ICT 기반의 이동식 다단 수경재배 시스템{a hydroponic system with movable multi-beds based in ICT convergence}

본 명세서는 수경 재배시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 설명하면, 유리 온실 내에 재배되는 딸기 등과 같은 키 높이가 낮은 작물을 다단으로 이루어지는 베드(소위 "재배조"를 말함)에 수경 재배하기 위한, ICT 기반의 이동식 다단 수경재배 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 유리 온실 내에 딸기와 같은 작물을 재배할 경우, 연작 장해, 제초와 관수, 시비 및 수확 등에 따른 중노동 작업으로부터 노동력 절감을 목표로 하여 고설 수경재배방식이 농가에 보급되고 있는 실정이다.

고설 수경 재배는 이의 시설비가 매우 고가여서 농가의 초기 부담이 매우 큰 단점을 갖게 된다.

이로 인해 생산성을 높이기 위해 방편으로 입체식 다단재배가 일본, 미국, 카나다, 유럽 등의 다양한 딸기 작물 재배 국가에서 많이 시도되고 있다.

반면에, 유리 온실 내에 작물이 식재되는 수경 재배용 베드가 고정형으로 배치되어 수직으로 층을 이루어 설치되는 경우(도 1의 사진에서 고정식 3단 행잉거터(hanging gutter)식 고설 수경 재배시스템을 확인할 수 있다), 베드 내에 계절별 또는 시간별 입사 광량이 다르고, 광 입사량의 차이에 따라 각 베드에서 생육하는 작물(일 예로서, 딸기 등을 말함)에 제공되는 광량, 온도, 습도, 공기 유동량, 탄산가스 농도 등의 차이가 발생하게 된다.

이러한 차이는 결국 유리 온실내 작물의 생육량 차이를 초래하게 되고, 베드 근권으로부터 흡수되는 양분과 수분량의 차이가 발생된다. 이로 인해 평면 재배방식에 비해 생산성이 비례적으로 높아지지 않음은 물론, 종묘, 비료, 농약 등 자재 투입비와 재배 관리에 따른 노동력에 비하여 생산성이 낮아 실용성이 떨어지는 문제점을 갖게 된다.

한편, 유리 온실 내에 고부가가치 작물인 파프리카, 화훼 등의 작물은 첨단 유리 온실 내에서 규모화, 자동화를 통해 경영성을 확보할 수 있어 국내에서 많은 농가에 보급되어 있다.

반면에, 딸기 품목은 첨단 유리 온실 내에서 상업적 재배가 아직까지 전혀 이루어지지 않고 있다.

이로 인해, 첨단 유리 온실 또는 플라스틱하우스 내에서 딸기를 수경 재배하여 수입원을 증대시키기 위한 많은 노력 및 연구가 활발하게 진행되고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허공보 등록번호 10-1418973호에 수경 재배 환경 자동 제어 및 모니터링 시스템이 게시되어 있다.

본 명세서의 실시예는, 첨단 유리 온실 또는 플라스틱하우스 내에 딸기 등의 작물을 수경 재배할 경우, 유리온실의 동일한 공간내에 작물이 식재되는 베드를 다단형 입체식으로 배치시켜 한정된 재배공간을 유용하게 활용할 수 있도록 한, ICT 기반의 이동식 다단 수경재배 시스템과 관련된다.

본 명세서의 실시예는, 베드에 식재된 작물 생육을 촉진시키기 위해 베드 별로 관수되도록 하고, 작물에 대한 광량을 최적화하며, 온도, 습도, 탄산가스 농도, 공기 유동량 등을 센서 측정치에 의해 제어하여 평면재배식에 비해 상대적으로 작물 수확량을 극대화시킬 수 있도록 한, ICT 기반의 이동식 다단 수경재배 시스템과 관련된다.

상기 및 기타 본 명세서의 목적을 달성하기 위하여 본 명세서의 일 실시예에 의하면,

온실 길이에 대응되게 형성되고, 상기 온실 내에 폭 방향으로 임의간격을 유지하여 반복 설치되는 베드에 식재되는 작물을 수경 재배하기 위한 다단형 수경 재배시스템에 있어서:

상기 온실 내부 상측에 설치되는 구동모터와, 상기 구동모터에 연결되고, 상기 온실 길이 방향으로 임의간격을 유지하여 제1가이드릴이 반복하여 장착되는 회전축과, 상기 회전축에 임의간격을 유지하여 회전가능하게 지지되고 상기 제1가이드릴과 대향되게 제2가이드릴이 반복하여 장착되는 아이들러축을 포함하는 구동부;

상기 제1,2가이드릴에 중간측이 권선되며, 제1,2가이드릴을 기점으로 구획되는 제1와이어 및 제2와이어;

상기 작물이 식재되는 배지가 수용되는 채널 형태의 베드를 상기 제1,2와이어에 상하 방향으로 임의간격을 유지하여 복렬식으로 고정하되, 상기 구동모터 구동시 상기 제1와이어에 고정되는 제1베드와 제2와이어에 고정되는 제2베드는 서로 반대 방향으로 승강하게 됨;

상기 제1,2베드 상측에 각각 설치되고, 상기 배지에 식재되는 작물이 받게 되는 광량을 실시간으로 검출하기 위한 광량 감지센서;

상기 제1,2베드 임의위치에 각각 설치되고, 상기 배지에 함유되는 수분율을 실시간으로 검출하기 위한 수분량 감지센서;

상기 작물 생육을 촉진시키기 위해 상기 광량 감지센서 및 수분량 감지센서로부터 전송되는 검출값에 의해 상기 작물에 대해 광량이 최대로 조사될 수 있도록 상기 구동모터를 구동시켜 상기 제1,2베드의 상하 방향으로의 높낮이를 가변 조절하고, 상기 배지에 양액이 최적량으로 공급될 수 있도록 양액 공급기를 제어하기 위한 제어기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 ICT 기반의 이동식 다단 수경재배 시스템을 제공한다.

전술한 바와 같이 구성되는 본 명세서는 아래와 같은 이점을 갖는다.

딸기 등의 작물이 수경 재배되는 유리온실내 베드를 다단형 입체식으로 배치시 켜 동일한 재배공간 이용율을 높임에 따라(유리온실내 평면 재배식에 비해 동일한 재배면적에 대비 베드를 2.7배 증대시켜 배치할 수 있었다.) 동일한 면적 대비 생산성을 증대(평면 재배식에 비해 동일한 재배면적 대비 3.5배의 생산성을 높일 수 있었다.)시킬 수 있어 실용성을 갖게 된다.

또한, 베드에 식재된 작물 생육을 촉진시키기 위해 베드 별로 관수되도록 하고, 베드를 승강장치에 의해 자동으로 승강시킬 수 있어 작물에 대한 광량을 최적화하며, 온도, 습도, 탄산가스 농도, 공기 유동량, 배양액 등의 환경 인자를 센서 측정치에 의해 자동 제어함에 따라 평면 재배식에 비해 상대적으로 단위면적당 작물 수확량을 증대시킴에 따라 딸기 수경 재배농가의 수입 증대에 크게 기여할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 딸기 수경 재배시스템의 개략적인 구성을 나타내는사진,
도 2는 본 명세서의 바람직한 실시예에 의한 ICT 기반의 이동식 다단 수경재배 시스템을 이루는 일부 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 수경 재배시스템에서, 와이어에 의해 승강되는 베드 배치됨을 보여주는 측면도,
도 4는 도 2에 도시된 수경 재배시스템의 사용상태도,
도 5는 도 2에 도시된 수경 재배시스템을 자동 제어하기 위한 블록도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 명세서의 바람직한 실시예에 따른 ICT 기반의 이동식 다단 수경재배 시스템을 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 명세서의 일 실시예에 따른 ICT 기반의 이동식 다단 수경재배 시스템은

온실 길이에 대응되게 형성되고, 온실 내에 폭 방향으로 임의간격을 유지하여 반복 설치되는 베드에 식재되는 작물을 수경 재배하기 위한 다단형 수경 재배시스템에 있어서:

유리온실(G) 또는 플라스틱하우스 내부 상측에 설치되는 구동모터(10)와, 구동모터(10)에 연결되고 온실 길이 방향으로 임의간격을 유지하여 제1가이드릴(11)이 반복하여 장착되는 회전축(14)과, 회전축(14)에 임의간격을 유지하여 설치되고, 양단에 설치되는 베어링(B)에 의해 회전가능하게 지지되며, 제1가이드릴(11)과 대향되게 제2가이드릴(23)이 반복하여 장착되는 아이들러축(24)을 포함하는 구동부;

제1,2가이드릴(11,23)에 중간측이 한 바퀴 또는 두 바뀌 정도 권선되며, 제1,2가이드릴(11,23)을 기점으로 구획되는 제1와이어(12) 및 제2와이어(13);

딸기, 상추 등과 같은 키 높이가 낮은 작물이 식재되는 배지(15)가 수용되는 채널 형태의 제1,2베드(16,17)(18,19)(일 예로서, 딸기를 2줄로 식재하기 위해 합성수지재 또는 스테인레스스틸재로서 폭 20㎝ 및 높이 15㎝ 사이즈를 갖는 채널 형태로 형성될 수 있음)를 제1,2와이어(12,13)에 상하 방향으로 임의간격을 유지하여 복렬식으로 고정하되, 구동모터(10) 구동시 제1와이어(12)에 고정되는 제1베드(16,17)와 제2와이어(13)에 고정되는 제2베드(18,19)는 서로 반대 방향으로 승강하게 됨;

제1,2베드(16,17)(18,19) 상측에 각각 설치되고, 배지(15)에 식재되는 작물이 받게 되는 광량을 실시간으로 검출하기 위한 광량 감지센서(20)(일 예로서, 50-150m의 유리온실의 경우 제1,2베드(16,17)(18,19)에 광량 감지센서(20)가 1-3개 정도 임의거리를 유지하여 설치될 수 있음);

제1,2베드(16,17)(18,19) 임의위치에 각각 설치되고, 배지(15)에 함유되는 수분율을 실시간으로 검출하기 위한 수분량 감지센서(21)(일 예로서, 50-150m의 유리온실의 경우 배지(15)에 수분량 감지센서(21)(FDR, TDR)가 1-3개 정도 임의거리를 유지하여 설치될 수 있음);

작물 생육을 촉진시키기 위해 광량 감지센서(20) 및 수분량 감지센서(21)로부터 전송되는 검출값에 의해 작물에 대해 광량이 최대로 조사될 수 있도록 구동모터(10)를 구동시켜 제1,2베드(16,17)(18,19)의 상하 방향으로의 높낮이를 자동으로 가변 조절하고, 배지(15)에 양액이 최적량으로 공급될 수 있도록 양액 공급기(C)를 제어하기 위한 제어기(22);를 구비한다.

제1,2베드(16,17)(18,19)는

제1,2베드(16,17)(18,19)가 상하 방향으로 이동될 경우 배지(15)에 식재되는 작물의 잎, 과실이 서로 충돌되는 것을 방지하고, 배지(15)의 작물에 광량이 최대로 조사될 수 있도록 제1와이어(12)에 고정되는 제1베드(16,17)와 제2와이어(13)에 고정되는 제2베드(18,19)를 지그재그 형태로 배치하되, 제1와이어(12)에 고정되는 제1베드(16,17)는 80∼100㎝ 간격을 유지하여 지면을 기준으로 제1열(S1) 및 제3열(S2)을 이루고, 제2와이어(13)에 고정되는 제2베드(18,19)는 80∼100㎝ 간격을 유지하여 지면을 기준으로 제2열(S3) 및 제4열(S4)을 이루며, 제1와이어(12)에 고정되는 제1베드(16,17)와 제2와이어(13)에 고정되는 제2베드(18,19)는 좌우 방향으로 30∼50㎝ 간격을 유지하며, 제1와이어(12) 하단에 고정되어 제1열(S1)을 이루는 제1베드(16)는 지면으로부터 30∼50㎝ 만큼 이격되도록 설치된다.

배지(15)에 식재되는 작물 생육을 촉진시키기 위해 다단삽목상 대차(미 도시됨)에 LED 또는 식물형광등의 인공광원을 설치하되, 인공광원의 산란광을 높일 수 있도록 베드(16,17)(18,19)의 외측면, 온실 바닥면 또는 양측벽에 부착되는 알루미늄증착필름(미 도시됨);을 더 구비한다.

작물이 식재되는 제1,2베드(16,17)(18,19)의 배지(15)는 코코넛피트(coir), 또는 피트모스와 펄라이트를 임의비율로 혼합시킨 피트믹스 등의 인공토양이 사용될 수 있다.

이하에서, 본 명세서의 일 실시예에 의한 ICT 기반의 이동식 다단 수경재배 시스템의 사용예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 유리 온실(G) 내에 설치된 회전축(14) 및 아이들러축(24)에 장착된 제1,2가이드릴(11,23)에 중간측이 권선된 제1,2와이어(12,13)에 상하 방향으로 임의간격(약 100㎝ 정도를 말함)을 유지하여 고정된 제1,2베드(16,17)(18,19)가 지그재그 형태로 배치되어 있다. 이때 회전축(14)과 아이들러축(24)은 좌우 방향(유리 온실의 폭방향을 말함)으로 임의간격(약 50㎝ 정도를 말함)을 유지하여 설치되어 있다.

한편, 제어기(22)로부터 인가되는 제어신호에 의해 구동모터(10)를 구동시킴에 따라 구동모터(10)에 연결된 회전축(14)이 회전하게 된다.

이때, 회전축(14)이 회전되는 경우 제1,2와이어(12,13)에 의해 아이들러축(24)이 동시에 회전하게 되므로 제1,2와이어(12,13)에 고정된 제1,2베드(16,17)(18,19)가 상하 방향으로 이동하게 된다.

이를 상세하게 설명하면, 제1,2와이어(12,13)로 이루어진 와이어 중간측이 회전축(14) 및 아이들러축(24)에 장착된 제1,2가이드릴(11,23)에 권선된 상태이므로, 회전축(14) 회전에 따라 아이들러축(24)이 연동되어 회전되므로 제1,2와이어(12,13)에 고정된 제1,2베드(16,17)(18,19)가 와이어를 따라 상하 방향으로 이동하게 된다.

전술한 바와 같이 유리 온실(G) 내에 폭방향으로 임의간격을 유지하여 반복하여 설치(도 4에 제1,2와이어(12,13)로 이루어진 와이어가 8개 도시됨에 따라 제1,2와이어(12,13)에 고정된 제1,2베드(16,17)(18,19)는 32개가 도시되어 있다)된 제1,2와이어(12,13)에 상하 방향으로 임의간격을 유지하여 고정된 제1,2베드(16,17)(18,19)가 지그재그 형태로 배치된다.

이로 인해, 유리 온실내 평면 재배식에 비해 동일한 재배면적에 대비 제1,2베드(16,17)(18,19)를 2.7배 증대시켜 배치함에 따라 평면 재배식에 비해 동일한 재배면적 대비 3.5배의 생산성을 높일 수 있다.

또한, 제1,2베드(16,17)가 제1,2와이어(12,13)에 상하 방향으로 임의간격(약 100㎝ 정도)을 유지하여 고정되고, 회전축(14) 및 아이들러축(24)이 임의간격(약 50㎝ 정도)을 유지하여 설치된다.

따라서, 구동모터(10)의 구동에 따라 제1,2와이어(12,13)에 의해 제1,2베드(16,17)(18,19)가 상하 방향으로 이동될 경우, 제1,2와이어(12,13)에 고정된 제1,2베드(16,17)(18,19)사이에 충분한 공간을 확보할 수 있어 제1,2베드(16,17)(18,19)의 배지(15)에 식재된 작물의 잎, 과실이 서로 충돌되어 손상되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 제1,2베드(16,17)(18,19) 상측에 각각 설치된 광량 감지센서(20)에 의해 배지(15)에 식재된 작물이 받는 광량을 실시간으로 검출하되 검출된 데이터값은 제어기(22)에 전송된다.

이로 인해, 제어기(22)에서 광량 감지센서(20)에 의해 임의시간 주기별로 검출된 작물에 대한 누적광량 평균값을 수집한 후, 제어기(22)로부터 인가되는 제어신호에 의해 구동모터(10)를 구동시켜 제1,2베드(16,17)(18,19)를 상하 방향으로 임의위치로 자동 이동시킴에 따라 제1,2베드(16,17)(18,19)의 배지(15)에 식재된 작물이 가장 많은 량의 광량을 인위적으로 공급받을 수 있게 된다.

또한, 제1,2베드(16,17)(18,19) 임의위치에 각각 설치된 수분량 감지센서(21)에 의해 배지(15)에 함유된 수분율을 실시간으로 검출하되, 검출된 데이터값은 제어기(22)에 전송된다.

이로 인해, 제어기(22)에서 수분량 감지센서(21)에 의해 임의시간 주기별로 검출된 배지(15)의 수분함유율의 평균값을 측정한 후, 측정된 수분함유율 평균값이 유리온실 관리자가 미리 설정한 배지(15)의 수분함유율보다 낮을 경우, 제어기(22)로부터 인가되는 제어신호에 의해 양액 공급기(C)를 작동시켜 제1,2베드(16,17)(18,19)의 배지(15)에 양액을 자동으로 공급할 수 있다.

이때, 배지(15)에 식재된 작물이 흡수하고 남은 양액 잔존량은 제1,2베드(16,17)(18,19)의 저면에 설치된 배수통로(미 도시됨)를 따라 집수된 후, 배액 탱크에 집수하여 재활용하거나, 또는 지정된 장소로 버려 폐기처리할 수 있다.

제1,2베드(16,17)(18,19)의 배지(15)에 식재되는 작물 생육을 촉진시키기 위해 다단삽목상 대차(미 도시됨)에 장착되는 인공광원 LED는 레드(red) LED, 울트라레드(ultra-red) LED, 블루(blue) LED, 그린(green) LED, 엘로우(yellow) LED를 포함할 수 있다.

레드(red) LED는 520nm~620nm 미만의 적색광을 발광시켜 작물의 광합성 촉진과 개화를 조절하는 데 사용할 수 있다.

울트라 레드(ultra-red) LED는 620nm~720nm 미만의 초적색광을 발광시켜 과실수, 당도, 사포닌 증가를 조절하는 데 사용할 수 있다.

블루(blue) LED는 320nm~420nm 미만의 청색광을 발광시켜 작물 웃자람 방지를 조절하는 데 사용할 수 있다.

그린(green) LED는 420nm~520nm 미만의 녹색광을 발광시켜 곰팡이 발생을 억제시키도록 사용될 수 있다.

엘로우(yellow) LED는 550nm~600nm 미만의 황색광을 발광시켜 해충을 억제시키도록 사용될 수 있다.

전술한 바와 같이 인공광원 LED는 LED 종류와 발광 개수를 조절할 경우 제1,2베드(16,17)(18,19)에 수경 재배되는 딸기 등의 작물에 조사되는 파장과 광량을 조정할 수 있다.

여기에서, 전술한 본 명세서에서는 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 명세서의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 명세서를 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10; 구동모터
11; 제1가이드릴
12; 제1와이어
13; 제2와이어
14; 회전축
15; 배지
16,17; 제1베드
18,19; 제2베드
20; 광량 감지센서
21; 수분량 감지센서
22; 제어기
23; 제2가이드릴
24; 아이들러축