블로그 형식으로 작성해줘Raspberry Pi 5와 PMS7003를 사용한 공기질 모니터

라즈베리파이

by 모스바코인 2024. 11. 8. 11:44

안녕하세요! 오늘은 Raspberry Pi 5, PMS7003 센서 및 Viam을 사용하여 공기질 모니터를 구축하는 방법을 소개하려고 합니다. 이 프로젝트를 통해 공기 여과 시스템을 자동화하고, 집 안의 공기질을 손쉽게 관리할 수 있습니다. 이제 시작해볼까요?

준비물

Raspberry Pi 5
PMS7003 공기 품질 센서
Viam
공기 여과 장치 (박스 팬 및 공기 필터)
전선 및 커넥터
Python 프로그래밍 언어

1. Raspberry Pi 5 설정

Raspberry Pi 5를 먼저 설정합니다. 운영체제를 설치하고, 필요한 소프트웨어 패키지를 설치합니다. Raspberry Pi의 GPIO 핀을 사용할 준비를 합니다.

2. PMS7003 센서 연결

PMS7003 센서를 Raspberry Pi에 연결합니다. 전원과 데이터 핀을 적절히 연결하여 센서가 데이터를 Raspberry Pi에 전달할 수 있도록 합니다. 아래는 핀 연결 예시입니다:

VCC -> 5V
GND -> GND
TX -> GPIO 14 (TX)
RX -> GPIO 15 (RX)

3. Viam 설정

Viam을 사용하여 공기 여과 장치와 센서를 통합합니다. Viam 플랫폼을 통해 조건부 워크플로를 설정하여, 미립자 값(PM2.5)이 임계값을 초과할 때 공기 여과 장치를 자동으로 켜고 끌 수 있습니다.

4. 코드 작성

Python을 사용하여 센서 데이터를 읽고, 임계값을 설정하는 코드를 작성합니다. 미립자 값이 설정한 임계값을 초과하면 공기 여과 장치가 작동하도록 합니다.

python

import RPi.GPIO as GPIO
import time
from pms7003 import PMS7003

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(18, GPIO.OUT)

sensor = PMS7003()

def read_pm25():
    return sensor.read()['PM2_5']

threshold = 50  # PM2.5 임계값 설정

while True:
    pm25 = read_pm25()
    if pm25 > threshold:
        GPIO.output(18, GPIO.HIGH)  # 공기 여과 장치 켜기
    else:
        GPIO.output(18, GPIO.LOW)   # 공기 여과 장치 끄기
    time.sleep(60)  # 1분 간격으로 측정

5. 조건부 워크플로 설정

Viam 플랫폼을 사용하여 공기 여과 장치의 작동 조건을 설정합니다. 센서 데이터가 임계값을 초과할 때 장치가 켜지고, 공기가 깨끗해질 때 다시 꺼지도록 조건부 워크플로를 설정합니다.

공기 여과 시스템을 항상 가동하는 것은 비효율적이지만 공기 질이 우려되는 수준에 도달하면 시스템을 켜는 것을 잊지 말아야 합니다. Viam을 사용하면 공기 품질 센서와 박스 팬에 부착된 공기 필터를 사용하여 공기 여과 시스템을 자동화할 수 있습니다. 미립자 값이 지정된 임계값을 초과할 때 공기 여과를 켜고 공기가 깨끗해질 때 다시 끄도록 조건부 워크플로를 설정합니다.

공기 여과 장치를 항상 작동시켜 두거나 켜는 것을 잊어버리는 대신 집 안의 공기에서 가정용 오염 물질과 알레르겐을 자동으로 제거하는 방법입니다.

방법 알아보기: 감지된 미립자(PM2.5) 값이 특정 임계값을 초과할 때 공기 여과 시스템을 트리거하는 공기 품질 모니터를 구축합니다.

공급

무료 Viam 계정에 가입한 다음 Viam 앱에 로그인합니다
하드웨어 및 소모품 요구 사항
1 - 라즈베리 파이 5
1 - Pi와 함께 사용할 USB 플래시 드라이브 또는 microSD 카드
1 - Pi에 전원을 공급하기 위한 USB 케이블
1 - 매장에서 구입하거나 3D 프린팅한 Raspberry Pi 케이스(예: 여기)
1 - PM2.5 공기질 센서(G7 전송 보드 포함)
4 - 공기 센서를 Pi에 연결하기 위한 점퍼 와이어
1 - Kasa 스마트 플러그(지원되는 Kasa 모델: EP10, EP25, HS100, HS103, HS105, HS110, KP100, KP105, KP115, KP125, KP125M, KP401)
1 – 20" 박스 팬
1 - 20" x 20" x 1" MERV 13 정전기 공기 필터(가장 효과적인 11-13)
4 - 3D 프린팅 클립(또는 에어 필터를 박스 팬에 부착하기 위한 덕트 테이프)

1단계: 공기 모니터링 장치 설정

PMS7003 미립자 센서는 공기 질을 측정하고 Raspberry Pi의 송신기 핀(TX)에서 수신기 핀(RX 핀)으로 직렬 스트림으로 데이터를 전송합니다.

pinout.xyz 웹 사이트는 Raspberry Pi에 대한 각 핀의 정확한 레이아웃과 역할을 제공하는 유용한 리소스입니다.

Raspberry Pi를 PMS7003 공기 모니터링 장치에 연결하려면 다음 배선도를 참조하십시오.

핀 4(3V)를 VCC(전원)에 핀
핀 6(GND) - GND(접지)
핀 8(TX) - RX(수신기)
핀 10(RX) - TX(송신기)

Raspberry Pi에 전원을 공급하려면 이전의 USB 코드를 사용하여 컴퓨터에서 전원을 계속 공급하거나 별도의 USB 전원 공급 장치를 사용할 수 있습니다.

장치가 손상되지 않도록 적절한 5V 전원 공급 장치를 사용하여 Raspberry Pi를 실행해야 합니다.

2단계: 에어 필터 설정

박스 팬과 에어 필터를 결합하여 나만의 공기 청정기를 만들어 중소 규모의 밀폐된 공간에서 공기를 효과적으로 청소하세요.

필터를 팬 뒷면에 부착하여 공기 흐름 화살표가 팬을 가리키도록 합니다. 팬은 작동할 때 필터를 통해 공기를 끌어당겨야 합니다. 필터가 팬의 전원 손잡이에 대한 액세스를 차단하는 경우 이제 필터를 켜짐 위치로 전환하는 것이 좋습니다.
3D 프린팅 클립 또는 덕트 테이프를 사용하여 필터를 고정합니다. 필터가 처음 사용된 날짜를 필터에 직접 씁니다.

3 단계 : 스마트 플러그 설정

Kasa 스마트 플러그를 전원 콘센트에 꽂습니다.
스마트 플러그를 설정하고 App Store 또는 Google Play의 Kasa 모바일 앱을 사용하여 로컬 Wi-Fi에 연결하십시오.
라우터의 관리 페이지에서 스마트 플러그의 IP 주소를 찾으십시오. 에서 web 브라우저에서 라우터의 IP 주소(일반적으로 192.168.1.1 또는 192.168.0.1)를 입력하고 관리자 사용자 이름과 비밀번호를 사용하여 로그인합니다. "연결된 장치", "장치 목록" 또는 "DHCP 클라이언트"와 같은 섹션을 찾습니다. 이름, MAC 주소(Kasa 모바일 앱에 표시) 또는 제조업체 이름(일반적으로 TP-Link)으로 Kasa 스마트 플러그를 찾습니다. 곧 다시 필요하므로 IP 주소를 기록해 두십시오.

명령줄 대안: python-kasa라이브러리를 설치하고 kasa discover 명령을 입력하여 연결된 장치의 IP 주소를 찾습니다.

박스 팬을 Kasa 스마트 플러그에 꽂습니다.

4단계: Raspberry Pi 설정

Raspberry Pi는 USB 플래시 드라이브(또는 microSD 카드)에서 부팅됩니다. Pi와 함께 사용할 USB 플래시 드라이브에 Raspberry Pi OS를 설치해야 합니다. Raspberry Pi를 설정하는 다른 방법에 대한 자세한 내용은 Viam 문서를 참조하십시오.

Raspberry Pi OS 설치

USB 플래시 드라이브(또는 microSD 카드)를 컴퓨터에 연결합니다.
Raspberry Pi Imager를 다운로드하고 실행합니다.

CHOOSE DEVICE(장치 선택)를 클릭합니다. Pi 모델(Raspberry Pi 5)을 선택합니다.
OS 선택을 클릭합니다. 메뉴에서 Raspberry Pi OS(64비트)를 선택합니다.
CHOOSE STORAGE(스토리지 선택)를 클릭합니다. 장치 목록에서 Raspberry Pi에 사용할 USB 플래시 드라이브를 선택합니다.

원격 액세스를 위해 Raspberry Pi를 구성합니다. 다음을 클릭합니다. OS 사용자 지정 설정을 적용하라는 메시지가 표시되면 설정 편집을 선택합니다.
Set hostname(호스트 이름 설정)을 선택하고 해당 필드에 Pi에 액세스하려는 이름(예: air)을 입력합니다.
사용자 이름 및 암호 설정 확인란을 선택하고 Pi에 로그인하는 데 사용할 사용자 이름(예: 이름)을 설정합니다. 이 단계를 건너뛰면 기본 사용자 이름은 pi가 됩니다(보안상의 이유로 권장되지 않음). 그리고 암호를 지정하십시오.
viam-server를 무선으로 실행할 수 있도록 Pi를 Wi-Fi에 연결합니다. Configure wireless LAN(무선 LAN 구성)을 선택하고 무선 네트워크 자격 증명을 입력합니다. SSID(Service Set Identifier의 약자)는 Wi-Fi 네트워크 이름이고 password는 네트워크 암호입니다. 무선 LAN 국가 섹션을 라우터가 현재 작동 중인 위치로 변경합니다.

서비스 탭을 선택하고, SSH 사용을 선택하고, 암호 인증 사용을 선택합니다.

Pi에 SSH로 연결할 때 필요하므로 설정한 호스트 이름과 사용자 이름을 기억해야 합니다.

업데이트를 저장하고 YES를 확인하여 OS 사용자 지정 설정을 적용합니다. USB 플래시 드라이브의 데이터를 지우려면 YES를 확인합니다. 운영 체제에서 관리자 암호를 입력하라는 메시지가 표시될 수도 있습니다. Imager에 권한을 부여한 후 USB 플래시 드라이브에 Linux 설치를 쓰고 확인하기 시작합니다.
설치가 완료되면 컴퓨터에서 USB 플래시 드라이브를 제거합니다.

SSH로 연결

USB 플래시 드라이브를 Raspberry Pi에 넣고 콘센트에 연결하여 Pi를 부팅합니다. Pi가 전원에 연결되었음을 나타내기 위해 빨간색 LED가 켜집니다.

5V 5A(25W) 전원 공급 장치를 사용하고 있는지 확인하십시오. USB 부팅은 3A 전원 공급 장치에 연결되어 있을 때 기본적으로 비활성화되어 있으므로 Raspberry Pi 5의 최적 성능을 위해서는 적절한 암페어가 필요합니다.

Pi가 시작되면 SSH로 연결합니다. 명령줄 터미널 창에서 다음 명령을 입력합니다. <>의 텍스트(< 및 > 기호 자체 포함)는 Pi를 설정할 때 구성한 사용자 및 호스트 이름으로 바꿔야 합니다.

ssh <USERNAME>@<HOSTNAME>.local

"계속 연결하시겠습니까?"라는 메시지가 표시되면 "yes"를 입력하고 Enter 키를 누릅니다. 그런 다음 사용자 이름의 비밀번호를 입력합니다. 로그인 메시지와 명령 프롬프트가 표시됩니다.

Raspberry Pi를 업데이트하여 모든 최신 패키지가 설치되었는지 확인합니다.

sudo apt 업데이트

sudo apt 업그레이드

통신 프로토콜 사용

다음 명령을 실행하여 Pi 구성 도구를 시작합니다

sudo raspi-config

키보드를 사용하여 "인터페이스 옵션"을 선택하고 return 키를 누릅니다.

하드웨어를 지원하기 위해 관련 프로토콜을 활성화합니다. 직렬 포트를 통해 통신하는 센서를 사용하고 있으므로 직렬 포트를 활성화합니다.

옵션을 확인하여 직렬 로그인 셸 및 직렬 인터페이스를 활성화합니다. 완료되면 Pi를 재부팅하십시오.

5단계: 컴퓨터 및 주변 장치 구성

Viam 앱에서 이름을 입력하고 Add machine(컴퓨터 추가)을 클릭하여 컴퓨터를 만듭니다.

설정 안내 보기를 클릭합니다.

공기 센서와 통신하고 제어하는 데 사용할 Raspberry Pi 장치에 viam-server를 설치합니다. Raspberry Pi가 공기 센서를 제어할 Linux/Aarch64 플랫폼을 선택하고 설치 방법을 viam-agent로 둡니다.

viam-agent를 사용하여 Raspberry Pi에 viam-server를 다운로드하고 설치합니다. 지침에 따라 Raspberry Pi의 SSH 프롬프트에서 설정 지침에 제공된 명령을 실행합니다.

기기가 성공적으로 연결되면 설정 페이지에 표시됩니다.

라즈베리 파이 추가

Viam 앱에서 CONFIGURE(구성) 탭을 찾습니다. 이제 하드웨어를 구성할 차례입니다.
왼쪽 메뉴에서 + 아이콘을 클릭하고 구성 요소를 선택합니다.

보드를 선택하고 pi5 모듈을 찾습니다. 이렇게 하면 Raspberry Pi 5의 GPIO 핀으로 작업하기 위한 모듈이 추가됩니다. 지금은 기본 이름인 board-1을 그대로 둡니다.
이 모듈을 추가하면 board-1이라는 보드 하드웨어 구성 요소가 추가됩니다. 오른쪽의 접을 수 있는 카드는 왼쪽 사이드바에 나열된 부분에 해당합니다.

오른쪽 상단에서 Save(저장)를 클릭하여 구성 변경 사항을 저장하고 적용합니다.

문제가 발생하면 LOGS 탭에서 무엇이 잘못되었는지 확인합니다.

오른쪽 상단에서 Save(저장)를 클릭하여 구성 변경 사항을 저장하고 적용합니다. 문제가 발생하면 LOGS 탭에서 무엇이 잘못되었는지 확인합니다.

공기 센서 추가

Viam 앱에서 + 아이콘을 클릭하고 구성 요소를 선택합니다. 센서를 선택하고 air:pms7003 모듈을 찾은 다음 모듈 추가를 클릭합니다. 이 모듈은 이 자습서에서 사용하는 특정 하드웨어를 지원하는 센서 모델을 제공합니다. 지금은 기본 이름인 sensor-1을 그대로 둡니다.

이 모듈을 추가하면 sensor-1이라는 센서 하드웨어 구성 요소와 Raspberry Pi와 공기 센서가 서로 작동하는 방식에 대한 논리가 포함된 pms7003이라는 모듈이 추가됩니다.

업데이트를 저장합니다.

스마트 플러그 추가

Viam 앱에서 컴퓨터가 Wi-Fi를 통해 스마트 플러그와 통신할 수 있도록 나머지 하드웨어를 구성해 보겠습니다. 왼쪽 메뉴에서 + 아이콘을 클릭하고 구성 요소를 선택합니다. generic을 선택하고 kasa:switch 모듈을 찾습니다. 이것은 python-kasa 라이브러리를 사용하도록 구성된 일반 모듈입니다. 즉, Kasa 제조업체의 API를 Viam과 함께 사용할 수 있게 해주는 추상화 계층입니다.

이 모듈을 추가하면 generic-1이라는 일반 하드웨어 구성 요소와 Raspberry Pi와 스마트 플러그가 서로 작동하는 방식에 대한 논리가 포함된 kasasmartplug라는 모듈이 추가됩니다.
generic-1 카드의 CONFIGURE 섹션에서 이전 단계에서 찾은 스마트 플러그의 IP 주소를 다음과 같이 형식화하여 추가합니다.

{

"plug_ip": "192.168.1.169"

}

업데이트를 저장합니다.

6단계: 공기 센서 테스트

Viam 앱의 CONTROL 탭에서 generic-1 및 sensor-1이라는 두 개의 하드웨어 구성 요소를 볼 수 있습니다. CONFIGURE 탭에서 구성한 스마트 플러그 및 공기 센서입니다.

센서-1 카드를 찾아 TEST 아코디언을 확장합니다. 추가한 모듈에는 공기 센서에서 판독값을 가져오는 GetReadings 기능이 있습니다. Manual refresh(수동 새로 고침)를 선택한 다음 새로 고침 아이콘을 클릭하여 판독값을 수동으로 가져옵니다.

문제가 발생하면 LOGS 탭에서 무엇이 잘못되었는지 확인합니다.

이러한 값이 무엇을 의미하는지 궁금하다면 미국 환경보호국(EPA)의 미립자 물질(PM)에 대한 기본 사항을 참조하십시오. 가정의 실내 공기질을 측정하기 위해 매우 작은 입자 크기인 PM2.5를 살펴보겠습니다.

7단계: 스마트 플러그 테스트

다음으로, 스마트 플러그가 제대로 작동하는지 테스트하십시오. 팬이 전원이 공급되는 스마트 플러그에 여전히 연결되어 있는지 확인하십시오. 또한 팬 손잡이가 켜져 있는지 확인하십시오.
Viam 앱의 CONTROL 탭에서 generic-1 카드를 찾아 DOCOMMAND 아코디언을 확장합니다. 우리가 추가한 모듈에는 스마트 플러그를 제어하는 몇 가지 기능이 있습니다. 입력 섹션에서 다음 JSON 개체(팬이 아직 실행 중인 경우)를 추가한 다음 실행을 클릭하여 스마트 플러그를 끕니다.

{

"toggle_off": []

}

이제 JSON 개체에서 "toggle_off"를 "toggle_on"로 업데이트하고 다시 한 번 실행합니다.
레지스트리의 모듈 목록에서 모듈의 README에 있는 추가 설명서를 참조하여 하드웨어를 테스트하는 데 사용할 수 있는 다른 기능에 대해 알아볼 수 있습니다.

8단계: 공기 모니터링 장치 프로그래밍

이 시점에서 컴퓨터와 주변 장치를 구성하고 테스트했지만 아무 것도 자동으로 수행되지 않습니다. 다음 섹션에서는 공기 모니터링 장치를 좀 더 스마트하게 프로그래밍하십시오. 기계가 주기적으로 판독값을 얻도록 하고, 값이 높으면 공기 필터를 켜고, 값이 낮으면 다시 끄십시오.

자동화 스크립트 만들기

스크립트를 실행하는 명령을 자동으로 실행하도록 시스템을 구성하려면 Viam 프로세스를 사용합니다. 컴퓨터에 process.py 라는 새 파일을 만듭니다.

$ 터치 process.py

이 샘플 코드를 복사하여 새 파일 process.py 에 붙여넣습니다. 이 코드를 사용하면 Raspberry Pi를 센서와 플러그 모두에 연결하고 논리를 실행할 수 있습니다.
이제 제어 코드를 Raspberry Pi 장치로 이동할 차례입니다. 아직 SSH가 아닌 경우 Raspberry Pi에 SSH로 연결합니다.
Raspberry Pi의 SSH 프롬프트에서 Python 패키지 관리자를 설치합니다.

$ sudo apt 설치 -y python3-pip

Viam Python SDK를 process라는 새 디렉토리에 설치합니다.

$ pip3 설치 --target=viam-sdk 프로세스

pwd 명령을 사용하여 Raspberry Pi에서 작업중인 현재 디렉토리의 전체 경로를 표시하십시오. 다음 단계를 위해 이 출력을 기록해 둡니다.

$ pwd

Python3을 사용하여 Raspberry Pi에서 process.py 실행할 Python3의 실행 경로를 찾으십시오. 다시 말하지만, 다음 단계를 위해 이 출력을 기록해 둡니다.

$ 어떤 Python3

컴퓨터에서 다음 명령을 실행하여(Raspberry Pi에 대한 SSH 프롬프트가 아님) 컴퓨터에서 Raspberry Pi로 코드를 복사합니다. 명령에서 process.py Raspberry Pi로 복사하고 콜론 다음에 오는 섹션은 Raspberry Pi에서 파일을 복사해야 하는 위치(Raspberry Pi에서 작업 중인 디렉토리의 경로와 파일 이름)를 나타냅니다.

$ scp process.py user@host.local:/home/myboard/process/process.py

Viam 프로세스 구성

이제 Viam 프로세스를 구성하여 viam-server가 Raspberry Pi에서 root 사용자로 프로세스를 실행하도록 허용하겠습니다. Viam 앱의 CONFIGURE(구성) 탭에서 왼쪽 메뉴의 + 아이콘을 클릭하고 Process(프로세스)를 선택합니다.
process-1에 해당하는 카드를 찾습니다. 이전 단계에서 출력한 Raspberry Pi에서 실행 중인 Python3의 실행 경로를 입력합니다. Raspberry Pi에서 실행할 process.py 파일의 인수를 추가합니다. 프로세스를 실행할 작업 디렉토리를 입력합니다.

process-1 카드 내에서 오른쪽 상단 모서리 근처에 있는 고급 설정 아이콘을 선택하여 구성 JSON을 검토합니다. 새 env 속성을 만들고 고유한 자격 증명을 사용하여 다음과 같이 형식화된 새 속성 내에 환경 변수를 추가합니다.

"환경": {

"SENSOR_NAME": "센서-1",

"PLUG_NAME": "일반-1",

"ROBOT_API_KEY": "사용자 API 키",

"ROBOT_API_KEY_ID": "사용자 API 키 ID",

"ROBOT_ADDRESS": "당신의 로봇 주소"

SENSOR_NAME와 PLUG_NAME는 Viam 기계에 추가될 때 공기 센서와 스마트 플러그의 기본 이름입니다. 다른 컴퓨터 자격 증명은 CONNECT 탭에서 찾고, SDK를 선택하고, Include API key를 전환하여 코드 샘플 내에 자격 증명을 표시할 수 있습니다.

업데이트를 저장합니다.
임계값이 toggle_off에서 toggle_on로 낮을 때 do_command 업데이트하도록 Raspberry Pi에서 process.py 파일을 업데이트하여 코드를 테스트할 수 있습니다. 코드 변경 사항을 저장하고 기계를 다시 시작하여 공기 질이 정상일 때 팬이 켜지는지 확인합니다.

컴퓨터에서 파일을 편집하고 이전과 같이 scp를 사용하여 업데이트된 파일을 Raspberry Pi에 복사할 수 있습니다. 또는 SSH 프롬프트에서 nano process.py 를 입력하여 Raspberry Pi OS nano에서 기본 명령줄 텍스트 편집기를 사용할 수 있습니다.

또는 값이 임계값 이상으로 올라갈 때까지 공기 센서를 불어 넣을 수 있습니다.

9 단계 : 마무리 작업

이제 시스템이 원하는 대로 작동하므로 전선과 부품이 느슨하게 뒤섞이지 않도록 프로젝트를 정리할 차례입니다.

Raspberry Pi 및 센서용 인클로저를 3D 인쇄(또는 구매)합니다. 표준 Raspberry Pi 5에 맞는 기존 디자인을 찾았습니다. 튼튼한 벨크로를 사용하여 센서가 주변 공기를 정확하게 측정할 수 있도록 센서를 상단에 장착했습니다.

Raspberry Pi와 공기 센서를 동일한 케이스에 넣는 것이 좋습니다. 자체 인클로저를 설계할 계획이라면 공기 센서가 적절한 환기를 받고 약간 뜨거워질 수 있으므로 Raspberry Pi 칩에 너무 가까이 두지 않도록 하십시오.

공기 여과 시스템 개선

이제 스마트 플러그로 공기 질 모니터링 장치를 만들었으므로 사용자 정의하고 직접 만들 수 있습니다. 다음 단계에 대한 제안 사항은 다음과 같습니다.

디자인 개선: Corsi Rosenthal 상자와 같은 공기 필터의 디자인을 개선합니다.
감지 수정: 센서를 온도 또는 습도를 감지하는 센서로 교체합니다.
작동 수정: 작동 메커니즘을 교체하여 조명을 켜거나 알림을 트리거합니다.

공기 센서 군대를 만드세요

이 자습서에서 Monitor Air Quality with a Fleet of Sensors와 같이 다른 방 또는 다른 위치에 공기 센서를 만들어 공기 모니터링 시스템을 확장할 수 있습니다.

센서 융합: 다양한 유형의 센서에서 데이터를 수집 및 집계하여 Viam 데이터 관리 및 머신 러닝을 사용하여 작동을 트리거하는 정확한 조건을 지정합니다.
모바일 앱 빌드: Viam의 SDK 라이브러리를 사용하여 Flutter 모바일 앱 또는 TypeScript 웹 앱을 빌드합니다.

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