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[식물공장과 전기전자정보기술 ②] 식물공장을 계측하는 센서기술
2017년 4월 1일 (토) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2017년 4월호 - 전체 보기 )

[식물공장과 전기전자정보기술 ②]
식물공장을 계측하는 센서기술


지금까지의 농업분야는 생력화(省力化) 및 고생산성을 목표로 하여 오랜 기간 작물의 품종개량 및 농작업의 기계화가 추진되어 왔다. 그 결과, 전후(戰後)부터 현재에 이르는 단위면적당 수확량이 비약적으로 향상되었고, 노동시간은 크게 단축되었다. 그러나 최근 일본의 농업시장에서는 농가의 고령화에 따른 노동력 부족 문제가 크게 대두되면서 농작업의 생력화와 효율화가 더욱 강하게 요구되고 있다. 농림수산성은 현재 일본 농업이 안고 있는 여러 가지 과제들을 극복하기 위해 로봇기술 및 ICT를 활용한 새로운 농업(스마트 농업)의 형태를 제안하고 있다. 여기서는 로봇기술 및 ICT 도입 방향성이 제시되고 있는데 그 중 하나가 센싱기술의 활용이다. 본고에서는 보다 정밀한 재배관리를 목적으로 개발되고 있는 식물공장에서 그 기반이 되는 작물과 재배환경의 계측기술을 소개하고, 현상의 과제에 대해 설명한다. 또 그에 대응하기 위한 작물생체정보의 비파괴 계측을 실현하는 화상 및 분광적 기법과 향후 전망에 대해 알아본다.
정리 편집부

식물공장에서의 환경제어방법

일본 국내에서의 식물공장은 크게 두 가지로 나뉘는데, 하나는 폐쇄환경하에서의 완전 인공광형 식물공장과 또 하나는 이른바 하우스 재배인 태양광 이용형 식물공장이다. 양자의 목적에는 차이점이 있지만, 공통되는 사항은 재배환경제어의 고도화를 통해 작물의 잠재력을 극대화함으로써 고품질 및 다수확을 목표로 하는 것이다. 식물공장에서의 재배환경제어의 기본적인 개념을 [그림 1]에 나타냈다. 식물공장에서는 작물 지상부의 기상환경 및 지하부의 양액을 계측하고, 그 수치를 바탕으로 작물의 생장 및 초세(草勢,
 plant vigor: 식물의 생육이 왕성한 정도)를 최적의 상태로 만드는 피드백형 제어방법을 채용하고 있으며, 보다 고도화된 제어를 실현하는 데 있어서는 각 환경요인을 계측하는 센서기술이 매우 중요하다.

식물공장의 환경제어에 요구되는 계측항목은

(1) 작물을 둘러싼 지상부 환경
(2) 작물 지하부(근권)의 환경
(3) 작물의 상태

이상의 3가지로 대별된다. 다음에 (1)부터 순서대로 센서기술의 현황 및 과제에 대해서 설명한다. 


식물공장에서의 재배환경 계측기술
작물의 총 건물생산(수확량)과 수광량(受光量)의 관계를 [그림 2]에 나타냈다. 이 그림에서 수광량을 최대한 많게 하고 작물의 광이용 효율을 높게 하면 수확량을 증대시킬 수 있다는 사실을 확인할 수 있다. 작물의 수광량을 결정짓는 요인은 작물의 잎의 크기와 전개이며, 이들은 습도와 온도의 영향을 받는다. 광이용 효율이란 작물이 흡수한 광량자(mol)당 CO₂고정량(mol)으로, CO₂농도, 습도, 빛에 영향을 받는다. 즉, 식물공장의 재배환경에서 특히 중요한 계측정보는 ▲ 온도 ▲습도 ▲CO₂농도 ▲빛이라고 할 수 있다.


재배온도·기온의 계측
재배환경에서의 기온은 작물의 생장에 큰 영향을 주는 요인이다. 식물공장에 관계없이 대부분의 시설원예에 있어서는 먼저 기온을 확인하고 환기 및 냉난방을 실시해 최적의 환경으로 제어하는 것이 기본이다. 온도센서에는 ▲열전대 ▲측온저항체 ▲서미스터 ▲반도체 센서 등이 사용되고 있으며, 최근 습도센서와 일체화된 모듈형도 판매촉진이 다량 이루어지고 있다. 태양광 이용형 식물공장에서 기온을 계측할 때에는 직접 태양광이 닿지 않도록 주의할 필요가 있다. 그 때문에 센서를 이용하는 경우 센서를 통풍통(通風筒) 
안에 설치하는 경우가 많다([그림 3] 참조).
작물은 그 종류에 따라 재배 적온(適溫)이 있어 그 범위에서 장시간 벗어나게 되면 생장에 큰 영향을 받는다. 그 때문에 측정간격은 가능한 한 짧게 설정하는 것이 좋다. 측정간격을 짧게 설정하면 창문의 자동개폐 및 난방기와 같은 제어기기의 이상을 조기에 발견할 가능성이 높아진다.
기온계측은 그 필요성이 높고, 또 센서가 저렴하고 내구성이 우수하기 때문에 많은 재배현장에서 이용되고 있다. 그러나 설치방법을 연구해야 하기 때문에 한 구획당 일점의 계측이 많다. 보다 고도의 환경제어를 실현하기 위해 다점계측을 실시하고자 하는 경우에는 설치방법에 상응하는 연구가 필요하다. 특히, 식물 근방의 기온계측에는 많은 어려움이 따른다. 서모카메라를 이용하여 공간적인 온도분포 계측도 시도되고 있지만, 카메라의 분해능과 정밀도를 대응시키는 것은 매우 어렵다.


습도의 계측
지금까지 일본 국내의 재배현장에 있어서 습도의 계측과 제어는 그다지 실행되지 못했다. 그러나 습도제어가 잎의 전개와 광합성에 영향을 미치고 그로 인한 다수확 효과가 확인되면서 그 필요성이 급속도로 확산되고 있다. 현재의 환경제어에서는 습도를 포차(飽差, VPD: kPa 또는 HD: g/㎥)로 나타내는 경우가 많다. 습도센서는 방식에 관계없이 저렴하고 쉽게 이용할 수 있게 되었지만 재배현장에서의 사용 시 몇 가지 과제가 있다. 첫째로 센서의 경년열화로 인해 측정 정밀도가 빠르게 저하된다는 점, 그리고 소자가 물에 젖으면 계측이 불가능해진다는 점이다. 대부분의 시설재배 환경은 하루의 온도차가 크고 방제작업 시 약제를 살포하는 등 센서에는 매우 가혹한 조건이다. 센서 열화에 의한 제어 문제를 방지하기 위해서는 온도센서와 마찬가지로 통풍통을 이용하거나 센서를 사용하지 않는 통풍건습구계를 이용하는 방법도 고려해볼 수 있겠으나 충분한 대응책이라고는 할 수 없다.

CO₂농도의 계측
광합성은 CO₂농도에 크게 의존한다. 작물에 따라 차이는 있지만 광조건에 관계없이 CO₂농도가 400ppm에서 1000ppm으로 증가하면 광합성 속도는 30~50% 증가한다. 식물공장과 같은 폐쇄·반폐쇄환경하에서의 재배 시 CO₂농도를 계측하고 제어하는 일은 매우 중요하다. CO₂센서는 온도 및 습도센서와 비교하면 고가의 가격이지만, 최근 들어 구입하기에 큰 부담이 없는 수준이 되고 있다. 그러나 대부분의 CO₂센서는 장시간 사용하게 되면 측정값에 차이가 생기는 경향이 있어 정기적인 교정을 필요로 하는 경우가 많다. 이것은 습도센서와 마찬가지로 재배환경이 센서에게 가혹한 조건이기 때문이다. 센서의 교정을 엄밀하게 실시하기 위해서는 표준가스가 필요하므로 실제의 재배현장에서 교정을 자주 실시하는 것은 현실적이지 않다. 그 때문에 안정성 및 보수성이 뛰어난 센서가 요망된다. CO₂농도는 공간적인 편재가 크기 때문에 다점계측을 실현하는 센서기술이 기대되고 있다.

빛의 계측
수광량은 작물의 수확량을 결정짓는 중요 요인이 된다. 작물이 받는 빛의 양과 광질(光質, light quality)은 계절의 변동에 따른 태양의 각도나 일장(日長)뿐만 아니라, 재배관리에도 많은 영향을 받는다. 또 재배시설의 구조 및 피복자재에 의해서도 영향을 받기 때문에 그 타당성의 판단지표가 되기도 한다.
빛의 계측에는 일사(日射) 센서, 광량자 센서 등이 사용된다. 일사 센서는 수평으로 입사하는 방사조도를 계측하는 데 사용되며, 측정단위는 kW/㎡이다. 광량자 센서는 작물이 광합성을 하기 위해 흡수하는 파장영역(400~700nm)의 광량자 밀도를 계측하는 데 사용되며, 측정단위는 µmol/㎡/s이다. 농학 분야의 작물을 다루는 연구에서는 일반적으로 광량자 센서가 사용되고 있다. 토마토처럼 수직으로 유인하여 군락을 형성하는 작물을 취급하는 경우에는 한 군데만이 아니라, 일정한 높이마다 광량자 밀도를 계측함으로써 최적의 군락구조가 형성되었는지를 판단한다([그림 4] 참조).빛의 측정에 사용되는 센서는 온도 및 습도, CO₂센서에 비해 고가이다. 또 재배조건에 따라서는 [그림 4]와 같이 대규모 측정이 되어버려 환경제어에 이용하기 곤란한 경우가 있다. 그러나 반도체 공정 기술의 고도화에 의해 센서의 측정 정밀도 향상 및 저코스트화가 진행되고 있어 향후 광계측 기술이 빠르게 발전될 것으로 기대되고 있다.


작물 지하부(근권)의 계측기술
식물공장의 환경제어에 있어서 작물 지하부의 계측정보 이용 빈도는 지상부에 비해 매우 적다. 이것은 재배 생리상의 이유가 크지만, 동시에 지하부 정보의 치밀한 계측이 어렵기 때문이기도 하다. 여기서는 작물 지하부의 물과 배양액의 계측에 대해 설명한다.

물의 계측
작물에 물부족이 발생하면, 잎의 신장이 억제되어 잎면적이 작아진다. 그 결과, 수광량이 감소하여 건물생산의 증가가 억제되고, 물부족이 심화되면, 식물은 치명적인 타격을 입게 된다. 따라서 지하부의 수분계측은 작물생장을 위해서뿐만 아니라, 관수(灌水) 문제에 의한 막대한 손실을 미연에 방지하기 위해서도 중요하다.
수분계측에는 주로 유전율 토양수분센서가 사용되고 있다. 수분센서는 비교적 저렴하고 반응속도가 빠르며 유지보수가 필요 없는 등 이점이 많다. 그러나 몇 가지 주의할 점이 있다. 예를 들어 배지(培地, 배양액)의 상태에 따라서는 센서의 설치개소에 기인하는 계측값의 차이가 발생한다. 또 실제로는 많은 작물들 가운데 몇 그루를 선택하여 계측을 실시하기 때문에 작물의 생육차에 따른 계측치의 편차가 발생한다. 전술한 기상환경계측과 마찬가지로 수분계측에서도 얼마나 많은 곳을 동시에 계측할 수 있는가가 기술적인 과제가 된다. 또한, 토경재배에서의 수분계측의 경우 토양수분장력계(텐시오미터)에 의해 수분장력(Pa)으로 표시하는 경우도 있다.

배양액의 계측
배양액의 조정에는 EC(Electro conductivity)와 pH가 사용된다. EC는 전기전도도이며, 측정단위는 mS/cm이다. 일반적으로 EC가 낮으면 작물은 물을 용이하게 흡수한다. EC가 높으면 물의 흡수가 억제되는데 일부 과채류에서는 과실의 건물률이 증가하여 식미가 높아진다. EC는 생산자가 어떤 작물을 원하는 가에 따라서 그 제어방법이 달라진다. pH는 비료성분의 흡수에 영향을 미친다. pH가 적정범위에서 크게 떨어지면 비료성분의 흡수에 문제가 생길 뿐 아니라, 뿌리에 큰 타격을 입힌다.
일반적으로 EC에는 전기전도율을 계측할 수 있는 센서가, pH에는 전위차를 계측할 수 있는 센서가 사용된다. EC와 pH 센서는 관수 전의 배양액 확인에 사용되는 경우가 많다. 만일 작물 지하부의 EC와 pH를 연속적으로 다점계측할 수 있다면 생산자의 의사결정과 환경제어를 아우르는 고도의 재배관리가 가능할 것으로 보인다. 최근에는 반도체를 이용한 EC와 pH 센서를 농업에 이용하는 방안이 제안되고 있어 앞으로의 발전이 기대되고 있다.

작물의 계측기술
지금까지 언급한 재배환경과 지하부의 계측정보는 재배작물 및 지역, 그리고 생산자별로 미리 설정한 최적의 조건에 맞게 제어된다. 작물계측의 목적은 그것과는 다르게 환경제어를 실시한 것에 대한 평가이며, 현재보다 최적의 상태를 이끌어내기 위한 지표 설정이다.

(1) 작물외부정보
(2) 작물내부정보

작물의 계측정보를 이 두 가지로 대별하여 그동안의 계측기법과 농학분야에서의 새로운 시도들에 대해 소개한다.

작물외부정보의 계측
작물외부품질의 계측요인은 주로 작물의 크기와 형상이다. 구체적으로는 ▲작물의 초장(草長, plant height) ▲잎의 크기 ▲줄기의 굵기 ▲잎의 공간분포 ▲과실의 크기 등이 있다. 이들은 작물의 광합성 효율을 높이는 조건이며, 또한 그 평가지표가 된다. 그래서 재배 중 이들을 비파괴 계측하여 환경제어를 실시하는 것이 바람직하지만, 대부분이 직접 입수에 의한 것이고, 또한 잎의 크기에 대해서는 작물을 파괴하여 계측을 실시하고 있다. 최근 가격이 저렴한 3차원 형상 계측 센서 Kinect®(Microsoft®사 제작)를 이용하여 작물의 초장및 잎의 크기를 비파괴로 측정하는 기술([그림 5] 참조)이 개발되고 있다. [그림 5]에는 식물공장의 위쪽에서 작물을 바라본 경우의 거리화상이 나타나 있다. 거리정보를 이용하여 연속적인 초장 계측이 가능하며, 초장을 보면서 재배환경을 제어하는 일도 검증되고 있다. 잎의 크기에 대해서도 조건별로 정밀도가 우수한 계측결과가 나타나고 있다. 하지만 센서를 낮 동안에 사용할 수 없고, 하나의 센서에 1대의 PC가 필요하게 된다. 또 Kinect®는 원래 게임용도로, 기업의 비즈니스 전략에 따라 제조가 중단될 가능성이 높다. 일본 국내에서도 동등한 성능을 가진 센서의 판촉이 이루어지고 있지만, 해외에 비해 고가이다. 농업에서의 투자비용은 공업에 비해 낮아 향후 가격 대비 성능이 우수한 센서가 개발될 것으로 기대되고 있다.


작물내부정보의 계측 

작물내부정보란 작물의 무게와 경도, 작물 체내의 수분 및 영양성분 등을 말한다. 작물의 무게는 생장량과 광합성량과의 상관관계가 있으며, 현재는 완전히 파괴하여 계측을 실시하고 있다. 또 경도는 과실의 성숙도를 판단하기 위해 계측되며 과실을 샘플링하여 실시하는 경우가 많다. 그러나 최근에는 가시·근적외 분
광 분석법을 이용하여 과실경도를 비파괴로 계측하고 과실품질을 정량화하려는 시도가 이루어지고 있다. 가시·근적외 영역은 적외 영역에 비해 에너지가 낮고 작물에 손상을 주지 않기 때문에 농업분야에서의 용도가 확산되고 있다. 그러나 장치의 특성상 재배 중 연속계측이 어렵기 때문에 수확 후의 품질검사 등에 이용하는 것이 일반적이다. 
작물 체내의 수분 및 영양성분에 있어서도 분광적 기법을 이용한 계측이 시도되고 있다. 예를 들어 CCD(Charge-Coupled Device) 카메라를 이용해 화소별로 취득된 R·G·B·IR정보로부터 작물 체내의 수분 및 영양성분의 분포를 얻을 수 있다. 그러나 현장에서 실시간으로 계측할 때 발생하는 외란제거 및 환경제어의 이용에는 아직 과제가 남아 있다.

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태그 : 식물공장 전기전자정보기술 전기 전자 정보 계측 센서 기술
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