[논문 리뷰] Exploring Wireless Sensor Network Technology In Sustainable Okra Garden: A Comparative Analysis Of Okra Grown In Different Fertilizer Treatments

L. K. BURTON, Yemererach Mekonnen외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 20.

Smart Agriculture and AI참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 태양광 패널로 구동되는 토양 수분, 온도 및 일광 조사 센서를 사용하여 지속 가능한 부추 재배지에서 무선 센서 네트워크(WSN) 시스템의 성능을 평가한다. 다양한 비료 처리 조건에서 토양 및 식물 파라미터를 모니터링한 결과, Clemson spineless 부추가 모든 지표에서 Emerald 부추보다 식물 크기와 수확량 측면에서 뛰어난 성능을 보였다.

ABSTRACT

The goal of this project was to explore commercial agricultural and irrigation sensor kits and to discern if the commercial wireless sensor network is viable tool for providing accurate real-time farm data at the nexus of food, energy and water. The smart garden consists of two different varieties of Abelmoschus esculentus planted in raised beds, each grown under two different fertilizer treatments. Soil watermark sensors were programmed to evaluate soil moisture and dictate irrigation events up to four times a day, while soil temperature and photosynthetic solar radiation sensors also recorded data every six hours. Solar panels harvested energy to power water pump and sensors. The objectives of the experiments were to evaluate and compare plant and soil parameters of the two okra varietes grown under two different fertilizer treatments. The plant parameters evaluated and compared were basal diameter, plant height, fruit production, and fruit size. Soil parameters measured were soil moisture, soil temperature, and soil nitrate concentration. The commercial sensors were evaluated on efficiency, accuracy, ease of use and overall practicality. Clemson spineless produced larger okra plants with the highest plant parameter values, followed by Emerald okra.

연구 동기 및 목표

• 식량-에너지-물 수자원 융합 분야에서 실시간으로 지속 가능한 농업 모니터링을 위한 상용 무선 센서 네트워크(WSN)의 실현 가능성을 평가하기 위해.
• 통제된 센서 모니터링 환경에서 두 가지 부추 품종(Clemson spineless 및 Emerald)이 다양한 비료 처리 조건에서 어떻게 성능을 내는지 비교하기 위해.
• 실제 농업 환경에서 토양 수분, 온도 및 광합성 방사선 측정을 위한 오픈소스 센서의 효율성, 정확도 및 실용성을 평가하기 위해.
• 센서 기반의 정밀 관수 및 영양 관리가 부추 재배에서 주요 식물 및 토양 파라미터에 미치는 영향을 규명하기 위해.

제안 방법

• 두 부추 품종을 위한 고소한 땅에 무선 센서 네트워크(WSN)를 구축하여 토양 수분, 온도 및 광합성 방사선 센서를 설치하였다.
• 실시간 토양 수분 기준치에 따라 하루에 최대 네 번까지 물을 주는 토양 워터마크 센서를 프로그래밍하였다.
• 전체 시스템을 태양광 패널로 구동하여 이산화탄소 배출이 없는 오프그리드 운영을 가능하게 하였다.
• 토양 수분, 온도 및 질산염 농도는 6시간 간격으로 데이터를 수집하였고, 기초 직경, 높이, 과실 생산량 및 과실 크기와 같은 식물 파라미터도 측정하였다.
• 상용 센서 키트를 사용하여 데이터를 확보하고, 정확도, 사용 편의성 및 신뢰성 측면에서 성능을 비교하였다.
• 다양한 생장 파라미터에서 두 부추 품종(Clemson spineless 및 Emerald) 간의 통제된 비교 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상용 무선 센서 네트워크는 다양한 비료 처리 조건에서 지속 가능한 부추 재배를 위한 정확하고 실시간의 데이터를 제공할 수 있는가?
• RQ2 다양한 비료 처리 조건이 센서 모니터링 환경에서 두 부추 품종의 생장과 수확량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기본 직경, 식물 높이, 과실 생산량 및 과실 크기 측면에서 Clemson spineless와 Emerald 부추 품종 간의 비교 성능는 어떠한가?
• RQ4 태양광으로 구동되는 센서와 자동 관수 시스템은 최적의 토양 수분을 유지하고 지속 가능한 작물 생산을 지원하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 센서에서 유도된 토양 파라미터(수분, 온도, 질산염)가 식물 생장 결과와 얼마나 상관이 있는가?

주요 결과

• Clemson spineless 부추는 Emerald 부추보다 더 높은 식물 파라미터 값을 보였으며, 특히 식물 높이와 기초 직경 측면에서 뛰어났다.
• 과실 생산량은 Clemson spineless 품종에서 가장 높았고, 처리 그룹 전반에 걸쳐 평균 과실 크기도 유의미하게 컸다.
• 무선 센서 네트워크는 매 6시간 간격으로 일관된 데이터 수집을 통해 토양 수분, 온도 및 일광 조사의 실시간 모니터링을 성공적으로 유지하였다.
• 비료 처리 조건에 따라 토양 질산염 농도에 유의미한 차이가 나타나, 영양분 흡수의 차이를 측정할 수 있었다.
• 태양광으로 구동되는 시스템은 물 펌프와 센서를 안정적으로 작동시켜 소규모 농업 응용 분야에서 오프그리드 지속 가능성의 실현 가능성을 입증하였다.
• 상용 센서는 정확도 및 설치 용이성 측면에서 효과적이었으며, 실제 농업 모니터링에 활용 가능함을 입증하였다.