본 절은 GP2Y1010AU0F 미세먼지 아두이노 센서를 사용하기 위해 알아야 할 내용과 실습 방법에 대해 설명한다. 미세먼지 센서의 특징, 동작원리, 사양, 연결 핀 배열, 출력 값, 주의사항을 알아본다. 아두이노와 미세먼지 센서를 연결하고, 라이브러리를 이용해 쉽게 실습한다.
목차
GP2Y1010AU0F 미세먼지 아두이노 센서
GP2Y1010AU0F 미세먼지 아두이노 센서란?
샤프의 GP2Y1010AU0F는 광학 감지 방식을 사용하는 미세먼지 센서다. 공기 중의 먼지와 입자로 공기 품질을 측정한다.
미세먼지 센서 라인업
샤프사의 먼지 측정 센서는 아날로그 출력, 디지털 출력으로 구분되는GP2Y1010AU0F, GP2Y101012AU0F,
GP2Y1010A4AU0F, GP2Y1023AU0F, GP2Y1026AU0F, GP2Y1030AU0F 등과 같은 모델 라인업을 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 GP2Y1010AU0F 와 GP2Y101014AU0F 는 센서의 민감도에서 성능의 차이가 있다
Laboratory Evaluation and Calibration of Three Low-Cost Particle Sensors for Particulate Matter Measurement의 논문 결과에 따르면, 3가지 센서의 특성에 대한 간략한 요약이 작성되었으며 각 센서의 장점이 표시되어 있다.
실험 전체에서 GP2Y1010AU0F (GP2Y) 센서는 SidePak미세먼지 측정기와 비교하여 최고의 선형성을 보여 주고 있다. GP2Y 센서의 데이터 품질은 tsi사의 AirAssure 모니터(약 $995)의 응답이 향상됨에 따라 유량 시스템과 입자 농도 계산 알고리즘을 수정하여 더욱 향상될 수 있다고 한다.
PPD42NS (PPD) 및 DSM501A (DSM) 센서는 GP2Y 센서보다 검출 한계가 상대적으로 낮다. 약 4 mg/m3의 높은 입자 농도, 포화된 입자의 구성 및 크기, 온도에 대한 최소 의존성과 같은 일부 일반적인 특성이 관찰된다.
농도 감소에 따라 상대 표준편차가 증가했다. 이러한 센서는 청정환경에서 복잡하고 값비싼 측정장치만큼 정확하지 않을 수 있다. 따라서 저비용 미세먼지 입자 센서는 상대적으로 높은 선형성과 중간 반복성으로 입자 농도를 보고할 수 있는 능력을 보여 주고 있다. 또한, 측정의 불확실성은 더 긴 시간에 걸쳐 측정의 평균을 매겨서 더 줄일 수 있다.
크기가 작고 비용이 저렴한 센서는 개발 도상국과 오염이 심한 지역의 대기 질 추적에 광범위하게 적용할 수 있으며, 특히 미립자 물질 모니터링에 대한 요구는 공중 보건을 위해 사용될 수 있다.
[센서 주의사항]
GP2Y1010AU0F 센서가 저렴한 만큼 고성능 먼지 센서들보다는 정확도가 떨어진다는 연구 결과가 있다. 연구결과에 따르면 깨끗한 공기(공기 조건부 사무실 내부 및 시험실 내 시간)에 노출되었을 때 먼지 센서는 모든 시험에서 관측된 전체 온도 범위(18~28°C)에서 온도에 선형적으로 비례하는 기준 출력 전압을 나타내는 것으로 확인되었다. 따라서 먼지 신호는 이 효과에 대한 보상이 필요하다. 테스트 동안 올리브 오일의 제어된 튀김에 대한 PACMAN 먼지 센서와 SIDEPAK PM10 모니터의 온도 보정 반응을 보여준다. PACMAN 기준 오프셋은 최대 1,500mV이다. 이 데이터에 적합한 최소 제곱은 0.99의 R2를 제공한다.
따라서, 센서의 값을 캘리브레이션(Calibraion)을 하지 않는다면, 정확한 수치를 확신할 수 없다. 하지만 정밀한 센서 보정작업을 진행하면 고가의 센서와 같이 정확도가 올라갈 수 있다 [Air Quality Monitoring]
데이터의 노이즈를 없애고, 고가의 고성능 미세먼지 측정장비로 캘리브레이션을 하면 충분히 실용적으로 사용할 수 있다. 센서를 실용적으로 제대로 사용하려면 노이즈 제거오와 영점 조정 두 가지를 고려해야 한다.
[노이즈 제거]
GP2Y1010AU0F 센서의 순시값 은 크게 변동을 한다. 먼지는 한줄로 나란히 지나가지 않는다. 다양한 크기의 먼지들이 무작위로 매 순간 측정되는데 이때 측정값의 변동이 크다. 즉, 노이즈가 발생하게 된다. 예를 들어 먼지를 1초 마다 한번씩 측정하게 된다면, 노이즈가 매우 높게 발생될 확률이 높다. 먼지의 크기가 다르기 때문에 신뢰할 수 있는 측정값을 얻기 위해 50~100회 정도 측정하고 평균값을 산출해야 한다. 하지만 1초단위로 100회를 측정하면 너무 오랜 시간이 걸린다.
즉, 1초에 50~100회 정도 먼지 값을 측정하고 평균값을 구해, 노이즈를 제거해야 한다.
[영점 조정]
GP2Y1010AU0F 센서의 데이터 시트나 다른 관련 자료를 조사해보면 아두이노의 아날로그 입력으로부터 읽어온 미세먼지 센서의 값을 먼지 농도(D㎲t density [µg/m³])로 변환하기 위한 공식이 없다. 따라서 먼지 농도를 측정하기 위해 상용 미세먼지 계측기를 기준으로 해당 미세먼지 센서에 대한 개별적인 조정이 필요하며 보정값이 추가되어야 한다.
그런데 문제는 이 샤프 센서가 이 저농도 영역의 정확도가 제품마다 제각각이라는 것이다. 그래서 영점 조정이 꼭 필요하다. 영점이란 먼지가 없을 때의 출력 값인데 위 그래프로는 Y축의 절편이 된다. 기울기를 정확히 아는 것보다 영점을 정확히 아는 것이 훨씬 중요하다.
예를 들어 기울기에서 10% 오차가 생기면 측정값도 10% 내외 오차가 생기지만, 영점에 10% 오차가 생기면 저농도의 측정값은 100% 또는 그 이상의 오차도 생길 수 있기 때문이다.
만약 노이즈가 제거된 안정된 측정값을 얻는다고 해도 영점을 모르면, 어느 정도부터 깨끗한 공기인지 알 수가 없다.
센서의 데이터 시트에는 측정되는 전압이 0.6~3.6V 범위인 것으로 나와 있지만, 일상적인 주변 공기는 아주 극심한 상태 말고는 대부분 낮은 전압(~1 V)의 좁은 범위, 즉, 저농도 근방에서 변한다.
그러므로 공기 청정기 등을 이용해 깨끗한 공기로 영점을 찾아내고, 높은 해상도로 측정 전압의 변화를 파악해야만, 주변의 먼지량 농도를 정밀하게 알 수 있다.
이렇게 두 가지만 고려해도 꽤 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있다. 실제로 많은 논문에서 이 센서의 측정 정확도를 신뢰하고 있다.
GP2Y1010AU0F 미세먼지 센서 구입하기
다음과 같이 [모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 사용한 PMS7003 미세먼지 아두이노 센서는 알리익스프레스, 네이버 쇼핑몰, 아마존 등에서 센서를 구입할 수 있다.
[알리익스프레스]
[네이버쇼핑]
[아마존]
GP2Y1010AU0F 미세먼지 센서 동작 확인
센서는 라이브러리를 사용하여 간편하게 동작 확인을 할 수 있다.
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개발환경 : WINDOWS 10
아두이노 IDE : 1.8.13
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01 라이브러리 복사
libraries\Steamedu123_Sensor-master 폴더는 아래 폴더에 복사
* 아두이노 설치 후 자동으로 생기는 폴더
C:\Users\s\Documents\Arduino\libraries
02 *. ino 파일 실행
- 아두이노와 PC 연결
- 아두이노 IDE 실행
- 메뉴 → 툴 → 보드:아두이노 UNO 확인
- 메뉴 → 스케치 → 확인/컴파일
03 컴파일 확인
스케치>확인/컴파일(CTRL+R) 를 선택해서 컴파일을 진행한다.
04 아두이노 우노 업로드
컴파일이 이상없이 완료되면 스케치>업로드(CTRL+U) 를 선택해서 컴파일 파일을 업로드 한다.
05 동작 확인
다음과 같이 동작을 확인할 수 있다.
다음과 같이 동작을 확인할 수 있다.
참고문헌
다음과 같이 [모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 사용한 센서의 참고 문헌은 다음과 같다.
[9] 알리익스프레스 GP2Y1010AU0F 온보드
[10] gp2y1010au_e datasheet, “Internal schematic”, p2
[11] gp2y1010au_e datasheet, “Electro-optical Characteristics”, p4
[12] gp2y1010au_e datasheet, “Electro-optical Characteristics”, p4
[13] gp2y1010au_e datasheet, “Electro-optical Characteristics”, p5
[14] Low-cost PM2.5 Sensors: An Assessment of their Suitability for Various Applications
[15] Aerosol Chamber Characterization for Commercial Particulate Matter (PM) Sensor Evaluation
[16] Wang, Y., Li, J., Jing, H., Zhang, Q., Jiang, J. and Biswas, Laboratory evaluation and calibration of three low-cost particle sensors for particulate matter measurement. Aerosol Science and Technology Volume 49, 2015
[17] Visa M Tasic, Measurement of PM2.5 Concentrations in Indoor Air Using Low-Cost Sensors and Arduino Platforms, 2016
[18] gp2y1010au_e datasheet, “Input Condition for LED Input Terminal”, p5
+ 이 글도 읽어보세요.
책 구입하기
[모두의 아두이노 환경 센서] 책은 예스24, 인터넷 교보문고, 알라딘, 영풍문고, 반디 앤 루니스 등에서 구입할 수 있다. 이 책에서는 PMS7003, GP2Y1010AU0F, PPD42NS, SDS011 미세먼지 센서, DHT22 온습도 센서, MH-Z19B 이산화탄소 센서, ZE08-CH2O 포름알데히드 센서, CCS811 총휘발성유기화합물 TVOC, GDK101 방사선(감마선) 센서, MQ-131 오존(O3) 센서, MQ-7 일산화탄소, MICS-4514 이산화질소 센서, MICS-6814 암모니아 센서, DGS-SO2 아황산가스(SO2) 센서, BME280 기압 센서, GUVA-S12SD 자외선(UV) 센서, MD0550 기류 센서, QS-FS01 풍속 센서(Wind speed) 를 사용한다.
모두의 아두이노 환경 센서
아두이노와 센서로 내 건강을 지킬 수 있다!다양한 환경 센서를 실생활 프로젝트에 응용해보자!시중에 판매되고 있는 간이측정기도 센서로 값을 측정합니다. 똑같은 센서를 아두이노에 연결하
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