KR20210120423A - 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (1) 근권환경의 데이터를 수집하고, 상기 데이터를 전송하는 근권환경 측정장치; (2) 재배할 작물이 식재된 슬라브의 무게를 감지하는 무게감지부; 상기 슬라브에 공급되는 양액 공급량을 감지하는 급액감지부; 상기 슬라브로부터 배출되는 양액 배출량을 감지하는 배액감지부; 상기 슬라브에 대한 정보를 표시하는 표시부; 사용자에게 이상 발생을 경고하는 경고부; 상기 무게감지부를 통해 감지된 무게값, 상기 급액감지부를 통해 감지된 양액 공급량 및 상기 배액감지부를 통해 감지된 양액 배출량을 이용하여 상기 슬라브에 공급되는 양액의 시간별 공급변화, 상기 슬라브에서 배출되는 배액의 시간별 배출변화 및 상기 슬라브의 시간별 무게변화를 상기 표시부에 표시시키고, 상기 슬라브의 무게 변화가 미리 설정된 기준범위를 벗어나면 상기 경고부를 통해 사용자에게 이상 발생을 경고하도록 하며, 상기 미리 설정된 기준범위가 일출부터 첫 급액전까지의 제1 시간구간, 첫 급액부터 마지막 급액까지의 제2시간구간, 마지막 급액부터 일몰까지의 제3 시간구간, 일몰부터 일출까지의 제4 시간구간별로 서로 다르게 설정되도록 하는 제어부; 상기 작물의 생장 환경을 모니터링하여 얻은 데이터를 통신망에 의해 외부 기기에 제공되도록 송신하는 생장환 경모니터링부; 및 (3) 근권환경의 데이터 수집 및 저장, 기계학습 통한 데이터 분석 및 양액 재배관리 중량제어 알고리즘을 수행하는 클라우드 기반의 서버;를 포함하는, 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치.에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 작물 재배를 위한 효과적인 모니터링을 통한 작품 특성에 적합한 양액 제공을 가능하도록 한다.
Description
본 발명은 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양액 재배시 작물 재배에 대한 효율적이면서 편리한 모니터링을 가능하도록 하고, 작물의 생산량과 품질을 높이도록 하는 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에 관한 것이다.
최근에는 온실시설재배의 자동화가 본격화되면서 양액을 통해 재배되는 작물의 성장 조건을 파악하고, 이를 통해 파악된 최적의 생장조건을 작물에 제공하려는 움직임이 활발히 일고 있다.
기존에는 재배자가 환경조건과 작물의 생장 상태를 관찰하여 경험적 지식에 의해 작물에 공급되는 양액의 공급량을 조절한다. 이러한 양액재배 관리방법은 재배자의 재배 노하우에 의존하기 때문에 양액 관리를 자동적이고 효과적으로 수행하기 어렵다.
이러한 문제점을 해소하기 위하여, 작물에 양액을 공급하여 재배하도록 하는 양액 재배기가 개발되어 사용되고 있는데, 이에 대한 종래 기술로서, 한국등록특허 제10-1411149호의 "양액 재배기"가 있다. 이는 양액을 저장하는 양액 탱크; 상기 양액 탱크로부터 공급된 양액을 수용하는 수용공간을 격리시키는 배수벽으로 둘러싸인 배수 공간에 높이 조절이 가능한 수위조절관을 구비하고, 상기 수용공간의 양액이 상기 배수공간으로 유입되도록 상기 배수공간과 상기 수용공간의 경계에 마련된 수문을 포함하는 재배조; 상기 재배조의 상부를 덮는 모종 지지부; 및 상기 양액 탱크와 상기 재배조를 내부에 적층 수납하고, 상단에 상기 모종 지지부가 안착 지지되는 보호케이스;를 포함한다.
그러나, 이와 같은 종래 기술은 시간, 유량, 광량을 통한 관수 제어로, 실제 작물의 근권부 상태가 아니라 환경요인을 통해 관수 제어 진행함으로써 양액 재배하는 작물의 근권부의 상태를 정확히 파악하여, 작물에 대한 양액 공급 및 관수 관리를 효율적이면서도 자동적으로 수행하는데 한계를 가지므로, 양액 재배 작물의 생산량과 품질을 제대로 높이지 못하고, 작물 특성에 적합한 양액 제공을 어렵게 할 뿐만 아니라, 스마트 팜에 실제로 적용하기 어렵다는 문제점을 가지고 있었다.
종래의 양액제어는 관행적으로 시간제어, 일사제어로 진행하였으며, 시간제어의 경우 일정한 시각을 설정하여 설정된 양만큼의 양액을 관수하는 방법이며, 일사제어는 일정 이상의 누적광량이 도달하면 설정된 양만큼의 양액을 관수하는 방법이다. 일사량이 많아서 과도하게 자주 관수를 하거나 일사량이 매우 적어 관수를 하지 않는 비상 상황에 대비하기 위한 최대간격, 최소간격의 시간을 설정하는 방법으로, 일사량이 크고 증산량이 많은 시기에는 급액량을 늘리는 것은 가능하나 양액농도를 낮추고 급액횟수를 조정하는 등의 미세조정의 어려움이 있고, 또한, 배지 내 EC를 균일하게 유지, 혹은 높게나 낮게 제어하는데 활용할 수 없고, 영양생장과 생식생장의 다량소회 및 소량다회 관수법 활용의 어려움이 존재한다. 생식생장을 유도하기 위한 다량소회관수 방법은 배지 내 EC를 높게 유지하고 영양생장을 유도하기 위한 소량다회 관수는 배지 내 EC를 낮게 유지하는 방법인데 필요한 시기에 이러한 관수법을 적용하기 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 무게를 이용한 제어나 수분센서에 의하여 배지 내 함수율과 EC를 종합적으로 측정하는 기술을 적용한 관수법이 연구되고 있으나 제품의 상용화까지는 시간이 필요하고 센서 추가로 인한 비용증가가 예상되므로, 기존의 시간관수법과 적산일사량에 의한 관수법의 하리브리드 방법을 이용한 문제점 해결이 필요한 상황이다.
상기한 종래 기술에 대한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 양액 재배하는 작물의 근권부의 상태를 정확히 분석하여 양액 관리를 보다 효과적으로 수행할 수 있도록 하고, 이로 인해 양액 재배 작물, 특히 파프리카의 생산량과 품질을 높이며, 이러한 작물 재배를 위한 효과적인 모니터링을 통한 작품 특성에 적합한 양액 제공을 가능하도록 하고, 스마트 팜에 쉽게 적용할 수 있도록 하며, 양액 관리에 소요되는 인원과 비용을 최소화할 뿐만 아니라, 양액 관리에 대한 이상 발생시 신속한 후속 조치를 취할 수 있도록 실제 작물 근권부 함수량에 기반한 양액 재배 관리 진행과 이를 통해 최적의 양액을 공급하여 관수 및 비료비용을 절약하고, 작물 수확량 및 품질을 향상시키는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 1) 센서 추가를 통하여 배지 내 수분함수율과 EC값을 계측하는 방식이 아닌 데이터를 활용한 배지 내 환경 예측값 반영, 2) 생육 단계에 따른 필요 관수량 변화를 반영할 수 있도록 작기 후 경과일 정보 활용, 3) 관수횟수 및 회당 관수량 미세조정을 위한 주별 평균 적산일사량, 현재일사량, 계절 등 정보 활용, 4) 생식생장 혹은 영양생장을 유도하기 위한 관수 방법으로의 유연한 대처가 가능한 기능, 5) 배액이 시작하여 일사량이 많은 낮 시간대의 급격하게 낮아지는 배지 내 EC 변화폭을 줄이기 위한 EC자동 제어 기술이 추가되는 알고리즘을 작성하였다. 또한, 알고리즘을 스마트관수시스템에 적용하여 제어 로직을 적용하였다. 기존 PID 제어 시스템에 중량제어 알고리즘을 적용하여 병행하여 양액관리를 진행하였다. 함수율 기반 관수제어 테스트 알고리즘 실증 적용하여 구간별 데이터 비교를 통하여 제어하였다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, (1) 근권환경의 데이터를 수집하고, 상기 데이터를 전송하는 근권환경 측정장치; (2) 재배할 작물이 식재된 슬라브의 무게를 감지하는 무게감지부; 상기 슬라브에 공급되는 양액 공급량을 감지하는 급액감지부; 상기 슬라브로부터 배출되는 양액 배출량을 감지하는 배액감지부; 상기 슬라브에 대한 정보를 표시하는 표시부; 사용자에게 이상 발생을 경고하는 경고부; 상기 무게감지부를 통해 감지된 무게값, 상기 급액감지부를 통해 감지된 양액 공급량 및 상기 배액감지부를 통해 감지된 양액 배출량을 이용하여 상기 슬라브에 공급되는 양액의 시간별 공급변화, 상기 슬라브에서 배출되는 배액의 시간별 배출변화 및 상기 슬라브의 시간별 무게변화를 상기 표시부에 표시시키고, 상기 슬라브의 무게 변화가 미리 설정된 기준범위를 벗어나면 상기 경고부를 통해 사용자에게 이상 발생을 경고하도록 하며, 상기 미리 설정된 기준범위가 일출부터 첫 급액전까지의 제1 시간구간, 첫 급액부터 마지막 급액까지의 제2시간구간, 마지막 급액부터 일몰까지의 제3 시간구간, 일몰부터 일출까지의 제4 시간구간별로 서로 다르게 설정되도록 하는 제어부; 상기 작물의 생장 환경을 모니터링하여 얻은 데이터를 통신망에 의해 외부 기기에 제공되도록 송신하는 생장환 경모니터링부; 및 (3) 근권환경의 데이터 수집 및 저장, 기계학습 통한 데이터 분석 및 양액 재배관리 중량제어 알고리즘을 수행하는 클라우드 기반의 서버;를 포함하는, 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치가 제공된다.
이를 위하여, 본 발명은 기계학습을 통한 중량제어 알고리즘 개발을 위해서 근권부 데이터 확보가 필수 요소로서 근권부 실시간 데이터와 축적된 데이터를 기반으로 보다 정밀한 제어 알고리즘을 개발할 수 있으며, 함수율 측정 장치에 대한 제품 활용도를 높임으로써 지속적으로 제어 알고리즘 성능을 향상시켜 생산성 향가에 기여할 수 있다.
상기 슬라브에 양액을 공급하는 양액공급부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제2 시간구간에서 상기 슬라브의 무게변화가 상기 제2시간구간에 대응하는 미리 설정된 기준범위보다 높으면 상기 양액공급부를 통해 상기 슬라브에 공급되는 양액 공급량을 감소시키고, 상기 슬라브의 무게변화가 상기 제2 시간구간에 대응하는 미리 설정된 기준범위보다 낮으면 상기 양액공급부를 통해 상기 슬라브에 공급되는 양액 공급량을 증가시킬 수 있다.
상기 제어부는, 상기 작물이 파프리카인 경우, 상기 제1 시간구간에서 상기 무게감지부에 의해 감지되는 무게변화가 -1% ~ -2%를 벗어나면 상기 경고부를 통해 경고하고, 상기 무게변화가 -2%를 초과하면 상기 양액공급부를 통해 상기 슬라브에 양액을 공급하도록 하며, 상기 제2 시간구간에서 상기 무게변화가 +6% ~ +8%를 벗어나면 상기 경고부를 통해 경고하고, 상기 무게변화가 +6%보다 낮으면 상기 양액공급부를 통해 상기 슬라브에 공급되는 양액 공급량을 증가시키거나 공급주기를 짧게 하며, 상기 무게변화가 +8%보다 높으면 상기 양액공급부를 통해 상기 슬라브에 공급되는 양액 공급량을 감소시키거나 공급 주기를 길게 하고, 상기 제3 시간구간에서 상기 무게 변화가 -3% ~ -4%를 벗어나면 상기 경고부를 통해 경고하며, 상기 제4 시간구간에서 상기 무게변화가 -2% ~ -3%를 벗어나면 상기 경고부를 통해 경고하도록 할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 무게값, 상기 양액 공급량 및 상기 양액 배출량의 입력값과 상기 작물에 대한 정보인 츨력값 사이의 상관 관계를 인공 신경망(ANN)을 기반으로 하는 기계학습(Machine Learning)을 통해 상기 작물의 생산성을 증대시키도록 할 수 있다.
상기 생장환경모니터링부는, 내측에 센싱공간과 제어공간이 분리되도록 마련되고, 상기 센싱공간에 공기가 유입되어 배출되도록 유입구와 배출구가 각각 형성되는 본체; 상기 센싱공간 내에 설치되고, 통과하는 공기로부터 상기 작물의 생장 환경을 감지하는 감지부; 상기 제어공간 내에 설치되고, 상기 감지부가 접속되는 센서인터페이스; 상기 제어공간 내에 설치되고, 전원제어부에 의해 제어되어 동작에 필요한 전원을 공급하는 전원부; 상기 제어공간 내에 설치되고, 외부 기기와의 통신을 수행하도록 하는 통신부; 상기 센서인터페이스를 통해 상기 감지부에 의해 감지된 값을 상기 통신부에 의해 외부 기기에 전송하도록 제어하는 MOU; 및 상기 감지부에 의해 감지된 값을 외부로 표시하도록 마련되는 데이터표시부;를 포함할 수 있다.
상기 작물의 배양토 환경을 측정하여 데이터를 통신망에 의해 외부 기기에 제공하도록 송신하는 배양토환경측정부를 더 포함하고, 상기 배양토환경측정부는, 배지마다 각각 설치되도록 다수로 이루어지고, 배지의 온도, EC(Electronic Conductance) 및 수분을 각각 측정하도록 배지온도센서, 배지EC센서 및 배지수분센서가 각각 마련되고, 상기 배지온도센서, 상기 배지EC센서 및 상기 배지수분센서의 측정값을 제 1 MCU에 의해 출력하는 센서 모듈; 및 상기 배양토의 pH, 주변 습도 및 온도를 각각 측정하도록 pH센서, 습도센서 및 온도센서가 각각 마련되고, 상기 배지온도센서, 상기 배지EC센서 및 상기 배지수분센서의 접속을 위한 배지센서인터페이스가 마련되며, 제 2 MCU가 상기 배지센서인터페이스에 접속된 상기 배지온도센서, 상기 배지EC센서 및 상기 배지수분센서에 의해 측정된 값과, 상기 pH센서, 상기 습도센서 및 상기 온도센서에 의해 각각 측정된 값을 통신모듈에 의해 외부 기기에 전송하도록 제어하는 제어모듈;을 포함할 수 있다.
본 발명의 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치의 경제적 필요성은, 첫째, 최적의 작물 생육 환경을 유지하여 농작물의 생산성 제고를 위해 필요하다. 구체적으로, 양액재배시 관수, EC, pH 등은 농작물의 생장에 큰 영향을 미치는 요소로 이의 스마트한 조절로 생산성을 높일 수 있다. 근권부 함수율 변화, EC, pH 조절 등을 통해 작물의 생산성 향상에 기여할 수 있으므로 이를 제어할 수 있다. 둘째, ICT 기술 통한 농업인의 노동 부담을 완화시킨다. 구체적으로, 생육 환경의 변화를 감지한 후 스마트기기로 제어할 수 있는 체계를 도임함으로써 농업인의 노동 부담을 완화할 수 있다. 세째, 농작물의 스마트한 관리로 고품질 제품 생산 가능하다. 구체적으로, 함수율 변화와 같은 농작물 생육에 의한 관리를 통해 미세한 변화를 사전 점검하여, 작물 상태가 우수한 고품질의 제품 개발로 농가 소득원의 고부가가치화 실현 가능하다. 네째, 농민의 삶의 질의 향상 통한 농업 인구를 유입시킨다. 구체적으로, 농가 수익의 감소와 과도한 노동시간으로 인해 농민의 삶의 질이 낮은 상황이어서 지속적으로 농업 인구는 감소하고 있는 상황이다. 본 발명의 기술과 접목한 스마트팜 장비 도입을 통해 관수, 비료 등의 사용량 절감으로 생산원가를 낮추고, 고품질의 농작물 생산량을 증대 시켜 농가소득을 올리며, 효율적인 작업 수행을 통해 노동시간을 감소시킴으로서 농가 삶의 질을 향상되도록 하여, 농업 인구의 유입이 증가할 수 있다.
본 발명의 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치의 산업적 필요성은, 첫째, 전 세계적으로 스마트 농업 환경으로의 변화 추세이다. 구체적으로, 미국 등 선진농업 국가에서는 수십 년간 축적된 토양, 기상, 강우량 정보와 같은 빅데이터를 바탕으로 경작지별 데이터, 실시간 농경·기상 정보와 결합해 관리하는 등 기존과 다른 새로운 방식의 농업기술을 실행하고 있고, 중국 알리바바는 ET 농업 브레인(ET Agricultural Brain)을 출시하여 양돈, 사과, 참외 재배 등에 인공지능 기술을 활용하고 있으며, 텐센트는 100% 인공지능 기술로 작물 재배하고 있으며, 국내에서도 스마트팜, 스마트농장 등 ICT 기술 적용 산업을 추진하고 있다. 둘째, 4차 산업혁명에 발맞춘 미래 농업이 필요하다. 구체적으로, 농업은 단순한 생산 위주의 활동에서 벗어나 4차 산업혁명에 맞는 데이터화 및 서비스화로 변화하고 있다. 고령화에 따른 노동력 부족, 기후변화 등에 따라 농업의 당면한 문제를 해결하기 위한 IT 신기술과의 융합에 대한 중요성이 확대되고 있으며, 농업IT기술의 발전은 향후 농업 시장 변화에 큰 영향을 미칠 수 있다. 세째, 친환경 농기자재 개발이 필요하다. 구체적으로, 시설재배 농가에서 배출되는 폐양액(배액)으로 인한 수질 오염은 시간이 갈수록 심해지고 있으며. 네덜란드는 배액 재활용률이 90%를 넘으나 국내는 5% 내외이다. 최적의 양액을 공급하여 배액을 최소화함으로써, 환경을 보호하고, 수질오염을 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에 의하면, 양액 재배하는 작물의 근권부의 상태를 정확히 분석하여 양액 관리를 보다 효과적으로 수행할 수 있고, 이로 인해 양액 재배 작물의 생산량과 품질을 높일 수 있다. 또한, 작물 재배를 위한 효과적인 모니터링을 통한 작품 특성에 적합한 양액 제공을 가능하도록 하고, 스마트 팜에 쉽게 적용할 수 있다. 또한, 양액 관리에 소요되는 인원과 비용을 최소화할 뿐만 아니라, 양액 관리에 대한 이상 발생시 신속한 후속 조치를 취할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 팜용 [0017] 양액 재배 관리 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 측정장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치의 측정장치에서 상판부를 분리 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 측정장치의 단면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 측정장치의 요부 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치의 측정장치에서 양액공급량 감지센서로 공급되는 양액 공급구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시례에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치 및 이를 위한 작물 재배 모니터링 서비스 시스템을 도시한 구성도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시례에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 생장환경모니터링부를 도시한 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시례에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 배양토환경측정부를 도시한 구성도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 슬라브 무게, 양액 공급량, 배액량의 시간별 변화를 나타낸 화면이다.
도 11은 클라우드 서버를 이용한 중량제어 방식의 스마트팜용 앵액재배 관리 장치를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 스마트팜용 앵액재배 관리 장치의 핵심 공정을 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명에 사용된 클라우드 서버 소프트웨어 시스템의 구성도이다.
도 14는 본 발명의 양액 관리 위한 중량제어 알고리즘 중 구간별 함수율 제어 알고리즘이다.
도 15는 본 발명의 기계 학습 통한 알고리즘 개발 방법에 관한 것이다.
도 16은 본 발명의 중량제어 방식의 스마트팜용 앵액재배 시스템을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명의 기계학습 통한 양액 재배관리 중량제어 알고리즘에서 이상적인 배지중량제어에 의한 무게변화 그래프이다.
도 18은 본 발명의 함수율 기반 관수제어 테스트 알고리즘의 실제 토마토 재배에 사용된 배지중량(배지함수량) 기반 양액 제어 세팅 화면이다.
도 19는 본 발명의 함수율 기반 관수제어 테스트 알고리즘 실증 적용하여 구간별 데이터 비교를 통한 제어 방식을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 측정장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치의 측정장치에서 상판부를 분리 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 측정장치의 단면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 측정장치의 요부 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치의 측정장치에서 양액공급량 감지센서로 공급되는 양액 공급구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시례에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치 및 이를 위한 작물 재배 모니터링 서비스 시스템을 도시한 구성도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시례에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 생장환경모니터링부를 도시한 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시례에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 배양토환경측정부를 도시한 구성도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 슬라브 무게, 양액 공급량, 배액량의 시간별 변화를 나타낸 화면이다.
도 11은 클라우드 서버를 이용한 중량제어 방식의 스마트팜용 앵액재배 관리 장치를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 스마트팜용 앵액재배 관리 장치의 핵심 공정을 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명에 사용된 클라우드 서버 소프트웨어 시스템의 구성도이다.
도 14는 본 발명의 양액 관리 위한 중량제어 알고리즘 중 구간별 함수율 제어 알고리즘이다.
도 15는 본 발명의 기계 학습 통한 알고리즘 개발 방법에 관한 것이다.
도 16은 본 발명의 중량제어 방식의 스마트팜용 앵액재배 시스템을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명의 기계학습 통한 양액 재배관리 중량제어 알고리즘에서 이상적인 배지중량제어에 의한 무게변화 그래프이다.
도 18은 본 발명의 함수율 기반 관수제어 테스트 알고리즘의 실제 토마토 재배에 사용된 배지중량(배지함수량) 기반 양액 제어 세팅 화면이다.
도 19는 본 발명의 함수율 기반 관수제어 테스트 알고리즘 실증 적용하여 구간별 데이터 비교를 통한 제어 방식을 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변경에 의하여 여러 가지의 실시례를 가질 수 있으므로, 특정 실시례를 예로서 도면에 나타내어 설명하고자 한다. 또한 본 발명은 이러한 특정 실시례로 한정하는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례에 대해서 상세히 설명하기로 하며, 도면 부호에 관계없이 동일 내지 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대하여 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 스마트팜용 양액재배 관리 장치의 공인된 측정 계측기와 측정치를 비교평가하는 EC/pH센서 정확도, 양액 공급시 사용자가 설정한 기준으로 양액이 공급되는 정확도를 측정하는 관수 제어 정확도, 1,700ms의 Apache Jmeter 프로그램을 통해 처리 횟수 측정하는 웹서버 평균 응답속도, 배지의 무게를 기반으로 한 중량 제어의 정확도를 측정하는 제어 알고리즘 정밀도를 평가지표로 한다.
본 발명의 중량제어 방식의 스마트팜용 양액재배 관리 장치는 도 11, 도 12 및 도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치의 구성도이다. 구체적으로, 스마트팜용 양액재배 관리 장치, 기반 데이터 수집 및 분석 서버, 양액 관리 위한 중량제어 알고리즘 및 전문 기관 컨소시엄 통한 시험 및 검증으로 구성된다. 즉, 시설재배 작물의 근권 환경 데이터를 수집하여 기계학습을 통한 작물 재배할 수 있는 알고리즘과 이 알고리즘으로 양액 관수를 제어할 수 있는 양액재배 관리 장치이다.
먼저, (1) 스마트팜용 양액재배 관리 장치는 근권환경 데이터를 모니터링 하고, Cloud 서버에서 제시된 제어 알고리즘을 통해 최적의 양액 관수 제어를 할 수 있는 시스템으로, 양액 관수 제어가 정확히 이루어질 수 있도록 EC, pH를 정확히 측정하고, 설정된 변수에 맞추어 각 드리퍼에 관수를 정확히 공급할 수 있는 관수 공급 시스템이다. 특히, 농가 입장에서 기존 양액기 사용 방법과 유사하게 사용할 수 있도록 양액공급 장치 및 SW 프로그램을 제공한다.
구체적으로, 제어부는 산업용 임베디드 시스템, 낙뢰 방지회로 내장, 부식방지 케비넷 구조 및 10 inch 터치 LCD 등으로 구성될 수 있다. SW UI는 근권 환경 모니터링, 양액 관수 관리, 운영시간 입력 및 데이터 로그와 농가 사용 편리성을 강조한 운영 프로그램 UI를 탑재한다. 주요 기능은 기반 스마트 관수 제어 알고리즘 및 SW탑재, 제어방식은 시간제어, 광량제어, 중량제어(중량알고리즘 탑재)이며, 공급 장치 사양은 300 ~ 1,400L/h의 관수 펌프, 벤추리 방식(30 ~ 1,000 L/h)의 양액 공급, 관수 제어 알고리즘 및 SW탑재의 제어 방식과 10개 구역의 관수 구역으로 이루어진다.
스마트팜용 양액재배 관리 장치에는 고감도/대형(12인치) 터치 패널 내장형 양액기 컨트롤러로서 시간, 누적 광량, 유량, 중량(옵션)의 관수 제어, 10구역의 관수 구역, 5개(A, B, C, D, E)의 양액 공급, 1회관수/관수 정지(버튼)의 수동 제어, RS232C/485의 통신 방식, 릴레이 접점 2개의 외부 접점, EC, pH센서 보정(버튼)의 센서 보정의 양액 제어 콘트롤러로 구성되며, 클라우드 서버 중심(함수율 장치 서버, 양액기 서버, 기타 장비 서버)으로 시스템이 구성되고, 함수율 장치 모니터링 및 양액기 제어 동시 수행 가능 (함수율 장치 모니터링 하지 않아도 양액기 제어 기능 동작)한 추가 기능, 스마트 폰 또는 PC로 양액기 서버 접속하여 양액기 제어 가능한 외부 제어, 함수율 장치와 통신하여 데이터. 양액기 정보 수집 저장하며 원격 접속시 제어 포함 함수율 장비 및 양액기 데이터 모니터링 가능한 양액기 서버 및 함수율 측정 장치/생장환경측정 장치/양액기가 서버 통합된다.
(2) Cloud 기반 데이터 수집 및 분석 서버는 양액재배 관리 장치와 Cloud 서버가 실시간 데이터 교환을 위하여 Client-Server 구조로 서버 플랫폼을 구성한다. 도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치의 클라우드 서버 소프트웨이 시스템 구성도이다. Client에 기본 관수제어 프로그램이 탑재되어 있어 기계학습을 통하여 계산된 관수 제어에 필요한 매개변수만 Server에서 Client에 전달하여 양액 관수 제어 할 수 있도록 한다. 모바일과 Web site를 통해 원격 관리 및 외부 전문가 통한 컨설팅 서비스를 제공할 수도 있다.
먼저, 양액 제어 SW는 농가의 근권환경 측정데이터에 기반한 양액 관수를 할 수 있는 제어 SW로서, 양액관리 알고리즘을 통해 근권 환경에 맞게 자동 제어할 수 있도록 하고, 원격으로 제어할 수 있으며, 함수율측정 데이터와 연동할 수 있는 관수 제어 SW이다.
중앙관제 SW는 농가의 근권 환경을 측정하여 데이터를 수집하고 수집한 데이터를 농가와 서버에서 동시에 모니터링 할 수 있도록 하며, 관리자가 농가별 측정 데이터를 효과적으로 관리할 수 있도록 중앙관제 서비스의 양액기 관제서비스이다.
(3) 양액 관리 위한 중량제어 알고리즘은 함수율 기반 관수제어 테스트 알고리즘으로 기상(일사량 많음/적음 등), 온실 환경(온도, 습도 등), 작물 특성(품종), 작물 성장 시기(정식 후 경과일수 등), 근권 상태(함수율, EC, pH)에 따른 적정 관수 기준 체계를 확립한다. 함수율 기반으로 급액(시간, 유량)을 제어하여, 함수율 및 배액률 제어한다. 테스트베드에서 함수율 기반 알고리즘을 적용한 관수제어의 실증으로 H/W, S/W, 알고리즘의 문제점 파악 및 해결방안 제시할 수도 있다. 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 구간별 함수율 제어 알고리즘을 나타낸 것이다. 도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 근권환경 데이터 기계학습을 이용한 함수율 기반 관수제어 알고리즘으로 양액환경, 배액환경, 배지환경, 기상환경, 온실환경 등 측정 데이터의 기계학습을 이용한 함수율 기준 설정 알고리즘이다. 구체적으로, 함수율 기반 기준체계 및 알고리즘은 농가의 데이터 및 문헌을 참고하여 작물의 근권환경(함수율)에 맞추어 관수를 진행할 수 있는 함수율 기반 관수제어 알고리즘이다. 예를 들면, 도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 이상적인 배지중량제어에 의한 무게변화 그래프이다.
작물의 성장상태(영양/생식) 정보, 농가 정보와 1주일간의 근권부 데이터의 흐름과 분석 통해 당일 작물의 근권관리 위한 최적 함수율 예측 범위를 제시할 수 있다.
기존 문헌 및 농가의 데이터를 바탕으로 시설에서 작물을 재배하는 데 있어 일반적으로 관수를 진행하는 방법을 정리. 일출 후 작물의 증발산이 시작되어 함수율이 떨어지는 구간, 이후 관수를 진행하여서 배지의 함수율을 증가시키는 구간, 증발산이 최대가 되는 정오를 기점으로 하여 함수율을 떨어지지 않게 유지하는 구간, 일몰 전에 관수를 종료하여 남아있는 배지의 수분으로 식물의 증발산량을 맞추는 구간, 야간에 미세한 증발산으로 함수율을 줄어드는 구간으로 하루 중 전반적인 관수특성을 정형화한다.
표준화된 관수방법에 따라서 하루의 제어구간을 3개(상황에 따라서 4개)로 분류하고 각 구간에 맞추어서 함수량(무게)을 기반으로 함수량을 증가시키는 구간(P1), 함수량을 유지시키는 구간(P2), 함수량 감소구간(P3)을 설정한다.
작물의 각 구간에서 함수율은 재배자가 조율하여 상한 및 하한값을 설정하며, 각 설정값의 범위에서 함수율(무게)을 조절하는 기능을 설정한다.
재배자가 작물의 영양생장과 생식생장을 유도하는 바에 따라서 시간과 편차를 조율한다.
누적광량에 따라서 작물의 증발산량이 차이가 있으며, 작물의 증발산량에 따라서 함수율의 변화가 다르므로 관수의 시기와 양 또한 차이가 존재하므로, 1차적으로 외부광량을 바탕으로 제어를 진행하며, 외부광량에 따라 함수량이 변화할 경우 작물의 증감이 설정된 기준을 초과할 경우 설정된 값으로 변화하도록 설정값의 변화를 유도한다.
작물의 성장시기(정식 후 경과일수)에 따라서 적정 함수율의 차이가 존재하며, 문헌에 존재하는 값들은 외국의 환경에 맞추어서 제공되고 있으므로, 국내의 작물특성과 환경특성을 고려하여 기계학습을 통한 설정값을 변경하여 진행한다.
함수율 기반 관수제어 테스트 알고리즘의 구체적 예로서 함수율 기반 관수제어 알고리즘을 실증할 수 있는 WEB 기반 테스트 프로그램을 제작하여 토마토 재배에 실증하였다. 도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 배지중량(배지함수량) 기반 양액 제어 세팅 화면이다. 먼저, 온실의 환경 및 근권부의 측정장치에서 얻어진 데이터를 서버에 저장하고 모니터링 할 수 있도록 시스템을 구축하고, 구축된 모니터링 시스템에서 얻어질 배지의 중량(함수율)을 바탕으로 관수를 제어할 수 있도록 배지중량 제어에 대한 테스트 프로그램을 제작하였다.
1차 함수율 기반 관수제어를 진행하기 위하여 양액기를 서버에 연결하여 작동할 수 있는 시스템을 구축하고, 서버에는 근권부 모니터링 장치에서 들어오는 데이터와 양액기를 구동할 수 있는 설정화면을 구성하였다. 1차 함수율 기반 관수제어 알고리즘을 적용한 양액기 제어 프로그램을 바탕으로 실제 관수제어를 진행하고 발생하는 문제점(무게의 증감 적용법, 배액률 조정방법, 함수율을 급격한 변화 등)을 파악하고 수정함으로써 목표한 함수율(중량)을 설정값으로 두고 실제 양액제어를 진행하였을 경우 설정값과 비교하여 에 맞추어 90% 이상의 범위 내에 함수율이 제어되었다.
또 다른 근권환경 모니터링 및 관수제어 알고리즘의 예시로는 작물에 해가 될 수 있는 관수 조건 설정, 관수량 과다, 관수량 부족, pH/EC의 기준 초과/미달과 같은 작물에 해가되는 관수요인을 기초로 1) 1일 총 급액량 기준 미달(작물이 마름), 2) 1일 총 급액량 기준 초과(배지의 과습 및 물/양액의 낭비), 3) 1일 총 함수량 편차 기준 초과/미달(작물이 마르거나 암면의 재포화 어려움), 4) 1일 총 배액율 기준 초과(물/양액의 낭비), 5) 급액의 pH/EC 상하한 초과, 6) 3일 누적 함수량 편차 기준 초과 등의 작물에 해가되는 관수 조건 판단 알고리즘을 작성하였다.
또한, 양액기와 연동하여 양액기 및 근권환경 모니터링 오류 판단 알고리즘으로는 관수 펌프 오류, 각 구역 전자밸브 오류, 혼합액 전자밸브 오류, 원수 부족, 전원 차단/미작동, 배관 파손, 볼탑 오류와 같은 양액기 하드웨어 오류, 농작업으로 인한 불안정한 데이터, 급/배액 유량 측정부위 고장, 배수 구멍 막힘, 통신 불량, 로드셀 측정 오류와 같은 근권환경 모니터링 시스템 하드웨어 오류를 기초로 1) 근권부 센서 무게 증가량을 바탕으로 한 실 유량과 실 측정값, 양액기의 유량의 비교, 2) 근권부 센서의 pH/EC 측정값과 양액기의 pH/EC 측정값의 비교 등의 오류 판단 알고리즘을 작성하였다.
아울러, 기계학습 기반 제어의 대상은 구역을 변경하거나 pH/EC의 설정값이 변경할 경우 급격한 pH/EC의 변화로 인하여 초기 관수하는 양액의 pH/EC 조절이 되지 않는 점을 기계학습을 통하여 해결하는 양액기의 pH/EC의 조절, 농작업 등으로 인한 이상 무게의 측정으로 인한 문제점을 예외모델 생성 및 누적일사량, 온실의 온습도, 작물의 생장시기 등 온실 전체의 환경 데이터와 작물의 생리를 이용하여 최적의 급액 종료시점의 선택 알고리즘를 작성하였다. 도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 함수율 기반 관수제어 테스트 알고리즘 실증 적용하여 구간별 데이터 비교를 통한 제어를 나타낸 것이다.
(4) 제품의 안정성 확보를 위한 테스트는 센서 데이터의 정확도 조사를 위한 표준기기와의 비교 시험 테스트(온도, pH, EC), 스마트 양액 재배에 의한 생육 및 과실 특성조사로 농가 생산량 증대 기여도 테스트 및 광합성 효율 측정에 따른 데이터 알고리즘 예측 정확성 테스트 등으로 구성될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면, 양액 재배하는 작물의 근권부의 상태를 정확히 분석하여 양액 관리를 보다 효과적으로 수행할 수 있고, 이로 인해 양액 재배 작물, 특히 파프리카의 생산량과 품질을 높일 수 있다. 또한 본 발명에 따르면, 작물 재배를 위한 효과적인 모니터링을 통한 작품 특성에 적합한 양액 제공을 가능하도록 하고, 스마트 팜에 쉽게 적용할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면, 양액 관리에 소요되는 인원과 비용을 최소화할 뿐만 아니라, 양액 관리에 대한 이상 발생시 신속한 후속 조치를 취할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 측정장치의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치의 측정장치에서 상판부를 분리 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 측정장치의 단면도이고, 도 5는 도 2에 도시된 측정장치의 요부 확대도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치의 측정장치에서 양액공급량 감지센서로 공급되는 양액 공급구조를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치는 측정장치(10), 이 측정장치(10)와 유비쿼터스 센서 네트워크(USN; ubiquitous sensor network, 또는 WSN)를 구성하여 측정장치(10)를 통해 측정된 측정값을 수집하는 데이터수집부(2), 측정장치(10) 영역에 유/무선통신 환경을 제공하는 데이터통신부(3) 및 관리서버(4)를 포함할 수 있다.
관리서버(4)는 데이터수집부(2)와 유선 또는 무선으로 연결되어 데이터수집부(2)를 통해 수집된 측정값들을 저장하는 데이터베이스, 측정값들을 이용하여 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치의 전반적인 제어를 수행하는 제어부 및 이 제어부의 제어에 따라 사용자에게 양액 재배 관리와 관련된 정보를 제공하도록 표시하는 표시부를 포함할 수 있다.
측정장치(10)는 작물이 식재되는 슬라브(5)의 무게를 감지하는 중량센서(20), 슬라브(5)로 공급되는 양액량을 감지하는 급액 감지센서(30) 및 슬라브(5)로부터 배출되는 배액량을 감지하는 배액 감지센서(40)를 포함할 수 있다. 이센서들은 마이크로컨트롤러(M)에 의해 동작 제어될 수 있다.
측정장치(10)는 중량센서(20)를 통해 측정되는 슬라브(5)의 무게와, 급액 감지센서([0024] 30)를 통해 측정되는 슬라브(5)로 공급되는 양액량과, 배액 감지센서(40)를 통해 측정되는 슬라브(5)로부터 배출되는 배액량을 측정한다. 관리서버(4)는 측정장치(10)를 통해 측정된 측정값들을 이용하여 슬라브(5)에 식재된 작물의 근권부의 상태를 파악할 수 있다.
측정장치(10)는 중량센서(20)와, 급액 감지센서(30) 및 배액 감지센서(40)가 일체로 설치되도록 마련된 케이싱(50)을 통해 외관을 이루게 된다.
케이싱(50)은 상부케이싱(60)과 하부케이싱(70)으로 분리 가능하게 구성되는데, 상부케이싱(60)의 상면 안쪽에는 슬라브(5)로부터 배출되는 양액을 수집하여 배액 감지센서(40)로 안내하기 위한 양액수집공간(61a)이 마련된다.
상부케이싱(60)은 케이싱(50)의 상면을 형성하는 상판부(61)와, 케이싱(50)의 상부 측벽을 형성하도록 상판부(61) 가장자리를 따라 하부로 수직 연장된 상부측판부(62)를 포함한다. 하부케이싱(70)은 케이싱(70)의 하면을 형성하는 하판부(71)와, 케이싱(50)의 하부 측벽을 형성하도록 하판부(71) 가장자리를 따라 상부로 수직 연장된 하부측판부(72)를 포함한다.
상판부(61)는 상부측판부(62) 상부 둘레에 체결되도록 마련될 수 있으며, 양액수집공간(61a)은 이러한 상판부(61) 상면 안쪽에 형성되며, 양액수집공간(61a) 상부에는 슬라브(5)를 지지하도록 마련된 거치대(100)가 착탈가능하게 거치되도록 설치될 수 있다. 거치대(100)는 복수의 구멍(101)을 가진 다공성의 평판형태로 마련되어 외곽 쪽 양측 바닥과 측면 둘레가 지지되도록 양액수집공간(61a) 상부에 안착되도록 양액수집공간(61a)에 거치될 수 있다. 거치대(100) 상면 양쪽에는 거치대(100)의 설치시 손으로 잡기 위한 손잡이(102)가 일체로 마련될 수 있다. 따라서 케이싱(50)은 재배현장에 설치된 슬라브(5)를 상부에 바로 안정적으로 지지할 수 있게 되고, 이러한 케이싱(50)은 재배현장 주변의 공간을 과도하게 차지할 우려 또한 없게 된다. 미설명 부호 71a는 케이싱(50) 바닥을 지면으로부터 이격된 상태로 지지하기 위한 지지다리를 가리킨다.
이와 같은 케이싱(50)의 구조에서 중량센서(20)는 상부케이싱(60)과 하부케이싱(70)의 양측 사이를 지지하도록 마련된 제1 및 제2로드셀(21,22)을 통해 구성될 수 있다. 이와 같은 구성되는 중량센서(20)는 슬라브(5)에 식재된 작물의 성장 과정에서 일측 작물의 무게가 타측 작물보다 성장이 빨라지게 되면서, 슬라브(5) 양측으로 하중 불균형이 발생하게 되더라도, 제1 및 제2로드셀(21,22)을 통해 슬라브(5)의 하중을 고르게 분산시켜 측정할 수 있게 되므로, 작물의 성장과정에서 슬라브(5)의 불균형으로 인한 슬라브(5)의 무게 오차를 효과적으로 보상할 수 있게 된다.
본 발명의 일실시예의 경우 중량센서(20)는 양측으로 상부케이싱(60) 및 하부케이싱(70) 사이를 지지하도록 마련된 2개의 로드셀로 구성하였으나, 슬라브(5) 중심 외측의 적어도 2개 지점으로 가해지는 하중을 측정할 수 있는 범위 내에서 중량센서(20)는 2개 이상의 복수개의 로드셀을 통해서도 구성이 가능하다. 상부케이싱(60) 및 하부케이싱(70) 사이의 외곽 모서리 쪽을 각각 지지하도록 4개의 로드셀을 채용할 경우, 슬라브(5)의 불균형에 따른 무게 오차는 더욱 효과적으로 저감시킬 수 있게 된다. 제1 및 제2 로드셀(21,22)을 통해 측정된 중량 측정값은 관리서버(4)에서 상부케이싱(60)의 무게가 제외된 상태로 계산된다.
또한, 급액 감지센서(30)와 배액 감지센서(40)는 양액 측정 순간에 공급되거나 배출되는 배액까지 정확하게 측정할 수 있도록 티핑버킷(tipping bucket)형 우량계로 마련되며, 양액 공급량 및 배출량 감지센서(30,40)로 인해 케이싱(50)의 크기가 과도하게 커지게 되는 것이 방지되도록 상호 동일한 타입으로 마련되는 급액 감지센서(30)와 배액 감지센서(40)는 상부케이싱(60)과 하부케이싱(70) 사이의 공간에 케이싱(50)의 길이방향으로 상호평행하게 설치될 수 있다.
티핑버킷(tipping bucket)형 우량계로 마련되는 급액 감지센서(30)와, 배액 감지센서(40)는 부분적인 크기 정도에 있어서만 차이가 있을 뿐, 실질적으로 동일한 구조를 갖게 되므로, 이중 배액 감지센서(40)의 구조만을 상세히 설명하면 다음과 같다.
배액 감지센서(40)는 슬라브(5)에서 배출되는 양액을 수집하도록 마련된 상부의 집수구(81)와, 집수구(81) 저부에 양쪽으로 전도가능하게 마련된 티핑버킷(82)과, 티핑버킷(82) 저부 양측에 배치된 리드스위치(83)와, 리드스위치(83) 양측에 마련된 배수구(84)를 포함하여 구성된다.
상부케이싱(60)의 양액수집공간(61a) 바닥에는 슬라브(5)로부터 배출되는 양액을 배액 감지센서(40) 상부로 안내하기 위한 배수안내공(61b)이 마련되며, 집수구(81)는 배수안내공(61b) 저부에 위치하도록 상부케이싱(60)의 내면을 통해 고정될 수 있다.
티핑버킷(82)은 양측으로 대칭을 이루는 한 쌍의 버킷(82a,82b)을 구비하여 회전축(82c)을 중심으로 시소운동하면서 양측으로 전도되도록 마련된다. 이러한 티핑버킷(82)은 리드스위치(83)와 함께 하부케이싱(70) 바닥에 고정되는 설치대(71b)를 통해 설치될 수 있으며, 배수구(84)는 하부케이싱(70) 바닥에 케이싱(50) 외부와 통하도록 형성될 수 있다.
따라서, 슬라브(5)로 공급되었다가 작물로 흡수되지 못하고 슬라브(5) 저부로 배출되는 양액은 거치대의 구멍을 경유하여 양액수집공간(61a)으로 수집된 상태에서 배수안내공(61b)을 따라 집수구(81)로 안내된다.
집수구(81)로 안내된 양액은 티핑버킷(82)으로 낙하된다. 이때, 낙하되는 양액은 한 쌍의 버킷(82a,82b) 중 상부로 위치되어 있는 쪽으로 낙하되고, 이렇게 모아진 양액이 일정량 이상이 되면, 상부에 위치되었던 버킷은 모아진 양액량에 의해 저부로 전도되어 해당 리드스위치(83)와 접점을 이루면서 펄스를 발생시킨다.
관리서버(4)는 이러한 펄스신호를 수신하여 배출되는 배액량을 산출한다. 그리고, 이와 동시에 이번에는 저부에 위치되어 있던 버킷이 상부로 위치되면서 집수구(81)에서 낙하되는 양액을 받게 되며, 양 쪽 버킷(82a,82b)이 번갈아가면서 전도되는 동작은 연속적으로 반복 실행된다. 따라서, 이와 같이 티핑버킷형 우량계로 마련된 배액 감지센서(40)에 의하면, 배출 양액의 측정 순간에 배출되는 양액까지 소모되거나 오류됨이 없이 정확하게 측정할 수 있게 된다.
슬라브(5)로부터 양액수집공간(61a)으로 이동된 양액 중 일부가 양액수집공간(61a)에 머물게 될 경우, 배액량의 측정량에 오차가 발생할 수 있으므로, 배수안내공(61b) 주변의 양액수집공간(61a) 바닥은 배수안내공(61b) 쪽으로 하향 경사지도록 마련되어 양액수집공간(61a)으로 안내된 배출 양액이 배수안 내공(61b) 쪽으로 보다 원활하게 전달되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 급액 감지센서(30)를 통해 슬라브(5)로 공급되는 양액량을 보다 정확하게 측정할 수 있도록 급액 감지센서(30)의 위치에 대응하는 상부케이싱(60) 측벽 일측에는 슬라브(5)로 공급되는 양액공급관(5a)과 동일한 조건으로 양액을 공급하는 양액배관(5b)의 출구가 급액 감지센서(30)의 수집구(31) 상부로 안내되도록 양액배관(5b)의 결합을 위한 결합공(62a)이 마련된다. 즉, 양액은 펌프 등을 통해 양액공급장치(6)로부터 메인배관(6a)을 따라 슬라브(5) 인근으로 안내되고, 양액공급관(5a)은 메인배관(6a)으로부터 분기되어 그 출구가 슬라브(5)에 삽입됨에 따라 슬라브(5)로 양액을 공급하게 되는데, 이때 양액배관(5b)을 양액공급관(5a)과 동일한 직경과 길이를 갖도록 메인배관(6a)으로부터 분기시키고, 이러한 양액배관(5b)의 출구를 결합공(62a)에 끼워 양액배관(5b)으로부터 공급되는 양액량을 급액 감지센서(30)를 통해 감지하게 되면, 관리서버(4)에서는 측정된 양액량에 양액공급관(5a)의 숫자를 곱한 값을 계산함으로써, 슬라브(5)로 공급되는 양액량을 정확히 계산하게 되는 것이다. 공급 양액의 도입 구조를 제외하고 급액 감지센서(30)의 구조 및 양액량 감지방식은 전술한 배액 감지센서(40)에서와 동일하므로, 급액 감지센서(30)에 대한 보다 상세한 설명은 생략하도록 한다.
또한, 작물생장에 필요한 영양분이 포함된 양액은 일반 음용수에 비해 점성이 높아 양액량 측정과정에서 버킷(82a,82b)에 점착되어 배수구(44)를 통해 제대로 배수되지 않거나, 버킷(82a,82b) 표면을 부식시킬 우려가 생기며, 이를 통해서도 양액 측정값의 오차가 발생할 수 있다.
따라서 집수구(81)로부터 낙하되는 양액과 접촉되는 버컷(82a,82b)의 바닥면에는 테프론과 같이 마찰계수가 적으면서 부식방지 기능을 수행할 수 있는 부식방지층을 형성함으로써, 양액량 측정과정에서 양액이 버킷(82a,82b)에 묻게 되거나 버킷(82a,82b) 바닥면을 부식시키는 일이 없도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 버킷(82a,82b)에는 해당 버킷이 전도되는 과정 중에만 진동을 유발하는 바이브레이터(90)가 부착될 수도 있다. 이와 같이 버킷(82a,82b)의 전도 과정 도중에만 진동을 유발하고 버킷(82a,82b)이 리드스위치(43)와 접점을 이룬 상태에서는 진동이 중지되는 바이브레이터(90)가 채용된 경우에는 접점 안정성이 유지되도록 하면서도 버킷(82a,82b) 전도과정에서 앵약을 버킷(82a,82b) 표면으로부터 완전히 털어낼 수 있게 되어 양액의 점성 특성에 따른 양액량 측정 오차를 효과적으로 줄일 수 있게 된다.
이와 같이 구성되는 측정장치(10)를 이용하여 작물 근권부의 함수율을 측정하고자 할 경우에는 실재 재배환경에서 함수율을 측정하고자 하는 작물이 심어진 슬라브(5)를 측정장치(10) 케이싱(50)의 상면의 거치대(100) 위에 올려놓은 상태에서 준비된 양액배관(5b)의 출구를 케이싱(50) 측벽의 결합공(62a)에 끼움에 따라 간단히 측정준비가 완료된다.
그리고 이 상태에서 측정장치(10) 및 양액공급장치(6)를 가동시키게 되면, 제어모듈(50)의 제어에 따라 슬라브(5)로 공급되는 양액 공급량과, 슬라브(5)로부터 배출되는 배액량과, 슬라브(5)의 무게가 측정장치(10)를 통해 측정된다.
양액 공급량의 경우, 개별 양액공급관(5a)을 통해 슬라브(5)로 공급되는 양액과 동일한 양액이 동일한 조건으로 양액배관(5b)을 통해 공급되어 급액감지센서(30)를 통해 펄스신호로 감지된다.
또 슬라브(5)로 양액이 공급된 이후 일정시간이 경과되어 작물 쪽으로 흡수되지 못하고 슬라브(5)로부터 저부로 배출된 양액은 거치대(100)의 구멍(101)을 통과하여 양액수집공간(61a)으로 이동된 상태에서 배수안내공(61b)을 따라 배액 감지센서(40)로 안내되어 배액 감지센서(40)를 통해 펄스신호로 감지하게 된다.
이와 같은 양액량 측정과정에서는 펄스신호가 측정되는 순간에도 티핑버킷(82)으로 공급되거나 배출되는 양액을 미량까지 놓치지 않고 거의 손실 없이 완벽하게 측정할 수 있게 된다.
그리고 이와 같은 양액 측정과정 중 중량센서(20)는 지속적으로 슬라브(5)의 무게를 측정하게 된다. 이때 슬라브(5) 중심 양측으로 배치되는 한 쌍의 로드셀(21,22)로 구성되는 중량센서(20)는 슬라브(5) 상의 작물 성장이 한 쪽으로 편중되어 슬라브(5) 양측으로 하중 불균형이 발생하게 되더라도 제1 및 제2 로드셀(21,22)을 통해 슬라브(5)의 하중을 고르게 분산시켜 측정할 수 있게 되므로, 작물의 성장과정에서 슬라브(5)의 불균형으로 인한 슬라브의 무게 오차를 효과적으로 보상할 수 있게 된다.
측정장치(10)를 통해 측정된 양액 공급량 및 배액량 관련 펄스신호와 슬라브(5)의 무게값은 무선수집부(2)에 수집된 상태에서 무선통신부(3)를 통해 관리서버(4)로 전송된다. 후술하겠지만, 관리서버(4)는 측정장치(10)를 통해 측정된 측정값을 가지고 공급 양액량, 배출 양액량, 그리고, 슬라브(5)의 무게값을 이용하여 슬라브(5)에 공급되는 양액의 시간별 공급변화, 슬라브(5)에서 배출되는 배액의 시간별 배출변화 및 슬라브(5)의 시간별 무게 변화를 사용자에게 양액이 공급된 이후 일정시간이 경과되어 작물 쪽으로 흡수되지 못하고 슬라브(5)로부터 저부로 배출된 양액은 거치대(100)의 구멍(101)을 통과하여 양액수집공간(61a)으로 이동된 상태에서 배수안내공(61b)을 따라 배액 감지센서(40)로 안내되어 배액 감지센서(40)를 통해 펄스신호로 감지하게 된다.
이와 같은 양액량 측정과정에서는 펄스신호가 측정되는 순간에도 티핑버킷(82)으로 공급되거나 배출되는 양액을 미량까지 놓치지 않고 거의 손실 없이 완벽하게 측정할 수 있게 된다.
그리고 이와 같은 양액 측정과정 중 중량센서(20)는 지속적으로 슬라브(5)의 무게를 측정하게 된다. 이때 슬라브(5) 중심 양측으로 배치되는 한 쌍의 로드셀(21,22)로 구성되는 중량센서(20)는 슬라브(5) 상의 작물 성장이 한 쪽으로 편중되어 슬라브(5) 양측으로 하중 불균형이 발생하게 되더라도 제1 및 제2 로드셀(21,22)을 통해 슬라브(5)의 하중을 고르게 분산시켜 측정할 수 있게 되므로, 작물의 성장과정에서 슬라브(5)의 불균형으로 인한 슬라브의 무게 오차를 효과적으로 보상할 수 있게 된다.
측정장치(10)를 통해 측정된 양액 공급량 및 배액량 관련 펄스신호와 슬라브(5)의 무게값은 무선수집부(2)에 수집된 상태에서 무선통신부(3)를 통해 관리서버(4)로 전송된다. 후술하겠지만, 관리서버(4)는 측정장치(10)를 통해 측정된 측정값을 가지고 공급 양액량, 배출 양액량, 그리고, 슬라브(5)의 무게값을 이용하여 슬라브(5)에 공급되는 양액의 시간별 공급변화, 슬라브(5)에서 배출되는 배액의 시간별 배출변화 및 슬라브(5)의 시간별 무게 변화를 사용자에게 알린다.
도 7은 본 발명의 일 실시례에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치 및 이를 위한 작물 재배 모니터링 서비스 시스템을 도시한 구성도이다.
도 7을 참조하면, 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치(200)는 무게감지부(230), 급액감지부(210), 배액감지부(220), 표시부(250), 경고부(261), 제어부(270) 및 생장환경모니터링부(280)를 포함할 수 있다.
무게감지부(230)는 재배할 작물이 식재된 슬라브(5)의 무게를 감지한다. 무게감지부(230)는 예를 들면, 중량센서(20)를 포함할 수 있다.
급액감지부(210)는 재배할 작물이 식재된 슬라브(5)에 공급되는 양액 공급량을 감지한다. 급액감지부(210)는 예를 들면, 급액 감지센서(30)를 포함할 수 있다. 양액 공급량은 1일 전체 총합을 측정하기도 하지만, 양액 공급이 시간 주기별로 일정량을 제공하는 방식(예를 들면, 15분 단위로 01L 제공)이기 때문에 시간 주기별로 제공되는 양액 공급량을 측정할 필요가 있다. 급액감지부(210)는 슬라브 전체에 공급되는 양액량을 측정할 수 있고, 슬라브별로 채소의 수가 다양하기 때문에 하나의 채소에 공급되는 양을 측정하여, 이에 슬라브(5)에 식재된 채소의 수를 곱하여 양액 공급량을 측정할 수 있다.
배액감지부(220)는 슬라브(5)에서 배출되는 배출 양액량을 감지한다. 배액감지부(220)는 예를 들면, 배액 감지 센서(40)를 포함할 수 있다. 배출 양액량은 양액 공급주기와 유사하기 때문에 전체 배액양을 측정하고, 배액 배출 주기별로도 배액량을 측정할 수 있다.
표시부(250)는 슬라브(5)에 대한 정보를 표시하도록 하는데, 일례로 관리서버(4)에 마련된 모니터일 수 있다.
표시부(250)는 제어부(270)의 제어신호에 따라 슬라브(5)에 공급되는 양액의 시간별 공급변화를 표시할 수 있다. 슬라브(5)에 공급되는 양액의 시간별 공급변화는 숫자 또는 그래프 형태로 표시될 수 있다. 또한, 표시부(250)는 제어부(270)의 제어신호에 따라 슬라브(5)에서 배출되는 배액의 시간별 배출변화를 표시할 수 있다. 슬라브(5)에서 배출되는 배액의 시간별 배출변화는 숫자 또는 그래프 형태로 표시될 수 있다. 또한, 표시부(250)는 제어부(270)의 제어신호에 따라 슬라브(5)의 시간별 무게변화를 표시할 수 있다. 슬라브(5)의 시간별 무게변화는 숫자 또는 그래프 형태로 표시될 수 있다.
경고부(261)는 사용자에게 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치의 이상 발생을 경고하는데, 일례로 경고를 위해 점등 내지 점멸되는 경고등이거나, 정해진 오디오를 출력하는 경보스피커이거나, 디스플레이장치 등에 경고 문구 등이 디스플레이되도록 하거나, 그 밖의 다양한 방식의 경고 발생 장치가 사용될 수 있다.
제어부(270)는 관리서버(4)에 마련된 제어모듈일 수 있는데, 급액감지부(210)를 통해 감지된 양액 공급량, 배액 감지부(220)를 통해 감지된 양액 배액량 및 무게감지부(230)를 통해 감지된 무게값를 이용하여 슬라브(5)에 공급되는 양액의 시간별 공급변화, 슬라브(5)에서 배출되는 배액의 시간별 배출변화 및 슬라브(5)의 시간별 무게 변화를 표시부(250)에 표시시킨다. 이에 따라, 사용자는 양액 재배하는 작물의 근권부의 상태를 정확히 분석할 수 있어, 분석된 근권부의 상태에 맞게 양액을 관리할 수 있으므로, 양액 관리를 보다 효과적으로 수행할 수 있다.
제어부(270)는 슬라브(5)의 무게 변화가 미리 설정된 기준범위를 초과하면, 경고부(261)를 통해 사용자에게 이상 발생을 경고한다. 제어부(270)는 미리 설정된 기준범위가 일출부터 첫 급액전까지의 제1 시간구간, 첫 급액부터 마지막 급액까지의 제2 시간구간, 마지막 급액부터 일몰까지의 제3 시간구간, 일몰부터 일출까지의 제4 시간구간별로 서로 다르게 설정되도록 할 수 있다. 이에 따라, 양액 관리에 이상이 발생하면 이상 발생을 통보할 수 있어, 관리자가 상주하거나 관리자에게 앵액 재배 관리장치를 일일이 살펴볼 필요가 없어, 양액 관리의 편의성을 제공할 수 있고, 이상이 발생해도 신속하게 대처할 수 있다. 제어부(270)는 슬라브(5)의 무게 변화가 미리 설정된 기준범위를 벗어나면, 사용자에게 이상 발생을 경고함과 함께 양액공급부(240)를 제어하여 슬라브(5)에 양액 공급을 제어할 수 있다. 이에 따라, 이상이 발생해도 자동으로 대처할 수 있다.
제어부(270)는 무게감지부(230)에 의해 측정된 무게값, 급액감지부(210)에 의해 측정된 양액 공급량 및 배액감지부(220)에 의해 측정된 양액 배출량의 입력값과 작물에 대한 정보인 츨력값 사이의 상관 관계를 인공 신경망(ANN)을 기반으로 하는 기계학습(Machine Learning)을 통해 작물의 생산성을 증대시키도록 제어할 수 있다. 여기서, 작물에 대한 정보는 작물의 이미지, 무게, 크기 등일 수 있는데, 작물의 이미지일 경우, 카메라 등을 통해 획득된 이미지를 영상 처리 기법에 의해 크기 등을 데이터로서 얻어서 이를 활용할 수 있다. 작물에 대한 정보는 측정 내지 촬영 기기에 의해 획득된 데이터의 가공 내지 추출에 의해 원하는 정보를 획득하거나, 작업자로 부터 입력되는 정보를 사용할 수도 있다.
도 8을 참조하면, 생장환경모니터링부(280)는 작물의 생장 환경을 모니터링하여 얻은 데이터를 통신망에 의해 외부 기기에 제공되도록 송신한다. 생장환경모니터링부(280)는 예컨대 본 실시례에서처럼 내측에 센싱공간(281a)과 제어공간(281b)이 분리되도록 마련되고, 센싱공간(281a)에 공기가 유입되어 배출되도록 유입구(281c)와 배출구(281d)가 각각 형성되는 본체(281)와, 센싱공간(281a) 내에 설치되고, 통과하는 공기로부터 작물의 생장 환경을 감지하는 감지부(282)와, 제어공간(281b) 내에 설치되고, 감지부(282)가 접속되는 센서인터페이스(283)와, 제어공간(281b) 내에 설치되고, 전원제어부(284)에 의해 제어되어 동작에 필요한 전원을 공급하는 전원부(285)와, 제어공간(281b) 내에 설치되고, 외부 기기와의 통신을 수행하도록 하는 통신부(286)와, 센서인터페이스(283)를 통해 감지부(282)에 의해 감지된 값을 통신부(286)에 의해 외부 기기에 전송하도록 제어하는 MOU(Maintenance Operation Uint; 287)와, 감지부(282)에 의해 감지된 값을 외부로 표시하도록 마련되는 데이터표시부(288)를 포함할 수 있다.
여기서, 작물의 생장 환경은 작물이 생장함에 있어서 모니터링이 필요한 요소, 예컨대 온도, 습도, 조도 등일 수 있는데, 본 실시례에서는 감지부(282)가 서로 상이한 방식, 예컨대 pt100 방식, 반도체 방식 등의 온도센서를 각각 포함할 수 있다. 또한 통신부(286)는 외부 기기에 Wi-Fi, 블루투스, 3G, LTE 등의 다양한 유선이나 무선 등의 통신방식에 의해 데이터를 주고받도록 하는 통신 장치가 사용될 수 있다. 외부 기기는 일례로 단말기(400,500) 또는 이러한 단말기(400,500)에 데이터를 제공하는 각종 시스템으로서, 일례로 본 발명에 따른 작물재배 모니터링 서비스 시스템(300; 도 7에 도시)일 수 있으며, 이하에서 모든 실시례에서도 동일하게 적용될 수 있다. 단말기(400,500)는 스마트폰, 태블릿PC, PC, 노트북 등을 비롯하여 다양한 정보처리 및 통신기기가 사용될 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시례에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치(200)는 양액공급부(240)와, 배양토환경측정부(290)를 더 포함할 수 있다.
양액공급부(240)는 제어부(270)의 제어신호에 따라 슬라브(5)에 양액을 공급한다. 양액공급부(240)는 예를 들면, 양액공급장치(6)를 포함할 수 있다. 제어부(270)는 첫 급액부터 마지막 급액까지의 제2 시간구간에서 슬라브(5)의 무게변화가 제2시간구간에 대응하는 미리 설정된 기준범위보다 높으면 양액공급부(240)를 통해 슬라브(5)에 공급되는 양액 공급량을 감소시킬 수 있고, 슬라브(5)의 무게변화가 제2 시간구간에 대응하는 미리 설정된 기준범위보다 낮으면 양액공급부(240)를 통해 슬라브(5)에 공급되는 양액 공급량을 증가시킬 수 있다.
도 9를 참조하면, 배양토환경측정부(290)는 작물의 배양토 환경을 측정하여 데이터를 통신망에 의해 외부 기기에 제공하도록 송신하는데, 일례로 본 실시례에서처럼 배지에 대한 센서로서의 역할을 수행하는 센서모듈(291)과, 센서모듈(291)의 제어 및 데이터 전송과 주변 환경 등을 감지하기 위한 제어모듈(292)을 포함할 수 있다.
센서모듈(291)은 배지마다 각각 설치되도록 다수로 이루어지고, 배지의 온도, EC(Electronic Conductance) 및 수분을 각각 측정하도록 배지온도센서(291a), 배지EC센서(291b) 및 배지수분센서(291c)가 각각 마련되고, 배지온도센서(291a), 배지EC센서(291b) 및 배지수분센서(291c)의 측정값을 제 1 MCU(291d)에 의해 출력하며, 나아가서, 전원이나 신호의 변환을 위하여 DC/DC(291e)와 ADC(291f)가 각각 마련될 수 있다.
제어모듈(292)은 배양토의 pH, 주변 습도 및 온도를 각각 측정하도록 pH센서(292a), 습도센서(292b) 및 온도센서(292c)가 각각 마련되고, 배지온도센서(291a), 배지EC센서(291b) 및 배지수분센서(291c)의 접속을 위한 배지센서인터페이스(292d)가 마련되며, 제 2 MCU(292e)가 배지센서인터페이스(292d)에 접속된 배지온도센서(291a), 배지EC센서(291b) 및 배지수분센서(291c)에 의해 측정된 값과, pH센서(292a), 습도센서(292b) 및 온도센서(292c)에 의해 각각 측정된 값을 통신모듈(292f)에 의해 외부 기기에 전송하도록 제어할 수 있다. 여기서, 통신모듈(292f)은 외부 기기에 Wi-Fi, 블루투스, 3G, LTE 등의 다양한 유선이나 무선 등의 통신방식에 의해 데이터를 주고받도록 하는 통신 장치가 사용될 수 있다. pH센서(292a)는 배양토에 삽입 설치되기 위한 pH프로브(292g)를 포함할 수 있다. 또한 전원의 변환을 위하여 DC/DC(292h)가 마련될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치에서 슬라브 무게, 양액 공급량, 배액량의 시간별 변화를 나타낸 화면이다.
도 10을 참조하면, 실선은 양액 공급량을, 일점쇄선은 슬라브 무게를, 점선은 양액 배출량을 나타낸다. 세로축은 시간축이고, 가로축은 양액 공급량, 슬라브 무게 또는 양액 배출량을 나타낸다.
도 10에는 각 시간 구간별로 슬라브 무게, 양액 공급량 및 양액 배출량이 나타나 있다. 무게값은 양액이 공급되면 증가하다가 어느 순간부터 평균값이 일정한 패턴으로 나타난다. 양액 공급이 중단되면 무게값은 점차 감소하는 패턴을 갖는다.양액이 공급되면, 양액 공급량과 양액 배출량은 계단식으로 점차 증가하는 패턴으로 나타난다.
작물별로 일부 차이가 있을 수 있으나 양액재배 작물은 슬라브 무게 편차를 각 단위시간별로 나누어 설정할 수 있다. 시간 설정은 정해진 시간이 아니라, 일출/일몰시간, 양액을 첫 공급한 시간, 양액을 마지막으로 공급한 시간 등의 조합을 통하여 양액 관리를 진행한다. 예를 들면, 슬라브 무게 편차 기준은 다음과 같이 시간 구간별로 미리 설정될 수 있다. 이에 따라, 제어부(270)는 일출부터 첫 급액 전까지의 제1 시간구간은 -1% ~ -2%(제1기준범위), 첫 급액부터 마지막 급액까지의 제2 시간구간은 +6% ~ +8 %(제2 기준범위), 마지막 급액으로부터 일몰까지의 제3 시간구간은 -3% ~ -4%(제3 기준범위), 일몰부터 일출까지의 제4 시간구간은 -2% ~ -3%(제4 기준범위)으로 슬라브 무게 편차 기준을 설정할 수 있다. 이때, 제2 시간구간에서의 기준범위값이 다른 시간구간에서의 기준범위값보다 높게 설정될 수 있다. 이러한 각 시간구간별 슬라브 무게 편차 기준은 작물 종류나 작물의 재배 상황(예를 들면, 성장기, 발화기, 수확기 등) 등에 따라 다르게 설정할 수 있다.
사용자가 입력장치, 예컨대 터치패널이나 키보드 또는 버튼이나 스위치 등의 조작부(262) 조작을 통해서 각 시간 구간별 구분에 맞는 미리 설정된 임계값을 설정할 수 있으며, 상황에 따라 각 시간 구간별 구분에 대해 추가및 변경하는 것도 가능하다.
상기한 각 시간구간별 슬라브(5) 무게 편차 기준에 대하여 각 시간구간에서 측정된 무게값이 각 시간구간별 기준범위를 벗어나면, 이를 사용자에게 경고한다. 이와 같이, 각 시간구간별로 측정된 무게값이 기준범위를 벗어나 양액 관리에 이상이 발생하면 이상 발생을 통보할 수 있으므로 관리자가 상주하거나 관리자에게 스마트 팜용양액 재배 관리 장치를 일일이 살펴볼 필요가 없어 양액 관리의 편의성을 제공할 수 있다. 또한, 경고와 함께 자동으로 양액 관리를 수행한다. 이와 같이, 양액 관리에 이상 발생시 양액을 자동 관리하므로 이상이 발생해도 신속하게 대처할 수 있다.
제어부(270)는 각 시간 구간별로 슬라브(5)의 무게변화와 각 시간구간별로 미리 설정된 기준범위를 비교하여 해당 무게값이 해당 미리 설정된 기준범위를 벗어나면 경고부(261)를 통해 사용자에게 경고 메시지를 보내 경고함과 함께, 양액 공급부(240)를 제어하여 자동으로 양액 관리를 수행한다. 보다 구체적으로는, 만약, 제어부(270)는 무게변화가 미리 설정된 기준범위보다 높으면 함수율 편차가 높기 때문에 함수율을 낮출 필요가 있는 것으로 판단하여 주기별로 공급되는 양액 공급량을 감소시키거나 공급 주기를 길게 한다. 한편, 제어부(270)는 감지된 무게변화가 미리 설정된 기준범위보다 낮으면 함수율 편차가 낮기 때문에 함수율을 높일 필요가 있는 것으로 판단하여 양액 공급량을 증가하거나, 공급 주기를 짧게 한다.
이하에서는, 일출시간이 오전 6시이고, 첫 급액이 오전 7시이며, 마지막 급액이 오후 4시이고, 일몰이 6시인 경우를 가정하며, 작물이 파프리카인 경우를 예로 든다. 또한, 작물 근권부의 함수율 편차 목표를 미리 설정된 범위인 +6% ~ +8%로 유지하기 위해 제1 기준범위는 -1% ~ -2%, 제2 기준범위는 +6% ~ +8%, 제3 기준범위는 -3% ~ -4%, 제4 기준범위는 -2% ~ -3%인 것으로 가정한다.
제어부(270)는 무게감지부(230)를 통해 감지된 슬라브(5)의 무게값을 이용하여 슬라브(5)의 무게변화를 그래프 형태로 표시부(250)에 표시시키킨다. 먼저, 일출부터 첫 급액전까지의 제1 시간구간에서 제어부(270)는 무게변화가 제1 시간구간의 제1 기준범위의 -1% ~ -2%를 벗어나면 이를 경고부(261)를 통해 사용자에게 경고하고, 무게변화가 -2%를 초과하면(예를 들어, -25% 또는 -3%) 양액공급부(240)를 통해 슬라브(5)에 양액을 자동으로 공급하기 시작한다. 첫 급액부터 마지막 급액까지의 제2 시간구간에서 제어부(270)는 무게변화가 제2 시간구간의 제2 기준범위인 +6% ~ +8%를 벗어나면 이를 경고부(261)를 통해 사용자에게 경고하는데, 만약, 무게변화가 +6% 보다 낮으면 함수율 편차가 낮은 것이므로 양액공급부(240)를 통해 슬라브(5)에 공급되는 양액 공급량을 증가시키거나 공급주기를 짧게 하며, 무게변화가 +8%보다 높으면 함수율 편차가 높은 것이므로 양액공급부(240)를 통해 슬라브(5)에 공급되는 양액 공급량을 감소시키거나 공급 주기를 길게 한다. 마지막 급액부터 일몰까지의 제3시간구간에서 제어부(270)는 무게변화가 제3 시간구간의 제3 기준범위인 -3% ~ -4%를 벗어나면 이를 경고부(261)를 통해 사용자에게 경고한다. 마지막으로, 일몰부터 일출까지의 제4 시간구간에서 제어부(270)는 무게변화가 제4 시간구간의 제4 기준범위인 -2% ~ -3%를 벗어나면 이를 경고부(261)를 통해 사용자에게 경고한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시례에 따른 작물재배 모니터링 시스템(300)은 상기한 외부 기기의 일례로서, 본 발명의 일 실시례에 따른 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치(200)로부터 작물 재배에 관한 데이터를 제공받아 사용자에게 제공하기 위한 시스템으로서, 웹서버(310), 서비스제공서버(320) 및 데이터베이스부(330)를 포함할 수 있다.
웹서버(310)는 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치(200)가 통신망을 통해 접속하여 작물 재배에 관한 데이터를 제공하도록 하고, 사용자단말기(400)가 통신망을 통해 데이터를 제공받기 위해 접속하기 위한 웹페이지를 제공한다. 웹서버(310)는 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치(200), 보다 구체적으로는 생장환경모니터링부(280)와 배양토환경측정부(290)가 접속시, 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치(200)로부터 식별정보를 요청함으로써, 스마트팜용 양액 재배 관리 장치(200) 각각에 대응하여 접속이 허용되는 사용자단말기(400)의 매칭 내지 접속 허용을 가능하도록 할 수 있고, 사용자단말기(400)가 접속시 허용된 아이디와 패스워드의 입력 또는 이 밖에도 다양한 방식의 본인 인증 절차를 거침으로써 사용자단말기(400)의 식별과 함께, 서비스 제공에 대해서 미리 정해진 단말기만의 접속을 허용하도록 할 수 있다. 또한 웹서버(310)는 사용자단말기(400) 뿐만 아니라, 미리 허용된 관리자단말기(500)의 접속을 허용함으로써, 관리자단말기(500)로부터 요청되는 각종 조회 및 설정 변경 등을 가능하도록 할 수 있다.
서비스제공서버(320)는 웹서버(310)에 접속한 사용자단말기(400)로부터 정당한 요청이라고 판단시, 스마트 팜용양액 재배 관리 장치(200)가 제공한 데이터를 사용자단말기(400)에 원하는 형태로 제공하는데, 서비스제공서버(320)는 사용자단말기(400)가 원하는 형태의 데이터 제공을 위하여, 웹서버(310)에 접속한 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치(200)로부터 데이터를 수집하고, 이를 분석하여, 이를 정해진 프로세스에 따라 가공하여 사용자단말기(400)에 제공할 수 있다.
데이터베이스부(330)는 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치(200)가 제공한 데이터를 저장하여 서비스제공서버(320)의 요청에 따라 제공할 수 있고, 이뿐만 아니라, 서비스제공서버(320)에 의해 수집되어 분석한 데이터를 저장하며, 사용자 및 관리자의 관련 정보를 저장함과 아울러, 동작에 필요한 각종 프로그램 및 데이터를 저장할 수 있다.
이와 같이 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기한 실시례에 국한되어 정해져서는 아니되며, 특허청구범위, 그리고 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
210 : 급액감지부
220 : 배액감지부
230 : 무게감지부 240 : 양액공급부
250 : 표시부 261 : 경고부
262 : 조작부 270 : 제어부
280 : 생장환경모니터링부 281 : 본체
281a : 센싱공간 281b : 제어공간
281c : 유입구 281d : 배출구
282 : 감지부 283 : 센서인터페이스
284 : 전원제어부 285 : 전원부
286 : 통신부 287 : MOU
288 : 데이터표시부 290 : 배양토환경측정부
291 : 센서모듈 291a : 배지온도센서
291b : 배지EC센서 291c : 배지수분센서
291d : 제 1 MCU 291e : DC/DC
291f : ADC 292 : 제어모듈
292a : pH센서 292b : 습도센서
292c : 온도센서 292d : 배지센서인터페이스
292e : 제 2 MCU 292f : 통신모듈
292g : pH프로브 292h : DC/DC
310 : 웹서버 320 : 서비스제공서버
330 : 데이터베이스부 400 : 사용자단말기
500 : 관리자단말기
230 : 무게감지부 240 : 양액공급부
250 : 표시부 261 : 경고부
262 : 조작부 270 : 제어부
280 : 생장환경모니터링부 281 : 본체
281a : 센싱공간 281b : 제어공간
281c : 유입구 281d : 배출구
282 : 감지부 283 : 센서인터페이스
284 : 전원제어부 285 : 전원부
286 : 통신부 287 : MOU
288 : 데이터표시부 290 : 배양토환경측정부
291 : 센서모듈 291a : 배지온도센서
291b : 배지EC센서 291c : 배지수분센서
291d : 제 1 MCU 291e : DC/DC
291f : ADC 292 : 제어모듈
292a : pH센서 292b : 습도센서
292c : 온도센서 292d : 배지센서인터페이스
292e : 제 2 MCU 292f : 통신모듈
292g : pH프로브 292h : DC/DC
310 : 웹서버 320 : 서비스제공서버
330 : 데이터베이스부 400 : 사용자단말기
500 : 관리자단말기
Claims (6)
- (1) 근권환경의 데이터를 수집하고, 상기 데이터를 전송하는 근권환경 측정장치;
(2) 재배할 작물이 식재된 슬라브의 무게를 감지하는 무게감지부;
상기 슬라브에 공급되는 양액 공급량을 감지하는 급액감지부;
상기 슬라브로부터 배출되는 양액 배출량을 감지하는 배액감지부;
상기 슬라브에 대한 정보를 표시하는 표시부;
사용자에게 이상 발생을 경고하는 경고부;
상기 무게감지부를 통해 감지된 무게값, 상기 급액감지부를 통해 감지된 양액 공급량 및 상기 배액감지부를 통해 감지된 양액 배출량을 이용하여 상기 슬라브에 공급되는 양액의 시간별 공급변화, 상기 슬라브에서 배출되는 배액의 시간별 배출변화 및 상기 슬라브의 시간별 무게변화를 상기 표시부에 표시시키고, 상기 슬라브의 무게 변화가 미리 설정된 기준범위를 벗어나면 상기 경고부를 통해 사용자에게 이상 발생을 경고하도록 하며, 상기 미리 설정된 기준범위가 일출부터 첫 급액전까지의 제1 시간구간, 첫 급액부터 마지막 급액까지의 제2시간구간, 마지막 급액부터 일몰까지의 제3 시간구간, 일몰부터 일출까지의 제4 시간구간별로 서로 다르게 설정되도록 하는 제어부;
상기 작물의 생장 환경을 모니터링하여 얻은 데이터를 통신망에 의해 외부 기기에 제공되도록 송신하는 생장환 경모니터링부; 및
(3) 근권환경의 데이터 수집 및 저장, 기계학습 통한 데이터 분석 및 양액 재배관리 중량제어 알고리즘을 수행하는 클라우드 기반의 서버;
를 포함하는, 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 슬라브에 양액을 공급하는 양액공급부를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 제2 시간구간에서 상기 슬라브의 무게변화가 상기 제2시간구간에 대응하는 미리 설정된 기준범위보다 높으면 상기 양액공급부를 통해 상기 슬라브에 공급되는 양액 공급량을 감소시키고, 상기 슬라브의 무게변화가 상기 제2 시간구간에 대응하는 미리 설정된 기준범위보다 낮으면 상기 양액공급부를 통해 상기 슬라브에 공급되는 양액 공급량을 증가시키는, 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치. - 청구항 2에 있어서,
상기 제어부는, 상기 작물이 파프리카인 경우, 상기 제1 시간구간에서 상기 무게감지부에 의해 감지되는 무게변화가 -1% ~ -2%를 벗어나면 상기 경고부를 통해 경고하고, 상기 무게변화가 -2%를 초과하면 상기 양액공급부를 통해 상기 슬라브에 양액을 공급하도록 하며, 상기 제2 시간구간에서 상기 무게변화가 +6% ~ +8%를 벗어나면 상기 경고부를 통해 경고하고, 상기 무게변화가 +6%보다 낮으면 상기 양액공급부를 통해 상기 슬라브에 공급되는 양액 공급량을 증가시키거나 공급주기를 짧게 하며, 상기 무게변화가 +8%보다 높으면 상기 양액공급부를 통해 상기 슬라브에 공급되는 양액 공급량을 감소시키거나 공급 주기를 길게 하고, 상기 제3 시간구간에서 상기 무게변화가 -3% ~ -4%를 벗어나면 상기 경고부를 통해 경고하며, 상기 제4 시간구간에서 상기 무게변화가 -2% ~ -3%를 벗어나면 상기 경고부를 통해 경고하도록 하는, 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는, 상기 무게값, 상기 양액 공급량 및 상기 양액 배출량의 입력값과 상기 작물에 대한 정보인 츨력값 사이의 상관관계를 인공 신경망(ANN)을 기반으로 하는 기계학습(Machine Learning)을 통해 상기 작물의 생산성을 증대시키도록 하는, 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 생장환경모니터링부는, 내측에 센싱공간과 제어공간이 분리되도록 마련되고, 상기 센싱공간에 공기가 유입되어 배출되도록 유입구와 배출구가 각각 형성되는 본체;
상기 센싱공간 내에 설치되고, 통과하는 공기로부터 상기 작물의 생장 환경을 감지하는 감지부;
상기 제어공간 내에 설치되고, 상기 감지부가 접속되는 센서인터페이스;
상기 제어공간 내에 설치되고, 전원제어부에 의해 제어되어 동작에 필요한 전원을 공급하는 전원부;
상기 제어공간 내에 설치되고, 외부 기기와의 통신을 수행하도록 하는 통신부;
상기 센서인터페이스를 통해 상기 감지부에 의해 감지된 값을 상기 통신부에 의해 외부 기기에 전송하도록 제어하는 MOU; 및
상기 감지부에 의해 감지된 값을 외부로 표시하도록 마련되는 데이터표시부;
를 포함하는, 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 작물의 배양토 환경을 측정하여 데이터를 통신망에 의해 외부 기기에 제공하도록 송신하는 배양토환경측정부를 더 포함하고,
상기 배양토환경측정부는, 배지마다 각각 설치되도록 다수로 이루어지고, 배지의 온도, EC(Electronic Conductance) 및 수분을 각각 측정하도록 배지온도센서, 배지EC센서 및 배지수분센서가 각각 마련되고, 상기 배지온도센서, 상기 배지EC센서 및
상기 배지수분센서의 측정값을 제 1 MCU에 의해 출력하는 센서모듈; 및
상기 배양토의 pH, 주변 습도 및 온도를 각각 측정하도록 pH센서, 습도센서 및 온도센서가 각각 마련되고, 상기 배지온도센서, 상기 배지EC센서 및 상기 배지수분센서의 접속을 위한 배지센서인터페이스가 마련되며, 제 2 MCU가 상기 배지센서인터페이스에 접속된 상기 배지온도센서, 상기 배지EC센서 및 상기 배지수분센서에 의해 측정된 값과, 상기 pH센서, 상기 습도센서 및 상기 온도센서에 의해 각각 측정된 값을 통신모듈에 의해 외부 기기에 전송하도록 제어하는 제어모듈;
을 포함하는, 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200037109A KR20210120423A (ko) | 2020-03-26 | 2020-03-26 | 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200037109A KR20210120423A (ko) | 2020-03-26 | 2020-03-26 | 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210120423A true KR20210120423A (ko) | 2021-10-07 |
Family
ID=78114827
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200037109A KR20210120423A (ko) | 2020-03-26 | 2020-03-26 | 중량제어 방식의 스마트 팜용 양액 재배 관리 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20210120423A (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114460990A (zh) * | 2022-01-24 | 2022-05-10 | 苏州纽克斯电源技术股份有限公司 | 一种植物生长环境的控制方法、装置、设备及存储介质 |
| KR102602733B1 (ko) * | 2023-02-02 | 2023-11-16 | (주) 이레아이에스 | 작물의 양액재배에 사용되는 관수 관리 시스템 |
| KR102637183B1 (ko) * | 2022-11-23 | 2024-02-16 | (주)이코모스 | 양액 제어 시스템 |
-
2020
- 2020-03-26 KR KR1020200037109A patent/KR20210120423A/ko not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114460990B (zh) * | 2022-01-24 | 2023-05-23 | 苏州纽克斯电源技术股份有限公司 | 一种植物生长环境的控制方法、装置、设备及存储介质 |
| KR102637183B1 (ko) * | 2022-11-23 | 2024-02-16 | (주)이코모스 | 양액 제어 시스템 |
| KR102602733B1 (ko) * | 2023-02-02 | 2023-11-16 | (주) 이레아이에스 | 작물의 양액재배에 사용되는 관수 관리 시스템 |
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