KR20190125051A

KR20190125051A - Ict기반 스마트 농장을 위한 npk 양분의 정량적 관리시스템

Info

Publication number: KR20190125051A
Application number: KR1020180049312A
Authority: KR
Inventors: 이명규; 홍유식; 박기관; 라창식; 안희권; 이경우; 신용광; 김수량
Original assignee: 상지대학교산학협력단
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2019-11-06

Abstract

지역적으로 발생하는 가축분뇨 중 함유된 양분량을 정확하게 예측하기 위해 사육단계별로 가축 수를 입력하면 자동으로 분뇨 발생량 및 함유양분을 계산하고, 이를 통해 발생한 분뇨의 농지환원 시 시비량을 NPK(질소, 인, 칼륨)로 자동 계산하여 대상 농경지에 대하여 액비 살포량을 정확하게 결정할 수 있도록 한 ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템에 관한 것으로서, 가축 정보를 웹 기반으로 입력하고 분뇨량 및 함유양분 산출을 요청하거나, 작물 종류를 입력하고 비료 추천을 요청하는 단말기 및 단말기에 의해 가축정보가 입력되거나 작물 종류가 입력되고 비료 추천이 요청되면, 분뇨량 예측과 함유양분 산출을 하고, 작물을 재배할 토양에 따른 비료를 추천하고, 액비 시비량을 산출하여 제공해주는 가축 분뇨 자원화 수단을 포함하여, ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템을 구현한다.

Description

ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템{Quantitative management system of NPK nutrients for ICT-based smart farm}

본 발명은 ICT(Information and Communications Technologies)기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템에 관한 것으로, 특히 지역적으로 발생하는 가축분뇨 중 함유된 양분량을 정확하게 예측하기 위해 사육단계별로 가축 수를 입력하면 자동으로 분뇨 발생량 및 함유양분을 계산하고, 이를 통해 발생한 분뇨의 농지환원 시 시비량을 NPK(질소, 인, 칼륨)로 자동 계산하여 대상 농경지에 대하여 액비 살포량을 정확하게 결정할 수 있도록 한 ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템에 관한 것이다.

OECD 가입국에서 가축분뇨 관리의 주요 지표는 농업 양분 수지이다. 이를 토대로 강력한 규제와 인센티브제가 병행되고 있다. 이는 단위면적에 일정한 기간에 투입된 양분의 총량에서 농작물이나 작물부산물의 형태로 수거되는 양분의 양을 뺀 값이다. 즉 양분 수지가 높을수록 가축분뇨가 농작물 등에 활용되지 못하고 있다는 뜻이다.

우리나라 전국의 축산농가(소, 돼지, 닭)에서 사육하고 있는 가축의 수는 2014년 말 기준으로 약 240백만 두에 달하며, 가축분뇨 1일 발생량은 175,651톤으로 꾸준하게 증가하고 있다. 그뿐만 아니라, 2012년부터는 축산 분뇨 해양투기가 전면 금지되었기 때문에, 가축분뇨 처리가 매우 급박하고 절실한 상황이다.

NPK(질소, 인, 칼륨 등 최소양분의 법칙) 이론은 19세기 독일의 화학자 리비히에 의해 제창되었다. 화학비료 중 질소 비료를 작물에 사용하면 농작물의 신속하게 반응하나 과잉하게 사용하면 작물의 면역력이 떨어지며 병충해에도 약해지므로, 이를 방지하기 위한 농약 사용의 증가를 초래한다. 이는 토양의 지력을 악화시키게 되며, 이에 따라 더 많은 양의 화학비료를 사용하게 된다. 결국, 이렇게 만든 농산물을 우리가 섭취하게 되고, 또 그런 농산물에 각종 항생제와 독성물질이 뒤범벅된 사료를 먹인 가축을 우리 인간이 섭취하게 된다. 즉, 섭생의 순환 고리를 통한 악순환의 양의 되먹임(possitive feedback)이 지속하게 된다.

요즈음, 가축분뇨 자원화를 실현하기 위해서 가축분뇨 액상비료(이하, "액비"라 칭함)가 하우스 딸기 재배 농사에 좋은 것으로 알려지고 있다. 그뿐만 아니라, 요즈음, 농사를 지을 때, 농약 및 비료 값이 상승해서 큰 고민이었지만 액비 비료를 사용하면서 비료 값도 걱정을 하지 않아도 되므로 가축분뇨가 액비로 사용되면 비료 및 농약값 절약 및 유기농 농사를 지을 수 있는 장점이 있다(비 특허문헌 1 - 3 참조).

예를 들어, 논산 계룡축협에서 생산된 미생물발효 액비의 경우 300평당 4톤 ~ 5톤을 살포할 경우 질소 비료 7.5㎏를 시비한 효과가 있다고 입증되었다.

특히, 액비의 경우 질소성분이 0.15% 내외라서 도복 우려가 적고, pH8 정도의 약알칼리성이라서 산성토양을 개량해주는 효과도 있음이 확인되었다(비 특허문헌 4 - 7 참조).

비료는 크게 3요소(질소(N), 인산(P), 칼륨(K))로 되어 있으며, 아주 적은 양이지만 식물의 생장에 꼭 필요한 미량요소도 포함되어야 한다. 질소성분은 주로 생장기에 잎과 줄기를 만드는데 쓰이는 비료이고, 인산성분은 꽃과 열매를 만드는데 많이 쓰이며, 칼륨 비료는 튼튼한 뿌리를 만드는데 쓰인다.

축산 선진국에서는 축산 폐기물을 바이오 에너지 및 메탄가스 기술을 이용해서 전기를 생산하고 있다. 우리나라에서도 축산분뇨를 폐기물이 아닌 자원화 기술로 개발하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

그러나 축산 분뇨를 이용한 바이오 가스 생산은 아직, 축산 분뇨 자원화 기술로는 경제성이 낮기 때문에, 기능성 액비 및 퇴비 개발을 하고 있는 추세이다.

(비 특허문헌 1) Livestock Technology Research Institute, "New Livestock Manure Treatment Technology", 2000 (비 특허문헌 2) Japan Center for Animal Husbandry, "Composting Facility and Design Manual", 2002 (비 특허문헌 3) Robert Rynk, "On-farm Composting Handbook", 2005. (비 특허문헌 4) Livestock manure management, use measures, Ministry of Agriculture and Forestry, Ministry of Environment, 2004 (비 특허문헌 5) Lee, Myung-gyu, "Livestock Industry and Environmental Problems: Nutrient Resource Cycle", Agriculture and Rural Roads. symposium. PP. 273-308.2011 (비 특허문헌 6) Lee, GJ, "NPK fertilizer standard by soil test of highland landless soil", Korean Journal of Soil Science and Fertilizer Vol.42 No.3, 2009 (비 특허문헌 7) Yang, Min-Seok, "Effect of NPK on the Yield and Active Ingredient of the Country", Journal of the Korean Agricultural Society, Vol.46 No.2, 2003

따라서 본 발명은 축산 분뇨를 자원화하되, 고품질의 기능성 액비 및 퇴비로 활용할 수 있도록 하기 위해서 제안된 것으로서, 지역적으로 발생하는 가축분뇨 중 함유된 양분량을 정확하게 예측하기 위해 사육단계별로 가축 수를 입력하면 자동으로 분뇨 발생량 및 함유양분을 계산하고, 이를 통해 발생한 분뇨의 농지환원시 시비량을 NPK(질소, 인, 칼륨)로 자동 계산하여 대상 농경지에 대하여 액비 살포량을 정확하게 결정할 수 있도록 한 ICT 기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 화학비료를 뿌린 후에, 가축분뇨를 발효한 액비를 과다하게 뿌려서, 토양이 영양공급 과잉으로 농작물이 죽는 사태를 예방할 수 있도록 한 ICT 기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 ICT 기반 스마트 농장을 위한 NPK(질소, 인, 칼륨) 양분의 정량적 관리시스템은 가축 정보를 웹 기반으로 입력하고 분뇨량 및 함유양분 산출을 요청하거나, 작물 종류를 입력하고 비료 추천을 요청하는 단말기; 상기 단말기에 의해 가축정보가 입력되거나 작물 종류가 입력되고 비료 추천이 요청되면, 분뇨량 예측과 함유양분 산출을 하고, 상기 작물을 재배할 토양 분석을 통해 비료를 추천하고, 액비 시비량을 산출하여 제공해주는 가축 분뇨 자원화 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 가축분뇨 자원화수단은 가축 정보가 입력되면, 생육 유형에 따라 미리 설정된 평균 체중, 분 배설량, 뇨 배설량을 이용하여 배설량을 산출하고, 산출한 배설량을 두수와 연산하여 자원화 가능한 총 배설량을 예측하는 분뇨량 예측부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 가축분뇨 자원화수단은 상기 분뇨량 예측부에서 예측한 분뇨량을 미리 설정된 자원화 조건을 적용하여 함유양분을 산출하는 함유양분 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 자원화 조건은 온도 조건, 저장기간, 수분함량 및 pH 조건 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하고, 상기 함유양분은 질소(N), 인(P), 칼륨(K)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 가축분뇨 자원화수단은 작물을 재배할 토양을 분석하는 토양 분석부; 상기 분석한 토양 정보와 재배할 작물 종류 및 pH 농도를 기초로 비료를 추천해주는 비료 추천부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 비료 추천부는 작물을 재배할 평수 기반으로 NPK 비료와 시비량을 추천해주는 것을 특징으로 한다.

상기에서 토양 정보는 토양 조건(Soil), 기울기(Slope) 및 흡수율(Absorption) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 비료 추천부는 하기와 같은 알고리즘을 이용하여 비료를 추천하는 것을 특징으로 한다.

Rule : IF A is t1 THEN C is B2

(Fu)

fact : A is t1' (Fr)

conclusion : C is t2'

(FC)

A: 토양 흡수 상태, t1: 경사도/날씨조건, C: 시비량 추론 결과, Fu: 규칙의 불확실성을 나타내는 fuzzy number, Fr: 사실의 불확실성을 나타내는 fuzzy number, FC: 결론의 불확실성을 나타내는 fuzzy number, V1, V2, V1', V2': 값 (values), Fu은 확신율(CF)로서 나타내며, Fr은 가능척도로 나타낸다.

후처리 RULE

IF Soil = High And

Slope= High And

Absorption = Med And

Then

NPK = CNF 70

여기서 CNF 70이란, RULE의 확신도가 70%란 것을 의미한다.

상기에서 가축분뇨 자원화수단은 상기 비료 추천부에서 추천한 비료와 분석한 토양 조건을 기초로 실제 시비할 액비량을 산출하여 제공해주는 액비 시비량 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 지역적으로 발생하는 가축분뇨 중 함유된 양분량을 정확하게 예측하기 위해 사육단계별로 가축 수를 입력하면 자동으로 분뇨 발생량 및 함유양분을 계산하고, 이를 통해 발생한 분뇨의 농지환원 시 시비량을 NPK(질소, 인, 칼륨)로 자동 계산하여 대상 농경지에 대하여 액비 살포량을 정확하게 결정하도록 도모해주는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 화학비료를 뿌린 후에, 가축분뇨를 발효한 액비를 과다하게 뿌려서, 토양이 영양공급 과잉으로 농작물이 죽는 사태도 예방할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템의 블록 구성도,
도 2는 본 발명에서 NPK 자동 계산 과정의 예시도,
도 3은 본 발명에서 비료 자동 추천 요청화면 예시도,
도 4는 본 발명에서 비료 자동 추천 결과화면 예시도,
도 5는 본 발명에 적용된 NPK 판단 데이터 예시도,
도 6은 본 발명에 적용된 Metlab Fuzzy 추론 시스템을 이용한 NPK 비료 추천 알고리즘 예시도,
도 7은 본 발명에서 Matlab Fuzzy 멤버십 함수 실혈 결과 예시도,
도 8은 본 발명에서 주요작물의 시비량을 산출하는 예시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템의 블록 구성도로서, 제1 및 제2 단말기(11)(12), 네트워크(20) 및 가축분뇨 자원화수단(30)을 포함한다.

상기 제1 및 제2 단말기(11)(12)는 가축 정보를 웹(web) 기반으로 입력하고 분뇨량 및 함유양분(N, P, K) 산출을 요청하거나, 작물 종류를 입력하고 비료 추천을 요청하는 역할을 한다. 이러한 제1 및 제2 단말기(11)(12)는 가축을 기르거나 농작물을 재배하는 사용자가 사용하는 단말기로서, 퍼스널컴퓨터(PC), 노트북, 스마트폰 등으로 구현할 수 있다. 상기 제1단말기(11)는 축산업자가 이용하는 단말기이고, 제2단말기(12)는 농경업자가 이용하는 단말기로서, 축산업자 및 농경업자가 동일한 사용자라면 하나의 단말기만 이용하는 것으로 가정하고, 축산업자 및 농경업자가 상이할 경우 각각 서로 다른 단말기를 이용하는 것으로 가정한다.

상기 네트워크(20)는 상기 제1 및 제2 단말기(11)(12)와 가축분뇨 자원화수단(30) 간의 데이터를 상호 인터페이스 해주는 망으로서, 유선망, 무선망, 데이터망, 공중전화망 등을 이용할 수 있다.

또한, 상기 가축분뇨 자원화수단(30)은 상기 제1 및 제2 단말기(11)(12)에 의해 가축정보가 입력되거나 작물 종류가 입력되고 비료 추천이 요청되면, 분뇨량 예측과 함유양분 산출을 하고, 상기 작물을 재배할 토양 분석을 통해 비료를 추천하고, 액비 시비량을 산출하여 제공해주는 역할을 한다. 이러한 가축분뇨 자원화 수단(30)은 서버급 컴퓨터로 구현하는 것이 바람직하다.

이러한 가축분뇨 자원화수단(30)은 가축 정보가 입력되면, 생육 유형에 따라 미리 설정된 평균 체중, 분 배설량, 뇨 배설량을 이용하여 배설량을 산출하고, 산출한 배설량을 두수와 연산하여 자원화 가능한 총 배설량을 예측하는 분뇨량 예측부(31), 상기 분뇨량 예측부(31)에서 예측한 분뇨량을 미리 설정된 자원화 조건을 적용하여 함유양분을 산출하는 함유양분 산출부(32)를 포함한다.

또한, 상기 가축분뇨 자원화수단(30)은 작물을 재배할 토양을 분석하는 토양 분석부(33), 상기 분석한 토양 정보와 재배할 작물 종류 및 pH 농도를 기초로 비료를 추천해주는 비료 추천부(34), 상기 비료 추천부(34)에서 추천한 비료와 분석한 토양 조건을 기초로 실제 시비할 액비량을 산출하여 제공해주는 액비 시비량 산출부(35)를 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

가축분뇨 발생량을 정량적으로 예측하기 위하여 축산업자는 가축(본 발명에서는 돼지를 실시 예로 설명함) 정보를 제1 단말기(11)를 이용하여 WEB 기반으로 입력한다. 여기서 가축 정보는 가축 종류 정보, 생육 유형 정보, 사육 두수 정보를 포함할 수 있다. 본 발명에서는 실시 예로 가축 종류를 돼지로 한정하여 설명하나, 본 발명은 이것은 한정되는 것은 아니며, 동일한 방법으로 모든 가축에 적용 가능함을 당해 분야의 통상의 지식을 가지나 사람이라면 자명하다 할 것이다.

예컨대, 도 2에 도시한 바와 같이, 가축 종류로 돼지, 생육 유형 정보로 자돈, 육성돈, 비육돈, 임신돈, 분만돈, 사육 두수로서 자돈 50마리, 육성돈 50마리, 비육돈 50마리, 임신돈 50마리, 분만돈 50마리가 될 수 있다.

웹 기반으로 가축 정보가 입력되면, 가축분뇨 자원화수단(30)의 분뇨량 예측부(31)는 가축분뇨 발생량을 예측한다.

즉, 분뇨량 예측부(31)는 가축 정보가 입력되면, 생육 유형에 따라 미리 설정된 평균 체중, 분 배설량, 뇨 배설량을 이용하여, 유형에 따라 1두의 배설량을 산출한다. 여기서 표준으로 가축이 돼지이고 자돈일 경우, 평균체중은 26.4kg이고, 분 배설량은 1일 0.5kg이며, 뇨 배설량은 1일 0.8kg이 설정된다. 따라서 자돈의 1일 배설량 평균은 1.3kg(0.5kg + 0.8kg)이 된다. 상기 평균 체중, 분 배설량, 뇨 배설량의 기준값은 복수의 돼지의 평균값을 취한 것이다.

이어, 자돈의 두수(50마리)를 상기 각각의 배설량으로 연산을 하면, 1일 총 분 배설량은 25kg, 총 뇨 배설량은 40kg이 되며, 1일 총 배설량은 65kg(25kg + 40kg)이 된다.

이러한 과정으로 총 배설량을 예측한 후, 다음으로, 함유양분 산출부(32)는 상기 분뇨량 예측부(31)에서 예측한 분뇨량을 미리 설정된 자원화 조건을 적용하여 함유양분(NPK)을 산출한다. 여기서 분뇨량으로부터 함유양분을 산출하기 위해서는 자원화 조건을 이용한다. 자원화 조건으로는 온도 조건(가중치 0.5), 저장기간(가중치 0.7), 수분함량 및 pH 조건 중 적어도 어느 하나 이상을 포함한다. 이러한 자원화 조건을 적용하여 상기 예측한 분뇨량으로부터 함유양분을 산출하면, 도 2에 도시한 바와 같이, 자원화 질소(N)는 년간 29.9톤, 자원화 인(P)은 년간 16.9톤, 자원화 칼륨(K)은 년간 22.75톤이 된다.

즉, 가축 정보를 입력하면 분뇨량을 예측하고, 이를 통해 함유양분인 질소(N), 인(P), 칼륨(K)으로 산출하여 자원화할 수 있게 된다.

가축 분뇨를 자원화한 후, 이를 기초로 작물별 양분 요구량을 10a 즉, 1,000m²당 비료 3요소인 NPK로 자동으로 계산한다. 작물별 양분요구량 및 대상 농경지의 토양 양분 현황을 대입하면 액비를 살포할 농경지에 정확한 액비 시비량을 산출할 수 있다.

예컨대, 액비 시비량을 결정하기 위해서 작물업자는 제2단말기(12)를 이용하여 작물 종류를 입력하고 비료 추천을 요청한다.

비료 추천이 요청되면, 가축분뇨 자원화 수단(30)의 토양 분석부(33)는 작물을 재배할 농경지의 토양 분석을 하고, 비료 추천부(34)는 입력된 작물 종류에 따른 비료를 추천한다.

토양관리를 통한 농업 생산량의 증대를 위해서는 작물의 양분결핍과 과잉장애 등 영양 장애에 대한 종합적인 양분지표를 기초로 한 토양관리 방법을 종합적으로 고려하여 실시할 필요가 있다.

도 3은 작물 재배 업자가 작물 종류를 입력하면, 토양 분석을 한 후, 이를 기초로 비료를 추천해주는 알고리즘의 입력 화면 예시이다. 실제 작물을 재배할 농경지의 토양 분석은 가축분뇨 자원화 수단(30)의 토양 분석부(33)에서 수행해야 하나, 인위적으로 해당 토양을 수집하고, 기울기 등이나 흡수율 등을 측정하는 과정이 수반되어야 한다. 따라서 실제 상기와 같은 방법으로 토양 분석이 가능하지만, 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 비료 추천을 요청한 사용자가 미리 작물을 재배할 농경지의 토양 정보를 알고 있다는 가정하에, 토양 정보를 입력하는 것으로 설명하기로 한다. 미리 작물을 재배할 농경지의 정보를 입력하고, 비료 추천을 하면, 토양 분석 담당자가 해당 농경지를 방문하여 토양을 분석하고, 이를 작물 재배업자에게 알려주거나, 가축 분뇨 자원화수단(33)에 입력 장치를 통해 입력할 수 있다. 따라서 토양 분석부(33)는 별도로 토양을 분석하기보다는 사용자가 입력한 토양 정보를 이용하거나 입력장치를 통해 입력되는 토양 정보를 토양 분석 정보로 활용한다. 토양 정보는 pH 농도, 토양 조건(Soil), 기울기(Slope) 및 흡수율(Absorption) 을 포함할 수 있다.

대상 농경지에 대한 N·P·K 시비량을 정확하게 산출하기 위해서 동일한 농작물 및 같은 재배 면적을 설정하나, 그 외의 토양 조건(Soil), 토양 경사도(Slope), 토양 흡수율(Absorption), 날씨 조건 등에 따라서 정확한 시비량이 어려울 경우에 퍼지 규칙 및 통계기반 확률 데이터를 이용한 믿음 값을 이용하여 최종 시비량을 산출한다.

비료는 크게 세 가지 요소(질소, 인산, 칼륨)로 되어 있으며, 그 밖에 아주 적은 양이지만 식물의 생장에 꼭 필요한 미량 요소도 포함되어야 한다. 도 4는 WEB 기반에서 작물종류, 토양 성분, pH를 선택하면, 자동으로 비료를 추천하는 예시이다.

비료 추천을 위해, 다음과 같은 알고리즘을 이용한다.

Rule : IF A is t1 THEN C is B2

(Fu)

fact : A is t1' (Fr)

conclusion : C is t2'

(FC)

후처리 RULE

IF Soil = High And

Slope= High And

Absorption = Med And

Then

NPK = CNF 70

여기서 CNF 70이란, RULE의 확신도가 70%란 뜻이다. 본 발명에서 Soil(토양 조건), Slope(기울기) 및 Absorption(흡수율)을 고려해서 최적의 N·P·K 살포량 신뢰도를 판단한다.

βc = βcomb(βc, βstrong) = max(βc, βstrong)

여기서 βstrong은 이미 추론통로를 통해 도달한 결론에 대한 믿음 값이고, βc는 다른 추론통로를 통해서 도달한 또 다른 결론의 믿음 값이다.

이렇게 생성된 데이터는 일반적으로 IF-THEN 형식으로 나타낼 수 있으며, 퍼지 추론(fuzzy inference)이란 어떤 주어진 규칙으로부터 새로운 관계나 사실을 유추해 나가는 일련의 과정이고, max-min 추론을 사용하였다.

Input: x is A1 then y is B

AND R1: IF x is A1 AND y is B1, THEN z is C1

OR R2: IF x is A2 OR y is B2, THEN z is C2

... ... ...

NOT Rn IF x is An AND y is NOT Bn, THEN z is Cn

Conclusion: z is C 결합함수

다음으로, 액비 시비량 산출부(35)는 상기 비료 추천부(34)에서 추천한 비료와 분석한 토양 조건을 기초로 실제 시비할 액비량을 산출하여 제공해준다.

액비 시비량 산출을 위해, 도 5와 같은 변수 3개를 고려하여 더욱 정확한 N.P.K 시비량을 분석한다.

도 6은 MATLAB TOOL에서 Fuzzy Inference System을 이용한 N·P·K 비료 추천 실험과정의 예시이다. 사용한 규칙은 총 10개이며, 입력조건은 Soil(토양 조건) 및 Slope(기울기), Absorption(흡수율)을 고려하여, 출력 조건으로는 최적의 N·P·K 살포량을 산출하였다.

도 7은 MATLAB TOOL에서 Fuzzy Inference System을 이용한 NPK 비료추천 모의 실험과정을 설명하고 있다. 본 발명에서 사용한 퍼지 멤버 십 규칙은 3개이고, 출력 조건은 NPK 비료추천 산출량 1개다. 입력조건: Soil(토양 조건) 34%로 토양 영양 상태가 좋지 않고, Slope(기울기) 76%로 다소 높은 편이고, Absorption(흡수율) 10단계 중에서 2단계로, 토양 흡수율이 좋지 않으므로, 토양상태를 고려한 최적의 비료추천 산출량: N·P·K 액비 시비량은 80%로 정상조건 50%에서 30% 상회 한 시비량을 추천하였다.

현재 액비 및 퇴비 살포량의 문제점은 토양조건을 정확하게 고려하지 않고, 농작물을 많이 수확하고자 시비량을 과잉으로 살포하여 오히려 농작물이 영양 과잉상태로 괴사하는 경우 등을 지적할 수 있다. 토양조건을 고려하여 제시된 Matlab Fuzzy 추론 기반의 N·P·K 비료추천 소프트웨어를 이용해서 최적의 액비 시비량을 계산할 수 있다.

본 발명자는 가축분뇨 자원화 및 N·P·K 비료추천을 위해 모의실험을 하였다.

요즈음 산업 분야에서 IT 기술을 이용한 학제간 융합의 필요성이 가속화되면서 IT는 모든 산업영역에서 부가가치를 높이는 원천기술의 역할을 하고 있다. 농산물을 더욱 많이 수확하기 위해서 화학비료의 과다사용은 토양의 산성화를 초래하였고, 많은 병충해가 발생하는 문제점을 야기하였다. 본래 자연생태계에서 토양은 중성을 유지하여 왔으나, 계속 인위적인 화학비료의 과다살포와 공업화로 인해 점차 산성화되어 가고 있다. 토양의 pH가 지나치게 낮으면 작물 뿌리의 생육을 억제하고 양분의 유효화 비율을 낮게 하며, 작물의 저항성을 약하게 한다. 또한, 정상적인 농산물 수확을 기대할 수 없게 되므로 토양의 적정 산도 관리에 중요성을 인식할 필요가 있다. 하지만, 여전히 화학비료나 제초제에 의존하는 농가가 대부분으로 심각한 수준이다. 토양이 강산성으로 변화하면 가용성 양분(질소, 인산, 칼륨)의 양이 줄어들고, 유용 분해미생물이 사라지며, 식물에 독성을 일으키는 물질(알루미늄, 망간, 구리)이 증가하게 된다.

본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해서, 토양에 적절하게 시용할 수 있는 액비량을 산출하는 모의실험을 하였으며, 가축분뇨를 자원화하는 방안으로 ICT기술을 이용해서 가축의 두수를 입력하면 자동으로 가축 분뇨량을 계산하고, 100㎡ 단위로 비료 3요소인 질소, 인, 칼륨의 시비량을 자동으로 산출하는 계산식을 모의실험하였다.

도 8에서는 근채류, 엽채류, 과채류의 작물 간 양분 흡수량과 흡수율을 토대로 시비량을 산출하는 과정을 설명하고 있다. 본 발명에서는 도 2에 나타낸 바와 같이 작물 종류 3가지 중에서 1종류를 선택하면, 자동으로 N·P·K를 산출하는 과정을 보여주고 있다.

도 2에서 분뇨량을 정확하게 예측하기 위해서, 돼지 두수를 입력하면 자동으로 가축 분뇨 발생량의 계산 과정을 설명하고 있다. 뿐만아니라, 10a 즉, 1,000㎡당 NPK 비료 3요소를 자동으로 시비량을 산출하는 과정을 설명하고 있다. 실제로 INPUT 조건 중 분뇨 처리방법 및 저장기간에 따라 액비 내 질소(N) 성분은 증발 및 휘산 등으로 일정 부분 감소하게 되는데, 본 발명에서는 저장조건, 수분함량, 온도조건, pH 조건 등 기타의 조건은 특별히 고려하지 않고 축사의 분뇨 관리 환경을 평균조건으로 가정하여 산출했으므로, N·P·K의 산출량은 소소한 오차가 발생할 수 있다.

이와 같이 본 발명에서는 가축분뇨 발생량을 정확하게 예측하기 위해서, 돼지 두수를 입력하면 자동으로 가축분뇨 발생량을 계산하도록 하였다. 그뿐만 아니라, 10a 즉, 1,000㎡당 NPK 비료 3요소를 자동으로 시비량으로 산출하는 모의실험을 하였다. 그러나 토양조건, 작물종류, 비료특성 등의 차이에 의해 실제 시비량은 다를 수 있다. 특히, 현재 퇴비 및 액비 살포 시의 문제점은 토양조건을 정확하게 고려하지 않고 농작물을 많이 수확하고자 과잉으로 살포하는 것에 있으며, 이로 인해 오히려 농작물이 영양 공급 과잉상태로 괴사하는 사례가 빈번히 발생하고 있다. 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해서, Matlab Fuzzy 추론 기반 NPK 비료추천 소프트웨어를 이용해서 최적의 액비 시비량을 계산할 수 있도록 하였다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

11, 12: 제1 및 제2 단말기
20: 네트워크
30: 가축분뇨 자원화수단
31: 분뇨량 예측부
32: 함유양분 산출부
33: 토양 분석부
34: 비료 추천부
35: 액비 시비량 산출부

Claims

ICT기반 스마트 농장을 위해 가축분뇨를 예측하고, NPK(질소, 인, 칼륨) 양분을 정량적으로 관리하기 위한 시스템으로서,
가축 정보를 웹 기반으로 입력하고 분뇨량 및 함유양분 산출을 요청하거나, 작물 종류를 입력하고 비료 추천을 요청하는 단말기; 및
상기 단말기에 의해 가축정보가 입력되거나 작물 종류가 입력되고 비료 추천이 요청되면, 분뇨량 예측과 함유양분 산출을 하고, 상기 작물을 재배할 토양에 따른 비료를 추천하고, 액비 시비량을 산출하여 제공해주는 가축 분뇨 자원화 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템.
청구항 1에서, 상기 가축분뇨 자원화수단은 가축 정보가 입력되면, 생육 유형에 따라 미리 설정된 평균 체중, 분 배설량, 뇨 배설량을 이용하여 배설량을 산출하고, 산출한 배설량을 두수와 연산하여 자원화 가능한 총 배설량을 예측하는 분뇨량 예측부를 포함하는 것을 특징으로 하는 ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템.
청구항 2에서, 상기 가축분뇨 자원화수단은 상기 분뇨량 예측부에서 예측한 분뇨량을 미리 설정된 자원화 조건을 적용하여 함유양분을 산출하는 함유양분 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템.
청구항 3에서, 상기 자원화 조건은 온도 조건, 저장기간, 수분함량 및 pH 조건 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템.
청구항 3에서, 상기 함유양분은 질소(N), 인(P), 칼륨(K)을 포함하는 것을 특징으로 하는 ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템.
청구항 1 또는 2에서, 상기 가축분뇨 자원화수단은 작물을 재배할 토양을 분석하거나 토양 분석 정보를 입력받는 토양 분석부; 상기 분석한 토양 정보와 재배할 작물 종류 및 pH 농도를 기초로 비료를 추천해주는 비료 추천부를 포함하는 것을 특징으로 하는 ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템.
청구항 6에서, 상기 비료 추천부는 작물을 재배할 평수 기반으로 NPK 비료와 시비량을 추천해주는 것을 특징으로 하는 ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템.
청구항 6에서, 상기 토양 정보는 토양 조건(Soil), 기울기(Slope) 및 흡수율(Absorption) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템.
청구항 6에서, 상기 비료 추천부는 하기와 같은 알고리즘을 이용하여 비료를 추천하는 것을 특징으로 하는 ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템.
Rule : IF A is t1 THEN C is B2
(Fu)
fact : A is t1' (Fr)
conclusion : C is t2'
(FC)
A: 토양 흡수 상태, t1: 경사도/날씨조건, C: 시비량 추론 결과, Fu: 규칙의 불확실성을 나타내는 fuzzy number, Fr: 사실의 불확실성을 나타내는 fuzzy number, FC: 결론의 불확실성을 나타내는 fuzzy number, V1, V2, V1', V2': 값 (values), Fu은 확신율(CF)로서 나타내며, Fr은 가능척도로 나타낸다.
후처리 RULE
IF Soil = High And
Slope= High And
Absorption = Med And
Then
NPK = CNF 70
여기서 CNF 70이란, RULE의 확신도가 70%인 것을 의미한다.
청구항 6에서, 상기 가축분뇨 자원화수단은 상기 비료 추천부에서 추천한 비료와 분석한 토양 조건을 기초로 실제 시비할 액비량을 산출하여 제공해주는 액비 시비량 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 ICT기반 스마트 농장을 위한 NPK 양분의 정량적 관리시스템.