고급 농업 관개를 통해 해결된 물 부족 문제

지난 10년 동안 농업 관개 방제는 더욱 정교해졌습니다. 이제 많은 재배자가 기존의 관개 타이머 및 유압식 조정기를 산업용 부품에서 조정된 고급 제어와 연결 부품으로 교체했습니다. 이러한 부품에는 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)를 채택한 시스템, 산업용 PC, 일반 산업 통신 프로토콜과 연결하여 활용할 수 있는 경제적인 자동화 부품이 포함됩니다. 이러한 컨트롤러와 부품은 토양 습도 센서, 기상 관측, 동결 센서를 비롯한 소스의 입력을 받아 적응형 디지털 농업 대응을 실시간으로 신속하게 수행할 수 있습니다.

관개 최적화를 위한 데이터 사용이 점점 더 지능적으로 변하는 상황에서도 이러한 정교한 관개 제어 시스템은 더욱 저렴해지고 있습니다.

그림 1: 공원 관리 및 농업 재배자 장비 회사인 Toro는 4G/Wi-Fi/LoRa/Bluetooth 연결을 활용하는 Tempus Automation 농업 관개 시스템을 판매합니다. 재배자는 기지국을 통해 최대 1.6km 내에서 밸브 및 모니터링 장치를 제어할 수 있고, 기지국을 쉽게 추가하여 범위를 확장할 수 있습니다. 모든 기지국을 태양광으로 구동하거나 하드와이어로 연결할 수 있습니다. (이미지 출처: The Toro Co.)

기후가 온난화되고, 지역이 건조해지고, 인구가 증가하고, 대수층이 고갈됨에 따라 절수가 절대적으로 요구됩니다. 사실 물은 21세기에 석유보다 지정학적으로 더 중요한 자원이 될 수 있습니다. 어쩌면 물로 인해 미래에 전쟁이 촉발될지도 모릅니다. 중동에서는 이미 오래 전부터 물과 관련한 문제가 있었습니다. 이 지역은 문명이 발생한 이래로 점점 더 건조해지고 있으며 전 세계 담수의 단 1%로 세계 인구의 5%를 지탱하고 있습니다.

그림 2: 마이크로 분사 시스템과 기타 여과법을 기반으로 하는 온실 관개 및 실외 줄뿌림 작물 관개에서는 고급 관개 제어를 유용하게 활용할 수 있습니다. (이미지 출처: Getty Images)

비즈니스 관점에서 물 부족은 지난 10년간 물 가격이 에너지보다 더 빠르게 상승함에 따라 높은 식품 및 농산물 가격에 반영됩니다. 분명한 것은 대규모 상업적 운영뿐만 아니라 신생 농업 운영에서도 작물 수확량을 최대화하면서 물 소비를 최소화하는 것이 필수적이라는 것입니다.

제어 가능한 관개 및 재배 메커니즘

스프링클러, 점적 관개, 수경재배용 급수 회로 등에 상관없이 관개 컨트롤러에 대한 요구 사항은 응용 분야와 시스템 유형에 따라 달라집니다.

그림 3: T3000 계열 이산화탄소 센서에는 실내 수직 농법 작업에서 습기, 먼지, 비료 노출을 견딜 수 있는 IP67 하우징이 있습니다. 피드백을 통해 자동화된 수경 관개 및 관비 루틴을 알려줄 수 있습니다. (이미지 출처: Amphenol Telaire)

하우스에서 재배되는 작물의 관개는 매우 엄격하게 제어될 수 있습니다. 실외 환경의 변동성 없이 최적의 조명, 물, 비옥화, 토양 조성을 허용 오차 범위 내에서 일관되게 유지할 수 있습니다. 관개는 항상 펌프가 설치된 저수조와 트레이 기반 관개 회로를 기반으로 하며, 증발 및 유실로 인한 물 손실이 거의 없습니다. 작물별로 소프트웨어 옵션이 풍부합니다. 이러한 프로그램은 식물 종의 성장 주기와 선호되는 재배 파라미터에 대한 산업 지식을 통합합니다.

그림 4: IP67 하우징은 WIL 조명을 실내 디지털 농업 응용 분야에 특히 적합하게 만듭니다. (이미지 출처: Weidmüller)

전통적인 실외 농업의 경우 스프링클러가 가장 널리 사용되는 관개 장비이며, 소형 잔디 스프링클러(주택 소유자가 잔디에 사용하는 스프링클러와 유사함)부터 전기 모터 또는 디젤 펌프로 구동되는 고압 산업용 스프링클러까지 다양한 설계가 적용됩니다. 고압 산업용 스프링클러에는 대형 스프링클러 어레이로 수 헥타르에 이르는 노지에 관개할 수 있는 대규모 선형 이동 시스템이 포함됩니다.

대규모 운영에 적합한 자동화된 관개 시스템에 일반적인 다른 설계에는 충격 스프링클러가 있습니다. 이 스프링클러의 간소화된 제품이 소비자용 잔디 관개 제품으로도 판매됩니다. 간단히 말해 충격 스프링클러는 기계적 암을 통과하여 물을 분사하는 헤드 조립품으로 구성됩니다. 이 물이 암에 반복적으로 부딪히며 재배되는 작물에 뿌려집니다. 이로 인한 압력과 기계 암의 움직임이 중심축을 중심으로 헤드를 밀어서 스프링클러가 원형 또는 원호형으로 작동하게 됩니다.

농작물에 대한 자동화된 마지막 급수 옵션은 점적 관개입니다. 구멍형 파이프 어레이를 기반으로 하든 마이크로 분사 헤드 어레이를 기반으로 하든, 점적 관개는 식물의 뿌리 부분에 더 많은 물을 직접 전달하여 물 사용(특히 증발 손실)을 줄입니다.

원형 및 선형 이동 농업 관개 자세히 알아보기

원형 관개는 스프링클러 기반 작물 급수의 고급 적응 방식이며, 넓은 노지에 관개하는 가장 효율적인 방법으로, 일반적인 산업용 시스템으로 최대 50헥타르(125에이커) 면적에서 400m 반경을 포괄할 수 있습니다. 원형 관개 시스템은 고정된 중심축을 중심으로 관개 파이프를 회전하여(많은 스프링클러 헤드 작동) 원형 또는 원호형으로 관개합니다. 구동 휠에 의해 지면을 따라 이동하는 여러 개의 타워를 통해 파이프가 운반됩니다.

그림 5: 타이밍 제어 장치는 기본 급수 일정을 명령하기 위해 원형 관개 시스템과 함께 사용됩니다. 또한 저전류 모니터는 흔히 원형 관개 시스템의 타워에 있는 3상 시스템의 레그 하나를 모니터링합니다. 이 저전류 모니터는 정지되거나 걸린 타워를 감지하여 과도한 급수를 방지합니다. (이미지 출처: Littelfuse)

타워 사이에서 급수 파이프는 현수교의 지지대와 흡사한 인장재용 케이블을 사용하여 트러스에 의해 지지됩니다. 1940년대에 개발된 원래의 원형 관개 시스템에서는 물의 흐름을 이용하여 휠을 구동했습니다. 현재는 그러한 장비에서 휠을 돌려서 추진력을 얻기 위해 전기 모터를 사용하는 것이 훨씬 더 일반적입니다. 시스템 제어 장치에서 1회전을 완료하여 휠에 명령을 내리는 데 며칠이 걸릴 수 있으므로, 이러한 휠의 속도는 매우 느릴 수 있습니다.

그림 6: AgSense 소프트웨어(모바일 장치 및 랩톱에서 앱으로 액세스 가능)에서는 GPS와 피드백 기술을 활용하여 농부가 관개 펌프 및 보조 부품, 흐름 및 압력 상태, 토양 습도, 기후 조건, 탱크 수위(해당하는 경우) 및 도난 증거를 추적할 수 있도록 도와줍니다. 자동 피벗 관개 시스템을 위한 주요 옵션이면서 선형 기계와도 호환되는 이 제품은 실시간 정보 및 경보를 제공하며 유압식과 전기식이 혼합된 피벗을 관리할 수 있습니다. 기본적으로 이 소프트웨어는 모든 브랜드 또는 오래된 기계식 패널과 호환성을 유지하면서 디지털 패널 기능을 활성화합니다. (이미지 출처: Valmont Industries Inc.)

피벗 관개 시스템은 구역별 제어 문제를 안고 있는 크고 매우 복잡한 기계입니다. 타워가 동시에 움직이지 않고 파이프의 대략적인 정렬을 유지하기 위해 개별적으로 정지했다가 시작합니다. 파이프와 파이프를 지지하는 트러스가 매우 유연하여 타워의 균일하지 않은 움직임과 지면의 자연스러운 파동을 수용할 수 있습니다.

피벗 관개 시스템에서 타워 섹션은 개별적으로 제어됩니다. 기본적으로 이를 위해 간단한 메커니즘과 제한 스위치가 사용됩니다. 각 섹션에서는 다음 섹션에 연결된 레버의 위치를 모니터링하여 다음 섹션에 대한 각도를 쉽게 감지할 수 있습니다. 간단한 제한 스위치를 사용하여 다음 타워 섹션의 상대적인 각 위치에 따라 휠을 시작, 정지, 역회전할 수 있습니다. 이러한 방식은 유압 동력 휠을 통한 간단한 유압식 제어에 적합합니다.

가장 바깥쪽 원형 타워의 끝에 있는 분무기는 관개 영역을 물리적 구조를 초과하여 확장할 수 있습니다. 이 기능이 계속해서 작동하면 해당 영역은 원형으로 유지됩니다. 하지만 분무기를 제어하여 원형 관개 시스템으로 정사각형 영역을 관리할 수 있습니다.

(동영상 출처: UNL Biological Systems Engineering)

스프링클러를 사용하는 선형 이동 관개 시스템은 원형 시스템과 비슷하지만 고정된 중심축을 중심으로 원호형으로 구동되지는 않습니다. 대신 직선으로 앞뒤로 이동합니다. 즉, 선형 이동 관개 시스템은 원형 영역이 아닌 직사각형 영역을 포괄합니다. 이러한 적용 영역은 기존의 현장 시스템에 더 적합하며 적용 토지를 더 완벽하게 포괄할 수 있습니다. 하지만 구동 타워와 급수를 제어하는 데 어려움이 있습니다.

그림 7: 선형 이동 관개 설계입니다. 이 기계식 장비를 채택한 자동화된 시스템은 어려운 실외 관개 문제를 해결합니다. (이미지 출처: Getty Images)

일부 설계에서는 관려 구역의 한쪽 가장자리를 따라 개방된 채널 또는 (대체 배열에서) 유연한 호스를 통해 물을 공급합니다. 이 선형 이동 관개 시스템의 타워는 파이프를 직선으로 적절하게 유지하기 위해 조정된 속도를 나타내고, 시스템이 트랙을 벗어나지 않고 필드 위를 앞뒤로 이동하도록 조종해야 합니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 일부 타워는 매립된 케이블을 따르도록 프로그래밍되어 있습니다.

농업 관개 컨트롤러

가장 간단한 관개 컨트롤러는 미리 설정된 시간에 물이 자유롭게 흐르도록 하는 타이머입니다. 이러한 타이머는 소비자용 잔디 스프링클러에서도 발견됩니다.

좀 더 복잡한 것으로는 산업용 관개 컨트롤러가 있습니다. 이 컨트롤러는 기본적으로 유압식 제어 시스템의 형태를 취하며 종종 원형 관개 장치와 연결됩니다.

현재는 대부분의 고급 산업용 관개 제어 장치에서 표준 PLC를 사용합니다. 대형 관개 장치(예: 선형 이동 관개 장비를 기반으로 하는 관개 장치)의 동작을 제어하는 이외에, 토양 습도 센서, 흐름 센서, 기상 관측, 동결 센서로부터 입력을 받도록 PLC 기반 전자 장치를 구성할 수 있습니다. 일부 시스템은 이제 Arduino와 같은 컨트롤러를 사용하여 식물과 온실에 자동으로 급수하는 매우 작은 농업 사업(과일 산업 및 실내 스마트 농업 산업)에서 쉽게 발견됩니다.

그림 8: NETBEAT NetMCU는 통합 상용 관개 컨트롤러의 한 예이며, 실제로 이 견고한 제품은 완벽한 디지털 농업 솔루션을 위해 많은 비료 주기, 관비, 작물 모델링, 예측 작업을 수행합니다. (이미지 출처: Netafim)

자동화된 관개 컨트롤러는 미리 설정된 시간에 모호한 양의 물을 급수하는 대신, 유량을 측정하여 측정된 수량을 정확히 급수할 수 있습니다. 지정된 면적의 토양에 알려진 양의 물을 공급하여 물을 낭비하지 않고 이상적인 재배 조건을 구축할 수 있습니다. 또한 흐름 제어를 통해 막힘과 누수를 감지하여 심각한 작물 피해 또는 물 손실이 발생하기 전에 운영자에게 문제를 알릴 수 있습니다. IoT 프로토콜을 사용하는 최신 컨트롤러에서는 이러한 이벤트가 발생할 경우 운영자의 휴대 전화에 경고를 보낼 수 있습니다.

그림 9: RevPi 자동 제어 및 I/O 부품은 단일 기판 Raspberry Pi SoM/CPU/GPU 미니 컴퓨터의 컴퓨팅 모듈 변형을 기반으로 구축됩니다. 최신 RevPi 변형은 특정 작물 관개 제어 방식에 유용한 아날로그 신호를 수용합니다. (이미지 출처: KUNBUS)

일부 농부를 위한 다른 첨단 옵션으로는 증발산량(ET) 컨트롤러가 있습니다. 이 컨트롤러는 토양 대 물의 균형 원리에 따라 급수 요구 사항을 예측합니다.

수분 균형은 농업 수문학에서 연구되지만, 가장 기본적으로 물의 유입이 유출량에 수조 내 변화량을 더한 값과 일치해야 합니다. 유출은 유량, 물이 증발을 통해 대기로 이동하는 증발산, 식물을 통한 증산으로 구성됩니다.

ET 컨트롤러는 온도, 습도, 일사량과 같은 증발산에 영향을 미치는 환경 파라미터와 실시간 유량 데이터(관개 유량 및 강우량)가 필요합니다. ET 컨트롤러(주로 조정된 자동화 컨트롤러)를 통해 엄격하게 통제되어야 하는 주요 파라미터에는 작물 계수와 토양의 보수 용량이 있습니다. 농업 작물 계수는 기상 조건과 물의 가용성 함수로서 증산 속도를 결정합니다. ET 컨트롤러는 물 사용을 최대 63% 줄일 수 있습니다. 이는 다른 많은 방식과 비교할 수 없을 정도로 우수한 절감 효과입니다.

결론

오늘날의 대규모 산업농을 위한 정교한 관개 솔루션은 많이 있습니다. 실제로 자동화 기술은 소규모 농부뿐만 아니라 이윤이 적은 채소와 연약한 작물을 전문으로 하는 식품 생산자에게도 충분히 경제적인 고급 관개 방법을 구축했습니다.