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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.55 No.1 pp.117-125
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2021.55.1.117

Development of an Automated Nutrient Solution Management System by Macronutrient Concentration Control in Drain Solution

Tae-Kyoung Cho, Soo-Nam Yoo, Yeong-Soo Choi*
Department of Rural and Biosystems Engineering, Chonnam National Univeristy, Gwangju 61186, Korea

Abstract

An automated nutrient solution management system by macronutrient concentration control was developed for a closed hydroponic system. The system measures the concentrations of K, Ca, and NO3 ions with ISEs in the drain solution and supplement the drain solution with concentrated stock solution through an adaptive mixing algorithm. The unmeasured concentrations of other ions such as Mg, SO4, and PO4 were predicted through the correlation between the concentrations of macronutrients measured with ion chromatography in the drain solution. It is crucial to measure the ion concentrations to reuse the drain solution, but how to accurately supply an insufficient amount is also essential. The concentrated stock solutions were used to compensate for the inadequate concentration, and the relationship between the nutrient concentrations was investigated through a lettuce cultivation experiment to determine the unmeasured nutrient concentrations in the recovered drain solution. In the case of PO4, the relationship between the concentrations of measurable nutrients with ISEs showed a high correlations with the coefficient of determination of K = 0.91, NO3 = 0.96, and Ca = 0.87. Among them, NO3 with the highest coefficient of determination was used to predict the concentration of PO4 for the management algorithm. In the case of Mg, the closest relationship with Ca showed the coefficient of determination of 0.99. So the concentration of Ca was used to predict the concentration of Mg for the management algorithm. In the case of SO4, the closest relationship with NO3 showed the coefficient of determination of 0.97. However, the concentration of Ca was used to predict the concentration of SO4 for the management algorithm because the fertilizer’s oversupply occurred when NO3 was used to predict the concentration of SO4. As a result of the supply performance by the algorithm, the overall replenishment error was within 10% for all ions. Still, the error for NO3 and SO4 always occurred inevitably because the algorithm was programmed to calculate the volume of fertilizer according to the input amount’s priority and to minimize excessive supplement. To evaluate the performance of the developed system, the concentrations of K, NO3, and Ca in the controlled solution mixed with the drain solution and stock solution were measured with ISEs in lettuce cultivation test. The replenishment error of K, Ca, and NO3 were within ±10% on average, showing worse results than expected. The performance test showed that the developed system was applicable to a closed hydroponic system.

배액의 다량원소 이온농도 제어를 통한 양액 조제 시스템 개발

조태경, 유수남, 최영수*
전남대학교 지역·바이오시스템공학과

초록

수경재배 시스템에서 이온선택성전극(ISE)를 이용하여 배액 내 칼륨, 칼슘, 질소 이온농도를 측정하고 배양액 조제알고리즘을 통해 부족농도를 보충하는 시스템을 개발하였다. 또한, ISE로 실시간 측정이 어려운 다량원소 중 미측정 이온에 대한 농도는 배액 내 다량원소 간 상관관계를 통해 예측하였다. 회수된 배액을 재사용하기 위해서는 배액의 이온농도 측정도 중요하지만 부족한 양을 어떻게 정확하게 공급해 줄 것인지도 중요하다. 부족 농도를 보충하기 위해 비료농축액을 사용하였으며, 회수된 배액 내 미측정된 다량원소 이온들의 농도를 예측하기 위해 상추 재배실험 을 통해 이온 크로마토그래피로 측정한 다량원소 간 관계를 분석하였다. PO4의 경우 전극을 이용하여 측정 가능한 다량원소 간의 상관관계는 결정계수 K=0.91, NO3=0.96, Ca=0.87로 모두 높은 관계를 나타내었다. 이 중 결정계수가 가장 높은 질산을 조제 알고리즘에 사용하였다. Mg의 경우 K=0.93, NO3=0.93, Ca=0.99로 셋 중 Ca와 가장 밀접한 관계를 보여 Ca를 조제 알고리즘에 사용하였다. SO4의 경우 K=0.86, NO3=0.97, Ca=0.95를 나타냈으며 결정계수가 가장 높은 NO3를 알고리즘에 적용하여 양액을 조제 하려고 했으나 해당 비료의 과잉공급이 발생하게 되어 Ca을 적용하여 양액을 조제 하였다. 알고리즘을 이용하여 조제한 결과 전체적으로 10% 내의 오차로 나타났지만 비료농축액 공급량 결정 시 투입되는 비료를 순차적으로 결정할 뿐만 아니라 특정 이온의 과잉 또는 부족 농도가 최소화될 수 있는 방향으로 알고리즘을 만들었기 때문에 NO3과 SO4에 대한 공급오차는 발생할 수밖에 없었다. 개발된 시스템의 성능을 평가하고자 재배실험에서 나온 배액과 제조된 양액을 비교하였고 K, Ca, NO3의 공급오차는 평균 ±10%내를 보여 예상치보다 다소 많은 오차를 보였지만 회수된 배액을 재조제하여 공급하였을 때 실제 작물재배에서 목표 농도를 유지할 수 있을 것으로 보였다. 하지만 보다 정밀한 제어를 위해 상추 생육단계별 이온흡수량 데이터베이스를 구축하여 조제알고리즘에 적용시켜 배양액을 공급할 수 있는 연구가 필요하다고 판단되었다.
 

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