KR20170002524U - 미기후관측용장비 - Google Patents

Abstract

본 고안은 상대습도, 온도, 미세먼지의 농도, 빛의 세기, 토양의 수분함량과 같은 다양한 환경요소들을 원격으로 측정할 수 있도록 작동하는 장비에 관한 것으로, 미기후측정장비 내부에 여러 측정용 모듈이 연결되어 마이크로컨트롤러에서 위 정보를 수집하고 무선신호로 변환하여 송신함으로써 원거리에서의 동시측정이 가능하다. 그리고 위 장치에서 수신된 신호를 바탕으로 윈도우 운영체제에서 작동하는 환경OS 소프트웨어를 제작하여 데이터의 수집과 활용 및 출력 등이 가능하며, 이를 바탕으로 환경제어시스템을 운영하고 미기후 및 환경연구에 사용할 수 있다.

Description

미기후관측용장비 {Device for observing microclimate}

본 고안은 대기의 상대습도, 온도, 미세먼지의 농도, 빛의 세기, 토양의 수분함량과 같은 다양한 환경요소들을 원격으로 측정할 수 있도록 작동하는 장비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아크릴 상자 안에 여러 종류의 측정용 모듈이 연결되어 마이크로컨트롤러에서 위 정보를 수집하고 무선신호로 변환하여 전송함으로써 미기후연구와 농작물 재배와 관리를 비롯한 환경제어의 근간이 되는 원격측정에 관한 것이다. 2.4Ghz이상 대역의 주파수로 통신하므로 원거리 동시측정이 가능한 점이 특징이다.

농작물 재배와 도시의 대기오염측정에 사용되는 관측용 장비는 각각의 단일한 기능에만 특화한 제품들이 시판되고 있다. 그러나, 환경연구와 농업분야에서는 다양한 기후인자가 동시 복합적으로 작용하여 결과가 생기는 경우가 많으므로 대기의 온도와 습도 또는 토양의 수분함량과 같은 몇 가지 제한된 환경인자만 측정하는 센서로는 환경의 요소들과 종속변인 사이의 인과관계를 밝히기 어렵다는 단점이 있었다. 상기와 같이 기후환경요소별 개별측정이 가지는 한계를 보완하기 위하여 ICT 스마트농업에서는 여러 측정모듈을 하나로 통합한 센서를 개발하였으나, 이 또한 실내온실재배를 상정하여 만든 것이므로, 데이터를 유선으로 송수신하고 전력공급에 있어서도 실내용 전력선에 의존하는 등 설치공간과 이용가능크기의 제약이 존재하였다.

[문헌1] 임베디드 기반으로 한 농업 자동화 시스템, 한국해양대학교 산학협력단, 2014.12.23. [문헌2] 온실의 복합환경제어시스템, 구광모, 구지민, 2013.09.06. [문헌3] 온실공조 및 대기 환경제어시스템, 최일광, 2016.02.29 [문헌4] IoT기술을 활용한 하우스 운영 관리 시스템, ㈜다온정보. 2016.08.08.

[문헌1] 농업용 환경제어 시스템을 위한 플랫폼 장치, 한국전자통신연구원, 2012.05.25

본 고안은 대기의 상대습도, 온도, 미세먼지의 농도, 빛의 세기, 토양의 수분함량을 종합적으로 측정할 수 있도록 아크릴 상자에 각 측정모듈을 장착하고 마이크로컨트롤러를 통해 수집한 뒤, 2.4Ghz 대역 이상의 무선신호를 통해 송수신할 수 있게 설계하여 농학 및 환경연구 분야에서 자료를 활용하는데 그 목적이 있다.

본 고안은 복합적인 환경기후요소를 동시에 측정하는 장치로, 먼저 토양의 수분을 측정하기 위한 센서: 양극과 음극 사이에서 전도체(토양)에 흐르는 미세전류를 감지하기 위한 모듈을 기기 하단에 장착하여 지면에 닿도록 설계하였다. 이로부터 얻어진 전류의 양이 마이크로컨트롤러(MCU)에서 수치화되어 nRF24L01모듈: 2.4Ghz 이상의 주파수 대역으로 무선 전송된다. 그리고 이와 더불어 대기 중의 미세먼지 농도(크기에 따라 PM1.0, PM2.5, PM10)를 측정하는 모듈이 공기흡입구 부위에 배치되어, 미세먼지의 크기별 농도를 레이저 산광방식을 이용하여 실시간 측정하여 무선으로 전송하며, 이와 동시에 정밀 온습도계 모듈을 통해 상대습도와 온도에 관한 정보를 수치화하여 송신한다. 그리고 장치 주변의 빛의 밝기에 관한 정보도 포토레지스터 모듈로부터 전달받아 마이크로컨트롤러(MCU)를 거쳐 송신기에서 무선신호로 변환되어 전송하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 고안에 따른 상기 장치 케이스의 측면(도2)에는 외부공기가 내부로 통할 수 있도록 구멍이 있으며, 내부에는 마이크로컨트롤러기판을 고정 가능한 틈 및 공간이 존재하고, 후면에는 배터리(7)가 장착될 수 있도록 배터리 설치부를 형성하여 배터리 잔량도 확인 가능하도록 하는 설계를 특징으로 한다. 마지막으로 본 고안에 따른 상기 장치의 하단에는 토양의 수분함량을 측정할 수 있도록 지면과 밀접한 홈이 열려있고, 장치 상단에는 비바람에 의한 누수 및 이로 인한 전자제품의 오작동 등의 영향을 줄이고자, 닫힌 아크릴 상자형태로 설계하며, 두께 3mm의 얇고 투명한 아크릴로 바깥면을 만들어서 외부로부터의 빛의 세기(밝기)를 내부의 포토레지스터(4)를 통해 측정한다.

본 고안은 농업 종사자 및 연구자가 환경 및 기후 요소들을 측정함에 있어서 개별로 특화된 센서(온도계, 습도계, 토양수분계, 미세먼지 측정기, 밝기 측정기)를 지참하여 매 순간 수작업으로 기록하지 않아도 위의 여러 환경요소들을 원거리에서 동시측정이 가능하도록 도움으로써 업무의 효율성을 증대시키고 측정시간에 따른 환경요소의 변화 및 차이로 인한 오차까지도 사전에 방지할 수 있다.

도 1은 본 고안에 의한 미기후관측용 송신기의 설치상태도 정면.
도 2는 본 고안에 의한 미기후관측용 송신기의 설치상태도 좌측면.
도 3은 본 고안에 의한 미기후관측용 송신기의 설치상태도 우측면.
도 4는 본 고안에 의한 미기후관측용 송신기의 배선을 도식한 분리사시도.
도 5는 본 고안에 의한 미기후관측용 수신기의 표준 설치상태도
도 6은 본 고안에 의한 미기후관측용 수신기의 배선을 도식한 분리사시도
도 7은 본 고안에 의한 미기후관측용 장비의 제어수단을 보인 블럭도
도 8은 본 고안에 의한 미기후관측용 소프트웨어의 기동화면
도 9는 본 고안에 의한 미기후관측용 소프트웨어의 사용화면
도 10은 본 고안에 의한 미기후관측용 소프트웨어의 환경제어화면
도 11은 본 고안에 의한 미기후관측용 소프트웨어의 하드웨어 배선도 화면
도 12는 본 고안에 의한 미기후관측용 소프트웨어의 장치제어코드 화면

본 고안은 미기후관측용 장비로서 여러 환경요소를 원격 동시측정이 가능하다는 점이 특징이다. 그러므로 원격기능을 지원하기 위해 송신부와 수신부로 나뉘고, 수신부에서 얻어낸 신호를 컴퓨터에서 처리할 수 있도록 하는 소프트웨어가 존재한다. 본 고안을 첨부된 도면을 참조하여 각각에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

(송신부)

도1 내지 도2에 도시된 바와 같이 본 고안은 두께 3mm의 투명 아크릴 상자 내에 환경기후인자인 대기의 상대습도, 온도, 대기 중 미세먼지의 농도, 빛의 밝기, 토양의 수분함량을 측정하는 각각의 모듈이 설치되어, 이를 중앙처리장치인 마이크로컨트롤러(MCU)에 연결하여 데이터를 수집하고, 이를 2.4GHz 이상의 대역대로 전송함으로써 멀리 떨어진 지역까지 국소적 기후데이터를 원격 송신한다.

미기후관측용장비의 우측면에는 외부로부터 공기가 유입될 수 있도록 직경 2인 작은 구멍들이 가로 세로 8개씩 총 64개 뚫려있으며, 장비의 앞면 우측에는 외부와의 공기유출입을 돕기 위해 가로와 세로가 각각 12mm인 정사각형 모양의 구멍이 추가로 있다. 이렇게 외부와 열려있는 상자 안에는 대기의 상대습도와 온도를 측정하는 모듈과 미세먼지의 농도를 측정하기 위한 모듈이 설치된다.

그리고 장비의 좌측면에는 직경 5mm인 구멍이 있어서, 이 사이로 장비 내부후면에 들어있는 배터리의 스위치 부위를 누름으로써 잔량을 확인할 수 있다. 또한 장비의 아랫면 가운데에는 토양의 수분함량을 측정하기 위한 모듈(5)을 토양 속에 직접 설치하기 위한 홈이 존재한다. 이 홈을 통해 외부로 나온 토양수분함량 측정 모듈이 설치장소인 대상 지면에 맞닿음으로써 토양의 수분함량을 측정하며, 장비의 상층부에는 포토레지스터(4)가 설치되어, 투명 아크릴 장비 내부에서 외부 빛의 밝기를 측정한다. 마지막으로는 위로부터 얻어진 각각의 전기적 신호(미기후 환경데이터)를 제어수단인 마이크로컨트롤러(MCU, Atmega328p-pu)가 모아서 다시 이를 2.4Ghz 이상의 Wireless 기능을 지원하는 nRF24L01모듈(6)을 통해 특정 주파수를 가진 전자파의 형태로 변환하여 송신한다.

상기 케이스의 내측에 형성된 홈에 상기 제어수단인 마이크로컨트롤러가 설치된 상태에서 고정될 수 있도록 나사를 설치하고, 이에 전력을 공급하기 위한 배터리가 따로 내장된다. 상기 제어수단은 마이크로컨트롤러(1)와, 배터리(7)와, 입력포트와, 출력부로 이루어지며, 이를 하나의 회로 기판에 장착하여 케이스에 설치한다.

상기 마이크로컨트롤러(1)는 상기의 온습도 측정모듈(2), 미세먼지 농도측정 모듈(3), 포토레지스터 모듈(4), 토양의 수분함량 측정모듈(5)에서 보내지는 전기적 신호를 여러 형태로 표출될 수 있도록 하는 것으로, 더욱 상세하게는 도면에 도시된 바와 같이 디지털 입/출력과 아날로스 입력, 그리고 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation)를 통한 아날로그 출력을 지원하여, 서로 다른 모듈간의 제어를 담당한다.

상기 배터리(7)는 미기후측정에서 각 모듈의 원활한 동작을 위해 4.9~5.1V출력에 2A이상의 전력을 지속적으로 공급해야하며, 이를 충족시키기 위해서는 5V를 지원하는 태양전지를 외부에 연결할 수도 있지만, 기기의 소형화와 기상조건에 따른 전력공급의 불안전성을 해소하기 위해 휴대폰충전용 외장형 배터리를 사용한다.

상기 입력포트는 본 기기의 마이크로컨트롤러가 아날로그와 디지털 입력방식을 모두 지원하므로, 각 모듈의 특징에 맞추어 신호를 전송한다. 마이크로컨트롤러를 기준으로 입력포트는 대기의 온습도 모듈(2), 미세먼지의 농도 측정 모듈(3), 포토레지스터 모듈(4), 토양의 수분함량 측정 모듈(5)로부터 데이터를 받는다. 먼저 온습도 모듈(2)은 영하40도에서 영상125도까지 측정가능하고 상대습도는 0에서 100%의 측정범위를 보이며 디지털 방식으로 신호를 제공하므로 마이크로컨트롤러에서의 입력포트는 디지털 포트(D2)에 설치한다. 다음으로, 미세먼지의 농도 측정 모듈(3)은 레이저 산광방식을 이용하여 미세먼지의 입자별 크기에 따른 개수를 측정하여 이를 단위공간에 해당하는 농도로 변환한다. 구체적으로, 0.3~1.0 마이크로미터의 크기를 가지는 입자를 pm1.0으로 분류하고, 1.0~2.5 마이크로미터의 크기를 가지는 입자는 pm2.5로 분류하며, 2.5~10 마이크로미터의 크기를 가지는 입자는 pm10으로 분류하여 디지털 데이터를 소프트웨어 시리얼(Tx, Rx) 방식으로 전송하므로, 마이크로컨트롤러 입력포트는 디지털 포트(D0, D1)에 설치한다. 다음으로 빛의 밝기를 측정하는 포토레지스터 모듈(4)은 밝기에 따라 달라지는 저항을 통해 전류량의 변화를 측정하는 원리이므로, 아날로그 신호를 내보내며 따라서 마이크로컨트롤러에서의 입력포트는 아날로그 포트(A1)에 설치한다. 토양의 수분함량을 측정하는 모듈(5) 역시 전도체를 통해 흐르는 전류를 산출하는 원리이기 때문에 아날로그 신호이므로, 마찬가지로 마이크로컨트롤러에서의 입력포트는 아날로그 포트(A0)에 설치한다. 단, 포트 번호는 프로그램 코드에 따라 추후변경가능하다.

상기 출력부는 상기 마이크로컨트롤러(1)로부터 인가되는 신호를 상기 nRF24L01모듈(6)로 인가할 수 있도록 신호를 출력한다. nRF24L01모듈은 2.4Ghz 이상의 무선신호를 송수신할 수 있는 안테나 모듈이며, 기종에 따라 외장형 안테나 모델과 내장형 안테나 모델이 있는데, 미기후측정장비의 원격측정거리를 확장하고자 외장형 안테나 모델을 사용한다.

(수신부)

이와 같이 미기후측정 송신시가 설치된 상태에서 이로부터 전송된 신호를 수신하여 컴퓨터로 전달하기 위한 수신기(도5)가 있다. 수신기(도5)의 구조는 연결도(도6)과 같이 마이크로컨트롤러와 입력포트와 출력부로 이루어지며, USB 케이블을 통해 외부의 컴퓨터로부터 전원을 공급받는 동시에 시리얼데이터 통신을 진행하는 점이 특징이다.

구체적으로는 상기 케이스의 내측에 형성된 홈에 상기 제어수단인 마이크로컨트롤러가 설치된 상태에서 고정될 수 있도록 나사를 설치하고, 이에 전력을 공급하기 위한 USB 케이블이 컴퓨터와 연결된다. 먼저 마이크로컨트롤러는 송신기에 설치된 것과 동일한 것으로써 아날로그와 디지털 형태의 전기적 신호를 여러 형태로 표출될 수 있도록 하는 것으로, 더욱 상세하게는 디지털 입/출력과 아날로스 입력, 그리고 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation)를 통한 아날로그 출력을 지원하여, 서로 다른 모듈간의 제어를 담당한다. 다음으로 입력포트에는 2.4Ghz 이상의 무선신호를 송수신할 수 있는 nRF24L01모듈(6)이 있으며 미기후측정장비의 원격측정거리를 확장하고자 외장형 안테나 모델을 사용한다. 그러나 더 넓은 전파수신거리를 확보하고자 nRF24L01모듈(6)이 아닌 야기안테나를 설치하는 것으로 개조가 가능하다. 그리고 출력부는 외부의 컴퓨터 외부포트와 연결하는 USB 케이블을 사용한다.

(소프트웨어)

미기후측정장비의 수신기를 케이블을 통하여 컴퓨터의 외부포트와 연결하여도, 데이터를 얻기 위해서는 컴퓨터가 이를 인식하고 데이터를 수신받기 위한 프로그램 설치가 필요하다. 이를 위해선 먼저 무료로 배포되는 Com Port통신용 FTDI driver를 설치해야하는데, 이러한 과정을 하나로 합쳐서 환경OS(Environmental Operating System) 소프트웨어를 개발하였다.

도8과 같이 환경OS(Environmental Operating System)소프트웨어는 모든 윈도우 기반OS에서 제대로 작동하며 컴퓨터의 외부포트를 미기후측정장비의 출력부와 케이블에 연결하고 시리얼 포트를 열면, 도9와 같이 사용자가 그래프 업데이트 주기와 측정주기를 지정함으로써 일정 시간 간격의 자동데이터 취득이 가능하고, 이를 자동으로 캡처하여 그래프를 저장하거나 프린트할 수 있고 엑셀파일종류의 하나인 CSV확장자로 저장할 수도 있다. 그리고 미기후측정용 송신기 한대가 아닌 여러 대의 송신기(예: 3대 이상)에서 보내진 신호를 하나의 수신기에서 동시에 수신하여 이를 표(Table) 형태로 기록하며, 서로 다른 측정지점에서 보내온 미세먼지의 농도차가 일정수준이상 (25마이크로그램/세제곱미터) 차이가 날 경우, 화면 하단의 생산 사이클이 가동되면서 대기오염차이가 존재하는 것을 표현한다. 그리고 가장 최근에 갱신된 데이터를 기준으로 화면 우측하단에 보이는 생태게 그래픽이 변화하는데, 이는 미세먼지의 농도와 상대습도, 온도 및 토양의 수분함량과 빛의 밝기를 통해 얻어진 미기후 환경정보를 바탕으로 컴퓨터가 도식적으로 표현해낸 모형이다.

다음으로 도10에서는 미기후측정장비에서 얻어진 자료를 바탕으로 온실내부의 환경을 제어할 수 있다. 토양의 수분함량과 빛의 밝기 및 대기 중 상대습도와 온도를 읽어서 위 수치로부터 사용자가 미리 지정한 기준에 따라 온실의 창문을 개폐하거나 식물에 물을 공급하는 등, 여러 환경제어가 가능하다.

도11에서는 미기후측정장비와 환경제어장비의 하드웨어적 구조를 도식한 분리사시도를 사용자가 선택하여 확인할 수 있으며, 도12에서는 미기후관측장비 및 환경제어장비를 작동시키기 위한 프로그래밍 소스코드를 사용자가 선택하여 확인할 수 있다. 상기와 같이 여러 측정모듈이 하나로 통합된 원격측정장비를 도시의 녹지를 비롯한 외부공간 또는 실내에 설치하여 원거리에서도 미시기후 및 환경인자가 동시측정이 가능하도록 함으로 데이터의 동시성을 확보할 수 있는 장점이 있고, 관측지점의 수를 늘리면 미기후 이외의 거시적인 기후까지도 알 수 있다는 장점이 있다. 또한 본 미기후측정 영역에만 국한(局限)되는 것은 아니며, 그 사용일례로 ICT 자동온실을 제어하기 위한 내부환경요소 파악용 환경제어센서로 활용할 수 있고, 그 송수신 모듈을 야기안테로로 변경하여 3km 이상의 원거리 리모트센싱이 가능하다는 점에서 도시연구분야(Urban Data 취득)에도 유용하다.

또한 2.4GHz 안테나 모듈 대신 이더넷 모듈을 장착함으로써 공간적인 제약을 뛰어넘어 인터넷으로 연결되어 어디서든 환경요소를 파악하고 이를 제어할 수 있도록 하여 임베디드 환경제어시스템의 기초로 사용된다.

Claims (8)

1. 미기후와 환경요소를 여러 지점에서 동시에 원격측정하는 장비에 관한 것으로, 임베디드 마이크로컨트롤러(MCU)를 사용하여 제어하고 시리얼 통신방식으로 데이터를 전송하며, 복수의 환경요소(온도, 습도, 밝기, 미세먼지의 농도, 토양의 수분)를 동시에 측정하며, 측정주기를 변경하며 이를 자동 기록하고 출력하는 장비
2. 청구항 1에 있어서 상기 장비가, 각 모듈에 전원을 인가하는 배터리가 설치될 수 있도록 케이스 내부에 공간을 구비하고, 송신부를 통해 전송되는 신호를 처리하는 제어수단.
3. 청구항 2에 있어서 상기 제어수단 및 측정용 모듈이, 장치내부에 설치될 수 있도록 소정형상으로 형성된 홈에 나사를 형성하며 마름모 형태의 고정편을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이스(도1).
4. 청구항 3에 있어서 상기 케이스가, 지표면 소정위치에서 토양의 수분함량을 측정할 수 있도록 케이스의 일부를 개방하는 접지구조(도2).
5. 청구항 3에 있어서 상기 케이스 내부의 모듈에서, 대기의 미세먼지 농도와 상대습도 및 온도를 측정할 수 있도록 케이스의 일부를 개방하는 환기구조(도3).
6. 청구항 3에 있어서, 상기 케이스의 앞면(도1)과 상부는 내부의 모듈을 조작할 수 있는 개폐형이며, 내부 후면에는 배터리가 설치될 수 있도록 배터리 설치부를 형성하며, 베터리의 잔량을 확인하는 스위치 부위가 설치된 것을 특징으로 하는 장비 내외부 구조.
7. 미기후측정장비로부터 입력받은 정보를 처리하는 컴퓨터 소프트웨어로서 FTDI 드라이버를 제외한 시리얼 통신용 환경OS(Environmental OS)소프트웨어
8. 청구항 7에 있어서 상기 소프트웨어가 제공하는 기능으로 시리얼 통신방법으로 얻은 자료의 CSV출력 기능 및 그래프의 출력 기능, 프린트기능.

Images