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A Study on the Necessity and Construction Plan of the Internet of Things Platform for Smart Agriculture
A Study on the Necessity and Construction Plan of the Internet of Things Platform for Smart Agriculture
Journal of Korea Multimedia Society. 2014. Nov, 17(11): 1313-1324
Copyright © 2014, Korea Multimedia Society
  • Received : July 22, 2014
  • Accepted : September 28, 2014
  • Published : November 30, 2014
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준영 이
School of ICT Convergence, Dankook University
신호 김
School of ICT Convergence, Dankook University
새봄 이
Dept. of Business Administration, Graduate School of Kyunghee University
형진 최
Dept. of Applied Science and New Technology for Creative, Dankook University
재진 정
Dept. of Applied Computer Engineering, College of Engineering, Dankook University
dothan@dankook.ac.kr

Abstract
Korea has high quality level of ICT Technologies, however it still have a long way to go before invigoration of ICT in agriculture industry. The government of Korea supply to agriculture ICT systems, however these are the enclosed type and insufficient the level of connectivity, compatibility, and integrity between ICT systems. Farmers can not share crop information and one system can not use with others in combination. Recently, IoT(Internet of Things) become popular to emphasize the vision of a global internet and ICT industry. The IoT is a critical technology that leads future internet generation. We believe that IoT will change status of agriculture industry and appearance of various agriculture business model. Using IoT technology is provided a platform of opportunities to optimize work processes and efficient use of energy, time and labour in farm. It can automatically control temperature, humidity, sunshine system and so on for optimal growth conditions at greenhouse and plant factory. Growth setting can even be controlled and monitored crop condition and disease by a smartphone app or PC. It is possible to improve quality of farming and farm product. We suggest that construction of IoT platform through open API in agriculture industry.
Keywords
1. 서 론
우리나라의 농업은 전체적으로 빠르게 고령화가 진행되고 있으며, 일손 부족 현상과 농가소득 감소로 인해 경제적 문제가 발생되고 있다. 자연재해를 극복할 농업기술의 부족과 더불어 농촌 내에서 다문화 가정 증가로 인한 사회적 소외감도 증대되고 있다. 따라서 농업 내 사회, 경제, 기술 등의 다양한 부분에 있어 삶의 질의 향상이 요구되며, 일손, 관리비 등의 절감을 통해 생산성을 높여 경제적 문제를 해결할 방안의 필요성이 대두되는 시점이다. 또한, 전 세계적으로 FTA 체결로 인한 개방화가 가속화되고 있는 시점에서 우리나라 농업의 경쟁력 향상을 위해 농업기술의 개발과 농업 발전을 위한 첨단화 전략이 필요하다.
농업의 선진국인 네덜란드의 경우에는 작은 국가이지만 세계 2위의 농산물 수출국(754억 달러,2012년)이며 2012년 농업 전체 고용 노동력은 1,610,000명으로 우리나라 2,792,564명 보다 57%적은 인구수로 세계 농업을 이끌고 있다 [1] . 네덜란드는 농작물 재배에 적합한 환경 연구, 위성을 통한 농작물 각 사이클별 데이터 수집과 제공을 통해 인건비를 절감하고 있는 등 정보통신기술(Information Communication Technology, 이하 ICT로 칭함)와의 융합을 통해 자동화된 생산기술을 활용하고 있다.
ICT는 다양한 산업에서 활용되어 우리의 삶의 질을 향상시키며, 새로운 서비스에 의한 시장창출을 가능하게 하고 있다. 점차 고도화되는 ICT 기술들로 인해 기존에 불가능하다고 생각했던 제품과 서비스들이 등장하였으며, 산업 곳곳에 ICT기술이 적용되어 세계 경제 성장을 주도하고 있다. 한국의 ICT 산업은 꾸준히 발전하여 높은 수준에 이르렀으며, 스마트홈, 스마트교통, U-헬스 등과 같이 다양한 산업과 융합하고자 하고 있다. 우리나라 농업에서도 ICT와의 융합을 추진하고 있으며 정부는 농업 내 ICT 보급을 1,000개 농가(2014년)에서 1,500개 농가(2017년)로 점차 확대하고 정부지원금 역시 10,000 백만 원에서 15,000 백만 원으로 예산을 확대하고 있다 [2] .
세계 농업 트렌드는 스마트 농업화(Smart Farming)로 태풍이나 냉해 등 자연재해로 인해 발생할 수 있는 가격폭등, 수확량 감소 등의 문제들의 해결과 소비자에게 안전한 먹거리를 제공을 가능하게 할 수 있으며, 사막기후에서도 식물을 생산할 수 있는 혁신적인 기능을 가능케 한다. 따라서 본 연구에서는 스마트 농업 확산을 위해 ICT 기술 중 최근 주목받고 있는 사물인터넷(IoT : Internet of Things, 이하 IoT로 칭함) 기술을 기반으로 한 플랫폼 구축 방안을 제안하고자 한다.
농업 ICT 융복합의 핵심은 결국 토질, 온도, 위치정보 등의 농작물 재배에 필요한 정보를 수집하고 실시간으로 확인가능하며, 종합적으로 제어할 수 있게 한다는 것이다. 그러기 위해서는 각각 다른 기기를 사용하고 있는 농가 내의 정보를 수집하기 위해서 기기들 간의 표준화가 진행되어야 한다. 국내에서는 정부지원으로 ICT기술과 농업의 융합화를 통한 농업 ICT제품이 보급되어 자동화 농가가 점차 증가하고 있고 스마트 팜(Smart Farm) 기술이 개발되고 있으나, 농가단위의 개별/폐쇄적 서비스 구조로 운영되고 있다. 농업 ICT기기 중에는 ‘복합환경제어기기‘가 대표적인데 ’복합환경제어기기‘는 관련 기업에서 각기 다른 프로토콜로 개발되는 등 호환성 및 통합성이 미흡하여 다른 기기들과의 복합적 사용이 불가능하다. 농업 ICT기기의 표준화를 위해서라도 농업 내 플랫폼 구축이 필요하다. 농가간의 데이터 수집과 정보 교환을 이루어지기 위해 사물과 사물을 인터넷으로 연결하고자 하는 IoT 기술을 기반으로 한 플랫폼 구축이 필요하다.
미국 국가정보위원회에서는 IoT를 6대 와해성 기술(Distruptive Technology) 중의 하나로 발표하였고 [3] , 맥킨지(McKinsey)는 경제적인 잠재력을 갖춘 12가지 와해성 기술(Disruptive Technology) 중 하나로 선정하여 미래의 경제적인 잠재력을 2.7조에서 6.2조 달러로 전망하였다 [4] . 거대한 잠재력을 가진 IoT 기술을 기반으로 농업 내 플랫폼을 구현한다면 각 농가 내 농작물 데이터의 상호교환과 더불어 전세계 농업 선진국이 될 수 있는 콘텐츠를 확보 할 수 있는 기반을 마련하게 된다. 즉, 태풍이나 냉해등 자연재해로 발생할 수 있는 가격폭등, 수확량 감소 등의 문제를 해결할 수 있으며, 어디서든 작물의 생육을 체크하고 환경을 조절할 수 있어 농민의 삶의 질 또한 향상시킬 수 있다.
IoT 기기들의 수많은 센서들이 농작물 데이터를 수집하고 이를 자동으로 분석해서 반영하는 등 자체적으로 움직이는 세상이 다가오고 있다. 따라서 IoT 기술을 통해 개별/폐쇄적 서비스 플랫폼에서 다양한 서비스를 공통의 서비스 플랫폼으로 제공하는 수평구조 형태의 개방형/연계형 플랫폼이 필요하다. 우리나라는 세계 최고의 정보통신 기술 강국으로 ICT 기술과 농업의 효율적 융합은 현재 농촌이 직면하고 있는 문제들을 해결 방안이 될 수 있다. 즉, ICT와의 효율적 접목을 통해 농업기술의 발전과 더불어 관련분야의 일자리 창출과 해외시장 진출 등의 계기가 마련될 수 있을 것이다.
Six Disruptive Technology Field[3]
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Six Disruptive Technology Field [3]
따라서 본 연구에서는 농업의 문제를 해결하고 스마트 농업 실현을 위한 방안으로 ICT 기술 중 IoT 기술을 적용한 농업분야 플랫폼 구축방안을 제안하고자 한다. Web 기술을 활용하여 누구든지 활용 가능한 API기반 개방형 서비스 제공 플랫폼으로 개발이 필요하며, 현재 농가 내 ICT 대표 제품인 복합환경제어기기를 연계한 구축방법을 기술하고자 한다. 플랫폼 구축에 앞서 현재 우리나라 농업의 현주소와 더불어 농업 내 ICT 동향에 대해 살펴보고, IoT 기술의 개념과 스마트 농업을 위한 플랫폼 구축의 필요성과 구축 방안을 기술하고자 한다.
2. 농업 내 ICT현황
- 2.1 농업 ICT 산업의 최근 동향
ICT는 1996년 William H. Melody가 영국 ESRC(Economic and Social Research Council)에서 발간한 사회과학연구 및 교육 보고서에서 처음 언급되었다 [5] . 이후 영국 정부의 Dennis Stevenson에 의해 발간된 보고서에 사용되면서 보다 많은 사람들이 이 용어를 사용하게 되었다 [6] . 이제 현대사회에서 ICT는 다른 산업들과 융합하여 거대한 시너지를 창출하고 있다. 단순한 통신의 범주를 벗어난 융합된 ICT의 경제적 개념은 기업과 산업, 그리고 국가가 인터넷이라는 더 광범위한 사용 안에서 지속적인 투자를 했을때 보다 큰 효용을 얻을 수 있게 하고 있다 [7] .
세계적으로 농업은 시대적인 요구에 따라 변화되었으며 이제는 스마트 농업(Smart Farming)으로 변화하려 하고 있다. 스마트 농업은 지능형 농업이라고도 불리는데 이는 자동화, 정보화 기술로 인해 각종 센서와 카메라, 무인화 장비를 컴퓨터와 연결하여 지능적으로 농작물을 재배할 수 있는 환경을 일컫기 때문이다. 이렇게 스마트 농업의 시작은 ICT 발전과 더불어 여러 농업 및 농가의 문제들과 전 세계적 환경변화하고도 연결된다. 식량안전보장, 환경변화에 따른 수확량 감소, 전 세계적 인구증가로 인한 식량수요 증가와 친환경 농산물에 대한 소비자들의 수요증가에 대한 대비가 필요하기 때문이다.
스마트 농업은 농촌지역의 정보와 농축산물의 생산, 유통, 소비, GIS 등이 결합하여 농촌의 가치를 증가시키는 역할을 할 것으로 보고 있다 [8] . 이러한 스마트 농업으로 인한 농업 내 주요 변화를 7가지로 보고 있다. 첫째, 식량안보와 지속가능한 농업에 대한 국가 정책 통합, 둘째, 지속가능한 농업과 식품시스템에 대한 글로벌 투자 증가, 셋째, 환경에 영향을 미치는 영향요소 감소를 통한 지속가능한 농업생산을 강화, 넷째, 취약한 국가와 인구를 지원하는 프로그램과 정책 증가, 다섯 번째, 기본적인 영양 요구를 보장하기 위한 건강한 식품과 식습관 육성, 여섯번째, 공급체인에 따른 식품 손실과 낭비 감소, 마지막으로 인간과 생태계를 위한 포괄적 정보시스템 창조이다 [9] . 따라서 ICT와의 보편화와 산업전반에 걸친 융합을 통해 농업에서도 농업혁명을 도모할 수 있는 스마트 농업에 집중하고 다양한 가능성을 시험하고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 국내외적으로 시도되고 있는 ICT 융합 스마트 농업의 사례를 소개하고자 한다.
- 2.1.1 IT를 활용한 돼지 성장관리시스템 구축 사업
충북 진천에서 전염병 발생 시 즉각적인 대처를 위해 RFID를 부착한 돼지의 사료 급여량 및 체중등에 대한 정보를 모니터링하고 USN(Ubiquitous Sensor Network)을 이용해 최적의 가축 생육환경을 제어한 최적 환경을 만들고자 한 사업이다. 경제적이고 효율적인 장비도입과 무창돈사(Windowless pigsty)에 적합한 환경관리 표준지표등을 적용하였다. u-축사환경관리시스템은 돈사별 인위적 환기방식에서 벗어나 USN 복합 센서를 이용해 온도, 습도 및 산소 등의 생육환경을 측정하고 있으며 각 돈사별 센서 표준지표관리를 통해 센서 데이터의 표준지표 차이를 관리자가 온오프제어 및 원격제어를 가능케 한다. 환경 센서뿐만 아니라 CCTV를 통한 이상유무도 점검하여 돈사 내 문제발생시 관리자에게 SMS통보를 제공하도록 구축되었다. RFID를 부착한 돼지가 선별기를 통과할 때마다 자동으로 체중을 측정하여 체중별로 분리사육을 실시하며, 측정된 데이터는 서버로 전송되어 관리를 도와준다. 시스템 구축을 통하여 체중미달인 돼지와 병든 돼지의 구별이 가능하여 돈사 내 질병관리를 원활하게 함으로서 체계적인 양돈관리를 가능하도록 하였다. 또한 돼지선별기를 통한 과학적 관리를 통해 생산성이 증가하였으며 양돈 농가의 소득 또한 향상되었다 [10] .
- 2.1.2 IT를 기반으로 한 전통식품 품질관리 시스템
순창군 장류연구소에서 전통발효식품의 전 과정을 USN와 RFID 태그를 활용 식품상태와 제조과정등을 실시간 모니터링 하여 수집된 정보를 품질관리 및 이력관리에 활용하는 시스템이다. USN센서를 이용해 수집된 정보를 원료농산물의 저장, 생산, 유지환경을 최적으로 자동 제공하는 장류품질관리시스템과 RFID를 이용해 제조, 유통, 판매에 전반적인과정을 소비자나 유관기간에 정보제공 하는 이력추적관리시스템이 있으며 소비자, 생산자 및 제조업체간 소통을 위한 u-전통식품 포털 시스템이 있다. 이러한 시스템을 통해 전통식품에 대한 과학적인 분석이 가능해짐으로써 전통식품의 고품질화와가 가능해지고 신뢰도가 향상될 것으로 기대하고 있다 [11] .
- 2.1.3 스마트폰 연결 유비쿼터스 축사관리 시스템
정부의 지원으로 진행된 프로젝트의 연구결과로 구축한 스마트 폰을 활용한 축산업 문제점 해결 제안 시스템으로서 센서노드를 통해 축사의 환경을 측정하고 수집한 정보들을 스마트 폰을 활용하여 언제어디서나 축사를 모니터링 하고 제어 하는 시스템이다. 세부적으로 축사의 환경 및 영상정보를 수집하는 환경 센서와 CCTV, 축사의 최적 환경을 조절하는 축사시설인 물리계층, 센서에서 수집된 환경정보와 CCTV 영상정보, 축사시설을 제어하는 관리자와 축사관리 서버로 구성 되어 수집된 정보의 데이터베이스화, 모니터링, 제어 서비스를 통해 최적 생육환경을 유지하는 중간계층, 축사환경 모니터링 및 인터페이스인 응용계층으로 구성되어있다. 축사관리시스템을 통하여 축산농가의 노동력절감, 고품질 생산, 경쟁력확보가 기대된다 [12] .
- 2.1.4 친환경 농업과 IT융합 식물공장 사례
전주생물소재연구소에서 IT기술을 융합해 농작물의 특성에 맞게 적색 빛과 청색 빛을 쬐어줌으로 식물의 성장을 촉진시켜 인삼의 경우 1년 중 3~4개월 정도 밭에서 자라는 것을 식물공장에서는 연중으로 가능케 하여 시장의 수요량을 생산자가 적절히 조절하여 안정적으로 작물을 재배한 사례이다. 사례세부적으로 LED광원과 태양광을 상황에 맞게 조절하여 식물태양광을 활용할 수 있는 조건에서는 비닐하우스에서 재배를 하고 활용할 수 없는 조건에서는 관리시설로 재배BED를 이동시켜 프로그램을 통해 작물의 생육조건을 자동으로 조절해 생장속도를 높이게 된다. 이어 농민이 집에서 원격으로 제어할 수 있도록 USN 기술을 활용하여 식물공장의 내부 환경을 제어하는 IT 시스템을 개발했고 농업기술원 또한 태양광과 인공 광을 병용하여 식물의 최적 생육조건을 제공하는 식물생산 시스템을 구축하려하고 있다. 식물공장 발전 및 기업 진출 효과로 공장건설 및 농사법, IT의 융합기술 시장을 창출하고 있다 [13] .
- 2.1.5 센서를 활용한 젖소 임신주기 예측 농가 사례
네덜란드의 한 시설농가에서는 가축의 귓속에 이식한 무선 인터넷 센서를 활용하여, 농부들이 가축의 건강을 확인하고 예방하는데 IoT 디바이스를 활용하고 있다. 특히 소의 임신주기를 예측하는 것이 우유의 생산성을 높이는 핵심 요소이기 때문에 무선 인터넷 센서를 활용한 임신 주기 예측을 통해 생산성의 증가를 이루어냈다 [14] .
- 2.1.6 기상 관측 센서를 활용한 포도농장 사례
미국 버몬트(Vermont)주에서 설립된 와인 농장에서는 기후에 예민한 포도농장에 센서 시스템을 설치해서 실시간으로 작물의 건강상태를 원격으로 모니터할 수 있도록 하였다. 각종 센서를 통해 수집된 데이터는 온라인 클라우드에 모두 전송되며 관리자는 클라우드에 수집된 정보를 바탕으로 수확시기를 결정하는 등 의사결정에 반영한다. 센서 시스템을 활용한 농장관리를 통해 기후의 변화에 즉시 반응하여 미국 동북부에서 가장 고품질의 와인을 생산하며 여러 가지 관련 상을 수상하며 성장하고 있다 [15] .
3. 사물인터넷(IoT)기반 농업분야 플랫폼 구축 방안
- 3.1 사물인터넷(IoT)의 정의
유·무선 네트워크의 고도화 및 모바일 기기의 확산과 빅데이터(Big Data), 클라우드(Cloud), 사물인터넷(IoT: Internet of Things) 기술의 등장으로 사람, 사물, 서비스가 항상 연결되는 세상으로 변화하고 있다. IoT(Internet of Things)라고 불리는 IoT 기술은 이전의 센서 네트워크 기술인 RFID(Radio Frequency Identification)와 USN(Ubiquitous Sensor Network), 사물지능통신인 M2M(Machine to Machine)을 거쳐 나타난 개념으로 사람과 사물, 서비스가 인터넷을 통해 연결되어 지능적 관계를 형성할 수 있는 환경을 형성하고자 하는 기술이다 [16] . IoT의 핵심은 ‘Smart Things/Object’로 사물 간에 상호작용과 통신이 가능한 환경을 만들어 사물에 연결된 센서(Senser)를 이용해 데이터 및 정보를 생성하고 사물간의 정보교류를 통해 새로운 서비스 제공하게 할 수 있다 [17] . 또한, IoT는 현존하고 진화할 인터넷과 네트워크의 발달을 포함하는 미래 인터넷의 통합된 부분으로 독자성, 물리적 자질, 가상 현실적 속성을 갖고 있으며 지적인 인터페이스를 사용하는 것과 같이 물리적이고 균일하게 정보 네트워크안으로 통합된다고 설명하고 있다 [17] .
Fig. 1 같이 IoT은 일반적인 통신 프로토콜을 기반으로 컴퓨터 네트워크와 다양한 사물의 융합으로 이루어졌다 [17] . Internet of Things라는 개념은 1999년 Procter&Gamble에서 열렸던 프레젠테이션에서 MIT Auto-ID의 Kevin Ashton에 의해 처음 언급되었다. 초기에는 RFID 태그를 통한 공급사슬에 적용하기 위한 새로운 아이디어로 제안하였으나, 지금은 그 의미가 조금씩 바뀌어서 사람이나 사물 등 디바이스가 인터넷에 연결되면서 추가적인 가치를 공급해주는 기술을 의미한다 [18] . IoT을 이루는 가장 핵심적인 요소는 RFID(Radio Frequency Identification), WSN(Wireless Sensor Network)등과 같은 사물과 사물을 이어주는 센서 네트워크 기술이다. 센서 네트워크 기술은 저 전력, 초소형 센서들을 이용하여 기존에 우리가 느끼지 못했던 다양한 변수들을 수집하고 관리하여 다양한 기기들을 하나로 묶어주는 역할을 한다 [19] . 그 중 RFID기술은 무선 통신과 IC칩을 사용하여 정보를 관리하는 것으로 시설물의 정보를 이동형 RFID 리더를 사용하여 손쉽게 얻어올 수 있도록 도와준다. RFID기술은 기존의 점검 작업과 비교하여 전산화된 프로세스를 사용하기 때문에 점검시간의 단축과 높은 정확성을 갖출 수 있어서 사물인터넷의 핵심 기술이라 할 수 있다 [20] .
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Various Cases of Internet Convergence [17].
센서 네트워크 기술의 발전과 함께 우리는 혁명과도 같은 기술 발전을 경험하게 되었다. PC와 노트북 컴퓨터는 소형화, 경량화 되었고 스마트 폰의 개발과 함께 시작된 각종 스마트 디바이스들의 개발은 단기간에 불꽃처럼 이루어졌다. 스마트 디바이스는 흔히 접할 수 있는 스마트 폰, 태블릿PC에서부터 시작하여 TV, 냉장고, 전자밥솥 등 백색가전과 융합하여 일상생활에 스며들었고, 이용자의 심박 수, 건강관리기능을 첨가한 Smart Watch, 자가 학습형 자동온도 조절장치 등 인간생활에 편익을 제공하고 살기 좋은 환경을 제공하는 방향으로 개발이 진행되고 있다. IoT에 관한 연구는 독일, 프랑스 등의 유럽 국가들과 미국과 일본 등 선진국을 중심으로 많은 재원을 투입하여 진행되고 있다 [21] . 따라서 이번 정부에서는 2020년도에 전 세계 사물지능통신 단말기가 1,000억개 이상으로 전망되는 무한한 잠재력을 갖춘 IoT을 차세대ICT융합산업의 핵심 기술로 성장시키기 위하여 10대 미래서비스 중 하나로 선정하여 IoT의 활성화 정책을 적극 추진하고 있다 [22] .
- 3.2 IoT기반 플랫폼 구축의 필요성
2013년 정부에서는 새로운 부가가치를 창출하고 국민의 편익을 증진시키기 위해 창조 비타민 프로젝트 추진을 통해 과학기술과 더불어 ICT 산업과 기존산업의 7대 분야의 융합에 초점을 맞추고 있다 [23] . Table 2 에서 볼 수 있듯이 ICT는 농업, 임업, 어업등의 1차 산업과 융합하여 높은 잠재력을 갖춘 산업으로 변모시키기 위해 국가주도의 연구개발 사업을 추진 중에 있다. 특히, 본 연구의 연구 분야인 농업은 ICT기술 적용 분야 중에서도 매우 높은 비중을 차지하고 있으며 시장이 비약적으로 확대될 것으로 예상되고 있다.
7 Fields ICT Convergence[23]
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7 Fields ICT Convergence [23]
국내 농업 및 IT 융합 분야 핵심 부분인 농기계등 국내 시설산업 시장규모는 2010년 내수시장 1.2조원, 수출과 부품 등 서비스가 8천억 원 등 약 2조원 규모로 추정되며, 생산, 가공조제, 조리포장 등 그 범위가 매우 넓다 [24] . 또한 2011년 한국 농업연감에서 발표한 산업별 ICT융합 추이에 따르면 2010년 농림어업부분의 ICT산업, ICT제조업, ICT서비스업 융합수준은 Table 3 과 같으며 농림어업부분의 ICT융합의 상승전망을 기대해 볼 수 있다.
Agriculture Forestry and Fishing Sector ICT Convergence Development[24]
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Agriculture Forestry and Fishing Sector ICT Convergence Development [24]
Forecasting Plant Factory Scale about domestic and oversea[25]
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Forecasting Plant Factory Scale about domestic and oversea [25]
그러나 국내 농작물 자동화 시장은 농업법인 9,600개, 재배면적 39,000ha 중 시설재배 면적 1,900ha(시설농가의 5%)만 해당된다 [2] . 또한 시설건설 시장 규모는 일본 53억엔(2009), 식물공장건설 규모 129억엔(2020), 해외 2조 3천억원(2020년)에 비하면 상당히 작은 규모라고 볼 수 있다. 그리고 아직까지 국내의 농작물 재배 제어기술은 기술완성도 대비 국가별 수준으로 나타내자면 유럽 100%, 일본/미국 90%, 한국 50∼60% 수준이다. 국내 상용화된 기술들은 거의 해외제품에 의존하고 있다 [26] .
현재 국내 자동화 농가에서는 농업 ICT 기기 중대표적인 복합환경제어기기를 사용하고 있다. 이마 저도 완전 자동화 형태가 아닌 부분적으로 수동화가 필요하다. 복합환경제어기기는 농작물을 생육하기 위한 환경요소를 컨트롤 할 수 있는 장치로 센서, CCTV, 양액기, 냉,난방기, 배수, 유동팬, CO2 발생기등을 컨트롤 한다. 전기판넬과 연결하여 개별 농가단위(약 3000평 이상의 시설농가)로 시스템을 갖추고 있다. 하지만 앞서 언급하였듯이 농가에서 사용하고 있는 복합환경제어기기는 개별/폐쇄적 구조로 되어있어 다른 기기들과의 호환성과 통합성이 미흡하다, Fig. 2 처럼 현재 국내 농장은 폐쇄형 시스템으로 각 농가 간 데이터가 공유되지 않고, 통합적인 플랫폼의 부재 및 빅 데이터를 기반으로 하는 생육데이터의 부재로 인하여 투입된 자본만큼의 효과를 보지 못하고 있다. 특히 농업은 환경 및 기후조건과 에너지 가격 변화에 민감한 산업이며, 농산물은 공급탄력성이 낮은 대표적 상품이라는 점을 극복하기 위해서라도 농작물별 최적의 생육환경 데이터가 필요하다.
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Current Smart Farm System.
농업분야에서 ICT기술의 발전은 Fig. 3 과 같이 농업 자동화로 대변되는 농업IT 1.0에서 시작하여 Smart Farm을 활용한 농업IT2.0으로 발전하였다. 하지만 농업IT 2.0에서는 폐쇄적인 시스템으로 인하여 설치된 농가에서 수집된 정보가 공유되지 못하는 단점을 갖고 있다. 또한 고가의 비용으로 인해 개별농가에서 자체적으로 설치하기 어렵고, 시스템을 구축한 농가가 적은만큼 많은 정보를 수집하기 어려워지는 악순환이 존재한다. 따라서 농업 3.0으로의 발전을 위해 기존 농업 방식에 대한 Disruptive Innovation(와해성 혁신)을 통하여 개방형 농업생태계를 생성하고 IoT기술 기반 개방형 IoT Platform 및 서비스 개발이 필요하다.
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Agriculture IT Development Process.
Disruptive Innovation은 기존 산업을 완전히 재편성하여 생겨난 새로운 시장을 점유할 수 있는 혁신적인 제품이나 서비스를 뜻하는데, IoT는 대표적인 와해성 기술로 첨단 스마트농업실현을 위해서는 IoT를 통한 스마트 농업 플랫폼을 새롭게 구축해야 한다. 국내의 농업 ICT산업은 각 기술의 고도화에만 집중해서 단일 기술은 상당한 발전을 이루었지만, 각종 센서 및 제어시스템을 하나로 연결하는 플랫폼을 구축하지 못했다. 따라서 각종 센서 및 제어기기를 하나로 연결하는 플랫폼과 수집된 데이터를 기반으로 환경을 제어할 복합 환경 제어기기가 필요하다. 다시 말하자면 농작물의 생육데이터 확보와 복합환경제어기기의 표준화 추진을 위해서 IoT 기반 플랫폼 구축이 필요하다.
IoT 기반 농업 플랫폼을 구축하게 된다면 단순한 센서를 설치하는 1차원적인 IT기술을 활용한 농업에서 시작된 스마트농업은 각종 유비쿼터스 센터 및 데이터 네트워크를 활용하여 농장 환경에 대하여 실시간으로 데이터를 전송받고, 데이터를 분석하여 농작물의 생육에 대한 Database를 확보하는 첨단 농업으로 변화할 수 있다. 누구나 손쉽게 농작물을 재배할 수 있는 보편화 운영 기술 확보와 도시창조농업 창업 촉진이 가능하며, 이러한 플랫폼 활용을 통해 1인 창조 및 중소·벤처기업 활성화 생태계를 구축할 수 있게 된다.
플랫폼 구축을 통해 농작물의 최적생육환경데이터를 기반으로 생산량이 획기적으로 개선되고 작물의 병·충해를 미리 감지하여 능동적인 대처가 가능해지며, 농업의 현 문제들을 해결하여 농업의 가치를 높일 수 있다. 이는 현 시점에서 환경의 영향을 많이 받고 고부가가치를 기대할 수 있는 유리온실, 비닐온실 등 시설농가에 특히 많은 도움이 될 수 있다.
- 3.3 스마트 농업을 위한 IoT플랫폼 구축방안
본 연구에서는 스마트농업을 농업과 ICT와의 융합을 통해 정밀농업(센싱)을 통한 최적생장환경 조성과 농작업의 자동화가 가능한 농업으로 정의하였다. 스마트 농업과 농업의 선진화를 위해서는 농업 ICT기기들의 개발과 미래를 위한 제품개발을 지원하는 프로세스가 필요하다. 그러한 프로세스를 플랫폼이라고 볼 수 있는데 IoT플랫폼을 구축하여 최소한의 노동력으로 고품질의 작물을 수확할 수 있도록 기본 토대를 만들어야 한다.
국내의 기존 농업은 95%의 노동력과 5%의 기술력인 노동력위주로 진행되고 있다. 한국 농업은 현재 빠른 고령화가 진행되어 일손 부족현상이 발생하고 있으며, 감(感)과 경험에 의존한 농업방식으로 일정한 매뉴얼이 없기 때문에 청·장년층이 귀농을 가로막는 벽이 존재한다. 농가소득 감소로 경제적 문제가 발생하고 있으며, 자연재해를 극복할 농업기술 또한 부족한 현실이다. 사회, 경제, 기술 등의 다양한 부분에서 삶의 질 향상이 필요하며, 부족한 일손을 보완하고 농작물의 최적생육환경을 찾아서 생산성을 높일 수 있는 방안이 시급한 상황이다. 이러한 상황의 해결을 위해서라도 IoT플랫폼 구축이 먼저 시행되어야 한다.
IoT 플랫폼의 개념은 다음의 Fig. 4 와 같다. IoT 기반 플랫폼 구축을 통해 실시간 데이터 수집과 농업인들이 원하는 농업 콘텐츠(농작물 생육환경 및 생장정보 등)등을 적재적소에 더 빠르게 제공할 수 있게 된다. 이를테면 멀리 있거나 흩어져 있는 각 농가들의 생육환경 및 생장정보 등이 각 농가의 각종 센서를 통해 수집되며, 수집된 데이터는 LTE망등의 무선 네트워크를 통해 전송하여 IoT 서버에 자동 저장하고 농업인들은 자신의 PC나 스마트폰으로 실시간으로 자신의 농장에 대한 정보를 받아 볼 수 있게 할 수 있다. 또한 IoT 서버를 통해 기상정보와 농작물 빅데이터를 통해 각종 농작물에 대한 수확량 예측과 같은 다양한 정보가 농업인들에게 제공된다.
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Smart Agriculture with IoT Platform.
스마트농업을 위해서 기본적으로 플랫폼 구축이 선행 되어야 농가시설의 자동화를 통하여 인력투입의 감소효과를 기대할 수 있고, 작물의 생산량 조절이 원활하게 이루어지며, 최근 일본의 방사능 등 환경오염 이슈로부터 안전한 먹거리의 생산이 가능해진다.
특히 IoT플랫폼은 Fig. 5 처럼 농가에 부착되어있는 온도, 습도, 전해질, 산도, 조도, 풍속 등을 체크하는 센서를 통해 수집되는 모든 데이터를 하나로 모으는 역할을 한다. 센서를 통해 수집되는 데이터는 기존의 도구로는 처리하기 어려운 수준의 대용량 데이터이기 때문에 분산시스템을 기반으로 데이터를 처리하는 Big Data를 활용하여 데이터를 처리하게 된다 [27] . 개별농가서비스 서버에서 수집된 Big Data를 분석하여 작물의 생육에 가장 좋은 환경을 조성하는 데이터 값을 찾아서 개별 농장에서 적용할 수 있도록 데이터를 전송하게 된다. 즉, 각 센서를 통해 수집된 데이터가 단순히 한 시점의 환경을 체크하는 것이 아닌, 수집된 Raw data를 분석하여 각 작물이 생육하는데 가장 좋은 환경을 갖출 수 있도록 하여 생산성의 증가 및 고품질의 작물을 수확할 수 있도록 돕는다. 이렇게 플랫폼을 구축하면 농가 내에 데이터가 서버에 쌓여서 다양한 서비스를 제공할 수 있게 된다.
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IoT Platform in Individual Farmhouse.
IoT 플랫폼 구축을 통해 최적 생육환경을 위해 수집·분석된 데이터는 IoT플랫폼으로 전송되어 농작물 재배기술에 대한 개방형 지식베이스를 구축하여 개별 농가에서 직접 플랫폼에 적용할 수 있는 ‘작물별 생육환경 데이터베이스’를 제공하여 개별농가의 농업을 돕는다. IoT 플랫폼 구축이 선행된다면, 국내 농업의 특성에 맞추어 모바일 App개발 기술과의 융합을 통한 원격 모니터링, 농가 내 농작물의 복합적인 성장환경 변화를 측정 할 수 있는 센싱기술, 센서와의 연결과 환경 제어를 위한 제어시스템과의 융합등에 대한 농업관련 ICT 기기들의 표준화를 추진할 수 있게 된다. 이는 아직까지 국제적으로 진행되지 않고 있어 빠르게 선점하는 국가가 스마트 농업의 선진국이 될 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 지금까지 진행된 국내외적으로 ICT와 농업의 융합 사례를 고찰하여 IoT기술을 활용한 스마트농업모델 연구에 대한 방안을 모색해보고자 하였다. 그 중의 하나로 IoT 기반 농업 플랫폼 구축을 제안하였다. IoT 플랫폼 구축으로 발생될 수 있는 시사점으로 다음과 같다. 첫째, 많은 시설농가들이 IoT기술을 접목한 네트워크로 연결된 첨단 농업시설을 운영한다면, 농작물의 경제적 가치를 제고 할 수 있는 유익한 정보를 상호 공유하게 될 것이다. 둘째, 스마트 농업을 위한 하나의 표준화된 IoT 플랫폼을 확보한다면 첨단 농업의 확산이 원활하게 이루어질 수 있으며, 플랫폼을 통한 관리의 편리성이 증대된다. 마지막으로 스마트농업이 확대되면 젊은 도시인재들의 귀농창업이 활성화 될 것이며, 고령화되고 있는 농촌현실을 크게 개선하며 농업의 첨단산업화가 촉진될 것이다.
국내의 농업은 수천 년의 역사를 통해 이어져온 경험과 지식, 기술을 통해 발전해 왔지만, 구조화된 지식이나 정형화된 매뉴얼의 부재, 농업의 기업화, 과학화, 기계화에 대한 개발부족 등으로 인하여 그 경험과 지식이 효과적으로 전달되지 못하고 일정 지역 안에서만 활용이 되는 등 농업분야의 발전이 더딘 상황이다. 반면 네덜란드, 일본, 미국 등 농업 선진국들은 다양한 IT기술을 활용하여 생산성의 향상을 이루고 있다. 고도로 발전한 국내 ICT기술의 성장 폭에 비해 국내 농업 ICT융합에 대한 시도와 그 양적, 질적 성장은 잠재성이 엿보이는 정도라고 볼 수 있다.
농업 혁신 문제는 개별농가의 문제가 아니라 전국가적 과제이다. 경쟁력 있는 농업 실현을 위해서는 농업 ICT 첨단 기술을 접목시킬 필요가 있다. ICT 첨단 기술이 농가 현장에 활용될 수 있는 농민 요구 또한 커지고 있다. 이에 대해 정부에서는 6차 산업시대를 맞아 ICT와 농업이 융합된 형태의 스마트농업에 많은 지원을 아끼지 않고 있다. 이는 인력 부족 및 각종 재해 등으로 인하여 생산비가 높아져서 많은 농업인들이 빈곤층으로 전락하는 현식을 극복하기 위한 좋은 해결책이기 때문이다. 도시화·산업화는 피할 수 없는 흐름이지만, 농업 또한 국민의 먹을거리를 책임지는 중요한 요소이다.
이미 각 기술별로 개발되어있는 ICT기술을 하나의 플랫폼으로 연결하여 기초적인 식물 생육정보수집에서 생육환경제어에 이르기까지 전반적인 ICT기술 융합을 통한 스마트농업모델 구축을 위한 국가차원의 전폭적 지원과 유관기관의 협조가 지속적으로 이루어져야하며 차후 이와 관련한 연구 또한 지속적이고 유기적으로 이루어져야 할 것이다. 농업관련연구소, 농업관련기관의 협조를 통해 작물의 생육정보에 관련된 데이터, 시설농가에 관련된 데이터를 하나로 모아서 분석하면 연구기간의 단축이 가능하다. 따라서 정부와 농업관련 관계부처에서는 ICT융합을 통한 스마트농업을 육성하기 위한 노력을 아끼지 말아야 할 것이다.
BIO
이 준 영
2013년 2월 단국대학교 경영학과(경영학사)
2014년 3월∼현재 단국대학교 미래ICT융합학과 석사과정
관심분야 : 농업ICT, 빅데이터, IoT, Vertical Farm
김 신 호
2014년 2월 단국대학교 식량생명공학과(농학사)
2014년 3월∼현재 단국대학교 미래ICT융합학과 석사과정
관심분야 : 농업ICT, 빅데이터, IoT
이 새 봄
2009년 2월 그리스도대학교 경영정보학과(경영학사)
2012년 2월 경희대학교 경영정보시스템학과(경영학석사)
2012년 3월∼현재 경희대학교 경영정보시스템학과(경영학박사 수료
관심분야 : 농업ICT, 빅데이터, Consumer behavior, e-business, Business Communication
최 형 진
1989년 5월 Carnegie Mellon University Business School 최고경영자 수료
1992년 2월 전북대 행정학과 석사(행정학석사)
1995년 12월 두산그룹 임원
2012년 8월 제네시스 BBQ그룹 대표이사 사장(前)
2012년 11월∼현재 단국대학교 링크사업단 경영전략연구소장
관심분야 : Smart Application Development, Next Generation Business Model Development
정 재 진
1990년 2월 성균관대학교 독어독문학 학사
1996년 2월 연세대학교 행정학(행정학석사)
2004년 8월 성균관대학교 경영학(경영학박사)
2005년 9월∼2009년 8월 동의대학교 디지털 컨텐츠 공학과 교수
2009년 9월∼현재 단국대학교 공과대학 응용컴퓨터공학과 부교수
관심분야 : IoT/M2M, Future Internet Technology, Web Technology, Smart Application Development
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