식물의 성장을 위해서는 적절한 습도조건을 유지할 필요가 있다. 일반적으로 토양은 55%의 토양결정체와 45%의 공극공간으로 이루어져 있다. 토양의 수분은 공극공간에 채워지며 수분을 가득 채우면 공극 공간 45%가 채워져 체적 함수비가 45가 되며 이를 축축한 상태로 볼 수 있다. 토양습도 센서는 토양의 저항 값을 측정하며 10비트의 A/D 컨버터를 사용하여 데이터 취득 할 때 전압 값이 0~5V로 입력될 경우 그 범위에 따라 토양의 상태를 수분 불포화, 수분 포화, 수분 과포화로 나눌 수 있다. 이때 입력 전압 값은 센서의 아날로그 데이터와 선형성을 가진다고 가정한다. Table 1은 흙의 상태에 따른 아날로그 측정 값, 체적함수비를 나타내었다.

체적함수비는 흙의 전체 부피에서 물의 부피 비를 나타낸다. 식 (1)은 HL-69 토양 습도 센서에서 전압 값 x와 체적함수비 값 y간의 관계를 1차 함수로 나타낸 것이다.

해체 선박에서 녹색 시스템의 급수 제어 시스템은 선박의 청수급수라인을 이용할 수 있다. 청수급수라인은 청수탱크, 압력탱크 및 다양한 밸브로 구성되어 있다. 따라서 밸브개도제어와 압력탱크의 수위 제어를 통해 필요한 습도를 유지할 수 있도록 한다. Figure 2는 선박의 청수 급수시스템의 한가지 예를 나타낸 것이다.

Figure 2: 
F.W (Fresh Water) service system on ship

운항 중인 선박에서 청수는 수질 관리를 위해 보일러 청관제등의 수처리 약품이 투입된다. 이러한 청수는 급수로 사용할 수 없으므로, 해체선박에서 조수기를 통해 해수에서 생산한 물을 청수 라인에 이용하도록 한다. 조수기에서 생산된 물은 미네랄이 부족하기 때문에, 청수에 식물영양제를 첨가하거나, 식물공장의 흙에 비료를 섞는다.

식물의 성장에 적합한 온도는 종, 생육별로 차이가 있다. 본 논문에서는 재배가 간편하고 성장기간이 짧아 접근성이 좋은 상추를 기준으로 온도 환경조건을 연구하였다. 상추는 대체적으로 15~20℃로 다소 서늘하게 유지하여야 한다. 만약 온도가 20℃를 초과하면 잎의 성장에 좋지 않으며 누그러들거나 성장량이 감소하고 쓴 맛이 증가해 상품성이 감소한다. 반대로 온도가 15℃ 미만이 되면 발아가 되지 않고 성장하지 않는다[7]. NTC 서미스터는 온도측정을 위한 센서 중 하나로 온도와 저항이 반비례하는 특성을 가진다. Table 2는 NTC 서미스터를 통해 상추 성장에 적합한 15~20℃의 출력 값을 1℃마다 측정하여 나타낸 것이다.

표에서 온도가 상승하면 출력 전압은 감소한다. 식 (2)는 온도 y와 측정값 x간의 관계를 1차 함수로 나타낸 것이다.

선박이나 해상구조물에서는 설치되어 있는 공기조화 시스템을 이용하여 선내 온도를 식물의 성장에 적합한 온도로 제어할 수 있다. HVAC은 열원설비, 공기조화기 설비, 열수송 설비, 자동제어 설비로 구성된다. Figure 3은 선박에 사용되는 HVAC의 기본적인 구조를 나타낸다.

Figure 3: 
HVAC system on ship

식물의 성장은 광합성에 의해 크게 영향을 받게 되는데 특히, 광합성 유효 광 파장에서의 광량은 광 보상점과 광 포화점을 결정하는 중요한 요인이다. 기본적으로 식물 성장시에 광원이 필요하지만, 실제 광합성은 특정 파장대역에서 이뤄진다. 적색광은 성장조절, 줄기신장조절의 효과가 있으며 청색광은 광합성, 색소조절 등의 기능을 가진다. 청색 혹은 적색광 단일 파장은 오히려 식물의 성장을 감소시키며 혼합광이 식물의 광합성과 성장을 증가시킨다고 보고된 바 있다. 따라서 식물이 성장하기 위해서는 자연광인 태양광이 가장 효과적이나 실험환경에서 광량결핍을 방지하고 성장효과를 높여 신속한 결과 취득을 위해 인공조명을 사용할 수 있다. 인공조명을 이용한 식물재배에서는 LED를 이용하여 광환경을 조절하는 것이 가장 좋다[8]. 본 논문에서는 밀폐된 공간에서 인공조명을 사용하는 환경을 가정하여 적색(655 ~660nm), 청색(450nm), 백색(450+500~700nm) 혼합광을 가지는 LED를 사용한다. Figure 4는 실험에서 사용한 LED의 성능 그래프이다.

Figure 4: 
LED performance graph

조도 측정을 위하여 CDS(cadmium sulfide sensor)를 이용하고 전압 값을 구하고 측정된 전압 값과 광량을 비교해 조도 값을 구하였다. Table 3은 광량에 따른 센서의 전압을 나타낸 것이다.

식 (3)은 조도 값 y와 측정값 x간의 관계를 1차 함수로 나타낸 것이다.

LED는 조도를 일정하기 제어하기 위해 측정된 조도 값에 따라 점등 혹은 소등이 되도록 제어한다.

선박 등의 환경이 식물에 미치는 영향을 고려하였을 때, 선박의 운동에 따른 영향을 고려 할 수 있다. 선박의 운동에 따라 식물은 가속도와 중력의 변화를 받을 수 있다. 선박은 6자유도 운동을 한다. 그중 병진운동을 제외하고, 회전운동인 횡동요(Roll), 종동요(Pitch), 선수 동요(Yaw) 중 일반적으로 횡동요가 가장 크다. 따라서 횡동요만을 고려하였을 때, 횡동요는 일정각도를 초과하면 선박이 전복되므로, 대략 57도 내에서 움직인다고 가정할 수 있다. 선박의 횡동요는 파도의 주기에 따라 2~25초 사이의 주기를 가진다[9]. 이 때, 식물에 작용하는 가속도는 선박의 무게 중심에서 식물까지의 거리와 횡동요의 주기를 고려하여 산출할 수 있다. 파도가 강하여 식물에 작용되는 순간적인 가속도가 클 경우 식물의 길이 및 상태에 따라 식물의 줄기가 부러질 수 있다. 선박 운동에 따른 중력 변화의 영향을 고려하였을 때, 식물에서 굴중성을 고려할 수 있다[10]. 굴중성은 식물의 뿌리가 중력을 따라 성장하는 것이다. 하지만 선박의 동요는 주기성을 띄고 파도의 주기에 비해 뿌리가 매우 느리게 성장하므로, 선박운동에 따른 중력의 변화는 식물에 큰 영향이 없을 것으로 판단된다.

시험 제품은 재배환경과 온도 제어 시스템, 급수 제어 시스템, 보조 광원 시스템으로 구성된다. 해상에서 녹색 시스템을 이용하여 토양재배를 할 수 있는 식물은 매우 다양하지만 실험의 편의 상 성장 속도가 빠르고 재배가 쉬운 상추를 채택했다[7]. Figure 5는 개발한 시험 제품의 3D 도면이다.

Figure 5: 
Simulator 3D projected figure

재배환경은 재배가 이뤄지는 공간으로 본체와 덮개, 받침대로 구성했다. 그리고 다른 시스템의 호스, 전선을 고려한 설계내용을 취합하여 Figure 6과 같이 설계도를 제작하였다.

Figure 6: 
Detailed dimensions

몸체는 가로, 세로, 높이가 600*300*200(mm)의 크기이며, 덮개와 받침대는 이보다 약간 크게 설계했다. 크기는 시중의 모듈형 식물공장의 크기를 참조하였으며, 추후 최적화가 필요할 것으로 판단된다. 또한 배수를 위해 본체 밑바닥의 배수구를 통해 물이 빠져나와 받침대에 고이게 해서 일괄적으로 처리할 수 있게 하였다. 광량을 측정해 낮 시간에 LED 램프가 켜져 있는 형태로 식물에 필요한 광량을 보충하는 형태를 유지하여 태양광을 이용해 식물을 재배하는 실제 재배 환경처럼 조성했다.

급수 제어 시스템은 토양의 적정 습도를 유지하는 것이 목적이다. 토양습도 센서모듈은 토양에 토양의 수분을 감지하여 DAQ (Data AcQuisition) 장치로 아날로그 값을 보낸다. 스프링클러는 센서가 감지한 값에 따라 물탱크의 펌프를 제어해서 식물에 물을 공급한다. 급수 제어 시스템의 장치는 Table 4와 같이 토양습도 센서모듈, 스프링클러, 펌프로 구성되어 있다.

Module	Photo	Detail
Soil humidity sensor		Change of voltage value according to soil humidity
Submersible pump		Transfer water from the water tank to the sprinkler
Sprinkler		Multi-angle water injection

토양습도 센서에서 측정한 토양의 저항 값을 DAQ 장치에서 받아 전압 값의 형태로 변환시키는데, 장치의 전압 신호를 수중펌프에 지속적으로 보내서 수중펌프를 제어한다. 본 실험에서는 수분 포화의 기준전압 x를 3.1V < x < 3.65V로 정했다. 해당 전압 범위는 약간 건조한 습도조건으로, 선박은 해상에 있으므로 기본적으로 습도가 높으며, 다습할 경우에는 상추에서 곰팡이병 등의 발생이 많아지므로 이러한 습도조건을 설정하였다. 전압 신호 값이 기준전압보다 낮아지면 수중펌프는 정지되고, 기준전압보다 커지면 수중펌프는 작동을 멈추며, 이는 급수 제어 시스템의 알고리즘인 Figure 7에서 알 수 있다.

Figure 7: 
Fresh water service system algorithm

Figure 8은 습도 제어 알고리즘을 LabVIEW를 통해 구현한 프로그램을 나타낸다.

Figure 8: 
LabVIEW source code for feed water control

온도 제어를 위해 열원 설비중 냉각탑과 냉동기에 해당하는 냉열원은 펠티어 효과 (Peltier Effect)를 이용한 수냉식 열전소자를 사용하였으며 온열원은 보일러대신 열전소자를 사용하였다. 펠티어 소자는 친환경적인 장치로 기존의 냉매를 대체할 수 있다[8]. 열원 설비에서 열수송 설비로 바로 연결되도록 송풍기 역할을 하는 팬을 설치해 냉열원과 온열원을 송풍할 수 있도록 설계하였다. 자동제어 설비는 NTC (Negative temperature coefficient) 서미스터를 컴퓨터의 LabVIEW 프로그램과 DAQ 장치를 사용하여 시스템을 구축한다. 온도 제어 시스템은 히터, 쿨러, 팬, NTC 서미스터 센서모듈로 구성된다. Table 5는 온도 제어 시스템의 장치를 나타내었다.

Module	Photo	Detail
Heater		- 12V, 48W, 4A - Maximum temp. 300℃
Cooler		120mm Radiators, thermoelectric elements, 2 inlet pump
Fan		- 120mm - DC 12V
NTC Thermistor Sensor		- 3.3~5V - 20~80℃ Measure

히터는 세라믹 열전소자로 300℃까지 상승할 수 있다. 상당히 고온이기 때문에 히트 싱크(Heat sink)를 부착하여 재배 모델의 재질인 아크릴을 보호하는 한편 온열원의 표면적을 늘려 히터의 효율을 개선하고자 하였다. 쿨러는 펠티어 효과로 방출된 열은 수냉과 동시에 냉열원이 되어 냉각작용을 한다. 수냉 시스템은 2구 펌프, 120mm 라디에이터 그리고 물탱크를 호스로 연결하여 물이 순환하는 구조이다. 팬은 120mm 컴퓨터 본체용 팬으로 열수송을 담당한다. 온도 센서는 NTC 서미스터 센서모듈로 –20~80℃까지 측정이 가능하며 출력 전압은 DAQ 장치를 거쳐 컴퓨터의 LabVIEW가 받아들인다. LabVIEW는 알고리즘을 기반으로 작성한 소스코드로 온도를 파악한 후, 신호를 보내 히터와 쿨러를 제어한다. 온도 제어 시스템의 기준 값은 16~18℃ 범위로 설정했다[7]. 온도가 18℃보다 높을 경우, 쿨러가 작동하며 그 상태를 유지하고 18℃보다 낮아지면 쿨러가 정지한다. 즉, 현재 온도 범위가 16~18℃이면 기준 값에 해당하므로 알고리즘은 바로 종료된다. 16℃보다 낮으면 히터의 작동이 유지되고 16℃보다 높으면 히터는 정지한다. Figure 9는 위와 같은 동작을 나타내는 온도 제어 시스템의 알고리즘이다.

Figure 9: 
Temperature control system algorithm

Figure 10은 알고리즘의 흐름을 구현한 LabVIEW 소스코드이다.

Figure 10: 
LabVIEW source code for temperature control

보조 광원 시스템은 LED 램프, 조도 센서로 구성된다. 조도 센서로 사용되는 Cds는 광량에 따라 저항이 변화하는 특성을 가지므로 측정된 저항과 전압이 비례하도록 회로를 제작하였다. 광량을 측정해 광량과 비례한 출력 전압을 내보내고, 출력 전압 값은 DAQ 장치를 거쳐 컴퓨터의 LabVIEW로 데이터가 송신된다. LabVIEW는 광량을 확인하고 알고리즘을 통해 기준 광량과 비교한 후 신호를 보내 LED를 제어한다. Table 6은 보조 광원 시스템의 장치를 나타낸다.

Module	Photo	Detail
LED lamp		Red, blue, white mixed light
Illuminance sensor		Illuminance sensor circuit composed of CDS and resistor

녹색 시스템 시뮬레이터는 실내에서 동작하는 것으로 가정되었으므로, 보조 광원 시스템은 태양광의 측정 조도에 따라 실내 LED를 제어하여 자연광과 유사하게 조도환경을 만들어주었다. 따라서 본 시뮬레이터에서는 기준 전압을 3.6V로 하여 측정된 전압이 낮으면 LED에 전원을 공급하여 낮의 환경을 구현하고, 높으면 LED 전원을 차단하여 밤의 환경을 구현하였다. Figure 11은 보조 광원 시스템의 알고리즘을 나타낸다.

Figure 11: 
Auxiliary lighting system algorithm

Figure 12는 보조 광원 시스템의 알고리즘을 구현한 LabVIEW의 소스코드이다.

Figure 12: 
LabVIEW source code for auxiliary lighting system

위의 항목들을 고려하여 제작된 시뮬레이터는 Figure 13과 같다.

Figure 13: 
Photo of the configured simulator

구성된 제어프로그램의 GUI는 Figure 14와 같다. 평소에는 센서의 값에 따라 작동하지만, 시스템 점검이나 고장의 경우를 대비해 수동으로도 제어할 수 있도록 구성하였다.

Figure 14: 
Simulator program GUI