KR20240043986A - A method for providing an appropriate cultivation guid in a living horticultural environment - Google Patents
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Abstract
사물인터넷 기반 식물재배 시스템은, 식물에 공급되는 양액을 저장하기 위한 수조, 상기 식물 재배 장치의 외부의 공기를 흡입하여 상기 양액에 투입하기 위한 에어 펌프, 재배 환경과 관련된 정보들을 감지하기 위한 센서부, 상기 식물을 촬영하여 영상 데이터를 획득하기 위한 카메라, 상기 재배 환경과 관련된 변수를 조절하기 위한 액추에이터, 상기 액추에이터의 동작 조건과 동작 내용이 기록된 메모리, 및 상기 동작 조건과 상기 동작 내용에 기반하여 상기 식물 재배 장치의 동작을 제어하고 유선 또는 무선 통신 인터페이스가 포함된 적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 상기 센서부는, 온도 센서, 습도 센서, 광 센서, EC 센서를 포함하고, 상기 재배 환경과 관련된 정보는 상기 식물 재배 장치 내부의 온도 정보, 습도 정보, 조도 정보, 상기 양액의 EC 정보를 포함하고, 상기 식물의 성장도 향상을 위한 재배조건 탐색이라는 목적을 수행하기 위하여, 원격에서 다수의 사물인터넷 디바이스의 식물 재배환경을 실험계획법에 따라 제어 포인트를 다르게 설정하는 (alteration)기술이 적용되고, 사물인터넷 기술을 이용하여 여러개의 식물재배기 기기에서 식물의 성장도, 지상부 및 근권부 환경정보, 광 정보를 수집하고, 강화학습으로 더 나은 재배가이드 정보로 튜닝할 수 있다.The IoT-based plant cultivation system includes a water tank for storing the nutrient solution supplied to the plants, an air pump for sucking air from outside the plant cultivation device and injecting it into the nutrient solution, and a sensor unit for detecting information related to the cultivation environment. , a camera for acquiring image data by photographing the plant, an actuator for controlling variables related to the cultivation environment, a memory in which the operating conditions and operation contents of the actuator are recorded, and based on the operating conditions and the operation contents At least one processor controls the operation of the plant cultivation device and includes a wired or wireless communication interface, and the sensor unit includes a temperature sensor, a humidity sensor, an optical sensor, and an EC sensor, and information related to the cultivation environment. It includes temperature information, humidity information, illuminance information, and EC information of the nutrient solution inside the plant cultivation device, and to achieve the purpose of exploring cultivation conditions to improve the growth rate of the plant, a plurality of Internet of Things devices are remotely used. Alteration technology is applied to set different control points according to the experimental design method for the plant cultivation environment, and using IoT technology, plant growth rate, above-ground and root zone environmental information, and light information are collected from multiple plant cultivation devices. You can collect and tune it with better cultivation guide information through reinforcement learning.
Description
본 발명은 생활 원예 환경에서 식물이 생장하는 데에 필요한 환경 정보를 사용자에게 제공하기 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for providing users with environmental information necessary for plant growth in a living gardening environment.
최근에 1인 세대가 점차 증가하고 있다. 집 안에서 기르는 식물에 정서적 애착을 갖는 인구가 늘면서 '반려 식물'을 찾는 인구가 증가하는 추세이다. 하지만 전문 농업인이 아닌 일반인이 식물종의 특성을 제대로 알지 못하는 상태에서 특정 식물종을 재배하는 것은 쉽지 않다. 또한, 일상 생활과 생업 활동을 수행하는 일반인이 식물을 재배하기 위한 환경 관리와 생육 상태 진단을 하기는 쉽지 않다. Recently, the number of single-person households is gradually increasing. As the number of people who have an emotional attachment to the plants they grow at home increases, the number of people looking for 'companion plants' is increasing. However, it is not easy for ordinary people, other than professional farmers, to cultivate specific plant species without proper knowledge of the characteristics of the plant species. In addition, it is not easy for ordinary people who carry out daily life and livelihood activities to manage the environment for growing plants and diagnose growth conditions.
생활원예에서는 생산량과 수익을 우선시하여 재배하는 상업적 농산업 현장이 아닌 심미적인 목적을 고려하여, 최적 재배 가이드가 아닌 적정 재배가이드를 제공함을 목표로 설정한다. 재배 가이드는 식물이 생장하는 데에 필요한 환경 정보를 요약하여 제공하는 것을 말하는데 예로서 근권부, 지상부, 광 환경의 목표 제어점을 각 식물 종 별로 작성하여 제공하는 것을 의미할 수 있다.In residential horticulture, the goal is to provide an appropriate cultivation guide, not an optimal cultivation guide, considering aesthetic purposes rather than a commercial agricultural industry where production and profit are prioritized. A cultivation guide refers to providing a summary of environmental information necessary for plant growth. For example, it may mean providing target control points for the root zone, above-ground zone, and light environment for each plant species.
현대인의 다변화된 니즈에 맞춰 생활원예 작물의 종류도 상업적으로 널리 재배되는 작물에 비해 매우 다양한 종의 수, 그리고 비전문가의 눈높이에 맞춘 적정 정보 제공 필요하다.In line with the diversified needs of modern people, the number of domestic horticultural crops is much more diverse than that of crops widely grown commercially, and it is necessary to provide appropriate information tailored to the needs of non-experts.
작물별 적정 지상부 대기 온도, 습도, 조도, 근권부 전기전도도 정보를 제공하여 재배가이드로 이용할 수 있다. 일례로, 농촌진흥청의 스마트팜 최적환경 안내서비스 누리집에서는 3종의 상업작물(완숙 토마토, 딸기, 파프리카)의 최적 환경을 제공하고 있다.It can be used as a cultivation guide by providing information on the appropriate above-ground air temperature, humidity, illuminance, and root zone electrical conductivity for each crop. For example, the Rural Development Administration's smart farm optimal environment information service website provides the optimal environment for three types of commercial crops (ripe tomatoes, strawberries, and paprika).
수경재배 환경에서 식물의 최적 재배 가이드는 명확한 기준이 없으며, 사용자의 경험이나 관행적으로 수행해오던 기준에 의해 설정된다. 생활원예 환경인 가정의 실내 환경에 위치한 식물재배기에서의 식물재배는 습도, 광량 등이 상업적 시설원예 환경과 다르기 때문에, 실내 환경에 최적화된 재배가이드를 개발이 필요하다.There are no clear standards for the optimal cultivation guide for plants in a hydroponic cultivation environment, and is set based on the user's experience or customary standards. Since plant cultivation in a plant cultivator located in a home indoor environment, which is a living gardening environment, has different humidity and light levels from commercial facility gardening environments, it is necessary to develop a cultivation guide optimized for the indoor environment.
여러 종의 식물, 여러 환경에 따른 적정재배법 발굴 및 설정을 위하여 각 종의 개별 식물종에 대해 실험을 통해 최적 재배법을 도출해내는 것은 인력, 자원의 효율성이 좋지 않기 때문에 사물인터넷 기술을 이용한 데이터의 습득, 재배법 자동튜닝 방법이 개발이 필요하다.In order to discover and establish appropriate cultivation methods for various species of plants and various environments, deriving optimal cultivation methods through experiments on individual plant species of each species is not efficient in manpower and resources, so acquisition of data using IoT technology , an automatic tuning method for cultivation methods needs to be developed.
식물의 적정생육을 유지시키고 상업용 농산업 운영자가 아닌 일반 개인이 스마트폰, 컴퓨터 등을 이용하여 식물의 생육 상태를 쉽게 관리하기 위한 방법이 제공될 수 있다. A method can be provided to maintain the optimal growth of plants and to easily manage the growth status of plants by ordinary individuals, not commercial agricultural industry operators, using smartphones, computers, etc.
본 실시 예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 이하의 실시 예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.The technical challenge that this embodiment aims to achieve is not limited to the technical challenges described above, and other technical challenges can be inferred from the following embodiments.
사물인터넷 기반 식물재배 시스템은, 식물에 공급되는 양액을 저장하기 위한 수조, 상기 식물 재배 장치의 외부의 공기를 흡입하여 상기 양액에 투입하기 위한 에어 펌프, 재배 환경과 관련된 정보들을 감지하기 위한 센서부, 상기 식물을 촬영하여 영상 데이터를 획득하기 위한 카메라, 상기 재배 환경과 관련된 변수를 조절하기 위한 액추에이터, 상기 액추에이터의 동작 조건과 동작 내용이 기록된 메모리, 및 상기 동작 조건과 상기 동작 내용에 기반하여 상기 식물 재배 장치의 동작을 제어하고 유선 또는 무선 통신 인터페이스가 포함된 적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 상기 센서부는, 온도 센서, 습도 센서, 광 센서, EC 센서를 포함하고, 상기 재배 환경과 관련된 정보는 상기 식물 재배 장치 내부의 온도 정보, 습도 정보, 조도 정보, 상기 양액의 EC 정보를 포함하고, 상기 식물의 성장도 향상을 위한 재배조건 탐색이라는 목적을 수행하기 위하여, 원격에서 다수의 사물인터넷 디바이스의 식물 재배환경을 실험계획법에 따라 제어 포인트를 다르게 설정하는 (alteration)기술이 적용되고, 사물인터넷 기술을 이용하여 여러개의 식물재배기 기기에서 식물의 성장도, 지상부 및 근권부 환경정보, 광 정보를 수집하고, 강화학습으로 더 나은 재배가이드 정보로 튜닝할 수 있다.The IoT-based plant cultivation system includes a water tank for storing the nutrient solution supplied to the plants, an air pump for sucking air from outside the plant cultivation device and injecting it into the nutrient solution, and a sensor unit for detecting information related to the cultivation environment. , a camera for acquiring image data by photographing the plant, an actuator for controlling variables related to the cultivation environment, a memory in which the operating conditions and operation contents of the actuator are recorded, and based on the operating conditions and the operation contents At least one processor controls the operation of the plant cultivation device and includes a wired or wireless communication interface, and the sensor unit includes a temperature sensor, a humidity sensor, an optical sensor, and an EC sensor, and information related to the cultivation environment. It includes temperature information, humidity information, illuminance information, and EC information of the nutrient solution inside the plant cultivation device, and to achieve the purpose of exploring cultivation conditions to improve the growth rate of the plant, a plurality of Internet of Things devices are remotely used. Alteration technology is applied to set the plant cultivation environment differently according to the experimental design method, and using IoT technology, plant growth rate, above-ground and root zone environmental information, and light information are collected from multiple plant cultivation devices. You can collect and tune it with better cultivation guide information through reinforcement learning.
취미, 관상, 공기정화 등의 목적으로 가정이나 사무실에서 식물을 재배하려는 개인이 식물을 쉽고 재미있게 재배할 수 있는 장점이 있다. 생산량과 수익을 우선시하여 재배되는 상업적 농산업 현장이 아닌 심미적 목적을 고려한 생활원예 환경에서 식물 종, 생육 단계, 및 성장고에 기반하여 적절한 재배 가이드를 사용자에게 제공할 수 있다.Individuals who want to grow plants at home or in the office for purposes such as hobbies, ornamentation, or air purification have the advantage of being able to grow plants easily and with fun. Appropriate cultivation guides can be provided to users based on plant species, growth stage, and growth height in a living gardening environment that considers aesthetic purposes rather than a commercial agricultural industry where production and profit are prioritized.
도1은 일 실시 예에 따라, 개인용 식물 재배 시스템을 나타낸다.
도2는 일 실시 예에 따라, 소정의 어플리케이션에서 센서부에 의해 감지된 재배 환경 정보가 표시되는 화면을 나타낸다.
도3은 일 실시 예에 따라, 액추에이터를 제어하기 위해 소정의 어플리케이션에 표시되는 화면을 나타낸다.
도4는 일 실시 예에 따라, 외부 센서부와 연동되는 식물 재배 장치를 나타낸다.
도5는 일 실시 예에 따라, 개인 단말기 상에서 식물 재배 장치 제어를 위한 설정을 입력하기 위한 블록 코딩을 나타낸다.
도6은 일 실시 예에 따라, 식물 재배 장치가 공기 청정 기능을 수행하기 위한 구성을 나타낸다.
도7은 일 실시 예에 따라, 식물 재배 장치를 나타낸다.
도8은 일 실시 예에 따라, 식물의 생육 상태를 예측하기 위해 사용되는 예측 모델과 예측 모델에 입력되는 데이터를 나타낸다.
도9는 식물의 일반적인 생육 단계를 나타낸다.
도10은 일 실시 예에 따라, 배경이 제거된 식물 이미지를 나타낸다.
도11과 12는 일 실시 예에 따라, 재배경과일수와 성장도에 따라 현재 식물의 생육단계를 특정하기 위한 퍼지 멤버쉽 함수(fuzzy membership function)를 나타낸다.
도13은 일 실시 예에 따라, 사물인터넷 기반 식물재배기에서 사용하는 퍼지컨트롤 시스템을 나타낸다.1 illustrates a personal plant cultivation system, according to one embodiment.
Figure 2 shows a screen on which cultivation environment information detected by a sensor unit is displayed in a predetermined application, according to an embodiment.
Figure 3 shows a screen displayed on a predetermined application to control an actuator, according to one embodiment.
Figure 4 shows a plant cultivation device linked to an external sensor unit, according to an embodiment.
Figure 5 shows block coding for inputting settings for controlling a plant cultivation device on a personal terminal, according to an embodiment.
Figure 6 shows a configuration for a plant cultivation device to perform an air purifying function, according to an embodiment.
Figure 7 shows a plant cultivation device, according to one embodiment.
Figure 8 shows a prediction model used to predict the growth state of a plant and data input to the prediction model, according to an embodiment.
Figure 9 shows the general growth stages of plants.
Figure 10 shows a plant image with the background removed, according to one embodiment.
Figures 11 and 12 show a fuzzy membership function for specifying the current growth stage of the plant according to the number of days of cultivation and growth rate, according to an embodiment.
Figure 13 shows a fuzzy control system used in an IoT-based plant cultivator, according to an embodiment.
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.Below, several embodiments will be described clearly and in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art (hereinafter referred to as skilled in the art) can easily practice the present invention. will be.
도1은 일 실시 예에 따라, 식물 재배 시스템을 나타낸다. 1 shows a plant cultivation system, according to one embodiment.
도1을 참조하면, 개인이 식물을 간편하게 재배하기 위한 개인용 식물 재배 시스템(10000)은 사용자의 개인 단말기(100), 서버(200), 및 식물 재배 장치(300)를 포함할 수 있다.Referring to Figure 1, a personal
개인용 식물 재배 시스템(10000)은 식물 재배 장치(300)를 이용해 식물을 재배하는 사용자의 개인 단말기(100)를 포함할 수 있다. 개인 단말기(100)는 스마트폰, PC, 태블릿 PC, 웨어러블 디바이스와 같은 다양한 전자 장치를 포함할 수 있다.The personal
서버(200)는 중앙 서버, 멀티미디어 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 그리드 컴퓨팅 리소스, 가상화 된 컴퓨터 리소스, 클라우드 컴퓨팅 리소스, 피어-투-피어 분산 컴퓨팅 장치 또는 이들의 조합일 수 있다. 컴퓨팅 장치는, 적어도 하나의 프로세서와 적어도 하나의 메모리를 포함할 수 있다.
데이터베이스(DB)는 서버(200)의 내부 또는 외부에 위치할 수 있으며 복수의 식물 재배 장치들로부터 재배 환경과 관련된 정보, 식물의 영상 데이터, 액추에이터의 동작 여부, 식물의 생육 상태 등에 대한 다양한 정보를 수신하고 저장할 수 있다. 서버(200)는 데이터베이스(DB)와 연동하여 클라우드 서버(Cloud Server)로서 동작할 수 있다. 서버(200)는 데이터베이스(DB)를 활용하여 식물 재배에 관한 유용한 정보를 획득하고 획득된 정보를 식물 재배 장치(300) 또는 개인 단말기(100)로 피드백할 수 있다.The database (DB) may be located inside or outside the
식물 재배 장치(300)는 식물을 삽입하고 재배하기 위한 장치로서 식물을 재배하기 위한 적절한 환경을 조성하고 생육 상태를 확인하기 위한 구성을 포함할 수 있다. 식물 재배 장치(300)는 Ebb & Flow, 분무경, 담액식수경과 같은 수경 재배 방식으로 식물을 재배할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 식물 재배 장치(300)는 주로 가정, 사무실, 빌딩과 같은 실내 공간에 위치할 수 있으며 실내 공간에 위치할 수 있도록 충분히 작은 사이즈로 제작될 수 있다. 예를 들어, 식물 재배 장치(300)는 가로, 세로, 높이의 길이가 각각 1미터 이내로 제한될 수 있다.The
식물 재배 장치(300), 서버(200), 및 개인 단말기(100)는 통신 인터페이스에 기반하여 서로 연결될 수 있다. 통신 인터페이스는 유선 근거리통신망(Local Area Network; LAN), Wi-fi(Wireless Fidelity)와 같은 무선 근거리 통신망(Wireless Local Area Network; WLAN), 블루투스(Bluetooth)와 같은 무선 개인 통신망(Wireless Personal Area Network; WPAN), 무선 USB(Wireless Universal Serial Bus), Zigbee, NFC(Near Field Communication), RFID(Radio-frequency identification), PLC(Power Line communication), 또는 3G(3rd Generation), 4G(4th Generation), LTE(Long Term Evolution) 등 이동 통신망(mobile cellular network)에 접속 가능한 모뎀 통신 인터페이스 등을 포함할 수 있다. 상기 블루투스 인터페이스는 BLE(Bluetooth Low Energy)를 지원할 수 있다.The
개인용 식물 재배 시스템(10000)은 복수의 IoT(Internet of Things, 사물인터넷) 기기들을 포함하는 IoT 네트워크 시스템일 수 있다. 식물 재배 장치(300)와 개인 단말기(100)는 유선/무선 통신 인터페이스를 통해 적어도 하나 이상의 다른 장치와 통신하여 데이터를 송신 또는 수신할 수 있는 IoT 기기일 수 있으며, 개인용 식물 재배 시스템(10000)은 엑세스 포인트와 게이트웨이를 포함할 수 있다. IoT 네트워크 시스템은 IoT 네트워크 시스템 내의 2개 이상의 구성 요소 간의 정보 교환(통신)을 위해 UDP(User Datagram Protocol), TCP(Transmission Control Protocol) 등의 전송 프로토콜, 6LoWPAN (IPv6 Low-power Wireless Personal Area Networks) 프로토콜, IPv6 인터넷 라우팅 프로토콜, 그리고 CoAP(constrained application protocol), HTTP(hypertext transfer protocol), MQTT(message queue telemetry transport), MQTT-S(MQTT for sensors networks) 등의 애플리케이션 프로토콜을 이용할 수 있다. The personal
이러한 실시 예에서, 식물 재배 장치(300)와 개인 단말기(100)는 엑세스 포인트를 통해 서로 연결될 수 있으며 엑세스 포인트는 식물 재배 장치(300) 또는 개인 단말기(100)에 포함되거나 다른 IoT 기기에 포함될 수 있다. 이하, 개인 단말기(100)와 식물 재배 장치(300)는 개인 단말기(100)에서 실행되는 어플리케이션을 통해 연결될 수 있으며, 연결되었다는 의미는 개인 단말기(100)가 서버(200)를 통해 식물 재배 장치(300)와 연결되는 실시 예와 개인 단말기(100)가 엑세스 포인트를 통해 식물 재배 장치(300)와 연결되는 실시 예를 모두 포함할 수 있다. 개인 단말기(100)가 식물 재배 장치(300)를 제어한다는 의미는 개인 단말기(100)가 서버(200)에 접속하여 서버(200)를 통해 식물 재배 장치(300)를 제어하는 실시 예와 개인 단말기(100)가 엑세스 포인트를 통해 식물 재배 장치(300)를 제어하는 실시 예를 모두 포함할 수 있다. In this embodiment, the
식물 재배 장치(300)는 식물에 공급되는 수경 재배용 양액을 저장하기 위한 수조(310), 식물 재배 장치(300) 외부의 공기를 흡입하여 수조(310) 내의 양액에 투입하기 위한 에어 펌프(320), 식물 재배 장치(300)의 재배 환경과 관련된 정보들을 감지하기 위한 센서부(330), 재배 중인 식물을 촬영하고 영상 데이터를 획득하기 위한 카메라(340), 재배 환경과 관련된 다양한 변수를 조절하기 위한 액추에이터(350, Actuator), 및 식물 재배 장치(300)의 전반적인 동작을 제어하고 외부와의 통신을 위한 무선 통신 인터페이스가 포함된 적어도 하나의 프로세서(360)를 포함할 수 있다. 식물 재배 장치(300)는 메모리(미도시)를 더 포함할 수 있고 적어도 하나의 프로세서(360)는 메모리(미도시)에 기록된 로직에 기반하여 액추에이터(350)의 제어 신호를 생성할 수 있다. 이하, 양액은 식물의 성장에 필요한 양분이 용해된 물뿐만 아니라 양분이 포함되지 않은 순수한 물을 의미할 수 있다.The
도6을 참조하면, 식물 재배 장치(300)는 공기 청정을 위해 에어 펌프(320)를 통해 외부의 공기를 흡입할 수 있고 흡입된 외부 공기는 에어 라인을 통해 수조(310) 내의 양액에 투입될 수 있다. 흡입된 외부 공기에 포함된 미세 먼지는 수조(310) 내부에 침전되거나 식물의 뿌리로 흡수될 수 있다. 식물의 뿌리로 흡수되지 않은 양액 내의 미세 먼지는 수조(310)의 물갈이 때 제거될 수 있다. 이러한 실시 예에서, 공기 청정이나 정화를 위해 별도의 필터를 추가할 필요가 없이 식물과 물 사이의 자연스러운 생화학적 상호 작용에 의해 공기 청정 기능이 구현될 수 있으므로 필터를 교체할 필요가 없어 유지 비용이 적고 사용한 필터를 폐기할 필요도 없으므로 환경 친화적이다.Referring to Figure 6, the
일 실시 예에 따라, 에어 펌프(320)는 외부의 미세 먼지 센서와 연동하여 동작할 수 있다. 예를 들어, 미세 먼지 센서로부터 수신된 미세 먼지 농도가 기준 값 이상일 때 에어 펌프(320)가 동작할 수 있다. 또는, 미세 먼지 센서를 포함한 외부 기기로부터 수신된 동작 신호에 의해 에어 펌프(320)가 동작할 수 있다.According to one embodiment, the
일 실시 예에 따라, 수조 상의 베드(bed, 식물이 놓이는 부분)은 미세 먼지 흡착이 가능한 직조형태의 필터를 포함할 수 있다. 미세 먼지에 의한 양액의 PH 변화를 방지하기 위해 양액에는 PH 유지를 위한 완충 용액이 포함될 수 있다. 식물 재배 장치(300)에서 재배되는 식물은 벵갈고무나무, 스킨답서스, 황야자, 스파티필럼, 아이비, 테이블야자 중 하나가 선택될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.According to one embodiment, the bed on the water tank (the part where the plants are placed) may include a woven filter capable of adsorbing fine dust. To prevent changes in the pH of the nutrient solution due to fine dust, the nutrient solution may contain a buffer solution to maintain PH. The plant grown in the
다시 도1을 참조하면, 센서부(330)는 식물 재배 장치(300) 내부의 조도를 측정하기 위한 광 센서, 온도를 측정하기 위한 온도 센서, 습도를 측정하기 위한 습도 센서를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 센서부(330)는 식물의 광합성으로 인한 양액의 전기 전도도의 변화를 측정하기 위한 EC(Electric Conductivity, 전기 전도도) 센서를 더 포함할 수 있다. 센서부(330)에 의해 획득되는 재배 환경과 관련된 정보는 식물 재배 장치(300) 내부의 조도 정보, 온도 정보, 습도 정보, 및 양액의 EC 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도2는 일 실시 예에 따라, 소정의 어플리케이션에서 센서부에 의해 감지된 재배 환경 정보가 표시되는 화면을 나타낸다.Referring again to FIG. 1, the
다시 도1을 참조하면, 카메라(340)는 재배 중인 식물을 촬영하여 영상 데이터를 획득하기 위한 것으로서, 예로서 RGB 카메라를 포함할 수 있다. 카메라(340)에 의해 획득된 영상 데이터에 영상 처리 알고리즘을 적용함으로써 식물의 키, 잎면적지수와 같은 다양한 생육 데이터가 획득될 수 있다.Referring again to FIG. 1, the
액추에이터(350)는 조도 또는 광을 조절하기 위한 광 조절부, 양액을 조절하기 위한 양액 조절부, 및 온도를 조절하기 위한 온도 조절부를 포함할 수 있다. 액추에이터(350)는 프로세서(360)로부터 수신되는 제어 신호에 기반하여 동작할 수 있다. 예를 들어, 광 조절부는 RBW LED 어레이와 같은 LED 광원을 포함할 수 있으며 제어 신호 하에 턴-온/턴-오프되거나 세기가 조절될 수 있다. 양액 조절부는 관수 펌프를 포함할 수 있으며 제어 신호 하에 동작 여부가 결정되거나 공급되는 양액의 양이 조절될 수 있다. 온도 조절부는 환기 팬(또는, 펠티어(Peltier))을 포함할 수 있으며 식물 재배 장치(300)의 온도를 올리거나 내리도록 구성될 수 있다. The
센서부(330)에 의해 획득되는 재배 환경과 관련된 정보(예를 들어, 각종 센서 값), 액추에이터(350)의 동작에 관한 정보(예를 들어, 관수 펌프의 가동 여부 및 가동 시간), 카메라(340)에 의해 획득된 영상 데이터 각각은 기준 시간(예를 들어, 10분) 마다 획득될 수 있고, 획득된 정보들과 데이터들은 서버(200) 및/또는 개인 단말기(100)로 전송될 수 있다.Information related to the cultivation environment acquired by the sensor unit 330 (e.g., various sensor values), information about the operation of the actuator 350 (e.g., whether the irrigation pump is running and operation time), and a camera ( Each of the image data acquired by 340) may be acquired at a reference time (for example, 10 minutes), and the acquired information and data may be transmitted to the
사용자는 개인 단말기(100)를 통해 식물 재배 장치(300)의 재배 환경, 액추에이터(350)의 동작 정보, 식물 재배 장치(300) 내의 식물의 영상 등을 확인하고 식물의 성장을 위한 최적의 재배 환경이 되도록 식물 재배 장치(300)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 사용자의 스마트폰에는 식물 재배 장치(300)를 제어하고 모니터링하기 위한 소정의 어플리케이션이 설치될 수 있으며 어플리케이션을 통해 식물 재배 장치(300)를 모니터링하고 액추에이터(350)를 제어함으로써 온도, 양액, 조도 등과 같은 재배 환경과 관련된 변수들을 조절할 수 있다. 재배 환경과 관련된 변수들의 각 기준 값은 식물마다 상이하며 서버(200)에 미리 저장된 값이 활용될 수 있다.The user checks the cultivation environment of the
식물 재배 장치(300) 또는 액추에이터(350)는 개인 단말기(100), 서버(200), 또는 식물 재배 장치(300)의 조작부(미도시)로부터 수신되는 제어 신호 하에 동작할 수 있다. 제어 신호는 재배 환경과 관련된 정보(예를 들어, 센서부(330)에 의해 획득되는 다양한 센서 값들), 액추에이터(350)의 동작 정보(예를 들어, 각종 액추에이터(350)의 가동 여부 및 가동 시간), 및 카메라(340)에 의해 획득되는 영상 데이터(예를 들어, 식물의 2차원 이미지) 중 적어도 하나에 기반하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 사용자는 과거 소정 시간 구간 동안에 누적된 재배 환경과 관련된 정보, 누적된 액추에이터의 동작 정보, 및 누적된 영상 데이터 중 적어도 하나에 기반하여 식물 재배 장치(300)의 디스플레이(도7 참조)를 통해 액추에이터(350)를 직접 제어하거나 어플리케이션을 통해 액추에이터(350)를 제어할 수 있다. 또는, 서버(200)는 과거 소정 시간 구간 동안에 누적된 재배 환경과 관련된 정보, 누적된 액추에이터의 동작 정보, 및 누적된 영상 데이터 중 적어도 하나에 기반하여 액추에이터(350)의 제어 신호를 생성하고 이를 식물 재배 장치(300)에 전송할 수 있다.The
일 실시 예에 따라, 식물 재배 장치(300)의 제어는 수동 제어, 반자동 제어, 및 완전 자동 제어를 포함할 수 있다. 수동 제어는 카메라(340)로부터 획득된 영상 데이터, 센서부(330)로부터 획득된 재배 환경과 관련된 값들에 기반하여 사용자가 직접 식물 재배 장치(300)의 액추에이터(350)를 제어하는 형태이다. 서버(200)는 인공 지능 기술에 기반하여 액추에이터(350)의 동작을 사용자에게 가이드할 수 있고 사용자는 가이드에 따라 액추에이터(350)를 제어할 수 있다. 도3은 일 실시 예에 따라, 액추에이터를 제어하기 위해 소정의 어플리케이션에 표시되는 화면을 나타낸다.According to one embodiment, control of the
반자동 제어는 소정의 조건에서 식물 재배 장치(300)의 액추에이터(350)가 소정의 동작을 수행하도록 사용자가 미리 설정하는 형태이다. 예를 들어, 사용자는 특정 시간에 LED 광원이 턴-온되도록 미리 설정할 수 있다. 사용자는 적산온도(정식 후 일평균 기온의 합)가 100℃에 도달하면 식물에 공급되는 물의 양을 30% 늘리도록 미리 설정할 수 있다. 사용자는 일일 누적 조도값이 10000 lm·h에 도달하면 관수를 1분간 수행하고 누적 조도값을 초기화하도록 미리 설정할 수 있다. Semi-automatic control is a form in which the user pre-sets the
일 실시 예에 따라, 사용자는 블록 코딩을 이용해 식물 재배 장치(300)의 액추에이터(350)의 동작 조건 및 동작 내용을 설정할 수 있다. 블록 코딩은 로직이 정의된 블록들을 조합하거나 배치함으로써 다양한 프로그램을 설계할 수 있도록 하기 위한 도구로서, 엔트리, 스크래치 등을 포함할 수 있다. 사용자는 사용자가 C언어와 JAVA 와 같은 하이 레벨 언어를 모르더라도 블록 코딩을 통해 식물 재배 장치(300)의 제어 로직을 쉽게 설계할 수 장점이 있다. 도5는 일 실시 예에 따라, 개인 단말기 상에서 식물 재배 장치 제어를 위한 설정을 입력하기 위한 블록 코딩을 나타낸다. 도5를 참조하면, 사용자는 오전 8시가 넘으면 사이드 팬(Side fan)이 켜지고, LED 광원을 레벨 10의 세기로 켜지도록 설계할 수 있다. According to one embodiment, a user may set the operating conditions and operation contents of the
일 실시 예에 따라, 사용자의 개인 단말기(100)와 식물 재배 장치(300)가 연결된 상태에서 사용자가 개인 단말기(100)를 통해 블록 코딩 방식으로 설계한 액추에이터(350)의 동작 조건 및 동작 내용은 서버(200)를 통해 식물 재배 장치(300)에 전송됨으로써 식물 재배 장치(300)의 액추에이터(350)가 제어될 수 있다. 이러한 실시 예에서, 식물 재배 장치(300)는 사용자가 개인 단말기(100)로부터 전달되는 블록 코딩 기반의 커맨드에 의해 실시간으로 제어될 수 있으며 이는 수동 제어의 하나의 형태가 될 수 있다. According to one embodiment, while the user's
다른 실시 예에 따라, 사용자가 블록 코딩으로 설계한 액추에이터(350)의 동작 조건 및 동작 내용은 식물 재배 장치(300)로 전송되어 식물 재배 장치(300)의 메모리(미도시)에 기록될 수 있다. 이러한 실시 예에서, 식물 재배 장치(300)는 블록 코딩 기반의 동작 조건 및 동작 내용이 장치 자체에 기록된 임베디드 장치로서 동작하므로 식물 재배 장치(300)는 개인 단말기(100) 및 서버(200)와 연결되지 않은 상태에서도 메모리(미도시)에 기 저장된 동작 조건 및 동작 내용에 따라 제어될 수 있으며 이는 반자동 제어의 하나의 형태가 될 수 있다.According to another embodiment, the operating conditions and operation contents of the
자동 제어는 사용자가 식물의 종류와 정식 날짜만 어플리케이션 또는 식물 재배 장치(300)에 입력하면 자동으로 식물 재배 장치(300)의 재배 환경에 관련된 변수가 조절되는 형태이다. 이러한 실시 예에서, 식물 재배 장치(300)의 액추에이터(350)는 사용자의 개입 없이 동작할 수 있다. 예를 들어, 서버(200)는 인공 지능 기술에 기반하여 최적화된 재배 환경을 조성하기 위한 액추에이터(350)의 동작을 결정할 수 있고, 식물 재배 장치(300)의 액추에이터(350)는 서버(200)로부터 수신된 커맨드에 기반하여 제어될 수 있다.Automatic control is a form in which variables related to the cultivation environment of the
서버(200)는 인공 지능 기술에 기반하여 식물의 생육 상태를 예측하고 최적의 재배 환경을 위한 액추에이터(350)의 동작을 결정할 수 있다. 도8을 참조하면, 서버(200)는 예측 모델(1000)에 기반하여 식물의 생육 상태를 예측할 수 있다. 식물의 정식 후 경과일, 온도, 습도, EC(Electric Conductivity, 전기 전도도), 관수 펌프 동작 여부, 조도의 누적 데이터가 예측 모델(1000)에 입력되면 예측 모델(1000)은 예측된 생육 상태를 출력할 수 있다.The
예측 모델(1000)은 상술한 6개 타입의 입력 데이터들과 실제로 획득된 식물의 생육 상태를 입력과 출력으로 각각 적용하고 기계 학습 기법에 기반하여 생성될 수 있다. 기계 학습 기법은 SVM(Support Vector Machine), 랜덤 포레스트(Random forest), 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine: SVM), 나이브 베이즈(Naive Bayes), 적응적 부스팅(Adaptive Boosting: AdaBoost), 그래디언트 부스팅(Gradient Boosting), K-평균 클러스터링(K-means clustering), 인공 신경망(Artificial Neural Network) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 예측 모델(1000)은 입력 레이어(input layer), 히든 레이어(hidden layer), 및 출력 레이어(output layer)를 포함하는 RNN(Recurrent Neural Network)의 한 종류인 LSTM(Long Short-Term Model) 형태의 인공 신경망을 사용하여 출력 결과를 생성할 수 있다.The
일 실시 예에 따라, 예측 모델에 입력되는 6개의 입력 데이터(정식 후 경과일, 온도, 습도, EC, 관수 펌프 동작 여부, 조도)는 소정의 시간 구간(예를 들어, 10분) 마다 획득될 수 있다. 10분마다 6개의 입력 데이터가 획득되는 경우 하루 동안 획득되는 입력 데이터의 개수는 6 X 6 X 24 개일 수 있다. According to one embodiment, six input data (days since planting, temperature, humidity, EC, irrigation pump operation, illuminance) input to the prediction model are obtained every predetermined time interval (e.g., 10 minutes). You can. If 6 pieces of input data are acquired every 10 minutes, the number of pieces of input data acquired per day may be 6
예측 모델(1000)에 입력되는 입력 데이터로서, 복수의 날들 동안에 획득된 입력 데이터들을 누적하여 사용할 수 있다. n_day 동안 획득된 입력 데이터들을 사용하는 경우, 입력 데이터들의 개수는 6 X 6 X 24 X n_day 일 수 있다. n_day는 예측 모델(1000)을 이용해 생육 상태를 예측하거나 예측 모델(1000)을 학습시키기 위한 입력 데이터를 누적시키는 단위 기간을 나타내는 변수로서 실수 값이다. 예를 들어, 3일 동안 획득된 입력 데이터를 사용하여 예측 모델(1000)을 이용해 생육 상태를 예측하거나 예측 모델(1000)을 학습시키고자 한다면 입력 데이터는 6 X 6 X 24 X 3 개의 데이터들을 포함할 수 있다.As input data input to the
일 실시 예에 따라, 식물의 정식 후에 획득되는 상기 6개 타입의 입력 데이터들을 예측 또는 학습에 모두 사용하되 상기 단위 기간 마다 입력 데이터를 누적시켜서 사용할 수 있다. 정식 후 경과일의 수가 N이고, 정식 후에 획득되는 상기 6개 타입의 데이터들을 소정의 단위 기간(n_day) 마다 누적해서 사용하고자 할 때, 예측 모델(1000)에 입력되는 입력 데이터 개수는 하기 [수학식 1]과 같다.According to one embodiment, all of the six types of input data obtained after planting the plant can be used for prediction or learning, but the input data can be accumulated for each unit period. When the number of days elapsed after formulation is N, and the six types of data acquired after formulation are to be accumulated and used every predetermined unit period (n_day), the number of input data input to the prediction model (1000) is as follows [mathematics] It is the same as Equation 1].
[수학식 1][Equation 1]
정식 후 누적 입력 데이터 개수 = (N - n_day) 6 (6 24 n_day)Cumulative number of input data after formalization = (N - n_day) 6 (6 24 n_day)
일 실시 예에 따라, 예측 모델(1000)의 학습을 수행하기 위해 M 개의 식물 재배 장치에서 특정 식물종을 재배함으로써 획득되는 입력 데이터를 사용한다면, 입력 데이터들의 총 개수는 하기 [수학식 2]과 같다. M 개의 식물 재배 장치들로부터 획득되는 정식 후 경과일에 대한 값이 동일하다고 가정한다.According to one embodiment, if input data obtained by cultivating a specific plant species in M plant cultivation devices is used to learn the
[수학식 2][Equation 2]
M개의 식물 재배기로부터 획득되는 정식 후 누적 입력 데이터 개수 = M (N - n_day) 6 (6 24 n_day) Cumulative number of post-planting input data obtained from M plant cultivation periods = M (N - n_day) 6 (6 24 n_day)
(M : 학습에 사용되는 식물 재배 장치의 개수, N : 정식 후 경과일 수)(M: Number of plant cultivation devices used for learning, N: Number of days since planting)
예측 모델(1000)의 출력은 식물의 생육 상태를 포함할 수 있다. 생육 상태는 식물의 키나 잎면적 지수(Leaf Area Index)와 같은 데이터를 포함할 수 있으며 이는 카메라(340)로부터 획득된 영상 데이터를 영상 처리 알고리즘을 사용하여 분석함으로써 획득될 수 있다. The output of the
예측 모델(1000)이 인공 신경망에 기반하여 생성되는 경우, 인공 신경망의 성능을 나타내는 로스(loss)는 출력된 생육 상태가 실제로 획득된 생육 상태와 동일할수록 작게 결정될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 로스가 감소되도록 시냅스 가중치를 업데이트하는 역 전파(Back Propagation) 알고리즘을 사용하여 인공 신경망에 대한 학습이 수행될 수 있다.When the
일 실시 예에 따라, 생성된 예측 모델(1000)에 기반하여 식물이 잘 성장될 수 있도록 식물 재배 장치(300)가 제어될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 서버(200)는 예측 모델(1000)의 출력 데이터인 생육 상태가 가장 좋아지도록 하기 위한 예측 모델(1000)의 입력 데이터를 결정할 수 있다. 예를 들어, 서버(200)는 베이지안 최적화 기법(Bayesian Optimization)을 사용하여 다양한 입력 데이터들을 반복적으로 예측 모델(1000)에 입력함으로써 생육 상태가 가장 좋아질 수 있는 입력 데이터를 결정할 수 있다. 이러한 실시 예에서, 서버(200)는 예측 모델(1000)에 기반하여 식물 재배 장치(300)의 식물이 가장 잘 성장될 수 있도록 하는 온도, 조도, 습도, EC, 관수 펌프 동작 여부 등과 같은 식물 재배 장치(300)의 재배 환경과 관련된 값이나 액추에이터(350)의 동작을 결정할 수 있고 결정된 값이나 액추에이터(350)의 동작에 기반하여 사용자가 식물 재배 장치(300)를 수동 제어하거나 식물 재배 장치(300)가 자동 제어될 수 있다. According to one embodiment, the
도4는 일 실시 예에 따라, 외부 센서부와 연동되는 식물 재배 장치를 나타낸다.Figure 4 shows a plant cultivation device linked to an external sensor unit, according to an embodiment.
도4를 참조하면, 개인용 식물 재배 시스템(10000)은 식물 재배 장치(300)의 외부에 위치하는 외부 센서부(400)를 더 포함할 수 있다. 식물 재배 장치(300)와 외부 센서부(400)는 동일한 실내 공간에 위치할 수 있으며, 외부 센서부(400)는 식물 재배 장치(300)의 주변에 위치할 수 있다. 식물 재배 장치(300)는 외부 센서부(400)와 연동하여 동작할 수 있다. 예를 들어, 식물 재배 장치(300)가 가정집에 위치하면 외부 센서부(400)도 가정집에 위치할 수 있다. 다만, 반드시 외부 센서부(400)가 식물 재배 장치(300)와 동일한 실내 공간에 위치하여야 하는 것은 아니고 식물 재배 장치(300)와 외부 센서부(400)는 실내와 실외에 각각 위치할 수 있다.Referring to Figure 4, the personal
일 실시 예에 따라, 외부 센서부(400)는 온도 센서, 습도 센서, 미세 먼지 센서 등을 포함할 수 있다. 외부 센서부(400)로부터 수신되는 센싱 값에 기반하여 식물 재배 장치(300)의 동작이 결정되거나 외부 센서부(400)로부터 제어 신호를 수신할 수 있다. 예를 들어, 방에 설치된 온도 센서로부터 수신되는 방의 온도 값이 기준 값보다 높으면 식물 재배 장치(300)의 액추에이터(350) 중 팬이 구동될 수 있다. 방에 설치된 미세 먼지 센서로부터 수신되는 방의 미세 먼지 농도가 기준 값보다 높으면 식물 재배 장치(300)의 에어 펌프(320)가 구동됨으로써 방의 공기가 식물 재배 장치(300)의 수조로 흡입될 수 있다. According to one embodiment, the
도7은 일 실시 예에 따라, 식물 재배 장치를 나타낸다.Figure 7 shows a plant cultivation device, according to one embodiment.
도7의 식물 재배 장치(7000)는 도1 또는 도4를 참조하여 상술한 식물 재배 장치(300)가 실제로 구현된 일 실시 예를 나타내나 식물 재배 장치(300)는 이에 제한되지 않는다.The
도7을 참조하면, 식물 재배 장치(7000)는 공기 흡입구 또는 출구(AIO), 펠티어(PT), 관수 주입부(WI), 관수 펌프(미도시), 또는 LED 어레이(LDR)와 같은 액추에이터를 포함할 수 있다. 공기 흡입구 또는 출구(AIO)는 식물 재배 장치(7000)의 환기를 위해 동작할 수 있고, 펠티어(PT)는 식물 재배 장치(7000) 내의 온도를 조절하기 위해 동작할 수 있다. 관수 주입부(WI)는 양액을 주입하기 위한 것이고 관수 펌프를 통해 양액이 공급될 수 있다. LED 어레이(LDR)는 조도(또는, 광)를 조절하기 위한 것으로서, 백색 LED, 적색 LED, 또는 청색 LED를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 7, the
식물 재배 장치(7000)는 식물이 위치하는 상단의 온도 센서, 습도 센서, 광 센서를 포함하는 제1센서부(S1)와 수조가 위치하는 하단의 EC 센서를 포함하는 제2센서부(S2)를 포함할 수 있다.The
식물 재배 장치(7000)는 식물의 생육 상태를 촬영하기 위한 카메라(C)를 포함할 수 있다. 카메라(C)는 식물이 위치하는 상단에 위치할 수 있다.The
식물 재배 장치(7000)는 관수 펌프의 동작을 제어함으로써 식물에 공급되는 양액을 조절할 수 있다. 식물 재배 장치(7000)는 수조가 포함된 제1바닥부(B1), 식물이 심어지는 스펀지 배지와 식물을 놓기 위한 틀인 베드를 포함하는 제3바닥부(B3), 및 제1바닥부(B1)와 제3바닥부(B3) 사이에 위치한 제2바닥부(B2)를 포함할 수 있다. 제1바닥부(B1)에 위치한 수조의 양액은 관수 펌프를 통해 스펀지 배지와 수조 사이의 중간층인 제2바닥부(B2)로 끌어올려지고 식물의 뿌리가 제2바닥부(B2)에 차오른 양액을 흡수할 수 있다. 관수 펌프의 동작이 중단되면 제2바닥부(B2)의 양액은 다시 제1바닥부(B1)의 수조로 내려가도록 구성될 수 있다.The
제2바닥부(B2)는 양액이 제2바닥부(B2)의 바닥으로부터 기준 높이 이상으로 차오르지 않도록 차오른 양액을 수조로 회수시키기 위한 구멍을 포함할 수 있다The second bottom portion (B2) may include a hole for recovering the nutrient solution from the bottom of the second bottom portion (B2) to the water tank so that the nutrient solution does not rise above the standard height.
식물 재배 장치(7000)는 제1센서부(S1)와 제2센서부(S2)로부터 획득된 센서 데이터를 사용자에게 표시하거나 공기 흡입구 또는 출구(AIO), 펠티어(PT), 관수 펌프(WI)와 같은 액추에이터를 제어할 수 있는 디스플레이(DP)를 더 포함할 수 있다. 디스플레이(DP)는 LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode) 등을 포함할 수 있으며 터치 감지형일 수 있다.The
여러 종의 식물, 여러 환경에 따른 적정재배법 발굴 및 설정을 위하여 각 종의 개별 식물종에 대해 실험을 통해 최적 재배법을 도출해내는 것은 인력, 자원의 효율성이 좋지 않기 때문에 사물인터넷 기술을 이용한 데이터의 습득, 재배법 자동튜닝 방법이 개발이 필요하다. 이하, 도9 내지 14를 참조하여 생활원예 환경에서 식물의 재배 가이드를 제공하기 위한 방법을 설명한다.In order to discover and establish appropriate cultivation methods for various species of plants and various environments, deriving optimal cultivation methods through experiments on individual plant species of each species is not efficient in manpower and resources, so acquisition of data using IoT technology , an automatic tuning method for cultivation methods needs to be developed. Hereinafter, a method for providing a plant cultivation guide in a living gardening environment will be described with reference to FIGS. 9 to 14.
사물인터넷 기반 식물재배기에 내장된 센서는 지상부 온도, 지상부 습도, 조도, 근권부 EC 를 측정할 수 있다. 지상부는 식물의 뿌리를 제외한 지상에 나와있는 부분 및 그 주위 환경이고, 근권부는 식물의 뿌리가 위치한 부분 및 그 주위 환경이다. EC(Electrical Conductivity, 전기전도도)는 순수한 물은 전기가 흐르지 않아서 EC=0, 비료가 섞여있는 물은 전해질이 전기를 흐르게 해줘서, 비료 농도가 높을수록 EC값이 높다.Sensors built into IoT-based plant cultivators can measure above-ground temperature, above-ground humidity, illuminance, and rhizosphere EC. The above-ground part is the part that is above ground excluding the plant's roots and its surrounding environment, and the rhizosphere part is the part where the plant's roots are located and its surrounding environment. EC (Electrical Conductivity) is pure water, which does not conduct electricity, so EC = 0. In water mixed with fertilizer, the electrolyte allows electricity to flow, so the higher the fertilizer concentration, the higher the EC value.
일정 주기마다 상기 항목을 계측하여 클라우드 서버로 데이터를 전송할 수 있다. 사물인터넷 기반 식물재배기는 식물 촬영용 카메라를 포함할 수 있다.The above items can be measured at regular intervals and the data can be transmitted to the cloud server. An IoT-based plant cultivator may include a camera for photographing plants.
사물인터넷 기반 식물재배기는 Dimming 기능(밝기조절)으로 조절되는 LED 모듈, Peristaltic pump, 양액 (물+비료) 공급 조절, 외부와의 환기를 위한 팬, 난방을 위한 히팅모듈을 포함하는 액츄에이터들을 내장할 수 있다.The IoT-based plant cultivator can be equipped with actuators including an LED module controlled by the dimming function (brightness control), a peristaltic pump, nutrient solution (water + fertilizer) supply control, a fan for ventilation with the outside, and a heating module for heating. You can.
일 실시 예에 따라, 생육가이드 초기값은 관행적 재배방법에 따른 생육가이드 초기값이 설정될 수 있다. 대학, 학술기관, 공공기관 및 오픈데이터베이스 등에서 기존에 구축된 식물 데이터베이스를 통해 적정 지상부/근권부/광 환경을 추론하여 설정될 수 있다.According to one embodiment, the initial value of the growth guide may be set to the initial value of the growth guide according to a conventional cultivation method. It can be set by inferring the appropriate above-ground/rhizosphere/light environment through existing plant databases at universities, academic institutions, public institutions, and open databases.
도9를 참조하면, 식물의 일반적인 생육 단계는 Lag phase,Log phase (혹은 Exponential phase), Steady State (혹은 Stationary phase)로 나뉘며, 시그모이드 함수를 이룬다.Referring to Figure 9, the general growth stages of plants are divided into Lag phase, Log phase (or Exponential phase), and Steady State (or Stationary phase), and form a sigmoid function.
사물인터넷 기반 식물재배기는 시간에 따른 식물의 성장도(Growth)를 측정할 수 있다. 식물의 성장 정도의 측정은 식물재배기에 탑재된 카메라를 영상정보를 취득하고 취득한 영상 정보를 이용하여 식물의 성장도를 측정할 수 있다. 식물과 배경의 영역을 분리하여 식물을 감지, 면적을 측정하여 성장도를 판단할 수 있다. 도10는 일 실시 예에 따라, 배경이 제거된 식물 이미지를 나타낸다. 이 때에 이미지프로세싱 기술들이 이용될 수 있으며 OpenCV의 background substraction 기능, Measure Rosette Area tool 등을 이용할 수 있다. 시간에 따라 변화하는 재배양상을 기록하여 생육단계 판별에 이용할 수 있다.IoT-based plant cultivators can measure plant growth over time. To measure the degree of plant growth, the degree of plant growth can be measured by acquiring image information from a camera mounted on a plant cultivator and using the acquired image information. By separating the plant and background areas, the plant can be detected, the area measured, and the growth rate determined. Figure 10 shows a plant image with the background removed, according to one embodiment. At this time, image processing technologies can be used and OpenCV's background subtraction function, Measure Rosette Area tool, etc. can be used. Cultivation patterns that change over time can be recorded and used to determine growth stages.
사물인터넷 기반 식물재배기는 각 생육 단계별 적정 재배가이드를 도출할 수 있다. 각 생육단계별로 필요한 근권부 영양소의 농도, 지상부의 온습도, 광 환경이 다르다. (예를 들면, log phase에서는 충분한 생장을 위해 높은 비료농도, 특히 높은 질소 농도를 요함)An IoT-based plant cultivator can derive appropriate cultivation guides for each growth stage. The concentration of nutrients in the rhizosphere, temperature and humidity in the above-ground part, and light environment required for each growth stage are different. (For example, log phase requires high fertilizer concentration, especially high nitrogen concentration, for sufficient growth)
사물인터넷 기반 식물재배기를 통하여 각 생육단계별 적정 재배가이드를 도출하기 위한 데이터가 수집될 수 있다. 재배가이드 초기값에서 각 인자(즉 온도,습도,EC,광)의 변화(alteration)를 다수준으로 설정하여 사물인터넷 기반 식물재배기에 적용한다. 각 제어인자를 다수준으로 설정할 때에 Box-Benhken Model 등을 이용하여 구성할 수 있다.Through an IoT-based plant cultivator, data can be collected to derive appropriate cultivation guides for each growth stage. In the initial values of the cultivation guide, the changes (alterations) of each factor (i.e. temperature, humidity, EC, light) are set at multiple levels and applied to the IoT-based plant cultivator. When setting each control factor at multiple levels, it can be configured using the Box-Benhken Model, etc.
최종적으로는 생육이 더 빠르게 증가하는 조건으로 재배가이드를 변경할 수 있다. 이런 재배 가이드의 변경은 적어도 한 작기 이상의 관찰을 통해 이루어져야하므로, 일정한 주기를 두고 업데이트 된다.Ultimately, the cultivation guide can be changed to conditions that allow for faster growth. Changes to these cultivation guides must be made through observation of at least one growing season, so they are updated at regular intervals.
높은 성장도를 도출해낸 재배환경에 보상을 부여하는 ‘강화학습’방법을 이용하여 재배가이드를 업데이트할 수 있다. 재배 가이드(제어의 목표점이 되는 온도, 습도, EC, 광 조건)는 식물의 재배 경과시점과 생장에 따라 3가지의 생육단계(Lag,Log,Stationary Phase)별로 작성할 수 있다.The cultivation guide can be updated using the ‘reinforcement learning’ method, which rewards cultivation environments that produce high growth rates. Cultivation guides (temperature, humidity, EC, and light conditions that are the target points of control) can be written in three growth stages (Lag, Log, Stationary Phase) depending on the cultivation time and growth of the plant.
즉, 소비자에게 배포된 많은 수의 식물재배기에서 얻어진 환경정보와 그에 따른 식물의 생장을 관찰하여 Lag phase, Log Phase, Stationary Phase 생육단계에서 최적의 제어 포인트를 도출해내고, 재배경과일수와 생육에 따라 3가지 생육단계를 설정할 수 있다.In other words, by observing environmental information obtained from a large number of plant cultivators distributed to consumers and the resulting plant growth, optimal control points are derived in the Lag phase, Log Phase, and Stationary Phase growth stages, and depending on the number of cultivation days and growth. Three growth stages can be set.
일 실시 예에 따라, 사물인터넷 기반 식물재배기는 퍼지추론시스템을 적용하여 생육단계를 판단할 수 있다. 사물인터넷 기반 식물재배기는 재배경과일과 성장도를 입력함으로써 현재 생육단계를 판단하여 최적재배가이드(제어포인트)를 출력하는 ‘퍼지추론시스템'을 이용할 수 있다.According to one embodiment, an IoT-based plant cultivator can determine the growth stage by applying a fuzzy inference system. IoT-based plant cultivators can use a ‘fuzzy inference system’ that determines the current growth stage by inputting the cultivated fruit and growth rate and outputs an optimal cultivation guide (control point).
각 생육단계의 경계에서 모호성이 발생하고, 이에 따라 어느 생육단계에 해당하는 재배가이드를 적용해야하는 지에 대해서도 모호하기 때문인데 예를들어, 최대속도로 생장이 일어나는 시점이 재배 60일째라고 하였을 때에, 재배 30일째되는 날은 lag phase인지, log phase인지 판단하기 애매한 시점이 있을 수 있다.This is because ambiguity arises at the boundaries of each growth stage, and accordingly, it is also ambiguous as to which growth stage the corresponding cultivation guide should be applied to. For example, when growth occurs at the maximum rate on the 60th day of cultivation, On the 30th day, it may be difficult to determine whether it is a lag phase or a log phase.
사물인터넷 기반 식물재배기는 퍼지추론시스템(FIS; Fuzzy Inference System)을 적용하여, 각 생육단계의 경계시점에서의 모호성 해결할 수 있다. 도11과 12와 같이 input fuzzy membership function을 지정하면, 재배경과일수와 성장도에 따라 현재 식물의 생육단계를 특정할 수 있다.IoT-based plant cultivators can resolve ambiguities at the boundary points of each growth stage by applying the Fuzzy Inference System (FIS). By specifying the input fuzzy membership function as shown in Figures 11 and 12, the current growth stage of the plant can be specified according to the number of days of cultivation and growth rate.
도13은 일 실시 예에 따라, 사물인터넷 기반 식물재배기에서 사용하는 퍼지컨트롤 시스템을 나타낸다.Figure 13 shows a fuzzy control system used in an IoT-based plant cultivator, according to an embodiment.
output function은 3 개의 membership function으로 구성되어 있으며, 퍼지컨트롤 시스템은 앞선 과정에서 도출된 각 생육단계(lag, log, steady)에 따라 최적 재배가이드의 1 by 4 크기의 행렬[온도,습도,EC,광량]로 출력할 수 있다. The output function consists of three membership functions, and the fuzzy control system generates a 1 by 4 matrix of optimal cultivation guides according to each growth stage (lag, log, steady) derived in the previous process [temperature, humidity, EC, Light quantity] can be output.
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.The descriptions are intended to provide example configurations and operations for implementing the invention. The technical idea of the present invention will include not only the embodiments described above, but also implementations that can be obtained by simply changing or modifying the above embodiments. In addition, the technical idea of the present invention will also include implementations that can be easily achieved by changing or modifying the embodiments described above.
Claims (1)
상기 식물 재배 장치와 유선 또는 통신 인터페이스에 기반하여 연결되는 서버; 및
소정의 어플리케이션을 통해 상기 식물 재배 장치와 연결되고 상기 식물 재배 장치를 제어하기 위한 사용자의 개인 단말기를 포함하고,
상기 식물 재배 장치는,
상기 식물에 공급되는 양액을 저장하기 위한 수조;
상기 식물 재배 장치의 외부의 공기를 흡입하여 상기 양액에 투입하기 위한 에어 펌프;
재배 환경과 관련된 정보들을 감지하기 위한 센서부;
상기 식물을 촬영하여 영상 데이터를 획득하기 위한 카메라;
상기 재배 환경과 관련된 변수를 조절하기 위한 액추에이터; 및
상기 식물 재배 장치의 동작을 제어하고 유선 또는 무선 통신 인터페이스가 포함된 적어도 하나의 프로세서를 포함하고,
상기 재배 환경과 관련된 정보, 상기 액추에이터의 동작 정보, 및 상기 영상 데이터는 상기 서버로 전송되고,
상기 식물의 성장도 향상을 위한 재배조건 탐색이라는 목적을 수행하기 위하여, 원격에서 다수의 사물인터넷 디바이스의 식물 재배환경을 실험계획법에 따라 제어 포인트를 다르게 설정하는 (alteration)기술이 적용되고,
사물인터넷 기술을 이용하여 여러개의 식물재배기 기기에서 식물의 성장도, 지상부 및 근권부 환경정보, 광 정보를 수집하고, 강화학습으로 더 나은 재배가이드 정보로 튜닝하는 사물인터넷 기반 식물재배 시스템.A plant cultivation device for hydroponically cultivating plants;
a server connected to the plant cultivation device based on a wired or communication interface; and
A user's personal terminal is connected to the plant cultivation device through a predetermined application and controls the plant cultivation device,
The plant cultivation device,
A water tank for storing the nutrient solution supplied to the plants;
an air pump for sucking air from outside the plant cultivation device and injecting it into the nutrient solution;
A sensor unit for detecting information related to the cultivation environment;
a camera for acquiring image data by photographing the plant;
an actuator for controlling variables related to the cultivation environment; and
Comprising at least one processor that controls the operation of the plant cultivation device and includes a wired or wireless communication interface,
Information related to the cultivation environment, operation information of the actuator, and the image data are transmitted to the server,
In order to achieve the purpose of exploring cultivation conditions to improve the growth of the plants, an alternation technology is applied to set different control points in the plant cultivation environment of multiple IoT devices remotely according to the experimental design method,
An IoT-based plant cultivation system that uses IoT technology to collect plant growth, above-ground and root zone environmental information, and light information from multiple plant cultivation devices, and tunes them into better cultivation guide information through reinforcement learning.
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