1. 서 론

우리나라의 대표적인 구근류 작물인 고구마는 메꽃과 고온성 식물로 토양 적응성이 넓고, 토양 속 양분을 흡수하는 흡비력이 강해 척박한 환경에서도 재배가 가능한 작물이다.

이런 고구마는 재배 시, 기계화율이 낮은 작목 중 하나로 전체 작업 시간 중 절반 이상을 고구마 정식(모종을 밭에 심는 일) 및 수확 작업이 차지하며, 이러한 주요 작업들에는 많은 인력들이 필요해 점차 고령화, 노령화 되어 가는 국내 농가에 일손 부족 문제와 인건비 부담 문제가 증가하게 되었다^[1-2].

이에 고구마 재배에서 많은 시간과 인력을 차지하는 정식 작업의 어려움을 해결하기 위하여 현재는 고구마 정식기라는 농기계를 점차 활용하여 정식 작업을 진행하며 기계화율을 조금씩 높이고 있는 단계이다.

고구마 정식기는 탑승형, 무인 작업형 등 다양한 형태로 개발되고 있는데, 그 중에서도 사람이 탑승하지 않고 식부장치도 별도로 필요 없는 롤 타입의 정식기가 최근 개발되어 인력 감소에 큰 도움을 주고 있다^[3-4].

그림 1과 같이 고구마 롤 정식기를 효과적으로 사용하기 위해서는 고구마 순 부착기라는 장비가 필요한데, 이 장비를 통해 모종인 고구마 순들의 테이핑 공정을 자동화하여 인력 의존도를 낮추고, 작업 효율성을 높이고 있다.

그림 1. 고구마 롤 정식기 작업 모습(좌) 및 고구마 순 테이핑 모습(우)

Fig. 1. Sweet potato roll type transplanter work(L) and Sweet potato shoot taping(R)

그림 2와 같이 고구마 순 부착기는 고구마 순을 롤 테이프에 부착하여 원형 보빈(Bobbin)에 감는 방식으로 대량으로 고구마 순들을 빠르게 부착 가능하므로, 기존 인력을 활용한 고구마 순 부착 방법에 비해 약 세 배 이상 작업 시간을 절약시킬 수 있다^[5]. 다만 현재의 고구마 순 부착기는 고구마 순들을 테이핑 하고, 보빈에 감는 기본 기능만 구현 가능하게 제작되어, 순 부착용 롤 테이프의 교체 시기 알림 및 손끼임 방지 등의 여러 개선 사항들이 필요해 보인다는 문제점들이 지속적으로 제시되었다.

이에 본 연구에서는 스마트 농업 시대에 발맞춰, 해당 장비인 고구마 순 부착기를 실제 사용하는 작업자들의 요구 사항들을 바탕으로 기존 장비의 한계점이었던 작업 편의성과 안전성을 향상시킬 수 있고, 여러 연구 방안들 중 가장 빠른 시기 안에 상용화 시킬 수 있는 고구마 순 부착기의 스마트 다기능 알림 시스템의 개발 방안에 대해 소개하고 제안하고자 한다.

그림 2. 고구마 순 부착기의 외형 및 작업 모습

Fig. 2. Appearance and operation of the sweet potato shoot attachment machine

2. 고구마 순 부착기의 작업 편의성과 안전성 향상 방안

고구마 순 부착기는 일종의 벨트 타입의 컨베이어 이송 방식 형태로 구성된 장비로 크게 세 부분으로 나뉘어져 있다.

제일 앞 단에는 일정 속도로 흘러가는 벨트에 부착된 각각의 네모난 캡들 안에 작업자가 고구마 순을 집어넣을 수 있는 이송부, 흘러가는 캡들 안에 들어있는 고구마 순들이 중간 위치에 장착된 부착용 롤 테이프를 거치는 부착부, 테이핑 된 고구마 순들이 끝단의 검정색 원형 보빈(Bobbin)에 회전하며 감기는 회전부로 구성되어 있다.

이렇게 구성되어 작동하는 기존의 고구마 순 부착기 장비는 위에서 설명한 것처럼 고구마 순들을 테이핑 해서 보빈에 감는 기본적인 기능에만 충실하다.

이에 본 장에서는 전반적인 작업 생산성을 효율적으로 높이기 위해 필요한 작업 편의성과 안전성을 향상시킬 수 있는 기능들의 구현 방법에 대해 소개한다.

2.1 롤 테이프 교체 시기 알림 기능

고구마 순 부착기의 작업 편의성을 향상시키기 위한 편의 기능으로 그림 3과 같이 부착부에 있는 원통형 테이프 거치대에 끼워지는 롤 테이프의 교체시기를 사전에 알려주는 알림 기능을 제안하였다.

이는 작업 시간 단축 및 작업의 연속성을 유지시켜 주는 중요한 기능으로 기존 장비에서는 이러한 사전 알림 기능이 없어서 사용자가 작업 중 지속적으로 롤 테이프의 소진 여부를 육안으로 체크해야 되므로 작업의 집중도가 현저히 낮아졌다. 또한 롤 테이프는 소모성 자재이므로 재고가 없을 시, 배송될 때까지 장비 자체가 가동이 되지 않으므로 해당 작업 공정은 완전히 멈추게 된다. 그리고 작업 도중 롤 테이프를 다 쓰게 되면 장비가 중간에 갑자기 의도치 않게 멈추게 되고 이러한 멈춤 현상의 반복 시, 장비 자체의 고장이나 이상 동작을 유발시킬 수도 있게 된다.

그림 3. 롤 테이프 사용량에 따른 교체 시기

Fig. 3. Replacement period depending on roll tape usage

이러한 여러 단점들을 해결하기 위해 롤 테이프의 소진율을 실시간 감지하고 설정된 교체 임계점에 도달하면 사용자에게 다단 알림을 해주는 방식으로 설계를 하였다.

해당 편의 기능 구현을 위한 알림 모듈의 구성은 아래 표 1과 같다.

표 1 롤 테이프 교체 시기 알림 모듈의 사양

Table 1 Specifications of the roll tape replacement timing notification module

편의 기능	롤 테이프 교체 시기 알림 모듈
센서 스펙	TCND5000
구동 전압	DC 24V(입력) / DC 3.3V(동작)
감지 방식	광학 센서 이용한 거리 및 폭 변화량 감지
알림 방식	사인타워 이용한 다단(3단) 경광 알림
설정 방식	LCD 화면을 통한 입력값 설정 방식

2.2 작업 구역 위험 알림 기능

고구마 순 부착기의 작업 안전성을 향상시키기 위한 안전 기능으로 그림 4와 같이 이송부에 부착되어 있는 여러 개의 네모난 캡 안으로 고구마 순을 집어넣는 일을 하다가 발생할 수 있는 작업자의 손이나 장갑 또는 그 외 물체의 끼임 사고를 방지하기 위한 위험 알림 기능을 제안하였다.

그림 4. 끼임 사고의 주요 발생 지점

Fig. 4. Main points of occurrence of trapped accidents

앞서 설명한 바와 같이 고구마 순 부착기에서 사람이 직접적으로 가장 오랫동안 작업을 수행하는 부분은 이송부로 한정되어 있다. 나머지 부착부와 회전부는 자동화가 되어 있기 때문이다.

이송부에서 회전하는 밸트에 부착된 캡들 안에 고구마 순들을 넣을 때, 작업자는 한 번씩 롤 테이프의 소진 여부를 육안으로 체크하기 위해 고개를 들어야 될 때도 있고, 주변 작업자들과 함께 대화를 나누거나 반복되는 작업으로 인해 졸음이 오는 등 다양한 원인으로 인해 작업 집중도가 떨어질 때가 있다. 본 작업을 진행하는 주요 대상자들이 고령자 또는 여성들이 대다수이기 때문에 이런 여러 상황들에서 발생할 수 있는 안전사고로부터 이들을 지켜줄 수 있는 기능이 필요하다.

이런 문제점을 해결하기 위해 이송부에서 부착부로 넣어가는 벨트의 끝부분이 있는 중간 부위에 근접하는 물체를 실시간 감지하고 설정된 거리 임계점에 접근하면 작업자에게 즉시 알림을 해주어 끼임 사고를 미연에 방지할 수 있도록 설계를 하였다.

해당 안전 기능 구현을 위한 알림 모듈의 구성은 아래 표 2와 같다.

표 2 작업 구역 위험 알림 모듈의 사양

Table 2 Specifications of work area hazard notification module

안전 기능	작업 구역 위험 알림 모듈
센서 스펙	GP2Y0E02A
구동 전압	DC 24V(입력) / DC 3.3V(동작)
감지 방식	근접 센서 이용한 객체(물체) 감지
알림 방식	피에조 부저 이용한 경음 알림
설정 방식	MCU 내에 다운로딩을 통한 설정 방식

3. 스마트 다기능 알림 시스템 소개

지금까지 설명한 편의와 안전에 해당하는 모듈들의 기능을 모두 통합한 것을 스마트 다기능 알림 시스템이라 한다.

스마트 다기능 알림 시스템은 크게 다섯 부분으로 나눌 수 있는데 제어부, 설정부, 알림부, 센서부, 전원부로 구성되며, 이를 도식화하면 그림 5와 같다^[6].

제어부에는 STM社의 32bit ARM 계열인 STM32F 시리즈 MCU인 STM32F030C8T6TR 모델을 적용하여 이를 통해 센서부, 알림부, 설정부 등 시스템의 전체적인 구동을 제어한다.

설정부는 Nextion社의 NX4832K035_011모델인 3.5인치 터치용 LCD부를 통해 사용자가 각각의 알림 설정 값들을 조절할 수 있는데, 편의 기능인 롤 테이프 교체 시기와 관련된 센서 및 알림 경보의 상태 값들을 LCD 화면을 통해 확인할 수 있다.

참고로 안전 기능인 작업 구역 위험 알림은 설정부인 LCD 화면에서 설정하는 방식이 아니고, 제어부 MCU에 이미 입력한 값을 통해 근접 센서에서 접근하는 물체를 감지하여 부저에서 경음하는 방식이다.

그림 6에서와 같이 사용자는 광학 센서를 장착하는 위치나 환경에 맞게 알람값과 주의값을 입력하고 저장 버튼을 누르면 된다.

그림 5. 스마트 다기능 알림 시스템의 구성

Fig. 5. Configuration of a smart multi-function notification system

그림 6. 설정부 LCD HMI 화면

Fig. 6. Settings LCD HMI screen

여기서 화면에 나타난 센서값, 알람값, 주의값의 의미는 다음과 같다.

센서값은 편의 기능부의 광학 센서가 실시간 감지하는 물체와의 간격 변화량을 나타내고, 경고를 뜻하는 알람값은 사인타워의 적색 경고등이 켜지기 시작하는 입력치, 주의를 뜻하는 주의값은 사인타워의 주황색 경고등이 켜지기 시작하는 입력치로 센서값에서 감지되는 변화량의 입력 값을 통해 사인타위의 경고등 색상이 변화하며 롤 테이프 교체 시기 정보를 알려준다.

알림부는 표 1과 표 2에서와 같이 편의 기능과 안전 기능에 따라 각각 알림 방식이 나뉘게 된다. 그림 7과 같이 편의 기능인 롤 테이프 교체시기를 알림해주는 방식은 광학 센서의 간격 변화량에 따라 사인 타워를 통해 정상, 주의, 경고의 3단 경광 방식으로 작업자에게 표출되고, 안전 기능인 작업 구역 위험 알림을 해주는 방식은 근접 센서의 물체 감지 거리에 따라 피에조 부조를 통해 경음 방식으로 작업자에게 표출된다.

센서부는 크게 편의 기능과 안전 기능을 구현할 수 있도록 두 가지로 나뉜다.

편의 기능을 담당하는 센서는 Vishay社의 TCND5000 모델의 광학 센서로 롤 테이프의 교체시기를 알려주는 방법은 크게 두 가지 모드로 나뉜다.

그림 7. 알림부 모듈의 동작 구현

Fig. 7. Implementing the operation of the notification module

첫 번째 교체 시기 감지 모드는 롤 테이프 정면에 센서를 장착하여, 테이프의 사용량이 많아질수록 테이프 양이 감소하고 그에 따라 멀어지는 거리 값을 감지하는 방식으로 그림 8과 같이 변화하는 센서값을 확인할 수 있다.

그림 8. 거리 값 변화량에 따른 감지 모드

Fig. 8. Detection mode according to distance value change

두 번째 교체 시기 감지 모드는 롤 테이프 측면에 센서를 장착하여, 테이프의 사용량에 따라 줄어드는 폭 넓이 값을 감지하는 방식으로 그림 9와 같이 변화하는 센서값을 확인할 수 있다.

해당 모드들의 실제 센서 감지 변화 값들은 모두 터치용 LCD 모듈을 통해 실시간으로 모니터링 할 수 있고, 이를 통해 주의, 경고 등의 알림 목표 값을 직접 설정할 수도 있다.

안전 기능을 담당하는 센서는 Sharp社의 GP2Y0E02A 모델의 근접 센서로 그림 10과 같이 피에조 부저와 한 쌍으로 이뤄지며 작업 시, 위험 지역으로 설정된 거리 내로 다가오는 물체를 실시간으로 감지하고 경고음을 발생시킨다.

마지막으로 전원부는 해당 시스템을 구동시키는 역할로 입력 전압은 AC220V이고, 내부에서 DC5V로 변환되어 각각의 모듈들에 알맞게 분배되도록 설계되었다.

그림 9. 폭 넓이 값 변화량에 따른 감지 모드

Fig. 9. Detection mode according to width value change

그림 10. 근접 물체 감지를 통한 위험 알림 모드

Fig. 10. Hazard notification mode with proximity object detection

이처럼 여러 개의 모듈들을 하나로 통합한 고구마 순 부착기의 스마트 다기능 알림 시스템은 그림 11과 같이 최종 완성 후, 연구실에서 각각의 기능들에 대한 자체 실험을 진행하며 성능들을 테스트 하였다.

그림 11. 스마트 다기능 알림 시스템의 외형 및 테스트

Fig. 11. Appearance and testing of a smart multi-function notification system

4. 성능 실험 및 검증

본 장에서는 스마트 다기능 알림 시스템의 성능을 실험하고 검증하는 방법과 내용 등에 관하여 소개하고자 한다.

정상 동작되는 고구마 순 부착기 장비를 시험 현장에 설치하고, 제작한 스마트 다기능 알림 시스템의 각 모듈들을 장비 몸체에 그림 12와 같이 장착하여 시험 환경을 구성한다.

그림 12. 고구마 순 부착기에 장착된 시스템의 시험 환경

Fig. 12. Test environment for the system mounted on the sweet potato shoot attachment machine

그리고 스마트 다기능 알림 시스템의 주요 기능인 편의 기능과 안전 기능을 대상으로 성능 실험을 진행하는데, 시험 절차와 판정 기준은 다음과 같다.

편의 기능은 광학 센서에서 설정된 거리 변화량과 폭 변화량에 따른 사인타워의 다단 경광 알림을 체크하여 정상 동작 구현 여부를 판정한다.

안전 기능은 끼임 사고가 자주 발생하는 이송부 끝단 위치에 설치한 근접 센서가 설정 거리 내에 접근한 물체를 감지할 때의 경음 알림을 체크하여 정상 동작 구현 여부를 판정한다.

먼저 편의 기능인 롤 테이프 교체시기 알림 기능을 구현하였다. 본 기능의 성능 검증 판정 방법에는 두 가지 교체시기 알림 모드가 있는데, 위에서 설명한 것처럼 거리 값의 변화량과 폭 넓이 값의 변화량을 감지하고 다단 경광 알림을 주는 방식 모두를 검증해보았다.

그림 13. 롤 테이프 교체 시기 알림 모드 1 구현 (거리 감지)

Fig. 13. Notification function for roll tape replacement mode 1 (Distance detection)

그림 13은 롤 테이프 정면에서 테이프의 사용량에 따라 멀어지는 테이프와의 거리 값을 센서가 측정하고 그에 따라 사인타워에서 다단으로 경광 알림을 주는 실험 모습이다.

시험 결과, 정면에 설치된 광학 센서 위치에서 테이프 사용량이 많아질수록 테이프 양이 감소하고 이와 함께 그림 8에서 나타난 것처럼 센서 위치에서 상대적으로 거리가 멀어지므로 정상일 때 녹색등, 교체 주의일 때 주황등, 교체 경고일 때 적색등이 3단계로 경광 알림하는 것을 확인하며 정상 동작하는 것을 검증하였다.

그림 14는 롤 테이프 측면에서 테이프의 사용량에 따라 줄어드는 테이프와의 폭 넓이 값을 센서가 측정하고 그에 따라 사인타워에서 다단으로 경광 알림을 주는 실험 모습이다.

그림 14. 롤 테이프 교체 시기 알림 기능 모드 2 구현 (폭 감지)

Fig. 14. Notification function for roll tape replacement mode 2 (Width detection)

시험 결과, 측면에 설치된 광학 센서 위치에서 테이프 사용량이 많아질수록 테이프 폭이 줄어들고 이와 함께 그림 9에서 나타난 것처럼 센서가 감지하는 폭 넓이가 감소하므로 정상일 때 녹색등, 교체 주의일 때 주황등, 교체 경고일 때 적색등이 3단계로 경광 알림하는 것을 확인하며 정상 동작하는 것을 검증하였다.

이를 통해 두 가지 교체시기 감지 모드에서 모두 각각의 변화량에 따라 다단 경광 알림을 해주는 정상 동작 모습을 확인할 수 있었다.

그리고 안전 기능인 작업 구역 위험 알림 기능을 구현하였다. 본 기능의 성능 검증 판정 방법은 위험 구역으로 설정된 이송부 끝단 위치에 설치한 센서에서 실시간으로 다가오는 물체를 감지하여 알림을 주는지 검증해보았다.

그림 15는 근접 센서와 피에조 부저를 끼임 사고가 자주 발생하는 이송부의 끝단 지점에 장착하고 실험하는 모습이다.

그림 15. 작업 구역 위험 알림 기능 모드 구현

Fig. 15. Implementation of work area hazard notification function mode

시험 결과, 이송부 끝단 지점에 설치된 근접 센서에서 설정된 거리 값인 10cm 내로 다가오는 손(물체)을 감지하고, 피에조 부저에서 경음 알림하는 것을 확인하며 정상 동작하는 것을 검증하였다.

이를 통해 근접 센서에 설정된 거리 임계점에 물체가 접근하면 부저에서 경음 방식으로 즉시 알림을 해주는 정상 동작 모습을 확인할 수 있었다.

참고로 본 안전 기능은 위험 구역에 접근한 객체에 대한 알림 신호이며, 이로 인해 장비가 정지하는 기능은 장비의 내구성 및 작업 연속성 등 여러 문제들을 고려해 추가하지 않았다.

이상과 같이 고구마 순 부착기에 실제로 부착한 스마트 다기능 알림 시스템의 성능 목표인 편의 기능과 안전 기능이 모두 정상적으로 동작하고 구현되는 것을 확인하며 성능 실험 검증을 성공적으로 완료하였다.

5. 결 론

본 논문에서는 고구마 재배 농가들에서 고구마 순 부착기를 사용하는 작업자들이 요구하는 편의 기능과 안전 기능을 구현한 스마트 다기능 알림 시스템에 대해 제안하고, 이를 실제 장비에 부착하여 성능 실험 및 검증 결과를 제시하였다.

이를 통해 이러한 스마트해진 기능들을 갖춘 시스템이 실제로 농업용 장비에 탑재되었을 때, 기존보다 훨씬 더 편리하고 안전하게 사용자들이 작업을 할 수 있게 되었고, 이를 통해 전반적인 작업 생산성까지 올라갈 수 있을 것이라는 기대도 할 수 있게 되었다.

향후 연구에서는 실제로 편의 기능과 안전 기능을 담당하는 센서 부품 및 그 외 모듈들에 대한 장착 기구부를 제작하여 고구마 순 부착기의 몸체에 고정시킨 뒤 안정적인 성능 구현 및 내구성 향상 방안에 대해 고민해보고, 작업자들이 요구하는 추가적인 기능들도 구현해보려 한다.

또한 본 시스템의 고장 발생 시, 수리 및 유지보수에 대한 비용과 기간 등 현실적인 문제 해결 방법들과 지금보다 더 시스템을 간편하고 단순화시킬 수 있는 최적화 방안들에 대해서도 함께 생각하고 도출해보려 한다.

이렇게 함으로써 현재 국내 농가에서 발생되고 있으며, 점차 이슈화 되고 있는 생산 인구의 고령화, 여성화 문제 등에 대한 여러 가지 농업 문제점들을 전기/전자공학적인 방법들을 활용하여 해결책을 제시하고, 이러한 농업용 스마트 시스템 도입을 통해 농가의 소득 증대와 사용자 만족도 향상에 대해서도 일조하고자 한다.