02 4차 산업혁명과 스마트팜 기술 개발
김 상 철 국립농업과학원/과장 [email protected]
1. 4차 산업혁명과 스마트팜의 시작
세계는 지금 4차산업 혁명의 파장으로 일렁이고 있다. 2017년 대한민 국 정부업무보고의 핵심 주제도 4차 산업혁명 시대의 선제적 대응방안 이 었다. 인류 역사적으로 보면 어느 시대를 막론하고 새로운 기술의 등장과 기술적 혁신은 계속 진행되어 왔다. 4차 산업혁명은 정보통신기술(ICT), 인공지능, 로봇기술, 생명과학기술의 융합이 주도하는 산업과 기술의 새 로운 패러다임을 말한다. ▷1780년대 증기기관으로 대표되는 새로운 동 력시스템의 발명으로 시작된 1차 기계화 산업혁명 ▷1870년대 동력과 전 기 시스템의 결합으로 공업의 대량생산 혁신을 가져온 2차 전기화 산업혁 명 ▷1970년대 컴퓨터와 인터넷의 보급으로 자동화 생산시스템이 주도한 3차 정보화 산업혁명에 이어 ▷가상 물리 시스템(CPS) 등과 같은 ICT, 로봇, 인공지능(AI)을 융합한 기술이 실재와 가상세계를 통합함으로 컴퓨 터가 사물과 인간에 대한 서비스를 자동적, 지능적으로 제어하는 4차 지 능화 산업혁명의 시대가 시작되고 있다.
4차 산업혁명의 가장 큰 기술적 특징은 데이터 기술(IoT, Cloud, Big Data, Mobile)에 의한 초연결과 인공지능에 의한 초지능화 사회로의 진 입이다. 2016년 ‘이세돌’과 인공지능 컴퓨터 ‘알파고(Alphago)’와의 바 둑 대결에서 이미 우리는 인공지능의 위력과 ‘초지능화’ 사회로 진입을 경 험하였다. 바둑판 위의 수많은 경우의 수와 인간의 직관 등을 고려할 때 인간이 우세할 것이라는 전망과 달리 ‘알파고’는 학습된 바둑이론과 치밀 한 확률계산으로 승리했다. 이 대결로 많은 사람들이 인공지능과 미래사 회 변화에 대해 관심을 갖기 시작했고 마침내 4차 산업혁명의 시작임을 선언하기 이르렀다.
스마트 팜은 4차 산업혁명의 핵심기술들이 융합된 농업의 새로운 패러
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다임이다. 농업인의 경험과 감각에 의존하는 주 관적이고 추상적이던 농사기술이 센서와 네트워 크 기술을 기반으로 계량화되고 객관화되며, 반 복적 시행착오와 개인의 노하우에 의해 이루어졌 던 의사결정과 농작업의 전문성이 컴퓨터와 인공 지능으로 지능화되고 자동화된다. 컴퓨터나 스마 트폰이 인터넷에만 연결이 된다면 시간과 장소의 제약 없이 언제 어디서나 자기 농장에서 일어나 고 있는 농사 환경의 변화를 관측하고 멀리 떨어 진 원격지에서도 정밀하게 제어 관리가 가능한 농장을 말한다. 세계는 ICT 기술을 융합한 스마
트 팜을 농업의 미래모델로 인식하고 성장산업으 로 육성하기 위해 국가마다 치밀한 전략 속에서 기술개발을 위해 경쟁하고 있다.
2. 세계의 스마트팜 동향과 기술발전 방향
스마트 팜의 기술적 특징 중의 하나는 적용의 유연성이라 할 수 있다. 국가마다 서로 다른 농업 여건과 기후 환경을 고려하여 가장 알맞은 형태 를 설계하여 적용할 수 있다.
미국의 스마트 팜은 대규모 경작지를 효율적으
그림 1. 4차 산업혁명
<출처 : 미래창조과학부>
그림 2. 노지농업 스마트 팜(미국의 정밀농업)
로 관리할 수 있는 농업로봇 개발에 집중하고 있 다. ‘로봇공학 이니셔티브 농업 R&D 프로그램’을 통해 자율주행이 가능한 로봇형 트랙터와 농작업 기, 작물 및 해충 관리를 위해 나뭇잎·토양 샘플 등을 자동수집하는 로봇, 상이한 지형과 토양 조 건에서 농업생산량 증대를 위해 인간과 협업할 수 있는 농업로봇 플랫폼 개발, 로봇-인간 및 로 봇-환경 인터페이스 핵심 기술 개발이 추진되고 있다.
EU 국가를 중심으로한 유럽의 스마트팜은 미 국과 같이 대규모 노지 농업에 적용할 정밀농업 기술과 시설원예, 축산 등 시설농업 스마트 팜 기 술개발이 동시에 이루지고 있다. 곡물 및 축산분 야 정밀농업을 실현할 농업 로봇 및 농장관리 시 스템을 개발하고 있는 ‘ICT-AGRI’ 프로젝트, 스 마트팜의 경영과 운영관리, 물류 등을 지원하기 위한 ‘Stmart Agri-Food’ 프로젝트 등이 추진 되고 있다.
그림 3. 유리온실 기반 스마트 팜 시스템(네덜란드)
그림 4. 유럽의 동물복지형 축사 스마트팜
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일본은 원격탐사, 기상재해 예측, 농업용수관 리, 농기계 자동화 등 스마트팜 구현을 위한 세부 요소기술개발과 함께 중소규모 농업로봇의 개발 과 실증 분야에 집중하고 있다. SIP 프로그램에 서는 원격탐사를 활용해 대규모 농장관리나, 기 상재해방지, 관배수 자동화 기술 등을 개발하고 있으며, ‘로봇기술 도입 실증사업’에서는 자율주 행 농기계, 수확 및 운반 자동화 기계, 스마트 시 설원예 시스템 등을 영농현장에 도입하는 것을 지원하고 있다.
국가별로 자국의 농업 특성에 따라 적용하고 있는 스마트팜 관련 기술이나 정책이 상이하고 중점 추진 분야도 조금씩 다름을 알 수 있다. 그 러나 스마트팜을 실현하는 기술적 구성 요소나 원리는 크게 다르지 않다. 추상적이기만 했던 농 사기술이 센서와 네트웍 기술을 기반으로 토양과 식물의 정보가 수치로 계량되고 객관화 된다. 전 문가들만 운전하고 작업할 수 있었던 기계식 농 기계에 전자기술이 도입됨으로 누구나 쉽게 보다 정밀한 농작업이 가능해 진다. 많은 농사 지식과 정보가 데이터베이스화되고, 이를 바탕으로 컴퓨 터가 인공지능 기술들을 활용해 농민이 농사 처 방과 농작업에 대한 의사결정을 보다 쉽게 하도 록 도와준다. 또한 농업에도 로봇기술의 적용이 확산되어 제초작업, 분뇨처리, 농약살포 등과 같 이 사람이 하기에 어렵고 힘든 농작업이나 위험 한 작업을 사람과 함께 협력하여, 쾌적한 환경에 서 쉽고 편하게 작업할 수 있도록 해준다. 이러한 첨단의 농작업 기능들이 스마트 폰, 스마트 패드 와 같은 태블릿 형태의 스마트 IT기기에 인터페 이스 되어 모니터링과 제어가 가능하도록 하고 있다. 이밖에도 스마트 시대의 도래와 함께 새로 운 소통과 정보획득 방법, 첨단기술 등을 통해 기 존의 농업 전반에 변화와 발전이 이루어지고 있다
3. 한국의 스마트팜 기술 개발 현황과 확산 정책
농촌진흥청은 ‘스마트팜 국산화·표준화’프로젝 트를 TOP 5 과제로 선정해 추진하면서, 한국의 농업여건에 적합한 스마트 팜 모델 개발과 농업 생산시스템의 전주기적 스마트화를 위해 스마트 팜 핵심 요소 및 원천 기반기술의 확보에 연구 역 량을 집중하고 있다. 특히 스마트 팜 소프트웨어 및 컨텐츠 중심의 기술 개발과 함께 기술수준별 로 스마트 팜을 모델화하여 1세대(편리성 증진), 2세대(생산성 향상-네덜란드추격형), 3세대(글 로벌산업화-플랜트 수출형)으로 기술의 단계적 개발과 실용화 계획을 통해 노동력과 농자재의 사용을 줄이고, 생산성과 품질을 제고함으로 농가 소득과 연계하며, 나아가 영농현장의 애로와 연관 산업의 문제를 동시에 해결해 간다는 계획이다.
2015년 단동과 연동 비닐온실에 적합한 1세대 한국형 스마트 팜 모델을 기본형 1종과 선택형 3 종으로 구분하여 제시하였는데, 1세대 스마트 팜 은 원격 관리에 의한 농가의 편이성 향상으로, 온 실 환경관리 등 농작업을 위해 시간과 장소의 구 속에서 농업인을 자유롭게 하여 삶의 질 향상에 기여하는 것을 목적으로 하였다. 1세대 스마트 팜 은 현재까지 개발된 자동화 및 ICT 기술들을 시 설 수준에 맞추어 기본형과 선택형으로 구분하여 모델을 제시함으로써 저렴하면서 성능이 업그레 이드 된 스마트 팜을 농가의 필요에 따라 조건에 맞는 모델을 적용할 수 있도록 하였다.
정부(농림축산식품부)는 ‘한국형 스마트 팜’ 확 산을 통해 우리 농업의 취약점을 극복하고 국제 경쟁력 제고와 함께 자본과 기술 집약적 농업으 로의 전환을 추진하고 있다. 시설원예분야는 시 설현대화와 연계하여 ‘17년까지 현대화된 온실면 적(10,500ha)의 40% 수준인 4,000ha를 스마트
온실로 업그레이드하고, 축산분야는 ‘14년 양돈 을 시작으로 ’15년 양계 등 단계적으로 적용대상 축종을 확대해 나가고 있으며, ’17년까지 축산분 야 전업농의 10% 수준인 730호까지 스마트 축사 를 확대해 갈 계획이다. 한편, 보급 초기단계인 노지의 스마트팜 분야는 규모화된 과수원을 중심 으로 병충해 예찰과 관수제어 장비를 보급하여 비료, 농약 등 생산요소를 적기적량 투입할 수 있
도록 하고, 특히 가뭄에도 안정적인 영농이 가능 하도록 ‘17년까지 규모화 농가의 25%수준인 600 여 농가로 확산할 계획이다.
4. 차세대 한국형 스마트팜 기술 개발
1세대 스마트팜이 농작업의 편의성 향상을 통 해 노동력을 절감하고, 농업인이 농작업의 구속
그림 5. 한국형 1세대 스마트 온실의 개념도
그림 6. 한국형 1세대 스마트 온실 기본 구성과 선택 구성
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으로부터 자유로워 질 수 있도록 한 것이라면, 2 세대 스마트팜은 여기에 덧붙여 정밀한 작물생육 관리 또는 가축의 사육환경관리 자동화를 통하여 농업의 생산성과 품질을 향상하는 것을 목적으로 하는 것이다. 진정한 의미의 스마트팜 기술이라 고도 할 수 있는 2세대 스마트팜의 핵심기술은 환 경요인 등의 변화에 따라 작물과 가축의 생육상 태를 진단‧예측하며, 수확시기 혹은 수확량을 예 측함으로써 생산에 필요한 생육관리를 최적화할 수 있는 생육모델의 개발과 작물과 가축의 생육 상태, 생체정보 등을 자동으로 측정‧수집할 수 있 는 생육정보 측정기술, 환경 및 생육정보 등의 데 이터를 분석하여 정밀한 생산관리조건을 도출함 으로써 생산성을 향상시킬 수 있는 빅데이터 활 용 기술 등이 포함된다.
농촌진흥청은 2014년부터 토마토, 국화 등 시 설작물의 생육모델 개발을 추진해 오고 있으며, 2016년에는 유럽계 완숙토마토의 생육 및 수확량 예측을 위한 생육모델 개발을 완료하였다. 토마
토를 시작으로 국화는 2017년, 파프리카는 2018 년, 딸기는 2019년까지 생육모델의 개발을 완료 할 계획이다. 이 밖에도 시설포도, 느타리버섯 등 시설과수, 버섯의 생육모델 개발을 추진 중이며, 가축의 생장예측모델은 2017년 돼지를 시작으로 단계적으로 추진해 나갈 계획이다.
또한 온실 내에서 토마토의 초장(식물체 높 이), 엽수, 엽면적, 줄기의 굵기, 과일의 개수 등 을 영상장치를 이용하여 자동으로 측정할 수 있 는 식물 생육정보 자동측정시스템을 2016년까지 개발 완료하여 스마트팜 빅데이터 활용에 필수적 인 작물의 생육정보를 자동으로 수집할 수 있는 기반을 구축하였다. 이 밖에도 식물 생체반응 계 측을 통해 식물체의 스트레스 등의 생육상태 진 단과 품질의 예측 등에 활용이 가능한 식물 생체 정보 측정용 마이크로센서 개발과 돼지, 젖소에 대한 발성, 행동, 체온 등의 생체정보 측정 및 개 체관리 기술 개발이 진행 중이다.
스마트팜과 기존의 자동화된 재배시설의 차별
그림 7. 한국형 2세대 스마트팜 기술 구성도
성을 보여주는 대표적인 기능은 측정 데이터의 비교‧분석을 가능하게 하는 빅데이터 처리와 컨설 팅 활용이다. 측정데이터의 표준화와 품목별 시 범농장 컨설팅 수행을 통해 그 타당성을 평가한 결과, 토마토 재배 시범농장의 경우 생산성 46%
향상과 노동력 50% 절감의 높은 성과를 거두었 다. 이는 전국 단위의 권역별, 품목별 실증연구를 통해 더 많은 시범농장을 대상으로 확대하여 컨 설팅과 성과분석을 추진하고 있다.
이 밖에도 스마트팜의 에너지와 환경을 최적화 하기 위한 가상현실 기반 개방형 시뮬레이터 기 술, 사물인터넷을 이용한 농작업 이력 및 안전관 리 기술, 인공지능을 활용한 작물의 병충해 자동 진단기술, 클라우드 기반 지능형 스마트팜 통합 제어기술 등 2세대 한국형 스마트팜을 구성할 핵 심기반기술들을 위해 활발히 연구 중이다.
농촌진흥청은 2018년까지 첨단 스마트팜 핵심 기술들을 결합하여 지능형 최적생육관리 기술을 확보함으로 2세대 스마트팜 모델을 통한 본격적 인 한국형 스마트팜 시대를 열어갈 계획이다. 이 러한 한국형 스마트팜은 앞서 설명한 표준화를 기반으로 함은 물론이고, 하드웨어뿐만 아니라 소프트웨어까지 공개하는 개방형 방식의 스마트 팜 플랫폼을 통해 산업 발전을 도모하고 호환성
과 확장성을 확보해 나갈 계획이다.
5. 스마트 농업의 미래전망과 시사점
ICT 기술과 인공지능, 로봇, 빅데이터, 사물인 터넷 등 4차 산업혁명과 맞물려 미래 농업 상황과 기술은 크게 변하게 될 것이다. 스마트 팜으로 미 래를 준비하고, ICT 기술을 융합한 과학영농을 통해 우리나라 농업의 미래를 개척해 나갈 한국 형 스마트 팜 기술개발은 어쩌면 당연한 과정일 수 있다.
모든 사물이 실시간 웹으로 연결되는 사물인터 넷(Internet of Things, IoT)기술이 산업 전반 에 적용되고, 전기를 사용하듯이 IT를 서비스 형 태로 공급 받는 클라우드 컴퓨팅 기술이 스마트 워크, u-health 등으로 개인의 라이프 스타일과 일하는 방식뿐만 아니라 농업을 비롯한 산업 전 반에 걸쳐 변화와 혁신을 가져오고 있다.
농업생산분야에서는 유비쿼터스 농장과 스마 트 농부가 탄생되고, 영농 과정에 필요한 정보를 실시간으로 획득할 수 있도록 맞춤형 눈높이 컨 설팅 등 각종 기술과 다양한 정보, 프로그램을 활 용한 스마트 농사가 가능해 진다. 유통 분야에서 는 스마트폰을 활용한 스마트 경매, 소셜 네트워
그림 8. 토마토 생육정보 자동측정장치(좌) 및 가축 생체정보 측정‧활용기술(우)
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크 서비스와 스마트 TV를 통한 직거래, 소셜 커 머스의 공동구매가 새로운 유통질서로 자리 잡아 가고 있으며, 더욱 다양한 형태로 진화되어가는 스마트 기기는 소비자가 시장에 가지 않고도 안 심하고 농산물을 구매할 수 있는 새로운 유통 구 조를 확장해 갈 것이다. 소비분야에서는 농산물 의 생산과 유통과정에서의 손쉬운 이력추적과 농 산물의 품질과 안전성에 대한 정보 제공을 통해 생산자와 소비자 간의 거리를 줄여감으로 서로간 의 신뢰를 구축해 갈 것이다.
스마트 팜 기술개발 성과가 영농현장에 효과적 으로 보급 확산되기 위해서는 이에 걸맞는 준비 가 필요하다. 우선 스마트팜을 구성하는 기술과 제품이 안정적이어야 한다. 신뢰성 있는 스마트 팜 데이터를 안정적으로 생산할 수 있는 산업기 반이 구축되어야 한다. 농업용 ICT 부품과 장비 의 표준화, 작물의 종류와 영농 여건에 따라 농가 가 스마트팜 장비를 선택할 수 있도록 하는 시스 템의 모듈화, 일정한 품질 수준 이상의 ICT 제품 과 서비스들만 현장에 공급되도록 하는 검인증 제도 등 농업에 스마트팜 제품과 서비스를 공급 하기 위한 산업적 인프라를 갖추어 져야하며, 또 한 무엇보다 중요한 것은 인적 토양이다. 스마트 팜 팜 기술이 농업현장에 잘 정착해 꽃을 피우고 열매를 맺기 위해서는 실력과 열정을 갖춘 젊은 인적토양이 준비되지 않으면 안 된다. 아무리 좋 은 도구라 할지라도 사용할 줄 모른다면 무용지 물이고 오히려 농사에 장애물이 될 뿐이다.
또한 정부는 스마트 농업에 필요한 하드웨어 및 소프트웨어 인프라의 구축과 스마트 시대를 지원하는 법과 제도를 준비해야 한다. 도시지역 을 중심으로 구축된 통신 인프라가 영농 현장에 서도 농업인들이 값싸고 손쉽게 인터넷에 접속할 수 있도록 와이브로, 와이파이 등 무선인터넷망
의 서비스 범위가 농촌 전지역으로 확대될 수 있 도록 스마트 농업의 하드웨어적 인프라 구축이 필요하다. 또한 소프트웨어 인프라로서 농업관련 지식 DB의 지속적 업데이트와 필요한 정보를 농 업인이 쉽고 빠르게 검색하여 활용하며, 이를 통 해 보다 효과적인 영농 의사결정을 할 수 있도록 차세대 농업 인프라로서 농업용 클라우드 서비스 시스템의 구축도 고려해 보아야 한다. 법률 및 제 도 측면에서는 스마트기기의 농업적 이용이 늘어 나면서 농산물 생산에서 뿐 아니라 소비와 유통 에 있어서 소셜 네트워크 서비스, IPTV, 소셜커 머스 등을 활용한 새로운 유통방식에 대한 제도 및 법률의 정비가 필요하다. 농업용 ICT 기기 및 서비스의 품질 인증, 정보의 공유·유통과 개인정 보 보호, 직거래 시 원산지표시, 품질 등급화, 유 통과정에서의 파손, 변질에 대한 생산자 및 소비 자 보호관련 규정 등에 대해 농업·농촌기본법, 품 질관리법, 농산물유통 및 가격안정에 관한 법률 등의 규정을 스마트 농업체계에 적합하도록 개선 할 필요가 있다.
R&D 분야에서는 사회 전반으로 확산되어가는 스마트 기기와 다양한 실시간 정보를 활용하여 농업 생산성 증대와 비용절감으로 연계해 우리 농업의 경쟁력의 강화 기회로 삼는 것이 바람직 하다. 이를 위해서는 스마트 기기를 농사에 효과 적으로 접목할 수 있도록 기술이나 어플리케이션 개발하고 호환성 확보를 위한 규격화 및 표준화 연구, 우리나라 농업 농촌 현실에 적합하도록 스 마트팜 기술의 최적화 연구 등이 정부 연구기관 을 중심으로 추진되어야 한다. 이러한 노력을 통 해 가까운 장래에 한국형 스마트 팜의 기반이 구 축되고 우리 경제의 새로운 성장축으로 그리고 질 좋은 일자리와 산업적 서비스를 생산하는 경 제 동력으로서 자리매김 할 수 있을 것이다.
참고문헌
1. 농촌진흥청, 2015, 한국형 스마트 팜 개발 방향과 전략 심포지엄.
2. 농림축산식품부, 2015, 스마트 팜 확산 대책.
3. 농림축산식품부, 2016, 스마트 팜 확산 가속화 대책.
4. 농촌진흥청 국립농업과학원, 2016, 한국형 스마트 산업 전략 국제심포지엄.
5. 농촌진흥청 국립농업과학원, 2015, 스마트온실 ICT 기기 단체표준(안) 공청회 자료집.
6. 농촌진흥청 국립농업과학원, 2015, 스마트온실을 위한 구동기 인터페이스(TTAK.KO-10.0845), 한 국정보통신기술협회(TTA).
7. 농촌진흥청 국립농업과학원, 2016, 스마트온실을 위한 센서 인터페이스(TTAK.KO-10.0903), 한국 정보통신기술협회(TTA).
8. 농촌진흥청 국립농업과학원, 스마트온실을 위한 양액기 및 이산화탄소 발생기(TTAK.KO-10.0944), 2016, 한국정보통신기술협회(TTA).
9. 농촌진흥청 국립농업과학원, 2016, 스마트온실을 위한 스마트 영상장치(TTAK.KO-10.0945), 한국 정보통신기술협회(TTA).
10. 농촌진흥청 국립농업과학원, 2016, 2016 스마트 축산 ICT기기 단체표준(안) 공청회.
