KR20220129298A - 스마트팜의 조명 제어 시스템 및 그 방법 - Google Patents

스마트팜의 조명 제어 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스마트팜의 조명 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 적어도 하나 이상의 재배 유닛을 통해 작물을 재배하기 위한 스마트팜의 조명 제어 시스템에 있어서, 집광판을 이용하여 자연광을 수집하는 집광부; 상기 집광부의 후단에 설치되어, 수집된 자연광을 상기 재배 유닛에 재배되는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기설정된 파장 대역의 광으로 변환하는 광변환부; 상기 광변환부에서 변환된 기 설정된 파장 대역의 광을 전송하는 도광부; 및 상기 집광부 및 도광부를 거쳐 유입되는 광을 상기 재배 유닛 방향으로 조명하는 산광부를 포함하는 시스템일 수 있다.

Description

스마트팜의 조명 제어 시스템 및 그 방법{System for controlling lighting of Smart farm and its method}
본 발명은 자연광과 인공광의 하이브리드 조명 구조를 통해 작물 재배 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 스마트팜의 조명 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 일 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
스마트팜(Smart Farm)은 농업, 임업, 축산업, 수산물의 생산, 가공 및 유통 단계에서 정보 통신 기술(ICT)을 접목해 지능화된 농업 시스템으로서, 사물인터넷(IoT) 등 기술을 이용해 환경을 유지 및 관리하고, 스마트 기기 등으로 자동관리할 수 있도록 한다.
이러한 스마트팜 시스템은 재배시설물 내의 온도 및 습도를 측정하여 표시하고, 카메라, 펌프, 각종 밸브, 전열기구, 조명기구 등을 제어할 수 있도록 한 제어장치를 이용하여 원격으로 재배시설물을 모니터링하면서 농작물을 재배할 수 있기 때문에, 최소의 노동력을 통해 다수의 재배시설물을 관리함에 따라 농업 경쟁력을 향상시킬 수 있는 기술로 꼽히고 있으며, 이를 이용한 다양한 제어 기술이 연구되고 있다.
농업적으로는 식물의 생장 및 발달(개화, 착과 등)이 입사 스펙트럼의 영향을 받으므로 식물에 제공되는 광의 스펙트럼은 식물의 생산성에 큰 영향을 미친다. 따라서, 인공조명을 이용한 식물 재배에서는 식물에 제공되는 광의 스펙트럼을 식물생산에 최적화 시키는 것이 매우 중요하다.
그러나, 현재까지 스마트팜 및 식물공장과 같은 인공조명을 사용한 식물 재배에서 사용되는 인공광원들의 스펙트럼은 태양광과 크게 다를 뿐만 아니라, 인공광원의 종류 즉, 나트륨등, 형광등, LED 등에 따라서도 각각 큰 차이를 갖는다.
일반적으로 스마트팜에는 복수의 LED를 인공광원으로 사용하고 있는데, 자연광 유입이 어려운 컨테이너형 스마트팜은 인공 광원을 이용한 조명과 실내로 유입되는 자연채광을 이용하여 작물 재배의 효율성을 향상시키고 있다.
컨테이너형 스마트팜에 적용되는 자연 채광 시스템은 광덕트 시스템, 반사 거울 시스템, 광케이블을 이용한 조명 시스템 등이 있으며, 대부분 광케이블을 이용한 조명 시스템을 적용하고 있다.
완전히 밀폐된 공간에서 인공광을 이용하여 식물을 재배하는 컨테이너형 스마트팜의 경우에, 태양광을 사용하지 않고 LED 등의 인공광을 사용한 컨테이너형 스마트팜은 완전 폐쇄된 형태로 재배하기 때문에 농약이 필요 없고 전체 계획 생산을 목표로 하는 것이 가능하지만 인공조명을 제어하기 위해 필요한 전력량과, 소비 전력량에 따른 전기 요금 등의 비용이 너무 많이 소요되는 단점이 있다.
반면에, 태양광을 사용한 컨테이너형 스마트팜은 태양광 설비를 이용하여 고급 기술의 환경 제어 및 관리가 필요하고, 인공조명에 비해 낮은 비용으로 운영할 수 있지만 날씨의 영향으로 태양의 양이 변화할 수 있어 인공광을 사용한 스마트팜에 비해 불안정한 생산이 예상되는 단점이 있다.
따라서, 태양광과 인공광을 사용한 하이브리드 조명 구조는 태양광을 사용한 컨테이너형 스마트팜에 복수의 LED를 인공조명으로 설치하여 보조 광원으로 사용할 수 있어 고급 환경 제어 및 년간 재배가 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 컨테이너형 스마트팜에 광케이블을 이용한 조명 시스템을 적용한 상태를 설명하는 도면이고, 도 2는 종래의 광케이블을 이용한 조명 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 컨테이너형 스마트팜(10)에서 광케이블을 이용한 조명 시스템(20)은 집광렌즈와 태양위치 검출용 광센서를 포함하는 집광부(21), 특수 피복제를 사용하여 유연성을 확보하며 광을 전송하는 광케이블(22) 및 다양한 산광 타입 선택이 가능한 산광부(23)를 포함하고 있다.
종래에는 자연광에서 작물 재배에 필요한 파장 대역의 광만을 필터링하여 작물에 조사되도록 집광부(21)의 후단에 필터(25)를 사용한다. 그러나, 종래의 조명 시스템에서 사용하는 필터(25)는 자연광에서 해당 작물의 재배에 필요한 파장 대역의 광만을 투과시키고, 나머지 파장 대역의 광은 차단시키는 것이므로 차단되는 광량만큼 작물에 조사되는 광량이 감소할 수 밖에 없다는 문제점이 있다.
따라서, 컨테이너형 스마트팜이 태양광과 인공광을 사용한 하이브리드 조명 구조를 적용한 경우에, 작물 재배에 필요한 파장 대역의 광만을 투과시키는 필터로 인해 작물에 조사되는 자연광의 광량이 현저히 줄어들어, 부족한 광량을 인공 조명을 사용하여 증대시켜야 하고, 인공 조명의 사용이 증대될수록 소비되는 전력량과 전력 사용 요금이 증가할 수 밖에 없는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 자연광과 인공광의 하이브리드 조명 구조를 통해 작물 재배 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 스마트팜의 조명 제어 시스템 및 그 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 적어도 하나 이상의 재배 유닛을 통해 작물을 재배하기 위한 스마트팜의 조명 제어 시스템은, 집광판을 이용하여 자연광을 수집하는 집광부; 상기 집광부의 후단에 설치되어, 수집된 자연광을 상기 재배 유닛에 재배되는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기설정된 파장 대역의 광으로 변환하는 광변환부; 상기 광변환부에서 변환된 기 설정된 파장 대역의 광을 전송하는 도광부; 및 상기 집광부 및 도광부를 거쳐 유입되는 광을 상기 재배 유닛 방향으로 조명하는 산광부를 포함하는 것이다.
상기 광변환부는, 자연광으로부터 나오는 가시광을 기 설정된 파장 대역의 광으로 변환시키는 형광체를 포함한 색변환소재 플레이트를 포함하는 것이다.
한편, 상기 광변환부는, 자연광으로부터 나오는 가시광을 서로 다른 파장 대역의 광으로 변환시키는 복수의 형광체가 상호 이격된 상태로 기 설정된 위치에 배치되는 색변환소재 플레이트; 및 외부의 제어 명령에 기초하여 상기 대상 작물에 따라 복수의 형광체 중 어느 하나의 형광체가 선택되면, 선택된 형광체가 상기 집광부와 도광부 사이에 위치하도록 상기 색변환소재 플레이트의 회전 이동을 제어하는 회전 구동수단을 포함하는 것이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스마트팜의 조명 제어 시스템은, 적어도 하나 이상의 재배 유닛을 통해 작물을 재배하기 위한 스마트팜의 조명 제어 시스템에 있어서, 자연광을 수집하여 상기 재배 유닛에 재배되는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기 설정된 파장 대역의 광을 주 조명으로 제공하는 채광 장치; 상기 재배 유닛에 재배되는 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기 설정된 파장 대역의 인공광을 보조 조명으로 제공하는 인공 조명 장치; 및 상기 채광 장치에서 수집되는 자연광의 광량에 따라 상기 보조 조명에 대한 조명 제어를 수행하고, 상기 대상 작물에 따라 유효 파장 대역의 광원이 선택되도록 제어 명령을 통해 채광 장치와 인공 조명 장치를 제어하는 조명 제어 장치를 포함하되, 상기 채광 장치는, 집광판을 이용하여 자연광을 수집하는 집광부; 상기 집광부의 후단에 설치되어, 수집된 자연광을 상기 재배 유닛에 재배되는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기설정된 파장 대역의 광으로 변환하는 광변환부; 상기 광변환부에서 변환된 기 설정된 파장 대역의 광을 전송하는 도광부; 및상기 집광부 및 도광부를 거쳐 유입되는 기설정된 파장 대역의 광을 상기 재배 유닛 방향으로 조명하는 산광부를 포함하는 것이다.
상기 광변환부는, 자연광으로부터 나오는 가시광을 서로 다른 파장 대역의 광으로 변환시키는 복수의 형광체가 상호 이격된 상태로 기 설정된 위치에 배치되는 색변환소재 플레이트; 및 상기 조명 제어 장치의 제어 명령에 기초하여 상기 대상 작물에 따라 복수의 형광체 중 어느 하나의 형광체가 선택되면, 선택된 형광체가 상기 집광부와 도광부 사이에 위치하도록 상기 색변환소재 플레이트의 회전 이동을 제어하는 회전 구동수단을 포함하는 것이다.
상기 조명 제어 장치는, 상기 도광부로 유입되는 자연광의 광량을 감지하는 광량 감지 센서를 포함하는 것이다.
상기 조명 제어 장치는, 상기 대상 작물의 생육 정보와 재배 환경 정보에 기초하여 기 설정된 유효 광량 데이터에 따라 상기 주 조명과 보조 조명의 광량에 대한 공급을 제어하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜의 조명 제어 방법은, 적어도 하나 이상의 재배 유닛을 통해 작물을 재배하기 위한 스마트팜의 조명 제어 시스템에 수행되는 조명 제어 방법에 있어서, 집광판을 이용하여 자연광을 수집하는 단계; 수집된 자연광을 상기 재배 유닛에 재배되는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기설정된 파장 대역의 광으로 변환하는 단계; 변환된 기 설정된 파장 대역의 광을 광케이블을 통해 전송하는 단계; 및 상기 광케이블을 거쳐 유입되는 광을 상기 재배 유닛 방향으로 조명하는 단계를 포함하는 것이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스마트팜의 조명 제어 방법은, 적어도 하나 이상의 재배 유닛을 통해 작물을 재배하기 위한 스마트팜의 조명 제어 시스템에 수행되는 조명 제어 방법에 있어서, 집광판을 이용하여 자연광을 수집하는 단계; 수집된 자연광을 상기 재배 유닛에 재배되는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기설정된 파장 대역의 광으로 변환하는 단계; 변환된 기 설정된 파장 대역의 광을 광케이블을 통해 전송하는 단계; 상기 광케이블을 거쳐 유입되는 광을 주 조명으로 상기 재배 유닛 방향으로 조명하는 단계; 상기 광케이블을 통해 유입되는 광의 광량을 감지하고, 감지된 광량이 상기 대상 작물의 생육 정보와 재배 환경 정보에 기초하여 기 설정된 유효 광량 데이터를 만족하는지를 확인하는 단계; 및 상기 감지된 광량이 상기 유효 광량 데이터를 만족하지 않은 경우에, 상기 감지된 광량과 유효 광량 데이터와의 차이값에 해당하는 부족한 광량을 기 설정된 파장 대역의 인공광을 사용하여 보조 조명으로 제공하는 단계를 포함하는 것이다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 본 발명은 자연광을 효율적으로 수집하여 작물 재배에 제공하면서 LED 등의 인공광을 보조 조명으로 제공하는 자연광과 인공광의 하이브리드 조명 공급을 통해 재배되는 작물을 효율적이고, 경제적으로 재배할 수 있는 효과가 있다.
따라서, 본 발명은 자연광과 인공광을 이용하여 컨테이너식 스마트팜의 운영이 가능해짐에 따라 고기능성 식물 원료 대량 생산이 가능하며, 기후변화, 자원의 고갈 및 토양의 황폐화 등으로 인한 농업생산의 정체화가 지속됨에 따라 농작물 수급의 안정성을 확보할 수 있도록 한다.
도 1은 일반적인 컨테이너형 스마트팜에 광케이블을 이용한 조명 시스템을 적용한 상태를 설명하는 도면이다.
도 2는 종래의 광케이블을 이용한 조명 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 3은 일반적인 식물의 광학적 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜의 조명 제어 시스템을 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4의 채광 장치의 구성을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스마트팜의 조명 제어 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜의 조명 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스마트팜의 조명 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 ‘단말’은 휴대성 및 이동성이 보장된 무선 통신 장치일 수 있으며, 예를 들어 스마트 폰, 태블릿 PC 또는 노트북 등과 같은 모든 종류의 핸드헬드(Handheld) 기반의 무선 통신 장치일 수 있다. 또한, ‘단말’은 네트워크를 통해 다른 단말 또는 서버 등에 접속할 수 있는 PC 등의 유선 통신 장치인 것도 가능하다. 또한, 네트워크는 단말들 및 서버들과 같은 각각의 노드 상호 간에 정보 교환이 가능한 연결 구조를 의미하는 것으로, 근거리 통신망(LAN: Local Area Network), 광역 통신망(WAN: Wide Area Network), 인터넷 (WWW: World Wide Web), 유무선 데이터 통신망, 전화망, 유무선 텔레비전 통신망 등을 포함한다.
무선 데이터 통신망의 일례에는 3G, 4G, 5G, 3GPP(3rd Generation Partnership Project), LTE(Long Term Evolution), WIMAX(World Interoperability for Microwave Access), 와이파이(Wi-Fi), 블루투스 통신, 적외선 통신, 초음파 통신, 가시광 통신(VLC: Visible Light Communication), 라이파이(LiFi) 등이 포함되나 이에 한정되지는 않는다.
이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 동일 범위의 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 일반적인 식물의 광학적 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 식물의 광합성 효율은 엽록소 a, 엽록소 b 및 피토크롬 감지 대역 범위에 최적화된 양질의 빛을 얼마나 높은 밀도로 제공해주느냐가 중요하다.
엽록소 a는 빛을 감지 및 포착하는 안테나 역할을 하며, 산소 광합성에 필요한 에너지를 제공하고, 청색, 적색, 자색의 빛을 흡수한다. 대부분의 육상 식물은 녹색을 나타내며, 광합성에 가장 중요한 안료로서 광합성의 전자 공여자 역할을 한다. 엽록소 b는 빛 에너지를 수집하고, 주로 청색광을 흡수한다. 광합성 과정에서 엽록소 a를 통과하는 녹색 안료이다. 피토크롬은 식물이 적색 빛을 감지하는 감광 기관으로 그 빛의 수용체가 되는 단백질 색소는 pr(적색 흡수)형과 pfr(근적색 흡수)형이 있다.
태양광에는 가시광선을 비롯하여 자외선, 근적외선, 적외선, 원적외선 외에 다양한 파장 대역의 광이 존재하지만, 식물의 광합성에 직접적으로 작용하는 파장은 가시광선 대역으로 제한적이다. 도 3에 도시된 바와 같이 400~750㎚의 파장 대역 범위에서 가장 효과적인 광합성이 이루어지는데, 구체적으로 근자색부터 적색, 청색이 광합성에 가장 높은 효율을 갖는 파장 대역이며, 초록색부터 노란색, 주황색의 파장 대역은 광합성에 직접적인 영향을 주지 않는다.
예를 들어, 스마트팜에서 딸기를 재배하는 경우에, 스마트팜의 조명 시스템은 딸기의 광학적 흡수 스펙트럼을 기준으로 잎의 광합성을 통해 얻어지는 유기물의 극대화가 이루어져야 하며, 딸기 열매의 착과와 착색에 도움이 되는 광원을 함께 고려해야 한다. 딸기잎의 광합성 작용으로 유기물과 포도당을 생성하는데 최적의 광원은 적색과 청색, 기타 유효 파장 대역의 적절한 광원 배합으로 딸기의 광보상점(약 50μmol) 이상을 몇 배 상회하는 광합성 광량자속밀도(PPFD) 값을 제공해주는 것이 좋으며, 딸기의 열매는 태양광이 갖고 있는 가시광선 스펙트럼을 제공해주면 착과 착색에 큰 도움이 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜의 조명 제어 시스템을 설명하는 도면이고, 도 5는 도 4의 채광 장치의 구성을 설명하는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 스마트팜의 조명 제어 시스템은 집광부(110), 광변환부(120), 도광부(130) 및 산광부(140)를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
집광부(110)는 집광판(111)을 이용하여 자연광을 수집하고, 도광부(130)는 광케이블로서 광변환부에서 변환된 기 설정된 파장 대역의 광을 전송한다.
광변환부(120)는 집광부(110)의 후단에 설치되어, 수집된 자연광을 재배 유닛에 재배되는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기설정된 파장 대역의 광으로 변환한다. 이때, 광변환부(120)는 대상 작물의 식물 생장에 최적인 광분배율 조건을 만족하는 적색광 또는 청색광을 조사할 수 있도록 할 수 있다.
광변환부(120)는 자연광으로부터 나오는 가시광을 기 설정된 파장 대역의 광으로 변환시키는 형광체(121)를 포함한 색변환소재 플레이트(125)를 포함하는 것으로서, 열적 내구성, 화학적 안정성이 우수하고 변색의 우려가 적은 세라믹, 글래스, 글래스 세라믹 등의 무기질 소재로 형성될 수 있다.
이러한 광변환부(120)는 복수 개의 형광체(121)가 상호 이격된 상태로 기 설정된 위치에 배치되는 색변환소재 플레이트(125)의 회전 이동을 제어하기 위해, 색변환소재 플레이트(125)를 고정하면서 일정 방향으로 회전하도록 하는 지지대, 지지대와 연결되어 회전력을 제공하는 모터, 모터의 구동을 제어하는 모터 드라이버를 포함하는 회전 구동수단(미도시)을 포함할 수 있다.
회전 구동수단은 외부의 제어 명령에 기초하여 대상 작물에 따라 복수의 형광체(121) 중 어느 하나의 형광체가 선택되면, 선택된 형광체가 집광부(110)와 도광부(130) 사이에 위치하도록 색변환소재 플레이트(125)를 회전 이동시킨다.
산광부(140)는 집광부(110) 및 도광부(130)를 거쳐 유입되는 광을 재배 유닛 방향으로 조명한다. 이러한 산광부(140)는 광분배기(미도시)를 사용하여 도광부(130)를 통해 전달되는 자연광을 자외선과 비자외선으로 분배하고, 비자외선을 재배 유닛으로 균일하게 공급하며, 자외선을 작물의 뿌리에 곰팡이가 피는 것을 방지하도록 작물의 뿌리를 살균하는 용도로 제공할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 집광부(110)에서 집광된 광 중에서 작물 재배에 필요하지 않은 자연광을 차단하는 것이 아니라, 작물 재배에 필요한 파장 대역의 광(청색광 또는 적색 광)으로 변환하여 제공함으로써 자연광의 광량이 저감되지 않고, 실내로 유입되는 자연광을 최대한 활용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스마트팜의 조명 제어 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 스마트팜의 조명 제어 시스템은 채광 장치(100), 인공 조명 장치(200) 및 조명 제어 장치(300)를 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.
컨테이너식 스마트팜의 경우에, 재배 유닛(50)이 복수의 층으로 수직 적층되는 다층 구조 방식으로 한번에 많은 양의 작물을 재배하기 위한 공간을 확보할 수 있다.
이러한 컨테이너식 스마트팜의 조명 제어 시스템은 자연광과 인공광의 하이브리드 조명 방식을 채택하는데, 채광 장치(100)는 도 4 및 도 5에서 이미 설명한 바와 같이 자연광을 수집하여 대상 작물의 주 조명으로 제공하고, 인공 조명 장치(200)는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기 설정된 파장 대역의 인공광을 보조 조명으로 제공한다. 이때, 인공 조명 장치(200)는 재배 유닛(50)에 가깝게 설치하여 조명의 세기와 스펙트럼 방사율을 조절해 작물의 성장을 최적화하도록 재배 조명을 제공할 수 있다.
조명 제어 장치(300)는 채광 장치(100)에서 수집되는 자연광의 광량에 따라 보조 조명에 대한 조명 제어를 수행하고, 대상 작물에 따라 유효 파장 대역의 광원이 선택되도록 제어 명령을 통해 채광 장치(100)와 인공 조명 장치(200)를 제어한다.
조명 제어 장치(300)는 도광부(130)로 유입되는 자연광의 광량을 감지하는 광량 감지 센서(미도시)를 포함하고, 대상 작물의 생육 정보와 재배 환경 정보에 기초하여 기 설정된 유효 광량 데이터에 따라 광량 감지센서에서 감지한 주 조명의 광량이 부족할 경우에 보조 조명을 통해 부족한 광량을 공급할 수 있도록 인공 조명 장치(200)의 구동 시간이나 적색 LED, 녹색 LED, 청색 LED에 대한 온/오프를 결정한다.
대상 작물이 토마토인 경우에, 발아 단계에서는 680nm 파장의 빛의 세기가 식물의 성장 속도에 매우 중요한 역할을 하지만 발아 이후에는 거의 영향을 미치지 않는다. 식물의 생장 단계에서는 적색광(예를 들어, 650nm)의 빛 세기가 성장과 엽록소(색소) 농도를 최적화하지만, 성장 기간의 각 단계(발아, 생장, 과실 단계)는 서로 다른 파장을 이용한 빛 조사가 필요하다.
따라서, 스마트팜의 주통제장치(미도시)는 여러 식물의 생장 및 광합성에 필요한 고유의 스펙트럼 광 프로파일 정보(스펙트럼 파장 범위와 24시간 주기 포함)를 수집하여 생육 정보에 포함시키고, 스마트팜 내에 설치된 온도, 습도, 카메라 등의 IoT 센서와 연결하여 재배 환경 정보를 수집하여 저장한다. 작물 재배에 사용되는 광 스펙트럼은 대체로 파장이 400~700nm 사이인 가시광선 스펙트럼에 있고, 피크는 적색과 청색 범위에 있다. 스마트팜의 주통제장치는 IoT 센서를 이용하여 재배환경의 데이터를 실시간으로 계측 및 수집하는 동시에 클라우드 서비스를 이용하여 데이터를 축적 및 분석하여 토마토, 딸기, 상추 등 작물재배에 활용할 수 있도록 재배 유닛에서 기온, 지온, 수분, 일사량, 토양의 비료농도 등을 측정하여 일정 시간 간격으로 클라우드 서버에 전송되어 수집/분석/예측 등을 수행한 후 각 재배유닛에 최적의 온도, 습도, 조명, 영영 요소 등의 재배환경을 자동으로 관리하고, 관리 결과를 사용자 단말에 제공할 수 있다.
조명 제어 장치(300)는 스마트팜의 주통제장치의 통제에 따라 태양광의 매일 달라지는 일조량 변화를 반영하여 대상 작물의 24시간 주기에 맞춰 인공 조명 장치(200)를 제어한다. 따라서, 조명 제어 장치(300)는 인공 조명 장치(200)의 각 LED의 구동 시간과 온도에 걸쳐 출력을 조정해 지정된 색도와 강도를 유지하도록 한다.
컨테이너식 스마트팜이 적어도 하나 이상의 구획으로 구분되고, 각 구획에서 재배되는 대상 작물이 서로 상이한 경우에, 사용자 단말은 주통제장치로 구획별 고유 식별 정보와 해당 구획에서 재배되는 대상 작물의 종류에 대한 정보를 제공할 수 있고, 주통제장치는 구획별 대상 작물의 생장 및 광합성에 필요한 파장 대역의 광이 조사되도록 색변환소재 플레이트(125)의 형광체를 선택하거나 인공조명장치(200)의 색상, 조도, 구동 시간 등을 구획별로 개별 제어할 수 있도록 제어 명령을 생성하여 조명 제어 장치(300)로 전송하게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜의 조명 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 7을 참조하면, 스마트팜의 조명 제어 방법은, 집광판(111)을 이용하여 자연광을 수집하고(S11), 색변환소재 플레이트(125)를 이용하여 수집된 자연광을 재배 유닛에 재배되는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기설정된 파장 대역의 광으로 변환한다(S12).
광케이블을 통해 변환된 기 설정된 파장 대역의 광을 광케이블을 통해 전송하고(S13), 산광부(140)에서 광케이블을 거쳐 유입되는 광을 재배 유닛 방향으로 조사한다(S14). 따라서, 집광부(110)에서 수집된 자연광이 모두 대상 작물에 필요한 기설정된 파장 대역의 광으로 변환되어 전송되기 때문에, 수집된 자연광을 최대한 활용할 수 있어 작물 생장 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 스마트팜의 조명 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 8을 참조하면, 자연광과 인공광의 하이브리드 조명 방식을 적용한 스마트팜의 조명 제어 방법은, 채광 장치(100)에서 자연광을 수집하고(S21), 색변환소재 플레이트(125)를 이용하여 수집된 자연광을 재배 유닛에 재배되는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기설정된 파장 대역의 광으로 변환한다(S22).
또한, 채광 장치(100)는 광케이블을 통해 변환된 기 설정된 파장 대역의 광을 광케이블을 통해 전송하고(S23), 산광부(140)에서 광케이블을 거쳐 유입되는 광을 재배 유닛 방향으로 조사한다(S24).
광량 감지 센서는 광케이블을 통해 유입되는 광의 광량을 감지하고(S25), 조명 제어 장치(300)는 광량 감지 센서에서 감지된 광량이 대상 작물의 생육 정보와 재배 환경 정보에 기초하여 기 설정된 유효 광량 데이터를 만족하는지를 확인한다(S26).
조명 제어 장치(300)는 감지된 광량이 유효 광량 데이터를 만족하지 않은 경우에, 감지된 광량과 유효 광량 데이터와의 차이값에 해당하는 부족한 광량을 기 설정된 파장 대역의 인공광을 사용하여 보조 조명으로 제공한다(S27).
이와 같이, 본 발명은 자연광 유입이 어려운 컨테이너형 스마트팜에 적용될 경우에, 자연광을 이용하여 작물 재배에 필요한 주조명을 제공하고, 일조량의 변화에 따라 주조명만으로 부족한 광량을 인공광을 이용한 보조 조명으로 채워줄 수 있다.
한편, 도 7 및 도 8의 각 단계는 본 발명의 구현예에 따라서 추가적인 단계들로 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계간의 순서가 변경될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 이러한 기록 매체는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하며, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함하며, 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 채광 장치
110 : 집광부
120 : 광변환부
121 : 형광체
125 : 색변환소재 플레이트
130 : 도광부
140 : 산광부
200 : 인공 조명 장치
300 : 조명 제어 장치

Claims (9)

  1. 적어도 하나 이상의 재배 유닛을 통해 작물을 재배하기 위한 스마트팜의 조명 제어 시스템에 있어서,
    집광판을 이용하여 자연광을 수집하는 집광부;
    상기 집광부의 후단에 설치되어, 수집된 자연광을 상기 재배 유닛에 재배되는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기설정된 파장 대역의 광으로 변환하는 광변환부;
    상기 광변환부에서 변환된 기 설정된 파장 대역의 광을 전송하는 도광부; 및
    상기 집광부 및 도광부를 거쳐 유입되는 광을 상기 재배 유닛 방향으로 조명하는 산광부를 포함하는 것인, 스마트팜의 조명 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광변환부는,
    자연광으로부터 나오는 가시광을 기 설정된 파장 대역의 광으로 변환시키는 형광체를 포함한 색변환소재 플레이트를 포함하는 것인, 스마트팜의 조명 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광변환부는,
    자연광으로부터 나오는 가시광을 서로 다른 파장 대역의 광으로 변환시키는 복수의 형광체가 상호 이격된 상태로 기 설정된 위치에 배치되는 색변환소재 플레이트; 및
    외부의 제어 명령에 기초하여 상기 대상 작물에 따라 복수의 형광체 중 어느 하나의 형광체가 선택되면, 선택된 형광체가 상기 집광부와 도광부 사이에 위치하도록 상기 색변환소재 플레이트의 회전 이동을 제어하는 회전 구동수단을 포함하는 것인, 스마트팜의 조명 제어 시스템.
  4. 적어도 하나 이상의 재배 유닛을 통해 작물을 재배하기 위한 스마트팜의 조명 제어 시스템에 있어서,
    자연광을 수집하여 상기 재배 유닛에 재배되는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기 설정된 파장 대역의 광을 주 조명으로 제공하는 채광 장치;
    상기 재배 유닛에 재배되는 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기 설정된 파장 대역의 인공광을 보조 조명으로 제공하는 인공 조명 장치; 및
    상기 채광 장치에서 수집되는 자연광의 광량에 따라 상기 보조 조명에 대한 조명 제어를 수행하고, 상기 대상 작물에 따라 유효 파장 대역의 광원이 선택되도록 제어 명령을 통해 채광 장치와 인공 조명 장치를 제어하는 조명 제어 장치를 포함하되,
    상기 채광 장치는,
    집광판을 이용하여 자연광을 수집하는 집광부;
    상기 집광부의 후단에 설치되어, 수집된 자연광을 상기 재배 유닛에 재배되는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기설정된 파장 대역의 광으로 변환하는 광변환부;
    상기 광변환부에서 변환된 기 설정된 파장 대역의 광을 전송하는 도광부; 및
    상기 집광부 및 도광부를 거쳐 유입되는 기설정된 파장 대역의 광을 상기 재배 유닛 방향으로 조명하는 산광부를 포함하는 것인, 스마트팜의 조명 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광변환부는,
    자연광으로부터 나오는 가시광을 서로 다른 파장 대역의 광으로 변환시키는 복수의 형광체가 상호 이격된 상태로 기 설정된 위치에 배치되는 색변환소재 플레이트; 및
    상기 조명 제어 장치의 제어 명령에 기초하여 상기 대상 작물에 따라 복수의 형광체 중 어느 하나의 형광체가 선택되면, 선택된 형광체가 상기 집광부와 도광부 사이에 위치하도록 상기 색변환소재 플레이트의 회전 이동을 제어하는 회전 구동수단을 포함하는 것인, 스마트팜의 조명 제어 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 조명 제어 장치는,
    상기 도광부로 유입되는 자연광의 광량을 감지하는 광량 감지 센서를 포함하는 것인, 스마트팜의 조명 제어 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 조명 제어 장치는,
    상기 대상 작물의 생육 정보와 재배 환경 정보에 기초하여 기 설정된 유효 광량 데이터에 따라 상기 주 조명과 보조 조명의 광량에 대한 공급을 제어하는 것인, 스마트팜의 조명 제어 시스템.
  8. 적어도 하나 이상의 재배 유닛을 통해 작물을 재배하기 위한 스마트팜의 조명 제어 시스템에 수행되는 조명 제어 방법에 있어서,
    집광판을 이용하여 자연광을 수집하는 단계;
    수집된 자연광을 상기 재배 유닛에 재배되는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기설정된 파장 대역의 광으로 변환하는 단계;
    변환된 기 설정된 파장 대역의 광을 광케이블을 통해 전송하는 단계; 및
    상기 광케이블을 거쳐 유입되는 광을 상기 재배 유닛 방향으로 조명하는 단계를 포함하는 것인, 스마트팜의 조명 제어 방법.
  9. 적어도 하나 이상의 재배 유닛을 통해 작물을 재배하기 위한 스마트팜의 조명 제어 시스템에 수행되는 조명 제어 방법에 있어서,
    집광판을 이용하여 자연광을 수집하는 단계;
    수집된 자연광을 상기 재배 유닛에 재배되는 대상 작물의 광학적 흡수 스펙트럼 정보에 기초하여 기설정된 파장 대역의 광으로 변환하는 단계;
    변환된 기 설정된 파장 대역의 광을 광케이블을 통해 전송하는 단계;
    상기 광케이블을 거쳐 유입되는 광을 주 조명으로 상기 재배 유닛 방향으로 조명하는 단계;
    상기 광케이블을 통해 유입되는 광의 광량을 감지하고, 감지된 광량이 상기 대상 작물의 생육 정보와 재배 환경 정보에 기초하여 기 설정된 유효 광량 데이터를 만족하는지를 확인하는 단계; 및
    상기 감지된 광량이 상기 유효 광량 데이터를 만족하지 않은 경우에, 상기 감지된 광량과 유효 광량 데이터와의 차이값에 해당하는 부족한 광량을 기 설정된 파장 대역의 인공광을 사용하여 보조 조명으로 제공하는 단계를 포함하는 것인, 스마트팜의 조명 제어 방법.
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