Aqua Guard — 정태양

양식장에서 수질 이상을 늦게 발견하면 어류 집단 폐사로 이어질 수 있습니다.

기존에는 사람이 직접 주기적으로 수질을 측정해야 했기 때문에 실시간 대응이 어려웠습니다. 또한 이미 시중에서 판매 중인 서비스들은 수백만 원에서 수천만 원까지, 소규모 양식장에서는 부담되는 가격대입니다.

Aqua Guard는 pH, 수온, 탁도 등 다양한 센서와 카메라를 활용하여 양식장의 수질을 실시간으로 모니터링하고, LoRa 통신으로 원거리에서도 데이터를 수집할 수 있는 IoT 서비스입니다.

FreeRTOS 기반 펌웨어 설계

[설계]

센서 데이터 수집과 LoRa 송신을 독립적인 Task로 분리하여 펌웨어를 설계하였습니다. 수집과 송신을 하나의 흐름으로 처리할 경우 송신 대기 중 센서 수집이 지연될 수 있어, FreeRTOS의 Task로 분리하고 Queue를 통해 데이터를 주고받도록 구성하였습니다.

ESP32의 듀얼 코어를 활용하여 SensorTask는 Core 0에, LoRaTxTask는 Core 1에 각각 고정 배치하였습니다. 이를 통해 두 Task가 물리적으로 다른 코어에서 병렬로 동작하여 수집과 송신이 서로 간섭하지 않도록 하였습니다.

SensorTask가 센서 데이터를 수집하여 크기 10의 Queue에 DataPacket(pH, 수온, 탁도, timestamp, redTide 값, packet id)을 넣으면, LoRaTxTask가 Queue에서 꺼내 LoRa로 전송하는 구조입니다. 데이터 전송 후에는 Deep Sleep으로 진입하여 10초 후 자동으로 깨어나 다시 수집을 반복하도록 설계하였습니다. 양식장이라는 환경 특성상 배터리로 장시간 운용해야 하는 경우를 고려한 설계입니다.

xTaskCreatePinnedToCore(
  LoRaTxTask,
  "LoRaTxTask",
  4096,
  &loraCtx,
  1,
  NULL,
  1
);

sensorCtx.txQueue = txQueue;
xTaskCreatePinnedToCore(
  SensorTask,
  "SensorTask",
  8192,
  &sensorCtx,
  1,
  NULL,
  0
);

[얻은 점]

듀얼 코어 분리로 수집과 송신이 물리적으로 병렬 동작하여 상호 간섭 없음
Queue를 통한 데이터 전달로 Task 간 안전한 데이터 교환 보장
Deep Sleep 적용으로 불필요한 전력 소비 최소화

센서 라이브러리 직접 구현

[설계]

pH, 수온, 탁도 센서의 라이브러리를 직접 구현하였습니다. 기존 오픈소스 라이브러리들은 delay를 사용하거나 불필요하게 많은 기능을 지원하는 경우가 많았습니다. FreeRTOS 환경에서 delay는 해당 Task 전체를 블로킹하여 Queue 처리와 같은 다른 동작을 방해하기 때문에, 프로젝트에 필요한 기능만을 담아 직접 구현하였습니다.

#pragma once
#include <OneWire.h>
#include <DS18B20.h>

class Temperature {
  public:
    Temperature(OneWire wire);
    float getTemperatureC();
  private:
    OneWire _wire;
    DS18B20 _sensor;
};

pH 센서 캘리브레이션

[기능]

pH 센서를 통해 양식장의 수질 산성도를 실시간으로 수집합니다.

[문제]

pH 센서 라이브러리를 구현하고 값을 읽었으나, 실제 수치와 다른 부정확한 값이 출력되었습니다.

[원인]

pH 센서는 제조 공차와 환경 요인으로 인해 개체마다 출력 전압이 다르게 나타납니다. 단순히 전압을 pH로 변환하는 공식만으로는 정확한 값을 얻을 수 없고, 표준 용액을 통한 캘리브레이션이 필수라는 사실을 라이브러리 구현 과정에서 처음 알게 되었습니다.

[해결]

생수를 기준 용액으로 활용하여 0.5V에서 pH 7.0 기준으로 캘리브레이션을 수행하였습니다. 기울기 -3.5, 오프셋 8.75 값을 도출하여 변환 공식에 적용하였고, 출력값이 0~14 범위를 벗어날 경우 클램핑 처리를 추가하여 이상값이 송신되지 않도록 하였습니다.

float PH::readVoltage() {
  int buf[10];

  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    buf[i] = analogRead(_pin);
    delay(10);
  }

  // 정렬
  for (int i = 0; i < 9; i++) {
    for (int j = i + 1; j < 10; j++) {
      if (buf[i] > buf[j]) {
        int t = buf[i];
        buf[i] = buf[j];
        buf[j] = t;
      }
    }
  }

  long sum = 0;
  for (int i = 2; i < 8; i++)
    sum += buf[i];

  float adc = sum / 6.0;
  return adc * VREF / ADC_MAX;
}

float PH::get() {
  float voltage = readVoltage();
  float pH = _a * voltage + _b;
  return pH;
}

[배운 점]

pH 센서의 작동 방식을 알게 되었습니다.
제품 공식 문서의 중요성을 알게 되었습니다.

LoRa 통신 - 가상 UART 구현

[기능]

수집한 수질 데이터를 LoRa 모듈을 통해 원거리 서버로 송신합니다. LoRa 모듈은 Serial2를 통해 연결하였으며, M0, M1, AUX 핀으로 동작 모드를 제어합니다.

[문제]

LoRa 모듈을 연결하려 했으나 통신이 정상적으로 이루어지지 않았습니다.

[원인]

ESP32의 물리적 UART 핀이 하나뿐이었고, 해당 핀은 이미 다른 용도로 사용 중이었습니다. LoRa 모듈은 UART 통신을 필요로 하기 때문에 추가 UART 포트 없이는 연결이 불가능한 상황이었습니다.

[해결]

ESP32의 소프트웨어 UART 기능을 활용하여 가상 UART를 구현하고, LORA_SERIAL_RX_PIN과 LORA_SERIAL_TX_PIN을 별도로 지정하여 Serial2를 9600 baud로 초기화하였습니다. 이를 통해 물리적 UART 핀 충돌 없이 LoRa 통신이 가능하도록 하였습니다.

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin();
  Wire.setClock(10000);
  Serial.printf("[I2C] Using default board pins - SDA=%d, SCL=%d at 10kHz\n", SDA, SCL);

  Serial2.begin(9600, SERIAL_8N1, LORA_SERIAL_RX_PIN, LORA_SERIAL_TX_PIN);
}

[배운 점]

가상 UART에 대해 알게 되었습니다.
개발 보드의 데이터 시트를 해석하는 방법에 대해 알게 되었습니다.