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아두이노(Arduino)의 기본적인 몇 가지만 습득하면 정말 다양한 분야에서 활용 가능합니다. Micro-controller에 맞게 주로 외부기기나 센서를 제어하는데 탁월한 능력을 가지고 있기 때문에 홈 IoT나 온실 내부 환경 제어 같은 농업분야에 적합하다고 생각됩니다.

지난 포스팅에서는 대부분 기본과 간단하게 적용해볼 수 있는 내용을 위주로 포스팅하였지만 오늘은 실질적으로 농업 분야에 적용한 내용을 소개해 드리겠습니다. 아두이노를 처음 접하시는 분들은 아래 링크 내용 참고 부탁드립니다 ^^

식물재배를 위해서는 광, 수분, 온도, 습도, 이산화탄소, 양분 등의 식물이 생장하기에 적합한 환경을 조성하는 것이 필요합니다. 가정에서 인테리어용이나 취미로 식물을 기르시는 분들도 많고 실제 농업에 종사하시는 분도 많이 계신데 식물관리는 쉬운 듯하면서도 다들 시행착오가 많습니다. 최근에는 도시 근교 텃밭이나 옥상, 베란다 등에 무농약, 유기농 채소를 직접 재배하여 아이들 교육에도 건강에도 도움이 되는 도시농업이 트렌드로 자리 잡고 있습니다.

이런 트렌드에 IoT를 접목시켜 조금 더 효율적으로 식물을 관리할 수 있는 방법에 아두이노를 적용할 수 있습니다. 이번 포스팅은 아두이노로 온습도, 화분의 물의 양, 광량을 측정할 수 있는 간단한 계측기를 만들어 보겠습니다.

1. 준비물

1) 아두이노 우노 R3 (Arduino UNO R3)

센서 종류마다 한개의 센서만 사용하기 때문에 우노 R3 제품으로 충분합니다. 혹시 센서수를 많이 사용하시거나 하면 MEGA 보드나 멀티플렉서(Multi-plexer) 사용을 권장드립니다. 멀티플렉서 사용 방법은 아래 링크 참조 부탁드립니다.

2) 온습도 센서

온습도 센서는 AM2305 모델로 온실이나 식물 재배 환경을 측정하는 것이 용도이기 때문에 실내라고 하기에는 실외에 가깝기 때문에 실외환경에서도 측정 가능하며 미니 백엽상(radiation shield)도 사용할 수 있는 모델로 선택하는 게 용이합니다. 온습도 센서 종류와 사용 방법은 이전 포스팅에서 자세히 다루었으니 참고 부탁드립니다.

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3) 토양수분센서

토양수분센서는 화분의 수분과 양분의 정도를 측정하기 위해 토양수분과 EC 동시에 측정 가능 한 제품으로 선택하였습니다. 또한 실제 재배 환경에서 내구성을 고려하여 방수가 가능하고 신뢰성이 괜찮은 제품으로 선택해야 합니다. 이전 포스팅에서 보여드린 아두이노에서 사용하기 쉬운 토양수분센서 중에서도 가격이 저렴한 몇몇 제품은 방수가 안되며 오래 사용하면 금방 녹이 끼는 제품이 있으니 주의해야 합니다. 토양수분센서에 대한 자세한 내용은 지난 포스팅 참고 부탁드립니다.

4) 광 센서

일반적으로 식물이 광합성을 하는 파장 영역은 400~700nm로 가시광선 영역입니다. 그렇기 때문에 광센서는 광합성 유효 복사, PAR (Photosynthetic active radiation)이라고 하는 영역의 빛의 세기를 측정하는 광센서를 사용하는 것이 광이 식물에 영향을 미치는 정도를 더 긴밀하게 알 수 있습니다. 그러나 일반적으로 조도(Lux)에 익숙하고 가이드라인도 조도를 기준으로 되어 있어서 조도센서를 많이 사용합니다. 그리고 PAR 센서는 비싸기도 하죠 ㅎㅎ 

오늘 사용할 광센서인 BH1750 모델로 아두이노에서 사용하기 적합한 제품으로 가격도 저렴하고 나름 회로를 보호하기 위한 캡도 있어서 실외에서 사용하기 괜찮은 제품입니다. BH1750 센서의 자세한 사용 방법은 추후 포스팅하도록 하겠습니다.

5) 디스플레이

각 환경 센서가 측정하는 데이터를 실시간으로 출력하기 위해 LCD 디스플레이(display)를 사용하였습니다. 사용한 디스플레이는 20x04 LCD 디스플레이로 파랑 바탕에 하얀 글씨만 출력되는 제품으로 가로 20자 세로 4줄인 디스플레이입니다. 여기에 온도, 습도, 조도, 토양수분, EC의 정도를 실시간으로 출력합니다.

6) 하이박스

아두이노 및 다양한 전자제품을 만들고 외부로부터 보호를 위해 하이박스에 고정 및 배선작업을 합니다. 그래서 완성품을 컨트롤 박스라고 명명합니다. 철 재질이나 플라스틱 박스로 벽에 붙어 있는 배전함 같은 것들이 모두 컨트롤 박스입니다. 

2. 식물 재배 환경 측정 시스템 배선

3. 작동 알고리즘

온습도 센서, 토양수분센서, 광센서에서 측정된 온도(℃), 습도(%), 수분량(%), 광량(Lux) 값을 디스플레이(20x04)에 실시간으로 출력되고 웹을 통해 사전에 구축한 데이터베이스(DB)에 저장되거나, 시리얼 통신을 활용한 컴퓨터 엑셀에 데이터를 받을 수 있는 있게 만들 수 있습니다. 웹 구축 및 컴퓨터 엑셀에 저장하는 방법은 아래 링크 참조 부탁드립니다.

1초 또는 2초 간격으로 측정되는 모든 데이터를 저장하려면 용량이 너무 크기도 하고, 식물 재배 환경은 1초 1분 촌각을 다루지 않기 때문에 아두이노에서 5분 또는 30분 이상의 평균값을 계산 후 저장해도 무방합니다. 

데이터 베이스에 저장된 데이터는 다시 웹을 통해 그래프로 시각화하여 시간에 따른 환경 변화 추이를 한 번에 볼 수도 있으며 엑셀 역시 그래프에 연동되게 만들어 바로바로 확인이 가능합니다.

사진은 수국 재배 농장의 아는 사장님의 의뢰로 제작된 온실 재배 환경 계측기입니다. 앞서 설명드린 대로 아두이노 우노 R3 보드와 각 환경 센서와 제작되어 20x4 LCD 디스플레이에 실시간 측정값이 출력됩니다. 

분화수국은 각 재배베드(plant growth bed)위에서 화분으로 재배되기 때문에 각 베드마다 작물 주기가 다르게 진행됩니다. 그래서 원하는 베드마다의 환경 제어가 필요하기 때문에 이동 가능하고 구역별로 설치할 수 있게 소형으로 제작되었습니다. (실제로 온실 시설에 내장되어 있는 환경 시스템은 온실 전체를 대변하기 때문에 온실 내부 구역 구역마다 환경이 다른 경우가 많습니다.)

측정된 데이터는 ESP-01 와이파이 모듈을 통해 웹서버 DB로 데이터가 저장되고 웹브라우저를 통해 시간에 따른 온도, 습도, 조도, 토양수분, EC의 그래프로 한눈에 볼 수 있게 출력할 수 있습니다.

농업도 4차 산업의 유망 업종 중 하나로 주목받고 있는 만큼 오늘은 아두이노(Arduino)를 이용해 IT를 농업에 접목하는 실제 적용 사례를 소개해 드렸습니다. 몇 가지 센서와 아두이노 보드만으로 필요한 부분에 꼭 맞게 맞춤 제작할 수 있는 것이 매력이죠 ^^

이렇게 재배 환경을 데이터화 하여 재배 작물의 일련의 작기를 거치면서 데이터가 쌓여 빅데이터가 되고 빅데이터가 인공지능 AI의 기반이 되는 겁니다. 

여기까지 긴 글 읽어주셔서 감사합니다. 혹시 아두이노를 이용한 온실 내부 환경 측정 계측기에 대해 궁금하신 부분이나 제작에 관심이 있으신 분은 이메일 주소 farmerit@naver.com으로 문의주시면 최대한 빠른 시일 내에 답변드리도록 하겠습니다. 감사합니다. 

이와 같이 측정된 데이터를 기반으로 자동으로 관수까지 할 수 있습니다. 스마트팜(Smart Farm)이라고 잘 알려져 있는데 이렇게 데이터를 기반으로 작물을 재배하는 분야를 정밀농업이라고 합니다. 

스마트 팜에서 자동관수 시스템을 구성하는데 전자밸브/솔레노이드 밸브 (Solenoid Valve)를 많이 사용하고 있습니다. 관심 있으신 분은 아래 링크 참조 부탁드립니다.