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문제 정의
- 본 논문에서는 기존 식물 생장 측정의 문제점을 해소하기 위하여 비접촉 적외선 센서를 이용한 USN 기술 기반의 실시간 비접촉 식물 비대 생장 측정 시스템(PGMS)을 제안하였다. 그리고 제안한 시스템을 구현하고 실제로 현장에 설치하여 식물 주간 비대 생장 측정 실험 및 성능 평가를 통하여 식물 생장 측정 분야에서 비접촉 센서와 USN 기술의 적용 가능성을 확인하였다.
- 본 논문에서는 기존의 식물 생장 측정 장치의 문제점 해결을 위하여 USN 기술을 활용한 실시간 비접촉 식물 생장 측정 시스템(Real-time Non-contact Plant Growth Measurement System)을 제안한다. 그리고 기존의 접촉식 측정 도구(줄자, 버어니어 캘리퍼스, 접촉식 측정 센서 등)로 측정할 때 유발되는 대상 식물의 생장 피해를 줄이기 위하여 비접촉 센서를 사용하여 제안한 시스템을 설계 및 구현하고, 측정 실험을 통하여 성능을 평가하였다.
- 본 논문에서는 전술한 기존의 식물 생장 측정 방식에 대한 문제점을 개선하고자 최신의 USN 기술을 활용하여 그림 3같은 실시간 비접촉 식물 비대 생장 측정 시스템을 제안한다. 제안한 시스템은 3개의 요소로 구성된다.
제안 방법
- 제안한 시스템의 개발 환경은 원격 관제 센터의 서버들은 마이크로소프트사의 윈도우 2003 서버 운영체제와 SQL SERVER 2005 DBMS로 구축하였으며, 응용 소프트웨어는 마이크로소프트사의 C#을 이용하여 .NET 기반으로 구축하였다. 그리고 클라이언트측은 노트북 기반의 윈도우 비스타 운영 체제 환경에서 구축하였다.
- 본 논문에서는 기존의 식물 생장 측정 장치의 문제점 해결을 위하여 USN 기술을 활용한 실시간 비접촉 식물 생장 측정 시스템(Real-time Non-contact Plant Growth Measurement System)을 제안한다. 그리고 기존의 접촉식 측정 도구(줄자, 버어니어 캘리퍼스, 접촉식 측정 센서 등)로 측정할 때 유발되는 대상 식물의 생장 피해를 줄이기 위하여 비접촉 센서를 사용하여 제안한 시스템을 설계 및 구현하고, 측정 실험을 통하여 성능을 평가하였다.
- 센서 노드에서 싱크 노드까지 Wi-Fi를 사용하고, 싱크 노드에서 로컬 네트워크(LAN)까지는 AP를 이용하여 무선 네트워크로 구성하여 원격지의 서버까지 연결하였다. 그리고 데이터 전송 중에 건물 및 장애물이 밀집된 실험 환경은 중계 안테나(2.4 GHz, 13dB, 35˚ 지향성 안테나)를 사용하여 최적화하였다.
- 그리고 타임아웃 시간은 센서별로 고유 지연 시간을 고려하여 3초부터 150초까지 가변적으로 부여하였다.
- 다음으로 표 2에서는 기존 방식과 제안한 방식을 비교 항목별로 정성적인 분석을 하였다. 제안한 방식은 기존 방식보다 대부분의 항목에서 우수한 것으로 나타났다.
- 대상 식물에서 측정되어 수집된 데이터는 그림 8과 같이 데이터 분석 및 표출 시스템(uDADS)를 이용하여 대상 식물의 주간 비대 직경과 단면적을 계산하고 단면 형상을 표출시킨다. 그리고 생성된 대상 식물의 주간 비대 생장 정보(직경, 단면적, 형상)들은 여러 유형의 사용자에게 인터넷을 통하여 제공한다.
- 먼저 비접촉 식물 생장 측정 시스템(uPGMS)은 관제 센터의 서버에서 제어 명령을 받아 대상 식물의 비대 생장을 측정하여 서버로 전송한다. 데이터 수집 및 제어 시스템(uDGCS)은 USN을 통하여 데이터를 전송하고 전송된 식물 생장 데이터를 저장하며 uPGMS에게 생장 측정을 지시한다. 데이터 분석 및 표출 시스템 (uDADS)은 센서에서 수집되어 저장된 측정 데이터를 분석하여 그 결과를 사용자에게 실시간으로 제공한다.
- 제안한 시스템은 식물의 주간(줄기) 부분을 비접촉 센서로 측정하여 비대 생장 정보(직경, 단면적, 형상)를 제공한다. 본 논문에서 제안한 시스템은 기존의 식물 생장 측정에서는 불가능 하였던 식물 주간의 단면적과 형상을 실시간으로 사용자에게 제공할 수 있게 된다.
- 본 논문의 구성은 2장에서는 식물의 생장 특성 및 기존 식물 생장 측정의 문제점을 분석하고 개선 방향을 제시한 후 제안한 시스템 구현과 관련된 USN 기술과 비접촉 센서의 특징 및 적외선 센서를 활용한 측정 방법을 제시한다. 3장에서는 제안한 시스템 구조와 구성요소에 대하여 기술하고, 4장에서는 구현된 시스템을 이용한 측정 실험 및 성능 평가 결과를 요약한다.
- 본 연구에서 비접촉식 적외선 센서를 사용하여 식물의 생장을 측정하려면, 식물의 주간 표면에 적외선을 발산하여 차단되는 것을 전기량으로 변환하는 방식을 사용한다. 그러나 이 방식은 짧은 거리(10cm 미만) 측정은 가능하나 측정 거리 측면에서 제안한 시스템에 적용하기에는 부적합하다.
- USN 기반 데이터 수집 및 제어 시스템(uDGCS)은 센서부(uPGMS)에서 측정한 데이터를 서버까지 전송한다. 센서 노드에서 싱크 노드까지 Wi-Fi를 사용하고, 싱크 노드에서 로컬 네트워크(LAN)까지는 AP를 이용하여 무선 네트워크로 구성하여 원격지의 서버까지 연결하였다. 그리고 데이터 전송 중에 건물 및 장애물이 밀집된 실험 환경은 중계 안테나(2.
- 식물 생장 측정 및 전송 시스템(uPGMS)은 비접촉 센서인 적외선 센서를 적용할 수 있도록 회전식과 고정식의 식물 생장 측정 장치를 개발하여 식물의 비대 생장을 실시간으로 측정하고 전송하도록 하였다. 그림 6의 3개의 적외선 센서를 120˚ 간격으로 설치한 3점 고정식 측정 장치와 그림 7의 360˚ 원격 자동 회전 장치에 의한 회전식 측정 방식을 적용하였다.
- USN을 이용한 센서부(uPGMS)와 원격 관제 센터(uDADS, uDGCS) 구간의 데이터 전송 패킷 구조는 그림 9와 같다. 전송 시 모든 데이터는 UTF-8 형식으로 인코딩하여 요청(Request)/응답(Response) Handshaking 방식으로 전송하게 하였다.
- 제안 시스템은 그림 5와 같이 식물 생장 측정 장치의 문제점을 최소화하기 위하여 비접촉 적외선 센서를 이용하여 고정식(3점)과 회전식 측정 방식(uPGMS)을 개발하고, 식물 주간 생장을 측정하여 USN 기술을 기반으로 서버에 전송(uDGCS)하며, 서버는 데이터를 분석하여 그 결과를 제공(uDADS)하도록 하였다. 비접촉식 적외선 센서의 설치는 [장치-1]은 고정식 적외선 센서 측정 방식, [장치-2]는 회전식 적외선 센서 측정 방식을 적용하였다.
- 제안 시스템을 이용한 식물의 주간 생장 측정 및 데이터 처리 과정은, 먼저 관제 서버에서 식물 생장 측정을 위한 제어 신호를 측정 장치로 보내면 고정식과 회전식 비접촉 센서들이 동작하여 대상 식물의 주간 비대 생장을 측정한다. 측정된 신호는 디지털 신호로 변환되어 센서 노드에서 싱크 노드를 통하여 원격지 관제 서버에 보내져서 저장되며, 이 데이터는 실시간으로 분석되어 사용자에게 제공된다.
- 제안한 시스템에서는 세 번째 방법이 적용이 쉽고 다른 방법과 비교하여 오차 발생이 적은 특성을 반영하여 식물의 주간 비대 단면적 계산에 사용하였으며, 식물의 주간 단면적 형상은 극좌표계를 다시 원형좌표계로 변환하여 나타낸다.
- 제안한 시스템은 식물의 주간(줄기) 부분을 비접촉 센서로 측정하여 비대 생장 정보(직경, 단면적, 형상)를 제공한다. 본 논문에서 제안한 시스템은 기존의 식물 생장 측정에서는 불가능 하였던 식물 주간의 단면적과 형상을 실시간으로 사용자에게 제공할 수 있게 된다.
- 그리고 클라이언트측은 노트북 기반의 윈도우 비스타 운영 체제 환경에서 구축하였다. 제안한 시스템의 식물 주간 비대 생장 측정 실험은 그림 13과 같이 두 곳의 측정 대상 식물 (파파야)에 설치한 측정 장치를 원격 구동하여 시간 설정 주기에 따라서 자동으로 측정되도록 하였다. 측정된 데이터는 USN을 통하여 서버로 전송되어 측정 방식별로 분류하여 저장한다.
- 제안한 시스템의 식물 주간 비대 생장 측정 실험은 그림 13과 같이 두 곳의 측정 대상 식물 (파파야)에 설치한 측정 장치를 원격 구동하여 시간 설정 주기에 따라서 자동으로 측정되도록 하였다. 측정된 데이터는 USN을 통하여 서버로 전송되어 측정 방식별로 분류하여 저장한다.
데이터처리
- 생장 측정 실험은 장치 설치 여건으로 단일 대상에서의 측정이 어려워 단일 대상에 의한 측정 방식별 비교는 할 수 없었다. 그래서 표 1과 같이 측정 대상별로 직접 측정 방식과 제안한 측정 방식별로 측정한 결과 중 10개의 데이터를 시간대별로 임의 추출하여 비교해 보았다. 표 1의 a)와 c)는 직접 측정 방식과 제안한 고정식 및 회전식 측정 방식에 대한 측정 데이터이며, b)와 d)는 식물 주간 둘레 측정 결과를 방식별로 비교한 그래프이다.
이론/모형
- 비접촉 센서를 통해 획득한 데이터를 사용하여 식물의 주간 직경 및 단면적을 계산하고 형상을 표출하는 방법으로 LineDDA(Line Digital Deferential Analyzer) 알고리즘과 극좌표 변환 알고리즘을 적용한다. 먼저 LineDDA 알고리즘은 점과 점을 연결한 직선의 기울기를 이용하여 두 점 사이를 부드럽게 연결하는 좌표를 획득하여 선분을 그리는 알고리즘이다.
- 제안 시스템은 그림 5와 같이 식물 생장 측정 장치의 문제점을 최소화하기 위하여 비접촉 적외선 센서를 이용하여 고정식(3점)과 회전식 측정 방식(uPGMS)을 개발하고, 식물 주간 생장을 측정하여 USN 기술을 기반으로 서버에 전송(uDGCS)하며, 서버는 데이터를 분석하여 그 결과를 제공(uDADS)하도록 하였다. 비접촉식 적외선 센서의 설치는 [장치-1]은 고정식 적외선 센서 측정 방식, [장치-2]는 회전식 적외선 센서 측정 방식을 적용하였다.
성능/효과
- 본 논문에서는 기존 식물 생장 측정의 문제점을 해소하기 위하여 비접촉 적외선 센서를 이용한 USN 기술 기반의 실시간 비접촉 식물 비대 생장 측정 시스템(PGMS)을 제안하였다. 그리고 제안한 시스템을 구현하고 실제로 현장에 설치하여 식물 주간 비대 생장 측정 실험 및 성능 평가를 통하여 식물 생장 측정 분야에서 비접촉 센서와 USN 기술의 적용 가능성을 확인하였다. 제안한 시스템은 기존 측정 방식에서는 어려웠던 실시간 원격 자동 측정, 실시간 분석 및 주간 비대형상 표출을 가능하게 하여 새로운 식물 생장 측정 기술을 확보할 수 있게 되었다.
- 다음으로 그림 15의 고정식 측정 방식과 그림 16의 회전식 적외선 센서 측정 방식의 측정 결과를 비교해보면, 회전식 측정 방식에서 식물의 주간 비대 형상이 더욱 세밀하게 생성되고, 생장 곡선도 이전에 측정한 값이 이후에 측정한 값보다 큰 값이 측정되는 측정 오류가 감소된 것을 볼 수 있다. 생장 측정 실험은 장치 설치 여건으로 단일 대상에서의 측정이 어려워 단일 대상에 의한 측정 방식별 비교는 할 수 없었다.
- 다음으로 표 2에서는 기존 방식과 제안한 방식을 비교 항목별로 정성적인 분석을 하였다. 제안한 방식은 기존 방식보다 대부분의 항목에서 우수한 것으로 나타났다. 특히 제안한 시스템은 불규칙 표면의 측정, 비대 형상 표출, 원격 실시간 측정 및 측정 정보 제공에서는 기존 방식에서는 제공할 수 없었던 기능을 가능하게 하였다.
- 그리고 제안한 시스템을 구현하고 실제로 현장에 설치하여 식물 주간 비대 생장 측정 실험 및 성능 평가를 통하여 식물 생장 측정 분야에서 비접촉 센서와 USN 기술의 적용 가능성을 확인하였다. 제안한 시스템은 기존 측정 방식에서는 어려웠던 실시간 원격 자동 측정, 실시간 분석 및 주간 비대형상 표출을 가능하게 하여 새로운 식물 생장 측정 기술을 확보할 수 있게 되었다.
- 제안한 시스템의 고정식과 회전식 측정 방법의 측정 성능은 기존의 직접 측정 방법과 비교하여 측정 오차 및 측정 오류가 일부 발생하였으나 표 1과 같이 식물 주간의 둘레 측정에서 매우 적은 오차를 보여주고 있으며, 기존의 직접 측정 방식이 측정자의 측정 오류나 측정 대상의 불규칙 표면에 대한 측정이 어려웠던 것을 고려하면 제안한 측정 방식이 측정 대상의 불규칙 표면까지 정밀하게 측정이 가능하여 오차와는 무관하게 더 정확한 측정 결과를 보여주고 있다고 볼 수 있다.
- 제안한 방식은 기존 방식보다 대부분의 항목에서 우수한 것으로 나타났다. 특히 제안한 시스템은 불규칙 표면의 측정, 비대 형상 표출, 원격 실시간 측정 및 측정 정보 제공에서는 기존 방식에서는 제공할 수 없었던 기능을 가능하게 하였다.
후속연구
- 그러나 제안한 시스템의 기능성, 안정성 및 정확도 등을 고려해 볼 때 지속적으로 개선해야 한다. 먼저 시스템 내부의 측정 장치 부분에서는 회전식 측정 장치의 편의성 및 내구성에 대한 개선이 필요하다.
- 먼저 시스템 내부의 측정 장치 부분에서는 회전식 측정 장치의 편의성 및 내구성에 대한 개선이 필요하다. 그리고 측정 오류의 최소화를 위하여 초음파, CCD, 레이저 센서를 위한 측정 실험이 필요하며, 시스템 보안을 위하여 USN 보안기술이 적용된 시스템 설계와 측정 정확도 향상을 위한 측정 및 생성 알고리즘(직경 및 둘레 측정, 단면적 계산, 비대 형상 표출 등의 이미지 처리)의 개선 및 최적화가 필요하다. 시스템 외부로는 제안한 시스템에 생장 방향 및 위치 정보 시스템(GPS)과 자동 기상정보 시스템(AWS) 등을 추가하여 실시간 식물 생장 모델 분석 시스템으로의 발전이 필요하다.
- 그리고 측정 오류의 최소화를 위하여 초음파, CCD, 레이저 센서를 위한 측정 실험이 필요하며, 시스템 보안을 위하여 USN 보안기술이 적용된 시스템 설계와 측정 정확도 향상을 위한 측정 및 생성 알고리즘(직경 및 둘레 측정, 단면적 계산, 비대 형상 표출 등의 이미지 처리)의 개선 및 최적화가 필요하다. 시스템 외부로는 제안한 시스템에 생장 방향 및 위치 정보 시스템(GPS)과 자동 기상정보 시스템(AWS) 등을 추가하여 실시간 식물 생장 모델 분석 시스템으로의 발전이 필요하다.
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