본 절은 [MQ-131 오존 아두이노 센서]를 사용하기 위해 알아야 할 내용과 실습 방법에 대해 설명한다. MQ-131 오존 센서의 특징, 동작원리, 사양, 연결 핀 배열, 출력 값, 주의사항을 알아본다. 아두이노와 MQ-131 오존 센서를 연결하고, 라이브러리를 이용해 쉽게 실습한다.
목차
MQ-131 오존 아두이노 센서
우리는 회사, 학교, 학원 등 개인적인 목적을 위해 이동하기도 하고 가족, 친구, 연인과 함께 시간을 보내기 위해 캠핑, 소풍, 물놀이, 여행 등 야외에서 활동하기도 한다. 우리가 의식하지 못하는 곳에서 항상 대기 오염물질에 노출되어 생활하고 있다
인간이 만들어낸 대기오염물질은 대부분 지상으로부터 1~2km 이내에 존재한다. 오존은 대기 중으로 직접 배출되지 않으며, 1차 오염물질인 질소산화물 (NOx), 탄화수소 (HC), 메탄(CH₄), 일산화탄소(CO) 등 대기 오염물질이 햇빛에 광화학 반응을 일으켜 만들어지는 2차 오염물질이다. 특히 질소산화물(NOx)과 휘발성 유기화합물(VOCs)이 오존의 가장 큰 원인이다. 질소산화물은 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO₂)를 통칭하는 말로 석탄·석유 등 화석연료를 태우는 과정에서 배출된다.
생성된 오존 중 일부(지표오존)는 대기 중 또 다른 오염물질과 2차 반응하여 광화학 스모그를 유발한다. 광화학 스모그는 황갈색 안개를 만드는 현상으로 가시거리가 짧아지고 호흡기나 눈을 자극하게 된다. 정부가 대기환경기준을 정하고 대기오염물질로 관리하는 오존은 인체의 건강에 영향을 미치는 대류권의 오존을 말한다.
해외 광화학 스모그의 대표적인 사건 사례 도시로 로스엔젤레스와 도쿄를 들 수 있다. 1955년 로스엔젤레스 도시의 여름은 38 ℃를 넘는 이상고온과 대기 중 오존 농도가 0.05ppm이 1주일간 지속되었다. 이때 다수의 천식 및 기관지염 환자가 발생하였다. 65세 이상의 노인 사망자수가 평소의 4배 이상 급증하였다. 1970년 도쿄의 광화학 스모그는 3개월간 일만여 명의 시민이 피해를 호소한 사건이 있었다.
오존(O3) 인체에 미치는 영향
오존은 대류권(지상~높이 10km 정도)에 있는데 강력한 산화력이 있어 적당량이 있을 때는 사람에게 이롭다(살균, 탈취 등). 하지만 지표면에 생성되는 오존은 농도가 일정 기준 이상 높아지고 반복 노출되면 인체에 나쁜 영향을 미친다.
예를 들어 가슴의 통증, 기침, 메스꺼움, 목 자극, 소화 등에 영향, 기관지염, 심장질환, 폐기종 및 천식 악화, 폐활량 감소, 맥박과 혈압이 감소하고, 어지러움 증상이 발생할 수 있다.
정도가 심할 경우 폐 손상을 유발시킬 수 있고, 눈에 노출되면 염증이 생기기도 한다. 특히 면역력이 약한 어린이, 노약자가 오존에 장시간 노출되게 되면 호흡 곤란과 어지럼증을 호소하고 천식과 호흡기에 만성 질환을 일으킬 수 있어 오존 농도가 높은 날 특별히 실외 활동을 조심해야 한다
[나쁜 오존 기준 농도]
나쁜 오존 기준 농도는 다음과 같다.
MQ-131 오존(O3) 아두이노 센서란?
MQ-131 센서는 오존을 측정하는 센서다. 오존 센서는 대기 중 누출 오존을 측정하는 기상용 오존 센서, 물속에 녹아 있는 오존을 측정하는 용존 오존 센서 등으로 나뉜다.
[Winsen 홈페이지]
[MQ-131 센서 구성]
MQ-131 센서의 데이터 시트에 따르면, 센서는 전극(Electrode)은 금(Au)과, 전극선(Electrode line)은 금속산화물 반도체 한 쌍의 백금(Pt) 코일로 되어 있다. 코일을 감싸고 있는 반도체 물질 인 금속산화물(SnO2)로 구성된다. 히터는 니크롬 합금(Ni-Cr alloy)이 사용된다.
[MQ-131 센서 측정 원리]
반도체 센서는 금속 산화물 반도체(SnO2) 표면 위에 오존(O3)가스의 흡착에 따른 전기 전도도의 변화를 측정한다.
대기 중의 산소가 SnO2 결정립 표면에 흡착이 되면 표면에 전자 공핍층이 형성되고 그에 인해 결정립 사이에는 전위 장벽이 형성된다. 오존(O3)과 같은 가스가 유입되면 표면에 흡착된 산소의 농도가 줄어들게 되고 그에 따라 저자 공핍층의 두께가 줄어들어 전위 장벽이 낮아져 전체 저항이 감소하게 된다. 이때 변화된 저항값을 원래 저항값으로 나눈 값이 가스 감응도로 나타나게 된다. 즉, 오존 가스가 존재하면 가스 농도가 증가함에 따라 센서의 전도도가 낮아진다.
SnO2결정립 크기에 따른 가스 감응도 변화는 규슈 대학에서 보고한 것으로서 이러한 가스 감응도가 결정립의 크기가 감소함에 따라 급격히 증가하는 것을 보여준다
MQ-131 오존 가스 센서 모듈의 회로도는 BAOTER 3296 포테션미터와 LM393 비교기가 표함 되어 있다.
[MQ-131 센서 사양]
MQ-131 센서의 데이터 시트에 따르면, 센서는 저농도 측정과 고농도 측정 센서로 구분된다.
저농도 측정 센서는 10~1000ppb, 고농도 센서는 10~1000ppm로 측정한다.
입력 전압은 5v이며, 예열 시간은 48시간 이상 필요하다.
저농도 센서의 출력 전압(Output Voltage)은 표준 테스트 환경에서 ≥1.0v(in 200 ppb)이다.
[MQ-131 센서 출력값]
MQ-131 센서 감도 특성 곡선은 다음과 같다.
• ppb 단위의 Rs/R0 대 가스 농도를 그래프로 나타낸 것이다.
• 세로 좌표는 센서의 저항 비 (Rs / R0)이다.
• 가로 좌표는 오존 가스의 저농도 값이다. 저농도 범위는 10~1000 ppb이다.
• Rs는 대상 가스 내 센서의 저항이고 R0은 깨끗한 공기 내 저항이다.
• 세로 좌표는 센서의 저항 비 (Rs / Rso)를 의미한다.
• Rs는 온도 및 습도가 다른 200 ppb O3 가스의 센서 저항을 의미한다.
• Rso는 20°C/55% RH 미만 200 ppb O3 가스의 센서 저항을 의미한다.
또한 MQ-131 센서는 BAOTER 3296 트리머 포텐셔미터(Trimmer Potentiometer)인 가변저항기로 디지털 출력 시 센서의 민감도를 조절할 수 있다.
MQ-131 오존(O3) 아두이노 센서 구입하기
[모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 사용한 [MQ-131 오존 아두이노 센서]는 알리익스프레스, 네이버 쇼핑몰, 아마존 등에서 센서를 구입할 수 있다
알리익스프레스
네이버
아마존
MQ-131 오존(O3) 아두이노 센서 동작 확인
[모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 소개하는 [MQ-131 오존 아두이노 센서]는 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
/*
@타이틀 : MQ131 오존 센서
*/
#include <C401_Steam_Air_MQ131_O3.h> // 내부 라이브러리 헤더파일
#define AoutPIN A1
#define TEMP 24 // °C
#define HUMI 40 // %
SteamMQ131 mq131(AoutPIN); // 인스턴스, 핀 번호를 입력한다.
void setup() {
Serial.begin(115200); // 115200bps의 속도로 시리얼 통신을 시작한다.
mq131.begin(); // (1) 센서를 초기화 한다.
}
void loop() {
mq131.read(TEMP, HUMI); // (2) 센서의 값을 측정한다.
mq131.display(); // (3) 센서의 값을 출력한다
delay(6000); // 6초 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 오존이 인체에 미치는 영향과 기준 농도 및 간이측정기의 측정 범위와 측정기에 사용되는 센서들을 알아보고, MQ131 오존 가스 센서와 아두이노를 이용해 직접 오존을 측정해보았다.
오존은 어디든지 존재한다. 실외 오존 수치가 높아지고 '나쁨' 혹은 '매우 나쁨'인 경우에는 장시간 실외활동을 자제하고 가급적 실내활동을 해야 한다. 또한, 오존은 주로 실외에서 발생하지만 공기의 이동으로 실내로 유입되거나 실내에서 발생하는 전자제품이 있는 경우 실내의 오존 수치가 올라갈 수도 있다.
오존의 강한 산화력을 이용하면 살균, 탈취, 탈색 등이 가능하다. 그래서 일상생활뿐만 아니라 정수장, 병원 등 여러 실내공간에서 이용되고 있다. 일상생활 속에서 오존을 발생시키는 기기는 일부 공기청정기, 오존 살균세탁기 등의 가전제품, 복사기, 레이저 프린터 등의 사무기기가 대표적이다. 오존은 특유의 비릿한 냄새를 가지고 있어 인지가 가능하다. 그러나 냄새를 감지하는 순간 이미 일정 농도 이상의 오존에 노출된 상태이며, 장시간 노출되면 후각이 무뎌져 인지하지 못할 수 있다
실내공기질 관리법 시행규칙의 실내공기질 권고기준(제4조 관련)에 따르면 다중이용시설 실내 오존은 0.06ppm 이하, 실내주차장은 0.08ppm 이하를 권고기준으로 명시하고 있다.
본 절에서 설명한MQ-131 오존 저농도 센서는 실외뿐만 아니라 실내에서 오존을 측정하는 용도로도 사용할 수 있다. 실내에서 장시간 오존 발생 또는 오존 이용 제품을 사용할 때는 미세먼지나 오존주의보가 발령되지 않은 상태에서 실내에 맞바람이 들어오도록 주기적인 실내 환기가 필요하다. 오존 발생 장치 사용 중에 환기가 어렵다면, 사용 후 최소 30분 이상은 자연환기를 하는 것이 좋다.
참고문헌
다음과 같이 [모두의 아두이노 환경 센서] 책에서 사용한 [MQ-131 오존 아두이노 센서]의 참고 문헌은 다음과 같다.
[1] 에어코리아 실시간 대기 정보
[2] 에어코리아 대기환경 기준(해외)
[3] Winsen Datasheet
[4] ATI 00-1008Datasheet
[5] 알리익스프레스 MQ-131
[6] SR-G04 오존 센서
[7] ATI Ozone Sensor 0-2 ppm (00-1008)
[8] Winsen 홈페이지 오존 센서
[9] mq131-(low-concentration)-ver1_3-manual, “Technical Parameters”, p3
[10] mq131-(low-concentration)-ver1_3-manual, “Description of Sensor Characters”, p4
[11] 에어코리아
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[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.
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