CO₂ 센서 실시간 디지털 필터링 최적화 방안 연구 = #VALUE!

국문 초록 (Abstract)

농업분야에서 지속적으로 증가하는 인건비에 상응하기 위해선 농가 경영 부담을 경감할 수 있는 고효율의 스마트팜 보급이 대안이 될 수 있다. 스마트팜의 올바른 운영을 위해서 다양한 기술들이 접목이 되어야 하며 작물 생육과 관련된 환경 변수는 가장 중요한 관리의 대상이라 할 수 있다. 이중에서 CO₂는 다른 환경 변수에 비해 정확한 계측 및 상응하는 자동화에 의한 제어가 난해한 환경 요소이다. 우선 기체의 분압을 측정하는 보급형 센서의 시스템적인 오차에 기인하여 특정 시점 또는 지점의 CO₂ 밀도를 오차 범위 내에서 특정하기에 한계가 있다. 아울러, 임의의 설정값을 기준으로 한 자동 제어의 경우 적정성을 가늠하기가 난해하다. 정밀도 높은 고가의 CO₂ 센서를 스마트팜 현장에 보급하기에는 농가경영부담 증가를 고려하지 않을 수 없다. 본 연구에서는 다소 외란의 영향이 큰 보급형 CO₂ 센서 신호를 활용하기 위해서 저주파 대역 필터를 사용하기 위한 방안을 살펴보았다. 실험을 수행한 테스트 베드는 충북 청주시 소재 (충북 청주시 상당구 가덕면 노동리 326)의 딸기 재배 온실(10 m × 100m)이다. 실험에 사용한 CO₂ 센서는 AX-5000(Airtest, BC, Canada)로 0~5000 ppm 범위에서 정밀도는 50 ppm의 특성을 보인다. 측정 주기는 2Hz 이며 초기 안정화 시간은 30~180 초이고 데이터 계측 결과는 TTL(3.3V level) 통신으로 송신한다. TTL신호를 해석하기 위하여 Cortext-A7 (Allwinner, Guangdong, China) 기반의 마이크로 컨트롤러를 사용하였다. 디지털 필터링을 수행하지 않은 경우를 파악하기 위하여 온실 내 외기 유입이 없는 상태 예비 실험을 수행하였다. 1 분당 센서에서 계측한 값의 표준 편차가 166 ppm 내외이었으며 이는 오차 범위의 3배에서 해당하는 값으로 별도의 필터링을 수행하지 않으면 사용하기 어려운 상태라 판단이 되었다. 계측 시작 시점에서 10초후에 CO₂를 5초간 강제 공급하고 추후 45초간 데이터를 기록하였다. 2식의 센서를 준비하여 필터를 적용한 경우와 적용하지 않은 경우를 비교하였다. 적용된 디지털 필터는 median filter 이며 윈도우 크기는 4, 8, 16, 24, 32로 설정하였다. 각 윈도우 크기별 계측 실험 시 미적용 필터를 적용한 센서를 동시에 측정하여 값을 비교하였다. 윈도우 크기별로 순서대로 두 센서 간의 차이를 산출하여 표준편차를 구하면 62.40, 91.47, 125.15, 149.58, 193.60으로 나타났다. 윈도우의 크기가 4, 즉 2초간 데이터의 평균을 구하면 센서 정밀도에 근사적인 오차를 보이는 특성이 발견된다. 윈도의 크기가 24 (12초) 인 경우 표준편차는 디지털 필터 없이 사용한 경우 보다 낮았다. 한편 제어 기준 값을 설정하기 위한 입력 변수의 관점에서 살펴본다면 다소 제어시스템의 반응이 느리더라도 입력 데이터의 안정성이 더 중요할 것이다. 윈도우 크기가 16 이상인 경우 안정적인 상태를 보이나 하위 윈도우 크기에서는 추가 적인 필터링이 요구되는 신호의 형태를 띠고 있다. 필터링 된 데이터의 표준편차를 살펴보았을 때 윈도우의 크기가 24일 때 133.91로 나타나 최소값을 나타내었다. 윈도우 사이즈가 클수록 필터링 여부에 따른 편차가 커지는 경우는 시설내의 CO₂ 변화가 매우 큰 경우에 해당하고 반대의 조건에선 CO₂ 변화가 미미한 경우일 것이다. 추가로 이미 알려진 시설 내 CO₂ 의 변화는 일주기 형태를 보인다는 점을 적용해 볼 필요가 있다. 따라서, 센서에 내재한 외란의 영향을 최소화하기 위해서 병렬적으로 윈도우 사이즈를 적용시켜 CO₂ 변화율에 대한 1차 판단을 수행하고 일주기에 따른 제어 방식을 결정하는 방법을 고려해볼만 하다.