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문제 정의
- 본 시스템은 여기저기 흩어져 있는 시설하우스의 생장 환경 정보를 인터넷을 통하여 수집하여 전문가들에 의한 농가 컨설팅 자료로 활용하고자 개발되었다. 하지만 너무 먼 거리에 떨어져 있어 비용 문제로 인터넷을 설치할 수 없는 농가가 생겨났다.
- 본 연구는 시설하우스 스마트 생장환경 자동조절 ‘클라이언트시스템’과 각 농가의 데이터를 수집하여 컨설팅에 활용하는 ‘서버 시스템’ 그리고 인터넷이 연결되지 않은 농가의 데이터를 3G무선 인터넷을 통해 수집하는 모듈로 구성되었다. 이를 통해 실시간으로 농가 생장 환경 데이터를 수집함으로써 농업 컨설팅에 획기적인 도움이 될 수 있는 시스템을 제안한다.
제안 방법
- 각 센서값의 수신은 사용자의 설정에 의해 변경이 가능하도록 하였으며, 실시간 계측이 필요한 급배액 관련 센서, CO2 센서의 경우에는 실시간으로 사용자가 확인이 가능하도록 하였다.
- 각 센서류의 데이터의 입출력은 Port0-RS232C, Port1-RS232C로 이루어지도록 하였다. 각 센서값의 수신은 사용자의 설정에 의해 변경이 가능하도록 하였으며, 실시간 계측이 필요한 급배액 관련 센서, CO2 센서의 경우에는 실시간으로 사용자가 확인이 가능하도록 하였다.
- 본 시스템의 구성도는 그림 1과 같다. 그리고 각 농가에서 취합된 생장환경 정보를 전라남도 시스템실의 데이터 마이닝 서버로 전송하여 실시간 모니터링 및 제어를 하게 하였다. 또한 취합된 데이터를 분석하여 다양한 방법으로 시각화함으로써 컨설팅에 활용할 수 있도록 하였다.
- 그리고 온실 내 위치에 따른 작물의 생장, 생육, 생산량 및 품질 편차를 줄일 수 있었다. 또한 실시간 작물 생장 환경 정보 수집 및 제어를 통해 적절한 온도와 수분을 유지시켜 쾌적한 생장 환경을 지속적으로 제공하였고, 이를 통해 냉해 및 고사로 인한 손실을 사전에 예방하였다.
- 스마트 생장환경 관리 서버 시스템은 농가별 Terminal proxy 서버들로부터 전송되는 센싱 정보를 DB화하기 위한 데이터 로깅 서버를 구축하고, 웹 기반의 모니터링을 위한 사용자 인터페이스를 구축하였다. 또한 온실 내외부에서 수집된 각종 센싱 정보들을 제공하고, 정보 분석을 통한 각종 통계 및 예측 정보들을 제공한다. 그림 3은 웹기반 생장환경관리시스템 서버 시스템 사용자 인터페이스 화면이다.
- 그리고 각 농가에서 취합된 생장환경 정보를 전라남도 시스템실의 데이터 마이닝 서버로 전송하여 실시간 모니터링 및 제어를 하게 하였다. 또한 취합된 데이터를 분석하여 다양한 방법으로 시각화함으로써 컨설팅에 활용할 수 있도록 하였다.
- 우리는 ‘u-IT기반 스마트 생장 환경 관리 시스템’을 개발하였다. 본 시스템의 구축을 통하여 고부가가치를 창출하는 원예 산업에 u-IT를 활용함으로써 실시간 작물 생장환경 정보 수집 및 시설 내부의 재배 환경 시스템 제어를 할 수 있도록 하였다. 그리고 온실 내 위치에 따른 작물의 생장, 생육, 생산량 및 품질 편차를 줄일 수 있었다.
- 센서의 작동은 온실로 공급되는 상전원을 통해 이루어지도록 하였으며, 풍속․풍향센서는 바람의 방향과 세기에 따라 작동되도록 구성되어 있으며, 온습도, 일사, 생체정보 센서류 등의 작동은 각 센서의 고유 저항 값을 통해 설정된 수치로 작동되도록 구성 되었다. 그림 2는 스마트 생장 환경 관리시스템 클라이언트 사용자 인터페이스 이미지이다.
- 수집된 각 센서 값은 복합 환경 제어기에 반영되어 이와 연결된 온실 환경 조절을 위한 장비의 제어에 반영이 되도록 하였으며, 센서 값에 의한 제어내용은 천창 모터, 이중창 모터, 측창 모터, 차광 커튼 모터, 보온 커튼 모터, 측 커튼 모터, CO2 공급 밸브, 유동 팬, 배기 팬, 난방 순환 펌프, 난방 3-way 밸브 등이다.
- 스마트 생장환경 관리 서버 시스템은 농가별 Terminal proxy 서버들로부터 전송되는 센싱 정보를 DB화하기 위한 데이터 로깅 서버를 구축하고, 웹 기반의 모니터링을 위한 사용자 인터페이스를 구축하였다. 또한 온실 내외부에서 수집된 각종 센싱 정보들을 제공하고, 정보 분석을 통한 각종 통계 및 예측 정보들을 제공한다.
- 시설하우스 현장에 설치된 복합 환경제어 시스템은 본 사업에 참여한 그린씨에스(주)의 ‘마그마’라는 제품을 기반으로 추가 개발을 하였다.
- 시스템에 이용되는 센서류는 온실외부에 설치되는 센서 4종류와 온실내부에 설치되는 센서 3종류, 생체정보계측을 위한 센서 9종류를 설치하였다. 설치된 센서의 종류는 [표2]와 같다.
- 우리는 ‘u-IT기반 스마트 생장 환경 관리 시스템’을 개발하였다.
- 온실용 복합 환경제어 시스템은 PLC 판넬에 연결된 온실의 각종 센서 및 작동기기에서 수집된 정보를 제어프로그램과 연동하여 실시간으로 제어값을 저장한다. 이 시스템은 온실 내부 및 외부의 각종 생장센서, 환경 센서의 정보를 기반으로 환기장치, 온풍기, 보일러, CO2 농도, 양액 제어기 등을 제어한다.
- 이스라엘 Phytalk 사의 식물 생장 모니터링 시스템은 작물과 생장 환경을 모니터링하는 센서와 소프트웨어를 개발하고 이스라엘 오렌지 농장 등에 적용하였다. 환경 센서들을 통해 토양 습도, 온도, 대기습도 등 재배환경을 측정하고, 식물에 부착된 센서들은 5분에서 10분 간격으로 정보를 수집하여 케이블이나 무선 연결을 통해 재배자의 집에 있는 컴퓨터로 전송한다.
- 이스라엘 Phytalk 사의 식물 생장 모니터링 시스템은 작물과 생장 환경을 모니터링하는 센서와 소프트웨어를 개발하고 이스라엘 오렌지 농장 등에 적용하였다. 환경 센서들을 통해 토양 습도, 온도, 대기습도 등 재배환경을 측정하고, 식물에 부착된 센서들은 5분에서 10분 간격으로 정보를 수집하여 케이블이나 무선 연결을 통해 재배자의 집에 있는 컴퓨터로 전송한다. 소프트웨어는 식물의 컨디션을 그래프와 색깔로 표시하고, 작물의 스트레스 상태와 원인을 분석해준다.
대상 데이터
- 본 시스템은 전라남도 광양, 화순에 있는 6개 파프리카 농가 시설하우스를 u-IT기반 기술로 제어한다. 본 시스템의 구성도는 그림 1과 같다.
- 본 연구는 시설하우스 스마트 생장환경 자동조절 ‘클라이언트시스템’과 각 농가의 데이터를 수집하여 컨설팅에 활용하는 ‘서버 시스템’ 그리고 인터넷이 연결되지 않은 농가의 데이터를 3G무선 인터넷을 통해 수집하는 모듈로 구성되었다.
- 필자는 SK텔레콤의 'T로그인‘ 서비스[8] 와 KTF의 ’아이플러그‘ 서비스[9] 중 ’아이플러그‘를 도입하여 농가 생장환경 데이터를 실시간으로 수집하였다.
이론/모형
- 저장된 정보는 사용자들이 알 수 있게 변환되어 실시간 환경요소에 관한 정보를 분석·가공하여 생산자를 비롯한 관련 컨설턴트, 연구자에게 제공함으로써 생산성 및 품질 향상, 생산비 절감 및 소득 향상에 중요하게 이용될 수 있다. 여기에서 직선회귀 분석과 DIF분석을 활용한다. 직선회귀분석은 일몰 전후 시간당 평균 광도 및 시설내부온도의 감소율을 분석하고 비교하기 위해 일몰 전후 시설내부의 온도의 변화를 직선회귀식으로 분석한후 기울기의 값을 가지고 농가별 환경 요인들은 분석하는 방법이다.
성능/효과
- 본 시스템의 구축을 통하여 고부가가치를 창출하는 원예 산업에 u-IT를 활용함으로써 실시간 작물 생장환경 정보 수집 및 시설 내부의 재배 환경 시스템 제어를 할 수 있도록 하였다. 그리고 온실 내 위치에 따른 작물의 생장, 생육, 생산량 및 품질 편차를 줄일 수 있었다. 또한 실시간 작물 생장 환경 정보 수집 및 제어를 통해 적절한 온도와 수분을 유지시켜 쾌적한 생장 환경을 지속적으로 제공하였고, 이를 통해 냉해 및 고사로 인한 손실을 사전에 예방하였다.
- 소프트웨어는 식물의 컨디션을 그래프와 색깔로 표시하고, 작물의 스트레스 상태와 원인을 분석해준다. 이스라엘 오렌지 농장에 적용한 결과 환경 정보를 측정하여 관수 방법을 개선한 결과 톤당 700달러의 소득이 증가하였다.
후속연구
- u-IT기반 스마트 생장환경 관리시스템은 향후 타작목으로 확산은 물론 임업, 수산업, 축산업 등으로 확대 발전시킬 수 있을 것이다.
- 이렇게 하여 시설하우스의 생장환경을 자동 조절하고 조절된 데이터를 서버에 모두 수집하여 컨설팅을 위한 자료로 활용할 수 있게 되었다. 또한 3G 데이터 통신이 4G로 전환되고 있어서 향후 더욱 위치로부터 자유로운 스마트 생장환경 모니터링 및 자동조절이 가능할 것으로 보인다. 그림 4는 유선으로 인터넷이 연결되지 않는 농가에 ’아이플러그‘를 설치하여 데이터를 수집하는 모듈을 구현한 모습이다.
- 시스템의 발전과 꾸준한 농업의 생산성 향상을 위해 본 시스템을 지속적으로 활용하고, 활용한 결과를 농업 전문가들이 분석하여 최적의 생장 환경을 찾아내고, 최적의 제어 기술로 발전시켜 나가야 할 것이다. 또한 시설 농업 전반의 생산성 향상을 도모하기 위해 본 시스템에 대한 전문가의 컨설팅이 절대적으로 필요하다.
- 또한 시설 농업 전반의 생산성 향상을 도모하기 위해 본 시스템에 대한 전문가의 컨설팅이 절대적으로 필요하다. 컨설팅을 위해, 지속적인 데이터 마이닝을 기반으로 통계와 시각화에 대한 연구가 지속적으로 진행되어야 할 것이다.
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