스마트팜 예습 정리 - 환경제어, 환경측정

환경제어 프로그램

국내 - 마그마

유럽 - 호겐드론, 프리바, 홀티맥스 등 사용

교육센터 내의 경영형 실습장에선 마그마를 사용하는 것을 확인함

 

환경제어 프로그램의 원리

-나뉜 시간 속에서 스크린의 작동 방법이나 온도/광에 따라 세팅 값 입력 후 동작 등을 설정 가능

-Co2 제어의 경우 주기가 나눠져있으며 때에 따라 이산화탄소 공급 시간, 공급량 등을 설정할 수 있다. 다만 국내 시설원예는 이산화탄소를 돈주고 사기에 가성비를 생각해야함.

 

복합 환경제어 프로그램이란?

작물의 생육에 적합한 환경을 만들기 위해 2개 이상의 환경 요인들을 복합적으로 제어하는 것을 복합 환경제어라고 한다. 복합 환경제어는 여러가지 환경 정보를 컴퓨터에 입력하여 모든 상태를 하나의 컴퓨터로 하여금 자동 제어할 수 있는 방식을 의미한다. 대표적인 입력 자료로는 일사량, 온도, 습도, 풍속, 강우, 천창의 개폐 여부 등이 있다.

 

복합 환경 제어 시스템의 설정

천창 제어	스크린 제어	CO2 제어	레일 히팅 제어	차광 스크린 제어
보온 스크린 제어	측면 스크린 제어	포깅 제어	유동팬 제어	양액 시스템 제어

 

주기란?

- 오전 7시~10시까지 : 1주기

- 오전 10시~오후 3시까지 : 2주기

- 외부 환경에 따라 주기 설정 가능

 

오류에 대한 대처

센서 오류를 알아보는 방법 예시

- pH가 갑자기 큰 폭으로 변화하는지 체크

- 이런 경우 드리퍼에서 떨어지는 물을 받아 물의 양과 특정 센서를 사용해 체크한다.

- 드리퍼로 물을 1리터 설정했을 때, 1리터가 제대로 나왔는지 체크 등

온실 온도 불균형에 대한 대처 예시

- 구역마다 큰 온도 차이 발생

- 원인을 찾기 위해 재배자가 직접 온실 내 문제 구역을 수색

- 작은 구멍, 혹은 잘못 연결된 센서가 있는지 확인

 

이산화탄소 제어

시기적으로 다르지만 보통 대기 중 농도가 350~400ppm이 있다.

 

이산화탄소 제어의 필요성

- 작물체는 이산화탄소, 물, 빛을 활용해 광합성을 하고 동화산물 작용을 한다.

- 동화산물 에너지인 포도당은 열매 성장에 매우 중요하다.

- 이산화탄소가 없으면 이 포도당을 만들어내지 못하고, 충분하면 광합성의 효율을 높여준다.

 

이산화탄소 제어 중 다른 환경 그래프를 봐야하는 이유

- 천창 그래프의 경우 환기를 통해 이산화탄소가 외부로 흩어짐. 그러므로 항상 이산화탄소 주입 전 천창이 닫혀있는지 체크할 것

- 광량 역시 중요한데, 결국 광합성의 효율을 높이기 위해 이산화탄소를 넣는 것이기에 빛이 제대로 받아지고 있는지도 체크해야함.

 

이산화탄소 농도 설정 시 주의점

- 기본적으로 5~600ppm 정도로 맞추기

- 농장마다 상황에 맞춰 설정해야하지만 사용량과 수확량을 저울질하면 보통 더 넣으면 더 수확한다.

- 1000ppm 이상은 추가적인 효과를 기대할 수 없다고 한다.

 

작물 재배 모니터링

스마트팜의 환경제어와 영농정보, 경영정보 등이 결합되어야 올바른 데이터 활용이 가능해진다. 작물 재배 모니터링은 세부 작물의 생육 조사 방법이며, 스마트팜과 관련한 빅데이터를 수집하는 기관에서 보통 제공받을 수 있다.

 

활용가능한 데이터 조사법

- 작물 모니터링 후, 인풋/아웃풋에 대한 결과와 상관관계 조사

- 온도 등 환경 조건에 따른 수확량 조사에 대한 데이터 위주로 수집

 

유의사항

- 작물 재배 모니터링 시 단순 조사만 하는 것은 의미가 없다. 그렇다고 모든 항목을 다 조사하는 것도 아니다. 필요한 것만 취사선택할 것.

- 작물 생육 데이터를 환경 데이터와 엮어볼 것. 그리고 이 데이터들이 수확량 향상에 도움이 될지 분석을 계속 진행할 것

- 두 데이터 모두 분석할 줄 알아야함. 그리고 이를 분석해 경영적인 측면을 고려해야한다.

- 환경에 따라 온도, 누적 일사량을 체크하는 것이 좋다.

- 엽전개가 빠른 작물이라면 작업 및 관리 방안을 고심하는 것이 좋다.(인력 배분 등)

 

스마트팜의 영농 정보 활용법이란?

- 작물 값이 싼 시기와 비싼 시기가 존재한다.

- 금액이 좋은 시기에 수확하는 것이 이득이다. 환경 제어를 통해 작물 성장 속도를 조절하여 수확일자를 어느정도 조절할 수 있다.

 

작물재배 모니터링의 예시

1. 엽장(잎자루를 제외한 잎의 크기), 엽폭(잎의 너비) : 1~2주에 한 번 조사

2. 엽면적 지수(단위 면적당 잎의 총 면적을 나타내는 지표.) : 효율적인 광합성 가능 여부 판단

3. 엽수(잎의 갯수) : 매일 조사

문제 발생 예시 - 엽전개가 멈춘 경우

- 빠른 대처가 필요함. 작물 미성장의 원인을 파악해야한다.

- 열매가 너무 많이 달려서 양분이 고루 분배되지 않는 등의 문제점들을 파악할 수 있어야한다.

 

데이터 분석 후 고려할 사항

- 일사량이 부족할 경우 보광등 시스템을 활용해 일사량을 늘릴지 고려

- 광을 가리는 시설이 있을 경우 중요도에 따라 철거 및 개조 고심

- 열매의 과장(열매의 길이)까지 조사하면 성장 속도와 수확 주기 등을 알 수 있다.

 

계측장비의 중요성

4차 산업은 기계의 고도화를 넘어, 데이터의 수집 및 분석과 이를 활용하는 단계에 이른다. 스마트팜도 분류 상으로는 4차 산업이고 올바른 데이터 활용은 풍작에 필수적이기에 계측하는데 있어 과소평가하는 행위는 있어서는 안된다. 다만 온실의 크기에 따라 계측 장비의 선정이 중요하다.

 

스마트팜 계측 NCS(국가직무능력표준) 표준안

순번	능력단위
1	센서 빛 계측 기기 설치 운용
2	지상 환경 데이터 계측
3	양수분 데이터 계측
4	병충해 데이터 계측
5	생육 데이터 계측
6	에너지 데이터 계측
7	생산품질 데이터 계측
8	계측 데이터 기본 분석

 

 

스마트팜 계측 내 학습 모듈 8개

순번	능력 단위
1	센서 및 계측 기기 설치 운용
2	지상 환경 데이터 계측
3	양수분 데이터 계측
4	병충해 데이터 계측
5	생육 데이터 계측
6	에너지 데이터 계측
7	생산 품질 데이터 계측
8	계측 데이터 기본 분석

 

 

 

 

수분량

수분량은 뿌리가 머금고 있는 수분의 정도이다. 적당한 뿌리 환경은 품질과 생산량 증진 기능이 있다.

 

수분을 위한 기초 데이터

급액 상태	배액 상태
함수율	배지 상태

 

함수율

함수율은 배지가 현재 얼마나 많은 물을 머금고 있는지를 체크하는 기준이다. 가정식을 할 때에는 빈 가정식 큐브와 완전히 포습된 가정식 큐브의 무게를 비교하여, 그만큼을 기준으로 함수율을 체크한다. 함수율은 기본적으로 급액을 하면 올라가고, 작물이 증산 활도을 하면 내려간다. 함수율이 높으면 뿌리가 흡수할 물이 늘어나지만 그만큼 토양이 습한 상태이기 때문에 곰팡이나 해충들이 활동할 염려도 커진다. 그렇기에 병해충 발생 비율과 작물 생장 효율의 최적지점을 계측하는 것이 매우 중요하다. 

 

근권부 환경 계측

시설 원예, 정확히는 배지 및 고설 상토 재배를 하는 농가에게 있어서 근권부 환경 측정은 말해 입아픈 중요한 데이터 계측 활동이다. 근권부 환경 측정을 위해 하나의 장비만 사용하는 것이 아니라, 배액 EC/pH 센서나 시간대별 배액비율 체크를 위한 로드셀 등 많은 장비를 동시에 사용한다.

 

급액량 - 계측기가 없어도 확인이 가능

EC/pH - 근권부에 전기 간극을 활용한 센서 측정이 가능하다. 단 간섭 발생을 피하기 위해 Ec센서와 pH 센서를 분리하여 설치하는 것을 추천한다.

급/배액량 - 로드셀을 이용해 확인한다. 로드셀은 민감한 무게 변화도 계측이 가능하기에 쓰이고 있찌만 애초에 시설원예를 위해 만들어진 것이 아니다 보니 센서 오류 등의 변수가 다른 계측기기에 비해 많은 편이다.

 

 

 

 

 

 

생육조사

최적화된 광합성을 알아보는 방법

잎의 엽면적 지수 재기(잎의 폭 * 길이)

오이의 경우 - 1m * 1m 공간 안에 잎에 3겹으로 쌓이면 광합성 하는데 충분한 잎을 가지고 있다 판단

상황에 맞게 이파리 사이즈 측정 후 광합성 능력을 기록할 것.

- 광합성을 통해 만들어지는 에너지는 한정됨

- 너무 많은 열매가 달리면 품질 저하가 발생함, 적과를 하여 작물체의 에너지를 효율적으로 사용할 것

- 광합성이 잘 되는 상황과 환경에 대한 데이터 확보를 할 것.

- 광량 측정기를 통해 J의 변화에 따른 작물의 성장 정도를 측정하여 비교하면 대략적인 광합성 효율의 가닥을 잡을 수 있음.

 

수분 측정 및 관수

작물을 기르는데 수분 관리는 필수다. 시설원예, 그 중 스마트팜은 토경재배를 거의 하지 않고 고설재배, 배지경 방식을 채택한다.

과습 예방법

1. 중량열법 - 1m 배지 아래에 저울을 달아 무게를 측정하는 방법, 배지 아래에 배액 홀이 뚫려있기 때문에 실제 배지의 최대 함수율보다 약간 낮은 포수량이 현장에서 체크할 수 있는 최대 함수율이 될 것이다.

2. 수분 센서법 - 노트 옵티마이저나 배지에 센서를 꽂는 방법, 이러면 EC, pH를 곧장 측정할 수 있고 드리퍼를 활용해 수분 및 양액 공급이 가능하다. 이러면 자동으로 pH, EC값을 자동으로 관리해질 수 있다. 하지만 여기까지 기능이 있는 것은 너무 고가라 잘 쓰이지 않는다.

3. 전극 제어법 - 배지 아래에 구멍없는 판을 설치한다. 그리고 물이 한쪽으로 쏠리도록 구멍의 구배를 맞춘 다음 흘러나오는 물을 체크하는 방식을 쓴다. 예시로, 물 1L를 주고 300mL를 뱉어냈다면 700mL를 광합성하고 증산하는데 쓴 것이라고 볼 수 있다. 그러면 700mL만 사용해도 충분하다는 의미이고 물 1L기준으로의 배액률인 30%로 체크할 수 있게 된다. 여기서 흘러나온 30%의 배액으로 EC, pH를 측정해서 작물 피해가 없는 수치를 확인할 수 있다.

 

배지에 관수량 체크

관수량 자체는 환경제어 프로그램에 데이터를 기록한다. 그러므로 우리는 배출하는 배액량만 체크하면 된다. 배액 검사를 하면 변화를 관찰해서 뿌리의 해를 예방할 수 있고 드리퍼의 효율을 늘릴 수 있다. 드리퍼에 비커만 설치하면 공급액의 수질 검사를 진행할 수 있다.

준비물

수질 측정기 - 다른 회사 제품으로 2개 준비. 수치가 서로 다를 경우 고장의 경우 등이 있을 수 있기에 장비 점검을 할 수 있어진다.

수질 측정기를 통한 배액 검사 방법

1. 배액 검사를 위해 배액을 받은 통에 오늘의 물량을 체크한다.

2. 배액 검사 통해 센서를 담가 돌려주다 멈추면 숫자가 정지하는 구간이 있다. pH를 측정하는데 시간이 소요되기에 인내심을 가지고 5분 이상 기다려준다. 수치가 나온다고 바로 기록하면 낭패를 볼 수 있으며 기계의 깜빡거림이 멈춘 후 정확히 나오는 수치를 참고해야한다.

 

냉난방 부하 계산

난방의 장점

비수기인 겨울철에도 농사를 지을 수 있음

여름 대비 농산물 가격이 크게 상승하는 겨울철에 수확이 가능함

난방에 추가적인 비용이들지만 높게 형성된 시세를 통해 이득을 취할 수 있음

 

난방 설치

튜브 레일 - 60도~80도의 고온수를 흘리면서 공기를 데우는 방식, 지면과 가까운 위치에 설치함

스크린 - 천장쪽에 설치하며 광량을 줄여 간접적인 난방을 실시한다.

그로잉 파이프 - 생장점 자극을 위한 추가 난방기구. 튜브레일처럼 고온수를 흘려 따듯한 공기열을 작물에 전달

 

고온수를 사용하기 위한 주요 장비 - 보일러(히트 펌프 문제시 사용), 히트 펌프(평소에 사용), 지열난방

 

효율적인 난방 관리 장치

3way 밸브

3방향에 유체 출입구를 가진 밸브이다. 3way 밸브는 주로 컨트롤 모터와 조합하여 전동 밸브로 사용하며, 온수난방 장치에 있어 온수의 유로 전환과 동시에 유량 조절을 실시하는 자동 제어 밸브로 기능한다.

장점

- 수로의 밀폐 능력이 기타 밸브에 비해 뛰어남

- 기타 밸브에 비해 내구성이 우수함

- 밸브와 연결 구조를 다양하게 보유

 

온실 난방 설비 - 보일러

- 지열 냉난방

- 공기열 냉난방

- 기름/전기/가스 보일러

전기 보일러는 전깃줄과 보일러 등 초기 투자 비용이 필요하다. 가스/기름 보일러는 국제 유가 등에 시세가 너무 휙휙 바뀌기에 유지비 측면에서 페널티가 있다고 생각해야한다.

 

난방 과설계 방지법 예시

농장의 평수 : 1000평

적절한 난방 설치비 : 1억원

과설계시 : 3억원 발생 -> 복수 업체와 상담 및 견적 확인 후 재배할 작물 종류와 온실이 위치한 지리적 기후 특성을 감안하여 "가장 효율적"인 시설 위주로 설치할 것

 

냉방의 필요성

여름철 내부 온도가 30도 이상일 때, 환기창만으로는 온도 제어가 불가능함. 32도보다 높은 온도를 유지시 작물 관리에 큰 어려움이 발생함

실내 온도가 35도 이상을 찍는다면 작물에 직접적인 악영향이 발생하기 시작한다. 과한 증산으로 몸집만 커지게 되며 열매에 동화산물 에너지를 주지 못하게 된다. 품질 저하와 병해충 발생은 당연하다.

 

냉방 방식

차광을 통한 빛 에너지 차단(스크린 등)

미스트를 이용한 물방울을 만들어 냉방(포깅 시스템)

천창 위 스프링 쿨러를 통해 물 뿌려주기(직접적 온도 냉각)

FCU를 설치하여 덕트에 찬바람이 나오게 유도(습도를 잡으며 동시에 찬 공기를 제공)

 

환기의 역할

-온.습도 관리 및 조절

-이산화탄소 공급

-유해가스 배출

 

환기와 관련하여, 겨울철 상대 습도가 높아지는 이유

- 작물은 증산을 하고, 이로 인해 상대 습도가 높아진다.

- 상대 습도가 높은 상황이 유지되면 곰팡이병 등 질병에 노출되기 십상이다.

- 습이 너무 높으면 배지 내의 뿌리가 약해진다.

 

스크린이 2장 있는 경우의 환기 활용법

- 스크린을 모두 닫으면 단열 효과

- 따듯한 공기가 차면서 상대습도 증가

- 스크린 2개를 활용해 환기

 

겨울철 스크린을 통한 환기

- 직접적 천창 환기가 아님을 인지

- 환기보다는 대류라는 표현이 확실

- 결로 유발할 수 있으니 주의

- 대류 효과에 의해 결로 발생, 물방울이 표면에 맺히면서 상대 습도를 떨어뜨리는 방식이다.

- 겨울 난방비 절약을 위해 오전 7~87시 사이 차광하는 경우가 있는데, 광합성량과 난방비를 잘 저울질해야한다.

 

천창 설치 시 고려 사항

- 방충망 필요 여부(일부 농가는  대류가 일어나지 않기 떄문에 방충망에 대해 회의적)

- 윈드 사이드, 리사이드의 위치 선정

- 창의 사용 목적

- 푸시바 및 하드웨어 장비 설치 여부(제어 프로그램말고 재배자 본인의 판단 하에 여닫을 수 있는 조치)

 

환기 시행 시 주의점

- 바람이 너무 세게 불면 작물체가 흔들릴 수 있음. 이러면 작물체들이 스트레스를 받아 에너지 생산이 힘들어짐

- 풍속은 5m/s 이하로 유지할 수 있도록 주의

- 농장마다, 시기마다 필요한 이산화탄소 농도가 상이하며 환기를 하면 이 농도가 거의 무조건 흐트러지는 것을 감안해야한다.

 

 

 

차광의 역할

-어린 모종은 강 빛에서 시들거나 타버릴 수 있음

-방제 시 이파리가 탈 수 있음

-상황에 따라 가끔씩 강한 빛을 차단해야함

스크린

용도 - 커튼이라고도 불림. 빛 차단 뿐만 아니라 겨울철 보온 효과도 기대 가능

특징 - 기본적으로 2~3장 사용, 측고 5~6m의 밸로형 지붕 하단 1~2m사이에 설치, 농장 상황에 따라 3장까지 설치 가능

 

종류 - 차광에 용이한 / 보온에 용이한 스크린으로 나뉨

종류	재료	겹
차광 스크린	비닐	삼중
보온 스크린	차광막	사중

 

설치 시 유의점 - 용도에 맞게 1~3개 설치, 아래쪽은 보온을, 위쪽은 차광을 염두에 두고 설치할 것

스크린 종류에 따른 활용법 - 해가 너무 강할 때 차광용으로 사용. 스크린 종류에 따라 차광률 차이가 있음을 기억할 것.

 

흐린 날의 스크린 활용법

- 스크린을 닫아 단열에 사용 가능

- 환기를 조금씩 시켜 습기를 날리는데 사용할 수 있음.

 

 

효율적인 에너지 관리법

- 센서를 통해 온실 내부의 정확한 온도 정보 파악

- 유동팬 등의 공기 순환 장치 이용으로 환경을 균일하게 조절

- 보온 장치(스크린)의 활용

- 외부 환경 변화를 수시로 확인

- 꼭 필요한 때 필요한 만큼 난방을 시행함

 

현재 강의 순회를 하며 내용을 정리 중이기에 추가될 수 있음

(38강 까지 순회)