KR20230027483A - 실내 원예 환경에서의 관수 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

적어도 하나의 프로세서에 의해 수행되는 실내 공간에서의 식물에 대한 관수기의 제어 방법은, 상기 식물의 수분활성도를 획득하는 단계, 상기 실내 공간의 상대습도를 획득하는 단계, 상기 수분활성도와 상기 상대습도의 차이와 상기 실내 공간의 온도에 기반한 수식을 이용하여 복수의 시점들마다 상기 식물의 증산 활동성 지표값들을 실시간으로 계산하고 상기 증산 활동성 지표값들을 메모리에 저장하는 단계, 상기 증산 활동성 지표값들을 누적 시작 시점부터 현재까지 누적한 값이 기준값이 되면 상기 관수기가 관수를 수행하도록 제어 신호를 발생시키는 단계, 및 상기 누적 시작 시점을 현재 시점으로 초기화하고 상기 누적한 값을 0으로 초기화하는 단계를 포함하고, 상기 수식은 아래와 같고,
Figure pat00011

(DAT : 증산 활동성 지표값, Aw :수분활성도, RH : 상대습도, T : 온도(℃)), 상기 수분활성도와 상기 상대습도는 0보다 크거나 같고 1보다 작거나 같고, 상기 증산 활동성 지표값은 상기 수분활성도가 상대습도보다 낮으면 0이고, 상기 관수기의 관수량은 상기 기준값에 비례하도록 결정된다.

Description

실내 원예 환경에서의 관수 제어 방법{WATERING CONTROL METHOD IN INDOOR HORTICULTURAL ENVIRONMENT}
본 발명은 실내 원예 환경에서의 관수 제어 방법에 관한 것이다.
자동관수기를 이용한 일반적인 관수 방법은 (1)정해진 시간에 관수를 수행하는 시간관수법, (2)일사(日射, Solar radiation) 센서를 이용하여 누적일사량 값을 계산, 이를 이용하여 관수하는 일사비례관수법이 있다.
시간관수법을 이용하여 관수를 수행하면 식물 개체의 물,양분에 대한 소비, 요구량에 관계없이 관수를 수행하기에 식물의 생장장애, 물과 비료와 에너지가 낭비된다는 단점이 있다. 일사비례관수법은 태양의 일사량에 따라 관수량을 비례적으로 조절하여, 식물 개체가 물과 비료의 필요량에 비례하여 관수할 수 있다는 장점이 있으나, 일사가 제한되는 실내원예에서는 일사센서를 이용한 광량 측정이 제한되므로, 일사비례관수법을 도입할 수 없다.
인공광형 식물공장 등의 실내원예시설 및 가정의 실내생활원예 환경에서 식물의 수분,양분 요구량에 맞춰 관수할 수 있는 자동관수법이 필요하다.
수증기압차(VPD : vapour-pressure deficit)는 식물의 증산작용이 활발히 일어날 수 있는 범위를 나타내는 지표로서, 온실내 환경제어 목표값으로 설정하는 것이 일반적이나, 식물 개체 수에 비해 공간이 넓은 실내 생활원예 환경에서는 이를 조절해주기 어렵다. 다만, VPD를 이용한 작물재배 환경관리 방법이 관행적으로 사용되고 있다.
하지만, VPD만에 의존한 식물의 관수/관비관리는 다음과 같은 한계점이 있다. ①식물의 증산이 잘 일어나는 식물과 그렇지 않은 식물의 차이(예를들면, 토마토와 선인장의 증산 속도는 분명 차이가 있다)를 반영하지 못하며, ②증류수와 같은 100% 자유수의 경우에는 약간의 수증기압 차이로도 증발이 이루어지기에 VPD가 순수한 물의 증발을 나타내는 지표로 쓰일 수 있으나, 식물 내에는 결합수 상태로 존재하는 물도 존재하고 식물은 물분자를 붙잡아두려는 성질이 있으므로 VPD를 그대로 식물의 증산 작용을 나타내는 지표로 사용하기에는 부적절하다. 또한 ③VPD는 어느 한 순간의 수증기압 포차를 나타내는 지표이기에, 이를 이용하여 식물에 관수하기 위해서는 관수에 이용할 수 있는 시계열정보, 그리고 시계열정보를 가공한 지표로서 변환해 줄 필요가 있다.
식물의 증산량을 보다 정확하게 유추하기 위한 새로운 지표를 정의하고, 상기 지표에 기반하여 관수시점과 관수량이 조절될 수 있다.
본 실시 예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 이하의 실시 예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
적어도 하나의 프로세서에 의해 수행되는 실내 공간에서의 식물에 대한 관수기의 제어 방법은, 상기 식물의 수분활성도를 획득하는 단계, 상기 실내 공간의 상대습도를 획득하는 단계, 상기 수분활성도와 상기 상대습도의 차이와 상기 실내 공간의 온도에 기반한 수식을 이용하여 복수의 시점들마다 상기 식물의 증산 활동성 지표값들을 실시간으로 계산하고 상기 증산 활동성 지표값들을 메모리에 저장하는 단계, 상기 증산 활동성 지표값들을 누적 시작 시점부터 현재까지 누적한 값이 기준값이 되면 상기 관수기가 관수를 수행하도록 제어 신호를 발생시키는 단계, 및 상기 누적 시작 시점을 현재 시점으로 초기화하고 상기 누적한 값을 0으로 초기화하는 단계를 포함하고, 상기 수식은 아래와 같고,
Figure pat00001
(DAT : 증산 활동성 지표값, Aw :수분활성도, RH : 상대습도, T : 온도(℃)), 상기 수분활성도와 상기 상대습도는 0보다 크거나 같고 1보다 작거나 같고, 상기 증산 활동성 지표값은 상기 수분활성도가 상대습도보다 낮으면 0이고, 상기 관수기의 관수량은 상기 기준값에 비례하도록 결정된다.
일반 노지 및 온실에서 적용되던 일사비례관수를 대신하여 실내 식물공장 및 생활원예 환경에서 적용할 수 있는 새로운 관수 제어 방법이 개시되므로 보다 정확한 관수 제어가 가능하다.
도1은 일 실시 예에 따라, 적어도 하나의 프로세서에 의해 수행되는 실내 공간에서의 식물에 대한 관수기의 제어 방법의 흐름도를 나타낸다.
아래에서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들(이하, 통상의 기술자들)이 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록, 첨부되는 도면들을 참조하여 몇몇 실시 예가 명확하고 상세하게 설명될 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다.
먼저 본 발명의 이론적 기반이 되는 내용을 설명하고 그에 기반한 새로운 지표를 정의한다. 그리고 새로운 지표에 기반하여 관수 제어를 수행하는 방법을 설명하도록 한다.
증류수는 실내 공간의 포화 수증기압과 현재 수증기압의 차이가 있으면 증발한다. 즉, 실내 공간의 VPD 가 0보다 크면 증류수는 증발이 가능하다. 예를 들어, 밀폐된 공간의 현재 습도가 80%라면 컵 안의 물은 습도가 100%가 될 때까지 증발이 일어날 수 있다. 즉, VPD는 20%의 습도를 올리기 위해 필요한 물의 기압이라고 볼 수 있고 증류수의 평형 상태, 즉 증발이 발생하지 않는 평형 수증기압은 포화 수증기압과 동일하다.
그러나, 식물의 경우 물분자를 붙잡고 있으려는 성질이 있기 때문에 기준 습도(100%보다 작음)까지만 증발이 발생된다. 예를 들어, 선인장과 같은 식물은 물을 붙잡고 있는 성질이 강하므로 현재 습도가 60%일 때에도 물을 증발시키지 않을 수 있고 물을 붙들고 있는 성질이 약한 배추는 현재 습도가 95%일 때에도 물을 증발시킬 수 있다. 모든 식물은 물분자를 붙잡아두는 성질이 조금이라도 있으므로 평형 수증기압(즉, 식물에서 더이상 증산이 일어나지 않는 실내 환경의 수증기압)은 포화 수증기압보다 항상 낮다.
하기 수식 1은 실내 공간의 VPD 를 구하는 수식이다.
[수식 1]
Figure pat00002
RH : 상대습도(현재 수증기압/포화 수증기압)(0
Figure pat00003
RH
Figure pat00004
1)
T: 공기 온도(℃)
P: 현재 수증기압
P0 : 포화 수증기압
식물의 수분활성도(Aw : Water Activity)는 식물의 종류 및 상태에 따라 다르며, 다음과 같이 나타낼 수 있다. 식물의 수분활성도(Aw)가 높을수록 물을 붙들고 있으려는 성질이 약하고 수분활성도(Aw)가 낮을수록 물을 붙들고 있으려는 성질이 강한 것으로 정의될 수 있다. 즉, 평형수증기압이 높을수록 수분활성도(Aw)가 높아진다. 특정 식물종의 수분활성도는 수분활성도 측정기에 의해 측정되거나 미리 알려져있을 수 있다.
[수식 2]
Figure pat00005
P0 : 포화수증기압
PE : 평형수증기압
ERH : Equilibrium Relative Humidity, 평형상대습도
식물에서의 증산 작용은 수분활성도 Aw 가 실내 환경의 상대습도인 RH 보다 클 때에만 발생한다. 따라서, 본 발명에서는 상기 이론을 바탕으로 식물의 증산 정도를 추측하기 위해 VPD 를 사용하는 대신 나타내는 새로운 지표인 증산 활동성 지표값(Degree of Transpiration Activity, DTA)을 제시한다.
DTA 는 평형 수증기압과 현재 수증기압의 차이(PE - P)로 정의되며, 이에 대한 수식을 상기 [수식 2]와 아래 [수식 3]를 이용하여 풀면 아래 [수식 4]처럼 된다.
[수식 3]
Figure pat00006
(T : 현재 실내 환경 온도(℃))
[수식 4]
Figure pat00007
(P
Figure pat00008
PE)
만약 PE < P 또는 Aw < RH 라면 식물에서 증산 작용이 발생하지 않으므로 증산 활동성 지표값(DTA)은 0이다.
증산 활동성 지표값은 특정 시점에 대해 획득되는 값이므로, 증산 활동성 지표값을 복수의 시점마다 실시간으로 계산하고 이를 제1시점(누적 시작 시점)부터 제2시점(누적 종료 시점)까지 누적한 값을 관수 제어에 사용할 수 있다. 이를 위해, 매 시점 계산된 증산 활동성 지표값들이 메모리에 저장되고 제1시점(t0) 부터 제2시점(t1)까지 획득된 증산 활동성 지표값들이 합산될 수 있다(아래 수식 5 참조).
[수식 5]
Figure pat00009
증산 활동성 지표값들을 누적 시작 시점부터 현재까지 누적한 값(누적 증산 활동성 지표값)이 기준값이 되면 현재 시점이 누적 종료 시점이 되고 관수기가 관수를 수행할 수 있다. 예를들어, 누적 증산 활동성 지표값이 100kPa· min 이 되면 관수를 수행할 수 있으며, 누적 증산 활동성 지표값과 누적 시작 시점을 초기화하여 다음 관수를 위해 준비한다. 일 실시 예에 따라 관수량은 k·DTAaccum일 수 있다(k는 상수). 즉, 관수량은 누적 증산 활동성 지표값이 클수록 많아지고 누적 증산 활동성 지표값이 작을수록 작아질 수 있다.
도1은 일 실시 예에 따라, 상기 설명과 이론들을 바탕으로 제안된 새로운 지표값에 기반하여, 적어도 하나의 프로세서 또는 컨트롤러에 의해 수행되는 실내 공간에서의 식물에 대한 관수기의 제어 방법의 흐름도를 나타낸다. 적어도 하나의 프로세서 또는 컨트롤러는 관수기 내부에 위치할 수도 있고 외부에 위치할 수도 있다. 도1의 흐름도는 적어도 하나의 프로세서와 메모리를 포함하는 컴퓨팅 장치에 의해 수행될 수도 있다.
단계 S1100에서, 적어도 하나의 프로세서는 관수 제어를 위해 실내 공간에 위치한 식물의 수분활성도를 획득할 수 있다. 수분활성도(Aw : Water Activity)는 물질의 물리적, 화학적, 미생물학적 성질, 즉 물질의 유동성, 응집성, 점착력과 정전기 현상 등에 영향을 미친다. 수분활성도는 수분활성도 측정기(예를 들어, 시중에서 판매하는)를 이용하여 측정되거나 식물 품종들마다 미리 알려지거나 측정된 수분활성도 정보를 메모리로부터 읽어올 수 있다. 수분활성도는 0보다 크거나 같고 1보다 작거나 같은 값이다.
단계 S1200에서, 적어도 하나의 프로세서는 실내 공간의 상대습도를 획득할 수 있다. 상대습도는 공기 속에 포함되어 있는 수증기의 양을 표현하는 대표적인 값으로서 흔히 습도라고 부르기도 한다. 상대습도는 일정한 부피의 공기가 최대로 품을 수 있는 포화수증기압에 비해 현재 포함되어 있는 수증기양의 비율을 백분율(%)로 표시한 값이다. 가령, 공기 속에 수증기가 전혀 존재하지 않는 완전 건조한 상태라면 0% 상대습도를 갖고, 포화수증기압 만큼의 수증기가 들어있다면 100% 상대습도를 갖게 된다. 일 실시 예에 따라, 적어도 하나의 프로세서는 습도센서로부터 상대습도정보를 전달받을 수 있다.
단계 S1300에서, 적어도 하나의 프로세서는 수분활성도와 상대습도의 차이와 실내 공간의 온도에 기반하여 복수의 시점들마다 식물의 증산 활동성 지표값을 실시간으로 계산할 수 있다. 증산 활동성 지표값(DAT)을 계산하는 수식은 상술한 [수식 4]와 같다. 일 실시 예에 따라, 현재 획득된 증산 활동성 지표값은 메모리에 저장될 수 있다.
단계 S1400에서, 적어도 하나의 프로세서는 증산 활동성 지표값들을 누적 시작 시점부터 현재까지 누적한 값이 기준값이 되면 관수기가 관수를 수행하도록 제어 신호를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 단계 S1300에서 현재 시점에 대해 획득된 증산 활동성 지표값들은 메모리에 저장되고 누적 시작 시점부터 현재까지 획득된 복수의 증산 활동성 지표값들이 누적 합산될 수 있다. 누적 시작 시점이란 이전 관수가 수행된 직후의 시점일 수 있다. 이를 위해, 적어도 하나의 프로세서는 현재 획득된 증산 활동성 지표값을 이전까지의 누적 증산 활동성 지표값과 합산할 수 있다. 상술한 수식5는 누적을 위한 수식의 일 예를 나타낸다. 적어도 하나의 프로세서는 누적된 값, 즉 누적 증산 활동성 지표값이 기준값이 되면 관수를 수행하도록 제어신호를 발생시킬 수 있다. 관수량은 기준값에 비례하도록 결정될 수 있다. 단계 S1400의 기준값이 높을수록 식물의 증산량이 많다는 의미이므로 관수량이 많아질 필요가 있다. 상기 기준값이 클수록 관수 빈도는 적어지고 관수량은 많아질 수 있다. 상기 기준값이 작을수록 관수 빈도는 높아지고 관수량은 작아질 수 있다.
단계 S1500에서, 적어도 하나의 프로세스는 누적 시작 시점을 관수가 수행된 직후 시점으로 초기화하고 누적 증산 활동성 지표값을 0으로 초기화시킬 수 있다. 관수가 수행되었으므로 다음 관수 시점을 결정하기 위해 새롭게 증산 활동성 지표값을 누적 합산하기 위함이다.
설명들은 본 발명을 구현하기 위한 예시적인 구성들 및 동작들을 제공하도록 의도된다. 본 발명의 기술 사상은 위에서 설명된 실시 예들뿐만 아니라, 위 실시 예들을 단순하게 변경하거나 수정하여 얻어질 수 있는 구현들도 포함할 것이다. 또한, 본 발명의 기술 사상은 위에서 설명된 실시 예들을 앞으로 용이하게 변경하거나 수정하여 달성될 수 있는 구현들도 포함할 것이다.

Claims (1)

  1. 적어도 하나의 프로세서에 의해 수행되는 실내 공간에서의 식물에 대한 관수기의 제어 방법에 있어서,
    상기 식물의 수분활성도를 획득하는 단계;
    상기 실내 공간의 상대습도를 획득하는 단계;
    상기 수분활성도와 상기 상대습도의 차이와 상기 실내 공간의 온도에 기반한 수식을 이용하여 복수의 시점들마다 상기 식물의 증산 활동성 지표값들을 실시간으로 계산하고 상기 증산 활동성 지표값들을 메모리에 저장하는 단계;
    상기 증산 활동성 지표값들을 누적 시작 시점부터 현재까지 누적한 값이 기준값이 되면 상기 관수기가 관수를 수행하도록 제어 신호를 발생시키는 단계; 및
    상기 누적 시작 시점을 현재 시점으로 초기화하고 상기 누적한 값을 0으로 초기화하는 단계를 포함하고,
    상기 수식은 아래와 같고,
    Figure pat00010

    (DAT : 증산 활동성 지표값, Aw :수분활성도, RH : 상대습도, T : 온도(℃)),
    상기 수분활성도와 상기 상대습도는 0보다 크거나 같고 1보다 작거나 같고,
    상기 증산 활동성 지표값은 상기 수분활성도가 상대습도보다 낮으면 0이고,
    상기 관수기의 관수량은 상기 기준값에 비례하도록 결정되는 실내 공간에서의 식물에 대한 관수기의 제어 방법.
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