통합 스마트팜 자동화 시스템 — SFAM

소개

SFAM은 육묘의 입고부터 출고까지 전 과정을 자동화하여 생산자에게 연구와 생활을 위한 시간을 돌려주는 통합 스마트팜 자동화 시스템입니다.

RFID로 모종을 인식해 디지털 트윈을 생성하고, AGV가 최적 위치로 자동 이송합니다. 센서 데이터 기반으로 온습도·조도를 자동 제어하며, 출하 시점이 되면 AGV가 자동 출고합니다.

시스템 아키텍처

HW Architecture

Internal Wi-Fi를 통해 모든 디바이스가 중앙 서버(Control Hub)와 통신합니다.

SW Architecture

SFAM Protocol(CRC16)로 데이터를 검증하며, RFID 이벤트 핸들러가 실시간 물류 흐름을 제어하는 핵심 엔진 역할을 합니다.

주요 기능

1. 입고 최적화 및 자동 이송

RFID 태그로 모종을 인식하면 디지털 트윈이 생성되고, DB에서 품종 유효성을 조회한 뒤 최적 저장 위치를 계산하여 AGV가 자동으로 배치합니다.

핵심 매커니즘: 물리적 입고 → 디지털 트윈 생성(DB 적재) → 최적 경로 및 위치 배정 → AGV 실행

sequenceDiagram
    actor User as 작업자
    participant In as 입고장 ESP32
    participant Hub as Control Hub
    participant DB as SFDB
    participant AGV as 운송 로봇 AGV
    participant Web as Web Dashboard
 
    User->>In: 모종 화분 거치
    In->>Hub: NFC 태그 데이터 추출
    In->>Hub: 입고 요청 Tag ID
    Hub->>DB: 품종 유효성 조회 seedling_varieties
    DB-->>Hub: 유효성 확인
 
    Note over Hub: Storage Optimization Logic
    Hub->>DB: 가용 구역 조회 farm_nodes
    DB-->>Hub: 최적 섹션 반환
 
    Hub->>AGV: 이송 명령 하달
    AGV->>AGV: 목적지로 주행 시작
    Hub-->>Web: GUI 상태 업데이트

2. 스마트 출고 및 우선순위 기반 스케줄링

영상 분석으로 출고 대상을 판정하고, AGV 상태를 모니터링하여 태스크 큐잉(Scheduling)으로 순차 배차합니다. 이송 중일 경우 예약 명령으로 대기시키고, 완료 후 섹션 비움 상태를 자동 업데이트합니다.

sequenceDiagram
    actor User as 작업자
    participant Web as Web Dashboard
    participant Hub as Control Hub
    participant DB as SFDB
    participant AGV as 운송 로봇 AGV
    participant Out as 출고장 ESP32
 
    User->>Web: 출고 요청
    Web->>Hub: 출고 리스트 확인
    Hub->>DB: 육묘 상태 검증 seedling_status
    DB-->>Hub: 상태 반환
 
    Note over Hub: AGV 상태 확인 및 예약 로직
    Hub->>AGV: 가동 상태 확인 is_moving
    alt 이송 중일 경우
        Hub->>AGV: 예약 명령 Task Queue
    end
 
    Hub->>AGV: 이송 명령 seedling_id from_node
    AGV->>AGV: 육묘섹션 이동 및 모종 상차
    AGV->>Out: 출고장으로 이동 및 하역
    AGV-->>Hub: 출고 확인 Discharge_Complete
    Hub->>DB: 섹션 비움 업데이트 status EMPTY
    Hub-->>Web: GUI 출고 상태 업데이트 완료

3. 하이브리드 환경 제어 (자동/수동 오버라이드)

실시간 센서 피드백 루프와 긴급 제어권 개입 메커니즘을 구현했습니다. 센서 데이터를 스트리밍하면서 임계치 도달 시 자동으로 장치를 제어하고, 사용자가 수동 제어 모드로 전환하면 자동 모드가 일시 중단됩니다. 5분 미조작 시 자동 타임아웃으로 복귀합니다.

자동 모드: 1시간 간격, 10초 동안 급수 (설정 변경 가능)

sequenceDiagram
    participant Web as Web Dashboard
    participant Hub as Control Hub
    participant Nurs as 육묘 섹션
    participant DB as SFDB
    actor User as 작업자
 
    loop 자동 제어 루프
        Nurs->>Hub: 환경 데이터 전송 Temp Humid Lux
        Hub->>DB: 육묘설정 환경 확인
        Note over Hub: Auto Control Logic
        Hub->>Nurs: 임계치 도달 시 장치 자동 조절
    end
 
    User->>Web: 수동 제어 요청
    Web->>Hub: 수동 제어 모드 전환 Manual Override
    Hub->>Nurs: 특정 섹션 팬 강제 가동 명령
 
    alt 자동 복귀 버튼 클릭
        User->>Web: 자동 복귀 버튼 클릭
    else 5분 미조작
        Hub->>Hub: 자동 타임아웃
    end
 
    Hub-->>Web: 자동 모드 전환 알림
    Hub->>Nurs: 제어권 회수 및 센서값 재동기화

4. 통합 관제 대시보드

실시간 센서 데이터 시각화, AGV 상태 모니터링, 수동 제어 인터페이스를 Flask + Vanilla JS 기반 웹 대시보드로 구현했습니다.

AGV 위치 시각화는 초기 구현에서 현재 위치가 바뀔 때 사후 반응하는 방식이었습니다. 이를 텔레메트리의 "다음 목표 노드" 데이터를 활용한 예측형으로 개선해, AGV가 이동을 시작하는 순간 목적지까지의 경로를 미리 강조 표시합니다.

폴링 주기는 데이터 중요도에 따라 차별화해 불필요한 요청을 줄였습니다:

노드 도달 시 border 플래시 애니메이션(500ms), SVG 경로 세그먼트의 .moving 클래스 토글로 이동 경로를 실시간 표시하고, Chart.js로 센서 데이터를 다축 그래프로 시각화했습니다.

기술 스택

기술 구현 상세

1. 5센서 이산 상태 기계 기반 라인 트레이싱

IR 어레이 센서 5개의 상태 조합을 우선순위에 따라 분기하는 이산 상태 기계로 라인 트레이싱을 구현했습니다. 연속적인 PID 오차 계산 없이도 안정적인 경로 추종이 가능하며, 센서 우선순위(끝 > 측면 > 중앙)로 급격한 커브에서도 이탈을 방지합니다.

교차로는 (S1==1 && S5==1) || (S2==1 && S4==1 && S3==0) 조건으로 판별하며, 이후 서버로부터 수신한 방향 명령(직진/좌/우/U턴)을 실행합니다. 후진 라인트레이싱도 동일 센서 로직에 역방향 모터 제어를 결합해 구현했습니다.

2. AGV ↔ 서버 통신 — TCP 제어 + UDP 영상 스트리밍

AGV와 서버 간 통신을 목적에 따라 TCP와 UDP로 분리 설계했습니다.

TCP (Port 8000) — 신뢰성이 필요한 제어/상태 데이터

AGV는 500ms 주기로 텔레메트리 패킷을 서버에 전송합니다. 서버는 이를 파싱해 DB에 로깅하고 실시간 캐시를 유지합니다.

작업 명령은 서버 → AGV 방향으로 10바이트 페이로드(작업ID, 상품ID, 출발지/목적지 노드, 수량, 우선순위)로 전송됩니다. Task Dispatcher가 3초 주기로 DB를 폴링해 대기 작업을 AGV에 자동 할당하며, 5초 heartbeat 타임아웃과 3회 재시도 메커니즘으로 연결 안정성을 확보했습니다.

UDP (Port 7070) — 실시간 영상 스트리밍

지연이 허용되지 않는 카메라 영상은 UDP로 전송합니다. TCP의 재전송 오버헤드 없이 프레임을 연속 전송하고, 서버는 이를 모종 생육 상태 판별 및 대시보드 표시에 활용합니다.

3. SFAM Protocol v1.0 — 자체 바이너리 통신 프로토콜

JSON 대신 1바이트 단위로 설계한 경량 바이너리 프로토콜로, CRC16-CCITT 오류 검출을 통해 저사양 MCU(ESP32)에서도 신뢰성 있는 통신을 구현했습니다.

• RFID Event Handler: 0x24 패킷을 통해 AGV의 픽업/안착을 실시간 판단
• Task Dispatcher: 3초 주기의 DB 폴링을 통한 지능형 배차

회고

전략적 피벗: JSON에서 Binary로

• 효율성 극대화: 오버헤드가 큰 JSON을 과감히 버리고, 1바이트 단위로 설계한 SFAM Protocol(Binary) 도입
• 최적화 성과: 저사양 MCU(ESP32)의 통신 부하를 획기적으로 줄여 실시간 정밀 제어 성공

통신의 대원칙: 신뢰성과 무결성

• calc_crc16 함수 구현을 통해 데이터 노이즈를 100% 감지 및 차단
• 완벽한 코드보다 실패(에러)에 대비한 코드의 중요성을 체감하며 시스템 안정성 확보

Binary 통신의 3가지 정수 (Insight)

• 효율성: 최소한의 크기로 최대한의 정보를 전달하는 Struct 구조체 활용
• 신뢰성: "깨진 데이터를 읽는 것보다 안 읽는 것이 안전하다"는 통신 대원칙 수립
• 엄격한 약속: SOF(0xAA)부터 ETX까지 이어지는 우리만의 통신 언어(Protocol) 정의

팀 구성