생육이 저해되지 않고 광합성이 증가되나, 고온에서는 광도가 높을 경우 광합성은 갖소되고 호흡이 증가되어 생육이 저해되며 이러한 현상이 계속되면 경엽이 고사하여 조기낙엽이 발생한다. 고려인삼의 생육최적온도는 130～196μmol/㎡/s(10～15klux)내외이다.
이른 아침은 기온이 낮고 광도는 높지 않으면서 광합성에 충분한 광이 공급될수 있으므로 오히려 인삼생육을 촉진한다.
발아에서 전엽이 완료되는 시기에는 약한 직사광선은 생육에 좋으며 특히 전엽기에는 광량이 너무 많거나 흐린날이 계속되어 일조가 부족하면 전엽이 충분하지 못하고 잎 면적이 감소된다. 그러나 전엽이 완료된 후에는 이른 아침의 약한 광선 이외의 모든 직사일광은 인삼생육을 저해한다.
따라서, 인공광원의 관리방법은 다음과 같이 시행한다.
일조량 부족시와 야간의 보조광원에 대한 인공광원 관리방법으로는 표 2와 같이 4가지 방법을 사용할 수 있다.
구 분 내용
일장 연장법 일출전후에 3～5시간 연장전조하는 방법
광 중단법 야간에 2～3시간 연속조명하는 방법
간헐 조명법 1시간에 10～20분씩 조명하는 방법
일사량 관리법 자연광 부족시 일사량 계산후 전조하는 방법
상기 표 2에서 일장연장은 보온이 충분하면 일출전이 유리하며,광 중단법에서는 처리가 간단하며 조명시간 단축되는 효과가 있다. 간헐조명법은 여러 하우스의 순환식 처리가 가능하여 전기가 절약되는 특징이 있다.
또한, 다음 표 3은 인공 광원을 활용한 전조 방법에 대한 시간별 관리방법을 보여주고 있다.
Figure pat00001
인공광원을 제어하기 위한 방법은 타이머에 의한 일몰시간 이후와 일출시간이전을 구분하여 제어하도록 하며, 상기 표 3은 인공광원을 활용한 전조방법에 대한 시간별 관리방법을 보여주고 있다.
[이산화탄소의 관리]
아래 표 4는 시설내에서 CO2 관리는 320ppm이상으로 관리하며, 320ppm이하인 경우에는 외부온도와 내부온도를 비교하여 측창제어로 외부공기를 유입하여 환기하는 방법으로 제어를 하며, 온도차가 심하여 측창제어가 어려운 경우에는 내부에 설치된 CO2 제어기를 통하여 CO2 를 320ppm 이상으로 관리한다.
Figure pat00002
[양액 및 EC/PH 관리]
인삼의 시설재배에서 배양액의 pH 변화는 배양액 조성에 따라 다르지만, 일반적으로 정식 후부터 정화방의 수확개시기 까지는 배양액의 pH가 상승하며, 그후 정화방 수확 종료 후에 다시 상승하는 경향이 있다.
인삼은 뿌리가 건전해서 활발히 양분을 흡수하고 있는 경우에는 양이온에 비하여 음이온을 왕성하게 흡수하는 특성이 있기 때문에 배양액의 pH가 상승하는 경향이 있다. 반대로 병해,습해,농도장해,포기피로등으로 뿌리의 기능이 저하한 경우에는 양분 흡수의 절대량이 감소함과 동시에 음이온의 흡수량이 극단적으로 저하하기 때문에 음이온에 비하여 양이온의 흡수량이 상대적으로 많아져서 배양액의 pH는 저하는 경향이 있다.
인삼의 양수분 흡수에 가장적합한 pH는 6.0～6.6인데 실제사용하는 용수의 수질,토양의 특성, 배양액조성,비료염의 불순물을 관리하여 pH를 항상 적정범위로 유지되도록 관리해야 한다.
1)관수방법
큰통에 물을 담아 따뜻한 물을 유지하며, 점적관수로 적정토양수준 유지하며, 수분은 많게 통기성은 좋게 해야 한다.
2)시비방법
저농도를 꾸준히 유지하여 EC는 0.8～1.6dS/M범위로 유지하며, 질소, 칼륨은 생육에 따라 증가, 생식 생장량이 많은 경우 인산과 칼슘비료를 증량한다. 인산은 미량으로 생육에 차이가 적다. 생육 전과정에서 마그네슘과 철분부족 증상이 나타나기 쉬우므로 근권농도,산도, 수분량관리를 적정화해야 한다.
GUI:그래픽유저 인터페이스(Graphic user interface)
H/W:하드웨어(Hardware)
I/F:인터페이스(Interface)
S/W:소프트웨어(Software)
UI:User interface)

Claims (7)

  1. 가변형 인공광원을 이용한 온실내 인삼재배 시스템에 있어서,
    태양광이 방사되는 시간의 최적환경제어를 위한 인삼 환경제어장치와;
    상기 인삼 환경제어장치로부터 데이터를 수집하여 최적생장환경을 예측하는 최적생장환경 예측시스템과;
    태양광의 변화에 따른 인공광원을 관리하는 예측엔진을 포함함을 특징으로하는 가변형 인공광원을 이용한 온실내 인삼재배 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 인삼 환경제어장치는
    센서로부터 데이터를 수집하고 최적생장환경 예측시스템으로부터 데이터를 전송하는 데이터 수집관리부;
    최적생장정보를 전송받아 온실의 환경을 제어하는 제어관리부;
    최적생장환경 예측시스템과 유선 또는 무선으로 통신할 수 있는 데이터통신부;
    최적생장환경 예측시스템과 연동하여 인삼온실 환경을 관리하는 인삼환경제어장치를 포함함을 특징으로 하는 가변형 인공광원을 이용한 온실내 인삼재배 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    인삼 환경제어장치는 온실 환경 데이터를 수집하여 정보를 분석하고 관리하는 환경분석모듈; 상기 환경분석모듈에 의해 분석된 데이터를 수집하여 관리하는 분석DB부; 상기 분석된 DB의 정보를 통하여 생장환경에 필요한 광량, 온/습도, CO2, EC/pH 제어 값을 추출하는 예측엔진부; 상기 예측엔진부로부터 추출된 최적생장정보를 전송하고 데이터베이스에 관리하는 최적생장DB부; 상기 인삼 환경제어장치 또는 온실환경제어장치 등과 유선 또는 무선으로 통신할 수 있는 데이터통신부; 상기 인삼 환경제어장치와 연동하여 최적생장 정보를 추출하는 최적생장환경 예측시스템을 포함함을 특징으로 하는 가변형 인공광원을 이용한 온실내 인삼재배 시스템.
  4. 제 3항에 있어서, 인삼 환경제어장치로부터 데이터를 수집하여 정보를 분석하고 관리하는 환경분석DB부는
    온실의 환경정보인 온도, 습도, CO2, 광량, EC(electric conductivity;전기전도도), pH(pH value, 근권부 산도 표시) 등의 데이터를 분석하는 관리하는 데이터베이스로 분석된 DB 정보를 통하여 생장환경에 필요한 일별 관리;월별 관리;세부항목별 관리;일일 24시간을 4시간 등의 시간대별 관리; 항목별 그래프로 표시하는 분석관리;인삼 생장환경의 최적생장 정보를 추출하는 최적생장환경 예측시스템의 분석 DB를 포함함을 특징으로 하는 가변형 인공광원을 이용한 온실내 인삼재배 시스템.
  5. 3항에 있어서, 예측엔진부는 분석된 DB의 정보를 통하여 생장환경에 필요한 광량 관리;온도 관리;습도 관리;CO2 관리;EC/pH관리;항목별 그래프로 표시하는 분석관리;생장환경의 최적생장 정보를 산출하는 예측엔진을 포함함을 특징으로 하는 가변형 인공광원을 이용한 온실내 인삼재배 시스템.
  6. 제 3항에 있어서, 최적생장DB부는 온실의 환경정보인 온도, 습도, CO2, 광량, EC/pH 등의 기준치와 생장정보를 통하여 생산량을 예측하고, 생육단계를 산출하여 최적의 제어값 등의 최적생장 정보 관리하는 데이터베이스를 포함함을 특징으로 하는 가변형 인공광원을 이용한 온실내 인삼재배 시스템.
  7. 제1항의 가변형 인공광원을 이용한 온실내 인삼재배 시스템에 따라 재배됨을 특징으로 하는 가변형 인공광원을 이용한 온실내 인삼재배방법.
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