하우스 조도 유지 시스템

개요

농작물 생육 시설에 사용될 수 있는 조도 유지 시스템 설계

조건

• 기준 조도 변경 가능해야 함.
• 어두워지면 조명을 켜서 기준 조도를 유지하도록 하고, 밝아지면 조명을 최대한 끄도록 함. (전력 소모 최소화!)
• 원격지에서 동작 상태 모니터링 가능해야 함.

설계 구상

1. 조명
   • LED 등 사용 -> 실험을 통해 최적 파장 찾아야 할 필요 있음.

     ☞ 「식물용 조명」에서 정리 함.

     '표고버섯' 기준, 520~540㎚(초록색), 150~350㏓ 임.

   • 전원은 24Vdc 사용 -> 전류량 검토 필요 함.

     LED 전압에 따라 12Vdc 사용하며, 소모 전류량은 420mA/1m 임. 조명 전원의 최대 전류량이 3A 이므로, 안전률 적용하여 3m 이내를 권장하며, 최대 4m를 넘지 말 것.

   • 일부 회로 손상되어도 최대한 기능 유지할 수 있어야 함 -> 병렬 구성 필요.
   • 고장 상황을 파악할 수 있어야 함 -> 심야시간대 최대 밝기 가동시 조도량 파악으로, 고장 상황 추측 가능. Software로 해결할 수 있어 보임.
   • 제어기에서의 제어 방법 확정 필요 -> 조명이 먼저 확정되어야, 제어 방법을 확정할 수 있음.
2. 센서
   • 상용품 사용 -> 초기 물량은 상용품 사용하고, 추이를 봐서 자체 제작을 할지 검토해 봐야 함.
   • 방수 기능 필요 -> 실내 가습으로 인한 물방울 튐 발생해도, 문제 없이 동작해야 함.
   • 하우스 내부/외부 각각 설치 필요 -> 외부 조도 확인을 통해, 내부 조명 사용을 최소화 할 수 있음.
3. 제어기
   • Raspberry-Pi 사용 : 상용품이므로 수급이 쉽고, 필요한 모든 기능이 내장되어 있으므로, 개발기간 단축에 지대한 영향을 미침.
4. 전원
   • 24Vdc to 5Vdc 3A converter : 자체 제작할지 검토 필요.
5. 원격 연결
   • 제어기에서 Internet-Server로 지정된 주기마다 정보 전송.
   • Viewer는 Server에서 데이터 읽어와서 표시해줌.
   • 실시간 제어가 필요하면, topology를 변경해야 함.
6. 보조 기판
   • 조명의 갯수가 많을 것이므로, 어느 정도를 어떻게 구분지어서 제어할지 고민해야 함.

기초 설계

조명

• 밝기 조절
  1. On/Off

     설명 : Relay를 이용하여 전원 단락을 통한 조정.

     장점 : 조명 종류에 무관 함. 백열등, 형광등, 네온등, LED전등 모두 적용 가능.

     단점 : 기계적 동작으로 인하여, On/Off 횟수 수명 제한 존재.

  2. Dimming

     설명 : 0~10Vdc 전압 또는 PWM을 이용하여 밝기를 0%~100% 범위에서 구분지어 조정.

     장점 : LED 1개라도, 밝기를 최소 10단계 이상으로 구분하여 조절 가능 함.

     단점 : 전류량 변화로 밝기가 변화하는 네온등, LED전등 정도에만 사용 가능 함. 전류 제어 기능이 포함된 조절용 회로가 필요 함.

     참고 :

     https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=7581072 / https://www.meanwell.com/Upload/PDF/IDLV-25/IDLV-25-SPEC.PDF

     https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=7580955 / https://www.meanwell.com/Upload/PDF/ODLV-45/ODLV-45-SPEC.PDF

     https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=7581075 / https://www.meanwell.com/Upload/PDF/IDLV-25/IDLV-25-SPEC.PDF

     조절기 1개로 LED 2m 담당 함. (튜브 2개)

• 광원

  LED bar

  참고 :

  https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=1097165

  https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=10395753

• 부자재

  플라스틱 튜브

  https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=4017971

  엔드캡

  https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=3638851 / https://www.mouser.com/datasheet/2/337/QSEC-58809.pdf

센서

조건 : 조도 측정하여 Lux 단위로 반환 하는 module 형태 사용.

케이스 : 소형 투명 케이스 사용.

참고 :

https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=4310126 / https://wiki.dfrobot.com/Gravity__I2C_VEML7700_Ambient_Light_Sensor_SKU__SEN0228

http://item.gmarket.co.kr/DetailView/Item.asp?goodscode=2211824566&GoodsSale=Y&jaehuid=200002673

https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=3217894 / https://www.mouser.com/datasheet/2/348/bh1750fvi-e-186247.pdf

제어기

• 본체

  설명 : Raspberry-Pi 사용.

  장점 : Linux OS 사용으로, 보안성 높음.

  단점 : SD-Card 탈취하여 복제하는 경우에 대한 보안 강화 필요.

  참고 : https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=3693203

• 화면

  설명 : HDMI 연결 방식의 LCD Touch-screen 사용.

  장점 : 별도의 키보드/마우스 없이 조작 및 네트워킹 설정 등 가능.

  단점 : 방수 기능 없으므로, 플라스틱 상자 내부에 넣는 형태로 제작해야 할 필요 있음.

  참고 : https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=3147896

전원

• 제어기 전원

  사양 : 5V 2A

  방법 : 5V 3A Adaptor 사용

• 터치스크린 전원

  사양 : 5V 240mA

  방법 : 본체 USB 단자에서 전원 공급 가능

• 조도센서 전원

  사양 : 5V 0.045mA

  방법 : 별도 전원??

• 전등 전원

  사양 : ??V ??A

  방법 : 전등 제어기에서 공급

• 전등 제어기 전원

  사양 : 220Vac

  방법 : 220Vac 일반 전원 사용

원격 연결

• 내장 화면에 기본 데이터 표시

  사용 언어 : C# + Mono

• 자체 Web-Server 구동하여, 실시간 정보 표시.

  사용 언어 : python

• 외부 DB 연결 기능은 추후 고려...

보조 기판

• 제어기 - 전등조절기 간 중계 보드

  Arduino UNO WiFi:

  https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=8107698

  PWM Signal Level 변환 :

  https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=9372429 / https://www.vishay.com/docs/91017/irf520.pdf

  RS485 :

  https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=4154506

  https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=10348199

  Power Adapter :

  https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=2685220

  참고 :

  http://vctec.co.kr/product/0v-12v-%EC%95%84%EB%82%A0%EB%A1%9C%EA%B7%B8-%EC%A0%84%EC%95%95-%EC%B6%9C%EB%A0%A5-bricklet-%EB%AA%A8%EB%93%88-analog-out-bricklet-30-tinkerforge/14122 / https://www.tinkerforge.com/en/doc/Hardware/Bricklets/Analog_Out_V3.html

  https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=9660783 / https://www.eleparts.co.kr/data/_gextends/good-pdf/202008/good-pdf-9660783-1.pdf

  https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=436521

  https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=10120368 / https://www.eleparts.co.kr/goods/view?no=3476501

동작

• 단어 정의

  내부 조도값 : 하우스 바닥면에 설치된 조도센서에서 읽어온 값.

  외부 조도값 : 하우스 천정면에 설치된 조도센서에서 읽어온 값.

  기준치 : 사용자가 설정한 기준 조도값. (온도 15℃, 습도 61%RH, 조도 170 ㏓)

• 동작 Algorithm
  1. 내부 조도값이 기준치 이상인 경우

     외부 조도값이 기준치 이상이면

     조명을 어둡게 함

     외부 조도값이 기준치 이하이면

     변경폭 < (내부조도값-기준치) 인 경우, 조명을 어둡게 함

     (내부조도값-기준치) < 변경폭 인 경우, 현 상태를 유지 함

     추가 : 이 경우, 외부 조도 센서에 이물질 있는지 판단할 필요 있음.

  2. 내부 조도값이 기준치 이하인 경우

     외부 조도값이 기준치 이상이면

     조명을 밝게 함

     추가 : 이 경우, 내부 조도 센서에 이물질 있는지 판단할 필요 있음.

     외부 조도값이 기준치 이하이면

     조명을 밝게 함

• 조명 변경 : 〔 새밝기 = 이전밝기 + (기준치 - 내부조도값) * 변경상수 〕

  '변경상수' 는 내부에서 자동으로 tuning되는 값 임.

제작

• Test Version

  상세 내용은 『조도제어기-독립제어기』 참조.

제품 구성

• 3가지 부분으로 구성된다.
  1. 독립제어기
  2. 중계제어기
  3. 중앙관리기

독립제어기

조도 조정 대상물(예:표고버섯)의 근접 위치에서 직접적으로 조명을 제어하는 장치이다.

☞ 상세 내용은 『조도제어기-독립제어기』 참조.

중계제어기

일정 갯수의 독립제어기를 통신으로 묶어서 일괄 관리가 가능한 제어기이다.

☞ 상세 내용은 『조도제어기-중계제어기』 참조.

중앙 관리 프로그램

관리자가 직접적으로 관리하는 프로그램이다.

☞ 상세 내용은 『조도제어기-중앙관리기』 참조.