KR-102960624-B1 - Easily Installable Modular Smart Farm Control System

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Abstract

본 발명은 스마트팜 제어시스템의 구성 및 설치, 운영 방법에 관한 것으로서, 특히 설치 용이성, 비용 절감, 시스템 확장성 및 운영 안정성 향상을 목표로 한다. 본 발명의 스마트팜 제어시스템은, 내부에 2개 이상의 도터보드 장착용 슬롯을 가지며 대부분의 공용 케이블이 사전 연결될 수 있는 머더보드, 상기 머더보드 슬롯에 선택적으로 장착되어 제어기, 중계기, 구동기 등의 기능을 수행하는 도터보드, 이들을 수용하는 통합 본체 케이스, 그리고 각 도터보드에 맞는 보드커버를 포함한다. 또한, 본 발명은 제어기능을 수행하는 도터보드 내에, 서로의 동작 상태를 감시하는 제어부와 통신부를 구비하고, 어느 한쪽에서 소프트웨어 멈춤 등의 오류가 발생했을 때 다른 한쪽이 이를 자동으로 감지하고 강제적으로 리셋(Reset) 시켜 시스템을 정상 상태로 자동 복구하는 오류 자동 복구 기능을 포함한다. 상기 오류 판단은 일정 시간 동안 데이터나 응답이 없거나, 주기적인 하트비트(Heartbeat) 신호가 수신되지 않는 경우를 기반으로 할 수 있다. 이러한 구성을 통해 현장 설치 시간을 단축하고 오류를 방지하며, 케이스 비용을 절감하고, 다양한 현장 요구에 유연하게 대응할 수 있을 뿐만 아니라, 관리자의 개입 없이 시스템 자체적으로 오류를 복구하여 운영의 연속성과 신뢰성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

Inventors

최경환
신택균
신우진
권용식
김영식

Assignees

주식회사 비바엔에스

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20250729

Claims (11)

스마트팜의 환경 제어 기능을 수행하는 모듈형 스마트팜 제어시스템에 있어서, 복수의 공용 케이블 연결을 위한 공용 단자대가 고정 설치되고, 상기 공용 단자대에는 주 전원 공급용 케이블, 센서 데이터 입력용 공통 케이블, 및 도터보드 간 통신용 케이블을 포함하는 다수의 공용 케이블들이 사전 연결된 상태로 구비되며, 외부 전원을 공급받아 내장된 전원부를 통해 복수의 도터보드에 안정적인 동작 전원을 제공하고, 상기 도터보드 간의 데이터 교환을 위한 공통 데이터 통신 경로를 제공하며, 내부에 표준화된 2개 이상의 상기 도터보드 장착용 슬롯이 형성된 머더보드; 상기 머더보드의 슬롯 중 어느 하나 이상에 선택적으로 장착되어, 제어기능, 중계기능, 구동기능 중 적어도 어느 하나의 기능을 수행하는, 적어도 하나 이상의 도터보드; 상기 머더보드 및 상기 머더보드에 장착된 모든 도터보드를 내부에 통합적으로 수용하는 단일 구조의 본체 케이스; 및 상기 본체 케이스의 전면 개방부에 결합되며, 상기 각 슬롯에 장착된 도터보드의 종류에 따라 해당 도터보드의 외부 인터페이스 또는 상태 표시부를 선택적으로 노출시키는, 교체 가능한 복수의 보드커버 를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 스마트팜 제어시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 도터보드는, 스마트팜 제어시스템의 중앙 제어 로직을 수행하는 제어부와 통신 신호를 증폭하고 재전송하는 중계부를 단일의 보드 상에 물리적으로 통합하여 구현한 제어중계기를 포함하며, 상기 제어중계기는, 펌웨어 설정 또는 하드웨어 스위치 설정을 통해, 상기 제어부의 기능만을 독립적으로 수행하는 제어기로서 동작하거나, 상기 중계부의 기능만을 독립적으로 수행하는 중계기로서 동작하거나, 또는 상기 제어부와 중계부의 기능을 모두 함께 수행하는 통합 제어중계기로서 선택적으로 동작 가능한 것 을 특징으로 하는 모듈형 스마트팜 제어시스템.
청구항 1 또는 청구항 2 중 한 항에 있어서, 상기 본체 케이스는, 내부에 상기 머더보드가 고정되고 전면에는 상기 머더보드의 각 슬롯에 대응하는 복수의 표준화된 개방부가 형성된 단일의 통합 구조체이고, 상기 보드커버는, 상기 개방부에 선택적으로 결합되되, 장착되는 도터보드의 종류에 따라 각각 다른 형태의 외부 인터페이스 또는 표시부를 가지는 것 을 특징으로 하는 모듈형 스마트팜 제어시스템.
청구항 1 또는 청구항 2 중 한 항에 있어서, 상기 도터보드 중 적어도 어느 하나는, 스마트팜의 환경을 제어하며 리셋 신호 인가 시 초기화되는 제1 리셋 입력을 구비한 제1 프로세서를 포함하는 제어부; 및 원격 서버와 데이터 통신을 수행하며 리셋 신호 인가 시 초기화되는 제2 리셋 입력을 구비한 제2 프로세서를 포함하는 통신부를 포함하고, 상기 제1 프로세서는, 상기 통신부의 동작 상태를 감시하고, 감시 결과 미리 설정된 제1 시간 동안 상기 통신부로부터 데이터 또는 응답 신호가 수신되지 않으면 상기 제2 리셋 입력으로 리셋 신호를 출력하도록 구성되고, 상기 제2 프로세서는, 상기 제어부의 동작 상태를 감시하고, 감시 결과 미리 설정된 제2 시간 동안 상기 제어부로부터 데이터 또는 응답 신호가 수신되지 않으면 상기 제1 리셋 입력으로 리셋 신호를 출력하도록 구성되는 것 을 특징으로 하는 모듈형 스마트팜 제어시스템.
청구항 4에 있어서, 상기 제어부와 상기 통신부는, 데이터 통신과는 별개로 서로의 정상 동작 상태를 알리는 주기적인 하트비트(Heartbeat) 신호를 교환하도록 구성되고, 상기 제1 프로세서가 상기 통신부로부터 상기 하트비트 신호를 미리 설정된 제1 시간 동안 수신하지 못하는 것을, 상기 통신부로부터 데이터 또는 응답 신호가 수신되지 않은 것으로 판단하고, 상기 제2 프로세서가 상기 제어부로부터 상기 하트비트 신호를 미리 설정된 제2 시간 동안 수신하지 못하는 것을, 상기 제어부로부터 데이터 또는 응답 신호가 수신되지 않은 것으로 판단하는 것 을 특징으로 하는 모듈형 스마트팜 제어시스템.
스마트팜 제어시스템의 설치 방법에 있어서, 상기 스마트팜 제어시스템은 청구항1에 기재된 모듈형 스마트팜 제어시스템이고, 그 설치 방법은, (a) 공장 제작 과정에서, 상기 스마트팜 제어시스템에 연결되는 복수의 공용 케이블 연결을 위한 단자대를 구비하고 2개 이상의 도터보드 장착용 슬롯이 형성된 머더보드를 준비하고, 상기 단자대에 주 전원 공급용 케이블, 센서 데이터 입력용 공통 케이블, 및 도터보드 간 통신용 케이블을 포함하는 다수의 공용 케이블들을 사전 연결 조립한 후, 상기 케이블이 연결된 머더보드를 통합된 단일의 본체 케이스 내부에 고정 설치하는 단계; (b) 상기 (a) 단계 이후 스마트팜 설치 현장에서, 작업자가 사용자의 요구 기능에 해당하는 특정 도터보드를 선택하여, 상기 머더보드의 비어있는 슬롯 중 어느 하나에 별도의 공용 배선 작업 없이 물리적으로 장착하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계에서 장착된 도터보드의 종류에 맞는 보드커버를 상기 본체 케이스의 해당 슬롯 위치의 개방부에 결합하여 시스템 설치를 완료하는 단계를 포함하는 것 을 특징으로 하는 스마트팜 제어시스템의 설치 방법.
스마트팜 제어 시스템의 오류 자동 복구 방법에 있어서, 상기 스마트팜 제어 시스템은 스마트팜의 환경 제어 로직을 수행하며 제1 리셋 입력을 구비한 제1 프로세서를 포함하는 제어부, 및 원격 서버와 데이터 통신을 수행하며 제2 리셋 입력을 구비한 제2 프로세서를 포함하는 통신부를 구비하고, 상기 제어부와 통신부는 적어도 하나의 도터보드 상에 구현되며, 상기 오류 자동 복구 방법은, (a) 상기 제1 프로세서와 상기 제2 프로세서가, 데이터 통신의 유무와는 별개로, 서로의 정상 동작 상태를 알리는 주기적인 하트비트(Heartbeat) 신호를 상호 교환하는 단계; (b) 상기 제1 프로세서가 상기 통신부로부터 상기 하트비트 신호가 수신되는지를 감시하고, 미리 설정된 제1 시간 동안 상기 하트비트 신호가 수신되지 않으면 상기 통신부에 기능적 오류가 발생한 것으로 판단하는 단계; (c) 상기 제1 프로세서가 상기 (b) 단계의 오류 판단에 응답하여, 상기 제1 프로세서의 제어용 GPIO 포트로부터 상기 제2 프로세서의 상기 제2 리셋 입력으로 리셋 신호를 직접 출력함으로써 상기 통신부를 자동으로 복구시키는 단계; (d) 상기 제2 프로세서가 상기 제어부로부터 상기 하트비트 신호가 수신되는지를 감시하고, 미리 설정된 제2 시간 동안 상기 하트비트 신호가 수신되지 않으면 상기 제어부에 기능적 오류가 발생한 것으로 판단하는 단계; 및 (e) 상기 제2 프로세서가 상기 (d) 단계의 오류 판단에 응답하여, 상기 제2 프로세서의 제어용 GPIO 포트로부터 상기 제1 프로세서의 상기 제1 리셋 입력으로 리셋 신호를 직접 출력함으로써 상기 제어부를 자동으로 복구시키는 단계 를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트팜 제어 시스템의 오류 자동 복구 방법.
제6항에 있어서, 상기 (b) 단계 이후, 상기 도터보드가 상기 슬롯에 물리적으로 장착되면, 상기 머더보드 또는 상기 머더보드에 장착된 제어기능 도터보드가 상기 장착된 도터보드의 고유 식별 정보를 자동으로 감지하고, 상기 식별 정보에 기초하여 통신 주소 또는 기본 파라미터를 자동으로 설정하는 단계를 더 포함하는 것 을 특징으로 하는 스마트팜 제어시스템의 설치 방법.
제6항에 있어서, 상기 (c) 단계 이후, (d) 상기 머더보드의 슬롯 중 상기 도터보드가 장착되지 않은 예비 슬롯의 개방부에는, 상기 예비 슬롯을 먼지 또는 습기로부터 보호하기 위한 예비 슬롯 커버를 결합하는 단계를 더 포함하는 것 을 특징으로 하는 스마트팜 제어시스템의 설치 방법.
제7항에 있어서, 상기 제1 프로세서는 스마트팜의 환경 제어 로직을 수행하는 CPU(Central Processing Unit) 또는 MPU(Microprocessor Unit)이고, 상기 제2 프로세서는 원격 서버와의 데이터 통신 기능을 전담하는 통신용 MCU(Microcontroller Unit)인 것 을 특징으로 하는 스마트팜 제어 시스템의 오류 자동 복구 방법.
제7항에 있어서, 상기 (b) 단계 및 (d) 단계의 오류 판단은, 상기 제어부와 통신부 간에 교환되는 제어 데이터 또는 센서 데이터의 수신 유무와는 독립적으로, 상기 주기적인 하트비트 신호의 수신 유무만을 기준으로 수행되는 것 을 특징으로 하는 스마트팜 제어 시스템의 오류 자동 복구 방법.

Description

설치가 용이한 모듈형 스마트팜 제어시스템 및 그 설치 방법{Easily Installable Modular Smart Farm Control System} 본 발명은 정보통신기술(ICT)을 농업에 접목한 스마트팜(Smart Farm)의 제어 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 스마트팜의 핵심인 환경 제어 시스템의 물리적 아키텍처 및 그 운영 안정성 향상 기술에 관한 것이다. 상세하게는, 시스템의 전원 공급과 데이터 통신을 위한 공통 기반(Backplane) 역할을 수행하는 '머더보드(Motherboard)'와, 제어, 중계, 구동 등 각각의 특정 단위 기능을 수행하도록 모듈화된 다수의 '도터보드(Daughter board)'를 표준화된 슬롯 방식으로 결합하는 새로운 하드웨어 플랫폼을 제안한다. 또한, 이러한 제어 시스템 내부에서 발생할 수 있는 소프트웨어적 또는 하드웨어적 오류를 시스템이 자체적으로 감지하고 자동으로 복구(reset)하여 운영의 연속성과 신뢰성을 보장하는 기술을 포함한다. 이를 통해, 종래 기술이 가졌던 복잡한 설치 과정, 높은 구축 비용, 낮은 확장성 및 운영 불안정성의 문제들을 크게 개선하여, 설치 편의성, 시스템 확장성, 경제성 및 운영 신뢰성을 획기적으로 향상시킨 모듈형 스마트팜 제어시스템 및 그 설치 방법에 관한 것이다. 본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 명세서에 종래기술로 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 공지된 기술이라고 인정하는 것은 아니다. 최근 농업 패러다임은 노동 집약적 구조에서 벗어나, 정보통신기술(ICT)을 활용하여 작물의 생육 환경을 정밀하게 제어하고 생산 효율을 극대화하는 스마트팜 기술로 빠르게 전환되고 있다. 스마트팜 시스템의 중추 신경계에 해당하는 '스마트팜 제어시스템'은 온도, 습도, CO2, 광량 등 다양한 환경 데이터를 센서로부터 수집하고, 사전에 설정된 로직 또는 인공지능 알고리즘에 따라 냉난방기, 환풍기, 관수 밸브, 차광막 등 각종 구동기(Actuator)를 제어하여 최적의 생육 환경을 조성하는 역할을 수행한다. 일반적으로 종래의 스마트팜 제어시스템은 기능별로 독립된 장치들이 조합되는 분산형 모듈 구조를 채택해왔다. 즉, 시스템의 두뇌 역할을 하는 '제어기(Controller)', 통신 거리를 확장하거나 다수의 장치를 연결하기 위한 '중계기(Repeater)', 그리고 실제 펌프나 모터 등을 구동하는 '구동기(Driver)'가 각각의 인쇄회로기판(PCB)과 독립된 외장 케이스를 가진 별도의 제품으로 개발 및 공급되었다. 설치 현장에서는 작업자가 이러한 개별 모듈들을 제어판넬 내부에 물리적으로 배치하고, 각 모듈에 전원을 공급하며 모듈 간 통신 및 제어 신호를 주고받기 위한 모든 배선 작업을 수작업으로 진행해야만 했다. 그러나 이러한 종래의 개별 모듈 방식은 스마트팜 기술의 보급 및 확산에 걸림돌이 되는 다음과 같은 명백한 한계점들을 내포하고 있었다. 첫째, 경제성의 문제이다. 시스템을 구성하는 모든 기능 모듈이 각각의 독립된 케이스를 필요로 하므로, 시스템의 규모가 커지거나 기능이 복잡해져 필요한 모듈의 수가 증가할수록 전체 케이스 제작에 소요되는 자재비와 가공비가 비례하여 상승하는 구조적 문제점을 가진다. 이는 스마트팜 도입의 초기 비용 부담을 가중시키는 주된 요인이 되었다. 둘째, 설치 및 유지보수의 복잡성 문제이다. 모든 모듈 간의 전원선, 통신선, 신호선 연결을 설치 현장에서 작업자가 직접 수행해야 하므로, 설치 과정이 매우 복잡하고 시간이 오래 걸려 과도한 인건비를 유발했다. 더욱이, 수십 가닥에 이르는 복잡한 배선 작업은 비전문가에 의해 수행될 경우, 케이블의 오결선이나 누락과 같은 인적 오류를 유발할 가능성이 매우 높다. 이러한 설치 오류는 시스템의 초기 오작동이나 불안정성의 원인이 되어, 이를 진단하고 수정하는 데 추가적인 시간과 비용을 초래하는 악순환을 야기했다. 셋째, 시스템 구성의 비효율성 문제이다. 대부분의 스마트팜 제어시스템에는 제어기와 중계기가 필수적으로 포함됨에도 불구하고, 이들을 각각 별도의 하드웨어 모듈 및 케이스로 제작하는 것은 불필요한 중복과 비용 상승을 유발했다. 특히, 일부 종래의 중계기 모듈은 통신 프로토콜 처리를 위해 자체적으로 마이크로컨트롤러(MCU)를 탑재하고 있는데, 시스템 전체를 관장하는 주 제어기에도 고성능의 중앙처리장치(CPU) 또는 MCU가 존재함에도 불구하고 중계기 제어를 위해 별도의 MCU를 추가로 장착하는 경우가 많았다. 이는 하드웨어 리소스의 이중 사용으로 인한 명백한 비효율이자 원가 상승 요인이었다. 넷째, 확장성의 한계이다. 농가에서 초기 도입 후 운영 과정에서 새로운 기능(예: 양액 제어, 추가 구역 난방)을 추가하고자 할 경우, 새로운 기능 모듈을 구매하여 제어판넬 내부에 물리적 공간을 확보하고, 기존 시스템과 연동하기 위한 복잡한 추가 배선 및 설정 작업을 거쳐야만 했다. 이는 시스템 변경 및 확장의 유연성을 크게 저해하는 요인이었다. 또한, 이러한 전자 장비로 구성된 스마트팜 제어기는 소프트웨어적인 꼬임(hang-up), 외부 노이즈, 전원 불안정 등 예측 불가능한 다양한 원인으로 인해 시스템 오류가 발생하여 정상적인 동작을 멈추는 경우가 있다. 예를 들어, 통신부의 무선 통신 모듈이 일시적인 장애로 응답 불능 상태에 빠지거나, 제어부의 프로그램이 무한 루프에 진입하여 멈추는 현상이 발생할 수 있다. 시스템 동작 중에 이러한 오류가 발생하면, 관리자가 직접 농장 현장까지 출동하여 장치의 전원을 수동으로 껐다가 켜는 방식으로 시스템을 복구해야만 했다. 이러한 방식은 몇 가지 심각한 문제점을 야기한다. 첫째, 농장은 대부분 도심에서 멀리 떨어진 외곽 지역에 위치하므로 문제 발생 시 관리자가 현장에 도착하기까지 상당한 시간이 소요되어 신속한 대응이 불가능하다. 둘째, 시스템이 멈춰있는 동안 작물 생육 환경 제어가 중단되므로, 급격한 온도 변화나 수분 부족 등으로 인해 작물이 냉해를 입거나 고사하여 막대한 경제적 손실로 이어질 수 있다. 셋째, 잦은 현장 출동은 그 자체로 인력과 시간, 비용 측면에서 큰 부담이 된다. 따라서, 상술한 종래 기술의 복합적인 문제점들, 즉 높은 비용, 복잡한 설치, 낮은 확장성, 비효율적인 하드웨어 구성 및 운영 안정성 부족 문제를 근본적으로 타파하고, 보다 저렴한 비용으로 빠르고 쉽게 설치하며, 농가의 요구 변화에 따라 유연하게 기능을 확장하고, 어떠한 상황에서도 안정적인 운영을 보장할 수 있는 스마트팜 제어시스템 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다. 본 발명의 독창성과 진보성을 명확히 하기 위해, '모듈화', '백플레인(Backplane)', '기능 통합' 등의 핵심 개념과 관련된 선행기술문헌을 분석한 결과, 관련 개념들이 일부 기술 분야에서 단편적으로 개시된 바는 있으나, 본 발명과 같이 스마트팜 환경의 특수성(비용 민감성, 가혹한 운영 환경, 설치 편의성, 확장성 요구)을 종합적으로 고려하여 제어기, 중계기, 구동기 등 핵심 구성요소를 단일 플랫폼에 통합한 포괄적인 하드웨어 아키텍처는 발견되지 않았다. (1) 미국특허공보 US 11,402,813 B2 상기 하니웰(HONEYWELL) 특허는 빌딩 자동화 시스템(BMS)을 위한 '벽걸이형 범용 백플레인'을 개시한다. 이 기술은 표준화된 기계적/전기적 인터페이스를 갖는 다수의 '범용 센서 수용 베이'를 백플레인에 마련하고, 컨트롤러가 각 베이에 장착된 센서 모듈의 종류를 자동으로 발견(auto-discover)하는 것을 특징으로 한다. 이 기술은 '백플레인(본 발명의 머더보드에 대응)', '표준화된 슬롯', '자동 인식(플러그 앤 플레이)'이라는 점에서 본 발명과 일부 유사한 개념을 포함한다. 그러나 다음과 같은 본질적인 차이점과 명백한 한계를 가진다. - 기술 분야의 비유사성: 해당 기술은 높은 신뢰성과 정밀성이 요구되며 그에 상응하는 고비용 구조가 허용되는 빌딩 자동화 분야를 대상으로 한다. 반면, 본 발명이 적용되는 스마트팜 분야는 가격에 극도로 민감하며, 분진, 높은 습도, 극심한 온도 변화 등 훨씬 가혹한 산업 환경에 노출된다. 따라서 당업자가 빌딩 자동화용으로 설계된 고가의 정밀 시스템을, 전혀 다른 문제(비용 절감, 설치 간소화)를 가진 스마트팜 분야에 적용하려는 동기를 갖기 어렵다. - 기능적 범위의 한계: 해당 특허의 주된 기술적 사상은 다양한 종류의 '센서'를 유연하게 수용하는 것에 국한된다. 본 발명과 같이 스마트팜 제어 시스템의 핵심 구성요소인 '제어기(Controller)', '중계기(Repeater)', '다채널 구동기(Driver)' 자체를 동등한 자격의 모듈(도터보드)로서 동일 백플레인(머더보드)에 통합하는 포괄적인 '시스템 통합 아키텍처'에 대한 교시나 암시는 전혀 찾아볼 수 없다. - 배선 문제의 불완전한 해결: 센서 모듈과 백플레인 간의 연결은 단순화했지만, 시스템 전체의 배선 문제, 즉 주 전원 분배, 다수의 구동기로 출력되는 액추에이터 라인, 외부 장치와의 통신선 등을 공장에서 미리 연결하여 현장 작업을 최소화하는 본 발명의 '사전 배선(Pre-wired)' 머더보드' 개념은 포함하고 있지 않다. 결론적으로, 상기 특허는 백플레인 아키텍처의 일반적인 가능성을 보여줄 뿐, 본 발명이 해결하고자 하는 스마트팜 제어 시스템의 고유한 복합적 문제에 대한 구체적이고 완전한 해결책을 제시하지 못한다. (2) 미국 공개특허공보 US 2016/0235020 A1 상기 공개특허는 농업용 관개 분야를 대상으로 하며, 제거 가능한 모듈(removable modules)을 주 제어기에 삽입하여 제어 가능한 밸브 스테이션의 수를 확장하는 '모듈형 관개 컨트롤러'를 개시한다. 이 기술은 대상 분야가 농업이라는 점과 기능 확장을 위해 모듈화 개념을 채택했다는 점에서 관련성이 있으나, 본 발명의 핵심적인 기술 사상과는 근본적인 차이를 보인다. - '기능 확장' 대 '시스템 통합'의 패러다임 차이 : 이 기술은 기본 기능이 내장된 주 제어기에 동일한 종류의 확장 모듈을 추가하여 제어 채널 수를 늘리는 전형적인 기능 확장(Feature Expansion) 모델이다. 이는 본 발명이 제안하는 시스템 통합(System Integration) 모델과 근