Pioneers

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 플렉스 센서를 이용한 비닐하우스 적설 방지 시스템

영문 : Snow Removal System for Greenhouses Using a Flex Sensor

과제 팀명

Pioneers

지도교수

홍완식 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 20194500** 김**(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 20194500** 강**

서울시립대학교 신소재공학과 20194500** 박**

서울시립대학교 신소재공학과 20194500** 여**

서울시립대학교 신소재공학과 20194500** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 본 개발 과제는 플렉서 센서 및 적설 판단 알고리즘이 적용된 비닐하우스 적설 방지 시스템이다.

◇ 비닐하우스 상부에 부착된 플렉서 센서의 휘어짐으로 비닐의 상태를 판단한다.

◇ 플렉서 센서의 휘어짐 상태 유지 시간으로 적설 여부를 판단한다.

◇ 적설 상태로 판단 시, DC 모터와 와이퍼를 이용해 적설 상태를 해소한다.

◇ 과도한 적설을 방지하여 비닐하우스 구조물의 안정성을 확보할 수 있다.

개발 과제의 배경

◇ 지구 온난화로 인한 비정상적인 기상 상태가 많아짐에 따라 폭설, 태풍 등의 자연재해로 인해 농촌의 비닐하우스 피해 사례가 증가하고 있다.

◇ 기존 비닐하우스는 철근 뼈대와 비닐로만 이루어져 있어 상부에 집중되는 과적 상태를 해소할 방안이 필요하다.

개발 과제의 목표 및 내용

• 목표

◇ 플렉스 센서를 이용해 비닐하우스 상부의 적설 방지 시스템을 개발하여, 적설로 인한 비닐하우스의 파손을 방지하고자 한다.

◇ 비닐의 휘어짐 여부와 적설 상태를 정확하게 파악할 수 있다.

◇ 와이퍼 방식을 사용하여 적설 상태를 해소할 수 있다

• 내용

◇ 비닐하우스 상부에 부착된 플렉서 센서의 휘어짐으로 비닐의 휘어짐 여부를 파악한다.

◇ 플렉서 센서의 휘어짐 상태 유지 시간으로 일시적인 적설 상태인지 지속적인 적설 상태인지 여부를 판단한다.

◇ 적설 상태로 판단 시, 비닐하우스 양 끝단에 부착된 DC 모터를 작동시켜 이와 연결된 와이퍼를 이용해 비닐하우스 상부의 적설 상태를 해소한다.

◇ 지속적인 피드백을 통해 비닐하우스의 적설을 방지한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ IoT 기반 모니터링 시스템

스마트 비닐하우스는 IoT 센서를 활용해 온도, 습도, 토양 습기 등을 실시간으로 모니터링한다. 수집된 데이터는 중앙 시스템으로 전송되어 분석 및 조치를 취할 수 있다. 이러한 기술은 환경 제어를 정밀하게 수행해 작물 보호와 생산성을 향상시키는 데 기여하는 기술이다.

◇ 자동화 및 작동 기구 자동화 기술은 비닐하우스의 환기, 관수, 조명 등을 조절하는 데 널리 사용되고 있다. 이와 유사하게, 액추에이터를 사용하여 창문 열기, 차광 장치 배치 등 물리적 작업을 자동화하고 있다. 적설 상태 관리와 관련하여 이러한 기술은 와이퍼와 같은 기계적 시스템 제어에 응용될 수 있다.

◇ 에너지 효율성 및 재생 가능 에너지 통합 많은 비닐하우스 기술은 태양광 패널 또는 기타 재생 가능 에너지를 활용해 지속 가능성을 강화하고 있다. 에너지 절약형 시스템은 악천후 속에서도 비닐하우스 기술이 작동 가능하도록 보장한다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

-국내 사례

◇ 이물질의 위치를 능동적으로 감지하고 제거하는 스마트 와이퍼 및 방법, 그 방법을 수행하기 위한 기록 매체(출원번호 1015597440000 (2015.10.06.)): 압전 재료를 사용하여 이물질을 감지하고, 와이퍼를 작동시켜 편의성을 제공한다.

◇ 비닐하우스 용 제설 장치 및 이를 이용한 제어 방법 (출원번호 1020220101476 (2022.08.12.)): 적설 센서(초음파 센서)를 통해 적설량을 감지하고 기준 적설량을 초과하면 진동을 발생시켜 비닐하우스 위의 눈을 제거한다.

-해외 사례

◇ Greenhouse snow removing device (출원번호 CN109025092A): 눈 제거 휠과 동기 벨트를 통한 두 가지 메커니즘을 활용하여 기어 시스템을 통해 효율적인 동작을 구현하고, 구동 풀리와 지시 휠로 벨트의 균일한 이동 제어를 통해 비닐하우스 구조를 보호한다.

◇ Greenhouse snow removing device (출원번호 CN111608330A): 아이들러 휠과 슬라이드 레일로 구성되어 있으며, 본체가 레일을 따라 적설 제거를 수행하고 적설이 레일을 방해하지 않도록 레일 보호 벨트가 함께 제공되어 효율적인 눈 제거를 한다.

-관련 기술

◇ The design of pressuring and conveying snow removal machin on multi-span greenhouse roof: 압력 및 전달식 적설 제거 기계를 통한 다중 스팬 비닐하우스 지붕에 쌓인 눈을 효과적으로 제거하기 위한 설계.

◇ Green snow protection warming system: 주요 가열 파이프라인, 상부 가열 파이프라인, 강철 센서를 포함한 비닐하우스 적설 보호 가열 시스템을 이용하여 눈을 자동으로 녹이는 시스템.

◇ Greenhouse protecting device from snowfall: 플라스틱 비닐하우스의 적설을 방지하기 위해 공기 주입 시스템을 통합한 장치로 구조 붕괴 위험을 줄이고 적극적으로 눈을 제거하는데 사용.

-특허전략

◇ 관련 특허에서 기술 요소 분리 비닐하우스 적설 방지 시스템의 기술 요소를 분리하여, 각 요소에 대한 세부적인 특허 출원을 준비한다. 기술 요소 1: 플렉스 센서를 활용한 적설 감지 기술, 기존 플렉스 센서를 응용하여 비닐하우스 상부 하중을 실시간으로 감지하는 알고리즘에 초점을 맞춤. 기술 요소 2: 자동화된 와이퍼-레일 시스템, 와이퍼와 레일을 결합한 기구적 설계 및 자동 제어 기술. 특정 감지 임계값 초과 시 와이퍼 작동으로 인한 이물질 제거

◇ 특허의 독창성 확보 전략 기술 차별화: 기존 특허와의 차별점을 명확히 하기 위해, 플렉스 센서를 농업 구조물에 적용한 사례의 부족을 강조. 구체적 구현: 단순 센서 사용이 아닌, 와이퍼와 레일의 통합 설계 및 소프트웨어 제어 기술을 포함해 구현 세부 사항을 특허 명세서에 포함. 다용도 응용성: 폭설 외에도 태풍, 낙엽, 먼지 등 다른 적설 요인에도 적용 가능한 시스템임을 명시.

◇ 보호 전략 기술 확장 및 연계 특허, 비닐하우스 이외의 농업 구조물(곡물 저장소, 물류창고 등)에도 적용 가능한 기술로 확장. 향후 태양광 에너지를 사용해 배터리 문제 해결.

• 기술 로드맵

◇ 10월: 설계 및 부품 조달 목표: 시스템의 기본 구조를 설계하고 필요한 부품을 확보. 활동: 플렉스 센서를 활용한 적설 감지 알고리즘 설계, 필요한 센서, 모터, 레일, 와이퍼, 아두이노 등 부품 구매.

◇ 11월: 조립 및 초기 테스트 목표: 프로토타입 하드웨어를 조립하고 작동 테스트 시작. 활동: 아두이노 기반 제어 시스템 설계 및 코드 작성, 와이퍼와 레일 구조 설계. 와이퍼와 레일 시스템을 설치 및 연결, 제어 시스템을 아두이노와 통합. 소규모 테스트(눈 모사 물질 또는 잔해를 활용).

◇ 12월 최종 테스트 및 결과 도출 목표: 실제 비닐하우스 환경을 모사하여 최종 프로토타입 성능 검증. 활동: 간이 비닐하우스 구조 제작(비닐, 철근, 3D프린터 등 사용). 테스트(눈 시뮬레이션). 시스템의 정확도, 내구성 측정, 결과 분석 및 발표 자료 준비

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

• 마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 실시간 휘어짐 감지 및 자동화 시스템: 플렉스 센서를 이용해 비닐하우스 상부의 비닐의 휘어짐 상태를 정확히 감지하고, 휘어짐 유지 시간을 통해 적설 상태를 정확히 파악한 뒤, DC 모터 및 와이퍼 방식의 시스템을 작동시켜 문제를 해결한다. 기존 사람이 직접 해결하는 방식 대비 피드백 반응이 자동화 시스템으로 이루어져 있고, 즉각적인 대응이 가능해 적설 방지 효과가 보다 빨라질 것으로 예상된다.

◇ 기술 확장 가능성: 폭설로 인한 적설뿐만 아니라 태풍, 낙엽, 먼지 등 다양한 과적 요인에 대응할 수 있어 다목적 활용이 가능하며, IoT와 연계 시, 스마트 농업 솔루션으로 발전 가능성 또한 존재한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 경제적 기대효과

- 제품 시장성

스마트 농업 시장이 2023년 기준 약 163억 달러 규모로 연평균 12.86%의 성장률을 보여주고 있다. 본 제품은 비닐하우스 관련 솔루션 시장에서 연간 5~10%의 시장 점유율을 확보할 수 있을 것이라 기대된다.

- 농업 생산성 증가

농업에 친화적인 새로운 기술을 적용 시, 생산 손실과 복구 비용을 크게 줄일 수 있다. 베트남 국가농업대학교의 연구에 따르면, 수확 시기 최적화와 후처리 개선을 통한 비용 절감으로 과일의 공금 기간을 늘려 최대 10%의 손실을 줄일 수 있다는 연구 사례가 존재한다. 따라서, 적설로 인한 비닐하우스 파손을 방지할 시, 피해로 인한 복구 비용을 크게 줄일 수 있으며 해당 기간 동안의 채소 및 과일류의 공급 기간의 증가로 손실 감소 및 이익의 극대화가 기대된다.

◇ 사회적 기대효과

- 농업인의 안전 보장 붕괴로 인한 직접적인 생명 및 신체 피해 또는 재산 피해를 예방하여 농업인의 안전을 확보할 수 있다.

- 환경 보호 비닐하우스 붕괴로 인해 발생하는 폐기물 및 복구 자원의 낭비를 줄여 자원 효율성으로 인한 환경 보호에 기여할 수 있다. 재설치 및 수리로 인해 발생하는 재료 및 예산 낭비를 최소화 할 수 있으며, 이는 지속 가능한 농업을 구현하고, 기후 변화 대응에 중요한 역할을 할 수 있는 것으로 기대된다. 특히 기후 변화로 인해 피해가 극심한 지역의 경제적 손실 최소화에 기여할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 강형우: 플렉스 센서 휘어짐 인식 기능 구현

◇ 김건우(팀장): 진행률 점검, 예산 관리, 3D 도면 제작

◇ 박재용: 하드웨어 연결, Synhcronize 구현

◇ 여현모: 조건문(AND, OR) 알고리즘 구현

◇ 이규현: 비닐하우스 제작 및 최종 테스트

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

◇ 휨 센서 (SEN-10264) : 2개 사용, 55.88mm X 5mm

◇ 아두이노 (Arduino UNO R3) : 1개 사용, 68.6 mm X 53.4 mm

◇ DC모터 (PF48-25) : 2개 사용

◇ 배터리 (12V battery) :1개 사용

◇ 모터 드라이브 (L298N) : 1개 사용

개념설계안

◇ 비닐하우스 양 끝단의 레일과 두 레일에 연결된 와이퍼가 제설하는 방식

◇ 2개의 플렉스 센서를 이용한 신호 감지: 2개의 플렉스 센서를 비닐하우스 상부중앙 지지대에 고정시킨 뒤, 내부 비닐에 부착하여 외부 힘에 의해 비닐이 휘어지는 정도를 인식한다.

◇ 휘어진 정도를 바탕으로 아두이노를 통한 임계값 초과 여부 판단: 임계값 이상 비닐의 휘어짐 신호를 통해 비닐하우스 상부의 적설 상태를 과적 상태로 판단한다.

◇ 모터 작동 시스템: 과적 상태로 판단 시, 모터가 작동하여 양 끝단의 레일이 동시에 움직이고 이와 동시에 레일에 부착된 와이퍼가 비닐하우스 상부의 눈을 제거하고 추가 적설을 방지한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 비닐하우스 상부 적설 상태 해소 및 지속적인 피드백 처리

◇ 센서별 역할- 플렉스 센서: 비닐하우스 상부 적설 상태를 인식- DC 모터: 와이퍼를 움직여 적설 상태 해소(과적 방지)

◇ 부품별 역할- 톱니바퀴: DC 모터에 부착되어 레일의 이동을 구현- 레일: DC 모터와 연결되어 DC 모터의 회전에 따라 움직임- 와이퍼: DC 모터와 연결된 레일과 부착되어 적설 상태 해소(과적 방지)

◇ (시뮬레이션 1차, 24.11.11) : 휨 센서 작동 여부 – 휘어짐에 따라 신호 안정적으로 변함

◇ (휨 센서 알고리즘)  : 임계 값 설정

정상 상태에서의 휨 센서 신호: 9 (기준 신호)

비닐하우스 제작 모형에서의 정상 신호: 9 (예상)

임계 값: 신호 값이 7 이하일 때를 휨 상태로 판단

-모터 작동 로직

조건부 트리거: 휨 센서 신호 값이 8 이상 → DC 모터 작동 시작- 6

모터 유지 조건: 신호 값이 원래 정상 범위 3으로 돌아올 때까지 모터 유지

자동 종료: 휨 상태가 해소되면 신호 값이 임계 값 이하로 돌아오며 모터 자동 정지

◇ (레일 알고리즘)

톱니를 지닌 레일 상부에 톱니바퀴를 위치 시키고 톱니바퀴와 모터를 연결시켜 레일이 앞뒤로 움직이며 레일과 연결된 와이퍼가 제설을 하는 방식내부 레일과 이를 감싸는 외부 케이스가 있으며 레일이 정해진 길을 벗어나지 않게 하기 위해 케이스를 고안, 또한 길 위에 눈이 쌓임을 우려하여 케이스의 천장부를 제작하고 모터역시 케이스 안에 넣기로 고안함.

상세설계 내용

• 비닐하우스 조립도

• 비닐하우스 조립도 2

• 내부 레일 평면도

• 레일 외부 케이스 평면도, 측면도

• 레일 3D 모델링

• 비닐하우스 3D 모델링

• 톱니바퀴 3D 모델링

• 레일 케이스 3D 모델링

• 와이퍼 3D 모델링

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

• 비닐하우스 사진

• 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

• 물품검사(수) 내역서

완료작품의 평가

향후계획

• 현존 문제

◇작은 모형에서는 작동이 잘 되지만, 대형 비닐하우스에서는 와이퍼 시스템과 센서가 작동 범위, 안정성, 유지보수에서 문제를 일으킬 가능성이 있음.

• 향후 계획

◇와이퍼, 레일 시스템 확장: 대형 비닐하우스에 적합하도록 와이퍼의 크기를 확장하고, 모터의 출력을 높여 넓은 범위에서 안정적으로 작동하도록 설계. 레일 시스템을 모듈화하여 필요한 길이만큼 확장 가능하도록 제작.

◇센서 배치 최적화:플렉스 센서를 다수 배치하여 비닐하우스 전역에서 하중을 정밀하게 측정. 센서를 연결하는 블루투스 모듈로 네트워크 시스템을 구축하여 전선을 길게 만들지 않아도 모터 싱크로나이즈를 가능하도록 제작

특허 출원 내용

진행중