Current Issue

현재 상용화되고 있는 식물재배기의 종류와 기능은 다양하다. 그림1은 상용 제품의 외관이다.

Fig. 1. 
Commercial Plant growth chamber

그림1의 (a)는 가구 브랜드 한샘이 출시한 작물 재배와 인테리어 효과를 동시에 낼 수 있는 플랜테리어 제품, 시티팜이다. 플랜테리어는 식물을 의미하는 ‘플랜트’와 실내 장식을 뜻하는 ‘인테리어’의 합성어로 식물로 실내를 꾸밈으로써 공기 정화 효과와 심리적 안정 효과를 얻고자 하는 인테리어 방법이다[7]. 시티팜은 흙과 햇빛 없이 작물 재배가 가능한 올인원 키트로 햇빛 대신 식물 생장에 최적화된 LED가 부착된 재배기이다. 수동으로 전원 제어를 해줘야 하며, 시티팜에서 판매되는 작물 외에는 재배할 수 없다는 단점이 있다.

그림1의 (b)는 웰스의 식물재배기 웰스팜이다. 타이머를 활용하여 LED 전원 제어를 하고, 물 온도를 일정 수준으로 조절해주는 기능이 추가된 형태이다. 그림1의 (c)는 Bloomengine의 블룸엔진이다. 탁상용 스마트 화분으로 LED 조명과 순환 팬, 자동 급수 시스템이 탑재되어 있고 전용 스마트 앱으로 블루투스 통신을 통해 LED의 전원 제어 및 타이머 설정, 자동 급수 설정 수위를 확인할 수 있다.

상용화되고 있는 식물재배기의 앱은 블루투스 통신으로 거리상 한계가 있다. 이에 블루투스 대신 와이파이 통신을 접목한 연구도 활발하다.

Wi-Fi 모듈이 따로 필요 없는 라즈베리 파이를 활용하여 라즈베리 파이와 서버 간 Web Socket 통신으로 데이터를 송수신하고, 파이 카메라를 활용하여 온실 내부를 스트리밍하는 기능을 제공한다. 하지만 해당 연구의 경우 제어를 아두이노에서 담당한다. 라즈베리 파이에서 통신을 하고 아두이노에 명령을 내리는 과정을 거치기 때문에 다소 느리다는 단점이 있다[4].

본 논문에서는 재배기의 라즈베리 파이가 통신과 제어를 모두 담당하며 스마트폰 앱과 Wi-Fi로 통신하며 재배기 내부의 모습까지 스트리밍할 수 있도록 설계하였다.

센서와 액추에이터를 제어하는 대표적인 보드로 아두이노와 라즈베리 파이가 있다. 라즈베리 파이는 신용카드 크기의 싱글 보드 컴퓨터로 리눅스 커널 기반 운영체제를 사용하며, 아두이노는 오픈 소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로컨트롤러이다.

아두이노와 라즈베리 파이 모두 외부장치 제어를 위한 입출력 (GPIO; General Purpose Input/Output)을 지원한다. 그러나 라즈베리 파이는 운영체제를 설치하여 사용할 수 있어 설치된 운영체제 내에서 직접 프로그래밍하여 외부 기기를 제어하는 반면 아두이노는 별도의 운영체제가 존재하지 않아 외부 프로그램을 이용하여 외부 기기를 직접 제어하는 번거로움이 있다. 직접 제어함으로써 GPIO에 강점을 갖기 때문에 외부 기기 제어에 적합하여 라즈베리 파이와 아두이노를 함께 사용하기도 하지만 액추에이터의 반응 속도가 느려지는 현상이 발견되어 본 논문에서는 라즈베리 파이3 B+만을 사용하였다.

본 연구에서 사용한 라즈베리 파이3 B+는 무선랜과 상대적으로 적은 전력을 사용하는 BLE(Bluetooth Low Energy) 가 내장되어 있어 원격 제어와 데이터 전송에 적합하다.

본 논문에서는 재배기 내부의 환경을 확인, 관리하는 시스템을 개발한다. 구현한 시스템의 구조는 그림2와 같다. 본 시스템은 크게 각종 센서와 액추에이터가 연결된 라즈베리 파이와 데이터를 저장하고 관리하는 서버 그리고 데이터를 확인하고 제어 명령을 내리는 안드로이드 앱과 웹으로 구성되어있다.

Fig. 2. 
System Framework

라즈베리 파이에는 총 4개의 센서가 연결된다. 수위 센서는 물탱크에 부착하여 물탱크의 수위를 측정하여 물 추가 공급의 필요를 알린다. 온습도 센서와 토양습도 센서, 조도 센서는 생장 환경 데이터를 측정한다. 측정된 데이터는 PHP를 통해 서버의 데이터베이스에 저장된다. 서버에 저장된 데이터는 안드로이드 앱과 웹에서 확인할 수 있고 안드로이드 앱에서는 라즈베리 파이와 Socket 통신을 이용하여 원격으로 급수와 LED를 제어하는 기능과 카메라로 재배기 내부를 스트리밍하는 기능을 제공한다.

하드웨어 개발환경은 표1과 같다.

라즈베리 파이 3 B+는 센서와 액추에이터를 제어하는 보드이다. DHT 22는 온도와 습도를 측정하는 센서로 재배기 내부의 온습도를 측정하는 센서이다. SEN0114는 토양습도를 측정하는 센서로 화분의 토양습도를 측정한다. Cds 센서는 빛의 유무를 파악하는데 사용되는 조도 센서이다. SEN0204는 물탱크 내부의 수위를 체크하는데 사용되는 비접촉 수위 센서로 정전 용량을 감지하여 펄스 주기를 감지하여 물의 유무를 파악한다.

pi camera는 라즈베리 파이 전용 카메라로 재배기 내부를 촬영한다. RS-360SH는 물 공급을 위한 DC 펌프이다. 식물 생장에 필수로 필요한 광을 위해 식물 생장용 LED를 사용하였으며, 재배기 내부의 공기 순환을 위해 5V Cooling Fan을 설치하였다.

제어 시스템은 자동 급수 시스템과 원격 제어 시스템으로 설계하였다. 자동 급수 시스템은 토양 수분 센서로 측정된 값이 기준치를 벗어나면 워터펌프를 작동시켜 물을 급수하도록 한다. 사용자가 직접 급수하지 않아도 작물 화분의 토양 상태를 파악하여 일정 토양수분량 이하로 떨어지면 자동으로 워터펌프가 동작한다.

원격 제어 시스템은 안드로이드 앱으로 워터펌프와 쿨링팬을 원격으로 동작시킬 수 있는 기능을 한다. 안드로이드 앱과 라즈베리 파이는 소켓을 활용하여 통신한다. 소켓이란 떨어져 있는 두 개의 시스템이 데이터를 송수신할 수 있도록 하는 구조체이며 소켓 통신은 연결이 계속 유지되는 양방향 통신으로 실시간 데이터 전송에 사용된다.

소켓은 역할에 따라 서버 소켓과 클라이언트 소켓으로 나누어진다. 서버는 socket() 함수로 소켓을 열고 bind() 함수로 ip와 port 번호를 설정하여 클라이언트의 연결을 기다린다. 클라이언트 역시 socket() 함수로 소켓을 열고 connect() 함수를 사용하여 서버의 ip와 port 번호에 통신을 시도하면 서버에서 accept() 함수로 클라이언트와 연결을 활성화한다.

본 시스템에서는 라즈베리 파이가 서버 소켓, 안드로이드 앱이 클라이언트 소켓으로 라즈베리 파이에서 소켓을 활성화하고 대기하면 앱에서 제어 버튼을 눌렀을 경우 안드로이드 앱의 클라이언트 소켓은 라즈베리 파이의 서버 소켓에 연결을 요청하고 서버와 연결이 되면 해당 버튼에 설정된 제어 메시지를 전송한다. 라즈베리 파이에서 정상적으로 메시지를 수신하면 수신된 메시지에 해당하는 동작 명령을 내려 액추에이터의 작동을 제어한다. 액추에이터가 정상적으로 작동되면 성공 메시지를 안드로이드로 전송한다. 해당 통신이 끝나면 각 소켓은 종료된다.

그림4는 소켓 통신의 흐름을 그림으로 표현한 것이다.

Fig. 4. 
Socket

안드로이드 앱에서는 실시간으로 재배기 내부를 스트리밍할 수 있다. 라즈베리 파이에는 CSI(Camera Serial Interface) 포트가 있어 카메라 모듈을 연결할 수 있다. 본 연구에서는 라즈베리 파이용 카메라 모듈 Raspberry Pi camera를 사용하였다. 스트리밍을 위해 사용한 mjpg-streamer는 jpg 촬영을 연속으로 수행하여 마치 영상처럼 보여주는 기능을 하는 프로그램이다. 라즈베리 파이에 mjpg-streamer를 설치한 후 실행하면 특정 port로 접근할 수 있는 HTTP Server 역할을 수행하여 웹스트리밍이 가능하다.

그림5는 새싹인삼이 자라고 있는 재배기 내부의 모습이 스트리밍되는 모습이다.

Fig. 5. 
Streaming view