아두이노 에너지 모니터 & 데이터 로거 만들기 – Dr. Wattson 보드 활용

부품 및 소모품

아두이노 우노 (Arduino UNO)	1개
Dr. Wattson 에너지 모니터링 보드 (MCP39F521 기반)	1개
Dr. Wattson 전용 아크릴 인클로저 (IEC 소켓, 스페이드 커넥터 포함)	1개
마이크로 SD 카드 브레이크아웃 보드 (아다프루트 호환)	1개
택타일 버튼	1개
LED (로깅 상태 표시용)	1개
220Ω 저항 (LED용)	1개

프로젝트 개요

가전제품의 전류, 전력, 역률 등 에너지 데이터를 정밀 측정해 SD 카드에 CSV 형태로 기록하는 데이터 로거를 만듭니다. Dr. Wattson 보드는 Microchip MCP39F521 전력 모니터링 IC를 기반으로 하며, 전류/전압 트랜스로 메인 전원과 완전 절연되어 안전합니다. 버튼으로 로깅 시작/중지, LED로 상태 표시, 로그 파일 자동 번호링(DATA00.CSV ~ DATA99.CSV) 기능을 갖췄습니다. 엑셀에서 바로 그래프로 그릴 수 있습니다.

Dr. Wattson 보드 특징

• 측정 범위: 1mA ~ 4A (4000:1 다이나믹 레인지), 대기 전력 측정 가능
• 최대 12A까지 견딤 (보드 설계 상)
• I2C 인터페이스 (주소 0x74~0x77 솔더 점퍼로 선택 가능)
• ZCD(영점 검출), 이벤트 알림(과전류, 과전력, 전압 강하/서지) 지원
• 보정 루틴 내장, 다중 보드 동시 사용 가능

회로 구성

주요 연결

• Dr. Wattson → 아두이노: SCL→A5, SDA→A4 (I2C), VIN→5V, 3.3V→3.3V, GND→GND
• SD 카드 → 아두이노 (SPI): CLK→13, MISO→12, MOSI→11, CS→10 (하드웨어 CS)
• 버튼: 핀 4 ↔ GND (내부 풀업 사용, 액티브 로우)
• LED: 핀 9 → 220Ω → GND

스케치 핵심 코드 분석

라이브러리

#include <Wire.h>
#include "UpbeatLabs_MCP39F521.h"  // Dr. Wattson 라이브러리
#include <SD.h>
#include <Button.h>  // Jack Christensen 라이브러리 (디바운스 내장)

전역 변수 및 버튼 설정

#define BUTTON_PIN 4
#define PULLUP true
#define INVERT true   // 풀업이라 HIGH=미눌림, LOW=눌림
#define DEBOUNCE_MS 20
Button myBtn(BUTTON_PIN, PULLUP, INVERT, DEBOUNCE_MS);

#define LED 9
#define CHIP_SELECT 10
UpbeatLabs_MCP39F521 wattson;
bool readData = false;
char filename[] = "DATA00.CSV";

setup(): SD 카드 초기화 & 파일명 자동 생성

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    pinMode(LED, OUTPUT);
    pinMode(CHIP_SELECT, OUTPUT);

    if (!SD.begin(CHIP_SELECT)) {
        Serial.println(F("SD 카드 실패"));
        return;
    }
    wattson.begin();  // 기본 주소 0x74

    // 기존 파일명 확인 후 빈 파일명 찾기
    for (uint8_t i = 0; i < 100; i++) {
        filename[4] = i/10 + '0';
        filename[5] = i%10 + '0';
        if (!SD.exists(filename)) {
            Serial.print(F("데이터 파일: "));
            Serial.println(filename);
            break;
        }
    }
    Serial.println(F("초기화 완료"));
}

loop(): 버튼 토글 → 데이터 수집 → SD 저장

void loop() {
    myBtn.read();
    if (myBtn.wasReleased()) {  // 버튼 떼어짐 감지
        readData = !readData;   // 토글
        digitalWrite(LED, readData);
    }

    if (readData) {
        UpbeatLabs_MCP39F521_Data data;
        UpbeatLabs_MCP39F521_FormattedData fData;
        int ret = wattson.read(&data, NULL);
        unsigned long currentMillis = millis();

        if (ret == UpbeatLabs_MCP39F521::SUCCESS) {
            wattson.convertRawData(&data, &fData);
            
            // 시리얼 터미널용 화면 클리어 후 출력 (screen 명령어 권장)
            Serial.write("\x1B""c");  // ANSI 클리어 시퀀스
            printMCP39F521Data(&fData);

            // SD 카드에 CSV 기록
            File dataFile = SD.open(filename, FILE_WRITE);
            if (dataFile) {
                dataFile.print(currentMillis); dataFile.print(",");
                dataFile.print(fData.currentRMS); dataFile.print(",");
                dataFile.print(fData.activePower); dataFile.print(",");
                dataFile.print(fData.reactivePower); dataFile.print(",");
                dataFile.println(fData.apparentPower);
                dataFile.close();
            } else {
                Serial.print(F("파일 열기 오류: ")); Serial.println(filename);
            }
        } else {
            Serial.print(F("읽기 오류: ")); Serial.println(ret);
        }
    }
}

측정 데이터 출력 함수

void printMCP39F521Data(UpbeatLabs_MCP39F521_FormattedData *d) {
    Serial.print(F("전압 = ")); Serial.println(d->voltageRMS, 4);
    Serial.print(F("전류 = ")); Serial.println(d->currentRMS, 4);
    Serial.print(F("주파수 = ")); Serial.println(d->lineFrequency, 4);
    Serial.print(F("역률 = ")); Serial.println(d->powerFactor, 4);
    Serial.print(F("유효전력 = ")); Serial.println(d->activePower, 4);
    Serial.print(F("무효전력 = ")); Serial.println(d->reactivePower, 4);
    Serial.print(F("피상전력 = ")); Serial.println(d->apparentPower, 4);
}

실전 테스트: CFL 전구 냉시동/온시동 측정

측정 절차:

1. 부하(예: 14W CFL 전구) 연결, 전원 끄기
2. 버튼 눌러 로깅 시작 (LED 점등)
3. 전구 켜기 → 전류/전력 변화 관측
4. 안정화되면 버튼 눌러 로깅 중지 (LED 소등)
5. SD 카드 꺼내 CSV 파일 엑셀로 열기

결과: 냉시동 시 전류 0.21A, 유효전력 17W 피크 후 0.18A/14.2W로 안정화. 온시동(재점등) 시에는 피크 없이 바로 정상값 수렴.

엑셀에서 그래프 그리기

1. CSV 파일 열기
2. 맨 위에 헤더 행 추가: timestamp, currentRMS, activePower, reactivePower, apparentPower
3. 원하는 열 선택 → 삽입 → 차트 (산점도/꺾은선형 추천)

결론 및 향후 확장

Dr. Wattson으로 양질의 에너지 데이터를 쉽게 얻어 가전제품 특성 분석, 대기전력 측정, 에너지 절약 프로젝트 등에 활용할 수 있습니다. 라이브러리와 예제는 GitHub에서 제공됩니다.

참고 링크

• Dr. Wattson 라이브러리: github.com/upbeatlabs/drwattson
• Button 라이브러리: github.com/JChristensen/Button
• 사용자 매뉴얼: GitHub 저장소 내 문서 참조