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 Sensor Applications
아듀이노 응용소스
작성자 avrtools™        
작성일 2016/02/07
첨부#1 arduino_soil_display.ino.zip (2KB) (Down:0)
첨부#2 wireless-soil-display.cpp_.zip (1KB) (Down:0)
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 356   
  Arduino 전극식 수분센서의 분석과 제작
Arduino 전극식 수분센서의 분석과 저가격 무선센서의 제작 
참조 : Reverse Engineer a Cheap Wireless Soil Moisture Sensor

나는 금년의 제조사 전시에서 내가 잘 모르는 토양 수분 센서의 의문이 많이 있었다.
그래서 나는 심각하게 이 문제를 찾기 시작했다. 나는 조금 다른 수분센서를 찾았다.
나는 그들의 원리를 대략 배웠다. 그리고 역시 내것을 어떻게 만드는가를 공부했다.   
 
이 게시판에서, 나는 저렴한 무선 토양 수분 센서에 대해 말하려고 한다.
나는 amazon.com에서 약 $10로 찾았다.
그리고 센서로 부터의 신호를 Arduino혹은 Raspberry에서 어떻게 수신하는지 찾았다.
그래서 이것을 당신의 정원에서 직접 쓸 수 있다.

Springfield Digital Soil Moisture Meter  (USD 10.00)
   

이것은 무었인가?
토양 수분 센서는 흙속의 물을 측정한다.
이것으로, 토양에 물이 필요하거나 물이 많을 때 쉽게 알려준다.
고가의 농작물을 재배하는 토양의 수분을 관리하면 더 큰 가치가 발생한다. 
 
참고 1 : 수분을 오래동안 머금는 플라스틱 폼과 금속 봉으로 만든 탐침
   
  
아주 간단한 토양 센서는 바테리가 없다.
예를 들어, 이 빠른 토양 측정기는, 몇 년전에 구매한 것으로, 간단한 탐침과 전압계로 유지된된다.
이것이 작동하는 방법은 전지 원리를 사용한다.- 요점은 어떻게 레몬 전지 혹은 감자 전지가 작동하는가.
 
탐침은 두 개의 다른 금속의 전극으로 만든다.
아래의 좌측 사진에서, 봉(어두운 은색)은 아연 같은 일종의 금속으로 만든다.
그리고 남은 봉(tip)은 구리나 알미늄 같은 다른 종류의 금속으로 만든다. 
탐침(probe)이 흙속에 들어가면, 작은량의 전압이 생성된다.
 
통상적으로 몇백 mV의 양단(couple) 전압이다. 흙속에 물을 더 주면 높은 전압이 생성된다.
이 측정기는 수동으로 매우 쓰기 쉽다. 그러나 값을 자동으로 읽으려면 마이크로컨트롤러가 필요하다.

Etekcity Indoor/Outdoor Soil Moisture Sensor Meter (USD 7.99)
   

저항식 토양 수분 검출기
간단한 토양 검출의 다른 방식은 저항을 감지한다. 위 그림에서 오른쪽에 두개의 노출된 저항 감지 전극.
이것은 두개의 노출된 전극으로 만든다. 그리고 흙에 포함된 많은 물로 두개의 전극 사이의 저항은 작다.
 
저항은 분할된 전압을 아날로그 핀으로 간단히 측정할 수 있다. 
매우 쉬운 제작 방법이었지만, 저항 감지 방식은 매우 신뢰가 안된다.
노출된 전극은 시간이 지나면 산화될 수 있기 때문이다.
 
전기 저항식 수분 검출 전극을 사용한 토양 수분 측정 전극과 Arduino 자동 읽기 장치. 
   

 
저항의 변화를 펄스폭 변조로 출력하는 수분 측정 회로와 특성.
참조 : Interface for WATERMARK sensor or other moisture probes (SMX)
 
 
 

정전 용량식 수분 센서
용량식 토양 센서도 역시 2개의 전극으로 만든다. 그러나 절연되었다. (노출이 안된다)
2 개의 전극, 금속과 유전체(dielectric)는 토양에서 함께 캐패시터로 된다.
물이 많으면 용량이 커진다. 그래서 우리는 토양에 포함된 물을 용량으로 측정할 수 있다. 

 
 
 
용량 측정 방법은 많이 있다. 예를 들면, 저항 측정과 비슷한,
캐패시터의 교류저항(reactance)으로 분할된 전압을 사용한다. 
발진 주파수의 계수로, 우리는 용량을 계산할 수 있다.
그래서 캐패시터의 충전과 방전시간이 검출되는 방식으로 측정할 수 있다. 

캐패시터와 비슷하게 작은 캐패시터의 충전은 빠르고, 그 반대도 마찬가지다. 
아래 그림의 Chirp, 공개 소스로 만든 용량 센서.
검출기의 출력 펄스는 RC 필터에서 평활하고, 아날로그 전압으로 검출한다. 

용량이 증가하면 검출 전압이 내려간다. 용량 센서는 만들기 어렵지 않다.
저항을 직류로 검출 방식보다 더 신뢰가 된다. 그래서 이것들은 매우 대중적이다.

복잡한 토양 센서
더 복잡한 (분석용 고가장비) 주파수 영역의 반사(FDR) 방식의 토질분석 센서도 있다.
주파수 영역 반사(TDR)와 중성자(neutron) 센서들은 더 정밀하다, 그러나 만드는 비용이 높아진다.

    

 
무선 토양 습도 센서
토양센서는 종종 외부에서 사용될 수 있가 때문에, 이상적으로 무선으로 신호를 송신한다.
추가해서, 토양의 수분은 곳곳에 많을 수도 있기 때문이다.
센서를 다른 장소에 분산해서 평균값을 구하는 제안은 매우 좋다.
복수의 센서를 더 상주시킬 수 있도록 무선 수신기를 만들려 한다.   
 
나는 최근에 Amazon에서 $10로 매우 저렴한 433 MHz 무선 토양 센서를 찾았다. 
이것은 값을 송신하고 표시 값을 표시한다. 송신은 토양 탐지 값이다.
추가적인 실내와 실외의 온도를 수신한 값은 LCD에 토양 수분 레벨로 표시된다.(10 bar)
안에 무었이 보이는지 송신기를 열어 보자

사진 4  Tip을 확대한 사진, 센서의 내부, 센서의 기판을 확대한 사진
 
 
  

토양 탐침(probe), 433 MHz 송신기, 마이크로컨트롤라, 온도 센서(thermistor), GSM358 opamp.
매우 솔직하게, 토양 탐지봉은 위에서 말했던 전지-없는 토양 수분계와 매우 비슷하다.
그래서 나는 이것이 저항식이나 용량식이 아니라고 믿었다. 그러나 나중에 보니 전압(galvanic) 탐지였다.
 
다시, 이것의 작동하는 방법은 흙속의 수분에 의존하는 가변 전압을 출력한다.
기판 회로를 검토하니, 전압을 추종하는 op-amp를 가지고 있다.
전압생성 탐침에서 발생된 전압을 신뢰있게 읽는다면 마이크로컨트롤러다.

이제 센서의 기본 원리를 알았다. 센서의 고주파 신호를 보자. 먼저 경험한 탐침과 조금 비슷하다. 
그래서 나는  이 자료에 설명된 대로 같은 처리로 따라했다.
원 파형. 시작에서, 고주파 감시(sniffing) 회로는 이것 처럼 보이는 원 파형을 포착한다.
  

변조(Encoding)에서 한번의 송신은 8 번 반복된다. (time scope에서 좌측이 먼저, 우측이 나중이다) 
위에서 보인 반복적으로 : 9000 us 이하의 동기신호(sync signal)로 시작된다.
로직 1은 좁은 임펄스를 따르는 475 us의 low다. 로직 0 도 동일하게 임펄스를 따르는 200 us의  low다. 
그래서 위의 신호 전송은 1111 0011 0110  그리고 0000 1111 1111  그리고 0011 1001 1111 으로 된다.

신호 변조는 온도와 습도 2 개다. 온도와 토양의 수분은 변화한다.
어떻게 신호가 바뀌는지 보면, 첫 번째의 검은 색의 12 비트(0xF36)는 장치의 이름이다.
가운데 청색으로 일치하는 12 비트 (0x0FF = 256)는 온도의 10 배 Celcius 값이다, 
마지막 적색으로 일치하는 8 비트(0x39 = 57)는 토양 습도의 100 배 %값이다.  

나머지 4 비트 1111은 check sum 이다. (4 비트 8개의 xor 연산값의 보수이다)
그래서 위의 신호 전송 값은 온도 25.5 °C와 토양 습도 57 %이다.

표시 값은 토양의 수분 레벨이  10 bar일 때를 보여준다.
1 ~ 3 bar는 dry, 4 ~7 bar는 damp, 7 이상은 wet 이다

어떻게 이것을 토양 수분으로 전송하는가?
경험적으로 테이터를 감시하면 dry-damp 범위는 약 60 이다.
그리고 damp-wet 범위는 약 100 이다.

아듀이노 프로그램 (첨부 파일 #1)
다음 서류는 센서를 읽고 습도와 온도를 직렬포트로 전송하는 아듀이노의 프로그램이다.
습도 센서 ---> 433 MHz 고주파 ---> 아듀이노 ---> USB/직렬포트 ---> PC ---> 온도, 습도를 표시
 
이것은 433 MHz 수신기가 필요하다. 수신기의 433 MHz 기판을 분리해서 사용해도 된다.
그리고 프로그램은 아래의 아듀이노에 연결된 핀 3을 수신한다. 
변조 구조는 이전에 분석한 무선 온도 센서와 매우 비슷하다.
나는 매우 작은 변경으로 즉석에서 만든 프로그램을 가지고 있다.

• 무선 토양 수분 센서의 Arduino 프로그램 : http://raysfiles.com/arduino/soil_display.ino (첨부파일 #1)
   
 
Raspberry Pi 프로그램은 wiringPi library를 사용한다.
Arduino 코드는 Raspberry Pi로 쉽게 적응(adapted)할 수 있다.
다음 프로그램은 wiringPi의 GPIO 2 (P1.13) 핀을 사용한다.

• 무선 토양 습도 센서 RPi 프로그램 : http://raysfiles.com/rpi/soil_display.cpp (첨부파일 #2)
  

나는 송신 거리의 시험은 많이하지 않았다.
잔디밭의 여러 장소에 센서를 놓고, 집안에서의 수신은 문제가 없었다.
그러나 잔디밭의 크기는 오직 1/4 에이커다. 이것은 넓은 경우가 아니다.

값싸고 케이스를 방수로 만든 센서는 사용하기 좋다고 생각한다.
아듀이노 혹은 RPI를 포함해서 저가격의 많은 자동화 프로젝트가 가능하다.

이 프로그램은 무료 소프트웨어로, 신체와 재산 상의 어떤 위험과 손해를 보상하지 않습니다.
이 프로그램은 GNU 무료 소프트웨어 배포규정을 따릅니다.
Free Software Foundation, Inc. 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA 02111-1307, USA
 AVRTOOLS™
   
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