로보밥

안녕하세요 재밌는 창작재료가 너무 많아 무엇부터 갖고 놀아야 할지 고민이 됩니다.  ^^.  즐거운 고민이죠;;
오늘은 기상측정용 기구를 소개해 드리겠습니다.

참고로,

다음글

에서는 기상측정기구와 이더넷 연동되는 아두이노(Arduino)로 기상관측 자료를 트위터(Twitter)에 자동으로 올려주는 기특한 녀석을 소개시켜 드리겠습니다. 제법 시스템이라 불릴 만한 구성입니다.  바람의 방향과 속도 및 강수량을 측정할 수 있는 기상관측 기구로 부터 측정된 값을 모니터링하고 이를 곧바로 이더넷 쉴드가 장착된 아두이노로 트위터(twitter)에 올리는 것입니다.

일단은 기상측정기구에 대해 좀더 알아봅시다! 

Weather Meter (기상 관측기구 , Weather Sensor Assembly)
본 장비는 3가지 기상 관측 기초 자료를 측정할 수 있습니다.


1. Rain Gauge (강수량계)
입수되는 수량에 비례하여 스위칭을 해주는 특수 기구를 이용하여 1회 스위치시마다 0.2794mm 의 강수량에 대응되게 됩니다. 물시계 작동원리를 응용한것인데 아이디어가 참 좋네요

사진에는 안나왔네요;;  일단, 동영상을 참고하시길~

2. Anemometer (풍속계)
회전시마다 일정수의 스위칭이 이뤄지며 기준 시간당 스위칭 수를 측정하여 풍속 계산이 가능합니다. 1초 동안 1회 스위칭시 2.4km/h ( 0.6666m/s)의 속력에 대응합니다.

3. Wind Vane ( 풍향계)
바람의 방향을 16방위로 측정 가능한 센서입니다. 내장된 저항들과 회전각에 따라 작동되는 스위치에 의해 내부저항 값이 변화하며, 이 값을 10k옴 저항 한개와 기준전압 5V를 통해 아두이노 아나로그 입력 핀으로 감지하게 됩니다.  회전각에 따른 출력 전압 값은 데이타시트에 나와 있습니다.  ( 회로연결법은 매우 간단합니다.  광센서나 온도센서의 저항 변화를 전압변화로 출력해주는 회로와 동일)

그림1. 풍속계의 내부 회로도( 저항과 스위치 들이 보입니다. 스위치가 눌려지면 내부저항이 변화함)

그림2. 풍향계 연결법( 5V와 10k저항을 사용하면 아래의 테이블에 있는 전압값이 Output핀에 출력됩니다.)

가령 0도(North,정북)을 향할 경우 내부저항은 약 33k옴이고  이때 10k옴 저항과 5V에 연결시 약 3.84V 가 측정됩니다.

          
테이블1. 회전각/저항/전압 관계

참고. 제 경우 실측결과 315도 경우의 측정전압이 데이타시트와 달랐습니다. 참고하시기 바랍니다.


측정기의 비밀
본 장치를 회전시켜보면 풍향계와 풍속계 모두 매우 매끄럽게 회전됩니다. 센싱을 위해 스위치를 눌러주는 방식이라면 회전을 조금이라도 방해를 하게 될 테지만 이 기구는 그렇지 않습니다.  왜 그런지는 속을 들여다보면 나옵니다.  바로 마그네틱 센서입니다. 초소형 고강도 자석을 회전부에 설치해두고 회전시마다 자력으로 자석스위치를 일시적으로 단락시키는 방식을 사용하네요.  단순하고도 사용하기 편리한 메카니즘입니다.

연결 방법
풍향/풍속/강우량계 모두 각각의 케이블이 있으므로 총 3개의 케이블이 있습니다. 하지만 이중 풍속계 케이블을 풍향계 하단의 단자에 결합하게 되어 있으므로 2개의 케이블만 사용하면 됩니다.  케이블 전선은 일반 전화선과 유사하고 단자는 인터넷 케이블에 사용되는 것과 동일한 RJ45-8pin 단자입니다. 즉, 인터넷 케이블과 결합소켓을 이용하여 원하는 길이로 늘려줄 수 있게됩니다.  이더넷 케이블을 절단하여 라인을 브레드 보드에 결합하면 손쉽게 센서 스위치와 연결할 수 있습니다.(사진참조)
풍향계+풍속계 케이블 한곳에서 4개의 라인,  강수량계 케이블에서 2라인만 뽑아서 사용하면 됩니다.

측정 방법
풍속계와 강수량계는 스위치가 ON되는 횟수를 카운팅하면 되며 아두이노(Arduino)나 MCU를 이용하여 디지탈 입력핀으로 버튼이 눌려진 횟수를 카운팅하는 방법으로 측정이 가능합니다.  단, 스위칭시 노이즈로인해 1회 스위칭이 수~수십회 단락된 것으로 인지되므로 적절한 샘플링 주기(가령 20ms)마다 측정을 하여 스위치의 상태가 변이하는 순간에만 카운팅을 하도록 프로그램해줘야 합니다.  또한 강수량은 일정기간(가령 1시간)동안 그 값을 누적하여 결과로 사용하고,  풍속계도 일정 시간동안의 스위칭 횟수를 카운트하여 속력을 계산할 필요가 있습니다.
풍향 측정시엔 1개의 아날로그 입력핀이 필요하며, if else 구문으로 16 구간의 범위 조건으로 나눠서 각도를 구분해주면 됩니다. 


예제 소스
막상 어떻게 측정이 가능한지 궁굼하신 분들을 위해 참고용 소스코드를 함께 수록합니다.
정확성은 보장 못드리지만 참고하시기 바랍니다.

/*
 풍향, 풍속, 강수량 측정 예제
 
 풍향: 10초마다 1회 계산 (16방위 중 하나로 측정)
 풍속: 20ms 주기로 10초간 모니터링 후 풍속계산
 강수량: 20ms 주기로 모니터링하여 1시간동안 누적(1시간에 1회 공식 데이타로 사용)
 
 핀연결
 풍향계: A0   풍향센서 전선 2개 중 하나는 GND에 나머지선은 A0에 연결 및 10k저항 거쳐 5V에 연결
 풍속계: D2   풍속센서 전선 2개 중 하나는 D2에 나머지는 GND
 강수계: D3   강수센서 전선 2개 중 하나는 D3에 나머지는 GND
 
 http://ArtRobot.co.kr
 http://RoboBob.co.kr
*/


#define WIND_N    0 //정 북향
#define WIND_NNE  22.5
#define WIND_NE    45
#define WIND_ENE  67.5
#define WIND_E    90  //정 동향
#define WIND_ESE  112.5
#define WIND_SE    135
#define WIND_SSE  157.5
#define WIND_S    180
#define WIND_SSW  202.5
#define WIND_SW   225
#define WIND_WSW  247.5
#define WIND_W    270
#define WIND_WNW  292.5
#define WIND_NW   315
#define WIND_NNW  337.5


// Message to post
char msg[100] = "";

const int windVanePin = A0;  // 아날로그 0번핀에 연결
int winVaneValue = 0;        //
float windSpeed = 0;
float rainGauge = 0;
float windDirection = 0;
char windName[4];  // N (North)  S South,   NS(north south)   NNS(north north south)

  unsigned long windSpeedTimer;
  int windSpeedState = true;
  int windSpeedPin = 2;
  int windSpeedCounter = 0;
  unsigned long rainGaugeTimer;
  int rainGaugeState = true;
  int rainGaugePin = 3;
  int rainGaugeCounter = 0;


void setup()
{

  Serial.begin(9600);
 
  //wind speed sensor
  pinMode(windSpeedPin, INPUT);
  digitalWrite( windSpeedPin, HIGH);
 
  //rain gauge sensor
  pinMode(rainGaugePin, INPUT);
  digitalWrite( rainGaugePin, HIGH);
 
}

/*
* char 배열의 문자열정보를 Serial통해 문자로 전송 ,  PC에서 참고용
* char 배열을 사용한것은 차후 인터넷통신(트위터전송)을 위한 것입니다.
*/
void printChars(char *msg, int len){
  if(len == 0) return;
  for(int i=0; i<len ; i++)
    Serial.print( msg[i]);
  Serial.println();
}

/*
* f2h와 f2p는  float형의 정수부와 소수부를 위한 것입니다.
* sprintf에서 float형 사용에 문제가 있어서 땜빵으로 사용된 함수입니다.
*/
int f2h( float num){
  return int(num);
}

int f2p( float num){
  return (num - int(num)) * 100;
}


void loop()
{
  // 10초마다 측정결과를 PC에 전달

  windSpeedTimer = millis() + 10000; // 10초를 주기로 반복됩니다.
  windSpeedCounter = 0;
  while( millis() < windSpeedTimer ){
    delay(20); //20ms 주기로 센서의 스위칭을 감지합니다.
    //wind speed  풍속계 센서 감지부
    if( (windSpeedState == true ) && !digitalRead( windSpeedPin) ){
        windSpeedCounter++;     //스위치 상태가 high에서 low로 떨어지는 순간을 감지합니다.
        windSpeedState = false;
    }else if( (windSpeedState == false) && digitalRead(windSpeedPin) ){
        windSpeedState = true;
    }   
    //rain gauge
    if( (rainGaugeState == true ) && !digitalRead( rainGaugePin) ){
        rainGaugeCounter++;     //스위치 상태가 high에서 low로 떨어지는 순간을 감지합니다.
        rainGaugeState = false;
    }else if( (rainGaugeState == false) && digitalRead(rainGaugePin) ){
        rainGaugeState = true;
    }       
  }
 
  rainGaugeTimer++;
 
  if( rainGaugeTimer > 360){// 10초 * 360 = 3600초(1시간)  지난 1시간동안 누적한 강수계 카운터로 강수량 계산
    rainGauge = rainGaugeCounter * 0.2794;
    rainGaugeCounter = 0;
    rainGaugeTimer = 0;
  }
  
    windSpeed = windSpeedCounter * 0.24 ;   // 1초당 1회 스위칭시 2.4km/h 속력이며 10초 기간이므로 0.24가 됨
    getWindDirection();  // 풍향은 발표시점에 1회만 측정
   
    //char 배열에 정보를 취합(인터넷 전송에 적합한 자료형)
    sprintf( msg, "ArtRobot's Weather Bot said => Wind: %s/%d.%d, %d.%d(km/h) Rain %d.%d(mm/h).", windName, f2h(windDirection), f2p(windDirection), f2h(windSpeed), f2p(windSpeed),  f2h(rainGauge), f2p(rainGauge) );
    printChars( msg, sizeof(msg) ); //PC에서 참고용으로 시리얼전송
    //이후 소개할 예제에서 위 자료를 이더넷을 통해 트위터에 포스팅하게됨
 
}


/*
* 풍향측정: 아날로그핀입력되는 전압값으로 16가지 방향중 하나로 계산됨.
*
*/
float getWindDirection(void){
  int readValue = analogRead(windVanePin);           
  // 0~1023 사이의 입력값을 0~5V 기준 값으로 비례변경함.
  winVaneValue = map(readValue, 0, 1023, 0, 500);   
  //이제 winVaneValue는 데이타 시트정보상의 방위별 전압치와 유사한 값이 됩니다.
 
  if( winVaneValue < 35){
    //0~0.35V를 동동서 로 인식함
    //   112.5  0.32v (31 32)    0~35
    windDirection = WIND_ESE;
    strcpy(windName ,"ESE");       
  }else if( winVaneValue < 43 ){
    //   67.5  0.41v(40 41)    ~42   
    windDirection = WIND_ENE;
    strcpy(windName , "ENE");       
  }else if( winVaneValue < 50 ){
    //   90  0.45v(44 45)      ~50   
    windDirection = WIND_E;
    strcpy(windName , "E");       
  }else if( winVaneValue < 70 ){
    //   157.5  0.62v(60 62)   ~70
    windDirection = WIND_SSE;
    strcpy(windName , "SSE");       
  }else if( winVaneValue < 100 ){
    //   135  0.90v(89 90)      ~100
    windDirection = WIND_SE; 
    strcpy(windName , "SE");       
  }else if( winVaneValue < 130 ){
    //   202.5  1.19v(119 120)  ~130
    windDirection = WIND_SSW; 
    strcpy(windName , "SSW");       
  }else if( winVaneValue < 170 ){
    //   180  1.40v(140 141)   ~170
    windDirection = WIND_S; 
    strcpy(windName , "S");       
  }else if( winVaneValue < 210 ){
    //   22.5  1.98v(198 199)  ~210
    windDirection = WIND_NNE; 
    strcpy(windName , "NNE");           
  }else if( winVaneValue < 250 ){
    //   45  2.25v(226 227)    ~250
    windDirection = WIND_NE; 
    strcpy(windName , "NE");           
  }else if( winVaneValue < 300 ){
    //  247.5  2.93v(293 294)  ~300
    windDirection = WIND_WSW; 
    strcpy(windName , "WSW");       
  }else if( winVaneValue < 320 ){
    //  225  3.08v(308 310)   ~320
    windDirection = WIND_SW; 
    strcpy(windName , "SW");       
  }else if( winVaneValue < 360 ){
    //  337.5  3.43 (343 345)  ~360
    windDirection = WIND_NNW; 
    strcpy(windName , "NNW");       
  }else if( winVaneValue < 395 ){
    //   0  3.84v(384~385)    ~395
    windDirection = WIND_N; 
    strcpy(windName , "N");
  }else if( winVaneValue < 415 ){
    //  292.5  4.04v(405 406)  ~415
    windDirection = WIND_WNW; 
    strcpy(windName , "WNW");   
  }else if( winVaneValue < 450 ){
    //  315  4.34(433 434)  ~450
    windDirection = WIND_NW; 
    strcpy(windName , "NW");       
  }else if( winVaneValue < 490 ){
    //  270  4.62v(461 463)    ~490
    windDirection = WIND_W; 
    strcpy(windName , "W");       
  }else{
   //error  알수없는 값범위
  }

}


결과 출력예
위 예제의 경우 10초마다 아래와 같은 결과가 PC로 전송됩니다.
ArtRobot's Weather Bot said => Wind: N/0.0, 3.83(km/h) Rain 0.0(mm/h).
ArtRobot's Weather Bot said => Wind: W/270.0, 4.79(km/h) Rain 0.0(mm/h).
...



관련제품 링크
 

기상측정기구(Weather Meter)

아두이노 UNO(Arduino)

연관글 보러 바로가기
 

트위터(Twitter)에 기상측정 자료 올려주는 로봇 만들기