본 절은 PPD42NS 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
PPD42NS 미세먼지 아두이노 센서
PPD42NS 미세먼지 아두이노 센서란?
Shinyei PPD42NS 센서는 광학 감지 방식을 사용하여 미세 먼지 농도를 측정한다. 1㎛ 및 2.5㎛ 먼지를 검출하고, PM 1.0 또는 PM 2.5 두 가지 모드 중 하나를 선택해 사용 가능하다. 저항 히터로 공기를 자동 흡입하여 측정한다.
PPD42NS와 DSM501A 센서는 열 저항을 사용하여 열을 발생시킨 후 자연 대류 공기의 광산란 영역을 통과하는 입자를 측정한다. 반면 GP2Y1010AU0F는 공기의 흐름을 허용하기 위해 센서 중심에 구멍이 존재하는 구조이다.
[성능 비교]
다음은 GP2Y1010, DSM501 PMS1003과의 사양을 비교한 표이다.
PPD42NS 사양
PPD42NS의 성능은 다음과 같다.
[센서 측정값]
다음 그래프는 Shinyei가 대기 질을 어떻게 계산하고 있는지를 나타낸다
(1) 먼저 통과 대역 필터를 적용하여 매우 작은 입자 나 노이즈를 제거한다. "P1"의 출력은 크기가 약 1 마이크로미터 이상인 PM 용이다.
(2) 강도 (또는 입자 크기)와 상관없이 입자가 보이는 시간을 계산한다.
- Lowpulseoccupancy : 주어진 30 초 동안 탐지된 Low Pulse Occupancy Time (LPO Time)을 나타낸다. 단위는 마이크로 초이다. "LPO (Low Pulse Occupancy)"라고도 하는 이 시간은 센서를 순환하는 공기의 "opacity percentage"로 간주될 수 있다. 다양한 입자 크기에 대한 LPO를 측정하기 위해 센서는 통과 대역 필터를 조정할 수 있는 가변 입력을 제공한다.
- Ratio : 비율은 LPO 시간이 전체 샘플 시간을 차지하는 수준을 반영
- Concentration : 농도는 물리적 의미를 갖는 수치이다. LPO 시간을 사용하여 특성 그래프(output P1 Characteristics)에서 계산된다.
(3) 총 30초를 PPD42NS 센서에서 출력되는 Low 시간을 측정하여 먼지가 지난 비율을 이용하여 미세먼지의 현재 농도를 파악하게 된다.
(4) 또한 센서는 계량 방법을 사용하지 않고 먼지 농도를 측정하기 위해 계수 방법을 사용한다. 단위는 pcs / L 또는 pcs / 0.01cf이다. 단위를 보면 0.0cf라고 되어 있다. cf는 cubic ft(피트)의 줄임말로 세제곱 ft를 뜻하다. 그리고 그 뒤로 Particle Size:over 1um이라고 되어 있다.
(5) pcs / 0.01cf 단위를 우리가 흔히 사용하는 um/m3 단위로 변환해야 한다.
• lowpulseseoccupancy : 30초 동안 누적된 low로 떨어진 시간의 값을 ㎲ec단위로 가지고 있는 변수
• ratio : 전체 측정 시간 중에서 Pulse가 Low 인 비율 계산
• concentration : 비율을 0.01 ft3 당 개수로 변환한 값
• Sampletime_ms : 30초 동안 측정하므로 msec단위로 30,000이란 값을 가진 변수
• concentration : pcs/283ml=0.01cf의 단위를 ㎍/㎥ 로 변환
[출력 값 보정]
PPD42NS 센서의 주의할 점은 측정값의 편차가 심하다. 단순히 측정값 만을 나열하면 아래와 같이 기복이 심한 그래프가 나온다.
수집된 값들을 50개씩 묶어서(12.5분간 측정한 자료에 해당) 평균을 내면 아래와 같은 그래프가 된다. 먼지 농도의 변화를 파악하기 훨씬 좋은 상태가 됨을 알 수 있다.
PPD42NS 미세먼지 아두이노 센서 구입하기
다음과 같이 [모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 사용한 PMS7003 미세먼지 아두이노 센서는 알리익스프레스, 네이버 쇼핑몰, 아마존 등에서 센서를 구입할 수 있다.
알리익스프레스에서 센서를 구입할 수 있다.
[알리익스프레스]
네이버에서 센서를 구입할 수 있다.
[네이버 쇼핑]
아마존에서 센서를 구입할 수 있다.
[아마존]
PPD42NS 미세먼지 아두이노 센서 동작 확인
[모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 소개하는 PPD42NS 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)을 선택해서 컴파일을 진행한다.
04 아두이노 우노 업로드
컴파일이 이상 없이 완료되면 스케치> 업로드(CTRL+U)를 선택해서 컴파일 파일을 업로드한다.
05 동작 확인
다음과 같이 동작을 확인할 수 있다.
다음과 같이 아두이노 IDE와 시리얼 모니터에서 동작을 확인할 수 있다.
참고문헌
다음과 같이 [모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 사용한 센서의 참고 문헌은 다음과 같다.
[19] Michael Heimbinder, Make Your Own AirCasting Particle Monitor,
[20] PPD42NS Datasheet, “Specification”, p1
[21] Testing the Shinyei PPD42NS,
[22] Austin, E., Novosselov, I., Seto, E. and Yost, M.G., Laboratory evaluation of the Shinyei PPD42NS low-cost particulate matter sensor, PLoS One, 2015
[23] Canu, M., Galvis, B., Morales, R., Ramirez, O. and Madelin, M., Understanding the Shinyei PPD42NS low-cost dust sensor. 2018 IEEE International Conference on Environmental Engineering (EE), 2018
[24] Measuring the Pickle Jr. - a modified PPD42 with an attached fan
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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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