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2024년 12월 19일 (목) 01:04 판
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
내용
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
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
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관련사업비 내역서
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완료작품의 평가
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향후계획
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특허 출원 내용
내용
