인공지능이 농사짓는 시대 - 농촌진흥청은 한국형 2세대 스마트팜 기술 개발로 인공지능이 농사짓는 시대를 열고 있습니다.

국립농업과학원 스마트팜개발과 이현동 063-238-4067

농업인 홍길동 씨(75세)는 어제 밤새 분 강풍에 토마토 온실이 무사한지 걱정이 앞섰습니다. 아침에 눈을 뜨자마자 휴대전화 스마트팜 음성비서에게 “온실 상황이 어때?”라고 물었습니다. 그러자 거실에 있는 TV에 온실의 현재 모습과 어제 밤 온실 내부 환경 변화 이력이 나타났습니다.

귀농인 김대한씨는 오늘 온실에 비료를 줄 예정입니다. 스마트패드로 온실에서 재배 중인 딸기를 찍어 클라우드 센터에 전송합니다. 잠시 후, 인공지능이 분석한 딸기의 영양 상태와 질병 정보가 그래프로 그려지고, 필요한 비료의 종류와 양이 표시됩니다. 이어 자동으로 양액 공급 장치가 작동되고, 오늘의 일기 예보와 온실 환경을 고려해 환경조절장치도 가동을 시작했습니다.

농촌진흥청은 4차산업혁명 기술 융합과 혁신으로 우리 농업의 한계를 극복하고 본격적인 스마트 농업 시대를 열어갈 2세대 스마트팜 기술을 개발했습니다.

지금까지 정부는 취약한 우리 농업의 영농 환경을 극복하고 튼튼한 체력을 갖춰 미래산업으로 성장하기 위해 ‘스마트팜 기술 개발과 보급 확산’을 혁신 성장 핵심 선도 과제로 추진해 왔습니다.
스마트팜은 자동화 설비와 정보통신기술(이하 ICT)을 활용해 시간과 공간의 제약 없이 농사 환경을 관측하고 최적의 상태로 관리하는 과학 기반의 농업 방식을 말합니다.

농촌진흥청은 보다 고도화된 스마트팜 기술로 농업을 과학화하고 농업 혁신의 토대를 마련하기 위해 3단계 기술 개발 전략을 추진하고 있습니다.

1세대 스마트팜을 도입한 많은 농가에서는 영농의 편의성 향상뿐만 아니라 생산성을 높이는 데도 큰 효과를 보이고 있습니다.
그러나 1세대의 경우, 모든 농사 환경을 농업인이 직접 설정하고 조작해야하므로 농사에 대한 지식은 물론, 데이터를 이해하고 분석할 수 있는 ICT 역량도 필요합니다.
이에 경험이 적은 젊은 농업인이나 귀농인, 농사 지식은 있지만 ICT가 익숙하지 않은 고령 농업인은 접근이 쉽지 않다는 점이 기술적 한계로 지적돼 왔습니다.

이번에 개발한 한국형 스마트팜 2세대 기술은 인공지능이 데이터와 영상 정보로 생육을 진단하며 의사결정을 돕는 데 활용할 수 있습니다.

특히, 인공지능으로 작물의 재배환경과 생육, 질병 상태를 진단할 뿐만 아니라 인공지능 기반의 음성지원 플랫폼 ‘팜보이스’와 재배 전 과정에서 적합한 의사결정을 지원하는 ‘클라우드 플랫폼’은 농사 경험이 적은 젊은 창농인이나 ICT에 미숙한 고령 농업인에게도 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대됩니다.
개발된 시스템은 지속적인 검증과 보완을 통하여 궁극적으로 농업 선진국인 네덜란드의 프리바 시스템(네덜란드 프리바(Priva)사에서 생산하는 세계 최고 수준의 스마트팜 시스템)과 대등한 경쟁력을 갖추고, 나가서는 한국형 농업시스템을 우리와 유사한 농업환경에 있는 세계 여러 나라들이 함께 사용할 수 있는 글로벌 수출형으로 발전시켜 나갈 계획입니다.

2세대 한국형 스마트팜은 현재 토마토를 대상으로 기술을 확립해 검증하고 있습니다.

앞으로 여러 작목에 적용해 국내 농가의 소득을 높이고 생산 기술과 시스템을 수출해 우리 농업과 농업 기술의 국제경쟁력을 높이는 혁신 성장의 동력이 되도록 추진할 계획입니다.
정부가 청년 일자리 창출과 소득 주도의 성장을 위해 역점사업으로 추진하고 있는 스마트팜 혁신밸리에 한국형 스마트팜 2세대 기술을 우선 지원해 정책이 성공적인 결실을 맺도록 할 계획입니다.

농진청이 개발한 한국형 스마트팜 2세대의 핵심 기술

최적생육모델농가마다 각각 다른 재배환경과 작물의 생육반응 데이터를 DB에 저장하고 인공지능으로 학습하여 생육모델 생성
농장에서 생성되는 많은 데이터를 농사에 효율적 이용 → 본격적인 스마트팜 시대 시작
분석 및 처방실시간으로 수집되는 작물의 재배환경과 생체정보를 클라우드의 인공지능시스템이 분석 처방
재배환경 : 기상 정보(풍향, 풍속, 온습도, 일사량, 강우), 지상부 환경(온도, 습도, 이산화탄소, 일사량), 뿌리부 환경(토양수분, 양분, pH)

생체정보 : 생육정보(작물신장, 줄기굵기, 개화, 열매의 수, 열매의 크기), 질병(역병, 흰가루병 등 5종), 해충(잎굴파리 등 2종)

2세대 한국형 스마트팜 기술 개요-실시간 재배환경(기상환경, 지상부 환경, 근권부 환경)과 생체정보(생육상태, 질병 상태)는 클라우드 서비스 플랫폼기반 A.I분석을 통해(최적환경 자동조절, 재배관리 의사결정, 고장예지 위험판단) 클라우드 가상화 컴퓨팅 기반 농가별 DB를 받아 기계학습-Machine Learning(인공지능 빅데이터 분석)한 생육모델

2세대 한국형 스마트팜 기술 개요 2세대 한국형 스마트팜 분석 및 처방-빅테이터 인공지능 클라우드 기반 IoT 재배환경(환경계측 모듈화)은 1세대의 편의성(인터넷 원격관제)은 생체정보를 통해 2세대의 생산성으로 인지정보를 3세대의 수출(자동화 로봇화 에너지 최적화, 국제규격 수용)로

2세대 한국형 스마트팜 분석 및 처방

농가 서비스

클라우드 시스템을 통해 농가 개별 특화된 재배환경 진단 및 설정, 재배 관리 처방, 수확량 및 시기 예측, 위험 감지, 고장 진단 등

1세대 스마트팜과의 차이점

1세대 스마트 팜농장 디지털화로 인터넷을 통해 원격 모니터링 및 제어가 가능 → 전통 농업에 비해 편의성은 크게 향상
농장은 디지털화되었으나, 환경 설정과 제어는 여전히 사람의 지식과 경험에 의존

2세대 스마트 팜인공지능과 동식물의 생체정보 등 빅데이터를 통해 최적생산을 위한 의사 결정 지원 시스템 → 생산성 크게 향상

기계 학습과 인공지능을 위해 농가가 개별적으로 고성능 컴퓨터 시스템을 보유하는 대신 클라우드 시스템 활용으로 비용을 줄이고 생산성을 높임

1세대 스마트팜과의 차이점
구분	1세대 스마트팜	2세대 스마트팜
데이터 수집	동식물의 생육환경 정보	생육환경 정보 + 생체 정보
데이터 분석	지식, 경험, 분석도구	인공지능
서비스	편의성 제고 + 긴급 알림	1세대+자동조절+의사결정
시스템 제어	농장단위 제어기	클라우드 시스템

네덜란드 프리바 시스템과의 차이점

2세대 스마트팜우리나라 온실의 95%이상을 차지하고 있는 중·대규모의 비닐온실에 적용할 목적으로 개발
- 클라우드 기반의 기계학습과 인공지능에 의해 운용
- 단위시스템 당 비용은 프리바 시스템에 비해 약 1/5 수준
  단위면적(1ha 기준) 당 환산 추정 시 1/2~1/3 수준
- 품질과 서비스 안정성의 확보, 다양한 작목으로 적용확대 등이 앞으로 해결해 나가야할 과제임

네덜란드 프리바시스템대규모 유리온실에 적용할 목적으로 개발된 현재 세계 최고 수준의 스마트팜임

장비의 안정성이 매우 우수하고 전문가의 지식 DB와 컨설팅에 기반하여 운용함
기술 수준은 고도화된 1.5세대 시스템이라 할 수 있음

네덜란드 프리바 시스템과의 차이점
구분	한국형 2세대 스마트팜	네덜란드 프리바 시스템
제어 및 설정 방식 * 생육 상태 판단	인공지능 및 클라우드 (2세대) * 생체정보와 생육모델	전문가 설정방식 (1.5세대) * 전문가 컨설팅과 지식 DB
주 적용 대상	중대규모 비닐 온실 (0.33ha)	대규모 유리온실 (1ha)
가격수준(단위시스템 당) 1ha 적용 시 추정 (센서 등 추가)	500만 원 ∼ 2천만 원 * 1.5천만원 ~ 3.5천만원	3천만 원 ~ 1억 원 -
제품 안정성	보통 수준 (지속적 실증보완)	매우 우수
특 징	- ICT 집약과 산업기술 융합을 통한 재배 모델 * 기계학습과 인공지능으로 재배 의사결정 지원 * 클라우드 시스템을 통한 데이터 분석과 서비스	- 150년 이상의 기술 노하우를 집적 발전 * 세계적으로 수집된 데이터와 전문가의 경험을 접목한 실용적 전문가 컨설팅

세대별 한국형 스마트팜 모델

1세대 모델(’16) 원격 감시 + 원격 제어-CCTV카메라,컨트롤판넬,환경센서,스마트팜제어기가 설치된 시설하우스는 모바일을 통해 비닐하우스 비닐하우스 자동개폐, 기계과정을 CCTV로 확인, 실시간 온도확인, 고/저온 정보, CCTV 24시간 방범 감시, 휴사시 개폐기 스마트폰 원격제어, 농장정전시 알림(정전통보)를 받는다. 한국형 스마트 온실 1세대 기본구성은 스마트링크(네트워크 구성 및 인터넷 연결), 센서노드(각종 센서 데이터 수집 네트원크 연결), 제어기노드(네트워크로부터 제어 명령 수신), 스마트 영상(원격지에서 농업시설 영상모니터링)으로 구성. 농민이 영상을 통해 직접 원격제어를 하며 센서정보로 기상정보(온도,습도,풍향, 풍속), 온실환경(온도, 습도, co2)과 장치제어(천창, 측창, 보온재, 유동팬, 환기팬)를 합니다. 스마트 기술로 농작업 편리성 향샹(온실 환경관리에 매여 있었던 시간과 장소의 구속에서 해방)

2세대 모델(’18) 지상부 복합환경제어 + 클라우드서비스-시설하우스에 설치된 센서노드는 온도.습도센서와 풍향,풍속, 강수센서, 일사량을 온/습도 센서, CO2센서, 토양온도/습도. 제어노트는 전도개폐기, 보온커튼, 배개.통기, 냉난방기로 환경인자를 조절하여 재배환경을 자동제어. 농가는 클라우드서비스(인공지능, 농업SW, DB관리, 분석서비스)를 통해 재배패턴 분석, 진단. 유사작목 선도농가 재배패턴 제시. 시설하우스에 설치된 외부카메라(CCTV)는 장치제어,생장, 침입, 영상정보를 송출하고, 센서노드는 스마트링크를 통해 센서정보를 송출한다. 한국형 스마트 온실 2세대 기본구성은 지상부 복합 환경제어(온실 재배환경 지능형 자동제어 알고리즘 적용), 클라우드서비스(Big Data 분석 및 영농 의사결정 지원서비스), 1세대 모델(1세대 스마트 온식 기본 구성요소)으로 구성. 작물의 지상부/지하부 생육환경을 자동제어하여 센서정보인 기상정보(온도,습도,풍향, 풍속, 일사), 온실환경(온도, 습도, co2)과 장치제어(천창, 측창, 보온재, 유동팬, 환기팬, 관수, 양액공급)를 합니다. 스마트 기술로 생산성과 품질향상(Big-Data 분석과 지능적 처방으로 농사기술의 상위 평준화)

3세대 모델(’20) 복합에너지관리 + 스마트 농작업-시설하우스에 설치된 센서노드는 온도.습도센서와 풍향,풍속, 강수센서, 일사량을 온/습도 센서, CO2센서, 토양온도/습도. 전도개폐기, 보온커튼, 배개.통기, 냉난방기로 환경인자를 조절하여 에너지제어기및 로컬 농작업기로 재배환경 자동제어, 복합에너지 관제, 스마트 농작업. 농가는 클라우드서비스(인공지능, 농업SW, DB관리, 분석서비스)를 통해 재배패턴 분석, 진단. 유사작목 선도농가 재배패턴 제시. 시설하우스에 설치된 외부카메라(CCTV)는 장치제어,생장, 침입, 영상정보를 송출하고, 센서노드는 스마트링크를 통해 센서정보를 송출한다. 농민은 로컬농앚업기와 에너지제어기로 지식과 노동력을 대체한다. 한국형 스마트 온실 3세대 기본구성은 복합에너지관리(난방기, 지열, 태양열, 보온재 등 최적 제어 기술 적용), 스마트 농작업(로봇 및 지능형 농기계 농작업 자동화 시스템), 2세대 모델(2세대 스마트 온식 기본 구성요소)으로 구성. 스마트 온식 시스템의 최적에너지관리와 로봇 농작업을 통해 센서정보인 기상정보(온도,습도,풍향, 풍속, 일사), 온실환경(온도, 습도, co2, 토양온도, 수분, EC, 작물진단센서, 에너지관제센서, 로봇향법센서)과 장치제어(천창, 측창, 보온재, 유동팬, 환기팬, 관수, 양액공급, 로봇농작업기,에너지관제시스템)를 합니다.한국형 스마트 온실로 농산업 성장동력화(국제 규격 적용과 부품 표준화로 글로벌 시장 진출)

현재 스마트팜(1세대) 기술은 어떤 정도이고, 영농현장에서는 어떻게 활용되고 있나 ?

1세대 스마트팜에는 생육환경을 측정하는 센서시스템의 데이터를 네트워크로 연결하여 인터넷에만 접속되면 시공간의 제약 없이 원격으로 모니터링하고 제어하는 수준 (편의성 제고)
‘17년말 현재 시설원예 스마트팜은 약 4,010ha(전동화 온실 40%), 축산 스마트 팜은 790호(전업농의 3.4%)보급되어있고, ’22년까지 보급 확산과 함께 적용기술도 단계적으로 고도화해갈 계획

농식품부 스마트팜 보급확산 계획시설원예 : (’17) 4,010ha → (’18) 4,510 → (’22) 7,000축산 : (’17) 790호 → (’18) 1,350 → (’22) 5,750

2세대 스마트팜과 1세대 스마트팜의 차이점은 ?

원격관제를 통한 작업편의성 향상에 중점을 둔 1세대 스마트팜과는 달리 2세대 스마트팜은 클라우드 기반 인공지능 시스템에서 농장 맞춤형 농사정보를 제공

농사경험이 없는 창농, 귀농인들도 스마트팜 기술을 쉽게 생산성과 소득 향상에 적용할 수 있는 기반을 제공

1세대 스마트팜과의 차이점
구분	1세대 스마트팜	2세대 스마트팜
데이터 수집	동식물의 생육환경 정보	생육환경 정보 + 생체 정보
데이터 분석	지식, 경험, 분석도구	인공지능
서비스	편의성 제고 + 긴급 알림	1세대+자동조절+의사결정
시스템 제어	농장단위 제어기	클라우드 시스템

2세대 스마트팜의 구성과 핵심 기술은 ?

2세대 스마트팜은 1세대 스마트팜 기반 위에 클라우드 시스템을 결합하여 고성능의 컴퓨팅 자원이 필요한 영상해석, 데이터의 기계학습, 강화학습, 인공지능 추론을 통해 농사에 필요한 최적 환경 조절, 재배관리 의사결정, 고장예지 및 위험진단 등의 서비스 기능을 수행
핵심기술로는 인공지능을 이용한 작물의 생체정보 계측, 작물의 영양 상태 및 질병진단, 클라우드 기반의 농업정보 처리 인공지능 엔진과 서비스 시스템이라 할 수 있음

2세대 스마트팜의 기술적 완성도는 ?

현재 개발된 2세대 스마트팜은 인공지능과 클라우드 기반의 기술개념을 정립하여 플랫폼을 완성하고 토마토를 대상으로 검증 보완 하는 과정에 있음
앞으로 실증시험과 작목확대 시험을 통해 다양한 작물에 적용하여 국내 농가의 생산성과 소득 향상뿐만 아니라 농업 생산기술과 시스템을 수출해 우리 농업과 농업기술의 국제경쟁력을 높이는 혁신성장의 동력이 되도록 할 계획임

세계최고 수준의 네덜란드 프리바 시스템과 비교하면 어느 수준인가?

네덜란드 프리바 시스템은 대규모 유리온실에 적용할 목적으로 개발된 현재 세계최고 수준의 스마트팜 장비로 안정성이 매우 우수하고 전문가의 지식 DB와 컨설팅에 기반하여 운용함(기술수준은 고도화된 1.5세대 시스템이라 할 수 있음)
2세대 한국형 스마트팜은 우리나라 온실의 95%이상을 차지하고 있는 중대형 규모 비닐온실에 적용할 목적으로 개발 되었으며, 클라우드 기반의 기계학습과 인공지능에 의해 운용됨.
단위시스템 당 비용은 프리바 시스템에 비해 약 1/5 수준이며(동일면적 대비 1/2~1/3), 품질과 서비스 안정성의 확보, 다양한 작목에 적응성 등이 앞으로 해결해 가야할 과제임

스마트팜 혁신밸리와 연계 방안은 ?

2세대 한국형 스마트팜 기술은 혁신밸리 실증단지, 산업화 테스트베드, 임대형 창업농장 등에 우선적용이 가능할 것임
혁신밸리 실증단지에서는 종합 실증 및 지역 특성화 작목으로 확대 시험실시하고, 산업단지에서는 이전받은 기술의 산업화와 제품 및 서비스 평가를, 임대농장에서는 창농 아이디어에 따라 2세대 요소기술의 선택적 적용을 할 수 있도록 지원
스마트팜 클라우드 시스템, 고성능 계측 및 시험 장비 등 부족한 기반시설은 농진청 보유 R&D 인프라와 연계 지원

3세대 한국형 스마트팜 기술은 어떤 것인가 ?

3세대 모델은 편의성을 향상시킨 1세대 모델과 생산성 향상을 위한 2세대 모델을 기반으로 재배와 생산에 소요되는 에너지를 최적화
농업 로봇을 활용한 무인, 자동화 기술을 적용하여 스마트팜 생산 전 과정을 통합 제어하는 모델로 제품과 서비스에 국제규격을 적용함으로 글로벌 시장에서 우리나라가 농업 선진국으로 자리매김하는 디딤돌 역할을 할 것으로 기대

스마트팜 모델(2016)1세대: 편이성 향상→(2018)2세대: 생산성 증대 →(2020) 3세대: 수출형

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