[논문]스마트팜 구현을 위한 연구동향 및 ICT 핵심기술 분석

여욱현; 이인복; 권경석; 하태환; 박세준; 김락우; 이상연

doi:10.12791/ksbec.2016.25.1.30

스마트팜 구현을 위한 연구동향 및 ICT 핵심기술 분석
Analysis of Research Trend and Core TechnologiesBased on ICT to Materialize Smart-farm 원문보기

시설원예ㆍ식물공장 = Protected horticulture and plant factory, v.25 no.1, 2016년, pp.30 - 41

여욱현 (서울대학교 지역시스템공학과) , 이인복 (서울대학교 지역시스템공학과) , 권경석 (서울대학교 지역시스템공학과) , 하태환 (서울대학교 지역시스템공학과) , 박세준 (서울대학교 지역시스템공학과) , 김락우 (서울대학교 지역시스템공학과) , 이상연 (서울대학교 지역시스템공학과)

초록
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정부는 정책적으로 ICT 기반 시설원예의 첨단화로 농작물의 생산성을 높이고 에너지 절감형 스마트 온실의 보급 확대를 계획하고자 한다. 그러나 농업 분야에 있어서 모니터링 및 제어의 다양성 및 연계성은 매우 부족한 실정이다. 이에 자동화된 시설원예를 활용하여 다양한 모니터링 및 제어를 위한 복합형 알고리즘을 활용한 농업생산 전주기적 과정의 지능적 시스템화를 위한 현장 중심형 사물인터넷 기반 스마트팜 융합 서비스 시스템의 개발이 필요하다. 따라서, 농업분야 ICT 현장적용 관련 국내 외 연구 동향을 소개하고 이로부터 시설원예 분야에 접목 가능한 ICT 기반 미래 핵심기술을 분석 및 제시하고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Korean government has planned to increase the productivity of horticultural crops and to expand supply smart greenhouse for energy saving by modernization of horticultural facilities based on ICT in policy. However, the diversity and linkages of monitoring and control are significantly insufficient in the agricultural sector in the current situation. Therefore, development of a service system with smart-farm based on the internet of things(IoT) for intelligent systemization of all the process of agricultural production through remote control using complex algorithm for diverse monitoring and control is required. In this study, domestic and international research trend related to ICT-based horticultural facilities was briefly introduced and limits were analyzed in the domestic application of the advanced technology. Finally, future core technologies feasible to graft in agricultural field were reviewed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 농업분야 ICT 현장적용 관련 국내·외 연구 동향을 소개하고 이로부터 시설원예 분야에 접목 가능한 ICT 기반 미래 핵심기술을 분석 및 제시하고자 하였다.
따라서, 본 연구에서는 농업분야 ICT 적용관련 국내·외 연구 동향을 간략하게 소개하고 첨단기술 국내 적용에 있어서 한계점을 파악하였다.
따라서, 본 연구에서는 농업분야 ICT 적용관련 국내·외 연구 동향을 간략하게 소개하고 첨단기술 국내 적용에 있어서 한계점을 파악하였다. 이를 바탕으로 현장 활용 및 접목 가능한 미래 핵심기술에 대한 제의를 하고자 한다.
첨단 정보기술을 현장에 적용함으로써 농장 관리인은 상당한 작물생장관련 데이터를 획득할 수 있게 되고, 이는 농장 관리인의 환경 제어에 대한 불확실성을 최소화 할 수 있도록 할 뿐만 아니라 자동제어 시스템화를 통한 노동력을 감축할 수 있다(Blackmore, 2000). 이에 정부는 정책적으로 ICT 기반 시설원예의 첨단화로 농작물의 생산성을 높이고 에너지 절감형 스마트 온실의 보급 확대를 계획 하고자 한다. 그러나 현재까지 농업 분야에 있어서 일부 시설원예 분야를 제외하고는 모니터링 및 제어의 다양성 및 연계성은 매우 부족한 실정이다.
이와 더불어 Lee 등(2014) 또한 국내·외 ICT 융합 관련 정책 및 연구동향을 분석하고 농업 ICT 융합 기술 개발 사례와 국내 농업 ICT 융합 기술의 문제점을 분석하여 발전 방안을 모색하고자 하였다.
첨단 정보기술을 현장에 적용함으로써 농장 관리인은 상당한 작물생장관련 데이터를 획득할 수 있게 되고, 이는 농장 관리인의 환경 제어에 대한 불확실성을 최소화 할 수 있도록 할 뿐만 아니라 자동제어 시스템화를 통한 노동력을 감축할 수 있다(Blackmore, 2000). 이에 정부는 정책적으로 ICT 기반 시설원예의 첨단화로 농작물의 생산성을 높이고 에너지 절감형 스마트 온실의 보급 확대를 계획 하고자 한다. 그러나 현재까지 농업 분야에 있어서 일부 시설원예 분야를 제외하고는 모니터링 및 제어의 다양성 및 연계성은 매우 부족한 실정이다.

제안 방법

또한 ICT 융·복합과 관련한 농업종사자의 인식, ICT 관련 시장 부족과 타 정부부처(미래창조과학부, 산업통상자원부 등)와 비교한 농림축산식품부의 농산업 ICT 관련 R&D 투자액 및 예산 문제 등도 포함된다. 따라서 ICT 융·복합의 한계와 문제점에 관하여1) 국가적 측면, 2) 산업적 측면, 3) 기술적 측면,4) 농가 경영주 측면과 같이 4 가지로 구분하여 설명하고자 하였다.
1). 수집된 자료를 바탕으로 첨단기술의 소개, 개발 또는 적용에 따른 효율 분석·평가, 문제점에 대한 개선방안 및 미래활용을 제시하는 1) 동향·정보 분석 및 방향제시, 센서 네트워크를 활용하여 실시한 생육환경 및 이미지 프로세싱을 활용한 모니터링 및 제어와 관련된 2) 모니터링 및 제어, 그리고 모니터링과 제어에 국한되지 않고 빅데이터 처리 분석 및 모바일 또는 웹을 통한 원격 서비스와 관련된 3) 서비스 플랫폼으로 구분하여 검토하였다.
Choi(2012)는 온실의 환경특성을 실시간으로 분석하여 온실 환경을 최적의 상태로 유지하도록 하고 사용자가 원하는 환경에 대해서 필요시 시스템을 수동모드로 변환하여 일시적으로 작동시킬 수 있도록 온실 자동화 시스템을 구현하였다. 또한 수집된 데이터를 모니터링 서버 컴퓨터로 전송하여 웹을 통하여 실시간으로 온실 상황분석을 실시하고 즉각적인 제어가 가능하도록 웹기반 시스템을 개발하였다.
네덜란드는 장기간 누적된 작물 재배 환경 및 관련 데이터를 바탕으로 각종 센서와 환경 관리 제어 장치를 개발하였으며 이러한 농업 IT 기술을 통해 생산량 및 품질 최적화를 도모하였다(KEIT, 2011). 작물 주변 정보를 수집하여 소프트웨어기반의 제어 장치를 통한 온실 내부 환경을 최적화하며 표준화된 시설뿐만 아니라 시설 내부의 환경제어 장치 등을 일괄적으로 생산함으로써 기술을 표준화하였다.

대상 데이터

농업 분야에 있어서 ICT와 같은 첨단 기술은 크게 생산, 산지유통 및 소비단계 등에 적용되고 있다. 본 연구에서는 대상 시설을 온실로 설정하였고 ICT, IoT, IT, 유비쿼터스(Ubiquitous), 스마트팜, 정밀농업 등을 주요 키워드로 설정하여 관련 선행연구 자료를 수집하였다(Fig. 1). 수집된 자료를 바탕으로 첨단기술의 소개, 개발 또는 적용에 따른 효율 분석·평가, 문제점에 대한 개선방안 및 미래활용을 제시하는 1) 동향·정보 분석 및 방향제시, 센서 네트워크를 활용하여 실시한 생육환경 및 이미지 프로세싱을 활용한 모니터링 및 제어와 관련된 2) 모니터링 및 제어, 그리고 모니터링과 제어에 국한되지 않고 빅데이터 처리 분석 및 모바일 또는 웹을 통한 원격 서비스와 관련된 3) 서비스 플랫폼으로 구분하여 검토하였다.

성능/효과

Cho(2015)의 연구에서 또한 ICT 등의 첨단 과학 기술의 도입에 있어서 장애요인으로 시설비 부담(24%)을 농민들이 가장 많은 부담을 느끼는 것으로 조사되었으며 그 뒤를 이어 설치업체의 고장 또는 유지관리 측면에 있어서의 사후관리 미흡(19%)을 언급하였다. 또한 대부분의 농업종사자들의 연령이 높고 새로운 기술에 대한 도입의지 부족에 따라 기술 이용의 어려움을 겪고 있으며, 잦은 고장(16%)과 이에 따른 관리 기술 미흡(15%)에 따라 첨단 과학기술의 현장접목이 쉽지 않은 것으로 나타났으며 추가적으로 농민의 주관적인 판단에 근거한 성능의 미흡과 소득기여에 대한 신뢰성 부족이 각각 13%와 12%로 조사되었다(Fig. 4).
환경 모니터링 및 제어는 농업 종사자로 하여금 센서 기반의 환경변수 측정을 통하여 작물생장에 적합한 환경판단 기준을 마련하였다. 측정된 데이터를 바탕으로 관수 또는 환기 등과 같은 제어 시스템의 조절을 통하여 작업자의 편의성 및 재배 작물의 질을 향상 시켰으며 이와 관련한 연구가 꾸준히 수행되고 있음을 확인할 수 있었다. Seo와 Park(2002)는 환경 변수의 모니터링 및 제어를 위한 시스템의 구성이 C 또는 Visual C++언어 등의 다양한 언어로 구성되어 있어 실질적인 오류의 발생으로 인해 측정데이터에 영향을 주고 있음에도 불구하고 오류를 쉽게 발견하기 어려울 뿐만 아니라 프로그램의 오류를 수정하기가 어렵고 제어장치의 원격 제어를 수행하기 어렵다는 단점을 극복하기 위하여 사용상의 편의성을 제공하는 그래픽컬 언어 인 LabView(Labora-tory Virtua Instrument Engineering Workbench)를 이용하여 실시간 모니터링 정보 습득 및 원격제어의 시각적 표현을 구현하여 온실의 환경 제어 시스템에 적용하였다.

후속연구

계측장비로부터 측정된 데이터들로부터 시설의 환기·난방·냉방 등의 제어장치의 자동 및 원격 제어를 위한 알고리즘 개발 및 서비스 플랫폼 개발이 필요하며, 이 과정에서 시설 내·외부에서 발생하는 다양한 환경적 특성을 반영하는 것이 중요할 것으로 판단된다.
따라서 다중 센싱과 모니터링을 통한 측정치의 편차 파악과 자유로운 제어 장치 조절을 위해서 센서들의 무선화가 중요시 된다. 그러나 유선 센서와 달리 무선 센서를 이용할 경우에는 배터리의 문제와 데이터 전송을 위한 신호 증폭의 문제를 가지고 있으므로 이에 관한 기술 개발이 필요할 것으로 판단된다.
따라서 다양한 모델 개발을 위한 기초자료로 활용할 수 있는 작물 생육, 시설 내·외부의 환경 특성 데이터 등의 수집 정보가 많지 않아 다양한 조건을 고려한 모델 개발에 한계가 존재하고 개발된 모델의 검증을 위한 시범사업의 한계로 보급 및 확산이 미미한 것으로 판단된다.
모니터링 및 제어 수준을 넘어서서 작물의 최적 생장 환경의 제어와 센서 기반의 재배작물의 생장 데이터 수집뿐만 아니라 분석을 함으로써 웹 또는 모바일을 통하여 하나의 서비스 형태로 결과를 제공하는 서비스 플랫폼과 관련한 연구가 수행중이다. Seo 등(2008)은 Kang 등(2007)과 동일하게 CCTV를 활용하여 기상, 토양 그리고 작물의 생체정보를 측정함으로써 작물의 최적생장 조성을 위한 알고리즘을 개발하여 온실의 실시간 모니터링 및 제어 가능한 USN 기반의 온실 관리 시스템을 연구하였다.
이미지 프로세싱을 활용하여 작물의 형태학적 특성 및 스펙트럼 계열 특성을 실시간 모니터링하고 색상 전환기술을 바탕으로 균류, 질병의 발생유무를 알리는 경보 시스템 체계 구축은 농가 경영의 편의성을 제공할 뿐만 아니라 작물의 질적 향상을 기대할 수 있을 것으로 판단된다(Fig. 5).
그러나 농업 분야에 있어서 모니터링 및 제어의 다양성 및 연계성은 매우 부족한 실정이다. 이에 자동화된 시설원예를 활용하여 다양한 모니터링 및 제어를 위한 복합형 알고리즘을 활용한 농업생산 전주기적 과정의 지능적 시스템화를 위한 현장 중심형 사물인터넷 기반 스마트팜 융합 서비스 시스템의 개발이 필요하다. 따라서, 농업분야 ICT 현장적용 관련 국내·외 연구 동향을 소개하고 이로부터 시설원예 분야에 접목 가능한 ICT 기반 미래 핵심기술을 분석 및 제시하고자 하였다.
또한 데이터를 활용하는 주체가 농민임을 인식하고 웹 또는 모바일을 통한 가시화 소프트웨어 개발에 있어서 사용자 중심의 인터페이스 개발이 요구된다. 재배환경과 관련된 정보를 웹 또는 모바일 기반의 서비스 형태로 소비자에게 관리 및 생산 정보를 실시간 제공함으로써 안전한 먹거리가 중요시되는 시점에서 소비자의 신뢰를 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다(Fig. 6).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ICT와 같은 첨단 기술은 농업 분야의 어느 과정에 적용되고 있는가?	농업 분야에 있어서 ICT와 같은 첨단 기술은 크게 생산, 산지유통 및 소비단계 등에 적용되고 있다. 본 연구에서는 대상 시설을 온실로 설정하였고 ICT, IoT, IT, 유비쿼터스(Ubiquitous), 스마트팜, 정밀농업 등을 주요 키워드로 설정하여 관련 선행연구 자료를 수집하였다(Fig.
	농촌 노동력의 지속적 감소, 농업 생산성 저하 등의 문제를 해결하여야 하는 이유는 무엇인가?	2013년 기준 농림업 총생산액 가운데 우리나라의 시설원예는 약 12%의 비중을 차지하고 있다. 이러한 산업 비중에 비하여 전체 시설원예 온실 중 현대화된 온실의 비중은 10,500ha 정도로 약 20%에 불과하다. 또한 시설의 대형화를 통하여 산업의 생산성을 높여 왔으나 고령화에 따른 노동력 감소와 농한기 등의 문제는 농산업 성장의 저해요인으로서 작용하고 있다. 따라서 농업선진국으로 알려진 네덜란드와 재배작물의 생산성을 비교하였을 때, Table 1에 나타난 것과 같이 평균적으로 60%에 미치지 못한다(MAFRA, 2014). 따라서 농촌 노동력의 지속적 감소, 농업 생산성 저하 등의 문제를 해결하기 위한 방안으로 전통적인 농업 방식을 탈피한 새로운 패러다임의 전환이 필요하다(KISEP, 2015)
	농촌공동체가 직면하고 있는 부족한 노동력과 시설 내 환경조절 등과 같은 문제를 해결하기 위한 방법으로 무엇이 관심을 받고 있는가?	또한 일본의 경우에도 노령화로 인한 부족한 노동력을 대체하기 위하여 편리성과 농업인의 수익향상 등에 초점을 맞춘 기술개발과 적용이 추진되고 있으며 환경관리, 생산비용 절감, 농작물의 품질향상 및 작업 효율 향상 등의 실질적인 효과를 위해 IT 융합 기술의 활용을 적극적으로 추진하고 있다. 즉, 농촌공동체가 직면하고 있는 부족한 노동력과 시설 내 환경조절 등과 같은 문제를 해결하기 위한 방법으로 첨단기술(IT, ICT, IoT 등)의 현장 적용이 관심을 받고 있다. 첨단 정보기술을 현장에 적용함으로써 농장 관리인은 상당한 작물생장관련 데이터를 획득할 수 있게 되고, 이는 농장 관리인의 환경 제어에 대한 불확실성을 최소화 할 수 있도록 할 뿐만 아니라 자동제어 시스템화를 통한 노동력을 감축할 수 있다(Blackmore, 2000).

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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].

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