[농업+IT=스마트팜] 3. 스마트팜 구현 솔루션 이해하기

IT동아 · 2023.02.15 16:47:25

[IT동아]

스마트팜 (smart farm): 농림축수산물의 생산 및 가공, 유통 단계에서 ICT(정보통신기술)를 접목한 지능화 농업 시스템. 사물인터넷(IoT), 빅데이터, 인공지능 등의 IT기술을 통해 농작물, 가축 및 수산물 등의 생육 환경을 적정하게 유지, 관리하고, PC나 스마트폰 등으로 원격 자동 관리할 수 있어 생산 효율성과 편리성을 높일 수 있다. (네이버 용어사전)

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지금 스마트팜에 대해 관심 가져야 하는 이유 - https://it.donga.com/103234/

스마트팜과 사물인터넷 알아보기 - https://it.donga.com/103310/

스마트팜 구현 솔루션 이해하기

환경데이터를 수집하는 센서 구축 실제1

환경데이터를 수집하는 센서 구축 실제2

본격 나만의 스마트팜 실제1

본격 나만의 스마트팜 실제2

연재를 마치며

'스마트팜 구현 솔루션'이란 말은 어찌 보면 좀 애매한 단어다. 다양한 방법으로 자신에게 맞는 스마트팜을 구축해야 하기에 사실 정답이란 건 없다. 다만, 처음부터 시스템을 구성한다면 아마도 금세 진이 빠져 포기하기 십상이다. 이미 어느정도 준비가 되어 자신의 입맛과 필요에 맞게 추가 수정이 가능한 시스템을 고르는 게 좋다.

가끔 인터넷을 보면 '스마트팜 시스템'이라는 교구재 같은 것이 판매되고 있다. 센서를 공부하기에 나름대로 잘되어 있지만, 가격에 초점을 맞추다 보니 어디까지니 학습용이지 실제 적용에는 적절하지 못한 듯하다.

이즈음에 왕년에 한번 만들었다가 묵혀놓은 '타이니파머(TinyFarmer)'를 들춰본다. 타이니파머는 기본적으로 사물인터넷 기반이면서 DIY 형태라, 실력만 있다면 멋진 스마트팜 시스템을 구축할 수 있다. 이에 여기서는 타이니파머의 기본 센서와 시스템 구성 등을 한번 알아보고, 나만의 사랑스러운 스마트팜 구축 전 마음의 준비를 해보자.

타이니파머의 구성

타이니파머는 재배사에 설치하여 인터넷만 연결되면 센서가 측정한 값을 데이터베이스로 보내거나, 제어신호를 받아 재배사의 모터나 전원 등을 제어할 수 있는 기본기능이 있다. 일전에는 머신러닝을 붙여 데이터를 토대로 이상징후나 미래 변화를 예측하려 헀는데, 당시에는 활용도가 그리 높지 않아 아예 떼냈다.

타이니파머는 센서와 컨트롤을 담당하는 별개 장치가 있다. 이를 '비트모스(bitMoss)'라고 하는데, 아두이노 기반의 전용 센서, 컨트롤러 노드라고 보면 된다. 그리고, 이런 노드를 관리하는 '타이니파머 허브(Hub)'가 있는데, 많은 센서들과 컨트롤러를 직접 관리하는 역할을 한다.

타이니파머의 재배사 설치 예상도 (출처=장선연)

sf02 (출처=장선연)

비트모스 센서와 비트모스 컨트롤러는 전용의 장치지만, 이를 아두이노 하나로 만들 수 있는 DIY형 기기도 있다. 여기서는 이 아두이노를 기본으로 하는 DIY 기기인 '비트모스 아두이노 쉴드'를 기준으로 설명한다.

아두이노 위에 센서와 제어 대상의 접점을 연결할 수 있는 다목적 쉴드로 구성되어, 각자 용도에 맞게 프로그램하여 센서 데이터를 취득하거나 신호를 받아 어떤 대상을 제어하는데 사용할 수 있다. 가변적이다 보니 각자 필요에 맞게 수정이 가능하고, 그때그때 용도변경도 용이해 활용도가 높다. 단, 코딩이라는 산을 넘어야 하는 약간의 노력과 수고가 필요하다. 나름 편하게 프로그램을 할 수 있는 블록형 프로그램 툴을 지원하니 크게 걱정하지 않아도 된다.

비트모스 아두이노 쉴드의 결합 모습 (출처=장선연)

여기에 다양한 센서와 2개의 전기접점을 연결하여 용도에 맞는 장치를 만들 수 있다. 센서는 온습도, 조도, CO2, PH 등의 센서 연결이 가능하며, 전기접점을 제어하는 릴레이(Relay)로 220V까지 전압을 붙였다 떼었다 할 수 있다.

(출처=장선연)

예를 들어, 작물 주변의 온습도를 측정하며 관리하려는 경우, 작물에 있어 온습도는 상당히 중요한 요소다. 추운 겨울에는 재배사에 우풍이 들어와 작물이 얼어죽을 수도 있기에 실내온도를 측정해 대응해야 한다. 작물이 한참 자랄 때는 습도를 높이고 유지해야 하기 때문에 습도 모니터링이 필요한 때가 있다. 이를 위해 항상 모니터링하고, 경보 시 알람이 울리게 해야 작물을 건강하게 지킬 수 있다.

스마트폰으로 데이터 확인하는 나만의 재배사를 만들자

비트모스 쉴드에 온습도 센서를 달아 인터넷을 통해 데이터베이스에 저장하고, 스마트폰으로 현재의 온습도를 볼 수 있으면 멀리 있어도 늘 재배사를 관찰할 수 있다.또는 매일의 온습도 변화를 그래프로 그려 비교해 보면서, 이전 데이터와의 차이를 통해 가장 좋은 환경의 모델을 만드는 기초 데이터를 쌓을 수 있다.

농업용 센서

사실 농업 전용 센서라 명확히 분류된 센서는 없다. 다만, 농업에 많이 사용되어 레퍼런스가 있으니 믿을 만하다는 게 농업용 센서라 불리는 근거리라. 농업에 사용되는 센서는 그 어떤 환경에서보다 혹독한 상황을 견뎌야 된다. 100%에 달하는 온실의 높은 습도, 24시간 내리는 눈, 비를 견디며, 그야말로 독야청청하며 홀로 그 성능을 유지할 수 있어야 한다. 물론 그리 좋은 센서는 너무 비싸다. 이에 일반적으로 사용할 만한 센서를 한번 살펴본다.

온습도 센서: 습기에 강하도록 방습 케이스에 들어 있어 내구성이 좋으며, 전선을 길게 늘어뜨려 원하는 곳의 온습도를 측정할 수 있다. 습도에 강하다고 해도 직접 물에 넣거나 물을 뿌리면 당연히 고장나니 주의해야 한다.

방습 패키지의 온습도 겸용 센서 (출처=장선연)

조도센서: 재배사에 비추는 태양이나 조명의 밝기를 측정한다. 룩스(Lux)단위로 측정되며, 태양은 엄청난 광량이 있기 때문에 몇십 만 룩스 값까지 측정할 수 있으면 좋다. 빛은 방향성이 있어 센서를 설치할 때 그 위치에 따라 조도값이 달라지니 설치 위치가 상당히 중요하다.

조도센서 페키지 (왼쪽)과 내부 센서 (오른쪽) (출처=알리익스프레스 홈페이지)

EC센서: 전기전도도(Electric Conductivity)를 이용하여 물이나 흙에 녹아있는 비료(양액) 등의 농도를 측정할 때 사용한다. 이 센서는 웬만한 수경재배나 양액재배에서는 반드시 필요하다. 너무 과하거나 부족한 양분의 양을 측정하여 적정량을 투입할 수 있도록 알려주기 때문이다.

실전농업용 (왼쪽)과 실험 및 양액용 (오른쪽) 센서 (출처=장선연)

기타센서: CO2 센서도 필요한 작물이 있다. 어릴 적 과학시간에 배운 것처럼, 식물은 산소를 뱉고 이산화탄소를 흡입하기 때문이다.

CO2 센서 외형 및 연결 모습 (출처=DFROBOT 홈페이지)

주변 날씨를 체크하는 웨더스테이션(Weather station)도 있으면 좋다. 특히, 비닐하우스를 운영하는 농가에는 반드시 필요하다. 기상청에서 주는 날씨 정보는 주로 큰 지역이지만, 시시각각 변하는 밭, 논, 산 등에서는 주변 날씨를 실시간으로 알아야 하기 때문이다.

웨더스테이션 장착 모습 (출처=스파크펀 홈페이지)

네트워크 구성

사실 정말 중요한 건 바로 '네트워크'다. 수집된 데이터를 인터넷 클라우드에 저장하고 수시로 확인할 수 있어야 하는데, 그러려면 인터넷이 연결돼야 한다. 우리는 집안에 넣을 스마트팜이 필요하니까, 일단 인터넷 연결은 항상 가능할 것이다. 만약 일반 농가에 설치하고 싶다면, 특히 인터넷이 공급되지 않는 산 비탈이나 농가에서 멀리 떨어진 지역이라면 인터넷 연결이 쉽지 않을 텐데, 이런 경우에도 해결 방안은 있다.

두 가지 옵션이 있는데, 한 가지는 새 전화기를 개통해 LTE망에 연결된 LTE모뎀을 놓는 방법과, 현재 사용 중인 스마트폰에 데이터 나눠쓰기/공유하기 기능을 이용하는 방법이다.

일단 LTE모뎀은 전화기와 가입/개통 절차가 동일하지만, 음성통신은 안되고 인터넷과 문자메시지 기능만 가능하다. 기계 가격도 다소 비싼 편이다. 요금은 2~3만 원 수준이다. LTE모뎀은 흔히 사용하는 인터넷 공유기처럼, 유선 랜이나 무선 랜으로 연결할 수 있는 구조라 공장이나 화물차 등 외부와 통신이 필요한 환경에 보편적으로 적용되고 있다.

KT 모뎀(왼쪽), LG유플러스 모뎀(오른쪽) (출처=각 통신사 홈페이지)

각자마다 선호하는 스마트폰도 있듯. LTE모뎀도 원하는 회사 제품을 선택하면 된다. 전화 통신이 가능한 곳이라면 국내 어디서든 이 모뎀으로 인터넷이 가능하다.

데이터 나눠쓰기/공유하기 기능은 자신이 가입한 통신회사마다 약간 차이가 있을 수 있다. 필자는 SKT에 가입돼 있는데, 휴대폰 매장이나 SKT 고객센터 등을 방문해 데이터 나눠쓰기/공유하기 기능을 신청했다. 비용을 좀더 내면 유심칩 하나를 더 사용할 수 있다. 이 유심칩을 미사용 스마트폰에 꽂으면, 전화 통신은 불가하지만 인터넷 사용은 가능해진다. 물론 자신의 스마트폰 요금제의 데이터 용량을 나눠쓰는 거라 공짜는 아니다.

새로 얻은 유심칩을 USB 모양의 LTE 동글에 꽂으면 LTE모뎀처럼 작동하게 된다. USB LTE 동글은 대부분 외산 제품이다. 해외직구가 가능하다면 해외 쇼핑몰에서 직접 구매해도 좋다. 국내 오픈마켓 등에서 구매대행으로 판매되기도 하는데, 가격은 4~5만원 정도다.

USB 동글 형태의 LTE 무선 모뎀 (출처=알리익스프레스 홈페이지)

여기까지 준비하면 스마트팜을 만들기 전에 필요한 것은 어느 정도 챙긴 셈이다. 타이니파머의 아두이노와 비트모스 쉴드를 사용하고, 센서는 위에 설명한 제품이나 혹은 저렴한 제품도 괜찮다. 상대적으로 견고하지 않을 뿐이지 기본 동작에는 큰 문제 없다. 인터넷이 제공되는 환경이라면 좋겠지만, 그렇지 않다면 LTE모뎀이나 동글을 마련하면 된다.

이제 스마트팜 구축 준비가 완료됐다. 사실 이 글에서 방법론을 상세하게 설명할 순 없고, 이미 만들어진 결과를 사례로 언급할 예정이다. 자세한 방법은 개인 블로그를 통해 게재하겠다. 자신감을 가지고 이제 실전에 돌입해보자. 올해 나만의 '스마트팜 1호'가 탄생되는 것이다.

글 / 장선연

신기하고 새로운 기술을 접목하는 걸 좋아해서, 대학원 석사과정 때 연구실 창업을 했다가 결국 자퇴해고 현재는 일에 전념하고 있다. 기술과 예술을 접목한 미디어 아트 분야에서 대학원생 대상 강의를 진행하고 있고, 작은 메이커 스페이스도 운영 중이다.

정리 / IT동아 이문규 (munch@itdonga.com)

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