아두이노 나노 기반 스마트 홈 식물 자동 급수 시스템

부품 및 소모품

아두이노 나노 R3	×	1
Adafruit 표준 LCD - 16x2 백색/청색	×	1
미니 워터 펌프	×	1
로터리 인코더 (푸시버튼 포함)	×	1
L298N IC	×	1
포토 레지스터 (조도 센서)	×	1
범용 NPN 트랜지스터	×	1
저항 10kΩ	×	1
단회전 포텐셔미터 10kΩ	×	1
커패시터 10µF	×	1
커패시터 1000µF	×	1
커패시터 470µF	×	1
커패시터 100nF	×	7
1N4001 다이오드	×	8
RCA 소켓	×	1
토양 수분 센서	×	1
스크류 터미널 블록	×	3
AMS1117-ADJ 전압 레귤레이터	×	1
저항 2kΩ	×	1
저항 680Ω	×	1
DC 9V 3A 파워 서플라이	×	1

필요한 도구 및 기계

납땜 인두 (범용)

앱 및 온라인 서비스

아두이노 IDE

프로젝트 소개

또 하나의 식물 급수기

인터넷에는 토양 수분 센서 사용법을 다룬 친숙한 프로젝트와 튜토리얼이 많습니다. 이 프로젝트에서는 인터넷에서 찾은 여러 훌륭한 아이디어를 결합하고 소프트웨어 부분을 구현해 홈 식물 급수 시스템 컨트롤러를 만들었습니다. 때로는 해결책이 명백해 보여도 자세히 들여다보면 세부 사항에 악마가 숨어 있습니다. 그 디테일들을 살펴보겠습니다.

컨트롤러 주요 기능

이 컨트롤러는 다음과 같은 기능을 가집니다.

• 두 식물 지원: 두 개의 독립적인 채널, 각 채널은 비활성화 가능
• 채널별 일반 파라미터: 정방향/역방향 펌핑 시간 (10초 단위)
• 수동 모드: 버튼 누르기로 식물 급수 가능
• 급수 후 습도 체크: 급수 후 습도가 상승하지 않으면 채널 비활성화
• 조도 센서 내장: 야간 작동 방지
• 메뉴 시스템: 설정 파라미터 구성, EEPROM에 저장

토양 수분 측정

토양 수분을 정확히 측정하려면? 이베이에서 센서를 사서 화분에 꽂고 저항을 측정하는 방식이 많은 튜토리얼에 나옵니다. 하지만 제 경우 '건조'와 '습윤' 상태의 저항이 300kΩ와 500kΩ로 너무 가까워 정확한 판단이 어려웠습니다. 문제는 순수한 물은 전기를 전도하지 않고, 물속 미네랄이 전도한다는 점입니다. 따라서 측정된 저항은 우리가 준 물의 양이 아니라 식물 속 미네랄의 양과 종류에 크게 의존합니다.

구글링 중 저항 대신 정전용량(capacitance)을 측정하는 훌륭한 아이디어를 발견했습니다. 물은 유전율이 커서 '습윤' 상태의 정전용량이 '건조' 상태보다 약 100만 배 큽니다 (200µF vs 200pF). 이 차이가 압도적입니다.

정전용량 측정 방법

또 다른 천재들이 아두이노를 고정밀 커패시턴스 미터로 만들기도 했지만, 제 생각엔 너무 복잡하고 우리 센서에 그 정도 정밀도는 불필요합니다. 훨씬 간단한 방법은 아날로그 핀 두 개만 사용해 '건조'와 '습윤'을 구분할 만큼의 정확도를 얻는 것입니다. 앞서 말했듯 건조/습윤 값 차이가 크므로, 코드에서는 센서 정전용량 읽기 값의 자연 로그(ln)를 사용해 값의 범위를 좁혔습니다.

왜 H-브릿지인가?

단일 MOSFET 트랜지스터로 워터 펌프를 구동하는 게 좋아 보였습니다. 하지만 물 공급원(병)의 수위가 식물보다 높을 수 있습니다. 이 경우 펌프를 멈춰도 물이 계속 흐릅니다. 어떻게 확실히 물을 멈출까요? 펌프를 잠시 역방향으로 돌리면 됩니다. DC 모터라 극성(+/-)만 바꾸면 됩니다. 이를 위해 H-브릿지가 필요합니다. L298N IC가 좋은 선택입니다. 이 프로젝트 펌프는 9V 3A를 쓰므로 IC에 방열판과 파워 저항이 필요합니다. 1Ω 5W 파워 저항을 사용했습니다. L298N은 모터 두 개를 제어 가능하므로 두 식물을 동시에 관리할 수 있습니다.

컨트롤러 메뉴 시스템

로터리 인코더로 식물 컨트롤러를 관리합니다. 시작 후 메인 화면이 나타납니다. 상단 줄에 두 채널의 현재 센서 읽기값, 하단 줄에 건조 한계값이 표시됩니다. 채널이 비활성화면 xxxx로 표시.

수동 급수: 로터리 인코더를 짧게 누르면 수동 화면으로 진입.

설정 메뉴 진입: 메인 화면에서 인코더를 길게 누름(약 1초). 설정 메뉴 트리:

• 왼쪽 채널
• 오른쪽 채널
• 디스플레이 백라이트 밝기 (또는 자동)
• 야간 백라이트 밝기

각 채널별 메뉴:

• 채널 활성화/비활성화
• 건조 한계값 (dry limit)
• 펌프 정방향 작동 시간 (10초 단위)
• 펌프 역방향 작동 시간 (10초 단위)
• 파라미터 테스트

"건조 한계값"은 급수를 시작할 최소 토양 수분입니다. 값은 센서 정전용량의 자연 로그입니다. 메인 화면에서 현재 센서 읽기값과 건조 한계값을 함께 볼 수 있습니다.

"파라미터 테스트" 메뉴로 저장 전 급수 동작을 확인하고 시간 값을 튜닝할 수 있습니다.

하드웨어 구성

컨트롤러는 두 장의 3x7cm 양면 PCB로 구성됩니다.

첫 번째 PCB: L298N 모터 드라이버, 다이오드, 전원/모터 펌프 연결용 스크류 터미널 블록, 센서 커넥터. AMS1117-ADJ DC 전원 모듈로 L298N과 아두이노용 5V 생성. 디버깅 시 별도 전압 레귤레이터가 편리했지만, 아두이노 보드 레귤레이터로 5V를 써도 됩니다.

두 번째 PCB: 아두이노 나노, 로터리 인코더 및 포토 레지스터 커넥터, LCD 디스플레이 소켓.

코드

WateringSystem

소스 코드: GitHub

회로도