본 절은 [MD0550 기류(Air Flow) 아두이노 센서]를 사용하기 위해 알아야 할 내용과 실습 방법에 대해 설명한다. 센서의 특징, 동작원리, 사양, 연결 핀 배열, 출력 값, 주의사항을 알아본다. 아두이노와 센서를 연결하고, 라이브러리를 이용해 쉽게 실습한다.
목차
MD0550 기류(Air Flow) 아두이노 센서
기류(Air Flow) 인체에 미치는 영향
기류(Air Velocity/Flow)란 공기의 흐림이다. 기류는 기압과 기온의 차이로 발생하는 공기의 흐름과 인공적인 바람 등으로 공기의 흐름이 발생한다. 기류 단위는 m/s(미터 퍼 세크, meter per second) 또는 mph(마일, miles per hour)를 사용한다.
환기는 오염 공기의 배출을 목적으로 하는 공기의 흐름이지만, 통풍은 바람이 통하는 그 자체가 목적이다.
환기(자연환기, 기계 환기)나 통풍으로 실내의 기류가 발생한다. 쾌적한 실내 공기질을 위해 환기가 도움이 되고, 여름철 더우면 에어컨과 선풍기를 틀고 겨울에는 온풍기 등을 틀면 모두 실내 기류를 발생시킨다. 또한, 실내의 공기질을 위해 공기청정기, 에어서큘레이터, 선풍기 등도 실내 기류를 발생시킨다.
통풍효과는 창이나 문을 통해 자연적으로 바람이 외부에서 신선한 공기가 실내로 들어오고 위쪽으로 오염된 공기가 빠져나가 깨끗한 실내 공기를 유지할 수 있게 한다.
하지만 요즘은 패시브 하우스와 같이 에너지 효율을 높이기 위해 냉난방의 실내 밀폐율을 높여 건축된다. 통풍이 잘 되지 않아 공기의 흐름이 원활하지 않아 실내의 공기 오염 물질이 정체된다.
우리가 생활하는 집도 숨을 쉬어야 한다. 혈액순환이 잘 되어야 사람이 건강한 것처럼, 실내의 기류가 잘 순환되어야 사람이 생활하기 쾌적한 환경이 된다. 바람은 인체로부터의 열을 빼앗는 방열을 촉진한다. 풍속 1m/sec 마다 온도 1℃ 저하된 것과 같은 추위를 느낀다고 알려져 있다.
기류에 따라 실내에 발생된 공기 오염물질이 정체되기도 하고 순환되기도 하며, 외부로부터 유입되기도 한다.
사람은 혈액순환이 잘 되어야 건강한 것처럼, 우리가 사는 실내공간도 기류가 잘 순환되어야 쾌적한 실내 공간이 된다. 기류는 사람이 느끼는 온열 쾌적성과 실내 공기 오염 물질의 이동에 영향을 준다.
온열 쾌적성:
실내 공기 속도는 공간 내 사람들의 열 쾌적성에도 영향을 미친다. 공기 속도가 빠를수록 공간에 있는 사람과 주변 공기 사이의 열 교환이 커진다. ASHARA(미국 난방 냉동 공기조화 학회)에서는 인간의 온열환경에 대한 감각인 온열 쾌적성을 덥지도 춥지도 않은 열적 중립상태로 온열환경에 만족하는 마음의 상태라고 정의하고 있다. 온열환경에서 인간의 쾌적감에 영향을 주는 요인들은 온도, 습도, 기류, 방사 온도 등의 물리적 요인과 소음이나 조명, 날씨 등에 의한 환경적 요인뿐만 아니라 성별이나 연령, 체질, 심리상태 등을 고려한 개인적인 요인도 고려된다.
겨울철 “황소바람”이라고 흔히 부르는 외풍 실내로 들어온다. 외풍을 막기 위해 문틈 사이에 문풍지, 뽁뽁이를 붙여 문틈으로 세차게 불어 드는 바람을 막기도 한다. 웃풍을 막기 위해 방 안의 천장이나 벽 사이로 스며들어 오는 찬 기운을 막기 위해 단열 보강 공사 등을 하기도 한다. 찬 바람인 외풍과 찬 기운인 웃풍은 실내의 온열 쾌적성에 영향을 미치게 된다. 여름철에는 외부와 내부의 기온 차이로 실외의 더운 공기가 창문틈으로 들어오게 되며 에어컨을 틀어도 시원하지 않아 온열 쾌적성에 영향을 미친다.
따라서 실내에 있다고 하더라도 실내의 기류 흐름이 원할하지 않다면 여름에는 덥고, 겨울에는 춥게 되어 온열 쾌적성에 영향을 준다.
실내 공기 오염 :
기류에 따라 실내에 발생된 공기 오염물질이 정체되기도 하고 순환되기도 한다. 또한, 외부로부터 유입된 대기 오염물질이 실내로 유입되어 인체에 영향을 주기도 한다. 이런 이유로 다양한 공기의 흐름인 기류 이동에 따른 실내 오염농도의 변화가 예상되는 공간에서의 실내오염물질 확산 특성을 예측하는 연구 등이 발표되었다.
대표적으로 CFD(Computational Fluid Dynamics) 방법을 이용해 유체의 운동 방정식을 수치해석을 통해 실내의 기류 흐름을 측정하는 연구들이 진행되고 있다.
실내공기 오염 물질은 실내건축물 특성, 계절, 지역, 실내 거주자 특성, 환기 형태, 생활 방식 등에 따라 다양하게 발생한다. 또한, 외부 대기오염물질은 대도시의 경우 자동차 배기가스 등 오염된 대기가 실내로 유입되어 실내공기 오염을 증가시킬 수 있으며, 실내공기는 대기와도 매우 밀접한 관계가 있다.
실내로 유입되는 난방가스, 공사장 비산먼지 등도 실내공기를 오염시킬 수 있으며, 황사도 먼지의 증가로 인해 호흡기 질환 및 눈병 유발 등 피해를 줄 수 있다.
미국 냉공조학회(ASHRAE) 기준 콜드 드래프트(Cold draf) 없는 0.15m/s 이하의 바람을 무풍(Still Air)로 정의하고 있다.
콜드 드래프는 사람이 신진대사에 의해 열이 계속 생산되는데, 이때 열은 주위로 소모된다.
생산된 열량보다 소비되는 열량이 많으면 추위를 느끼게 되는 현상을 말한다. 사람 주위에 춥거나, 기류의 속도가 클 때, 습도가 낮을 때, 높은 벽면과 유리면이 있어 온도가 낮을 때, 단열이 안되어 추울 때, 겨울철창문으로 실외 바람이 들어오는 극간풍이 많을 때 콜드 드래프트 현상을 발생시킨다. 예를 들어 차가운 방에 있으면 발부분부터 차가워지는데 이 또한 콜드 드래프트 영향이다.
기류(Air Flow) 간이 측정기
실내 공기의 흐름을 측정하는 방법에는 열선 프로브(hot Wire), 베인 풍속계, 풍압 풍속계, 후드형 풍랑계 등이 있다.
- 열선 프로브는 가열된 물체에 바람이 닿으면 차갑게 냉각되는데, 이때 냉각의 정도를 측정해서 바람의 속도를 측정하는 원리이다.
- 베인 풍속계는 프로펠러가 바람에 의해서 회전할 때 회전속도가 풍속에 비례하는 것을 이용하여 풍속을 측정하는 풍속계이다.
- 풍압 풍속계란 압력의 차이를 측정하여 풍속을 구하는 풍속계로, ‘피토관’이라고 하는 관에 뚫린 작은 구멍의 압력차를 이용하여 풍속을 측정한다.
MD0550 기류(Air Flow) 아두이노 센서란?
Modern Device의 Wind Sensor Rev. C MD550 센서는 전자 프로젝트에 사용하도록 설계된 아날로그 출력을 갖춘 저가형 풍속 센서다. 풍속 센서지만, 실내에서 사람의 호흡 측정 센서 또는 HVAC(냉난방 공조기, heating, ventilation, & air conditioning) 모니터링 센서로 사용할 수 있다.
MD0550 센서 동작 원리
MD0550 센서는 총 5개의 PIN 이 있으며, RV를 통해 풍속을 측정한다. 3 개의 신호 핀과 전원 및 접지를 포함하는 총 5 개의 핀이 있다. 보다 정확한 연산 증폭기를 갖춘 최신 버전의 센서는 4 볼트와 5 볼트 사이에서 잘 작동하지만 더 높은 전압에서는 작동하지 않는다.
일정한 온도로 가열 한 다음 바람이 변함에 따라 가열된 요소를 온도로 유지하는 데 필요한 전력을 측정하는 원리이다. 풍속은 센서에 가해지는 열 (즉, 전력)에 비례한다.
• GND : 아두이노 접지와 연결된다.
• +V : 최상의 결과를 위해 + V 전원 5V 전압을 사용하며, 5-10V를 사용할 수 있다.
• OUT : 출력 전압이다. RV의 전압에 약 3을 곱한 후 전위차계의 설정에 의해 시프트 된다. 이 출력 전압은 주변 온도가 센서를 보정할 때 온도에서 크게 변동할 경우 포화(GND 또는 +V에 닿음)된다. 이 출력의 감도는 R11을 교체하여 변경할 수 있다. 감도가 높을수록 주변 온도 변화에 따라 센서가 더 쉽게 포화된다.
• RV : 원시 루프 전압이며 교정 된 출력에 사용할 출력이다. 접지 또는 +V에 도달되지 않는다. 실온에서도 약 1.8V 아래로 떨어지지 않는다. 이 전압은 교정 전위차계의 영향을 받지 않는다. 센서의 출력은 로그이다. 즉, 센서는 최저값에서 약간의 공기 이동을 캡처할 수 있지만 공기 흐름이 시간당 약 100km에 도달할 때까지 최대 출력으로 포화되지 않는다. 바람 센서와 함께 사용하기 위한 아두이노 연결은 이 핀을 출력으로 사용하도록 구성되어 있다.
• TMP : 온도 출력. 전압 분배기 저항과 서미스터이다. 실온에서 약 2.8V를 읽으며 더 높은 온도와 더 낮은 온도로 내려간다.
MD0550 센서 보정
센서를 보정해서 사용할 수 있다. 바람 센서에는 바람이 불지 않는 상태에 대한 센서를 교정할 때 사용되는 작은 트리머 저항기가 포함되어 있어 간단히 교정을 할 수 있다.
• 단순히 센서 위에 유리잔을 올려 바람을 막고 원하는 0레벨에 맞춰 트리머 저항기를 조절하기만 하면 된다.
• 6v전원을 사용하여 바람이 불지않는 상태에서 5V의 출력을 제공하지만 원하는 대로 교정할 수 있다.
• 교정 점이 낮을수록 (예 : 0.2V) 하이 엔드에서 감지 기능이 약간 더 높아진다. 더 높은 전압 공급을 사용하려면 재 보정이 필요하다.
MD0550 기류(Air Flow) 아두이노 센서 구입하기
[모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 사용한 [MD0550 기류(Air Flow) 아두이노 센서]는 메카솔루션 등에서 센서를 구입할 수 있다
메카솔루션
MODERN DEVICE
MD0550 기류(Air Flow) 아두이노 센서 동작 확인
[모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 소개하는 [MD0550 기류(Air Flow) 아두이노 센서]는 라이브러리를 사용하여 간편하게 동작 확인을 할 수 있다.
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개발환경 : WINDOWS 10
아두이노 IDE : 1.8.13
------------------------------------------------------
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
/*
@타이틀 : 기류 측정 센서
*/
#include <C503_Steam_Air_MD0550_AirVelocity.h> // 내부 라이브러리 헤더 파일
#define RvPIN A2
#define TmpPIN A1
SteamMD0550 md0550(RvPIN, TmpPIN); // 인스턴스, 핀 번호를 입력한다.
void setup() {
Serial.begin(57600); // 57600bps의 속도로 시리얼 통신을 시작한다.
md0550.begin(); // (1) 센서를 초기화한다.
}
void loop() {
md0550.read(); // (2) 센서의 값을 측정한다.
md0550.display(); // (3) 센서의 값을 출력한다.
delay(1000); // 1초 동안 대기한다.
}
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.
마무리
본 절에서는 실내 기류가 인체에 미치는 영향과 기준 농도 및 간이측정기의 측정 범위와 측정기에 사용되는 센서들을 알아보고, 실제 기류를 측정할 수 있는 기류 센서와 아두이노를 이용해 직접 제어해보았다.
센서를 창가에서 먼 곳, 가까운 곳, 중간 거리에 있는 위치에 설치하고, 수직으로 상, 중, 하 세 가지 높이로 설치하여 온도 및 기류를 측정하여, 실내의 정확한 온도 및 기류 분포를 지속적으로 모니터링하고 실내 공기를 제어하는 데 활용할 수 있다. 본 절에서는 실내 기류(Air Velocity/Flow)가 인체에 미치는 영향과 기준 농도 및 간이측정기의 측정 범위와 측정기에 사용되는 센서들을 알아보고, 실제 아황산가스를 측정할 수 있는 기류 센서와 아두이노를 이용해 직접 제어해보았다.
실내 공기는 순환되어야 한다. 우리가 느낄 수 있는 바람이 적당하면 쾌적하지만, 그 이상이면 불쾌감을 느낄 수 있다. 또한 실내 공기 오염물질은 한 곳에 정체되어 있으면 안 되며 순환되어 외부로 배출이 되어야 한다. 적당한 통풍 및 적당한 환기가 필요하다.
온도, 습도, 기압, 외풍, 외풍, 건축자재, 생활 습관 등 다양한 요소로 인해 기류가 생성되고 우리에게 영향을 준다.
공조 에너지 절약 및 실내 공기 오염물질 순환 등 쾌적한 실내 환경을 위해서 미국의 공조 시스템 협회인 ASHRAE 표준과 같이 창가에서 먼 곳, 가까운 곳, 중간 거리에 있는 위치에 센서들을 설치하고, 수직으로 상, 중, 하 세 가지 높이로 센서를 설치하여 온도 및 기류를 측정할 수 있다. 실내의 정확한 온도 및 기류 분포를 지속적으로 모니터링하고 HVAC(Heating, Ventilation, and Air Conditioning) 제어를 하는데 활용할 수 있다.
참고문헌
다음과 같이 [모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 사용한 [MD0550 기류(Air Flow) 아두이노 센서]의 참고 문헌은 다음과 같다.
[28] 네이버 지식백과 기류,
[29] 송두삼, 이명규, 실간 기류 이동에 따른 오염물질 확산에 대한 평가 방법, 대한 건축학회 학술발표대 회 논문집 - 계획계, 2005
[30] 장충선, 금종수, 박종일, 신병환, 이재권, 김영생, 기류 발생 및 실내 온도에 따른 Draft 관련 생리량 분석, 대한 설비공학회 학술발표대회 논문집, 2004
[31] 김창남, 김동석, 김태연, 이윤규, 이승복, 아파트 공간의 전열교환 환기시스템에 의한 실내 VOCs의 농도 변화 예측, 대한 설비공학회 학술발표대회 논문집 2005
[32] 박주영, 성현우, 김용수, 운영유지단계에서의 다중이용시설 및 주거용 시설을 대상으로 한 실내 기 류 분석 기반 최적 환기 수단 선정 방법, 대한 건축학회 학술발표대회 논문집, 2020
[33] 이규남, 정근주, 에어 서큘레이터의 냉방 적용 시 실내 기류 확산 및 온열환경 개선 효과, 한국 건축 친환경설비 학회 논문집, 2017
[34] 송우석, 서형준, 김영재, 주거 환경 내 공기청정기 기류 특성이 실내 공기 청정 속도에 미치는 영향, 대한 설비공학회 학술발표대회 논문집, 2014
[35] 네이버 지식백과 기류,
[36] 네이버 지식백과 불감 기류,
[37] ANSI/ASHRAE Addenda d, e, f, and g to ANSI/ASHRAE Standard 55-2004, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy
[38] Gabriel Yurko, Real-Time Sensor Response Characteristics of 3 Commercial Metal Oxide Sensors for Detection of BTEX and Chlorinated Aliphatic Hydrocarbon Organic Vapors, 2019
[39] Moderndevice MD0550,
[40] E-AV-LC-7Datasheet,
[41] 메카 설루션, 바람 센서(wind sensor)
[42] NETWORK Technologies Incorporated, E-AV-LC-7,
[43] 알리익스프레스 NF610,
[44] Modern device, “Specifications”,
[45] Modern device, “Wind Sensor Calibration and the Wind Tunnel”,
[46] Modern Device, Wind Sensor Calibration and the Wind Tunnel,
[47] Modern Device, Wind Sernsor Progress,
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모두의 아두이노 환경 센서 책
[모두의 아두이노 환경 센서] 책은 예스24, 인터넷 교보문고, 알라딘, 인터파크도서, 영풍문고, 반디앤루니스 , 도서11번가 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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