남보공방

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.  

주말농장용 워터맨Yard 프로토타입 2호기로서 다음 사항을 보완하여 다시 제작했다.

1. 솔레노이드 밸브를 전동볼밸브로로 교체 

수압이 높은 곳에서 고장이 잦은 솔레노이드밸브 대신에 전동볼밸브로 교체했다. 아래 동영상에서와 같이 전동볼밸브는 전자석 방식의 스위치가 아니고 서보모터를 돌려 밸브를 여닫는 방식이므로 여닫는 속도는 늦어도 솔레노이드밸브 보다 훨씬 튼튼하고 수압이 높은 환경에서도 잘 작동된다.

구매좌표  

Electrical Ball Valves

전동볼밸브도 여러 방식이 있는데 본 프로젝트에서는 fail safe기능이 지원되는 2선식을 사용했다. (아래 타입 중 CR04 ) 즉, 밸브에 전원이 공급되고 있을 때에만 밸브가 열리고 전원이 차단되면 자동으로 밸브가 닫히므로 작동 중 시스템이 고장나 전원이 차단되어도 물이 계속 흐르는 오작동 염려가 없다. 

2. 태양광 자가발전 방식

주말농장이라는 특성상 시스템이 노지에 설치되어야 하는데, 기기까지 전기를 연결하는 공사가 만만치 않다. 즉 비바람에 직접 노출되고 일을 하기 위해 자주 왕래해야 하는 곳에 상시 전기선을 끌어 설치하는 것이 번거롭고 또 주말농장이기 때문에 주중에 비워 놓아야 하는데 전기를 계속 연결해 놓는 것이 누전 등의 위험도 있다.         

따라서 태양광패널을 기기 상단에 설치하여 필요한 전력을 자가발전해서 사용하도록 함으로써 번거롭고 위험한 전기 배선을 생략해서 운영할 수 있도록 하였다.  

5V용 태양광패널을 이용하여 태양광발전하여 충전모듈을 통해 18650 리튬이온 배터리에 충전되도록 하였고, 발전량이 부족할 때에는 충전모듈을 통해 USB로 충전할 수도 있도록 하였다. 전동 볼밸브가 12V용이므로 18650배터리의 전력을 사용할 때에는 Voltage Booster를 통해 12V로 승압해서 사용하는 방식으로 구성하였다.