서 론

스마트팜은 기존 농업인의 인력과 자원은 절감하고 농업인의 현장 경험을 데이터화 하여 농업 현장에 발생하는 문제를 실시간으로 파악하고 해결할 수 있는 기술로 많은 관심과 보급증가로 인해 산업 규모 또한 증가할 것으로 전망되고 있다(Hwang and Park, 2020). 시설원예 스마트팜에서는 온실 내부의 환경 데이터를 측정하기 위해 온도, 상대습도, 광량, 이산화탄소, 풍속 등 다양한 센서를 이용하게 된다. 이렇게 수집된 환경 데이터는 한 온실의 데이터 뿐만 아니라 다양한 지역적 특성 및 환경조건을 가진 농가의 온실 데이터와 비교하여 연구 및 새로운 재배전략을 수립하는데 이용할 수 있다(Baek 등, 2018).

국내 대부분의 시설원예 농가에서 이용되는 시설원예 스마트팜 장비는 한 업체에서 개발된 장비가 아닌 다양한 업체의 장비를 혼용해서 사용하고 있는 실정이며, 이에따라 다양한 비표준 장치의 이용으로 인한 호환성 문제 및 제품관리의 어려움 등의 문제가 많이 발생하고 있다(Kim 과 Yoe, 2022). 또한 이러한 온실내에서 사용되는 장비들의 표준화가 미흡하여 다른 기기들과의 복합적 사용이 불가능 한 어려움이 있다(Lee 등, 2014). 따라서 온실 내부 설치 되는 다양한 스마트팜 장비들의 원활한 설치와 네트워크 이용을 위한 방안이 필요하다.

시설원예 온실 내 데이터 수집을 위한 인프라 구축은 크게 온실 내 센서의 설치, 전력 공급, 그리고 네트워크 인프라로 나누어 볼 수 있다. 온실 내 환경 데이터의 정확도를 높이기 위해서 온실내 설치되는 센서의 수가 많아 지게 되며, 센서에 전원을 지속적으로 공급해 주어야 한다. 특히 온실 내부는 작물의 재배 중심 구조로 인해 센서를 설치하기 위한 결속 뿐만 아니라 설치 위치에 대한 어려움도 있어 농가에서 농작업시 방해가 되는 문제가 발생할 수 있다. 또한 국내의 많은 농가에서 온실 내 전력 공급을 위한 전기 배선, 콘센트 부족등으로 인해 신규 장비를 설치하기 위한 별도의 전기공사를 진행하거나 방수가 되지 않는 220V 콘센트 연장선을 이용하고 있어 전기선 마감 불량으로 인한 순간 단전, 감전, 화재 사고 등의 위험성을 가지고 있다. 마지막으로 온실 내 네트워크 인프라 구축이다. 국내 많은 농가에서는 실내용 인터넷 공유기와 스위치 장비 사용으로 인해 통신 신호가 약하고 고장이 많은 문제가 있다. 특히 모바일 원격관리, 클라우드 서비스 이용을 위해서는 인터넷이 필수적이지만, 지역에 따라 설치 불가 지역이 존재하고 LTE 라우터를 이용해도 통신속도가 느릴 수 있다.

따라서 본 연구에서는 상기한 문제점을 해결하기 위해 1) 센서 체결과 전원 공급을 위한 방안과 2) 외부 인터넷 연결 없이 온실 내부 독립적인 시스템 운용을 위한 인트라넷 구축 및 네트워크 장비 설치 방안을 제시한다. 이를 통해 온실 내 스마트팜 장비의 운용을 위한 기초적인 시스템의 설계의 효율성을 제고하고 온실 내부 환경 모니터링과 구동기 제어를 위한 방안을 제시하고자 한다.

재료 및 방법

1. 센서 체결 및 직류 전원공급

본 연구에서는 헹잉 거터(hanging gutter) 베드를 이용하는 온실을 기준으로 센서의 체결과 직류 전원공급의 방법을 구상하였다. 헹잉 거터를 사용하는 온실은 헹잉거터를 고정하기위한 와이어를 이용하며, 이 와이어를 이용하여 온습도 센서와 일사량 센서를 고정하였다.

대부분의 온실은 작물재배를 위주로 설계되어 온실 내 전기 시설이 미흡하다. 일부 온실에 220V 콘센트가 설치되어 있긴 하지만, 설치 장소가 센서와 같은 장치들이 있는 장소와 떨어져 있거나 콘센트의 수가 부족한 경우가 많아 많은 센서를 이용하는 스마트팜 장비를 이용하기 위해서는 추가적인 전기 공사가 이루어지는 경우도 있다. 본 연구에서는 센서 전원 공급을 위해 24V 직류 전원을 이용하였다. 이는 스마트팜의 ICT 기자재는 대부분 24V 이하의 직류를 이용하며 또한 30V이상의 전압을 이용 시 사용자의 감전사고 위험이 있고, 거리가 멀어질수록 전압이 떨어지는 현상을 최소화 하기위해 24V 직류 전원을 선택하였다. 또한 국가 표준 스마트팜 센서 인터페이스에서 DC전원을 표준으로 체택하고 있다(KOAT, 2022a). 연결단자는 DC 단자를 사용하고 단자 1개당 1A를 기준으로 설계 하였다. 작물을 재배하는 거터 하단에 X형 및 T형 2핀 전원 스플리터를 설치하고 방수형 DC 단자를 스플리터 양쪽에 설치한다. 각 DC 단자는 25V 1A를 기준으로 설계하고 온실 규묘 및 직류 전원공급 장치의 최대 전류량을 고려하여 온실 내 설치할 수 있다. 이때 전선 두께는 스플리터 및 DC 단자 수, SMPS의 최대 허용 전류 등을 고려하여 선택할 수 있다. 또한 센서 추가 설치 시 DC전원 단자가 부족할 경우에도 DC전원 스플리터를 이용하여 온실 내 기자재에 전원을 공급 할 수 있다. 일반적으로 사용되는 1.5mm² 굵기의 전선이용 시 허용전류는 KS C IEC 60364-5-52 표준에 따라 3,300W로 25V 1A 로 설계된 단자가 총 약 132개 설치가 가능하며 농가에서는 사용하는 전선의 굵기에 따라 허용전류를 계산하여 단자를 추가할 수 있다.

2. 유무선 인트라넷 구축

본 연구에서는 이더넷(Ethernet), PoE(Power over Ethernet), Mesh Wi-Fi를 이용한 네트워크 인프라를 구축하였다. 각 적용기술에 대한 설명은 Table 1과 Table 2에 나타내었다. 유선 네트워크는 이더넷과 PoE를, 무선 네트워크는 Mesh Wi-Fi를 이용하도록 하였으며, 그중 PoE는 WiFi AP(Access Points), IP 카메라 등 데이터 통신과 전원을 함께 사용하는 장비에 이용한다. 본 연구에서 제시하는 유무선 인트라넷 구축은 온실 내 독립적인 인트라넷 구축을 위해 상기 명시한 다른 네트워크 기술은 사용하지 않았다. 본 연구에서 이용된 유무선 네트워크 구축을 위한 IP주소 체계와 관련 오픈소스는 개발자 커뮤니티(https://cafe.naver.com/aragp)에서 제공한다.

온실 내 내트워크 장비 설치구조는 Fig. 1에 나타내었다. 단동온실과 연동온실 모두 같은 장비를 이용하여 구축 할 수 있다. WiFi-AP는 일반적으로 안정적인 통신 서비스의 범위가 30－35m인 것을 고려하여 온실 내부에 사각지대를 최소화 하여 설치하도록 하며 WiFi-AP를 중심으로 범위내 수신신호강도(RSSI, Received signal strength sndication) 값이 －70 dBm 이상이 되도록 구성한다. WiFi-AP와 PoE 스위치 허브 간 거리가 100m 이상일 경우 PoE 리피터 또는 확장기를 설치하면 안정적인 데이터 통신이 가능하다. 온실 전체를 메시 네트워크로 구성하면 동일 SSID를 이용하여 사용할 수 있으나, 단동 온실의 경우 외부 보온재(보온커튼 또는 덮개 등)로 온실이 덮일 경우 각 동별 중계 신호가 약해질 수 있어 동별로 개별 메시 네트워크 및 SSID를 구성하는 것이 좋다(Fig. 1A). 연동온실의 경우 온실 전체를 메시 네트워크로 구성하여 단일 SSID로 구성할 수 있으며 신호 감소의 원인이 되는 차광스크린, 보온커튼, 보온스크린 등이 안쪽에 WiFi-AP가 위치하도록 설치한다(Fig. 1B).

Fig. 1.

The conceptual diagram of network equipment of single-span greenhouse (A) and multi-span greenshouse (B).

온실 내부 데이터 수신을 확인하기 위해 경남 함안군의 오이농가에 본 연구에서 제시한 PoE 및 메시 네트워크를 구축하고 운영하였다. 설치된 농가의 온실은 길이 100m 폭 8m의 단동 온실 이었으며 온실 내부 측정 지점의 위치와 장비 사진은 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2.

The diagram of equipment and devices for measuring the data reception rata in greenhouse. A, layout of equipment in greenhouse; B and C, Wi-Fi router and receving device; D, display of data connection status.

결과 및 고찰

1. 센서 체결 및 직류 전원공급

Fig. 3은 헹잉 거터(hanging gutter)의 고정 와이어에 센서를 체결하는 방식을 나타낸다. 대부분의 수경재배 온실에서는 작물의 재배를 위한 거터 또는 수경재배 배드를 이용한다. 먼저 센서를 와이어에 고정하기 위한 ‘ㄱ’자 구조의 브라켓을 고정하고 브라켓 위에 센서를 설치하였다. 일사량 센서와 같이 수평계가 필요한 센서의 경우에는 브라켓에 수평계를 장착하여 와이어에 고정시 수평을 잘 유지할 수 있도록 확인을 할 수 있도록 하였다. 대부분의 온실에서는 작물의 재배 중심으로 온실의 시설물들이 배치되어있으며, 센서를 설치하기 위해서는 추가적인 고정 지지대 등이 필요하다. 온실 내부 환경 편차를 최소화 하고 정밀한 환경을 측정하기 위해 다양한 위치의 환경데이터를 수집하는 스마트팜에서는 센서가 더욱 많이 필요하며 이를 위해 센서 설치를 위한 추가작업을 진행하게 된다. 이전의 연구에서 온실 내부의 환경을 정확히 측정하기 위한 센서의 위치의 구명을 위한 연구가 진행된 바 있다 (Hong과 Lee 등, 2014; Lee 등, 2020; Nam과 Kim, 2009; Yang 등, 2024). 온실 내부의 온도 편차를 감소 시키고 균일화된 온실내부 환경을 유지 및 온실 센서의 적절한 위치를 선정하기 위한 연구는 계속해서 진행되었지만, 대부분의 연구에서는 3차원의 형태로 센서를 설치하고 환경을 모니터링 하는 정도에 그치고 있어 많은 수의 센서를 설치하기 위한 문제가 여전하다. 본 연구에서는 온실내부 시설물을 이용하여 센서를 설치하도록 구상하였으며, 이를 이용하여 연구 목적의 온실과 실제 재배 온실에서도 추가적인 구조물 없이 사용할 수 있는 센서의 설치 방안을 제시하였다.

Fig. 3.

The bracket structure for sensor attachment.

Fig. 4는 온실내 센서와 같은 엣지 디바이스의 전류를 공급하기 위한 전원 공급 시스템의 구성도를 나타낸다. 대부분 온실은 작물을 중심으로 설계가 되어 센서와 같은 스마트팜 ICT 기자재에 전원을 공급할 수 있는 전기 시설이 미흡한 실정이다. 온실내 220V 콘센트가 설치되어 있더라도 콘센트의 위치가 ICT기자재를 설치하는 장소에서 떨어져 있거나 부족한 경우가 많고, 대부분의 장비는 직류전원을 이용하기 때문에 이를위해 어댑터의 추가적인 설치가 필요하다. Yeo 등(2016)은 스마트팜 내부 모니터링을 위해서는 센서들의 무선화가 중요하며 이때 센서들의 베터리 문제에 대한 기술의 필요성을 지적하였다. 따라서 본 연구에서는 직류전원 공급 방식을 이용하여 온실 내 기자재에 전원을 공급하는 방법을 설계하였다. 본 연구에서 제시하는 전원 공급은 온실의 크기와 필요한 전력량에 따라 계산하여 추가적으로 설치할 수 있으며 특히 콘센트의 추가설치를 위한 온실내부 공사가 필요하지 않은 방법이 될 수 있다.

Fig. 4.

The diagram of greenshouse sensor DC power supply system.

2. 유무선 인트라넷 구축

현재 국가표준 스마트팜 통신은 유선방식의 RS485 기반 모드버스를 사용하고 있다(KOAT, 2022b). 하지만, 낮은 데이터 전송 성능 및 제한된 장치 연결 수, 설치 및 유지관리의 불편함으로 인해 국내 스마트팜 기자재 기업에서는 RF(Radio frequency), LoRa(Long range), LTE(Long term evolution), Zigbee 등 다양한 종류의 독립적인 통신 네트워크를 사용하고 있다. 이로인해 농가에서는 네트워크 통신료 부담과 같은 유지관리 비용이 증가하게 된다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 이더넷(Ethernet), PoE(Power over Ethernet), Mesh Wi-Fi를 이용한 온실 인트라넷을 사용한다(Table 2). Fig. 5는 온실 인트라넷 장비 구성도를 나타낸다. 온실 내부에서 무선 통신의 이용은 작물의 크기, 방제실시, 포그 등 여러 원인으로 인해 무선 통신의 신호가 약해질 수 있어 온실에서 이용되는 ICT 기자재의 데이터 중요도에 따라 유선 또는 무선 연결방식을 혼용하는 것이 좋다. 유선 이더넷으로 이용되는 장비는 주로 외부기상대, 내부 백엽상, 구동기, 양액기 등이 되며, 무선 Wi-Fi 방식을 이용하는 장비는 근권부, 군락 등 미기상 측정센서, 해충 예찰 트랩, 무인 방제기 등이 될 수 있다.

Fig. 5.

The diagram of greenhouse intranet equipment.

본 연구에서 단동온실과 연동온실 모두 같은 장비를 이용하는 메시 네트워크 방안을 제시한다(Fig. 1). 각 온실의 재배 구역에는 메시 네트워크를 구성하여 재배 구역에 이용되는 센서들의 통신이 원활하게 이루어 지도록 구성하였다. PoE 스위치 허브 및 공유기는 관리실에 설치하고 모뎀이 있는 경우에는 유무선 공유기와 연결하여 외부 인터넷을 사용할 수 있도록 구성하였다. Fig. 6은 온실내 임의 지점에서의 데이터 수신율과 수신강도를 나타낸다. 데이터의 수신율은 모든 지점에서 98%이상의 수신율을 나타냈으며, 수신강도는 －61~－42 dBm으로 나타났다. 수신강도는 －30dBm 일 경우 매우 높으며 본 연구에서는 평균 －51dBm 으로 나타나 안정적인 수신 강도를 나타내는 것으로 보여진다. ICT, IoT등의 첨단기술을 적용한 스마트팜은 다양한 센서를 이용해서 온실내 환경을 모니터링 하고 제어할 수 있다(Rayhana 등 2020). 온실 내에서 IoT기술이 접목된 센서를 이용하여 온실의 모니터링과 구동기 제어를 위한 온실내 네트워크 구축이 필수적이며, 이에 대한 많은 연구가 수행 되었다(Hosny 등, 2024). 그 중 Wi-Fi를 이용한 네트워크는 손쉽게 스마트팜 기재자의 네트워크 연결을 쉽게 할 수 있어 다양한 규모의 온실에서 이용하여 데이터를 수집할 수 있으며(Liang 등, 2018), 전문적인 기술이 없는 농업인이 설치 또는 보수를 하기에도 편리한 방법이다. 스마트 온실 ICT 기자재 관한 표준으로 기존 스마트농축산 프로젝트 그룹에서 스마트 온실 ICT 융복합 장비운용 요구사항 및 설치지침(표준번호: TTAK.KO-10.1173/R1) 표준이 제정되어있지만, 기존 제정된 표준에서는 3G, 4G, Zigbee, Bluetooth 등 다양한 무선 통신방식을 제시 하지만 본 연구에서 제시하는 방안은 기존에 비해 온실 내 무선 네트워크로 Wi-Fi만 이용하여 유지관리의 편리성과 관리 비용을 줄일 수 있다.

본 연구에서는 스마트팜에서 필수적으로 이용되는 센서와 구동기를 온실내 설치하기 위한 전력과 통신을 위한 네트워크 인프라 구축방안을 제시하였다. 본 연구의 내용은 기존 스마트팜 연구에서 주목받지 못했던 센서의 전원 공급과 네트워크 구축 방안을 제시하며 스마트팜 시설원예에 적용할 수 있는 방안으로 판단된다.

Fig. 6.

The data reception rate (A) and signal strangth (B) at arbitrary location within the greenshouse equipped with network infrastructure.