KR20210000698A - 음파 및 IoT 기반의 농작물 생장 제어 및 병해충 방제 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시설재배지의 농작물의 생장 환경 정보를 생성하는 온습도센서, 조도 센서, 진동 센서, 적외선 센서, 초음파 센서 및 이산화탄소(CO2) 측정센서 및 재배농작물의 영상을 촬영하여 촬영영상을 생성하는 영상 센서를 포함하는 멀티 센서 모듈(10); 상기 멀티 센서 모듈로부터 생성된 농작물의 생장 환경 정보 및 촬영 영상에 기초하여 판단된 상기 농작물의 생장 단계 또는 병해충의 종류에 따라 상이한 주파수를 갖는 음파를 방사시키는 음파 방사 모듈(20); 상기 생장 환경 정보를 선택적으로 수신하고 상기 영상센서의 촬영 영상으로부터 영상데이터를 생성하는 주제어모듈(30); 및 상기 생장 환경 정보 또는 상기 영상 데이터를 상기 주 제어모듈(30)로부터 관리 서버(50)에 유선 또는 무선으로 전송하는 통신 모듈(40)을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 음파 및 IoT 기반의 농작물 생장 제어 및 병해충 방제 시스템에 관한 것이고, 구체적으로 시설재배지의 농작물의 생장 환경 정보 및 영상 정보를 이용하여 농작물의 생장 단계, 병해충 발생 여부 및 병해충의 종류를 판별하고 이에 따라 가변하는 음파를 발생시켜 농작물을 생장을 제어하고 병해충을 방제하는 음파 및 IoT 기반의 농작물 생장 제어 및 병해충 방제 시스템에 관한 것이다.
최근 들어, IT 기술을 접목시킨 농작물 재배 관리 시스템들이 개발되어 농업 현장에 적용되고 있다. 이러한 농작물 재배 관리 시스템은 다양한 제어장치, 예컨대 조명, 창문 개폐, 수분 공급기, 환풍기, 관수 시스템 등과 같은 제어 장치를 구비하여 농작물의 생장환경을 적절하게 조절해 줌으로써 단위 면적당 생산량을 획기적으로 증대시키고 있다.
또한, 종래의 농작물 재배 관리 시스템은 다양한 농작물들에 대한 병해충 정보들 및 각 농작물별 병해충들에 대한 방제역 정보들을 병해충 데이터베이스로 구축하고, 필요할 때마다 관련 정보를 얻을 수 있도록 함으로써 농작물 생장 도중에 발생할 수 있는 병해충에 대해 해충 포집기나 농약 살포 등을 이용하여 적절하게 대응하도록 하는 서비스를 제공하고 있다.
이와 같은 농작물 재배 관리 방법 중에는 음악을 농작물에 들려줌으로써 농작물의 생육을 촉진시키는 방법이 공지되어 있다. 이 방법은 비료나 농약 등의 화학물질을 사용하는 생육 방법과 달리, 친환경적 방법으로 농작물의 생육을 촉진하고 병해충을 방지하며 환경공해를 유발시키지 않는다는 장점을 지니고 있다.
특허등록번호 제10-795421호는 대상작물에 250 Hz 내지 500 Hz의 주파수 중에서 선택된 단일음파를 처리하는 잿빛곰팡이병균의 생육 억제방법 및 잿빛곰팡이병의 방제방법이 개시되어 있다.
또한 특허공개번호 제10-2012-0069001호는 동식물의 성장에 양성적 반응을 일으키게 하고 병해충의 감소 및 동식물 생장촉진을 유도하여 고품질, 고생산성을 달성하는 그린음악의 공급과 논과 밭, 과수원, 묘지 등에 설치하여 위해조류와 야생동물을 쫓아내는 퇴치기를 하나의 장치를 이용하여 동시에 이룰 수 있도록 하는 내용이 개시되어 있다.
또한 특허공개번호 제10-2015-0000537호는 특정 음역대의 음파처리에 의한 식물의 염 스트레스 저항성 증진 방법에 관한 것으로, 염 스트레스 조건하에서 음파처리한 식물의 수분 및 양분 흡수 정도가 양호하고 및 광합성 기구의 손상이 적으며, 음파 처리한 종자의 염 스트레스 조건하에서의 발아율 또한 높아서 염 스트레스에 저항성을 가지는 작물 및 종자 제작에 이용할 수 있는 내용이 개시되어 있다.
상술한 바와 같은 선행기술 또는 공지 기술은 농작물 병해충 방제와 관련하여 그린 음악과 같은 낮은 주파수대의 음악을 방사시키거나 특정 병해충과 관련된 특정 주파수의 고정 음파에 의한 병충해 방재 방법만이 공지되어 있다.
따라서 다양한 시설재배지에서 생장하는 다양한 농작물에 대해 그 생장 단계에 따라 적응적으로 병해충이 발생하는지의 여부를 실시간으로 예측하고, 병해충 발생이 예측되거나 병해충이 발생될 때 병해충의 종류에 따라 적응적으로 가변하는 주파수 및 음압을 갖는 음파를 이용하여 농작물의 생장 촉진 및 병해충의 발생을 방지할 수 있는 시스템이 요구된다.
본 발명은 선행기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.
본 발명의 목적은 다양한 시설재배지의 다양한 농작물의 생장을 효과적으로 촉진시키고 병해충 억제율을 향상시켜 농업 생산성을 향상시킬 수 있는 음파 및 IoT 기반의 농작물 관리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 음파 및 IoT기반의 농작물 생장 제어 및 병해충 방제 시스템은, 시설재배지의 농작물의 생장 환경 정보를 생성하는 온습도센서, 조도 센서, 진동 센서, 적외선 센서, 초음파 센서, EC센서, PH센서, 기상센서 및 이산화탄소(CO2) 측정센서 및 재배농작물의 영상을 촬영하여 촬영영상을 생성하는 영상 센서를 포함하는 멀티 센서 모듈(10); 상기 멀티 센서 모듈로부터 생성된 농작물의 생장 환경 정보 및 촬영 영상에 기초하여 판단된 상기 농작물의 생장 단계 또는 병해충의 종류에 따라 상이한 주파수를 갖는 음파를 방사시키는 음파 방사 모듈(20); 상기 생장 환경 정보를 선택적으로 수신하고 상기 영상센서의 촬영 영상으로부터 영상데이터를 생성하는 주제어모듈(30); 및 상기 생장 환경 정보 또는 상기 영상 데이터를 상기 주 제어모듈(30)로부터 관리 서버(50)에 유선 또는 무선으로 전송하는 통신 모듈(40)을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 영상데이터의 특성 벡터를 이용하여 상기 농작물의 병해충의 발생 여부 또는 발생된 병해충의 종류를 판단할 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 초음파 센서에 의해 측정된 측정값에 기초하여 상기 음파 방사 모듈에 의해 방사되는 음파의 음압 및 방향을 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 음파 및 IoT기반의 농작물 생장 제어 및 병해충 방제 시스템에 따르면 음파를 이용한 농작물 성장 촉진 및 병해충 억제율 향상과 함께 다양한 시설재배지의 농작물의 생육 환경에 최적화된 온도, 습도, 조도, CO2, EC, PH, 기상 등의 수집 및 제어 및 음파의 방사를 통한 효율적인 농작물 관리에 대한 시스템 도입 비용 및 유지 관리 비용을 절감하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따라 유해 병해충으로부터 농가의 피해를 방지하고 농가로 하여금 농작물 생산에 전념하도록 함으로써 농가의 소득 증대에 기여할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따라 재래식 방식에 의존했던 병충해 피해들을 센서, 음향 등의 IoT 기술을 접목시켜 취약지 및 원격 농작물 시설에 대한 초동 대체로 사고 피해의 확장을 미연에 방지하고 농작물의 병해충 발생에 대한 사후 처리 중심의 복원업무에서 사전 감시체계로 인하여 관리 인력 및 피해 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 음파 및 IoT 기반의 농작물 생장 제어 및 병해충 방제 시스템의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 음파 및 IoT 기반으로 농작물의 생장을 제어하고 병충해를 방제하는 주요 과정을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 음파 및 IoT 기반으로 농작물의 생장을 제어하고 병충해를 방제하는 주요 과정을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 음파 및 IoT 기반으로 농작물의 생장을 제어하고 병충해를 방제하는 주요 과정을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 음파 및 IoT 기반으로 농작물의 생장을 제어하고 병충해를 방제하는 주요 과정을 도시한 순서도이다.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 아래의 설명에서 서로 다른 도면에서 동일한 도면 부호를 가지는 구성요소는 유사한 기능을 가지므로 발명의 이해를 위하여 필요하지 않는다면 반복하여 설명이 되지 않으며 공지의 구성요소는 간략하게 설명이 되거나 생략이 되지만 본 발명의 실시 예에서 제외되는 것으로 이해되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 음파 및 IoT 기반의 농작물 생장 제어 및 병해충 방제 시스템의 실시 예를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 음파 및 IoT 기반의 농작물 생장 제어 및 병해충 방제 시스템은 시설재배지의 농작물의 생장 환경 정보를 생성하는 온습도센서, 조도 센서, 진동 센서, 적외선 센서, 초음파 센서 및 이산화탄소(CO2) 측정센서 및 재배농작물의 영상을 촬영하여 촬영영상을 생성하는 영상 센서를 포함하는 멀티 센서 모듈(10); 상기 멀티 센서 모듈로부터 생성된 농작물의 생장 환경 정보 및 촬영 영상에 기초하여 판단된 상기 농작물의 생장 단계 또는 병해충의 종류에 따라 상이한 주파수를 갖는 음파를 방사시키는 음파 방사 모듈(20); 상기 생장 환경 정보를 선택적으로 수신하고 상기 영상센서의 촬영 영상으로부터 영상데이터를 생성하는 주제어모듈(30); 및 상기 생장 환경 정보 또는 상기 영상 데이터를 상기 주 제어모듈(30)로부터 관리 서버(50)에 유선 또는 무선으로 전송하는 통신 모듈(40)을 포함할 수 있다.
멀티 센서 모듈(10)은 온도센서(111), 습도센서(112), 조도 센서(113), 적외선 센서(114), 초음파 센서(115) 및 이산화탄소(CO2) 측정센서(116)를 포함하여 시설재배지의 농작물의 생장 환경 정보를 생성한다.
온도센서(111)로는 열전쌍, 온도측정 저항체, 서미스터(NTC), 금속식 온도계가 사용될 수 있으며, NQR(핵4중극공명), 초음파, 광섬유를 사용한 센서를 사용할 수도 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
습도센서(112)는 공기 중의 수분에 관련된 여러 가지 현상(물리·화학현상)을 이용하여 습도를 검출하기 위해서 사용되는 센서로서, 다공질 세라믹스나 고분자막으로 흡수됨으로써 일어나는 전기저항이나 정전용량의 변화를 이용하는 것이라든가, 진동자에 설치한 흡수 물질의 중량변화에 의한 진동자의 공진주파수의 변화를 이용하여 습도를 센싱할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서 사용될 수 있는 보다 구체적인 습도센서는 건습구 습도계, 모발 습도계, 염화 리튬 습도센서, 전해 습도센서 (P2O5 습도센서), 고분자막 습도 센서, 수정진동식 습도센서, 산화알루미늄 습도센서, 세라믹 습도센서, 서미스터 습도센서, 마이크로파 습도센서, 결로센서, 노점센서 등일 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
조도센서(113)는 유입되는 빛의 양을 측정하는 센서로서, 보다 자세히는 광도전 센서일 수 있다. 광도전센서는 빛이 입사하면 전기가 흐르는 광도전효과를 이용한 센서이다.
이산화탄소 측정센서(116)는 공기중의 이산화탄소농도를 측정하는 센서이다. 이를 통해 식물의 광합성이 원활히 일어날 수 있는 최적의 이산화탄소 농도를 유지하고 있는지를 판명할 수 있다.
상기 멀티 센서 모듈(10)은 또한 EC센서, PH센서, 기상센서 등을 포함할 수도 있으며, 위와 같은 다양한 센서들을 포함하고 있는 멀티 센서 모듈(10)로부터 생성된 실시간 온도정보, 습도정보, 조도정보, 이산화탄소 농도정보, EC, PH, 기상 등의 생장환경정보는 생장환경을 제어하는 각종 제어 장치(미도시)로 전송하거나 사용자(70)의 휴대단말 또는 관리자의 단말에 제공하여 재배 농작물에 대한 환경 제어에 이용될 수 있도록 한다.
상기 멀티 센서 모듈(10)은 또한 재배농작물의 영상을 촬영하여 실시간 촬영영상을 생성하는 영상 센서(117)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 농작물의 생장 단계 인식은 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 예를 들어 멀티 센서 모듈(10)의 적외선 센서(114)를 이용하여 농작물의 시설재배지에 대한 열화상 이미지를 생성하고 생성된 열화상 이미지를 추출하여 농작물의 생육 정도를 인식할 수 있다. 이 경우 농작물의 이미지로부터 잎의 형태를 인식하여 미리 저장된 작물의 모델링 데이터베이스로부터 상기 잎의 형태 또는 추출된 상기 적외선 값에 대응하는 작물의 생육 정도 정보를 추출하여 상기 농작물의 생육 정도를 인식할 수 있다.
또한 상술한 농작물의 생장 단계는 초음파 센서(115)를 이용하여 인식할 수도 있다. 예를 들어 초음파 센서(115)에서 발사된 초음파 펄스가 피측정물인 농작물의 잎이나 줄기 등의 표면에서 반사되어 다시 초음파 센서로 되돌아올 때까지의 시간을 측정하고 이를 기준으로 농작물의 생육 단계 인식에 관한 필요한 정보를 얻을 수 있다.
또한 상술한 농작물의 생장 단계는 영상 센서(117)의 영상 이미지로부터 인식할 수도 있다. 예를 들어 영상 센서(117)에 의한 농작물 원본 영상을 획득하고 영상 이미지를 분석하여 농작물의 엽, 마디, 화방, 과일을 포함하는 농작물 기관별 길이, 굵기, 넓이를 측정하여 측정값과 영상 이미지를 저장하고, 저장된 데이터를 DB 서버(60)에 기 저장된 농작물별 생육 변화량 기준 데이터와 비교하여 농작물의 생장 단계를 인식할 수 있다.
본 발명에 따른 농작물의 생장 단계는 다양한 센서를 이용하여 인식될 수 있도록 함으로써 일부 센서가 작동을 하지 않는 경우 작동가능한 센서를 이용하여 농작물의 생장 단계 인식이 가능하며, 또한 복수의 센서의 센서값들에 대한 상관 관계 등을 이용하여 보다 정밀한 농작물의 생장 단계 인식이 가능하다. 또한 본 발명의 다양한 센서들은 하나의 기판에 착탈식으로 장착될 수 있도록 함으로써 필요에 따라 또는 시설재배지의 종류에 따라 임의의 센서들만을 사용할 수 있고 각 센서의 교체가 쉽게 이루어질 수 있다.
이와 같이 다양한 센서에 의해 인식된 농작물의 생장 단계는 농작물의 생장에 적합한 환경을 조성하는데 사용하도록 함으로써, 농작물을 균일하게 재배하여 농작물 성장단계에 최적의 생장 환경을 유지하도록 관리할 수 있어 결국 생산원가 절감 및 고품질의 작물을 생산할 수 있는 효과를 제공할 수 있다. 그리고 단계별 작물 생장 정보 수집 및 제어를 통해 최적의 온도와 수분을 유지시킴으로써 냉해 및 고사로 인한 손실을 사전에 예방할 수 있는 효과를 제공한다. 또한 본 발명에 의하면 비닐하우스나 과수원, 화원, 논, 밭 등과 같은 시설재배지의 환경의 다양성 및 과수, 식량, 채소, 시설작물 등의 농작물의 종류에 유연하며, 영상처리 등을 통한 단계별 최적 생장환경을 판단하여 최적 제어를 할 수 있기 때문에 시설재배지내의 환경 제어장치(미도시)의 에너지 낭비를 줄이고, 생산성을 높일 수 있는 효과가 있다.
한편 상기 영상 센서(117)에 의한 영상 이미지는 병충해 발생 여부를 판단하는데 사용될 수도 있다. 본 기술분야에 잘 알려진 특징 벡터 추출 알고리즘을 이용하여, 농작물 이미지 데이터로부터 특징 벡터를 추출하고, 이와 같이 추출된 특징 벡터를 병해충을 예측 또는 진단하는데 사용된다. DB 서버(60)에 미리 저장된 병해충 데이터베이스를 탐색하여 상술한 농작물 이미지 데이터로부터 추출한 특징 벡터와 매칭되는 특정 병해충 이미지 데이터가 존재하는 지를 체크하여 병해충의 발생 여부를 진단한다. 이 경우 추출된 다수의 후보 병해충 이미지 데이터들 중 추출된 특징 벡터와의 유사도가 상대적으로 가장 큰 후보 병해충 이미지 데이터를 결정하며, 이 결정된 후보 병해충 이미지 데이터와 특징 벡터간의 매칭 정도가 기 설정된 매칭 범위 이상일 때 병해충 발생으로 진단한 후 시설재배지에서 해당 농작물에 병해충이 발생하였음을 주 제어모듈(30)로 통지한다. 결정된 후보 병해충 이미지 데이터와 특징 벡터간의 매칭 정도가 기 설정된 병해충 의심 범위에 포함되는 것으로 판단될 때 이를 병해충 발생이 예측되는 것으로 주제어 모듈(30)로 통지할 수도 있다.
이를 위하여, DB 서버(60)에 포함된 병해충 데이터베이스에는 각 농작물별 병해충 관련 정보들, 즉 각 농작물별 병해충 종류 정보들, 각 농작물의 병해충별의 다수의 병해충 이미지 데이터들, 각 병해충의 확산 방지를 위한 병해충 확산 억제 환경 정보들, 각 작물의 각 병해충별 대응 방제법 정보들이 각각 저장되어 있으며, 또한 획득된 작물 영상 데이터들은 일정 기간 동안 일시적으로 저장될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 병충해 발생 여부는 다양한 생장 환경 정보와 함께 병해충 사전 예측 및 종합 관리를 위해 구축된 국가농작물병충해 관리시스템(NCPMS)에서 제공되는 병해충 정보를 기초하여 미리 예측될 수도 있다.
주제어 모듈(30)은 상술한 농작물의 생장 단계 및 병해충 발생 여부에 따라 적응적으로 음파 방사 모듈(20)을 제어하여 방사되는 음파의 주파수, 음압 및 방향을 조절할 수 있다. 예를 들어 병해충이 발생되지 않은 것으로 판단된 경우에는 농작물의 생육 단계에 따라 10Hz 내지 5kHz의 음파를 발생시켜 농작물의 생육을 촉진시키고 병해충이 발생할 가능성이 있거나 병해충이 발생한 것으로 판단된 경우 20kHz 내지 40kHz의 범위의 음파가 방사되도록 제어될 수 있다.
또한 상기 주제어 모듈(30)은 농작물에 병충해가 발생된 것으로 판단된 경우 판단된 병해충의 종류에 따라 서로 다른 주파수를 갖는 음파가 방사되도록 음파 방사 모듈(20)을 제어할 수 있다. 각 병해충의 종류에 따라 보다 효과적인 병해충 발생 억제 효과를 갖는 음파의 주파수 대역이 일부 알려져 있다. 예를 들어 병충해가 역병균의 경우에는 12kHz, 대장균의 경우에는 50Hz 내지 5kHz, 아프리카 굴파리의 경우에는 5kHz, 진딧물의 경우에는 2kHz 내지 5kHz, 나방의 경우에는 5kHz, 해충의 경우에는 30kHz 내지 45kHz의 주파수 대역의 음파가 각 병해충의 성장을 억제하거나 생식률을 억제하는 것에 효과적인 것으로 알려져 있다.
DB 서버(60)에 저장된 방사 음파 데이터베이스에는 농작물의 생육단계에 따라 농작물의 생장 촉진에 기여하는 주파수 및 음압에 대한 데이터뿐만 아니라 각 병해충의 종류에 따라 효과적인 병해충 방제 특성을 갖는 음파의 주파수 및 음압에 대한 데이터가 미리 저장되어 있다. 본 발명에 따른 주파수 대역별 음파 방사의 통계 이력, 병해충 퇴치 이력 등을 참조하거나 빅데이터 기술을 활용하여 생육 단계별 및 병충해의 종류별 효과적인 생장 특성 및 방제 특성을 갖는 음파의 주파수 및 음압에 대한 임계 영역에 대한 데이터가 저장되거나 갱신될 수도 있다.
음파 방사 모듈(20)은 농작물의 생장 단계 및/또는 병충해 발생 여부에 따라 주제어모듈(20)에 의해 결정된 주파수 대역 및 음압을 갖는 음파를 발생시킬 수 있다. 본 발명에 따른 농작물의 생장 촉진 및/또는 병충해 방제에 사용되는 음파의 주파수 범위는 20Hz ~ 40kHz이고 음압은 1m 이내에서 80 내지 90dB인 것이 바람직하다.
또한 상기 음파 방사 모듈(20)은 상기 멀티센서 모듈(10)의 각종 센서에 의해 판단된 음파의 도달 거리 및 방향에 따라 음파의 방사 방향을 조절할 수도 있다. 예를 들어 상기 초음파 센서(115)를 이용하여 농작지의 크기 및 음파의 도달 거리에 관한 정보를 추출할 수 있다. 초음파 센서는 초음파 센서에서 발사된 초음파 펄스가 피측정물인 농작물의 잎이나 줄기 등의 표면에서 반사되어 다시 초음파 센서로 되돌아올 때까지의 시간을 측정하고 이를 기준으로 필요한 정보를 얻는 방법을 사용하는데, 이러한 초음파 센서의 감지 범위와 검출 영역에 대한 정보를 기초로 온도나 공기의 압력, 습도 등에 따른 음파의 주파수대역, 음압 및 방향에 대한 최적 임계 정보를 얻을 수 있다. 이러한 임계 정보에 기초하여 상기 음파 방사 모듈(20)은 스피커를 통한 음파의 방사 방향 조절을 위한 액추에이터(미도시)에 대한 동작을 제어할 수 있다.
상술한 각각의 모듈(10, 20, 30, 40)에 대한 전력 공급은 외부 전원에 의하여 이루어지거나, 예를 들어 태양광 모듈(미도시)에 의하여 이루어지거나 또는 배터리와 같은 이동 전력 공급 수단에 의하여 이루어질 수 있다. 또한 각각의 모듈(10, 20, 30, 40)은 지면에 고정된 수직 고정 부재에 결합되어 고정되거나 다른 적절한 구조물에 고정될 수 있다. 그리고 태양광 모듈은 상기 수직 고정 부재의 가장 위쪽에 배치되어 전력을 생산할 수 있다. 태양광 모듈의 작동은 주제어모듈(30)에 의하여 이루어지거나, 자체적인 제어 수단에 의하여 작동이 제어될 수 있다.
각각의 모듈(10, 20, 30, 40)의 시간에 따른 작동 상황 또는 탐지 정보가 관리 서버(50)에 저장되어 분류가 될 수 있다. 그리고 관리 서버(50)에 저장된 작동 정보 또는 탐지 정보는 주기적으로 또는 접근에 의하여 사용자(70)의 휴대용 전자기기 또는 관리자의 단말로 전송될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 음파 및 IoT 기반으로 농작물의 생장을 제어하고 병충해를 방제하는 주요 과정을 도시한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 멀티 센서 모듈(10)의 각종 센서에 의해 주기적으로 농작지의 농작물에 대하여 감지된 생장 환경 정보가 획득되면, 획득된 생장 환경 정보는 주제어모듈(40) 및 통신 모듈(40)을 거쳐 관리 서버(50)로 전달된다(단계 201).
다음에 관리 서버(50)는 전달된 생장 환경 정보를 기초로 농작물의 생장 단계를 인식한다(단계 202). 생장 단계의 인식은 상술한 바와 같이 적외선 센서(114)를 이용한 농작물의 시설재배지에 대한 열화상 이미지를 기초로 인식하거나, 초음파 센서(115)를 이용하여 농작물의 잎이나 줄기 등의 표면에서 반사되어 다시 초음파 센서로 되돌아올 때까지의 시간을 기준으로 농작물의 생육 단계를 인식하거나, 영상 센서(117)의 영상 이미지 데이터를 기 저장된 농작물별 생육 변화량 기준 데이터와 비교하여 농작물의 생장 단계를 인식할 수도 있다. 본 발명에 따른 농작물의 생장 단계는 상술한 방법에만 한정되는 것은 아니고 다른 센서들에 의해서도 다양한 방법으로 인식될 수 있다.
농작물의 생장 단계 또한 농작물의 종류에 따라 다양한 단계로 이루어질 수 있다. 바람직하게 각 생장 단계는 발아기, 모종시기, 개화기, 성숙기 등의 단계로 구분될 수 있다. 각 생장 단계마다 생장에 적합한 생장 환경 및 농작물의 생장을 촉진시키는 음파의 주파수, 음압 및 방사 방향이 달라질 수 있고 이에 관련된 정보는 DB 서버(60)에 미리 저장되어 있다. 또한 예를 들어 농작물의 성숙기라고 판단된 경우 수확 시기를 늦출 필요가 있는 경우에는 음파에 의한 생장 촉진 과정이 생략될 수도 있다.
관리 서버(50)는 인식된 생장 단계에 따라 주제어모듈(30)을 통해 미도시된 다양한 제어장치를 제어하여 시설재배지의 온도, 환경을 조성함과 동시에 농작물의 생장에 적합한 주파수 및 음압을 가지도록 음파 방사 모듈(20)을 조절할 수 있다(단계 203).
또한 주 제어모듈(30)은 획득된 생장 환경 정보를 토대로 자체적으로 또는 관리 서버(50)의 제어 명령에 의해 음파 방사 모듈(20)에서 조절되는 음파의 주파수, 음압 및 방사 방향을 미세 조절할 수도 있다. 예를 들어 음파 방사 모듈(20)에 의한 음파 방사 시간대에 따라 또는 시설재배지의 온도 및 습도 조건에 따라 방사되는 음파의 주파수, 음압 및 방사 방향을 조절할 수도 있다. 또한 상술한 바와 같이 초음파 센서(111)의 감지 범위와 검출 영역에 대한 정보를 기초로 방사되는 음파의 방사 방향이 미세 조절될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 음파 및 IoT 기반으로 농작물의 생장을 제어하고 병충해를 방제하는 주요 과정을 도시한 순서도이다.
도 3를 참조하면, 멀티 센서 모듈(10)의 각종 센서에 의해 주기적으로 농작지의 농작물에 대하여 감지된 생장 환경 정보가 획득되면, 획득된 생장 환경 정보는 주제어모듈(40) 및 통신 모듈(40)을 거쳐 관리 서버(50)로 전달된다(단계 301).
다음에 관리 서버(50)는 전달된 생장 환경 정보를 기초로 상술한 바와 같이 농작물의 생장 단계를 인식하고(단계 302), 멀티 센서 모듈(10)에 포함된 영상 센서(115)에 의한 영상 이미지를 기초로 병충해 발생 의심 여부를 판단한다(단계 303).
영상 센서(115)에 의한 영상 이미지를 기초로 병충해 발생이 의심되는지 여부를 판단하는 방법은 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 상술한 바와 같이 예를 들어 본 기술분야에 잘 알려진 특징 벡터 추출 알고리즘을 이용하여, 농작물 이미지 데이터로부터 특징 벡터를 추출하고, 이와 같이 추출된 특징 벡터를 병해충을 진단하는데 사용될 수 있다. 병해충 데이터베이스를 탐색하여 상술한 농작물 이미지 데이터로부터 추출한 특징 벡터와 매칭되는 특정 병해충 이미지 데이터가 존재하는 지를 체크하여 병해충의 발생 여부를 진단한다. 이 경우 추출된 다수의 후보 병해충 이미지 데이터들 중 추출된 특징 벡터와의 유사도가 상대적으로 가장 큰 후보 병해충 이미지 데이터를 결정하며, 이 결정된 후보 병해충 이미지 데이터와 특징 벡터간의 매칭 정도가 기 설정된 매칭 범위 이상일 때 병해충 발생으로 진단한 후 농작지에서 해당 농작물에 병해충이 발생하였음을 주 제어모듈(30)로 통지한다. 결정된 후보 병해충 이미지 데이터와 특징 벡터간의 매칭 정도가 기 설정된 병해충 의심 범위에 포함되는 것으로 판단될 때 이를 병해충 발생이 예측되는 것으로 판단하여 이를 주제어 모듈(30)로 통지한다.
여기서 병해충이 발생되었거나 병해충 발생이 예측된다고 판단한 경우에는 이에 대한 시청각 경보, 즉 병해충 데이터베이스로부터 해당 작물 영상과 대응하는 병해충 이미지 데이터의 이미지 영상 및 대응 방제법 정보를 인출하여 병해충 의심 시각 경보 화면을 구성하고, 이와 같이 구성된 병해충 의심 시각 경보 화면을 사용자(70)에게 전달하여 모니터(또는 표시 패널)를 통해 디스플레이시키며, 이와 동시에 병해충 발생 또는 예측에 상응하는 청각 경보음을 발생시킴으로써, 이에 대한 시청각적인 경보를 사용자에게 통보할 수 있다.
이후 병충해가 발생되지 않거나 예측되지 않는 경우에는 단계 302에서 인식된 생장 단계에 따라 농작물의 생장 촉진에 적합하도록 방사되는 음파의 주파수, 음압 및 방사 방향을 조절한다(단계 304). 농작물의 생육 단계에 따라 주파수가 10Hz 내지 5kHz의 범위에서 음압이 1m 이내에서 80 내지 90dB인 음파를 방사시키는 것이 바람직하다. 또한 상술한 바와 같이 음파가 방사되는 시설재배지의 환경 및 시간대에 따라 음압 및 방사 방향이 조절될 수도 있다.
또한 단계 303에서 병충해 발생이 의심되는 것으로 판단된 경우에는 병충해 방제에 적합하도록 방사되는 음파의 주파수, 음압 및 방사 방향을 조절하도록 주 제어모듈(50)에 제어 명령을 전달한다(단계 305).
이 경우 판단된 병해충의 종류에 따라 서로 다른 주파수를 갖는 음파가 방사되도록 음파 방사 모듈(20)이 제어된다. 예를 들어 병충해가 역병균의 경우에는 12kHz, 대장균의 경우에는 50Hz 내지 5kHz, 아프리카 굴파리의 경우에는 5kHz, 진딧물의 경우에는 2kHz 내지 5kHz, 나방의 경우에는 5kHz, 해충의 경우에는 30kHz 내지 45kHz의 주파수 대역의 음파가 각 병해충의 성장을 억제하거나 교미를 억제하는 것에 효과적인 것으로 알려져 있으므로, 이러한 병충해의 종류에 따른 음파의 주파수 및 음압을 조절하여 병충해 방지 환경을 조성할 수 있다. 또한 음파가 방사되는 시설재배지의 환경 및 시간대에 따라 음압 및 방사 방향이 조절될 수도 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 음파 및 IoT기반의 농작물 생장 제어 및 병해충 방제 시스템에 따르면 음파를 이용한 농작물 성장 촉진 및 병해충 억제율 향상과 함께 다양한 시설재배지의 농작물의 생육 환경에 최적화된 온도, 습도, 조도, CO2 등의 수집 및 제어 및 음파의 방사를 통한 효율적인 농작물 관리에 대한 시스템 도입 비용 및 유지 관리 비용을 절감할 수 있다.
또한 본 발명에 따라 유해 병해충으로부터 농가의 피해를 방지하고 농가로 하여금 농작물 생산에 전념하도록 함으로써 농가의 소득 증대에 기여할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 따라 재래식 방식에 의존했던 병충해 피해들을 센서, 음향 등의 IoT 기술을 접목시켜 취약지 및 원격 농작물 시설에 대한 초동 대체로 사고 피해의 확장을 미연에 방지하고 농작물의 병해충 발생에 대한 사후 처리 중심의 복원업무에서 사전 감시체계로 인하여 관리 인력 및 피해 비용을 절감할 수 있다.
위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
10: 멀티 센서 모듈
20: 음파 방사 모듈
30: 주제어모듈 40: 통신 모듈
50: 관리 서버 60: DB 서버
111: 온도센서 112: 습도센서
113: 조도 센서 114: 적외선 센서
115: 초음파 센서 116: 이산화탄소(CO2) 측정센서
117: 영상 센서
30: 주제어모듈 40: 통신 모듈
50: 관리 서버 60: DB 서버
111: 온도센서 112: 습도센서
113: 조도 센서 114: 적외선 센서
115: 초음파 센서 116: 이산화탄소(CO2) 측정센서
117: 영상 센서
Claims (2)
- 시설재배지의 농작물의 생장 환경 정보를 생성하는 온습도센서, 조도 센서, 진동 센서, 적외선 센서, 초음파 센서 및 이산화탄소(CO2) 측정센서 및 재배농작물의 영상을 촬영하여 촬영영상을 생성하는 영상 센서를 포함하는 멀티 센서 모듈(10);
멀티 센서 모듈로부터 생성된 농작물의 생장 환경 정보 및 촬영 영상에 기초하여 판단된 농작물의 생장 단계 및 농장물의 생?? 단계에 따라 주파수 및 음압에 대한 데이터와 병해충의 종류에 따른 방제 특성을 가진 음파에 대한 데이터가 저장된 방사 음파 데이터베이스에 기초하여 병해충의 종류에 따라 상이한 주파수를 갖는 음파를 방사시키는 음파 방사 모듈(20);
생장 환경 정보를 선택적으로 수신하고 영상센서의 촬영 영상으로부터 영상데이터를 생성하는 주제어모듈(30); 및
생장 환경 정보 또는 영상 데이터를 상기 주 제어모듈(30)로부터 관리 서버(50)에 유선 또는 무선으로 전송하는 통신 모듈(40)을 포함하고,
음파는 주파수 범위가 20Hz 내지 40kHz이고 음압은 1m 이내에서 80 내지 90dB이며,
초음파 센서에 의해 측정된 측정값에 기초한 농작물의 크기 및 도달 거리에 관한 정보에 기초하여 음파 방사 모듈에 의해 방사되는 음파의 음압 및 방향을 조절하는 것을 특징으로 하는 음파 및 IoT기반의 농작물 생장 제어 및 병해충 방제 시스템. - 청구항 1에 있어서, 영상데이터의 특징 벡터를 추출하여 미리 저장된 병해충 데이터 베이스를 탐색하여 특정 병해충 이미지 데이터의 존재를 확인하여 후보 병해충 이미지 데이터로부터 농작물의 병해충의 발생 여부 또는 발생된 병해충의 종류를 판단하는 음파 및 IoT기반의 농작물 생장 제어 및 병해충 방제 시스템.
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