모돈 섭식 분석을 위한 ADC 샘플링 시분할 방법 연구

조진호 ( Jinho Cho ),오종우 ( Jong-woo Oh ),조용진 ( Yongjin Cho ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.1

스마트 돈사 환경의 복지 및 생산성 향상을 위하여 정량 분석법을 기반으로 한 모돈 관리의 중요성이 증가하고 있다. 모돈은 교배, 임신, 분만, 포유, 이유를 순환적 반복하여 이루어지는데 모돈의 관리는 돈사 농장의 생산성 및 경제성과 직결된다. 모돈 관리에 필요한 환경 및 계측정보를 획득하고 이 정보로부터 모돈의 개체관리를 극대화시키고 최적의 방안을 찾고자 지속적으로 계측이 가능한 모돈의 돈사 모니터링 시스템이 필요하다. 모돈의 행동특성 계측이 가능한 시스템이 필요한 이유는 모돈의 행동 특성(섭식 및 지제불량 등)에 상응하는 대사 불량, 질병 및 발정 징후 등을 조기에 발견할 수 있기 때문이다. 돈사 내에서 정지 상태로 판별이 되는 모돈의 지제상태(기립상태, 누운 상태, 앉은 상태)와 다르게 연속적인 움직임으로부터 판별되는 모돈의 섭식상태를 분석하기 위해서는 계측 시스템과 이를 분석해주는 시스템간의 시간적 차이를 최소화 할 수 있는 실시간 신호 처리 기술이 필수적이다. 모돈의 섭식을 정량적으로 지수화하기 위한 센서의 최소SPS(sample per second)는 600 Hz(100 Hz × 6개)로서 최소 6개 ADC 채널과 최소 1,200 Hz 이상으로 샘플링 할 수 있는 마이크로 컨트롤러가 필요하다. 또한 16 비트의 분해능으로 1분 동안 연속 계측을 수행할 경우 필요한 정보량은 153,600 KByte (1,200 sample/s × 16 bit/sample × 8 Byte/bit)으로 실시간 처리를 수행하기에 매우 큰 정보량이라 판단할 수 있다. 수행하고자 하는 정보처리 기법에 따라 다소 상이할 수 있으나, 1분을 주기로 모돈의 섭식 분석을 수행하고자 할 경우 최도 150 MByte의 정보량을 처리하기 위한 최소의 클럭수는 단순대입의 경우 2.5 Mhz (clock/second) (= 1 clock/Byte × 150 MByte / 60 seconds) 이며 덧셈(4 clock)의 경우 10Mhz, 곱셈(16 clock)의 경우 40 Mhz의 클럭이 필요하다. 또한 정보의 저장 및 도시를 위해 필요한 부가적인회로(LCD, SD메모리) 구동을 위해 필요한 클럭을 고려할 경우 추가적인 클럭이 필요하다. 이를 종합적으로 고려하여 120 Mhz (= 40 Mhz × 3) 이상의 클럭이 필요하다고 판단할 수 있다. 또한 센서 계측 주기의 시간 분해능을 균등하게 유지하기 위해선 계측->도시->저장의 과정을 교차적으로 수행해야 한다. 이러한 과정을 거처 최종적으로 선정한 마이크로 프로세서는 ARM Cortex-M4이며 168 MHz로 연산 수행이 가능하여 목표하고자 하는 신호처리를 수행 할 수 있다. 현장 예비 실험을 통해 기대 성능을 만족하였으며, 시간 복잡도가 높은 연산을 대비하여 최적 시분할 스케쥴링 기법에 대한 보완이 필요하다고 판단되었다.

오픈 소스 기반 모바일 토양 조사 및 운영 시스템 설계

오종우 ( Jong-woo Oh ),이정규 ( Jungkyu Lee ),조용진 ( Jinho Cho ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

토양 및 환경 정보는 관리하기 위한 토양환경정보시스템은 전국 필지별로 토양의 상태 및 환경적인 정보를 제공한다. 세부 정밀 토양조사가 80년대에 완료된 후 일부 미조사 및 토지이용변화지역에 따라 재조사가 현재까지 이루어지고 있으나, 토양조사 기법은 과거에 실시하였던 토양조사 방법을 유지하고 있다. 하지만, 토양 환경 전산화는 필지에 따라 조사되었던 토양 정보를 GIS 기반으로 트레이싱, 전산화 등의 복잡한 과정으로 많은 시간이 소요된다. 수치지형 정보는 기하학적인 백터 정보와 정적 데이터 구조인 데이터베이스의 연동에 의한 복합적인자료 형태로 이루어져 있으며, 방대한 양의 처리를 위해서 필연적으로 원격 영상을 투영후 좌표를 입력하는 방안이 필요하다. 외산 소프트웨어를 비롯하여 국내 SI 업체를 중심으로 자생적으로 개발된 소프트웨어가 존재하나 현장에서 독립적으로 운영하기에는 한계가 있다. 특히 네트워크 여건이 좋지 않은 일반 농업환경에서는 모바일 형태로 운용하기에 어려움이 있다. 본 연구에서는 모바일 현장 운영 시스템과 정보화 자원과의 유기적 연동을 위하여 오픈 소스 기반 모바일 현장 조사 및 운영 시스템을 설계하였다. 공간 분포의 구조를 가지는 무인기 원격 영상과 백터 구조를 가지는 수치 지형 자료 및 이와 관련된 토양 및 작물 정보 데이터베이스를 정합하기 위해서는 레스터 영상의 분석, 변환 등의 후처리와 벡터 추축, 좌표 변화, 토양 정보 예측 모델, 작물 생육 정보 추출 모델과 같은 복합적인 정보처리 단계가 필요하다. 모바일 토양 현장 조사 시스템 플랫폼을 설계하고자 Raster, Vector, Databse, 현장데이터 연동이 가능한 임베디드 시스템을 설계하였다. 임베디드 시스템 플랫폼은 SBC, Android 및 Linux 운영체재로 ARM계열CPU와 OpenGL ES 지원되는 GPU를 선정하였다. 또한 원활한 통신을 위하여 Wifi, Bluetooth, USB등을 탑재하고 있다. GGIS (GeoAPL, UMN, Mapserver)을 GNS 라이센스 기반 오픈소스 라이브러리 적합성을 평가하고 선정하였다. 적합성 평가에 사용된 방법은 Raster 포맷 호환성 및 모바일 기기 내부 GPU 호환성을 검토하였으며, Vector변환 및 shp포맷 호환성 검토를 하였다. QGIS 오픈소스 기반 모바일 시스템의 기능 및 프로그램을 설계하고자 흙토람 연동 및 H/W 적합성을 분석하였으며, 주요 기능을 고려한 UI를 설계하였다. 사용자 관리 효율성을 고려한 토양 환경 전산화로 기존보다 활용도가 높아질 것이다.

OGC 프로토콜 준수 모바일 지형정보 편집 시스템 제안

오종우 ( Jong-woo Oh ),이정규 ( Jungkyu Lee ),조용진 ( Jinho Cho ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

토양 환경 조사에 소요되는 인적, 물적 자원을 경감하고, 신속한 정보 서비스 제공을 목표로 한 IT 기술에 대한 연구가 진행 중이다. 국제적으로 OGC (Open Geospatial Consortium)를 중심으로 지형 정보의 종합적 관리를 위한 공개 소프트웨어 보급이 활발하다. 본 연구에서는 현재 농촌진흥청에서 제공 중인AGIS (Agricultural Geographical Information Service)의 시간적 현행화를 위하여 OGC에서 제안하는 프로토콜을 준수하기 위한 방안을 제안하고자 한다. 모바일 장비를 이용한 지형정보 편집은 해당 정보를 저장하고 관리를 수행하는 서버와 사용자의 입력에 대화적으로 반응하며 정보를 수정할 수 있는 사용자 단말 장치로 구성이 된다. OGC를 준수하는 다양한 서버 측 공개 소프트웨어 중에서 MapServer (mapserver.org) 제품이 성능과 확장성 측면에서 우수한 것으로 분석되었다. 특히 Mapcache라는 부가적인 소프트웨어 기술을 제공하여 서버의 작업 부담 최소화가 가능하다. MIT-style의 라이센스 정책을 지원하여 학술적으로 무제한 사용이 가능하며, 최근(2018.07.27)에 7.2 버전을 공개하여 지속적인 보완이 진행 중이다. 원리는 인터넷 서비스 프로토콜(CGI; Common Gateway Interface)에 연동된 GIS Rendering 엔진이며, 기본적으로 Apache 웹서버에 최적화 되어 있다. 독자적인 Map 파일 구조체를 이용하여 Raster와 Vector 데이터를 도시하기 위한 검색 기능을 제공하고 있다. 지형정보에 대한 쿼리 기능을 통해 최종 결과를 제공해 주는 기능은 뛰어나지만, 모바일 편집 시스템의 핵심적인 기능인 사용자 입력에 대화형으로 응답하는 기능은 부족하였다. 이를 보완하기 위하여 사용자 대화형 기술을 제공하는 QGIS (www.qgis.org)를 일부 활용할 수 있는 시스템을 설계하였다. QGIS는 메타데이터를 통한 데이터베이스 편집 및 사용자 입력 기반 지형정보 편집 기능을 제공하고 있다. MapServer와 QGIS는 OGC 표준에서 권고하는 WMS (Web Management Service)과 WFS (Web Feature Service) 규격을 준수하고 있다. 본 제안을 통한 두 가지 소프트웨어는 소스코드를 공개하고 있으므로, 농촌진흥청 AGIS와 연동을 위한 구체적인 현장의 요구 사항 반영에 매우 적합하다고 평가할 수 있다. 이러한 제안을 통하여 토양 조사현장에서 발생하는 다양한 상황에 능동적으로 대처하고 토양 정보의 신속한 갱신을 위한 국제 표준 준수 모바일 편집 시스템 구현이 가능하다고 판단된다.

텍스트 마이닝을 통한 토양 조사 기법 동향 분석

오종우 ( Jong-woo Oh ),이정규 ( Jungkyu Lee ),조용진 ( Jinho Cho ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

데이터 마이닝(Data Mining)은 방대하고 복잡한 데이터 내부에 존재하는 유용하고 의미 있는 정보를 이끌어내는 방법을 연구하는 학문이다. 주로 숫자 형태의 일정한 데이터 구조로 정형화된 데이터를 분석 해오던 방식에서 최근 들어 텍스트, 이미지, 동영상, 음성 등과 같이 구조화되지 않은 비정형 데이터에 대한 관심이 커지고 있다. 특히 비정형 데이터 분석 중 스마트폰 사용자의 증가에 힘입어, 텍스트 마이닝의 중요성이 부각되고 있다. 본 연구에서는 텍스트 마이닝의 문헌 클러스터링 기법과 문헌 유사도 네트워크 분석을 적용하여 국내에서 수행된 모바일 토양환경학 영역을 다각적이고 면밀하게 분석해 보고자 한다. 데이터 범위는 2013년부터 2018년까지 선행 연구된 농촌진흥청과 농림수산식품부 R&D 과제 연구 보고서 내용을 중심으로 하였다. 총 2,791개의 RFP 정보를 변환하는 작업을 진행하였다. 농촌진흥청 R&D과제 목록에서 2013년 443개, 2014년 439개, 2015년 547개, 2016년 366개, 2017년 352개, 2018년 552개로 변환되었고, 농림수산식품부 R&D 과제에서 2013년 4개, 2014년 28개, 2015년 21개, 2016년 13개, 2017년 15개, 2018년 10개의 항목을 분류하였다. 한글 확장자 정보를 docx로 변환 후 텍스트 파일로 변환시켜 최종 원본 데이터를 추출하였다. 선행 조사를 위한 키워드 추출 및 분류 소프트웨어를 코딩을 통해 개발하였다. 검색 대상 키워드에 가중치를 두어 txt파일을 입력하고 검색 데이터의 위치와 키워드 설정 후 검색시작을 수행하였다. 키워드는 정밀농업, 토양환경, 토양분석, GIS, 정합성, 수확량, 토양진단, 토양 현장진단, 오픈 쏘스, 공간정보, 토양지수, RGB 왜곡, 토양환경정보시스템, 기하정보, QGIS, SAGA, 정밀토양도, 지형도, 토양 수치를 입력하였다. 실험 결과 2013년부터 2018년 까지 총 153개의 과제에 대하여 주요 키워드 포함 여부를 검색할 수 있었다. 153개의 과제에 대한 관련성이 발견되었으며 키워드와 4차 산업 분야와 관련된 가중치와 등장 횟수 등으로 과제별 관련성이 정량적으로 비교가 가능해졌고, 이를 통해 선행 사전 논문 및 문헌 조사에 활용 할 수 있을 것으로 생각된다.

토양정보 현장 조사를 위한 임베디드 편집 시스템 비교 분석

오종우 ( Jong-woo Oh ),이정규 ( Jungkyu Lee ),조용진 ( Jinho Cho ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

미국, 유럽 등을 중심으로 원격 탐사기술과 농업환경 모델을 이용한 농경지이용, 수확량 및 이와 밀접한 토양 이화학성 변화 분석 기술이 발전하고 있다. 국내 연구동향으로는 국립농업과학원에서 레이더 및 광학 영상을 활용한 농업생산 환경정보 관측 및 평가 기술이 개발되어 고도화 단계에 있다. 하지만 기후 변화에 따른 기상이변, 재해, 재배라인 변화에 기인한 농업생산현장의 시계열 및 공간적 불확실성이 증가하고 있어, 신뢰성 있는 실시간 정보 제공에 어려움을 가지고 있다, 이런 어려움을 해결하고자, 공간 정보 기반 모바일 현장조사 시스템을 설계하는데 본 연구의 목적을 두고 있다. 공간정보 기반 모바일 현장 조사시스템을 설계하기 위해서는 기존 토양환경정보시스템의 레이어 연동 방안 및 현장 조사 데이터 병합 방안이 고려되어야 한다. 또한 현장조사 특성상 관리 효율성을 고려한 시스템이어야만 하며, 이를 위해서는 정보 연동 및 사용자 편의성을 고려한 모바일 현장조사 대응 수치지형 정보 레이어를 설계하였다. 다양한 현장상황에 대응하고자 두가지 형태(Raster 및 Vector)의 레이어 활용 방안을 설계하였다. Raster 레이어는 현장상황에 대응 가능한 원격 영상 레이어활용이 용이하며, 이를 이용하여 온라인 항공사진, 팜맵과 오프라인 실시간 RS 영상 활용을 위한 정합 모듈 설계를 하였다. Vector 레이어는 현장사용자의 제한적 상황 대응 가능하며, 이를 위해서는 호환 포맷을 위한 개발언어 분석이 필요하다. 레이어 생성 및 포인터 추가 및 갱신에 필요한 Shape 포맷(*.shp) 호환이 필수적이며, 지리정보 시스템에서 많이 이용되고 있는 Infor, Avenue, LISP, MDL등 포맷도 고려해야 할 필요성이 있다. 공간정보 기반 모바일 현장 조사시스템을 설계를 위하여 모바일 현장조사 대응 수치지형 정보 레이어를 설계하였다. 현장상황에 대응하고자 기존의 온라인 항공사진 및 팜맵을 기반으로 오프라인 실시간RS 영상활용을 접목시켜 정합 모듈을 Raster 레이어 활용하여 실시하였다. 현장 조사 및 운영 시스템에 사용자가 유기적으로 정보 연동을 위하여 Vector 레이어를 적용한 다양한 포맷개발을 실시하였다. 이는 모바일 현장 조사 시스템과 기존의 정보시스템 간의 연동은 물적 및 인적 자원을 경감시킬 수 있다고 판단된다.

병렬 컴퓨팅을 이용한 실시간 Kriging 최적화 구현 방안 연구

이정규 ( Jung-kyu Lee ),오종우 ( Jong-woo Oh ),조용진 ( Jinho Cho ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

시설온실 내부의 환경 인자를 더욱 정밀하게 관찰하여 작물 생육 환경을 종합적으로 개선하기 위한 다양한 연구들이 진행 중이다. 본 연구는 시설온실 내부 환경인자의 공간 분해능을 높이기 위한 공간 보간법에 대한 최적화 방안을 연구하였다. 대표적인 Ordinary kriging 방법의 시간복잡도(Time complexity)는 O(N²)에 해당하여 관측지점의 수가 증가할수록 계산 완료에 소요되는 시간이 비약적으로 증가한다. 따라서 공간 보간의 결과를 유사 실시간(pseudo realtime)적으로 활용하기 위해선 적절한 관측의 숫자를 선정함과 아울러 순차적 계산에 소요되는 시간을 경감하기 위한 병렬 프로그래밍기법이 필요하다. 선행 연구에서 취득한 딸기 재배 온실의 온도 데이터(27지점)에 대한 선형 보간을 통해 관측 데이터의 수를 6단계(120, 240, 360, 480, 1200)로 구성하였다. 2.7 Mhz core 속도를 가지는 병렬 프로세서의 수를 9 (1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12)단계로 변화시켜 Ordinary kriging 방법 적용 후 소요시간을 측정하였다. 좌표데이터의 범위를 1~100 Unit으로 보정 후 Range와 Sil 값을 각각 100, 10으로 고정하였다. 병렬프로세서의 수가 증가 할수록 계산에 소요되는 시간은 비약적으로 단축되었으나, 관측 지점의 수가 적은 경우(360 이하) 3 쓰레드 이상 병렬 계산의 효과가 미미하였다. 유사 실시간 피드백 정보로 활용하기 위한 타임 프레임을 3초로 제한 할 경우 관측지점의 수가 360 내외 인 경우에 공통적으로 최소 5~6개의 프로세서가 요구된다. 시설온실 현장 도입 시 불가결한 제한적 관측 지점의 수와 병렬 컴퓨팅 자원을 최대한 활용하기 위한 최적화 방안 연구를 지속적으로 수행할 것이다.