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설국열차 식물공장 ➌
식물공장 원격관리
애플리케이션 설계하기(8~10차시)
생각열기 _8차시
설국열차 탑승객들은 단백질 블록, 식수, 식물공장에서 재배한 농작물을 통하여 영양분을 공급받고 있다. 설국열차 탑 승객들의 건강을 유지하기 위해서는 단백질 음식뿐 아니라 농작물의 공급도 중요하다. 설국열차 탑승객들에게 채소를 충분히 공급하기 위해서는 많은 양의 채소를 단시간에 재배해야 한다. 식물의 성장에 반드시 필요한 것은 빛, 수분, 온 도, 영양소이고 식물공장 내부의 상태를 최적으로 유지시키기 위해서는 사람의 출입을 제한해야 한다.
식물공장 동영상을 시청하고 식물공장에 대하여 이해한다.
사람이 접근하기 않고 식물을 재배하는 방법을 찾아보자.
1. 물이나 광원을 손대지 않고 조절할 수 있을까?
2. 식물의 생장이나 상태가 변화했음을 직접 보지 않고서 확인하는 방법이 있을까?
건물 입구에서 사람의 움직임을 감지해 자동으로 문이 열리는 자동문을 흔히 볼 수 있다. 자동문은 광(光)센서가 사람 의 몸에서 나오는 적외선을 감지해서 문을 열거나 닫는다. 이처럼 센서는 인간이 느끼는 시각, 청각, 촉각, 후각, 미각 의 기능을 대신하여 인간의 감각으로는 감지하기 어려운 빛, 소리, 냄새와 같은 신호를 감지한 후 전기 신호로 바꾸어 주는 장치이다.
<표 3-1> 인간의 감각에 해당하는 센서의 원리와 종류
<그림 > 자동문 센서
센서 광 센서 소리 센서 압력 센서 온도 센서 가스 센서 이온 센서 전자기 센서 가속도 센서
센서의 원리 빛을 인식 소리를 측정
외부에서 가하는 압력을 측정 물체의 온도를 감지 기체 성분의 변화를 감지 특정한 이온의 농도에 반응 자기장의 변화에 의한 유도전류 속도의 변화
센서의 활용
바코드 스캐너, 디지털 카메라 음파 탐지기, 초음파 진단기 터치 스크린, 전자 저울 온도계, 에어컨, 전기밥솥 가스 경보기, 공기 오염 측정기 산염기 측정기, 염도 측정기 도난 방지 시스템, 금속 탐지기 스마트폰, 배와 비행기의 수평 유지 감각
시각 청각 촉각
후각 미각 기타
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각 모둠이 설계한 식물공장에서 생산성을 높이기 위해서는 어떠한 센서를 설치해야 할까?
각자 센서 설치 계획서를 구상해보고, 모둠별로 하나의 설계도를 완성해보자.
<활동지 3-1> 식물공장 센서 설계도
식물공장 센서 설치 설계도(상상) 사용한 센서 센서가 조절해야 하는 대상
센서 설치 계획서 작성하기
활동1
예) 센서 빛을 조절함
애플리케이션 화면을 구성할 때 ‘페이퍼 프로토타입(paper prototype)’을 활용할 수 있다. 페이퍼 프로토타입은 기 획 단계에서 아이디어를 종이에 손으로 그려 검증하는 방식이다. U-tube에 탑재된 페이퍼 프로토타입 동영상 중에서 일부를 정리하여 소개하면 다음과 같다(출처 http://www.youtube.com/watch?v=TostDY7joX8).
1
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U-tube를 비롯하여 인터넷에는 페이퍼 프로토타입 사용법 강좌가 많이 탑재되어 있으므로 수준과 필요에 따라 적절 히 선택할 수 있다.
※ 페이퍼 프로토타입 동영상(U-tube)
http://www.youtube.com/watch?v=GrV2SZuRPv0 2
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페이퍼 프로토타입(paper prototype)
도움 닫기
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언제 어디서나 센서를 관리하기 위해 스마트폰 애플리케이션을 이용하려고 한다.
센서를 조절하기 위한 애플리케이션의 화면을 직접 구성하고 그려보자.
<활동지 3-2> 식물공장 센서 관리 애플리케이션 구성
위에 제시된 센서 외에 개발되어야 할 센서가 있을까? 있다면, 무엇인가?
인간의 감각이 센서보다 더 우수한 사례를 찾아보자.
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[ 생각 꼬투리 ]
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센서 원격관리 애플리케이션 계획서 작성하기
활동2
<그림 9>
온도/습도 : 재배사 내 3곳에서 측 정된 온/습도의 수치 를 실시간 보여줍니다.
CO2 농도 : 측정된 이산화탄소 수 치를 나타냅니다.
조도 : 재배사내 측정된 조 도의 수치를 보여줍 니다.
실시간 재배사 영상 : 재배사 내부와 외부에 설치된 각 웹캠 영상을 볼 수 있습니다.
Temperature & Humidity 2014.04.04.11:49:40
MEDIA FARM
CO2 2014.04.04.11:49:40
Lumination 2014.04.04.11:49:40
Camera
Camera 1 Camera 2
20℃
52%
20℃
51%
1200 ppm
127 lux 20℃
50%
식물은 광합성을 통해 성장한다. 따라서 식물공장에 반드시 필요한 요인 중 하나가 인공조명이다. 그러나 형광등은 어 두운 곳에서 사람이 생활하는 데 불편함이 없도록 맞춰진 조명이므로 식물을 기르기에 적합하지 않다. 반면 LED는 반 도체를 활용하여 만든 조명으로, 식물의 생장에 필요한 빛을 선택하여 설치할 수 있다.
빛이 식물에 미치는 영향을 고려하여 LED조명을 이용한 인공광원을 설계해보자.
<표 3-2> 파장이 식물에 미치는 영향
파장(nm) 적외선
가시광선
자외선
작용효과
식물에 대하여 특별한 작용 없음 열에 영향을 미침
식물의 신장 효과를 촉진함 발아 저지, 광합성 작용의 최대
엽록소 작용 최대, 발아 작용과 잎 배포 화아 형성 광합성에 유익하지 않음, 해충이 싫어함 노란 색소에 의한 일부 흡수, 어류 집어
광합성 작용 최대, 엽록소 작용의 최대, 해충 유인
식물의 잎을 두껍게 함, 색소의 발색을 촉진함, 해충을 유인함 면역체 등 여러 합성 과정에서 중요한 역할을 함
지나치게 강하면 해가 됨 식물을 급속하게 시들게 함 IR-A
적색 적황색 황색 녹황색 청색 UV-A UV-B
UV-C
1400~1000
780 700 660 610 510 430~440 400~315 280
100
생각펼치기 _9차시
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설국열차 안에는 밝기를 조절할 수 있는 빨강, 파랑, 초록의 3가지 LED전구가 있다.
LED 전구의 에너지 효율은 녹색, 파란색, 빨간색 순서로 높고 전구 1개당 소비 전력은 30W이고 식물공장의 면적이 10 m2이다. 토마토, 딸기, 고추, 오이, 완두콩 중에서 1개의 식물을 기른다고 가정 하고, 식물공장 내에 인공광원(LED 조명)을 모둠별로 설계해보자.
<활동지 3-3> 식물공장 LED 조명 설치 설계도
인공광원 설계하기
활동3
전력 1W로 1m2 면적을 비추는 밝기
(단위: lx)
빨간색
10
파란색
12
녹색
100
빛의 삼원색
RED
BLUE GREEN
R
G B
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[ 생각 꼬투리 ]
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채소를 재배하기 위하여 빨강, 파랑, 초록의 LED조명(인공조명)을 어떻게 조절해야 할까? 인공조명 1일 계획표를 모 둠별로 작성해보자.
<활동지 3-4> 인공광원 1일 계획표
전력량이 클수록 식물 재배에 더 효율적이라고 할 수 있을까?
자신의 계획표와 친구의 계획표를 비교해보자.
인공광원 사용 시간표 작성하기
활동4
시간
오전 6시~8시
밝기(lx)
300lx
사용할 LED 전구빨강 LED전구 1개
전력량(Wh)
30W×2h=60Wh
다음은 국내 기업에서 제작한 실제 식물공장 애플리케이션이다(www.mediafarms.org). 이 애플리케이션을 다운 로드 받아 설치하면, 식물공장의 현재 온도, 습도, 조도를 확인할 수 있을 뿐 아니라 온도, 습도, 조도를 원격 제어할 수 있다.
① 애플리케이션을 구동하면 식물공장의 현재 온도, 습 도, 조도를 확인할 수 있다.
② 식물공장의 온도가 식물의 생육조건에서 벗어나면 화 면 위에 붉은 종이 깜박이면서 경고음이 울린다. 이때 ‘평균온도’를 터치하면 온도를 조절할 수 있는 화면으 로 이동한다.
생각다지기 _10차시
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④ 조도를 조절하는 화면
⑤ 미디어팜의 홈페이지로 이동하여 식물공장의 상황을 카메라로 확인할 수 있다. 이 화면은 미디어팜 홈페이 지 이동하는 화면이다.
LED전구의 밝기와 색을 원격으로 제어하기 위해 스마트폰 애플리케이션을 이용하려고 한다. 앞에서 작성한 인공광원 1일 계획표의 1일 사용한 전력량을 비교하여 어떤 방법이 에너지 절약에 도움이 되는지 생각해보자.
인공광원 1일 계획표에서 LED 전구를 효율적으로 제어하기 위한 애플리케이션을 모둠별로 구성해보자.
<활동지 3-5> 인공광원 조절 애플리케이션 구성
생각다지기 _10차시
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인공광원 조절 애플리케이션 구성하기
활동5
앞에서 디자인한 ‘센서 관리 애플리케이션’과 ‘인공광원 제어 애플리케이션’을 하나의 애플리케이션으 로 통합하자. 이 애플리케이션이 ‘식물공장 원격관리 애플리케이션’이다.
<활동지 3-6> 식물공장 원격관리 애플리케이션 구성
1. ‘식물공장 원격관리 애플리케이션’ 화면을 모둠별로 완성하여 발표해보자.
2. 다른 모둠의 애플리케이션을 자신의 어플리케이션에서 보완할 점은 무엇인지 정리해보자.
생각되돌아보기 _10차시
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식물공장 원격 제어 애플리케이션은 식물공장과 멀리 떨어진 곳에서도 식물을 기를 수 있게 도와준다. 어떤 사람들에 게 식물공장 원격 제어 애플리케이션이 쓸모가 있을까? 식물공장을 계획하고 운영하기 위해서는 어떤 일을 하는 사 람이 필요할까?
식물공장과 관련된 직업에는 무엇이 있으며 구체적으로 어떤 일을 할까?
식물공장으로 인하여 새롭게 생겨난 직업이 있을까? 있다면, 어떤 직업인지 적어보자.
식물공장은 시설 내에서 빛, 온도, 수분, 양분 등을 조절하여 작물에게 최적의 생육 조건을 제공하여 생산량을 최대화 하는 농업으로 IT, BT, 건축, 농업기술 등 다양한 분야의 최첨단 기술의 융합이 요구된다. 식물공장의 5대 핵심기술 은 ‘PLNAT’ 즉, 장소(Place), 빛(Light), 자동화(Auto), 양분(Nutrient), 온도(Temperature)로 정리할 수 있다.
식물공장과 직업 세계
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식물공장의 핵심 기술
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□ 농화학공학자
□ 바이오프로세스 모니터링가
□ 건축 디자이너
□ 유비쿼터스 시스템/네트워크 전문가
□ 식물공장 설계사
□ 로봇 공학자
□ 유통관리사
□ 생명공학 엔지니어
□ 생체공학사
□ 나노소재공학자
□ 바이오에너지 연구원
□ 환경공학자
이에 따라 식물공장에서는 핵심기술과 관련된 직업이 창출된다. 이들 직업은 다음과 같으며 [원더풀 사이언스 - 미래 형 농업모델, 식물공장⑤]를 참고할 수 있다.
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온도조절
다양한 식물 생육 속도 및 수확기 조절
식물생장 적합한 양분공급 기능성과 품질향상 전생산과정 자동화
로봇개발, 자동환경 제어, 원격제어
작물 생육 조절기술 다양한 광원: 형광등, 고압나트륨, LED 등
장소한계극복 사막, 바다, 극지 등 기후 및 환경조건 극복
Plant Factory
Future Agriculture fused with high technologies Light
빛
Auto 자동화
Nutrient 양분
T 온도 Place
장소