[논문]IOT 기반 수경재배 식물공장을 위한 PLC 자동제어

고진한; 김호찬

doi:10.7471/ikeee.2019.23.2.487

[국내논문] IOT 기반 수경재배 식물공장을 위한 PLC 자동제어
PLC Automatic Control for IOT Based Hydroponic Plant Factory 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.23 no.2, 2019년, pp.487 - 494

고진한 (Dept. of Electrical Engineering, Jeju National University) , 김호찬 (Dept. of Electrical Engineering, Jeju National University)

초록
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본 논문에서는 토양에 침투하는 미세먼지의 영향을 피하여 폐쇄된 공간에서 물과 배양액을 이용하는 IOT(Internet of Things) 기반의 수경재배 식물공장을 제작하고, PLC(Programmable Logic Controller) 제어 방법을 제안한다. 제작된 수경재배 식물공장은 터치스크린과 스마트폰을 통하여 산소의 농도, 양액의 농도, 온도, 습도의 정도를 모니터링 하고, 히터 및 쿨러제어, 환풍기 및 제습장치 제어, LED의 파장 등을 사용하여 식물이 적정한 환경에서 성장할 수 있도록 제어한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we designed IOT(Internet of Things) based hydroponic plant factory in order to avoid the effects of fine dust penetrating into the soil, and proposed the PLC(Programmable Logic Controller) control methods. The designed plant factory could monitor the density of oxygen, the density of nutrient solution, temperature and humidity through touch screen and smart phone, and control the heater and cooler, ventilation and dehumidifier, and wavelengths of LEDs to grow plant in appropriate environments.

주제어

표/그림 (18)

표 Table 1. Major system of hydroponic plant factory. 표 1. 수경재배 식물공장의 주요 시스템
표 Table 2. Effect of light wavelength on plant growth. 표 2. 광파장이 식물생장에 미치는 영향
그림 Fig. 1. The light absorption spectra of chlorophyll a and b. 그림 1. 엽록소 a와 b의 광흡수 스펙트럼
그림 Fig. 2. Types of hydroponics. 그림 2. 수경재배 방식의 종류[6]
표 Table 3. The light saturation point and the light compensation point of the plant. 표 3. 식물의 광포화점 및 광보상점
그림 Fig. 3. Plant factory environmental control flowchart. 그림 3. 식물공장 환경제어 흐름도
그림 Fig. 4. Plant Factory Overall composition diagram. 그림 4. 식물공장 종합 구성도
그림 Fig. 5. Plant factory overall composition diagram. 그림 5. 식물공장 종합 구성도
그림 Fig. 6. LED control algorithm for plant factory and LED PLC logic program. 그림 6. 식물공장 LED제어 알고리즘 및 LED PLC Logic Program
그림 Fig. 7. Aeroponics nutrient control composition diagram. 그림 7. 분무식 양액제어 구성도
그림 Fig. 8. Deep water culture control composition diagram. 그림 8. 담액식 양액제어 구성도
표 Table 4. LED installation diagram. 표 4. LED 설치 구성도
그림 Fig. 9. Monitoring system flow diagram. 그림 9. 모니터링 시스템 흐름도
그림 Fig. 10. Monitoring system flow diagram. 그림 10. 모니터링 시스템 흐름도
그림 Fig. 11. Initial growth photo. 그림 11. 초기 성장 사진
그림 Fig. 12. Comparison of roots in aeroponics and deep water culture. 그림 12. 분무식과 담액시의 뿌리 비교
그림 Fig. 13. Growth length change graph by cultivation condition (Growing period). 그림 13. 재배 조건별 생장 길이 변화 그래프(성장기)
그림 Fig. 14. Growing period photo. 그림 14. 성장기 사진

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 IOT 기반의 식물공장을 구축하였다. 제작된 수경재배 식물공장을 PLC 자동제어를 통해 LED 파장에 의한 식물의 생장속도를 비교하고 수확시기를 단축시킬 파장대역을 도출하였다.
본 논문에서는 LED 광질의 변화에 의한 식물의 생육의 관찰과 식물의 광포화점과 광보상점에 의한 식물성장에 있어서 최적의 조도를 찾기 위한 LED와 식물과의 이격거리를 선정한다. 또한, 양액의 공급방식에 따른 식물의 뿌리에 관한 성장형태와 생장속도를 관찰한다.
그러나 실제로는 가시광선 전 영역에 걸쳐 광흡수가 일어나므로 첨두값 파장 조합만으로는 식물의 성장 저해 현상이나 결핍 영양소 문제를 야기 할 수 있다. 본 논문에서는 백색 LED를 추가로 사용하여 가시영역에 고루 분포된 광흡수 스펙트럼에 일치시키도록 한다[4].
본 논문에서는 온도센서, 습도센서, EC센서, PH 센서 등을 사용하여 아두이노에서 터치스크린으로 데이터 값을 센싱하고 각 재배단의 온도와 습도를 모니터링 할 수 있도록 한다. PLC 제어 프로그램은 냉각팬을 동작시켜 각 재배단의 실내온도 값을 적정하게 유지하도록 구현하였다.

제안 방법

이때 A와 B은 분무식 수경재배이고, C와 D는 담액식 수경재배이다. A, B단의 양액공급 조건은 같은 상황에서 LED 파장을 다르게 하였을 때 식물의 생장과 C, D단의 양액공급 조건은 같은 상황에서 다른 LED 파장으로 식물의 생장을 비교하였다.
표 4는 식물공장 LED제어의 각 재배단별 LED 설치 구성도이다. A, C 재배단은 발아기와 생육시기에 맞추어 뿌리와 줄기를 튼튼하도록 청색 LED 와 백색 LED를 사용하였고, 성장기에는 식물의 광합성 작용을 최대로 하기 위해 적색 LED와 백색 LED를 사용하였다. B, D 재배단은 4:1비율의 적색 LED와 청색 LED를 혼합하여 각 재배단별 식물의 성장 변화를 비교하였다.
A, C 재배단은 발아기와 생육시기에 맞추어 뿌리와 줄기를 튼튼하도록 청색 LED 와 백색 LED를 사용하였고, 성장기에는 식물의 광합성 작용을 최대로 하기 위해 적색 LED와 백색 LED를 사용하였다. B, D 재배단은 4:1비율의 적색 LED와 청색 LED를 혼합하여 각 재배단별 식물의 성장 변화를 비교하였다.
IOT(Internet of Thigs) 기반의 다양한 센서를 활용하여 식물이 적합한 환경에서 최적의 조건으로 성장할 수 있도록 식물공장내의 온도, 습도, 산소농도, 양액의 농도 등을 터치스크린(Touch Screen) 및 스마트폰으로 실시간 모니터링하고 냉각팬(Cooling Fan), LED, 펌프 등을 제어 할 수 있도록 설계한다[1].
본 논문에서는 온도센서, 습도센서, EC센서, PH 센서 등을 사용하여 아두이노에서 터치스크린으로 데이터 값을 센싱하고 각 재배단의 온도와 습도를 모니터링 할 수 있도록 한다. PLC 제어 프로그램은 냉각팬을 동작시켜 각 재배단의 실내온도 값을 적정하게 유지하도록 구현하였다.
제작된 수경재배 식물공장을 PLC 자동제어를 통해 LED 파장에 의한 식물의 생장속도를 비교하고 수확시기를 단축시킬 파장대역을 도출하였다. 도출된 파장대역을 이용하여 식물의 성장 영역에 맞도록 빛의 파장을 자동으로 제어하여 기존에 사용하던 혼합된 LED보다 생육시간을 단축시켰다.
본 논문에서는 LED 광질의 변화에 의한 식물의 생육의 관찰과 식물의 광포화점과 광보상점에 의한 식물성장에 있어서 최적의 조도를 찾기 위한 LED와 식물과의 이격거리를 선정한다. 또한, 양액의 공급방식에 따른 식물의 뿌리에 관한 성장형태와 생장속도를 관찰한다. 이를 위해 식물공장의 온도나 습도, 양액의 농도, 산도 농도 등의 환경적인 부분을 개선하여 컨테이너형 식물공장에 적용할 수 있도록 그림 4와 같은 식물공장을 제작하였다.
본 논문에서는 식물성장의 최적의 조도를 도출해 내기 위하여 LED바의 위치를 50mm, 100mm, 150mm 단위로 위치를 변화하여 조도를 측정하고 식물과 LED바의 최적의 이격거리를 선정한다. 또한, 평균 조도가 많은 곳과 적은 곳을 비교하여 조도에 의한 식물의 성장 속도차이를 비교한다.
본 논문에서는 RGB LED를 사용하여 빛의 흡수가 이루어지는 적색 660nm, 청색 430nm, 적색과 청색을 4:1비율로 혼합하여 식물에 조사하여 식물의 성장속도를 비교한다. 표 2는 광파장이 식물 생장에 미치는 영향을 나타낸다.
본 논문에서는 비교적 생육시기가 빠른 상추를 대상으로 작물의 재배 위치를 A, B, C, D 4개의 단으로 분류하고 A, B단은 분무식 시스템과 C, D단은 담수식 시스템으로 구성하고, 분무식과 담액식의 양액주입 방식에 따른 식물의 성장속도를 비교하고 LED의 빛의 파장이 식물에 미치는 영향을 적용하여 빛의 파장대별 최적의 생육환경을 도출하하였다. 이러한 시스템의 자동제어는 Arduino와 PLC(Programmable Logic Controller), 터치스크린, 스마트폰을 사용하여 시스템을 구축하였고 식물의 성장속도를 비교하여 컨테이너형 식물공장에 적합한 시스템을 제안하였다.
최적의 성장을 돕기 위한 조도는 표 3과 같다. 본 논문에서는 식물성장의 최적의 조도를 도출해 내기 위하여 LED바의 위치를 50mm, 100mm, 150mm 단위로 위치를 변화하여 조도를 측정하고 식물과 LED바의 최적의 이격거리를 선정한다. 또한, 평균 조도가 많은 곳과 적은 곳을 비교하여 조도에 의한 식물의 성장 속도차이를 비교한다.
본 실험에서는 분무형 수경재배 방식과 담액식 수경재배 방식을 선택하였다. 재배 A, B단은 고압의 펌프를 동작시켜 미세 노즐에 의해 분무형태로 뿌리에 살포하여 식물에 필요한 수분과 영양을 공급하였고, 재배 C, D단은 담액식과 박막식을 혼합하여 재배상자에 뿌리가 상시 물에 잠겨있지만 펌프의 압력으로 순환 될 수 있도록 하였다.
본 실험에서는 씨앗, 발아, 어린새싹까지의 성장은 씨앗자체에서 영양분이 공급되는 시기이므로 80% 이상의 수분을 유지하면서 LED를 가동하지 않은 암실에서 3일을 A, B, C, D단 동일한 조건으로 성장시킨다. 그리고 A, C단은 청색 80%와 백색 20% 를 사용하고, B, D단은 4:1(적색4:청색1) 혼합 LED 를 16시간 광합성작용과 8시간 휴면 주기를 둔다.
생육시기별 LED 파장의 타이밍은 PLC로 제어하여 빛이 없는 어두운 상태에서 발아 시킨 후 3일 후 싹이 올라오면 청색, 백색 LED를 점등하고 10 일 후 뿌리가 자리 잡고 성장기에 돌입되면 적색, 백색 LED를 점등하며 24시간기준 16시간 광합성 작용, 8시간 휴면 할 수 있도록 LED를 자동제어 하였다. 그림 6은 식물공장 LED제어 알고리즘 및 LED PLC LOGIC PROGRAM 이다.
본 논문에서는 비교적 생육시기가 빠른 상추를 대상으로 작물의 재배 위치를 A, B, C, D 4개의 단으로 분류하고 A, B단은 분무식 시스템과 C, D단은 담수식 시스템으로 구성하고, 분무식과 담액식의 양액주입 방식에 따른 식물의 성장속도를 비교하고 LED의 빛의 파장이 식물에 미치는 영향을 적용하여 빛의 파장대별 최적의 생육환경을 도출하하였다. 이러한 시스템의 자동제어는 Arduino와 PLC(Programmable Logic Controller), 터치스크린, 스마트폰을 사용하여 시스템을 구축하였고 식물의 성장속도를 비교하여 컨테이너형 식물공장에 적합한 시스템을 제안하였다.
또한, 양액의 공급방식에 따른 식물의 뿌리에 관한 성장형태와 생장속도를 관찰한다. 이를 위해 식물공장의 온도나 습도, 양액의 농도, 산도 농도 등의 환경적인 부분을 개선하여 컨테이너형 식물공장에 적용할 수 있도록 그림 4와 같은 식물공장을 제작하였다. 이번 장에서는 식물공장의 하드웨어적 구성 및 프로그램 설계와 제작과정을 설명한다.
본 실험에서는 분무형 수경재배 방식과 담액식 수경재배 방식을 선택하였다. 재배 A, B단은 고압의 펌프를 동작시켜 미세 노즐에 의해 분무형태로 뿌리에 살포하여 식물에 필요한 수분과 영양을 공급하였고, 재배 C, D단은 담액식과 박막식을 혼합하여 재배상자에 뿌리가 상시 물에 잠겨있지만 펌프의 압력으로 순환 될 수 있도록 하였다. 그림 7에서 분무 노즐은 식물의 뿌리 하단에서 분사되고 A, B단 합하여 20개의 노즐이 설치하였다.
본 논문에서는 IOT 기반의 식물공장을 구축하였다. 제작된 수경재배 식물공장을 PLC 자동제어를 통해 LED 파장에 의한 식물의 생장속도를 비교하고 수확시기를 단축시킬 파장대역을 도출하였다. 도출된 파장대역을 이용하여 식물의 성장 영역에 맞도록 빛의 파장을 자동으로 제어하여 기존에 사용하던 혼합된 LED보다 생육시간을 단축시켰다.

대상 데이터

A, C단의 LED바의 설치 길이는 70cm이고 RGB LED 50개 3줄씩 150개를 A단과 C단에 각각 설치 하였다. B, D단의 LED는 4:1 비율로 적색과 청색 혼합 LED 50개를 3줄씩 150개를 설치하였다.
A, C단의 LED바의 설치 길이는 70cm이고 RGB LED 50개 3줄씩 150개를 A단과 C단에 각각 설치 하였다. B, D단의 LED는 4:1 비율로 적색과 청색 혼합 LED 50개를 3줄씩 150개를 설치하였다. 재배 단에 설치된 총 LED의 개수는 600개이며 1개당 0.
그림 9에서 환경측정은 IOT 기반의 온도센서, 습도센서, 양액농도센서, pH농도센서를 계측하고 연산하는 MCU(Micro Control Unit)에 수집된다. MCU는 가격이 저렴하고 쉽게 구할 수 있으며 오픈소스로 되어있는 아두이노 우노를 사용하였다.

성능/효과

그림 10에서 생육기 초기 5일 동안에는 A, B, C, D단의 성장률이 유사하게 나타났지만, 7일 이후부터는 분무식 재배단의 뿌리가 담액식 재배단의 뿌리보다 커지고 단단해지면서 차이를 보이기 시작 했다. A단과 B단을 LED 파장 차이별로 비교 하였을 때 청색과 백색의 LED가 4:1혼합 비율보다 미세하지만 15mm정도 더 성장하였다. 그림 11은 채소의 초기 성장사진이고, 그림 12는 생육시기 때의 분무식과 담액식의 뿌리 비교이다.
청색과 백색 LED, 적색과 백색 LED의 주기를 시간적인 타이머로 주었고 생육시기에서 성장시기로 넘어가는 정확한 데이터 값을 도출한다면 식물의 수확시기를 추가적으로 단축할 수 있으리라 기대된다. 또한 양액의 주입방식을 담액식 수경재배와 분무식 수경재배를 비교하였을 때, 분무식 수경배방식이 뿌리에 충분한 영향공급과 분무에 의한 산소공급으로 뿌리가 더 단단해지고 성장하는 환경에 적응능력도 빠르다는 것을 확인하였다.
생육기가 끝나고 성장기에서 A, B단의 LED 파장은 적색 80%, 백색 20%로 변화하였고, B, D단은 생육시기 때와 같이 4:1 혼합비율로 유지하였다. 양액공급 방식은 A, B단은 분무식 C, D단은 담액식 이며 성장시기에 양액공급 주기는 뿌리가 성장하여 영양을 많이 공급해주어야 하는 시기이므로 분량을 10초, 휴식주기는 2분으로 짧게 주었다.

후속연구

청색과 백색 LED, 적색과 백색 LED의 주기를 시간적인 타이머로 주었고 생육시기에서 성장시기로 넘어가는 정확한 데이터 값을 도출한다면 식물의 수확시기를 추가적으로 단축할 수 있으리라 기대된다. 또한 양액의 주입방식을 담액식 수경재배와 분무식 수경재배를 비교하였을 때, 분무식 수경배방식이 뿌리에 충분한 영향공급과 분무에 의한 산소공급으로 뿌리가 더 단단해지고 성장하는 환경에 적응능력도 빠르다는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광포화점이란?	광포화점이란 식물의 잎에 빛을 쪼이면 빛의 세기에 비례하여 증가하는 광합성의 속도가 더 이상 증가하지 않을 때의 빛의 세기를 말한다. 그 이상의 광량에서는 상추의 추가적인 성장효과가 없으며, 보다 높은 빛의 조사는 채소를 고사시킬 위험 성이 있다.
	식물생산의 필수원소는?	이러한 필수 원소의 공급조건은 물과 공기이며 공기 중의 탄산가스(CO2)와 물 (H2O)로 공급한다. 식물생산의 필수원소는 탄소, 산소, 인, 칼륨, 마그네슘, 망간, 아연, 붕소, 수소, 질소, 황, 칼슘, 철, 구리, 몰리브덴, 염소이다. 이러 한 다량의 원소가 부족하거나 양액의 농도 비율이 맞지 않으면 식물은 과잉증상 또는 영향결핍을 일으키므로 양액의 농도의 비율을 적정하게 유지해야 한다.
	식물공장의 환경제어 시스템은 재배환경의 최적화를 의미하는데 이를 위해 중요한 것은?	식물공장의 환경제어 시스템은 재배환경의 최적화를 의미한다. 따라서 환경요소와 식물상태를 정밀하게 계측하고 진단하기 위한 센서가 필요하고 각 제어요소인 온도, 습도, 이산화탄소, 빛, 공기순환, 배양액 등을 효과적으로 제어하기 위한 소프트웨어 및 하드웨어 기술의 뒷받침이 중요하다. 이러한 환경요소를 인위적으로 제어해 식물의 생장촉진, 생산성 증대, 품질 향상 및 생장 균일화 등이 가능해진다

참고문헌 (7)

Rural Development Administration, Plant Factory, Agricultural Technology Guide, vol.191, Human Culture Arirang, 2018.
Rural Development Administration, Hydroponics, Agricultural Technology Guide, vol.71, Human Culture Arirang, 2017.
Sung Bo Oh, Lighting Entrance for Smart Lighting, Moon Un Dang, 2016.
Sung-Won Lee, Household Plant Factory Suppling a Constant PPFD, Master degree, Kyungpook National University, Daegu. Korea, 2013.
Cheol-Gu Yoon, A Study on the LED Illumination Lamp Development and Application for Plant Factory, Doctoral degree, Hongik University, 2011.
Opentutorials, Hydroponis System, https://www.opentutorials.org/module/2276/12872.
Jeju Special Self-Governing Province Agricultural Research Institute, Smart Farm Facilities Agricultural Management Technology, 2015.

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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