[논문]시설원예용 스마트 환경 제어 시스템

김응곤

doi:10.13067/jkiecs.2017.12.5.907

시설원예용 스마트 환경 제어 시스템
Smart Control System for Greenhouse Environment 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.12 no.5, 2017년, pp.907 - 914

초록
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최근 전 세계적으로 농작물에 대한 스마트 팜 기술의 발달로 산업화, 자동화가 이루어지고 있다. 이는 인구의 고령화와 노동력 감소에 대한 농업시스템의 자동화와 편리성이 필요하기 때문이다. 본 논문에서 제안한 스마트 통합 제어 시스템은 일반농가들이 편리하게 관리할 수 있는 앱을 통해 스마트폰에서 온습도 조절을 실시간으로 확인 가능하며 최적의 온습도를 유지함으로써 병충해 예방과 농작물 성장에 도움을 주며, 농어민의 노동력과 생산성 향상이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, industrialization and automation for crops has enabled the development of smart farm technology over the world This is due to the need for the automation and convenience of the agricultural system to aging the population and reducing the labor force. In this system, the smart app can control the temperature and humidity that can be conveniently managed by the farmers. It is possible to check the status of the greenhouses in real time in the smartphone and maintain the optimum temperature and humidity, thereby helping to prevent pests and diseases, to grow crops, and to improve the labor force and productivity of farmers and fishermen.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 에너지 효율 및 재배자의 쾌적감과 만족감 그리고 운영비의 효율을 위해 ICT 융·복합 환기통합제어시스템을 제작하였다.
이에 본 논문에서는 스마트 팜 시설을 위한 농업용기기로 일체형 제어가 가능한 온습도기를 스마트폰으로 제어가 가능하도록 하여야 한다. 이는 온실 내 공기 중의 상대습도를 작물생육에 적합한 70~80로 유지함으로써 온실 등에서 곰팡이 발생 등을 억제할 수 있으며, 고품질 농산물 생산 가능하다.

제안 방법

PPTP(Point-to-Point Tunneling Protocol, rfc2637)를 이용하여 공개되어 있는 외부 네트워크로 부터 자동제어 시스템으로 보안성이 뛰어나며 안정적인 통신연결이 가능하도록 하였다.
개폐기 자동설정에서는 열림온도를 지정하여 지정된 온도를 넘어서면 개폐기가 자동으로 열리게 된다. 그리고 닫힘 온도는 지정온도보다 낮아지면 개폐기가 자동으로 닫히도록 개발했다.
개별적인 시스템마다 센서와 감지기를 설치하고 운영하는 것보다 통합된 시스템에서 하나의 감지기와 센서를 설치해 운영함으로써 효율적으로 에너지를 절약하였다. 또한 스마트폰을 활용하여 통합제어를 함으로써 온실의 효과적인 운영이 가능하도록 하였다. 이는 이상기후현상이나 작물에 문제가 있을시 직접 온실에 가서 조절할 필요가 없이 스마트폰을 활용하여 온실 곳곳에 영상을 확인가능하고 작물의 쾌적한 제어가 가능하여, 농업인의 편의성과 인건비 및 생산량의 효율성에 도움이 된다.
시스템을 활용하여 작물별 생장주기별 최적의 온습도를 제어하는 스마트 폰 어플리케이션의 실행 결과 화면은 표 4와 같다. 로그인 부분에서는 제한 권한을 확인하여 로그인이 가능하며, 상황제어 모니터링 시스템은 로그인이 성공적으로 이루어지면 한 화면에서 전체를 제어할 수 있도록 화면을 설계 하였다. 현재의 온도 습도 조회가 가능하며, 난방/제습/환풍 제어와 상황 모니터링 및 제어가 가능하다.
시설 하우스 내의 상층 부분의 습도와 온도를 각각 측정하기 위해 데이터를 수집하여 무선으로 전송할 노드를 개발하였다.
시설 하우스의 원격 모니터링 및 제어를 위한 무선 네트워크 시스템을 개발 하였고, 외부 네트워크에서 VPN을 이용하여 자동제어 시스템과 통신할 수 있다.
제안한 무선 온·습도노드 노드 하드웨어 구상도는 DHT11이 아닌 DHT22를 사용하여 정확도가 높으며 IEEE 802.15.4 표준의 Xbee 메시 프로토콜 기반의 무선 통신으로 대형 시설 하우스에서도 데이터 전송이 가능하도록 구성 되었다.

성능/효과

본 논문에서는 에너지 효율 및 재배자의 쾌적감과 만족감 그리고 운영비의 효율을 위해 ICT 융·복합 환기통합제어시스템을 제작하였다. 개별적인 시스템마다 센서와 감지기를 설치하고 운영하는 것보다 통합된 시스템에서 하나의 감지기와 센서를 설치해 운영함으로써 효율적으로 에너지를 절약하였다. 또한 스마트폰을 활용하여 통합제어를 함으로써 온실의 효과적인 운영이 가능하도록 하였다.
부가적으로 온풍 배출 및 습기 제거로 인한 증발 잠열을 줄여 난방에너지를 10% 절감할 수 있어 농가 소득 향상이 된다. 또한 농가에서 스마트 팜을 도입한 후 평균 생산량이 25.2% 증가하고 인건비는 9.5% 감소하여 전체소득의 30.6% 늘어 인건비 및 생산량 증가에 효율적이다.
제안한 무선 온·습도노드 설치 구상도는 저비용, 저전력, M2M(Machine to machine) 네트워크를 해결하기 위해 개발되었고 기존의 XBee에 메시 네트워킹(Mesh Networkin)의 추가된 ZigBee를 사용하여 온·습도노드간의 데이터 전달이 이루어져서 자동제어 임베디드 시스템과의 거리가 대폭적으로 증가하여서 보다 넓은 시설 하우스도 추가의 자동제어 시스템을 설치할 필요 없이 관리가 가능하게 하였다.

후속연구

세계적으로 농업의 기술이 발전하면서 온실에서의 생육 성장 환경의 최적화를 위한 온실 환경 맞춤형 난방장치가 필요하다. 또한 기존 열풍기 대비 전기난방비가 절감 가능한 고효율의 난방 및 건조가 가능한 발열체 및 방열판 요소기술 개발이 필요하다. 본 논문에서는 에너지 효율 및 재배자의 쾌적감과 만족감 그리고 운영비의 효율을 위해 ICT 융·복합 환기통합제어시스템을 제작하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 지능형 비닐하우스 관리시스템을 구축하여 어떤 서비스를 제공하고 있는가?	농진청은 국내 스마트 팜 시장 활성화를 위해 시범농장 4곳과 시범사업을 도별로 1개소 추진을 계획하고 있고, SKT, KT 등은 스마트 팜 시범사업을 추진하고 있다. SKT는 세종시에 ‘지능형 비닐하우스 관리시스템’을 구축하여 스마트폰을 통해 원격으로 재배시설의 개폐 및 제어, 개폐 과정 CCTV 카메라 모니터링, 온·습도 등 센싱 정보 모니터링이 가능한 서비스를 제공하고 있다[3].
	우리나라 대표적인 스마트 팜 성공 사례는 무엇인가?	대표적인 스마트 팜 성공 사례로 언급되는 전남 화순의 한울농장은 2011년부터 생육환경과 환경 데이터를 기반으로 토마토를 생산하여 기존보다 생산성이 40% 이상 높아지고 관리시간이 기존 대비 4배 이상 편리해지고 에너지 절감도 35% 달성한 것으로 보고되고 있다. 본 농장은 토마토 생산량이 기존 3.
	최근 스마트 팜 기술의 발달로 산업화, 자동화가 이루어지고 있는 이유는 무엇인가?	최근 전 세계적으로 농작물에 대한 스마트 팜 기술의 발달로 산업화, 자동화가 이루어지고 있다. 이는 인구의 고령화와 노동력 감소에 대한 농업시스템의 자동화와 편리성이 필요하기 때문이다. 본 논문에서 제안한 스마트 통합 제어 시스템은 일반농가들이 편리하게 관리할 수 있는 앱을 통해 스마트폰에서 온습도 조절을 실시간으로 확인 가능하며 최적의 온습도를 유지함으로써 병충해 예방과 농작물 성장에 도움을 주며, 농어민의 노동력과 생산성 향상이 가능하다.

참고문헌 (9)

N. Yoo, "Developent of Smart Farm System for Minimizing Carbon Emissions," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 11, no. 12, Dec. 2016, pp. 1231-1236.

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Y. Lee, "Developent of Smart Garden Control System Using Probabilistic Filter Algorithm Based on SLAM," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 12, no. 3, June 2017, pp. 465-470.
G. Kim, Electronics and Telecommunications Trends, vol. 30, no. 5, Oct. 2015, pp. 1-10.

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Rural Development Administration, "Agricultural Research and Development Project in 2014," Technical Report, Dec. 2014.
Y. Oh, O. Cho, and E. Kim, "Development of Mobile AR Contents for Infant English Cognitive Training," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 10, no. 2, 2015, pp. 297-304.

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Y. Suh, Y. Oh, and E. Kim, "Augmented Reality Based Drawing Learning System for Toddler's Art Education," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 11, no. 5, 2016, pp. 505-510.

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K. Lee. "The Effects of Global Leader Program on the Talent Improvement of Five-Year-Olds According to Group Types," The Korean Association for Educational Methodology Studies, vol. 25, no. 4, 2013, pp 649-681.
Y. Kim, "Development of a Remote Automatic Control System for Demidification of Demidification System Using Smartphone," University Graduate School of Education, 2015.2
Y. Lee, Y. Oh, and E. Kim, "Development of IOT-based Complexity Automation Embedded System for Smart Environment in Greenhouse," Conf. of Korea Institute of Electronic Communication Sciences, Gunsan, Korea, Nov. 2016.

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