스마트팜은 경제성과 장래성 면에서 청소년과 대학생, 농부와 은퇴 후 귀농·귀촌을 꿈꾸는 사람들에게까지 주목받고 있다. 스마트팜이란 인터넷으로 어디서든 원격제어를 할 수 있는 온실 자동화 장치이자 IoT, 빅데이터, 인공지능과 로봇 등 첨단기술이 결합된 농업 시설이다.

저자는 스마트팜 농장을 운영하며 학생과 귀농인에게 스마트팜을 가르치고 있다. 《한 권으로 끝내는 스마트팜 만들기》에서는 스마트팜 기술의 흐름과 중요성을 소개하고, 인구 감소와 기후변화, 농업의 변화, 첨단기술이 보편화되고 있는 시대에 스마트팜이 가진 장점과 문제점을 명확하게 알려준다.

이 책의 핵심은 ‘내 손으로 직접 구축하는 스마트팜 DIY’이다. IoT, 빅데이터, 약간의 IT 기술과 저렴한 도구로 충분히 훌륭한 스마트팜을 만들어낼 수 있다. 경험이야말로 가장 좋은 선생님이라고 했다. 책에서 소개하는 마이크로 제어장치, 센서와 구동기기를 제어하는 부품을 조작하고 오픈소스 프로그램 설정을 따라해보면, 혼자서도 충분히 스마트팜을 구축할 수 있다는 자신감이 생길 것이다.

[목 차]

저자의 말

 

1장 초보 농부 스마트팜을 알게 되다

 

1 스마트팜이란 무엇일까

스마트팜의 정의

스마트팜 구축에서 가장 중요한 IoT

스마트팜에서 빅데이터, 인공지능, 로봇의 역할

2 스마트팜이 필요한 이유

시간과 노력을 절약하는 스마트팜

기후변화와 이상기후를 극복하는 스마트팜

쓸 만한 데이터를 쌓아주는 스마트팜

3 세상이 바뀌면 스마트팜은 더 많이 바뀐다

농업 환경의 변화

스마트팜은 어떤 방식으로 진화할까

스마트팜 관련 기술 개발

4 스마트팜을 운영하기 위한 준비

스마트팜에 적합한 작물과 수익성이 높은 작물 선택

작물 재배 공부는 기본 중 기본

스마트팜을 설치할 장소와 공간 선택

스마트팜 온실을 직접 설계하는 법

스마트팜 시스템 구축에 필요한 요소

스마트팜 시스템을 직접 구축하는 법

5 스마트팜을 도입하고 운영할 때 주의할 점

스마트팜의 평균 투자비와 수익성

스마트팜 도입과 운영 과정의 문제점

국내 시장에서 스마트팜 온실 시설의 한계

6 스마트팜을 시작할 때 해야 하는 마지막 질문들

자칫하면 애증의 스마트팜이 된다

스마트팜에서 하는 농사도 농사다!

비닐하우스 온실 기반의 스마트팜이 가진 한계

인구 감소 시대에 필요한 스마트팜

 

2장 스마트팜 작물 재배와 수경재배

 

1 식물의 생장 원리와 재배 방법

식물의 구성과 기능

광합성작용과 호흡작용의 원리

식물의 생장 과정과 재배 환경 관리

식물이 잘 자라는 최상의 조건

비료와 영양소의 특성

2 스마트팜에서 하는 수경재배

수경재배의 장점과 단점

고형배지경 방식

순수수경 방식

스마트팜에서 수경재배를 할 때 주의할 점

3 IoT 기반의 스마트팜

IoT의 정의와 개념

스마트팜에 IoT가 꼭 필요한 이유

스마트팜 IoT 네트워크 구축 방법

스마트팜 IoT 디바이스

4 스마트팜 데이터의 가치와 중요성

스마트팜 데이터의 의미

스마트팜 데이터의 가치

스마트팜 데이터 축적과 관리 방법

5 스마트팜에서 인공지능 활용하기

프로그래밍과 인공지능의 차이

딥러닝과 머신러닝, 생성형 AI

스마트팜에서 활용하는 인공지능

앞으로 활용하게 될 스마트팜 인공지능

스마트팜에 직접 인공지능 적용하기

 

3장 스마트팜을 직접 구축하는 법

 

1 스마트팜 구축 계획 세우기

2 스마트팜 작물의 집, 온실

온실의 정의와 종류

온실의 종류를 결정하기 위한 조건

3 스마트팜의 기본, 전기의 원리 이해하기

스마트팜 장치의 전압과 전류

4 사람의 일을 대신하는 스마트팜 제어와 릴레이

릴레이의 역할과 종류

릴레이 모듈의 역할과 종류

5 본격적인 스마트팜 구축하기

온실 스마트팜 구조와 전기설비

스마트팜 구축에 필요한 재료 준비하기

IoT 스마트팜을 위한 네트워크 구축

펌웨어 설치와 Wi-Fi 설정 방법

Wi-Fi 설정 오류에 대처하는 법

6 스마트팜 DIY 따라하기

7 집에서 스마트팜처럼 수경재배 하기

스마트 홈파밍에 필요한 재료 준비하기

식물재배기 만들기

모종판에 상추 모종 끼우기

식물 생장 LED 설치하기

스마트 홈파밍 시스템 만들기

스마트 홈파밍을 위한 Tasmota 설정하기

 

4장 스마트팜의 미래와 진로

 

1 스마트팜 분야별 전문가와 역할

스마트팜 작물 재배 및 관리 전문가

스마트팜 설치 및 시설 전문가

스마트팜 빅데이터 및 인공지능 전문가

2 스마트팜을 잘 운영하는 법

투자비를 회수할 수 있어야 한다

작물과 대화하고 데이터와 친해져라

다양한 재배 기법을 연구하고 도전하라

스마트팜의 기능을 확장하라

3 직업과 진로로서의 스마트팜

미래 직업으로서 스마트팜 관련 분야

전국 대학에 설치된 스마트팜 관련 학과와 진로

[본 문]

스마트팜은 원격제어를 할 수 있는 자동화 장치이자 수경재배도 할 수 있는 시스템이다. 인터넷과 연결해 원격으로 농장이나 온실의 시설을 작동시킬 수 있고, 온실에서 작물이 잘 자라도록 환경을 유지시키며, 어떤 재배 방식이든 물과 영양분을 알아서 공급해주는 전기·전자장치이다. 다시 말해 인터넷에 연결된 장치로 자동 또는 원격으로 작물의 생육 환경을 조절하고 관리할 수 있다면, 온실과 시설의 규모, 재배 방식과 상관없이 모두 스마트팜이다. -16쪽

 

최근 지구온난화의 영향으로 기상변화가 심해지고 있다. 작물은 충분한 광합성을 하기 어렵고, 온도가 너무 급격하게 변화함에 따라 생육이 느려지거나 각종 질병도 늘고 있다. 열매가 제대로 열리지 않는 등 생리장해가 발생하는 빈도 역시 늘고 있다. 노지에서 잘 자라는 작물이라도 여름철 집중호우와 폭염이 자주 발생하면 잘 자라지 못하고, 수확을 해도 상품성이 떨어진다. 스마트팜은 온실의 온습도와 일조량 등 센서 값의 조건에 따라 시설과 장치가 작동한다. 기상청의 기상 데이터와 스마트팜의 측정 데이터를 비교해 폭염과 폭우 같은 이상기후가 발생하기 전에 장치를 미리 작동시켜 작물의 생육 시기와 단계를 조절한다. 이에 따라 작물의 생산량과 상품성을 높이고, 계절에 상관없이 안정적으로 생산할 수 있다. -21쪽

 

일반적으로 스마트팜에 적합한 작물이 따로 있는 건 아니다. 우리나라 스마트팜에서는 주로 상추, 양배추 같은 엽채류와 토마토, 딸기 같은 과채류를 많이 재배하고 있다. 스마트팜을 준비하는 과정에서는 무엇보다 작물 선택에 많은 시간을 투자해야 한다. 어떤 작물을 재배하느냐에 따라 온실(작물 재배 공간)의 규모, 구조와 형태, 스마트팜 시스템의 기능과 사양, 작물 재배 방법, 수익이 달라지기 때문이다. 스마트팜은 맞춤형 시스템이다. 중간에 재배 작물을 바꿀 경우 추가 비용이 들고, 시설물을 교체해야 할 수도 있다는 점을 명심한다. -28쪽

 

요즘은 IoT 기능이 있는 제어보드와 디바이스를 시중에서 저렴하게 구입할 수 있다. 이 IoT 제어보드로 온실의 구동기를 제어할 수 있는 스마트팜을 직접 만들 수 있다. 지금까지 스마트팜 시스템을 처음 설치하는 사람은 프로그램 코딩부터 배워야 한다는 점이 장벽이었다. 그런데 최근에는 코딩을 하지 않고도 컴퓨터와 연결해 제어보드나 디바이스에 소프트웨어를 설치하고, 쉽게 Wi-Fi에 접속할 수 있게 만든 무료 소프트웨어들이 개발되었다. 예를 들어 에스프레시프 시스템즈에서 출시한 ESP32 제어보드가 있다. ESP32 칩이 장착된 제어보드나 디바이스와 펌웨어라는 소프트웨어를 설치하면 온습도 센서, 수온 센서와 연결해 측정값을 확인할 수 있다. 또 온실의 개폐기 같은 구동기와 연결하면 제어장치인 릴레이보드를 원격제어할 수 있다. - 39~40쪽

 

정밀한 온실 환경을 유지하려면 센서를 여러 개 설치해야 한다. 이 센서들을 스마트팜 제어시스템에 유선으로 연결하면 선이 길어지고, 길어진 선만큼 측정값도 오차가 나타날 수 있다. 특히 여러 동이 연결된 연동형 비닐하우스는 너무 넓어서 센서를 설치하는 데 한계가 있다. 그래서 통신 방식에 상관없이 센서나 제어장치를 무선인터넷이나 내부 네트워크(인터넷에 접속하지 않은 상태에서 내부주소에 의해서만 작동)에 연결하는 방법을 이용한다. 센서나 제어장치에 전원을 공급해주는 전선 말고는 거의 필요 없으니 비용도 줄어든다. -83~84쪽

 

스마트팜에서 축적된 데이터는 다양한 정보를 제공해준다. 일정 시간 동안온실의 기온 편차 등 다양한 온실 환경을 모니터링해서 최적화된 환경으로 제어할 수 있다. 기기의 오작동, 센서의 고장, 오류 등을 바로 알 수 있으니 문제를 미리 방지할 수 있다. 스마트팜의 궁극적 목적은 작물의 생육에 적합한 온실 환경을 유지하는 것이다. 작물이 자라는 동안 축적된 온실 환경 데이터는 작물이 어떤 조건에서 잘 성장하며, 언제 꽃이 피고 열매가 익는지 등을 판단할 수 있는 기초 자료다. 이 자료만 잘 분석하고 파악해도 이후 작물을 재배할 때 더욱 좋은 환경을 조성할 수 있다. -90쪽

 

스마트팜 제어시스템은 제어장치와 이를 통제하는 중앙제어장치로 구성된다. 제어시스템은 컴퓨터 등을 이용해 특정 작업이나 공정을 감시, 제어해 목표하는 결과나 값을 얻는 시스템이다. 제어장치는 조작이나 작동을 통해 목표하는 상태로 변화시키거나 일정하게 유지하기 위한 장치이다. 또 컴퓨터 CPU처럼 명령을 받아 입력과 출력을 처리하고 연산을 수행하며, 메모리에 저장하는 장치이기도 하다. 중앙제어장치는 IC칩이나 CPU 같은 반도체로 구성된 보드이며, 프로그램이나 소프트웨어로 제어장치를 통제한다. 제어장치는 단순한 기능을, 중앙제어장치는 복잡한 기능을 수행한다. 큰 온실의 중앙제어장치는 라즈베리파이 같은 싱글보드 컴퓨터를, IoT 기능을 가진 작고 단동인 온실에서는 ESP32급의 MCU 보드를 사용한다. -117쪽

 

Tasmota는 온라인 쇼핑몰에서 판매되는 대부분의 센서를 연결해 사용할 수 있다. 또 자동화에 필요한 명령어가 직관적이며, 모터의 정회전과 역회전, 타이머 기능, 외부 프로그램이나 서버에 접속하는 통신을 쉽고 편리하게 설정할 수 있다. 온라인에 접속해 프로그램을 설치하는 방식이므로 설치 과정도 비교적 쉽다. 먼저 마이크로 5핀 USB 케이블을 ESP32 보드의 USB라고 표기된 곳에 꽂은 뒤, 다른 한쪽은 컴퓨터나 노트북에 연결한다. 컴퓨터가 ESP32 보드를 인식할 수 있는 드라이버가 설치되지 않았으면 컴퓨터가 인식하지 못한다는 에러 메시지가 뜰 수 있다. 이 경우 포털 사이트에 CH340 Driver를 검색해 CH340 드라이버 실행 파일을 다운로드받아 컴퓨터에 설치한다. -161쪽

 

재학 중 스마트팜에 관심이 생겨서 스마트팜을 운영하거나 스마트팜 개발 및 기술 관련 업체에 취업하고자 하는 대학생은 본인의 전공 분야와 스마트팜과의 접점을 찾아서 그 분야를 중점적으로 학습하는 것이 좋다. 스마트팜은 종합 학문이기에 겹치지 않는 분야가 없을 정도다. 농업이나 스마트팜 관련 학과를 가지 않아도 본인의 전공을 우선하면서 스마트팜과 관련된 부분을 학습하는 것이 바람직하다. 예를 들어 스마트팜과 수경재배 관련 기술은 다른 분야의 기술과 원리를 토대로 개발하는 경우가 많다. 수경재배 분야가 발전하면서 수경재배 전용 비료가 앞다투어 개발되고 있다. 화학을 전공한 학생이 스마트팜에 관심이 생기면 이런 비료 회사에 취업할 수 있다. -241쪽