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단순하고 사용이 간편한 원격 센서 평가 플랫폼 개발

MEMS 기술의 발전으로 동작 제어부터 생체까지 폭넓은 응용 분야에서 다양한 새로운 센서를 사용할 수 있게 되었습니다. 센서를 적용하는 프로젝트에서는 먼저 필요한 부품을 파악하기 위한 연구가 이루어집니다. 이러한 연구 단계에서 Digi-Key의 센서 제품 선택기를 사용하면 사용 가능한 센서를 효과적으로 파악할 수 있습니다. 센서 식별이 완료되고 나면 일반적으로 다음 단계는 테스트 및 평가입니다. 하지만 작업대에서 센서를 테스트하는 것은 시작일 뿐입니다. 이렇게 해도 통신과 기능을 확인할 수 있지만 센서가 활용될 실제 환경에서 테스트하는 것이 좋습니다.

그림 1. Digi-Key Electronics에서 사용하는 센서 평가 플랫폼 (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

프로젝트의 범위는 다양한 센서에 맞게 간단히 조정하고 데이터를 무선으로 사용자에게 전송하며 즉시 사용 가능한 Digi-Key 하드웨어를 사용하는 유연한 평가 플랫폼을 개발하는 것이었습니다. Zigbee 프로토콜은 네트워크에서 여러 개별적인 무선 통신이 가능하고 메시 기능을 통해 넓어진 범위 및 네트워크 회복력을 제공하여 무선 데이터 통신에 선정되었습니다. 미네소타주 북서부는 기후 조건이 다양하므로 평가 플랫폼의 테스트 프로젝트 배포에 실외 환경 센서를 사용하기로 했습니다.

센서 평가 플랫폼

Digi-Key의 Xbee3 Zigbee 모듈은 플랫폼을 위한 지능형 컨트롤러입니다. Xbee3을 선택한 이유는 독립적인 내장형 컨트롤러의 역할을 할 수 있고 Zigbee 라디오 무선 통신을 적용하며 원격 업데이트를 위한 FOTA(firmware over the air)를 지원하기 때문입니다. 간편한 설정을 위해 Xbee3은 Xbee3 I/O를 Grove 커넥터에 적용하여 편리하게 액세스하는 Xbee Grove 개발 기판에 연결됩니다.

그림 2: 센서 평가 플랫폼 (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

Zigbee 무선 통신 하드웨어는 IP65 등급 PN-1323-CMB Bud 인클로저 내부에 실장되어 있으므로 플랫폼을 실외 환경에 설치할 수 있습니다. I2C 버스에 대한 외부 인터페이스와 5V 전력을 제공하기 위해 TE Connectivity M8 패널 실장 커넥터가 사용되었습니다. RP-SMA 패널 실장 어댑터에 Amphenol 336320-12-0250 u.FL을 사용하여 외부 안테나를 연결했습니다.

환경 센서를 통한 플랫폼 배포

테스트 배포에 선정된 환경 센서는 압력, 온도, 습도를 측정하는 TE Connectivity의 MS8607입니다. TE의 Grove MS8607 평가 기판을 통해 센서 평가 플랫폼으로의 인터페이스가 매우 간편해졌습니다. 응용 프로그램 소스 코드를 포함한 전체적인 프로젝트 세부 사항은 Digi-Key의 eeWiki 사이트Xbee3 Zigbee 실외용 MS8607 압력 온도 습도(PTH) 센서 프로젝트 페이지에서 확인하세요. 그림 3은 센서와 Zigbee 무선 통신 플랫폼 간의 전기 연결과 배선도 인터페이스입니다.

그림 3: Xbee3 실외용 Zigbee PHT 센서 프로젝트 - 전기 연결 및 배선도 (Digi-Key Scheme-it®으로 작성됨)

전체 BOM(부품 명세서) 및 프로젝트 세부 정보는 아래 Digi-Key Scheme-it® 프로젝트에서 확인하세요.

이 테스트 프로젝트에서 센서 플랫폼은 Digi-Key Electronics 본사 사옥에 설치되었습니다. 그림 4는 2020년 2월 PTH 센서에서 수집한 압력, 온도, 습도 데이터입니다.

그림 4: 압력, 온도, 습도 데이터 (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

FOTA의 실질적인 이점

본사 사옥에 센서 플랫폼을 설치한 후, MS8607 온도 데이터가 동일한 환경에서 작동하는 다른 제조업체의 센서와 일치하지 않다는 것을 발견했습니다. 사무실 책상에서 실온으로 테스트했을 때는 두 센서 모두 판독값이 유사했지만 실외에 설치하자 낮은 온도에서 큰 차이를 보였습니다. 규격서를 검토한 후 MicroPython 응용 프로그램 코드에서 2차 저온 교정 공식을 적용하지 않았다는 사실을 깨달았습니다. Digi Zigbee Xbee3 모듈은 펌웨어 및 응용 프로그램 파일 시스템 FOTA를 지원하기 때문에 사무실의 책상에서 원격으로 응용 프로그램 코드를 수정하고 업데이트할 수 있었습니다. 눈 속을 걸어가 센서 플랫폼을 안으로 가져와 재프로그래밍할 필요가 없었습니다. FOTA를 사용하면 동일한 네트워크의 다른 Zigbee 노드에서 무선 통신 펌웨어와 Micropython 응용 프로그램을 모두 원격으로 업데이트할 수 있습니다. Xbee3 FOTA 실행과 실제 예시에 관한 내용은 eeWiki 프로젝트 XCTU를 이용한 Xbee3 FOTA(Firmware Over The Air) 업데이트를 참조하시기 바랍니다.

결론

Digi-Key의 Xbee3 무선 Zigbee 모듈은 센서 평가 플랫폼을 위한 지능형 컨트롤러의 역할을 수행합니다. 이 플랫폼은 유연하며 다양한 센서에 대한 수정이 쉽고 현장에서의 업데이트가 간편합니다. Zigbee는 센서 데이터를 위한 견고하고 확장이 간편한 무선 네트워크를 제공합니다.

작성자 정보

Image of Scott Raeker

Digi-Key Electronics의 수석 응용 분야 엔지니어인 Scott Raeker는 2006년부터 Digi-Key Electronics에서 근무하면서 무선 분야에서 고객을 지원하는 업무를 주로 담당하고 있습니다. Scott은 전자 산업 분야에서 35년 이상의 경력을 가지고 있으며 미네소타 대학에서 전기 공학 학위를 취득했습니다. 여가 시간에는 100여년 된 농가 리모델링을 즐깁니다.

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