소규모 농업 자동화 실험 시작 & 준비

1. 실험 설계와 환경 구축 과정

이번 글은 “소규모 농업 자동화 실험 기록 시리즈” 중 첫 번째 기록으로, 주제는 토양 수분 센서의 정확도 측정입니다. 이 실험의 목적은 자동화 기술을 소규모 농업에 적용할 때, 센서가 얼마나 신뢰성 있는 데이터를 제공하는지 검증하는 데 있습니다.
우선 실험 대상지는 20평형 비닐하우스 내 2개 구획으로 선정했습니다. 각 구획에는 서로 다른 제조사의 토양 수분 센서, 즉 A 브랜드 센서와 B 브랜드 센서를 각각 설치했습니다. 실험을 시작하기 전에는 토양 상태 균일화 작업이 필수였습니다. 두 구획 모두 동일한 배합비의 상토를 사용하고, 초기 수분 함량을 약 25%로 맞춘 뒤 균일 관수를 실시했습니다. 표층과 심층 수분이 고르게 분포되도록 포크형 토양 혼합 도구를 사용해 세 차례 이상 뒤섞었고, 온·습도 변화가 센서에 영향을 미치지 않도록 비닐하우스 내부 온도를 24~26℃로 유지했습니다.
센서 설치 시에는 삽입 깊이와 각도를 일정하게 맞추기 위해 가이드 툴을 사용했고, 외부 바람이나 강한 햇빛이 직접 닿지 않도록 설치 위치를 조정했습니다. 출입문에는 바람막이를 설치해 외부 환경 요인이 최소화되도록 했으며, 센서 케이블과 전원선은 방수 테이프로 마감했습니다. 이렇게 세심한 초기 환경 설정 덕분에 첫 주 실험은 안정적으로 시작될 수 있었습니다.

2. 데이터 기록 시스템과 첫 주 실험 결과 요약

이번 실험에서는 토양 수분 센서의 데이터를 자동 기록 시스템과 수기 기록 방식 두 가지로 병행했습니다. 자동 기록 시스템은 센서로부터 주기적으로 측정값을 수집해 하루 단위로 파일을 생성하고, 이를 별도의 저장 장치에 보관하는 방식입니다. 이렇게 하면 현장에서 직접 확인하지 않아도 언제든지 데이터 변화를 추적할 수 있습니다.
수기 기록은 현장에서 사람이 직접 측정한 값을 메모하는 방식으로, 토양의 촉감, 색 변화, 표면 상태, 당시 기온과 날씨 등 자동 기록으로는 얻을 수 없는 정성적 정보까지 함께 남길 수 있다는 장점이 있습니다. 특히 자동 기록 데이터와 수기 측정값을 비교하면 센서의 측정 경향을 파악하는 데 큰 도움이 됩니다.
첫 주간(1~7일) 측정 결과를 분석해 보면, 두 센서 모두 토양 수분 변화를 잘 반영했지만 세부적으로는 차이가 있었습니다. 한 센서는 전반적으로 실측값과 오차 범위 ±2% 내외의 안정적인 결과를 보였고, 다른 센서는 대체로 실측값보다 3~5% 정도 높게 표시하는 경향이 있었습니다. 예를 들어 3일 차 오전 측정에서는 실측값이 약 27%였는데, 한 센서는 거의 같은 값을 기록했고, 다른 센서는 조금 더 높은 값을 나타냈습니다.
이러한 데이터는 표나 그래프로 정리하면 차이가 더욱 명확하게 드러나며, 이후 오차 원인을 분석하거나 보정하는 데 중요한 기초 자료가 됩니다. 또한 주간 단위로 평균값과 편차를 산출해 추세를 확인하면, 센서 성능 비교가 한층 더 명확해집니다.

 

3. 정확도 분석 및 오차 원인 고찰

첫 주간 데이터를 분석해 보니, 두 센서는 전반적으로 토양 수분 변화의 흐름을 잘 반영했지만 세부적으로는 측정값의 차이가 존재했습니다. 한 센서는 실측값과 거의 유사한 수치를 기록했으며, 다른 센서는 전반적으로 조금 더 높은 값을 나타내는 경향이 있었습니다. 이러한 차이는 센서의 교정 상태, 설치 환경, 토양 특성 등 다양한 요인에서 비롯될 수 있습니다.
가장 먼저 고려할 수 있는 요인은 센서의 초기 교정 상태입니다. 출하 전 보정 과정에서 측정 기준이 약간 다르면, 동일한 환경에서도 다른 결과를 낼 수 있습니다. 또한, 센서 설치 시 삽입 깊이와 각도, 토양과의 밀착 정도가 일정하지 않으면, 수분 농도가 균일한 토양에서도 차이가 발생할 수 있습니다.
토양의 물리적 특성도 중요한 변수입니다. 예를 들어, 입자가 곱고 수분 보유력이 높은 토양에서는 센서 주변의 수분이 더 오래 유지되어 실제보다 높게 측정될 가능성이 있습니다. 반대로 입자가 굵고 배수가 빠른 토양에서는 측정값이 실제보다 낮게 나올 수 있습니다.
이러한 결과를 바탕으로, 향후 실험에서는 센서 설치 깊이를 일정하게 유지하는 고정 장치를 사용하고, 주기적으로 센서 표면을 청소하여 토양 잔류물에 의한 오차를 줄일 계획입니다. 또한, 서로 다른 토양 조건에서 동일한 센서를 시험하여 토양 입자 크기와 유기물 함량이 측정값에 미치는 영향을 비교 분석할 예정입니다.
이렇게 분석된 데이터는 후속 실험에서 센서 성능을 보정하거나 적합한 장비를 선택하는 데 활용될 수 있으며, 다른 농업 종사자들에게도 유용한 참고 자료가 될 것입니다.

 

4. 향후 실험 계획

첫 주 실험에서 얻은 결과와 분석을 토대로, 다음 주부터는 센서와 자동화 장비의 성능을 보다 종합적으로 검증하는 실험을 단계적으로 진행할 예정입니다.

두 번째 주에는 토양 수분 센서를 자동 급수 시스템과 직접 연결해, 측정값이 설정 기준 이하로 떨어질 경우 자동으로 물이 공급되도록 설정합니다. 이때 급수 시작 시점과 종료 시점, 그리고 급수 후 토양 수분이 안정화되는 데 걸리는 시간을 기록해 센서의 반응 속도를 검증할 계획입니다. 또한, 하루 동안의 수분 변화를 시간 단위로 기록하여, 급수 주기가 작물 생육에 적합한지 평가합니다.

세 번째 주에는 조도 센서와의 연동 실험을 진행합니다. 태양광의 세기 변화에 따라 급수량을 조절하거나, 특정 광량 조건에서만 급수가 이루어지도록 제어하는 방식을 시험합니다. 이를 통해 빛과 수분 공급의 상관관계를 파악하고, 에너지 절약 효과와 작물 생육 개선 여부를 분석할 계획입니다.

네 번째 주에는 다양한 토양 환경에서의 센서 반응 비교 실험을 진행합니다. 토양의 입자 크기(모래질·점토질), 유기물 함량, 배수 상태 등을 달리한 구획을 만들고 동일한 센서를 설치하여 측정값의 차이를 비교합니다. 이를 통해 센서가 특정 토양 환경에서 오차가 크게 발생하는지, 또는 보정이 필요한지를 확인합니다.

마지막으로, 실험 종료 후에는 전 기간의 데이터를 종합 분석하여 센서별 성능 평가 보고서를 작성하고, 각 장비의 장단점과 적합한 활용 환경을 정리할 예정입니다. 이 보고서는 이후 다른 자동화 장비 도입이나 재배 환경 개선 시 중요한 참고 자료로 활용될 수 있습니다. 또한, 실험 전 과정을 기록한 사진과 그래프, 표를 함께 제공해, 동일한 실험을 재현하고자 하는 농업인이나 연구자들에게 실질적인 도움을 줄 계획입니다.