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KR-20260061584-A - Measurement System for Collecting Data for Plant Stress Analysis and Plant Stress Diagnosis Method Using the Same

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Abstract

본 발명은 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템 및 이를 이용한 식물 스트레스 진단 방법에 관한 것으로서, 상기 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템은 학습대상 식물이 식생된 식생부재가 수용될 수 있도록 내부에 내부공간이 마련된 본체와, 상기 학습대상 식물이 스트레스를 받을 수 있는 스트레스 조건에 대응되게 상기 내부공간의 환경을 조절하는 환경 조절부와, 상기 스트레스 조건에서의 상기 학습대상 식물의 식생 상태 또는 식생 환경에 대한 정보를 측정하는 상태 측정부를 구비한다. 본 발명에 따른 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템 및 이를 이용한 식물 스트레스 진단 방법은 초음파 마이크, RGB 이미지 센서, 조도 센서, 온습도 센서, 토양 습도 센서와 같은 다양한 센서를 이용하여 스트레스 상황에 대한 식물의 상태 및 식생 환경에 대한 데이터를 용이하게 수집하고, Self-Attention 및 Cross-Modal Attention 메커니즘을 적용한 딥러닝 기반의 신경망 모델을 통해 수집된 데이터를 정확하게 분석하여 식물의 스트레스 상태를 예측하기 위한 신경망 모델을 구축하므로 보다 간편에서 식물을 관리할 수 있는 장점이 있다. 이번 연구는 과학기술정보통신부에서 지원하는 호남대학교 AI융합대학 지원사업의 결과물이다.

Inventors

  • 백으뜸
  • 한세현
  • 이문영
  • 장경민

Assignees

  • 호남대학교 산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (15)

  1. 학습대상 식물이 식생된 식생부재가 수용될 수 있도록 내부에 내부공간이 마련된 본체; 상기 학습대상 식물이 스트레스를 받을 수 있는 스트레스 조건에 대응되게 상기 내부공간의 환경을 조절하는 환경 조절부; 및 상기 스트레스 조건에서의 상기 학습대상 식물의 식생 상태 또는 식생 환경에 대한 정보를 측정하는 상태 측정부;를 구비하는, 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상태 측정부는 상기 학습대상 식물에서 발생된 음향 신호를 측정하기 위해 상기 본체에 설치되는 초음파 마이크; 및 상기 학습대상 식물의 색상 변화를 측정하는 색상 감지 센서;를 구비하는, 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 상태 측정부는 상기 내부공간 내의 조도를 측정하는 조도 센서; 상기 내부공간의 온도 또는 습도를 측정하는 온습도 센서; 및 상기 학습대상 식물에 공급되는 물의 양을 측정하는 급수 측정유닛;을 구비하는, 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 식생부재는 상기 학습대상 식물이 식생되는 토양이 수용되는 수용공간이 형성되고, 상기 급수 측정유닛은 상기 수용공간에 수용된 토양의 습도를 측정할 수 있는 토양습도센서;를 구비하는, 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 학습대상 식물의 급수를 위한 물이 수용된 물탱크와, 상기 물탱크에 수용된 물을 상기 학습대상 식물에 공급하는 물 공급부가 마련된 관수유닛;을 더 구비하고, 상기 급수 측정유닛은 상기 물탱크에 수용된 물의 수위를 측정하는 수위센서; 및 상기 수위센서에서 측정된 수위 값을 토대로 상기 학습대상 식물에 공급된 물의 양을 산출하는 산출모듈;을 구비하는, 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 환경 조절부는 상기 내부공간의 조도를 조절하기 위해 상기 내부공간으로 광을 조사하는 조사램프; 상기 본체에 설치되어 상기 내부공간의 온도를 증가시키는 히터; 상기 내부공간의 공기를 냉각시키는 쿨링유닛; 상기 본체에 설치되어 상기 학습대상 식물에 물을 공급하는 관수유닛; 및 상기 학습대상 식물로 공급되는 물의 양을 조절하기 위해 상기 관수유닛을 제어하는 관수 제어부;를 구비하는, 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 본체는 외기가 상기 내부공간으로 유입되는 유입구와, 상기 내부공간의 공기를 외부로 배출시키기 위한 배출구가 형성되고, 상기 쿨링유닛은 상기 내부공간의 공기를 외부로 배출시킬 수 있도록 상기 본체에 설치되어 상기 내부공간의 공기를 상기 배출구를 통해 외부로 강제 송풍시키는 적어도 하나의 송풍팬;을 구비하는, 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 본체는 상기 내부공간의 공기가 외부로 배출되기 위한 배기창이 형성되고, 상기 쿨링유닛은 상기 배기창을 개폐하기 위해 상기 본체에 설치되는 개폐부재; 및 상기 배기창을 통해 상기 내부공간의 공기가 외부로 배출되도록 상기 개폐부재를 제어하는 개폐 제어부;를 구비하는, 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템.
  9. 식물의 스트레스 상태 정보가 레이블링된 학습대상 식물의 식생 상태 또는 식생 환경에 대한 측정 데이터들을, 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템으로부터 수집하는 데이터 수집단계; 상기 각 측정 데이터에 대해 특징 정보를 추출하는 특징 추출 단계; 상기 특징 추출 단계에서 추출된 각 측정데이터들의 특징 정보 사이에 상관 관계를 분석하는 관계 분석단계; 상기 관계 분석단계에서 분석된 상관 관계 정보를 이용하여 식물의 스트레스 상태를 예측하기 위한 신경망 모델을 학습하는 모델 생성단계;를 포함하는, 식물 스트레스 진단 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 데이터 수집단계에서, 상기 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템으로부터, 상기 학습대상 식물에서 발생된 음향 측정 데이터 및 상기 학습대상 식물의 색상 변화에 대한 색상 측정 데이터를 수집하는, 식물 스트레스 진단 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 데이터 수집단계에서, 상기 학습대상 식물이 수용된 본체의 내부공간의 조도에 대한 조도 측정 데이터, 상기 내부공간의 온도에 대한 온도 측정 데이터, 상기 내부공간의 습도에 대한 습도 측정 데이터 및 상기 학습대상 식물에 공급되는 물의 양에 대한 급수 측정 데이터를 수집하는, 식물 스트레스 진단 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 관계 분석단계에서, 상기 음향 측정 데이터의 특징 정보와 색상 측정 데이터의 특징 정보의 상관 관계를 분석하고, 상기 색상 측정 데이터의 특징 정보와 조도 측정 데이터의 특징 정보의 상관 관계를 분석하고, 상기 조도 측정 데이터의 특징 정보와 온도 측정 데이터의 특징 정보의 상관 관계를 분석하고, 상기 급수 측정 데이터의 특징 정보와 습도 측정 데이터의 특징 정보의 상관 관계를 분석하는, 식물 스트레스 진단 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 특징 추출 단계에서, 상기 각 측정 데이터에서 추출된 특징 정보를 Self Attention을 이용하여 강조하는, 식물 스트레스 진단 방법.
  14. 제9항 또는 제13항에 있어서, 상기 관계 분석 단계에서, Cross-Modal Attention을 이용하여 상기 각 측정 데이터들의 특징 정보 간 상관 관계를 분석하는, 식물 스트레스 진단 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 신경망 모델은 MLP(Multi-Layer Perceptron)로 구성된, 식물 스트레스 진단 방법.

Description

식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템 및 이를 이용한 식물 스트레스 진단 방법{Measurement System for Collecting Data for Plant Stress Analysis and Plant Stress Diagnosis Method Using the Same} 본 발명은 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템 및 이를 이용한 식물 스트레스 진단 방법에 관한 것으로서, 다양한 센서를 이용하여 식물의 식생 상태 및 식생 환경에 대한 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 토대로 식물의 스트레스 분석을 위한 신경망 모델을 구축하는 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템 및 이를 이용한 식물 스트레스 진단 방법에 관한 것이다. 최근 환경 변화 및 농업 기술의 발전에 따라, 스마트 농업이 주목받고 있으며, 그 중에서도 식물의 스트레스 요인을 실시간으로 분석하고 적절한 조치를 취할 수 있는 기술이 필요성이 증가하고 있다. 식물은 온도, 습도, 조도, 물의 공급 상태와 같은 다양한 환경 요인에 의해 스트레스를 받으면 생장에 지장을 초래하게 되며, 이는 작물의 생산성과 품질에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 식물의 스트레스를 조기에 감지하고 대응할 수 있는 기술이 중요해졌다. 종래의 기술에서는 식물의 생장 상태를 주로 육안으로 확인하거나, 단일 센서를 이용한 분석 시스템이 일부 개발되어 왔다. 예를 들어, 토양의 습도나 온도만을 감지하여 단순한 스트레스 요인을 모니터링하는 방식이다. 그러나 이러한 방법은 여러 가지 복합적인 스트레스 요인을 동시에 고려하지 못하며, 정확한 실시간 분석 및 대응이 어렵다는 한계가 있다. 도 1은 본 발명에 따른 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템에 대한 사시도이고, 도 2는 도 1의 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템에 대한 단면도이고, 도 3은 도 1의 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템에 대한 블럭도이고, 도 4는 본 발명에 따른 식물 스트레스 진단 방법에 대한 순서도이다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템 및 이를 이용한 식물 스트레스 진단 방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 도 1 내지 도 3에는 본 발명에 따른 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템(100)이 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 상기 식물 스트레스 분석용 데이터 수집을 위한 측정 시스템(100)은 학습대상 식물이 식생된 식생부재(15)가 수용될 수 있도록 내부에 내부공간(201)이 마련된 본체(200)와, 상기 학습대상 식물이 스트레스를 받을 수 있는 스트레스 조건에 대응되게 상기 내부공간(201)의 환경을 조절하는 환경 조절부(300)와, 상기 스트레스 조건에서의 상기 학습대상 식물의 식생 상태 또는 식생 환경에 대한 정보를 측정하는 상태 측정부(400)를 구비한다. 식생부재(15)는 상기 학습대상 식물이 식생되는 토양이 수용되는 수용공간이 형성된다. 해당 식생부재(15)는 상면이 개방되게 형성되며, 도면에 도시되진 않았지만, 배수를 위한 다수의 배수공이 형성되어 있다. 본체(200)는 내부에 식생부재(15)가 수용되는 내부공간(201)이 마련되며, 외부에서 식생부재(15)의 학습대상 식물의 상태를 관찰할 수 있도록 투명한 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 본체(200)는 전면에, 외기가 상기 내부공간(201)으로 유입되는 유입구(202)가 형성되고, 유입구(202)에 대향되는 후면에는 상기 내부공간(201)의 공기를 외부로 배출시키기 위한 배출구(203)가 형성되어 있다. 또한, 본체(200)는 측면에, 내부공간(201)의 공기 배출되기 위한 배기창이 형성되어 있다. 해당 배기창은 후술되는 개폐부재(332)에 의해 개폐된다. 환경 조절부(300)는 상기 내부공간(201)의 조도를 조절하기 위해 상기 내부공간(201)으로 광을 조사하는 조사램프(310)와, 상기 본체(200)에 설치되어 상기 내부공간(201)의 온도를 증가시키는 히터(320)와, 상기 내부공간(201)의 공기를 냉각시키는 쿨링유닛(330)과, 상기 본체(200)에 설치되어 상기 학습대상 식물에 물을 공급하는 관수유닛(340)과, 상기 학습대상 식물로 공급되는 물의 양을 조절하기 위해 상기 관수유닛(340)을 제어하는 관수 제어부(미도시)를 구비한다. 조사램프(310)는 본체(200)의 내부공간(201) 천장면에 설치되어 식생부재(15) 측으로 광을 조사한다. 해당 조사램프(310)는 다수의 LED를 구비하고, 관리자로부터 입력된 조도 또는 밝기 정보에 대응되는 광을 발생시키는 것이 바람직하다. 히터(320)는 도면에 도시되진 않았지만, 본체(200)의 내벽면에 설치되어 내부공간(201)의 공기를 가열한다. 해당 히터(320)는 인가된 전기에 의해 발열하는 전열선으로 이루어지나, 이에 한정하는 것이 아니라 본체(200)의 내부공간(201)의 온도를 높일 수 있는 가열수단이면 무엇이든 적용가능하다. 쿨링유닛(330)은 상기 내부공간(201)의 공기를 외부로 배출시킬 수 있도록 상기 본체(200)에 설치되어 상기 내부공간(201)의 공기를 상기 배출구(203)를 통해 외부로 강제 송풍시키는 복수의 송풍팬(331)과, 상기 배기창을 개폐하기 위해 상기 본체(200)에 설치되는 개폐부재(332)와, 상기 배기창을 통해 상기 내부공간(201)의 공기가 외부로 배출되도록 상기 개폐부재(332)를 제어하는 개폐 제어부(미도시)를 구비한다. 송풍팬(331)은 각각 유입구(202) 및 배출구(203)에 대응되는 위치의 본체(200)에 각각 설치되어 외기를 본체(200) 내부로 강제 송풍시키고, 내부공간(201)의 공기를 본체(200) 외부로 배출시킨다. 상기 송풍팬(331)은 공기를 강제 순환시키기 위해 종래에 일반적으로 사용되는 송풍수단이 적용되므로 상세한 설명은 생략한다. 개폐부재(332)는 상기 배기창을 개폐하기 위해 회동가능하게 상기 본체(200)에 설치되는 커버판(333)과, 상기 커버판(333)을 회동시키는 커버구동부재(미도시)를 구비한다. 상기 커버판(333)은 일단이 본체(200)에 회동가능하게 설치되며, 배기창을 덮을 수 있도록 배기창의 면적에 대응되는 면적을 갖도록 형성된다. 또한, 커버판(333)은 배기창을 폐쇄한 상태에서, 외부에서 본체(200) 내부를 관찰할 수 있도록 투명한 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 커버구동부재는 도면에 도시되진 않았지만, 커버판(333)의 회동축에 설치되어 해당 커버판(333)을 회동시킨다. 해당 커버구동부재는 인가된 전력에 의해 회동력을 발생시키는 전기모터가 적용될 수 있다. 개폐 제어부는 관리자로부터 작동신호가 입력되면 배기창이 개방되게 커버판(333)이 회동되도록 커버구동부재를 작동시킨다. 개폐 제어부에 의해 배기창이 개방되면, 배기창을 통해 본체(200) 내부의 공기가 외부로 배출되어 본체(200) 내부온도가 감소할 수 있다. 관수유닛(340)은 상기 학습대상 식물의 급수를 위한 물이 수용된 물탱크(341)와, 상기 물탱크(341)에 수용된 물을 상기 학습대상 식물에 공급하는 물 공급부(342)를 구비한다. 상기 물탱크(341)는 본체(200)의 내부공간(201)에 설치되며, 내부에 다량의 물이 수용될 수 있는 공간이 형성되어 있다. 물 공급부(342)는 양단이 각각 물탱크(341) 및 식생부재(15)에 연결되는 공급관(343)과, 상기 공급관(343)에 설치되어 물탱크(341)에 수용된 물을 펌핑하여 식생부재(15)의 토양으로 공급하는 공급펌프(344)를 구비한다. 한편, 관수유닛(340)은 이에 한정하는 것이 아니라 식생부재(15)에 수용된 토양에 물을 공급할 수 있는 급수수단이면 무엇이든 적용가능하다. 관수 제어부는 관리자로부터 입력된 급수량, 급수 주기, 급수 시간에 대응되게 식생부재(15)로 물이 공급되도록 해당 공급펌프(344)를 제어한다. 관리자는 관수 제어부를 이용하여 학습대상 식물에 대한 급