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          자연 환기식 온실의 모델 기반 환기 제어를 위한 미기상 환경 예측 모형

          홍세운,이인복 (사) 한국생물환경조절학회 2014 시설원예‧식물공장 Vol.23 No.3

          Modern commercial greenhouse requires the use of advanced climate control system to improve crop productionand to reduce energy consumption. As an alternative to classical sensor-based control method, this paperintroduces a model-based control method that consists of two models: the predictive model and the evaluation model. As a first step, this paper presents straightforward models to predict the effect of natural ventilation in a greenhouseaccording to meteorological factors, such as outdoor air temperature, soil temperature, solar radiation and mean windspeed, and structural factor, opening rate of roof ventilators. A multiple regression analysis was conducted to developthe predictive models on the basis of data obtained by computational fluid dynamics (CFD) simulations. The outputof the models are air temperature drops due to ventilation at 9 sub-volumes in the greenhouse and individual volumetricventilation rate through 6 roof ventilators, and showed a good agreement with the CFD-computed results. Theresulting predictive models have an advantage of ensuring quick and reasonable predictions and thereby can be usedas a part of a real-time model-based control system for a naturally ventilated greenhouse to predict the implicationsof alternative control operation. 본 연구에서는 모델 기반의 온실 환경 제어에 활용될수 있는 미기상 환경 예측 모형을 개발하고자 하였다. 전산유체역학 시뮬레이션을 활용하여 다양한 기상 조건과 온실의 환기 구조에 따른 온실 내부의 미기상 변화와 환기창에서의 환기량 변화를 모의하고, 다중회귀분석을 통해 수치 모형을 제시하였다. 비정상상태의 환기 작용을 모의한 결과, 환기창 개방후 환기 효과가 완전히 나타나기 까지는 3분 ~ 20분 정도의 시간이 소요될 수 있는 것으로 나타났다. 기존의센서 실측에 기반을 둔 대부분의 환경 조절 제어 시스템의 경우에는 측정값에 따른 피드백에 의해 환경 제어가 동작하므로 온실 내부의 기온이 상승한 이후에 환경제어를 시작하게 되지만, 모델 기반의 환경 조절 제어시스템을 도입하면 이러한 3분~20분 정도의 시간을 사전에 고려하여 적정 환경을 제어할 수 있도록 미리 환기창의 조작이 이루어지게 된다. 작은 규모의 온실에서는 이러한 영향이 미비할 수 있지만, 근래에 증가하고있는 대규모 온실들에 대해서는 온실 내부 작물 재배환경의 균일성과 적정성, 안정성을 확보하고 환경 조절의 경제성을 추구할 수 있는 모델 기반의 환경 조절 시스템이 필수적이다. 본 연구에서 제시된 수치 모형들은 외부의 기온과 풍속, 지면 온도, 일사량 등의 기상 환경과 온실의 천창개폐율에 따라 유도되는 자연 환기의 성능을 온실 내미기상 변화와 환기창을 통한 환기량 값으로 제시하고있으며, 전산유체역학 시뮬레이션 결과와 비교하여 각각58% ~ 92%, 76% ~ 93%의 예측력을 보였다. 미기상의변화는 온실을 9개의 세부 영역으로 구분하여 각 영역에서의 기온 하락 정도로 나타내며, 환기량은 지붕에 형성된 6개의 천창에서의 공기 유출입량을 각각 제시하여준다. 환기 작용에 의한 미기상의 변화는 반드시 환기창에서의 환기량에 의해 예측되지는 않으므로 환기량과 환기의 효과를 구분하여 적용하는 것이 중요할 것이다. 이러한 수치 모형들은 모델 기반 환경 제어 시스템에서가상의 환기창 동작에 따른 환기 성능을 예측하는데 활용될 수 있으며, 전산유체역학 시뮬레이션과 같은 매우복잡한 예측 모델이 비해 상당히 간단한 형태로 이루어져 있어 빠른 계산 시간을 보장한다. 이는 실시간 제어의 관점에서는 복잡한 예측 모델들에 비해 실시간 예측과 제어가 가능하다는 큰 장점을 가져다준다. 본 연구를 통해 개발되고 시도된 결과들은 모델 기반의 온실 복합 환경 제어 시스템을 위한 알고리즘을 개발하는데 활용될 것이다. 또한 이러한 활용은 농업에 IT기술을 접목하여 농가의 노동력 부족을 극복하고 생산성향상과 경쟁력 확보를 도모하는 농업 선진화에 기여할것으로 기대된다.

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          저일조 조건에서 몇 가지 친환경농자재가 고추와 토마토의 유묘 생육에 미치는 영향

          엄영철(Yeong-Cheol Um),서태철(Tae-Cheol Seo),장윤아(Yoon-Ah Jang),이상규(Sang-Gyu Lee),이준구(Jun-Gu Lee),최장선(Chang-Sun Choi),오상석(Sang-Seok Oh) (사)한국생물환경조절학회 2011 시설원예‧식물공장 Vol.20 No.4

          저일조 조건에서 고추와 토마토 유묘의 생육에 미치는 몇 가지 친환경농자재의 이용효과를 검토하고자 하였다. 친환경농자재는 미생물제재, 효소제, 아미노산제 3종을 이용하였고 30% 차광조건에서 토마토와 고추를 육묘하였으며, 육묘용 상토 종류에 따른 차이를 보기 위해 일반 원예용(유비)상토와 무비상토를 비교하였다. 토마토와 고추 모두 무비상토에서는 효소제와 아미노산제 처리에 의해 묘의 생육이 양호하였으나, 미생물제재 처리는 대조구와 차이가 없었다. 유비상토에서는 친환경농자재 처리에 의한 생장촉진효과가 나타나지 않았다. 차광처리에 의하여 묘의 건물중은 감소하고, 엽면적은 다소 증가하는 경향을 보였으나, 친환경농자재의 처리에 의한 생육촉진효과는 없었다. 정식 후 토마토 1화방의 개화소요일수 및 착과절위를 조사한 결과, 무비상토의 경우 효소제 및 아미노산제 처리구에서 개화소요일수가 3~4일 적었으나, 착과절위는 차이가 없었다. 다만 차광조건에서 착과절위가 낮아지는 경향을 보였다. 유비상토의 경우는 친환경농자재 처리나 차광유무에 따른 개화소요일수나 착과절위의 차이가 없었다. 고추는 무비상토에서 차광에 관계없이 효소제 및 아미노산제 처리구에서 건물중이 증가하였으나 미생물 제재 처리구에서는 효과가 없었다. 유비상토는 친환경 농자재의 처리효과가 없었다. 따라서 시판되고 있는 효소제와 아미노산제는 무비상토에서 생육촉진효과가 있었으나, 미생물제재 처리는 처리효과가 없었고, 양분이 함유된 상토에서는 친환경농자재의 처리효과가 없었다. 또 차광에 의한 저일조 조건에서 친환경농자재의 혼용처리에 의한 토마토와 고추 유묘의 생육촉진효과는 없었다. The aim of this study was to evaluate the effect of 3 environment- friendly farming materials on the growth of pepper and tomato seedlings under low level of solar radiation. The pepper and tomato seedlings were separately grown on commercial substrate and non-fertilizer substrate under 30% shading condition, respectively. The microbe-, enzyme-, and amino acid-supplements were used for the foliar application to the seedlings. The application of enzyme- and amino acid-supplements significantly enhanced the growth of tomato and pepper seedlings grown on non-fertilizer substrate, while there was no significant effect on the seedlings grown on commercial substrate. The foliar application of enzyme- and amino acid-supplements reduced the days to flowering by 3 to 4 days and lowered the node order of fruit set in tomato plants grown on non-fertilizer substrate. The results showed that the enzyme- and amino acid-supplements could enhance the seedling growth and lower the node order of fruit set under limited nutritional conditions.

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          온실 공기유동 계측 시스템 개발

          노재승(Jae Seung, Noh),권진경(Jinkyoung, Kwon),김유용(Yu Yong, Kim) (사)한국생물환경조절학회 2018 시설원예‧식물공장 Vol.27 No.1

          작물생육의 품질 및 생산량에 중요한 영향을 미치는 온실 내 환경관리에 대한 연구는 활발히 진행되고 있다. 주로 온실 내 환경분포를 측정하는 방법으로는 한 두지점에 대해서만 측정하여 온실 전체를 관리하는 시스템으로 이루어졌으며 기존 환경데이터 측정방식은 각각의 데이터 로거 및 센서간의 배선들로 인하여 복잡한 시스템으로 구성되었다. 본 연구에서는 온실 내 설치 된 각 환경센서들로부터 지점별 데이터를 획득하고 획득된 데이터는 모니터링 프로그램을 통하여 공기유동흐름을 측정하는 장치를 개발하였다. CAN 네트워크 통신을 통하여 환경센서들의 배선 토폴로지를 간소화 했으며 프로토콜의 견고함으로 온실 내 모니터링을 안정적으로 데이터를 수집할 수 있도록 구현되었다. 온실 내 공간의 환경요인 분포(온·습도 및 풍속 등)들을 12개 지점에 배치하고 온·습도 및 풍속의 환경 데이터는 상세히 파악할 수 있도록 X, Y, Z 축으로 다수의 측정점(총 36점)을 선정하였다. 데이터 손실 및 다양한 온실조건을 고려하여 비트레이트를 저속 125kbit/s로 구현하여 온실 내 100m 구역내에서 센서를 추가적으로 연장(총 90개)할 수 있도록 구축되었다. 온도, 습도, 일사량, 풍향, 풍속, 대기압 및 강우량 등 측정된 데이터는 LabVIEW에 연동되어 실시간으로 센서 정보 출력이 가능하도록 구현되었다. 온실 내 환경 분포는 사용자의 편의에 따라 환경분포를 수평(XZ), 수직(YZ)축으로 가시화 할 수 있으며, 보간의 범위를 원하는 값으로 설정하여 보간 할 수 있도록 구현되었다. 추후에 온실 내의 공간에 따라 온도, 습도, 풍속, CO₂ 등의 환경 측정 실험을 통하여 CFD 모델링과의 검증 및 비교에 활용할 수 있을 것으로 판단된다. This study was conducted to develop a device for measuring the air flow by space variation through monitoring program, which acquires data by each point from each environmental sensor located in the greenhouse. The distribution of environmental factors(air temperature, humidity, wind speed, etc.) in the greenhouse is arranged at 12 points according to the spatial variation and a large number of measurement points (36 points in total) on the X, Y and Z axes were selected. Considering data loss and various greenhouse conditions, a bit rate was at 125kbit/s at low speed, so that the number of sensors can be expanded to 90 within greenhouse with dimensions of 100m by 100m. Those system programmed using MATLAB and LabVIEW was conducted to measure distributions of the air flow along the greenhouse in real time. It was also visualized interpolated the spatial distribution in the greenhouse. In order to verify the accuracy of CFD modeling and to improve the accuracy, it will compare the environmental variation such as air temperature, humidity, wind speed and CO2 concentration in the greenhouse.

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          기상환경 분석을 통한 새만금 시설원예단지 적지분석 연구

          강동현(Dong Hyeon Kang),이시영(Si Young Lee),김종구(Jong Koo Kim),최홍기(Hong Ki Choi),박민정(Min Jung Park),윤성욱(Sung-Wook Yun),손진관(Jin Kwan Son) (사)한국생물환경조절학회 2016 시설원예‧식물공장 Vol.25 No.1

          본 연구에서는 새만금 개발구역에서 환경조절 비용이 적게 들 수 있도록 기상환경을 분석하여 조성 적지를 선정하는 연구를 진행하였다. 작성된 10개의 주제도를 도면중첩하여 50~59점 지역을 적지로 도출하였다. 그 중 농업생명용지 계획지역을 중첩하여 최종적인 시설원예단지 조성 적지로 선정하였다. 본 연구는 시설원예의 환경조절 비용을 낮추어 부가가치를 상승 시킬 수 있다. 새만금에서 시설원예의 대규모를 통해 우리 농업의 국제 경쟁력 도움이 될 수 있다. This study was conducted to find the suitability site for the construction of Saemangeum horticulture complex taking into account cost-effective environmental management by analyzing and comparing meteorological conditions. By overlapping the thematic maps, we extracted the regions that scored 50-59 points as suitable sites for the development project. Of these pre-selected sites, we selected the final candidate region for the protected horticulture by overlapping the sites selected for agricultural and living environment construction. The results of this study will contribute to generating added values by minimizing the environmental management costs for horticulture and landscaping. The operation of a large-scale protected horticulture and landscaping in the Saemangeum Complex will enhance the agricultural competitiveness of our country in the global market.

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          Penman-Monteith 모델에 의한 식물공장 내 상추(Lactuca sativa L.)의 증산량 예측

          이준우,엄정남,강우현,신종화,손정익 (사) 한국생물환경조절학회 2013 시설원예‧식물공장 Vol.22 No.2

          In closed plant production system like plant factory, changes in environmental factors should be identifiedfor conducting efficient environmental control as well as predicting energy consumption. Since high relativehumidity (RH) is essential for crop production in the plant factory, transpiration is closely related with RH andshould be quantified. In this study, four varieties of lettuces (Lactuca sativa L.) were grown in a plant factory, and theleaf areas and transpiration rates of the plants according to DAT (day after transplanting) were measured. The coefficientsof the simplified Penman-Monteith equation were calibrated in order to calculate the transpiration rate in theplant factory and the total amount of transpiration during cultivation period was predicted by simulation. The followingmodel was used: Ed = a * (1 − e−k*LAI) * RADin + b * LAI * VPDd (at daytime) and En = b * LAI * VPDn (atnighttime) for estimating transpiration of the lettuce in the plant factory. Leaf area and transpiration rate increasedwith DAT as exponential growth. Proportional relationship was obtained between leaf area and transpiration rate. Total amounts of transpiration of lettuces grown in plant factory could be obtained by the models with high r2 values. The results indicated the simplified Penman-Monteith equation could be used to predict water requirements aswell as heating and cooling loads required in plant factory system. 밀폐된 식물공장 환경에서 환경 조절 및 에너지 소비예측을 위해서는 환경요소들의 변화 요인을 파악해야 한다. 식물체는 광합성 과정에서 많은 양의 물을 증산을통해 대기 중으로 방출하게 되는데, 일반적으로 식물공장의 특성상 비교적 높은 습도 유지가 필요하며, 증산은실내 습도에 직접적인 영향을 주기 때문에 식물의 증산량에 대한 정량화가 필요하다. 본 연구에서는 식물공장생육조건에서 4가지 품종의 상추를 재배하면서 생육기간에 따른 엽면적 변화와 증산속도를 측정하고 이를 바탕으로 Penman-Monteith 방정식을 식물공장 조건에 맞게변형시켰다. 그리고 이러한 결과들을 토대로 식물공장에서 재배 기간 중 증산으로 인해 발생하는 수분의 양을시뮬레이션을 통해 예측하였다. 그 결과 작물의 엽면적과 증산속도는 생육기간이 진전됨에 따라 점차 증가하는것으로 나타났으며 엽면적과 증산량 사이는 비례관계를나타냈다. 증산량 추정 모델식 변형은 일반적으로 다양한 환경 요인들에 의해 증산량이 결정되던 기존의 모델식들에 비해 엄밀한 환경 요소들에 대한 제어가 가능한식물공장에서 증산량은 환경 요소들은 상수로 취급 가능하며, 작물의 엽면적지수의 변화에 대해서만 주로 결정되었다. 또한 설정된 환경 조건에서 생육기간에 따른 증산량 추정모델을 이용하여 전체 생육기간 중 작물 개체당 누적 증산량을 높은 결정계수(r2)로 예측할 수 있었다. 이렇게 예측된 증산량은 식물공장 환경 제어 기술 중냉난방 부하 계산 및 관수 계획을 세우는데 활용 가능할 것이다.

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          시설양묘에 적용을 위한 내장산 굴거리 나무 군락내 치수의 생장 특성

          정진철(Jin Chul Chung),정지영(Ji Young Jeong),최정호(Jeong Ho Choi),전경수(Kyung Soo Jeon),배종향(Jong Hyang Bae) (사)한국생물환경조절학회 2011 시설원예‧식물공장 Vol.20 No.4

          본 조사는 내장산 국립공원내 굴거리나무 군락지를 대상으로 시설양묘를 위한 기초자료를 구명하고자 광환경이 다른 조건에서 자라고 있는 치수의 생장특성을 조사하였다. 굴거리나무 군락지의 생육 환경은 전형적인 하계 다우형 기후를 보였고, 토양은 미사질양토로, 유기물 함량 11.42~15.61%, 전질소 함량 0.50~0.76%, 양이온 치환용량(C.E.C) 18.92~23.32c㏖/㎏, pH 4.85~5.58 범위를 나타내었다. 조사구별 전광대비 광 환경의 차이는 상대 투광율이 조사구 A가 71~76%, 조사구 B는 37~42%, 조사구 C는 65~70%, 조사구 D는 28~33%로 나타났다. 굴거리나무의 치수는 모수의 수관 밑과 경사진 곳에 집중적으로 분포하는 경향을 보였고, 광환경 조건이 상대적으로 높은 조사구 A와 C가 1,550본/ha, 1,250본/ha이었으며, 총 물질 생산량도 조사구 A가 5.37g, 조사구 C가 5.29g로 광환경 조건이 낮은 조사구 B와 D의 4.42~4.51보다 높게 나타났다. T/R율은 1~2, 엽면적비는 139.71~183.50㎠ㆍg?¹, 엽면적비는 39.68~60.66㎠ㆍg?¹, 엽건중비는 0.28~0.33㎠ㆍg?¹ 범위 내에서 광량이 적어질수록 높게 나타났다. 굴거리나무 치수의 발생과 생장은 토양내 유기물 함량보다 광량이 많은 영향을 미치는 것으로 판단되며 시설양묘 적용시 전광대비 65~70% 이상의 광환경의 관리가 굴거리나무의 초기 생장에 중요한 역할을 미칠 것으로 판단된다. This study aimed to examine foundational data for container seedling production with the subject of Daphniphyllum macropodum community in Mt. Naejang National Park. To achieve the goal, it investigated the growth characteristics of young tree seedlings growing in places with different light intensity environment. Regarding the growth environment of Daphniphyllum macropodum community, it was typical heavy rain summer climate, and the soil was silt loam with the organic content as 11.42~15.61%, total nitrogen as 0.50~0.76%, cation exchangeable capacity (C.E.C) as 18.92~23.32 c㏖/㎏, and pH as 4.85~5.58. About light intensity environment changed by research plots, relative transmittance of solar radiation was 71~76% in plot A, 37~42% in plot B, 65~70% in plot C, and 28~33% in plot D. The seedlings tended to be intensively distributed either under the crown of their mother tree or in the slope site, and plot A and C where light intensity environment is relatively more favorable showed 1,550 tree/ha and 1,250 tree/ha. Total biomass production of Daphniphyllum macropodum seedlings was 5.37 g in plot A and 5.29 g in plot C, so they were higher than 4.42~4.51 g in plot B and D with relatively less favorable light intensity environment. The T/R ratio was 1~2, leaf area rate was 139.71~183.50 ㎠ㆍg?¹, leaf area ratio was 39.68~60.66 ㎠ㆍg?¹, and leaf dry weight ratio grew higher in the range of 0.28~0.33 ㎠ㆍg?¹ as the intensity of radiation became less. It is thought that in the generation and growth of Daphniphyllum macropodum seedlings, the intensity of light has more effects than the organic content in soil. And it is also thought that in the application of container seedlings production, light environment management over 65~70% to full sun light intensity will affect significantly the initial growth of Daphniphyllum macropodum.

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          클라우드 기반 한국형 스마트 온실 연구 플랫폼 설계 방안

          백정현(Jeong-Hyun Baek),허정욱(Jeong-Wook Heo),김현환(Hyun-Hwan Kim),홍영신(Youngsin Hong),이재수(Jae-Su Lee) (사)한국생물환경조절학회 2018 시설원예‧식물공장 Vol.27 No.1

          본 연구는 농업 및 정보 통신 기술의 융합을 기반으로 국내외 스마트 농장 서비스 모델을 검토하고 한국의 스마트 온실을 개선하기 위해 필요한 다양한 요인을 조사하기 위해 수행되었다. 국내 스마트 온실의 작물 생육모델 및 환경모델에 관한 연구는 제한적이었고, 연구를 위한 인프라를 구축하는 데는 많은 시간이 필요하다. 이러한 문제의 대안으로 클라우드 기반 연구 플랫폼이 필요하다. 제안된 클라우드 기반 연구 플랫폼은 통합 데이터, 생육환경모델, 구동기 제어 모델, 스마트 온실 관리, 지식 기반 전문가 시스템 및 농가 대시보드 모듈을 통해 통합적 데이터 저장 및 분석을 위한 연구 인프라를 제공한다. 또한 클라우드 기반 연구 플랫폼은 작물 생육환경, 생산성 및 액추에이터 제어와 같은 다양한 요인들 간의 관계를 정량화하는 기능을 제공하며, 연구자는 빅데이터, 기계 학습 및 인공지능을 활용하여 작물 생육 및 생장환경 모델을 분석할 수 있다. This study was performed to review the domestic and international smart farm service model based on the convergence of agriculture and information & communication technology and derived various factors needed to improve the Korean smart greenhouse. Studies on modelling of crop growth environment in domestic smart farms were limited. And it took a lot of time to build research infrastructure. The cloud-based research platform as an alternative is needed. This platform can provide an infrastructure for comprehensive data storage and analysis as it manages the growth model of cloud-based integrated data, growth environment model, actuators control model, and farm management as well as knowledge-based expert systems and farm dashboard. Therefore, the cloud-based research platform can be applied as to quantify the relationships among various factors, such as the growth environment of crops, productivity, and actuators control. In addition, it will enable researchers to analyze quantitatively the growth environment model of crops, plants, and growth by utilizing big data, machine learning, and artificial intelligences.

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          PLC와 컴퓨터를 이용한 식물생산공장의 환경제어

          김동억(Dong Eok Kim),장유섭(Yu Seob Chang),김종구(Jong Goo Kim),김현환(Hyeon Hwan Kim),이동현(Dong Hyeon Lee),장진택(Jin Taek Chang) (사)한국생물환경조절학회 2006 시설원예‧식물공장 Vol.15 No.1

          본 연구는 식물공장의 생육환경을 측정하고 제어하기 위한 하드웨어와 효과적인 환경제어 알고리즘을 개발하기 위하여 수행하였다. 환경제어를 위한 온실제어 시스템은 크게 컴퓨터와 PLC로 구성하였다. 환경제어 화변에는 온실 부대장치와 기기를 포함한 온실 그림과 온실내부의 기상환경 그래프 그리고 온실 영상을 나타내었다. 온도변화를 줄이기 위하여 환기창의 개폐시간을 설정값과의 온도편차에 따라 3단계로 조절되도록 하였다. 난방기 가동시의 제어편차는 16.7±0.8℃로 나타났고, 자연환기 시 제어편치는 23.1±0.6℃로 나타났다. 가습을 위해 가습기를 가동한 경우의 제어편차는 39.3±1.6%RH로 나타났다. 환경제어장치는 계측과 제어성능에 있어 좋은 성능을 보여 일반 온실과 식불공장의 제어시스템으로 적용할 수 있을 것으로 판단되었다. This study was conducted to develop a system and an control algorithm for control the environment of a plant factory. The greenhouse control system for environmental control was largely composed of a computer and a PLC. The screen of control program was composed of a greenhouse figure which was included machinery and equipments for greenhouse, the graph of environmental factors of inside greenhouse and the image of greenhouse. In order to reduce temperature change, the operation time of ventilation window was changed by 3 stage according to difference between a target and present temperature. When is heating, a temperature variation was shown to be 16.7±0.8℃. When is cooling, a temperature variation was shown to be 23.1 ±0.6℃. When is humidifing, a humidity variation was shown to be 39.3℃ ± 1.6%RH. An environmental control system and a control algorithm were proved that it was shown a good performance in a control accuracy. So a computer control system should be adapted to a control system of a greenhouse and a plant factory.

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