KR20190007585A

KR20190007585A - 식물의 성장 단계를 감지하여 알맞은 양액을 혼합하여 분사하는 방법

Info

Publication number: KR20190007585A
Application number: KR1020170088743A
Authority: KR
Inventors: 문종해
Original assignee: 주식회사 트레이드링크
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2019-01-23

Abstract

본 발명은 인공광원의 pwm 제어와 빛감지 센서(조도센서, ccd 카메라)의 감지된 데이터에서 노이즈를 감소시키고, 도출된 식물 성장 단계에 알맞는 양액의 비율을 데이터 베이스에서 받아서 식물의 뿌리에 혼합, 분사를 통해 식물의 재배를 자동화 하는 방법이다.
색 감지를 통해 식물의 성장 단계를 감지하는데 있어 발생하는 외란을 줄이기 위해 인공광원의 pwm 제어와 빛감지 센서에 감지된 데이터에서 노이즈를 감소 시키고, 도출된 식물 성장 단계에 알맞은 양액의 비율을 데이터 베이스에서 받아서 혼합 후, 뿌리에 분사해주는 방법

Description

식물의 성장 단계를 감지하여 알맞은 양액을 혼합하여 분사하는 방법{A method of mixing the nutrient solution by sensing the growth stage of plants}

본 발명은 인공광원의 pwm 제어와 빛감지 센서(조도센서, ccd 카메라)의 감지된 데이터에서 노이즈를 감소시키고, 도출된 식물 성장 단계에 알맞는 양액의 비율을 데이터 베이스에서 받아서 식물의 뿌리에 혼합, 분사를 통해 식물의 재배를 자동화 하는 방법이다.

지구의 기후 변화가 심해지면서 해외 많은 국가와 기업에서 식량안보와 생산성 확보에 많은 관심을 가지고 있다. 또한 다수의 농가에서는 IOT와 농업 기술의 결합으로 지속적인 경제 가치를 창출하려 하고 있다. 많은 노력의 결과로 여러 기업은 빛, 수분, 영양분등의 공급이 외부 환경에 영향 받지 않는 식물 공장, VERTICAL FARM, 스마트 팜 등의 구조를 제안 하였으며 도심지 내에 많은 건설이 이루어 있고 있다.

이러한 스마트 팜이 지속적으로 성장하기 위해선 더 향상된 식물 재배 속도와 식물 생산 자동화가 필요하다. 식물 재배 속도를 증가시키기 위해선 각 식물 최적의 성장 조건을 찾아야 한다. 최적의 성장 조건은 식물의 성장 단계에 따라 다른데 빛의 경우 최근 연구에서는 식물의 각 엽록소가 흡수하는 빛의 파장대가 다르며, 또한 이러한 엽록소의 분포도가 식물의 성장 단계마다 다르다는 것을 밝혔다.

영양소의 경우에는 쌀의 재배시 수확기 이전의 재배 기간에 질소비료를 발아기 때와 같은 양으로 사용하게 되면 성장이 빠르지만 탄수화물의 과소비를 유발해 작물이 연약하게 자라게 된다. 따라서 식물의 성장 단계별로 각 영양분의 올바른 공급은 식물이 좀 더 건강하고 빠르게 자라게 하는데 반드시 필요하다. 이를 위해서 우선 식물의 성장 단계를 판별하고 각 성장 단계에 맞는 영양분을 공급해 주는 기술이 필요하다.

또한 비료의 혼합 및 투여 역시 식물의 성장 단계에 필요한 만큼만 투여되지 않고 과다 사용을 되고 있다. 영양분을 과다 하게 사용 할 경우 양액의 삼투압 효과로 인해 오히려 재배 작물의 뿌리가 말라서 작물 재배에 실패 할 수 있다. 또한 쌀 재배에 있어 질소비료를 과다하게 사용할 경우 벼 줄기의 마디 간격이 길어져 약간 비,바람에 쓰러지기 쉽고 병해충에 대한 저항력이 떨어지는 동시에, 쌀의 단백질 함량이 높아져 품질의 저하를 초래하기도 한다. 게다가 흡수되고 난 나머지의 영양분들은 토지나 지하수로 스며들어 토양의 산성화와 지하수, 하천의 오염을 일으키게 된다.

따라서 각 재배 작물의 명확한 성장단계의 판단과 그게 알맞은 빛, 영양소등의 최적환경 조성은 농업의 생산량 증대와 환경오염 방지에 있어서 가장 중요한 기술이라 할 수 있다.

이 부분에 대해 선행 기술 조사를 진행한 결과, 씨앗 단계와 발아 단계를 감지할 수 있는 방법에 대한 특허는 출원되어 있지 않은 상황이며 현재 농가에서도 식물을 직접 눈으로 보고 구분하여 파종하고 있다. 이에 식물에서 반사되는 빛의 양을 감지하여 식물의 성장 단계를 파악하고, 서버로부터 해당 단계에 적합한 빛의 파장과, 각 영양분의 양을 제공 받아서 LED를 제어하고, 영양분을 식물의 뿌리에 스프레이 방식으로 분사하는 방법으로서 최적의 영양분과 환경오염을 최소화 할 수 있는 방법을 고안하게 되었다.

식물의 성장 단계에서 기계적 판단 시 색의 반사율이 성장 단계별로 가장 차이가 나는 부분이다. 그러나 단순히 조도 센서나 CCD카메라의 색감지로만 성장 단계 감지를 할 때 외부 빛으로 인한 외란과 노이즈가 있어 감지에 어려움이 크다. 따라서 추가 광원을 이용한다면 외란과 노이즈를 줄이고 정확하게 식물의 성장 상태를 효율적으로 감지를 해낼 수 있게 된다. 이로부터 도출된 식물 성장 단계에 알맞은 영양분과 빛을 외부 데이터 베이스로부터 제공받아 스프레이방식으로 분사하고, LED를 제어 할 수 있다면 작물의 품질을 유지 하는 동시에 식물의 성장 속도를 최대화 할 수 있으며 비료의 과다 사용으로부터 생기는 환경 오염을 최소화 할 수 있게 된다.

색채선별기(주식회사디에스케이,10-2014-0049054), 입상물의 이물질 포함비율에 따른 선택적 분리가 가능한 색채선별기(주식회사 대원지에스아이,10-2011-0036501), 풀 컬러 엘이디를 이용한 곡물 색채선별장치(주식회사 아이디알시스템,10-2011-0069069)의 경우 검사 대상 원료중에 포함된 이물질을 선별하는 기술특허이다. 색채를 이용해서 구별을 한다는 점은 동일하나, 외부 빛이 강할 수밖에 없는 식물 성장 환경에서 외란에 의한 간섭과 외란을 줄이는 방법이 개시되어있지 않으며 적용의 대상 또한 다르다.

관심 대상에 대한 식물 성장 추정 방법 및 시스템(유틸리티 리스크 매니지먼트 코포레이션, 엘엘씨,10-2012-7018594)은 목표 식물의 하나 이상의 점의 거리에 기초하여 계산된 데이터를 통해 식물의 성장 추정 방법으로 LiDAR(Light Detection and Ranging)를 사용한다. 대상이 되는 식물은 주로 스케일이 큰 수목류이며 식물 공장이나 재배기에서 다루는 대상 식물에는 맞지 않다.

식물재배용 LED 조명장치(LED illuminating device for plant cultivation)((주) 성광 엘이디, 10-2010-0075759) 는 성장 단계 인식 수단에서 영상 검지기와 공간형 검지기를 사용할 것을 제안하였으나, 외란의 의한 효과를 제거하는 것에 대한 방안을 기술되어 있지 않다.

양액의 농도/산도측정장치가 구비된 양액자동 공급장치(최형인,20-1999-0025491)는 현장에서 수작업으로 농도 산도를 측정해야 되는 번거러움을 제거한 양액의 농도/ 산도 특정 장치가 구비된 양액 자동 공급 장치이고, 재배 환경과 양액 공급 자동 제어형 식물 재배기는(주식회사 대산정밀, 10-2014-0194351) 이미 혼합된 양액을 자동으로 공급해 주는 장치로, 두 발명 모두 해당 식물의 성장 단계를 감지하는 기술이 없으며 또한 매 식물마다 소량의 양액을 스프레이 방식으로 분사하는 해당 발명과는 거리가 멀다

색상을 통해 식물의 성장 단계를 감지하는데 있어서 외부 빛은 센서의 색 감지에 큰 영향을 미쳐 식물 성장 단계 판별에 많은 오류를 발생 시킬 수 있다. 따라서 해당 기술에 있어서 외부 빛의 간섭 효과를 줄이는 것이 핵심 기술이라고 할 수 있다.외부 빛의 간섭을 최소화 하기위해 해당 발명에서는 감지부로부터 일정거리 이상 떨어진 위치에 추가 광원을 설치한다. 추가 광원의 제어를 통해서 외란의 효과를 줄이는 동시에 초록색과 나머지 색과의 비율을 산출해 낼 수 있다. 따라서 사람의 눈으로 직접 식물의 상태를 확인하지 않고 자동으로 식물의 성장 단계의 감지가 가능하며, 이를 이용해서 식물의 각 성장 단계에 필요한 영양분의 공급을 외부 데이터 베이스에서 제공 받아 스프레이 방식으로 분사해 식물 성장 속도를 촉진할 수 있으며, 양액의 과다 사용으로 인한 환경의 오염을 최소화 할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 식물의 성장 단계를 인조광원의 제어와 빛 감지 센서를 통해 정확히 판단하고, 성장 단계에 따른 양액의 양을 계산하여 혼합하여 식물의 뿌리에 분사해 준다.

식물공장이나 재배기가 식물의 상태를 토대로 최적의 환경을 효율적으로 조성할수록 식물 성장 속도가 증가하게 되어 채산성이 증대되며, 누구나 쉽게 재배를 할 수 있다. 서울시를 비롯한 여러 도심지에서 지속적으로 장려하고 있는 도시 농부에 대한 지원에 많은 긍정적 효과를 가져오게 될 것이며 도시 농부의 고용 창출이 증대되게 될 것이다. 또한 실내에서 지속가능하게 재배 가능하다는 점에서 먼 지역에서부터 여러 식물들을 운송하는데 소비되는 화석연료양이 비약적으로 감소하게 되는 동시에, 도시 내의 식물 공급이 자급자족이 가능하다. 또한 해외에서만 재배 가능한 식물들이 국내에서도 재배가 가능하게 되고 특이 식물에 대해 더 이상 수입에 의존하지 않아도 된다. 이러한 식물 공장의 자동화에 있어 각 식물의 상태를 계속해서 감지하고 식물에게 최적의 환경을 조성해주는 것은, 식물공장이 토지 효율성을 위해 다단, 다층으로 이뤄져 있다는 점을 고려 해볼 때 사람의 직접적인 제어가 굉장히 많이 필요한 부분이다. 이 부분이 감지부를 통해 기계적인 구별이 가능해진다면 식물공장의 자동화에 큰 기여를 할 수 있을 것이며 도심지내의 건강한 식물을 값싸게 재배하는데 있어 진입장벽을 크게 낮출 수 있다. 또한 최적상태의 영양분을 공급할 수 있다. 최적상태의 영양분이란 성장 단계별로 성장 속도를 최대화 할수 있는 영양분의 양이며, 동시에 식물의 영양분 흡수 포화 상태 이상으로 사용하지 않는 것을 말한다. 흡수되고 난 나머지의 영양분들은 토지나 지하수에 스며들어 토양의 산성화를 초래하거나 하천의 오염을 발생 시킬 수 있다. 이러한 문제점들을 작물 별로 필요한 최적의 영양분의 양을 식물의 뿌리가 흡수하기 쉬운 형태로 공급함으로써 비료의 과도한 사용을 방지하고 이를 통해 토양오염과 수질 오염을 비롯한 환경 오염을 최소화 할 수 있다.

식물 성장을 촉진하는 LED 로부터 이정 거리 이상 유격하여 감지부를 배치한다. 이렇게 되면 감지부에 들어오게 되는 빛은 LED 광원~식물표면에서 반사된 빛, 외부 빛~식물 표면에서 반사된 빛이 된다. 외부 빛~식물 표면에서 반사된 빛을 제거하기 위해, LED 광원을 미세한 시간 단위로 점등한다.

식물재배기 감지부에 영향을 끼치는 외부 빛은 일반적으로 태양빛, 실내의 조명등 등이며 빛의 고저에 따른 변화는 주로 저주파특성을 지닌다. 따라서 LED 광원의 점등을 외부 빛의 주파수의 2배 이상으로 하게 되면 외부 빛으로부터 LED 광원의 빛을 주파수 대역에서 분리가 가능하게 되고, 상대적으로 고주파 대역인 추가광원으로부터 들어오게 되는 빛만 걸러내기 위해 High Pass Filter를 통과 시키게 되면 외란의 효과가 감소하게 된다.

이를 통해 감지부에서는 추가 광원에서 나와 식물에서 반사된 빛을 정확하게 측정할 수 있게 된다. 따라서 매 주기마다가 LED 광원에서 RED, BLUE, GREEN 파장대의 빛을 각각 조사 해주게 된다면 감지부에서 총 감지되는 빛의 세기와 각 파장의 포함비율을 검출해 낼 수 있으며 이 산출물을 토대로 각 식물의 성장 단계를 구별해 낼 수 있다. 또한 조도 센서가 아닌 CCD 카메라를 이용하게 될 경우 카메라 이미지의 히스토그램 분석을 통해 식물의 성장 정도가 판별이 가능하다.

성장 단계 파악 후 통신 모듈을 통해 현재 성장 단계에 알맞은 빛과 비료의 양을 데이터베이스에서 산출해 낸다. 디지털 신호로 각기 변환된 빛과 영양소의 양은 제어부에 연결된 LED를 통해 조절되고, 양액 펌프를 통해 각 양액이 일정시간마다 계량되어 식물 뿌리에 고르게 도포된다.

Claims

인공광원의 pwm 제어와 빛감지 센서(조도센서, ccd 카메라)의 감지된 데이터에서 노이즈를 감소시키고, 도출된 식물 성장 단계에 알맞는 양액의 비률을 데이터 베이스에서 받아서 식물의 뿌리에 혼합, 분사 해주는 방법