즐거운 농업의 시작 스마트팜 이야기

- 농업 분야에서도 4차 산업혁명의 영향으로 많은 변화를 예고한다. 농산물의 생산과 소비, 농촌 개발 분야까지 로봇, 인공지능, 빅데이터와 같은 기술이 접목되 어 급속히 진행되고 있다. 적용 분야 간의 유기적 연결로 획기적인 효율성이 높아지고 새로운 가치 창출이 가능하다. 농업인은 온실이나 축사관리를 스마트폰으 로 언제 어디서나 모니터링하고 제어 관리한다. 농장에 이상 징후가 발생할 경우 농장주에게 알람 문자와 경고 알림을 통보한다. 최근 드론을 농업에 활용하는 사례가 늘고 있다. 대표적인 것은 농약 살포다. 논농사의 경운 및 모내기, 벼베기의 작업은 무인 트랙터를 이용한다. 딸기 재배농장에 돌아다니며 로봇이 수확한다. 가축의 귀에 부착형과 삽입형 무선센서는 실시간으로 가축의 건강상태를 알려준다. 농촌 마을은 지능형 CCTV와 헬스케어 장비가 항상 지역 주민을 모니터링한다.
농업과 과학기술이 만나 새로운 스마트 농업이 만들어진다. 제4차 산업혁명시대 를 맞아 미래 농업은 '시스템과 시스템'으로 연결된다. 제4차 산업이 적용된 미래 농업은 생산, 유통, 소비, 농촌개발과 같은 전체분야에서 활용할 것이다.
- 스마트팜이란 정보통신기술ICT를 온실 · 축사 · 과수원 등에 접목하여 원격지에서 자동으로 작물과 가축의 생육환경을 적정하게 유지 및 관리할 수 있는 지능형 농장을 말한다. 스마트팜의 구성요소는 환경측정센서, 구동기, 통합제어기, 정 보관리장치, 인터넷서비스로 이루어진다. 첫째, 환경측정센서는 내부환경센서, 외부기상센서, 작물 관리센서로 나누어진다. 내부환경센서는 온도센서 (기온, 지온), 습도센서, 광센서, CO2센서가 있고, 외부기상센서는 일사량, 온도, 습도, 강우량, 풍속, 풍향이 있으며, 작물 관리센서는 엽온센서, EC, pH, 관수량, 배액량이 있다. 둘째, 시설 장비 구동기에는 환기 팬, 차광막, 보온커튼, 천창, 측창, 냉난방기, 관수공급기, 양액공급기, CO, 공급기가 있다. 셋째, 통합제어기는 통합제어관리 시스템(콘트롤판넬) 이다. 넷째, 정보관리장치는 카메라(CCTV), 녹화 장비, 전산장비 (PC, 모니터, 비상전원), 정보관리시스템이 있다. 다섯째, 여러 가지 기기들을 네트워크로 연결해주는 인터넷이 필요하다.
- 몬산토의 필드스크립트는 종자의 유전학적인 데이터와 작물생산재배의 데이터를 활용한다. 종자의 생산성을 높이기 위해서 첨단 기법을 활용한 유전체 형질과 작물생육을 분석한다. 작물을 재배하는 경작지의 토양상태와 강수량의 데이터를 분석한다. 작물 재배 농가는 필드스크립트의 빅데이터 분석을 통해서 파종에서부터 수확까지 전과정의 작물 재배관리를 지원받는다. 후지쯔의 아키사이는 시설재배농가의 작물생육환경을 실시간으로 모니터링한다. 모니터링한 생육환경조건을 빅데이터 분석을 통해서 최적생육관리 작업을 농업인에게 알려준다. 농가는 작업지시에 따라 효율적으로 작물생육관리를 한다. 프랑스의 에어리노브는 최 적의 재배작물의 관리를 위해서 광학센서가 장착된 드론 촬영기법을 이용한다. 촬영한 영상데이터를 분석하여 작물생장을 관측하고 향후 생산량을 예측한다.
- 아침에 해가 뜨면 온실 내의 온도가 올라가니 창문을 열어주어 온도조절을 해야 한다. 온도조절을 할 경우 창문을 한 번에 많이 열면 찬바람이 들어가 온도가 급격히 내려가서 작물생육에 나쁜 영향을 미친다. 온실 내의 온도 변화가 크지 않도록 창문을 조금씩 조금씩 열어 줘야 한다. 아침 해가 뜨는 새벽부터 창문을 조금씩 열어 환기 작업은 오전 9시가 넘어야 끝난다. 농업인은 새벽에 일어나 온실 온도 관리를 위해서 창문 여는 일을 매일 해야 한다. 낮 동안에는 강한 햇빛을 차광막으로 설치해준다. 갑자기 소나기나 비가 오기라도 하면 단숨에 달려가 천창과 측창을 닫아야 한다. 낮 동안에 온실 내의 온도가 높게 올라가면 미스트기를 뿌리거나 환기를 한다. 저녁 해질녁에는 창문을 닫고 온풍기를 켜서 온실 내부의 온도를 높여준다. 이처럼 온실에서 작물을 재배할 때는 항상 온실 환경관리에 매달려 있 어야 한다. 일반적으로 한 작기의 작물을 심고 가꾸는 기간은 5~7개월이 걸린다. 온실재배를 통해서 농가소득은 올릴 수 있지만 재배 기간 동안에는 시간적인 여 유가 없다. 농작물 재배 외에는 다른 활동은 꿈도 못 꾼다. 항상 온실 옆에서 상주 하다시피 해야 한다. 어떤 농업인은 “부모님이 돌아가셔도 온실의 작물을 관리해야 한다.”고 말한다. 온실을 이용해서 농작물을 생산하여 높은 소득을 올릴 수 있지만 많은 노동력과 불편함이 요구한다.
- 작물을 재배하는 1작기 동안의 생육환경조건과 작물생육상태는 원격지 서버에 자동으로 저장되어 데이터베이스DB로 구축된다. 저장된 DB는 다음연도 작물재배 시에 참고자료 활용되어 올해보다 높은 수확량을 생산하는 기반이 된다. 온실에 스마트팜을 도입함으로써 효율적인 작물 관리와 농업생산성이 향상된다. 작물을 재배하는 동안 온실에 억매여 있을 필요가 없다. 농업인은 원격지에서 스 마트폰을 통하여 작물의 생육환경과 상태를 언제든지 어디서나 확인할 수 있다. 작업노동력의 절감에 따른 시간적 여유가 증가하여 새로운 여가활동으로 삶의 복지를 누릴 수 있다. 농촌의 생활문화가 변하고 있다.
- 최근 일본은 농업인의 경험과 노하우를 시스템화 작업을 한다. 고령의 농업인은 증가하고 젊은 농업인이 없기 때문이다. 숙련된 경험을 요구하는 농업은 초보자가 접근하기에는 어려운 분야이다. 실패의 확률도 높고 섣불리 시도하기를 꺼린다. 특히, 젊은 청년들의 참여하기를 주저한다. 힘든 작업과 낮은 소득이 문제이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 일본은 작물재배관리와 작물생육단계별 작업내용의 작업노하우 시스템을 만든다. 초보 농업인이 패키지화된 최적 작물 관리법으로 적용하여 작물을 재배하면 실패 확률이 적다. 농업생산성에 100% 만 큼은 안되더라도 평균값인 80% 정도는 충분히 달성한다. 
- 바이오탈취시스템은 무악취 시스템과 분뇨처리시스템으로 구성된다. 바이오탈취시스템은 하루에 40톤의 가축분뇨를 처리한다. 무악취 시스템은 3차례의 여과를 거친다. 악취의 주범인 암모니아는 1차와 2차 필터링 과정에서 제거한다. 3차 필터링에서는 남아 있는 악취를 완전히 제거하여 냄새를 없앤다. 분뇨처리시 스템은 이중으로 밀폐하여 악취가 외부로 빠져나가는 것을 차단했다. 각 돈사에서 배출된 분뇨는 지하에서 액상과 고형물을 분리한다. 분리된 액상은 돈사 청소에 재사용한다. 고형물은 펠릿으로 만들어 유기질비료로 활용한다. 돈사 분뇨를 토양이나 하천으로 방류하지 않아 악취를 방지한다. 
- 스마트 축사는 양계장 내의 온도, 습도, 사료의 급여량, 음수량과 같은 사육환경을 측정한다. 계란 선별장에서는 계란의 평균 무게와 생산량 정보를 수집한다. 닭을 사육하면서 육성시 체중, 사양 관리, 사료 첨가제와 같은 사양 관리 정보를 이 대표는 수집된 사육관리 정보를 분석하여 18주령에 점등 자극을 줘서 계란의 무게를 올렸다. 계란의 생산성은 사료의 투입량과 점등 시기가 영향을 주는 것을 알았다. 스마트 축사를 구축 후 초기에는 시설 자동화로 이득을 보았다. 시간이 지나 데이터가 축적되어 빅데이터 분석에 따라 생산성에 효과가 나타났다. 매년 수집되어 축적되는 데이터는 스마트 축사 운영에 중요한 역할을 한다.
- 과수의 개화기에 냉해 피해를 방지하기 위해서는 미세살수 시스템을 이용한 다. 온도센서를 이용하여 0°C 이하로 내려가면 미세살수 장치가 작동한다. 미세한 수분은 꽃봉오리를 감싸서 얼음집을 지어 외부 낮은 온도로부터 보호한다. 추운 지방의 에스키모인들이 사는 이글루 안에서 생활하는 모습을 생각하면 이해가 쉬울 것이다. 냉해피해를 막기 위해서 미세살수장치 외에도 방상팬을 이용한다. 온도센서를 이용하여 기온이 일정 온도 이하로 내려가면 자동으로 방상팬을 작동하여 냉해방지를 한다. 온실처럼 밀폐되어 있지 않고 개방된 상태에서 온도관리가 쉽지는 않다. 하지만 자연환경에서 피해를 당하기보다는 여러 가지 장치 기기를 이용하여 피해를 최소로 줄이고 예방한다.
- 과수의 토양수분을 관리하기 위해서는 토양수분센서를 땅속에 설치한다. 토양수분센서는 텐시오메터와 TDR 방식 수분센서가 있다. 우리나라 강우량은 연간 900~1,300mm로 비교적 높지만 시기별 불균형이 문제이다. 관수시기와 관 수량을 보면 4월부터 6월 장마 전까지 30mm 정도이며 강수가 10일 정도 없으면 물을 공급해줘야 한다. 개화 전에서 만개 후 45일까지는 포장 용수량이 80%가 적당하다. 6~7월 새로운 가지의 신장기는 포장 용수량이 30~60%이다. 새로운 가지의 신장이 멈춘 8월 이후에는 65~80%이다. 생육시기별 토양수분 관리를 적절하게 한다. 과수원에 설치된 관수 장치를 작동하여 과수 생육기간에 적정하 게 물을 공급해준다. 토양수분 센서를 이용하여 토양 내부의 수분이 부족하면 자 동으로 관수 장치가 작동하여 수분을 공급한다. 자동 관수 장치로 물을 주는 양과 관수 간격을 현장이 아닌 스마트폰으로 언제든지 확인한다. 과수원의 물 관리는 과일의 생산량과 품질에 큰 영향을 준다.
- 노지 재배에서 작물생육관리를 위해 다양한 스마트 장비기기와 함께 사용한 다. 예를 들면, 드론을 이용하여 농약을 살포한다. 노지재배에서 농약 살포는 매우 위험하고 힘든 일이다. 농약살포 작업후 농약 중독으로 사망하는 사례가 빈번하게 발생했다. 스마트 드론은 수동조작이나 지리정보시스템GIS(Geogrphic Information System) 기반의 방제 살포로 위험한 작업에서 벗어날 수 있다. 위성항법장치 GPS(Global Positioning System) 및 센서 기반의 자율주행 무인 트랙터를 이용하여 경운 작업과 파종을 한다. 경운작업시 토양의 양분상태를 센싱하여 부족한 영양분을 자동을 공급해준다. 적외선IR(Infrared) 센서나 페르몬트랩를 이용하여 병해충을 사 전에 예찰하여 방제한다. 관례적인 노지재배에서 벗어나 스마트팜으로 농작업 노 동력을 절감한다. 자연기상환경에 의지보다는 인공적인 관수 재배방법으로 농업 생산성을 높인다.
- 노지재배에서 농약을 살포하는 작업은 정말 힘든 일이다. 농약이 병해충을 퇴치하기 위해서 사용하지만 인체에도 해롭다. 무리하게 농약살포 작업을 하다보면 농업인도 피해를 본다. 농업인의 피해를 줄이기 위해서 새로운 농업기술을 활용한다. 대표적인 것이 드론 이용이다. 드론으로 넓은 작물 재배지역에 농약을 살포한다. 농업인은 논이나 밭에 들어가지 않고 드론을 조작한다. 바람의 방향과 재배지역을 고려하여 정확하게 농약을 살포한다. 드론을 이용하여 농약 살포함으로써 농업인은 농약 중독의 위험에서 벗어날 수 있다. 드론은 농약뿐만 아니라 비료나 영양분을 살포에도 활용한다.
- 트랙터가 밭을 갈면서 토양의 양분상태를 센싱한다. 토양의 양분상태에 따라서 부족한 위치에는 필요한 거름을 자동을 뿌려준다. 트랙터는 자율주행으로 포장을 구석구석 돌아다니며 땅을 갈면 토양정보를 수집한다. 수집된 토양정보는 작물이 잘 자랄 수 있도록 처방전에 따라서 양분을 시비한다. 농가 인구의 고령화되고 농업 노동력이 부족한 현 실정을 반영한 토양관리법이다. 한여름의 논에서 김매기는 힘들고 고된 작업이다. 논에서 자율주행을 하면서 제초만을 제거하는 제초용 로봇도 등장한다. 위성항법장치가 장착된 제초용 로봇은 스스로 주행하면서 제초를 제거한다. 예전에는 작업자가 손으로 하였던 작업들이 농업 ICT 기술 의 적용으로 수월하게 재배관리한다.
- 자연환경에 많은 문제를 안고 있는 일본에서는 식물공장이 일찍 발달했다. 화산활동으로 화산재나 지진으로 방사능 오염과 같이 불안한 자연환경이 영향을 줬다. 특히, 2011년 3월에 발생한 후쿠시마 원전사고는 농산물 생산에 민감해졌고 식물공장이 활발해지는 계기가 되었다. 일본의 IT 기업인 후지쯔는 반도체 시장이 약세를 보이면서 해외로 공장 이전을 했다. 해외 이전 후 국내의 빈 공장에는
IT 기술을 접목한 식물공장으로 활용한다. 먼지 하나 없는 클린룸에서 작물을 재배하여 생산한다. 식물공장으로 양상추는 일 년에 24번이나 수확할 수 있다. 무균 밀폐공간에서 농약을 사용하지 않는다. 클린룸에서 수확한 농산물은 씻지 않고 바로 먹을 수 있다. 노지에서 생산된 채소보다 안전한 농산물로 인식한다. 식물공장에서 생산된 농산물은 일반 농산물보다 2~3배 비싸게 판매된다. 후지쯔를 선두로 도시바, 파나소닉, 미라이, 스프레드의 기업도 식물공장에 뛰어들어 활발하게 운영하고 있다. 일본의 야노경제연구소2011에 따르면 식물공장의 시장은 2011년 3,000억 원에서 2020년 1조원으로 급성장할 것으로 예상한다.
우리나라에도 수직농장을 운영하여 작물을 생산하는 곳은 20여 곳이 있다. 대표적으로는 미래원(주), 바이오웍스, 넥스트 에이(주), 만나CEA, 알가팜텍과 같이 수직농장을 전문적으로 운영한다. 2009년 LED)를 농업 분야에 적용하여 수직농장이 추진하였으나 재배기술 및 운영관리기술이 부족했다. 2015년부터 다시 수직농장 운영의 관심이 높다. 하지만 재배기술, 시설자재, 자동화 시스템 표준화와 같은 체계적인 확립이 필요하다. 수직농장은 샌드위치 전문점이나 레스토랑과 같은 음식점 내에 설치하여 운영한다. 공동주택 아파트단지에 시범적으로 수직농장을 설치하여 보급한 사례도 있다.
- 수직농장의 주요 재배품목은 채소류나 기능성 식물이다. 파프리카나 토마토처럼 줄기가 길게 자라는 작물은 효율성이 떨어진다. 수직농장은 단층 재배가 아닌 여러 층의 재배방식이다. 재배지 층간의 높이는 40~50cm로 재배 작물의 종류에 따라 다르다. 복층의 재배지는 건물의 높이나 작업 용이성에 따라 4~6단으로 설계한다. 수직농장에서 생산한 채소류는 씻지 않고 바로 먹을 수 있는 안전한 채소이 다. 수직농장 안으로 작업을 위해서 들어갈 때는 전신 위생복을 착용한다. 외부의 오염이 유입되지 않도록 세심하게 주의를 한다. 작물을 재배하기 위해서는 파종, 육묘, 정식, 수확의 과정을 거친다. 파종과 육묘과정은 자동화 기술을 적용한다. 씨앗을 파종 후 10~15일 전후로 모종을 키운다. 어느 정도 자란 모종은 일정한 간격으로 옮겨심어 재배한다. 파종 이후 35일 정도 지나면 채소를 수확하여 판매한다. 
- 국내의 수직농장의 대표적인 사례는 경기도 평택에 있는 미래원이다. 미래원은 2004년 설립된 농업회사법인이다. 주요 재배품목은 새싹채소, 어린잎채소, 미니채소, 특수채소와 같은 엽채류와 허브류를 생산한다. 총재배면적은 849m2 중 실제 생산면적은 654m2이다. 재배지 단수는 6층 구조로 총 단수는 98단이다. 년 간 생산량은 35톤 이상이다. 생산된 농산물은 대형마트에 납품되거나 자체가공하여 유통 판매한다. 수직농장에서 생산한 작물은 일반농장보다 생육속도 가 빠르다. 같은 면적의 하우스재배보다 생산성이 40배가 높다. 쌈채소류나 샐러드채소는 가격변동이 심한데 수직농장으로 연중 안정적으로 생산하여 가격변동의 어려움을 극복했다.
- 수직농장에서 생산한 농작물을 판매하여 소득을 올린다. 농가 소득을 최대로 높이는 방법은 투입재료비를 줄이는 것이다. 작물을 재배하기 위해서 투입한 재료도 줄이고 환경오염도 줄인다. 수경재배는 영양분을 물에 희석하여 공급해준다. 식물은 영양분을 뿌리로 흡수하여 생장한다. 식물공장에서 양액을 공급하지 않고 수조에 물고기를 키워 양분을 공급하는 방식이 아쿠아포닉스다. 물고기의 배설물을 식물이 흡수하는 영양분으로 활용한다. 식물은 수조 내의 양분을 흡수하여 물을 정화한다. 폐쇄된 수조에서 물고기를 키우면 물고기의 배설물에서 나온 암모니아가 물과 만나면 암모늄이이온H'이 발생한다. 암모늄이온이 축적되면 물고기는 살 수 없다. 수조에 배설물을 거르는 바이오 필터를 설치하여 액상 비료로 만든다. 액상 비료는 작물이 양분을 흡수하여 물도 정화되고 작물은 잘 자란다.
- 만나CEA(주)는 아쿠아포닉스 농법으로 작물을 생산한다. 주요 생산 품목은 샐러드, 잎채소, 허브류이다. 만나CEA는 2013년 충청북도 진천에 설립된 농업회사법인이다. 카카오가 100억 원의 펀딩을 투자한 것도 특이한 점이다. 총재배면적은 9,800m2으로 유리온실 3동, 단동비닐온실 4동, 연동비닐온실 3동으로 나 눠 작물을 재배한다. 작물은 물고기의 배설물의 영양분을 흡수하고 물을 정화한다. 정화된 깨끗한 물은 다시 물고기가 먹으며 선순환적인 재배방식이다. 수경재배방식에 비해 아쿠아포닉스 재배법은 80% 이상 양분을 절약한다. 물 사용량은 일반노지 재배의 2%만 사용하여 약 20톤의 물을 절약할 수 있다. 생산된 농산물은 친환경인증을 받아 안정성을 확보하였다. 농산물의 판매방식에서도 일반 유 통이 아닌 온라인 판매방식을 도입하였다. 정기회원제로 만나box' 상품을 정기적으로 택배 배송한다. 최근 회원 수는 30,000여 명을 달성하였다.
- 스마트팜 수경재배로 인삼을 재배하는 기업이 있다. 애그로닉스(주)는 수직형농장의 시설자재 개발과 실제 작물을 재배한다. 애그로닉스(주)는 총면적 1,658m2에 수경재배방식으로 인삼을 재배하여 판매한다. 2년근 인삼의 생산량은 연간 1.4톤이고 단위 면적당 생산량은 1개의 배드에서 1.5kg를 생산한다. 식물공장 재배 인삼은 빛과 수분, 온도와 같은 인삼의 생육 최적 환경을 자동으로 조절해준다. 인삼의 묘삼에서 수확까지 3개월이면 수확할 수 있다. 특히, 국립원예특작과학원 인삼특작부의 발표자료에 따르면 인삼의 유용한 성분인 총 사포닌 함량은 노지에서 재배한 인삼보다 70%가 높다고 한다. 인삼의 잔류농약 문제도 해결하여 안심하고 먹을 수 있다.
- 우리나라는 2010년 스마트팜 모델개발을 시작으로 2014년부터 온실과 축사 중심으로 확산 보급했다. 2014년부터 2018년까지 스마트팜 보급실적은 시설 온실4,900ha, 스마트축사 1,425개소이다. 스마트팜 적용분야별 표준지침서도 개발했다. 특히, 농촌진흥청에서는 차세대 한국형 스마트팜 기술을 개발한다. 제 1세대는 적용품목별 한국형 스마트팜 보급모델을 개발한다. 제2세대는 작물의 생육정보 센싱과 생육데이터 분석시스템을 개발하여 지능형 스마트팜 개발이다. 제3세대는 스마트팜 시설의 최적의 에너지 관리와 로봇 농작업이 가능한 상업용 통합솔루션 개발이다. 한국의 스마트팜은 국제규격적용과 관련 부품의 표준화로 글로벌 시장진출을 목표로 한다. 정부의 스마트팜 모델 개발과 확산보급으로 농업인들의 대규모 첨단 재배단지도 조성되었다. 스마트팜 시설 설치 및 솔루션 개발 업체도 경쟁력을 갖췄다. 지난 10년 전에는 해외 농업 선진국에서 유리 온실까지 패키지로 수입하던 온실이 국산 스마트팜 모델로 대체된다. 표준화된 스마트팜 기술은 국내뿐만 아니라 해외로 진출하여 농업경쟁력을 갖는다.