[논문 리뷰] IoT Smart Plant Monitoring, Watering and Security System

U. H. D. Thinura Nethpiya Ariyaratne, V. Diyon Yasaswin Vitharana외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 16.

Smart Agriculture and AI인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 센서와 모바일 애플리케이션을 통해 원격으로 토양 수분, 온도, 습도 및 식물 건강 상태를 모니터링할 수 있는 IoT 기반 스마트 식물 모니터링, 물 주기, 보안 시스템을 제시한다. 시스템은 자동 물 주기 기능과 식물 문제 경고 기능을 통해 바쁜 일정 동안 지속 가능한 정원 가꾸기를 지원하며, 스리랑카 현장에서 실시간 데이터 기록 및 사용자 테스트를 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Interest in home gardening has burgeoned since governments around the world-imposed lockdowns to suppress the spread of COVID-19. Nowadays, most families start to do gardening during this lockdown season because they can grow vegetables and fruits or any other plants that they want in their day-to-day life. So, they can survive without spending money on online grocery shopping for fruits and vegetables during this lockdown season. In Sri Lanka, home gardening was a trend during the past couple of months due to this pandemic. Most of the families were trying to do gardening for their needs. But the problem is, nowadays the government is trying to release those restrictions to start day-to-day work in Sri Lanka. With this situation, people are starting to do their jobs and they do not have time to spend in their gardens continuing their gardening. We thought about this problem and tried to find a solution to continue the gardening work while doing their jobs. The major concern is people cannot monitor their plants every time and protect their garden. So, we decided to automate the garden work. With our new solution, gardeners can monitor some important factors like the plant's healthiness, soil moisture level, air humidity level, and the surrounding temperature and water their garden from anywhere in the world at any time by using our app. Plant health has a significant impact on plant development, production, and quality of agricultural goods. The goal of this study is to create an automated system that can identify the presence of illness in plants based on variations in plant leaf health state is created utilizing sensors such as temperature, humidity, and color....

연구 동기 및 목표

• 제한된 시간이 주어지는 봉쇄 기간 및 봉쇄 후 직장 생활로 인해 가정 정원을 유지하는 데 발생하는 과제를 해결하기 위해.
• 실시간으로 주요 환경 및 식물 건강 파라미터를 모니터링할 수 있는 자동화된 시스템을 개발하기 위해.
• 모바일 애플리케이션을 통한 원격 제어를 통해 물 주기 및 보안 기능을 가능하게 하기 위해.
• 식량 구매 의존도를 줄이고 과일 및 채소의 가정 재배를 지원하기 위해.
• 센서 데이터를 활용한 식물 건강 모니터링 및 환경 변화를 통한 조기 문제 탐지 기능 향상을 위해.

제안 방법

• 시스템은 토양 수분, 주변 온도, 상대 습도 및 식물 잎 색상 등을 모니터링하기 위한 센서 네트워크를 사용한다.
• 센서에서 수집된 데이터는 MQTT 프로토콜을 사용해 Wi-Fi를 통해 클라우드 기반 서버로 전송되어 실시간 처리된다.
• 모바일 애플리케이션은 원격 모니터링 및 물 주기 시스템 제어를 위한 사용자 인터페이스를 제공한다.
• 식물 건강은 이미지 처리 기법을 활용해 잎 색상 변화를 분석하고 기준값과 비교함으로써 평가된다.
• 토양 수분이 사전 정의된 임계값 이하로 떨어지면 시스템이 자동으로 물을 주기 시작한다.
• 보안 기능으로는 움직임 감지 및 카메라 통합 기능을 통해 정원에 대한 무단 접근을 방지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 패닉 상황 및 봉쇄 후 기간 동안 IoT 기반 모니터링이 가정 정원의 지속 가능성에 어떻게 기여할 수 있는가?
• RQ2 실시간 식물 건강 및 환경 모니터링에 가장 효과적인 센서 기반 파라미터는 무엇인가?
• RQ3 토양 수분 수준에 기반한 자동 물 주기 시스템이 인간 간섭을 줄이면서도 식물 건강을 유지하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 모바일 애플리케이션을 통한 원격 모니터링 및 제어 기능이 도시 정원 가꾸기에 얼마나 효과적인가?
• RQ5 실시간 데이터 시각화 및 경고 기능이 식물 스트레스 및 질병을 예방하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 시험 식물 다수에서 최적의 토양 수분 수준을 성공적으로 유지하여 수동 물 주기 대비 30%의 물 낭비 감소를 기록했다.
• 색상 기반 이미지 분석을 통한 식물 건강 평가가 정확하게 이루어졌으며, 스트레스 조기 징후 탐지 정확도는 92%였다.
• 모바일 앱을 통한 원격 모니터링 덕분에 적시 개입이 가능해져 통제된 시험에서 식물 사망률이 45% 감소했다.
• 움직임 감지 및 카메라 경고 기능 통합으로 모니터링된 영역에서 무단 정원 접근 사고가 100% 감소했다.
• 사용자들은 자동 알림 및 원격 제어 기능 덕분에 정원 가꾸기 일관성이 60% 향상되었다고 보고했다.
• 시스템은 최소한의 유지보수로 30일간 연속 작동하면서도 안정적인 성능을 보였다.