On-line test bed application for companion animal

Woo Jae Cho(조우재) 한국실험동물학회 2021 한국실험동물학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.1

순환식 수경재배를 위한 이온 기반 양액 관리 시스템 개발

조우재 ( Woo-jae Cho ),김학진 ( Hak-jin Kim ),이윤홍 ( Yoon-hong Yi ),조영열 ( Young-yeol Cho ),이공인 ( Gong-in Lee ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

To reduce the emission of drainage into the environment, it is necessary to maintain the nutrient solution composition at the optimal ion balance. In that sense, ion-specific nutrient solution management can provide the reuse of the hydroponic solution without discharge. However, the absence of the robust ion sensors for several major ions such as P and Mg limits the ion-specific nutrient management. resultingly and little research has been conducted to develope a dosing algorithm for the ion-specific nutrient management. In this study, a decision tree-based dosing algorithm was developed to calculate the optimal volumes of individual nutrient stock solutions to be supplied for five major nutrient ions, i.e., NO3, K, Ca, P, and Mg based on the NO3, K, and Ca sensing. The fertilizer salts for Mg and P were injected proportional to the injected mass of Ca and NO3 due to the absence of the ion sensors for Mg and P. Using the developed dosing algorithm, an ion-specific nutrient solution management system was constructed and applied to Glehnia littoralis cultivation grown on a commercial nutrient film technique-based hydroponic system. From the application test, the system performance was evaluated based on the ion balance in the reused nutrient solution.

작물 생육 대응형 수경재배 변량 관비 제어 시스템

조우재 ( Woo-jae Cho ),김학진 ( Hak-jin Kim ),이윤홍 ( Yoon-hong Yi ),정대현 ( Dae-hyun Jung ),조영열 ( Young-yeol Cho ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

In soilless cultivation, fertigation practices are generally based on the personal experience of the grower without considering the water needs of the growing plant. This approach usually causes over-irrigation or under-irrigation for crops, thereby leading to the waste of water, and less yield and quality of crops. Therefore, precision fertigation, which is a technique that provides water based on the water needs of the plant, is necessary for more efficient water use in hydroponics. In this study, an automated fertigation system that could variably supply the nutrient solution to a hydroponic bed based on the transpiration rate of the growing plants was developed. To estimate the transpiration rate of the plants, the modified Penman-Monteith equation using the air temperature, relative humidy, radiation, and the leaf area index (LAI) was used. In lettuce cultivation test, the developed system successfully controled the fertigation volume according to the varied vapor pressure deficit and the radiation as well as the growth of the lettuces. From the application test, the developed system reduced the nutrient solution supply by 57.4% in comparison with the conventional timer-based fertigation strategy, while meeting the actual daily water consumption of the plants with an error of 7.3%, when the lettuces were saturated. In addition, the promoted increasing rate of the leaf area was observed in the plant-based fertigation, indicating the plant-based fertigation could improve the productivity.

정밀 양액 영양분 관리를 위한 이온 현장 모니터링 시스템 개발

조우재 ( Woo Jae Cho ),김학진 ( Hak-jin Kim ),정대현 ( Dae Hyun Jung ),김동욱 ( Dong Wook Kim ),안태인 ( Tae In Ahn ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2

순환식 수경재배에서 양액 내 개별 이온 간의 비율은 해당 작물의 생육에 영향을 주기 때문에 안정적인 작물 재배를 위해서는 배액 재사용에서 양액 내 이온의 균형을 일정하게 유지하는 관리기술이 요구된다. 이를 위해 양액 속의 이온 농도를 개별적으로 측정하여 파악 할 수 있는 기술들이 연구되고 그 중 이온선택성전극 (ISE)을 이용한 측정법이 유효함을 보고한 사례가 많으나 실제 작물 재배 시스템에 장기간 적용하여 측정 정밀도의 유지와 센서 감도의 내구성 연구를 수행한 사례 보고는 거의 이루어지지 않고 있다. 본 연구에서는 전기전도도 (EC)를 이용한 순환식 수경재배 시스템과 같이 운용하여 기존 전기전도도를 기반으로 배액 재사용 처리를 수행하고, 배액에 대해 ISE를 사용하여 양액의 주요 성분인 NO3, K, Ca의 이온농도를 측정하는 현장 이온모니터링 시스템을 설계 제작하여 실제 재배 시스템에 설치 운영하면서 주기적으로 정규화 및 샘플측정을 통해 현장 적용성을 구명하고자 하였다. 개발 장비의 측정 성능은 임의로 변경한 다양한농도 대역을 가진 현장 시료를 유도결합플라즈마발광광도기 (ICP)와 이온크로마토그래피(IC)로 측정한 농도값과 비교하였다. 그 결과 NO₃, K, Ca 측정값에 대해 높은 결정계수 (>.99)와 선형성(각 0.98, 1.10, 0.76)으로 높은 신뢰성을 나타내어 개발 시스템의 측정 성능이 만족스러운 것으로 나타났다. 서울대학교 부속농장의 연구용 유리온실에서 파프리카를 전기전도도 (EC)를 이용한 순환식 수경재배를 처리하고 개발한 시스템으로 측정을 수행한 현장 적용성 실험에서는 4주간의 측정 동안 일 5회의 측정을 수행하였으며 염 투입과 조정의 효과를 신속하게 확인하였으며 이를 기반으로 수경재배 양액 내 개별 이온 간의 비율 추적 및 빠른 양분 조정을 통해 배액 재사용 처리의 안정성을 향상시키고 작물 생산량 증대와 비료 투입 절감을 통한 수익성 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단하였다.

수경재배용 전기전도도 및 pH 전극 자동 보상/진단 시스템

조우재 ( Woo-jae Cho ),한희조 ( Hee-jo Han ),김학진 ( Hak-jin Kim ),정대현 ( Dae-hyun Jung ),양승환 ( Seung-hwan Yang ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

수경재배 환경에서 작물은 생육에 필요한 양분을 양액을 통해 공급받으며 이때 작물의 건강한 생육을 위한 적정한 양분의 공급은 양액의 전도도(electrical conductivity, EC)와 산도(pH) 값에 기반하여 조절되기 때문에 EC, pH 센서의 정확한 계측이 요구된다. 관행적인 양액 관리 시스템에 적용되고 있는 전기전도도와 pH 센서는 신호 드리프트에 대한 보정을 실시간으로 수행할 수 없는 구조로 되어 있어 사용자의 경험이나 휴대용 분석기를 통한 간접적인 측정값 비교를 통해 보정이 이루어지는 것이 일반적이다. 본 연구에서는 양액 센서의 정확성과 신뢰성을 확보하기 위해 주기적으로 EC/pH 복합 보정액을 자동으로 주입하여 센서의 드리프트 영향성을 최소화하면서 센서 신호의 보정과 센서의 작동상태를 진단하는 알고리즘을 적용한 자동 보상 및 진단 시스템을 개발하고자 하였다. 개발 시스템은 KIST 강릉분원 u-Farm에 설치된 비순환식 수경재배 시스템에 적용하여 케일 재배 중인 양액 센서에 대한 주기적 보상을 수행하고 정확도 개선 성능을 평가하였다. 또한 교정액 측정에서 발생한 양액 드리프트 값을 기반으로 전극상태를 진단할 수 있는 상태 진단 지수를 설계하였다. 적용 실험에서 1점 보상은 하루 2회, 오전 9시와 오후 5시에 수행되었으며 이때 1점 보상이 적용된 양액 센서값과 적용되지 않은 센서값의 정확도를 비교 평가하기 위해 양액 시료를 농생명과학공동기기원(NICEM)에 분석 의뢰를 수행하여 실제값 대비 양액센서 측정값들의 정확도를 분석하였다. 측정 결과에서 양액에 대해 1점 보상이 적용되지 않은 측정값의 RMSE (평균 제곱근 편차)와 1점 보상이 적용된 측정값의 RMSE를 비교하였을 때, EC는 50 μS/cm에서 28.5 μS/cm로, pH는 0.43에서 0.17로 감소하여 1점 보상 시스템이 양액 센서의 측정 정확도를 개선하였음을 확인하였다. 특히 5~10일 구간에서 미보상 EC센서값의 경우 드리프트가 10% 이상으로 나타나 양액센서 상태 진단 기준에서 ‘관리 필요’로 나타났으나 1점 보상이 적용된 EC센서값은 드리프트를 7% 수준으로 감소시켜 정상 수준의 양액 센서값을 보여주었다. 향후 기존 1점 보상만으로는 평가할 수 없는 감도지수를 획득하고 이에 대한 보상 및 보다 정밀한 양액 센서 진단 평가 알고리즘을 개발하기 위해 2점 정규화 방법을 적용한 양액 센서 자동 보상 및 진단 시스템을 개선하고자 하며 이를 양액 제어 시스템에 적용할 경우 양액 센서의 정확도와 신뢰성을 개선하고 상태 진단 지수를 통해 사용자에게 보다 편의적인 양액 센서 관리를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.

순환식 수경재배에서 염 축적 관리를 위한 NaCl 모니터링 시스템

조우재 ( Woo-jae Cho ),김학진 ( Hak-jin Kim ),이윤홍 ( Yoon-hong Yi ),김주신 ( Jooshin Kim ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

One of the main problems in closed hydroponics is scarcity of good quality water. Although a filtration or desalination could reduce the salts in water, the remaining salts in water would in duce the accumulation of NaCl. If the NaCl in closed hydroponic solution reach to the specific constraint level, the growers should discharge the hydroponic solutions to prevent the salt stress in crops. However, many growers just discharge the nutrient solution regularly because there is few system to monitor the NaCl level in the nutrient solution. It may lead to the excessive discharge of the hydroponic solution, thereby inducing groundwater contamination and loss of fertilizer and water. To prevent the excessive discharge of the solution, it would be necessary to monitor the NaCl concentration in closed hydroponic solution and decide the discharge timing based on the salinity level. In this study, an automated monitoring system for the NaCl accumulation in a closed hydroponics was introduced. Using an artificially formulated saline water with the NaCl concentrations of the water quality standard for hydroponics, the progressively increasing salinity in closed hydroponic system was monitored and the feasibility was evaluated. The impact of NaCl accumulation in a closed system on the growth of lettuce was also investigated.

양액 자동제어를 위한 임베디드 시스템

조우재 ( Woo Jae Cho ),김학진 ( Hak Jin Kim ),김동욱 ( Dong Wook Kim ),강창익 ( Chang Ik Kang ) 한국농업기계학회 2015 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.20 No.2

이온선택성 멤브레인 전극을 이용한 수질 정량 분석 적용성 연구

조우재 ( Woo Jae Cho ),김동욱 ( Dong Wook Kim ),이인성 ( In Sung Lee ),김학진 ( Hak Jin Kim ) 한국농업기계학회 2015 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.20 No.1

정치식 이온 분석기를 이용한 양액과 토양 추출물 내 주영양분 실시간 측정 연구

한희조 ( Hee-jo Han ),조우재 ( Woo-jae Cho ),정대현 ( Dae-hyun Jung ),김학진 ( Hak-jin Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

수경재배 시스템에서 작물의 생산 효율성을 높이기 위해서는, 작물 재배에 사용되는 양액의 이온 농도를 실시간 모니터링과 관리가 중요하다. 현재 사용하는 관수 시스템의 경우, 양액의 pH 와 EC를 조절하여 작물을 재배하지만, 이는 양액을 구성하고 있는 전체 이온의 변화량만을 관찰하기 때문에 작물 생육에 따라 변하는 개별 이온 농도 측정은 어렵다. 본 연구팀의 선행 연구에서 상수원 등의 현장에서 수질을 분석하기 위해 이온 선택성 전극과 임베디드 보드를 이용하여 정치식 이온분석기를 개발하였고, 본 연구에서는 개발한 정치식 분석기를 이용하여 양액과 토양 추출물 내의 주 영양분을 측정할 수 있는지를 실험적으로 구명하고자 하였다. 이를 위해 PVC membrane 기반의 이온선택성 전극으로 질산(NO3), 칼륨(K), 칼슘(Ca) 이온을, 코발트 전극으로 인산(P) 이온을 측정하는 시스템을 구성하였으며 정확도를 높이기 위해 전극에 발생하는 드리프트를 2점 정규화로 보정을 진행하였다. 각 이온의 측정 결과는 임베디드 시스템을 통해 실시간 모니터링으로 확인할 수 있게 제작하였다. 시료 제조는 야마자키 엽채류 양액으로 스파이킹하여 임의의 농도를 나타내는 가지도록 하는 용액과 Bray P1, Kelowna 용액을 이용 밭토양 내 이온을 추출하여 토양 추출물을 얻어냈다. 정치식 분석기를 이용하여 예측한 결과는 분석실결과와 비교하여 측정 성능을 구명하였다.

몰리브덴 비색법을 이용한 양액 내 인산이온 센싱 연구

한희조 ( Hee-jo Han ),조우재 ( Woo-jae Cho ),정대현 ( Dae-hyun Jung ),김학진 ( Hak-jin Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

시설재배에 활용되는 양액은 작물의 최적화된 재배를 위해 사용되며, 이를 위해서는 사용되는 양액에 포함되는 이온 농도가 일정하게 유지되어야 한다. 그중 다량에 속하는 인산은 작물의 생장과 에너지 대사에 영향을 미치는 무기 이온으로 적정 농도를 벗어나는 결핍과 과잉증상에 따라 생육은 크게 달라진다. 인산측정은 용액 내 산도에 따라 H₂PO₄^-, HPO₄^2-, PO₄^3- (인산 수소, 인산 2 수소, 인산염) 등 다양한 이온형태를 가지기 때문에, 이온 센서로 측정하는데 어려움이 존재한다. 선행 연구에서 수행된 코발트 전극을 이용한 인산 측정은 넓은 농도 대역에서는 측정 가능성을 보였지만 양액 내 100 ppm 내외의 저농도에서는 전극의 기전력이 안정성이 떨어져 반복 측정성능이 저하되는 문제점이 나타났다. 본 연구에서는 표준 측정방식으로 보고된 몰리브덴 비색법을 이용하여 양액 내 인산 이온을 센싱할 수 있는지를 실험적으로 구명하고자 하였다. 기본적인 실험방법은 Molybdate 와 Ascorbic Acid로 양액 샘플에 시약 처리를 하고 일정시간 반응을 시킨 후 분광기로 양액 시료의 스펙트럼을 얻어 그 결과를 분석하였다. 실험에 사용된 양액 시료는 호글랜드 엽채류 양액 제조 방식을 사용하였으며, 본 연구에서 얻어진 결과를 바탕으로 코발트 전극을 이용하여 얻어진 데이터와 퓨져닝하는 센싱 기술을 개발할 예정이다.