모바일 Web 환경 기반 환경계측장치 실시간 보정 기법 연구

전진택 ( Jintack Jeon ),상완규 ( Wankyu Sang ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

최근 5G, AI, IoT 등 차세대 기술의 IT 산업의 백본(Backbone) 역할을 담당할 수 있으며 재원 경감이 가능한 초단말 컴퓨팅 기술 연구가 해외 선도 기업들에 의해 활발하게 진행 중이다. 농업 현장에서 작물생육 모델링을 위한 데이터 취득시 기상조건, Unsupervised dataset의 발생에 따른 입력정보 외란이 발생한다. 사용자가 모바일 환경을 이용하여 실시간으로 평가하고 보정할 수 있다면 실효적인 작물 생육 모델링 활용이 가능할 것이다. 본 연구에서는 작물 및 생육환경 모델링의 효율적인 현장 도입을 위한 모바일 Web 환경 이용 환경계측장치의 보정 방법을 연구하였다. 하드웨어는 WiFi 통신을 지원하는 마이크로 컨트롤러(D1 mini, LOLIN, China)와 전원 공급부, 데이터로거(MicroSD shield), RTC(DS3231M, KEYES, USA), 온습도센서(HDC1080, DIGILENT, USA), 암모니아 센서(MQ137, WINSEN, China), 황화수소 센서(MQ136, WINSEN, China)로 설계하였다. 온습도 센서는 온도 ±0.2℃, 습도 ±2% RH의 분해능을 가지고 있으며 가스센서의 측정 범위는 암모니아가스 5~500ppm, 황화수소가스 1~200 ppm이다. 펌웨어는 모바일 환경에서 보정하고자 하는 장치에 WiFi 연결 후, 웹브라우저를 통해 지정된 IP로 접속을 할 수 있도록 설계하였다. 현재 시간 적용을 위해 스마트폰 클라이언트의 시간 정보를 이용하여 동기화하였다. 선행연구를 통해 얻은 보정식을 기반으로 사용자가 웹 화면에 환산식을 입력하여 실시간으로 센서의 오차를 보정할 수 있도록 하였다. 내장 EEPROM에 데이터(시간, 환산식, SSID)를 저장하여 사용자 설정값을 전원이 차단되거나 리셋이 되더라도 값을 유지 할 수 있도록 개발하였다. 개발된 환경계측장치의 모바일 Web에서 Configuration 아이콘을 통해 설정 페이지로 이동이 가능하며 Time sync 아이콘을 통해 현재 시간이 적용되는 것을 확인 할 수 있다. 센서값 보정 및 SSID 설정을 위해 설정 페이지에서 SSID 및 온·습도, 가스 환산식을 대입한 후 Update config 명령을 통해 최종적으로 보정된 Estimated 값을 확인 할 수 있다. 본 개발을 통해 계측 장비의 설치 위치, 환경 조건에 따라 발생하는 정보 오차의 보정 및 감소 효과를 기대할 수 있다.

휴대형 온습도 계측 엔클로징 최적화 설계 방안 연구

전진택 ( Jintack Jeon ),상완규 ( Wankyu Sang ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

스마트팜은 최적의 생육환경 조성을 위해 정량적인 데이터를 기반으로 설계해야할 필요가 있다. 농업 현장에서 발생하는 유해가스, 먼지 및 분진, 엔클로징 내부 발열 등이 센서 측정값 오차의 원인이 될 수 있다. 다양한 환경에서 센서를 보호하고 엔클로징 내부 발열 문제에 대응하여 정확한 센서 정보를 제공할 수 있어야한다. 이에 최적 생육 진단이 가능한 하드웨어 설계가 요구된다. 본 연구에서는 선형회귀를 이용한 데이터 분석을 통해 엔클로징 최적화 설계 방안을 연구하였다. 하드웨어는 WiFi 통신을 지원하는 마이크로 컨트롤러(D1 mini, LOLIN, China)와 전원 공급부, 데이터로거(Micro SD shield), RTC(Real Time Clock), 온습도 센서(DHT22, RobotDyn, China)로 설계하였다. 온습도 센서는 온도 범위 -40~80℃에서 ±0.5℃, 습도 범위 20~90% RH에서 ±2% RH의 분해능을 가지고 있다. OLED 디스플레이 모듈을 추가하여 출력되는 측정 데이터 값을 모바일 Web 환경과 비교할 수 있도록 구성하였다. 시간 정보가 정상적으로 작동하면 OLED 디스플레이에 SD-OK 사이의 (-)가 2초 간격으로 점멸한다. 엔클로징 내부 습기가 차는 것을 방지하기 위해 케이스 상단과 하단에 대각선 방향으로 직경 1.5 cm크기로 공기 통로를 확보하였다. 분석을 위해 동일한 구성에 온습도 센서만 케이스 외부로 돌출시켜 대조군으로 설정하였다. 비교를 위해 휴대형 엔클로징 장치 4대, 대조군 1대를 항온항습기(HK-BI025)에 0℃~50℃ 구간의 온도환경조건으로 실험을 진행하였다. 데이터는 1분 간격으로 측정하여 microSD에 저장하였고, 측정 데이터는 엔클로징 센서값과 대조군 센서값을 독립변수, 종속변수로 설정하여 회귀분석을 진행하고 두 값의 상관관계를 결정계수(r2)로 해석하였다. 온습도센서에 대하여 엔클로징 장치 4대 분석 결과 온도 데이터는 r2ch1=0.9912, r2ch2=0.9909, r2ch3=0.9878, r2ch4=0.9903, 습도 데이터는 r2ch1=0.9459, r2ch2=0.9436, r2ch3=0.9498, r2ch4=0.9401의 결정계수를 나타냈다. 온습도 분포도는 직선에 가까운 선형을 보이고 있으며 센서별 온습도 분포 추세선의 방정식의 편차를 확인했다. 항온 항습장치 환경에서 수행한 센서별 온습도 선형 회귀 분석법으로 엔클로징 내부 센서 데이터를 정확하게 측정할 수 있었으며, 향후 현장 실험을 통해 그 성능을 평가할 것이다.

PTZ 카메라를 이용한 논 수위 원격 진단 방안 연구

전진택 ( Jintack Jeon ),수정 ( Check ),상완규 ( Wankyu Sang ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

기후변화로 인한 폭염, 집중호우, 가뭄 등 극한 이상 현상의 빈도 증가는 수도작의 생산성과 생산량에 직접적인 피해를 끼치고 있다. 논 수위 관리는 벼의 생육과 쌀의 품질을 결정하는 중요한 요소이다. 관행의 육안에 의존하는 논 수위 확인 작업은 농민이 직접 확인해야하는 번거로움이 존재한다. 이를 개선하기 위해 센서데이터 활용 방안 연구에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히, 농업현장에서 실시간생육관리 플랫폼의 도입의 필요성이 발생하고 있다. 이에 본 연구에서는 PTZ 카메라와 형광 마커를 활용하여 현장의 기후, 기상조건 등의 다양한 외란을 극복할 수 있는 논 수위 추정 영상처리 알고리즘을 개발하고 기초 실험을 수행하였다. 마커의 형태는 원으로 선정하여, 다양한 각도로 촬영된 영상에서 마커 식별 가능하도록 하였다. 크기는 100× 100 픽셀의 원본 이미지를 y축 기준 1%에서 100% 까지 크롭핑하여 수위 증가에 따른 원본이미지 변화간의 기하학적 상관성을 분석하였다. 원본 이미지 안의 원형 마커의 1:1~99까지 비율별 centroid값과 수위간의 선형 상관관계 분석 결과 매우 높은 유의성을 확인할 수 있었다. 선형 회귀 분석법을 이용하여 다일차, 이차, 삼차 회귀 다항식을 도출하고 각각 r2=0.9818, r2=0.9944, r2=0.9945의 결정계수를 확인하였다. 자연광이 현저히 부족한 야간에도 마커의 식별 성능을 높이기 위하여 형광 마커를 사용하였다. 수위 측정을 위해 50cm 높이의 아크릴 판에 4cm 간격으로 마커를 부착하였다. 배경은 검은색으로 도색하여 이미지 전처리 과정에서 마커를 쉽게 분리하도록 하였다. 실험에 사용한 이미지는 밝을 때와 어두울 때를 기준으로 건조상태, 물방울 맺힘, 담수의 상황별로 촬영하였다. 분석 단계에서 RGB 포맷의 이미지의 각 채널별 이미지를 Red/2+Green/2-Blue/2 과정을 통해 Binarizy image를 획득하였다. 눈으로 식별이 어려운 이미지를 segmentation 을 통해 이미지 보정을 하고 detected image 획득하였다. 기초 실험을 통해 PTZ 카메라를 활용해 획득한 이미지 데이터로 논 수위 예측 가능성을 확인 할 수 있었다. 현장의 다양한 외란을 극복할 수 있는 수위 변화 관찰 시스템을 통해 신뢰성 있는 벼 생육 모델의 구축이 가능할 것이다. 또한 관수시스템과 연동하여 논 수위에 따른 자동 관수 기능을 가진 실시간생육관리 플랫폼 개발이 가능할 것이다.

노지 현장 운용 대응 태양광패널 효율 평가 영상처리 기법 설계

이정규 ( Jungkyu Lee ),전진택 ( Jintack Jeon ),상완규 ( Wankyu Sang ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

친환경 자원 중 범용적으로 사용되는 태양광모듈은 외부환경에 노출되어 있어 먼지, 동물 배설물 등에 의해 오염이 발생되고 있다. 오염이 발생하게 되면 태양광 에너지 변환 효율이 떨어지기 때문에 오염에 따른 즉각적인 대응이 없다면 에너지 변환 손실이 발생하게 된다. 패널 오염에 따른 에너지 전환 손실을 줄이기 위해 주기적으로 태양광패널 청소를 하고 있지만 지속적으로 패널만 확인할 수 없어 태양광 효율이 떨어지고 있다. 이에 자동으로 패널의 오염도를 판단하기 위한 기술들이 요구되고 있다. 본 연구에서는 이미지를 기반으로 하여 태양광패널의 오염도를 분석할 수 있는 영상처리 기법 설계를 위한 기초 연구를 수행하였다. 연구에 사용한 카메라(OV2640, OmniVision, US)는 FOV 68°이며 넓은 범위의 패널을 촬영하기 위해 카메라와 호환되는 FOV 160°의 렌즈를 사용하였다. 정확한 분석을 위해서 사진의 해상도는 가로 1600, 세로 1200으로 설정하여 촬영을 진행하였다. 이미지 분석을 위해 공학용 수치해석 소프트웨어(MATLAB R2021a, MathWorks, USA)를 사용하였고 가로 0.66 m, 세로 1 m 크기의 태양광패널을 이용하여 실험을 진행하였다. 이미지를 통한 오염물 추출을 위해 태양광 패널과 오염물 사이의 색상 차이를 이용하여 분석을 진행하였다. 우선 태양광패널 사진을 작은 크기의 사진으로 나누었고 나누어진 사진을 RGB 채널별로 분리하였다. 다음으로 각 이미지의 표준편차를 계산하여 표준편차 값을 통해 오염물을 추출하였다. 마지막으로 추출된 오염물을 확인하기 위해 표준편차를 이용해 gray 이미지를 만들어서 패널의 무늬와 오염물의 추출과정을 진행하였다. 외부환경의 오염물 중 하나인 조류 배설물을 가정하여 패널을 오염시켜 촬영한 다음 분석하였다. 조류 배설물로 오염된 태양광패널 이미지에서 태양광패널의 무늬와 오염물을 추출할 수 있었고 추출한 gray 이미지를 통해 무늬의 패턴을 분석하여 패턴 이상여부 판단을 통해 오염물질을 추출할 수 있었다. 본 연구를 기반으로 하여 태양광패널 이미지를 통해 외부환경 오염 유무 검사가 가능할 것으로 예상된다. 나아가 타 장비에 적용을 통해 다른 분야의 장비 오염 유무 분석이 가능할 것으로 판단된다.

휴대형 온도 센싱 장치의 엔클로징 내부 전도 현상 분석

전진택 ( Jintack Jeon ),임은정 ( Eunjeong Em ),상완규 ( Wankyu Sang ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

스마트팜의 다양한 환경조건과 생육조건을 조절하여 생산성을 증대시키기 위해 신뢰도 있는 센서와 제어장치가 필수적이다. 축사에서 발생하는 가스, 먼지 등에 장시간 동안 노출되면 센서 고장이 발생하여 정확한 정보를 측정하는데 어려움이 있다. 따라서 온도 센싱 장치의 신뢰성 및 정확한 측정을 확보할 수 있는 구조를 가진 온도 센싱 장치의 엔클로징이 필요하다. 한편 엔클로징 내부 보드의 발열이 온도센서에 전도되어 온도 데이터의 오차가 발생하였다. 본 연구에서는 휴대형 온도 센싱 장치의 엔클로징 내부 발열이 센서로 전도되는 현상에 대하여 엔클로징 설계를 통해 접근하였다. 휴대용 온도 센싱 장치의 엔클로징은 케이스(80 x 80 x 60) 내부에 마이크로 컨트롤러(D1 mini, LOLIN, China)와 전원 공급부, 작동 확인용 LED, 데이터 로거, 온도센서로 구성하였다. 데이터 저장을 위한 RTC 모듈(DS1307, RobotDyn, China)과 온도 센싱을 위한 분해능이 ±0.5 ℃ 이며 -20 ℃ ~ 60 ℃ 범위를 계측할 수 있는 온습도 겸용 센서(DHT11, Wemos, China)를 사용하였다. 분석을 위해 케이스를 제거하고 보드와 센서 연결선 길이를 28 cm로 연결하여 대조군으로 설정하였다. 케이스의 유무에 따른 엔클로징 내부의 전도 현상 비교를 위해 환경조건은 평균 23.2 ℃ 의 공기유동이 적은 실내에서 실험을 수행하였다. 데이터 취득은 분당 1회 24시간 동안 측정된 온도값을 하나의 텍스트 파일로 삽입된 SD카드에 저장하였다. 데이터는 분 단위로 획득하였으며 MATLAB(R2014a, Mathworks, USA)을 사용하여 그래프로 비교하였다. 측정 데이터 분석 결과 케이스를 포함한 엔클로징 장치는 AP1,mean=28.00 ℃, AP2,mean=28.94 ℃, AP3,mean=28.44 ℃, AP4,mean=28.34 ℃, AP5,mean=28.56 ℃ 의 온도평균값을 나타냈다. 대조군의 센서는 Basemean=23.23 ℃ 로 전도열로 인한 센서값은 실제온도보다 평균 5.23 ℃ 높은 것으로 확인되었다. 이를 통해 축사 환경에서 센서를 외부로 노출시키지 않고 온도 보정식을 적용한다면 실시간으로 신뢰성 있는 온도 환경 측정이 가능할 것이다. 또한 축사의 다양한 온도 환경 조건에 적용 가능하도록 저온 및 고온 환경에 대하여 추가적인 실험이 필요하다.

저전력 웨어러블 센서 제작을 위한 BLE 5.0 물리계층 특성 연구

전진택 ( Jintack Jeon ),임은정 ( Eunjeong Em ),상완규 ( Wankyu Sang ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

농업의 4차 산업화는 5G, AI, 빅데이터, IOT 등 4차 산업혁명의 핵심 기술을 응용하여 농업과의 융합으로 이루어지고 있다. 이를 위해 국내 유수 기업들을 중심으로 융복합 기술을 농업분야에 다양하게 적용시키기 위한 노력을 하고 있다. 축산 분야에서는 웨어러블 센서 기술을 활용하여 소나 돼지의 모니터링과 품질 향상을 도모할 수 있다. 한편 무선 통신 기반의 웨어러블 센서는 배터리 용량, 센서의 크기, 전력력 등을 고려해야 한다. 또한 가축에 부착하는 경우 축사 환경으로부터 발생하는 물리적 손상, 통신 장애 및 방해들로부터 강인함이 요구된다. 본 연구에서 저전력 기반의 BLE 5.0 물리적 계층별 데이터 수신거리, 데이터 크기의 특성을 분석하였다. 연구를 위해 사용된 보드는 Nano33 BLE with sense이며 BLE 기능을 지원하는 B306 모듈을 포함하고 있다. B306 모듈은 블루투스 5.0을 지원하는 nRF52840(Nordic Semiconductor, US)의 다중 프로토콜 SoC이며, 1MB의 플래시를 갖춘 ARM 기반의 칩으로 구성되어있다. BLE 5.0 에서의 물리계층은 기존 LE 프로토콜인 LE 1M을 포함하고 있으며, LE 2M, LE Coded 계층이 추가되었다. LE 2M 프로토콜의 이론적인 데이터 전송 속도는 2Mbps 으로 근거리 환경에서 LE 1M 프로토콜 대비 2배 빠른 통신 속도를 제공한다. LE Coded 프로토콜은 기본적으로 FEC(Forward Error Correction) 과정을 포함한다. 이와 같은 방식은 전송 속도는 1Mbps 이하로 떨어지지만, LE 1M 대비 4배의 통신 거리 향상이 가능하다. BLE 프로토콜의 물리계층별 최대수신거리와 데이터 크기는 통신 감도와 해당 거리를 기록하여 비교하였다. 비교 결과 LE 2M은 근거리 환경에서 LE Coded 대비 통신감도가 좋은 것으로 확인되었다. 최대 수신거리는 LE Coded가 LE 2M 대비 약 2배 멀리 까지 무선 통신이 가능함을 확인했다. 기본적으로 무선 통신에서 통신 거리는 송신부에서 신호 출력의 강도를 조절하는 방식으로 제어가 가능하다. 농업현장의 시설 구조물, 계측 대상 등에 대응하여 BLE 프로토콜 물리계층의 특성에 따라 적절하게 적용이 가능할 것이다. 추후 BLE 5.0의 물리 계층 특성에 따라 소비전력 비교를 통해 BLE 프로토콜의 응용 분야를 확장시킬 추가 연구가 필요하다.

IR 센서 어레이를 통한 초단말 현장 전원공급 모듈 검사 장비 설계

김완택 ( Wantaek Kim ),이정규 ( Jungkyu Lee ),상완규 ( Wankyu Sang ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

친환경 자원을 사용 가능한 형태로 변환시키는 현장 전원 공급 모듈은 농업현장, 주택 등으로 공급이 이루어져왔다. 범용으로 사용되는 태양광 모듈은 장기적으로 외부환경에 노출되면 음영, 오염, 파손 등에 의해 고장이 발생한다. 태양광 시스템의 고장 진단은 인버터를 중심으로 모든 측정이 이루어지고 있다. 반면 개별 모듈의 이상 여부 판단과 부분적인 효율 저하에 대한 즉각적 대처가 어렵다. 이는 현장에서 장비의 이상 여부 판단을 위해 개별 모듈 단위 또는 패널 어레이 진단 등의 방법들의 개선이 요구된다. 본 연구에서 태양광 모듈과 같이 현장 전원공급 모듈 검사를 위한 초단말 기반 IR 센서 어레이 설계를 수행하였다. 하드웨어는 마이크로 컨트롤러(D1 mini, LOLIN, China)와 전원 공급부, IR 센서(SZH-CH247, Melesis, Belgium)로 구성하였다. 현장 전원공급 모듈의 진단을 위해 사용한 IR 센서의 온도 측정 범위는 -70℃ ~380℃이며, FOV(Field of View)는 90° 이다. 적절한 IR 센서 어레이의 높이와 어레이를 구성하는 IR 센서의 개수를 선정하기 위해 공학용 수치해석 소프트웨어(MATLAB R2014a, MathWorks, USA)를 사용하였다. 어레이의 센서 배치를 도식화하기 위해 2D CAD 응용 소프트웨어(AutoCAD 2020, AutoDesk, USA)를 사용하였다. 70% 이상의 정확도로 데이터를 측정하기 위해 80° 의 화각만 취하도록 설계하였다. 검사 장비는 태양광 패널로부터 149.6mm의 높이에서 13개의 IR 센서를 251.1mm 간격으로 배치하였다. 각 IR 센서는 마이크로 컨트롤러와 I2C로 통신하고, 데이터 정합을 위해 TCP/IP 통신으로 하나의 게이트웨이로 전송하였다. 본 연구를 통해 개발된 장비로 1차원으로 적외선 데이터를 확인할 수 있었다. 또한 모듈형으로 설계되었으므로 현장 대응에 용이하였다. 본 장비로부터 1차원으로 받아들인 적외선 데이터를 정합 및 재배치를 통해 2차원으로 현장 전원공급 모듈의 검사 및 진단을 할 수 있다. 추후 진단 장비의 추가 모듈 확장으로 LBS(Local based service) 기반 태양광 모듈의 이상 감지 및 알림 등으로 활용이 가능할 것이다.

전주기적 활동량 평가를 위한 웨어러블 생체 측정 장비 저전력 구현

전진택 ( Jintack Jeon ),임은정 ( Eunjeong Em ),상완규 ( Wankyu Sang ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

국내 스마트팜 현황은 가축이나 작물의 생체 정보 등 빅데이터를 통해 최적 생산을 위한 초기 개발 단계이다. 빅데이터 기반의 최적 생육관리 또는 가축 건강관리를 위해 실시간적으로 수집되는 데이터와 신뢰성 확보가 필수적으로 요구된다. 이를 통해 축산 분야에서 가축 부착용 센서 등을 활용하여 중/대동물의 모니터링과 품질 향상을 도모 할 수 있을 것이다. 한편 축산업 현장에서 상용화된 웨어러블 형태의 센서는 제한된 전원 용량으로 전주기적 데이터 수집과 분석에 어려움이 있다. 본 연구에서 전주기적 활동량 평가가 가능한 웨어러블 센서의 저전력 구현을 위해 주기별 배터리 소모량을 비교하였다. 연구를 위해 사용된 보드는 Nano33 BLE with sense이며 BLE 기능을 지원하는 B306 모듈과 활동량 평가를 위한 IMU 센서 모듈을 포함하고 있다. B306 모듈은 블루투스 5.0, 802.15.4, ANT 및 전용 2.4GHz 프로토콜을 지원하는 다중 프로토콜 SoC인 nRF52840(Nordic Semiconductor, US)를 사용하며, 1MB의 플래시를 갖춘 32 bit ARM 기반의 칩으로 구성되어있다. IMU 센서 모듈은 3축 가속도, 3축 자이로, 3축 지자기를 최대 ±16 g, ±2000 dps, ±16 gauss 까지 측정할 수 있는 LSM9DS1을 사용하고 있다. 성능평가를 위해 CR2032 코인 배터리를 기반으로 BLE 통신 간격을 조절하여 각각 1초, 5분, 10분 동안 딥슬립 모드를 유지한 후 통신하도록 설정하였다. 본 실험에서는 각 데이터 전송 기법에 따라 배터리 전압 변화량을 일주일간 측정하여 비교하였다. 성능 비교 결과, 1초 간격으로 통신하는 방법을 이용하였을 경우 전압 변화량이 2.25 V로 가장 높게 측정되었다. 5분 간격으로 통신하였을 경우에는 0.03 V, 10간격으로 통신하였을 경우에는 0.24 V로 5분 간격으로 통신하였을 경우보다 전압 변화량이 더 크게 측정되었다. 본 연구의 결과를 통하여 BLE 통신 주기가 10분 이내일 때 통신 주기를 늘리면 배터리 소모량이 감소되지만 한계점이 있다는 것을 확인할 수 있었다. 추후 딥슬립 모드 유지 시간을 보다 짧게 하여 실험을 진행 한다면 웨어러블 생체 측정 장비를 위한 최적의 BLE 통신 주기를 찾을 수 있을 것이다. 또한 BLE 통신을 이용한 저전력 장비 구현의 기초 연구로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

가시형 경로 추종 노지 환경 계측시스템을 위한 모터제어 알고리즘 연구

강대원 ( Daewon Kang ),이정규 ( Jungkyu Lee ),상완규 ( Wankyu Sang ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

스마트 팜의 발전과 더불어 작물의 객체별 생육확인 및 환경조절이 요구되는 정밀농업 기술도 진보하고 있다. 작물 단위의 환경정보를 컨트롤하기 위해서는 그만큼 방대한 센서들이 필요하다. 농가의 경제적 부담을 줄이기 위해 적은 센서로 생육환경을 측정할 수 있는 계측시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 농업용 로봇을 활용한 계측시스템은 노지 환경에 따로 이정표를 설치하기가 어려워 자율주행에 어려움이 있다. 본 연구에서는 노지 작물을 이정표로 하여 경로를 생성하고 이를 추종하는 모터제어 알고리즘 기법에 대한 연구를 진행하였다. 본 연구에서 사용한 보드는 Rasberry Pi(Raspberry Pi 4, Raspberry Pi, UK)로 WiFi 무선통신이 가능한 소형 SBC이다. 노지 작물을 확인하기 위해 FOV 160°인 렌즈를 부착한 카메라(OV2640, OmniVision, US)를 이용하여 촬영하였다. 계측시스템에 사용한 모터는 Dynamixel-XM 시리즈(XM430-W210-T, ROBOTIS, Korea)로 4륜 주행이 가능하도록 제작하였다. 모터는 TTL 통신을 기반으로 하여 속도 조절을 하며, 6가지 제어 모드(토크제어, 속도제어, 위치제어, 확장 위치제어, 전류기반 위치제어, PWM제어)를 제공한다. 모터를 제어하기 위해 호환되는 제어기(OpenCR 1.0, ROBOTIS, Korea)를 사용하였다. 포맥스를 이용하여 노지 환경 중 과수 환경을 가정하여 가상 환경 구축 후 연구를 진행하였다. 4륜 주행 장치의 양측 바퀴 속도 차에 따른 회전 반경을 데이터와, 배터리 잔량에 따른 모터 속도를 계산하였다. 후에 취득한 영상을 분석하여 과수의 위치를 특정하고, 특정한 위치를 통해 가상의 도로의 경계선 이미지를 제작하였다. 모터의 제어는 경계선 이미지 분석을 통해 도로 상 계측시스템 위치에 대해 계산, 특정 시나리오(경계선을 따라 이동, 양 경계선 중앙에서 이동)에 따라 선회반경 및 거리를 계산, 배터리 잔량에 따른 모터의 실제 속도를 계산, 최종적으로 계산된 결과를 통해 양측 모터의 속도를 제어하는 순서로 진행된다. 작물 재배지의 전반적인 환경 데이터 및 작물 위치별 생육 데이터 확보를 위해 개발된 알고리즘을 활용하여 안정적인 주행 및 계측시스템을 확보 할 수 있을 것으로 판단된다.

SMD 타입 온도센서의 신뢰성 확보 방안 연구

전진택 ( Jintack Jeon ),임은정 ( Eunjeong Em ),상완규 ( Wankyu Sang ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

스마트팜 시스템은 시설 내부 환경 요소의 정확한 측정을 기반으로 온도, 습도, CO2 농도, 양액 등을 복합적으로 고려하여 설계해야 한다. 특히 작물 및 생육환경의 적온 제어는 농업의 생산량과 효율성을 극대화 시킬 수 있다. 따라서 농업시설 내부온도 환경의 정확한 측정을 위해 온도센서로 생육적온을 기록하고 분석할 수 있는 측정 및 저장장치가 요구 된다. 한편 SMD 타입 온도센서는 기판의 오염 및 납의 양에 따라 측정되는 온도의 값이 다르게 나타나는 현상을 발견했다. 본 연구에서는 온도센서 데이터 측정값과 표준 디지털 온도계 측정값을 선형적으로 분석하여 SMD 타입 온도센서의 신뢰성 확보 방안을 연구하였다. 실험을 위해 사용한 온도센서는 SMD 타입의 온습도 센서(SHT30, Wemos, China)와, DIP 타입의 온습도 센서(AM2302, RobotDyn, China)로, 분해능은 각각 ±0.3 ℃, ±0.5 ℃ 이며 -40 ℃ ~ 100℃, -40℃ ~ 80 ℃ 범위의 계측이 가능하다. 센서값은 OLED를 통하여 실시간으로 확인이 가능하며 MCU(D1 mini PRO, Wemos, China)에 내장된 WiFi 모듈을 통해 각 AP의 측정 데이터를 스마트폰으로 전송한다. 온도센서 기준값의 신뢰도를 위해 항온항습기(HK-BI025, KOREA)에 표준 디지털 온도계를 온도 센싱 장치와 동일한 환경조건으로 5 ℃ ~ 30 ℃ 구간의 온도를 약 1 ℃에 1회 측정하며 실험을 수행하였다. 데이터 로깅이 가능한 RTC 모듈(DS3231, Arduino, China)을 통해 1분 간격으로 측정된 데이터를 취득하였다. 측정 데이터는 센서값과 표준 디지털 온도값을 독립변수, 종속변수로 설정하여 회귀분석을 진행하고 두 값의 상관관계를 결정계수(r2)로 해석하였다. 온도센서에 대하여 SMD 타입 3개, DIP 타입 2개를 대상으로 분석 결과 SHT30 온도센서는 r²_AP1=0.9996, r²_AP3=0.996, r²_AP3=0.996, AM2302 온도센서는 r²_AP4=0.9976, r²_AP5=0.9992의 결정계수를 나타냈다. 온도분포도는 직선에 가까운 선형을 보이고 있으나 센서별 온도 편차를 확인했다. 본 실험을 통한 센서별 온도분포 추세선의 Y=AX+B 방정식을 통해 온도값을 보정하여 시설 내부의 온도환경을 정확하게 측정할 수 있을 것이다. 추후 다양한 환경 조건과 온도 범위에서 지속적인 데이터를 확보하여 SMD 센서값의 신뢰성 확보 방안에 대해 지속적인 연구가 요구된다.