본 논문은 라즈베리파이를 이용하여 온도, 토양습도, 조도에 따라 자동으로 물과 빛을 제공하며, 원격 카메라를 이용하여 실시간으로 식물 상태를 전송하는 스마트 화분의 구현 사례를 소개한다. 화분의 용기는 5개의 층으로 분리하고, 각 용기는 3D프린터로 직접 제작하였다. 용기는 5개 층을 연결하여 사용하며 추후 확장할 수 있도록 설계하였다. 그리고 용기 내부에 라즈베리파이와 센서, 펌프, 그리고 카메라를 장착하였다. 본 연구에서는 사용자가 원격에서 카메라나 센서 정보를 받아 스마트 화분을 관찰하고 제어할 수 있도록 안드로이드 앱을 개발하였으며, 앱과 라즈베리파이 사이의 데이터 통신 및 제어는 MQTT 프로토콜을 이용하였다.
본 논문은 라즈베리파이를 이용하여 온도, 토양습도, 조도에 따라 자동으로 물과 빛을 제공하며, 원격 카메라를 이용하여 실시간으로 식물 상태를 전송하는 스마트 화분의 구현 사례를 소개한다. 화분의 용기는 5개의 층으로 분리하고, 각 용기는 3D프린터로 직접 제작하였다. 용기는 5개 층을 연결하여 사용하며 추후 확장할 수 있도록 설계하였다. 그리고 용기 내부에 라즈베리파이와 센서, 펌프, 그리고 카메라를 장착하였다. 본 연구에서는 사용자가 원격에서 카메라나 센서 정보를 받아 스마트 화분을 관찰하고 제어할 수 있도록 안드로이드 앱을 개발하였으며, 앱과 라즈베리파이 사이의 데이터 통신 및 제어는 MQTT 프로토콜을 이용하였다.
This paper presents an implementation of a smart plant pot which can supply light and water automatically according to the result of detection on current temperature, humidity and illumination, and deliver the images of the plant realtime by using a camera installed in the pot. We designed a contain...
This paper presents an implementation of a smart plant pot which can supply light and water automatically according to the result of detection on current temperature, humidity and illumination, and deliver the images of the plant realtime by using a camera installed in the pot. We designed a container of the plant pot divided into five layers, printed each of them with a 3D printer, and then assembled them. Inside of the container, we installed sensors, a pump, and a camera. We developed an Android application so that the user can control the plant pot and monitor its state. In communication between the Android application and the Raspberry Pi, MQTT protocol was utilized.
This paper presents an implementation of a smart plant pot which can supply light and water automatically according to the result of detection on current temperature, humidity and illumination, and deliver the images of the plant realtime by using a camera installed in the pot. We designed a container of the plant pot divided into five layers, printed each of them with a 3D printer, and then assembled them. Inside of the container, we installed sensors, a pump, and a camera. We developed an Android application so that the user can control the plant pot and monitor its state. In communication between the Android application and the Raspberry Pi, MQTT protocol was utilized.
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문제 정의
본 논문에서는 이전 연구에서 사용한 NodeMCU 대신 성능이 뛰어나고 리눅스를 운영체제로 하여 개발 환경이 우수한 라즈베리파이를 이용하여 스마트 가드닝 시스템을 다시 구현한 사례를 소개하였다. 3D 프린터로 화분과 물, 센서, 제어 장치, 카메라를 담을 용기를 만들고, 조도,온도, 습도를 감지하여 스스로 습도와 조도를 조절하도록 제어 장치를 프로그램하고, 카메라 제어를 통해 실시간으로 식물 상태를 볼 수 있도록 하고, MQTT broker와 몽구스 웹 서버를 설치하여 안드로이드 앱과 센서 데이터 및 사진 이미지를 주고받도록 하였다.
안드로이드 앱의 목적은 스마트 화분으로부터 주기적으로 화분 상태를 보고 받아 사용자에 그래픽으로 보여주는 것과 화분의 상태를 카메라로 찍어 실시간으로 전송받는 목적이다. 안드로이드 앱은 2 개의 액티비티(Activity)로 비교적 간단하게 구성하였으며, 각 액티비티는 그림 7과 같다.
이 논문은 이전 논문에서 NodeMCU와 3D 프린터로 제작한 스마트 화분[4]을 개선하여 새로 구현한 내용을 소개한다. 스마트 화분은 스스로 식물의 성장 상태를 관찰하여 수분, 조도, 온도를 조절하는 똑똑한 화분으로 인터넷을 통해 사용자와 연결하거나 정보를 소통 공유하는 인터넷 화분이다[4,5].
제안 방법
, 카메라 모듈을 장착하여 식물을 촬영하여 사용자에게 전송하는 기능을 추가하였다. 3D 프린터[8,9]를 이용하여 화분을 담을 용기를 5개의 층으로 나누어 제작하고 조립하여 사용하도록 개선하였다. 내부에는 센서들, 라즈베리파이 보드, 카메라를 심어 놓았으며, 조도가 부족할 때 사용하기 위해 LED 광원을 추가하였다.
본 논문에서는 이전 연구에서 사용한 NodeMCU 대신 성능이 뛰어나고 리눅스를 운영체제로 하여 개발 환경이 우수한 라즈베리파이를 이용하여 스마트 가드닝 시스템을 다시 구현한 사례를 소개하였다. 3D 프린터로 화분과 물, 센서, 제어 장치, 카메라를 담을 용기를 만들고, 조도,온도, 습도를 감지하여 스스로 습도와 조도를 조절하도록 제어 장치를 프로그램하고, 카메라 제어를 통해 실시간으로 식물 상태를 볼 수 있도록 하고, MQTT broker와 몽구스 웹 서버를 설치하여 안드로이드 앱과 센서 데이터 및 사진 이미지를 주고받도록 하였다. 조도를 조절하기 위해 특별히 LED를 화분의 천정에 추가하였으며, 작은 3D 프린터로도 만들기 쉽도록 화분 컨테이너를 4개의 층으로 분할 제작하여 조립하는 방식을 택하였으며, 옆으로 여러 개의 화분 컨테이너를 연결하여 많은 식물을 재배할 수 있도록 하였다.
자외선 LED는 채소를 키우는데 필요한 빛을 제공해주기 위한 광원으로 사용하였으며, 잎채소, 열매채소에 따라 적색과 청색의 비율이 3:1 또는 5:1인 LED를 사용할 수도 있다. ADC 컨버터는 라즈베리파이에 아날로그 입력 핀이 없기 때문에 아날로그값을 받기 위해 필수적으로 필요하며, 아날로그 값을 디지털로 바꾸어주는 컨버터를 이용하여 센서 값을 입력받았다.
여기서 안드로이드 앱이 MQTT 수신 클라이언트가 되고, 라즈베리파이 보드가 센서 값을 읽어 전송하는MQTT 송신 클라이언트가 된다. MQTT 송신 클라이언트와 MQTT 수신 클라이언트 소프트웨어는 모두 본 연구에서 개발하였다. 본 연구에 사용된 MQTT 토픽은 표1과 같다.
스마트 화분을 제어하는 제어 장치로 기존의 NodeMCU대신 라즈베리파이3 모델B를 이용하였고, 라즈비안 리눅스를 설치하였다. 그리고 라즈베리파이 전용 카메라, 자외선 LED, ADC 컨버터, 수중펌프, 토양수분 센서, 온도센서, 조도 센서를 연결하였다. 수중모터펌프는 12v를 인가하기 위해 MOSFET 소자를 이용하여 외부전원 장치로 가동하였다.
3D 프린터[8,9]를 이용하여 화분을 담을 용기를 5개의 층으로 나누어 제작하고 조립하여 사용하도록 개선하였다. 내부에는 센서들, 라즈베리파이 보드, 카메라를 심어 놓았으며, 조도가 부족할 때 사용하기 위해 LED 광원을 추가하였다.
본 논문에서 새로 구현한 스마트 가드닝 시스템은 이전의 논문에서 사용한 NodeMCU 보드 대신 BroadcomBCM2837 64비트 ARMv8 프로세서와 1GB의 RAM을장착한 라즈베리파이(Raspberry Pi3)를 사용하고[7], 카메라 모듈을 장착하여 식물을 촬영하여 사용자에게 전송하는 기능을 추가하였다. 3D 프린터[8,9]를 이용하여 화분을 담을 용기를 5개의 층으로 나누어 제작하고 조립하여 사용하도록 개선하였다.
본 논문에서는 라즈베리파이에서 카메라로 촬영한 이미지를 안드로이드 단말기로 보내기 위해, 몽구스 웹 서버의 C 소스를 라즈베리파이에서 컴파일하여 사용하였다
본 연구에서는 그림 5와 같이 MQTT 프로토콜을 구현하지 않고, MQTT broker로 구현한 Mosquitto[13,14] 오픈 소스의 바이너리를 윈도우 PC에 설치하여 사용하였다. 여기서 안드로이드 앱이 MQTT 수신 클라이언트가 되고, 라즈베리파이 보드가 센서 값을 읽어 전송하는MQTT 송신 클라이언트가 된다.
사용자와 스마트 화분 사이에 전달되는 데이터의 종류는 센서 값들과 사진 이미지의 2 종류이다. 본 연구에서는 센서 데이터의 값들은 MQTT broker를 통해 전달하며, 사진 이미지는 웹 서버를 이용하여 전달한다. 각 센서 데이터 값은 4 바이트 정수이므로 텍스트 메시지를 보내는데 사용되는 MQTT를 이용해도 별 문제가 없지만,이미지는 상대적으로 크기 때문에 별도로 웹을 이용하여 전송하는 것이 바람직하고 또한 구현하기 쉽다.
사용자가 안드로이드 폰으로 스마트 화분과 통신할 수 있도록 PC 서버에 MQTT broker를 구축하였다. MQTT broker는 IoT 장치 들이 텍스트 기반의 메시지를 전달하기 쉽도록 설계된 메시지 중계 서버이다.
이들은 MQTT broker를 이용하여 센서 데이터나 명령들을 주고받는다. 사용자는 안드로이드 단말기를 통해 화분에게 명령을 내리고 카메라를 작동시켜 사진을 찍을 수 있도록 앱을 수정하였다. 라즈베리파이가 촬영한 사진 이미지를 안드로이드 단말기에 전송하기 위해 라즈베리파이에 몽구스 웹서버(Mongoose)[12]를 설치하고 안드로이드 단말기에서는 웹을 이용하여 사진 이미지를 전달받는다.
그리고 라즈베리파이 전용 카메라, 자외선 LED, ADC 컨버터, 수중펌프, 토양수분 센서, 온도센서, 조도 센서를 연결하였다. 수중모터펌프는 12v를 인가하기 위해 MOSFET 소자를 이용하여 외부전원 장치로 가동하였다. 자외선 LED는 채소를 키우는데 필요한 빛을 제공해주기 위한 광원으로 사용하였으며, 잎채소, 열매채소에 따라 적색과 청색의 비율이 3:1 또는 5:1인 LED를 사용할 수도 있다.
그림 9는 식물, 제어 장치, 센서 등 모든 요소를 넣어 작동하는 스마트 화분의 모습을 보여준다. 조도가 약할 때 조도를 밝게 할 목적으로 화분의 천정에는 LED 조명을 달았다.
3D 프린터로 화분과 물, 센서, 제어 장치, 카메라를 담을 용기를 만들고, 조도,온도, 습도를 감지하여 스스로 습도와 조도를 조절하도록 제어 장치를 프로그램하고, 카메라 제어를 통해 실시간으로 식물 상태를 볼 수 있도록 하고, MQTT broker와 몽구스 웹 서버를 설치하여 안드로이드 앱과 센서 데이터 및 사진 이미지를 주고받도록 하였다. 조도를 조절하기 위해 특별히 LED를 화분의 천정에 추가하였으며, 작은 3D 프린터로도 만들기 쉽도록 화분 컨테이너를 4개의 층으로 분할 제작하여 조립하는 방식을 택하였으며, 옆으로 여러 개의 화분 컨테이너를 연결하여 많은 식물을 재배할 수 있도록 하였다.
화분 컨테이너는 3D Max를 이용하여 3차원으로 모델링하고, 3D 프린터를 이용하여 직접 제작하였다. 그림 6은 컨테이너를 5개 층으로 분리하여 설계한 3D Max 컨테이너의 도면을 보여준다.
대상 데이터
스마트 화분을 제어하는 제어 장치로 기존의 NodeMCU대신 라즈베리파이3 모델B를 이용하였고, 라즈비안 리눅스를 설치하였다. 그리고 라즈베리파이 전용 카메라, 자외선 LED, ADC 컨버터, 수중펌프, 토양수분 센서, 온도센서, 조도 센서를 연결하였다.
이론/모형
라즈베리파이에 부착한 카메라가 찍은 사진을 안드로이드 앱으로 보내기 위해 몽구스 웹 서버를 이용한다.
안드로이드 앱에서는 화분의 ID와 작물을 등록한 후, 센서값을 받아 작물에 대한 현재 상태를 확인하고 실시간으로 카메라를 찍어 확인할 수 있는 기능을 제공한다. 안드로이드 앱과 스마트 화분이 메시지를 주고받기 위해서는 MQTT 프로토콜을 사용한다.
후속연구
추후 현재 부착된 카메라로부터 자라는 식물의 동영상 스트리밍을 실시간 전송할 수 있는 기능과 스스로 빛을 따라 회전하거나 이동하는 등의 화분에 지능을 더할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
라즈베리 파이란?
라즈베리 파이는 영국의 라즈베리파이 재단이 학교에서 기초 컴퓨터 과학교육을 증진시키기 위한 단일 칩을 사용한 저가형 싱글보드 컴퓨터이다[7]. 라즈베리파이는데비안, 아치 리눅스 및 QtonPi 등의 리눅스 배포판의 운영체제가 탑재 가능하기 때문에 리눅스에서 실행되는 모든 응용프로그램을 실행시킬 수 있어 응용성이 매우 높다.
라즈베리 파이의 장점은?
라즈베리 파이는 영국의 라즈베리파이 재단이 학교에서 기초 컴퓨터 과학교육을 증진시키기 위한 단일 칩을 사용한 저가형 싱글보드 컴퓨터이다[7]. 라즈베리파이는데비안, 아치 리눅스 및 QtonPi 등의 리눅스 배포판의 운영체제가 탑재 가능하기 때문에 리눅스에서 실행되는 모든 응용프로그램을 실행시킬 수 있어 응용성이 매우 높다. 센서나 카메라 등을 연결하기 쉬운 하드웨어 구조를 가지고 있으며, 센서들로부터 값을 읽고 제어할 수 있는 다양한 라이브러리가 지원되기 때문에 개발자는 임베디드 제품이나 IoT 장치를 쉽게 개발할 수 있다
라즈베리파이가 응용성이 높은 이유는?
라즈베리 파이는 영국의 라즈베리파이 재단이 학교에서 기초 컴퓨터 과학교육을 증진시키기 위한 단일 칩을 사용한 저가형 싱글보드 컴퓨터이다[7]. 라즈베리파이는데비안, 아치 리눅스 및 QtonPi 등의 리눅스 배포판의 운영체제가 탑재 가능하기 때문에 리눅스에서 실행되는 모든 응용프로그램을 실행시킬 수 있어 응용성이 매우 높다. 센서나 카메라 등을 연결하기 쉬운 하드웨어 구조를 가지고 있으며, 센서들로부터 값을 읽고 제어할 수 있는 다양한 라이브러리가 지원되기 때문에 개발자는 임베디드 제품이나 IoT 장치를 쉽게 개발할 수 있다
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