농업은 여러 산업 중에서 가장 오랜 역사를 가지고 있으며, 인류의 발달에 직, 간접적으로 연관되어 있다. 그러나 최근 우리나라의 농업은 농촌인구의 감소 및 고령화, 자재비용 상승 및 한반도 기후 변화로 인해 농가 경영에 어려움이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 ICT를 이용한 스마트 농장이 대안으로 제시된다. 스마트 농장은 다양한 센서를 통하여 농장의 온도 관리 및 급수장치를 관리하나, 작물에 따른 섬세한 관리에 한계가 있다. 따라서, 본 논문에서는 기존 수분센서와 달리 토양의 깊이에 따라 수분 공급을 달리하여 식물의 생장에 최적화된 환경을 구현하였다.
농업은 여러 산업 중에서 가장 오랜 역사를 가지고 있으며, 인류의 발달에 직, 간접적으로 연관되어 있다. 그러나 최근 우리나라의 농업은 농촌인구의 감소 및 고령화, 자재비용 상승 및 한반도 기후 변화로 인해 농가 경영에 어려움이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 ICT를 이용한 스마트 농장이 대안으로 제시된다. 스마트 농장은 다양한 센서를 통하여 농장의 온도 관리 및 급수장치를 관리하나, 작물에 따른 섬세한 관리에 한계가 있다. 따라서, 본 논문에서는 기존 수분센서와 달리 토양의 깊이에 따라 수분 공급을 달리하여 식물의 생장에 최적화된 환경을 구현하였다.
Agriculture has the longest history in many industries and is directly or indirectly linked to human development. However, recently agriculture in Korea has difficulties in farm management due to the decrease of rural population, aging of society, increase of material costs, and climate change on th...
Agriculture has the longest history in many industries and is directly or indirectly linked to human development. However, recently agriculture in Korea has difficulties in farm management due to the decrease of rural population, aging of society, increase of material costs, and climate change on the Korean peninsula. Smart farms using ICT are proposed as an alternative to solve these problems. Smart farms manage the temperature and water supply facilities of farms through various sensors, but there is a limit to the delicate management of crops. Therefore, in this paper, unlike the conventional moisture sensor, the water supply is varied according to the depth of the soil, thereby realizing an optimized environment for plant growth.
Agriculture has the longest history in many industries and is directly or indirectly linked to human development. However, recently agriculture in Korea has difficulties in farm management due to the decrease of rural population, aging of society, increase of material costs, and climate change on the Korean peninsula. Smart farms using ICT are proposed as an alternative to solve these problems. Smart farms manage the temperature and water supply facilities of farms through various sensors, but there is a limit to the delicate management of crops. Therefore, in this paper, unlike the conventional moisture sensor, the water supply is varied according to the depth of the soil, thereby realizing an optimized environment for plant growth.
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문제 정의
본 논문은 토양 수분센서를 이용한 최적의 식물 생장 환경 구축을 위해 토양의 깊이에 따라 다르게 재배해야 하는 식물을 이용하여 최적의 깊이를 찾아 PID 제어를 통해 실험을 진행하였고, 토양 수분센서 3개를 이용해서 설정값에 미치지 못하는 경우의 식물을 찾아내, 센서에 연결되어 있는 워터 펌프를 이용해 필요한 수분의 양 만큼의 수분 공급을 원활하게 공급해 줄 수 있었다. 본 논문에서 실험한 결과로 영농인들이 작물에 따른 관리의 한계를 타파하고, 기존 수분센서와 달리 토양의 깊이에 따라 수분 공급을 달리하여 식물의 생장에 최적화된 환경을 구현하는데 보다 편리하게 사용될 것이라고 생각 된다.
제안 방법
PID 제어를 설계하여 P, I, D의 계수 값을 임의로 설정한 뒤, 각각의 계수들을 변경하면서 반복 실험하여 그 결과 값 중 각 센서에 맞는 최적의 값을 찾아낸 값을 표 1에 나타내었고 실험은 표 1에서 나타낸 PID 계수 값에 설정 실험하였다.
본 논문에서는 3개의 토양 수분센서를 이용해 토양 깊이에 따른 수분 함량을 토양 수분센서를 통해 측정해 기초 자료를 축적해서 각 깊이마다 비교한 후 원활하고 최적화된 수분 공급이 이루어질 수 있도록 급수 펌프를 이용해 동작을 구현하였다.
이론/모형
그림 1과 같은 단순 ON/OFF 제어를 이용할 경우 수분 공급이 워터펌프 동작의 0%와 100% 두 가지만 반복하게 되기 때문에 출력 값의 변화가 매우 크고 사용자가 설정한 설정 값과 오차가 생긴다. 따라서 본 논문에서는 수분공급의 미세한 제어를 위해 PID 제어를 이용하였다. PID란 비례(proportional), 적분(integral), 미분(differential)의 앞 글자를 따온 단어로, 비례와 적분, 미분의 조합을 통해 적절한 값을 도출해 제어에 응용하는 기법이다.
성능/효과
이와 같이 아두이노 플랫폼에서는 하나의 시스템을 쉽게 구현이 가능하다. 표 1에서 나타낸 PID 계수와 그림 2의 알고리즘 그림 4의 실험 결과에서 알 수 있듯이 스마트 농장에서 실시간으로 깊이에 따른 수분 값을 모니터링하고 그 값에 따라 PID 제어를 통한 적절한 수분제어를 할 수 있는 식물의 수분 공급에 있어 적절한 플랫폼이 될 것으로 판단된다.
후속연구
본 논문은 토양 수분센서를 이용한 최적의 식물 생장 환경 구축을 위해 토양의 깊이에 따라 다르게 재배해야 하는 식물을 이용하여 최적의 깊이를 찾아 PID 제어를 통해 실험을 진행하였고, 토양 수분센서 3개를 이용해서 설정값에 미치지 못하는 경우의 식물을 찾아내, 센서에 연결되어 있는 워터 펌프를 이용해 필요한 수분의 양 만큼의 수분 공급을 원활하게 공급해 줄 수 있었다. 본 논문에서 실험한 결과로 영농인들이 작물에 따른 관리의 한계를 타파하고, 기존 수분센서와 달리 토양의 깊이에 따라 수분 공급을 달리하여 식물의 생장에 최적화된 환경을 구현하는데 보다 편리하게 사용될 것이라고 생각 된다.
이러한 환경에서 토양 수분은 대기 중의 수증기의 공급원이고 지면의 특성인 알베도, 열용량, 식생 분포, 증발산 등에 영향을 주는 아주 중요한 요소이므로, 토양 수분센서를 이용해 다양한 식물의 토양 수분을 최적으로 공급하게 하고, 토양 수분의 연구가 체계적으로 이루어지지 못하여서 수치 모델, 지역 기후 혹은 범위 간 큰 규모의 기후 모형을 체계적으로 측정해서 지금까지 데이터에 없던 토양 수분 정도를 수치화할 수 있으며, 기존에 있던 기준이 모호하던 것들을 바로 잡을 수 있을 것이다.
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