식물의 Healthcare에 도움주는 "식물 관리 봇”

1. 아이디어 소개
 - 식물의 Healthcare에 도움주는 장치로  “식물 관리 봇”으로 지칭했습니다.
 - 토양 습도 센서와 온/습도 센서를 이용하여 물을 주고 공기 순환을 위해 팬을 돌려 식물이 건강하게 자라게 해줍니다.
 - 주기를 설정해주면 센서와 상관없이 자연풍 처럼 바람의 세기를 자동적으로 강약 조절됩니다.

2. 전반적인 개요
  - 사람의 최소한의 노력으로 식물의 건강을 챙겨 줄수 있는 관리 봇 개발
  - 임베디드 보드를 중심으로 입력 장치로는 토양 습도 센서, 온/습도 센서, CDS 센서(옵션) 으로 주변 환경을 감지 
  - 출력장치로는 소형 펌프로 물을 이동하여 물주기, 온도/습도에 따라 팬을 동작시켜 순환을 시키고,  LED를 통해 부족한 빛을 제공
  - 프로그램적으로 주기를 설정하면 사람은 물통에 물만 주고 자동적으로 물과 공기 순환과 빛을 조절 해주는 관리 시스템 

3. 전체 구조를 표현하는 블록 다이어그램

4. 하드웨어 구성 다이어그램

5. 소프트웨어 구성 다이어그램

1. 사용부품 목록

  - 18650 보호 배터리

 - 리튬배터리 3.7V 셀용 충전 겸 가변 부스트

 - 토양 습도 센서

  - DHT11 온습도 센서

  - IRF MOSFET 드라이버 모듈

 - 라즈베리파이 제로 W

  - 수중펌프모터

  - RGB Flexible 코팅 LED

 

 

 

2. 부품의 사양과 특징 기술

 1) 18650 보호 배터리

 - 설명 : PCM 보호회로를 내장한 배터리로 과충,과방전을 피할수 있다

 - 제품용량 : 3.6V, 3250mAh

 - 크기 : 18mm x 69mm (보호회로 포함)

 - 충전전류 : 2.5A

 - 방전차단 전압 : 최저 2.45V

 

2) 리튬배터리 3.7V 셀용 충전 겸 가변 부스트

 - 설명 : 3.7V 규격의 리튬배터리를 충전과 동시에 가변출력까지 가능한 UPS로 사용가능한 모듈

 - 입력전압 : 4.5V ~ 8V

 - 충전전압 : 4.2V

 - 충전전류 : 최대 1A

 - 출력전압 : 4.3V ~ 27V(승압)

 - 출력전류 : 전압별로 상이함

 - 5V일 때 최대 1.4A

 - 9V일 때 최대 0.8A

 - 12V일 때 최대 0.6A

 - 출력전력 : 약 7W

 - 대기전류 : 약 0.5mA

 - 기능 : 오버슈트 보호, 차단부스트(2V)

 

 3) 토양 습도 센서

  - 설명 : 정전용량식 토양 수분 센서이며 정전식 감지로 식물의 토양 수분 수준을 측정할 수 있습니다. 용량성 토양 수분 센서는 내식성 재료로 만들어져 긴 서비스 수명을 제공합니다.

- Operating voltage: 3.3V~5V

- Crowtail compatible interface

- Interface: PH2.0-4Pin

- Size: 23*102mm

 

 4) DHT11 온습도 센서

  - 설명 : DHT11 센서를 장착한 온습도 센서모듈입니다. 저전력이며, 오랜 사용에도 안정적이고 보정된 디지털 신호를 출력합니다.

 - 제품사양 정격 전압 : +5 V (3.5V~5.5VDC)

- 온도 범위 : 0°C - 50 °C ± 2 °C

- 습도 범위 : 20% - 90% RH ± 5%

- 보드 사이즈 : 16mm X 19mm

 

5) IRF MOSFET 드라이버 모듈

 - 설명 : 마이크로컨트롤러의 디지털 핀을 이용하여서 모터와 같은 높은 DC 부하를 제어하고자 할때 사용하는 모듈이며  PWM핀을 이용하여 펄스를 주고 이를 이용하여 펌프, 모터, LED 등을 최대 25V, 5A까지 제어할 수 있습니다.

- Voltage: 3.3V - 5V

- Ports: Digital level

- Load output voltage: 0V - 24V

- Output load current: < 5A ( 1A above need to add heat sink )

- Size: 33mm x 24mm

- Weight: 10g

 

 6) 라즈베리파이 제로 W

 -설명 : 소형 마이크 컨트롤러로서  1Ghz의 싱글코어 프로세서인 브로드컴의 BCM2835가 탑재 하여 전반적인 작동 스케줄링 제어합니다. WiFi,BLE 모듈이 탑재하여 원격지에서접근하여 제어할 수 있습니다.

- CPU : 1GHz, Single-core CPU

- RAM : 512MB RAM

- Output Port : Mini-HDMI port / Micro-USB OTG port / Micro-USB power

  HAT-compatible 40-pin header, Composite video and reset headers

- Connector : CSI camera connector (v1.3 only)

- Wireless  : 802.11 b/g/n wireless LAN / Bluetooth 4.1

 

7) 수중펌프모터

- 설명 : 5V 저전압으로도 동작하는 소형 수중펌프입니다.

- Voltage Scope : 4.5V

- Current : 0.18A

- Max Flow Rate(L/H) : 100

- waterfroofing grade :IP68

 

8) RGB Flexible 코팅 LED

- 설명 : 고휘도 칩 LED를 장착하고 Flexible PCB 스트립 끝단에 전원공급이 편리하고 RGB 제어가 가능한 LED 모듈

- 전원 : 5V, 1A

- Red Vf: 2.0 to 2.4V / Green Vf: 3.0 to 3.4V / Blue Vf: 3.0 to 3.4V

- Red color: 620-630 nm / Green color: 520-530 nm / Blue color: 460-465nm  - LED : 5050 고휘도 칩 LED

 

3. 부품 연결도

 

4. 하드웨어 제작 일정과 과정에 대한 설명 

1) ~ 6월12일

 - 부족한 부품 수급 : 튜브, 점퍼 케이블, SD 카드 등

 - 라즈베리파이 OS 설치, 라즈베리파이 WiFi 동작확인

 - 모듈별 전원 인가하여 작동 테스트

 

 2) ~ 6월 17일

  - 환경센서의 신호값 수신확인

  - PWM 출력 신호 제어 확인

  - 펌프 출력, LED 밝기 확인

 

 3) ~ 6월 24일

  - 모듈별 통합과 연동 확인

  - 디버깅 작업

  - 브레드보드 혹은 만능기판에 장착

 

4) ~ 7월1일

  - 최종 작동 확인

  - 보완 사항 수정

1. 개발 툴 목록 
 -  Visual Studio Code
 -  WiringPi Library
 -  gcc version 10.2.1

2. 소프트웨어 구성도

 

< 추가 설명 >
 1. 프로그램이 시작하면 DHT11 센서에서 실내외 온도를 측정합니다.
 2. 측정한 온도와 미리 설정해 둔 온도와 비교하여 설정한 온도보다 높아지거가 같으면 팬을 작동시킵니다.

 3. 토양 습도 센서를 측정합니다.
 4. 측정한 습도가 미리 설정한 습도 보다 값이 낮은지 비교합니다.
 (땅이 건조한지 측정) 
 5. 일정 시간 펌프를 동작시켜 물을 공급합니다. 
 6. LED를 동작 시켜   빛을 쬐여줍니다.

 7. 현재 측정한 값들에 대해 LCD 화면에 값으로 표시합니다.
 8. 설정한 주기적으로 위의 과정을 지속합니다.

3. 오픈소스 활용 정보
 1) WiringPi
   https://github.com/WiringPi
 2) ADC, LCD 모듈
   https://www.waveshare.com/wiki/Pioneer600
 3) dht11 모듈
   https://github.com/nkundu/wiringpi-examples

 

4. 소스코드
 - 전체 중 일부이며, 소스 통합 필요 (현재 수정 중) 

1. 개발과정
  1) H/W 기존 개발 내용과 변경된 부분
  - 라즈베리파이 제로를 사용하려고 했으나 장착하는 모듈때문에 라즈베리파이 4 정식버전 사용
  - 라즈베리파이에 ADC, DAC 관련된 모듈이 장착되어 있지 않아서 다른 칩은 검토
  - PCF8591 칩을 사용하여 아날로그 데이터 확인
  - 라즈베리파이 장착된 핀들에서 전원 핀 부족한 것은 인지하여 추가 헤더핀이 필요한 상황에서 Pioneer600 모듈 확인에 ADC와 OLED, 해더핀이 장착된 것이 있다는 것을 확인하여 추가로 구성하여 기능 구현
 

  2) S/W 개발 사항
  - 버전 관리를 하기 위하여 git을 적용하여 소스 관리 진행
  - 기존 순차적 처리 로직에서 온도 습도, 화면 출력, 땅의 습도(아날로그 값) 수신을 하면서 하기는 문제가 있다고 판단되어 pthread를 이용하여 서로간 다르게 동작하도록 작성
 - AUTO MODE와 MANUAL MODE를 두었으며, MANUAL MODE는 테스트 및 필요할 때 마다 사람이 판단하여 작동할 수 있도록 추가로 구성
 - 원격에서 SSH로 접속하여 키보드의 입력을 받아 작동하도록 구현
 - 모터와 팬을 작동시 소프트웨어 PWM을 사용하지 않고 하드웨어 PWM으로 구현
 
2.   메뉴 간단 설명

 1) AUTO MODE  :
 -  토양의 습도를 수치와 온도 설정값을 입력하여, 각각의 수치에 따라 자동으로 펌프와  팬이 작동( 땅의 습도가 수치가 높아지면, 펌프를 작동시켜 물을 주고 LED를 켜주며, 온도가 높아지면 팬을 작동시켜 공기를 순환)
 2) PUMP, LED START :
  -  PUMP와 LED각 동시에 PWM 신호에 의해 계속 작동
 3) FAN START :
 -  FAN이 PWM 신호에 의해 계속 작동
 4) PUMP, FAN STOP :
  - 위에서 수동으로 작동시킨 PUMP와 FAN을 멈추게 함
 5) QUIT :
  - 프로그램을 종료

 

3. 구성 설명

- 라즈베리파이 4에 Pioneer600 모듈을 장착
- PWM0을 IRF520 SIGNAL에 입력으로 하여PUMP,LED 제어에 사용
- PWM1을 IRF520 SIGNAL에 입력으로 하여 FAN 제어에 사용
- 1Wire 신호로 DHT11 과 데이터 통신하여 온도와 습도를 가져옴
- PCF8591를 IC2 통신을 통해 아날로그 신호를 가져옴
- Putty 프로그램을 통해 WiFi를 이용하여  원격접속하여 제어

4. 동영상 설명
 - 수동으로 펌프와 FAN을 작동시킨 후 AUTO MODE를 선택하여 토양의 습도 수치에 의해 작동되는 것을 확인

 

5. 프로젝트 진행 중 얻게된 경험과 소감
- 사전에 계획했던 부분과 다르게 치밀하게 분석하지 않아서 하드웨어 구성이 조금씩 변경이 생기게 되었습니다. 역시 상세설계가 필요하고 사용하고자 하는 하드웨어에 대해서 분석이 필요하다고 생각됩니다.

 - 토양 습도 수치 센서가 한 개만 있어서는 한쪽에 물을 충분한 물을 공급할 수 있는 수치를 만들어 내지 못하기 때문에 2개 혹은 3개를 장착하여 평균값 등 수치 데이터를 가공해서 펌프를 조절해야 한다는 것을 알게 되었습니다.

- 3D 프린터를 다루지 못해서 물리적인 외형에 아쉬움이 많이 남는 부분이 있습니다. 현재 판매되고 있는 LG 제품 등과 비교할 것은 아니지만, 이렇게 구현하면 되는구나 확인할 수 있었으며, 추가로 개발을 진행하게 된다면 RTC와 같은 것을 넣어서 시간이 되면 작동되도록 하면 좋겠다고 생각하였습니다.

- 한 달 조금 넘는 시간 동안 기획해서 스케줄로 준비하고 진행되어 가는 것을 보면서 Quest마다 긴장도 되고 이렇게 해봐야 한다고 생각도 들게 많은 생각을 하게 해주었고, 즐거운 경험이었습니다.

 

감사합니다.