[논문]가시광 무선통신 기반의 스마트 농업 시스템

염태화; 박성미; 권혜인; 황덕규; 김정창

doi:10.7840/kics.2013.38c.5.479

가시광 무선통신 기반의 스마트 농업 시스템
A Smart Farming System Based on Visible Light Communications 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 통신이론 및 시스템, v.38C no.5, 2013년, pp.479 - 485

염태화 (한국해양대학교 전자통신공학과) , 박성미 (한국해양대학교 전자통신공학과) , 권혜인 (한국해양대학교 전자통신공학과) , 황덕규 (한국해양대학교 전자통신공학과) , 김정창 (한국해양대학교 전자통신공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 software defined radio (SDR) 기술 기반의 가시광 (visible light) 무선통신 및 RF 무선통신을 이용한 스마트 농업 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 스마트 농업을 위하여 무선 센서네트워크를 구축하여 LED 식물공장을 지속적으로 모니터링할 수 있다. 또한, LED 식물공장을 자동으로 제어가 가능하도록 하여 농작물 재배지를 항상 최적의 환경으로 유지할 수 있다. 더 나아가, 농작물 재배 환경을 데이터베이스화하여 농작물 재배지가 보다 효율적으로 관리될 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a smart farming system using the visible light communication based on the software defined radio (SDR) technology and the conventional RF radio. The proposed system can continuously monitor growth environments of the LED plant factory and automatically control the LED plant factory to keep optimal growth environments. Furthermore, by creating a database from various growth factors, the LED plant factory can be efficiently managed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 LED 식물공장 내에 가시광(visible light) 무선 센서네트워크 (wireless sensor network)를 구축하고 원격 모니터링 및 제어가 가능한 시스템을 구현하고자 한다. 본 논문에서 제안하는 시스템은 LED 식물공장과 원격지 모니터링 시스템 간에는 원거리 통신을 위하여 RF 통신을 사용하고, LED 식물공장 내부에서는 식물의 광합성을 위한 LED를 이용하여 가시광 통신을 사용한다.
본 논문에서는 LED 식물공장의 농작물 성장 요소를 모니터링하기 위한 무선 센서네트워크를 구축하고, SDR 기반의 가시광 통신시스템과 RF 통신시스템을 연동하여 스마트 농업 시스템을 구현하였다. 구현된 시스템에서는 원격지 모니터링 및 제어 센터에서 LED 식물공장의 각종 성장 요소를 모니터링 및 제어할 수 있다.
그림 5는 GUI (graphical user interface) 환경의 원격지 모니터링 및 제어 시스템 화면을 나타내며 LabVIEW를 이용하여 구현되었다. 본 논문에서는 LED 식물공장의 온도 및 습도를 모니터링하고 제어하도록 구현하였다. 일정 시간 간격으로 LED 식물공장 내부의 온도 및 습도 정보를 화면에 나타내고 그 변화를 관찰할 수 있도록 설계하였다.

제안 방법

원격지의 모니터링 및 제어 센터에서는 LED 식물공장 내부의 각종 식물 성장 요소를 원격으로 모니터링하거나 제어하는 역할을 담당한다. LED 식물공장 내부의 식물 성장 요소를 제어하기 위하여 RF 송수신기를 통하여 제어 정보를 RF 방식으로 LED 식물공장으로 전송한다. LED 식물공장의 RF 송수신기에서 수신된 제어 데이터는 신호처리 보드의 DSP로 전달된다.
그림 5는 측정된 데이터를 20분 간격으로 전달받아 표시한 결과를 나타낸다. LED 식물공장의 내부 온도 및 습도를 원격으로 제어하기 위하여 2가지 동작모드를 구현하였다. 그림 5의 제어 화면 하단 중앙에 수동모드 및 자동제어 선택 버튼이 있다.
본 논문에서 제안하는 시스템은 LED 식물공장과 원격 모니터링 시스템 간에는 원거리 통신을 지원하기 위하여 RF 통신을 사용하고, LED 식물공장 내부의 센서네트워크를 위한 통신은 LED를 이용하기 때문에 식물성장에 악영향을 미치지 않는 친환경적인 통신시스템이라 할 수 있다. 본 논문에서는 센서로부터 검출된 온도 및 습도에 대한 정보를 마이크로콘트롤러 보드 (micro-controller board)가 입력으로 받은 후 LED를 스위칭함으로써 데이터를 전송한다.
본 논문에서는 LED 식물공장 내에 가시광(visible light) 무선 센서네트워크 (wireless sensor network)를 구축하고 원격 모니터링 및 제어가 가능한 시스템을 구현하고자 한다. 본 논문에서 제안하는 시스템은 LED 식물공장과 원격지 모니터링 시스템 간에는 원거리 통신을 위하여 RF 통신을 사용하고, LED 식물공장 내부에서는 식물의 광합성을 위한 LED를 이용하여 가시광 통신을 사용한다. 본 논문의 LED 식물공장 내부에서 사용되는 가시광 통신 (visible-light communication: VLC)은 380nm-780nm의 파장을 갖는 가시광 광선을 이용하여 데이터를 송수신하는 통신기술로서 신호를 송신하기 위하여 LED를 사용한다.
본 논문에서 제안하는 시스템은 LED 식물공장과 원격 모니터링 시스템 간에는 원거리 통신을 지원하기 위하여 RF 통신을 사용하고, LED 식물공장 내부의 센서네트워크를 위한 통신은 LED를 이용하기 때문에 식물성장에 악영향을 미치지 않는 친환경적인 통신시스템이라 할 수 있다. 본 논문에서는 센서로부터 검출된 온도 및 습도에 대한 정보를 마이크로콘트롤러 보드 (micro-controller board)가 입력으로 받은 후 LED를 스위칭함으로써 데이터를 전송한다. 수신기에서는 광 검출 보드 (photo detecting board)에서 검출된 신호를 신호처리 보드(signal processing board)에서 복조한다.
마이크로콘트롤러 보드에서 사용된 마이크로콘트롤러는 Atmel 사의 ATmega128이다. 센서에서 측정된 데이터는 ATmega128의 내장 ADC를 통하여 8비트 값으로 저장되고 UART 방식을 사용하여 LED 구동 보드로 신호를 전달한다.
그림 1. 스마트 농업을 위하여 제안된 가시광 통신 및 모니터링/제어 시스템의 구조.
신호처리 보드의 ADC 입력 및 DAC 출력신호는 ±1V 이내로 제한되므로 National Semiconductor 사의 LM386 및 LM2901 칩을 사용하여 입출력 신호의 크기를 조절한다.
본 논문에서 가시광 통신은 LED 식물공장 내부에서 마이크로콘트롤러 보드와 신호처리 보드 사이의 데이터 전달을 위하여 사용된다. 이를 위하여 마이크로콘트롤러 보드와 신호처리 보드 사이에 직렬방식의 통신 시스템을 구현하였다. 이때, 송신기와 수신기의 국부 발진기 (local oscillator) 주파수가 완벽히 일치하지는 않으므로 타이밍 드리프트 (timing drift)가 발생한다.
또한, 이로 인하여 샘플링 클럭 오프셋 (sampling clock offset)이 발생하여 수신기에서 데이터 복조 시 오류가 발생하게 된다. 이를 해결하기 위하여 본 논문에서는 광 검출기 출력을 신호처리 보드에서 4배 과잉 샘플링 (over-sampling)함으로써 샘플링 클럭 오프셋으로 인한 데이터 복조 오류 문제를 해결하였다.
본 논문에서는 LED 식물공장의 온도 및 습도를 모니터링하고 제어하도록 구현하였다. 일정 시간 간격으로 LED 식물공장 내부의 온도 및 습도 정보를 화면에 나타내고 그 변화를 관찰할 수 있도록 설계하였다. 그림 5는 측정된 데이터를 20분 간격으로 전달받아 표시한 결과를 나타낸다.

대상 데이터

그림 2는 본 논문에서 구현한 가시광 통신 및 모니터링/제어 시스템의 주요 하드웨어를 나타낸다. 마이크로콘트롤러 보드에서 사용된 마이크로콘트롤러는 Atmel 사의 ATmega128이다. 센서에서 측정된 데이터는 ATmega128의 내장 ADC를 통하여 8비트 값으로 저장되고 UART 방식을 사용하여 LED 구동 보드로 신호를 전달한다.
본 논문에서 가시광 통신은 LED 식물공장 내부에서 마이크로콘트롤러 보드와 신호처리 보드 사이의 데이터 전달을 위하여 사용된다. 이를 위하여 마이크로콘트롤러 보드와 신호처리 보드 사이에 직렬방식의 통신 시스템을 구현하였다.
신호처리 보드에서 사용된 DSP, ADC, DAC의 주요 사양은 표 1과 같다. 신호처리 보드는 표 1의 DSP 칩을 탑재한 Spectrum Digital 사의 DSK6713 보드와 표 1과 같은 사양의 ADC, DAC 칩을 탑재한 ND Tech 사의 AD/DA 보드를 사용하여 구현되었다. 신호처리 보드의 ADC 입력 및 DAC 출력신호는 ±1V 이내로 제한되므로 National Semiconductor 사의 LM386 및 LM2901 칩을 사용하여 입출력 신호의 크기를 조절한다.

이론/모형

신호처리 보드의 ADC 입력 및 DAC 출력신호는 ±1V 이내로 제한되므로 National Semiconductor 사의 LM386 및 LM2901 칩을 사용하여 입출력 신호의 크기를 조절한다. LED 식물공장과 원격지 모니터링 시스템 간의 RF 통신은 블루투스 (Bluetooth) 방식을 이용한다. 표 2는 본 연구에서 사용된 블루투스 모듈의 사양을 나타내며, 통신가능 거리는 100m 정도이다.

성능/효과

또한, 본 연구에서는 가시광 및 RF 통신 시스템을 연동하여 LED 식물공장의 센서 측정 데이터를 모니터링 및 제어 시스템으로 전송하여 정상적으로 모니터링됨을 확인하였다. 편의상, 본 실험에서는 온도 및 습도 정보만 모니터링 및 제어하도록 구현하였으나 보다 많은 종류의 센서들을 추가적으로 활용할 수 있을 것이다.
구현된 시스템에서는 원격지 모니터링 및 제어 센터에서 LED 식물공장의 각종 성장 요소를 모니터링 및 제어할 수 있다. 본 연구에서 구현된 시스템을 이용하여 온도와 습도 정보를 모니터링하고 제어 가능함을 성공적으로 테스트했다. 본 연구 결과는 재배하고자 하는 농작물의 성장에 미치는 다양한 요인들을 측정할 수 있는 센서들을 추가하여 맞춤형 모니터링 및 제어 시스템을 구축하는데 활용할 수 있을 것이다.

후속연구

특히, LED 식물공장에 전자파가 차단될 수 있도록 장치를 한다면 외부로부터의 전자파를 최소화할 수 있을 것이다. 또한, LED 식물공장 내부에서는 식물의 광합성에 이용되는 LED에 기반한 가시광 통신을 이용하므로 농작물의 성장에 미치는 전자파의 영향이 최소화될 것으로 기대된다.
본 연구에서 구현된 시스템을 이용하여 온도와 습도 정보를 모니터링하고 제어 가능함을 성공적으로 테스트했다. 본 연구 결과는 재배하고자 하는 농작물의 성장에 미치는 다양한 요인들을 측정할 수 있는 센서들을 추가하여 맞춤형 모니터링 및 제어 시스템을 구축하는데 활용할 수 있을 것이다. 특히, LED 식물공장에 전자파가 차단될 수 있도록 장치를 한다면 외부로부터의 전자파를 최소화할 수 있을 것이다.
본 연구 결과는 재배하고자 하는 농작물의 성장에 미치는 다양한 요인들을 측정할 수 있는 센서들을 추가하여 맞춤형 모니터링 및 제어 시스템을 구축하는데 활용할 수 있을 것이다. 특히, LED 식물공장에 전자파가 차단될 수 있도록 장치를 한다면 외부로부터의 전자파를 최소화할 수 있을 것이다. 또한, LED 식물공장 내부에서는 식물의 광합성에 이용되는 LED에 기반한 가시광 통신을 이용하므로 농작물의 성장에 미치는 전자파의 영향이 최소화될 것으로 기대된다.
또한, 본 연구에서는 가시광 및 RF 통신 시스템을 연동하여 LED 식물공장의 센서 측정 데이터를 모니터링 및 제어 시스템으로 전송하여 정상적으로 모니터링됨을 확인하였다. 편의상, 본 실험에서는 온도 및 습도 정보만 모니터링 및 제어하도록 구현하였으나 보다 많은 종류의 센서들을 추가적으로 활용할 수 있을 것이다. 그림 4는 본 연구에서 구현한 시스템의 동작 여부를 확인하기 위하여 제작한 LED 식물공장 모형을 나타낸다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED 식물공장의 장점은 무엇인가?	최근에는, LED (light emitting diode) 식물공장(plant factory)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다[5,6]. LED 식물공장은 저비용/고효율의 LED 조명을 이용하고 인공적으로 온도, 습도, 이산화탄소등 생장 환경을 조절함으로써 기상변화에 관계없이 농업 생산이 가능하다는 장점이 있다. 이로 인하여, 농작물의 생육 불안정, 수확 불확실성이 해소되어 생산성 향상을 기대할 수 있다.
	LED를 이용한 가시광 통신 기술의 장점은 무엇인가?	그러므로, 인간의 눈이 인지하지 못할 정도의 속도로 LED를 빨리 스위칭함으로써 광원과 동시에 무선통신에 활용할 수 있다[7,8]. LED를 이용한 가시광 통신 기술은 인체에 무해하고 주파수 허가를 받을 필요가 없으며 무선 주파수 간섭이 없다는 장점을 가지고 있다. 이에 가전기기, 이동통신기기, 조명, 광고, 의료, 환경, 농수산 등 다양한 분야의 가시광 LED 기반 시설에 가시광 통신이 적용 가능하다[7,8].
	신호처리 보드에서 복조된 데이터는 어디에 전달되는가?	수신기에서는 광 검출 보드 (photo detecting board)에서 검출된 신호를 신호처리 보드(signal processing board)에서 복조한다. 복조된 데이터는 RF 통신을 이용하여 모니터링 시스템에 전달된다. 또한, RF 통신을 이용하여 원격 제어 센터로부터 LED 식물공장에 전달된 제어 데이터는 신호처리 보드에서 가시광 통신을 이용하여 마이크로 콘트롤러 보드에 전달되고 식물 성장 요소의 제어가 이루어진다.

참고문헌 (13)

K. H. Lee, C. M. Ahn, and G. M. Park, "Characteristics of the convergence among traditional industries and IT industry," Electron. Telecommun. Trends, vol. 23, no. 2, pp. 13-22, Apr. 2008.
O. Mirabella and M. Brischetto, "A hybrid wired/wireless networking infrastructure for greenhouse management," IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 60, no. 2, pp. 398-407, Feb. 2011.

상세보기
T. H. Yeom, S. M. Park, H. I. Kwon, D. K. Hwang, and J. Kim, "A smart farming system based on visible light communications," in Proc. KICS Conf., pp. 732-733, Yongpyoung, Korea, Jan. 2013.
S. C. Jang, S. I. Ham, Y. J. Hwang, I. M. Na, K. P. Youn, Y. J. Lee, J. K. Lee, and B. M. Jung, "RFID/USN-based cultivation monitoring system," in Proc. KIIE Conf., pp. 951-958, Daejeon, Korea, May 2006.
B.-G. Gim, W.-J. Lee, and S.-Y. Heo, "Construction of a testbed for ubiquitous plant factory monitoring system using artificial lighting," in Proc. KIIT Conf., vol. 2010, pp. 272-275, Suwon, Korea, May 2010.
D.-S. Ko and H.-S. Park, "The study for design of growth environment monitoring system of vertical farm," in Proc. KIIT Conf., vol. 2011, pp. 372-375, Chungju, Korea, May 2011.
D. H. Kim, S. K. Lim, and T. G. Kang, "Application service model for visible light communication coupled with LED illumination," KICS Inform. Commun. Mag., vol. 26, no. 5, pp. 3-9, May 2009.
S. K. Lim, D. H. Kim, I. S. Jang, Y. J. Kim, and T. G. Kang, "Technology trends of visible light communication coupled with LED illumination," Electron. Telecommun. Trends, vol. 25, no. 4, pp. 38-47, Aug. 2010.
M. Kavehard, "Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights," IEEE Trans. Consum. Electron., vol. 50, no. 1, pp. 100-107, Feb. 2004.

상세보기
K. Cui, G. Chen, Z. Xu, and R. D. Roberts, "Line-of-sight visible light communication system design and demonstration," in Proc. IEEE Symp. CSNDSP, pp. 621-625, Newcastle, U.K., July 2010.
S. H. Cho, S. K. Han, C. W. Roh, S. S. Hong, and B. J. Jang, "Implementation of visible light communication system modulated by a switching driver circuit of lighting LED," J. KICS, vol. 21, no. 8, pp. 905-910, Aug. 2010.

원문보기 상세보기
Y. J. Kim, H. J. Lee, and K. R. Sohn, "Short-range underwater optical wireless visible light communication systems using a frequency modulation," in Proc. Photonics Conf., pp. 162-163, Pyeongchang. Korea, Nov. 2011.
T. H. Yeom, D. K. Hwang, J. W. Park, J. W. Kim, K. R. Sohn, and J. Kim, "Wireless audio transmission system based on visible-light communications," in Proc. ICROS Conf., Seoul, Korea, Apr. 2012.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증