종합 풀 컨트롤러 키트 – 라즈베리 파이 2 + 아두이노, 릴레이 보드, 온도 센서 및 액세서리

프로젝트 개요

3개월 만에 수영장 펌프 타이머가 두 번 고장 나면서 이 프로젝트를 시작하게 되었습니다. 기존 타이머 교체 비용이 120달러 이상 들었지만, 제어 기능은 매우 제한적이었고 고장률도 높았습니다. 또한 태양열 온수기의 온도 센서 고장으로 30달러의 추가 비용이 발생했습니다.

기존 타이머보다 훨씬 저렴하면서도 펌프 작동 시간을 정밀하게 제어하고, 다양한 풀 환경 상태를 모니터링하며, 어디서든 어떤 기기로든 제어할 수 있는 자동화 풀 컨트롤러를 직접 제작하기로 했습니다. 이 프로젝트는 라즈베리 파이(Windows 10 IoT Core 실행), 릴레이, 아두이노 프로 미니, 온도 센서, 배선, 3D 프린팅 부품을 활용해 기존 타이머 두 개와 태양열 센서 비용보다 훨씬 적은 예산으로 완성했습니다.

주요 구성 요소

하드웨어 부품

• 라즈베리 파이 2 모델 B × 1
• PNY 16GB 터보 마이크로SDXC CL10 × 1
• 스파크펀 아두이노 프로 미니 328 - 5V/16MHz × 1
• SainSmart 5V 4채널 솔리드 스테이트 릴레이 보드 × 1
• Tolako 5V 릴레이 모듈 (아두이노용) × 1
• DS18B20 방수 온도 센서 × 1
• 4.7kΩ 저항 (1/4W, 5%, 10개) × 1
• 라즈베리 파이 USB 와이파이 동글 × 1
• USB A타입 수-암 연장 케이블 (1피트) × 1
• 아메리칸 밸브 CL40PK6 40번 클램프 (6개입) × 1
• J-B 웰드 8272 마린웰드 에폭시 (2oz) × 1
• 시트 와셔 × 2
• 마이크로 USB 전원 어댑터 × 1

필수 도구

• Printrbot Simple 3D 프린터 (인클로저 및 센서 마운트 제작용)
• FTDI USB-TTL 시리얼 어댑터 (아두이노 프로 미니 스케치 업로드용)

소프트웨어 및 온라인 서비스

• Microsoft Windows 10 IoT Core
• Microsoft Visual Studio 2015
• Microsoft IIS
• Arduino IDE
• OneWire 라이브러리
• Dallas Temperature 라이브러리
• openHAB 오픈소스 홈 오토메이션 소프트웨어

시스템 아키텍처

풀 펌프 제어 (AC 구성요소)

라즈베리 파이에서 실행되는 Windows 10 IoT Core를 통해 솔리드 스테이트 릴레이를 제어하여 풀 펌프, 워터폴, 풀 조명, 마당 조명 등 AC 전원 장치들을 제어합니다. 기존 30A AC 릴레이를 그대로 활용하면서 원격 제어가 가능해졌습니다.

인클로저 설계

3D 프린터로 제작된 인클로저는 라즈베리 파이와 솔리드 스테이트 릴레이가 견고하게 고정되도록 설계되었습니다. 제작자의 아들이 설계 및 출력했습니다.

온도 센서 시스템

외부 기온, 태양열 온수기 수온, 풀 수온을 모니터링하여 펌프 작동 여부를 결정합니다. 특히 동파 방지를 위해 외부 기온과 풀 수온이 어는 점에 가까울 때 자동으로 펌프를 가동시킵니다. 아두이노 프로 미니가 DS18B20 센서 3개를 읽어 I2C 인터페이스로 라즈베리 파이에 전송합니다.

외부 기온 센서 설치

3D 프린팅 마운트에 센서를 장착하며, ABS 필라멘트와 75% 이상의 인필 비율을 권장합니다. 내후성과 내열성이 우수하기 때문입니다.

수온 센서 제작 및 설치

1. 센서 마운트 3D 출력 (ABS, 75% 이상 인필)
2. 카운터싱크 드릴 비트로 센서 구멍 주변 45도 면 가공 (JB 웰드 접착력 향상)
3. 센서를 마운트에 삽입 (약 3/4인치 돌출)하고 시트 와셔로 고정
4. 마운트 상단을 JB 웰드로 채우고 24시간 경화
5. 중요: 모든 펌프 정지 후 밸브를 열어 배관 압력 해제
6. 풀 배관에 5/16인치 구멍 뚫고 센서 장착, 클램프 2개로 고정 (과도한 조임 주의)
7. 밸브 닫고 펌프 가동하여 누수 확인

태양열 히터 밸브 제어

DC 전압을 사용하는 태양열 히터 밸브를 제어하기 위해 DC 릴레이를 추가했습니다. 외부 기온 60°F(약 15.5°C) 이상일 때만 패널로 물 순환을 시키며, 복귀 수온이 풀 수온보다 최소 2°F 높을 때만 작동하여 에너지 낭비를 방지합니다.

소프트웨어 개발

애플리케이션 아키텍처

Windows 10 IoT Core의 내장 웹 서버를 활용하려 했으나 제약이 있어, 'Blinky Web Server' 예제와 Druss Blog를 참고해 헤드리스 백그라운드 애플리케이션으로 HTTP GET/POST 요청에 응답하는 간단한 웹 서버를 구현했습니다.

배포 이슈 및 해결

Visual Studio 2015 디버그 모드에서는 정상 작동했으나, 릴리즈 모드 배포 후 AppX Manager에서 실행 시 'Application failed to initialize' 오류 발생. 해결 방법은 기존 배포 삭제 후 AppX Manager에서 직접 설치하는 것이었습니다. 또한 첫 HTTP 요청 후 프로세스가 종료되는 문제로 화면 애플리케이션이 웹 서버를 시작하고 상태 메시지를 주고받는 구조로 변경하여 안정화했습니다.

사용자 인터페이스

HTML 기반 제어 프로그램으로 어떤 기기에서든 풀 펌프, 워터폴, 조명 제어와 센서 모니터링이 가능합니다. 이후 openHAB 사이트맵을 연동해 추가 인터페이스도 구축했습니다.

소스 코드

프로젝트 전체 코드는 GitHub 저장소에서 확인할 수 있습니다. 주요 파일:

• Arduino Sketch (I2C 온도 센서 읽기)
• PoolWebServer - BackgroundTask.cs (HTTP 서버)
• PoolWebServer - Devices.cs (GPIO 장치 제어)
• PoolWebServer - Sensors.cs (I2C 센서 읽기)
• PoolWebService - MainPage.xaml.cs / App.xaml.cs
• OpenHAB Sitemap & Items 설정

회로도

• 라즈베리 파이 - AC 릴레이 연결도 (펌프, 워터폴, 조명)
• 라즈베리 파이 - DC 릴레이 연결도 (태양열 밸브)
• 라즈베리 파이 - 아두이노 프로 미니 - 온도 센서 연결도

3D 프린팅 파일

• DS18B20 공기 온도 센서 마운트
• DS18B20 수온 센서 마운트 (표준 풀 배관용)
• 라즈베리 파이 및 릴레이 인클로저