[테크월드뉴스=서유덕 기자] 농업은 세계 어디든 식량의 주요 공급원이다. 식량을 공급할 뿐만 아니라 수많은 산업에 원료를 제공하며, 각국의 GDP와 경제 성장에 지대한 공헌을 하고 있다. 농업이 주요 수입원인 국가도 많다. 하지만 도시화, 기후변화, 인구 증가가 가속화되면서 농업 분야는 많은 어려움을 겪고 있다. 단위 면적당 생산량을 늘려야 하는데, 기존 농업 방식은 자원과 비료·살충제를 무분별하게 사용해 농지를 황폐하게 만들었다.
이런 현실에서 스마트 농업은 생산량을 늘리고 자원을 적재적소에 사용하기 위한 중요한 단계로 부각됐다. 스마트 농업은 유기 농업과 소비자들이 원하는 종류의 과일, 야채, 곡류를 재배하는 데도 중요한 역할을 한다. 스마트 농업은 농작뿐만 아니라 목축에도 중요하다. 기술은 가축의 생산량을 늘리고 건강을 증진시키며 질병 발생이나 확산을 방지하는 데 도움이 되기 때문이다. 특히, 농업 분야에서 IoT는 센서, 프로세싱, 커넥티비티, 게이트웨이와 특정 적용 사례에 따른 작업에 최적화된 클라우드 솔루션으로 구성된다.
적용 사례로 보는 농업 분야에서의 IoT의 역할
1) 농작물 모니터링
곡물 생산성을 극대화하기 위해서는 토양과 환경의 습도와 온도를 모니터링해야 한다. 절대 습도와 온도뿐만 아니라 장단기적인 변화를 모니터링하는 것이 중요하다. 이런 데이터가 농작물의 이상적인 프로파일과 관련되기 때문이다. 모니터링은 농약과 비료를 언제 얼마나 사용해야 하는지 파악하는 데도 도움이 되므로 사용량을 최소화하게 된다.
2) 온실
다양한 과일과 채소에 대한 수요가 증가함에 따라 특정 작물을 기르고 배양하기 위해 이상적인 조건을 조성하는 일이 중요해지고 있다. IoT를 활용하면 재배 시설의 주변 환경을 모니터링해 급격한 변화가 일어나지 않도록 조절할 수 있다.
3) 원격 관개
원격 관개는 토양과 주변 온습도에 따라 관개를 조절하는 새로운 차원의 모니터링이다. IoT 기술을 통해 물을 절약할 뿐만 아니라 농작물에 적절한 양의 물을 공급할 수 있다. IoT를 관개에 적용하면 사전에 설정한 시간 간격에 따라 물을 대는 것은 물론, 토양의 습도에 따라 물을 공급할 수 있다.
4) 가축 모니터링
IoT를 적용한 농장에서는 양, 돼지, 닭, 소 등 가축의 건강 상태를 모니터링해 질병 유무, 수정 기간, 활동성을 파악한다. IoT 기능이 탑재된 센서를 가축의 귀나 다른 부위에 부착해 가축의 체온과 활동성을 모니터링한다. 체온이 비정상적인 가축이 발견되면 격리해 치료하기 때문에 다른 가축으로 질병이 확산되는 일도 방지한다. 가축의 활동성은 건강 상태 외에도 생산물의 품질과도 관련이 있다. 활동성이 높은 소일 경우 그렇지 않은 소에 비해 우유 생산량이 높다. IoT를 이용하는 농장은 가축 사육 환경이 적절한지도 모니터링할 수 있다.
5) 지오 펜싱(GEO FENCING)
대규모 농장에서는 가축이 자연 속에서 자유롭게 돌아다니며 살 수 있다. 이런 경우, 가두지는 않으면서도 가축의 안전을 보장하고 농장을 벗어나지 않도록 조치하는 일이 매우 중요하다. 따라서 GPS가 탑재된 추적기로 가축을 모니터링해야 한다. 이 추적기는 가축의 움직임을 모니터링하는 동작 센서와 함께 가축이 지정된 범위를 벗어날 경우 경보음을 울리는 지오펜싱(GPS 탑재)으로 구성된다.
IoT 기반 스마트 농업을 위한 아키텍처
일반적으로 농업용 IoT 시스템은 ▲센서 ▲신호 컨디셔닝 ▲프로세싱·보안 ▲전력 관리 ▲커넥티비티 ▲포지셔닝의 6개 블록으로 구성된다. ST마이크로일렉트로닉스(이하 ST)는 다양한 반도체 디바이스를 사용해 앞서 언급한 모든 블록을 충족시킬 수 있다. 본 글에서는 모든 IoT 시스템의 기반을 형성하는 센서와 커넥티비티를 중점적으로 다루고자 한다.
1) 센서
센서는 모든 IoT 시스템의 기반으로 작용하는 외부 입력을 감지하는 데 사용된다.
① 가속도 센서는 움직임, 활동 수준, 농장 침입 등을 감지하기 위해 사용된다. ST의 초저전력 ‘LIS2DW12’ 가속도 센서에는 정확도과 전력소비 옵션 중 선택하는 설정가능한 노이즈 모드가 있으며, 전력 최적화를 지원하는 자동 절전과 웨이크업 모드까지 있다.
② 습도·온도 센서는 토양, 주변 대기, 가축 건강 상태를 모니터링하기 위해 사용된다. 이런 센서는 농업 분야에서 IoT를 구현하는 데 중요한 요소인 입력 정보를 제공한다. ST의 ‘HTS221’은 습도·온도 센서가 결합된 센서로, 디지털 직렬 인터페이스를 통해 측정된 정보를 제공하는 센서부와 아날로그 단이 포함돼 있다. 이 센싱부는 폴리머 유전체 평면 커패시터 구조로 구성돼 상대 습도 변화를 감지할 수 있다. STTS22H는 초저전력 고정밀 디지털 온도 센서로, 운용 온도 범위 전체에 걸쳐 고성능을 제공한다. STTS22H는 단일 ASIC에 A/D 컨버터, 신호처리 로직, I2C/SMBus 3.0 인터페이스가 모두 결합된 밴드 갭 온도 센서이다.
③ 기압센서는 대기압을 감지할 수 있어 고도 측정에 사용된다. 기압센서가 기압을 감지하려면 다이어프램이 개방돼 있어야 하기 때문에 물과 화학적 오염에 취약하다. 따라서 기압센서는 염소(Chlorine)나 브로민(Bromine) 같은 화학 물질에 오염되지 않도록 안전해야 한다. ‘LPS33HW’는 O링 모양의 센서로, 10bar(수심 90M)의 수압을 견딜 수 있는 센서 중 하나이며, 앞서 언급한 화학 물질들뿐만 아니라 염분의 영향도 받지 않는다.
2) 커넥티비티
농업 분야에서 커넥티비티는 다음과 같은 애플리케이션 요건에서 살펴볼 수 있다.
① 범위: 실내 모니터링으로는 블루투스(Bluetooth), BLE, 와이파이(Wi-Fi) 같은 단거리 RF 기술이 선호된다. 이는 센서 노드에서 데이터를 수집한 뒤 데이터를 게이트웨이로 보내 더 멀리 전파할 수 있기 때문이다. 대규모 농장에서는 모니터링을 위해 GPRS 같은 장거리 기술과 시그폭스(Sigfox) 같은 LPWAN 기술을 선호하는데, 이는 통신 인프라와 직접 연결되기 때문이다. BLE Mesh와 6LowPan 같은 메시(Mesh) 기술을 활용하면 단거리 기술의 범위를 확장하면서 야외에서도 적절하게 사용할 수 있다.
② 소비 전력: 농업 분야의 적용 사례 대부분은 비충전식 배터리로 동력을 얻기 때문에 기하급수적으로 전력을 많이 소비하는 와이파이, 블루투스, GPRS보다는 BLE, RF sub-㎓, 시그폭스 같은 LPWAN 기술이 선호된다.
따라서 농업 생태계에서는 BLE와 sub-㎓가 가장 적합한 커넥티비티 기술로 보이므로 이 두 기술을 집중적으로 살펴보고자 한다.
‘저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy; BLE)’는 근거리 무선망(Wireless Personal Area Network; WLAN) 기술이다. 기존의 블루투스와 와이파이가 소비하는 전력을 일부만 써서 스마트폰을 다른 디바이스에 연결한다. 이 기술은 국제적으로 라이선스가 필요 없는 ISM 대역인 2.4㎓에서 작동한다. BLE 메시는 IoT 솔루션의 메시 네트워크에서 다수의 BLE 디바이스를 연결하는 소프트웨어 솔루션이다. 메시 솔루션을 도입하면서 디바이스가 네트워크의 직접 범위에 들어있지 않더라도 연결할 수 있게 됐다.
ST의 ‘BlueNRG-2’는 초저전력 BLE 5.0 인증 SoC다. privacy 1.2, 보안 연결 4.2, 8㏈m의 출력 전력, IoT 디바이스 연결을 위한 안전한 BLE 링크를 제공해 센서와 완벽하게 연결된다. 뿐만 아니라 완전 호환 가능한 표준 SIG BLE 메시를 지원한다.
‘LPWAN(Low-power Wide Area Network) 기술’은 커넥티비티 분야의 또 다른 혁신이다. 수 킬로미터까지 연결할 수 있지만 전력 소비량이 매우 낮아 비충전형 코인셀 배터리로도 구동할 수 있기 때문이다. 시그폭스는 매우 낮은 전력을 소비하면서 글로벌 클라우드와 장거리 커넥티비티를 제공하는 LPWAN 기술이다.
ST는 단거리와 장거리 기술의 장점을 모두 결합한 솔루션을 제공하기 위해 BLE 와 S2-LP를 이용한 시그폭스 무선통신을 하나로 묶은 독특한 솔루션을 내놓았다. 듀얼 무선통신은 시그폭스를 통해 장거리 커넥티비티를 제공하고 BLE를 이용해 스마트폰 커넥티비티를 제공한다. 스마트폰을 시그폭스 디바이스에 연결하면 사용자 인터페이스(UI)와 OTA 펌웨어 업데이트가 가능해지고, 직접 설정하고 제어할 수 있다.
엣지에서의 정보분석
농업용 IoT에서 가장 중요한 측면으로 개별 작물이나 가축의 데이터를 분석하고 이를 실제 생산성으로 이어지게 할 수 있다는 점이 있다. 인공 지능은 자연에서 영감을 받은 컴퓨팅 기법들의 집합을 활용하고, 머신 러닝은 기계가 데이터를 분석해 잠재된 패턴을 인식함으로써 예측하고 권고하도록 만드는 기술을 의미한다. 하지만 IoT 기반의 농업용 장치들의 수가 많아질수록 센서에서 클라우드로 전송된 원자료가 증가하기 때문에 클라우드에 필요한 대역폭과 컴퓨팅 성능의 증가가 요구된다.
인공지능은 분석의 일부를 감지 노드나 엣지와 가까운 곳에서 행할 때 효율적으로 활용될 수 있다. 엣지 컴퓨팅은 데이터 보안을 제공하고 대역폭 요구사양과 클라우드 컴퓨팅을 줄여준다. 엣지 컴퓨팅은 노드 자체의 지능형 센싱과 프로세싱을 의미한다. 따라서 엣지 컴퓨팅 디바이스 선택은 매우 중요하다. 스마트 노드는 데이터를 분석하고, 센서 알고리즘을 운용하며, 상황 정보를 산정하고, 추가 프로세싱을 위해 데이터를 클라우드로 보낸다.
결론
농업은 모든 사회의 근간이다. 전례 없는 인구 증가의 부담에 직면한 오늘날에는 생산성을 극대화하고 가용 자원을 최적으로 사용하는 것이 필수적이다. IoT 기반 농업은 원하는 생산량을 달성하고 정보에 근거해 결정을 내리는 데 도움이 된다. 초저전력 기술과 정밀 기술이 등장하면서 IoT로 이제 모든 작물과 가축을 연결할 수 있게 됐다. 이를 성공적으로 구현하기 위해서는 올바른 기술 파트너·리더와 협력해야 한다. ST는 전 세계 IoT 고객들이 우선적으로 선택하는 파트너이며, 이 고객들은 ST가 제공하는 첨단 기술의 이점을 누리고 있다.
글: 비샬 고얄(Vishal GOYAL) 남아시아·인도 지역 그룹 테크니컬 마케팅 매니저
자료제공: ST마이크로일렉트로닉스(www.st.com)
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