강 건강 모니터: 아두이노 기반 수질 측정 시스템

부품 및 소모품

Arduino MKR1000 (MKR FOX 1200)	×	1
수위 센서	×	1
pH 센서	×	1
LED (백색 권장)	×	1
220옴 저항	×	2
포토레지스터 (조도 센서)	×	1
점퍼 와이어	×	1세트

필수 도구

• 납땜 인두
• 쇠톱 (하우징 가공용)

앱 및 온라인 서비스

• Arduino Web Editor
• Sigfox (저전력 광역 네트워크)
• Wia (IoT 플랫폼, 데이터 시각화 및 알림)

프로젝트 개요

개요

강이나 호수는 훌륭한 휴식처지만, 오염되면 모든 즐거움이 사라집니다. 많은 사람들이 강물을 가축 음용수로 쓰는데, 오염된 물을 줄 수는 없죠. 집 옆이 강이라면 한밤중 홍수로 집이 잠기는 일도, 이웃이 기름을 버려 가축이 병드는 일도 막고 싶을 것입니다.

MyRiver가 이 모든 문제를 해결합니다. Sigfox 덕분에 외딴 지역에서도 작동하며, 누구나 기기에 접근할 수 있습니다. 장치는 물의 pH, 혁신적인 방식으로 오염도(불용성 물질), 수위를 측정합니다. Wia 덕분에 휴대폰이나 컴퓨터로 어디서든 실시간 모니터링이 가능하며, 강에 문제가 생기면 즉시 알림을 받습니다.

기능 설명

장치는 아두이노 MKR FOX 기반으로 원격 설치용으로 설계되었습니다. SAM D 프로세서의 저전력 모드 덕분에 2개 AA 배터리로 장기간 작동합니다.

30분마다 센서 값을 읽고 다시 슬립 모드로 진입합니다(최소 슬립 20분, 조정 가능).

MKR FOX는 다음을 측정합니다:

• pH 센서로 강물의 pH
• 수위 센서로 수위
• LED 빛을 포토레지스터로 비추어 불용성 물질(기름, 휘발유, 수은 등) 감지: 포토레지스터 값이 낮으면 물속에 고체 물질이 있어 빛을 차단한다는 의미

모든 데이터는 Sigfox로 전송→Wia로 릴레이→처리 및 시각화→사용자 알림 순으로 전달됩니다.

데이터는 12바이트 HEX 버퍼로 Sigfox에 전송되며, Wia에서 문자열로 변환 후 센서 값으로 파싱됩니다. 값이 정상 범위를 벗어나면 사용자에게 알림.

코드 3대 핵심 파트

• Read Sensors: pH, 수위, 포토레지스터 값 읽어 변수 저장
• Format Buffer: 3개 센서 값을 12바이트 버퍼로 병합
• Parse Data: 버퍼를 Sigfox로 전송

MKR FOX는 Sigfox로 12바이트만 보낼 수 있어, 모든 센서 값을 12바이트에 담아야 합니다. 각 센서 최대 raw 값은 1024(10비트 ADC)로, 센서당 4바이트(1/3) 할당. 아두이노가 정수값을 문자열로 변환 후 앞에 0을 채워 4바이트로 만듭니다(예: 620→"0620", 24→"0024"). 이를 합쳐 12바이트 버퍼 생성 후 Sigfox 전송.

장치 작동 모습

아래 사진들은 프로젝트 기능을 보여줍니다. 더 자세한 건 위 영상 참조.

장점

• 강의 수위, pH, 오염도를 어디서든 실시간 모니터링
• 수용성/불용성 오염 물질 감지 또는 홍수 위험 시 즉시 알림
• 간편한 설치 및 사용
• Sigfox 서비스 국가 어디서나 작동

프로젝트 제작 과정

1단계: 필요 장비

모든 부품을 납땜으로 연결하며, 센서 외 별도 부품은 적습니다.

• Arduino MKR FOX 1200 1개
• pH 센서 1개
• 수위 센서 1개
• 포토레지스터 1개
• 백색 LED 1개
• 220Ω 저항 2개
• 점퍼 와이어

2단계: 회로 연결

브레드보드 없이 부품이 직접 연결돼 회로도가 복잡해 보일 수 있습니다. 어려우면 프리칭 파일을 다운로드해 와이어를 옮겨보며 확인하세요.

MKR FOX 준비: 배터리 박스와 안테나 연결(센서 연결 후 배터리 박스 연결). 나머지 배선은 '최종 단계' 참조.

3단계: 코드 이해

코드는 위 3개 핵심 파트(Read Sensors, Format Buffer, Parse Data)로 구성됩니다.

센서 읽기

struct GetValue {
  int riverLevel() { // 강 수위
    const int val = analogRead(A2);
    if(proDebug) { Serial.print(" River Level "); Serial.println(val); }
    return val;
  }
  int riverPh() { // 강 pH
    const int val = (analogRead(A1) / 5 * 3.3);
    if(proDebug) { Serial.print(" River Ph "); Serial.println(val); }
    return val;
  }
  int riverPol() { // 강 오염도
    const int val = analogRead(A3);
    if(proDebug) { Serial.print(" River Pollution "); Serial.println(val); }
    return val;
  }
};

버퍼 포맷팅

String data(int level, int ph, int pol) {
  int values[3] = {level, ph, pol};
  String newValues;
  for(int i = 0; i < 3; i++) {
    if(values[i] < 10) { newValues += "000"; }
    else if(values[i] < 100) { newValues += "00"; }
    else if(values[i] < 1000) { newValues += "0"; }
    newValues += values[i];
  }
  return newValues;
}

데이터 파싱 및 전송

void parseData(String data) {
  SigFox.beginPacket();
  SigFox.print(data);
  int ret = SigFox.endPacket();
}

4단계: Wia-Sigfox 연동 설정

Sigfox 계정과 Wia 계정 필요. Wia 앱(iOS/Android) 설치로 알림 수신 가능. 아래 이미지들로 연동 과정 설명.

웹훅 설정 요약:

• Type: Data Uplink
• Channel: URL
• Custom Payload Configuration: 비워둠
• URL Pattern: "https://api.wia.io/v1/events"
• HTTP Method: POST
• Header: Authorisation: Bearer <토큰>
• Content-Type: application/json
• Body: 제공된 코드 복사 붙여넣기

5단계: Wia 플로우 설정

데이터를 HEX→문자열 변환→3개 센서 값 파싱→정수 변환→오염도/수위 'High/OK' 판정, pH 실제 값 변환→임계값 초과 시 알림 발송하는 플로우 구성. 단계별 가이드 이미지 참조.

Wia Functions 코드:

processPayload (HEX→문자열)

if(input.body) {
  output.body.name = "value";
  output.body.data = toByteArrayStr(input.body.data.sigfoxData);
}
function toByteArrayStr(sigfoxData) {
  let result = Buffer(sigfoxData, 'hex');
  return result.toString('utf8');
}

riverPollution (오염도 판정)

let minVal = 200; let maxVal = 0;
if(input.body.data.sigfoxData) {
  let data = input.body.data.sigfoxData;
  let processedData = toByteArrayStr(data);
  let newData = cutString(processedData);
  output.body.name = "waterPollution";
  output.body.data = processData(newData);
}
function cutString(data) {
  let newVal = data[8]+data[9]+data[10]+data[11];
  return parseInt(newVal);
}
function processData(data) {
  return (data < minVal) ? "POLLUTED" : "OK";
}

riverPh (pH 값 변환 및 판정)

let minVal = 300; let maxVal = 600;
if(input.body.data.sigfoxData) {
  let data = input.body.data.sigfoxData;
  let processedData = toByteArrayStr(data);
  let newData = cutString(processedData); // data[4]~[7]
  let finalVal = (newData / 73.1428571);
  let valueToSend = finalVal.toFixed(2);
  output.body.name = "waterPh";
  output.body.data = valueToSend;
}
function cutString(data) {
  let newVal = data[4]+data[5]+data[6]+data[7];
  return parseInt(newVal);
}

riverLevel (수위 판정)

let minVal = 0; let maxVal = 200;
if(input.body.data.sigfoxData) {
  let data = input.body.data.sigfoxData;
  let processedData = toByteArrayStr(data);
  let newData = cutString(processedData); // data[0]~[3]
  output.body.name = "waterLevel";
  output.body.data = processData(newData);
}
function cutString(data) {
  let newVal = data[0]+data[1]+data[2]+data[3];
  return parseInt(newVal);
}
function processData(data) {
  return (data > maxVal) ? "HIGH" : "OK";
}

알림 이메일 템플릿:

• 오염 감지: "MyRiver 장치 ${device.id} - 물이 불용성 물질로 오염됨. Raw Data: ${data}"
• pH 부적절: "MyRiver 장치 ${device.id} - 물 pH 부적절, 오염 의심. Raw Data: ${data}"
• 수위 과다: "MyRiver 장치 ${device.id} - 수위 과다, 홍수 위험. Raw Data: ${data}"

변수 설정

포토레지스터 임계값은 현장 테스트로 결정해야 합니다. 아래 테스트 코드로 깨끗한 물/오염된 물에서 값 측정 후 minVal 설정:

void setup() { pinMode(1, OUTPUT); Serial.begin(9600); while(!Serial); digitalWrite(1, HIGH); }
void loop() { const int val = analogRead(A3); Serial.println(val); delay(5000); }

proDebug 변수: true 시 시리얼 모니터로 디버깅 출력(필드 테스트용), false가 기본(실제 운용 시).

라이브러리

• Sigfox (Arduino LLC, LGPL)
• ArduinoLowPower (Arduino LLC, LGPL)

최종 단계

아두이노를 PC에 연결해 스케치 업로드. 배터리 박스 연결 및 회로 확인. 인클로저는 페트병을 재활용해 제작(생태적, 저렴).

인클로저 제작 과정 사진 참조. 마지막 단계: 만조 때 강에 장치 설치(조위 상승을 홍수로 오인 방지). 병 입구 테이프로 밀봉. 수위 센서 하단이 물에 닿고 포토레지스터가 완전히 잠기게 고정. 테이프나 나사로 고정.

배경 이야기

창밖의 아름다운 강이 녹조로 뒤덮이거나, 한밤중 홍수로 집이 잠기는 악몽을 막고자 MyRiver를 구상했습니다. 도시든 농촌이든 강 옆에 사는 누구나 안심할 수 있게 돕습니다.

단순 pH 측정만으론 불용성 물질(수은 등 금속) 감지 불가해, LED 빛이 물을 통과해 포토레지스터에 도달하는 양으로 불순물 검출하는 독창적 방식을 고안했습니다. 어떤 수질 불순물도 감지 가능합니다.