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IoT를 품은 단동형 비닐 하우스의 미래

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Academic year: 2021

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04 IoT를 품은 단동형 비닐 하우스의 미래

임 철 희 미래센서 현장 지원 chlim11@naver.com

1. 머리말

70년대 후반에 전라북도 정읍지역에 비닐하우스를 이용하여 농사를 짓 는 집은 거의 없었다. 그리고 하우스의 용도가 작물 재배를 위해서 사용된 것보다는 값비싼 농기계를 보관하거나 창고 목적으로 사용하였던 것 같 다. 그런데 현재의 들판은 군데군데 맨땅이 드러난 곳이 드물 정도로 온통 단동형 비닐하우스로 덮여있으며 곳곳에 연동형 비닐하우스와 유리온실 이 분포되어 있다. 이 비닐하우스에서는 예전의 비닐하우스에서 보지 못 하던 장치와 시설이 설치되어 있다. 이 시설들은 수박, 방울토마토, 오이, 블루베리, 딸기(고설재배, 토경재배)등을 주로 재배하는데 이용되고 있다.

2년 전부터 현재까지 저자의 소속 개발팀에서는 농민의 나이가 40대인 농가와 60대 후반의 농가에 센서를 활용하여 블루베리 포트에 최적으로 물을 공급하는 장치를 똑같이 설치를 해서 운영하는 곳을 관리한 바 있다.

단위면적당 수확량에서 40대 농부는 60대 농가에 훨씬 뒤처지는 결과를 내었다. 예상 밖이었다. 동일한 첨단 장비가 있더라도 농사에 있어서 시설 과 기술과 나이는 개인적인 차이가 심하고, 시설과 기술은 농가 소득을 위 한 필수 조건이지만 활용기술 및 지원이 뒷받침 되지 않으면 골칫거리요 다른 사람에게 흉잡히는 일이기 때문에 시설 도입에 있어서 소극적이며 꼭 다른 사람이 사용하는 것을 보아야만 구입을 결정하는 일이 많이 생긴 다. 하지만 판매자는 구매 예정자에게 최고의 결과만을 보여주기 때문에 그 또한 신빙성이 떨어질 수도 있다. 농가에서 최첨단 시설을 구입하는 것 은 매우 중요한 일이지만 준비가 부족한 채로 도입한다면 돈만 낭비하고 스트레스를 받는 일이 매우 많아질 수 있다는 것을 경험한 좋은 사례 연구 였다.

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이제 시대는 생활환경에 필요한 첨단 도구들이 사물인터넷으로 서로 연결되는 환경이 도입되고 있다. 이 단계가 지나면 농업생산 단계, 가공, 유 통, 판매 단계에서까지 모든 환경이 통합될 것이 다. 따라서 생산을 담당하는 농가, 시스템을 공급 하는 공학자 그리고 관계된 여러 분야에서의 현장 기술자가 어떻게 준비해야 하는지 생각해보는 것 도 중요하다고 생각한다. 전문 전기전자공학자가 아니고 현장에서 제품을 설치하고 사용자에게 서 비스를 제공하는 역할을 하고 있는 현장 설치 기 술자의 입장에서 서술하는 것으로 내용이 부실하 여 매우 부끄럽지만 현장의 상황을 전달하는 것으 로 그 목표를 삼고자한다.

2. 농업생산시설에 필요한 IoT 기반의 요소 기술들

2.1 자동화의 분류

재배농가 입장에서 자동화를 분류해보면 단순 자동화, 한정된 기능의 자동화, 복합환경자동화, 데이터 분석 자동화, 컨설팅 자동화로 나누어진 다. 각 자동화의 특성 및 현장 상황과 연결시켜보 면 아래와 같다.

∙ 단순자동화 -한 가지 기능의 자동화. 반복적 인 기능 수행, 한 개의 센서 장착, 생육단계 별 운전범위 사용자 지정

① 타이머를 이용한 스위치 온/오프 : 관수(관 비)펌프 구동, 하우스 측창 개폐, 보일러 구동

② 토양수분함량센서 이용한 스위치 온/오프 : 관수(관비)펌프 구동

③ 내부온도 센서 이용한 스위치 온/오프 : 하 우스 내 히터 구동, 하우스 측창 개폐

④ 입/출입 경보기 : 적외선 센서

③ CCTV 카메라를 이용한 녹화기

∙ 한정된 기능의 자동화 -한 가지 기능 실현을 위해서 한정된 개수(5개 이내)의 센서를 이용 하여 자동화. 반복적인 기능 수행, 제어기의 제어 변수를 원격으로 교정하기 어려움, 한 개 비닐하우스의 센서 값을 기준으로 전체 비 닐하우스 제어, 센서의 개수를 줄이기 위해서 단순 자동화처럼 운영, 개별 부품의 조합, 데 이터 로거 혹은 PLC 컨트롤 모듈을 이용하여 제어, 생육단계별로 운전 범위 수정이 필요한 시스템

① 토양수분 함량센서를

활용한 관수 제어 ② 하우스 내부 온도 센서와 타이머를 활용한 단동형 비닐하우스 측창 제어 토양수분함량센서 신호 값 취득

관수 시작 및 종료 시간 확인

감우센서 확인

관수 형태 결정

관수 시작

토양수분함량센서 신호 값 취득

관수 정지

내부 온도센서 신호 값 취득

감우센서 확인

타이머 제한 범위 충족 여부

측창 개폐

③ 지하수의 물탱크 적정량 보관 및 타이머에 의한 관수 공급 장치 제어

④ CCTV 카메라를 이용한 단동형 비닐하우스 측창 제어

수위센서 신호 값 취득

원수펌프 작동

타이머 제한 범위 충족 여부

관수 개시 및 마침

카메라 영상 /내부 온도 값 획득

측창 개폐여부 결정

수동명령에 의한 개폐실시

카메라 영상/내부온도 값 확인 후 마침 그림 1. 한정된 기능의 자동화 적용 예

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표 1. 자동화의 시설 특성 및 현장 상황

시 간 업 무 자동화 도입 문제점 비 고

아침 6시 도착 출근 습관

관수 준비 지하수 저장량 확인

후 부족분 보충 인건비는 자체 조달 가능, 자동화는 비용 부담, 자동화

장치의 이용에도 사용자는 반드시 참석필요 펌프의 상태 확인 수위는 목측 가능 관수 시작/마침 수동으로 시작/마침 관수 시간 동안에 작물의 재배 현황 파악 및 작업 실시 여러가지 업무로 정해진 시간을 맞출 수 없음 수확/선별/포장 수동으로 시작/마침작물의 작업 참여자 관리 및 포장 준비등은 자동화 어려움 작업 참여자는 정규직이 아닐 경우 관리 어려움, 공동 선별

형태의 작업장 운영을 위해서는 일정 기간 근무할 수 있는 생산량 및 부가가치 높은 농산물 가격이 필요 측창/보온덮개

개폐 온도설정 혹은

수동으로 시작/마침 작동 범위 설정 미숙 혹은 외부 환경 원인으로 하우스

파손우려에 대한 걱정 팽배 외부 온도의 변화에 따른 대응 미숙/ 조절기 조작 미숙 보일러

시작/마침 온도 설정으로

시작/마침 센서 개수의 부족으로 구역별 편차 있음 생장시기별 온도의 변화에 따른 대응 미숙/ 조절기 조작 미숙

∙ 복합 기능의 자동화 -한정된 개수(10〜15개 이내)의 센서를 이용하여 자동화. 외부 환경을 측정할 수 있는 센서(풍향, 풍속, 일사량, 대 기온습도)의 데이터를 공유하여 내부의 환경 조건을 미리 설정한 작물의 재배 방법에 따라 조절함, 다양한 형태의 환경 제어용 구동기가 설치되어야 함(스크린, 배기팬, 유동팬, 보일 러, 보온덮개등), 제어기의 제어 변수를 원격 으로 수정가능, 재배 작물의 환경 변화를 다양 한 센서 값의 조합을 이용하여 자동화, 생육단 계별로 운전 범위 수정을 통하여 제어함

① 토양수분 함량센서를

활용한 관수 제어 ② 하우스 내부 온도 센서와 타이머를 활용한 단동형 비닐하우스 측창 제어 토양수분함량센서 신호 값 취득

관수 시작 및 종료 시간 확인

일 주 기상 현황 참조 결정(Network 데이터)

금일 증발산 현황 참조 최적의 관수 시간대 확인

자동감우센서 확인 후 관수 시작

토양수분함량센서 신호 값 취득

관수 정지

내부 온도센서 신호 값 취득

풍향・풍속・감우센서 확인

타이머 제한 범위 충족 여부

측창 개폐(측창 개폐 반복 주기 설정)

개페동작에 따른 온도 값 확인

그림 2. 복합 기능의 자동화 적용 예

∙ 고객 맞춤형 자동화 -무한 개수의 센서를 이 용하여 자동화. 고객이 설정한 각종 조건 및 시설에 맞춰 자동화 시스템 구축, 미리 설정 한 작물의 재배 방법에 따라 조절함, 생육단 계별로 운전 범위 필요, 연구 프로젝트 혹은 단계별 시설 구축이 가능한 농가, 네트워크 시설을 갖춰 외부 데이터 베이스(실시간 기상 관측 데이터)를 활용하여 제어, 비용이 많이 들어감.

2.2 재배 환경의 분류

농작물을 생산하는 재배농가는 “작물을 키우 는 농사처럼 바쁜 것이 없다”, “작물은 농부의 발 자국 소리를 듣고 자란다”, ”오뉴월에는 부지깽 이도 한 몫 한다”라는 이야기를 자주한다. 이렇게 바쁜 농가의 일손을 덜어줄 수 있는 해결책을 제 시해야 자동화시설을 도입할 때 관심을 갖고 준 비를 할 것이다. 재배농가의 자동화의 시설 특성 및 현장 상황과 연결시켜보면 해결책은 아래 표 1 과 같다.

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그림 3. IoT센서 플랫폼

2.3 데이터 생성

생성된 데이터는 설치한 센서에서 생성된 물리 적 수치이다. 일반적인 아날로그 신호 값은 외부 환경에 의하여 영향을 받을 수 있으며 설치 환경 에 따라 센서의 수명이 차이가 많이 나며 정확도 에도 영향을 미친다. 일반적으로 사용가능한 농 업용 센서 리스트는 그림 3과 같다. 농업용 센서 가 설치될 환경은 관수・농약살포・파이프 자체 온 도상승, 복사열의 갇힘 현상에 따른 내부온도의 고온등 측정 환경이 매우 열악하다. 따라서 센서 를 이용한 정확한 데이터 생성을 위해서는 데이터 에 영향을 미치지 않는 전처리 및 보호장치가 필 요하다. 또한 제조업체에서는 IoT센서 플랫폼에 자사 제품 채택을 위해서 485모드버스 통신 인터 페이스 방식의 플러그앤플레이(Plug & Play)방식 를 기본으로 제공하며 생산된 센서의 보정치, 편 차범위, 측정 범위, 검수자, 생산자등을 정확히 기록하여 제품을 생산하고 있다.

근래의 IoT 관련 센서는 가격이 저렴하고 편리 성이 뛰어나지만 측정환경이 열악한 단동형 비닐

하우스에서 정확한 데이터 생산 및 내구성, 다른 시스템과의 편리한 인터페이스를 위해서는 여러 가지 정보를 센서 자체에 저장하고 있어 편리하게 열어볼 수 있어야 한다.

아래 그림 3은 IoT 센서 제작 플랫폼의 개념을 보여주고 있다.

2.4 데이터 취득과 분석 및 활용

IoT센서에서 생성되고 모아진 데이터의 분석 및 활용은 작물 생산성 및 소득과 관련된 매우 중 요한 일이다. 원래 자동화 시스템의 설치목적은 사용자가 자신의 재배 환경에서 자신이 설정한 환 경조건에서 작물의 성장을 모니터링하기 위해서 설치한 것이다. 하지만 현장에서는 자신의 데이 터를 누군가 관리해주고 조언을 해주는 컨설턴트 의 역할을 담당하는 담당자가 있거나 설치 시스템 의 조작이 미숙하여 항상 누군가에게 도움을 요청 하는 일들이 빈번하게 일어나고 있다. 이런 경우 는 시스템 설치비용, 컨설팅 비용, 하드웨어 관리 비용이 증가하여 또 다른 생산성 악화요인이 되고

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표 2. IoT센서의 종류

사용목적 센서명 방식 설치 시 유의사항

하우스 외부의 온도 습도 측정 대기 온도 습도계 반도체 타입 간이 백엽상 내에 설치

하우스 내부의 온도 습도 측정 내부 온도 습도계 반도체 타입 결로에 취약한 습도 센서 보호 캡 사용

하우스 내부의 온도 측정 내부 온도계 온도소자 간이 백엽상 내에 설치

하우스 내부의 온도 습도 측정 건습구 온도계 건습구 온도계를 이용한 습도계산 간이 백엽상 내에 배기팬 설치

하우스 내부의 습도 측정 내부습도계 반도체센서 간이 백엽상 내에 설치

작물 근권의 온도 측정 지온 온도소자 온도소자의 매립 깊이 고려

작물 근권의 토양 수분함량 측정 토양수분,EC,지온 센서 TDR, FDR 정식 초기 토양 상태 파악 작물 근권의 토양 수분함량 측정 토양수분 장력 센서 압력 센서 내부의 적절한 수위 유지, 생육단계별

센서의 매립 깊이 고려

관수 혹은 양액 공급량 측정 유량계 기계식, 초음파 최저 측정 유량 파악

하우스 내부의 이산화탄소 동도 측정 이산화탄소계 NDIR(비분산적외) 최대 측정범위 및 센서 주위의 습에 유의

지하수 혹은 보관 용액의 수위 측정 수위계 전기 저항 사용량과 보관량 사이의 시간 간격

하우스 내부의 빛의 세기 조도센서계 포토다이오드 하우스 내부의 시설물에 의한 그림자 영역 회피 하우스 내부의 빛의 세기 광량센서계 포토다이오드 하우스 내부의 시설물에 의한 그림자 영역 회피 하우스 외부의 바람의 풍향 측정 풍향계 Magnetic Rotary Encoder 장애물을 피해서 탁 트인 곳에 설치 하우스 외부의 바람의 풍속 측정 풍속계 Optical Disk 장애물을 피해서 탁 트인 곳에 설치

강우 감지 감우센서 전기저항 센서표면에 물이 고이지 않도록

양액 혹은 관비 측정 pHpH전극 표면이 마르지 않도록 보관

양액 혹은 관비 측정 EC 전기 전도도 액체 속에 전기가 누전되지 않는 곳에

식물상태(수분부족+병충해 피해) 하이퍼스텍트럼 카메라 초고속카메라+전자기파

표 3. 데이터 활용

항목 분석 값 현장 적용 1 현장 적용 2 현장 적용 3

지하수위 토양 수분 함량값 변화 관수 시기 관수 양 조절

관수량 토양 수분 함량값 변화 관수 시기 관수 양 조절 증발산량

광합성 이산화탄소 값 변화 광합성 시기 광합성 량 하우스 개폐시기

광합성 광량 값 변화 광합성 시기 광합성 량 증발산량

내부 습도 내부 습도 병충해 발생 유동 팬/가습기 작동여부 하우스 개폐시기

양액 상태 pH•EC 양액기 정상 작동 여부 고설재배 배지 상태 고설배지 딸기 근권 상태

온도 지온 관수 시간 지중 열선 작동 여부

수위 수위센서 작동여부/ 횟수 펌프 작동 여부 지하수량 예측

강우 감우계(우적 센서) 유동 팬 작동여부 배기 팬 작동여부 하우스 개폐시기

풍향풍속 풍향풍속계 개폐방향 하우스 개폐시기

있다. 이를 방지하기 위해서는 데이터의 분석과 활 용이 편리해야 하는데 현실은 정반대인 경우가 너 무 많다. 위 표 3에서는 데이터 분석을 통한 현장 적용성에 대해서 간단하게 요약을 한 것이다. 각 각의 데이터는 현장 적용 시 다양한 활용 가능성 을 갖고 있기 때문에 재배 농가는 데이터 분석에

어려움을 갖는다. 따라서 농업공학자는 다양한 분 석 툴을 개발하여 농업연구자에게 제공을 해야 하 며 농업 연구자는 다양한 툴을 이용하여 재배농가 에 정보 및 경보를 제공하여 재배자가 실시간으로 재배현장에 적용이 가능하도록 해야 한다.

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2.5 농가 소득의 향상

본 고에서 참고한 시설농가 시스템에 적용된 센서, 제어조건 및 환경은 단동형 비닐하우스에 적용되는 것으로 연동형 하우스 또는 유리온실의 조건 및 환경과는 크게 다를 수 있기 때문에 다른 의견이 있을 수 있다는 것을 전제로 하여 정리하 자면, 작물 재배현장에서 농업공학자 및 연구자 는 시스템 도입에 따른 소득 향상 및 생산성 향상 이 시스템 도입 전과 도입 후에 20~30%의 향상 이 있다는 결론에 너무 익숙하다. 만약 이런 시스 템 도입의 결과가 정확하다면 농가의 시스템 사용 비율은 해마다 기하급수적으로 상승할 것이다.

그렇지만 이런 시스템 도입의 결과가 농가의 소득 에 별다른 영향을 미치지 못했기 때문에 시스템 사용 증가율이 그렇게 폭발적이지도 우호적이지 도 않다는 것이 현실이다.

농업공학자 혹은 농업연구자는 자신이 제안하 고 현장에 설치된 시스템이 효과적인지 아닌지 확 인할 수 있는 데이터 분석 프로그램 및 소득을 평 가할 수 있는 정보를 입력하도록 하고, 분석해주 는 다양한 솔루션을 제공하여야 한다. 그래서 시 스템 도입이 농가 소득향상에 결정적 요인이었다 고 증명할 수 있어야한다. 물론 사용자의 소득에 관한 부분은 수요공급 및 사회 분위기에 따라서 출하금액이 차이를 보일 수 있다. 그러나 생산량 및 생산비 등에 관한 부분은 정확하게 측정이 가 능하기 때문에 개별 농가에서의 출하금액에 따른 소득률 평가를 정확하게 제시해줄 수 있기 때문에 개별농가단위에서 시설농업의 효과를 스스로 입 증할 수 있을 것이며, 이러한 환경에는 시설농업, IoT 기반의 첨단 시설농업에 대한 수요가 증가할 수 있을 것이다.

3. 결 언

자료 생산비용은 1,000달러, 분석비용은 100,000 달러, 해석비용은 1,000,000달러라는 말은 첨단 바이오 기술을 기반으로 생산되는 대규모 생물학 적 빅 데이터 정보를 제대로 분석하고 해석하는 일이 얼마나 어렵고 중요한지 함축적으로 보여주 는 말입니다. 농공학자들은 그동안 데이터 생산 의 툴에 갇혀서 툴을 진화시키는 방면으로 노력해 왔다면 이제는 생산된 데이터를 어떻게 분석해서 농가의 소득에 도움이 될 수 있는 방면으로 집중 해야 IoT 기술 혁신이 생산성 향상에 도움이 된다 는 기본진리를 보여 줄 수 있습니다.

재배 농가의 주머니에 돈(수익)이 기존의 툴 (방법)보다도 훨씬 많이 들어오게 하는 기술이 진 정한 이노베이션이라는 사실을 깨달아야 할 것 같 습니다, 그리고 좀 더 진지하게 다가서려면 오늘 도 농업 공학자는 실험실보다 농가의 현장에서 장 비를 설치하고 그 사용에 관하여 농가와 자꾸 토 론하고 분석소프트웨어 및 구축된 시스템의 부족 한 점을 자꾸 묻고 이해하고 그다음에 정리된 그 제어용 프로토콜을 연구실과 현장에서 테스트하 고 농가에 보급토록 해야 할 것입니다.

참고문헌

1. 미래센서 제품 카타로그 및 사용설명서. 2016.

2. 코리아 디지털 제품 카타로그(Sensor for IoT).

2016.

수치

그림 3. IoT센서 플랫폼2.3 데이터 생성생성된 데이터는 설치한 센서에서 생성된 물리적 수치이다. 일반적인 아날로그 신호 값은 외부 환경에 의하여 영향을 받을 수 있으며 설치 환경에 따라 센서의 수명이 차이가 많이 나며 정확도에도 영향을 미친다
표 2. IoT센서의 종류 사용목적 센서명 방식 설치 시 유의사항 하우스 외부의 온도 습도 측정 대기 온도 습도계 반도체 타입 간이 백엽상 내에 설치 하우스 내부의 온도 습도 측정 내부 온도 습도계 반도체 타입 결로에 취약한 습도 센서 보호 캡 사용 하우스 내부의 온도 측정 내부 온도계 온도소자 간이 백엽상 내에 설치 하우스 내부의 온도 습도 측정 건습구 온도계 건습구 온도계를 이용한 습도계산 간이 백엽상 내에 배기팬 설치  하우스 내부의 습도 측정 내부

참조

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