‘한국형 스마트팜(K-Farm) 기술’로 농업한류 이끈다! [재미있는 농업 이야기 20]

우리나라 농업은 고령화와 높은 노동 강도로 청년인구 유입이 어려운 구조다. 그래서 다른 분야보다 생산인구 절벽화가 더욱 심각해지고 있다. 그 대안으로 제시되고 있는 것이 ‘스마트팜’이다. 스마트팜은 사물인터넷(IoT), 빅데이터(Big data), 인공지능(AI), 로봇(Robot) 등을 활용해 농산물의 생육환경을 최적상태로 관리하고 노동력 절감과 생산성 향상을 구현하는 효율적인 농업형태다.

농촌진흥청은 우리나라 농업여건에 적합한 한국형 스마트팜을 기술 수준에 따라 세대별 모델로 정립하고 ICT 장비표준화, 핵심기술 국산화, 빅데이터 분석 등에 대한 R&D를 수행하고 있다. 농림축산식품부의 ICT융복합 확산정책과 연계해 보급 확산도 추진하고 있다.

ⓒ게티이미지뱅크

한국형 1세대 스마트팜

원격 모니터링으로 편의성 ↑

1세대 스마트팜 시스템은 온도, 습도, 일사 등 센서 정보와 카메라 영상정보를 이용해 온실을 원격 모니터링하고 모바일 앱(app)에서 온실 환경을 원격 제어하는 것이다. 농업인의 편리성을 증대할 목적으로 개발됐다. 적용되는 ICT 기술들의 조합에 따라 기본형과 선택형으로 구분된다. 2016년 개발된 1세대 한국형 스마트팜 모델은 농업인이 재배시설과 작물별 제어 환경요인에 따라 모델을 선택할 수 있다는 것이 특징이다. 모델 정립에 따라 스마트팜 설치비용이 0.33㏊기준 단동형 7백만원→5백만원, 연동형 20백만원→14백만원으로 약 30% 절감되는 것으로 나타났다.

1세대 스마트팜을 도입한 많은 농가에서는 편의성 향상뿐만 아니라 생산성을 높이는 데도 큰 효과를 보이고 있다. 그러나 모든 농사 환경을 농업인이 직접 설정하고 조작해야 하므로 농사에 대한 지식은 물론, 데이터를 이해하고 분석할 수 있는 ICT 역량이 필요하다. 이에 경험이 적은 젊은 농업인이나 귀농인, 농사지식은 있지만, ICT가 익숙하지 않은 고령 농업인은 접근이 쉽지 않다는 점이 기술적 한계로 지적되고 있다.

한국형 1세대 스마트팜 기술 개요 ⓒ국립농업과학원

한국형 2세대 스마트팜은?

클라우드 기반 지능형 ‘정밀생육관리’

이런 문제를 극복하기 위해 ‘한국형 2세대 스마트팜 기술’이 현재 중점적으로 연구 개발 중이다. 이 기술은 인공지능으로 작물의 재배환경과 생육, 질병 상태를 진단한다. 뿐만 아니라 재배 전 과정에서 적합한 의사결정을 지원하는 ‘클라우드 플랫폼’으로 농사 경험이 적은 젊은 창농인이나 ICT에 미숙한 고령 농업인에게도 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

고령화로 인한 농사지식 단절에 대비해 기존 농가의 온실 환경, 생육정보, 수확량 빅데이터를 수집하고, 인공지능으로 분석해 현재 농장 환경 분석과 온실 환경 제어 의사결정에 필요한 정보를 제공하는 2세대 스마트팜 모델의 핵심기술인 클라우드 컴퓨팅 시스템 개발과 구축도 시작됐다.

한국형 2세대 스마트팜 기술 개요 ⓒ국립농업과학원

한국형 2세대 스마트팜 클라우드 플랫폼 구축

클라우드 플랫폼은 한국형 2세대 스마트팜의 핵심기술이다. 1세대 스마트팜에서 구현된 센서정보, 영상정보, 제어 내역과 같은 주요 온실정보와, 날씨정보, 병해충 발생정보와 같은 부가 정보는 클라우드 플랫폼으로 수집되고 데이터베이스(Database, DB)에 저장된다. DB에 축적된 정보를 인공지능 엔진으로 분석하여 온실 환경 제어, 병해충 진단 등에 이용하는 것이 2세대 스마트팜이다.

기상청의 환경 데이터와 농촌진흥청 디지털농업추진단에서 개발한 작물생육 모델을 기반으로 작물재배 관련 주(weekly) 단위 온‧습도 등 환경 분석이 가능한 빅데이터 플랫폼(Apache Hadoop/Spark)과 분석결과를 시각화하는 온실 내‧외부의 통합 모니터링 시스템을 구축하였다.

현재 온실 환경 및 생육정보 빅데이터를 기반으로 도출된 추론모델을 적용하여 온실 환경을 제어하는 기술과 표준 기반 온실 환경제어장치를 클라우드 시스템과 연동하는 기술 연구를 추진하고 있다.

클라우드 기반 영상정보를 이용한 인공지능 플랫폼 운용

1세대 스마트팜 구축으로 온실 내‧외부 환경 정보(온‧습도, 일사량, 풍속 등)는 수집할 수 있다. 2세대 기술 구현을 위해서는 작물의 생장 정보를 수집할 수 있는 센싱 기술이 필요하다.

국립농업과학원 스마트팜개발과에서는 딥러닝 기반 토마토 및 파프리카의 생육정보 계측시스템을 개발하기 위한 사전연구로주요 생장진단 지표를 발굴하는 연구가 수행되었다. 향후 온실 환경에 반응하는 작물의 생장변화, 꽃, 열매 등 주요 생장진단 지표들을 계량화하는 기술을 지속적으로 연구할 예정이다.

인공지능 작물 병해 진단 처리 ⓒ국립농업과학원

또 한국형 스마트팜의 핵심인 인공지능 기술을 적용해 스마트팜의 주된 작물인 토마토와 딸기에 대한 병해 진단 정확도의 고도화를 위해 토마토(궤양병, 잿빛곰팡이병, 흰가루병, 잎곰팡이, 황화잎말림바이러스)병 5종과 딸기(잿빛곰팡이, 흰가루병, 탄저병, 세균모무늬병, 뱀눈무늬병, 꽃곰팡이)병 6종에 대해 병해진단 기술을 개발했다.

토마토 병해 평균 정확도는 기존 80%(’19)에서 94.1%(’20)수준으로, 딸기는 기존 78%(’20)에서 92.6%(’21)로 진단 결과를 향상시켰다. 이러한 병해진단 결과와 실시간 영상모니터링 시스템의 연계로 스마트팜의 영농활동을 지원하는 병해 예찰 시스템 개발의 가능성을 확인했으며, 지속적인 스마트팜 핵심 요소기술을 발굴하고, 실용화할 계획이다.

한국형 3세대 스마트팜 개발 중…

노동력 부족,‘첨단농기계 기술’로 극복

농촌의 급속한 고령화, 여성화 등의 환경변화와 코로나19에 의한 영향으로 인력난이 심각해지고 있어, 고된 농작업을 효율적으로 대신할 수 있는 농기계의 자동화 필요성이 점점 커지고 있다. 최근 로봇 기술의 급속한 발달로 농축산분야에서도 효율적인 농작업과 고부가 서비스를 제공할 여건이 조성됨에 따라 로봇의 효용성에 대한 인식이 확산되고 있어 농업로봇의 잠재 수요가 증가하는 추세이다. 이와 같은 상황에 대응하여 농촌 노동력 부족 등의 농업 현안문제를 해결할 목적으로 시설원예 분야에서도 농업로봇의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다.

국립농업과학원 스마트팜개발과에서 수행하고 있는 시설원예 로봇에 대해 소개한다. 우선 시설원예 농작업 중에 가장 기피하는 작업이 방제작업인데 이를 해결하기 위해 무인으로 방제하는 로봇을 개발하였다. 이 기술은 작물 사이로 무인 주행이 가능하며, 온실 자동주행 정확도는 ± 5㎝이하, 적재량 300㎏, 8시간 이상 연속 운전이 가능하다.

방제 로봇 구성도 ⓒ국립농업과학원

토마토의 생산효율 증대를 위한 생산량 예측 모니터링과 숙도를 판정할 수 있는 로봇시스템도 개발하고 있다. 영상분석 시스템과 주행부로 구성된 로봇으로, 영상을 인공지능 기반 인식모델(MASK R-CNN, Yolo V4)로 학습시켜 토마토 인식 정확도는 93.8%이다.

토마토 생산량 및 숙도 예측 로봇 ⓒ국립농업과학원

마지막으로 수확로봇을 개발하고 있다. 자동 수확을 위해 RGB-D 카메라 등 센서·수확 대상 간 3차원 공간 위치 결정에 필요한 로봇팔 기반 이동 경로 최적화 기술을 개발하고 있다. 또한, 작업자 시연 학습 기반 수확 로봇 기술도 개발하고 있다.

토마토 수확 로봇 ⓒ국립농업과학원

스마트팜 현장 애로 기술 개발로

농가 불편 해소와 확산 촉진이 목표

스마트팜이 확산되면서 외출 중에도 온실 상황을 확인하고 조치할 수 있고, 야간에는 설정해놓은 대로 환경을 제어하는 등 편의성이 증대되고 있는 반면, 스마트팜 기자재 간의 호환성 부족, 유지보수의 어려움 등 농업현장에서 발생하는 새로운 현장애로 연구개발 수요가 발생하고 있다. 스마트팜개발과에서는 세대별 한국형 스마트팜 연구개발과 함께 현장애로 과제도 수행하고 있다.

한국형 스마트팜 확대 보급에 따라 농업인의 유지보수 및 확장 편의성을 높이기 위한 ICT 기자재의 호환성 확보가 현장에서 요구되었고, 관련 산업체에서는 향후 수출을 대비한 규격화 필요성이 대두되어 스마트팜 부품과 기자재에 대한 단체표준과 국가표준 제정을 추진하였다.

① 표준화 추진을 위한 산·학·연 등 이해관계자 의견 수렴

ICT 핵심부품 및 기기 표준화

ⓒ국립농업과학원

산업체, 협회, 학계 등이 참여한 스마트팜ICT 융합 산업화 포럼을 한국농업기술진흥원과 함께 구성하여 운영하고 있다.포럼(소통) 활동을 통해 스마트팜 ICT 핵심부품의 단체표준 대상 발굴과 공동규격 설정을 위하여 이해관계자간 자율적 조율 및 기술적 난제 등에 대한 협의(안)을 도출하고 있다.

② 단체 표준 제정

축산 사양관리 단체표준

ⓒ국립농업과학원

2015∼16년 시설온실에 사용되는 ICT 장비 중 센서류 13종, 제어기 9종, 복합장비 3종을 TTA (한국정보통신기술협회) 단체표준으로 등록하여농가의 시설온실 유지보수를 용이하게 하고 스마트팜 ICT 분야의 세계표준을 선도할 수 있는 기반을 마련하였다. 2017년 분야를 확대하여축산 스마트팜 환경관리를 위한 외기센서 7종, 내기센서 8종 및 안전센서 4종 등 총 19종을 TTA 단체표준으로 제정하였다. 2018년에는 축산사양관리 기자재(군사식 자동급이기(소), 돈방식 액상사료급이기, 가금음수관리기 등)의 공동규격 25종이 한국농업기술진흥원의 최초 단체표준으로 제정되었다.

③ 국가 표준 제정

스마트 온실 국가표준

ⓒ국립농업과학원

꾸준한 포럼 활동으로 산업체와 표준관련 기관에서 스마트팜에 활용되는 ICT 기자재 표준에 대한 이해와 필요성이 높아져 단체표준을 국가표준으로 고도화 하는 연구를 한국농업기술진흥원과 공동 수행하였다. 포럼 활동과 전문가 의견을 반영하여 2015∼16년 제정된 스마트온실 센서류 및 제어기 단체표준을 수정‧보완하였다. 국립전파연구원 주관 국가표준 전문위원회 심의 및 고시를 통과하여 스마트온실 센서 인터페이스 13종, 환경제어 구동기 9종에 대하여 국가표준을 제정하였다.

세계 최고 한국형 스마트팜으로

농업 한류의 물꼬를 트자!

사회 전반에서 4차 산업 혁명에 많은 관심을 가지고 사물인터넷, 빅데이터, 인공지능, 로봇 등을 활용하고 있다. 일상생활에 사물인터넷 기술이 깊숙이 파고들어 언제 어디서든 모바일로 집과 사무실에 있는 가전 기구들을 제어할 수 있는 시대가 되었다.

ⓒ게티이미지뱅크

농업분야에서도 스마트 기기를 농사에 효과적으로 접목할 수 있는 ICT 융복합 분야 연구개발을 지속적으로 추진해야 할 것이다. 스마트팜 연구개발은 농작업 편리성과 농업 생산성을 높여 국내농가의 소득증대뿐만 아니라 농업 생산기술과 시스템 수출의 길을 열 것이다.

가까운 장래에 한국형 스마트팜의 기반이 구축되고 이를 통해 우리 농업이 우리나라의 미래 성장 동력으로 자리매김하기를 기대해본다.


글=이재수 국립농업과학원 스마트팜개발과 농업연구사

정리= 더농부


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