KR20230060815A - Edge computing device for smart farm and smart farm including same - Google Patents

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KR20230060815A KR1020210145413A KR20210145413A KR20230060815A KR 20230060815 A KR20230060815 A KR 20230060815A KR 1020210145413 A KR1020210145413 A KR 1020210145413A KR 20210145413 A KR20210145413 A KR 20210145413A KR 20230060815 A KR20230060815 A KR 20230060815A
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Abstract

본 발명은 재배 환경의 변화를 예측하여 재배환경을 선제적으로 제어하는 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치 및 이를 포함하는 스마트 팜을 제공한다. 본 발명은 작물이 재배되고 온도 및 습도를 포함하는 재배환경을 조절하는 시설장비가 구비되는 경작부의 재배환경을 센싱하여 환경 정보를 생성하는 환경센서로부터 상기 환경 정보를 수신하는 데이터 수신부와, 시계열 데이터 분석 모델로 상기 수신된 환경 정보를 분석하고 장래의 재배환경을 예측하여 상기 시설장비를 제어하는 제어부를 포함한다. The present invention provides an edge computing device for a smart farm that preemptively controls the cultivation environment by predicting changes in the cultivation environment, and a smart farm including the same. The present invention relates to a data receiving unit for receiving environmental information from an environmental sensor that senses the cultivation environment of a cultivation unit equipped with facilities and equipment for controlling the cultivation environment including temperature and humidity, in which crops are grown, and generates environment information, and time-series data. and a controller controlling the facility equipment by analyzing the received environmental information with an analysis model and predicting a future cultivation environment.

Description

스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치 및 이를 포함하는 스마트 팜{Edge computing device for smart farm and smart farm including same}Edge computing device for smart farm and smart farm including same {Edge computing device for smart farm and smart farm including same}

본 발명은 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치 및 이를 포함하는 스마트 팜에 관한 것으로, 재배 환경의 변화를 예측하여 재배환경을 선제적으로 제어하는 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치 및 이를 포함하는 스마트 팜에 관한 것이다. The present invention relates to an edge computing device for a smart farm and a smart farm including the same, and relates to an edge computing device for a smart farm that preemptively controls a cultivation environment by predicting changes in the cultivation environment, and a smart farm including the same.

여기서는, 본 발명에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).Here, background art related to the present invention is provided, and they do not necessarily mean prior art (This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).

1세대 전까지만 하더라도, 농작물을 재배하는 농업은 대표적인 노동 집약 산업의 하나로 분류되어왔다. 많은 작업이 기계화 되더라도 해당 기계를 작동함은 물론이고, 모든 작업을 100% 기계화할 수 없었기 때문이다.Until one generation ago, agriculture that cultivates crops has been classified as one of the representative labor-intensive industries. This is because even if many tasks are mechanized, it is not possible to mechanize all tasks 100%, let alone operate the machine.

또한, 농업기술은 기후의 영향이 크기 때문에, 정형화하여 기계화 또는 자동화하기 어렵다.In addition, since agricultural technology is highly influenced by climate, it is difficult to standardize and mechanize or automate.

그러나 이러한 농업은, 모든 사회 구성원들의 '먹거리'로서 삶을 영위하기 위한 가장 중요한 요소중에 하나인 식량을 확보하는 산업으로서, 특히 우리나라에서는 보호의 대상임과 동시에 자급자족이 절실한 산업이다.However, this agriculture is an industry that secures food, one of the most important factors for living as 'food' for all members of society, and is an industry in which self-sufficiency is desperately needed while being protected, especially in Korea.

한편, 최근 산업기술의 발달로 다양한 스마트팜(Smart Farm) 시스템이 소개되고 있으며, 다양한 형태로 사용되고 있다.On the other hand, with the recent development of industrial technology, various smart farm systems have been introduced and are being used in various forms.

스마트팜의 가장 기본적인 목적은, 소규모 인력으로 고품질의 농작물을 대량 생산하는 것이다.The most basic purpose of a smart farm is to mass-produce high-quality crops with a small workforce.

각종 자동화 장비를 이용함으로써, 작물재배 작업에 소요되는 수작업의 물리적인 시간을 크게 감소시킬 수 있었다. 따라서, 1인단 작물재배가 가능한 면적이 늘어남으로써, 면적당 작업인력은 크게 줄어들 수 있었다.By using various automated equipment, the physical time of manual work required for crop cultivation can be greatly reduced. Therefore, by increasing the area where one person can grow crops, the number of workers per area could be greatly reduced.

자동화 장비는 대량 생산에도 크게 효과적이며, 다양한 형태의 하우스 재배 방법이 발전함으로써, 기후와 계절의 영향을 최소화 할 수 있었다.Automation equipment is highly effective for mass production, and the influence of climate and seasons can be minimized through the development of various types of house cultivation methods.

그러나 작물의 고품질화는 상술한 요소들만으로 쉽게 성취하기 어려운 문제점이 있다.However, there is a problem that it is difficult to easily achieve high quality of crops only with the above-mentioned factors.

고품질의 작물재배는, 작물의 생육과정에서 나타나는 작물의 형태 및 크기에 따른 다양하고 적절한 대처가 필수적이다.In order to cultivate high-quality crops, it is essential to take various appropriate measures according to the shape and size of crops during the growth process.

지금까지의 스마트팜 시스템은, 하우스와 같이 외부와 경리되어 온습도와 같이 작물이 생육하는 경작부의 재배환경을 자동으로 감지하고 수집하고 있다.So far, smart farm systems have been managed with the outside, such as houses, and automatically detect and collect the cultivation environment of the cultivation area where crops grow, such as temperature and humidity.

그러나 재배환경의 변경된 시점에서 온습도 등의 환경을 제어하여, 선제적으로 재배환경을 제어하지 못하고 있다. However, it is not possible to preemptively control the cultivation environment by controlling the environment such as temperature and humidity at the time when the cultivation environment is changed.

본 발명은 재배 환경의 변화를 예측하여 재배환경을 선제적으로 제어하는 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치 및 이를 포함하는 스마트 팜을 제공한다. 그러나 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention provides an edge computing device for a smart farm that preemptively controls the cultivation environment by predicting changes in the cultivation environment, and a smart farm including the same. However, the scope of the present invention is not limited thereby.

본 발명의 일측면은, 작물이 재배되고 온도 및 습도를 포함하는 재배환경을 조절하는 시설장비가 구비되는 경작부의 재배환경을 센싱하여 환경 정보를 생성하는 환경센서로부터 상기 환경 정보를 수신하는 데이터 수신부와, 시계열 데이터 분석 모델로 상기 수신된 환경 정보를 분석하고 장래의 재배환경을 예측하여 상기 시설장비를 제어하는 제어부를 포함하는, 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치를 제공한다. One aspect of the present invention is a data receiver for receiving environmental information from an environmental sensor that senses the cultivation environment of a cultivation unit in which crops are grown and is equipped with facility equipment for controlling the cultivation environment including temperature and humidity to generate environmental information. and a controller for controlling the facility equipment by analyzing the received environmental information using a time-series data analysis model and predicting a future cultivation environment.

상기 환경 정보는 측정 시간과, 재배환경의 측정 데이터를 포함할 수 있다.The environment information may include a measurement time and measurement data of a cultivation environment.

상기 제어부는, 상기 제1 시점까지 환경 정보를 획득하고, 획득된 환경 정보를 이용하여 시계열 데이터 분석 모델의 파라미터를 추정하고, 상기 추정된 파라미터를 사용하는 시계열 데이터 분석 모델을 이용하여 상기 제1 시점 이후의 환경정보의 평균과 표준편차를 예측하고, 추정된 모수 및 파라미터를 사용하는 ARIMA 모델을 이용하여 시간별 측정 데이터 데이터가 존재하는 제 1 시점으로부터 일정기간 이후의 제 2 시점의 측정 데이터의 평균 및 표준편차를 예측하고, 예측된 평균 및 표준편차를 이용하여 제 2 시점의 측정 데이터의 신뢰구간(±β)을 계산하고, 기설정된 신뢰도 하에서, 미래의 제 2 시점의 측정 데이터의 평균값을 산출하고, 예측된 제 2 시점의 측정 데이터의 평균값이 소정의 범위 내에 존재하는지 판단하고, 판단 결과에 따라 시설장비를 제어할 수 있다.The control unit acquires environment information up to the first point in time, estimates a parameter of a time series data analysis model using the acquired environment information, and uses the time series data analysis model using the estimated parameter to determine the first point in time. The mean and standard deviation of subsequent environmental information is predicted, and the average and The standard deviation is predicted, a confidence interval (±β) of the measurement data at the second time point is calculated using the predicted average and standard deviation, and the average value of the measurement data at the second time point in the future is calculated under the preset reliability, , It is possible to determine whether the average value of the measured data of the predicted second time point exists within a predetermined range, and control the facility equipment according to the determination result.

상기 제 1 시점은 현재 시점이며, 상기 제2 시점은 제1 시점으로부터 소정의 장래 시점일 수 있다.The first point of view may be a current point of view, and the second point of view may be a predetermined future point of time from the first point of time.

한편, 본 발명의 다른 일 측면은, 작물이 재배되며 외부 환경과 격리된 공간을 포함하는 경작부와, 상기 경작부의 재배환경을 조절하는 시설장비와, 상기 재배환경재배환경을 센싱하여 환경정보를 생성하는 환경센서와, 전술한 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치를 포함하는, 스마트 팜을 제공한다. On the other hand, another aspect of the present invention is a cultivation unit including a space where crops are grown and isolated from the external environment, facility equipment for adjusting the cultivation environment of the cultivation unit, and environmental information by sensing the cultivation environment. It provides a smart farm, including an environmental sensor that generates and the above-mentioned edge computing device for a smart farm.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.Other aspects, features, and advantages other than those described above will become clear from the detailed description, claims, and drawings for carrying out the invention below.

본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치 및 이를 포함하는 스마트 팜은 선제적으로 제어하여, 작물을 적정 환경에서 재배할 수 있다. An edge computing device for a smart farm and a smart farm including the device according to an embodiment of the present invention can be preemptively controlled to grow crops in an appropriate environment.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치 및 이를 포함하는 스마트 팜는 예측 결과를 활용하여, 경작에 필요한 에너지를 절감할 수 있다. In addition, the edge computing device for smart farm and the smart farm including the device according to an embodiment of the present invention can use the predicted result to save energy required for cultivation.

물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치 및 이를 포함하는 스마트 팜을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치 및 이를 포함하는 스마트 팜을 개략적으로 도시한 순서도이다.
1 is a block diagram schematically illustrating an edge computing device for a smart farm and a smart farm including the same according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart schematically illustrating an edge computing device for a smart farm and a smart farm including the same according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 개시의 다양한 실시예가 첨부된 도면과 연관되어 기재된다. 본 개시의 다양한 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나, 이는 본 개시의 다양한 실시예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 다양한 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.Hereinafter, various embodiments of the present disclosure will be described in conjunction with the accompanying drawings. Various embodiments of the present disclosure may have various changes and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and related detailed descriptions are described. However, this is not intended to limit the various embodiments of the present disclosure to specific embodiments, and should be understood to include all changes and/or equivalents or substitutes included in the spirit and technical scope of the various embodiments of the present disclosure. In connection with the description of the drawings, like reference numerals have been used for like elements.

본 개시의 다양한 실시예에서 사용될 수 있는 "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 개시(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 개시의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Expressions such as “include” or “may include” that may be used in various embodiments of the present disclosure indicate the presence of disclosed functions, operations, or components, and may include one or more additional functions, operations, or components. components, etc. are not limited. In addition, in various embodiments of the present disclosure, terms such as "include" or "have" are intended to designate that there are features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, It should be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 개시의 다양한 실시예에서 "또는" 등의 표현은 함께 나열된 단어들의 어떠한, 그리고 모든 조합을 포함한다. 예를 들어, "A 또는 B"는, A를 포함할 수도, B를 포함할 수도, 또는 A 와 B 모두를 포함할 수도 있다.In various embodiments of this disclosure, expressions such as “or” include any and all combinations of the words listed together. For example, "A or B" may include A, may include B, or may include both A and B.

본 개시의 다양한 실시예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 실시예들의 다양한 구성요소들을 수식할 수 있지만, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 표현들은 해당 구성요소들의 순서 및/또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 상기 표현들은 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 사용자 기기와 제2 사용자 기기는 모두 사용자 기기이며, 서로 다른 사용자 기기를 나타낸다. 예를 들어, 본 개시의 다양한 실시예의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Expressions such as "first", "second", "first", or "second" used in various embodiments of the present disclosure may modify various components of various embodiments, but do not limit the components. don't For example, the above expressions do not limit the order and/or importance of corresponding components. The above expressions may be used to distinguish one component from another. For example, the first user device and the second user device are both user devices and represent different user devices. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may also be termed a first element, without departing from the scope of rights of various embodiments of the present disclosure.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.When an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, the element may be directly connected or connected to the other element, but with the other element. It should be understood that other new components may exist between the other components. On the other hand, when an element is referred to as being “directly connected” or “directly connected” to another element, it will be understood that no new element exists between the element and the other element. should be able to

본 개시의 다양한 실시예에서 사용한 용어는 단지 특정일 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시의 다양한 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Terms used in various embodiments of the present disclosure are only used to describe a specific embodiment, and are not intended to limit various embodiments of the present disclosure. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 개시의 다양한 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which various embodiments of the present disclosure belong.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 개시의 다양한 실시예에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in various embodiments of the present disclosure, ideal or excessively formal. not interpreted as meaning

이하에서 시스템은 장치들의 구성, 장치들의 작동 방법을 실행하는 컴퓨터 프로그램 및 컴퓨터 프로그램이 기록된 매체 중 적어도 어느 하나이거나, 이들 중 일부, 또는 이들 모두일 수도 있다. Hereinafter, a system may be at least one of configurations of devices, a computer program that executes a method of operating the devices, and a medium in which the computer program is recorded, some of them, or all of them.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 팜용 엣지컴퓨팅 장치 및 이를 포함하는 스마트 팜(100)을 개략적으로 도시하는 블록도이다. 1 is a block diagram schematically showing an edge computing device for a smart farm and a smart farm 100 including the device according to an embodiment of the present invention.

스마트 팜(100)은 경작부(110), 시설장비(120), 환경센서(130)를 포함한다. 경작부는 외부 환경과 격리된 공간이며, 작물이 재배된다. 예를 들어, 경작부는 하우스일 수 있다. The smart farm 100 includes a cultivation unit 110, facility equipment 120, and an environmental sensor 130. The cultivation area is a space isolated from the external environment, and crops are grown. For example, a farming department may be a house.

시설장비(120)는 작물이 재배되고 온도, 습도, 이산화탄소의 농도 등을 포함하는 재배환경을 조절할 수 있다. 예를 들어, 시설장비(120)는 보일러, 에어컨, 제습기, 가습기, 환기장치, 공조장치 등을 포함할 수 있다. The facility equipment 120 may control a cultivation environment including temperature, humidity, concentration of carbon dioxide, etc. in which crops are grown. For example, the facility equipment 120 may include a boiler, an air conditioner, a dehumidifier, a humidifier, a ventilator, an air conditioner, and the like.

환경센서(130)는 재배환경을 센싱하여 환경정보를 생성할 수 있다. 예를 들어, 환경센서(130)는 경작부의 온도, 습도, 이산화탄소의 농도를 측정하는 센서들을 포함할 수 있다. 이때, 즉 환경 정보는 측정 시간 및 재배환경이 측정 데이터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 환경 정보는 2021년 8월 1일 13:00:01, 27℃ 등의 데이터를 포함할 수 있다. The environmental sensor 130 may generate environmental information by sensing the cultivation environment. For example, the environment sensor 130 may include sensors that measure the temperature, humidity, and concentration of carbon dioxide in the cultivation area. In this case, the environment information may include measurement data of measurement time and cultivation environment. For example, the environmental information may include data such as 13:00:01 on August 1, 2021, 27°C.

추가적으로 스마트 팜 제어부(140)는 제어정보를 기반으로 시설장비(120)를 작동시킨다. 예를 들어, 스마트 팜(100) 제어부는 후술하는 바와 같이 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치(200)가 예측정보를 전송하면, 예측 정보에 따라 시설장비(120)를 제어할 수 있다. 또는 스마트 팜 제어부(140)는 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치(200)가 예측 정보에 따른 제어정보를 전송하면, 이에 따라 시설장비(120)를 제어할 수 있다. Additionally, the smart farm control unit 140 operates the facility equipment 120 based on the control information. For example, the control unit of the smart farm 100 may control the facility equipment 120 according to the predicted information when the edge computing device 200 for smart farm transmits predicted information, as will be described later. Alternatively, the smart farm controller 140 may control the facility equipment 120 when the edge computing device 200 for smart farm transmits control information according to the prediction information.

스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치(200)는 경작부의 환경정보를 예측하여, 시설장비(120)를 제어할 수 있다. 보다 상세히 스바트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치(200)는 시계열 데이터 분석 모델로 환경정보를 분석하고, 장래의 경작부의 재배환경을 예측하고, 예측 결과에 따라 시설장비(120)를 제어할 수 있다. The edge computing device 200 for smart farms can control the facility equipment 120 by predicting the environmental information of the farming unit. In more detail, the edge computing device 200 for a svart farm may analyze environmental information using a time-series data analysis model, predict a future cultivation environment of a cultivating unit, and control the facility equipment 120 according to the prediction result.

이로 인해, 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치(200)는 선제적으로 제어하여, 작물을 적정 환경에서 재배할 수 있다. Due to this, the edge computing device 200 for smart farms can be controlled preemptively to grow crops in an appropriate environment.

또한, 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치(200)는 예측 결과를 활용하여, 경작에 필요한 에너지를 절감할 수 있다. In addition, the edge computing device 200 for smart farms may use the prediction result to save energy required for cultivation.

예를 들어, 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치(200)는 온도가 적정 생육온도 범위보다 증가할 것으로 예측하면, 환기장치를 가동할 수 있다. 이로 인해, 에너지 절감 및 적정 생장 온도를 유지할 수 있다. 이때, 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치(200)는 직접 또는 간접적으로 시설장비(120)를 제어할 수 있다. For example, when the edge computing device 200 for smart farm predicts that the temperature will increase beyond an appropriate growth temperature range, the ventilation device may be operated. Due to this, it is possible to save energy and maintain an appropriate growth temperature. At this time, the edge computing device 200 for a smart farm may directly or indirectly control the facility equipment 120 .

이러한 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치(200)는 환경센서(130)로부터 상기 환경 정보를 수신하는 데이터 수집부(210)와, 시계열 데이터 분석 모델로 상기 수신된 환경 정보를 분석하고 장래의 재배환경을 예측하여 상기 시설장비(120)를 제어하는 제어부(220)를 포함할 수 있다. The edge computing device 200 for a smart farm includes a data collection unit 210 that receives the environmental information from the environmental sensor 130, analyzes the received environmental information with a time-series data analysis model, and predicts a future cultivation environment. A controller 220 controlling the facility equipment 120 may be included.

이하에서 시계열 데이터 분석 모델을 활용한 예측을 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, prediction using a time series data analysis model will be described in detail.

도 2를 참조하면, 제어부(220)는 환경 정보를 예측하기 위하여, 과거 또는 현재까지의 환경 정보를 모델링 대상으로 하여, 특정 시점(예컨대, 현재 시점)까지의 환경 정보를 획득한다(S10). Referring to FIG. 2 , in order to predict environment information, the control unit 220 obtains environment information up to a specific point in time (eg, the current point in time) using environment information up to the past or the present as a modeling target (S10).

제어부(220)는 수집된 환경 정보에 포함된 측정 시간별 측정 데이터 정보를 이용하여 시계열 데이터 분석 모델의 파라미터를 추정한다(S20). 시계열 분석과 관련하여, 단일 시계열분석(Univariate time series analysis)이란, 특정한 설명변수를 이용하지 않고 해당 시계열의 과거 정보만을 이용하여 현재 상태를 설명하고 미래의 변화 방향을 예측하는 기법이다. 즉 시계열 변수의 현재 상태를 시계열 변수의 내재적인 경향과 외적인 충격들의 결과로 보는 것이다.The control unit 220 estimates the parameters of the time series data analysis model using measurement data information for each measurement time included in the collected environment information (S20). Regarding time series analysis, univariate time series analysis is a technique of explaining the current state and predicting the direction of future change using only past information of the time series without using a specific explanatory variable. That is, the current state of time-series variables is seen as a result of internal trends and external shocks of time-series variables.

본 발명의 실시예에 따르면, 환경정보 예측을 위해 사용되는 시계열 데이터 분석 모델은, AR(Autoregressive) 모델(자기회귀 모델), MA(Moving Average) 모델(이동평균 모델), ARMA(Autoregressive Moving Average) 모델, ARIMA(Autoregressive Integrated Moving Average) 모델 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, ARIMA 모델을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the time series data analysis model used for predicting environmental information includes an autoregressive (AR) model (autoregressive model), a moving average (MA) model (moving average model), and an autoregressive moving average (ARMA) model. model and an autoregressive integrated moving average (ARIMA) model. In particular, according to embodiments of the present invention, it may be desirable to use the ARIMA model.

ARIMA 모델은 자기회귀(AR) 모델과 이동평균(MA) 모델을 결합하여 차분(differencing)한 모델이다. 자기회귀 모델은 과거의 상태가 현재에 미치는 영향으로부터 발생하는 변화를 반영하며, 이동평균 모델은 순수한 충격들의 영향에 의해서만 발생하는 변화를 반영한다. 두 모델의 결합은 충격요인이 안정적일 경우에만 설명이 가능하기 때문에 불안정적인 시계열변수를 안정화하는 방법으로서 차분을 이용한 것이다.The ARIMA model is a differencing model by combining an autoregressive (AR) model and a moving average (MA) model. Autoregressive models reflect changes that arise from the effects of past conditions on the present, while moving average models reflect changes that arise only from the effects of pure shocks. Since the combination of the two models can be explained only when the shock factor is stable, the difference is used as a method of stabilizing unstable time-series variables.

환경정보 예측에 사용되는 ARIMA 모델은 ARIMA(p,d,q)로 표현되고, 원시계열 Y(t)를 d차 차분한 시계열에 대해 자기회귀과정의 차수가 p이고 이동평균의 차수가 q인 시계열 과정임을 나타낸다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제어부(220)는 ARIMA(p,1,q)모델을 사용할 수 있다. 본 명세서 상에서, 파라미터라는 용어는 상기 ARIMA 모델의 모수 p, d, q 및/또는 상기 모수에 의해 결정된 ARIMA 모델의 수학식에 사용되는 계수를 포함하는 개념일 수 있다. ARIMA 모델의 상세한 동작과 관련하여서는, 제어부(220)는, ARIMA 모델의 모수들(p, d, q)의 값을 변화시켜가면서, 최적의 파라미터를 추정한다.The ARIMA model used for environmental information prediction is expressed as ARIMA(p,d,q), and the time series of which the order of the autoregressive process is p and the order of the moving average is q for the d-order differential time series of the original time series Y(t). indicates that it is a process. According to an embodiment of the present invention, the control unit 220 may use the ARIMA (p, 1, q) model. In this specification, the term parameter may be a concept including the parameters p, d, and q of the ARIMA model and/or coefficients used in equations of the ARIMA model determined by the parameters. Regarding the detailed operation of the ARIMA model, the control unit 220 estimates the optimal parameters while changing the values of the parameters (p, d, q) of the ARIMA model.

그리고는, 추정된 모수 및 파라미터를 사용하는 ARIMA 모델을 이용하여 시간별 측정 데이터 데이터가 존재하는 제 1 시점으로부터 일정기간 이후의 제 2 시점의 측정 데이터의 평균 및 표준편차를 예측한다(S30).Then, by using the ARIMA model using the estimated parameters and parameters, the average and standard deviation of the measurement data of the second time point after a certain period from the first time point in which the hourly measurement data data exists are predicted (S30).

그리고는, 예측된 평균 및 표준편차를 이용하여 제 2 시점의 측정 데이터의 신뢰구간(±β)을 계산한다(S40). 신뢰구간은 예측치에 적절한 신뢰 범위(β) 값을 더하고 뺀 구간이 된다.Then, a confidence interval (±β) of the measured data at the second time point is calculated using the predicted mean and standard deviation (S40). The confidence interval is obtained by adding and subtracting an appropriate confidence range (β) value from the predicted value.

다음으로, 제어부(220)는 기설정된 신뢰도 하에서, 미래의 제 2 시점의 측정 데이터의 평균값을 산출한다(S50). 신뢰도는 미래의 측정 데이터가 예측 측정 데이터의 범위를 벗어나는 확률을 의미한다. 제어부(220)는, 신뢰도가 설정되면, 정규분포를 가정하고 예상 평균 측정 데이터를 산출한다. 신뢰도가 클 경우, 예상을 벗어나는 측정 데이터가 실현될 가능성은 줄어들게 되나, 예측구간이 너무 커지게 되어 예측의 정밀도가 떨어진다. 신뢰도가 작은 경우, 범위가 작은 정밀 예측이 가능하나, 예측범위를 벗어날 가능성이 커진다. 본 발명의 실시예에 따르면, 신뢰도는 70%에서 90% 사이의 값이 바람직할 수 있다. 보다 바람직하게는, 80%가 적절하다.Next, the control unit 220 calculates an average value of measurement data at a second time point in the future under a preset reliability (S50). Reliability refers to the probability that future measurement data is outside the range of predicted measurement data. When the reliability is set, the control unit 220 assumes a normal distribution and calculates expected mean measurement data. If the reliability is high, the possibility of realizing measurement data that deviate from the expectation is reduced, but the prediction interval becomes too large, resulting in poor prediction precision. When the reliability is low, precision prediction with a small range is possible, but the possibility of out of the prediction range increases. According to an embodiment of the present invention, the reliability may preferably have a value between 70% and 90%. More preferably, 80% is appropriate.

측정 데이터의 예측치를 산출하고 나면, 제어부(220)는 예측된 제 2 시점의 측정 데이터의 평균값이 소정의 범위 내에 존재하는지 판단한다.(S60)After calculating the predicted value of the measured data, the controller 220 determines whether the predicted average value of the measured data at the second point in time is within a predetermined range (S60).

그리고 제어부(220)는 판단 결과에 따라 시설장비(120)를 제어한다.(S70) 예를 들어, 온도의 경우 생장에 필요한 온도 범위가 15~18℃이나, 예측된 제 2 시점의 측정 데이터의 평균값이 20℃이이고, 현재 온도가 18℃일 수 있다. And the control unit 220 controls the facility equipment 120 according to the determination result (S70). For example, in the case of temperature, the temperature range required for growth is 15 to 18 ° C, but the measured data of the predicted second time point The average value may be 20°C, and the current temperature may be 18°C.

제어부(220)는 현재 온도가 적정 온도범위이기는 하나, 장래에 온도가 상승할 것으로 예측하였으므로, 에어컨을 가동하는 제어정보를 생성 및 전송하여, 시설장비(120)를 제어한다.Although the current temperature is within an appropriate temperature range, the controller 220 predicts that the temperature will rise in the future, and thus controls the facility equipment 120 by generating and transmitting control information for operating the air conditioner.

이때, 제어부(220)는 에어컨을 약하게 가동하여 온도를 유지할 수 있으므로, 에너지를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 온도를 효과적으로 유지할 수 있다. At this time, since the controller 220 can maintain the temperature by operating the air conditioner weakly, energy can be saved and the temperature can be effectively maintained.

여기서 제 1 시점은 현재 시점이며, 상기 제2 시점은 제1 시점으로부터 소정의 시간이 이격될 수 있다. 예를 들어, 제2 시점은 현재 시점인 제 1 시점으로부터 30분 또는 1시간 장래의 시점일 수 있다. Here, the first viewpoint is a current viewpoint, and the second viewpoint may be separated by a predetermined time from the first viewpoint. For example, the second point of view may be a point of time 30 minutes or one hour in the future from the first point of time, which is the present point of time.

그리고 엣지 컴퓨팅 장치(200)는 이러한 예측을 반복하여, 장래 온도 추이를 예측하고, 이에 따라 제어할 수 있다. The edge computing device 200 may repeat the prediction to predict future temperature trends and control accordingly.

한편, ARIMA(Autoregressive Integrated Moving Average) 모델의 동작방법을 구체적으로 설명하면, 제어부(220)는 ARIMA(p,1,q) 모델을 설정한다. 기본적으로 제어부(220)는 시계열의 비정상성(non-stationary)를 설명하기 위해 예측치간의 차분값(d)은 1로 설정한다. 다만, 반드시 1로만 설정해야만 하는 것을 아니다. 0 또는 2 내지 5의 값을 가질 수 있다. 그리고는, 제 1 모수(p)의 값과 제 3 모수(q) 값을 설정한다. 앞서 설명한 바와 같이, 제 1 모수(p)는 AR 모델의 래그(lag)를 의미하는 모수이고, 제 3 모수(q)는 MA 모델의 래그를 의미한다.On the other hand, to describe the operating method of the ARIMA (Autoregressive Integrated Moving Average) model in detail, the controller 220 sets the ARIMA (p, 1, q) model. Basically, the control unit 220 sets the difference value d between predicted values to 1 in order to explain non-stationary time series. However, it is not necessarily set to only 1. It can have a value of 0 or 2 to 5. Then, the value of the first parameter (p) and the value of the third parameter (q) are set. As described above, the first parameter (p) is a parameter meaning the lag of the AR model, and the third parameter (q) means the lag of the MA model.

제어부(220)는, p 값과 q 값은 0부터 5의 값으로 변화시켜가면서, 모수의 값과 파라미터 값을 추정한다. 본 발명의 일 실시예에 따라 ARIMA(p,1,q) 모델은 (t+1) 시점의 측정 데이터 값을 p의 이전 측정 데이터 값 Y(t) 및 q개의 이전 예측 오류 값 e(t)의 선형 결합으로 표현하고, 표현된 수학식에 기반하여 예측치를 산출한다.The control unit 220 estimates the parameter value and the parameter value while changing the p value and the q value from 0 to 5. According to an embodiment of the present invention, the ARIMA (p,1,q) model converts the measured data value at time (t+1) to the previous measured data value Y(t) of p and q previous prediction error values e(t) It is expressed as a linear combination of , and the predicted value is calculated based on the expressed equation.

예컨대, p가 1이고 q는 0인 ARIMA 모델은 Y(t) = Y(t-1) + A * (Y(t-1)-Y(t-2)) + e(t)의 수학식으로 표현되고, 여기서, 제어부(220)는, 이전 측정 데이터의 차분값 (Y(t-1)-Y(t-2))에 대한 계수 A를 추정한다. 여기서, e(t)는 화이트 노이즈를 나타낼 수 있다.For example, an ARIMA model where p is 1 and q is 0 is Y(t) = Y(t-1) + A * (Y(t-1)-Y(t-2)) + e(t) , Here, the control unit 220 estimates the coefficient A for the difference value (Y(t-1)-Y(t-2)) of the previous measurement data. Here, e(t) may represent white noise.

예컨대, p가 1이고 q도 1인 ARIMA 모델은 Y(t) = Y(t-1) + A * (Y(t-1)-Y(t-2)) + e(t) + B * e(t-1)의 수학식으로 표현되고, 여기서, 제어부(220)는, 이전 측정 데이터의 차분값(Y(t-1)-Y(t-2))에 대한 계수 A뿐만 아니라, 이동평균계수 B를 추정한다. e(t)는 t 시점의 오차항이다.For example, an ARIMA model where p is 1 and q is 1 is Y(t) = Y(t-1) + A * (Y(t-1)-Y(t-2)) + e(t) + B * It is expressed by the equation of e(t-1), where the control unit 220 moves as well as the coefficient A for the difference value (Y(t-1)-Y(t-2)) of the previous measurement data. Estimate the average coefficient B. e(t) is the error term at time t.

제어부(220)는, p 및 q 값을 0부터 5까지 각각 변화시켜 가면서, 각각의 경우에 최적의 파라미터를 추정한다The control unit 220 estimates the optimal parameter in each case while changing the p and q values from 0 to 5, respectively

그리고, 최종적으로 예측오차가 가장 적은 p,q 값 및 파라미터를 확정하고, 이를 이용하여 미래시점의 측정 데이터를 예측한다And, finally, the p, q values and parameters with the smallest prediction error are determined, and the measurement data at the future point is predicted using them.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 방식과 같이, p, q 값을 랜덤으로 변화시키고 각각의 경우의 최적 파라미터를 추정하여 전체 비교한 후, 예측오차를 산출하여 가장 적은 예측오차를 나타내는 모수 및/또는 파라미터를 최적 파라미터로써 추정하는 방식이 아니라, 모수를 먼저 추정하여 ARIMA 모델을 선확정하고, ARIMA 모델의 수학식의 계수와 관련된 파라미터들, 예컨대, A 및/또는 B를 후속하여 추정하는 방식을 사용할 수 있다.On the other hand, according to another embodiment of the present invention, as in the above method, after randomly changing the p and q values, estimating the optimal parameters for each case and comparing all, the prediction error is calculated to indicate the smallest prediction error. Instead of estimating the parameters and/or parameters as optimal parameters, the ARIMA model is pre-determined by first estimating the parameters, and the parameters related to the coefficients of the equation of the ARIMA model, for example, A and/or B, are subsequently estimated. method can be used.

이때, 제어부(220)는, 모수 p 및 q 값을 ACF(Auto Correlation Function)과 PACF(Partial Auto Correlation Function)을 이용하여 최적의 값으로 추정한다. 즉, ARIMA 모델의 적합성을 위 두 함수를 이용하여 판단한다. 시계열 데이터가 AR의 특성을 띄는 경우, ACF는 천천히 감소하고 PACF는 처음 시차를 제외하고 급격히 감소한다. 반대로, MA의 특성을 띄는 경우 ACF는 급격히 감소하고 PACF는 천천히 감소한다. 급격히 감소하는 시차를 각 AR과 MA 모형의 모수(p, q)로 사용하는 것이 바람직하다. At this time, the controller 220 estimates the values of the parameters p and q as optimal values using an auto correlation function (ACF) and a partial auto correlation function (PACF). That is, the suitability of the ARIMA model is determined using the above two functions. When the time series data has AR characteristics, the ACF decreases slowly and the PACF decreases rapidly except for the first lag. Conversely, in the case of MA, the ACF decreases rapidly and the PACF decreases slowly. It is desirable to use rapidly decreasing lags as the parameters (p, q) of each AR and MA model.

다른 방법으로, p 및 q 값을 0부터 5까지 변화시켜 가면서 다양한 ARIMA 모델을 생성하고, 모델이 적합하지 않은 경우 ACF와 PACF의 모습에 따라 모델을 수정한다. 수정된 모델의 ACF와 PACF가 화이트 노이즈의 모습을 보일 때까지 이러한 과정을 반복하여 가장 적합한 모델을 채택하는 방법도 사용가능하다.Alternatively, various ARIMA models are created by varying the p and q values from 0 to 5, and if the model is not suitable, the model is modified according to the shape of the ACF and PACF. It is also possible to adopt the most appropriate model by repeating this process until the ACF and PACF of the modified model show the appearance of white noise.

위의 방법에 따라, ARIMA 모델(p,1,q)을 확정하고, 확정된 ARIMA 모델을 이용하여 상기 A 및/또는 B의 파라미터 값을 추정한다. 파라미터 추정이 완료되면, 제어부(220)는, 기확보된 실제 데이터, 즉, 일정기간의 측정 데이터를 테스트 데이터로 이용하여 ARIMA 모델의 파라미터의 적합성을 판단한다. 즉, 예측치와 실제 측정 데이터와의 예측 오차를 산출하여 가장 적은 오차를 나타내는 파라미터를 갖는 모델을 최종 모델로 채택한다.According to the above method, the ARIMA model (p, 1, q) is determined, and the parameter values of A and/or B are estimated using the determined ARIMA model. When the parameter estimation is completed, the control unit 220 determines the suitability of the parameters of the ARIMA model by using previously secured actual data, that is, measurement data for a certain period of time as test data. That is, a prediction error between the predicted value and the actual measurement data is calculated, and a model having a parameter representing the smallest error is adopted as a final model.

이로 인해, 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치(200)는 선제적으로 제어하여, 작물을 적정 환경에서 재배할 수 있다. Due to this, the edge computing device 200 for smart farms can be controlled preemptively to grow crops in an appropriate environment.

또한, 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치(200)는 예측 결과를 활용하여, 경작에 필요한 에너지를 절감할 수 있다. In addition, the edge computing device 200 for smart farms may use the prediction result to save energy required for cultivation.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.In this way, the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but this is only exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. . Therefore, the true technical scope of protection of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

Claims (5)

작물이 재배되고 온도 및 습도를 포함하는 재배환경을 조절하는 시설장비가 구비되는 경작부의 재배환경을 센싱하여 환경 정보를 생성하는 환경센서로부터 상기 환경 정보를 수신하는 데이터 수집부;
시계열 데이터 분석 모델로 상기 수신된 환경 정보를 분석하고 장래의 재배환경을 예측하여 상기 시설장비를 제어하는 제어부;
를 포함하는, 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치.
a data collection unit that receives environmental information from an environment sensor that senses the cultivation environment of the cultivation unit where crops are grown and is equipped with equipment for controlling the cultivation environment including temperature and humidity;
a control unit controlling the facility equipment by analyzing the received environmental information using a time-series data analysis model and predicting a future cultivation environment;
Including, edge computing device for smart farm.
제 1 항에 있어서,
상기 환경 정보는 측정 시간과, 재배환경의 측정데이터를 포함하는, 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치.
According to claim 1,
The environmental information includes a measurement time and measurement data of a cultivation environment, an edge computing device for a smart farm.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1 시점까지 환경 정보를 획득하고,
획득된 환경 정보를 이용하여 시계열 데이터 분석 모델의 파라미터를 추정하고,
상기 추정된 파라미터를 사용하는 시계열 데이터 분석 모델을 이용하여 상기 제1 시점 이후의 환경정보의 평균과 표준편차를 예측하고,
추정된 모수 및 파라미터를 사용하는 ARIMA 모델을 이용하여 시간별 측정 데이터 데이터가 존재하는 제 1 시점으로부터 일정기간 이후의 제 2 시점의 측정 데이터의 평균 및 표준편차를 예측하고,
예측된 평균 및 표준편차를 이용하여 제 2 시점의 측정 데이터의 신뢰구간(±β)을 계산하고,
기설정된 신뢰도 하에서, 미래의 제 2 시점의 측정 데이터의 평균값을 산출하고,
예측된 제 2 시점의 측정 데이터의 평균값이 소정의 범위 내에 존재하는지 판단하고,
판단 결과에 따라 시설장비를 제어하는, 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치.
According to claim 1,
The control unit,
Obtaining environmental information up to the first point in time;
Estimating the parameters of the time series data analysis model using the obtained environmental information,
Predicting the average and standard deviation of the environmental information after the first time point using a time series data analysis model using the estimated parameters,
Predicting the average and standard deviation of measurement data at a second time point after a certain period from a first time point in which hourly measurement data data exists using an ARIMA model using estimated parameters and parameters,
Calculate a confidence interval (±β) of the measured data at the second time point using the predicted mean and standard deviation,
Calculate an average value of measurement data at a second time point in the future under a preset reliability;
It is determined whether the average value of the measured data of the predicted second time point is within a predetermined range;
An edge computing device for smart farms that controls facility equipment according to the judgment result.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 시점은 현재 시점이며, 상기 제2 시점은 제1 시점으로부터 소정의 장래 시점인, 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치,
According to claim 3,
The first point in time is a current point in time, and the second point in time is a predetermined future point in time from the first point in time, an edge computing device for a smart farm,
작물이 재배되며, 외부 환경과 격리된 공간을 포함하는 경작부;
상기 경작부의 재배환경을 조절하는 시설장비;
상기 재배환경재배환경을 센싱하여 환경정보를 생성하는 환경센서; 및
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 스마트 팜용 엣지 컴퓨팅 장치;
를 포함하는, 스마트 팜.
A cultivation unit including a space in which crops are grown and isolated from the external environment;
Facility equipment for controlling the cultivation environment of the cultivating unit;
an environment sensor for sensing the cultivation environment and generating environment information; and
Claims 1 to 4 of any one of the edge computing device for a smart farm;
Including, smart farm.
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