KR20150016638A - 식물 성장 또는 특성을 조절하는 시스템 - Google Patents

식물 성장 또는 특성을 조절하는 시스템 Download PDF

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Abstract

엽록소를 포함하는 하나 이상의 식물(2)의 적어도 한 부분의 성장 및 특성을 조절하는 시스템(1)이 개시된다. 시스템(1)은 상기 적어도 하나의 부분(2)을 비추기 위한 광방사 다이오드(LED)와 같은, 적어도 하나의 광방사 디바이스(3), 상기 적어도 하나의 부분(2)으로부터 빛을 수집하기 위한 적어도 하나의 광센서(4), 상기 적어도 하나의 광센서(4), 상기 적어도 하나의 광방사 디바이스, 및 프로세서(6) 간 통신을 용이하게 하기 위한 통신부(5)를 포함한다. 상기 프로세서(6)는 상기 통신부(5)를 통해 상기 적어도 하나의 광센서(4)로부터 데이터를 읽고, 상기 데이터와 레퍼런스를 기초로 제어신호를 생성하고, 상기 제어신호를 기초로, 식물의 성장 또는 식물의 특성을 조절하기 위하여 상기 통신부를 통해 상기 적어도 하나의 광방사 디바이스(3)를 제어한다.

Description

식물 성장 또는 특성을 조절하는 시스템{SYSTEM FOR MODULATING PLANT GROWTH OR ATTRIBUTES}
본 발명은 엽록소(chlorophyll)를 포함하는 하나 이상의 식물의 적어도 일부분의 성장 또는 특성을 조절하는 시스템에 관한 것이다.
온실, 성장 캐비닛(cabinet) 또는 창고(warehouse)에서와 같은 제어 상태 하에서 식물을 재배하는 것은, 경험적인 방법으로 성장과 광합성의 최적화하는 환경의 미기후(microclimate)를 조정하기 위하여, 식물 환경을 모니터링하고 빛, 수증기압(water vapor pressure), 온도, CO2 분압(partial pressure), 및 대기 활동과 같은 파라미터를 제어하는 것을 포함한다. 식물 특성 또한 조절될 수 있는데, 이는 적어도 하나의 식물 부분의 양형태학적(quantitative morphological), 생리학적(physiological) 및 생화학적(biochemical) 특징을 포함할 수 있다.
식물 농업의 많은 영역에서, 광합성 반응을 기후 제어 알고리즘 또는 모델에 이용하기 위하여 식물 또는 식물 그룹의 생리학적 조건을 결정하는 능력을 가지는 것은 중요하다. 농산물 또는 식물재(plant material)의 광합성의 최적화는 적절한 광합성 과정의 현장(in situ) 모니터링을 기초로 하여, 성장 조건의 조심스럽고 계획된 조작(manipulations)을 통해 이루어질 수 있다. 상응하는 짧은 기간의 식물 반응은, 기후 제어에 의해서뿐 아니라 생산 과정, 비료, 빛의 양 및 강도, 농작물의 질에 의한 성장 요건의 정의에 포함된다. 모든 이런 반응은 경제적인 이익(returns)에 궁극적으로 영향을 미친다. 예를 들어, 삼림 산업계는 매년 수백만 개의 묘목을 새로 심는다. 이들 묘목은 제어된 환경에서 처음에 재배되고 묘목이 성장하는 동안의 매우 구체적이고(specific) 결정적인(critical) 기간 동안에 필드(field)로 이식된다. 그러나 상록 침엽수(evergreen conifer)의 경우에는, 묘목의 물리적인 외관 만으로는 언제 묘목이 생리학적인 상태에 도달하고 언제 외부에 성공적으로 이식될 수 있는지를 판단하기가 어렵다. 게다가, 외부의 식물 외관으로부터 제어 환경에서 빛의 질(quality)과 강도가 식물 건강과 경제적 이익에 최적인지 아닌지를 결정하는 것이 어려울 수 있다. 유사하게, 식물 스트레스, 비료 및 물 정책(water regimes)의 효과, 방목(grazing) 및 식물 우세(plant's vigor)에 대한 물리적인 손상의 효과를 이르게 결정하는 것은, 식물의 외부 외관을 기초로 결정하는 것이 불가능하지 않다면 어려운 일이다. 스트레스가 물리적으로 식별되는 시간까지, 농작물은 회복의 임계점을 넘을 수 있다.
온실 농작물의 기후, 관개(irrigation), 영양 및 빛 정책을 효율적으로 제어하기 위해, 농작물의 성장 및 특성을 유익하게 조절하고 제어하기 위해, 모델(models) 뿐 아니라 "식물 센서(plant sensor)"를 시스템의 피드-포워드(feed-forward)/피드백(feedback) 컴포넌트로 추가할 필요가 있다. 램프 빛 출력과 같은 피드포워드 제어기는 식물 성장에 필요한 입력을 제공하고, 온실 기후 및 빛 환경에서의 장애(disturbance)의 효과를 예측하는 능력을 가지고, 정확하게 설정된 한계 내에서 조치를 취한다. 개별 농작물 종(species)에 대해 개발된, 특정 농산물 모델은 식물 스트레스 센서 및 성장 모니터링 센서(농작물 센서)로부터의 데이터에 기초하여야 하고, 성장 정책(예를 들어 광원의 특별한 특성)을 변화시키는 이점을 평가하여 결과(예를 들어 개화 시기)에 영향을 주고 조절할 수 있어야 한다. 농작물 센서에 의해 얻어지는 데이터는 알고리즘(소프트 센서)을 기초로 한 모델과 결합되어, 차례로 식물의 성장 과정 또는 특성에 유익하게 영향을 주는 빛의 강도 및/또는 질에 특정 변화를 지정한다.
본 발명은 일반적으로 1) 기온, 기압, 상대습도, CO2, 빛, 및 식물의 생화학적 특성과 같은 식물 환경의 측정, 2) 분석 결과의 통신, 및 3) 피드포워드/피드백 루프를 사용하여 시스템 제어에 의해 식물 성장 또는 그들의 특성을 조절하는 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 자기-유지(self-sustaing) 방식으로 엽록소를 포함하는 적어도 하나의 식물의 적어도 하나의 부분에서의 식물 성장 및/또는 특성을 조절한다. 이는 형태학적 및/또는 생화학적 특징, 예를 들어 광합성, 호르몬 조절(regulation), 2차 대사산물(secondary metabolites) 및 광합성을 포함하는 적어도 한 식물의 적어도 한 부분의 특성을 변경함으로써 얻을 수 있는데, 이는 경제적 이익에 의해 식물의 성장 또는 그들의 특성에 의해 농작물을 관리하기 위해서이다.
본 발명에 따르면, 엽록소를 포함하는 하나 이상의 식물의 적어도 하나의 부분의 성장 및 특성을 조절하는 시스템이 개시된다. 상기 시스템은,
ㆍ상기 적어도 하나의 식물 부분을 비추기 위한, 광방사 다이오드(LED)와 같은, 적어도 하나의 광방사 디바이스,
ㆍ상기 적어도 하나의 부분을 둘러싸는 빛을 수집하기 위한 적어도 하나의 광센서,
ㆍ상기 적어도 하나의 광센서, 상기 적어도 하나의 광방사 디바이스 간의 통신을 용이하게 하기 위한 통신부, 및
ㆍ프로세서를 포함한다.
빛을 수집한다는 말은 상기 적어도 하나의 식물 부분으로부터 방사, 반사된 빛, 및 재방사된 빛을 수집하는 것을 포함한다. 일실시예에서, 적어도 하나의 광방사 디바이스는 광방사 디바이스로부터 최소한의 거리 "d"에 위치한다. 일실시예에서 'd'는 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150cm 중 하나이다. 일실시예에서, 적어도 하나의 광센서는 광센서(4)로부터 거리 "D"에 위치한다. 일실시예에서, 'D'는 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150cm 중 하나이다.
상기 프로세서는, 상기 통신부를 통해 상기 적어도 하나의 광센서로부터 데이터를 읽는다. 상기 프로세서는 상기 데이터와 레퍼런스를 기초로 제어신호를 생성하고, 상기 신호는 상기 제어신호를 기초로, 식물 성장과 특성을 조절하고 개선하기 위하여 통신부를 통해 상기 적어도 하나의 식물 부분을 비추는 광방사 디바이스(LED)와 같은, 상기 적어도 하나의 광방사 디바이스를 제어한다.
일실시예에서, 상기 제어신호는 온실의 기후 제어의 일부가 되는 기회, 예를 들어 CO2 분압(partial pressure)을 바꿀 기회를 제공하며, 이러한 경우에 시스템은 CO2 분압 제어 디바이스를 포함한다. 제어신호는 기후를 제어하여 식물의 성장과 그 특성이 변경된다. 본 발명의 제한되지 않은 목적은 식물의 질, 성장 및 성장률을 개선하는 것을 포함한다.
일실시예에서, 시스템은 인접한 빛을 수집하는 외부 광센서를 더 포함한다.
일실시예에서, 레퍼런스는 고정된 '당연 레퍼런스(should reference)'일 수 있으며, '당연 레퍼런스'는 어떤 시간에서 어떤 주파수인지를 기술하는 광 주파수 세팅을 포함한다. 상기 데이터는 상기 적어도 하나의 광방사 디바이스에 의해 출력된 및을 잠재적으로 변화시키는 입력으로 보여질 수 있다. 서로 다른 주파수 특성을 가지는 빛을 방사하는 여러 개의 광방사 디바이스의 경우에, 제어신호는 그에 의해 광방사 디바이스를 제어하고, 광강도 및 지속시간을 제어하며, 또한 어떤 주파수에서 광방사 디바이스가 방사하는지를 제어하는 것을 포함한다.
일실시예에서, 레퍼런스는 동적일 수 있으며, 이는 레퍼런스가 식물 성장 및 발달 과정 동안 변경될 수 있다는 의미이다. 레퍼런스의 목적은 제어신호를 저종함으로써 개선된 성장 및 특성의 변경을 이끄는 수단을 제어하는 것으로써 동작하는 것이다. 일실시예에서, 레퍼런스는 결합된 실험 및 이론 데이터를 기초로 하는 알고리즘에 기인한다.
일실시예에서, 레퍼런스는 적어도 하나의 엽록소 형광(chlorophyll fluorescence) 및/또는 잎 광반사(leaf light reflectance)에 기초한다. 따라서 엽록소 형광 및/또는 잎 광반사는 레퍼런스로의 입력으로 사용될 수 있는 파라미터이다. 이는 제어신호가 적어도 하나의 엽록소 형광 및/또는 잎 광반사 파라미터에 의해 영향받는다는 것을 이끌어낼 것이다. 이것은 성장의 조절 및 식물 특성의 조절을 이끌어낸다.
본 발명에 따르면, 식물의 오직 일부분, 또는 캐노피(canopy), 또는 전체 식물, 또는 몇몇 식물이 시스템에 의해 모니터되고 시스템에 종속된다. 프로세서에 의해 생성된 제어는 다른 식물 또는 그 부분을 제어하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 이점은 다음을 포함한다.
ㆍ원하는 광스펙트럼 특성을 가지고 전기적 에너지의 빛 에너지로의 변환의 높은 효율을 고려한다.
ㆍ농작물을 재배할 때 빛을 좀더 효율적으로 사용하기 때문에 온실산업에 의한 CO2 가스의 방출을 줄이는데 기여한다.
ㆍ식물에 의해 대부분 흡수되고 사용되는 광 스펙트럼 특성만을 사용함으로써 온실 산업으로부터의 대기 빛 공해를 줄이는데 기여한다.
ㆍ성장 조건와 그에 따른 변화(예를 들어, 더 많은 또는 더 적은 빛 또는 광스펙트럼 질의 변화)에 반응하는 식물의 능력을 체크하고 평가하는 수단을 제공한다.
ㆍ제한된 잎 샘플링 영역의 범위를 정하는 프로브(probe)로 지역적인(local) 환경 조건을 변경하는 문제를 회피하는 것으로, 광물리적(photophysical), 광화학적(photochemical) 및 광합성(photosynthetic) 파라미터를 모니터링함으로써 지속적인 원격 모니터링을 가능하게 한다.
ㆍ인공적인 신경 네트워크(artificial neural network) 시스템을 사용하여 목표로 한 성장 조건에서 식물의 최상의 성능을 수행하기 위한 식물 자신의 요구를 "배우는 것(learning)"을 가능하게 한다.
ㆍ센서의 위치를 기초로, 물부족, 영양부족 또는 과다, 바이러스, 균 또는 박테리아, 곤충 및 거미류 동물(arachnid)에 의해 기인하는 스트레스의 정확한 위치를 결정하는데 사용될 수 있다.
ㆍ물 스트레스의 레벨이 나타날 수 있다.
ㆍ독성 화합물 및 제초제의 효과가 나타날 수 있다.
ㆍ알려지지 않은 구성의 식물 집단 중에서 광합성 변종(mutant)에 대한 보호(screening)를 수행할 수 있다.
ㆍ본 발명을 사용하여 온실(또는 실내)에서 자라는 농작물의 맛 및 기호 특성을 개선할 수 있다.
ㆍ또한, 본 발명을 사용하여 농작물 광반사를 최적화/최소화함으로써 전기 에너지 입력을 최소화할 수 있다. 이것은 최적 및 최대 광합성 용량간의 광화학을 유지하면서 광센서로 측정하는 것에 의해 얻는다. 최적 용량은 광합성과 성장이 최적인 장소에서 정의되는 반면 최대 용량은 에너지가 방향(aromatic) 및 보호(protective) 합성물의 생성에 또한 사용되는 장소이다.
일실시예에서, 시스템은 복수의 광방사 디바이스를 더 포함한다. 이것은 하나 이상의 복잡한 레퍼런스를 가질 수 있는 이점을 제공한다. 일실시예에서, 복수의 광방사 디바이스는 서로 다른 주파수 특성으로 빛을 방사한다. 일실시예에서, 방사된 및/또는 반사된 빛은 광합성 과정의 적어도 하나의 특성 파라미터와 관계된다.
일실시예에서, 광센서는 R(적색(Red), 630 내지 700nm), FR(원적외(Far Red), 700 내지 740nm), NIR(근적외(Near Infrared), 750 내지 850nm), IR(원적외(Infra-red), 850 내지 1400nm) 또는 PAR(광합성 활성 복사(photosynthetically active radiation), 400 내지 700nm) 중 적어도 하나의 파장에 사응하는 적어도 하나의 광강도를 측정한다. 이러한 범위에서 빛은 엽록소를 포함하는 식물의 부분으로부터 형광 방사를 다룰 수도 있다.
일실시예에서, 광센서는 BG(청록색(Blue Green), 400 내지 630nm)의 파장에 상응하는 적어도 하나의 광강도를 측정한다. 이 범위에서 빛은 UV 차폐 화합물 및/또는 NADPH 생성물 또는 내용물을 포함하는 식물의 부분으로부터 형광방사를 다룰 수도 있다.
일실시예에서, 광센서는 NIR(근적외, 750 내지 850nm)의 파장에 상응하는 적어도 하나의 광강도를 측정한다. 이 범위에서 빛은 엽록소에 의해 흡수되지 않는 빛을 포함하는 식물의 부분으로부터 광반사를 다룰 수도 있다.
일실시예에서, 광센서는 IR(적외, 850 내지 1400nm)의 파장에 상응하는 적어도 하나의 광강도를 측정한다. 이 범위에서 빛은 식물 잎의 세포 및 구조적인 배열과 수분 내용을 나타내는 광반사를 다룰 수 있다.
일실시예에서, 광센서는 400 내지 700nm 사이의 파장 범위에 상응하는 적어도 하나의 광강도를 측정한다. 이 범위에서 빛은 PAR 즉 광합성 활성 복사의 정의에 상응하는 빛을 다룰 수 있다.
일실시예에서, 모니터된 빛은 적어도 하나의 광화학 물질로부터 적어도 하나의 광화학 과정을 측정하는데 관련된다.
일실시예에서, 시스템은 적어도 하나의 식물 부분과 팬 신호 제어를 더 포함하는 제어신호와 관련된 공기흐름을 수행하는 적어도 하나의 팬을 더 포함한다. 의도는 티그모모폴로지(thigmomorphology)를 이끌어내는 공기의 움직임을 도입하고, 잎 경계층을 교란(잎 주위에서 가스 합성물을 섞어서 발산, 물, CO2 증발(uptake), 및 우세 광합성(favor photosynthesis)를 증가시킴)하기 위한 것이다.
일실시예에서, 적어도 하나의 팬은 적어도 하나의 광방사 디바이스 근처에 위치하여 상기 적어도 하나의 광방사 디바이스의 냉각을 수행한다.
일실시예에서, 적어도 하나의 광센서는 동일 파장 인터벌(interval)의 형광, 입사, 또는 반사광을 측정할 수 있다.
일실시예에서, 시스템은 상기 적어도 하나의 식물 부분을 둘러싸는 공기에서의 가스 레벨(예를 들어 CO2 및 상대 습도)을 측정하는 하나 이상의 가스 미터를 더 포함할 수 있다. 미터는 적어도 하나의 식물과의 관계에서 측정 거리 이내에 위치하고 프로세서에 연결된다.
일실시예에서, 시스템은 상기 적어도 하나의 식물 부분의 가까운 근처에서 공기 속도를 측정하는 공기흐름 미터를 더 포함하고, 상기 공기흐름 미터는 프로세서와 전기적으로 연결되며, 상기 적어도 하나의 식물 부분을 둘러싸는 공기의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함한다. 상기 온도 센서는 프로세서와 전기적으로 연결된다.
도 1은 시스템의 개략도이다.
도 1에서, 시스템(1)의 개략도가 나타난다. 시스템(1)은 엽록소를 포함하는 하나 이상의 식물의 적어도 하나의 식물 부분(2)의 식물 성장 및 특성을 측정하고 및/또는 조절한다. 일실시예에서, 시스템(1)은 생화학적 및 광화학적 특성을 측정한다. 시스템(1)은 적어도 하나의 부분(2)을 비추기 위한 적어도 하나의 광방사(light emitting) 디바이스(3), 일실시예로 다이오드(LED)와, 적어도 하나의 부분(2)으로부터 빛을 수집(picking up)하는 적어도 하나의 광센서(light sensor)(4)를 포함한다. 또한, 시스템(1)은 적어도 하나의 광센서(4), 적어도 하나의 부분(2)을 비추기 위한 광방사 디바이스(3) 및 프로세서(6) 간 통신을 용이하게 하기 위한 통신부(communication capabilities)(5)를 포함한다. 프로세서(6)는, 통신부(5)를 통해 적어도 하나의 광센서(4)로부터 데이터를 읽는 제어유닛을 포함하고, 상기 데이터 및 레퍼런스(reference)를 기초로 제어신호를 생성하고, 상기 제어신호를 기초로, 식물 성장 및 특성을 향상시키기 위하여 통신부(5)를 통해 적어도 하나의 광방사 디바이스(3)를 제어한다.
일실시예에서, 시스템(1)은 복수의 광방사 디바이스(3)를 포함하고 이들은 서로 다른 주파수 특성을 가지는 빛을 방사한다. 복수의 광방사 디바이스(3)는 분리되어 배치될 수도 있고 또는 공통의 지지구조에 함께 배치될 수도 있다.
일실시예에서, 빛은 광합성 과정의 적어도 하나의 특성 파라미터 또는 적어도 하나의 생화학 물질과 관련된다.
일실시예에서, 광센서는 다음 중 적어도 하나의 파장과 상응하는 적어도 하나의 광강도를 측정한다.
ㆍ BG(청록(Blue Green), 400에서 630nm)
ㆍ R(적(Red), 630에서 700nm)
ㆍ FR(원적외(Far Red), 700에서 740nm)
ㆍ NIR(근적외(Near Infrared), 750에서 850nm)
ㆍ IR(적외(Infra-red), 850에서 1400nm)
ㆍ PAR(광합성활성광(Photosynthetically Active Radiation), 400에서 700nm)
일실시예에서, 시스템(1)은 적어도 하나의 식물 부분과 팬 제어신호를 더 포함하는 제어신호에 관하여 기류를 이루는 적어도 하나의 팬(fan)(7)을 더 포함한다. 팬 제어신호를 수신하기 위하여, 적어도 하나의 팬은 통신부(5)와 연결되며, 당업자(skilled person)의 독창성(inventiveness)과 조화하여, LAN, WLAN, 또는 통신 케이블일 수 있다. 일실시예에서, 팬은 램프 하우징 내에 위치되며, 전용 팬 제어기(11)에 의해 활성화될 수 있다.
일실시예에서, 적어도 하나의 팬은 적어도 하나의 광방사 디바이스의 활성화된(active) 또는 강행된(forced) 공기 냉각을 이루기 위해 적어도 하나의 광방사 디바이스의 근처에 배치된다.
일실시예에서 적어도 하나의 팬은 적어도 하나의 광방사 디바이스의 냉각을 이루기 위해 적어도 하나의 광방사 디바이스와 떨어져 배치된다.
일실시예에서, 시스템은 UV-B에서 IR까지의 파장의 9개의 범위(또는 서브세트 또는 클러스터)를 가지는 고출력, 고효율 LED의 배열을 포함한다. 또한, 각각의 범위의 LED를 독립적으로 전류를 통하게 하고 제어하기 위한 9개의 독립적인 드라이버가 있다. 각 배열은 DC 또는 펄스 진폭 변조된(PAM) 전류제어회로에서 LED를 제어하는 마이크로프로세서를 포함한다. 각각의 범위에 대해 드라이버는 유저가 프로그래밍하여 주파수 및 변조의 듀티 사이클(duty cycle)을 변경할 수 있다.
일실시예에서, 온도 센서는 LED 칩의 접합부(junction)(TJ) 근처에서 온도를 모니터하기에 적절한 위치에 배치된다. 일실시예에서, 각 레인지의 LED는 열 부하를 퍼뜨리도록 회로/기판 보드에 배치된다. 마이크로프로세서는 측정된 접합부 온도가 최대 동작 온도 이상이면 드라이버를 끄도록(switch-off) 프로그램될 수 있다. 일실시예에서 본 시스템과 연결된 환경 모니터링 시스템이 있다. 환경 모니터링 시스템은 주위 공기 온도계(ambiant air thermometer), 주위 광센서, 가스 센서(CO2, 상대 습도 등)를 가진다.
일실시예에서, 특정 색 필터가 탑재된 포토다이오드는 시스템 내에 포함된다.
일실시예에서, CCD 카메라(전하결합소자(charged coupled device) 카메라) 또는 다른 이미징 디바이스는 스텝 모터 제어 필터 휠(step motor controlled filter wheel)에 탑재된다.
일실시예에서, 적어도 하나의 광방사 디바이스는 소정의 광패턴과 광영역을 조명하는 반사기를 가지는 하우징에 제공될 수 있다. 또한, 잎 주위에서 난기류가 발생하는 것을 지원하기 위해 하우징에 배플(baffle)을 가진다. 일실시예에서, 하나 또는 그 이상의 팬은 램프를 냉각하는 공기의 흐름을 생성하는데 사용될 수 있다. 하우징은 또한 광방사 디바이스가 효율적으로 열을 전달하도록 리드한다. 일실시예에서, 하우징은 램프로부터 방사되는 빛의 반대방향의 하우징의 끝에 개구부를 제공한다. 개구부는 그것을 통해 공기가 흐르도록 하여 광방사 디바이스 내에 냉각하도록 한다.
일실시예에서, 센서는 하우징 내에 또는 광방사 디바이스 근처에 위치한다.
램프를 제어하는 프로세서는 다음의 실시예를 제공하도록 설계된다.
ㆍ LED는 최대 전류에서 펄스하여(pulse) 시간 간격(interval) 동안 최대 빛을 얻을 수 있다. 제한이 아닌 예에서 시간 간격은 1-3초, 및 0.5에서 5초를 포함한다.
ㆍ LED는 소위 "펄스폭 변조된 전력 파형(pulse-width modulated power waveform)"이라 불리는 변조 모드에서 구동될 수 있다. 변수인 듀티 사이클은, 전류가 일정하게 유지되는 동안 급격한 상승 및 하강 시간을 가지는 LED의 출력 전력을 변화시킬 수 있다. 온타임(on-time)은 20㎲에서 2.5㎳ 범위이어야 한다. 일실시예에서, 오프타임은 500㎲를 초과하지 않는다.
ㆍ LED는 연속 모드(DC)에서 전형적인 전기적 특성에서 구동될 수 있다.
ㆍ LED는 효율적인 냉각을 제공하는 동안, 4-5배의 명목상 전형적인 전류 값을 가지는 펄스 모드에서 구동될 수 있다.
일실시예에서, 시스템은 측정된 센서로부터의 출력을 통신하고, 상기 통신부에 연결된 적어도 하나의 LED에 제어신호를 통신하는 적어도 하나의 수단을 더 포함하고, 이는 당업자의 독창성과 조화하여, 랜(LAN), 광대역랜(WLAN) 또는 통신케이블일 수 있다.
일실시예에서, 식물 생리학 및 형태학은 우세 높이(favor height), 가지(branching), 특정 잎 영역, 생물기후학(phenology) 및 식물 생물량(plant biomass)으로 변경된다.
일실시예에서, 식물 생화학 속성은 방향 농작물의 방향 물질의 내용을 변경하도록 조정된다.
일실시예에서, 농작물 생산량은 지속적으로 동시에 모니터되고 통신된다.
일실시예에서, 농작물 생산량(성장)은 시스템의 전기적인 전력 입력의 지식 및 지배에 따라 관리된다.
일실시예에서, 재배자 개인적 필요에 특정하고 특정 농작물 요구에 기초하여 어떠한 변경을 행할 수 있다.
일실시예에서, 엽록소 및/또는 보조 색소의 합성은 농작물의 잎색(leaf coloation)의 변화를 야기하는 생화학적 특성을 수정하기 위해 상향 또는 하향조절된다.
일실시예에서, 초기 형광 파라미터 Fo는, 광센서에 의해 결정된다. 이것은 (다른) 주위의 빛이 없을 때 광방사 디바이스를 조절함으로써 얻는다. 반면, 주위 빛이 존재할 때 Fo는 R800/R550의 대수(logarithm)로써 측정된 엽록소 지수로부터 추정되며, 여기서 R은 반사율이며 800과 550은 파장으로 단위는 nm이다. 광반사율 R은 광센서(4)에 의해 측정된다.
일실시예에서 시스템은 기계시각(machine vision)과 다중스펙트럼 반사 이미지 공정(multispectral reflectance image processing)을 사용하여 여러 식물의 상부 투영 캐노피 영역(Top Projected Canopy Area(TPCA)) 및 한 식물의 상부 투영 잎 영역(Top Projected Leaf Area(TPLA))를 결정한다.
일실시예에서, 시스템은 강한 빛에 장기간 노출함으로써 생성된 조사 스트레스 전후의 ΦPSⅡ를 측정하여 광저해(photoinhibition)에 대한 민감도를 분석하는 것에 의해 광합성 변종(mutant)을 식별하는 수단을 제공하는데 사용될 수 있다. 또한, 조건적인 환경 처리(상승된 PAR, 저(low) PAR, 청색광, 적색광, UV광, 상승된 CO2)를 요구하는 변종의 발달을 가능하게 하는 수단을 제공한다.
일실시예에서, 시스템은 잎 두께를 증가시키고, 왁스질(epicuticular wax)과 기공의 조절(stomatal regulation)을 전개하는 수단을 제공하는데 사용될 수 있다.
일실시예에서, 다수의 알고리즘이 있을 수 있다.
제어 알고리즘의 제1실시예는 생체내(in-vivo) 광합성 평가(photosynthesis evaluation)의 비개입식(non-intrustive), 비파괴식(non-destructive) 및 반복적 판단을 가능하게 하는 엽록소 형광에 기초한 것으로, Fv/Fm의 양화(quantification), 광계Ⅱ 광화학 효율(photosystemⅡ photochemical efficiency) ΦPSⅡ 및 형광 소멸 계수(fluorescence quenching coefficients)를 통해 전체적인 광합성 양(quantum) 산출 능력에 대한 데이터를 제공한다. 식물 성장의 생리적 스트레스의 범위를 결정하는 다양한 형광의 사용은 민감하고, 믿을만하고, 보편적인 툴(tool)로, 전달된 광자(photons)를 사용하는 식물의 능력을 특징짓는다.
제어 알고리즘으로의 입력은 Fv/Fm, Fv/Fo, ΦPSⅡ, Fs/Fo, F'v/F'm과 같은 지수값과, NPQ, qN 및 qL과 같은 소멸 계수의 계산에 대한 값을 제공하는 식물의 Fo, Fm, Ft(Fs), F'm 및 F'o와 같은 파라미터를 포함한다. 시스템은 440, 690 및 또는 735 nm 엽록소 형광과 같은 파장의 램프 아래에 위치한(범위가 정해진 영역일 수 있음) 식물의 다양한 엽록소 형광을 유도하고 측정하는 수단을 제공한다. 시스템은 엽록소 비광화학 소멸 NPQ, qN 및 광화학 소멸 qL간 적절하고 연속적인 균형을 통해 빠른 성장률과 높은 기후순응(acclimatization) 지수를 얻을 수 있도록 성장 조건을 지속적으로 최적화한다.
제어 알고리즘으로의 입력은 기공 컨덕턴스(stomatal conductance)의 변화와 같은 파라미터를 포함한다. Fs와 기공 컨덕턴스 간 상관관계가 존재한다. 이 상관관계로 Fs의 적절한 모니터링하는 것은 관개(irrigation)가 물 스트레스와 과도한 물소비 간의 한계에서 식물을 유지하는데 적용되어야만 할 때를 결정하는 유용한 툴일 수 있다. 또한, 어두울 때 발산을 모니터링하는 것에 의해 및/또는 범위가 정해진 스펙트럼 질(delimited spectral quality)의 특정 빛 처리의 어플리케이션에 대한 발산율의 변화를 통해 기공 폐쇄를 평가하는(evaluating) 수단을 제공한다. 또한, 시스템은 gS(기공 컨덕턴스)를 감소시키는 수단을 제공하는 성장 환경에서의 CO2 분압을 증가시키는 신호를 제공하여, 앞으로 있을 발산을 용이하게 하는 물 상태를 개선한다. 기공 컨덕턴스를 평가하는데 사용되는 변수는 다음과 같다.
1. Fo(어두움에 적응된 상태에서 측정된 초기 또는 빠른(fast) 엽록소 형광),
2. Ft 및/또는 Fs(느린 또는 정상상태 변수 Chll 형광(수초 내지 수시간))
일실시예에서, 제어 알고리즘은 신경 네트워크(neural network; NN)에 기초하고, 시스템 내에 실행된다. NN에 의해 획득된 모델은 식별(identification)과, 식물종, 성장 단계, 특별히 프로그램된 성장 조건 하에서의 성장 용량에 특유한 제어 시스템을 제공한다. NN에 의해 획득된 모델은 다양한 식물의 단기 및 장기 응답과 성능을 예견하는데 사용될 수 있다. 이러한 알고리즘은 소정 기간의 시간 내에서 식물의 최상의 성능을 달성하는 수단을 제공한다. 또한, 예견된(기대된) 최상의 성능을 달성하지 않은 식물을 빠르게 검출하고 식별하는 수단을 제공한다. 또한, 성장과 "수학기에 도달할 시간" 또는 훈련된 NN 데이터로부터 획득된 파라미터로부터 "최소 질 기준(minimum quality criteria)"를 얻기 위한 시간과 비용을 예견하는 수단을 제공한다. 시스템은 실험적 농작물 데이터와 다음을 모니터링하는 것으로부터 훈련돼야 한다.
1. 잎 온도
2. CO2 동화(assimilation)의 양자 생산량
3. 발광(irradiance)
4. 다양한 형광
5. 식물의 성당 단계
6. 식물 성장률의 변경
7. 엽록소 내용(content)의 평가(estimates)
8. UV 차폐 화합물의 평가
9. LAI(옆면적 지수(Leaf Area Index))의 평가
10. TPCA(상부 투영 캐노피 영역(Top Projected Canopy Area))
11. PRI(광화학 반사 지수(Phtochemical Reflectance Index))
PRI = (R531 - R570) / (R531 + R570)
12. R800/R550의 로그(log)로써의 엽록소 지수
13. "녹색(green)" NDVI(식생지수(Normalized Difference Vegetation Index)) = (nir - g) / (nir + g), 여기서 "nir"은 800nm에서의 광반사이고, "g"는 550nm에서의 광반사이다.
14. 식물의 종(species) 및/또는 품종(cultivar).
시스템의 일실시예에서 제어 알고리즘은 기공 개방을 유도하는 처리에 기초한다. 시스템은 광대역(다색의(polychromatic) 빛을 유도할 필요 없이 UV A 또는 청색 영역(450nm에서 피크)에서 파장의 광방사를 적용함으로써 기공 개구부 제어를 유도하는 수단을 제공하는데, 이렇게 하지 않으면 불필요한 잎에서 물사용 효율을 감소시킬 수 있다. 청색광은 단독으로 또는 적색광과 결합하여 몇몇 식물에서 기공 개방을 자극하고, 녹색광은 프로세스를 역전하여 기공을 폐쇄한다. 이 실시예의 입력은 다음과 같다.
1. 바람 속도, 또는 공기 움직임 속도, 또는 잎 주위를 흐르는 다량의 공기의 흐름
2. 잎 온도의 평가
3. 주위 광방사(ambient light irradiation)
4. 잎이 없을 때 또는 식물이 존재할 때의 초기 또는 전체 광대역 광방사(light radiation)(UV에서 IR까지)
광대역 빛 잔류(REMAINING)
5. 방사 또는 PAR(광합성 활성 복사(photosynthetically active radiation) (400-700nm))
6. 다양한 엽록소 형광(3개의 서로 다른 시간 스케일)
7. 램프 하에서의 농작물/잎의 멀티 스펙트럼 반사
8. 다른 가스 센서(존재 또는 비존재와 집중, 증가율)
9. 성장 영역의 온도.
시스템의 일실시예에서 제어 알고리즘은 기공 개방을 유도하고 광합성을 측정하는 처리에 기초한다. 이 실시예의 입력은 다음과 같다.
1. 바람 속도, 또는 공기 움직임 속도, 또는 잎 주위를 흐르는 다량의 공기의 흐름
2. 잎 온도의 평가
3. 주위 광방사(ambient light irradiation)
4. 잎이 없을 때 또는 식물이 존재할 때의 초기 또는 전체 광대역 광방사(light radiation)(UV에서 IR까지)
광대역 빛 잔류(REMAINING)
5. 방사 또는 PAR(광합성 활성 복사(photosynthetically active radiation) (400-700nm))
6. 다양한 엽록소 형광(3개의 서로 다른 시간 스케일)
7. 램프 하에서의 농작물/잎의 멀티 스펙트럼 반사
8. 다른 가스 센서(존재 또는 비존재와 집중, 증가율)
9. 성장 영역의 온도.
일실시예에서 제어 알고리즘은 램프 하에서의 식물 성장의 광계Ⅱ 형광의 광화학적 효율(ΦPSⅡ)을 결정하는 것에 의해 기후순응 지수의 결정을 위한 과정에 기초한다.
ΦPSⅡ = [Fm - F'm] / F'm
1. 우선, IR 방사광만을 포함하는 일부의 광원으로 수초 간 턴온(turn ON)함으로써 광원에 노출된 식물을 자극하는 것에 의해 전자전달체인(electron transport chain)의 산화가 이루어진다.
2. Fm을 얻기 위해, 자극광의 강렬한 플래쉬(intense flash)가 디바이스 제어되는 DC-4로의 최대한의 또는 충분한 전력으로, 그리고 모든 컬러 레인지(CR1에서 CR8) 셋으로 턴온(turn ON)함으로써 얻어지며, 0.5에서 1.5초(일반적으로 <1초) 지속하는 광플래쉬에 대해 턴온(ON)한다. 이러한 알려진 광플래쉬 강도(ITOTAL)는 램프 아래에서 식물로부터 다양한 엽록소 형광(Fm)의 유도된 최대 피크를 얻는데 사용된다.
3. 빛을 증가시키는 것으로 설정되어 ON에 머무르고, 식물은 정상상태의 광합성에 도달하게 되며 다양한 형광 운동은 Fs에 도달하게 된다.
4. 자극광의 또 다른 강렬한 플래쉬가 디바이스 제어되는 DC-4로의 최대한의 또는 충분한 전력으로, 그리고 모든 컬러 레인지(CR1에서 CR8) 셋으로 턴온(turn ON)함으로써 얻어지며, 0.5에서 1.5초(일반적으로 <1초) 지속하는 광플래쉬에 대해 턴온(ON)한다. 이러한 알려진 광플래쉬 강도는 램프 아래에서 식물로부터 다양한 엽록소 형광(F'm)의 유도된 최대 피크를 얻는데 사용된다.
5. Fm 및 F'm 값이 ΦPSⅡ를 계산하는데 적용된다.
6. 1에서 7까지의 과정이 매일, 또는 다른 원하는 간격으로 여러 번 반복되고, 모든 값이 읽은 시간과 함께 덧붙여진다(tag).
7. 형광 기후순응 지수는 다음의 방식으로 ΦPSⅡ의 전개를 평가함으로써 얻을 수 있다.
Figure pat00001
8. 얻은 값으로부터, 기후순응 유도 스트레스를 계속할지 또는 완화할지 또는 중지할지에 대한 결정을 수행한다. 음의 값 또는 음의 값으로의 변화의 상대적인 속도는 주어진 스트레스에 대한 성공적이지 않은 적응을 내포할 수 있으며, 반면 양의 값은 기후순응 계획 과정에 대한 향상을 나타낸다.
제어 알고리즘의 일부 또는 전부는 다음 변수의 입력을 포함한다.
1. [ITOTAL - IREMAING] = IABS 이는 식물 물질에 의한 것임.
2. FO(어두움에 적응된 상태에서 측정된 초기 또는 빠른 엽록소 형광)
3. Fmax(어두움에 적응된 상태로부터 최대 피크(0.5-1.5초, 일반적으로 <1초)에서의 엽록소 형광 변수)
4. F'O(빛에 적응된 상태에서 측정된 빠른 엽록소 형광)
5. F'max(빛에 적응된 상태로부터 최대 피크(0.5-1.5초, 일반적으로 <1초)에서의 엽록소 형광 변수)
6. Ft 및/또는 Fs(늦은 또는 정상상태 엽록소 형광 변수(수초 내시 수시간)).
입력 변수들로부터 정기적으로 계산되는 또는 날마다 여러 번 계산되는 파라미터는 다음과 같다.
1. FV / FM = [Fmax - Fo] / Fmax
2. ΦPSⅡ(광화학 효율) = [Fmax - F'max] / F'max
3. 엽록소 형광 변수의 비광화학적 소멸(non-photochemical quenching) NPQ 또는 qN
4. 엽록소 형광 변수의 광화학적 소멸 qL 또는 qP
5. Fs/Fo
6. ΣITOTAL
7. ΣIABS
8. TPCA
9. LAI
10. 농작물 및/또는 개별 식물의 상대 성장률(Relative Growth Rate) RGR
입력 변수들로부터 얻은 파라미터는 시간에 대하여 다음을 따른다.
1. IABS = 생물량(biomass) 및 생물량 증가의 측정
2. instΦCO2 = CO2 동화의 양자 생산량 = Pn / IABS
3. RD(어둠에서의 호흡) = [CO2outD] - [CO2inD]
4. MΦCO2 = CO2 동화의 양자 생산량 = [Pn2 - Pn1] / [Io2 - Io1]
5. 기공 컨덕턴스 gs
6. FV/FM = [Fmax - F0] / Fmax
7. ΦPS2(광화학 효율) = [Fmax - F'max] / F'max = 1 - [FS / F'max]
8. 엽록소 형광 변수의 비광화학적 소멸 qN
qN = 1 - F'm - F'o / Fm - Fo
9. 엽록소 형광 변수의 비광화학적 소멸 NPQ
NPQ = Fm / F'm - 1
10. 광화학적 형광 소멸 계수 qL
qL = qP × F'o / F'
11. 물사용 효율(Water Use Efficiency) WUE
12. 상대성장 및 성장율, 잎 성장의 주간 변화 RGR
시스템에 의해 제어되는 디바이스(devices controlled(DC))는 다음과 같다.
1. 냉각을 위한 팬
2. 빛 점등(on)-빛 소등(off)
3. 빛의 스펙트럼 영역(ON/OFF 및 변화)
CR1 = UV B
CR2 = UV A
CR3 = 청색(Blue)
CR4 = 청록색(Blue Green)
CR5 = 녹색(Green)
CR6 = 오렌지색(Orange)
CR7 = 적색(Red)
CR8 = 진한 적색(Deep Red)
CR9 = 근적외(Near Infra-Red)
4. 강한 다색광 방사의 플래쉬(주파수 및 지속 기간)
5. 잎 경계층(공기의)을 교란하는 공기 움직임(팬)
6. 잎 주위의 바람 속도, 또는 공기 움직임 속도, 또는 공기의 대량의 흐름

Claims (13)

  1. 적어도 하나의 식물을 재배하기에 적합한 제어된 환경에 배치된 엽록소를 포함하는 적어도 하나의 식물의 성장 또는 특성을 조절하기 위한 조명 제어 시스템에 있어서,
    - 적어도 하나의 식물에 빛을 방출하도록 배치되어 적어도 하나의 식물의 광합성 교대(alternation of photosynthesis), 호르몬 조절(hormone regulation) 및/또는 2차 대사산물(secondary metabolites)에 의해 식물 성장을 조절하는 다수의 광방사 디바이스;
    -- 첫 번째 상기 다수의 광방사 디바이스는 첫 번째 파장 범위의 빛을 방출하도록 정해지고, 두 번째 상기 다수의 광방사 디바이스는 두 번째 파장 범위의 빛을 방출하도록 정해지며, 상기 첫 번째 파장 범위와 두 번째 파장 범위는 상이하고,
    - 적어도 하나의 식물의 주위의 빛을 검출하도록 배치되는 적어도 하나의 광센서;
    -- 상기 광센서는 적어도 하나의 식물의 엽록소 형광(chlorophyll fluorescence)에 대응하는 파장 범위의 빛 강도 및/또는 잎 광반사(leaf light reflectance)와 관련된 파장 범위에 대응하는 파장 범위의 빛 강도를 측정하도록 정해지며, 그리고 측정된 상기 빛 강도에 근거하여 적어도 하나의 식물의 엽록소 형광 및/또는 잎 광반사를 포함하는 파라미터 세트를 포함하는 데이터를 결정하도록 정해지고,
    - 상기 다수의 광방사 디바이스 및 적어도 하나의 광센서와 연결되고, 적어도 하나의 광센서로부터 상기 데이터를 수신하도록 정해지며 다수의 광방사 디바이스를 제어하도록 정해지는 프로세서; 를 포함하며,
    -- 상기 프로세서는 데이터 및 레퍼런스에 근거하여 제어신호를 생성하도록 구성되며, 상기 레퍼런스는 적어도 하나의 엽록소 형광 및/또는 잎 광반사에 근거하고, 그리고 상기 프로세서는 적어도 하나의 식물의 성장 또는 특성의 조절을 위해 다수의 광방사 디바이스에 의한 빛의 방출을 조절하도록 제어신호를 상기 다수의 광방사 디바이스에 적용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광센서는 400-630nm, 630-700nm, 700-740nm, 750-850nm 및 400-700nm 중에서 선택된 파장 범위의 빛을 검출하도록 정해지는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 레퍼런스는 식물의 성장 과정을 통해 변경될 수 있는 동적 레퍼런스(dynamic reference)인 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 첫 번째 및 두 번째 파장 범위는 중파장 자외선(UV-B)에서 적외선(IR)의 범위 내에서 선택되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 광센서는 환경광(anbient light) 및 다수의 광원들로부터 방출되고 적어도 하나의 식물로부터 반사되는 빛을 검출하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 광센서는 적어도 하나의 식물로부터 방출되는 엽록소 형광(chlorophyll fluorescence)을 검출하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 광센서는 입사광(incident light)을 검출하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    환경광만을 측정하도록 정해지는 광센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    요구되는 파장 분포(wavelength distribution)의 접근은 상기 광방사 디바이스(light emitting devices)에 의해 방출되는 빛의 강도, 주파수 및/또는 지속시간 중 적어도 하나의 변경을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    온도 센서, 습도 센서, 이산화탄소 센서 및/또는 공기 흐름 센서 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 레퍼런스는 온실에서 요구되는 이산화탄소(carbon dioxide)의 레벨을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 프로세서는 레퍼런스 및 피드백 데이터를 기초로 2차 제어신호를 생성하고, 상기 온실에서 요구되는 이산화탄소의 레벨에 근접하기 위해 상기 2차 제어신호를 이산화탄소 제어 디바이스에 적용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 식물은 온실(greenhouse), 성장 캐비넷(growth cabinet) 또는 창고(warehouse)에서 성장하도록 정해지는 것을 특징으로 하는 시스템.
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