[논문]IT 융합기술을 이용한 식물생장 제어시스템 연구

김민수; 지승욱; 김민규; 조영창

doi:10.7471/ikeee.2018.22.4.959

IT 융합기술을 이용한 식물생장 제어시스템 연구
A Study on the Control System of Plant Growth Using IT Convergence Technology 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.22 no.4, 2018년, pp.959 - 964

김민수 (Dept. of Aviation Information & Communication Engineering, Kyungwoon University) , 지승욱 (Dept. of Fire Protection and Engineering, Kangwon National University) , 김민규 (Dept. of Automation System(Ulsan Campus), Korea Polytechnics) , 조영창 (Dept. of Aviation Information & Communication Engineering, Kyungwoon University)

초록
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본 연구에서는 LED 광시스템과 식물생장제어시스템을 연계하여 센서를 이용하여 식물환경을 제어 가능한 모니터링시스템에 대한 연구이다. 시스템의 성능을 검증하기 위해 에너지효율, data 전송률, 광량제어 특성에 대한 실험을 실시하였다. 실험한 결과 에너지 효율은 80%이상, 무선통신속도가 1Mb/sec이고 광량제어를 5단계이상 조절 가능함으로써 만족한 결과를 얻었다. 제안된 시스템은 LED 식물공장설비에 적용가능하며, 향후 상용화를 위해서는 생산효율 및 노동비 절감을 위한 자동시스템을 구성하여 농업 자동화설비에 기여할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a study is conducted on a monitoring system that can control the environment of plants using sensors in conjunction with the LED light system and the plant growth control system. To verify the performance of the developed plant growth system, an experiment was conducted on the characteristics of energy efficiency, data transmission rate, and light volume control. The experiment resulted in a satisfactory result by controlling more than 80% energy efficiency, 1Mb/sec wireless communication speed, and 5 levels of optical control. The proposed system can be applied to LED plant facilities and will contribute to the automation of agriculture by organizing an automated system for production efficiency and labor cost reduction for future commercialization.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Composition of environmental control system for plant growth control. 그림 1. 식물성장조절용 환경제어시스템 구성
표 Table 1. Light volume sensor specifications. 표 1. 광량 센서 사양(Si1147)
표 Table 2. CO₂ sensor module specification. 표 2. CO₂ 센서 모듈 사양
그림 Fig. 2. LED bar for plant growth. 그림 2. 식물생장용 LED bar
그림 Fig. 3. Controller module. 그림 3. 제어기 모듈
그림 Fig. 4. Control module plant growth environment analysis system. 그림 4. 제어 모듈 식물생장 환경분석 시스템
그림 Fig. 5. Implementation of the control module plant growth environment analysis system. 그림 5. 제어 모듈 식물생장 환경 분석시스템의 실행
그림 Fig. 6. Power control module for temperature and humidity control of plant growth environment analysis system. 그림 6. 식물생장 환경 분석시스템의 온·습도 조절용 전원 제어 모듈
그림 Fig. 7. Experimental result of output power(62.4 W). 그림 7. 출력전력：62.4 W(DC 244 V × 2.6 A)실험 결과
그림 Fig. 8. Experimental result of data transmission. 그림 8. 데이터 전송실험결과
표 Table 3. Light control using six step. 표 3. 6 step을 이용한 광량제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 농작물을 재배하는데 있어서 자연재해나 외부 환경에 영향을 덜 받으면서 LED 광원을 이용하여 식물을 재배 가능한 식물공장을 설계하였다. 온실내부 및 그 주변에 CO₂센서, 온도, 습도 등 각종 센서로 식물생장 환경을 모니터링하고 그 정보를 기반으로 환기, 습도, 온도 등에 대한 최적의 제어가 가능하도록 시스템설계 및 제작을 통하여 현장 적용 가능함을 연구하였다.
본 연구는 농작물을 재배하는데 있어서 자연재해나 외부 환경에 영향을 덜 받으면서 LED 광원을 이용하여 식물을 재배 가능한 식물공장을 설계하였다. 온실내부 및 그 주변에 CO₂센서, 온도, 습도 등 각종 센서로 식물생장 환경을 모니터링하고 그 정보를 기반으로 환기, 습도, 온도 등에 대한 최적의 제어가 가능하도록 시스템설계 및 제작을 통하여 현장 적용 가능함을 연구하였다.

제안 방법

식물의 종류와 식물 성장 단계별로 최적의 광공급을 위해 파장별로 LED bar를 제작하였다. LED bar들 중 적색 LED bar에는 적색 LED 만, 청색 LED bar에는 청색 LED 만, 황색 LED bar에는 황색 LED만 장착함으로써 총 세 가지의 LED bar를 제작하였다. 각각의 LED bar에 대해 독립적으로 광량을 조절함으로써 식물별로, 식물성장 단계별로 최적의 광을 최소의 에너지로 공급할 수 있게 하였다.
LED bar들 중 적색 LED bar에는 적색 LED 만, 청색 LED bar에는 청색 LED 만, 황색 LED bar에는 황색 LED만 장착함으로써 총 세 가지의 LED bar를 제작하였다. 각각의 LED bar에 대해 독립적으로 광량을 조절함으로써 식물별로, 식물성장 단계별로 최적의 광을 최소의 에너지로 공급할 수 있게 하였다. 개발에 사용된 LED chip의 외형특성이 동일하므로 적색 LED bar 청색 LED bar 및 황색 LED bar는 그림 2와 같이 동일하다.
데이터 전송시간은 1 ms(데이터크기 1024Bytes)로 초당 1Mb/s이상의 속도를 냄을 확인 하였다. 광량제어는 개발제품과 노트북을 공유기로 연결하여 Controller인 NI사의 Labview 제어시스템의 프로그램으로 최대광량부터 점차 감소하여 단계별로 개발 제품의 광량 및 출력전력을 측정하였다. 광량제어는 Controller로 개발제품의 광량을 5단계 이상 실시하였다.
농도 및 광량 정보를 획득하고 이를 무선통신 모듈을 이용해 식물생장 환경 분석시스템으로 전송한다. 또한, 식물성장 환경분석 시스템으로부터 각 파장별 LED bar의 광량 정보를 무선통신 모듈로 전달받아 PWM 파워컨버터 모듈을 통해 각각의 LED bar 모듈의 광량을 제어하는 기능을 한다. 또한, 제어 모듈은 AC-DC 파워서플라이 로부터 24 V DC를 공급받아 두 개의 레귤레이터를 통해 5 V DC와 3.
식물생장 환경 분석시스템은 범용성과 보편성을 높이기 위해 Windows7 PC 기반에서 구축되었으며, 내부망도 일반 라우터를 이용해 구축하였다. 본 연구를 통해 개발된 식물생장 조절용 시스템이 사용될 환경이 전자기기나 통신기기 등에 좋지 않은 고온 다습한 환경으로 예상되므로 통신의 신뢰성을 높이기 위해 IEEE 802.11ac, 25dBi wifi 실외 안테나를 추가로 사용하였다. 그림 4는 식물생장 환경분석 시스템을 나타내었다.
본 연구를 통해 개발된 식물생장조절시스템으로 온도와 습도 및 CO2가 광합성을 분석하기 위해 온·습도 센서모듈과 광량 감지를 위한 센서 및 CO2량을 측정하기 위한 CO2 센서모듈이 사용되었다.
식물생장 환경 모니터링 및 LED 조명제어용 시스템 모듈의 성능 검증을 위하여 4가지 항목에 대해서 테스트를 실시하였다.
식물생장 환경 분석시스템은 범용성과 보편성을 높이기 위해 Windows7 PC 기반에서 구축되었으며, 내부망도 일반 라우터를 이용해 구축하였다. 본 연구를 통해 개발된 식물생장 조절용 시스템이 사용될 환경이 전자기기나 통신기기 등에 좋지 않은 고온 다습한 환경으로 예상되므로 통신의 신뢰성을 높이기 위해 IEEE 802.
식물생장 환경 분석시스템은 식물생장 조절용 시스템으로부터 받은 온도와 습도 정보를 분석하여 온·습도 조절을 위해 각각 히터와 가습기를 전원제어를 통해 동작가능 하도록 제작되었다.
식물생장환경분석시스템의 프로그램은 LabVIEW 2012로 제작하였으며, 식물성장 조절용 시스템에서 보내온 각 영역별 온도, 습도, CO₂ 및 광량을 토대로 각 식물생장 조절용 시스템의 LED bar 모듈에 필요한 파장별 광량을 설정한 모습을 보여준다. 그림 5에서 2대의 식물성장 조절용 시스템 중 “LED1”의 광량이 “LED2”보다 높다.
LED bar 제작에 사용된 3 가지 LED chip은 smd 타입으로 사용하였다. 식물의 종류와 식물 성장 단계별로 최적의 광공급을 위해 파장별로 LED bar를 제작하였다. LED bar들 중 적색 LED bar에는 적색 LED 만, 청색 LED bar에는 청색 LED 만, 황색 LED bar에는 황색 LED만 장착함으로써 총 세 가지의 LED bar를 제작하였다.
최대 출력전류가 1.5 A이고, 하나의 PCB에 5개의 PWM 파워컨버터 모듈을 내장함으로써 한 개의 PWM 파워컨버터 모듈로 최대 10개의 LED bar 모듈을 제어할 수 있지만 발열 등의 문제를 해결하기 위해 하나의 PWM 파워컨버터 모듈에 5개의 LED bar 모듈을 제어하도록 구성하였다.
5 A까지 출력전류를 제어할 수 있다. 출력측에 인덕터를 달아 펄스 에지 부분에서 발생되는 과전압으로부터 AMC7150을 보호하였고, 병렬로 연결한 저항들을 추가로 달아 전류를 제어하였다. 이 저항의 수를 조절하여 각각의 LED bar에 적합한 최적의 전류를 조절할 수 있다.

대상 데이터

본 연구를 통해 개발하고자 하는 식물성장용 인공광원에는 발열과 효율문제 등을 고려하여 3 가지의 LED 칩을 사용하였다. LED bar 제작에 사용된 3 가지 LED chip은 smd 타입으로 사용하였다. 식물의 종류와 식물 성장 단계별로 최적의 광공급을 위해 파장별로 LED bar를 제작하였다.
PWM 파워컨버터 모듈은 제어 모듈로부터 식물에게 필요한 파장별 최적의 광량을 LED bar 모듈로부터 만들어 내기위해 LED bar 모듈로 공급되는 전류를 제어하는 모듈이다. PWM 제어를 위한 DC-DC LED 드라이버 제작에는 AMC7150을 사용하였다. AMC7150은 동작전압 4∼40 V, 최대 200 KHz의 외부 제어 신호에 대해서, 최대 1.
본 연구를 통해 개발하고자 하는 식물성장용 인공광원에는 발열과 효율문제 등을 고려하여 3 가지의 LED 칩을 사용하였다. LED bar 제작에 사용된 3 가지 LED chip은 smd 타입으로 사용하였다.
식물성장 조절용 시스템은 온·습도, 광량 및 CO2량을 측정하기 위해 두 개의 보드로 구성된 센서 모듈, 통신을 위한 wifi 모듈, 식물성장용 광원을 만드는 LED bar 모듈, LED 모듈의 광량을 제어하기 위한 PWM 파워 컨버터 모듈, 전체 시스템을 제어하기 위한 제어 모듈 등 총 5개의 모듈로 구성되어 있다.
센서모듈이 사용되었다. 온습도 측정용 센서는 Si7013을 사용하였고, 광량 센서는 Si1147을 사용하였다. Si7013은 세계 최고 수준의 저전력 소모 및 뛰어난 RH 센싱 정밀도를 제공하는 센서로, 향후 IoT 기반의 식물생장용 광원을 개발하는데 많이 사용될 수 있다.

성능/효과

개발제품의 성능결과에서 에너지효율(80이상), data 전송(1Mb/sec)이상, 광량제어(5 step이상), 집광각(40deg)성능을 가짐으로 에너지효율, data 전송속도, 광량제어 항목 등에서 만족한 결과를 얻었다. 따라서 본 개발품은 농장자동화를 위한 식물생장 환경 모니터링 및 LED 조명제어 시스템에 가치가 높은 제품이다.
개발제품의 성능결과에서 에너지효율(80이상), data 전송(1Mb/sec)이상, 광량제어(5 step이상), 집광각(40deg)성능을 가짐으로 에너지효율, data 전송속도, 광량제어 항목 등에서 만족한 결과를 얻었다. 따라서 본 개발품은 농장자동화를 위한 식물생장 환경 모니터링 및 LED 조명제어 시스템에 가치가 높은 제품이다.
본 연구에서 개발된 식물성장용 제어시스템은 에너지효율(출력전력/입력전력): 85.7%(62.4 W /72.82W ×100)으로 80% 이상의 성능을 가짐으로서 만족한 결과를 나타내었다.
광량제어는 Controller로 개발제품의 광량을 5단계 이상 실시하였다. 표 3은 광량제어를 6단계 이상으로 바꾸어 가면서 실험을 실시하여 5 step 이상으로 조절이 가능함을 증명하였으며, 최대 출력이 71.45 W이고, 나머지 6단계 이상을 자유롭게 조절 가능하였다.

후속연구

앞으로 상용화를 통해서 생산효율 향상 및 노동비용 절감을 위한 자동화 분야에서 본 제품은 한국형 식물생장제어시스템에 활용가능 할 것으로 생각된다.
앞으로 재배시설은 친환경, 에너지 효율화, 식물 생장모니터링 및 환경제어, 자동화시설 등과 같은 종합적인 기술의 집적화를 통해 고부가 가치 농산물의 파종에서 숙성까지 원스톱 관리 시스템 체계가 마련되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트 팜(smart farm) 기술의 특징은 무엇인가?	사물인터넷(IoT)기술을 이용하여 식물재배에 필요한 온도·습도·토양·이산화탄소를 측정 가능한 모니터링 시스템을 이용하여 원격으로 환경감시 및 제어가능하여 스마트 팜(smart farm) 기술이 점차 성장하고 있다[3-5].
	종래의 조명장치의 한계는 무엇인가?	종래의 조명장치에 사용하는 램프는 에너지효율이 낮아 전력소모가 많은 것은 물론 식물성장에 적합하게 빛의 파장을 조절하는 데에도 어려움이 있다. 따라서 에너지효율이 좋고 빛의 파장을 선택하기에 비교적 용이한 LED 조명제어용 모듈개발이 요구된다.
	종래의 조명장치의 한계를 극복할 수 있는 방안으로 무엇이 있는가?	종래의 조명장치에 사용하는 램프는 에너지효율이 낮아 전력소모가 많은 것은 물론 식물성장에 적합하게 빛의 파장을 조절하는 데에도 어려움이 있다. 따라서 에너지효율이 좋고 빛의 파장을 선택하기에 비교적 용이한 LED 조명제어용 모듈개발이 요구된다.

참고문헌 (12)

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K. Seo, et al., "Design of adaptive neurofuzzy inference system based automatic control system for integrated environment management of ubiquitous plant factory," J. Bio-Environ. Control, vol.20, no.3, pp.169-175, 2011.
E. Lee, et al., "Development of agriculture environment monitoring system using integrated sensor module," J. of Korea cont. Assoc., vol.10, no.2, pp.63-71, 2010. DOI:10.5392/JKCA.2010.10.2.063

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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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