[논문]식물 성장용 LED조명 모듈 및 제어 시스템 개발에 관한 연구

이승민; 이완범

식물 성장용 LED조명 모듈 및 제어 시스템 개발에 관한 연구
A Study on Development of LED Lighting Module and Control System for Plant Growth 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.18 no.4, 2019년, pp.105 - 109

이승민 (굿아이텍(주)) , 이완범 (원광대학교 컴퓨터소프트웨어공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

LED lighting is used as artificial lighting for plant growth because it has high light efficiency and can radiate light of various wavelengths. In this paper, we have developed new structure LED lighting module to improve the performance of LED lighting for plant growth and proposed a lighting control system that can be controlled wirelessly. The proposed LED lighting module was fabricated using optical lens applied to tunnel light and simulated using Relux program. Results of simulation, we confirmed that the light distribution and average illuminance of the proposed lighting were improved. LED lighting control system was developed to wirelessly control R, G, B, W LED lighting according to plant type and growing season. Therefore, it is expected to provide the optimal lighting environment for plant growth and contribute to the improvement of farm productivity and convenience.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 광학렌즈를 활용한 식물 성장용 LED 조명 모듈을 설계하여 배광특성을 개선하였으며 평균 조도 특성이 우수함을 검증을 통하여 확인하였다. LED 조명의 효율적인 제어를 위하여 아두이노(UNO)와 블루투스(HC-06) 통신을 이용하여 LED 조명 제어 시스템을 제안하였다.
특히 ICT 기술을 접목할 수 있고 다양한 파장의 빛을 구현할 수 있어 스마트 조명에서 농생명 분야까지 응용분야가 확대되고 있는 실정이다[3-4]. 따라서 본 논문에서는 식물 성장에 적합한 LED 조명 모듈을 설계하고 Relux 프로그램을 이용하여 광학적 특성을 분석하였다[5-6]. 그리고 조명방식의 효율성과 사용자의 편리성을 제공하기 위해 블루투스 무선통신 기술을 이용하여 원격제어 할 수 있는 애플리케이션을 제작하였고 스마트폰을 이용하여 LED 조명을 제어할 수 있도록 개발하였다.
적생광(R), 녹생광(G), 청색광(B), 백색광(W)의 LED 광원이 식물의 종류와 성장시기에 따라 영향을 미치는 것으로 연구되고 있다[9-10]. 따라서 본 논문에서는 이러한 광원들을 각각 제어하여 식물의 성장 효과를 극대화 할 수 있도록 하였다. Fig.
하지만 기존의 LED 광원은 획일적인 배광특성을 가지고 있어 식물의 광 조사 효율을 높이기 위해 시설 농가에 따른 배광 형태가 고려되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 배광특성과 방열특성을 개선한 LED조명 모듈을 개발하였다. 제안된 식물 성장용 LED 조명 모듈은 터널등 모듈에 적용되고 있는 광학렌즈를 활용하여 배광 특성을 개선하였고 시설농가의 비닐하우스를 모델링하여 광학 시뮬레이션 프로그램인 Relux를 이용하여 검증하였다.

가설 설정

9. Verification of LED Lighting Control System operation according to (a) SeekBar progress about 50% and (b) SeekBar progress about 100%.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 광학렌즈를 활용한 식물 성장용 LED 조명 모듈을 설계하여 배광특성을 개선하였으며 평균 조도 특성이 우수함을 검증을 통하여 확인하였다. LED 조명의 효율적인 제어를 위하여 아두이노(UNO)와 블루투스(HC-06) 통신을 이용하여 LED 조명 제어 시스템을 제안하였다. 또한 안드로이드 기반 스마트폰 애플리케이션을 제작하여 스마트폰으로 편리하게 LED 조명을 제어할 수 있도록 하였다.
2와 같이 터널등 모듈에 이용되고 있는 광학렌즈를 활용하였다. 광학렌즈는 LED와 광 입사부의 Optical Gap과 광 입사부와 출사부간의 Optical Gap 의 위치 관계에 따라 각각의 부위를 최적 조합 하였으며 최적화된 렌즈는 수평방향으로 대칭되는 형태로 형성되며 수직방향으로 비대칭되는 형태의 배광을 구현할 수 있도록 하여 시설농가에 따른 최적의 배광형태를 구현할 수 있도록 하였다
제안된 식물 성장용 LED 조명 모듈은 터널등 모듈에 적용되고 있는 광학렌즈를 활용하여 배광 특성을 개선하였고 시설농가의 비닐하우스를 모델링하여 광학 시뮬레이션 프로그램인 Relux를 이용하여 검증하였다. 그리고 식물의 성장시기와 종류에 따른 LED 조명을 무선으로 제어할 수 있는 앱을 제작하여 농가의 편리성을 제공할 수 있도록 하였다.
따라서 본 논문에서는 식물 성장에 적합한 LED 조명 모듈을 설계하고 Relux 프로그램을 이용하여 광학적 특성을 분석하였다[5-6]. 그리고 조명방식의 효율성과 사용자의 편리성을 제공하기 위해 블루투스 무선통신 기술을 이용하여 원격제어 할 수 있는 애플리케이션을 제작하였고 스마트폰을 이용하여 LED 조명을 제어할 수 있도록 개발하였다.
특히 광합성 효율을 높이기 위해서 시설농가에 따른 배광 형태를 고려하는 LED 조명이 필요한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 Fig. 2와 같이 터널등 모듈에 이용되고 있는 광학렌즈를 활용하였다. 광학렌즈는 LED와 광 입사부의 Optical Gap과 광 입사부와 출사부간의 Optical Gap 의 위치 관계에 따라 각각의 부위를 최적 조합 하였으며 최적화된 렌즈는 수평방향으로 대칭되는 형태로 형성되며 수직방향으로 비대칭되는 형태의 배광을 구현할 수 있도록 하여 시설농가에 따른 최적의 배광형태를 구현할 수 있도록 하였다
LED 조명의 효율적인 제어를 위하여 아두이노(UNO)와 블루투스(HC-06) 통신을 이용하여 LED 조명 제어 시스템을 제안하였다. 또한 안드로이드 기반 스마트폰 애플리케이션을 제작하여 스마트폰으로 편리하게 LED 조명을 제어할 수 있도록 하였다. 따라서 본 논문에서 제안한 식물 성장용 LED 조명 모듈과 조명 제어시스템을 활용한다면 식물성장에 최적화된 조명 환경을 제공할 수 있어 농가의 생산성 및 편리성을 개선 할 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구를 통해 개발된 LED 조명 제어 시스템의 전제적인 동작을 검증하기 위하여 Fig. 8 과 같이 식물 성장용 LED 모듈, 전원을 공급하는 SMPS, 무선통신 제어를 위한 블루투스 모듈, 디밍제어를 위한 FET 증폭기와 아두이노로 구성하였다.
4 는 Arduino와 LED 조명간의 무선 통신에 대한 회로도와 안드로이드 애플리케이션을 나타내고 있다. 블루투스 모듈과 스마트폰을 사용하여 R, G, B, W LED 조명의 On/Off및 밝기를 각각 제어 할 수 있도록 구성하였으며, 사용자의 편리성을 제공하기 위해 기존에 사용 중인 스마트폰을 활용하여 밝기 제어를 할 수 있도록 시스템을 제작하였다.
식물성장용 LED 조명 모듈의 밝기 제어는 작업의 진행상황을 바(Bar) 형태로 확인할 수 있는 안드로이드 프로그램의 고급 위젯인 시크바(SeekBa)를 이용하였다. 시크바를 활용하여 LED 조명 모듈에 공급되는 전류를 제어할 수 있도록 하여 식물의 종류 및 성장시기에 맞게 조도 및 광량을 조절할 수 있도록 하였다. 즉 제안된 스마트폰 어플의 시크바의 진행 상태에 따라 LED 조명 모듈의 밝기 상태가 변화됨을 Fig.
식물 성장용 인공조명은 Fig. 1과 같이 청색과 적색의 특정 파장이 광합성 작용에 유효하다는 연구결과를 토대로 450nm(청색), 660nm(저색) 파장만을 이용하여 제작하였다. 하지만 식물의 종류 및 성장시기에 따라 다양한 파장대의 빛이 식물 성장에 이용되고 있다[7-9].
이러한 광학렌즈을 활용하여 Fig. 3과 같이 방열특성 및 배광특성이 우수한 식물 성장용LED 조명 모듈을 설계하였다.
따라서 본 연구에서는 배광특성과 방열특성을 개선한 LED조명 모듈을 개발하였다. 제안된 식물 성장용 LED 조명 모듈은 터널등 모듈에 적용되고 있는 광학렌즈를 활용하여 배광 특성을 개선하였고 시설농가의 비닐하우스를 모델링하여 광학 시뮬레이션 프로그램인 Relux를 이용하여 검증하였다. 그리고 식물의 성장시기와 종류에 따른 LED 조명을 무선으로 제어할 수 있는 앱을 제작하여 농가의 편리성을 제공할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

시뮬레이션은 40W급의 동등한 조명 모듈을 사용하였고 Fig. 5 와 같이 시설 하우스를 모델링하여 진행하였다. 시설하우스의 모델링 기준은 폭 3.
5 와 같이 시설 하우스를 모델링하여 진행하였다. 시설하우스의 모델링 기준은 폭 3.9m 높이 2.0m의 아치형 구조, 광원의 높이는 1.6m, 등 간격은 3.0m로 설계 하였다. 시뮬레이션 결과, 배광 특성은 Fig.

데이터처리

기존의 컨버터 내장형 LED 램프 조명과 제안된 LED조명 모듈의 특성을 Relux 프로그램을 활용하여 분석하였다.

이론/모형

식물성장용 LED 조명 모듈의 밝기 제어는 작업의 진행상황을 바(Bar) 형태로 확인할 수 있는 안드로이드 프로그램의 고급 위젯인 시크바(SeekBa)를 이용하였다. 시크바를 활용하여 LED 조명 모듈에 공급되는 전류를 제어할 수 있도록 하여 식물의 종류 및 성장시기에 맞게 조도 및 광량을 조절할 수 있도록 하였다.

성능/효과

9 와 같이 검증을 수행 하였다. 검증 결과 제작된 안드로이드 애플리케이션을 실행하여 블루투스가 정상적으로 연결되고 앱 내부 UI 버튼과 시크바를 활용하여 R, G, B, W LED 모듈 각각을 On/Off제어 및 밝기 조절이 가능함을 확인할 수 있었다.
7 과 같이 기존 조명은133lx이고 제안된 조명은 293lx로 제안된 LED 조명 모듈의 조도 특성이 높음을 확이 하였다. 따라서 식물 성장용 조명으로써 광합성 효율을 높일 수 있음을 확인하였다.
0m로 설계 하였다. 시뮬레이션 결과, 배광 특성은 Fig. 6 과 같고, 균제도 특성은 기존 램프 0.66, 제안된 모듈 0.56으로 큰 차이가 없지만 평균조도 특성은 Fig. 7 과 같이 기존 조명은133lx이고 제안된 조명은 293lx로 제안된 LED 조명 모듈의 조도 특성이 높음을 확이 하였다. 따라서 식물 성장용 조명으로써 광합성 효율을 높일 수 있음을 확인하였다.

후속연구

또한 안드로이드 기반 스마트폰 애플리케이션을 제작하여 스마트폰으로 편리하게 LED 조명을 제어할 수 있도록 하였다. 따라서 본 논문에서 제안한 식물 성장용 LED 조명 모듈과 조명 제어시스템을 활용한다면 식물성장에 최적화된 조명 환경을 제공할 수 있어 농가의 생산성 및 편리성을 개선 할 수 있을 것으로 사료된다.
9와 같이 실험을 통하여 검증하였다. 따라서 제안된 조명제어 시스템은 식물 종류와 성장 시기에 적합한 최적의 조명 환경을 제공 할 수 있을 것으로 사료 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조명의 사용량 증가가 기후 변화 및 환경오염의 주요 원인으로 작용하는 이유는?	현대 사회가 발전함에 따라 조명의 활용범위는 더욱더 확대되고 있는 실정이며 이에 따라 전기에너지 소비량도 증가되고 있다. 하지만 전기 에너지의 생산은 화석연료를 주로 사용하기 때문에 조명의 사용량 증가는 기후 변화 및 환경오염의 주요 원인으로 작용하게 된다. 따라서 조명기기의 에너지 소비량을 절감하고 효율을 높이기 위하여 ICT 기술과 조명기기를 융합한 조명시스템에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다[1-2].
	식물 성장 효과를 높이기 위한 목적의 인공 조명으로는 어떤 것을 사용하고 있는가?	하지만 기후와 환경변화로 인한 자연광 부족 현상을 보완하고 식물 성장 효과를 높이기 위한 목적으로 인공조명을 사용하고 있다. 인공조명으로는 광효율이 높고 광파장 제어 및 광양자속밀도(PPDF)가 높은 LED가 많이 사용되고 있다[10]. 이러한 LED 조명을 사용하는 시설농가에서 가장 중요한 것은 조명시설의 비용절감과 조명효율을 향상시키는 것이다.
	LED 조명의 장점은?	따라서 조명기기의 에너지 소비량을 절감하고 효율을 높이기 위하여 ICT 기술과 조명기기를 융합한 조명시스템에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다[1-2]. LED 조명은 에너지 절감, 장수명, 친환경적이라는 장점을 가지고 있어 조명산업의 패러다임을 변화 시켰다. 특히 ICT 기술을 접목할 수 있고 다양한 파장의 빛을 구현할 수 있어 스마트 조명에서 농생명 분야까지 응용분야가 확대되고 있는 실정이다[3-4].

참고문헌 (10)

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J. D. Hwang and D. S. Ko, “Evaluation of Plant Growth according to the Wavelength Characteristics of the LED Light Source,” KSMPE, Vol. 13, No. 5, pp. 98-106, 2014.

원문보기 상세보기
J. H. Yang and D. H. Park, “A Study on growth of the Plant depends on PPFD and Wavelength of LED lighting module,” Jou. of Korea Soc. of Mechanical Technology, Vol. 17, No. 1, pp. 31-38, 2015.

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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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