문제 해결 & 개선 - 병충해 방지를 위한 자동 분사 장치 제작기 : 소규모 농업 자동화 실전 사례

1. 병충해 방제의 문제점과 자동화 필요성

소규모 비닐하우스나 텃밭에서 병충해를 방제할 때, 가장 흔히 쓰는 방법은 손분무기나 소형 배터리 분무기를 활용하는 것입니다. 언뜻 보기에는 간단하고 비용도 저렴해 보이지만, 실제 방제 효과는 기대 이하인 경우가 많습니다. 특히 해충이 주로 서식하는 잎 뒷면, 하단부, 햇빛이 잘 들지 않는 음영 지역은 약제가 잘 닿지 않기 때문에 방제 범위가 불균일해집니다. 저도 초기에는 하루 종일 분무기를 들고 다니며 방제를 했지만, 일부 구역은 약제가 거의 닿지 않아 다음 날 가보면 이미 잎이 상해 있는 경우가 많았습니다.
또한 고온 시간대에 분사하면 잎이 타는 약해(藥害)가 발생할 수 있습니다. 여름철 한낮에 방제 작업을 하면 작물의 스트레스가 커지고, 해충이 잠시 줄어들었다가 곧 다시 늘어나는 악순환이 반복됩니다. 결국 ‘해충이 늘어났으니 다시 약을 뿌려야 하는’ 사후 대응만 하게 되는 셈입니다. 이런 과정을 거듭하다 보면 약제 사용량과 노동시간은 계속 늘어나고, 비용 부담과 피로도도 함께 커집니다.
이런 문제를 해결하기 위해, 저는 사람의 감각에 의존하지 않는 데이터 기반 자동화 시스템을 도입하기로 결정했습니다. 목표는 온도·습도·일사량·해충 발생 데이터를 기반으로 분사 시점과 용량을 자동 제어하고, 노즐 막힘·라인 압력 저하·약액 부족 같은 문제를 사전에 감지하는 완전 자동 분사 장치를 제작하는 것이었습니다. 이를 통해 방제 품질을 일정하게 유지하고, 관리자의 개입을 최소화하여 효율적인 농장 운영을 실현하는 것이 목표였습니다.

 

2. 자동 분사 장치 설계와 구성 원리

병충해 방제를 자동화하려면 단순히 펌프와 노즐을 연결하는 수준을 넘어, 환경 데이터와 작물 상태를 기반으로 균일하고 재현성 있는 분사를 구현해야 합니다. 이를 위해 제어부에는 ESP32를 채택했습니다. 이 마이크로컨트롤러는 와이파이와 블루투스 기능을 지원해, 하우스 안팎 어디서든 스마트폰으로 상태를 확인하고 제어할 수 있습니다. 또한 저전력 타이머 기능이 있어, 태양광 배터리 환경에서도 안정적으로 동작합니다.
구동부에는 12V 다이어프램 펌프를 사용해 충분한 압력과 유량을 확보하고, 솔레노이드 밸브를 구역별로 설치해 하우스를 여러 섹션으로 나누었습니다. 이렇게 하면 구역별로 맞춤 분사가 가능해져, 작물 상태나 해충 발생 상황에 따라 특정 구역만 선택적으로 방제할 수 있습니다. 분사부에는 상단, 하단, 잎 뒷면을 모두 커버할 수 있도록 미스트 노즐(0.2~0.5mm)을 혼합 배치하고, 안티드립 체크밸브를 사용해 분사 후 잔여액이 흘러내리지 않도록 했습니다.
센서 구성도 중요한 요소입니다. 유량 센서와 라인 압력 센서로 분사 상태를 실시간 모니터링하고, 탱크 잔량 센서를 통해 약액 부족을 미리 감지합니다. 환경 데이터 수집을 위해 온·습도 센서와 일사량 센서를 설치했고, 필요 시 해충 유인 트랩과 카메라를 연동해 해충 발생 여부를 자동 감지할 수 있게 했습니다. 전원은 태양광 패널과 12V 배터리를 조합해 전력망 연결이 어려운 환경에서도 독립적으로 운영할 수 있도록 설계했습니다.
배관 구조는 루프형으로 구성하여 노즐 간 압력 차이를 최소화했고, 이를 통해 모든 노즐에서 일정한 유량과 분사 품질을 유지합니다. 이러한 설계 덕분에 장치는 단순한 ‘자동 분사기’를 넘어, 정확한 타이밍과 균일한 분사를 수행하는 스마트 방제 시스템이 되었습니다.

 

3. 설치와 캘리브레이션 과정

장치를 설치한 뒤 가장 먼저 한 일은 캘리브레이션이었습니다. 각 노즐의 30초 분사량을 세 번씩 측정해 평균값을 구하고, 이를 프로그램에 입력했습니다. 이렇게 하면 같은 시간 동안도 노즐별 유량 차이가 줄어, 방제 품질이 균일해집니다. 이 과정에서 라인 압력도 함께 측정하여, 표준 압력 범위를 벗어나는 구역이 없도록 조정했습니다.
다음으로는 실제 작물 환경에서 형광수나 염료지를 사용해 약제가 닿는 범위를 시각적으로 확인했습니다. 방제 사각지대가 발견되면 노즐 각도를 미세하게 조정하거나 추가 노즐을 설치했습니다. 배관 연결부와 밸브, 센서의 작동 여부도 함께 점검하여, 장치 전체가 안정적으로 동작하는지 확인했습니다.
제어 프로그램은 10분 간격으로 환경 데이터를 읽고, 설정된 조건에 맞으면 자동으로 분사를 시작합니다. 예를 들어 온도가 22~26℃ 사이이고, 일사량이 낮으며, 해충 포집 장치에서 발생이 감지되면 분사가 시작됩니다. 분사가 끝나면 세정수 탱크를 사용해 자동 플러싱을 진행하여 노즐 막힘을 예방합니다. 모든 분사 기록은 모바일 대시보드(Blynk, 홈어시스턴트 등)에서 확인할 수 있어, 현장에 있지 않아도 운영 상태를 파악할 수 있습니다.
저는 농장 밖에 있을 때도 스마트폰 알림을 통해 “오늘 오전 7시, 1구역 2분 분사 완료” 같은 메시지를 받아볼 수 있었습니다. 이 덕분에 장치 상태를 실시간으로 확인하고, 문제가 발생하면 즉시 원격에서 대응할 수 있어 운영 효율이 크게 향상됐습니다.

 

4. 운영 성과와 유지관리 팁

4주간의 시험 운영 결과, 자동 분사 장치를 적용한 구역은 피해 잎 비율이 약 32% 감소했고, 재감염까지 걸리는 시간은 평균 4.5일 더 길어졌습니다. 약액 사용량은 면적 대비 18% 절감되어 비용 절감 효과가 있었으며, 방제 작업에 투입되는 시간도 크게 줄었습니다. 이전에는 주 3회, 회당 20분 이상 걸리던 분사 작업이 주 1회 10분 점검으로 대체됐습니다.
운영 팁으로는, 첫째 필터와 노즐은 주 1회 세척, 월 1회 교체하는 것이 좋습니다. 필터에 침전물이 쌓이면 유량이 불안정해지고, 노즐 막힘이 잦아집니다. 둘째, 약액 탱크는 주기적으로 세정수를 순환시켜 내부를 청소해야 침전물과 이물질이 쌓이지 않습니다. 셋째, 작물의 성장 단계에 따라 분사 조건과 용량을 조절하면 불필요한 약제 낭비를 줄이고 방제 효과를 극대화할 수 있습니다. 예를 들어 초기 생육기에는 분사량을 줄이고, 해충 발생 위험이 높은 개화기에는 분사 빈도를 늘리는 식입니다. 마지막으로, 태양광 패널과 배터리는 분기마다 점검해 충전 효율과 전원 공급 안정성을 유지해야 합니다.
앞으로는 여기에 해충 감지 정확도를 높이는 AI 분석 기능과 작물 성장 단계 자동 인식을 더해, 완전 자율 방제 루프를 완성할 계획입니다. 이런 발전이 이루어진다면, 소규모 농업에서도 대규모 스마트팜 못지않은 정밀 방제를 실현할 수 있을 것입니다.