Data Science Lab

[스마트팜] Arduino IDE 설치 및 세팅 (with ESP32 보드)  

스마트팜을 제어하기 위해 사용된 아두이노 IoT 시스템을 개발하기 위한 환경 세팅에 대해서 알아본다. 필자의 스마트팜에 사용된 환경은 Arduino IDE 와 ESP32 보드를 사용하였으므로 이번 포스트에서는 IDE 설치 및 보드에 대한 드라이버 설치까지의 과정을 다룬다.

(다른 보드를 사용한다면 드라이버만 다를 뿐 설치 방법은 동일하다.)

Arduino IDE를 다운받기 위해서 아래 주소로 접속하여 OS에 맞는 설치 버전을 선택한다.

l   https://www.arduino.cc/en/software

필자의 경우 Windows 11환경에서 설치를 진행하였으며, 설치 스크린샷 또한 Windows 환경에서 캡처한 것이다. OS에 맞는 설치 파일을 클릭하면 다운로드 페이지로 이동되는데, 이때 다운로드만 하려면 “JUST DOWNLOAD”를 선택하고, 기부 후 다운로드 하려면 “CONTRIBUTE & DOWNLOAD”를 선택한다.

설치 파일을 다운로드 하고, 실행하면 설치 과정이 진행된다. 사용권 계약에서 “동의함”을 선택한다.

설치 옵션에서, 필요한 사용자를 선택 한 후 다음을 클릭한다. 필자의 경우 누구나 IDE를 실행할 수 있도록, 모든 사용자 옵션을 선택하였다.

다시 한번 사용권 계약 단계에서 “동의함”을 선택한다.

사용자 환경에 따라 설치 위치를 선택한다. 필자는 기본 경로 그대로 사용하였다.

설치가 진행된다.

설치 과정에서 추가로 필요한 소프트웨어 팝업이 나타나면 설치를 진행한다. 사용자 상태에 따라 해당 설치 과정이 나타나지 않을 수 있는데, 해당 단계가 나타나지 않으면 이 포스트 하단에 USB 드라이버 추가 설치 과정이 있으니 참고할 수 있도록 한다.

설치가 완료되면 아래와 같은 화면이 나타나며, 마침을 클릭하면 Arduino IDE가 실행된다.

Arduino IDE 가 실행될 때, 아래와 같이 Windows 보안 경고가 나타나면 “액세스 허용”을 선택한다.

아래 그림처럼 Arduino IDE가 실행된 것을 확인할 수 있다.

지금까지는 Arduino IDE 툴만 설치된 상태이다. ESP32보드를 연결하려 해당 보드에 대한 드라이버를 설치해야 한다. [파일] – [환경설정]을 클릭한다.

추가적인 보드 매니저 URLs에서 우측의 버튼을 클릭한다.

팝업이 나타나면 아래 URL을 입력하고, 확인을 클릭한다.

l   https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_dev_index.json

속성 창에서 확인을 클릭하면 해당 변경사항이 적용된다.

[Tool] – [Board] – [Board Manager]를 선택 한다.

검색창에서 “ESP32”를 입력하면 설치할 수 있는 패키지가 검색되며, 필요한 버전을 선택하여 설치한다. 필자의 경우 최신 버전을 선택하여 설치하였다. Output창에서 설치 과정을 확인할 수 있다.

패키지 인스톨이 완료되었으면, [Too] – [Board] – [esp32] – [ESP32 Dev Module]를 선택한다. 사용자의 보드에 따라 적절한 디바이스를 선택하면 된다.

모듈이 선택되고 나면, [Tool] 메뉴에서 선택된 모듈에 대한 정보를 확인할 수 있다.

USB 드라이버 설치 :

Arduino IDE 툴에서 Port 선택이 안되는 경우에는 시스템에서 USB 드라이버 설치가 정상적으로 설치되지 않았을 가능성이 크다. 윈도우에서는 장치관리자에서 아래와 같이 확인할 수 있다.

아래 사이트에서 OS에 적합한 드라이버를 다운로드한다.

l   https://www.silabs.com/developers/usb-to-uart-bridge-vcp-drivers?tab=downloads

다운로드 받은 경로로 드라이버 업데이트를 진행한 다음, 정상적으로 설치가 되면 아래와 같이 포트 번호를 확인할 수 있다.

지금까지 설치과정으로 IDE 설치 및 드라이버 설치가 완료된 상태로, 이제 사용자에게 필요한 프로그램을 작성하고 보드에 업로드 할 수 있는 환경이 준비완료 되었다.

2023-06-10 / Sungwook Kang / http://sungwookkang.com

스마트팜, Agricultural technology, Agritech, foodtech, 식물 공장, 에어로팜, 분무수경, 수경재배, 아두이노, ESP32, Arduino

[스마트팜] 팜랩에 구성된 스마트팜(에어로팜) 훑어보기

팜랩(이라 쓰고, 방구석 팜이라 읽는다.)에 구성된 시스템에 대한 전체적인 구조를 살펴본다. 이번 포스트는 현재 구성되어 있는 팜의 컨셉 및 전체적인 모습을 간략히 설명하고, 자세한 제작 과정은 다른 포스팅에서 하나씩 제작 과정을 다뤄 볼 예정이다.

참고로 글쓴이의 경우 농사를 경험 해본적이 없고, 친인척, 지인 통틀어 농사와 관련된 사람이 없기 때문에 순수하게 데이터(매뉴얼) 관점에서 재배를 도전하는 중이며, 이 프로젝트의 컨셉이 “데이터로만 농사를 지을 수 있을까?” 라는 것을 미리 알려둔다. 그래서 모든 부분을 데이터로 관리하고, 최대한 자동화 하여 사람의 손은 최소한으로 투입하는 것을 목적으로 하고 있다.

현재 구성되어 있는 팜은 “에어로팜”으로 “분무수경”이라고도 한다. 말 그대로 분무 방식으로 식물을 키우는 것이다. 수경재배는 대부분의 사람들이 잘 알고 있는데, 수경재배는 물에서 식물을 키우지만, 분무는 직접 뿌리에 물을 분사하여 키우는 방식이다. 여려 재배 방식마다 장단점이 있는데, 이러한 부분은 다른 포스팅에서 다뤄본다.

아래 사진은 현재 운영중인 나의 1호 스마트팜이다. 첫 제작은 빠르게 만들어서 시작을 해본다(?) 라는 컨셉이어서 전선 및 여러가지가 많이 정리되지 않은 상태이다. 아무래도 팜에는 물이 사용되기 때문에 전기 부분은 매우 조심해야 할 부분이다. 그래서 현재 2개의 랙을 추가하면서 전기 배선 정리 및 안전을 위해 전원부를 상단에 배치하는 등의 약간 업그레이드를 하고 있다.

팜을 제작할 때, 최대한 작업의 손을 덜 타기 위해 규격품을 사용하려고 노력했고, 그 결과 랙(팜)의 사이즈는 일반 공사 현장(?)에서 사용되는 표준 스펙으로 제작 되었다. 팜의 크기는 가로 200cm X 세로 90cm X 높이 200cm 로 제작되었다. 대부분의 자재들은 동네 철물점, 다이소 (정말 큰 역할 했음), 온라인 쇼핑몰을 통해서 준비하였다.

베드는 스티로폼을 사용하였고, 방수를 위해 PVC 패널을 내부에 장착했다. 분무를 위해 PVC파이프에 노즐을 장착하였다. 현재 상추 뿌리가 많이 자란 상태이며, 건강한 상추는 아래 사진과 같이 새하얀 뿌리를 가지고 있다. 초반에 우여곡절이 많아 뿌리가 검게 탄 상추들도 보인다.

실내이기 때문에 빛을 보강하기 위해 인공광원으로는 적청색 LED 및 주광색 LED를 사용하였다. LED 발열이 있기 때문에 방열판 역할을 할 수 있는 지지대를 사용하였다. 현재 룩스는 15000lx를 확보했지만, 태양빛을 따라 가기엔 역부족이다. 하지만 룩스를 올리려면 더 많은 조명이 필요한데, 전기세 걱정도 있지만 발열로 인한 온도 부분도 문제가 되기 때문에 추가 냉각장치 등을 고려하면 여러 시스템이 필요하게 되어 비용이 급상승한다.

공기중 온습도, 수온, 펌프 컨트롤등의 각종 센서 및 컨트롤러는 아두이노  ESP32 보드를 사용하였다. 이 보드의 특징은 WiFi 및 Bluetooth 모듈이 장착되어 있어, 별도의 WiFi 모듈을 장착하지 않고도 인터넷에 연결할 수 있다. 아두이노에서 중앙서버와 통신하며 데이터 전송 및 컨트롤에 대한 정보를 수신한다. 각 시스템별로 별도의 아두이노가 장착되어 운영되고 있다.

에어로팜(분무수경) 방식이기 때문에, 분무를 분사하기 위해서는 어느정도 높은 압력이 필요하다. 현재 일반 가정집 환경에서 랩을 구성하였기 때문에 압력이 높으면서 최대한 소음이 적은 제품을 선별하였다. 이 또한 국내에는 적절한 것을 찾지 못하여, 캠핑카에 사용되는 펌프를 아마존에서 주문했다. 미국에서 배송되어 배송 기간이 2주이상 소요되었는데, 국내에도 잘 찾아보면 적당한 펌프가 있으리라 생각된다. 아무리 저소음이어도 일반적으로 생활하기에는 소음으로 인해 별도 공간을 분리할 수 밖에 없다. 상대적으로 조용한것이며 절대적인 소음으로는 직접 겪어보면 옆집에 민폐가 발생할 수도 있다. 사진처럼 방음 박스를 만들고 차음재, 흡읍재 등 사용했음에도 불구하고, 펌프 진동 및 소음이 일상 생활하기에는 많이 거슬린다. (그래서 결국 식물에 방을 양도하고 워크 스페이스를 다른 방으로 옴겼다.)

양액 탱크이며, 현재 관수 시설이 되어 있지 않아 양액 보충 및 농도 조절은 수동으로 하고 있다. 이 부분도 자동화를 하고 싶은 마음은 있지만 일반 가정집의 방에 구성하였기에 관수 시설을 설치하기에는 여러 어려움이 있다. (심지어 현재 이 글을 쓰는 시점에는 집 인테리어를 새로 리뉴얼한지 1년 조금 지난 시점이어서 벽지나 기타 방에 있던 무언가에 어떤 문제가 생기면 …뒷말은 생략한다.)

중앙 서버 및 데이터 저장을 위한 데이터베이스는 큰 스펙이 필요하지 않기에 사용하지 않는 랩탑을 사용하였으며, Python Fast API로 서버를 만들고, DB는 SQL Server 무료버전을 사용하였다. 모니터링을 위한 대시보드는 그라파나(Grafana) 오픈소스를 사용하여 제작하였으며 실시간 모니터링을 하고 있다. 웹브라이저로 접근이 가능하기 때문에 외부에서도 모니터링 할 수 있다.

아직 준비 되지 않은 부분은 이상현상이 발생하였을 때, 사용자에게 알람을 푸시해 주는 기능과, 냉각 및 보온에 대한 자동화 부분이 준비 되지 않은 터라 이 부분은 향후 개선할 예정이다.

이 글을 보고 집에서 스마트팜을 구성하려는 사람이 있을꺼라 생각하는데, 실제로 취미로 즐기기엔 예상보다 많은 비용과 시간이 필요하다. 팜을 만들기 위한 자재비도 자재비지만, 냉각을 위한 에어컨, 히터등도 구비해야하기에 사실상 비용 부분으로 인해 접근이 쉽지 않은 부분이 있다. 또한 모든 자재를 구입해서 DIY 하였기에 노동의 시간도 많이 필요하였다.

이번 포스트에서는 전체적인 팜 구성에 대하서 살펴보았으며, 다른 포스트에서 팜의 제작과정을 다뤄 보도록 한다.

2023-03-23 / Sungwook Kang / http://sungwookkang.com

스마트팜, Agricultural technology, Agritech, foodtech, 식물 공장, 에어로팜, 분무수경, 수경재배

[스마트팜] 나는 왜 농업(스마트팜)에 관심을 가지게 되었나?

한국은 불과 한 세대 전까지만 해도 농업이 주류였다. 그러나 산업화 과정을 겪으면서 많은 사람들이 도시로 몰렸고, 그 결과 농업에 대한 관심 및 인구가 급격하게 줄기 시작했다. 그리고 언제부턴가 농업은 사양 산업으로 인식되었다. 이러한 현상은 비단 우리나라 뿐만 아니라 전세계적으로 산업화 과정에서 발생하는 자연스러운 현상이었다.

산업화의 발달과 함께 의식주 및 위생, 공중보건, 의료 서비스 등이 발전하면서 과거에 비해 질병으로 인한 사망자 감소와 함께 평균 수명 증가로 인해 인구 또한 지속적으로 증가할 것이라고 예상하고 있다. 유엔의 발표에 따르면 2018년 기준 세계 인구는 75억명으로 2050년에는 100억 명에 달할 것으로 예상하고 있다.

출처 : https://www.hani.co.kr/arti/science/future/1067089.html

하지만 자연 환경 파괴 및 지속적인 기후변화로 인해 식량 생산량은 오히려 감소하고, 저소득층은 극빈층으로 전락할 것(2016 식량농업 상황 보고서, 국제연합식량농업기구(FAO))이라는 연구 결과가 나오기도 했다. 즉 향후 세계적으로 식량 안보의 위협을 경고하고 있다.

l   2016‑2025년 OECD‑FAO 농업 전망 : https://www.oecd-ilibrary.org/sites/3b0157bb-ko/index.html?itemId=/content/component/3b0157bb-ko

통계청 자료(통계청, 한국의 SDGs 이행보고서 2022)에 따르면, 세계 7대 곡물 수입국인 한국의 곡물 자급률은 2020년 기준 20.2%이다. 쌀을 제외한 나머지 곡물의 자급률은 두류가 7.5%, 옥수수 0.7%, 밀 0.5% 등으로 매우 심각한 수준이다.

미국의 경우 곡물자급률은 120.1%, 캐나다는 192%, 중국은 91.1%이다. 아래 그림은 2018년 세계 곡물 자급률에 대한 자료이다.

출처 : https://www.nongmin.com/323642

l   한국의 SDGs 이행보고서 (사회, 경제, 환경 전반에 걸친 한국의 지속가능발전 이행현황을 유엔 SDGs 지표에 근거하여 분석한 보고서) : https://kostat.go.kr/board.es?mid=a90107000000&bid=12317

즉, 주로 식량을 수입하는 한국의 입장에서는 주요 곡물 생산국의 상황(기후 변화, 전쟁 등)에 따라 경제적인 물가 영향은 물론이며, 식량이 무기화 되었을 때 가장 큰 타격을 입게 되는 나라 중 하나인 것이다.

지금까지의 글을 통해서 기후변화에 따른 식량 위에게 대해서 심각하게 다루었는데, 이러한 위기를 벗어나기 위해 내가 무엇인가 대단한 일을 하겠다는 것은 아니다. 다만 나라도 이렇게 관심을 가지고 있다 보면 누군가 또 이러한 문제게 관심을 가지고, 그렇게 점점 확장이 되다 보면 무언가 변화가 있지 않을까 해서이다.

그렇다면 농업에서도 왜 스마트팜에 관심을 가진것일까? 사실 농업의 중요성은 어릴 때부터 관심이 많은 분야였다. 하지만 도시에서 태어나서 도시에서 자란 나는 농사를 접할 기회가 없고 (친인척도 농사를 짓는분은 없엇음) 이미 산업화를 거쳐 정보화 시대를 살고 있는 세대이며, 가지고 있는 기술 또한 IT 이다 보니 내가 가지고 있는 기술을 농업에 활용할 수 있는 방법이 없을까 고민하다가 도심속에서도 생산이 가능한 스마트팜에 관심을 가지게 되었다. 또한 대부분 도시에서 자란 나의 세대들은 시공간 제약으로 인해 최대한 도시 환경에서 활용할 수 있는 것을 찾다보니 스마트팜에 이르렀다.

그래서 나는 나만의 작은 프로젝트를 진행해 보기로 했다. 생활공간의 일부를 할당하여 작은 스마트팜 연구실을 만들었다. 그리고 나는 테크의 관점에서 농업에 접근하기로 했다. 즉, 인공적인 환경에서 데이터로 식물을 키울 수 있는가에 대한 실험을 하기로 하였다. 이미 수 많은 기업들이 스마트팜을 운영하고 있고, 여러 사례 및 자료가 있지만 일반인들까지 범용적으로 적용할 수 있는 환경을 고민하고 표준화 하여 누구나 쉽게 접근을 할 수 있도록 하는 것이 목표이다. 집에서 스마트팜을 만드는 과정 및 식물을 키우는 운영 과정을 하나의 일기처럼 공유해볼 생각이다. 아래 사진은 나의 첫 스마트팜(분무수경 방식)에서 상추가 자라고 있는 모습이다.

2023-03-18 / Sungwook Kang / http://sungwookkang.com

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