Survey of actuators for environment management in Korean smart greenhouses

Review Article
Young-Kyun Jang1Kamal Rasool1Mohammod Ali1Sumaiya Islam2Milon Chowdhury1,2Jae-Hyeok Jeong3Sun-Ok Chung1,2*

Abstract

Recently, due to stagnant farm income, a decrease in rural population, an aging population, and climate change, crop production has failed to be carried out as planned, causing farmers to suffer from reduced growth rates. To solve the above problems, smart farm technology was introduced to monitor and control the growth environment in real-time, based on accurate data on crop growth and the environment, and to improve productivity and quality of agricultural products. The purpose of this paper was to secure the stability of efficient hardware and software with improved compatibility, by analyzing the specifications (e.g., function, structure) of the environmental management products, and the actuator characteristics, focusing on domestic products. Results showed useful information for component selection and stability analysis, and guidelines to select the representative actuator by calculating power consumption of ventilation and circulation fans, air conditioners, heaters, dehumidifiers, humidifiers, and window motors.

Keyword



Introduction

우리나라 농업은 과거 2000년대 초반까지 지속적으로 성장하였으며, 이 중 시설원예산업은 2016년기준 54,218 ha까지 확대되었다(Shim et al., 2018). 최근 농가 소득의 정체, 농촌인구의 감소와 고령화, 기후변화 등으로 인해 작물생산이 계획대로 이루어지지 못해 농업의 성장 속도가 감소하여 농가가 어려움을 겪고 있다. 농업생산액 또한 2001년 32조원에서 2012년 44조원까지 급성장하였으나, 2012년부터 2016년까지 44조원으로 정체수준에 머물러 있으며, 농가인구는 2000년 400만명에서 2015년 260만명으로 대폭 감소하였으며, 호당 평균 농업소득은 2001년부터 2015년까지 1,130만원으로 15년간 정체되어 있는 실정이다(Nho and Kim., 2018). 위와 같은 문제를 해결하기 위하여 농작물의 생육정보와 환경정보 등에 대한 정확한 데이터를 기반으로 언제 어디서나 농작물의 생육환경을 모니터링하고, 적기에 처방함으로써 노동력, 에너지, 양분 등을 종전보다 덜 투입하고도 농산물의 생산성과 품질제고가 가능한 농업의 실현이 가능한 스마트팜 기술을 도입하였다(BPRC, 2019).

스마트팜을 도입한 농가는 생산량이 20~30% 증가하고 투입 노동력 감소, 원격관리로 인한 편의성 증대 등의 활용 효과를 보고 있는 것으로 조사되고 있고, 정부의 스마트팜 확산정책에 따라 도입비용의 50%를 보조 지원하고 있기 때문에 지속적으로 스마트팜 설치 온실이 확대될 전망이다(Kim, 2019). 일반적으로 IoT, 빅데이터, AI, 자동화시스템 및 로봇 기술들을 비닐, 유리, 식물공장 등에 접목하여 온실 내외부의 온습도, 일사량, 풍향, 풍속, 강우 등과 토양, 배지관련 센서를 통해 자동측정하고 제어시스템에 입력된 환경관리 목표 값에 따라 각종 구동장치인 천창, 측창, 스크린, 환풍기, 냉난방기, CO2 공급기, 양액기 등을 가동시켜 온실 내부의 환경을 최적으로 관리한다. 환경제어의 수준에 따라 복합제어, 단순제어로 구분되며 제어방식에 따라 자동제어, 수동제어, 원격제어 등으로 구분한다. 복합제어는 환경요인들과 각종 구동장치들의 상관관계를 분석하여 알고리즘에 따라 환경을 관리하고, 단순제어는 환경요인과 구동기간 일대일 관계로 환경을 관리하는 방식이며(MSS, 2018), 이러한 센서노드와 게이트웨이 기능을 하는 회로부와의 거리에 따른 무선통신 연구와 기후변화에 따른 작물의 생육환경을 계측할수 있는 모니터링에 관한 연구가 계속되어지고 있다(Kim et al., 2019; Moon et al., 2019).

스마트 원예 시설에서 다양한 구동기들이 사용되고 있으나, 사용자들이 자신의 시설 및 작물을 위해 적절한 구동기를 선정하는 것이 쉽지 않다. 본 논문에서는 국내외 스마트팜 시스템 제품의 기능, 구조 등을 분석하고, 온실환경제어를 위한 구동기들을 종류별로 제품을 전압, 전력, 사용면적 기능을 국내 제품 위주로 조사 및 분석하는데 목적이 있다.

Materials and Methods

본 연구에서는 온실 내에서 온도, 습도, 토양수분 등의 주요환경요소를 조절하기 위하여 사용되는 각각의 구동장비에 대하여 농림수산식품교육문화정보원에서 온실 작물의 생장환경정보를 수집하며, 수집된 생장환경정보를 바탕으로 한 서비스 가이드라인을 정의한 ‘ICT융복합 장비규격 및 서비스 기준(시설원예분야)’의 구동기 종류 기준을 참고하였다. 2018년 12월 26일에 국가 표준으로 제정된 ‘스마트 온실을 위한 구동기 인터페이스(KS X 3265:2018)’에서 제시된 구동기 종류와 이를 작동시키기 위한 기계적, 전기적 연결표준, 그리고 작동방식을 기준으로 각종 융합보고서 및 구동기별 제조사 홈페이지, 제품소개서에 의하여 조사 및 분석을 진행하였다.

온실 내 온도분포를 균일화해주는 유동팬과 온도를 조절해주는 온풍기 및 냉방기, 습도를 관리하는 제습기와 가습기, 측창 개폐모터에 대하여 조사하여 시설원예온실 내에서 사용할 제어 구동기 장비의 종류와 사양에 대하여 적용을 위해 종류별로 소비전력, 전원, 사용면적, 가격 등으로 분류하여 분석 및 주요 환경요소관리를 위한 구동기 선정을 진행하였다(EPIS., 2018).

1) 유동팬

온실 내부의 온‧습도 센서값에 의해 구동을 제어를 통하여 균일한 환경 값은 유지하기 위한 구동기로써, 제어시스템에 의해 동작 모니터링이 가능하며 온도 설정값 이상 시에 동작이 되도록 제어신호가 가능하며 전원전압이 교류 220 V 단상으로 작동되는 규칙은 ON, OFF 스위치모드로 구동되는 유동팬(환풍기)의 전력, 사용면적, 가격 등의 기준으로 제품을 조사하였다.

2) 온풍기

온실에서 사용하는 난방기에 대하여 전원전압이 교류 220 V 단상으로 작동되는 규칙은 ON, OFF 스위치모드로 구동되는 소비전력, 난방면적, 가격 등의 기준으로 제품을 조사하였다. 각 국내 제품군 위주로 분석을 진행하였고, 일반 난방기보다 온풍팬의 제품으로 조사 및 분석을 진행하였다.

3) 제습기

온실 내부의 습도 값에 의해 구동을 제어를 통하여 다습의 환경에서 습도 하강을 위한 구동기로써, 습도를 제어하기 위한 희망습도 값 이상 시에 자동제어되며, 전력, 제습량, 가격 등을 기준으로 제품을 조사하였다.

4) 가습기

온실 내부의 습도 값에 의해 구동을 제어를 통하여 저습의 환경 값을 습도상승을 위한 구동기로써, 희망습도 값 이상 시에 자동으로 제어되며, 소비전력, 가습량, 가격 등을 기준으로 조사하였다.

5) 관수모터

온실 토양의 온도 값에 의해 구동을 제어를 통하여 토양온도 상승을 위한 구동기로써, 희망 토양수분 값의 이하시 자동제어하여 관수, 관비 공급이 되며, 전원전압이 교류 220 V 단상으로 작동되는 규칙은 ON, OFF 스위치모드로 구동되는 소비전력, 시간당 분무량을 기준으로 제품을 조사하였다.

6) 창 개폐모터

온실 내부의 측창, 천창, 보온커튼, 부직포 등을 온도값에 의해 올림, 내림 개폐율 제어를 통하여 내부온도 관리를 위한 구동기로써, 창 개폐모터는 모터기어, 1축기어, 2축기어, 3축기어(웜기어), 베어링, 스프로킷으로 구성되어 있다(Hong et al., 2017). 측창의 좌우 개폐율이 다르게 제어되며, 단계별로 설정이 가능하게 제어가 가능해야하며, 동력선 전원전압이 직류 24 V이며, 작동규칙으로는 열림(상), 닫힘(하)의 구동방식을 가지는 소비전력, 토크 등을 기준으로 제품을 조사하였다.

Results and Discussion

시설원예온실 내에서 환경관리를 위한 구동기를 환경요소별 구분하여 국내 업체 위주로 조사하고, 소비전력, 사용면적, 가격 등을 기준으로 각 구동기별로 대표제품을 조사하여 분석하였다.

유동팬의 종류는 온실환경조건을 견딜수 있어야 하기 때문에 외형 재질이 중요하다. 조사한바에 따르면 대부분 알루미늄, 스테인레스, ABS 재질의 제품으로 조사되었고, 유동팬의 팬을 회전시키기 위한 모터는 온실 내 고온, 다습환경에서도 문제가 발생하지 않은 방수가 가능한 제품이 중요한 요소이다. Table 1은 유동팬의 종류를 모델, 소비전력, 사용면적, 가격을 조사, 분석한 것이다. 첫번째 유동팬은 스테인레스 하우징, 알루미늄 4팬으로 구성되어 있으며, 모터의 경우에는 IP54 방수등급을 가진 AC 220 V, 50-60 Hz, 130 W의 제품으로 온실 50평(165 m2)당 1대씩 사용이 가능하다. 제품크기는 440 × 460 × 320 mm 로 조사된 유동팬 중에 가장 고가의 제품이다. 두번째 조사한 유동팬은 알루미늄재질의 하우징, 알루미늄 4팬으로 방수는 가능하지 않으며, 220 V, 60 Hz, 150 W제품으로써, 제품크기가 382 × 250 × 430 mm로써 소비전력은 높지만 유동팬보다 크기가 작아서 풍량이 약한 단점이 있다. 하지만, 스탠드형식의 설치방법으로 각도조절이 용이하고, 알루미늄재질이 때문에 가볍다는 장점을 가지고 있다.

난방기는 온풍팬을 기준으로 구동기 국가표준에 의거하여 AC단상 제품을 기준으로 Table 2와 같이 조사하였다. 첫번째 난방기는 소형 전기온풍기의 형태로써, AC 220 V, 3 kW 소비전력을 가지며, 발열부 최대온도는 85℃이며, 230 × 170 × 280 mm을 사양이며, Table 2의 네번째 난방기는 AC 220 V, 5 kW소비전력의 제품이며, 15평(49.5 m3)당 1대씩 사용이 가능하며, 시간당 4,300 kcal의 발열량을 발생하며, 제품크기는 850 × 350 × 340 mm이며, 온실 내에서 덕트를 설치하여 사용하는 형태의 제품이다.

Table 1. Fan specifications in greenhouse. http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-036_image/Table_PASTJ_20-036_T1.png
Table 2. Heater specifications in greenhouse. http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-036_image/Table_PASTJ_20-036_T2.png

국내 제습기 제품은 Table 3에 제품별 소비전력, 제습량, 가격으로 분석하였고, 첫번째로 농용공기교반제습기가 유일한 공중설치형 제품으로써, 팬모터와 콤프레샤 형태의 제습기를 동시에 가동하며, AC 220 V, 60 Hz, 670 W 의 소비전력을 가지며, 냉매는 R-22를 사용하며, 시간당 1.5 L 제습량을 가진다(Chung and Jang, 2019). 사용면적은 70 평당 1대씩 사용이 가능한 제품이다. 두번째 제습기는 냉매는 R410A를 사용하며, 1일당 210 L의 제습량을 가지며, 소비전력은 AC 220 V, 60 Hz, 1.5 kW이다. 제습기 자체의 자동제어 기능을 포함하고 있는 것이 장점이다.

Table 4는 국내외 가습기 제품을 분류하였으며, 첫번째, 산업용 초음파 가습기로써, 시간당 3000 CC의 가습량을 보이며, 8 μm 초 미립자 분무를 하는 교류 220 V, 60 Hz, 240 W의 소비전력을 가지는 제품이다.

Table 3. Dehumidifier specifications in greenhouse. http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-036_image/Table_PASTJ_20-036_T3.png
Table 4. Heater specifications in greenhouse. http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-036_image/Table_PASTJ_20-036_T4.png

개폐모터는 타 구동기와 다르게 올림, 정지, 내림의 형식의 DC 정역회전이 가능한 모터로써, RPM모터회전수와 토크를 기준으로 Table 5와 같이 조사하였다. 개폐기는 측창, 천창, 스크린, 다겹보온커튼, 부직포 등 개폐 대상의 무게 등을 고려하여 차이가 있지만, 본 조사에서는 측창을 기준으로 개폐모터를 조사하였다. 국내 개폐모터 제조회사는 크게 2곳의 제조사로 분류되었고, 첫번째 제품은 DC24 V, 4 A의 소비전력을 가지며, 회전수는 4.5 rpm, 토크는 49 N.m을 가진다. 개폐높이 및 거리는 8 × 100 m이다. 두번째 제품은 DC24 V, 2.6 A의 소비전력을 가지며, 회전수는 3.5 rpm, 토크는 39.2 N.m을 가진다.

Table 5. Windows motor specifications in greenhouse. http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-036_image/Table_PASTJ_20-036_T5.png

Conclusion

본 연구에서는 시설온실 내에서 최적의 작물 생육환경을 조성하기 위해 주요 환경요소인 온도, 습도, 토양 등을 관리할 수 있는 구동기를 국가 표준인 스마트 온실을 위한 구동기 인터페이스(KSX 3265:2018)에서 제시한 유동팬, 난방기, 냉방기, 개폐기, 제습기, 가습기 등의 구동기를 소비전력, 사용면적, 연결방식, 가격 등을 기준으로 조사, 분석을 진행하였다. 스마트팜 시스템의 배전반과 구동기의 상호 연동을 위해서 표준화된 전기적신호가 필요하다. 국내 제조된 제품의 경우에는 전체적으로 연결방식이 동일하였고, 난방기의 전기용량이 10 kW가 넘는 경우에는 단상이 아닌 삼상형태의 연결방식이 다르게 조사되었다. 각 구동기 제조사별 사양 및 재질, 사용면적이 다르기 때문에 해당 농작물 환경에 적합한 제품의 선택이 중요하고, 온실 내 최적의 환경관리를 위해서 각 온실규모별, 농작물 높이 등 환경에 맞는 대소형의 환경관리 구동기를 사용면적에 따라 선택하여 사용해야하며, 환경제어시스템에 적용하기 위해 전기를 이용하는 구동기의 제어방법에 따라 ON, OFF 적용이되는 유동팬, 제습기, 가습기, 난방기, 열림, 정지, 닫힘으로 제어되는 개폐종류를 분리하여 각각 개별 제어방법에 따라 적용이 필요할 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구내용은 제어시스템 선택할 경우, 각 릴레이들의 선택에 기본 자료이며, 국내 스마트팜 기술에 대하여 하드웨어 기술에 대하여 구동기 동작시 동시동작 및 정밀제어에 대한 추가 기술연구가 필요할 것이라 사료된다.

Acknowledgements

본 성과물은 농촌진흥청 연구사업(세부과제번호: PJ014538022020)의 지원에 의해 이루어진 것임.

References

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