KR20210002900A - 작물 위치별 엽 광합성 속도 분포 모델을 이용한 수직 환경 관리 시스템 및 방법 - Google Patents

작물 위치별 엽 광합성 속도 분포 모델을 이용한 수직 환경 관리 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20210002900A
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Abstract

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 환경 관리 시스템은 작물의 서로 상이한 위치에 설치되어 작물의 환경에 대한 정보를 측정하는 복수개의 환경센서, 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 단순곱 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 제1 엽 광합성 속도를 계산하는 제1 계산부, 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 수정된 직각 쌍곡선 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 제2 엽 광합성 속도를 계산하는 제2 계산부 및 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 FvCB 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 제3 엽 광합성 속도를 계산하는 제3 계산부를 포함하며, 상기 제1 엽 광합성 속도, 상기 제2 엽 광합성 속도 및 상기 제3 엽 광합성 속도로부터 온실 내의 환경제어장치의 동작을 제어하는 온실 환경 제어기 및 상기 온실 환경 제어기의 동작 제어에 따라서 온실 내의 환경을 제어하는 환경제어장치를 포함한다.

Description

작물 위치별 엽 광합성 속도 분포 모델을 이용한 수직 환경 관리 시스템 및 방법{METHOD FOR VERTICAL ENVIRONMENT CONTROL IN GREENHOUSES USING SPATIAL LEAF PHOTOSYNTHETIC RATE MODELS}
본 발명은 작물 위치별 엽 광합성 속도 분포 모델을 이용한 수직 환경 관리 시스템 및 작물 위치별 엽 광합성 속도 분포 모델을 이용한 수직 환경 관리 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 작물의 위치(높이)별로 엽 광합성 속도를 계산하고 이로부터 온실 내의 수직 환경을 제어할 수 있는 작물 위치별 엽 광합성 속도 분포 모델을 이용한 수직 환경 관리 시스템 및 작물 위치별 엽 광합성 속도 분포 모델을 이용한 수직 환경 관리 방법에 관한 것이다.
일반적으로 온실에서 환경 제어를 위해 센서를 설치하여 수집하는 환경 요인에는 온도와 습도, 광도, 이산화탄소 농도, 풍향, 풍속, 함수율 등이 있다. 그러나 이러한 환경 요인은 온실 내부의 작물이 어떤 상태에 놓여있는지 표현하는 직접적인 지표가 아니며, 간접적인 방식으로 작물의 현재 상태를 표현하는 방법에 불과한 문제점이 있다. 최근에는 여러 작물의 광합성에 대한 연구가 다방면으로 수행되고 있으며, 그 중 광합성 모델과 관련하여서는 여러 환경 요인에 의해 변화하는 광합성 속도를 표현하는 정교한 여러 모델에 대한 연구도 활성화되고 있다.
이러한 광합성 속도는 작물의 생체 정보 중 가장 기본이 되는 것으로, 수확량을 늘리는 데 있어서 일차적으로 확인해야 할 생체 정보에 해당하며, 광합성을 통해 작물의 체내에 축적되는 동화 산물은 작물 체내에서 이동과 재배치를 거치며 최종적으로 작물의 수확량에 영향을 미치게 되는 중요한 요인이다. 따라서, 환경 요인의 직접적인 지표인 엽 광합성 속도에 기반한 환경 관리 방법에 대한 필요성이 높아지고 있다.
한국등록특허공보 제10-1348077호(2013.12.26)
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 본 발명의 목적은 작물의 위치(높이)별 엽 광합성 속도에 기반하여 작물 생장 공간의 환경을 관리 및 제어하는 작물 위치별 엽 광합성 속도 분포 모델을 이용한 수직 환경 관리 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 작물의 위치(높이)별 엽 광합성 속도에 기반하여 작물 생장 공간의 환경을 관리 및 제어하는 작물 위치별 엽 광합성 속도 분포 모델을 이용한 수직 환경 관리 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 환경 관리 시스템은 작물의 서로 상이한 위치에 설치되어 작물의 환경에 대한 정보를 측정하는 복수개의 환경센서, 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 단순곱 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 제1 엽 광합성 속도를 계산하는 제1 계산부, 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 수정된 직각 쌍곡선 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 제2 엽 광합성 속도를 계산하는 제2 계산부 및 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 FvCB 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 제3 엽 광합성 속도를 계산하는 제3 계산부를 포함하며, 상기 제1 엽 광합성 속도, 상기 제2 엽 광합성 속도 및 상기 제3 엽 광합성 속도로부터 온실 내의 환경제어장치의 동작을 제어하는 온실 환경 제어기 및 상기 온실 환경 제어기의 동작 제어에 따라서 온실 내의 환경을 제어하는 환경제어장치를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 작물의 서로 상이한 위치는 상기 작물의 서로 상이한 높이인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단순곱 모델은 단일 환경 요인에 의해 변화하는 엽 광합성 속도를 곱하여 복합 환경 요인에 대한 제1 엽 광합성 속도를 계산하는 모델일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 엽 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, P는 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, Pmax는 최대 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, a ~ e는 회귀계수(무차원)이고, PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(μmolm-2·s-1)이고, Ci는 세포 내 이산화탄소 농도(μmolmol-1)이고, Tl은 엽온(℃)이고, R은 호흡 속도(μmolCO2·m-2·s-1)임.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수정된 직각 쌍곡선 모델은 광도의 변화, 이산화탄소 농도의 변화 및 온도의 변화로부터 복합 환경요인에 의한 제2 엽 광합성 속도를 계산하는 모델일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 엽 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00002
여기서, P는 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, Pmax는 최대 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(μmolm-2·s-1)이고, a ~ e는 회귀계수(무차원)이고, Ci는 세포 내 이산화탄소 농도(μmolmol-1)이고, Tl은 엽온(℃)이고, R은 호흡 속도(μmolCO2·m-2·s-1)임.
본 발명의 일 실시예에 있어서, FvCB 모델은 온도, 광도 및 이산화탄소 농도로부터 계산되는 루비스코 제한 구간의 광합성 속도 및 전자 전달 제한 구간의 광합성 속도를 포함하고, 상기 제3 엽 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00003
여기서, P는 제3 엽 광합성 속도이고,
Figure pat00004
는 루비스코 제한 구간의 광합성 속도,
Figure pat00005
는 전자 전달 제한 구간의 광합성 속도임.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 루비스코 제한 구간의 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의되고,
Figure pat00006
여기서,
Figure pat00007
는 루비스코 제한 구간의 광합성 속도(
Figure pat00008
) 이고,
Figure pat00009
는 특정 광도에서의 카르복실화 용량(
Figure pat00010
),
Figure pat00011
는 세포 내 이산화탄소 농도(
Figure pat00012
),
Figure pat00013
는 이산화탄소 보상점(
Figure pat00014
),
Figure pat00015
는 이산화탄소에 대한 Rubisco의 Michaelis-Menten 상수(
Figure pat00016
),
Figure pat00017
는 산소 농도(mmol/mol)),
Figure pat00018
는 호흡 속도(
Figure pat00019
)임.
상기 카르복실화 용량은 특정 광도에서의 카르복실화 용량이고, 상기 특정 광도에서의 카르복실화 용량은 작물의 위치에 따라 상이한 값을 갖는 최대 카르복실화 용량에 따라서 변화하며, 상기 특정 광도에서의 카르복실화 용량은 다음의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00020
여기서,
Figure pat00021
는 특정 광도에서의 카르복실화 용량(
Figure pat00022
),
Figure pat00023
는 최대 카르복실화 용량(
Figure pat00024
), PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(
Figure pat00025
)임.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전자전달 제한 구간의 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의되고,
Figure pat00026
여기서,
Figure pat00027
는 전자전달 제한 구간의 광합성 속도(
Figure pat00028
),
Figure pat00029
는 특정 광도에서의 전자전달 속도(
Figure pat00030
),
Figure pat00031
는 세포 내 이산화탄소 농도(
Figure pat00032
),
Figure pat00033
는 이산화탄소 보상점(
Figure pat00034
),
Figure pat00035
는 호흡 속도(
Figure pat00036
)임.
상기 전자전달 속도는 특정 광도에서의 전자전달 속도이고, 상기 특정 광도에서의 전자전달 속도는 작물의 높이에 따라 상이한 값을 갖는 최대 전자전달 속도에 따라서 변화하며, 상기 특정 광도에서의 전자전달 속도는 다음의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00037
여기서,
Figure pat00038
는 특정 광도에서의 전자전달 속도(
Figure pat00039
),
Figure pat00040
는 최대 전자전달 속도(
Figure pat00041
), PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(
Figure pat00042
),
Figure pat00043
는 광이용효율(
Figure pat00044
),
Figure pat00045
는
Figure pat00046
에 대한 광반응 곡률(무차원)임.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 온실 환경 제어기는 상기 제1 엽 광합성 속도, 상기 제2 엽 광합성 속도 및 상기 제3 엽 광합성 속도로부터 온실 내의 환경제어장치의 동작을 수직 방향으로 차등적 제어할 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 환경 관리 방법은 작물의 서로 상이한 위치에 설치된 복수개의 환경센서가 작물의 위치별로 환경에 대한 정보를 측정하는 단계, 온실 환경 제어기가 제1 엽 광합성 속도, 제2 엽 광합성 속도 및 제3 엽 광합성 속도로부터 온실 내의 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계 및 환경제어장치가 상기 온실 환경 제어기의 동작 제어에 따라서 온실 내의 환경을 제어하는 단계를 포함하고, 상기 온실 내의 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계는 제1 계산부가 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 단순곱 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 상기 제1 엽 광합성 속도를 계산하는 단계, 제2 계산부가 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 수정된 직각 쌍곡선 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 상기 제2 엽 광합성 속도를 계산하는 단계 및 제3 계산부가 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 FvCB 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 상기 제3 엽 광합성 속도를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 작물의 서로 상이한 위치는 상기 작물의 서로 상이한 높이인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단순곱 모델은 단일 환경 요인에 의해 변화하는 엽 광합성 속도를 곱하여 복합 환경 요인에 대한 제1 엽 광합성 속도를 계산하는 모델일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 엽 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00047
여기서, P는 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, Pmax는 최대 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, a ~ e는 회귀계수(무차원)이고, PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(μmolm-2·s-1)이고, Ci는 세포 내 이산화탄소 농도(μmolmol-1)이고, Tl은 엽온(℃)이고, R은 호흡 속도(μmolCO2·m-2·s-1)임.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수정된 직각 쌍곡선 모델은 광도의 변화, 이산화탄소 농도의 변화 및 온도의 변화로부터 복합 환경요인에 의한 제2 엽 광합성 속도를 계산하는 모델일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 엽 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00048
여기서, P는 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, Pmax는 최대 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(μmolm-2·s-1)이고, a ~ e는 회귀계수(무차원)이고, Ci는 세포 내 이산화탄소 농도(μmolmol-1)이고, Tl은 엽온(℃)이고, R은 호흡 속도(μmolCO2·m-2·s-1)임.
본 발명의 일 실시예에 있어서, FvCB 모델은 온도, 광도 및 이산화탄소 농도로부터 계산되는 루비스코 제한 구간의 광합성 속도 및 전자 전달 제한 구간의 광합성 속도를 포함하고,
상기 제3 엽 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00049
여기서, P는 제3 엽 광합성 속도이고,
Figure pat00050
는 루비스코 제한 구간의 광합성 속도,
Figure pat00051
는 전자 전달 제한 구간의 광합성 속도임.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 루비스코 제한 구간의 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의되고,
Figure pat00052
여기서,
Figure pat00053
는 루비스코 제한 구간의 광합성 속도(
Figure pat00054
) 이고,
Figure pat00055
는 특정 광도에서의 카르복실화 용량(
Figure pat00056
),
Figure pat00057
는 세포 내 이산화탄소 농도(
Figure pat00058
),
Figure pat00059
는 이산화탄소 보상점(
Figure pat00060
),
Figure pat00061
는 이산화탄소에 대한 Rubisco의 Michaelis-Menten 상수(
Figure pat00062
),
Figure pat00063
는 산소 농도(mmol/mol)),
Figure pat00064
는 호흡 속도(
Figure pat00065
)임.
상기 카르복실화 용량은 특정 광도에서의 카르복실화 용량이고, 상기 특정 광도에서의 카르복실화 용량은 작물의 위치에 따라 상이한 값을 갖는 최대 카르복실화 용량에 따라서 변화하며, 상기 특정 광도에서의 카르복실화 용량은 다음의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00066
여기서,
Figure pat00067
는 특정 광도에서의 카르복실화 용량(
Figure pat00068
),
Figure pat00069
는 최대 카르복실화 용량(
Figure pat00070
), PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(
Figure pat00071
)임.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전자전달 제한 구간의 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의되고,
Figure pat00072
여기서,
Figure pat00073
는 전자전달 제한 구간의 광합성 속도(
Figure pat00074
),
Figure pat00075
는 특정 광도에서의 전자전달 속도(
Figure pat00076
),
Figure pat00077
는 세포 내 이산화탄소 농도(
Figure pat00078
),
Figure pat00079
는 이산화탄소 보상점(
Figure pat00080
),
Figure pat00081
는 호흡 속도(
Figure pat00082
)임.
상기 전자전달 속도는 특정 광도에서의 전자전달 속도이고, 상기 특정 광도에서의 전자전달 속도는 작물의 높이에 따라 상이한 값을 갖는 최대 전자전달 속도에 따라서 변화하며, 상기 특정 광도에서의 전자전달 속도는 다음의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00083
여기서,
Figure pat00084
는 특정 광도에서의 전자전달 속도(
Figure pat00085
),
Figure pat00086
는 최대 전자전달 속도(
Figure pat00087
), PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(
Figure pat00088
),
Figure pat00089
는 광이용효율(
Figure pat00090
),
Figure pat00091
는
Figure pat00092
에 대한 광반응 곡률(무차원)임.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 온실 내의 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계에서는 상기 온실 환경 제어기가 상기 제1 엽 광합성 속도, 상기 제2 엽 광합성 속도 및 상기 제3 엽 광합성 속도로부터 온실 내의 환경제어장치의 동작을 수직 방향으로 차등적 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 환경 관리 시스템 및 방법은 서로 상이한 위치에서 환경 정보를 센싱하고, 이로부터 계산된 제1 엽 광합성 속도, 제2 엽 광합성 속도 및 제3 엽 광합성 속도로부터 온실 내의 환경제어장치의 동작을 제어하며 이로부터 온실 내의 환경을 제어한다. 따라서, 작물의 위치(높이)별로 엽 광합성 속도를 보다 정확하게 계산할 수 있고, 이로부터 작물의 생장 환경을 제어하여 작물의 수확량을 증대시킬 수 있다.
또한, 작물의 엽 광합성 속도는 작물의 생장과 관련된 환경 요인의 직접적인 지표이므로 이에 기반하여 환경을 제어하여 보다 효율적으로 작물의 생장 환경을 제어하고 작물의 생장을 촉진하고 수확량을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환경 제어 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 환경 제어 시스템의 온실 환경 제어기를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 환경 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 환경 제어 방법의 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 환경 제어 시스템의 구현예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 환경 제어 시스템의 온실 환경 제어기에서 계산한 작물의 위치(높이)별 엽 광합성 속도를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 환경 제어 시스템의 (a) 제1 계산부 (b)제2 계산부 (c) 제3 계산부에 의해 측정된 같은 위치의 엽 광합성 속도를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환경 제어 시스템을 나타내는 구성도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 환경 제어 시스템의 온실 환경 제어기를 나타내는 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 환경 제어 시스템은 환경센서(100), 온실 환경 제어기(200), 환경제어 장치(300)를 포함한다.
상기 환경센서(100)는 복수개일 수 있다. 상기 환경센서(100)들은 작물의 서로 상이한 위치에 설치되어 작물의 환경에 대한 정보를 측정할 수 있다. 상기 작물의 서로 상이한 위치는 상기 작물의 서로 상이한 높이일 수 있다. 상기 작물의 환경에 대한 정보는 광도, 이산화탄소 및 온도를 포함할 수 있다. 상기 환경센서(100)는 필요한 경우 전원부, 저장부 및 통신부를 포함할 수 있다. 상기 전원부는 상기 환경센서(100)에 전원을 공급할 수 있다. 예를 들면, 상기 전원부는 배터리일 수 있다. 상기 통신부는 상기 환경센서(100)에서 취득된 상기 작물의 환경에 대한 정보를 상기 온실 환경 제어기(200)로 송신할 수 있다. 상기 통신부는 유선 또는 무선 통신을 지원할 수 있다. 상기 저장부는 상기 환경센서(100)에서 취득된 상기 작물의 환경에 대한 정보를 저장할 수 있다. 상기 저장부는 상기 환경센서(100)들에 연결된 대용량 저장소이거나 또는, 상기 환경센서(100) 내부에 배치된 소용량 저장소일 수 있다.
상기 온실 환경 제어기(200)는 엽 광합성 속도로부터 온실 내의 환경제어장치의 동작을 제어할 수 있다. 광합성 속도란 광합성에 의한 이산화탄소 고정(또는 산소발생) 속도를 말한다. 상기 온실 환경 제어기(200)는 상기 환경센서(100)에서 측정된 상기 환경에 대한 정보로부터 엽 광합성 속도를 계산할 수 있다.
상기 온실 환경 제어기(200)는 작물의 위치(높이)별로 엽 광합성 속도를 측정할 수 있다. 상기 온실 환경 제어기(200)는 작물의 위치(높이)별로 엽 광합성 속도를 측정할 수 있다. 예를 들면, 도 6과 같이 상기 온실 환경 제어기(200)는 일정 간격의 작물의 위치(높이)별로 엽 광합성 속도를 측정할 수 있다. 상기 온실 환경 제어기(200)는 온실 내의 상기 환경제어장치(300)의 동작을 작물의 수직 방향으로 차등적 제어할 수 있다. 예를 들면, 도 5와 같이 상기 온실 환경 제어기(200)는 작물의 수직 방향으로 일정 간격을 갖는 위치(높이)별로 설치된 상기 환경센서(100)에서 취득된 상기 환경에 대한 정보로부터 상기 위치별로 엽 광합성 속도를 측정하고, 이로부터 위치별로 작물에게 필요한 환경을 제어하기 위하여 작물의 수직 방향으로 일정 간격으로 설치된 상기 환경제어장치(300)의 동작을 위치별로 제어할 수 있다.
상기 온실 환경 제어기(200)는 제1 계산부(210), 제2 계산부(220) 및 제3 계산부(230)를 포함할 수 있다.
상기 제1 계산부(210)는 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 단순곱 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 제1 엽 광합성 속도를 계산할 수 있다. 상기 단순곱 모델은 단일 환경 요인에 의해 변화하는 엽 광합성 속도를 곱하여 복합 환경 요인에 대한 제1 엽 광합성 속도를 계산하는 모델일 수 있다. 상기 단순곱 모델은 단일 환경 요인에 의해 변화하는 엽 광합성 속도를 계산하는 수식을 단순 곱 형태로 이어 붙여 복합 환경 요인에 의한 제1 엽 광합성 속도를 계산하는 모델일 수 있다. 상기 제1 계산부(210)는 회귀 계수들을 추정하여 상기 단순곱 모델에 이용할 수 있다.
상기 제1 엽 광합성 속도는 다음의 수학식 1로 정의될 수 있다.
수학식 1
Figure pat00093
여기서, P는 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, Pmax는 최대 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, a ~ e는 회귀계수(무차원)이고, PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(μmolm-2·s-1)이고, Ci는 세포 내 이산화탄소 농도(μmolmol-1)이고, Tl은 엽온(℃)이고, R은 호흡 속도(μmolCO2·m-2·s-1)임.
상기 제2 계산부는(220) 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 수정된 직각 쌍곡선 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 제2 엽 광합성 속도를 계산할 수 있다. 직각 쌍곡선 모델이란 광합성의 광반응과 암반응을 나누어 각각에 대하여 화학 반응식을 생성하고, 미분 방정식의 해를 구하는 모델이며, 광도와 이산화탄소 농도의 변화에 따라서 엽 광합성 속도를 표현할 수 있다. 상기 수정된 직각 쌍곡선 모델은 상기 직각 쌍곡선 모델에 온도의 변화에 따라 변화하는 변수를 추가하여 광도의 변화, 이산화탄소 농도의 변화 및 온도의 변화로부터 복합 환경요인에 의한 제2 엽 광합성 속도를 계산하는 모델일 수 있다.
상기 제2 엽 광합성 속도는 다음의 수학식 2로 정의될 수 있다.
수학식 2
Figure pat00094
여기서, P는 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, Pmax는 최대 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(μmolm-2·s-1)이고, a ~ e는 회귀계수(무차원)이고, Ci는 세포 내 이산화탄소 농도(μmolmol-1)이고, Tl은 엽온(℃)이고, R은 호흡 속도(μmolCO2·m-2·s-1)임.
상기 제3 계산부(230)는 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 FvCB 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 제3 엽 광합성 속도를 계산할 수 있다. FvCB 모델은 온도, 광도 및 이산화탄소 농도로부터 계산되는 루비스코 제한 구간의 광합성 속도 및 전자 전달 제한 구간의 광합성 속도를 포함할 수 있다.
상기 제3 엽 광합성 속도는 다음의 수학식 3으로 정의될 수 있다.
수학식 3
Figure pat00095
여기서, P는 제3 엽 광합성 속도이고,
Figure pat00096
는 루비스코 제한 구간의 광합성 속도,
Figure pat00097
는 전자 전달 제한 구간의 광합성 속도임.
상기 루비스코 제한 구간의 광합성 속도는 다음의 수학식 4로 정의될 수 있다.
수학식 4
Figure pat00098
여기서,
Figure pat00099
는 루비스코 제한 구간의 광합성 속도(
Figure pat00100
) 이고,
Figure pat00101
는 특정 광도에서의 카르복실화 용량(
Figure pat00102
),
Figure pat00103
는 세포 내 이산화탄소 농도(
Figure pat00104
),
Figure pat00105
는 이산화탄소 보상점(
Figure pat00106
),
Figure pat00107
는 이산화탄소에 대한 Rubisco의 Michaelis-Menten 상수(
Figure pat00108
),
Figure pat00109
는 산소 농도(mmol/mol)),
Figure pat00110
는 호흡 속도(
Figure pat00111
)임.
상기 카르복실화 용량은 특정 광도에서의 카르복실화 용량일 수 있다. 상기 특정 광도에서의 카르복실화 용량은 작물의 위치에 따라 상이한 값을 갖는 최대 카르복실화 용량에 따라서 변화할 수 있다. 상기 특정 광도에서의 카르복실화 용량은 다음의 수학식 5로 정의될 수 있다.
수학식 5
Figure pat00112
여기서,
Figure pat00113
는 특정 광도에서의 카르복실화 용량(
Figure pat00114
),
Figure pat00115
는 최대 카르복실화 용량(
Figure pat00116
), PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(
Figure pat00117
)임.
상기 전자전달 제한 구간의 광합성 속도는 다음의 수학식 6으로 정의될 수 있다.
수학식 6
Figure pat00118
여기서,
Figure pat00119
는 전자전달 제한 구간의 광합성 속도(
Figure pat00120
),
Figure pat00121
는 특정 광도에서의 전자전달 속도(
Figure pat00122
),
Figure pat00123
는 세포 내 이산화탄소 농도(
Figure pat00124
),
Figure pat00125
는 이산화탄소 보상점(
Figure pat00126
),
Figure pat00127
는 호흡 속도(
Figure pat00128
)임.
상기 전자전달 속도는 특정 광도에서의 전자전달 속도일 수 있다. 상기 특정 광도에서의 전자전달 속도는 작물의 높이에 따라 상이한 값을 갖는 최대 전자전달 속도에 따라서 변화할 수 있다. 상기 특정 광도에서의 전자전달 속도는 다음의 수학식 7로 정의될 수 있다.
수학식 7
Figure pat00129
여기서,
Figure pat00130
는 특정 광도에서의 전자전달 속도(
Figure pat00131
),
Figure pat00132
는 최대 전자전달 속도(
Figure pat00133
), PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(
Figure pat00134
),
Figure pat00135
는 광이용효율(
Figure pat00136
),
Figure pat00137
는
Figure pat00138
에 대한 광반응 곡률(무차원)임.
상기 온실 환경 제어기(200)는 상기 제1 엽 광합성 속도, 상기 제2 엽 광합성 속도 및 상기 제3 엽 광합성 속도로부터 상기 환경제어장치(300)의 동작을 제어할 수 있다. 상기 온실 환경 제어기(200)는 상기 제1 엽 광합성 속도, 상기 제2 엽 광합성 속도 및 상기 제3 엽 광합성 속도로부터 온실 내의 상기 환경제어장치(300)의 동작을 수직 방향으로 차등적 제어할 수 있다. 예를 들면, 광도가 작물의 광포화점 이상이며, 이산화탄소 농도가 작물의 이산화탄소 포화점 이상인 경우, 세 모델을 이용하여 계산한 광합성 속도가 낮다면 가온을 실시할 수 있다. 예를 들면, 광도가 작물의 광포화점 이상이며, 온도가 작물의 온도제어기준치 섭씨 -5도 이상이고 섭씨 +5도 이내인 경우, 세 모델을 이용하여 계산한 광합성 속도가 낮다면 이산화탄소를 분사할 수 있다. 예를 들면, 이산화탄소 농도가 작물의 이산화탄소 포화점 이상이며, 온도가 작물의 온도제어기준치 섭씨 -5도 이상이고 섭씨 +5도 이내인 경우, 세 모델을 이용하여 계산한 광합성 속도가 낮다면 차광막을 열어 광도를 높일 수 있다. 여기서, 이산화탄소 포화점, 작물의 온도제어기준치는 시스템 관리자 또는 사용자에 의해 설정될 수 있다.
예를 들면, 상기 온실 환경 제어기(200)는 위치별로 상기 제1 엽 광합성 속도, 상기 제2 엽 광합성 속도 및 상기 제3 엽 광합성 속도가 낮은 경우 온도를 높이고, 이산화탄소 농도를 짙게 하며, 광도를 높이도록 해당 위치의 상기 환경제어장치(300)를 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 온실 환경 제어기(200)는 위치별로 상기 제1 엽 광합성 속도, 상기 제2 엽 광합성 속도 및 상기 제3 엽 광합성 속도가 높은 경우 온도를 낮추고, 이산화탄소 농도를 옅게 하며, 광도를 낮추도록 해당 위치의 상기 환경제어장치(300)를 제어할 수 있다.
상기 환경제어장치(300)는 상기 온실 환경 제어기(200)의 동작 제어에 따라서 온실 내의 환경을 제어할 수 있다. 상기 환경제어장치(300)는 복수개일 수 있다. 상기 환경제어장치(300)가 제어하는 온실 내의 환경은 작물 생장 공간(온실)의 광도, 온도 및 이산화탄소 농도일 수 있다. 상기 환경제어장치(300)는 작물 생장 공간(온실)의 환경을 수직 방향으로 차등적으로 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 환경제어장치(300)는 서로 상이한 수직 방향의 위치에 배치되는 복수개의 환경제어장치일 수 있다. 상기 환경제어장치(300)는 다양한 환경제어기가 결합된 형태일 수 있다. 예를 들면, 상기 환경제어장치(300)는 이산화탄소 공급기, 히터, 냉방기, 조명 또는 햇빛 가림막을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 환경 제어 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 환경 제어 방법의 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
본 실시예에 따른 환경 제어 방법은 상기 환경 제어 시스템에서 수행되며, 카테고리만 상이할 뿐 도 1 및 도 2의 환경 제어 시스템의 동작과 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 1 및 도 2의 환경 제어 시스템과 동일한 구성요소 및 동작은 동일한 도면 부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략하며, 각 단계의 연관성만을 추가 기술한다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 환경 제어 방법은 작물의 위치별로 환경에 대한 정보를 측정하는 단계(S100), 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계(S200), 환경을 제어하는 단계(S300)를 포함한다.
상기 작물의 위치별로 환경에 대한 정보를 측정하는 단계(S100)에서는 작물의 서로 상이한 위치에 설치된 상기 환경센서(100)가 작물의 환경에 대한 정보를 측정할 수 있다. 상기 작물의 서로 상이한 위치는 상기 작물의 서로 상이한 높이일 수 있다. 상기 작물의 환경에 대한 정보는 광도, 이산화탄소 및 온도를 포함할 수 있다. 상기 작물의 위치별로 환경에 대한 정보를 측정하는 단계(S100)에서는 상기 환경센서(100)에서 취득된 상기 작물의 환경에 대한 정보를 상기 온실 환경 제어기(200)로 송신할 수 있다. 상기 작물의 위치별로 환경에 대한 정보를 측정하는 단계(S100)에서는 상기 환경센서(100)에서 취득된 상기 작물의 환경에 대한 정보를 저장부에 저장할 수 있다.
환경제어장치의 동작을 제어하는 단계(S200)에서는 상기 온실 환경 제어기(200)가 엽 광합성 속도로부터 온실 내의 환경제어장치의 동작을 제어할 수 있다. 광합성 속도란 광합성에 의한 이산화탄소 고정(또는 산소발생) 속도를 말한다. 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계(S200)에서는 상기 온실 환경 제어기(200)가 상기 환경센서(100)에서 측정된 상기 환경에 대한 정보로부터 엽 광합성 속도를 계산할 수 있다.
상기 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계(S200)에서는 상기 온실 환경 제어기(200)가 작물의 위치(높이)별로 엽 광합성 속도를 측정할 수 있다. 상기 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계(S200)에서는 상기 온실 환경 제어기(200)가 작물의 위치(높이)별로 엽 광합성 속도를 측정할 수 있다. 예를 들면, 도 6과 같이 상기 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계(S200)에서는 상기 온실 환경 제어기(200)가 일정 간격의 작물의 위치(높이)별로 엽 광합성 속도를 측정할 수 있다. 상기 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계(S200)에서는 상기 온실 환경 제어기(200)는 온실 내의 상기 환경제어장치(300)의 동작을 작물의 수직 방향으로 차등적 제어할 수 있다. 예를 들면, 도 5와 같이 상기 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계(S200)에서는 상기 온실 환경 제어기(200)는 작물의 수직 방향으로 일정 간격을 갖는 위치(높이)별로 설치된 상기 환경센서(100)에서 취득된 상기 환경에 대한 정보로부터 상기 위치별로 엽 광합성 속도를 측정하고, 이로부터 위치별로 작물에게 필요한 환경을 제어하기 위하여 작물의 수직 방향으로 일정 간격으로 설치된 상기 환경제어장치(300)의 동작을 위치별로 제어할 수 있다.
상기 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계(S200)는 제1 엽 광합성 속도를 계산하는 단계(S210), 제2 엽 광합성 속도를 계산하는 단계(S220) 및 제3 엽 광합성 속도를 계산하는 단계(S230)를 포함할 수 있다.
상기 제1 엽 광합성 속도를 계산하는 단계(S210)에서는 상기 제1 계산부(210)는 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 단순곱 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 제1 엽 광합성 속도를 계산할 수 있다. 상기 단순곱 모델은 단일 환경 요인에 의해 변화하는 엽 광합성 속도를 곱하여 복합 환경 요인에 대한 제1 엽 광합성 속도를 계산하는 모델일 수 있다. 상기 단순곱 모델은 단일 환경 요인에 의해 변화하는 엽 광합성 속도를 계산하는 수식을 단순 곱 형태로 이어 붙여 복합 환경 요인에 의한 제1 엽 광합성 속도를 계산하는 모델일 수 있다. 상기 제1 엽 광합성 속도를 계산하는 단계(S210)에서는 상기 제1 계산부(210)는 회귀 계수들을 추정하여 상기 단순곱 모델에 이용할 수 있다. 상기 제1 엽 광합성 속도는 상기 수학식 1로 정의될 수 있다.
상기 제2 엽 광합성 속도를 계산하는 단계(S220)에서는 상기 제2 계산부는(220) 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 수정된 직각 쌍곡선 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 제2 엽 광합성 속도를 계산할 수 있다. 직각 쌍곡선 모델이란 광합성의 광반응과 암반응을 나누어 각각에 대하여 화학 반응식을 생성하고, 미분 방정식의 해를 구하는 모델이며, 광도와 이산화탄소 농도의 변화에 따라서 엽 광합성 속도를 표현할 수 있다. 상기 수정된 직각 쌍곡선 모델은 상기 직각 쌍곡선 모델에 온도의 변화에 따라 변화하는 변수를 추가하여 광도의 변화, 이산화탄소 농도의 변화 및 온도의 변화로부터 복합 환경요인에 의한 제2 엽 광합성 속도를 계산하는 모델일 수 있다. 상기 제2 엽 광합성 속도는 상기 수학식 2로 정의될 수 있다.
상기 제3 엽 광합성 속도를 계산하는 단계(S230)에서는 상기 제3 계산부(230)는 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 FvCB 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 제3 엽 광합성 속도를 계산할 수 있다. FvCB 모델은 온도, 광도 및 이산화탄소 농도로부터 계산되는 루비스코 제한 구간의 광합성 속도 및 전자 전달 제한 구간의 광합성 속도를 포함할 수 있다. 상기 제3 엽 광합성 속도는 상기 수학식 3으로 정의될 수 있다. 상기 루비스코 제한 구간의 광합성 속도는 상기 수학식 4로 정의될 수 있다.
상기 카르복실화 용량은 특정 광도에서의 카르복실화 용량일 수 있다. 상기 특정 광도에서의 카르복실화 용량은 작물의 위치에 따라 상이한 값을 갖는 최대 카르복실화 용량에 따라서 변화할 수 있다. 상기 특정 광도에서의 카르복실화 용량은 상기 수학식 5로 정의될 수 있다. 상기 전자전달 제한 구간의 광합성 속도는 상기 수학식 6으로 정의될 수 있다.
상기 전자전달 속도는 특정 광도에서의 전자전달 속도일 수 있다. 상기 특정 광도에서의 전자전달 속도는 작물의 높이에 따라 상이한 값을 갖는 최대 전자전달 속도에 따라서 변화할 수 있다. 상기 특정 광도에서의 전자전달 속도는 상기 수학식 7로 정의될 수 있다.
상기 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계(S200)에서는 상기 온실 환경 제어기(200)는 상기 제1 엽 광합성 속도, 상기 제2 엽 광합성 속도 및 상기 제3 엽 광합성 속도로부터 상기 환경제어장치(300)의 동작을 제어할 수 있다. 상기 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계(S200)에서는 상기 온실 환경 제어기(200)는 상기 제1 엽 광합성 속도, 상기 제2 엽 광합성 속도 및 상기 제3 엽 광합성 속도로부터 온실 내의 상기 환경제어장치(300)의 동작을 수직 방향으로 차등적 제어할 수 있다.
예를 들면, 상기 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계(S200)에서는 상기 온실 환경 제어기(200)는 위치별로 상기 제1 엽 광합성 속도, 상기 제2 엽 광합성 속도 및 상기 제3 엽 광합성 속도가 낮은 경우 온도를 높이고, 이산화탄소 농도를 짙게 하며, 광도를 높이도록 해당 위치의 상기 환경제어장치(300)를 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계(S200)에서는 상기 온실 환경 제어기(200)는 위치별로 상기 제1 엽 광합성 속도, 상기 제2 엽 광합성 속도 및 상기 제3 엽 광합성 속도가 높은 경우 온도를 낮추고, 이산화탄소 농도를 옅게 하며, 광도를 낮추도록 해당 위치의 상기 환경제어장치(300)를 제어할 수 있다.
상기 환경을 제어하는 단계(S300)에서는 상기 환경제어장치(300)는 상기 온실 환경 제어기(200)의 동작 제어에 따라서 온실 내의 환경을 제어할 수 있다. 상기 환경을 제어하는 단계(S300)에서는 상기 환경제어장치(300)는 복수개일 수 있다. 상기 환경제어장치(300)가 제어하는 온실 내의 환경은 작물 생장 공간(온실)의 광도, 온도 및 이산화탄소 농도일 수 있다. 상기 환경을 제어하는 단계(S300)에서는 상기 환경제어장치(300)는 작물 생장 공간(온실)의 환경을 수직 방향으로 차등적으로 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 환경을 제어하는 단계(S300)에서는 서로 상이한 수직 방향의 위치에 배치되는 복수개의 환경제어장치(300)를 제어할 수 있다. 상기 환경제어장치(300)는 다양한 환경제어기가 결합된 형태일 수 있다. 예를 들면, 상기 환경제어장치(300)는 이산화탄소 공급기, 히터, 냉방기, 조명 또는 햇빛 가림막을 포함할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의 기술자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 환경센서
200: 온실 환경 제어기
300: 환경 제어 장치

Claims (20)

  1. 작물의 서로 상이한 위치에 설치되어 작물의 환경에 대한 정보를 측정하는 복수개의 환경센서;
    상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 단순곱 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 제1 엽 광합성 속도를 계산하는 제1 계산부, 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 수정된 직각 쌍곡선 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 제2 엽 광합성 속도를 계산하는 제2 계산부 및 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 FvCB 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 제3 엽 광합성 속도를 계산하는 제3 계산부를 포함하며, 상기 제1 엽 광합성 속도, 상기 제2 엽 광합성 속도 및 상기 제3 엽 광합성 속도로부터 온실 내의 환경제어장치의 동작을 제어하는 온실 환경 제어기; 및
    상기 온실 환경 제어기의 동작 제어에 따라서 온실 내의 환경을 제어하는 환경제어장치를 포함하는 환경 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 작물의 서로 상이한 위치는 상기 작물의 서로 상이한 높이인 것을 특징으로 하는 환경 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단순곱 모델은 단일 환경 요인에 의해 변화하는 엽 광합성 속도를 곱하여 복합 환경 요인에 대한 제1 엽 광합성 속도를 계산하는 모델인 환경 관리 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 엽 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의되는 환경 관리 시스템.
    Figure pat00139

    여기서, P는 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, Pmax는 최대 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, a ~ e는 회귀계수(무차원)이고, PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(μmolm-2·s-1)이고, Ci는 세포 내 이산화탄소 농도(μmolmol-1)이고, Tl은 엽온(℃)이고, R은 호흡 속도(μmolCO2·m-2·s-1)임.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수정된 직각 쌍곡선 모델은 광도의 변화, 이산화탄소 농도의 변화 및 온도의 변화로부터 복합 환경요인에 의한 제2 엽 광합성 속도를 계산하는 모델인 환경 관리 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 엽 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의되는 환경 관리 시스템.
    Figure pat00140

    여기서, P는 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, Pmax는 최대 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(μmolm-2·s-1)이고, a ~ e는 회귀계수(무차원)이고, Ci는 세포 내 이산화탄소 농도(μmolmol-1)이고, Tl은 엽온(℃)이고, R은 호흡 속도(μmolCO2·m-2·s-1)임.
  7. 제1항에 있어서, FvCB 모델은 온도, 광도 및 이산화탄소 농도로부터 계산되는 루비스코 제한 구간의 광합성 속도 및 전자 전달 제한 구간의 광합성 속도를 포함하고,
    상기 제3 엽 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의되는 환경 관리 시스템.
    Figure pat00141

    여기서, P는 제3 엽 광합성 속도이고,
    Figure pat00142
    는 루비스코 제한 구간의 광합성 속도,
    Figure pat00143
    는 전자 전달 제한 구간의 광합성 속도임.
  8. 제7항에 있어서, 상기 루비스코 제한 구간의 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의되고,
    Figure pat00144

    여기서,
    Figure pat00145
    는 루비스코 제한 구간의 광합성 속도(
    Figure pat00146
    ) 이고,
    Figure pat00147
    는 특정 광도에서의 카르복실화 용량(
    Figure pat00148
    ),
    Figure pat00149
    는 세포 내 이산화탄소 농도(
    Figure pat00150
    ),
    Figure pat00151
    는 이산화탄소 보상점(
    Figure pat00152
    ),
    Figure pat00153
    는 이산화탄소에 대한 Rubisco의 Michaelis-Menten 상수(
    Figure pat00154
    ),
    Figure pat00155
    는 산소 농도(mmol/mol)),
    Figure pat00156
    는 호흡 속도(
    Figure pat00157
    )임.
    상기 카르복실화 용량은 특정 광도에서의 카르복실화 용량이고, 상기 특정 광도에서의 카르복실화 용량은 작물의 위치에 따라 상이한 값을 갖는 최대 카르복실화 용량에 따라서 변화하며, 상기 특정 광도에서의 카르복실화 용량은 다음의 수학식으로 정의되는 환경 관리 시스템.
    Figure pat00158

    여기서,
    Figure pat00159
    는 특정 광도에서의 카르복실화 용량(
    Figure pat00160
    ),
    Figure pat00161
    는 최대 카르복실화 용량(
    Figure pat00162
    ), PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(
    Figure pat00163
    )임.
  9. 제7항에 있어서, 상기 전자전달 제한 구간의 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의되고,
    Figure pat00164

    여기서,
    Figure pat00165
    는 전자전달 제한 구간의 광합성 속도(
    Figure pat00166
    ),
    Figure pat00167
    는 특정 광도에서의 전자전달 속도(
    Figure pat00168
    ),
    Figure pat00169
    는 세포 내 이산화탄소 농도(
    Figure pat00170
    ),
    Figure pat00171
    는 이산화탄소 보상점(
    Figure pat00172
    ),
    Figure pat00173
    는 호흡 속도(
    Figure pat00174
    )임.
    상기 전자전달 속도는 특정 광도에서의 전자전달 속도이고, 상기 특정 광도에서의 전자전달 속도는 작물의 높이에 따라 상이한 값을 갖는 최대 전자전달 속도에 따라서 변화하며, 상기 특정 광도에서의 전자전달 속도는 다음의 수학식으로 정의되는 환경 관리 시스템.
    Figure pat00175

    여기서,
    Figure pat00176
    는 특정 광도에서의 전자전달 속도(
    Figure pat00177
    ),
    Figure pat00178
    는 최대 전자전달 속도(
    Figure pat00179
    ), PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(
    Figure pat00180
    ),
    Figure pat00181
    는 광이용효율(
    Figure pat00182
    ),
    Figure pat00183
    는
    Figure pat00184
    에 대한 광반응 곡률(무차원)임.
  10. 제1항에 있어서, 상기 온실 환경 제어기는 상기 제1 엽 광합성 속도, 상기 제2 엽 광합성 속도 및 상기 제3 엽 광합성 속도로부터 온실 내의 환경제어장치의 동작을 수직 방향으로 차등적 제어하는 환경 관리 시스템.
  11. 작물의 서로 상이한 위치에 설치된 복수개의 환경센서가 작물의 위치별로 환경에 대한 정보를 측정하는 단계;
    온실 환경 제어기가 제1 엽 광합성 속도, 제2 엽 광합성 속도 및 제3 엽 광합성 속도로부터 온실 내의 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계; 및
    환경제어장치가 상기 온실 환경 제어기의 동작 제어에 따라서 온실 내의 환경을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 온실 내의 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계는
    제1 계산부가 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 단순곱 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 상기 제1 엽 광합성 속도를 계산하는 단계;
    제2 계산부가 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 수정된 직각 쌍곡선 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 상기 제2 엽 광합성 속도를 계산하는 단계; 및
    제3 계산부가 상기 측정된 환경에 대한 정보로부터 FvCB 모델을 이용하여 복합 환경 요인에 대한 상기 제3 엽 광합성 속도를 계산하는 단계를 포함하는 환경 관리 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 작물의 서로 상이한 위치는 상기 작물의 서로 상이한 높이인 것을 특징으로 하는 환경 관리 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 단순곱 모델은 단일 환경 요인에 의해 변화하는 엽 광합성 속도를 곱하여 복합 환경 요인에 대한 제1 엽 광합성 속도를 계산하는 모델인 환경 관리 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 엽 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의되는 환경 관리 방법.
    Figure pat00185

    여기서, P는 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, Pmax는 최대 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, a ~ e는 회귀계수(무차원)이고, PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(μmolm-2·s-1)이고, Ci는 세포 내 이산화탄소 농도(μmolmol-1)이고, Tl은 엽온(℃)이고, R은 호흡 속도(μmolCO2·m-2·s-1)임.
  15. 제11항에 있어서, 상기 수정된 직각 쌍곡선 모델은 광도의 변화, 이산화탄소 농도의 변화 및 온도의 변화로부터 복합 환경요인에 의한 제2 엽 광합성 속도를 계산하는 모델인 환경 관리 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제2 엽 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의되는 환경 관리 방법.
    Figure pat00186

    여기서, P는 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, Pmax는 최대 엽 광합성 속도(μmolCO2·m-2·s-1)이고, PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(μmolm-2·s-1)이고, a ~ e는 회귀계수(무차원)이고, Ci는 세포 내 이산화탄소 농도(μmolmol-1)이고, Tl은 엽온(℃)이고, R은 호흡 속도(μmolCO2·m-2·s-1)임.
  17. 제11항에 있어서, FvCB 모델은 온도, 광도 및 이산화탄소 농도로부터 계산되는 루비스코 제한 구간의 광합성 속도 및 전자 전달 제한 구간의 광합성 속도를 포함하고,
    상기 제3 엽 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의되는 환경 관리 방법.
    Figure pat00187

    여기서, P는 제3 엽 광합성 속도이고,
    Figure pat00188
    는 루비스코 제한 구간의 광합성 속도,
    Figure pat00189
    는 전자 전달 제한 구간의 광합성 속도임.
  18. 제17항에 있어서, 상기 루비스코 제한 구간의 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의되고,
    Figure pat00190

    여기서,
    Figure pat00191
    는 루비스코 제한 구간의 광합성 속도(
    Figure pat00192
    ) 이고,
    Figure pat00193
    는 특정 광도에서의 카르복실화 용량(
    Figure pat00194
    ),
    Figure pat00195
    는 세포 내 이산화탄소 농도(
    Figure pat00196
    ),
    Figure pat00197
    는 이산화탄소 보상점(
    Figure pat00198
    ),
    Figure pat00199
    는 이산화탄소에 대한 Rubisco의 Michaelis-Menten 상수(
    Figure pat00200
    ),
    Figure pat00201
    는 산소 농도(mmol/mol)),
    Figure pat00202
    는 호흡 속도(
    Figure pat00203
    )임.
    상기 카르복실화 용량은 특정 광도에서의 카르복실화 용량이고, 상기 특정 광도에서의 카르복실화 용량은 작물의 위치에 따라 상이한 값을 갖는 최대 카르복실화 용량에 따라서 변화하며, 상기 특정 광도에서의 카르복실화 용량은 다음의 수학식으로 정의되는 환경 관리 방법.
    Figure pat00204

    여기서,
    Figure pat00205
    는 특정 광도에서의 카르복실화 용량(
    Figure pat00206
    ),
    Figure pat00207
    는 최대 카르복실화 용량(
    Figure pat00208
    ), PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(
    Figure pat00209
    )임.
  19. 제17항에 있어서, 상기 전자전달 제한 구간의 광합성 속도는 다음의 수학식으로 정의되고,
    Figure pat00210

    여기서,
    Figure pat00211
    는 전자전달 제한 구간의 광합성 속도(
    Figure pat00212
    ),
    Figure pat00213
    는 특정 광도에서의 전자전달 속도(
    Figure pat00214
    ),
    Figure pat00215
    는 세포 내 이산화탄소 농도(
    Figure pat00216
    ),
    Figure pat00217
    는 이산화탄소 보상점(
    Figure pat00218
    ),
    Figure pat00219
    는 호흡 속도(
    Figure pat00220
    )임.
    상기 전자전달 속도는 특정 광도에서의 전자전달 속도이고, 상기 특정 광도에서의 전자전달 속도는 작물의 높이에 따라 상이한 값을 갖는 최대 전자전달 속도에 따라서 변화하며, 상기 특정 광도에서의 전자전달 속도는 다음의 수학식으로 정의되는 환경 관리 방법.
    Figure pat00221

    여기서,
    Figure pat00222
    는 특정 광도에서의 전자전달 속도(
    Figure pat00223
    ),
    Figure pat00224
    는 최대 전자전달 속도(
    Figure pat00225
    ), PAR은 광합성 유효 광량 자속 밀도(
    Figure pat00226
    ),
    Figure pat00227
    는 광이용효율(
    Figure pat00228
    ),
    Figure pat00229
    는
    Figure pat00230
    에 대한 광반응 곡률(무차원)임.
  20. 제11항에 있어서, 상기 온실 내의 환경제어장치의 동작을 제어하는 단계에서는 상기 온실 환경 제어기가 상기 제1 엽 광합성 속도, 상기 제2 엽 광합성 속도 및 상기 제3 엽 광합성 속도로부터 온실 내의 환경제어장치의 동작을 수직 방향으로 차등적 제어하는 환경 관리 방법.
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