LID시설내 식생의 성장점검을 위한 비파괴 접촉식 식물생장 모니터링 센서 개발
Development of a Non-Destructive Contact-Type Plant Growth Monitoring Sensor for Vegetation in LID Facilities
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Abstract
본 연구는 저영향개발(LID) 시설 내 식생의 성장 상태를 모니터링하기 위해 비파괴 접촉식 유량 측정 센서를 개발하였다. 커패시턴스 측정 방식을 적용해 식물 줄기 내부의 수분 흐름을 비파괴적으로 측정하며, 데이터를 원격으로 실시간 수집할 수 있도록 설계되었다. 실험 결과, 센서는 LID 시설의 식물 생장 및 안정적인 정착 여부를 효율적으로 평가할 수 있는 도구로 적합함이 입증되었다. 이 센서는 넓은 지역에 분산된 LID 시설에서 비용 효율적으로 활용 가능하며, 식생의 성장과 환경 스트레스 요인을 모니터링하는 데 유용할 것으로 기대된다.
Trans Abstract
This study develops a non-destructive, contact-type flow monitoring sensor that uses capacitance measurement techniques to measure sap flow within plant stems non-destructively. Designed for remote, real-time data collection, the sensor effectively observes vegetation growth in low impact development (LID) facilities. Experimental results show that the sensor is suitable for assessing plant growth and stable establishment in these facilities. The sensor is expected to be cost-effective and highly applicable for monitoring vegetation growth and environmental stress factors in widely distributed LID facilities.
1. 서 론
도시내 불투수면적 증가로 인한 부작용 저감 및 건전한 물순환 체계 구축을 위하여 식생을 이용한 저영향개발(Low Impact Development, LID) 기법이 각광받고 있다(Grimmond, 2007; Damodaram et al., 2010; Kim, 2017). LID 기법은 직접유출 저감을 통한 홍수관리, 도심 물순환시스템 회복, 비점오염원 배출 저감 등의 효과가 있는 것으로 알려져 있다(Kim and Joo, 2017; Dietz, 2007; Montalto et al., 2007). 이에 정부 및 지자체에 LID 시설의 설치를 권장하는 제도가 도입되어, 새로이 개발하는 지역을 중심으로 다양한 LID 기법이 적용이 확대되고 있다(Jeon et al., 2018).
최근 도로에서 유출된 독성물질, 특히 겨울철 살포되는 제설제로 인하여 LID 시설에 식재된 식물이 고사하는 사례가 발생하고 있다(Choi et al., 2016; Cunningham et al., 2008). 특히, 제설제로 많이 사용되는 염화칼슘은 식물에 접촉시 성장장애 요인이 되며, 과다하게 노출될 경우 식물의 일부 또는 전부가 고사를 하는 것으로 알려져 있다(Shin et al., 2007). 이에 최근에는 LID 시설 내 식생의 성장을 모니터링하고 평가하기 위한 연구들이 진행되고 있다. Lee, Jeon et al. (2020)은 LID 시설 내부의 환경 측정을 위하여 풍향, 강우량, 이산화탄소, 미세먼지, 온도, 습도, 산성도, 등을 실시간으로 측정하기 위한 센서를 개발하였으며, Lee et al. (2021)은 LID 시설 내 식생별 생장량을 건물률 및 영양염류 함량으로 분석한 바 있다.
LID 시설 내에 식재된 식물들이 정상적으로 성장하는지를 확인하기 위해서는 주변 환경 뿐 아니라, 식물 자체의 상태를 모니터링 하는 것이 필요하다. 특히, 줄기에 정상적인 유량이 흐르고 있는지는 식물의 성장여부에 매우 중요한 요소이다. 분산형으로 넓고 다양한 공간에 설치된 LID 시설 식생에서 모니터링 하기 위해서는 식물이 다치지 않도록 비파괴식이고, 비용이 저렴하며, 장기간 외부 전원없이 작동할 수 있는 센서의 개발이 필요하다. 이에 본 연구에서는 식물의 줄기내 유량을 측정할 수 있는 비파괴 접촉식 센서를 개발하고자 한다.
2. 기존 식물내 유량측정 방법
식물 내 유량을 측정하는 방법은 식물 내부로 센서를 삽입 유무에 따라 접촉식 측정과 비파괴 접촉식 측정방법으로 구분할 수 있다.
접촉식 측정 방법은 식물의 줄기에 직접적으로 센서를 삽입하여 수목에 흐르는 유량 측정하는 방법으로 변재부에 삽입 된 탐침에 열을 가한 후 온도변화를 활용하여 수액의 양을 유추하는 방법을 사용한다. 두 개의 기준침에서 감지한 온도의 상승 속도와 전도율 등을 고려하여 나무의 수액량을 산출하는 열 파동법(Huber, 1932), 두 탐침간 온도 변화를 이용하여 나무의 수액량을 산정하는 열손실탐침법(Granier, 1987), 나무의 겉표면을 감싼 열선으로 발생한 열 에너지의 균형을 통해 수액류를 직접 측정하는 열 균형법(Cermak et al., 1973; Daum, 1967; Flo et al., 2019), 변재부에서의 연속적인 열장 형상변화를 측정하는 열장변형법(Nadezhdina et al., 1998) 등이 대표적인 접촉식 유량측정 방법이다. 온도차를 이용한 접촉식 측정방법은 센서가 저렴하고 현장 설치가 용이한 장점이 있다. 반면에, 식생에 접근이 어렵거나, 장기간 유지관리가 곤란하고, 넓은 지역에서 조사하는데 한계가 있는 것으로 알려져 있다(Lee, Park et al., 2020). 또한, 접촉식 유량측정 센서는 식생에 탐침을 삽입하여 측정하기 때문에, 식물이 다칠 우려도 있다.
비파괴 접촉식 측정방법은 수목 내부에 직접적인 결합 없이 수목의 변재부에 센서를 설치하여 유량을 측정하는 방식으로 전기저항 또는 수분퍼텐셜을 측정하여 수액의 양을 유추하는 방법을 사용한다.
생육상태별 수목의 양이온 농도 변화에 따른 전기저항의 변화를 Shigometer로 측정하여 수목의 건전성을 측정하거나(McCullough and Wagner, 1987), 잎에서의 증산에 따른 수분포텐셜의 변화를 측정하여 식물내 유량이동을 측정할 수 있다(Hsiao, 1973). 비파괴 접촉식 측정방법은 수목 내부에 직접적인 결합 없이 유량을 측정하는 방식으로 가격이 저렴하고 측정 속도와 데이터의 수집이 빠른 장점이 있다.
3. 비파괴 접촉식 유량측정 센서 개발
3.1 커패시턴스 측정식 유량측정 센서 개발
본 연구에서는 식물줄기에 직접 센서를 삽입하지 않고, 줄기 표면에서 수분 변화를 측정하고자 하였다. 각 물체가 가지는 유전율에 따라 커패시턴스(capacitance, 정전용량)가 변화하는데, 식물 줄기의 수분량에 따라 변하는 커패시턴스를 측정하여 식물의 수분상태 추정이 가능하다. 줄기 내부의 수분 상태에 따라 달라지는 캐패시턴스는 Eq. (1)을 사용하여 산정할 수 있다.
여기서,Ci : Single Micro-Quantized Capacitance, k0: correction constant, R: Radius of the annular dlectrode, εr: Dielectric constant of water-containing stem, εo:composite dielectric constant of other radiation-field media, θi: central angle of the annular electrode, W: Width of the annular electrode, D: Spacing of annular electrodes
수목에 구리로 된 전도체를 부착하여 변재부에서의 유전율을 측정하고, Eq. (1)을 통해 시간의 변화에 따라 전도되는 커패시턴스(capacitance)의 변화량을 기준으로 수목의 유량을 추정할 수 있다. 전도체의 모양에 따른 센서의 성능 및 안정성을 검증하기 위하여 세로형, 반원형, 링형의 3가지 형태로 전도체를 제작하였다(Fig. 1).
Non-Destructive Contact Type flow Sensor
3.2 비파괴 접촉식 유량측정 센서 설계
비파괴 접촉식 유량 센서는 2가지의 모듈로 구성하였다. 첫 번째 모듈은 커패시턴스(Capacitance) 측정을 위한 센서로써 수목의 변재부에 부착하여 수목 내부의 유량 흐름을 측정한다(Fig. 2).
Capacitance Measurement Sensor
커패시턴스 측정 센서는 측정 대상에 대하여 내부의 레지스터와 데이터 레지스터를 통해 측정 대상의 상태와 유량을 측정하고, 측정상태가 아닐 경우에는 오프셋(offset: 변위차) 상태가 되어 개인 보정을 통해 데이터값을 복원하여 기준값을 셋팅한다. 커패시턴스 측정 센서는 CIN (1~4)연결과 접지 사이의 커패시턴스 값을 측정하여 센서 데이터 값을 레지스터에 저장하게 되고 최종 데이터를 MUX (멀티플렉서 여러 개의 입력신호를 동일 선로를 이용하여 송신하는 장치)화 하여 데이터를 중앙 데이터 센서에 정보를 제공한다(Fig. 3). Table 1은 커패시턴스 측정센서의 제원을 나타낸다.
Capacitance Measurement Sensor Digital Processing Diagram
Capacitance Measurement Sensor Performance Indicators
두 번째 모듈은 MCU Wi-Fi 센서 모듈이며, 커패시턴스 측정 데이터를 저장하고 서버에 전송하는 역할을 한다(Fig. 4). MCU 센서는 측정된 데이터를 중앙 서버에 제공하기 위한 데이터 공유망을 형성해주며, 데이터의 원활한 통신 및 공유와 안정적인 데이터 전송을 위해 Wi-Fi 모드를 채택하였다. Table 2는 MCU 센서의 제원을 나타낸다.
MCU Wi-Fi Sensor
MCU Sensor Performance Indicators
커패시턴스 측정 센서와 MCU Wi-Fi 센서 모듈을 이용하여 센서 부착이 가능한 보드를 제작하였으며, 크기를 소형화하기 위해 쉴드형태로 제작하였다. 보드는 기상변화에 따른 센서들의 손상을 방지하기 위해 방수케이스를 사용하여 제작하였으며, 케이블 연결은 센서 모듈과 중앙서버 연결이 가능하도록 최적의 위치에 설계하였다. Fig. 5는 센서들을 장착시키기 위한 PCB보드이며, Fig. 6(a)는 쉴드형태의 케이스이며 (b)는 보드와 커패시턴스 센서, MCU센서, 토양 습도 센서를 연결한 쉴드 형태로 장착한 모습이다.
Sensor Bored
Uncontacted flow Sensor fabrication
4. 시스템 구현 및 실험평가
4.1 구현 및 실험 환경
개발한 센서를 활엽수 계열의 인도고무나무에 설치하여 햇볕이 잘 드는 실내에서 센서의 성능을 확인하였다. 일반적인 인도고무나무의 생육기간이 5월~10월인 점을 고려하여 7~9월까지 3개월간 실험을 진행하였다. 고무나무는 2018년 식재되어 6년생이며, 수고가 1.8 m이다. 수분은 주 1회, 회당 1,500 ml로 충분히 공급하였다. 세로형, 반원형, 링형의 3가지 형태의 센서에 대하여 커패시턴스를 1분 간격으로 측정하였으며, 측정자료는 FLUXNET 공공 데이터 센터로 전송하여 서버로부터 다운받아 사용하였다. FLUXNET은 전 세계 수목의 수액양(Sap flow) 측정결과를 저장하고, 사용자가 활용할 수 있도록 CVS 및 R-data 파일로 제공하고 있다.
4.2 실험 및 성능 평가
7월 1일부터 9월 30일까지 세로형, 반원형, 링형 타입으로 커패시턴스를 측정하였다(Fig. 7). 링형이 가장 크게 산정되었으며, 세로형, 반원형 순으로 커패시턴스가 크게 산정되었으나, 수목의 위치에 따라 바뀌기 때문이다. 다만, 측정된 커패시턴스 값의 표준편차 반원형과 링형은 0.022~0.023으로 유사했으며, 세로형이 0.018로 다소 작게 나타났다. 또한, 반원형과 링형은 3개월 내내 일정한 값을 주었으나, 세로형은 시간이 지나면서 조금씩 증가하는 경향이 나타났다.
Capacitance Measurement Results by Non-Destructive Contact Type (7.1~9.30)
Fig. 8은 매일 동일시간대의 커패시턴스 측정결과를 나타낸다. 반원형과 링형은 7월 말과 8월초에 다소 증가하지만 동일시간대 일정한 값을 나타내고 있으나, 세로형은 시간이 지남에 따라 증가하는 경향을 나타내고 있다. 9시부터 커패시턴스가 완만하게 감소하다가, 12시 이후 급격하게 감소하였다. 16시경 커패시턴스가 최소가 되었으며, 이후 22시까지 다시 증가하고, 야간에는 일정하게 유지되는 것으로 나타났다. 이는 낮 시간동안 증산작용 때문에 수목내 유량이 감소하기 때문인 것으로 판단된다.
Capacitance Measurement Results at the Same Time
5. 결 론
본 논문은 LID 시설에 식재된 식물의 생장과정을 관측하기 위하여 커패시턴스(Capacitance) 측정을 활용한 비파괴 접촉식 유량측정센서를 개발하였다. 개발된 센서를 세로형, 반원형, 링형 등 3가지 형태로 제작하여 실제 식생에 설치하여 3개월간 측정하면서, LID 시설에 활용 가능성을 평가하였다. 세로형 센서는 장기간에 걸쳐 점진적으로 커패시턴스가 증가하는 경향을 나타내 LID 시설에 활용하기는 적절하지 않은 것으로 판단된다. 반원형과 링형은 측정기간 내내 안정된 결과를 제공하여 다양한 식생에 활용 가능할 것으로 판단된다. 본 연구에서 개발된 시스템은 원격 실시간 자동 측정 및 데이터 정리가 가능하여 넓은 지역에 분산 설치된 LID 시설에 적합할 것으로 판단된다.
습도, 온도, 일조정도, 급수량, 다양한 농도의 염분 유입정도 등에 따른 식생 커패시턴스 변화에 대한 추가 연구를 통해 LID 시설에 설치된 식생의 적정 환경제공에 대한 평가가 가능할 것으로 기대된다. 이를통해 향후 LID 시설에 설치된 식물의 안정적인 정착을 위한 연구에 본 센서가 활용될 수 있기을 기대한다.
감사의 글
본 연구는 행정안전부와 한국산업기술기획평가원의 지원을 받아 수행되었습니다(과제명: 도시침수 피해 저감을 위한 도심지 저류기능 고도화 기술 개발 및 실증/과제번호: RS-2024-00415937).