Smart farm is a high-tech type of plant factory that artificially makes environmental conditions suitable for the growth of plants and manages them to automatically produce the desired plants regardless of seasons or space. This study was conducted by identifying the effects of Hertz and Duty ratio ...
Smart farm is a high-tech type of plant factory that artificially makes environmental conditions suitable for the growth of plants and manages them to automatically produce the desired plants regardless of seasons or space. This study was conducted by identifying the effects of Hertz and Duty ratio on the photosynthetic rate of ginseng, a medicinal crop, to find the optimal conditions for photosynthetic responses in smart farms. The light sources consisted of a total of 10 chambers using LED system, with 4 R+B(red+blue) mixed lights and 6 R+B+W (red+blue+white) mixed lights. In addition, the Hertz of the R+B mixed light was treated at 20, 60, 180, 540, 1620 and 4860 hz respectively. The R+B+W mixed light was treated with 60, 180, 540, and 1620 hz. Afterwards, experiments were conducted with the duty ratio of 30, 50, and 70%. As a result, the photosynthetic rate of ginseng according to duty ratio and Hertz was the highest at 60 hz when duty ratio was set to 50%. On the other hand, that was the lowest when the duty ratio was 30% at the same 60 hz. In addition, the photosynthetic rates were highest in the R+B mixed light and R+B+W mixed light at 60 hz. Therefore, the condition with the highest photosynthetic rate of ginseng in smart farms is 60 hz when the duty ratio in R+B mixed light is 50%.
Smart farm is a high-tech type of plant factory that artificially makes environmental conditions suitable for the growth of plants and manages them to automatically produce the desired plants regardless of seasons or space. This study was conducted by identifying the effects of Hertz and Duty ratio on the photosynthetic rate of ginseng, a medicinal crop, to find the optimal conditions for photosynthetic responses in smart farms. The light sources consisted of a total of 10 chambers using LED system, with 4 R+B(red+blue) mixed lights and 6 R+B+W (red+blue+white) mixed lights. In addition, the Hertz of the R+B mixed light was treated at 20, 60, 180, 540, 1620 and 4860 hz respectively. The R+B+W mixed light was treated with 60, 180, 540, and 1620 hz. Afterwards, experiments were conducted with the duty ratio of 30, 50, and 70%. As a result, the photosynthetic rate of ginseng according to duty ratio and Hertz was the highest at 60 hz when duty ratio was set to 50%. On the other hand, that was the lowest when the duty ratio was 30% at the same 60 hz. In addition, the photosynthetic rates were highest in the R+B mixed light and R+B+W mixed light at 60 hz. Therefore, the condition with the highest photosynthetic rate of ginseng in smart farms is 60 hz when the duty ratio in R+B mixed light is 50%.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 수종의 작물 중 약용작물인 인삼을 대상으로 스마트 팜 내에서 LED 광원, Hertz와 duty 비에 따른 광합성률을 알아보고 재배에 가장 적합한 조건을 확인하고자 한다.
제안 방법
광합성률은 인삼에서 일사량이 광포화점보다 높은 오전 10시부터 12시 사이에 광합성측정기(LCi Ultra Compact Photosynthesis System, ADC 2005)를 이용하여 생장단계에 있는 2014년 5월에 측정하였다. 측정 당시 스마트 팜내 온도는 22±4.
스마트 팜의 공기순환을 위해 스마트 팜의 양쪽 끝에 환풍기를 설치하였고, 내부 온도와 습도를 조절하기 위해서 냉·온풍기(SS-2000, Zero engineering, Korea)와 가습기(Fox-1H, Parus Co, Cheonan-si, Korea)를 사용하였다. 그리고 스마트 팜의 온도, 습도와 광은 LCS EMS (PARUS Co., Cheonan-si, Korea)를 이용하여 실험기간 내에 24시간 동안 10분 간격으로 측정하였다. 토양은 모래와 원예용 상토(한아름 원예용상토, 신성미네랄)를 4:1의 비율로 섞어 사용하였고, 수분은 2∼3일 간격으로 공급하였다.
, 2016). 따라서 적색+청색+백색(R+B+W) 혼합광에서는 적색+청색(R+B) 혼합광에서 처리한 Hertz값들 중 최저값과 최대값을 제외한 중간값들에 해당하는 60, 180, 540, 1620 hz로 처리하여 실험하였다.
본 연구에서 사용한 Hertz 단위는 Duty 비를 기초로 하여 on-off의 진동수의 단위를 표현하기 위해 사용하였다.
본 연구에서는 Chlorophyll P700 (광계I)의 환원속도는 약 20 ms (50 hz), Chlorophyll P680 (광계II)의 환원속도의 경우 약 200 μs(5000 hz)인 것을 고려하여 R+B 혼합광의 Hertz를 20, 60, 180, 540, 1620, 4860 hz로, R+B+W 혼합 광은 60, 180, 540, 1620 hz로 각각 처리하고, 여기에 각각 duty 비 30%, 50%, 70%에서 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 LED grow light 시스템(Parus Co. 2010)을 이용하여 적색+청색(R+B)과 적색+청색+백색(R+B+W) 혼합광으로 총 10개의 구배로 구성하였다 (Table 1). 각 광원의 종류를 구성하는 PGL-Box (Plant factory)의 크기는 모두 120 cm×52 mm이고 소비 전력은 160 watt이다.
토양은 모래와 원예용 상토(한아름 원예용상토, 신성미네랄)를 4:1의 비율로 섞어 사용하였고, 수분은 2∼3일 간격으로 공급하였다. 비료는 유기물 70%, 질소 4.3%, 인산 1.7%, 칼륨 1% 등으로 이루어진 비료(흙살골드, 케이지케미칼(주))를 3%로 물에 희석하여 일주일에 1회 공급하였다. 재배기간 동안 스마트팜 내 온도는 22±4.
스마트 팜의 공기순환을 위해 스마트 팜의 양쪽 끝에 환풍기를 설치하였고, 내부 온도와 습도를 조절하기 위해서 냉·온풍기(SS-2000, Zero engineering, Korea)와 가습기(Fox-1H, Parus Co, Cheonan-si, Korea)를 사용하였다.
대상 데이터
실험에 사용된 인삼은 2014년 03월에 ㈜백년인삼농산에서 1년생 종삼을 구입하여 화분(지름 25 cm×높이 20cm)에 5개체씩 이식하여 총 10개의 광 조건에서 광조건별로 2개의 화분(총 10개체씩)씩 배치하였고, 3개월간 재배하였다.
토양은 모래와 원예용 상토(한아름 원예용상토, 신성미네랄)를 4:1의 비율로 섞어 사용하였고, 수분은 2∼3일 간격으로 공급하였다.
데이터처리
05) 비모수 통계분석(Nonparametric analysis)을 실시하여 각 환경구배별 차이를 확인하였다. 구배별 차이의 유의성은 MannWhitney U Test와 Median Test로 확인하였다. 모든 통계적 분석은 STATISTICA 7 (Statsoft, Inc.
구배별 차이의 유의성은 MannWhitney U Test와 Median Test로 확인하였다. 모든 통계적 분석은 STATISTICA 7 (Statsoft, Inc., Tulsa, OK, USA)을 사용하였다.
정규분포 여부를 Kolmogorov-smirnov test를 이용하여 확인하였고, 정규분포를 따르지 않아(p<0.05) 비모수 통계분석(Nonparametric analysis)을 실시하여 각 환경구배별 차이를 확인하였다.
성능/효과
4860 hz일 때 R+B 혼합광에서는 duty 비 50%일 때 인삼의 광합성률이 가장 높았으며, duty 비 30%일 때 가장 낮았다(Fig. 4f). 실험 결과 R+B 혼합광과 R+B+W 혼합광에서의 인삼의 광합성률은 60 hz에서 duty 비가 50%일 때 가장 높았다.
60 hz에서 R+B 혼합광이 duty 비 50%일 때 인삼의 광합성률이 가장 높았으며 duty 비 30%일 때 가장 낮았다. R+B+W 혼합광에서는 광합성률 간 차이가 없었다.
Hertz와 Duty 비에 따른 R+B 혼합광과 R+B+W 혼합광에서의 인삼의 광합성률은 duty 비 50%에서 60 hz일때 가장 높았다. 반면 같은 60 hz에서 duty 비 30%일 때는 인삼의 광합성률이 가장 낮았다.
인삼의 재배환경을 살펴보면 반음지 및 음지에서 잘 자라며 고온, 고광조건에 약하여 일반 식물과는 다르기 때문에 인위적으로 반음지 조건을 조성해 재배해야 한다(Han, 2003). 그렇기 때문에 본 연구에서 Hertz와 duty 비에 따른 인삼의 광합성률에 대한 결과, 인삼은 설정한 duty 비 30%, 50%, 70% 중에서 높지 않은 50%일 때 60 hz에서의 인삼의 광합성률이 가장 높게 나타난 것으로 보인다. 또한 본 실험에서의 가장 높은 인삼의 광합성률은 Han (2003)의 야외에서 재배한 인삼의 광합성률보다 높게 나타났다.
두 광원에서 Hertz가 동일한 구배 간에 비교할 때 60 hz일 때 R+B 혼합광(7.15±0.36 μmol m-2 s-1)과 R+B+W 혼합광 (5.20±0.29 μmolm-2 s-1)에서 자라는 인삼의 광 합성률은 전자에서가 후자에서보다 높았다.
두 광원에서 Hertz가 동일한 구배 간에 비교할 때 60 hz일 때 R+B 혼합광(7.74±0.40 μmol m-2 s-1)과 R+B+W 혼합광(5.45±0.20 μmol m-2 s-1)의 인삼의 광합성률은 전자에서가 후자에서보다 높았다.
이 결과 값을 토대로 같은 Hertz에서도 duty 비의 차이에 따라 인삼의 광합성률이 크게 차이가 날 가능성이 있다는 것을 확인할 수 있다. 또한 R+B 혼합광과 R+B+W 혼합광 모두 본 연구에서 설정한 Hertz값들 중에서 비교적 낮은 20 hz와 60 hz에서 각각 인삼의 광합성률이 가장 높게 나타난 것을 알 수 있다. 인삼의 재배환경을 살펴보면 반음지 및 음지에서 잘 자라며 고온, 고광조건에 약하여 일반 식물과는 다르기 때문에 인위적으로 반음지 조건을 조성해 재배해야 한다(Han, 2003).
그렇기 때문에 본 연구에서 Hertz와 duty 비에 따른 인삼의 광합성률에 대한 결과, 인삼은 설정한 duty 비 30%, 50%, 70% 중에서 높지 않은 50%일 때 60 hz에서의 인삼의 광합성률이 가장 높게 나타난 것으로 보인다. 또한 본 실험에서의 가장 높은 인삼의 광합성률은 Han (2003)의 야외에서 재배한 인삼의 광합성률보다 높게 나타났다. 위 결과들을 종합해볼 때, 스마트 팜에서의 인삼의 광합성률이 가장 높은 조건은 R+B 혼합광에서 duty 비가 50%일 때 60 hz이다.
본 연구에서 R +B 혼합광과 R +B +W 혼합광에서의 Hertz 구배 처리를 다르게 하였는데, 주로 R+B 혼합광에서의 인삼의 광합성률을 관찰하였고, 부가적으로 R+B+W 혼합광에서의 인삼의 광합성률을 보기 위해 R+B 혼합광의 구배를 더 많이 설정하였다.
4f). 실험 결과 R+B 혼합광과 R+B+W 혼합광에서의 인삼의 광합성률은 60 hz에서 duty 비가 50%일 때 가장 높았다.
또한 본 실험에서의 가장 높은 인삼의 광합성률은 Han (2003)의 야외에서 재배한 인삼의 광합성률보다 높게 나타났다. 위 결과들을 종합해볼 때, 스마트 팜에서의 인삼의 광합성률이 가장 높은 조건은 R+B 혼합광에서 duty 비가 50%일 때 60 hz이다.
반면 같은 60 hz에서 duty 비 30%일 때는 인삼의 광합성률이 가장 낮았다. 이 결과 값을 토대로 같은 Hertz에서도 duty 비의 차이에 따라 인삼의 광합성률이 크게 차이가 날 가능성이 있다는 것을 확인할 수 있다. 또한 R+B 혼합광과 R+B+W 혼합광 모두 본 연구에서 설정한 Hertz값들 중에서 비교적 낮은 20 hz와 60 hz에서 각각 인삼의 광합성률이 가장 높게 나타난 것을 알 수 있다.
66 μmol m-2 s-1이었다. 이러한 결과는 본 연구 실험결과의 것보다 7.6% 낮았는데, 이는 인삼은 야외에서 재배하는 것보다 스마트 팜에서 duty 비가 30%일 때 재배하는 것이 광합성률을 높일 수 있는 조건임을 의미하는 것이다.
61 μmol m-2 s-1이었다. 이러한 광합성률 값은 본 연구 실험결과의 것보다 40.4% 낮았는데, 이는 인삼은 야외보다 스마트 팜에서 duty 비가 50%일 때 재배하는 것이 광합성률을 높일 수 있는 조건임을 의미하는 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
재배 시스템 중 최근 식물재배용 조명으로 많이 이용되고 있는 LED의 특징은?
, 2014). 최근 식물재배용 조명으로 많이 이용되고 있는 LED는 단색광으로서 특정 파장역만을 갖는 광질을 선택하여 식물 재배가 가능하며, 광합성 촉진 및 사포닌 증가 등의 기능을 수행할 수 있다(Kim et al., 2005; Hyun et al.
스마트 팜이란?
스마트 팜은 융·복합 차세대 농업기술로서 식물 재배에 자동화, 광제어와 IT 등의 최첨단방법을 이용하는 것으로서, 고품질의 무공해 농작물 등을 연중 지속적 생산을 가능하게 함으로써 농업의 경쟁력을 높이고 경제와 사업분야에서 새로운 성장 동력의 창출을 기대할 수 있는 시설이다(Rural Development Administration, 2013).
최근 스마트 팜이 큰 관심을 받게 된 이유는?
최근 잦은 이상기후에 의한 여러 가지 기상이변과 제약된 공간에서도 안정적으로 작물 생산이 가능한 스마트 팜이 최근 큰 관심을 받고 있다(Kim et al., 2011; Lee et al.
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