스마트 팜 (Smart Farm) 프로젝트 현장의 김태현 실장

일본의 Thing+ IoT 스마트 팜 (Smart Greenhouse) 프로젝트 – 온도 및 습도 감지 기능을 갖춘 실용적인 솔루션 개요

일본의 Thing+ IoT 스마트 팜 (Smart Greenhouse) 프로젝트 – 온도 및 습도 감지 기능을 갖춘 실용적인 솔루션 개요

안녕하세요. 달리웍스 입니다.
오늘은 일본에서 최근 완료한 Smart Farm 파일럿 프로젝트를 소개합니다.
소개할 프로젝트는 비닐하우스 단지를 디지털화하여 기존에 일관되게 기록되지 않는 농장의 상태데이터를 디지털 형식으로 수집하여, 비닐하우스의 생산성을 향상시키며 비용을 줄이고 보안을 향상시는게 key point인 프로젝트 입니다.
본 프로젝트는 IoT 클라우드 플랫폼인 Thing +를 기반으로 진행되었으며, 비닐하우스 농장을 운영하시는 고객 혹은 관련 서비스를 제공하는 SI 또는 IT 회사를 대상으로 고객 니즈에 맞춤화(customization) 된 솔루션을 제공한 사례입니다.
해당 솔루션에 관심이 있으시면 언제든 달리웍스로 연락 주세요. 🙂

솔루션 설계
본 프로젝트를 향한 첫 걸음은 비닐하우스 농업 (Greenhouse farming) 분야 전문 지식을 보유한 일본의 파트너사와 협업을 하는 일이였습니다.

일본 파트너사와 함께 몇 주 동안 고객의 요구 사항 및 필요한 데이터를 수집해 왔으며, 비닐하우스의 물리적인 환경을 감안하여 적용할 네트워크 및 인터넷망과 연결성 문제를 극복 할 수 있는 하드웨어를 선정 하였습니다.
해당 프로젝트는 매 15분마다 비닐하우스 내부의 6개 지점에서 온도 및 습도 데이터를 수집해야 하고 각 비닐하우스 문의 개폐 상태를 추적하는 것이 중요한 목표 였습니다.

히터와 환기 설비를 사용하는 동일한 비닐하우스, 하지만 기온은 8 ~ 10도 차이가 있음

각 비닐하우스의 상태 변화 패턴이 최적화 상태인지 아닌지지를 결정하기 위하여 온도 및 습도 상태 값이 중요합니다.
해당 프로젝트가 적용될 비닐하우스는 지금가지 계절과 시간을 바탕으로 난방 및 환기 설정 온습도를 수동으로 체크해오고 있었습니다.
그러나 일과 시간중 날씨 뿐만 아니라 햇빛의 조도 양을 포함하여 내,외부 환경은 지속적으로 변화합니다. 그 외에도 기타 비닐하우스 환경이 계속 변한다는 사실을 고려한다면, 사용자가 왜 지속적인 데이터 수집을 원하는지 이해할 수 있었습니다.

외부출입 감지가 안되는 비닐하우스는 도난 사고의 좋은 타겟입니다.

비닐 하우스의 문 열림이나 닫힘 여부 상태 실시간 체크를 통해 비닐하우스 보안 문제를 바로 예방할 수 있고,  수박이나 다른 고가치 농산물로 가득 찬 비닐하우스의 도난 사고를 예방하는 것이 본 프로젝트의 중요한 목표입니다.
전통적인 보안 솔루션 (CCTV 및 기타 보안 전문 장비)의 경우 설치 비용이 많이 발생하기 때문에, 문을 여닫임만을 확인하여 자동 알림를 설정해 농장의 보안시설을 향상할 수 있습니다.

농장의 17개의 비닐하우스의 4개 특정 부분에 대한 온습도 데이터를 주기적으로 모니터링하여 난방 및 환기 비용을 절약 할 수 있습니다. 처음에는 경보 및 분석을 수동적으로 시작하고, 나중에는 자동화하여 생산성 향상과 함께 인건비 절감 효과를 확실히 느끼게 됩니다.
안전 또한, 현재의 문 상태에 대한 단순한 표시를 넘어 자동 경보 뿐만 아니라 비닐하우스 하우스 소유자가 항상 상태를 체크 할 수 있습니다.
“비닐하우스에서 이미 이런 측정 및 체크 시스템은 도입되어 사용되고 있는 것 아닌가요?” 하고 질문할 수 있습니다. 저희도 그런 줄 알았습니다.
그러나, 하드웨어 문제와 전통적인 업계 표준 시스템 및 소프트웨어의 비용이 높아, 대다수의 농장 또는 비닐하우스 농가에서는 실시간 데이터 수집이 불가능하다는 사실을 알게 되었습니다.

사용자에 맞춰전 UI 설계
인터넷 웹을 통해 비닐하우스 운영자와 소유자는 실제 데이터를 모니터하고, 범위를 벗어난 데이터에 대한 알람을 수신, 해당 데이터를 분석하는 방법이 필요했습니다.
사용자 인터페이스는 Thing + UI를 기본으로 파트너의 요청에 따라 몇 가지 특정 맞춤화 (customization) 작업을 했습니다.

Thing+ 기본 대시 보드.

주요 요구 사항은 데이터 위젯으로 구성된 대시 보드에서 농장의 위치를 표기하는 지도 중심으로 한 대시 보드로 변환 하는 것이었습니다.

지도 및 위치 정보의 시각화 중심으로 맞춤화 한 대시 보드

각 비닐하우스마다 더 상세한 “드릴 다운 (Drill Down)” 한 기능을 추가 해야 했습니다.
그 기능은 각 비닐하우스마다 설치된 센서 데이터와 24시간 동안 측정된 데이터를 표시되게 하였으며, 그것을 한눈에 다 볼 수 있게 만들었습니다. Thing+ 기본 UI를 사용해서 본 작업을 수행 할 수도 있었지만 비닐하우스 농장 소유자의 니즈에 맞춰진 특정한 UI 설계 를 진행했습니다.

하나의 비닐하우스에 대한 “드릴 다운” UI 를 통해 모든 중요 데이터를 한눈에 쉽게 볼 수 있게 표시합니다. (프로토 타입)

범위를 벗어난 온도 및 습도 데이터에 대한 경보는 일반적인 Thing + 규칙 엔진을 사용하여 설정되었습니다.
특정 시간에 문이 열리는 것과 같은 중대한 사건의 경우, 직접 SMS 메시지가 경보의 형태로 사용되었습니다.
중요도가 낮은 이벤트가 발생하는 경우 경보가 서비스의 타임라인으로 직접 이동하여 발생한 알림을 운영자에게 제공합니다.

백 엔드 측면에서 데이터 전송 및 저장은 견고해야 하므로 Amazon AWS Japan 클러스터가 사용되었습니다. Thing+ 는 기본적으로 Amazon AWS를 기반으로 하므로 데이터 전송 및 저장을 위해 AWS 가 사용되었습니다.

마지막으로, 통신 방식으로 LoRaWAN이 사용 되었기 때문에 우리는 프로젝트를 위한 네트워크 서버, 특히 규모를 확장 할 수 있는 네트워크 서버가 필요했습니다.
이를 위해 LorIOT의 LoRaWAN 네트워크 서버솔루션을 사용했습니다. LorIOT은 과거에 대규모 상업용 프로젝트를 진행한 경험이 있어, 해당 프로젝트 이후의 대규모의 상업 프로젝트에도 적용 할 수 있습니다.

솔루션 하드웨어
비닐하우스 단지가 넓은 지역 (최대 범위가 600 미터)에 걸쳐 있고, 벽 / 건물을 잘 통과할 수 있으면서 장거리가 모두 잘 커버 되는 것이 중요했습니다.
이때문에 LoRaWAN 기반 솔루션을 선택했습니다. 또한, 새로운 센서 / 자동화 옵션이 필요한 상황이 발생할 경우를 대비하여, 다양한 디바이스들과 연동이 되는 시스템과도 추가 연동 가능 여부가 중요했습니다.

Thing+는 이미 LoRa Alliance의 회원이기도 하여 이 결정은 더욱 수월했습니다.

RisingHF Outdoor Gateway

해당 프로젝트에 사용 된 게이트웨이는 RisingHF의 RHF2S008이었습니다. 게이트웨이는 옥외용으로 설계되어 있고 유지 보수 요구 필요성이 매우 낮아야 합니다.
배치될 게이트웨이는 스마트 팜 운영자가 아무런 주의를 기울이지 않아도 수년간 외부환경에서 제대로 작동이 되야 하는 조건을 충족시켜야 했습니다.
전원은 POE (이더넷을 통한 전원)로 연결을 공급했습니다.

RisingHF 온/습도 센서

센서는 RisingHF의 자체 온도 및 습도 센서를 사용했습니다. Rising HF 센서는 자외선으로부터 보호되어 있으며 비닐하우스 내부의 다양한 환경 조건아래 에서도 작동이 잘 됩니다.

Tabs 문열림 센서

마지막으로, 우리는 Tracknet 사의 TABS 문과 창센서를 사용하여 하루 중 특정 시간대에 문을 열었는지 닫혔는지 체크 확인하려 했습니다.
하지만, 사진에서 보이볼 수 있듯 설치 과정 중 해당 센서는 비닐하우스 문에 적합하지 않다는 것을 발견하였습니다.
따라서, 추후 비닐하우스 현장에 적합한 도어 센서를 설치하여 프로젝트를 업데이트 할 예정입니다. 새로운 대체 센서 하드웨어를 현장에 배치할 때 본 포스트를 다시 한번 update 할 예정입니다. 🙂

전체 설치 구성도

마지막으로 센서에서 수집 된 데이터를 Thing + 클라우드로 가져 오는 데 필요한 3G 연결을 제공하기 위해 Tata SIM 카드가 RisingHF 게이트웨이에 사용되었습니다.

솔루션 개발 및 설치 과정
실제로 솔루션을 현장에서 성공적으로 수행하기위한 첫 번째 단계는 RisingHF 및 Tracknet 장치의 초기 테스트를 사전에 수행하여 해당 데이터를 안정적으로 수집 할 수 있는지 확인하는 것이었습니다.

사무실 테스트 진행 과정

사무실에서의 테스트 결과, RisingHF 장비의 경우 큰 문제없이 진행되었습니다. 그러나 Tracknet 도어 센서의 경우 위에 언급했듯이 실제로 비닐하우스 농장이 있는 현장에서 설치하기에 좀 부적절하다는 것을 알게 되었습니다.
각종 하드웨어 테스트 후 장비를 확인하고, Thing+ 팀은 일본에 도착하여 하드웨어 및 솔루션이 제대로 설치하고 작동되도록 하는 작업을 했습니다.

이 하드웨어를 사용한 첫 번째 프로젝트 이었고, Thing+ 사업 파트너사 들에게 참고될 수 있는 case 를 만들기 위해 Best 팀을 현장에 투입했습니다.

비닐하우스 단지는 블록 당 각 6개의 하우스로 구성되어 있습니다.

일단 현장에 도착해보니 외부 기온은 매우 추웠습니다. 그러나 일단 비닐하우스에 내부의 환경은 외부의 환경과는 정반대였습니다.

비닐하우스 내부의 한낮 온도

저희 팀은 비닐하우스가 위치한 지역의 중앙의 높은 위치에 게이트웨이 (RisingHF RHF2S008 기준) 을 설치하였습니다. 필요한 최대 범위가 ~ 600m 였지만, 게이트웨이에서부터 가장 먼 센서 장치까지 네트워크 연결상태는 매우 좋았습니다.

높은 고도에 설치된 RisingHF 게이트웨이

각 비닐하우스 내부에 온도 및 습도 센서를 설치하였습니다.

마지막으로 모든 것이 설치된 후 대시보드를 통해 수집된 데이터 내용과 수동으로 수집한 온도 및 습도 판독 값과 동일한지 또한, 데이터가 제대로 끊김없이 대시보드에서 확인이 되는지 점검했습니다.
설치한 첫날 바로, 저희 파트너사와 함께 비닐하우스내 난방 및 환기 시스템과 관련된 문제를 즉시 발견할 수 있었습니다.
일부의 비닐하우스에서 섭씨 50도 이상 온도가 측정되었고 대부분의 비닐하우스의 평균 온도는 섭씨 40도 이상이었습니다.
수박의 최적의 성장 온도가 약 섭씨 32C 였음을 감안할 때, 에너지 낭비의 정도는 정말로 놀라운 것이었으며 비닐하우스 소유주에게도 충격이었습니다.

계절별 및 타이밍에 따른 난방 및 환기 시스템 설정 및 수정 프로세스가 바로 시작되었으며 이와 비슷한 문제들이 데이터의 기반으로 지속적으로 해결 될 것으로 기대하고 있습니다.

결과 및 다음 단계
향후 수개월 동안 비닐하우스 운영자 및 파트너사는 데이터 모니터링 및 분석을 통해 효율성과 프로세스를 향상시킬 수 있는 더 많은 부분을 발견할 것 입니다. 향후 분석 작업을 위해 데이터를 지속적으로 수집하여, 최적의 데이터 수치를 입력하고 실제 결과 값이 예상과 일치하지 않는 부분을 발견하는 것만으로도 농장의 여러가지 문제를 발견 하게 됩니다.

수집된 데이터를 시각적으로 표기한 그래프

Thing+ 팀이 한국으로 돌아 가기전에 비닐하우스내 난방 및 환기 시스템에 대한 문제점을 바로 발견하고 바로 해결할 수 있었고, 그 외에도 비닐하우스에 필요한 최적의 상황과 맞추기 위해 지속적으로 개선 및 해결될 것입니다.

비닐 하우스 환경에 맞춰진 규칙 알림

비닐하우스내 온도 및 습도의 예기치 않은 변동에 대한 경보가 작동되며 예기치 않은 사건은 비닐하우스 운영자가 직접 처리합니다. 비닐하우스내 난방 및 환기 시스템의 자동화는 이미 개발 중입니다.
자동화 프로세스의 적용 범위에 대해 본 프스팅에서 후에 다시 한번 업데이트 해드리겠습니다.

프로젝트의 초기 효과에 대한 반응은 매우 긍정적이었습니다. 저희는 솔루션에 추가로 이산화탄소및 조도를 측정할 수 있게 해달라는 요청을 받았습니다. 향후 저희가 본 포스팅의 에필로그에서 이것에 대한 내용을 공유 해드릴 예정입니다.
저희는 이산화탄소(CO2)와 조도센서가 추가되고 테스트 한 후 멀지 않은 미래에 일본에서 더 큰 상업적 규모로 확장하는 것을 계획하고 있습니다.
이 두 가지 환경 변수가 작물 재배에 얼마나 중요한지 알게 되면, 일본의 파트너사들과 협업하여 저희는 비닐하우스 농장주들이 과거의 여러 제한요소로부터 벗어나 저렴한 비용으로 이런 종류의 실제 데이터 모니터링 및 분석을 수행을 할 수 있게 하는데 기여 할 수 있게 되기를 기대해 봅니다.

프로젝트의 결론
환경 내부의 중요한 데이터를 추적 할 수 있는 무선 시스템을 구축 설치하는 것은 매우 높은 비용이 요구되었습니다. 주요 산업 서비스 기업들이 만든 애플리케이션 및 솔루션은 독점적이며 매우 비쌉니다. 그러나 장거리를 커버할 수 있으며 오픈 소스 기반의 LoRaWAN과 같은 무선네트워크 기술의 출현은 물리적 환경에서 생산된 데이터를 디지털화 하는 것을 매우 단순히 그리고 저렴한 비용에 가능하게 하였습니다.

Thing +는 이러한 종류의 하드웨어 및 사용자 케이스를 를 쉽고 빠르게 지원하기 위해 설계되었습니다. 실제 현장에서 비즈니스가 사용하는데 필요한 응용 프로그램, 백본 및 소프트웨어 구성 요소들을 제공합니다.
Thing+ 는 white label 서비스를 완벽하게 지원하며, 비싼 독점적이고 폐쇄적인 소프트웨어는 배제하며, 파트너사와 협력하여 상호 성공을 추구합니다.
Thing+에 관심이 있으시면 언제든 연락주세요 🙂

감사합니다.