KR20230014906A - 통합 생육 플랫폼 - Google Patents

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KR20230014906A
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이관호
김대근
박재영
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주식회사 쎄슬프라이머스
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Abstract

본 발명은 미세조류와 고품질의 작물을 통합 재배할 수 있는 통합 생육 플랫폼에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예는, 작물을 생육하기 위한 베드, 상기 베드를 거치하는 거치 프레임 및 상기 베드에 양액을 공급하는 양액 공급기를 구비하는, 작물 재배 장치, 상기 거치 프레임에 고정되고, 상기 베드의 상면과 마주하여 배치되는 광원을 포함하는, 광 공급 장치, 상기 광원의 하부에 이격되어 배치되는 배양관과 미세조류 배양액을 순환하기 위한 순환 펌프 및 리저버를 구비하는, 미세조류 순환 장치, 상기 베드 및 상기 배양관의 영상을 취득하는, 영상 취득 장치, 상기 영상 취득 장치가 취득한 영상 정보를 바탕으로 상기 작물 및 상기 미세조류의 생육 분석 정보를 생성하는, 생육 분석 장치, 및 상기 생육 분석 정보를 바탕으로 상기 작물의 생육 환경을 제어하는, 환경 제어 장치를 포함하는, 통합 생육 플랫폼을 제공한다.

Description

통합 생육 플랫폼{INTEGRATED CULTIVATION PLATFORM}
본 발명은 통합 생육 플랫폼에 관한 것으로서, 더 상세하게는 미세조류와 고품질의 작물을 통합 재배할 수 있는 통합 생육 플랫폼에 관한 것이다.
스마트 팜 및 식물공장 기술은 계절이나 환경에 상관 없이 농작물의 연중 계획 생산이 가능하고, 무농약 재배 및 고부가가치 식물 생산이 가능하다는 점에서, 급격한 성장이 기대되고 있다.
스마트 팜 및 식물공장은 식물의 생육에 적합한 환경을 용이하게 조성할 수 있으며, 다단 방식을 적용하여 바닥면적 당 생산효율을 높일 수 있다. 또한, 물 사용량을 노지 재배에 대비하여 90 % 이상 절감할 수 있다.
스마트 팜 및 식물공장에서 식물의 생육을 위한 핵심 요소 중 하나는 빛(광원)으로, 식물 별 특성에 따른 고유한 파장의 조합을 통하여, 작은 에너지로도 고효율의 식물 생육이 가능하다. 식물에 따른 최적의 광 파장 조합은 수확량을 향상시키고, 식물의 대사 산물을 증가시켜 식물의 맛과 품질, 색상을 조절할 수 있을 뿐 아니라, 성장 속도를 촉진하여 수명 주기를 단축할 수 있는 것으로 알려졌다.
한국 공개특허공보 공개번호 제10-2018-0134575호는 맞춤형 스마트 팜 시스템 및 그 제공 방법에 관한 것으로, 맞춤형 스마트 팜 시스템은, 사용자 재배 농장의 사용자 요구 환경에 맞추어 선택적으로 복수의 시설 구동 부하를 설치하면, 상기 설치된 시설 구동 부하에 대응하여 맞춤형 제어 모듈을 구성하여 상기 복수의 시설 구동 부하를 제어하는 스마트 팜 제어 수단; 상기 스마트 팜 제어 수단과 무선통신망으로 연결되고, 재배 농장의 작물환경정보 및 대기환경정보에 대응하여 시설 구동 제어 신호를 전송하는 중앙처리장치; 상기 재배 농장의 작물 환경 정보를 측정하여 상기 중앙처리장치로 전송하는 센서 수단; 및 상기 재배 농장 지역의 외부 대기 환경 정보를 측정하여 상기 중앙처리장치로 전송하는 대기통합수단을 포함하는 점에 그 특징이 있다.
이러한 스마트 팜 및 식물공장에서 이용되는 LED 광원은 에너지 운영 비용의 50 % 이상을 차지하고 있어, 식물 재배 시 사용되지 않고 유실되는 광을 재활용할 필요가 있다.
종래의 스마트 팜 및 식물공장은 작물의 부피 성장을 위한 공간으로 유출되는 광, 잉여 양액 및 이산화탄소로 인하여 경제성이 감소하는 문제점이 존재하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 미세조류와 과채류를 함께 재배하여 잉여 자원을 재분배하여 경제성을 향상한 통합 생육 플랫폼을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 작물을 생육하기 위한 베드, 상기 베드를 거치하는 거치 프레임 및 상기 베드에 양액을 공급하는 양액 공급기를 구비하는, 작물 재배 장치, 상기 거치 프레임에 고정되고, 상기 베드의 상면과 마주하여 배치되는 광원을 포함하는, 광 공급 장치, 상기 광원의 하부에 이격되어 배치되는 배양관과 미세조류 배양액을 순환하기 위한 순환 펌프 및 리저버를 구비하는, 미세조류 순환 장치, 상기 베드 및 상기 배양관의 영상을 취득하는, 영상 취득 장치, 상기 영상 취득 장치가 취득한 영상 정보를 바탕으로 상기 작물 및 상기 미세조류의 생육 분석 정보를 생성하는, 생육 분석 장치 및 상기 생육 분석 정보를 바탕으로 상기 작물의 생육 환경을 제어하는, 환경 제어 장치를 포함하는, 통합 생육 플랫폼이 제공된다.
일 실시예로, 상기 영상 취득 장치는 상기 작물의 위치와 형상 정보를 취득하는 제1 카메라부, 상기 작물 및 상기 미세조류의 분광 이미지를 취득하고, 상기 분광 이미지로부터 상기 작물이 반사하는 빛의 주파수에 따라 작물의 식생 지수와 당도 등을 확인하는 제2 카메라부, 상기 작물 및 상기 미세조류의 열화상 이미지를 취득하고, 상기 열화상 이미지로부터 상기 작물의 품질을 확인하는 제3 카메라부, 및 상기 제1, 2, 3 카메라부를 제어하고, 상기 제1, 2, 3 카메라부로부터 취득된 이미지 정보를 전송하는 임베디드부를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 생육 모델 알고리즘은 상기 제1, 2, 3 카메라부로부터 취득된 이미지 정보를 기초로 상기 작물의 생육 분석 정보를 취득하고, 상기 환경 제어 장치는 상기 생육 분석 정보를 기초로 상기 광원의 광 질 및 광 세기를 제어할 수 있다.
일 실시예로, 상기 환경 제어 장치는 상기 생육 분석 정보를 기초로 상기 작물에 공급되는 양액 및 상기 작물이 재배되는 환경의 온도 및 습도를 제어할 수 있다.
일 실시예로, 상기 생육 분석 정보는 상기 작물의 좌표, 거리, 과장, 과폭 및 성숙도와 상기 미세조류의 상태 정보를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 양액 공급기는 상기 미세조류 순환 장치에 상기 양액 또는 상기 베드를 통과한 잉여 양액을 공급할 수 있다.
일 실시예로, 상기 미세조류 순환 장치는 상기 양액 공급기에 상기 미세조류 배양액을 공급할 수 있다.
일 실시예로, 상기 작물은 딸기일 수 있다.
일 실시예로, 상기 미세조류는 클로렐라, 유글레나 및 헤마토코쿠스 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 작물 재배 시 발생하는 잉여 자원을 재분배하여 미세조류를 배양함으로써 수익성을 증대한 통합 생육 플랫폼을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 생육 플랫폼을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 생육 플랫폼의 일부를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 배양관의 배치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 취득 장치를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 영상 취득 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 생육 플랫폼의 운용 방식을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우, 또는/및 막, 영역, 구성요소들 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다. 예컨대, 본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 전기적으로 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소 등이 직접 전기적으로 연결된 경우, 및/또는 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 간접적으로 전기적 연결된 경우를 나타낸다.
본 명세서에서 "A 및/또는 B"은 A이거나, B이거나, A와 B인 경우를 나타낸다. 그리고, "A 및 B 중 적어도 하나"는 A이거나, B이거나, A와 B인 경우를 나타낸다.
본 명세서에서 x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 생육 플랫폼을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 통합 생육 플랫폼(100)은 작물 재배 장치(110), 광 공급 장치(120), 미세조류 순환 장치(130), 영상 취득 장치(140), 생육 분석 장치(150) 및 환경 제어 장치(160)를 포함할 수 있다.
통합 생육 플랫폼(100)은 외부 환경과 차단되어, 온도, 습도 및 광도 조절이 가능한 실내에 설치될 수 있다. 일 실시예로, 통합 생육 플랫폼(100)은 온실, 건물의 실내, 컨테이너 또는 지하 구조물 등에 설치될 수 있다.
작물 재배 장치(110)는 작물을 다단이 거치하여 좁은 면적에서도 높은 생산성을 획득할 수 있다. 작물은 양액을 공급받아 생육하는 수경 재배 방식으로 경작될 수 있다. 작물 재배 장치(110)에서 재배되는 작물은 엽채류, 기능성 작목 또는 과채류일 수 있다. 일 실시예로, 작물 재배 장치(110)에서 재배되는 작물을 특대형 딸기일 수 있다.
광 공급 장치(120)는 작물 재배 장치(110)에 부착되어, 작물에 광을 공급하는 장치일 수 있다. 전술한 바와 같이, 스마트 팜 및 식물공장에서 식물의 생육을 위한 핵심 요소 중 하나는 광으로, 작물의 특성에 따라 고유한 파장 및 세기의 조합을 통하여 고효율로 식물을 생육할 수 있다.
광 공급 장치(120)는 통합 생육 플랫폼(100)에서 재배하는 작물의 특성에 따라, 광량, 광도 및 광 파장을 조절할 수 있다. 일 실시예로, 광 공급 장치(120)는 발광 다이오드(Light Emitting Diode) 광원을 채택할 수 있다. 파장에 따라 모듈화된 발광 다이오드는 채널별 광량을 유연하게 조절하여, 최적의 파장을 갖는 광을 공급할 수 있다. 일 실시예로, 광 공급 장치(120)는 높은 분해능의 광량 조절 기능을 이용하여 선형적인 광량 조정이 가능할 수 있다. 한편, 최대 광도 제한을 통해 재배 작물별로 광 포화점 이하 또는 광 권장점에 가까운 광도 값을 갖도록 설정할 수 있다.
미세조류 순환 장치(130)는 작물 재배 장치(110)에서 작물을 배양할 때 발생하는 잉여 자원 및 부산물을 활용하여 미세조류를 배양하기 위한 장치이다. 미세조류 순환 장치(130)는 광 공급 장치(120)에서 유출되는 광을 활용하기 위하여 작물 재배 장치(110)에 고정될 수 있다.
미세조류 순환 장치(130)는 미세조류 배양액과 혼합된 미세조류를 광 공급 장치(120) 하부에 배치된 배양관을 통하여 순환시킴으로써, 미세조류에 광을 공급할 수 있다. 또한, 배양액을 순환시켜 미세조류의 생육 시 발생하는 부산물을 제거하고, 미세조류가 필요로 하는 영양 성분 및 이산화탄소를 공급할 수 있다.
미세조류는 광합성을 하는 조류의 일종으로, 단백질 함량이 높아 우수한 단백질 소재일 뿐 아니라, 아스타잔틴, 베타카로틴, 루틴과 같은 다양한 건강 성분을 함유할 수 있다. 미세조류는 기존의 재배 작물보다 바이오매스를 5배 내지 10배 이상 빠르게 생산할 수 있으며, 단위 면적 당 생산성이 우수하여 경제성이 매우 높다.
미세조류 순환 장치(130)에서 배양되는 미세조류는 클로렐라, 헤마토코쿠스 및 유글레나 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 작물 재배 장치(110)에서 높은 광량을 요구하는 과채류(예컨대, 특대형 딸기)를 재배할 경우, 과채류에 적합한 광 레시피에 따라, 미세조류가 선택될 수 있다.
일 실시예로, 미세조류 배양액은 작물에 공급되는 양액 또는 작물에게 공급된 후 수거된 잉여 양액을 포함할 수 있다. 또는, 미세조류를 배양한 미세조류 배양액은 양액에 혼합되어 작물에 공급될 수 있다. 따라서, 통합 생육 플랫폼(100)이 수경 재배에 미세조류를 활용하는 스마트 팜에 적용되는 경우, 미세조류를 동일한 재배 장소에서 배양함으로써, 효과적인 작물 재배를 수행할 수 있다.
작물 재배 장치(110)는 광합성을 하는 작물의 재배를 목적으로 하고 있어, 미세조류 순환 장치(130)는 작물 재배 장치(110)와 광 공급 장치(120) 및 양액 등을 공유할 수 있어, 추가적인 생산 시스템의 가동 비용을 최소화할 수 있다.
영상 취득 장치(140)는 재배 작물 및 미세조류의 형상, 분광 및 열화상 이미지를 획득할 수 있다. 예컨대, 영상 취득 장치(140)는 작물의 색도, 형상, 크기 및 성숙도, 나아가서는 광합성 활성 지수인 NDVI 데이터를 취득하기 위한 이미지 및 데이터를 수집할 수 있다.
영상 취득 장치(140)는 실시간으로 재배 작물 및 미세조류의 대사 과정에서 발생하는 생물학적 특성 변화, 생육 주기에 따른 형태 및 색도 변화, 온도 변화 등을 측정하고, 이를 이미지 또는 데이터로 취득할 수 있다. 영상 취득 장치(140)는 형상, 분광 및 열화상 이미지를 획득하기 위한 복수의 센서와, 센서를 구동하고 취득된 이미지 및 데이터를 전송하는 임베디드부를 포함할 수 있다. 일 실시예로, 영상 취득 장치(140)는 소형화, 경량화 된 본체를 가지고 있어, 작물 및 미세조류의 영상 취득을 위하여 적합한 위치로 이동될 수 있다. 다른 일 실시예로, 영상 취득 장치(140)는 작물 및 미세조류의 이미지 취득을 위하여 하나의 통합 생육 플랫폼(100)에 복수 개 설치될 수 있다.
생육 분석 장치(150)는 영상 취득 장치(140)가 취득한 이미지 및 데이터를 분석하여 작물 및 미세조류의 생육 상태를 분석하는 장치이다. 일 실시예로, 생육 분석 장치(150)는 깊이, 분광, 열화상 이미지를 입력 받아, 재배 작물 및 미세조류의 생육 상태를 분석하기 위한 생육 모델 알고리즘을 포함할 수 있다. 이 때, 생육 모델 알고리즘은 딥 러닝(Deep Learning) 알고리즘을 활용한 것일 수 있다. 예컨대, 생육 모델 알고리즘은 깊이, 분광, 열화상 이미지 및 작물과 미세조류의 생육 상태에 대한 정보를 포함하는 학습 데이터를 이용하여, 작물의 좌표, 크기, 숙도, 식생 지수 및 미세조류가 포함하는 바이오매스의 양과 같은 결과 값을 도출하도록 미리 반복 학습되어 생성된 것일 수 있다.
일 실시예로, 생육 분석 장치(150)는 통합 생육 플랫폼(100)에 내장된 프로세서 및 메모리일 수 있다. 이 때, 메모리는 생육 분석 장치(150)를 구동하기 위한 다수의 응용 프로그램(Application program), 동작을 위한 데이터들, 명령어들을 저장할 수 있다. 이러한 응용 프로그램 중 적어도 일부는, 무선 통신을 통해 외부 서버로부터 다운로드 될 수 있다. 또한, 이러한 응용 프로그램 중 적어도 일부는, 외부 서버들에서 구동될 수 있다. 예컨대, 생육 모델 알고리즘은 인공지능 클라우드(Cloud)를 통하여, 복수의 통합 생육 플랫폼(100)들과 연결되어 학습하고, 생육 분석 서비스를 제공할 수 있다.
생육 분석 장치(150)는 생육 분석 정보를 클라우드 웹 서버에 저장할 수 있으며, 이를 통하여 사용자의 장소나 위치에 상관 없이 작물 및 미세조류의 현재 상태를 확인할 수 있으며, 축적된 데이터를 통한 추가적인 분석이 가능하다. 또한, 생육 분석 장치(150)는 생육 분석 정보를 바탕으로, 가장 적합한 환경 요소 값을 정의하여 제공할 수 있다.
환경 제어 장치(160)는 생육 분석 정보를 바탕으로, 작물의 생육 환경을 제어한다. 일 실시예로, 환경 제어 장치(160)는 온도 조절 장치, 습도 조절 장치, 이산화탄소 공급 장치 등을 포함할 수 있다. 또한, 환경 제어 장치(160)는 광 공급 장치(120)의 광도, 광량 및 파장을 조절하거나, 작물 재배 장치(110)의 양액의 성분 및 미세조류 순환 장치(130)의 배양액의 성분 등을 조절할 수 있다.
환경 제어 장치(160)는 생육 분석 장치(150)와 연계하여 자동 제어될 수 있으나, 사용자에 의하여 환경 요소 값을 변경할 수 있다. 따라서, 적은 노동력으로도 효과적으로 작물 및 미세조류를 재배할 수 있으며, 작물의 특성에 대한 이해가 적은 신규 농업인도 적합한 환경 요소 값에 따라 환경을 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 생육 플랫폼의 일부를 개략적으로 도시하는 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 배양관의 배치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2를 참조하면, 통합 생육 플랫폼(100)은 작물 재배 장치(110), 광 공급 장치(120) 및 미세조류 순환 장치(130)를 포함할 수 있다.
작물 재배 장치(110)는 작물을 생육하기 위한 베드(111), 베드(111)를 거치하는 거치 프레임(112) 및 양액 공급기(113)를 포함할 수 있다.
베드(111)는 작물의 특성에 따라 다른 형태를 가질 수 있다. 일 실시예로, 베드(111)는 작물의 수경 재배를 위하여, 양액이 급수 되었을 때, 이를 머금을 수 있는 재질로 구성될 수 있다. 예컨대, 베드(111)는 스폰지, 암면, 펠렛 등을 포함할 수 있다. 다른 일 실시예로, 베드(111)는 양액을 담지하기 위한 담지부를 포함할 수 있다. 담지부 내에서 양액은 일정 수위를 유지하며 순환할 수 있다.
거치 프레임(112)은 베드(111) 및 다른 장치들을 지지할 수 있다. 일 실시예로, 거치 프레임(112)은 수직 기둥부와 수평 지지부를 포함할 수 있다. 수평 지지부의 네 모서리는 수직 기둥부에 의하여 고정될 수 있으며, 복수의 수평 지지부가 다단이 배치될 수 있다. 일 실시예로, 수평 지지부 상부에는 베드(111)가 거치되고, 수평 지지부의 하부에는 광 공급 장치(120)가 고정될 수 있다. 예컨대, 베드(111)의 상면은 광 공급 장치(120)와 마주하여 배치될 수 있다.
양액 공급기(113)는 작물에 양액을 공급하기 위한 장치로, 양액관(113-P) 및 양액 저장조(113-R) 및 펌프(미도시)를 포함할 수 있다. 양액관(113-P)은 각 베드(111)에 양액을 공급하기 위하여, 거치 프레임(112)의 각 단에 배치될 수 있다.
광 공급 장치(120)는 베드(111)의 상면과 마주하도록 거치 프레임(112)에 고정될 수 있다. 광 공급 장치(120)는 베드(111)의 전면에 광을 고르게 공급할 수 있도록 복수의 광원을 배치한 것일 수 있다. 이 때, 광원은 발광 다이오드를 구비할 수 있다.
광 공급 장치(120)는 380 nm 내지 800 nm의 파장 대역을 가질 수 있다. 일 실시예로, 광 공급 장치(120)는 파장에 따라 복수의 발광 다이오드가 하나의 모듈을 이루고, 발광 다이오드 모듈의 채널별 광량을 유연하게 조절하도록 구성될 수 있다. 광 공급 장치(120)는 외부로 노출되는 광을 최소화하고, 내부의 배광을 위하여 반사판등을 더 구비할 수 있다. 일 실시예로, 광 공급 장치(120)는 외장형 SMPS를 구비하여, 발광 다이오드에 일정한 전압을 공급할 수 있다.
광 공급 장치(120)는 작물의 종류와 생육 분석 장치(150)의 생육 분석 정보에 따라 광을 출력할 수 있다. 예컨대, 작물의 생육 주기에 따라 이미 검증된 광 레시피를 저장하고, 이를 연산하여 최적화된 알고리즘에 따라 광을 출력할 수 있다. 예컨대, 작물의 광합성을 위하여 중요한 요소인 PPFD(광합성 광자 속 밀도)는 조도와 밀접한 관련이 있다. 각 파장대(380 nm 내지 700 nm)에 대한 인자 값을 정의하여, 조도를 PPFD로 환산하여 산출할 수 있으며, 적합한 PPFD를 갖도록 알고리즘을 통하여 광 공급 장치(120)의 광 출력을 조절할 수 있다.
미세조류 순환 장치(130)는 배양관(131), 리저버(132) 및 배양액을 순환시키기 위한 순환 펌프(133)를 포함할 수 있다. 배양관(131)은 광 공급 장치(120)의 하부로부터 일정 거리 이격 되도록 거치 프레임(112)에 고정될 수 있다.
수평 지지부에 의하여 구분되는 거치 프레임(112)의 일 단의 높이(h1)는 베드(111)의 높이(h2)보다 클 수 있다. 이는 작물의 부피 생장을 위하여 확보되는 공간이나, 이러한 공간을 통하여 광 공급 장치(120)가 공급하는 광의 일부가 유출될 수 있다. 배양관(131)은 광이 유출될 수 있는 베드(111)와 광 공급 장치(120) 사이에 배치되어, 유출되는 잉여 광이 배양관(131)을 통해 순환하는 미세조류에 공급될 수 있다.
도 3을 참조하면, 일 실시예로, 배양관(131)은 거치 프레임(112)의 수평 지지부 외곽의 적어도 일부를 둘러 싸도록 배치될 수 있다. 즉, 배양관(131)은 수평 지지부의 하면에 배치되는 광 공급 장치(120)가 공급하는 광이 마주하는 베드(111)의 상면에 도달하는 것을 방해하지 않도록, 작물로 향하는 광 경로를 피하여 배치될 수 있다. 또한, 배양관(131)의 길이를 증가하여 미세조류에 도달하는 광량을 증가시키고, 잉여 광을 효율적으로 재사용할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 배양관(131)은 다양한 배치를 가질 수 있다.
리저버(132)는 미세조류 및 배양액을 저장하여 미세조류의 기능성 소재를 수확하고, 배양액에 공기를 공급하기 위한 장치일 수 있다. 일 실시예로, 리저버(132)는 양액 저장조(113-R)로부터 양액의 일부를 공급받거나, 베드(111)를 통과한 잉여 양액의 일부를 공급받을 수 있다. 이를 통하여, 작물 재배 시 사용되는 양액 또는 폐양액을 미세조류의 배양에 활용할 수 있다. 다른 일 실시예로, 리저버(132)는 미세조류가 배양된 배양액의 일부를 양액 저장조(113-R)로 공급하거나, 베드(111)의 작물에 공급할 수 있다. 예컨대, 미세조류 중 클로렐라는 작물의 뿌리 성장을 촉진하여, 작물 재배 시 보조 영양제로 사용될 수 있다. 따라서 클로렐라가 배양된 배양액을 양액에 혼합하여, 작물의 성장을 촉진할 수 있다. 리저버(132)는 미세조류를 배양하며 배출된 이산화탄소를 포집하여, 이를 필터링하여 재활용하여, 탄소를 저감할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 취득 장치를 개략적으로 도시하는 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 영상 취득 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 영상 취득 장치(140)는 센서 모듈(S)을 포함할 수 있다.
센서 모듈(S)은 하우징 내에 다양한 센서 모듈(S)은 하우징 내에 다양한 모듈을 포함할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 센서 모듈(S)은 제1,2,3 카메라부(141, 142, 143) 및 임베디드부(144)를 포함할 수 있다.
이를 통해 센서 모듈(S)은 작물의 위치, 형상, 분광 이미지, 열화상 이미지를 동시에 수집할 수 있다. 또한 작물의 위치 파악을 위해 GPS 센서가 포함될 수 있다.
센서 모듈(S)은 취득 이미지들의 저장 시 영상 촬영 소프트웨어는 클라우드 서버 정보 및 전송 포트를 설정할 수 있으며, 작물 영상의 촬영 후 작물 현장에서 엽의 순번, 과일 순번, 마디 순번을 인공지능에서 인식한 값으로 교정할 수 있게 하여 정확한 시계열 데이터가 수집될 수 있다.
영상 취득 장치(140)는, 각 작물의 위치와 형상 정보를 취득하는 제1 카메라부(141), 작물의 분광 이미지를 취득하고 분광 이미지로부터 작물이 반사하는 빛의 주파수에 따라 작물의 식생 지수와 당도 등을 확인하는 제2 카메라부(142), 작물의 열화상 이미지를 취득하고 열화상 이미지로부터 작물의 품질을 확인하는 제3 카메라부(143) 및 제1,2,3 카메라부(141, 142, 143)를 제어하고 제1,2,3 카메라부(141, 142, 143)로부터 취득된 이미지 정보를 전송하는 임베디드부(144)를 포함한다.
제1 카메라부(141)는 각 작물의 위치와 형상 정보를 취득할 수 있다. 제1 카메라부(141)는 일반 이미지와 깊이(Depth) 이미지를 취득할 수 있다. 깊이 이미지를 통해 각 작물의 위치와 형상 정보를 취득할 수 있다. 따라서 제1 카메라부(141)는 일반 이미지와 깊이 이미지를 각각 획득하여, 작물의 위치와 크기 등을 종합적으로 판단할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제1 카메라부(141)는 라이다 카메라를 포함할 수 있다. 라이다 카메라를 통해 레이저 펄스를 발사하고, 그 빛이 주위의 작물에서 반사되어 돌아오는 것을 받아 작물까지의 거리를 측정함으로써 작물 및 그 주변 모습을 정밀하게 그려낼 수 있다. 라이다 카메라는 자율 주행 및 위치 파악 기능을 포함한 카메라일 수 있다. 즉 라이다 카메라를 이용하여 영상 취득 장치(140)를 자율 주행 시킴으로써 영상 취득 장치(140)가 작물의 위치를 실시간으로 파악하고 이동할 수 있다.
제2 카메라부(142)는 작물의 분광 이미지를 취득하고 분광 이미지로부터 작물이 반사하는 빛의 주파수에 따라 작물의 식생 지수와 당도 등을 확인할 수 있다.
제2 카메라부(142)는 분광 카메라를 포함할 수 있다. 제2 카메라부(142)는, RGB, NIR(Near Infra Red) 에 대한 반사율을 측정하는 광센서를 사용하여 작물 생육 진단을 위한 표준적인 지표인 NDVI(Normalized Difference Vegetation Index) 를 생성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, NIR 영상을 통해서 NDVI 분석을 진행할 수 있다. 이때 NIR은 850mm 영역을 사용하여 NDVI 분석을 진행할 수 있다.
이와 같이, 제2 카메라부(142)는 작물의 대사 과정에서 발생하는 생물학적 특성으로 인해, 파장이 다른 빛에 대한 반사율 차이가 발생하는 원리를 이용하여 작물의 생육 진단이 가능하다. 이때 분광 카메라인 제2 카메라부(142)는 작물이 반사하는 빛의 주파수에 따라 작물의 식생 지수와 당도 등을 분석할 수 있다.
제3 카메라부(143)는 작물의 열화상 이미지를 취득하고 열화상 이미지로부터 작물의 품질을 확인할 수 있다. 제3 카메라부(143)를 통해 작물의 온도를 측정하고, 작물의 온도로부터 작물의 품질을 측정하여 분석할 수 있다.
임베디드부(144)에 모인 이미지 정보들은, 임베디드부(144)와 연결된 생육 분석 장치(150)로 전달될 수 있다. 다른 일 실시예로, 생육 분석 장치(150)는 인공지능 보드의 형태로 임베디드부(144)에 장착될 수 있다. 임베디드부(144)에 장착된 인공지능 보드를 통해 제1,2,3 카메라부(141, 142, 143)로부터 전달되는 이미지 정보들을 빠르게 분류 및 분석할 수 있다. 임베디드부(144)에는 GPS 센서가 추가로 부착될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 생육 플랫폼의 운용 방식을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 영상 취득 장치(140)는 제1 카메라부(141)를 통해 작물의 위치와 형상 정보를 취득하고, 제2 카메라부(142)를 통해 작물의 식생지수, 당도 정보를 취득하며, 제3 카메라부(143)를 통해 작물의 온도 및 그를 통한 품질 정보를 취득하는 바, 제1,2,3 카메라부(141, 142, 143)를 통해 취득한 작물 및 미세조류의 정보를 임베디드부(144)에서 모두 모을 수 있다.
임베디드부(144)는 취득한 이미지 정보들을 생육 분석 장치(150)로 전달할 수 있다. 일 실시예로, 생육 분석 장치(150)는 통합 생육 플랫폼(100) 내에 내장된 프로세서 및 메모리일 수 있다. 이 때, 메모리는 생육 분석 장치(150)를 구동하기 위한 다수의 응용 프로그램(Application program), 동작을 위한 데이터들, 명령어들을 저장할 수 있다. 이러한 응용 프로그램 중 적어도 일부는, 무선 통신을 통해 외부 서버로부터 다운로드 될 수 있다. 또한, 이러한 응용 프로그램 중 적어도 일부는, 외부 서버들에서 구동될 수 있다. 예컨대, 생육 모델 알고리즘은 인공지능 클라우드(Cloud)를 통하여, 복수의 통합 생육 플랫폼(100)들과 연결되어 학습하고, 생육 분석 서비스를 제공할 수 있다.
생육 모델 알고리즘은 작물에 대한 좌표, 거리, 과장, 과폭 및 성숙도를 포함하는 생육 분석 정보를 생성할 수 있다. 또한, 생육 모델 알고리즘은 제1,2,3 카메라부(141, 142, 143)로부터 취득된 미세조류 배양관(131)의 이미지 정보를 기초로 미세조류의 양 또는 배양액 내의 바이오 소재의 농도를 포함하는 미세조류의 상태 정보를 생성할 수 있다.
생육 분석 장치(150)는 생육 분석 정보를 클라우드 웹 서버(171)에 저장할 수 있다. 또한, 생육 분석 장치(150)는 생육 분석 정보를 사용자 단말기(172)에 제공할 수 있다. 이를 통하여 사용자의 장소나 위치에 상관 없이 작물 및 미세조류의 현재 상태를 확인할 수 있으며, 축적된 데이터를 통한 추가적인 분석이 가능하다. 또한, 사용자는 사용자 단말기(172)를 이용하여 환경 제어 장치(160)에 접속하고, 제공받은 생육 분석 정보를 바탕으로 환경 요소 값을 수동으로 변경할 수 있다.
일 실시예로, 생육 분석 장치(150)는 생육 분석 정보를 바탕으로, 가장 적합한 환경 요소 값을 정의하여 환경 제어 장치(160)에 제공할 수 있다. 예컨대, 환경 제어 장치(160)는 작물의 생육 주기를 바탕으로, 온도, 습도, 이산화탄소의 양, 양액 및 배양액의 성분 등을 조절할 수 있다. 또한 환경 제어 장치(160)는 생육 분석 정보를 바탕으로 광 공급 장치(120)에 제공하는 광 레시피를 변경할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 생육 플랫폼(100)은 실시간으로 작물 및 미세조류의 영상을 취득하여, 인공 지능 모델을 이용하여 작물 및 미세조류의 생육 정보를 정확하게 분석하고, 이를 기초로 환경 요소들을 자동 제어함으로써 작물과 미세조류를 효과적으로 동시에 재배할 수 있다.
이와 같이 도면에 도시된 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 충분히 이해할 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 기초하여 정해져야 한다.
실시예에서 설명하는 특정 기술 내용은 일 실시예들로서, 실시예의 기술 범위를 한정하는 것은 아니다. 발명의 설명을 간결하고 명확하게 기재하기 위해, 종래의 일반적인 기술과 구성에 대한 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재는 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로 표현될 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
발명의 설명 및 청구범위에 기재된 “상기” 또는 이와 유사한 지시어는 특별히 한정하지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 지칭할 수 있다. 또한, 실시 예에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다.
또한, 실시예에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 실시예들이 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 실시예를 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상, 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 실시예의 범위가 한정되는 것은 아니다.
또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
100: 통합 생육 플랫폼
110: 작물 재배 장치
120: 광 공급 장치
130: 미세조류 순환 장치
140 : 영상 취득 장치
141: 제1 카메라부
142: 제2 카메라부
143: 제3 카메라부
144: 임베디드부
150: 생육 분석 장치
160: 환경 제어 장치

Claims (9)

  1. 작물을 생육하기 위한 베드, 상기 베드를 거치하는 거치 프레임 및 상기 베드에 양액을 공급하는 양액 공급기를 구비하는, 작물 재배 장치;
    상기 거치 프레임에 고정되고, 상기 베드의 상면과 마주하여 배치되는 광원을 포함하는, 광 공급 장치;
    상기 광원의 하부에 이격되어 배치되는 배양관과 미세조류 배양액을 순환하기 위한 순환 펌프 및 리저버를 구비하는, 미세조류 순환 장치;
    상기 베드 및 상기 배양관의 영상을 취득하는, 영상 취득 장치;
    상기 영상 취득 장치가 취득한 영상 정보를 바탕으로 상기 작물 및 상기 미세조류의 생육 분석 정보를 생성하는, 생육 분석 장치; 및
    상기 생육 분석 정보를 바탕으로 상기 작물의 생육 환경을 제어하는, 환경 제어 장치;를 포함하는, 통합 생육 플랫폼.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 영상 취득 장치는,
    상기 작물의 위치와 형상 정보를 취득하는 제1 카메라부;
    상기 작물 및 상기 미세조류의 분광 이미지를 취득하고, 상기 분광 이미지로부터 상기 작물이 반사하는 빛의 주파수에 따라 작물의 식생 지수와 당도 등을 확인하는 제2 카메라부;
    상기 작물 및 상기 미세조류의 열화상 이미지를 취득하고, 상기 열화상 이미지로부터 상기 작물의 품질을 확인하는 제3 카메라부; 및
    상기 제1, 2, 3 카메라부를 제어하고, 상기 제1, 2, 3 카메라부로부터 취득된 이미지 정보를 전송하는 임베디드부를 포함하는, 통합 생육 플랫폼.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 생육 분석 장치는 상기 제1, 2, 3 카메라부로부터 취득된 이미지 정보를 기초로 상기 작물의 생육 분석 정보를 취득하고,
    상기 환경 제어 장치는 상기 생육 분석 정보를 기초로 상기 광 공급 장치의 광량, 광도 및 광 파장을 제어하는, 통합 생육 플랫폼.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 환경 제어 장치는 상기 생육 분석 정보를 기초로 상기 작물에 공급되는 양액 및 상기 작물이 재배되는 환경의 온도 및 습도를 제어하는, 통합 생육 플랫폼.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 생육 분석 정보는 상기 작물의 좌표, 거리, 과장, 과폭 및 성숙도와 상기 미세조류의 상태 정보를 포함하는, 통합 생육 플랫폼.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 양액 공급기는 상기 미세조류 순환 장치에 상기 양액 또는 상기 베드를 통과한 잉여 양액을 공급하는, 통합 생육 플랫폼.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미세조류 순환 장치는 상기 양액 공급기에 상기 미세조류 배양액을 공급하는, 통합 생육 플랫폼.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 작물은 딸기인, 통합 생육 플랫폼.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 미세조류는 클로렐라, 유글레나 및 헤마토코쿠스 중 어느 하나 이상을 포함하는, 통합 생육 플랫폼.
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