[논문 리뷰] Automated Smart Wick System-Based Microfarm Using Internet of Things.

Romeo L. Jorda, C. Alcabasa외 9명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 30.

Water Quality Monitoring Technologies참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 도시 농업을 위한 IoT 기반 자동화된 마이크로팜을 제안하며, 고임이 시스템을 사용하여 조도, 습도, 온도를 아두이노 마이크로컨트롤러를 통해 모니터링하고 라즈베리 파이 게이트웨이 및 안드로이드 앱으로 데이터를 전송합니다. 시스템은 자동으로 LED 재배 조명, 물 펌프, 에어 쿨러를 제어하여 최적의 조건을 유지하며, 표준 성장 조건 대비 고추나물의 평균 높이가 0.23cm 증가하는 데 성공했습니다.

ABSTRACT

This paper presents a study conducted to allow urban farmers to remotely monitor their farm through the design and development of an Internet of Things-based (IoT) microfarm prototype which utilized wick system as planting method. The system involves the detection of three environmental parameters namely, light intensity, soil moisture and temperature through the use of respective sensors which were connected to the Arduino microcontroller, the sensor node of the system. Irregularities in the aforementioned parameters were neutralized through the use of parameter regulators such as LED growlight strips, water pump and air cooler. The data collected by these sensors were gathered by the Arduino microcontroller and were sent to the Web database through the IoT gateway which was the Raspberry Pi computer chip. These data were also sent to an Android unit installed with the Microfarm Companion application which was capable of monitoring and controlling the environmental parameters observed in the microfarm. The application allows the user to view the current value of the parameter involved and to choose whether to control the parameter regulators automatically or manually. The microfarm system runs autonomously which reduces the labor required to produce healthy plants and crops. Mustard greens samples were used in testing the system. After a month of monitoring the height of the samples, it was observed that the average height of the samples is about 0.23 cm taller than the standard height. The proponents has also tested the system functionality by evaluating the sensor data log that provides the values gathered by the sensors and the turn-on times of the parameter regulators. From these data, it can be observed that whenever the values obtained by the sensors fall outside the threshold range, the parameter regulators turns on, indicating that the system is working properly.

연구 동기 및 목표

• 노동 집약적인 도시 농업 문제를 해결하기 위해 원격 모니터링 및 마이크로팜 환경 파am터의 자동 제어를 가능하게 하기 위해.
• 효율적인 수분 공급을 위한 고임이 시스템을 사용하여 저비용이고 확장 가능한 IoT 기반 솔루션을 개발하기 위해.
• 센서 기반 액추에이터를 통해 조도, 습도, 온도를 자동 조절하여 최적의 식물 생장을 보장하기 위해.
• 실시간 센서 로깅과 다양한 환경 기준을 초과했을 때의 조절기 반응을 통해 시스템 기능성을 검증하기 위해.
• 일개월 간의 모니터링 기간 동안 고추나물을 시험 작물로 사용하여 시스템의 효과성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 아두이노 마이크로컨트롤러가 센서 노드로 기능하여 조도, 토양 습도, 온도 센서로부터 실시간 데이터를 수집합니다.
• 환경 기준치를 설정하고, 센서 읽기 값이 이 범위를 벗어날 경우 LED 재배 조명, 물 펌프, 에어 쿨러 등의 액추에이터가 작동하여 조건을 복구합니다.
• 센서에서 수집된 데이터는 IoT 게이트웨이(라즈베리 파이)를 통해 웹 기반 데이터베이스로 전송되어 저장 및 원격 액세스가 가능합니다.
• 안드로이드 기반의 마이크로팜 컴패니언 앱을 통해 사용자는 실시간 파라미터 값을 확인하고 수동 모드 또는 자동 모드 간 전환할 수 있습니다.
• 시스템은 인간 간섭을 최소화하면서도 안정된 재배 조건을 유지하기 위해 자동으로 작동합니다.
• 시스템 성능은 센서 데이터 로그와 조절기 작동 시간 분석을 통해 기준치를 초과했을 때의 적절한 반응 여부를 확인함으로써 검증됩니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IoT 기반 시스템이 마이크로팜 환경에서 핵심 환경 파라미터(조도, 습도, 온도)를 효과적으로 모니터링하고 조절할 수 있는가?
• RQ2 환경 요소의 자동 조절이 표준 조건 대비 식물 생장에 얼마나 향상 효과를 미치는가?
• RQ3 시스템이 파라미터의 이탈을 얼마나 신뢰성 있게 감지하고 액추에이터를 통해 정정 조치를 유도하는가?
• RQ4 모바일 앱을 통한 원격 모니터링 및 제어가 도시 마이크로팜의 사용성 향상과 노동 감소에 기여하는가?

주요 결과

• 자동화된 시스템은 센서 읽기 값이 사전 정의된 기준치를 초과할 경우 조절기 작동을 통해 최적의 재배 조건을 유지하는 데 성공했습니다.
• 센서 데이터 로그는 환경 값이 허용 가능한 범위를 벗어날 경우 정확히 조절기가 작동했음을 확인하여 신뢰할 수 있는 시스템 작동을 입증했습니다.
• 일개월 간의 모니터링 후, 시스템에서 재배한 고추나물은 표준 성장 높이 대비 평균 0.23cm의 높이 증가를 보였습니다.
• 아두이노, 라즈베리 파이, 그리고 안드로이드 마이크로팜 컴패니언 앱의 통합은 마이크로팜 환경의 실시간 원격 모니터링 및 제어를 가능하게 했습니다.
• 시스템은 자율 기능을 입증하여 식물 관리 및 환경 관리에 있어 수동 노동의 필요성을 크게 감소시켰습니다.