Cloud Farm

Introduction

초기 아이디어를 얻기 위해서 트렌드, 생활 속 불편한 점, 개인관심분야의 관점을 가지고 토의를 진행하게 되었다. 요즘 코로나 바이러스로 인해 사람들이 집에 있는 시간이 많아지면서 취미로 채소를 키우는 사람이 증가했다. 반려식물이라고도 부르면서 팬데믹 장기화로 ‘반려식물’에 대한 관심이 커지면서 토마토와 바질 등 직접 먹을 수 있는 채소를 키우는 ‘홈파밍’도 뜨고 있다. 식물이 좁은 공간에도 하나 놓여 있으면 전혀 다른 분위기를 연출할 수 있다는 점에서 인테리어 소품으로도 인기를 끌고 ‘코로나 블루’라는 우울한 증세를 극복하는 방법 중 하나가 되었다.

헬스케어에 관심이 많아진 요즘 건강한 먹거리를 찾는 사람들이 직접 식물을 키우면서 농약 없이 신선한 채소 를 갓 수확해 먹을 수 있는 가정 내 식물재배가 트렌드가 되어가고 있다. 하지만 물과 거름을 제때 주고 알맞은 빛과 온도와 습도를 유지하는 게 초보자에겐 쉬운 일은 아니며, 기업들은 이런 문제를 손쉽게 해결해주는 ‘식물재배기’를 대여나 판매를 하고 있다. 코로나 확산 이후 이런 ‘식물재배기’의 판매량이 5배 이상 늘며 수요가 점점 증가하는 이런 트렌드에 맞춰 좀 더 가정에 최적화된 식물재배기를 구상하게 되었다.

이러한 장점과 더불어서 실내에서 키우면서 손쉽게 키울 수 있는 재배방식에 대해서 조사를 해보았다. 조사 결과 수경재배 방식이 현재 많은 사람들이 선호하는 방식중 하나 이며 실내와 쉬운재배의 키워드를 모두 만족하는 방식이었다. 수경재배는 총 4가지 방식의 재배방식이 있는데 Nutrient film technology, Drip System, Deep Water Culture, Aeroponics가 있었으며 현재아이디어와 소형화에 적합한 에어로포닉스 방식을 택하게 되었다.

에어로포닉스 선택이유

대기, 수증기를 의미하는 Aero와 재배를 의미하는 ponics의 합성 개념으로, 뿌리에 물이나 양액을 직접 담그지 않고 수증기화 하여 영양을 공급하고, 이로써 식물을 재배하는 수경재배의 한 갈래이다. 이때 수증기는 밀폐공간 내에서 일정 농도를 유지하도록 필요시에만 분무 되므로, 상대적으로 타 재배방식에 비해 물의 사용량이 적고, 수경재배 방식중에서도 물을 적재하거나 흐르게 하는 플랜트 공간이 최소화 되어 소형화에 적합한 이점을 가지기 때문에 에어로포닉스를 선정하였다.

시장조사 및 차별점

1) 재배방식 및 구조적 차이

뿌리가 전부 물에 잠겨있는 DWC방식 대비 Aeroponics는 수증기를 뿌리에 직접 분사하기 때문에 물 사용량이 적고 양액의 오염이 없다.

2) 구조적 차이

뿌리가 물에 직접적이 아닌 수증기 분사로 간접적으로 접촉하면 되므로 모종을 지면에 수직으로 배치하여 플랜트 자체의 부피를 줄일 수 있다. 공간 차지가 적어 내부 공간의 활용도를 증가시키며 가정에서의 사용을 주 목적으로 하는 제품의 목적으로 적합하다.

3) 가격적 측면

웰스팜의 경우 최소 월 2만원 대의 렌트 방식으로 운영하고 있으나 기기의 원가는 6개 모종대비 80만원 대로 높은 가격이다. 고가 책정 원인으로 유리사용, 환기 시스템, 양액 정화 필터 등이 예상된다. 우리는 이러한 단점을 줄여 2개 모종대비 기기 당 27만원(80만원/3)에 훨씬 못 미치는 가격으로 제작을 할 수 있을 것으로 기대된다. BOM에서 장비를 제외한 부품 값으로 8.8만원 이하로 가격적 메리트를 가져갈 수 있다.

디자인 상세설명

1. 수직 플랜트

원통의 1/4 형태이며 식물을 지면에 수평이 아닌 수직으로 재배가 가능하다. 컴팩트한 디자인으로 공간의 효율성을 확보하였으며 플랜트 하부에 회로 부품을 배치해 식물 동일 수량 시 DWC방식 대비 부피를 1/2가량을 줄일 수 있는 장점이 있다.

2. 무드등 컨셉

식물의 상태를 플랜트 전체에서 빛나는 LED의 색으로 나타내어 쉽게 시각적으로 플랜트의 상태를 사용자가 파악가능하고 무드등으로도 사용가능하다.

3. 모듈형 플랜트

원통의 1/4 형태인 쿼터실린더로 4개를 이어 붙여 원통으로 배치가능하며 수직으로도 쌓아올려 플랜트가 차지하는 부피를 많이 줄일 수 있다.

4. 탈착형 커버

식물 전면을 덮는 커버에 생장 LED가 있어 식물에 직접적으로 빛을 조사한다. 또한 내부 양 옆에 반사판을 달아 빛 조사 효율을 높였습니다.

몸통 면과 자석으로 붙어있어 수확 시 탈부착이 용이하고 방충망으로 덮여 있어 방충효과 및 통풍, 외부 빛 공유 등이 가능하다.

5. 간편한 물관리

플랜트 하부의 물통을 분리하여 간단히 물을 채울 수 있으며 기존 DWC 대비 물 교환 주기가 길며 UV램프로 항시 양액을 소독하여 세균 번식에 의한 폐사 방지를 한다.

부품과 핵심 설계코드

1. CdS (조도센서)

-> AnalogRead()함수를 통해 cds변수로 선언된 ADC핀을 읽어옴.

2. DHT11 (온도센서)

->dht.h에 선언된 readHumidity(), computeHeatIndex() 함수를 통해 값을 읽어와 십진수 섭씨 단위로 표현

3. SK6812 (상태 표시 LED)

->sk6812.h에 선언된, 3열의 LED 제어 array를 통해 색상을 지정가능.

회로 및 시스템 플로우

생장LED와 UV LED의 초기값은 항상 켜져있으며 온습도 센서가 일정 습도 이하로 센싱하면 가습기모듈이 켜져 수분을 공급한다. 물통에 물이 일정 수위 아래로 떨어졌다고 수위센서가 판단한 경우 여기에 달린 ‘RGB LED’가 빨간불을 켜서 알려주게 된다. 평상시에는 다른 색이 나오며 무드등의 역할을 한다. 동시에 물의 교체 주기가 되었으므로 항상 켜져있던 UV LED도 꺼져서 물을 교체할 때 UV에 의한 인체피해가 없도록 한다.

조도센서는 외부 빛을 감지해 어두운 밤일 경우 ‘RGB LED’와 식물생장 LED는 꺼지거나 밝기가 감소하게된다. 우선적으로 온 주요 부품들을 테스트 해보았고 각 LED가 전부 잘 작동하였으며, 가습기 모듈 또한 정상 작동하였다.

추가적으로 조도센서나 수위센터, 온습도 센서 또한 코드대로 아날로그 값과 디지털 값을 잘 받아들였다. 회로도 부분에서 회로도는 Easy EDA Tool을 사용해 회로도를 구성하였으며, 스펙에 맞추어 구성하였다.

각 LED는 트랜지스터로 on/off 해주었기에 적절한 저항을 찾아서 연결해 주었다. LED와 수증기 모듈의 전류소모가 큰 만큼 전력분배에 신경썼다. 아두이노에서 모든 전류를 충당할 수 없기 때문에 5V와 12V SMPS를 각각 이용해 전류를 나누게 되었다.

SMPS 하나에 스텝업이나 스텝다운 모듈을 사용할 수도 있었는데 발열문제 때문에 SMPS 두 개를 사용하기로 했으며 조도센서는 좀 저 세밀한 값을 얻기 위해 풀업저항을 이용하였다.

BOM LIST

향후 계획

1. 외장 제작 : 학기 종료 후 6월 중으로 아크릴판과 포맥스로 시제품의 외장을 제작 예정.

2. 부품 및 재료 수령 : 현재 1차 추가 재료까지 수령 완료 추후 2차 재료 수령 예정.

3 .회로 구성 및 배선 : 회로 설계는 완료된 상태로, 부품을 조합하여 설계 필요에 맞는 회로 구성과 배선 예정.

4. 환경 및 제원 테스트 : 7월 중으로 설계 초안에 의도했던 물리적, 전기적 조건에서의 동작 안정성을 테스트 예정.

5. 1차 시제품 완성 : 외장과 제작된 회로를 통합하여 1차 시제품 제작 후, 식물 생장 등의 실제 조건 하에서 데이터 수집 예정.

6. 시제품 개선 및 발표 : 추가적인 아이디어나 데이터에 의한 개선을 진행하여 2학기 내로 완성하고, 이를 발표함.

조원 역할 분담