[논문]IoT를 활용한 가정용 열대어 아쿠아포닉스에 관한 탐색적 연구

김경현; 한동욱

doi:10.5392/jkca.2021.21.04.424

IoT를 활용한 가정용 열대어 아쿠아포닉스에 관한 탐색적 연구
Exploratory Research : Home Aquaponics of Tropical Fish Using IoT 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.21 no.4, 2021년, pp.424 - 433

김경현 (전주대학교 스마트Agro_ICT융합학과) , 한동욱 (전주대학교 스마트미디어학과)

초록
AI-Helper

본 연구는 상업적인 목적으로 미꾸라지, 잉어, 메기 등의 어종을 활용한 아쿠아포닉스 시스템과 다르게 가정에서 반려어로 사육하는 열대 어종인 구피를 활용한 가정용 아쿠아포닉스의 적용 가능성을 탐색한 논문이다. 가정에서 아쿠아포닉스의 적용이 쉽도록 사물 인터넷 기술을 활용하여, 수조, 수초, 수경재배 화분, 식물생장용 LED, 아두이노 센서 등을 연결하여 시스템을 갖추었다. 수경재배 작물로는 가정에서 쉽게 구할 수 있고 소비할 수 있는 상추를 선택하였다. 열대어를 활용한 아쿠아포닉스의 적용 가능성을 확인하기 위해 동일한 환경의 수경재배 작물을 대조군으로 성장률을 비교하였다. 열대어를 활용한 아쿠아포닉스 작물의 성장률은 수경재배 작물의 성장률 대비 77.4% 정도였으며 이것은 향후 사육 열대어의 수, 성장에 적절한 산도(pH) 조절 등의 조건을 충족시킬 경우 수경재배와 동일한 효과를 낼 수 있다고 볼 수 있으며 향후 이를 활용하여 가정에서 적용 가능한 아쿠아포닉스 표준 시스템을 개발할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this study is to explores the possibility of applying new aquaponics using guppies, a tropical fish breeding as companion fish at home, different from the aquaponics system using fish species such as loach, carp, and catfish for commercial purposes. To facilitate the application of Aquaponics at home, a system was established by connecting a water tank, water plants, hydroponic pots, plant growth LEDs, and Arduino sensors using Internet of Things(IoT) technology. As a hydroponic crops, lettuce that can be easily obtained and consumed at home was selected. In order to confirm the applicability of aquaponics using tropical fish, the growth rates of hydroponic crops in the same environment were compared as a control. The growth rate of aquaponics crops using tropical fish was about 77.4% of that of hydroponic crops. This will produce the same effect as hydroponic cultivation if conditions correspond with enough fish quantity to feed plant and appropriate pH control for growth are met. It can be seen that, and in the future, it can be used to develop an Aquaphonics standard system applicable at home.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 소규모 아쿠아포닉스 시스템을 구성하여 열대어 중 가장 많이 사육되는 구피를 실험어로 채택, 상추를 실험 작물로 하여 수경재배와 비교 실험하였다. 아쿠아포닉스에 대한 관리를 위해 IoT 기술을 적용하여 열대어 적용 가능성에 대한 연구를 진행하였다.

제안 방법

다양한 어종과 작물에 관한 아쿠아포닉스 연구가 필요하며, IoT 기술을 이용한 시스템 개발로 정확한 데이터를 수집·분석하여 생육환경에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 소규모 아쿠아포닉스 시스템을 구성하여 열대어 중 가장 많이 사육되는 구피를 실험어로 채택, 상추를 실험 작물로 하여 수경재배와 비교 실험하였다. 아쿠아포닉스에 대한 관리를 위해 IoT 기술을 적용하여 열대어 적용 가능성에 대한 연구를 진행하였다.
재배방식별 엽수, 엽장, 엽중량 값을 SPSS 프로그램을 이용하여 다변량 분산 분석(MANOVA)을 실시했다. 수경재배 및 아쿠아포닉스의 재배방식과 청치마 적치마 2개의 상추 품종에 따라서 엽장, 엽폭, 엽중량이 통계적으로 차이가 있는지 검증하였다.
재배방식별 성장률에 대해 정량적으로 평가하였다. 수경재배 상추 성장률을 100% 기준으로 하여 아쿠아포닉스의 엽장, 엽폭, 엽수, 엽중량 성장률을 비교하였다. 수경재배에 비해 아쿠아포닉스의 엽장 성장률은 58.
아쿠아포닉스 시스템에서 온습도 센서, pH 센서, 수온 센서, ppm을 측정하여 기간 내 생육환경의 평균값과 추이를 살펴보았다. 수집한 데이터 값을 시각화하였다.
아쿠아포닉스와 수경재배에 씨앗을 암면에 발아하여 키운 청치마 상추 5개, 적치마 상추 5개를 각각 식재하고 각 재배방식별로 4개 모종 잎의 엽장, 엽폭, 엽중량, 엽수를 7일 간격으로 5회, 버니어 캘리퍼스와 정밀저울로 측정하였다. 재배방식별로 코드 번호를 지정하고, 모종과 각 잎에 개체번호를 지정하였다.
어항과 화분, 여과기, 식물 생장용 LED, 기포 발생기, 수중 히터, 라즈베리파이, 아두이노, 센서, 워터펌프 등으로 아쿠아포닉스 시스템을 구성하였다.
재배방식별로 경제성, 생산성, 활용 가능성, 지속 가능성에 대해서 표적집단면접법(FGI)를 통해 5점 리커트 척도로 정성적인 평가를 수행하였다.

대상 데이터

떡잎이 나오고 본잎이 2장 나온 후에 재배 화분에 아주 심기(가식)를 해주었다. 식물 생장용 LED 중에 5050 칩, 12V 5A, 엽채류의 광합성에 적합한 적색, 청색 3:1 비율의 LED롤 사용하였다.
정성적으로 열대어 아쿠아포닉스와 수경재배를 비교하는 한편 아쿠아포닉가 보완해야 하는 점에서 대해서 전반적으로 논의하였다. 표적 집단에는 스마트팜 관련 교수 6명, 스마트팜 관련 석사학위 재학생 20명, 스마트 팜 관련 연구자 3명 총 29명이 정량적 평가에 참여하였다.

데이터처리

수경재배와 아쿠아포닉스의 각 상추 엽장, 엽폭의 합을 비교하였다. 7일간 5회 측정한 수치 중에 각 잎별로 최대로 성장했을 때의 측정값을 기준으로 계산하였다.
재배방식별 엽수, 엽장, 엽중량 값을 SPSS 프로그램을 이용하여 다변량 분산 분석(MANOVA)을 실시했다. 수경재배 및 아쿠아포닉스의 재배방식과 청치마 적치마 2개의 상추 품종에 따라서 엽장, 엽폭, 엽중량이 통계적으로 차이가 있는지 검증하였다.

성능/효과

경제성에는 수경재배와 제시한 아쿠아포닉스의 재배 과정에 있어서 필요한 자원의 투여 대비 산출의 경제성에 대한 정량적 비교를 수행하였으며 작물 재배의 목적에 따라서는 경제성의 경우 양액 등의 투여가 필요 없는 아쿠아포닉스가 높은 곳으로 나타났으며 가정용 관상어의 활용 등에서 활용 가능성, 생산 작물 품질 및 지속 가능성도 아쿠아포닉스가 높았다. 하지만 생산성의 경우 수경재배가 높은 것으로 전문가들은 판단했다.
구피는 경도가 140~210ppm인 중수가 최적의 환경으로 사육 수를 상추의 최적 TDS 범위인 560~840ppm만큼 올라가게 하면 구피가 살기 어려운 초경수의 물이 되므로 경도를 맞춰주지 못하였다. 또한, 사육 수의 산도가 pH7.9 내외로 상추의 최적 산도 pH6.0~7.5에 비해 높아서 질소, 인, 칼슘 등에 대해 영양분의 흡수력이 낮아서 아쿠아포닉스의 상추가 성장하는 데에 장해요인이 되었다.
수경재배는 화학적인 양액을 사용하여 재배하고 아쿠아포닉스 방식은 물고기의 유기물이 천연비료로 이용되고 어떤 인공적인 합성물질도 사용하지 않기 때문에 환경에 대한 부하를 경감시키므로 친환경적이다. 또한, 어류 양식의 폐수를 정화시켜 물을 재사용한다는 점에서 수자원을 효율적으로 활용하므로 지속가능성이 우수하다.
생산성에 대한 측면에서는 수경재배의 양액이 사육 수에 비해 용존 영양분의 농도가 높아서 성장률이 우수하며 아쿠아포닉스는 77%의 수준으로 양호한 편이다. 생산 작물의 품질 특히 잎의 경도 측면에서는 아쿠아포닉스의 잎이 더욱 단단하여 우수함으로 판단하였다. 아쿠아포닉스 업체인 서유채에서는 아쿠아포닉스로 기른 상추가 일반 유기농 상추에 비하여 더 오랫동안 신선도를 유지한다.
아쿠아포닉스 재배방식은 양액이나 농약을 구매할 필요가 없고, 물의 재순환으로 용수가 절약되어 경제성이 우수하다. 생산성에 대한 측면에서는 수경재배의 양액이 사육 수에 비해 용존 영양분의 농도가 높아서 성장률이 우수하며 아쿠아포닉스는 77%의 수준으로 양호한 편이다. 생산 작물의 품질 특히 잎의 경도 측면에서는 아쿠아포닉스의 잎이 더욱 단단하여 우수함으로 판단하였다.
수경재배 상추의 잎 길이의 평균은 119.7mm, 아쿠아포닉스는 96.22mm로 수경재배의 80%이고, 수경재배의 엽폭의 평균은 50.93mm, 아쿠아포닉스의 엽폭 평균은 48.08mm로 수경재배의 94%의 성장률을 보였다. 엽장, 엽폭의 평균은 엽장, 엽폭의 합계보다 차이가 적었고, 수경재배가 새잎이 많이 나와서 엽수가 증가함으로 인해 엽장의 합계에서는 차이가 컸다.
수경재배 상추 성장률을 100% 기준으로 하여 아쿠아포닉스의 엽장, 엽폭, 엽수, 엽중량 성장률을 비교하였다. 수경재배에 비해 아쿠아포닉스의 엽장 성장률은 58.4%이며, 엽폭의 성장률은 70.4%, 엽수의 성장률은 88.0%, 엽중량은 92.9%로 나타났으며, 이를 종합한 평균 성장률은 수경재배의 77.4%로 나타났다.
아쿠아포닉스 방식으로 재배한 상추의 엽장과 엽폭은 수경재배의 70.5%이고, 엽수는 85%로 사이즈와 개수는 적지만, 중량은 92.9%로 거의 근접한 무게를 보였다. 이를 종합한 아쿠아포닉스를 이용한 상추 재배는 수경재배의 방식보다 77.
아쿠아포닉스 재배방식은 양액이나 농약을 구매할 필요가 없고, 물의 재순환으로 용수가 절약되어 경제성이 우수하다. 생산성에 대한 측면에서는 수경재배의 양액이 사육 수에 비해 용존 영양분의 농도가 높아서 성장률이 우수하며 아쿠아포닉스는 77%의 수준으로 양호한 편이다.
9%로 거의 근접한 무게를 보였다. 이를 종합한 아쿠아포닉스를 이용한 상추 재배는 수경재배의 방식보다 77.4%의 성장률을 나타냈다. 사육수 내의 양분 농도가 낮고 pH가 높아 성장률이 약간 저조하였다.

후속연구

1인 가구 및 가정의 반려어(Aqua-pet)로서 정서 안정을 효과를 가지며 채소를 재배할 수 있는 가정용 아쿠아포닉스는 앞으로도 국내외 업체들의 많은 주목을 받고 다양한 제품들이 개발될 것이다.
국내외에서 지속 가능한 미래농업으로 주목을 받고 있는 아쿠아포닉스 농법에 대해 농림축산식품부, 해양수산부, 국립수산과학원 등 관련 기관에서 아쿠아포닉스에 대한 많은 R&D지원과 관련 정책 수립으로 외국의 스마트 아쿠아포닉스 기술에 뒤쳐지지 않는 국내 아쿠아포닉스 기술이 개발되어야 한다
또한, 측면여과기를 저면 여과기로 대체하면 유기물을 식물에게 보다 많은 양분을 공급할 수 있다. 소규모, 가정용 아쿠아포닉스뿐만 아니라 상업적으로도 열대어를 사육하면서 생육 조건을 잘 맞춰준다면 고품질 채소 재배가 가능하므로 이에 대한 추가적인 연구도 진행되어야 한다.
수중 질산염, 아질산염, 암모니아를 측정하는 센서나 측정기가 개발되면 정확한 사육수 상태를 확인할 수 있고, 아두이노에 연결 가능한 EC 센서, DO 센서, ORP센 서가 개발되면 재배환경을 현재보다 세밀하게 측정할 수 있어 보다 과학적인 연구가 가능하다.
양분 농도에 대한 솔루션으로는 구피 사육 밀식도를 높여서 유기물을 더 많이 생성하면 성장률이 높아질 것으로 사료된다. 추후 연구를 통해 구피에게 부정적인 영향을 주지 않으면서 pH를 높이는 방안을 연구하면 더욱 성장률이 높아질 것이다. 또한, 측면여과기를 저면 여과기로 대체하면 유기물을 식물에게 보다 많은 양분을 공급할 수 있다.

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상세보기
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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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