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첨단 기술로 재배 환경을 제어하는 원예법의 영향력

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글/브랜든 휴버(Brandon Huber), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

온실이나 실내에서 식물을 재배할 때 가장 필요한 환경 제어 기능을 제공하는 기술들이 재배 시스템의 발전에 기여해 왔다. 오늘날 정밀도가 높은 입력장치를 이용해 최고로 일관성 있게 재배되는 ‘정밀 농업’ 또는 ‘정밀 실내 식물’ 같은 용어들을 종종 들을 수 있다. 식물은 환경의 영향을 많이 받기 때문에 일관된 재배 환경을 유지하는 것은 필수사항이다. 특정 기술을 식물 재배 시스템에 집적시키면 정밀도가 높고 일관된 재배 환경을 설계할 수 있다. 마이크로컨트롤러 뿐만 아니라 많은 소자 부문의 리더인 마이크로칩 테크놀로지(Microchip Technology) 같은 제조사가 생산하는 소자들은 센서, 사물인터넷(IoT), 마이크로컨트롤러(MCU), 발광 다이오드(LED) 조명 등과 함께 작동하면서 이상적인 재배 환경에 기여한다. 이번 칼럼에서는 이렇게 제어되는 환경에서 각 소자가 어떤 기능을 수행하며, 어떻게 같이 작동하는지 설명하겠다.

센서

센서는 설치된 환경에서 변화를 감지하고 MCU 등 다른 컴퓨터 소자에 변화된 내용을 전달한다. 센서는 빛의 질량, 온도, 상대습도, CO2 수준, 풍속, 토양 수분 등 정밀 재배에서 필수인 다양한 환경 요인들을 감지할 수 있다. 식물이 성장하는 과정에서 빛이 가장 중요한 요인이라는 점을 고려하면 빛의 질을 파악하는 것이 중요하다. 우리는 센서를 이용해서 이러한 요인들을 수량화하고, 그 결과 식물의 성장에 최적화된 수준으로 빛을 조절할 수 있다. 그러나 센서만으로는 충분하지 않다. IoT 소자, 마이크로컨트롤러 또는 기타 프로세서 등 다른 형태의 전자소자가 필요하기 때문이다.

IoT

사물인터넷(IoT)은 주변의 모든 장치들을 인터넷으로 연결하는 기술이다. 일상에서 IoT 기술이 적용되는 사례로는 ‘링(Ring)’ 또는 ‘네스트(Nest)’ 같은 스마트 홈 장치가 있다. IoT는 1982년 코카콜라의 자동판매기에 처음 적용된 기술로, 재고와 음료수의 온도를 보고할 수 있는 기능을 갖췄다. 당시로는 새로운 기술이었다. 그후 혁신가들은 IoT 기술을 계속 발전시켰다.
IoT는 정밀농업 시스템에서 필수적인 역할을 수행한다. 센서가 데이터를 수신하면 컴퓨터 또는 휴대장치 등 센서가 부착된 장치를 통해 재배자에게 데이터가 전달되기 때문이다. 이러한 정보를 바탕으로 재배자는 효율을 향상시키고 수확량을 최대화할 수 있도록 원격 및 무선으로 결정을 내릴 수 있다.

MCU

MCU는 일반 소자에 비해 크기가 작은 요소들로 구성된 소형 컴퓨터이지만 소형이라는 점이 장점이다. MCU는 보통 단일 업무에 초점을 맞춰 작동한다. MCU는 TV, 라디오, 냉장고 등 주변의 전자제품 속에 모두 들어있다. 제어된 재배 환경 속에서 MCU 또는 일련의 MCU들은 LED 성장 조명, 가열기, 냉각기, 가습기 등 다양한 장치들을 켜거나 끄는 두뇌의 역할을 수행한다. 센서의 출력값을 결합해서 원하는 설정점을 유지할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 흐린 날에는 빛이 부족해서 성장이 제한될 것이다. 그러면 MCU가 지시해서 조명을 켜고 광량을 보완할 것이다. 그러나 맑은 날에는 자연광이 충분할 것이므로 조명의 전원을 차단해서 에너지를 절약할 수 있다. 덕분에 재배자는 짐작해서 환경을 관리할 필요가 없다. 일관된 재배 환경을 자동으로 유지하면서도 다른 업무에 집중할 수 있는 것이다.

LED

원예학에서 LED를 활용하면서 재배 시스템의 정밀도와 효율이 빠르게 개선되었다. LED는 저소비전력, 사용수명 연장, 열 부하 감소, 크기 감소 등 기존 백열등에 비해 장점이 훨씬 많다. 크기와 열이 감소하면서 식물에 가깝게 LED를 배치할 수 있고 수직농장 애플리케이션에서 밀도가 최대화된다. 토마토 등 덩굴 식물을 재배하기 위해 나뭇잎 덮개 사이에 배치할 수도 있다. LED의 빛을 흐리게 조정할 수도 있기 때문에 재배 환경을 제어하는 수단이 증가하며, IoT와 MCU와 함께 재배 환경을 조성할 수도 있다. 식물에 관한 수많은 연구자료들을 보면 식물은 적색 및 청색 파장 아래에서만 재배될 때 가장 높은 양자 수율을 보인다고 한다. 식물이 이 색깔들을 가장 많이 사용한다는 의미이다. 식물들 스스로 다른 파장을 인지하고 사용하지만 최고의 수율을 제공하는 파장에서 에너지 사용을 최대화하는 것이 가장 효율적이다. 이렇게 LED의 효능이 더해지는 것이다. LED는 또한 식물 특유의 성장에 관한 많은 연구 및 연구결과에 도움이 되었다. 과거에는 불가능했지만 빛 비율에 맞춰 튜닝할 수 있는 특성이 있기 때문이다. 예를 들어, 빛을 깜빡거리고 휴대용 LED 바를 이용하면 하루종일 파장에 관한 요구사항을 충족시키고 에너지 및 고정비용을 줄일 수 있다 식물의 성장에 대해 더 많은 연구활동이 필요하지만 우리는 수율을 극대화하려면 식품 종마다 다른 종류의 빛을 사용해야 한다는 점은 알고 있다. 여기에서 튜닝할 수 있는 LED를 적극 활용할 수 있다. 다시 말해 곡물마다 상이한 영양소를 제공하는 것처럼 최적의 빛에 대한 스펙트럼도 상이하다.

결론

센서, MCU, IoT 소자, LED를 재배 시스템에 결합시킴으로써 우리는 최고의 정밀도를 가지고 환경을 제어할 수 있고 식물 성장에서 효율과 수율을 극대화할 수 있다. 이러한 기술들을 함께 이용하면 식물의 환경 조건을 감지하고 수집된 정보를 연결된 장치에 전송함으로써 식물이 최적의 상태로 성장할 수 있도록 재배 환경(가령, 조광 및 파장)을 조정할 수 있다.