센서 모듈 구현

사물 인터넷(IoT)을 통해 소비자 및 기업에 다양한 새로운 응용 제품 및 서비스를 제공할 수 있습니다. IoT가 소비자 가정에 서서히 적용되고 있지만, 많은 전문가는 IoT의 가장 큰 혜택을 보는 분야가 바로 제조업체라고 예측합니다. 실제로 이 분야에서 산업 사물 인터넷(IIoT)의 활용률이 높아지고 있습니다. 모든 IoT 기반 응용 분야와 마찬가지로 다수의 원격 센서와 액추에이터를 통해 IIoT가 실현되는 경우가 많아질 것입니다. IIoT는 이전에는 불가능했던 수준의 제조 및 공정 운영에 대한 데이터 가시성을 제공합니다. 또한 제조에 사용되는 장비의 효율과 성능을 보여주기 때문에 예측 유지 보수 정책을 구현하는 데 매우 유용합니다. 이러한 응용 분야에 사용되는 센서는 단순하고 작은 수동 소자 및/또는 반도체 부품일 수 있지만 이러한 부품이 작동되는 산업 환경은 극단적 온도, 진동 및 습도에 노출되는 경우가 많습니다. 이러한 조건에서 작동 가능한 센서 및 에지 노드 장치를 빠르게 배포해야 하는 필요성 때문에 많은 IoT 개발자가 설계에 센서를 통합하는 모듈 기반 접근법을 채택하고 있습니다. 

이산 소자 솔루션 방식을 사용할 시 수반되는 문제를 고려할 때 모듈을 사용하는 데에는 몇 가지 이유가 있습니다. 예를 들어 저항기와 직렬로 연결된 반비례 온도 계수(NTC) 서미스터로 온도를 측정하여 주위 온도에 따라 변하는 접합 전압을 생성할 수 있습니다. 이렇게 생성된 접합 전압을 호스트 마이크로 컨트롤러의 아날로그 디지털 컨버터(ADC)에서 읽고, 공식을 사용하여 온도를 계산할 수 있습니다. 하지만 NTC 서미스터의 온도/저항 특성은 선형이 아니기 때문에 작동 온도 범위 전체에서 최적의 선형화가 필요합니다. 또한 온도 보정 및 드리프트 특성도 적용해야 합니다. 호스트 마이크로 컨트롤러가 이러한 처리를 추가적으로 수행해야 하므로 필요한 MCU 리소스가 늘어나며 제조 도중 각 종단 센서 장치를 보정해야 합니다. 다른 주요 고려 사항은 필수 부품을 환경 요소로부터 보호하기 위해 NTC 저항기를 캡슐화하는 데 사용하는 포장재입니다.

그림 1: SHT35 온도 및 습도 센서.

이와 대조되는 것이 Sensirion의 SHT35 디지털 온도 및 습도 센서(그림 1)와 같은 온도 모듈입니다. 이 표면 실장 저전력 장치는 크기가 2.5mm x 2.5mm x 0.9mm에 불과하고, 2.4VDC ~ 5.5V_DC의 공급 전압에서 작동하며, 사용 전류는 측정 중 800µA, 절전 모드 중 0.2µA에 불과합니다. 작은 패키지 내에 습도 측정용 정전 용량 센서와 온도용 밴드갭 센서가 내장되어 있습니다. 센서는 -40°C ~ +125°C의 온도와 0% ~ +100%의 상대 습도를 측정할 수 있습니다. 완전 보정된 디지털 출력을 제공하는 센서 요소가 신호 처리 회로망 및 +/- 0.3°C의 온도 정확성 및 +/- 2% 상대 습도 정확성을 가진 14비트 ADC에 연결됩니다.

그림 2: 호스트 컨트롤러와 SHT35 통신

호스트 마이크로 컨트롤러와의 통신은 그림 2에 소개되어 있습니다. 최소의 풀업 저항기 및 감결합 커패시터만 추가하여 I²C 직렬 인터페이스를 통해 통신합니다. 온도 및 습도 측정은 그림 3에 표시된 명령을 사용하여 수행됩니다. 읽어 들인 센서 데이터는 2바이트 + 1바이트 CRC 체크섬(회색 블록)으로 전송됩니다.

그림 3: SHT3x 싱글샷 모드 측정 명령.

SHT3x 계열을 사용하는 센서 설계의 시제품 제작에 도움이 되는 브레이크아웃 형식 평가 기판을 사용할 수 있습니다. Adafruit에서 제조된 이 기판을 사용하면 Arduino 또는 호환 플랫폼에 센서를 빠르고 쉽게 연결할 수 있습니다. SHT3x 인터페이스에 대한 상세 지침과 Arduino Sketch 코드 예제는 여기에서 확인할 수 있습니다.

디지털 온도 및 습도 센서의 다른 예는 Bosch BME280입니다. 이 장치는 절대 기압계 기압 센서가 포함된 금속 뚜껑이 있는 완전 내장형 LGA 패키지 장치입니다. BME280은 전력 소비가 낮고 크기가 매우 작기 때문에 산업 자동화 제어부터 개인 피트니스 모니터에 이르기까지 다양한 배터리 전원 휴대용 응용 제품에 사용하는 데 적합합니다. 그림 4는 BME280의 기능별 제품 구성도를 보여 줍니다.

그림 4: Bosch BME280 습도, 압력, 온도 센서의 기능별 제품 구성도

센서 아날로그 및 디지털 블록은 응용 제품 요구 사항에 따라 DC 공급에서 1.7V ~ 3.6V를 공급받을 수 있으며 1.2V ~ 3.6V의 범위에서 별도 디지털 인터페이스 공급을 받을 수도 있습니다. SPI와 I²C 인터페이스가 모두 지원되며 센서는 세 가지 전력 모드에서 작동할 수 있습니다. 호스트 MCU가 측정을 트리거하거나, 센서가 사전 결정된 속도에 따라 자동으로 제공할 수 있습니다. 전력 소비는 절전 모드에서 0.1µA, 대기 모드에서 0.2µA에 불과하며 압력 측정 중에는 최대 714µA입니다. 센서 작동 모드는 절전, 작동, 표준 등 세 가지입니다. 기본 시작 모드인 절전 모드에서는 ADC가 작동되지 않으며 모든 레지스터에 액세스할 수 있습니다.

그림5: BME280 센서 모드 전환 구성도.

작동 모드는 호스트 마이크로 컨트롤러의 SPI 또는 I²C 요청을 통해 호출되며 이때 1회 측정이 수행됩니다. 결과가 저장되고 센서가 절전 모드로 돌아갑니다. 표준 모드에서는 연속 측정 주기가 수행된 후 결과가 저장되고 센서가 절전 모드로 돌아갑니다.

BME280의 규격서에 작동 모드, 직렬 통신 및 측정 결과 레지스터 액세스 방법이 자세히 설명되어 있습니다. 이 문서에서는 기후 모니터링부터 게임에 이르는 여러 응용 분야에 대한 권장 센서 설정 프로파일도 제공합니다. 이러한 프로파일은 다양한 응용 분야의 절전, 샘플링 속도, 잡음 필터링 및 데이터 출력 속도가 최적의 균형을 유지하도록 합니다.

BME280을 기반으로 설계 시제품을 제작하고 싶은 엔지니어에게는 그림 6의 Adafruit BME280 센서 브레이크아웃 기판을 추천합니다.

그림 6: Adafruit BME280 조합형 센서 브레이크아웃 기판 그림.

Adafruit는 여기에서 다운로드할 수 있는 센서 사용을 위한 상세 가이드를 제공합니다. 이 가이드에서는 Arduino UNO 또는 호환 단일 기판 컴퓨터에 대한 인터페이스를 안내하며 Adafruit의 GitHub 저장소에서 사용 가능한 Arduino BME280 라이브러리에 대한 링크도 제공합니다. 그림 7은 라이브러리와 함께 제공되는 BME280 테스트 스케치의 코드 정보를 보여줍니다. 그림 맨 위에서 Arduino에 대한 SPI 핀 연결 배정을 볼 수 있으며, 그림 아래쪽에는 라이브러리를 사용하여 얼마나 쉽게 값을 읽을 수 있는지 나타나 있습니다.

그림 7: Adafruit BME280 테스트 스케치의 코드 정보.

차동 압력 센서는 가스 보일러, 연료 셀 및 HVAC 시스템과 같은 다양한 산업 응용 분야에서 많이 볼 수 있는 다른 유형입니다. 대용량 응용 제품에서 공기 또는 비폭발성 가스의 압력을 측정하도록 설계된 Sensirion SDP8xx 제품군이 한 가지 예입니다. SDP810 센서는 +/- 500Pa의 압력 범위를 0.1Pa의 정확도로 측정할 수 있는 디지털 자동 압력 센서입니다. MCU와의 통신은 I²C 인터페이스를 통해 수행됩니다. 기능별 제품 구성도 및 센서 그림은 그림 8에서 볼 수 있습니다.

그림 8: Sensirion SDP810 제품 구성도 및 그림.

자동 압력 센서는 그림 9에서처럼 가스의 유량을 측정하는 용도로 사용할 수 있습니다. 이 예에서는 바이패스 유량을 사용하여 메인 도관 또는 배관을 통과하는 유량을 계산합니다. 측정값은 체적 유량(l/min) 또는 질량 유량(분당 표준 입방 센티미터)으로 보고될 수 있습니다. 질량 유량은 일반적으로 특정 온도 및 압력에 기준점이 있는 가열 응용 분야에 사용됩니다.

그림 9: 차동 압력 센서를 통한 유량 측정.

BME280 센서와 마찬가지로 SDP810은 트리거 또는 연속 실행 모드에서 작동할 수 있습니다. 단순한 프로토콜은 I²C 버스를 통한 명령 시퀀스를 구성하는 데 사용됩니다. 아날로그 출력을 제공하는 SDP810 센서의 한 가지 버전인 SDP816도 제공됩니다. 아날로그 출력은 차동 압력에 대한 선형 관계 또는 제곱근 변환으로 구성할 수 있습니다.

결론

이 문서에서는 다양한 산업 응용 분야에 맞게 설계된 센서 모듈 중 일부만 다뤘습니다. 이산 소자 접근법에 수반되는 문제를 처리하는 대신, 디지털 센서 모듈을 사용하여 설계하면 개발팀의 시간과 노력이 크게 절감됩니다.