†To whom correspondence should be addressed. E-mail: 서론
최근 농업사회에 젊은 층 유입이 증가하고 그와 함께 농가를 효율적으로 운영할 수 있는 스마트 팜을 적용한 농업 기술이 활용되고 있다. 농업과 지역사회가 발전할 수 있는 기술로 스마트 팜이란 ‘시간과 공간의 제약 없이’ 원격/자동으로 작물의 환경을 관측하고 최적의 상태로 관리하는 시스템의 농업 방식을 말한다(Padhiary, Barbhuiya, Roy, & Roy, 2024). 편리성과 효율을 추구하는 기술이지만 실용화되지 못하는 문제점이 있다. 설치한 스마트 팜을 철회하는 농가가 증가하고 있다. 그 문제점을 파악하고 농업사회가 활성화될 수 있는 방안을 찾고자 연구를 진행한다.
스마트 팜이 실용화되지 못하는 원인을 “어려운 접근성”이라 말할 수 있다. 초기 비용으로 평균 5~10억의 투자가 필요하고 농업 사업을 시작하고자 하는 젊은 층에게 적은 비용이 아니다. 정부의 다양한 지원 정책이 있지만 개인이 부담해야 할 비용이 크다. 농업 어떠한 작물을 재배하는지, 농가의 위치가 어디인지에 따라 필요한 시설이 각기 다르다. 재배하고 있는 작물에 필요할지 혹은 사용될지 명확하지 않은 스마트 팜의 시설을 모두 설치 및 투자하는 것은 사업을 시작하기에 부담감을 준다. 이에 대한 대안으로 디지털 트윈이나 시뮬레이션 기반 시스템의 필요성이 제기되고 있다(Ban, 2022).
이미 스마트 팜 농업을 진행하고 있는 이들은 전반적으로 어르신들로 구성되어 있다. 어르신 층은 스마트폰으로 센서를 조작해야 하는 어려움과 조작에 따른 시설의 변화를 파악하기 어려워 철회로 이어지는 상황이 발생한다. 이런 사용자 편의성 문제는 특히 시각적 피드백이나 3D 기반 조작 시뮬레이션을 통해 개선될 수 있으며, LiDAR나 MR 기반의 인터페이스가 그 해결 방안으로 제시되고 있다(Lowe et al., 2020; Ivanovic et al., 2022).
지역사회의 외부로는 개인의 투자 비용을 줄이기 위한 대규모 “스마트 팜 밸리” 사업이 현재 진행 중이다. 스마트 팜을 적용한 사업으로 개인 사업가와 기술의 발전을 위한 사업이지만 지역 인구가 빠져나가 농촌 사회의 양극화와 불균형을 초래할 것이라는 의견과 지역 사회의 소멸이라는 2차 문제가 발생할 수 있다는 여러 이유로 반대 시위가 이어지고 있다.
이에 실질적으로 스마트 팜 농업 사업 시작에 있어 필요한 기능을 선택하여 비용 부담을 줄이고 조작할 수 있는 시뮬레이션을 통해 농가의 동작 모습을 시각적으로 확인할 수 있는 “설치비용 기반의 3D 스마트 팜 시뮬레이션”을 제안한다. 이는 단순한 시스템 안내를 넘어 작물 유형에 따른 설비 배치, 효율성 분석, 환경 제어 시나리오 등을 체험할 수 있도록 설계되어야 하며, 최근 연구들은 UAV 기반 작물 분석, 3D LiDAR 기반 환경 이해를 통해 그러한 방향의 기술적 기반이 이미 존재함을 보여주고 있다(Dhami et al., 2019).
본 논문은 다음과 같이 구성된다. 2장에서는 관련 연구, 3장에서는 본론으로 요구사항 정의, 차별성, 시스템 설계, 구현, 최종 결과물에 대해 설명한다. 4장은 본 프로젝트를 완성 후 결론과 향후 기대 효과를 설명한다.
관련 연구
1. 유사 연구 사례조사
스마트 팜 혹은 농업 사회에 관련한 선행되었던 연구 자료가 있는지 조사하였다. 2개의 유사한 연구 사례를 확인할 수 있었다.
1) 가상현실 기반 농업시설 공기 유동 시뮬레이터의 개발 사례
가상현실에서 농업시설 환기 시스템(창 개폐, 환기 팬 가동)의 영향에 따른 공기의 흐름을 시각화하여 정량화된 환경 분포를 제공하는 시뮬레이터이다. 일반 농가의 공기 흐름만을 시각화한 프로그램으로 사용자에게 제공되는 정보가 매우 한정적이다.
2) 공기 흐름과 온도 분포를 시각화한 아이디어
가상현실로 공기 흐름과 온도 분포를 시각화하여 스마트 팜 농업시설 교육용 가상현실 콘텐츠 개발을 제의한 자료가 있다. 프로그램 시스템이 구현되지 않았다. 농용기계 사용에 대한 시뮬레이터는 체험할 수 있는 가상현실이 개발되어 있지만 스마트 팜에 대한 시설을 중점으로 구현된 시스템과 연구 자료를 찾아볼 수 없다.
본론
1. 핵심기능 및 차별성
본 시스템을 구현하는데 핵심 기능과 다른 시스템들과의 차별성을 설명한다.
1.1 핵심기능01
비용을 고려한 필요시설 설치와 가상 시나리오로 기본적으로 설치 가능한 센서들을 제공한다. 센서 별로 비용이 있으면 선택 시 비용을 산정해 출력한다. 선택된 센서를 스마트 팜 공간에 설치하고 시뮬레이션 시 센서 값들을 출력한다. 가상의 시나리오에 따라 센서 값이 변경되고 스마트 팜은 그에 적절하게 대처한다.
- 설치 가능한 센서 종류: 온도, 습도, CO2, 해충.
- 시스템 시설 종류: 환기, 관수 ,난방, 약품.
2. 시스템 설계
2.1 시스템 구조도 및 모듈 상세설명
본 시스템을 구현하기 위해 C# 프로그래밍과 Unity 3D Engine을 활용하였다. 그 외의 개발환경 설정은 표 1을 참고한다.
그림 1은 시스템을 구현하기 위한 구조도(아키텍쳐)를 구성한다. 사용자 예산 산정 모듈은 사용자가 선택한 센서에 대한 비용을 관리한다. 센서 모듈을 온도, 습도, CO2, 병해충에 대한 값들을 관리한다. 입력 모듈은 사용자가 센서의 값을 조작함으로 변화된 센서 값으로 가상공간에 기능들과 상호작용하는 모듈이다. 기능 모듈은 가상공간에 설치된 시설에 대한 것으로 입력에 따른 시설을 제어한다. 물주기, 환풍기 팬 작동, 난방기 작동, 창문 개폐, 해충과 같은 기능들이 있다. 시나리오 모듈은 하루를 기준으로 아침, 점심, 저녁, 밤으로 진행된다. 하루가 끝나면 시나리오 모듈은 종료되고 처음 프로그램을 시작한 화면으로 돌아간다. 식물 모듈은 시나리오 진행에 따라 식물을 성장시키는 모듈이다.
3. 구현
3.1 최종 결과물 시연자료(이미지 및 영상)
그림 3은 최종 결과물인 Windows 실행 파일 SmartFarmGo. exe와 처음 프로그램을 실행하였을 때 나오는 메인화면이다. 중앙에 Simulation버튼을 클릭하여 시뮬레이션 화면으로 넘어간다.
그림 4는 센서 선택화면이다. 기본 센서인 온도, 습도, CO2, 강우 센서를 선택가능하면 각 센서 별로 어떤 기능을 하고 식물에게 줄 수 있는 영향을 설명한다. 센서를 선택하면 센서에 따라 설치해야 할 “설치기자재”가 추가 설명으로 나온다. 설치 기자재는 실제 스마트 팜에 설치되는 시설로 3D공간에서 직접 확인 할 수 있다. 오른쪽 상단에는 사용자가 설치한 센서에 따른 비용을 확인 할 수 있다. 화살표 버튼을 클릭하면 시뮬레이션 화면으로 넘어간다.
그림 5는 CCTV의 역할을 할 수 있도록 총 3개의 카메라로 구도를 바꿔 시뮬레이션 공간을 확인할 수 있다.
그림 6은 센서값을 출력하고 조정할 수 있는 창이다. 각 센서값이 적절한 값이면 녹색을 띄고 임계 값보다 올라가면 노랑 혹은 빨강색을 띈다. 임계 값보다 내려가면 파란색을 띈다.
그림 7은 비를 조정한다. Raining 버튼을 클릭 시 시뮬레이션 공간에 비가 내리고 스마트 팜의 창이 닫힌다. 내부의 습도를 유지하기 위해 환풍기 팬이 작동한다.
그림 8은 시설의 동작 모습이다. 스마트 팜 천장의 창문은 온도가 높거나 습도가 높을 때 작동하여 적절한 환경을 유지한다. CO2 살포는 CO2 농도가 낮을 때 식물의 생장이 느려짐으로 살포된다. 물주기(파란색)는 온도가 놀거나 습도가 높을 때 작동되어 적정한 환경을 유지한다. 해충은 습도가 지나치게 높을 때 발생하기에 검은 입자로 표현하였고 자동적으로 해충 약(노란색)이 살포되어 해충을 방제해 준다. 환풍기 팬은 습도가 높거나 비가 올 때 작동한다.
3.2 핵심 소스코드
3.2.1 센서 및 시설 설치 시스템
시뮬레이션이 실행되기 전 사용가능한 센서를 선택하고 각 센서별로 필요한 시설을 3D공간에 설비한다. 그와 함께 비용산정을 관리해주는 소스코드이다. ItemManager_s 스크립트에 포함되어 있다.
그림 9는 시스템을 구현하기 위해 필요한 라이브러리를 불러온다. 엔진에 구현한 UI오브젝트를 소스코드 상에서 접근하기 위해 선언한다.
그림 10은 사용자가 센서를 선택함에 따라 설치되어야할 시설들을 활성화 할지 결정하는 소스코드이다. 중복되는 시설들이 있기에 센서를 기준으로 하지 않고 시설을 기준으로 코드를 작성한다. isWindow는 창문개폐를 동작하는 시설이다. 온도, 습도, CO2, 강우센서를 선택할 시 추가되는 기능으로 해당 센서들이 하나라도 선택되면 true값을 가진다. 이런 방식으로 다른 관수시설, 난방시설, 환풍 팬 시설들을 설치한다.
그림 11은 센서를 선택하면 해당 센서에 대한 추가 기자재 텍스트 설명과 비용을 추가해주는 소스코드이다.
3.2.2 시뮬레이션 동작 시스템
시뮬레이션이 실행되고 시나리오에 따라 진행된다. 센서 값이 자동으로 조작될 수 있으면 사용자가 컨트롤 할 수 있다.
1) 그림 12는 시간대별 진행되는 자동화 시나리오의 일부분이다. time으로 시간을 계속 측정하고 일정 시간이 지나면 실행되는 동작으로 하늘 머터리얼, 안개, 해의 움직임 등을 조작하여 시간의 흐름을 시뮬레이션 상에 표현한다. 또 센서의 값이 서서히 변하도록 ITween 에셋을 사용한다. 이후의 시간 변화도 이와 동일하게 구성된다.
2) 센서가 설치되지 않은 경우 동작하는 시나리오이다. 값들이 자동으로 변화된다.
그림 13은 센서 값에 따른 시설동작의 일부분이다. 습도 센서가 일정 값이 되었을 경우 구현해놓은 애니메이션이 실행되는 등 시설들이 동작하고 센서를 정상 값으로 되돌리는 소스코드이다.
그림 14는 비가 오는 환경을 조정하는 소스코드이다. 각 함수는 비가 내리는 버튼과 비가 멈추는 버튼을 클릭했을 때 동작하는 함수이다.
결론
본 논문에서는 시뮬레이션 시스템을 통해 스마트 팜 사업을 준비하는 농업 종사자들에게 유용한 경험과 실질적인 가이드를 제공하고자 하였다. 사용자는 시뮬레이션 환경을 통해 제한된 예산 내에서 필요한 설비를 선택하고, 이를 통해 스마트 팜의 구축 전략을 미리 구성해볼 수 있다. 또한 시각적으로 구현된 환경을 통해 스마트 팜 설비가 농가 운영에 미치는 영향을 직관적으로 이해할 수 있어, 초기 투자에 대한 부담감을 줄이고 의사결정을 보다 신중하게 할 수 있는 기반을 마련해준다.
특히 본 시뮬레이션은 농업 분야에 익숙하지 않은 신규 진입자나 디지털 기술에 익숙하지 않은 고령 농업인들에게도 효과적인 학습 도구로 기능할 수 있으며, 스마트 팜이 실제로 얼마나 효율적이고 편리한 시스템인지 체감할 수 있게 만든다. 이를 통해 스마트 팜에 대한 긍정적인 인식을 형성하고, 자발적인 도입을 유도하는 데 기여할 수 있다.
향후에는 다양한 작물의 생육 조건이나 농가별 특성을 반영한 시나리오가 추가된다면, 더욱 실제 환경에 가까운 시뮬레이션이 가능해질 것이다. 예를 들어 작물별 성장 주기, 계절별 기후 변화, 농가 위치에 따른 환경 변수 등을 반영하면 사용자 맞춤형 시뮬레이션 제공이 가능하다. 또한, 기술이 발전함에 따라 실제 농가와 실시간으로 연결된 형태로 시뮬레이션 시스템을 확장할 수 있다면, 사용자는 시뮬레이션 내 조작 결과가 실제 농장에 어떻게 반영되는지를 즉각적으로 확인할 수 있게 된다.
이러한 실시간 피드백 기반의 스마트 팜 시뮬레이션은 농업인의 기술 숙련도를 높이고, 스마트 농업 시스템의 조작법과 운영 전략을 체계적으로 학습할 수 있는 기회를 제공한다. 궁극적으로는 스마트 팜의 도입과 활용에 있어 농업 사회의 진입 장벽을 낮추고, 지속 가능한 농업 발전을 도모하는 데 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.
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