Ⅰ. 서론
세계자원연구소 (world resource institute, WRI)는 기후변화 및 인구증가의 영향으로 전 세계 물소비량이 2023년 대비 2050년까지 20∼25% 이상 증가하는 것으로 예측하였으며, 이에 따라 미래에는 물 부족 현상이 세계 각 지역에서 발생할 것 전망하였다 (Kuzma et al., 2023). 2018년 우리나라 중앙정부는 물관리 일원화를 위한 ｢물관리기본법｣을 공표하고, ‘제1차 국가물관리 기본계획’(이하 기본계획, ME, 2021)을 발표하여 기후변화, 경제⋅사회 여건 변화 등에 효과적으로 대응하고, 지속가능한 물관리 체계 구축의 필요성을 강조한 바 있다. 기본계획은 높은 물 사용량과 기후변화에 의한 가뭄 발생을 농업의 물 부족 원인으로 명시하고 농업에서의 물관리 중요성을 역설하였다. 특히, 우리나라 논의 관개수량이 농업용수의 85%를 사용함 (ME, 2021)에 따라 농업용수의 물 부족 현상이 충분히 발생할 수 있어, 수요 측면에서의 관리 기반 조성 강화와 농업용수 이용 효율화를 위한 농업용수 용수 관리 자동화 및 정밀 수요량 조사체계 구축 등의 관리체계 정비를 요구하고 있다. 실제로 2022년도 전라남도의 강우량이 846 mm, 평년 (1,390 mm)의 60% 수준에 그치는 심각한 가뭄이 발생하고 2023년 3월까지 영향을 미쳐 농업용수 및 생활용수 부족 등의 전국적인 사회 문제로 심화된 바 있어 우리나라도 가뭄으로부터 자유롭지 않으며, 공급자와 수요자 중심의 물 관리가 아닌 공급자 중심의 물관리가 주로 이루어지는 관행 농업을 지속해서 운영하고 있어, 물 이용 측면에서의 효율성이 낮아 현장에서는 농업인 간의 갈등은 빈번히 발생하고 있다. 이러한 지적은 농업에서 효율적인 물관리 개선의 필요성을 뒷받침하고 있으며, 지속가능한 농업을 위해 최우선 해결 과제임을 나타내고 있다. 이와 관련하여 회귀수의 활용을 통해 물 사용의 효율성을 개선하는 선행연구나 (Zulu et al., 1996; Lopez et al., 2006; Kim et al., 2021), 농업에서 물관리 기법을 통한 물 이용 효율성에 관한 연구 (Deng et al., 2006; Knox et al., 2012; Ryu et al., 2018)가 수행된 바 있다.
앞서 선행연구도 물관리 방법론으로 중요한 의미를 지니나, 농업에서의 효율적인 물관리를 위해서는 농지에 수량을 얼마나 적절히 공급하고, 낭비를 막기 위해 어떻게 제어할 것인지가 중요 선결 사항으로 귀결된다. 바꾸어 말해서 실질적 물 공급 임무를 수행하는 물꼬 (물 공급의 최종 단계, 개수로용 급수장치)가 효율적 물관리 방법론의 핵심이 될 수밖에 없음을 나타낸다. 즉, 농민이 주체로 한 관행적 물꼬 운영에서 벗어나 자료 또는 조건 기반의 (data-driven or based on the conditions) 물꼬 운영이 가능하도록 개선되어야 낭비 없는 효율적 물 공급이 가능하다는 것을 의미한다. 이에 최근에는 ICT, IoT, 빅데이터 및 인공지능 등의 4차 산업 기술을 기반으로 하여 직접 수량을 제어하는 기술들이 개발되고 있다. 이와 관련하여 Quy et al. (2022)은 인구증가, 자원감소, 농지축소 등의 문제는 식량안보로 이어지는데, 이를 해결하기 위한 방법론으로 IoT와 빅데이터를 자연스럽게 활용하게 될 것이며, 영농 효율이나 생산성을 개선하게 될 것으로 주장한 바 있다. Nawandar와 Satpute (2019)는 IoT를 기반으로 한 스마트 관개 시스템을 개발하여 증발산을 고려한 관개 여부 결정, 구역별 관개 및 원격 관개 모니터링이 가능케 한 바 있으며, Mason et al. (2019)은 수자원 이용을 절감하면서 생산량을 유지하기 지능형 도시관개 시스템을 개발한 바 있다. 국내의 경우 Chung et al. (1995)와 Kim et al. (2000)은 논의 자동 급수 물꼬를 개발한 바 있으며, 농업진흥청은 2022년에 ‘보급형 자동물꼬’를, 경상남도 농업기술원은 2023년에 ‘IoT 기반 자동물꼬 기술’을 개발하여 발표한 바 있다. 이와 같이 선행연구에서는 여러 방법론을 사용하여 물이용의 효율성 및 효과성을 제시하고 있으나, 일정규모 이상의 별도 시설을 설치하여 운영해야 하거나 인력을 통해 물관리를 시행해야 하는 등의 번거로움을 갖고 있고, 국내의 현실에 맞지 않거나, 관개 효율적 측면에서 다양한 관개수로의 수위 (공급량 변화)를 고려할 수 없는 구조로 설계된 단점을 가지고 있다.
이에, 본 연구에서는 관개수로 (간선 및 지선 등)의 공급량 변화에 따른 수위 변화를 고려할 수 있으며 동시에 관개 효율을 확보할 수 있는 IoT 기반 논 관개수로 자동 물꼬를 개발하고 그 효율성과 효과성을 제시함으로, 효율적 논 물관리에 기여하고자 한다.
Ⅱ. IoT 기반 자동 물꼬 설계 방법
1. 설계 기본전략
본 연구는 자동 물꼬 설계 및 구현을 위해 다섯 가지의 기본전략을 수립하고 이를 중심으로 IoT 기반 자동 물꼬 설계를 수행하였다. 본 연구에서는 용어의 혼동을 피하고자 관행적 관개 구조를 가진 물꼬를 ‘관행 물꼬’로, 본 연구에서의 관개 구조를 가지는 물꼬를 ‘자동 물꼬’로 칭하고자 한다.
다섯 기본전략 중 첫 번째 기본전략 Ⅰ은 ‘다양한 수위의 대응 기능 확보’를 주제로 관개용수로 내의 수위가 높거나 낮을 경우, 원활한 관개가 가능한 물꼬 구조를 제안하고자 하였다. 기본전략 Ⅱ는 ‘효율적 물관리 기능 확보’를 위해 합리적인 물 공급을 위한 효율적인 관개 제어 방법을 제시하고 및 구축될 수 있도록 하였다. 기본전략 Ⅲ으로는 ‘독립적인 자동 제어 기능 확보’가 가능하게 하고자 물꼬의 연속된 동작이 개별적으로 수행하는 데에 초점을 맞추었다. 기본전략 Ⅳ는 ‘관개 상황 원격 모니터링 기능 확보’를 통해 농업 분야 인력 부족과 광역 논 지구라는 물리적⋅공간적 한계를 극복하고자 하였으며, 특히 실시간 관개용수 공급에 대한 연속적인 모니터링이 원격으로 가능하게 하였다. 마지막으로 기본 전략 Ⅴ에서는 ‘자동 물꼬의 범용성 확보’를 위해 현장의 논관개용수로에 자동 물꼬가 손쉽게 설치되도록 하고자 하였다. 단, 자동 물꼬는 기기 설치로 작동되는바 단단한 지지대가 필요로 하기에 일반적으로 지선 및 지거 관개수로로 사용되는 철근 콘크리트 플룸을 자동 물꼬 거치 (고정식) 장소로 계획하였다.
이와 함께 자동 물꼬의 안전성 부분에 대해서도 고려해야 한다. 본 연구에서 제안하는 자동 물꼬는 앞서 언급한 바와 같이 기본전략에 의해 다양한 수위를 대응할 수 있으며, 자동물꼬가 수로 수위 및 농지 수위 등과 같은 조건에 의해 독립적 자동제어가 가능하다. 또한 모니터링을 통해 수로의 상태를 확인할 수 있어, 만약 자동 물꼬가 계획대로 작동하지 않을 때 사람이 직접 응급처치가 가능할 수준으로 계획하였다.
2. 설계 기본전략에 의한 자동 물꼬 구현 방법
가. 기본전략 I 및 V 반영을 위한 설계 방법
기본전략 I를 반영한 자동 물꼬 개발을 위해서는 현재 논 관개용수로의 구조를 살펴볼 필요가 있다. Fig. 1(a)은 관행 물꼬의 일반적인 형태를 나타내고 있는데, 대개 우리나라의 논 관개용수로는 콘크리트 재질의 개수로 형태로 Fig. 1(a)와 같이 구축되어 있으며, 각각의 필지로 관개용수가 흘러 들어 갈 수 있도록 원형 형태의 관행 물꼬를 가지고 있다. 이 관행 물꼬는 관개용수로의 수위 변화에 따른 공급 수량의 영향을 최소화하기 위해 일반적으로 관개용수로 벽체에서 낮은 위치에 설치하고 있으나, 관개용수의 수위가 관행 물꼬 위치보다 이하의 낮은 수위일 경우에는 원활한 관개를 보장할 수 없는 한계를 가지고 있다.
Fig. 1 Conventional paddy inlet and irrigation canal
본 연구에서 제안하는 자동 물꼬는 Fig. 2와 같이 수문과 관행 물꼬가 결합한 형태로 관개용수로 벽체에 수직 방향으로 위치하는 수문 (water gate)과 수문 회전축 (rotation axis of water gate)을 가지는 것이 특징이다. 이때, 수문의 폭은 관개용수로의 폭과 동일한 크기를 갖는 것으로 설계되었다. 본 자동 물꼬의 수문은 수문 회전축을 중심으로 개폐가 가능한 기능을 갖는데, 여기서 개폐의 의미는 관개용수의 흐름 (flow direction)을 막지 않을 경우를 열려있는 것으로, 관개용수의 흐름을 차단할 경우는 닫힌 것으로 정의한다. Fig. 2(a)는 수문이 열린 상태를 보여주는데, 수문이 관행 물꼬를 막으면서 동시에 관개용수의 흐름을 개방함으로 관개용수가 하류로 흘러갈 수 있는 상태를 나타낸다. Fig. 2(b)는 수문이 닫힌 상태를 나타내는 것으로, 이때 수문은 하류로 흐르는 관개용수를 차단하고 이때 개방된 관행 물꼬로 물이 유입될 수 있도록 하며, 동시에 물의 흐름을 물꼬로 안내하는 역할까지 수행하는 구조를 보여준다. 여기서, 자동 물꼬의 수문이 설치될 위치가 중요한데, 수문 회전축은 관개용수로의 개폐가 가능한 동시에 물꼬의 개폐가 가능한 범위에 위치해야 한다. 또한, 수문의 너비는 관개용수로 너비 이내의 크기를 가져야 하는 조건을 가진다. 즉, 수문이 관개용수의 흐름을 차단하여 이를 물꼬로 유도할 경우에는 수문의 폭이 관개용수로 폭과 일치하거나 관개용수로보다 큰 폭로 설치되어야 한다는 의미이다.
Fig. 2 Scheme of IoT-based automatic paddy inlet in this study
이와 같이 Fig. 2의 자동 물꼬는 수문의 개폐에 따라 관개수로의 수위 조절과 필지 관개의 제어가 동시에 가능한 기능을 가지게 된다. 또한, 필지로 관개가 종료될 경우, 수문을 열린 상태로 제어함으로 물꼬로 유입되는 관개용수를 차단하여 과잉 관개를 방지하고, 필지에서 배수에 의한 관개용수가 낭비되는 것을 제한함으로 관개용수의 절감을 기대할 수 있다. 이와 반대로 용수로의 수위가 낮을 경우, 수문을 닫음으로 관개 용수로의 수위를 상승시켜 필지로 원활한 용수공급을 가능하게 함에 따라 수자원 이용에 대한 효율성을 담보할 수 있다. 더욱이 자동 물꼬의 범용성을 확보하고자 기존 관개용수로에 수문과 수문 회전축을 설치하는 것만으로 자동 물꼬를 구현될 수 있도록 설계하였다. 여기서 Fig. 2(b)는 수문 폭 (WB)과 관개용수로 폭 (CB)이 같거나 수문 폭이 관개용수로 폭보다 더 큰 경우를 나타내는 것으로 관개수로 폭의 변화에도 자동 물꼬가 대응 가능함을 보여준다.
이처럼, Fig. 2의 자동 물꼬는 앞서 언급한 바와 같이 다양한 수위의 대응 기능 확보라는 기본전략 Ⅰ과 자동 물꼬의 범용성 확보라는 기본전략 Ⅴ의 목적을 충분히 달성할 것으로 기대할 수 있다.
Fig. 3(a)는 관행적 관개수로의 형태를 모형으로 나타낸 것으로, 수로 벽체 하단에 물꼬가 위치하고 이 물꼬에 파이프를 연결하여 논으로 용수를 공급하는 형태를 보여준다. 이와 달리 본 연구에서 제안하는 자동 물꼬는 Fig. 2의 개념이 반영된 자동 물꼬로 Fig. 3(b)와 같이 수로의 벽체 상단에 고정된 형태를 가진다. 이는 Fig. 3(b) 중 오른쪽 상단의 원형 그림과 같이 자동 물꼬가 고정 볼트 (fixing bolt)에 의해 수로 벽체 상단에 설치되는 것으로 설명할 수 있다. 이와 같이 수로 상단에 자동 물꼬를 고정하는 방법과 수문 폭의 조건은 규격화된 수로일지라도 현장에서의 수로 폭 변화에 대응할 수 있는 방법으로 설명할 수 있다.
Fig. 3 Scheme of conventional and IoT-based irrigation canal model
나. 기본전략 Ⅱ 및 Ⅲ 반영을 위한 설계 방법
본 연구에서 제안한 기본전략 Ⅱ 및 Ⅲ을 반영하기 위해 단일 보드 컴퓨터 (single-board computer, SBC)를 이용하여 자동 물꼬의 제어를 구현하고자 하였다. SBC는 데스크탑의 기능을 하나의 기판에 모아 놓은 것으로 데스크탑의 성능만큼은 아니나 초소형 컴퓨팅 시스템을 가지며, 근래에는 집적 회로의 밀도를 증가시킴으로 SBC의 성능을 개선하고 있어 산업 분야에 적극적으로 활용되는 등의 대중화가 진행되고 있다. 특히, SBC는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력 포트(I/O port) 등의 기능을 가지고 있어, 응용성 및 활용성이 매우 높다는 장점을 가진다.
SBC의 대표 모델로는 라즈베리파이 (Raspberry Pi)를 들 수 있는데 (Fig. 4(a)), 이는 영국 잉글랜드의 라즈베리 파이재단이 개발도상국의 컴퓨터 기초 교육을 목적으로 개발한 것으로 라즈베리파이 재단은 데비안과 아치 리눅스 ARM (advanced RISC machine) 배포판을 이용할 수 있도록 설계되었다. 또한, 주요 프로그래밍 언어를 파이썬을 채택함으로 프로그래밍 학습자의 유입을 유도하고 있다. 파이썬은 전 세계 개발자들이 매우 선호하는 프로그래밍 언어로 무료 오픈소스 언어로 강력한 라이브러리와 관련 커뮤니티들이 활성화가 되어 있고, 데이터 처리, 가공 및 시각화에 대한 기능이 매우 강력하다. 또한, 파이썬은 근래에 들어와 머신러닝 및 딥러닝 분야에서의 높은 활용성을 나타내고 있다. 본 연구에서는 파이썬 프로그래밍이 가능하고, I/O port를 통한 다른 장치와의 물리적 연결 및 신호 송수신이 편리한 라즈베리파이를 이용하여 자동 물꼬의 제어 방법론을 제시하고자 한다.
Fig. 4 Parts for embodiment IoT-based automatic paddy inlet
라즈베리파이 이외에도 수문 제어를 위해서는 자동 물꼬의 제어를 물리적으로 구현할 수 있는 부품이 요구된다. 본 연구에서는 수위 변화를 판단하기 위해 초음파 센서 (Fig. 4(b))와 수문 작동을 담당하는 모터 (Fig. 4(c))를 도입하였으며, 이들을 라즈베리파이의 I/O port에 연결하여 라즈베리파이의 신호를 각 부품에 송신하거나, 부품으로 보내진 신호를 수신할 수 있도록 하였다. 특히, 본 연구에서 수문이 닫히면 수문이 관개용수로 내 유량의 압력을 견뎌야 하기에, 모터 제어가 종료될 때, 모터 내부의 걸쇠가 자동으로 회전축에 걸려 별도의 전력을 사용하지 않아도 걸쇠의 저항으로 유량의 압력을 견딜 수 있게 하고자 브레이크 타입의 모터를 채택하였다. 또한, 자유도가 높은 수문 동작을 위해 라즈베리파이의 신호를 받아 모터의 세밀한 제어가 가능하게 하는 모터 제어 유닛 (Fig. 4(d))도 도입하였다.
위와 같이 각 부품을 이용하여 수문을 제어함으로 효율적인 물관리 기능 확보라는 기본전략Ⅱ와 독립적인 자동 제어 기능 확보라는 기본전략Ⅲ을 충분히 반영할 수 있을 것으로 판단하였다.
다. 기본전략 Ⅳ 반영을 위한 설계 방법
한정적 수자원의 효율적 이용을 위해서는 관개용수 공급이 원활하게 이루어지는가, 또는 과잉⋅과소 공급이 발생하지 않는가 등을 확인할 필요성이 있다. 현장에서는 수리시설감시원과 같은 물관리 인력이 부족하고, 특히 광역 논의 경우는 넓은 면적을 관리하는 데에 물리적 한계를 드러내고 있다. 근래에는 별도의 프로그램을 개발하여 특정 단말기 또는 장치에 인식시켜 모니터링이 가능한 센서 기반의 물꼬가 개발되고 있으나, 이러한 장비는 단가가 높은 경우가 많거나 장비 간의 통신 호환성이 낮아 장비 교체 등의 문제를 발생시키고 있다.
이에, 본 연구에서는 관개용수 공급의 모니터링을 위해 앞서 언급한 라즈베리파이에서 실행 가능한 Node-RED 프로그램을 활용하고자 하였다. Node-RED는 앞서 언급한 라즈베리 파이처럼 무료 오픈소스이며, 하드웨어 장치, API (application programming interface), 온라인서비스의 일부로 배선화 시키고자 개발된 플로 기반 (based-flow) 프론트 엔드 (front-end) 개발 도구이다. Node-RED는 자바스크립트를 기반으로 한 NODE.js를 이용하여 개발된 도구로 기본적인 개발작업은 자바스크립트의 이해를 요구한다. 그러나 자바스크립트의 강력한 웹프로그래밍 기능을 그대로 담고 있기 때문에 Node-RED를 활용한 웹 서비스의 구현이 가능하며, 앞서 언급한 바와 같이 플로 기반의 도구이기에 웹 서비스 구축도 매우 용이하다. 이와 함께 실시간 영상을 통해 관개용수의 공급 여부를 확인하기 위해 라즈베리 카메라를 이용하고자 하였다. 라즈베리 카메라는 라즈베리파이에서 가장 대표적으로 사용하는 카메라로 라즈베리파이 본체의 카메라 모듈 포트 (camera serial interface port, CSI port)에 연결하여 리눅스나 파이썬에 의해 제어가 가능할 수 있도록 설계되어 있다. 라즈베리 카메라의 종류는 다양하나 본 연구에서 사용한 카메라는 라즈베리파이 카메라 모듈 3 (Raspberry Pi Camera Module 3)을 사용하였다.
본 연구에서 제안하는 자동 물꼬는 모터, 초음파 센서 및 라즈베리 카메라 등이 라즈베리파이의 I/O port 및 CSI port에 연결하고, 라즈베리파이 내의 파이썬을 이용하여 앞서 부품들에서 보내오는 신호를 처리한 후, 이를 다시 Node-RED로 송신하도록 하였다. 신호를 받은 Node-RED는 광역망 (wide area network)을 통해 서버 컴퓨터나 모바일 단말기로 송신하여 각 부품이 생산한 데이터 (숫자 및 영상 등)을 확인할 수 있도록 계획하였다 (Fig. 5). 이를 통해 관개 상황 원격 모니터링 기능 확보라는 기본전략 Ⅳ를 만족할 수 있도록 하였다.
Fig. 5 Scheme of monitoring for IoT-based automatic paddy inlet in this study
3. 자동 물꼬 운영을 위한 구성 부품 간의 연계 방법
자동 물꼬가 효율적으로 운영되기 위해서는 각 부품의 유기적인 연결 체계와 이를 제어할 수 있는 핵심 규칙이 수반된다. 본 연구에서 제안하는 자동 물꼬는 Fig. 6과 같이 계측을 위한 관측부 (monitoring part), 부품간 데이터 교환을 위한 통신부 (communication part), 자동 물꼬의 상황을 기록하고 표현하는 출력부 (presentation & recording part), 수문 제어 판단 및 신호 송신을 위한 제어부 (control part) 및 실제로 수문이 작동되는 작동부 (actuator part) 등 5개 부로 구분할 수 있다. 단, 수문은 3단계로 작동되도록 설정하였는데, 각 단계는 수문의 닫힘 각도가 30°, 60° 및 90°로 여기서 90°는 수문이 완전 닫힘을 의미한다.
Fig. 6 Illustration of IoT-based automatic paddy inlet architecture in this study
Fig. 6과 같이 5개 부가 각각 맡은 역할이 정해짐에 따라, 이들을 유기적으로 제어할 수 있도록 하는 소프트웨어가 요구된다. 이를 위해 Fig. 7과 같은 제어 흐름을 계획하고 파이썬 기반 소프트웨어로 구현하였는데 이는 앞서 언급한 핵심 규칙에 해당된다. 여기서 핵심 규칙은 지속적인 관측부의 데이터가 제어부로 송신되고, 제어부에서는 이를 실시간으로 임계값과 비교를 통해 수문이 작동되도록 작동부로 명령 신호를 보내도록 설계되어 있다는 점이다.
Fig. 7 Flowchart for proposed IoT-based automatic paddy inlet in this study
4. 자동 물꼬의 운영 결과 평가 방법
본 논문에서 자동 물꼬의 운영 효율성 및 효과 등을 판단하고자 세 가지 측면을 검토하고자 한다. 첫 번째 측면은 ‘논의 적정수위를 만족하는 자동 물꼬 운영이 가능한가?’이며, 두번째 측면은 ‘자동 물꼬의 운영으로 수자원의 효율적 이용이 가능한가?’이다. 끝으로 세 번째 측면은 ‘자동 물꼬는 시간적 효율성을 가지는가?’이다.
첫 번째 측면을 평가하기 위한 방법으로는 본 연구에서 임의의 논 적정수위 (designed optimum moisture range)를 설정하고 수문이 이 적정수위를 유지 할 수 있는지를 평가하였다. 여기서 논의 적정수위는 논 바닥으로부터 5∼6 cm 높이를 적정수위로 정하였으며, 자동 물꼬는 이를 임계값으로 받아들여 수문 제어를 할 수 있도록 설정하였다. 이후 자동 물꼬가 스스로 관개용수를 제어하면서 설정된 논의 적정수위가 유지되는지 관찰하여 그 결과를 나타내고자 하였다.
두 번째 측면을 평가하는 방법은 일정 규모의 관개용수를 수로에 흘려보내 자동 물꼬 운영에 의한 논 공급량을 측정하는 방법을 이용하였으며, 이때 대조군으로 관행 물꼬에 의한 논 공급량을 사용하고자 하였다. 여기서 관행 물꼬는 Fig. 1(b)와 같이 자동 물꼬에서 수문과 수문 회전축을 제거한 상태를 나타낸다. 또한, 수위 변화에 따른 논 공급량의 수준도 검토하기 위해 물꼬 (원형 구멍)의 50%만 잠길 수 있는 수위 (수로 바닥으로부터 2 cm 높이)와 물꼬가 100% 잠길 수 있는 수위(수로 바닥으로부터 4 cm 높이)로 구분하여 실험을 실시하였다. 이를 5회 반복 실험을 통해 그 결과를 도출하고 자동 물꼬의 효율성을 검토하고자 하였다.
마지막 세 번째 측면을 평가하는 방법으로 각 물꼬의 경과 시간 (elapsed time)을 살펴 시간적 관개 효율을 판단하고자 하였다. 여기서 경과 시간은 자동 물꼬와 관행 물꼬에 의해 첫 번째 평가 방법에서의 적정수위까지 도달하는 시간을 의미하며, 이를 통해 두 번째 평가 방법에서의 각 조건에 따른 경과 시간을 측정하여 시간적 관개 효율을 검토하고자 하였다.
Ⅲ. IoT 기반 자동 물꼬 구현 및 운영 결과
1. 자동 물꼬 구현
본 연구에서 제안한 자동 물꼬는 Fig. 8과 같이 구현되었다. 본 자동 물꼬는 앞서 언급한 바와 같이 5개 부로 구성되어 있으며, 각 부의 부품은 Fig 8(a)와 같이 위치하고 있다.
Fig. 8 Result of building for IoT-based automatic paddy inlet
수문은 관개수로의 물꼬 옆에 위치하고 있으며, 관개용수의 흐름을 제어할 수 있도록 하였다. Fig. 8(b)와 (c)는 각각 수문의 닫힘과 열림을 보여주고 있다. 수문이 닫힐 경우 관개 수로의 관개용수 흐름을 차단하고 동시에 물꼬가 개방되는 구조를, 수문이 열릴 경우 관개수로의 관개용수 흐름을 유통하고 동시에 물꼬가 폐쇄되는 구조를 나타내고 있다. Fig. 8(d)는 자동 물꼬의 현 상황을 모니터링할 수 있도록 서버 데스크 탑의 Node-RED 실행 화면을 보여주는데, 이 Node-RED 에서는 수문의 개방 단계, 수로 및 논 필지의 수위 및 수위의 시간 변화 등의 정보를 제공되도록 구축되었다. Fig. 8(e)는 라즈베리 파이에 연결된 카메라로 촬영된 영상이 서버 데스크탑으로 전송된 화면을 보여준다. 이를 통해 IoT 기반 자동 물꼬의 현재 상황이 정량적 수치와 함께 실시간 영상을 통해 확인 가능할 수 있는 결과를 보여준다.
이와 함께 수위 센서는 관개수로 벽의 상단과 논 필지 벽의 상단에 위치하여 각각 관개수로의 수위와 논 필지의 수위를 측정할 수 있도록 하였다. 또한, 카메라는 관개수로 상단에 위치하고 있어 관개수로의 전체 현황 및 수문의 움직임을 모니터링할 수 있도록 하였다. 물꼬는 관개수로 벽에서 연결되어 논 필지로 관개용수가 공급될 수 있도록 설치되었다. 이 모든 장치의 현황은 서버 데스크탑의 Node-RED에서 확인할 수 있도록 하였다.
2. 자동 물꼬의 논 필지 적정수위 유지 결과
본 논문에서 자동 물꼬의 운영 효율성 및 효과 등을 판단하기 위한 첫 번째 측면으로 ‘논의 적정수위를 만족하는 자동 물꼬 운영이 가능한가?’를 판단하기 위해 자동 물꼬를 45분 동안 운영하도록 하고 논 필지의 수위를 확인하였다. 여기서 실제 관개용수를 흘려보낸 시간은 35분이며, 35분이 경과한 직후에는 용수공급 중단 (stop irrigation) 및 수문 작동을 중단하였다. 자동 물꼬의 적정수위 유지 결과는 Fig. 9와 같으며, 이는 서버 데스크탑의 Node-RED에서 출력되는 그래프와 동일하다.
Fig. 9 Result of operation by IoT-based automatic paddy inlet
Fig. 9(a)에서 나타난 바와 같이 관개용수 공급 및 수문 제어 시간 동안에는 논 필지의 적정수위가 유지되고 있는 것으로 나타났다. 동 시간대에 적정수위를 넘어 논 필지 수위가 7 cm 이상인 수준을 보이는 경우가 발생했는데, 이는 Fig. 9(b)와 같이 수문이 2단계 및 3단계를 오르내리는 사이에 관개용수가 유입되었기 때문으로 판단된다.
단, 논 필지 수위가 적정수위 또는 그 이상의 수위를 만족한 이후에는 수문이 완전 개방 되어 논 필지로 용수공급이 차단되는 것으로 나타났고, 특히 이때에는 수문이 적정수위 이하의 수위로 감소하기 전까지는 적정수위를 유지하거나 초과하지 않도록 작동되었음을 알 수 있었다. 또한, 동 시간대에는 최저 수위가 4.5 cm로 나타났으나, 적정수위와 격차가 큰 수위의 감소나, 적정수위 이하의 수위 유지 시간이 길지 않은 것으로 나타났다. 관개용수의 공급 수준은 Fig. 9(c)와 같이 수문의 개폐에 따라 관개수로의 수위가 증가하거나 감소하였는데, 이를 통해 관개수로 내의 관개용수가 필지로 공급됨을 파악할 수 있었으며, 수위 변화에 대한 내역이 데스크탑의 Node-RED에서 기록 및 출력됨에 따라 자동 물꼬 운영 현황의 모니터링이 가능함을 알 수 있었다.
3. 자동 물꼬의 관개 효율성 결과
자동 물꼬의 운영 효율성 및 효과 등을 판단하기 위한 두번째 측면인 ‘자동 물꼬의 운영으로 수자원의 효율적 이용이 가능한가?’를 검토하고자 자동 물꼬의 관개 효율성 분석을 위한 5회 반복 실험 결과를 Table 1과 같이 나타냈다. 자동 물꼬의 관개 효율성 분석을 위한 실험은 Table 1과 같이 4개의 조건에서 시행되었으며, 수로에 흘려지는 전체 유량은 130.4 ℓ, 관개 시간은 5분으로 동일하게 적용하였다.
Table 1 Efficiency result of IoT-based automatic paddy inlet
(a) This indicated the mean values of five repeated experiments
우선, 수위가 2 cm로 (본 실험에서 물꼬가 반만 잠기는 수위) 유지될 때의 자동 물꼬와 관행 물꼬의 5회 반복 실험에 의한 평균 관개수량 (irrigation water)을 살펴보면 각각 30.2 및 6.3 ℓ로 자동 물꼬가 관행 물꼬에 비해 약 5배 정도 높은 것으로 나타났다. 또한, 각 물꼬의 관개효율을 살펴보면 자동 물꼬는 23.2%, 관행 물꼬는 4.8%로 나타나 18.4%의 차이로 자동 물꼬의 관개 효율이 높은 것을 보였다.
수위가 4 cm로 (본 실험에서 물꼬가 완전히 잠기는 수위) 유지될 때의 자동 물꼬와 관행 물꼬의 평균 관개수량을 살펴 보면 각각 50.6 및 42.8 ℓ로 앞서 2 cm의 수위 조건에서의 결과 마찬가지로 자동 물꼬의 효율이 높게 나타났으나, 그 차이는 2 cm의 수위 조건과 같이 큰 차이로는 나타나지 않음을 알 수 있다. 각 물꼬의 관개효율을 살펴보면 자동 물꼬와 관행 물꼬가 각각 38.8 및 32.8%의 효율을 보였으며, 6.0%의 차이로 자동 물꼬가 높은 효율성을 가지는 것으로 나타났다.
Fig. 10과 같이 자동 물꼬는 수위의 변화가 발생해도 항상 관행 물꼬보다 높은 관개 효율을 갖는 것을 보여준다. 특히, 낮은 수위일 때 자동 물꼬와 관행 물꼬의 관개 효율의 차이가 크게 나타나, 관개수로의 수위가 낮을 때, 자동 물꼬가 관행 물꼬보다 더욱 효과적이라는 것을 알 수 있다.
Fig. 10 Result of irrigation efficiency for conventional and IoT-based automatic paddy inlet
4. 자동 물꼬의 시간적 효율성 결과
자동 물꼬의 효율성을 판단하는 마지막 측면으로 ‘자동 물꼬는 시간적 효율성을 가지는가?’를 검토하기 위해 앞서 네가지 조건에 대한 관개 경과 시간을 검토하였다. 여기서, 관개 경과 시간은 자동 물꼬와 관행 물꼬에 의해 논 필지의 적정수위까지 도달하는 용수 공급 시간을 의미하며, 실험 결과는 Fig. 11과 같다.
Fig. 11 Irrigation elapsed time results until reaching the designed optimum moisture range
Fig. 11에서 나타난 바와 같이 관개 경과 시간은 수위 4 cm 조건에서의 자동 물꼬, 수위 4 cm 조건에서의 관행 물꼬, 수위 2 cm 조건에서의 자동 물꼬 및 수위 2 cm 조건에서의 관행 물꼬 순으로 높게 나타났다. 수위 4 cm 조건에서 자동 물꼬 및 관행 물꼬의 경과 시간은 각각 3분 51초 및 4분 35초로 경과 시간이 비교적 짧았는데, 이는 관개수로에 물꼬 위치 이상의 수위를 만족하는 다량의 용수가 공급되었기 때문으로 판단된다. 즉, 관개수로에 용수가 풍부할 경우에는 논 필지로 용수가 빠르게 공급되는 것을 알 수 있으며, 동시에 자동 물꼬의 설치 유무가 큰 영향을 미치지 않는 것으로 생각할 수 있다. 반면에, 수위 2 cm 조건에서 자동 물꼬 및 관행 물꼬의 경과 시간은 각각 5분 45초 및 24분 10초로 매우 큰 격차가 나타났다. 이 중, 관행 물꼬 조건에서 큰 경과 시간이 나타난 이유는 물꼬를 절반만 채우는 관개수로 내의 용수량의 크기에 의한 것으로 생각되며, 낮은 수위에서는 물꼬로 유입되는 관개수량이 적기 때문으로 판단된다. 또한, 상대적으로 짧은 경과 시간을 기록한 자동 물꼬의 경우에는 관개수로 내의 용수량이 적더라도 설계된 소프트웨어에 의해 수문을 인위적으로 운용하여 관개수로의 용수를 차단함으로 물꼬로 유입되는 관개수량을 증가시켰기 때문으로 생각된다.
특히, 수위 2 cm 조건에서의 관행 물꼬를 제외하고 나머지 세 조건에서 경과 시간의 차이가 크게 나타나지 않았는데, 이는 모두 관개수로에 풍부한 관개 수량이 존재한다는 공통점을 가진다. 즉, 원활할 관개가 가능하려면 전제 조건으로 관개수로에 충분한 관개 수량이 공급되어야 한다는 것을 의미한다. 다만, 여기에서 차이점은 관개수로 내의 수량을 인위적으로 조성한 것인지, 수원으로부터 풍부한 유량이 지속적으로 공급된 것인지로 볼 수 있다. 이는 수원으로부터 충분한 수량 공급이 불가능할 경우에는 본 논문에서 제안하는 자동 물꼬가 해당 조건을 충분히 구현할 수 있는 장점을 가지는 것으로 판단할 수 있는데, 관개 수량의 부족 현상이 빈번히 발생하는 관개 지선 또는 지거에서 자동 물꼬의 관개 기능이 충분히 발현될 수 있을 것으로 생각된다.
5. 현장 적용성과 관련한 본 연구의 한계
본 연구에서 자동 물꼬의 현장 설치 및 운영 등의 범용성 확보를 위해 기존 관개용수로의 특징을 고려하여 자동 물꼬가 충분히 설치될 수 있도록 설계하였으며, 생산 단가 또는 구입 비용 등을 낮추고자 가장 저렴하고 효과적인 라즈베리파이, 모터 및 센서 등을 채택하였다. 또한 유지관리 비용을 고려하고자 각 자동 물꼬에 요구되는 각종 센서 등은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 낮은 가격의 센서들을 활용하였다. 그럼에도 본 연구에서 제안한 자동 물꼬는 현장 적용에 있어서 실제 현장 설치 가능 여부, 운영 안정성, 서버 컴퓨터 간의 통신 문제, 관리주체, 생산 단가 또는 구매 비용, 유지관리 (부품 수명 또는 운영 가능 기간) 등의 현장 적용에 관련한 문제점을 가질 수 있다. 이는 본 연구의 한계로 시제품 제작 및 실제 현장에서의 실험을 시행하지 못함에 따라 현장에서 발생할 수 있는 문제점을 도출하지 못한 것으로 설명할 수 있다. 이에 자동 물꼬 시제품의 생산 단가 또는 구입 가격 등도 현재 상태에서는 알 수 없으며, 현장 적용 가능성도 불분명하다. 설사 적정 생산 단가를 통해 현장에 설치하더라도 자동 물꼬의 유지관리 및 관리주체에 대한 문제가 발생할 수 있다.
다만, 본 연구와 같이 새로운 장비 설치에 따른 예산 문제와 첨단장비 도입에 따른 관리주체 문제는 필연적으로 제기될 수밖에 없다. 이러한 문제들을 본 연구에서 논하는 것은 연구 범위에서 벗어날 수 있으나, 해당 사항을 우려하여 연구 조차 수행되지 않는다면 연구의 지속성 또는 동력이 떨어질 수밖에 없으며, 관련 기술의 고도화 및 효율성 강화는 불가능할 것으로 생각된다. 낡은 방법론이지만 이러한 기술을 국가 차원에서의 보조 사업이나 시범사업을 통해 그 성능 및 효과를 증명하고 여러 보완을 거쳐 국가 전역으로 확대해야 농업의 여건 변화나 미래 농업에 대응할 수 있다고 판단한다. 이에, 본 연구도 실험실 규모에서 끝내지 않고, 실증 연구를 통해 현장 적용성을 검토하여 더욱 보완하고자 한다.
Ⅳ. 결론
본 연구에서는 관개수로의 공급량 변화에 따른 수위 변화를 고려할 수 있으며 동시에 관개 효율을 확보할 수 있는 IoT 기반 논 관개수로 자동 물꼬를 개발하고 그 효율성과 효과성을 제시하여 효율적 논 물관리에 기여하고자 수행되었다. 그 결과로 자동 물꼬는 논의 적정수위를 유지 할 수 있는 기능을 보여주었으며, 특히 수자원의 이용 측면에서 관행 물꼬보다 최대 18.4%의 높은 수자원 이용 효율성을 나타냈다. 또한, 자동 물꼬는 관행 물꼬보다 시간적 효율성이 높은 것으로 나타났으며, 관개수로가 낮은 수위를 가질 때 분명한 효과를 보였다. 이러한 결과는 전제 조건으로 관개수로에 충분한 관개 수량이 공급되어야 한다는 의미를 내포하는데, 수원으로부터 충분한 수량 공급이 불가능할 경우에는 본 논문에서 제안하는 자동 물꼬가 센서에서 읽어드린 정보를 기반으로 관개용수로 내의 용수 흐름을 차단하고 수위를 상승시켜 농지로 용수공급을 가능하게 하는 기능을 충분히 보여준다. 특히, 관개 수량의 부족 현상이 빈번히 발생하는 관개 지선 및 지거에서는 앞서 수위 상승 기능을 가진 자동 물꼬의 장점이 충분히 발현될 수 있을 것으로 생각된다.
다만, 본 연구는 실험실 규모의 실험에서 도출된 결과로 실제 현장에서 자동 물꼬가 제 기능을 하는지는 추가적인 연구가 요구된다. 향후, 지속적인 실험을 통해 실증이 가능한 연구로 발전시키고자 한다.
감사의 글
이 논문은 2022학년도 충북대학교 학술연구지원사업의 연구비 지원에 의하여 연구되었음 (This work was supported by the research grant of the Chungbuk National University in 2022).
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