근적외선 비파괴 과일 선별 시스템을 활용한 내부 갈변 사과의 판별

김밝금(Bal Geum Kim),임종국(Jong Guk Lim) 한국산학기술학회 2021 한국산학기술학회논문지 Vol.22 No.1

본 논문에서는 농산물 산지 유통 센터에서 설치되어 사용하고 있는 비파괴 과일 선별 시스템을 이용하여 정상사과와 내부에 결함이 있는 사과를 판별하기 위한 최적 파장과 해당 스펙트럼의 특성을 구명하고자 하였다. 총 54개 사과에 대해 470 - 1150 nm의 파장 범위에서 정상 사과와 갈변 사과의 투과 스펙트럼을 획득하였다. 주성분 분석(PCA)을 활용하여 정상 사과와 내부 갈변 사과의 군집을 확인하였으며, 판별 모델의 개발과 평가를 위해 부분최소제곱회귀(PLSR) 분석을 수행하였다. PCA 분석에서는 정상 사과와 내부 갈변 사과 군집의 확연한 구분이 보여 높은 판별율의 결과를 보여주었다. PLSR 분석 결과, 전처리를 하지 않은 예측 모델의 상관계수(R)는 0.902, RMSE 값은 0.157이었으며, 전처리를 적용했을 때 예측 모델의 상관계수는 0.906, RMSE 값은 0.154이었다. 따라서, 이 PLSR 모델은 이 시스템을 활용해 내부 갈변이 있는 사과도 우수하게 판별할 수 있음을 알 수 있었다. 이와 같은 방식을 이용할 경우, 외부 결함과 더불어 내부 결함에 대한 농산물 선별과 평가에 적용될 수 있을 것으로 사료된다. There is a lack of studies comparing the internal quality of fruit with its external quality. However, issues of internal quality of fruit such as internal browning are important. We propose a method of classifying normal apples and internally browned apples using a near-infrared (NIR) non-destructive system. Specifically, we found the optimal wavelength and characteristics of the spectra for determining the internal browning of Fuji apples. The NIR spectra of apples were obtained in the wavelength range of 470-1150 nm. A group of normal apples and a group of internally browned apples were identified using principal component analysis (PCA), and a partial least squares regression (PLSR) analysis was performed to develop and evaluate the discriminant model. The PCA analysis revealed a clear difference between the normal and internally browned apples. From the PLSR, the correlation coefficient of the predictive model without pretreatment was determined to be 0.902 with an RMSE value of 0.157. The correlation coefficient of the predictive model with pretreatment was 0.906 with an RMSE value of 0.154. The results show that this model is suitable for classifying normal and internally browned apples and that it can be applied for the sorting and evaluation of agricultural products for internal and external defects.

유기질 비료 부숙도 측정을 위한 센서 측정 범위 설정

김밝금 ( Bal-geum Kim ),이재수 ( Jae-su Lee ),유병기 ( Byeong-gi Yu ),김현종 ( Hyun-jong Kim ),이현동 ( Hyun-dong Lee ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

부숙도란 퇴비나 액비가 식물과 토양에 안정적인 반응을 나타내는 정도를 말하는데, 가축 분뇨 퇴비에 대한 부숙도 기준의 적용이 2020년부터 시행됨에 따라 퇴비 부숙도 측정의 중요성이 더 커지고 있다. 가장 대표적인 측정 방법으로는 솔비타(Solvita)측정법이 있는데, 이 방법은 부숙 정도의 표시에 차이가 발생하여 재현성이 낮고 판정까지 많은 시간이 소요되는 한계가 있다. 그러나 미부숙 퇴비의 사용에 따른 농작물 피해를 예방하기 위해서는 퇴비 사용 전 신속하고 정확한 부숙 판정이 가능한 방법의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 휴대용 부숙도 측정 장치를 개발하여 부숙도 측정 시 신속성 및 편의성을 높이고자 하였다. 기체 농도 계측부에는 각종 센서를 부착하였고, 기체 챔버부는 기밀이 유지되는 이중 재킷 구조로 하여 항온 수조를 이용해 온도가 일정하게 유지되게 하였다. 기체 계측을 위한 암모니아 센서(3E1000SE, Citytech, Germany) 계측 범위는 0∼1000ppm, 이산화탄소 센서(GMP252, Vaisala, Finland)는 0∼5000ppm이었다. 기밀 챔버 내 온도는 25℃로 하여 5종 유기질 비료 대상으로 데이터로거(GL840, Graphtec, Japan)를 통해 센서 계측 값을 모니터링하고 데이터를 수집하였다. 30g의 시료를 기체 기밀 챔버에 투입 후 30분 동안 가스 농도 변화를 측정한 결과, 암모니아 가스 발생 농도 범위는 -2.3∼1050ppm이었으며, 이산화탄소 가스 농도 발생 범위는 423∼3900ppm이었다. 80g의 시료 측정 시 암모니아 가스 발생 농도 범위는 -3.2∼1150ppm이었으며, 이산화탄소 가스 발생 농도범위는 451∼5000ppm으로 나타났다. 이산화탄소의 경우 최댓값 기준으로 시료 양에 따라 1.3배의 차이를 보여 퇴비 양이 가스 발생량에 영향을 끼치는 것을 알 수 있었으나, 암모니아의 경우 차이가 거의 없는 것을 확인하였다. 또한 선정한 시판 퇴비 5종의 수분 함량 측정 평균은 50%로 부숙 퇴비 범위 55% 미만 기준에 적합한 것으로 나타났다. 본 연구에 따라 기체 기밀 챔버를 사용하여 퇴비 부숙도의 판정 요인인 암모니아 및 이산화탄소 가스 계측이 가능하고, 이산화탄소의 경우 퇴비 양이 가스 발생량에 영향을 미침을 알 수 있었다. 추후 온도별 기체 계측 요인 실험 및 1회 샘플 측정 후 다음 샘플 측정까지 소요 되는 시간 단축 방안에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

제 3발표장 : 생물공정공학 분야; 11:30~11:42 : A형 간염바이러스의 현장진단을 위한 측방유동 면역분석법을 이용한 간이진단키트

김밝금 ( Bal Geum Kim ),정진태 ( Jin Tae Jeong ),김두운 ( Du Woon Kim ),이경환 ( Kyeong Hwan Lee ) 한국농업기계학회 2014 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.19 No.2

작물 가뭄스트레스 진단을 위한 종이 기반 센서

정진태 ( Jin Tae Jeong ),김밝금 ( Bal Geum Kim ),김철수 ( Cheol Soo Kim ),이경환 ( Kyeong Hwan Lee ) 한국농업기계학회 2015 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.20 No.2

소 도체 등급판정을 위한 스마트폰 기반의 영상 획득 장치 개발

유현채(Hyeon-Chae Yoo),임종국(Jong-Guk Lim),이아영(Ah-Yeong Lee),김밝금(Bal-Geum Kim),서영욱(Young-Wook Seo),김성민(Seong-Min Kim) 한국산학기술학회 2021 한국산학기술학회논문지 Vol.22 No.11

우리나라에서 도축되는 모든 소는 쇠고기로 가공 전 상태인 소 도체에 대해서 개체별로 등급판정이 의무화되어 등급별로 유통되고 있다. 세계적으로도 소 도체의 품질을 실시간으로 측정하기 위한 시스템 개발을 위해 다양한 선행연구가 수행되고 있다. 특히, 비파괴적인 품질 분석 방법의 하나인 디지털 영상처리 기술은 현장 적용을 위한 장치까지 개발되면서 큰 발전이 있었다. 하지만 국내의 소 도체 등급 판정은 여전히 숙련된 전문가의 육안 평가 방식으로 등급판정이 이루어지고 있으며 이러한 방식은 노동집약적이고 장시간 측정에 따른 피로가 누적되어 객관성이 떨어질 우려가 있다. 현재 상용화된 해외의 소 도체 등급판정 장치는 큰 부피와 무거운 하드웨어로 구성되어 국내 도축장 환경에서의 활용에 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 국내 도축장의 환경을 고려하여 소형 및 경량화된 소 도체 등급 판정용 영상 획득 장치를 개발하기 위해 수행되었다. 영상 데이터의 접근 및 호환성이 뛰어난 스마트폰 카메라를 기반으로 하여 좁은 절개 부위에서 영상 획득이 가능하도록 장치의 높이와 무게를 최소화했으며, 근접에서 영상을 획득하기 위해 어안렌즈를 부착하여 제작하였다. 어안렌즈를 이용하여 획득한 영상은 방사 왜곡이 발생하기 때문에 이를 바로잡기 위해 체커보드를 이용한 방사 왜곡에 필요한 매개변수를 구하였다. 왜곡된 영상을 보정하고 소 도체 등급판정에 최적화된 영상을 획득하였으며 앞으로 다양한 도체에 대한 데이터 뱅크를 구축하고 사용자 편의를 위한 스마트폰 애플리케이션을 개발한다면 실시간으로 소 도체 등급판정이 가능할 것으로 기대된다. There have been many prior studies worldwide on the development of a system to measure the quality of beef carcass in real-time. In particular, digital image processing technology, which is one of the non-destructive quality analysis methods, has made great progress with the development of field application devices. However, beef carcass grading in Korea is still carried out visually by an expert. Furthermore, the present-day commercialized beef carcass grading devices are large and have heavy hardware, making it difficult to use them in domestic slaughterhouse environments. Therefore, this study was conducted to develop a compact and lightweight image acquisition device for a domestic slaughterhouse. As part of the design, the device"s height was minimized to enable image acquisition in a narrow area, and a fisheye lens was attached to acquire images in proximity. In addition, the image distortion generated from the fisheye lens was corrected to obtain an optimized image for grading determination.

누에 생육 환경 모니터링 및 행동 특성 분석을 위한 ICT 기반의 사육 시스템 개발

임종국(Jong-Guk Lim),이아영(Ah-Yeong Lee),김밝금(Bal Geum Kim),유현채(Hyeon-Chae Yoo) 한국산학기술학회 2021 한국산학기술학회논문지 Vol.22 No.11

국내 양잠 산업은 비단을 얻는 의류산업 중심에서 부가가치를 높일 수 있는 다양한 기능성 제품 및 약용 소재개발 산업으로 패러다임이 변화하고 있다. 그러나 양잠 산업의 가치를 높이려는 이러한 노력에도 불구하고 인력 부족 및 고령화 현상으로 누에 사육 농가는 매년 감소하고 있다. 최근, 생산비 및 노동력 절감, 품질 향상을 위해 정보통신기술이 다양한 농업 분야에 접목, 확대되고 있다. 그중에서도, 작물과 가축의 생육 환경을 제어하고 모니터링하는 스마트팜은 농업 생산성 감소를 해결할 수 있는 대안으로 떠오르고 있다. 본 논문에서는 정보통신기술 기반의 누에 사육 컨테이너를 제작하였으며 내부에 장착된 환경 센서를 이용하여 온·습도, CO₂ 농도를 실시간 측정하였으며 IP 카메라를 장착하여 실시간으로 누에 영상을 수집하였다. 누에 사육 환경 정보와 영상 정보는 유무선 네트워크를 통해 웹이나 스마트폰으로 원격 관리할 수 있으며 냉난방기, 가습기, 제습기, 환풍기 등과 같은 공조 시스템을 구축해 사육 환경 조건을 제어하였다. 개발된 누에 사육시스템으로 ‘한생잠’ 품종의 누에 100마리를 4령 2일에서 5령 5일까지 사육하였다. 개체 별 길이, 폭, 무게 등의 생육 지표와 뽕잎 섭취량을 일자별로 측정하였으며 IP 카메라로 누에 영상을 실시간 확보하였다. 획득한 누에 영상을 이용하여 누에 행동 특성을 실시간 모니터링할 수 있었으며 이진화 영상으로 실시간 뽕잎 잔여율 산출이 가능함을 확인하였다. The paradigm of the sericulture industry is shifting towards improving added value by developing various functional products and medicinal materials. Despite these efforts to re-evaluate the value of the sericulture industry, the manpower of silkworm farms continues to shrink every year. Recently, Information and Communications Technology (ICT) has been used in various agricultural fields to reduce production costs and labor and improve quality. A smart farm, which can control and monitor the growing environment of crops and livestock, is emerging as an alternative to alleviate the reduction in agricultural productivity. In this paper, a silkworm breeding container was customized with an ICT-based environmental sensor and IP camera. Temperature, humidity, CO₂ concentration, and images were collected in real-time using the sensor and IP camera mounted inside the container. An air conditioning system was applied to control the optimal breeding environment. The breeding environment and image information were remotely managed on the web or a smartphone. Moreover, various growth indicators such as length, width, weight, and mulberry leaf intake were measured daily, and the silkworm images were captured in real-time. The behavioral characteristics of silkworms were analyzed through their breeding images, and the mulberry leaf distribution rate was calculated through image binarization.

초분광 영상과 부분최소제곱 판별분석을 이용한 5령 3일 누에 판별

이아영(Ah-Yeong Lee),강정숙(Jung-Sook Kang),임종국(Jong-Guk Lim),김밝금(Bal-Geum Kim) 한국산학기술학회 2021 한국산학기술학회논문지 Vol.22 No.12

최근 양잠농가에서는 기능성 양잠산업을 개척하기 위한 노력이 이루어지고 있으며 그 중에서도 5령 3일 건조누에는 혈당 강하에 도움을 주어 당뇨병에 탁월한 효과가 있는 것으로 밝혀졌다. 노동력 부족이 심화됨에 따라, 잠작 관리를 자동화하는 기반기술 개발에 대한 요구가 증가하고 있다. 본 연구에서는 초분광 영상 분석 기술을 이용하여 5령 3일 누에를 비파괴적으로 판별 가능한지 조사하기 위하여 수행되었다. 누에 72마리에 대해 365 nm 파장 대역의 자외선 광원에 대한 420 nm ∼ 730 nm 영역의 초분광 형광 영상을 5령 1일부터 5령 5일까지 5일간 측정하였으며, 설정한 관심영역으로부터 평균 스펙트럼을 획득하였다. 추출된 평균 스펙트럼에 대해서는 9가지 전처리(MSC, SNV, Smoothing, Baseline offset, Mean/Max/Range normalization, 1<SUP>st</SUP>/2<SUP>nd</SUP> derivatives)를 수행하였다. 5령 3일 누에를 판별하기 위하여 스펙트럼을 두 그룹으로 나누었다(그룹 1: 5령 1일, 2일 누에, 그룹 2: 5령 3일, 4일, 5일 누에). 주성분분석(PCA)을 통해 그룹별 분포도와 5령 3일 누에 판별 가능성을 확인하였고 판별 모델 개발을 위해 부분최소제곱 판별분석(PLS-DA) 및 5중 교차검증을 수행하였다. 그 결과, 1차 미분 전처리를 수행한 스펙트럼을 이용하여 만든 판별 모델의 검증 성능이 93.80 %로 가장 우수하게 나타났다. Recently, sericulture farms have been trying to pioneer the functional sericulture industry. Moreover, it has been proved that the 5<SUP>th</SUP> instar 3 day silkworm is effective in diabetes. Along these lines, there is a growing demand for the development of basic technologies that can automate the management of silkworm breeding in light of the deepening labor shortage. This study investigated whether the 5<SUP>th</SUP> instar 3 day silkworm can be non-destructively determined using hyperspectral fluorescence imaging techniques. As part of the study, hyperspectral fluorescence images of 72 silkworms were captured with a wavelength range of 420 nm to 730 nm for the 365 nm UV light. In particular, the images were captured during the five days of the 5<SUP>th</SUP> instar. The average spectra from the region of interest were obtained, and nine pretreatment methods were followed. To discriminate the 5<SUP>th</SUP> instar 3 day silkworm, we divided the spectra into two groups (group 1: 5<SUP>th</SUP> instar 1/2 day and group 2: 3/4/5 day). Further, the distribution of silkworms" spectra was confirmed through principal component analysis (PCA), and we checked the possibility of discriminating 5<SUP>th</SUP> instar 3 day silkworms. Subsequently, partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) and five-fold cross-validation were performed to develop a discriminant model. The result of the analysis showed that the 1D derivatives spectrum model showed the highest performance (the prediction accuracy: 93.80%).

태양광 및 인공광 병용 재배시스템 개발

원진호 ( Jin-ho Won ),이재수 ( Jae-su Lee ),이현동 ( Hyun-dong Lee ),곽강수 ( Kang-su Kwak ),김밝금 ( Bal-geum Kim ),김태현 ( Tae-hyun Kim ),이상규 ( Sang-gyu Lee ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

태양에너지는 지구의 생태계 조성에 큰 비중을 차지하고 있는 에너지이며, 대체에너지로써 폭넓게 이용되고 있는 에너지 중 하나이다. 그러나 태양에너지는 맑은 날씨에만 활용 할 수 있고, 강우와 구름 등과 같은 흐린 날씨에는 활용할 수 없는 큰 단점이 있다. 한편 최근 폐쇄형 식물공장에서는 인공광원 중 LED 램프가 많이 사용되고 있으나, 광강도의 한계로 인해 재배종이 엽채류로 제한적이므로, 태양광과 LED 램프를 사용하여 식물공장에서 발생되는 광원의 문제점을 해결하기 위한 핵심요소기술이 필요한 실정이다, 따라서 본 연구에서는 식물공장에서 태양광과 LED 램프를 병용하여 사용할 수 있는 재배시스템을 개발하였다. 개발한 재배시스템은 크게 광원공급부, 전원공급부, 시스템계측 및 제어부로 구성되었다. 광원공급부는 태양광 전송장치와 인공광원인 LED 램프(5700K Cool White)로 구성되었다. 태양광 전송장치의 경우 광 전송률이 우수한 석영재질의 광섬유(Optical fiber)로 제작하였다. 전원공급부의 경우 누전 차단기, 단상전자 접촉기, SMPS, LED제어기, 릴레이로 구성되어 각 부의 전원을 공급하도록 제작하였다. 또한 시스템계측 및 제어부는 터치스크린과 지그비(ZigBee) 통신모듈, 광량센서로 구성되어 있다. 본 재배시스템의 작동원리는 광량센서가 태양광 집광장치와 광섬유를 통해 유입된 태양광의 광량을 측정하고, 지그비 통신모듈을 통해 터치스크린에 광량값이 표시되며, 터치스크린과 LED제어기의 485통신을 통해 LED 램프의 광강도가 조절되는 방식이다. 또, 흐린 날씨로 인해 태양광 집광이 미비하거나 불가능한 경우에는 부족한 광량을 LED램프로 대체되도록 개발되었다. 본 연구를 통해 개발된 재배시스템을 활용하여 태양광과 LED 램프를 병렬적으로 사용함으로써, 식물공장에서 광원문제로 인한 엽채류 재배의 한계점을 극복 할 수 있을 거라 판단되며, 태양광 활용 가능성을 제시 할 수 있을 거라 사료된다.

클라우드 컴퓨팅을 활용한 데이터 기반 한국형 스마트온실 서 비스 구현

백정현 ( Jeong Hyun Baek ),홍영신 ( Youngsin Hong ),이현동 ( Hyun Dong Lee ),이상규 ( Sang Gyu Lee ),곽강수 ( Kang Su Kwak ),김밝금 ( Bal-geum Kim ),김태현 ( Tae Hyun Kim ),노시영 ( Si Young Rho ),이재수 ( Jae Su Lee ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

본 연구는 국립농업과학원 스마트팜개발과 테스트베드 온실 내부에 구축된 클라우드 컴퓨팅 자원을 활용하여 2017년 8월부터 2019년 2월까지의 온실 내외부의 환경 및 토마토 작물 생육 데이터 분석을 하였고, 도출된 결과를 활용하여 환경 제어 추천을 하는 웹기반 서비스를 구현하였다. 구현을 위해 활용된 클라우드내 컴퓨팅 자원은 크게 데이터 수집과 분석정보의 가시화를 위한 인터페이스 자원, 데이터 분석과 저장을 위한 컴퓨팅자원으로 각각 3가지 목적에 따라 구성하였다. 영상이미지의 분석 자원은 주차별 작물 영상이미지로부터 생육 계측과 병해 판단이 주목적인 인공지능 플랫폼을 위해 클라우드내 GPU를 활용하였으며, 분석 결과는 클라우드내의 가상 네트워크를 통해 데이터베이스 저장된다. 데이터의 수집 인터페이스와 분석 정보의 가시화를 위해 자바스크립트를 활용한 웹서비스플랫폼을 구성하였다. 클라우드내 웹 서비스 플랫폼을 활용하여 농가 사용자에게 온실내 작물 생육에 대한 정보 전달을 위해 온실내 환경 추천서비스를 구현하였으며, 이는 인공지능 플랫폼에서 분석된 결과를 바탕으로 토마토 작물의 생장상 진단, 온실내 환경 변화, 제어기의 작동 추천을 제공한다. 농가별 온실 데이터 수집, 분석 및 가시화를 위한 단일 인터페이스를 통해 최적 생육 환경 정보를 지원함으로써 최종 의사결정에 도움이 되리라 판단된다.

한국형 스마트온실 내 사물인터넷(IoT) 기술 적용을 위한 무선 주파수대역별 통신환경 분석

이재수 ( Jae Su Lee ),홍영신 ( Youngsin Hong ),이현동 ( Hyun Dong Lee ),이상규 ( Sang Gyu Lee ),곽강수 ( Kang Su Kwak ),김밝금 ( Bal-geum Kim ),김태현 ( Tae Hyun Kim ),노시영 ( Si Young Rho ),채윤경 ( Yoon-kyoung Chae ),백정현 ( J 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

본 연구에서는 한국형 스마트온실 내 사물인터넷(IoT) 기술 적용을 위해 무선통신 주파수대역별 장애요인을 점검하고 통신환경을 분석하였다. 한국형 스마트온실 내·외부 무선통신 장애요인을 분석하고자 스펙트럼 분석기를 이용하여 스마트온실 환경제어기의 게이트웨이 설치치점에서 전파 잡음레벨을 측정하였다. 측정 주요주파수는 IoT 디바이스에서 주로 사용되고 있는 무선통신 주파수대역인 900MHz와 2.4GHz 대역으로 각각 중심주파수 920MHz ± 100 MHz 및 2,440MHz ± 100 MHz 범위를 대상으로 분석하였다. 900MHz 대역의 잡음레벨 분석결과로는 이동통신 주파수대역인 864∼894MHz 및 949∼960MHz에서 이동통신 신호가 감지되었고, IoT 디바이스가 주로 사용하는 비면허 대역인 917∼923MHz에서는 전파 간섭이 없음을 확인하였다. 2.4GHz 대역에서는 Wi-Fi 신호가 2.4∼2.48GHz 전대역에서 감지되었다. 또한, 한국형 스마트온실 내부 구조물에 따른 무선통신 장애점검을 분석하기 위해 스마트온실 내 폭 방향 7지점, 길이 방향 8지점 및 높이 방향 3지점으로 총 168지점의 신호강도 데이터(RSSI)를 수집하여 통신환경을 분석하였다. 본 연구를 통해 900MHz와 2.4GHz 수신레벨의 분석결과, 전체 168개 지점의 평균 수신레벨은 각각 -62.9dBm과 -52.3dBm으로, 각 사용된 RF 모듈의 수신감도 -130dBm과 -110dBm 대비 충분한 수신레벨이 확보됨을 알 수 있었다. 송신노드가 온실내부에 설치되는 경우, 수신 노드 위치에서 수신레벨 및 수신노드의 감도를 고려하면 반경 약 200m까지는 통신이 가능한 것으로 판단된다.