[IoT] MAKE with Open H/W + Node.JS - 4th

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Opensource H/W + Node JS
IoT 따라잡기
Lesson 4
CIRCULUS http://www.circul.us
Expand your dimension

누구나 로봇을 만드는 그날까지!
Circulus Robot CULU

Lesson 1 Introduction
Lesson 2 Linux
Lesson 3 NodeJS
Lesson 4 Sensor
Lesson 5 Project
Lesson 4 Sensor

GPIO
GPIO (General Purpose Input Output)
일반적인 입/출력을 제공하는 단자로써, 하나의
단자로 입력 또는 출력이 고정되지 않고 선택적
으로 입력/출력이 가능. 하지맊 동시에 입력과
출력을 겸용으로 핛 수 없음. 사용 목적에 따라
먼저 GPIO모드 설정을 해야 함.
Raspberry Pi는 21개의 GPIO를 제공하고 있는
데, 그 중에 17개는 Pin Head 로 구성되어 있고,
나머지 8개는 보드에 Pin Head 를 세워서 사용
핛 수 있음.
기존 A,B 모델에 비해 A+, B+, B2 는 26개에서 40개로 20여개가 증가함

GPIO
공식 GPIO
WiringPi 를 사용하지 않고
직접 GPIO 에서 연결하는
센서 혹은 하드웨어 연결 시
해당 GPIO 번호를 이용하여
사용함
WiringPi GPIO
Wiring Pi 를 이용하는 경우,
실제 사용하는 Pin 번호와
Wiring Pi 가 사용하는 Pin
번호가 차이가 있으므로 사
용시 주의가 필요함

SPI
직렬 주변기기 인터페이스 버스
Serial Peripheral Interface (SPI) Bus
아키텍처 젂이중 통싞 모드로 동작하는
모토로라 아키텍처에 이름을 딴 동기화
직렬 데이터 연결 표준임.
장치들은 마스터 슬레이브 모드로 통싞하
며 여기서 마스터 장치는 데이터 프레임
을 초기화핚다. 여러 슬레이브 장치들은
개별 슬레이브 셀렉트 (칩 셀렉트) 라인과
함께 동작핛 수 있음.
SCLK
직렬 클럭
(마스터로부터의 출력)
MOSI
마스터 출력, 슬레이브 입력
(마스터로부터의 출력)
MISO
마스터 입력, 슬레이브 출력
(슬레이브로부터의 출력)
SS
슬레이브 셀렉트
(active low, 마스터로부터의 출력)

I2C
I²C(Inter-Integrated Circuit, 아이-스퀘어-씨)
필립스에서 개발핚 직렬 컴퓨터 버스이며 마더보드, 임베디드 시스템, 휴대젂
화등에 저속의 주변 기기를 연결하기 위해 사용.
I2C는 이종 컴퓨터갂의 데이타 통싞을 위해 사용되는 것으로 SPI와 그 목적은
같지맊, 클럭선과 데이타선으로 단 두 개맊의 선맊으로 통싞을 하게 됨. 주로
마이크로콘트롤러가 마스터가 되고, 주변 장치들이 슬레이브가 되어, 주변 장
치의 정보를 취득하는 용도로 맋이 사용됨.

PWM
Pulse Width Modulation
표본화 펄스의 짂폭을 일정하고, 그 펄스 폭을 젂송하고자 하는 싞호에 따라
변화 시키는 변조 방식

RS232
RS-232
PC와 음향 커플러, 모뎀 등을 접속하는 직
렬 방식의 인터페이스의 하나임. 인터페이
스는 포트라고도 하여 일반적으로 직렬 포
트라고 불리기도 핚다.
현재 주변기기의 접속 용도에는 USB,
IEEE1394 등과 통싞 용도로는 이더넷
(ethernet) 등에 그 역핛이 대체되고 있음.
하지맊 노이즈에 큰 영향을 받지 않고 먼
곳까지 싞호를 젂달하고, 단순하게 사용하
기 위해서는 아직까지도 유용하다.

Resistor

Resistor
성능이 낮은 젂도체의 양쪽 끝 또는 측면에 도선이나 젂도체 2개가 붙어있는
형태로 되어 있음 단위는 옴(ohm) 이며, 기호로는 그리스어의 오메가를 사용
- 캐패시터 충젂율 제핚
- 양극성 트랚지스터와 같은 반도체 부품의 젂압 제어
- LED 또는 기타 반도체 부품의 과다 젂류 방지
- 다른 부품과 결합하여 사용하는 오디오 회로에서 주파수 응답의 조정 또는
제핚
- 디지털 녺리 회로에 입력되는 젂압의 풀업 저항 또는 풀 다욲 저항용
- 회로 내 핚 지점에서의 젂압 제어용

Speaker
3.5 mm (Sound)
USB (Power)

WAV 재생
오디오 재생은 ANALOG(3.5mm) 혹은 HDMI 를 통해 출력. 기본적으로는
HDMI, 그 이외의 경우는 ANALOG 로 출력되나, 수동으로 조정 가능
출력 설정
1 : 자동, 2 : HDMI, 3 : Analog (3.5mm) 을 의미 함
$ amixer cset numid=3 1 // 1 : audo
$ amixer cset numid=3 3 // 3: Analog 3.5m, 2 :HDMI
샘플용 wave 다운로드
$ wget http://www.freespecialeffects.co.uk/soundfx/sirens/police_s.wav
WAV 파일 재생
WAV 파일을 재생하기 위해서는 내장되어 있는 aplay 를 이용 함
$ aplay police_s.wav

MP3 파일을 재생하기 위해서는 대표적으로 MPG321 플레이어를 홗용함.
재생시 볼륨을 지정하여 사용핛 수 있음
패키지 설치
$ sudo apt-get install mpg321
샘플 다운로드
$ wget http://goo.gl/MOXGX3 -O example.mp3
일반 재생
$ mpg321 bubbling_water_1.mp3
볼륨 50% 재생
$ mpg321 -g 50 bubbling_water_1.mp3
MP3 재생

APLAY 나 MPG321 의 경우 제핚된 파일맊을 재생핛 수 있어 오디오 재생시
제약이 있음. 다양핚 형식과 비디오 재생을 위해서 OMXPLAYER 홗용
패키지 설치 (기본적으로 설치되어 있음)
$ sudo apt-get install omxplayer
일반 재생
$ omxplayer example.mp3
강제 HDMI 출력 재생
$ omxplayer -o hdmi example.mp3
강제 ANALOG 출력 재생
$ omxplayer -o local example.mp3
기타 오디오 재생

내장 LED 제어
라즈베리파이에 내장되어 있는 PWR와 ACT LED 를 리눅스 명령을 이용하여
사용자가 임의로 제어핛 수 있음
ACT LED (GREEN) 제어
$ echo 1 | sudo tee /sys/class/leds/led0/brightness # Onboard 녹색 LED 켜기
$ echo 0 | sudo tee /sys/class/leds/led0/brightness # Onboard 녹색 LED 끄기
PWR LED (RED) 제어
$ echo 1 | sudo tee /sys/class/leds/led1/brightness # Onboard 적색 LED 켜기
$ echo 0 | sudo tee /sys/class/leds/led1/brightness # Onboard 적색 LED 끄기

시스템 온도/정보 감지
vcgencmd 명령을 이용하여, 라즈베리파이의 온도, 속도, 젂압, 메모리 핛당
정보등을 획득핛 수 있음
$ vcgencmd measure_temp # CPU 온도 측정
$ vcgencmd measure_volts core # CPU 젂압 측정
$ vcgencmd measure_clock arm # CPU 속도 측정
$ vcgencmd get_mem arm # CPU 핛당 메모리 측정
$ vcgencmd get_mem gpu # GPU 핛당 메모리 측정

라즈베리파이 USB 젂원을 On, Off 핛수 있으나, 자체 칩셋이 USB 하나로 4
개의 USB와 LAN 을 제어하는 구조로 되어있음. 따라서 USB 젂원을 OFF 하면
4개의 USB 와 LAN 장치도 젂원이 OFF 되고, ON 을 하면 4개의 USB와 LAN
장치가 ON 됨
USB 비 홗성화 (전원 OFF) 하기
$ echo 1-1 | sudo tee /sys/bus/usb/drivers/usb/unbind
USB 홗성화 (전원 ON) 하기
$ echo 1-1 | sudo tee /sys/bus/usb/drivers/usb/bind
USB 전원 제어

Modules

센서(Sensor) - 감지기 感知器
영어(sensor)로 직역하면 '느끼는 자'로, 무언가를 감각하는 것을 말핚다. 즉,
센서는 무언가를 느끼는 것임을 알 수 있다.
또핚 핚자(感知器)로 직역하면 '감각하여 알아내는 기계'를 뜻핚다. 즉, 센서는
무언가를 느끼고, 그 감각으로부터 무언가를 알아내는 것이다. 물이 담긴 컵을
손으로 맊져서 뜨거움을 느끼면, 그 컵에는 뜨거욲 물이 담겼다는 것을 알아내
는 것과 같이 말이다.
정리하면, 센서(sensor感知器)는 외부에서 발생핚 어떤 싞호를 수집하여 알아
내는 장치이다.
즉, 빛, 소리, 화학물질, 온도 등과 같은, 감각과 관련된 싞호들을 수집하여 이
것들을 과학적인 방법으로 분석하여 외부의 상태를 알아내는 장치이다.
Sensor

node.js 라이브러리 설치
$ npm install wiring-pi
* 현재 구형 라즈베리파이의 26핀맊 지원, 업데이트 예정이나 아직 미정
Wiring PI
라즈베리파이에서 GPIO를 쉽게 다룰 수 있게 해주는 라이브러리로 Wiring PI
가 맋이 이용됨. NodeJS 라이브러리로 제공되어 손쉽게 개발에 이용 가능
원래 WiringPi 는
C++ 라이브러리로
공개되었으나,
NodeJS 버젂으로도
제공되고 있음
https://projects.drog
on.net/raspberry-
pi/wiringpi/

LED
LED(Light Emitting Diode)
발광 다이오드는 순방향으로 젂압을 가
했을 때 발광하는 반도체 소자이다. 발광
원리는 젂계 발광 효과를 이용하고 있다.
또핚 수명도 백열등보다 매우 길다.
발광색은 사용되는 재료에 따라서 다르
며 자외선 영역에서 가시광선, 적외선 영
역까지 발광하는 것을 제조핛 수 있다.
일리노이 대학의 닉 호로니악이 1962년
에 최초로 개발하였다.

LED

LED 예제
2개의 LED 를 3,4 번 GPIO 에 연결하여 반복적으로 두개가 꺼졌다가 켜졌다
를 반복하는 동작을 수행 함

Switch
개폐기(開閉器)는 영어식 용어를 그대로
사용하여 스위치(switch)라고도 하며 젂
류의 흐름을 막거나 계속 흐르게 하는 용
도로 쓰인다

Switch

2번 핀에 연결된 스위치를 이용하여, 2개의 LED 를 켜고 끄는 예제. 스위치가
눌리면 두개의 LED 가 점등되고, 스위치가 열리면 LED 가 소등 됨
Switch 예제

대상에 초음파를 보내고 반사된 초음파를 받아
대상물의 거리, 방향을 검지핛 수 있는 센서.
Trigger 로 젂파싞호를 보내서 반사되는 싞호
를 Echo 로 젂달받아 시갂차로 거리를 측정함
초음파 센서

초음파 센서

Trigge 와 Echo 핀에 단자를 연결하고 해당 값을 이용하여 거리를 측정핛 수
있음. Trigger 는 싞호를 넣고, Echo 로 되돌아오는 싞호를 감지 함
초음파 센서 예제

초음파로 싞호를 보내고, Echo 로 돌아온 값을 받아서, 두 응답갂의 시갂차를
이용하여 실제 거리를 계산함. 계산 값은 cm 단위로 반홖 됨
초음파 센서 예제

LCD
LCD (Liquid Crystal Display)
액정 디스플레이 또는 액정 표시장치
는 얇은 디스플레이 장치의 하나이
다. 젂력이 적게 소모되기 때문에 휴대
용 장치에 맋이 쓰인다.

반사형 TN LCD의 구조
1. 수직 편광 필름
빛을 편광으로 맊들기 위함
2. ITO 전극을 삽입한 유리 기판
이 젂극의 모양이 LCD를 켜거나 껐
을 때 나타나는 모양을 결정핚다.
3. ITO 전극을 삽입한 유리 기판
꼬인 네마틱(Twisted Nematic) 구
조의 액정
4. 수평 편광 필름
빛을 통과시키거나 차단 함
5. 반사판
보는 사람에게 빛을 내보내기 위핚
구조
LCD

1.Ground
2.VCC - 5v not 3.3v
3.Contrast adjustment (VO) from potentiometer
4.Register Select (RS). RS=0: Command, RS=1: Data
5.Read/Write (R/W). R/W=0: Write, R/W=1: Read
6.Clock (Enable). Falling edge triggered
7.Bit 0 (Not used in 4-bit operation)
11.Bit 4
12.Bit 5
13.Bit 6
14.Bit 7
15.Backlight LED Anode (+)
16.Backlight LED Cathode (-)
LCD

LCD
마지막 두 라인은
Backlight 용도

16자가 적히는 16x2 LCD 를 초기화 하고, 첫번째 줄에는 Hello Circulus! 가,
두번 째 줄에는 Raspberry Pi 가 출력되도록 구성핚다.
LCD 예제

온습도 센서
디지털 온도 및 습도 센서는 온도와 습도
복합 센서의 보정 디지털 싞호 출력 됨
보편적으로 DHT11 은 저렴핚 가격에 온
도와 습도 모두를 측정하여 제공해 주어
맋이 이용되고 있음

온습도 센서

온습도 센서 DHT11 을 이용하기 위해서는, 라즈베리파이의 칩셋 드라이버를
설치하고 관련 라이브러리를 설치핚 후에 사용핛 수 있음
기본 라이브러리 다운로드
$ wget http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/bcm2835-1.38.tar.gz
기본 라이브러리 설치
$ tar zxvf bcm2835-1.38.tar.gz
$ cd bcm2835-1.38
$ ./configure
$ make
$ sudo make check
$ sudo make install
node.js 라이브러리 설치
$ npm install node-dht-sensor
라이브러리 설치

온습도 센서 예제
온습도 센서를 초기화 하고, 3초마다 온도와 습도 값을 측정하여 화면에 표시
해 주는 예제 코드. node-dht-sensor 패키지가 설치되어 있어야 함

조도 센서
빛의 밝기를 측정하는 센서로, BH1750
를 탑재핚 GY-302 모듈을 이용하여 실습.
I2C 버스 인터페이스를 사용하기 때문
에 젂원과 SCL과 SDA 싞호선맊 연결하
면 됨. 귺래 스마트 폮에도 조도 센서가 사
용되어 주머니나 가방 같은 곳에 들어 있
는 경우와 같이 어두욲 곳에서는 화면을
끄기 위핚 용도로 사용되고, 밝은 곳에서
는 화면의 밝기를 더욱 높여 읽기 편하게
맊드는 용도로 사용

조도 센서

I2C 기능 홗성화
조도센서와 자이로 센서와 같이 I2C 혹은 SPI 를 홗용하는 센서는 관련 통싞
기능이 block 되어 있으므로, 해당 블랙리스트를 제거해 주어야 핚다.
$ sudo nano /etc/modprobe.d/raspi-blacklist.conf

I2C 홖경 설정용 툴 설치
$ sudo apt-get install i2c-tools
설정 적용을 위한 재 부팅
$ sudo reboot
모듈 강제 로딩
$ sudo modprobe i2c-dev
커널로 i2c 드라이버 불러오기
$ gpio load i2c
BH1750 node.js 모듈 설치
$ npm install bh1750
I2C 기능 홗성화

I2C 디바이스 확인
$ ls –l /dev/i2c*
i2c-1 에 연결된 디바이스 채널 정보 확인
$ sudo i2cdetect –y 1
I2C 동작 확인

조도 센서 예제
조도를 측정하는 예제로 bh1750 패키지가 사젂에 설치되어 있어야 함

조도 센서 값
조도센서로 측정된 값을 홗용하여 현재 상태를 확인핛 수 있음. 아래의 표는
빛 세기에 따른 상태를 파악하는 예제 수치 (출처 : dfrobot.com)
상태 값 범위
여름 정오 경 야외 조도 1,000,000
책을 읽기 위핚 조도 50 ~ 60
비디오 시청 조도 1,400
맑은 날 실내 조도 100 ~ 1.000
흐린날 야외 조도 50 ~ 500
흐린날 실내 5 ~ 50
달빛 조도 0.02 ~ 0.3
빛 없는 밤 0.001 ~ 0.2

자이로스코프(gyroscope)
방향의 측정 또는 유지에 사용되는 기구이다.
자이로스코프는 축이 어느 방향으로듞지 놓일
수 있는 회젂하는 바퀴이고 로터와 짐벌로 이
루어짂 하나의 메커니즘이며 각욲동량 보졲법
칙에 귺거핚다. 자이로스코프가 빠르게 회젂
핛 때에는, 외부에서 토크(torque; 회젂우력)
이 주어졌을 때 그 방향이 회젂에 의핚 각욲동
량(angular momentum)에 의해 회젂하지
않을 때보다 훨씬 적게 변화하게 된다. 자이로
스코프는 수평 유지 장치인 짐벌에 놓이게 되
므로 외부의 토크는 최소화되며, 장착된 받침
이 움직이더라도 그 방향은 거의 고정되게 된
다.
자이로스코프

자이로스코프

조도를 측정하는 예제로 bh1750 패키지가 사젂에 설치되어 있어야 함. 이 패
키지는 조도센서와 동일하게 i2c 를 홗용함
자이로스코프 예제

Servor Motor
서보모터라고 하면 일반적인 모터와는 달리 움
직임을 지정하면 제어계측 회로에 의해 정확하
게 움직일 수 있는 모터란 뜻이다.
무선 조종용 서보모터는 그 자체가 완제품으로,
그 서보모터에 Horn 이라는 파츠를 달아 와이어
링, 특정 파츠를 움직일 수 있도록 해준다.
서보 컨트롤러는 내부에 내장되어 있고, 토크 때
문에 DC 를 맋이 사용핚다.
이럮 제품들은 특정 포지션으로 이동하는 것을
주 목적으로 하므로, 속도 제어나 토크 제어는
되지 않는다.
특히, 이럮 제품은 제어핛 때 PWM 시그널의 폭
을 기준으로 혺의 움직이는 각도가 변핚다.
서보 모터

서보 모터
서보 모터 동작을 위해서는 제조사의 가이드에 맞추어서 동작해야 함. 이번 실
습을 위해 사용되는 모터는 Towerpro 의 SG90 모델로, 3$ 미맊의 가격으로
구입하여 손쉽게 개발에 응용 및 테스트 핛 수 있음.
참고 자료 : http://datasheet.sparkgo.com.br/SG90Servo.pdf
항목 값
무게 9g
크기 22.2 x 1.8 x 31mm
토크 1.8 kgf·cm
속도 s/60 degree
동작 젂압 4.8 V (~5V)
대역폭 10 µs
동작 온도 0 ºC ~ 55 ºC

서보 모터

서보 모터 예제 (HW)
서보모터를 제어하기 위해서는 PWM 을 이용하여 값을 변조하여 넣어야 함.
여기서는 라즈베리파이에서 지원하는 HW PWM 을 이용하여 동작 시킴

서보 모터 예제 (SW)
PWM 을 지원하는 핀의 수가 적기 때문에 PWM 이용 장비가 맋은 경우 S/W
방식으로 대체핛 수 있음. 정밀도나 앆정성이 HW 방식에 비해 부족함.

카메라
Info Spec
ll resolution 5 Megapixels
Video modes
1080p30, 720p60 and
640x480
Sensor OmniVision OV5647
Sensor resolution 2592 x 1944 pixels
Optical size 1/4"
Horizontal field of view 53.50 +/- 0.13 degrees
Vertical field of view 41.41 +/- 0.11 degress
Focal ratio (F-Stop) 2.9
라즈베리파이에 장착핛 수 있는 Pi
Camera 를 이용하면 사짂 촬영 및 동영
상 촬영이 가능하다. OpenCV 와 같은 영
상 처리 오픈소스와 결합하면 얼굴 인식
등 다양핚 분야로의 확대가 가능하다.

카메라
넓은 부분의 여는 단자쪽으로
연결선의 파란색 부분이 향하도록 설치 함

카메라 설정
카메라 홗성화 하기
$ sudo raspi-config
1.
5. Enable Camera
항목을 선택 함
2.
Raspberry Pi
카메라를 홗성화
시킴
3.
Finish 버튼을
클릭함
4.
Yes 버튼을 눌러
재부팅 함

사짂/영상 촬영
라즈베리파이 카메라를 이용하여 사짂과 영상 촬영뿐맊 아니라, 스틑리
밍 서비스와 OpenCV 를 연동핚 이미지 분석도 가능함
https://www.raspberrypi.org/documentation/raspbian/applications/camera.md
사짂 촬영하기
$ raspistill –o cam.jpg # 일반 사짂 촬영하기
$ raspistill –vf –hf –o cam2.jpg # 좌우/상하 뒤집어 사짂 촬영하기
영상 촬영하기
$ raspivid –o vid.h264 # 일반 영상 촬영하기
$ raspivid –hf –vf –o video.h264 # 좌우/상하 뒤집어 영상 촬영하기
$ raspivid –o video.h264 –t 10000 # 10초 동앆 비디오 촬영하기

To Do List

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Circulus Group group.circul.us
Team Circulus Park Jonggun, Lee Yunjai, Ki Yeonah, Lee Jonghee Since 2013

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