그동안 3차에 걸친 프로토타입 시스템 제작과 2년여 간의 주말농장 현지 운영을 통해 수합된 사항들을 종합하여 주말농장용 자동급수 시스템인  워터맨Yard의 개발을 완성하였다

 

1. 기능명세

  1) 설정 기능

      - RTC 기준시각 설정 : 시스템 사용초기 또는 RTC 배터리 교체로 인해 시스템 시각이 맞지 않을 때 기준시각을 Reset시키기

      - 급수시각 지정 : 하루 24시 중에서 어느 시각에 급수시작항 것인지 지정 (하루 3회 까지) 

      - 급수량 지정 : 매 급수시각마다 어느 시간동안 급수를 지속할 것인지 지정

      - 급수생략 조건 지정 : 토양 수분 수치를 지정하여 이 이상일 경우 급수 생략( 비가 온 날 ), 온도를 지정하여 이 온도 이하일 경우 급수 생략하기

     

   2) 화면표시 기능

      - 설정된 내용 표시하기

      - 현재 시각 및 현재 토양수분 수치 표시

      - 금일 급수기능 작동 여부 표시   

 

  3) 급수 기능

      -지정한 시각이 되면 자동으로 지정한 시간동안 볼밸브를 열어 급수하기

      -사용자가 원하면 버튼조작으로 급수기능 강제 작동시키기

 

  4) 절전모드

      - 급수작동  완료 또는 입력 등 조작이 일정시간 이상 중단된 경우 자동으로 절전Sleep모드로 집입하기

      - 다음 급수시각이 되면 자동으로 Wake-Up되어 급수기능 작동하기

      - 사용자가 원할 때에는 언제든지 강제로 Wake-Up시켜 기계 조작하기

 

   5) 태양광 자가발전 및 배터리

      - 낮시간동안 태양광 패널을 통해 발전된 전기를 18650배터리에 충전해 놓고 필요한 전원을 충당하여 별도의 전원연결공사없이 운영할 수 있는 시스템

      - 내장된 배터리는 태양광 발전량이 부족할 경우 별도의 방법으로도 충전할 수 있도록 단자를 구성하고 다른 곳에서 충전해 올 수 있도록 착탈식으로 구성     

 

   6) 케이스 및 외부연결

     - 비를 맞을 수 있는 야외에 설치하는 기기 이므로 방수처리된 케이스를 사용하되, 여름철에는 기기 내부의 온도가 급격히 올라 갈수 있으므로 환기구는 빗물이 기기내로 들러오지 않는 방법으로 별도 개설.

     - 주말 농장 임의의 곳에  철제 파이프 등을 꽂아 이 위에 쉽게 설치할 수 있도록 연결부를 구성

             

 

 

2.시스템 회로의 구성

 

 1) 전용PCB 

 

매번 제작할때 마다 배선작업도 번거롭고 운영 중 접촉불량 등 고장을 최소화하기 위에 전용PCB를 제작하였다.    

 

 

 

Fritzing Tool을 이용해 설계한 내용을 업체에 의뢰하여 납품받은 워터맨Yard 전용 PCB

 

 

 

2) 메인보드 제작

 

PCB 뒷면에 해당 부품들을 납땜하여 메인보드를 제작하고  

 

 

 

PCB 앞면에는 4x4 키패드와 스위치,연결용 단자 등을 연결하고, 상단에 LCD 디스플레이를 연결하여 워터맨시스템용 컨트롤 보드를 구성하였다.

 

 

 

3. 워터맨Yard 제어기능의 구성

 

 

- LED : 작동중일 때 기기를 닫아 놓은 상태에서도 외부에서 이를 확인할 수 있도록 하기 위한 LED전구를 연결

 

- WATER : 펌프를 사용할 경우 물탱크에 물에 있는지 여부를 Check하기 위한 센서를 연결한다. 센서를 사용하지 않을 경우 두선을 쇼트시켜 연결해 놓으면 된다.

 

-SOIL :  토양수분 센서를 연결한다. 단지 토양에 꽂힌 두개의 전극사이의 저항치를 측정하는 것이므로 스텐레스 젓가락에 전선을 납땜하여  연결해서 사용해도 된다.

 

-SOLAR : 태양광패널로 부터 나오는 전력선(6V 출력용)을 연결한다. 

 

-Wake Up : 워터맨 시스템이 다음 기동 시간까지 절전 Sleep모드에 있을 때 강제로 깨우기(WakeUp)위한 버튼.

 

-Power : 내장 배터리가 아닌 외부 전원으로 시스템을 가동시키거나 배터리를 충전시킬때 사용하는 아답터

 

-Valve : 전동 볼밸브 연결 단자

 

-Pump : 수도가 아닌 물탱크 방식일 경우 물 탱크에서 물을 끌어 올리기 위한 펌프를 추가로 부착할 수 있도록 펌프용 전원 연결단자를 추가하였다.      

 

-Charge : 18650 배터리 연결 단자.   

 

한동안 별 문제없이 잘 운영되던 워터맨 주말농장에 또다시 문제가 터졌다.

기기는 이상이 없으나 사람이 없는 사이에  기기로 물이 공급되는 라인이 파열되어 주말농장을 물바다로 만들어 버린 것이다.

 

기기로 부터 나와 작물에 물을 주는 호스는 평상시 비어있고 물을 줄때에도 압력이 높지 않아 아무 문제 없으나 수도로 부터 나와 기기로 연결된 수도호스 라인은 물을 주지 않을 때에도 수도의 압력이 계속 작용하고 있기 때문에 일반 호스가 아닌 액셀파이프를 이용해 땅속에 매설해 놓았는데, 시간이 흐르면서 서서히 균열이 생기다가 급기야 터져버린 것이다. 특히 가을 수확이후에는 물 줄일이 없어 방치해 농았는데 배관 라인에 물이 차 있는 상태로 월동하면서 배관라인의 물이 얼었다 녹았다 하면서 배관에 균열이 생긴 것을 추정된다.  

 

 

 

워터맨Safe 기기 제작

 

수돗물 누수 방지를 위한 안정장치로써 "수도꼭지 바로 옆에서 물의 흐름을 감지하고 있다가 일정시간 이상 물이 흐르면 자동으로 밸브를 닫아 주는 보조 기기"가 필요하다는 요청에 따라 긴급 제작하여 설치하였다.

 

즉, 평상시에는 열여 있는 볼밸브와 물흐름 감지센서를 직렬로 연결해 놓고 센서에 물흐름이 감지 되면 시간을 카운트하여 연속으로 일정시간(10분) 이상 계속됨이 확인되면 자동으로 볼밸브를 닫아 물의 흐름을 차단해 주는 기기이다.

 

 

 

제작해서 운영해 보니 밸브를 이중으로 설치하여 좀 더 안전하다는 느낌을 주기는 하지만 굳이 별도로 설치할 필요는 없을 듯 하다. 수도꼭지와 기기 간의 라인이 문제이므로 워터맨 Safe를 설치할 곳에 바로 워터맨을 설치하면 결국 같은 효과가 있는 셈이다. 단 그냥 수도 꼭지에 연결해서 수작업 관수할 때에 물주기 하다 방치 했을 때에도 일정 시간이 흐르면 자동으로 차단하기 용도로는 활용 가능해 보인다.

워터맨Yard 프로토타입 2호기를 운영하는 과정에서 몇가지 기능을 개선하여 프로토타입 3호기를 제작했다.  

 

 

 

1.RTC 채용으로 원하는 시간대에 작동

 

본 워터맨 프로젝트 시리즈는 기본적으로 아두이노 타이머를 기준으로 경과시간을 첵크하여 작동여부를 판단하는 방식으로 개발되었다. 그러나 보니 작동 시각을 설정하는 방법에 제한 사항이 있고 불편한 경우가 있었다. 따라서 이 부분을 개선하기 위해 RTC( Real Time Clock ) 모듈을 추가해서 기능을 업그레이드했다.

1) 원하는 급수시각을 실제 시계시간을 기준으로 설정 : 예전에는 12시간 대기 후 급수하라는 방식이었지만, 오전 10시30분 정각에 작동하라는 식으로 지정할 수 있다.  

2) 하루에 3번까지 원하는 시각을 복수 지정하고 각각 물주는 시간을 지정할 수 있다. 예를 들어 아침 10시에는 5분간, 오후 3시에는 2분간,   이런 식으로 지정할 수 있도록 했다.

3) 절전기능의 구현 : 대기시간 동안 아두이노가 계속 작동 될 필요없이 Sleep모드로 절전 상태에 있다가 RTC에서 지정한 시각이 되면 인터럽트 기능으로 Wake-up시키고, 물주기가 완료되면 아두이노는 다시 절전sleep모드로 진입한다.    

 

 

  

2. LCD 20 x 4 로 교체

 

하루에 작동시각을 3개까지 지정하고 확인하는 것을 한화면에서 할 수 있도록 LCD 디스플레이를 16 X 2에서 20 X 4 (20자4줄)로 교체 했다.

 

 

 

 

3. 전용토양수분센서 제작

 

비오는 날은 물주기를 생략하기 위해 습도계를 사용하여 비오는 날 여부를 확인하는 방법을 사용했었는데 오작동이 많았다. 그래서 공기의 습도가 아닌 토양의 실제 수분의 양을 첵크하여 물주기를 생략하는 방법을 사용하기로 했다. 그런데 토양수분센서 저가형은 습기가 많은 땅속에서 금속판이 쉽게 부식되어 버리고 제대로된 토양수분 센서는 상당히 고가이다. 본 프로젝트에서는 정확한 토양수분의 수치를 알고 싶은 것이 아니고 물주기 전에 토양에 수분이 이미 충분한지 여부만을 판정하면 되기 떄문에 전용으로 저렴하게 제작하였다.   

 

토양수분센서의 원리는 땅속 두 전극사이의 저항값을 측정하여 수분량을 추정하는 것이므로 단순하게 녹슬지 않는 스텐레스 젓가락을 전극 용도로 땅속에 꽂아두고 아두이노에서 이 전극사이의 저항값을 측정하는 방식으로 구현했다.   

 

4. 아두이노 프로미니 절전형 MCU

 

예전에 사용하던 아누이노 나노 버전은 USB모듈이 내장되어 있어 개발작업에 편리하기는 하지만 이 USB모듈이 상당한  많은 전력를 소비한다. 즉 아두이노가 절전모드에 들어가면 아두이노 MCU자체적으로 소비하는 전력은 최소화되지만 USB 모듈 때문에 절감효과가 반감된다. 절전모드 상태에서의 소비전력을 비교해보니 프로미니 기종은 나노 기종에 비해 약 3분의 1 밖에 안된다. 따라서 MCU를 USB모듈이 생략된 아두이노 프로미니 기종으로 교체하였다.         

 

5. 점적식 관수 배관 추가 

 

스프링쿨러 방식은 불필요한 곳에서 물을 뿌리는 등 물의 낭비가 있기 때문에 필요한 위치에만 정확히 급수하기 위해 호스에 구멍을 뚫어 노즐을 설치함으로써 좀더 효율적으로 물을 주는 방식도 구현해 보았다. 

 

 

다음과 같이 고추나무 아래에 필요한 곳에만 물을 주기 때문에 훨씬 효율적이다.

 

 

 

운영현황

 

본 워터맨 프로젝트의 공동 개발자인 정교수님의 곤지암 농장에서 워터맨이 자동으로 작렬한다.  

워터맨 덕분에 왕가뭄에도 물주기 스트레스 없이 주말농장을 운영하고, 일주일에 한두번 밖에 가보지 못하는 주말농장이 다른 농장에 비해 오히려 더 작물들이 풍성하게 자란다고 한다.  

 

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