라즈베리파이 기반 원격 식물 모니터링 시스템 개발

Ⅰ. 서 론

현재 대한민국의 농업은 농촌 농업인구의 감소와 고령화로 인해, 큰 어려움을 겪고 있다[1]. 그것을 개선하기 위해 농업과 IT 기술을 융합하며 만들어진 농생명 ICT 기술을 활용해 스마트팜을 설치해오고 있다[2]. 그러나 현재 농업인들은 스마트팜보단 기존의 농업기술을 사용해 농업 하는 것을 선호하는 편인데, 설치를 선호하지 않는 가장 큰 이유로는 비싼 설치비이다.

앞서 말한 스마트팜의 높은 설치비를 낮추기 위해 많은 선행연구는 비용적인 면을 개선하였다.

조면균의 논문[3]에서는 일반 사용자가 원격으로 제어할 수 있고 원격으로 데이터를 확인할 수도 있는 좋은 시스템이지만 한계점 또한 있다. 설치한 스마트팜이 만약에 사용자가 새로운 데이터를 만들고 이것을 점검하고 싶다면, 개발자는 굳이 스마트팜이 설치된 곳까지 가서 고쳐야 한다는 문제가 존재한다.

이기영의 논문[4]에서 제시한 시스템은 조도, 토양습도, 온도, 수위를 Sensor로 측정하며, 각 측정된 값을 따라 LED, Pump, 열전소자를 작동시키는 방식이다. 실험을 통해 얻어온 값으로 일정한 값 이하가 되면 밝기를 유지하고, 물을 주며, 온도가 벗어났을 때는 열전소자를 작동시켜 온도를 유지한다. 그러나 환경이 매우 급하게 변했을 때는 사전에 구했던 특정 값이 유명무실해질 수 있으며, 앞서 설명한 논문과 같은 문제인 설정한 값을 임의로 바꾸기 위해서 굳이 설치된 환경에 물리적으로 접근해야 한다는 단점이 있다.

연인원의 논문[5]에서 제시한 시스템은 온습도, pH, EC Sensor 들로 각 값을 측정하며, 식물 광합성용 LED, 온도 조절용 냉각 팬을 임의로 제어하는 방식이다. 그러나 영양액 재배에 초점이 맞추어져 있어 수집한 데이터를 확인만 가능할 뿐, 제어 시스템에 어떠한 영향도 끼치지 않으며 데이터를 근거로 사람이 보고 임의로 조작해야 하는 단점이 있다. 또한, 전기전도도를 구하기 위해서 온도 값이 들어가야만 현재의 값을 더욱 정확히 구할 수 있는 데, 그러한 점을 제시하지 않았다.

김영은의 논문[6]에서 제시한 시스템은 온습도를 측정하여, 항온항습 기능을 구현하기 위해 솔레노이드 밸브와 팬을 임의로 지정한 온도와 습도에 맞춰 작동하는 방식이다. 또한, 본 연구에서 사용되는 라즈베리 파이를 사용하였고, ADC 또한 사용되었다. 그러나 기존 데이터를 저장하는 곳이 아예 제시되지 않았다. 또한, 굳이 SNS(Social Network Service)인 Twitter를 통해 원격제어를 한다는 점이 사용자 면에서나 개발자 면에서나 서로 불편한 제어 구조라고 생각된다.

본 연구에서 사용할 라즈베리 파이는 폐쇄적인 Arduino와 달리 PC로 원격접속해서 다양한 조작을 할 수 있고, 개발자가 더 편한 환경을 만들어 낼 수 있다. 시스템에 문제가 생겼을 때도 집에서 편하게 수정할 수 있어, 정말 간편하고 좋을 것이다. 사용자만 편하고 개발자가 불편한 개발 구조는 개발자의 최적화 프로그래밍이 힘들어지는 단점으로 작용할 것이다. 이러한 연구를 통해 사용자뿐만 아니라 개발자들의 개발 편의성을 확보해, 경제적인 문제들을 다소 해결할 수 있다고 예상된다. 그렇기에 본 논문에서 라즈베리 파이를 이용하여 원격 조종 및 원격 모니터링을 해 현재 상태를 알려 줄 수 있는 시스템을 설계 및 구현하고자 한다. 논문의 구성은 2장에서 관련 연구들을 소개할 것이고, 3장에서는 라즈베리 파이 기반의 모니터링 서비스를 설계 및 제안하고 4장에서는 구현을, 마지막 5장에서는 제안한 시스템을 테스트하고 그에 대한 결론을 서술하겠다.

Ⅱ. 관련 연구

본 연구는 첫째로 IoT 기술이 필요하다. 둘째는 식물재배에 필요한 양분, 수분, 온도 등의 요인들을 인식하여 처리하는 센싱 기술이 필요하다. 셋째로 현장에서 수집한 데이터 값을 웹에서 보기 위해서 웹 서버 구축과 PHP, DB 등을 구축해야 한다. 마지막으로 스마트폰에서 실시간으로 데이터를 받고 보기 위해서 MQTT를 이용해야 한다.

2-1 라즈베리 파이

라즈베리 파이는 2012년 1월에 출시하였으며, 영국의 라즈베리 파이 제단이 학교와 개발도상국에서 기초 컴퓨터 과학 교육을 증진하게 시키기 위해 만든 신용카드 크기의 저가형 싱글 보드 컴퓨터이다[7]. Sensor나 카메라 등을 연결하기 쉬운 하드웨어 구조로 되어 있으며, Sensor들로부터 값을 읽고 제어할 수 있는 다양한 라이브러리가 지원되기 때문에 개발자는 Embedded 제품이나 IoT 장치를 쉽게 개발할 수 있게 해준다[8].

Fig. 1.

Raspberry Pi 3 B+

2-2 MQTT

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)는 ISO 표준 경량, publish-subscribe 기반의 네트워크 프로토콜이다. IBM의 앤디 스탠퍼드 클락과 시러스 링크의 알렌 니퍼가 1999년에 이 프로토콜의 최초 버전을 만들었다[9]. MQTT Protocol은 그림 2처럼 MQTT broker를 중심으로 메시지의 생성 및 송신을 담당하는 Publisher와 메시지를 수신만 하는 Subscriber로 구성되며, Publisher에서 생성된 모든 메시지는 broker에 의해 취합되고 broker는 특정 메시지의 수신을 희망하는 모든 subscriber 들에 해당 메시지를 전송해주는 구조를 갖는 다[10]. MQTT는 저 전력으로 메시지를 보낼 수 있어서, IoT 분야에서 자주 쓰이는 추세다.

Fig. 2.

MQTT Protocol

Ⅲ. 본 론

3-1 전체 시스템 구성

본 연구에서 구현한 전체 시스템은 다음과 같다.

Fig. 3.

System Configuration

라즈베리 파이의 Sensor 값 송수신, DB를 담당하는 웹 서버 그리고 보드와 웹에 접속할 수 있는 PC로 구성되어 있다. 라즈베리 파이는 현재의 내부 환경을 각종 Sensor로 측정하고 웹서버에 데이터를 보내며, 웹 서버에서는 실시간으로 받아온 데이터를 저장하고, 또한 라즈베리 파이를 MQTT로 연결해 스마트폰 환경에서도 데이터를 확인하는 기능을 제공한다.

3-2 하드웨어 설계

내부 온실 환경 모니터링 및 관리하기 위한 장치로 Arduino 대신 라즈베리 파이 3 B+를 사용하였고, OS는 라즈비안 리눅스를 설치하였다. 그리고 라즈베리 파이 전용 카메라 파이 캠을 설치하였고, 식물 생장용 LED, ADC(Analog-to-Digital Converter), 토양수분 Sensor, 유량 Sensor, 온도 Sensor, 습도 Sensor, CO2 Sensor, pH Sensor, EC Sensor를 설치하였다. 식물 생장용 LED는 식물을 키우는 데 가장 필수적인 빛을 제공하기 위해 광원으로 사용하였고, 외부전원 장치로 가동, 타이머로 제어할 수 있게 하였다. ADC는 라즈베리 파이에 아날로그 입력 핀이 없으므로 아날로그값을 받기 위해 필수적으로 필요하며, 아날로그값을 디지털로 변환해주는 컨버터인 MCP 3008을 사용하였다. 그림 5가 앞서 말한 MCP 3008이다. 또한, 접촉식 수위 Sensor가 아닌 비접촉식 수위 Sensor를 사용하여, 좀 더 긴 수명을 보장받을 수 있게 하였다. 특정 Sensor는 라즈베리 파이에서 호환되지 않으므로, 라즈베리 파이에 Arduino를 연결하여 호환되지 않는 상황을 해결하였다. Arduino에는 전기전도도를 측정할 수 있는 EC Sensor를 설치하였다. 그림 4는 앞에서 설명한 Sensor들과 보드들을 연결한 것을 도식화한 그림이다.

Fig. 4.

Schematic Diagram

Fig. 5.

ADC MCP3008

3-3 DB 설계

본 연구에서 설계한 데이터베이스는 간단한 방식으로 구성되어 있다. 오로지 식물재배의 환경을 측정하는 시스템이기 때문에 테이블 1개로 구성하였으며, 온도, 습도, 공기 중 이산화탄소, 유량, 수위, EC(전기전도도), pH(산도), 토양습도, 측정시간으로 구성하였다. <표 1.>

Table 1.

Data Table

Ⅳ. 구 현

본 연구를 통해 라즈베리 파이 기반 모니터링 시스템을 구현하였다. Sensor는 디지털이 있고, 아날로그가 있다. Digital Sensor는 라즈베리 파이에 직접 연결하여 시험할 수 있지만, Analog Sensor는 라즈베리 파이에 직접연결이 불가능하다. 이 때문에 ADC 컨버터인 MCP3008을 설치하였다. 또한, MCP3008과의 통신을 위해 SPI(Serial Peripheral Interface) 통신을 사용하였다. MCP3008에 각각 Analog Sensor인 CO2 Sensor와 pH Sensor 그리고 토양습도 Sensor를 연결하였다. 라즈베리 파이로 구현할 수 없는 Sensor, 즉 EC Sensor는 현재 라이브러리가 존재하는 Arduino UNO 보드에 연결하였고, Arduino는 USB 포트로 라즈베리 파이와 연결한 뒤, Serial 통신을 사용해 Arduino에서 보내온 Sensor 값을 받게 하였다.

또한, EC Sensor는 온도에 따라 전기전도도가 바뀌기 때문에 온도 Sensor 값을 읽어와 계산해서 다시 라즈베리 파이에 보내줄 필요가 있었다. 그래서 라즈베리 파이에 연결된 DHT22 온습도 Sensor를 활용하여 Serial 통신으로 Arduino에 측정된 온도 값을 보내고 Arduino는 받은 값을 전기전도도 계산식에 대입, 도출한 값을 다시 라즈베리 파이에 보내는 식으로 구현하였다. CSI(Camera-Serial-Interface) Camera Port에는 라즈베리 파이 카메라 모듈 V2를 연결하여 일정 시간마다 사진을 찍어 생장 변화를 볼 수 있도록 하였다.

그림 6은 실제 구현한 모습이다.

Fig. 6.

Implemented System

그림 7은 구현한 시스템을 실행하였을 때 스마트폰으로 MQTT Client 앱을 이용해 원격 데이터값을 받는 것을 보여준 것이다. Publisher인 온도, 습도, 지정수위 감지 여부, CO2, 유량, 현재 시각을 측정하여 문자열로 보내주고, Client인 스마트폰 화면에서 해당 라즈베리 파이의 IP를 지정하고, 라즈베리 파이에서 지정한 Topic인 “Sensor/all”을 구독(Subscribe)해 앱에 띄우도록 한 것이다.

Fig. 7.

“MQTT Client” Application communicating with Raspberry Pi

Ⅴ. 결 론

본 연구에서는 라즈베리 파이 기반 원격 환경 모니터링 시스템을 구현하였다. 기존의 Arduino 모니터링 시스템은 폐쇄적이었으며, 인터넷과 연결하려면 Wi-Fi 전용 실드를 장착해야 했다. 그러나 이러한 면에선 Arduino보다 더 좋은 라즈베리 파이를 사용하여, 기존보다 더 개방적인 환경을 만들어내었다. 또한, 언제 어디서나 원격 접속을 통해 손쉽게 시스템을 수정할 수 있고, 데이터를 열람할 수 있다. 이러한 점을 미루어 보아 이 연구가 IoT(Internet of Things)와 농업기술에 융합으로서의 의미가 있다는 점을 확인할 수 있었다.

추후 연구할 과제로는 본 연구에서 구현한 실험모델을 기반으로 좀 더 보강을 거쳐서 새로이 구현할 예정이다. 본 연구에서는 MQTT를 이용해 스마트폰 상의 특정 애플리케이션에서 볼 수 있도록 하였지만, 추후의 연구에서는 MQTT를 이용해 WEB DB에 저장하고, 또한 실시간으로 데이터를 받고 시각적인 자료로 출력할 수 있는 데이터 시각화 프로그램에 사용할 예정이다. 또한, 제어 모듈을 설계해 완전제어형 Smart Farm을 구축하는 것이 최종 목표이다.

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