효율적인 스마트 관개 시스템 설계: 성공을 위한 주요 기능 및 전략

전 세계 취수량의 70%가 관개용으로 사용된다는 것을 알고 계신가요? 안타깝게도 증발산, 토지 유출, 비효율적인 사용 방법으로 인해 관개 용수의 약 60%가 손실되어 물이 가장 많이 낭비되는 지점이기도 합니다. 전 세계 인구가 증가하고 담수 자원이 감소함에 따라 세계적으로 물을 모으고 사용하고 저장하는 방법을 개선하기 위한 긴급한 조치가 필요합니다. 이는 우리의 자원을 더욱 스마트하고 보다 효율적인 방법으로 관리해야 하는 필요성을 강조하는데, IoT(사물 인터넷)로 구동되는 신흥 산업에서 특히 그렇습니다. 오늘은 관개의 영역과, 스마트 관개가 전 세계적으로 증가하는 물 부족 수준을 완화하는 데 중요한 역할을 수행하는 방법을 살펴보겠습니다.

그림 1. 관개 스프링클러 시스템. (이미지 출처: Radiocrafts)

이에 따라, 이 블로그 게시물에서는 스마트 관개 시장을 형성하는 주요 동인을 살펴보고, 해결해야 할 구체적인 과제를 파악하고, 스마트 관개 시스템을 위한 유망한 솔루션으로 Radiocrafts 산업용 IP 메시 솔루션(RIIM)을 소개합니다.

스마트 관개 시장의 동인

친환경 시스템 및 지속 가능한 자원 관리에 대한 수요는 스마트 관개 시장의 원동력이 되었습니다. 생태적 발자국을 최소화하는, 환경적으로 책임이 있는 효율적인 아키텍처 개발에 대한 필요성이 증가하고 있습니다. 또한, 비용 효율적인 방식으로 이러한 목표를 달성하기 위해 해당 인프라 개발에 대한 접근 및 실현 가능성을 높여야 한다는 요구도 증가하고 있습니다.

스마트 관개는 사막 지역을 포함하여 이전에는 척박했던 위치에서 관개 시스템 및 식량 생산을 개발할 수 있는 놀라운 능력을 가지고 있습니다. 반직관적으로 보일 수도 있지만 스마트 관개를 사용하면 시각에 큰 변화를 일으켜 사막을 황무지가 아니라 식량 생산을 위한 비옥한 토지로 볼 수 있습니다. 이 기술은 건조한 땅을 울창한 식량 생산의 천국으로 바꿀 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 전 세계 인구 증가에 따른 식량 수요 증가를 충족할 수 있습니다. 또한, 스마트 관개는 아프리카의 사라하 사막과 같이 지역 식량 생산이 인구에 대한 식량 공급과 식량 안전 보장을 향상시키는 데 중대한 역할을 하는 빈곤 지역에서 특히 중요합니다.

그림 2. 사막 환경에서의 개선된 농업. (이미지 출처: Radiocrafts)

그럼에도 불구하고, 스마트 관개 시장은 물 이용에 대한 제한, 경작지 사용 가능성, 관개 시스템을 효과적으로 관리하기 위한 충분한 인력과 같은 특정 제약 조건에 직면하고 있습니다.

스마트 관개에서 해결해야 할 특정 문제

효율적인 스마트 관개 시스템 구축과 관련하여 해결해야 할 여러 무선 통신 문제들이 있습니다. 주요 요구 사항에는 다음이 포함됩니다.

• 신뢰할 수 있는 연결: 견고하고 믿을 수 있는 통신을 위해 낮은 패킷 손실을 보장하고 99.99%의 높은 패킷 수신율을 달성합니다.
• 낮은 지연: 지연이 허용되지 않는 실시간 응용 제품의 경우 약 10ms의 낮은 지연을 달성하면서, 프로세스 모니터링 및 유지 관리 감시처럼 느리게 움직이는 프로세스에서와 같이 약간 더 긴 지연을 견딜 수 있는 응용 제품도 고려합니다.
• 충분한 범위 및 커버리지: 전체 관개 시스템에서 매끄러운 연결을 보장하기 위해 대규모의 반개방형 시골 환경에서 포괄적인 범위 및 커버리지를 제공합니다.
• 양방향 통신: 센서에서 데이터를 수집할 뿐만 아니라 밸브 같은 장치를 제어하기 위한 양방향 통신을 보장하여 관개 시스템의 원격 작동 및 제어를 가능하게 합니다.
• 간단한 구현: 시스템이 극한의 조건을 견뎌야 하는, 특히 사막과 같은 열악한 환경에서 손쉬운 구현을 보장합니다.
• 높은 신뢰성: 신뢰할 수 있는 작동을 위한 긴 배터리 수명을 보장하고 원격 위치에서 잦은 배터리 교체 필요성을 줄입니다.
• 간단한 설치: 추가적인 전력 케이블링 없이도 간단하게 설치할 수 있어 다양한 위치에서 시스템을 더 쉽게 설치할 수 있습니다.
• 무선(OTA) 업데이트: 펌웨어의 OTA 업데이트를 구현하여 특히 물리적 접근이 어려운 원격 위치에서 터치리스 업데이트를 실현합니다.

이러한 무선 통신 문제를 해결하는 것은 다양한 환경에서 지속적으로 작동 가능하고 농업에 필요한 용수 이용을 효율적으로 최대화할 수 있는 견고하고 효율적인 스마트 관개 시스템을 개발하는 데 매우 중요합니다.

그림 3. 센서 데이터 모니터링. (이미지 출처: Radiocrafts)

스마트 관개 시스템을 위한 효율적인 솔루션인 Radiocrafts의 원거리 메시 솔루션

Radiocrafts의 RIIM(Radiocrafts 산업용 IP 메시) 솔루션은 완전한 임베디드 산업용 IoT 메시 모듈로, 완전한 무선 네트워크를 구성하는 데 필요한 부품과 함께 제공되며 라이선스 비용 또는 구독 비용이 필요 없습니다. RIIM 모듈을 구매하면 스마트 관개 시스템을 위한 솔루션을 바로 사용할 수 있습니다. 또한 RIIM의 메시 네트워크 아키텍처는 자가 형성, 자가 복구, 자가 최적화가 가능하므로 스마트 관개 시스템의 설치와 구현이 크게 간소화됩니다.

(이미지 출처: Radiocrafts)

Radiocrafts의 RIIM은 반개방 시골 환경에서 약 80 x 80km²의 감동적인 커버리지를 제공합니다. 이 제품은 장치 간 최대 1400미터를 지원하며, 최대 28회(28개 메시 홉) 장치 간 데이터를 중계하여 네트워크 전체에 데이터를 분산시킬 수 있습니다. 또한 RIIM은 단일 보더 라우터(게이트웨이)에 대해 최대 1000개 노드를 수용할 수 있으므로, 대규모 배포에 필요한 게이트웨이 수가 줄어 설치 비용을 절감할 수 있습니다. 또한 더 큰 영역을 포괄하기 위해 다른 보더 라우터를 손쉽게 추가할 수 있습니다.

RIIM의 고유한 기능 중 하나는 모듈의 동작을 각 고객의 특정 요구 사항에 맞게 조정할 수 있는 ICI (지능형 C 프로그래밍 가능 I/O) 프레임워크입니다. ICI 응용 제품은 항상 모듈에서 실행되며 무선 네트워크의 구성, 하드웨어 인터페이스, 이러한 인터페이스에 대한 읽기/쓰기 작동을 가능하게 합니다. 즉, 외부 회로망이 없어도 토양 수분 센서, 용수 밸브 제어, UV 센서, 빗방울/동결 센서, 풍속 센서와 같은 다양한 센서 및 액추에이터와 직접 인터페이스할 수 있습니다

또한, RIIM은 대역폭 요구 사항을 줄이고 로컬 이벤트에 대한 빠른 응답을 실현하는 미스트 컴퓨팅을 지원합니다. 이는 에지에서 효율적인 데이터 처리 및 의사 결정을 지원하므로, 클라우드로의 데이터 전송 필요성을 최소화하고 로컬 센서 데이터를 기반으로 실시간 작동을 실현할 수 있습니다. RIIM의 ICI 프레임워크 및 미스트 컴퓨팅 기능은 스마트 관개 시스템을 위한 강력하고 유연한 솔루션으로, 안정적이고 비용 효율적인 성능을 제공합니다.

그림 4. Radiocrafts의 ICI 프레임워크. (이미지 출처: Radiocrafts)

RIIM의 주요 이점은 스마트 관개 시스템의 밸브 제어에 매우 중요한 양방향 대칭 통신을 지원하는 것입니다. 단방향 센서 데이터 통신에 중점을 둔 여러 다른 IoT 연결 솔루션과 달리, RIIM은 업링크 및 다운링크 통신을 모두 처리하도록 설계되었습니다. 이는 RIIM이 센서 판독값을 수집할 뿐만 아니라 밸브 같이 다운링크 통신을 필요로 하는 장치를 효과적으로 제어할 수 있다는 것을 의미합니다. 따라서 RIIM은 완전히 대칭적인 솔루션이기 때문에 양방향에서 매끄러운 통신을 지원합니다.

이는 밸브 제어가 유수량 관리 및 관개 일정 최적화에 중요한 역핼을 수행하는 스마트 관개 시스템에 특히 중요합니다. 인기 있는 여러 LPWAN(저전력 광역 네트워킹) 기술은 확장 가능한 다운링크 통신으로 고심하고 있지만 RIIM은 이러한 요구 사항을 효율적으로 처리하도록 제작되었습니다. 결과적으로 여러 다른 LPWAN 솔루션은 밸브를 열고 닫는 데 약 1분 이상이 걸리지만 RIIM은 수 초 내에 이를 실현할 수 있습니다. RIIM을 사용하면 센서 데이터 수집 및 장치 제어를 자신있게 관리하여 스마트 관개 응용 제품을 위한 포괄적이고 신뢰할 수 있는 솔루션을 만들 수 있습니다.

그림 5. 밸브 제어. (이미지 출처: Radiocrafts)

또한, 완전한 대칭 통신 접근 방식은 RIIM의 무선 업데이트(OTA)를 가능하게 합니다. 즉, 네트워크가 배치되어 완전히 작동하는 경우에도 사용자 정의 ICI 펌웨어를 업데이트하여 필요에 따라 새로운 센서 또는 컨트롤러를 매끄럽게 통합할 수 있습니다. 이는 접근이 어려울 수 있고 장기간 작동해야 하는 스마트 관개 시스템에서 특히 유용합니다. OTA 펌웨어 업데이트는 작동을 방해하지 않고 시스템이 최신 상태를 유지하도록 하여 새로운 기능을 추가하고 성능을 향상시키는 간편하고 효율적인 방법을 제공합니다.

RIIM은 또한 시간 동기화 채널 호핑(TSCH)에 대한 지원 덕분에 뛰어난 신뢰성으로도 잘 알려져 있습니다. TSCH는 패킷 충돌을 최소화하고 전체적인 네트워크 신뢰성을 향상시키도록 설계된 메시 네트워킹 기술입니다. 실제로, TSCH 기반 네트워크는 최대 99.99%의 신뢰성 레벨을 달성하는 것으로 입증되었으므로 RIIM은 스마트 관개 응용 제품을 위한 견고하고 신뢰할 수 있는 솔루션입니다.

추가로 RIIM은 보안을 최우선으로 합니다. RIIM은 사전 공유 키를 사용하는 암호화를 제공하고 DTLS 엔드 투 엔드 보안을 지원하여, 스마트 관개 시스템이 잠재적 해커들로부터 보호될 수 있도록 합니다. RIIM을 사용하면 시스템 데이터의 안전성과 관개 프로세스 보호를 신뢰할 수 있으므로 스마트 관개 시스템의 무결성에 확신을 갖고 안심할 수 있습니다.

그림 6. 풍속 센서. (이미지 출처: Radiocrafts)

RIIM은 저전력에서 작동하도록 특별히 설계되었으므로 배터리 작동에 의존하여 오래 지속되는 프로젝트에 이상적입니다. 예를 들어, RIIM은 2개의 AA 배터리 사용으로 7년의 배터리 수명을 지원합니다. 그 방법은 바로 전력 소비를 최소화하도록 함께 작동하는 다양한 기능을 통합하는 것입니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

• 저전력 전자 부품: RIIM은 에너지 효율적인 전자 부품을 활용하여 처음부터 전체적인 전력 소비가 최소화되도록 합니다.
• 네트워크 리프 노드의 '절전' 모드: RIIM을 사용하면 네트워크 리프 노드를 저전력 '절전' 모드로 전환하여 전력 소비를 최소 4.7uA로 줄여 배터리 수명을 연장할 수 있습니다.
• 구성 가능한 출력 전력: 모듈의 출력 전력을 조정하여 전송 작동 중 불필요한 전력 소비를 방지하고 필요한 전력만 사용되도록 보장할 수 있습니다.
• 시간 동기화 채널 호핑(TSCH): RIIM에는 TSCH가 통합되어 있어 들어오거나 나가는 RF 데이터 패킷에 대한 타임 슬롯이 없는 경우 메시 라우터가 절전 상태로 전환되므로 전력을 추가로 아낄 수 있습니다.
• ICI를 통한 데이터 처리: RIIM은 사용자 정의 ICI 펌웨어를 통한 데이터 처리를 지원하므로 전력 소비를 크게 줄일 수 있습니다. 이는 클라우드 컴퓨팅을 지원하므로, 임계값 교차로 트리거되는 알람과 같이 관련 있는 데이터만 클라우드로 전송하여 필요 없는 데이터 전송을 최소화하고 전력을 보존할 수 있습니다.

이렇게 놀라운 배터리 수명을 제공하는 RIIM은 잦은 배터리 교체 없이 장기적인 저전력 작동을 요구하는 프로젝트에 탁월한 선택입니다.

결론

전 세계 인구가 전례없던 속도로 계속 증가함에 따라 우리의 한정된 자원 특히 담수 자원이 점점 더 부족해지고 있습니다. 이러한 다급한 현실은 제한된 자원을 가능한 한 가장 효율적으로 사용해야 할 필요성을 강조합니다. 상대적으로 새로운 개념임에도 불구하고 사물 인터넷(IoT)은 이 목표를 달성하는 데 상당한 진전을 보였습니다. IoT 산업이 효율성을 최대화하면서 친환경성을 유지하는 데 큰 역할을 하는 분야 중 하나는 스마트 관개 영역입니다. 효과적인 스마트 관개 시스템을 만들려면 장거리 RF 모듈, 광범위한 커버리지, 양방향 통신, 저전력 소비 등과 같은 여러 요구 사항을 충족해야 합니다. Radiocrafts 산업용 IP 메시 솔루션은 이러한 모든 요구 사항을 충족하는 데 뛰어나므로 스마트 관개를 위한 이상적인 솔루션입니다. IoT의 능력을 활용하면 지속 가능한 물 사용 및 보전에 상당한 진전을 이뤄 더욱 친환적이고 효율적인 미래에 보탬이 될 수 있습니다.