수직농장 폐양액 재활용을 위한 EC·pH 자동 보정 알고리즘 설계 및 검증

• 영문명: Design and Experimental Verification of an Automatic EC–pH Compensation Algorithm
• 발행기관: 한국스마트미디어학회
• 저자명: 정현창(Hyeon Chang Jeong) 김현준(Hyun Jun Kim) 이명훈(Meong Hun Lee)
• 간행물 정보: 『스마트미디어저널』제14권 제11호, 136~142쪽, 전체 7쪽
• 주제분류: 공학 > 컴퓨터학
• 파일형태: PDF
• 발행일자: 2025.11.28

국문 초록

기후변화와 도시화로 인한 식량 위기에 대응하여, 수직농장은 연중 안정적 작물 생산이 가능한 대안으로 주목받고 있다. 그러나 폐양액의 과다 발생과 수동 기반의 EC·pH 관리 방식은 재활용 효율과 작물 생육 안정성을 저해하는 문제로 지적된다. 본 연구는 이러한 한계를 해결하고자, 센서 데이터를 기반으로 EC 및 pH를 실시간 감지하고 자동 보정하는 퍼지 제어 알고리즘을 설계하였다. 제안된 시스템은 오차 및 변화율을 입력값으로 활용해 희석수와 산·염기 주입량을 퍼지 추론 방식으로 제어하며, 복합 변수 간 상호 간섭을 최소화하는 구조로 구현되었다. 소형 수직농장 환경에서의 반복 실험 결과, EC는 약 90초, pH는 140초 이내에 목표값에 안정적으로 수렴하였고, 평균 오차는 각각 ±0.03, ±0.04 수준으로 유지되었다. 수동 제어 대비 전체 안정화 시간은 약 40% 단축되었으며, 평균 오차율은 52% 이상 개선되었다. 본 연구는 수직농장의 폐양액을 생육 가능 수준으로 자동 보정할 수 있는 기술적 기반을 제시하였으며, 향후 고정밀 센서 보강, 대규모 시스템 확장성, 디지털 트윈 기반 검증 체계 및 지능형 제어 프레임워크 개발 등 후속 연구로의 확장이 요구된다.

영문 초록

In response to the global food crisis driven by climate change and urbanization, vertical farming has emerged as a promising solution for stable year-round crop production. However, excessive discharge of nutrient solution and the limitations of manual EC and pH control hinder recycling efficiency and crop growth stability. This study addresses these challenges by designing a fuzzy control algorithm that automatically detects and adjusts EC and pH in real time based on sensor data. The proposed system calculates errors and their rates of change to regulate the injection of diluents and acids/bases through fuzzy inference, minimizing interference between control variables. Experimental validation in a small-scale vertical farm showed that EC and pH stabilized to their target values within approximately 90 and 140 seconds, respectively, with mean errors maintained at ±0.03 and ±0.04. Compared to manual control, total stabilization time was reduced by about 40%, and the average error rate improved by over 52%. This research presents a technical foundation for automatically adjusting discharged nutrient solutions to crop-appropriate quality levels and highlights the need for future work in sensor accuracy enhancement, system scalability, digital twin-based verification, and intelligent control frameworks.

목차

Ⅰ. 서론

Ⅱ. 관련 연구

Ⅲ. 시스템 구성 및 제어 이론

Ⅳ. EC·pH 자동 보정 알고리즘 설계

Ⅴ. 실험 결과 및 성능 검증

Ⅵ. 결론

키워드

수직농장 폐양액 재활용 자동 보정 알고리즘 EC pH Vertical farming Nutrient solution recycling Electrical conductivity Potential of Hydrogen Automatic compensation algorithm