STEAM R&E 연구결과보고서
(무인 자동화 LED식물공장 제작)
2016. 11. 30.
청구고등학교
STEAM R&E
무인 자동화 LED식물공장 제작
참여학생 : 김성진, 김현빈, 염제윤, 김형래, 김선균, 김경환 지도교사 : 김상오
Ⅰ. 연구동기 및 필요성과 목적
현대 사회에서 환경오염과 예측 불가능한 기후에 대응할 수 있는 LED식물공장에 대해서 조 사하던 중 ‘이 공장은 외부환경과 완전 밀폐되어서 환경을 임의로 조작할 수는 있지만, 재배 실의 환경 데이터를 바탕으로 사람이 직접 출력장치들을 조작해야 하며, 사람이 출력장치들을 제어하거나 재배포트에 양액을 공급할 때 실수가 발생할 수 있다.’라는 단점을 어떻게 개선해 야 하는지에 대해서 생각하던 중 교내 동아리에서 실습하고 있던 EV3와 아두이노를 이용해 작 물의 생육을 자동으로 조절할 수 있는 ‘가정용 무인 자동화 LED식물공장’의 제작을 본 연 구의 주제로 하게 되었다.
4월부터 7월 말까지 본 연구를 진행하며 총 세 가지 문제점이 발생하였다. 첫 번째로 설계 당시에 생육환경을 외부로부터 완벽히 차단하기 위해서 재배포트를 밀폐시키려고 하였으나, 제 어실, 양액공급실 그리고 식물공장 내부를 EV3 케이블, 파이프라인으로 연결해야하기 때문에 완전히 차단하는 것은 어렵다는 것을 인지하게 되었다. 또한, 식물공장 내부의 출력장치(환풍 기, 온풍장치, 가습장치 등)가 EV3와 아두이노에 연동되어서 쓰일 수 있도록 만들어진 것이 아 니기 때문에 시중에 나와 있는 출력장치들을 EV3, 아두이노와 연계하기가 어렵다. 즉, EV3, 아 두이노와 출력장치들 간의 연계가 어려워 자동화 시스템의 실행이 어렵다는 것이다. 마지막으 로, 식물공장에 심어지기 전의 상추 모종은 상토에서 재배되던 것이므로 LED식물공장의 재배 포트에 심게 될 경우 상추모종이 수경재배 양액에 익숙해지는 데에 시간이 걸리므로 예상 수 확 기간이 늦어질 수 있다. 하지만 본 연구팀은 여러 번의 시도와 끊임없는 노력으로 온도, 습 도, 공기구성비, 수경재배 양액의 화학적 성분 등을 EV3와 아두이노의 센서들을 통해서 자동 으로 측정하고 이 측정된 값을 중앙관리실의 EV3를 통해서 양액실의 액화비료탱크의 비료 시 비량을 조절할 수 있는 ‘무인 자동화 LED식물공장’을 성공적으로 제작해 나갈 것이다.
본 연구는 외국과의 자유무역협정으로 인해 값싼 외국산 농산물이 유입되어 우리나라 농업경제가 큰 타격을 받고 있는 이 상황이 오랫동안 지속되어 농산물 주요 수출 국가에서 우리나라 경제의
주도권을 쥐어 우리나라가 식량 종속국이 되는 것을 방지하며 기존의 LED 식물공장이 지닌 문제점인 노동력의 불가피성으로 인한 인건비 문제와 사람의 실수로 인한 재배과정의 오류를 EV3와 아두이노 의 실행으로 보완하는 것이 목표이다.
II. 이론적 배경 및 선행 연구 조사
1. 이론적 배경
■ 레고 EV3 마인드스톰
레고 EV3 마인드스톰은 레고 브릭을 결합하듯 프로그램 브릭, 센서, 모터, 테크닉 부품들을 조합하여 다양한 로봇을 만들 수 있는 제품이다. 모터, 센서 등을 연결하여 스스로 판단하여 동작하는 로봇을 만들 수 있으며, 만들어진 로봇은 적외선 리모콘 또는 스마트폰의 앱을 사용 하여 조종 또한 가능하다. 마인드스톰 전용 소프트웨어를 이용해서 프로그램을 짜고, 로봇에 입력시키는 방식으로 로봇을 작동시킬 수 있다.
■ 아두이노 (Arduino)
아두이노는 오픈소스, 오픈하드 웨어를 기반으로 하는 플랫폼이다. 오픈 소스를 기반으로 하 여 많은 하드웨어가 개발되어 있으며, 많은 예제가 커뮤니티를 통해 공유된다는 점은 프로그래 밍에 익숙하지 않은 초보자 및 학생들이 사용하기 쉬우며 유연한 하드웨어/소프트웨어 통합 개 발 환경이다. 아두이노 보드에 장착된 마이크로 컨트롤러와 메모리를 이용하는 프로그래밍을 통해 하드웨어를 제어하는 소프트웨어를 탑재함으로써 PC와 같은 장치 없이 다양한 기능을 구 현할 수 있는, 사실상의 작은 컴퓨터이다.
-> 본 연구에서 사용되는 아두이노 센서
① CdS(황화카드뮴) 센서: 조도를 측정하는 센서 ② 습도 센서: 습도를 측정하는 센서
③ 써미스터: 온도를 측정하는 센서 ④ 자이로 센서: 각 크기를 감지하는 센서
-> LCD (Liquid Crystal Display)
액정표시장치 또는 액정디스플레이라고도 한다. CRT와는 달리 자기발광성이 없어 후광이 필요하 지만 동작 전압이 낮아서 소비전력이 적고 휴대용으로 쓰일 수 있기 때문에 손목시계, 컴퓨터 등에 널리 쓰고 있는 평판 디스플레이이다. 현재에는 컴퓨터 표시장치나 TV 등의 분야에서 CRT와 거의 같은 수준으로 사용하고 있다.
-> LED (Light Emitting Diode)
발광다이오드란 화합물에 전류를 흘려 빛을 발산하는 반도체소자로, 소수캐리어(전자 또는
정공)를 주입하고 이들의 재결합에 의하여 발광시킨다. LED는 컴퓨터 본체에서 하드디스크가 돌아갈 때 깜빡이는 작은 불빛, 도심의 빌딩 위에 설치된 대형 전광판, TV 리모컨 버튼을 누를 때마다 TV 본체에 신호를 보내는 눈에 보이지 않는 광선 등을 만들 때 필요하다. 전기에너지 를 빛에너지로 전환하는 효율이 높기 때문에 최고 90%까지 에너지를 절감할 수 있어, 에너지 효율이 5% 정도밖에 되지 않는 백열등ㆍ형광등을 대체할 수 있는 차세대 광원으로 주목되고 있다. LED는 아래 위에 전극을 붙인 전도물질에 전류가 통과하면 전자와 정공이라고 불리는 플러스 전하입자가 이 전극 중앙에서 결합해 빛의 광자를 발산하는 구조로 이루어져 있는데, 이 물질의 특성에 따라 빛의 색깔이 달라진다.
-> 식물공장
식물을 시설 안에서 빛·온도·습도·이산화탄소 등 재배환경을 인공적으로 제어해 계절에 관계없 이 자동으로 연속 생산하는 시스템이다. 식물공장은 차세대 녹색산업으로 육성되어 새로운 영농기술 을 확립하고, 관련 하이테크 기업의 기술 발전을 유도할 수 있을 것으로 기대된다. 도시 근교 또는 도심 속에서 농산물을 생산한다는 것이 식물공장의 장점이다. 식물공장은 실내 농업이기 때문에 연중 생산이 가능하고, 날씨와 상관없이 농사를 지을 수 있어 생산량 증대와 안정적인 공급 효과를 볼 수 있다. 그러나 모든 시설을 인공적으로 만들어야 하기 때문에 설비 및 유지 비용이 많이 들어 경쟁력이 떨어질 수 있다는 것이 단점으로 꼽힌다.
2. 선행 연구 조사
기존에 있는 식물공장의 장점과 단점을 인터넷을 통해 검색하고, LED와 식물 생장의 연관성 에 대한 논문을 검색하는 것으로 선행 연구 조사를 하였다. 이를 통해 얻은 정보는 다음과 같 다.
식물공장을 만들 때, LED를 발광체로 택하는데 이는 LED가 다른 발광체보다 수명이 길고 전력소비가 낮을 뿐만 아니라 밝기조절이 가능하며, 원하는 특정파장을 선택적으로 조사할 수 있는 점과 여러 파장의 광을 용이하게 혼합할 수 있으며 효율적으로 광을 식물에 조사할 수 있어서 많이 사용한다. 식물마다 빠른 촉진속도 에서의 파장과 밝기 값이 달라 밝기조절이 가 능하고 특정 파장을 선택할 수 있는 LED가 식물공장에서 효율적이다.
본래 기존의 재배방식은 햇빛을 주로 사용하는 방식이었다. 그러나 햇빛의 스펙트럼에는 광 합성에 불필요한 파장의 빛 또한 포함되어있다. 광합성에 가장 효율적인 파장의 빛은 660nm 파장대의 적색과 450nm 파장대의 암청색 빛으로, 이 둘의 조합을 통해 가장 효율적인 광합성 이 이루어질 수 있다고 한다. 적색과 청색의 혼합비율도 10 : 2 에서 10 : 4 정도로 섞여있을 때가 광합성에 제일 효과적이다.
- 빛의 밝기는 광원과의 거리의 제곱에 반비례한다. 그렇기 때문에 LED 광원은 식물과 최대 한 가까이에 있을 때 효율이 더 놓아진다.
- LED 에서 방사되는 빛은 빛이 비치는 수직면에서 제일 강하고 이 각을 0°로 했을 때, 이 각을 벗어날수록 약해진다.
- LED가 수직면에 0°로 달려 있을 때 빛의 세기를 100% 라 했을 때, 그 각이 30°가 되면 빛의 세기는 91.8%가 되고 45°로 각을 맞추어 놓았을 때의 빛의 세기는 73%가 된다. 그렇기 때문에 식물공장은 아치형 구조 일 때 보다 사각 기둥의 형태일 때가 더 효율성이 높다.
- LED 광 파장: 식물이 광합성을 할 시, 녹색 계열 파장의 빛은 큰 효율을 발휘하지 못한다.
그러므로 우리는 청색(450nm)과 적색(660nm) 계열 파장의 빛만을 사용하기로 했다.
- 식물이 광합성에 이용하는 빛의 파장대별 효율 -
이후 상추의 재배조건에 대해서 조사하며 항암 물질인 안토시아닌이 풍부하고 사람들의 선 호도가 높은 적색 발현을 상추 재배의 최적화 조건으로 설정했다. 적색 발현이 최대화 되는 빛 의 비율은 5:4라고 선행된 연구를 통해서 알려져 있기 때문에 이를 따르기로 했다.(출처-카스 트) 이후, 빛의 세기와 관련된 연구를 진행했다. 상추의 광포화점 즉, 광합성이 최대로 일어날 때의 빛의 세기를 조사한 결과 PPFD 값이 302정도였다. 그러므로 고출력 led를 사용한다면 높 이 30cm, 저출력 led를 사용한다면 높이 20정도가 적당하고 결론지었다.
- 양액의 비료농도
사용할 비료의 종류는 수중 재배 시 사용하기 적합한 ‘종합한방 a제,b제’ 2가지를 혼합하여 사용하기로 결정 하였다. 양액의 비료가 상추의 성장에 영행을 끼치는 조건은 ‘ph농도, 비료
농도, 용존산소’등이 있다.
- ph농도
상추가 생장하는데 가장 적절한 ph농도는 5.8~6.6정도 이다. 따라서 상추를 재배하는 도중 ph 농도가 이를 벗어나는 경우 인위적으로 조절 해 주어야 한다. ph농도가 높을 경우 산성을 띠 는 비료를 추가하고, ph농도가 낮을 경우 알칼리성을 띄는 비료를 추가하여 ph농도를 조절해 준다.
- 비료의 농도
비료를 필요이상으로 공급하게 되거나 너무 적게 공급하게 되면 오히려 상추의 생장에 비효 율적 일 수 있다. 상추가 가장 잘 자라는 비료의 농도는 기온이 상대적으로 낮은 가을과 겨울 기준으로 EC 2.0mS/cm {EC(Electric conductivity, 전기전도도)는 배양액에 들어있는 모든 염의 농도를 나타내는 단위로, 측정된 EC값은 식물생장에 필요한 필수적인 염(NO3-, Fe3+ 등)들과 필수적이지 않은 염(Na+, Cl- 등)들 모두를 포함한 값이다.} 정도이며 가을이나 겨울에 비해 상 대적으로 기온이 높아 물을 더 흡수하는 봄과 여름에는 표준 농도의 2/3정도로 조절한다.
- 용존산소
상추를 포함하여 모든 식물은 생장을 하기 위해 배양액(양액의 비료)에 산소가 포함 되어야 한 다. 상추는 생장을 하기 위해 최소한 배양액 중 5ppm의 산소가 녹아있어야 하며 정상적인 생 장을 위해서는 그보다 더 높은 용존산소량이 필요하다. 하지만 배양액의 온도가 20~25도일 때 는 8~9ppm이 최대이기 때문에 부족한 양은 공기 중에서 얻어야 한다.
- 온도
상추의 생장에 가장 적절한 온도는 20도~25도인데 이보다 저온일 때는 발아율이 저하하며 30 도 이상의 고온일 때도 발아율이 크게 감소한다. 다라서 기온뿐만 아니라 배양액의 온도 또한 정정온도인 20~25도로 조정해야 한다.
Ⅲ. 연구 방법 및 절차, 연구내용
● 월별내용
1. 설계
가. 설계초기
본 연구팀은 팀원들 간 피드백을 하며 칠판으로 대략적인 구조를 구상하였고, 이를 바탕으로 제작된 기본 도면을 자료화하며 LED 식물공장 제작에 필요한 여러 가지 재료들(환풍장치, 온 풍장치, 재배포트, 스티로폼 등)의 구입 계획을 세우고, 각각의 재료들의 구체적인 활용방법과 위치 또한 도면에 기록하였다. 이 과정을 통해 자료화된 도면을 스케치업(SKETCH-UP)이라는 프로그램을 통해서 3차원으로 설계하였다.
식물공장의 골격은 플라스틱, 철, 나무 등으로 만들 것이지만, 연구 과정에 사용될 프로토타 입은 설계와 제작에 효율적이도록 공방에서 나무로 제작할 것이다. 물론, LED식물공장의 특성 상 재질이 나무인 것은 어느 정도 불안 요소를 내포하고 있으나, 연구를 위한 초기 프로토타입 인 점을 고려하면 나무가 가장 효율적이라 판단하였고, 단열재 등으로 습도 또는 물이 새는 것 을 방지하면 충분히 차질 없이 연구를 진행할 수 있을 것이다. 또한, 연구 도중 식물공장의 보 완, 수리를 위해 식물재배포트와 분리가 용이하게 만들 것이며 식물공장 외부 아랫면에 바퀴를 부착하여 이동이 간편하게 만들 것이다.
본 연구팀에서 설계한 식물공장의 내부 공간은 크게 두 군데로 나눌 수 있는데, 식물공장에 4~5월 식물재배를 위한 정보수집
6월 식물공장 설계시작
7월 식물공장 제작, 관리 프로그램 설계 시작
8월 식물공장 프레임 완성, 관리 시스템 제작
9월 식물공장 최종 조립, 관리시스템 완성
10월 식물공장 재배 시작
11월 식물공장 재배 결과
온습도 조절, 공기 순환을 위한 공기실과 실질적으로 식물을 재배하는 공간인 재배실로 나뉜 다. 재배실에서 온습도조절 장치를 사용하지 않고 따로 공기실을 마련하는 이유는 재배실 내부 에서는 전체적으로 공기의 온습도를 제어하기 힘들고, 바람과 습기 등의 부분적인 집중으로 문 제점이 생길 수 있기 때문이다. 공기실에는 온풍장치, 냉방장치와 가습기를 설치하여 공기실 내부의 공기의 온습도를 조절한 뒤 재배실 쪽으로 공기가 통하도록 설치된 환풍기를 통해 재 배실로 공기를 주입한다. 이를 통해 재배실에 주입된 공기는 대류 현상에 의해 재배실의 온습 도를 효과적으로 조절할 수 있을 것이다. 뿐만 아니라, 만약에 외부온습도와 내부온습도의 차 이가 클 시에는 환풍기 개폐판이 자동으로 폐쇄되어 식물공장의 내부와 외부를 차단하도록 설 계하였다. 공기실의 개폐와 온습도의 조절 등 모든 공기의 조절과 순환은 아두이노를 이용하여 자동 조절될 수 있도록 제작할 것이며, 이는 스마트폰을 이용해서 원격조종 또한 가능하다.
재배실에서는 식물재배포트에서 식물이 길러지게 되는데, 이는 서랍형태로 옆으로 꺼낼 수 있도록 제작하고, LED를 고정시킨 판 역시 분리가 가능한 형태로 제작하여 연구 과정 중 문제 가 생겼을 때 손쉽게 교체 할 수 있도록 할 것이다. 이와 같은 이유로 식물공장의 지붕 분리 할 수 있도록 제작할 것이다. 식물재배포트의 수위조절, 산소공급, 양액 성분과 농도 조절 역시 아두이노로 제어하고 모두 자동화되도록 제작할 것이다.
나. 설계중간
처음 설계한 내용을 토대로 공방에서 전문가에게 의뢰를 해보았다. 이 과정에서 식물공장의 기본 프레임의 구체적인 수치가 정해졌다. 또한 기본 프레임의 수치가 결정되자, 우리들이 계 획했었던 내용들의 수정이 필요해졌다. 일단 기본적으로 식물공장 자체의 크기가 예상수치보다 커지자 본래 2층으로 기획했었던 식물공장이 1층으로 변경되었다. 또한 창문 또는 미닫이 형태 로 만들려고 했던 구멍들이 식물공장의 두께와 모양에 부적합하여 사라지고 선반형태로 바뀌 었다. 또한 본래 계획했던 공기구멍들의 모습과 전선연결 방법도 구멍을 뚫기보다는 새로운 문 을 다시 만드는 형식으로 바뀌었다. 또한 식물공장의 구조에 대해서도 조언을 받았다.
다. 설계후반
공방에서는 나무를 주로 취급했고 재료인 나무 역시 꽤나 장점이 있기 판단하여 나무로 먼 저 만들려고 했으나 수경재배특성상 배양액이 누출되어 나무가 썩을 수 도 있다는 의견이 제 기되어 재료를 아크릴로 바꾸었다. 우리들은 삼성아크랜드에서 공방에서 만든 설계도를 통해 식물공장 프레임을 의뢰하였다. 이 과정에서 최종적으로 식물공장의 형태가 결정되고 완성되었 다. 이 과정에서 식물공장의 뚜껑이 제거되었고 두께와 형태가 아크릴에 맞게 바뀌었다.
식물공장의 골격이 완성되고 재배가 시작되자 식물공장의 성능을 향상시키기 위해 작업을 하였다. 식물공장 골격(프레임)에 단열효과가 있는 은박매트를 붙여서 내부의 온도가 쉽게 바 뀌지 않게 하였다. 또한 이슬이 맺혀 물이 고이는 것을 방지하기 위해 벽면 아래 쪽으로 물이 흘러 빠져나갈 수 있게 은박매트를 응용하여 수로를 만들었다. 또한 아두이노와 온풍기 및 가 습기의 전선이 난잡한 것을 제대로 정리하여 깔끔하게 만들었고 아두이노 본체가 가습기에서 나오는 수분에 영향을 받지 않도록 위치하고 덮개를 씌웠다. 이 이후에 식물공장의 상태를 확 인할 수 있게 하자라는 의견이 나왔고 그에 대한 계획을 세우기 시작했다.
2. 재배
가. 수경재배와 노지재배의 생육상의 차이점
상추와 같은 엽채류 작물을 재배하는 데에 가장 중요하는 데에 중요한 것은 토양의 비옥도 이다. 아래에 첨부된 노지재배/수경재배 비교샷에 있는 상추는 같은 시기에 파종한 상추이다.
정확한 비교를 위해서 led 광을 사용하지 않고 두 대조군 모두 같은 장소에서 같은 양과 동일 한 시간대의 태양광을 비추었다. 그 결과, 아래 사진과 같이 수경재배로 재배한 상추가 뛰어난 생장을 보였으며 뿌리의 뻗음 또한 훨씬 좋았지만, 태양광으로 인해서 녹조가 발생한다는 문제 점이 있었다.
(위:수경재배 / 아래:노지재배-생육속도 비교사진.)
나. 양액의 농도 비율에 따른 생장 차이.
LED 식물공장에 쓴 양액은 종합한방비료를 사용했다. A제와 B제로 나뉘어져 있는데, 물과 비료의 희석비율을 100:1로 맟추어서 사용하라는 설명서대로 해보고 2~3배로 농도를 높여서 해 보았을 때는 훨씬 더 자랐다. 하지만 그 이상 농도를 높이면 역삼투압 현상이 일어나서 수일 내에 작물이 말라죽었다. 또한 양액의 농도를 높일수록 양액 속에 영양 성분이 많아져서 물의 부영양화 현상이 빨리 일어나서 양액 속에 녹조 현상이 빨리 일어나는 경향을 띄었다.
(녹조현상이 일어나고 있는 양액성분.)
다. 자연광과 LED광의 차이 및 생육속도 비교
상추는 LED광보다는 자연광에서 더 잘 생장했다. 하지만 낮 시간에 자연광에서 자라던 상추 를 밤~새벽 시간대에 LED 광 밑에 놔두면, 부족한 광을 보충해주어서 광합성을 더 많이 함으 로서 생육 속도가 더 뛰어난 경향을 보였다.
3. 코딩
t > 25
START
h = 온도 값 t = 습도 값 입력 Humidity : h, Temperature : t
lcd에 출력 온습도계 INPUT
가습기, 온풍기, 환풍기, LCD output h, t=0
NOT EOF
온풍기 ON 환풍기 OFF
t < 20
온풍기 OFF
환풍기 ON h > 50
h < 45 가습기 OFF 환풍기 ON
NONE 가습기 ON
환풍기 OFF
t < 20
환풍기 OFF t > 25
가습기OFF 환풍기ON
(프로그램 알고리즘)
식물공장의 자동화를 위해서 사용될 아두이노 프로그래밍을 위해서 먼저 알고리즘을 만들었 다. 온습도와 더불어 환풍기의 조정을 하는 식물공장 자동화 프로그램은 여러 가지 경우의 수 를 고려하여 만들었다. 또한 조건이 중복되어 오류가 뜨는 것을 방지하기 위해 온도를 맞추는 것을 우선으로 하여 알고리즘을 만들었다.
4. 협업 과정 및 역할 분담
식물공장의 전체적인 구조 설계는 본 연구팀의 모든 팀원이 토의하고 협업해서 이루어낸 결 과이다. 다음은 본 연구팀의 각 팀원들이 맡은 역할이다.
■ 김성진 : 온습도조절 장치와 환풍장치 등 식물공장 환풍시스템에 필요한 재료를 선정, 구입 하는 역할을 담당하였다.
■ 김현빈 : 온습도조절 장치와 환풍장치 등을 식물공장에 적용하는 원리를 구상하고 보고서를 수정·보완하는 역할을 담당하였다.
■ 염제윤 : 기존 식물공장에 대한 탐구와 무인 자동화 LED 식물공장의 이론적 원리를 점검하 는 역할을 담당하였다.
■ 김형래 : 식물공장 자동화 시스템에서 활용되는 아두이노 회로도를 제작하고 프로그램을 코 딩하는 역할을 담당하였다.
■ 김선균 : LED와 식물 생육의 연관성 등 식물공장에 관한 문헌 검색, 선행 연구 조사를 하 는 역할을 담당하였다.
■ 김경환 : 연구 과정을 촬영, 기록하여 자료화하였고, 식물공장 자동화 시스템에서 EV3 프로 그램을 구상하는 역할을 담당하였다.
■ 정지우, 이수형 : 식물재배와 LED 광원과의 관계에 대한 연구를 진행하였으며, 수경재배에 대한 효율성을 부분을 전담하였다.
Ⅳ. 연구 결과
1. 설계
본 연구에서 제작하고자 하는 무인 자동화 LED 식물공장의 설계를 완료하였다. 설계한 무인 자동화 LED 식물공장은 크게 재배실, 양액실, 중앙제어실로 나눌 수 있다. 재배실에서 온습도 조절 장치를 사용하지 않고 따로 공기실을 마련하는 이유는 재배실 내부에서는 전체적으로 공 기의 온습도를 제어하기 힘들고, 바람과 습기 등의 부분적인 집중으로 문제점이 생길 수 있기 때문이다. 공기실에는 온풍장치, 냉방장치와 가습기를 설치하여 공기실 내부의 공기의 온습도 를 조절한 뒤 재배실 쪽으로 공기가 통하도록 설치된 환풍기를 통해 재배실로 공기를 주입한 다. 이를 통해 재배실에 주입된 공기는 대류 현상에 의해 재배실의 온습도를 효과적으로 조절 할 수 있을 것이다. 뿐만 아니라, 만약에 외부온습도와 내부온습도의 차이가 클 시에는 환풍기
개폐판이 자동으로 폐쇄되어 식물공장의 내부와 외부를 차단하도록 설계하였다. 공기실의 개폐 와 온습도의 조절 등 모든 공기의 조절과 순환은 아두이노를 이용하여 자동 조절될 수 있도록 제작하였으며, 이는 스마트폰을 이용해서 원격조종 또한 가능하다. 이와 같은 이유로 식물공장 의 지붕도 분리 할 수 있도록 제작할 것이다. 재배실에서는 상추를 재배할 재배포트에 배양액 판을 결합하여 일체형으로 제작하고 외부 벽 구조의 레일시스템을 적용하여 밀고 당길 수 있 도록 제작하여 편리함과 효율성을 겸비한다.
본 연구의 주제인 무인 자동화 LED 식물공장의 제작을 위해서는 EV3와 아두이노의 활용이 불가피한데, 이 장치들을 식물공장에 적용하기 위해서는 환풍기, 온습도 조절 장치에 연결하여 야 한다. 그런데 이 식물공장과 EV3, 아두이노 사이에 연결된 케이블과 양액을 공급할 파이프 라인이 수경재배액 판과 재배포트 분리 과정에서 제한된 길이에 문제가 생길 수 있으며, 여러 개의 케이블끼리 꼬임 문제 또한 발생할 수 있다는 것이다. 또한, 상추의 뿌리가 천근성 식물 (지표면에 가까이 뿌리가 분포하는 식물)이고, 상당히 가는 실뿌리를 많이 보유하고 있기 때문 에 수경재배액 판과 재배포트를 따로 분리하는 경우에는 상추의 생장에 해를 입힐 수 있다고 판단하였다.
본 연구팀은 이러한 문제점들을 해결하는 동시에 식물공장의 정기적인 점검, 보완과 상추 수 확 등에 있어서 편리성까지 취할 수 있는 모형에 대해 토의하였고, 수경재배액 판과 재배포트 를 부착한 일체형 판에 레일 시스템을 적용하기로 결정하였다. (본 연구팀에서 채택한 레일 시 스템이란, 무인 자동화 LED 식물공장에 고정된 일체형판을 관리 활동 시에만 밀고 당길 수 있 는 구조이다.) 또한, 전체 벽 구조에는 상추를 재배하기 위한 LED 광을 설치하고 윗부분은 아 치형보다 재배에 효율적인 사각지붕형을 적용하며, 전체적인 외형은 공간을 효율적으로 사용할 수 있는 직육면체 외관으로 제작된다. 양액실에는 질소(N), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 인(P) 등을 활용 한 양액이 담긴 양액 탱크를 설치하고, 양액을 재배포트로 공급하기 위한 파이프라인을 연결한 다. 중앙제어실에서는 온도계, 습도계로 측정한 값을 토대로 출력장치(가습기, 온풍장치, 냉풍 장치 등)와 LED 광량을 조절하기 위해서 용도에 맞게끔 코딩된 EV3, 아두이노를 내부와 연결 한다. 식물재배포트의 수위조절, 산소공급, 양액 성분과 농도 조절 역시 아두이노로 제어하고
모두 자동화되도록 설계했다.
설계 완료 후, LED 식물공장을 제작하기 전에 실험용으로 프로토타입을 제작해 봤을 때, 시 험적으로 사용한 나무 재질을 사용할 시에 양액의 수분 때문에 나무가 썩을 위험이 있으며, 웬 만한 두께가 아닌 이상 약한 충격에도 뒤틀리거나 파손될 위험이 있음을 알게 되었다. 그리고 철로 제작 시, 비용이 매우 비싸고, 무게가 크며, 양액으로 인해서 외부 골격이 부식될 우려가 있다. 그래서 철 골격 옆에 아연판을 부착해서 부식을 방지하고자 하였지만 비용문제와 무게가 더 늘어난다는 단점이 있어 무인 자동화 LED 식물공장을 개발하여 가정에 보급하려는 연구 기대효과에 어긋난다고 생각했다. 그래서 비교적 가격이 저렴하고 컴퓨터 프로그램을 이용한 설계가 용이하며, 무게가 가볍고 투명해서 관찰성이 우수하여 현실적으로 가장 효율적인 아크 릴을 재질로 선정했다.
이후, 본 연구팀은 대구광역시 중구 태평로 2가에 위치한 삼성아크랜드에 방문하여 LED 식 물공장 골격을 아크릴로 제작했다. 식물공장 내부의 EV3와 아두이노, 양액의 무게를 감당하기 위해서 아크릴의 두께는 10mm로 설정했다. 재배실에는 스티로폼 박스에 구멍을 내어서 재배 포트와 솜을 끼우고 상추모종을 정식했다. 중앙제어실에는 LEGO EV3와 아두이노를 배치하고 재배실과 양액실을 연결하기 위해서 배선을 했다. 양액실에는 양액탱크에 EV3와 통하는 파이 프라인을 연결하고 재배실에 환풍기와 온풍기를 설치하고 아두이노와 각종 출력장치들을 호환 시켰다. 또한, EV3와 아두이노의 케이블을 연결해야하는 무인 자동화 LED식물공장 특성상 내 부의 재배 포트를 완벽히 밀폐하지 못하므로 외부 환경의 영향을 받을 수 있다. 그리하여 본 연구팀은 양액공급실, EV3 중앙제어실과 식물공장 내부를 연결하는 전선, 파이프라인으로 인 하여 불가피하게 생기는 구멍들을 밀폐 소재들로 막아 식물공장 내부의 작물이 외부환경으로 부터 영향을 받지 않고 오직 EV3와 아두이노로 통제된 환경에서 재배되도록 하였다.
2. 코딩
재배실의 작물의 생육환경을 파악하기 위해서 내부에 설치된 온습도계로 측정된 값을 관리 자가 볼 수 있도록 중앙제어실에 설치된 아두이노의 LCD모니터를 통해서 온습도를 표시하도 록 하였다. 또한 온습도를 표시할 뿐만 아니라 그 값에 따라서 환풍기와 온풍기, 가습기를 이 용하여 식물공장 내부의 환경을 자동으로 조절할 수 있게 하였다. 환풍기의 경우 냉방시스템도 같이 겸하고 있으며 식물자체의 환경조절능력과 식물공장이 주로 위치할 곳이 건물 실내라는 점을 고려하여 코딩하였다. 또한, 온도와 습도 변화의 경우의 수를 생각하여 그에 맞는 움직임 이 실행될 수 있도록 하였다. 맨 처음에는 EV3로 가습기나 온풍기를 제어하려 하였으나, 아두 이노 릴레이를 이용하여 제어하는 것이 비용이나 효율성면에서 더 적합하다고 판단해, 아두이 노를 이용하여 온습도 조절 알고리즘을 설계했다. 릴레이는 자동으로 컨트롤이 가능한 스위치 의 일종으로 작은 전압으로 큰 전압을 컨트롤하기 위한 부품이다. 온풍장치, 냉풍장치, 가습기 등 출력장치의 콘센트 부분을 잘라내고 전선 피복을 조금 벗겨내어 릴레이를 연결한 뒤 릴레 이와 아두이노를 연결하고 활용 목적에 맞게끔 코딩하여 아두이노에 입력한다면 충분히 무인 자동화 LED식물공장과 연계와 자동화 시스템의 실행이 가능하다.
위의 알고리즘은 온습도센서의 값을 측정하며 일정 시간마다 정보를 갱신하여 LCD모니터에 띄운다. 후에 그 값을 측정하여 환풍기, 온풍기, 가습기 등을 자동으로 조절한다. 적정온도보다
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <DHT11.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);
int pin=2;
DHT11 dht11(pin);
int err;
float temp, humi;
pinMode (relay, OUTPUT);
int relay=9;
void setup() {
lcd.init();
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
i f ( ( e r r = d h t 1 1 . r e a d ( h u m i , temp))==0)
{
lcd.backlight();
lcd.display();
lcd.print("TEMP: ");
lcd.print(temp);
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("HUMIDITY: ");
lcd.print(humi);
Serial.print("temp: ");
Serial.print(temp);
Serial.print("humi: ");
Serial.print(humi);
Serial.println();
}
else {
lcd.backlight();
lcd.display();
lcd.print("ERROR NO.: ");
lcd.print(err);
}
delay(10000);
lcd.clear();
}
#include <LiquidCrystal.h>
#include "DHT.h"
#define Hotair 9 //온풍기연결핀
#define Humi 10 //가습기연결핀
#define coolfan 8 //환풍기연결핀
#define DHTPIN 6 //온습도계연결 핀
#define DHTTYPE DHT11 //DHT타 입 DHT11
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
LiquidCrystal lcd(12,11,5,4,3,2);
//RS/E/데이터핀4개
void setup() {
pinMode(Hotair, OUTPUT);
pinMode(Humi, OUTPUT);
pinMode(coolfan, OUTPUT);
lcd.begin(16, 2);
lcd.clear();
Serial.begin(9600);
}
void loop() { delay(1000);
int h = dht.readHumidity();
int t = dht.readTemperature();
lcd.begin(16, 2);
lcd.print("Humidity: ");
lcd.print(h);
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("Temperature: ");
lcd.print(t);
//LCD모니터에 온습도값띄우기
/*
* 적정온도20~25 * 적정습도45~50 */
if(t<16) {
digitalWrite(Hotair, HIGH);
digitalWrite(coolfan, LOW);
} if(t>22)
{
digitalWrite(Hotair, LOW);
digitalWrite(coolfan, HIGH);
} if(h<45) {
digitalWrite(coolfan, LOW);
digitalWrite(Humi, HIGH);
if(t>25) {
digitalWrite(coolfan, HIGH);
} } if(h>55) {
digitalWrite(coolfan, HIGH);
digitalWrite(Humi, LOW);
if(t<16) {
digitalWrite(coolfan, LOW);
} }
//온풍기, 가습기제어 }
온도가 높아질 시에 환풍기가 가동되어 식물공장 내부의 온도를 식힌다. 식물공장에서 식물자 체의 주변 환경 조절능력과 식물공장이 위치할 장소가 건물 내부이고 또한 식물공장 역시 환 풍구를 제외하면 거의 밀폐되어있다는 것을 고려하였다. 결과적으로 온도조절에 많은 에너지를 소비할 필요가 없다는 결론이 도출되었다. 온도가 내려갈 시에는 환풍기를 끄고 온풍기를 켜 온도를 높인다. 습도 역시 같은 메커니즘으로 움직인다. 하지만 이렇게만 코딩 할 경우 서로의 명령이 충돌하는 오류가 생긴다. 그래서 온도와 습도 중 온도를 우선 시 하여 실행명령에 조건 문을 걸어서 오류를 수정하였다.
처음 계획에서는 냉방과 제습을 위한 기기를 더 설치할 예정이었으나 환풍기가 제습과 냉방 을 같이 수행할 수 있기에 경제적인 식물공장의 제작이라는 목표에 맞게 기기설치를 취소하였 다. 마지막은 식물공장에 심어지기 전의 상추 모종은 상토에서 재배되던 것이므로 LED 식물공 장의 재배포트에 심게 될 경우 상추모종이 수경재배 양액에 익숙해지는 데에 시간이 걸리므로 예상 수확 기간이 늦어질 수 있다는 것이었다. 본 연구팀은 토의 끝에 상추 모종이 재배포트에 심어지기 전에 심겨져 있던 상토의 산성도(pH)를 측정하고, 측정된 값과 식물공장 재배포트의 배양액의 산성도 값이 같도록 조절하기로 하였다. 이를 통해, 식물공장에 심어졌을 때에도 생 육환경이 최대한 비슷하도록 하여 모종이 양액에 익숙해지는 데에 걸리는 시간을 단축할 수 있고, 상추의 생육을 원활케 할 수 있다.
3. 재배
식물공장에 쓰일 재배방법으로는 수경재배를 택하였다. 수경재배를 할 시 실내재배라는 특성 상 외부의 환경에 영향을 많이 받지 않고 또 수경재배를 할 시에 관리가 비교적 편리하며 아 두이노를 이용하여 식물공장의 자동화가 용이하기 떄문이다.
본격적으로 식물공장으로 재배를 시작할 때 지붕형태에 따라 생육상태의 차이점을 확인하기 위해, 아치형과 사각지붕형 두 가지 형태의 식물공장으로 재배하였다. 아치형의 경우, 지붕 형 태로 인해서 LED광이 수직으로 내려오지 못하기 때문에 재배포트의 중앙에 위치한 생장이 활 발한 상추들에 비해서 가장자리에 위치한 상추들은 생육이 상대적으로 저조한 경향을 띄었다.
재배포트의 중앙에 위치한 상추들의 경우 잎의 면적이 넓고, 평균길이 9.1cm, 평균폭 5.4cm 정 도였지만 재배포트의 가장자리에 위치한 상추들의 경우에는 평균길이 6.7cm, 평균폭 3.0cm 정 도인데다가 재배포트의 중앙에서는 보이지 않던 웃자람 현상까지 보였으며 LED광을 더 받기 위해서 중앙의 상추보다 상대적으로 키도 컸다. 이렇듯이 아치형의 경우에는 상추들이 받는 LED광의 양에 따라서 생장 격차를 보여주었다. 하지만, 사각지붕형의 경우에는, LED광이 재배 포트에 수직으로 내려올 수 있도록 LED를 배열할 수 있었기 때문에 재배포트에 위치한 모든 상추들이 LED광을 균등하게 내리쬐어서 평균길이 8.7cm, 평균폭 5.2cm로 상추들의 생육이 전 반적으로 좋은 경향을 띄었다.
식물공장에 심어지기 전의 상추 모종은 상토에서 재배되던 것이므로 LED 식물공장의 재배 포트에 심게 될 경우 상추모종이 수경재배 양액에 익숙해지는 데에 시간이 걸리므로 예상 수 확 기간이 늦어질 수 있다고 생각한 본 연구팀은 토의 끝에 상추 모종이 재배포트에 심어지기
전에 심겨져 있던 상토의 산성도(pH)를 측정하고, 측정된 값과 식물공장 재배포트의 배양액의 산성도 값이 같도록 조절하기로 하였다. 이를 통해, 식물공장에 심어졌을 때에도 생육환경이 최대한 비슷하도록 하여 모종이 양액에 익숙해지는 데에 걸리는 시간을 단축할 수 있고, 상추 의 생육을 원활케 할 수 있다.
또한 선행 식물재배에서 수경재배의 실제적인 적용에서 수경재배를 할 시에 녹조가 생긴다는 것을 알 게되어 녹조를 방지하기 위해 물을 순환시키는 기구가 필요하다는 것을 알게 되었다. 또한 태양광과의 연계가 더 효율적이고 경제적이라는 것을 알게 되었다. 이런 점에 대해서 좀 더 발전된 형태의 디자인 을 구상하게 되었다.
Ⅵ. 참고문헌
[1] 김해란, 유영한(2013). 식물공장에서 적색, 청색, 백색 및 원적색 LED 처리에 따른 고추냉이의 생 육반응. 원예과학기술지, 31(4), 415-422.
[2] 릴레이(Relay)를 이용하여 220V 전원을 제어해보자. http://deneb21.tistory.com/m/post/222.
[3] 연인원, 장형민, 코아추옌, 이원철(2015). 아두이노를 이용한 식물공장용 모니터링 시스템. 한국통 신학회 학술대회논문집, 842-843.
[4] 이준구(2010). 적색/청색광의 비율 및 수확 전 광질 변환이 어린잎상추의 생육 및 안토시아닌 함량 에 미치는 영향. Journal of Bio Environment Control, 19(4):351 359
[5] 임송택, 양승룡(2011). 식물공장은 지속가능한 대안인가. 시선집중 GSnJ, 제 120호, 1-15.
[6] 차미경, 김주성, 조영열(2012). 배양액 농도와 광도가 식물공장에서 재배되는 적축면 상추의 생장 에 미치는 영향. 생물환경조절학회지, 21(4), 305-311.
[7] 황종대, 고동수. (2014.10). LED광원의 광파장 특성에 따른 식물의 성장도 평가. 한국기계가공학회 지, 13(5), 98-106.
[8] 최만권, 백경윤, 권순주, 윤용철, 김현태. (2014.3). LED광 파장이 상추생육과 비타민 C 및 안토시 아닌 함량에 미치는 영향. 시설원예·식물공장, 23(1), 19-25.
[9] 엄영철, 오상석, 이준구, 김승유, 장윤아. (2010.12). 컨테이너 식물공장의 개발과 이를 활용한 광원 별 엽채류의 생장특성. 생물환경조절학회지, 19(4), 333-342.
[10] 김문정, 추윤국, 김용주, 정순옥 (2013) 시설재배를 위한 LED의 광세기와 균일도 평가 한국농업기 계학회 2013 추계 학술대회 논문집 18(2):107-108
