Precise, Real-time Measurement of the Fresh Weight of Lettuce with Growth Stage in a Plant Factory using a Nutrient Film Technique

The measurement of total fresh weight of plants provides an essential indicator of crop growth for monitoring production. To measure fresh weight without damaging the vegetation, image-based methods have been developed, but they have limitations. In addition, the total plant fresh weight is difficult to measure directly in hydroponic cultivation systems because of the amount of nutrient solution. This study aimed to develop a real-time, precise method to measure the total fresh weight of Romaine lettuce (Lactuca sativa L. cv. Asia Heuk Romaine) with growth stage in a plant factory using a nutrient film technique. The total weight of the channel, amount of residual nutrient solution in the channel, and fresh shoot and root weights of the plants were measured every 7 days after transplanting. The initial weight of the channel during nutrient solution supply (Wi) and its weight change per second just after the nutrient solution supply stopped were also measured. When no more draining occurred, the final weight of the channel (Ws) and the amount of residual nutrient solution in the channel were measured. The time constant (${\tau}$) was calculated by considering the transient values of Wi and Ws. The relationship of Wi, Ws, ${\tau}$, and fresh weight was quantitatively analyzed. After the nutrient solution supply stopped, the change in the channel weight exponentially decreased. The nutrient solution in the channel slowly drained as the root weight in the channel increased. Large differences were observed between the actual fresh weight of the plant and the predicted value because the channel included residual nutrient solution. These differences were difficult to predict with growth stage but a model with the time constant showed the highest accuracy. The real-time fresh weight could be calculated from Wi, Ws, and ${\tau}$ with growth stage.

NFT 수경재배 방식의 식물공장에서 생육단계별 실시간 작물 생체중 정밀 측정 방법

생체중은 작물 생육의 중요한 지표이기 때문에 계획 생산을 위해서는 반드시 측정이 필요하다. 비파괴적으로 생체중을 측정하기 위하여 이미지 기반의 방법 들이 개발되어 왔으나 한계점을 가지고 있다. 또한 수경재배에서는 양액의 중량 때문에 작물 생체중을 직접 측정하기에 어려움이 있다. 본 연구의 목적은 NFT 방식의 식물공장에서 생육시기에 따른 생체중을 실시간으로 정확하게 측정할 수 있는 방법을 개발하는 것이다. 식물공장 모듈에서 로메인 상추를 재배하며 실험을 진행하였다. 정식 후 7일 간격으로 28일 까지 전체 채널의 중량, 채널 내에 남아 있던 양액의 양, 로메인 상추의 지상부와 지하부의 생체중을 측정하였다. 특히, 양액이 공급 중일 때 채널의 초기 무게(Wi)와 양액 공급을 중단한 후에 채널의 중량 변화를 매초 간격으로 측정하였다. 채널을 통해 더 이상의 배액이 발생하지 않을 때, 채널의 최종 중량(Ws)와 채널에 잔류하고 있는 양액의 양을 측정하였다. 시상수(${\tau}$)는 Wi와 Ws의 변화 추세를 고려하여 계산되었다. Wi, Ws, ${\tau}$와 실제 생체중과의 관계를 정량적으로 분석하였다. 양액 공급을 멈춘 뒤 채널의 중량은 지수적으로 감소하였다. 채널 내 지하부의 중량이 증가하면서 양액이 채널을 빠져나가는 속도는 감소하였다. 실제 작물의 생체중과 채널의 중량을 통하여 예측된 생체중 사이에는 큰 차이가 있었고, 이는 채널 내에 잔류된 양액 때문이다. 이러한 차이는 생육시기에 따라 예측하기에는 어려웠으나 시상수를 이용한 모델식은 높은 예측성을 보였다. Wi, Ws, ${\tau}$를 사용한 모델을 이용하면 작물의 실제 생체중을 추정할 수 있으리라 기대된다.