[자동화] 어항을 이용한 수경재배 실험 (PLC 활용)

1. 개요

기존에 보유하고 있는 유리 어항과 PLC(Programmable Logic Controller)를 활용하여 추가적인 비용을 최소화하면서 스마트 수경재배 시스템을 구축하는 방법을 소개합니다. 이를 통해 저비용으로 효율적인 재배 환경을 조성할 수 있으며, 자동 제어 시스템을 적용하여 최적의 재배 조건을 유지할 수 있습니다.

2. 수경재배 수조 구성 방법

2.1 어항을 활용한 수조 제작

  • 어항 크기 선택: 기존에 보유한 어항의 크기에 따라 재배 가능한 식물의 수와 크기가 결정됩니다.
  • 부유식 플로트(Floating Raft) 사용:
    • 스티로폼 또는 PVC 재질의 판을 어항 크기에 맞춰 절단 후, 식물이 자랄 수 있도록 구멍을 뚫어 플로팅 시스템을 구성합니다.
    • 식물 뿌리는 물에 잠기되, 적절한 산소 공급이 이루어지도록 설계합니다.
  • 양액 공급:
    • 수돗물이나 정제된 물을 사용하고, 수경재배용 양액(예: Hoagland 용액)을 첨가하여 식물에 필요한 영양소를 제공합니다.

3. 산소 공급을 위한 에어 스톤 활용

3.1 에어 스톤(Air Stone)의 역할

  • 물속에 산소를 공급하여 뿌리 호흡을 원활하게 함으로써 식물의 건강을 유지합니다.
  • 혐기성 박테리아 증식을 방지하여 뿌리 부패를 줄이고, 영양 흡수를 극대화합니다.
  • 물의 흐름을 생성하여 양액이 균일하게 공급될 수 있도록 돕습니다.

3.2 에어 스톤 설치 방법

  • 어항용 에어 스톤을 활용하면 저렴하게 산소 공급이 가능합니다.
  • **공기 펌프(에어 펌프)**와 연결하여 지속적으로 산소를 공급합니다.
  • DWC(Deep Water Culture) 방식에서는 24시간 가동하는 것이 좋습니다.
  • NFT(Nutrient Film Technique) 방식에서는 양액 순환이 이루어지므로 추가 산소 공급이 필요하지 않을 수도 있습니다.

4. PLC를 활용한 스마트 제어 시스템 구축

4.1 센서 연결 및 제어

PLC를 이용하여 온도, 습도, pH, EC(전기전도도) 등의 환경 데이터를 모니터링하고 자동으로 조절할 수 있습니다.

  • DHT22 또는 SHT31 센서: 대기 온도 및 습도 측정
  • EC 센서: 양액의 영양 상태 모니터링
  • pH 센서: 수질의 산성·알칼리성 상태 측정
  • 수온 센서(DS18B20 등): 양액 온도 조절
  • PLC 제어기: 수집된 데이터를 기반으로 펌프, 히터, 냉각 팬 등을 자동으로 조절

4.2 PID 제어를 활용한 자동 환경 조절

PID(비례-적분-미분) 제어 알고리즘을 적용하여 온도, 습도, 양액 농도를 정밀하게 조절할 수 있습니다.

  • 온도 조절: 히터 또는 냉각 팬을 자동으로 조절하여 일정한 온도를 유지
  • 습도 조절: 가습기 및 환기팬을 활용하여 최적의 습도 유지
  • 양액 농도 조절: pH 및 EC 센서를 기반으로 자동 보충

5. 냉난방 시스템 설계

5.1 비용 효율적인 냉난방 방식

소형 재배기의 경우, 비용을 최소화하면서도 효과적인 냉난방 방법을 고려해야 합니다.

  • 난방(온도 상승 방법)
    • 적외선 램프(IR Heater): 에너지를 효과적으로 전달하며, 열효율이 높음
    • 수중 히터(Aquarium Heater): 수온을 일정하게 유지하는 데 적합
    • PTC 히터: 안전성이 높으며, 일정 온도 이상 올라가지 않음
  • 냉각(온도 낮추는 방법)
    • 펠티어 소자(TEC 모듈): 전력 소모가 크지만, 소형 재배기에 적합
    • 냉각 팬 + 환기 시스템: 공기 순환을 통한 자연 냉각 방식 적용
    • 물 순환 시스템: 차가운 물을 순환시켜 어항 내부 온도를 조절

6. 결론

기존 어항과 PLC를 활용하여 추가 비용을 최소화하면서도 효율적인 스마트 수경재배 시스템을 구축할 수 있습니다. 에어 스톤을 이용한 산소 공급, PLC 기반 자동 환경 제어, 비용 효율적인 냉난방 방식 등을 적용하여 최적의 재배 환경을 조성할 수 있습니다. PID 제어를 통해 온도 및 양액 조절을 정밀하게 관리하면 더욱 안정적인 시스템 운영이 가능합니다.

이러한 시스템을 구축하면 소형 재배기에서도 높은 생산성과 자동화를 구현할 수 있으며, 다양한 식물 재배에 적용할 수 있습니다.

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