[46] 230306 Ch. 5 라즈베리파이 GPIO 및 센서 활용하기: 3. 초음파센서(HC-SR04) 실습, 4. PIR(Passive Infrared Sensor) 센서(HC-SR501) 실습, 5. 아날로그 신호와 SPI(Serial Peripheral Interface) 통신 [K-디지털 트레이닝 4..

230306 Mon 46th class

Ch. 5 라즈베리파이 GPIO 및 센서 활용하기
진도: p. 144 ~ (교재: IoT 사물인터넷을 위한 라즈베리파이 4 정석, 저자: 최주호 , 김재범 , 정동진)
교재 코드 깃허브: https://github.com/codingspecialist/RaspberryPi4-Book-Example
교재 소스 및 PPT: http://jspstudy.co.kr/main/main.jsp
저자 카페: https://cafe.naver.com/metacoding

IoT 사물인터넷을 위한 라즈베리파이 4 정석 | 최주호 - 교보문고

오늘 배운 것 중 기억할 것을 정리했다.

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몰랐던 것 정리

집적회로(IC: Integrated Circuit) 란, 하나의 반도체 기판에 다수의 능동소자 (트랜지스터, 진공관등)와 수동수자 (저항, 콘덴서, 저항기등)를 초소형으로 집적, 서로 분리될 수 없는 구조로 만든 완전한 회로기능을 갖춘 기능소자이다.
참고: https://blog.naver.com/roboholic84/220331162212

집적 회로(集積回路, 영어: Integrated Circuit) 또는 모놀리식 집적회로, IC칩, 컴퓨터 칩, 마이크로칩, IC는 반도체로 만든 전자회로의 집합을 말한다.

참고: https://devicemart.blogspot.com/2019/04/ic-posted-by-makefunny-pcb-ic.html

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shift연산자

이 비트단위 계산에는 오른쪽, 왼쪽으로 수를 옮길 수 있다다.
0b1001이라는 수를 왼쪽으로 한 칸 옮기는데, 빈자리는 0으로 채운다고 생각해보자. 0b10010이 될 것이다.

>>> bin(b<<1)
'0b10010'
>>> a<<1
24
>>> bin(b<<3)
'0b1001000`
>>> a<<<3
96

이렇게 시프트 연산자를 사용하면 왼쪽으로 한 칸 이동할 때 마다 2배가 되는 효과가 생긴다.
이번엔 오른쪽으로 움직여보자.

>>> b
9
>>> bin(b>>1)
'0b100'
>>> b>>1
4
>>> bin(b>>3)
'0b1'
>>> b>>3
1

반대로 오른쪽으로 한 칸씩 이동하면 숫자가 줄어든다.

그럼 2를 곱하고 나누면 되지 않나?라고 생각할 수 있는데, 큰 수에서 비트단위로 코드를 짜야하는 경우가 생기는데, 이 때 시프트연산자를 사용하면 큰 생각없이 비트들을 정리할 수 있어서 편하다.

참고: https://wikidocs.net/95998

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Chapter 05 라즈베리 파이 GPIO 및 센서 활용하기

책의 목차
01 _ GPIO 제어 및 테스트
01-1 LED 실습
01-2 푸시 버튼 스위치 실습(Polling 방식)
01-3 푸시 버튼 스위치 실습(Event 알림 방식)
01-4 푸시 버튼 입력으로 LED 실습

02 _ PWM 제어
02-1 PWM으로 LED 실습
02-2 PWM으로 부저 실습
02-3 PWM으로 서보모터 실습

03 _ 초음파센서(HC-SR04) 실습

04 _ PIR 센서(HC-SR501) 실습

05 _ 아날로그 신호와 SPI 통신
05-1 아날로그 신호를 라즈베리 파이로 읽어오기
05-2 SPI 통신의 이해
05-3 SPI 라즈베리 파이에서 설정하기
05-4 아날로그 전압을 MCP3008로 읽어오기
05-5 LDR 센서 실습
05-6 조이스틱(Joystick) 실습

06 _ I2C 통신
06-1 I2C 라즈베리 파이에서 설정하기
06-2 BMP180(대기압 센서) 실습
06-3 OLED 디스플레이 실습

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3. 초음파센서(HC-SR04) 실습

(3) 파이썬 코드 작성과 실행하기 p. 145 - p. 146

실습파일: /home/pi/webapps/ch05/PWM_Buzzer.py
HC_SRP4.py

#-*-coding:utf-8-*-

# 필요한 라이브러리를 불러옵니다. 
import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setwarnings(False)

#센서에 연결한 Trig와 Echo 핀의 번호 설정 
TRIG = 23
ECHO = 24
print("Distance measurement in progress")

#Trig와 Echo 핀의 출력/입력 설정 
GPIO.setup(TRIG,GPIO.OUT)
GPIO.setup(ECHO,GPIO.IN)

#Trig핀의 신호를 0으로 출력 
GPIO.output(TRIG, False)
print("Waiting for sensor to settle")
time.sleep(2)

try:
    while True:    
        # Triger 핀에  펄스신호를 만들기 위해 1 출력               
        GPIO.output(TRIG, True)  
        time.sleep(0.00001)       # 10µs 딜레이 
        GPIO.output(TRIG, False)
        
        while GPIO.input(ECHO)==0:
            start = time.time()      # Echo 핀 상승 시간 
        while GPIO.input(ECHO)==1:
            stop= time.time         # Echo 핀 하강 시간 
            
        check_time = stop - start
        distance = check_time * 34300 / 2
        print("Distance : %.1f cm" % distance)
        time.sleep(0.4)         # 0.4초 간격으로 센서 측정 
        
except KeyboardInterrrupt:
    print("Measurement stopped by User")
    GPIO.cleanup()

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4. PIR(Passive Infrared Sensor) 센서(HC-SR501) 실습 p. 147

적외선 인체감지 센서는 적외선을 통해 사람의 움직임을 감지하는 센서다.

건물의 복도나 현관문 천장에 있는 조명 등에 설치되어 사람의 움직임이 감지되면 자동으로 조명을 켜주는데 이용되는 센서다.

감지 각도범위 안에 적외선의 변화가 있을시 High(1) 신호를 출력하고 없을시 Low(0) 신호를 출력한다.

HC-SR501 조정 및 연결 방법

GPIO 4 -> GPIO 17

(2) 파이썬 코드 작성하기 p. 148
실습파일: /home/pi/webapps/ch05/PWM_Buzzer.py
HC_SR501.py

#-*-coding:utf-8-*-

# 필요한 라이브러리를 불러옵니다. 
import RPi.GPIO as GPIO
import time

#  노란색 LED, 빨간색 LED, 센서 입력핀 번호 설정 
led_R = 20
led_Y = 21
sensor = 17

# 불필요한 warning 제거,  GPIO핀의 번호 모드 설정
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# LED 핀의 IN/OUT(입력/출력) 설정 
GPIO.setup(led_R, GPIO.OUT)
GPIO.setup(led_Y, GPIO.OUT)
GPIO.setup(sensor, GPIO.IN)

print ("PIR Ready . . . . ")
time.sleep(5)  # PIR 센서 준비 시간

try:
    while True:
        if GPIO.input(sensor) == 1:   #센서가 High(1)출력 
                GPIO.output(led_Y, 1)   # 노란색 LED 켬 
                GPIO.output(led_R, 0)   # 빨간색 LED 끔 
                print("Motion Detected !")
                time.sleep(0.2)
                
        if GPIO.input(sensor) == 0:    #센서가 Low(0)출력  
                GPIO.output(led_R, 1)   # 빨간색 LED 켬 
                GPIO.output(led_Y, 0)   # 노란색 LED 끔 
                time.sleep(0.2)                    

except KeyboardInterrupt:
                print("Stopped by User")
                GPIO.cleanup()

PIR 센서 근처로 사람의 움직임이 감지되면 노란색 LED를 켜고 감지됨을 출력하고,
감지되지 않을 때는 빨간색 LED를 켜고 있음을 확인한다.

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5. 아날로그 신호와 SPI(Serial Peripheral Interface) 통신 p. 150

5.1 아날로그 신호를 라즈베리 파이로 읽어오기

 

(직접 회로(Integrated Circuit)는 반도체에 만든 전자회로의 집합을 말한다.
참고: https://devicemart.blogspot.com/2019/04/ic-posted-by-makefunny-pcb-ic.html)

ADC(Analog to Digital Converter)는 위의 그림과 같이 아날로그 신호를 디지털로 변환한다.

 

 

 

MCP3008

MCP3008 데이터시트

MCP3008은 8개의 ADC(Analog-to-Digital Converter) 채널이 있고 해상도(Resolution)는 10 bits이고 SPI 통신을 한다는 것을 알 수 있습니다.
해상도가 10 bits라는 것은 아날로그 전압을 2^10 = 1024 만큼 분해해서 디지털로 바꿀 수 있는 것입니다.
즉 입력되는 아날로그 전압이 최대 3.3V 라고 하면 3.3V/1024= 3.22mV 이고, 이것이 최소 단위 즉, 1에 해당하는 전압이 됩니다.

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5.2 SPI 통신의 이해

SPI(Serial Peripheral Interface) 통신은 마스터 장치와 주변장치들과의 시리얼 통신을 위한 통신방식입니다.
주변장치는 플래쉬 메모리, 센서, RTC(real time clock), ADC (analog to digital converter) 등이 있습니다.
여기서는 MCP3008 IC를 이용해 아날로그 센서값을 디지털로 변환하여 라즈베리 파이로 읽어 보겠습니다

SPI 통신 상세 분석 참고: https://www.hardcopyworld.com/?p=2778

SPI 신호선

MISO : 슬레이브에서 마스터로 데이터가 이동

MOSI : 마스터에서 슬레이브로 테이터가 이동

SCLK  : 통신의 동기화를 맞추기 위한 신호로 마스터에서 만들어 보냅니다.

CS / SS : 슬레이브를 선택하는 신호선

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5.3 SPI 라즈베리 파이에서 설정하기

02 라즈베리 파이 설정창의 인터페이스에서 SPI와 I2C를 Enable로 설정합니다.

03 [OK] 버튼을 눌러 설정을 저장합니다.

04 라즈베리 파이를 리부팅합니다. 메뉴에서 Shutdown => Reboot를 클릭해도 되고 다음과 같이 터미널에서 sudo reboot을 입력해도 됩니다.

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5.4 아날로그 전압을 MCP3008로 읽어오기

(3) 파이썬 코드 작성하고 실행하기 p. 155
실습파일: /home/pi/webapps/ch05/MCP_3008.py

#-*-coding:utf-8-*-

# 필요한 라이브러리를 불러옵니다.
import spidev
import time

# 딜레이 시간 (센서 측정 간격)
delay = 0.5

# MCP3008 채널중 센서에 연결한 채널 설정
pot_channel = 0

# SPI 인스턴스 spi 생성
spi = spidev.SpiDev()

# SPI 통신 시작하기
spi.open(0, 0)

# SPI 통신 속도 설정
spi.max_speed_hz = 100000

# readadc 함수정의
# 0 ~ 7 까지 8개의 채널에서 SPI 데이터를 읽어옵니다.
def readadc(adcnum):
  if adcnum > 7 or adcnum < 0:
     return -1
  r = spi.xfer2([1, 8 + adcnum << 4, 0])
  data = ((r[1] & 3) << 8) + r[2]
     return data

while True:
  # readadc 함수로 pot_channel의 SPI 데이터를 읽어옵니다.
  pot_value = readadc(pot_channel)
  print ("---------------------------------------")
  print("POT Value: %d" % pot_value)
  time.sleep(delay)   # delay 시간만큼 기다립니다.

r = spi.xfer2([1, 8 + adcnum << 4, 0])
1, 8 + adcnum << 4, 0 각 값을 보낸다. 
참고: https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=msyang59&logNo=220806962339

실행 결과는 다음과 같다.

가변저항 전압 읽기

결과인 POT Value 값을 역으로 MCP3008으로 입력되는 전압 수치로 다음 공식을 통해 바꿀 수 있다.

참고: https://www.youtube.com/watch?v=6VQIfGnMMt0

참고: https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=msyang59&logNo=220670170063

참고: https://tobuymacbookpro.tistory.com/12

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5.5 LDR 센서 실습

LDR(Light Dependent Resistor)

광센서 모듈로써 빛의 세기에 따라서 저항값이 달라지는 소자

주위가 밝으면 저항값이 줄어들고, 주위가 어두우면 저항값이 증가

주위가 밝으면 LDR 센서의 저항이 줄어들어 3.3V 에 가까운 전압이 출력 반대로 주위가 어두우면 LDR 센서의 저항이 커져서 전압이 작아짐

 

(2) 파이썬 코드 작성하기 p. 157 - p. 158
실습파일: /home/pi/webapps/ch05/LDR.py

#-*- coding: utf-8 -*-

# 필요한 라이브러리를 불러옵니다.
import spidev
import time

# 딜레이 시간 (센서 측정 간격)
delay = 0.5

# MCP3008 채널중 센서에 연결한 채널 설정
ldr_channel = 0

# SPI 인스턴스 spi 생성
spi = spidev.SpiDev()
# SPI 통신 시작하기
spi.open(0, 0)
# SPI 통신 속도 설정
spi.max_speed_hz = 100000

# 0 ~ 7 까지 8개의 채널에서 SPI 데이터를 읽어서 반환
def readadc(adcnum):
  if adcnum > 7 or adcnum < 0:
    return -1
  r = spi.xfer2([1, 8 + adcnum << 4, 0])
  data = ((r[1] & 3) << 8) + r[2]
    return data

while True:
 # readadc 함수로 ldr_channel의 SPI 데이터를 읽어 저장
  ldr_value = readadc(ldr_channel)
  print ("---------------------------------------")
  print("LDR Value: %d" % ldr_value)
  time.sleep(delay)

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5.6 조이스틱(Joystick) 실습

X축 Y축 움직임이나 방향등을 표현

조이스틱을 수직으로 눌려서 스위치 기능

(2) 파이썬 코드 작성하기 p. 159 - p. 160
실습파일: /home/pi/webapps/ch05/Joystick.py

#-*- coding: utf-8 -*-
# 필요한 라이브러리를 불러옵니다.
import spidev
import time

# 딜레이 시간 (센서 측정 간격)
delay = 0.5
# MCP3008 채널설정
sw_channel = 0
vrx_channel = 1
vry_channel = 2

# SPI 인스턴스 spi 생성
spi = spidev.SpiDev()
# SPI 통신 시작하기
spi.open(0, 0)
# SPI 통신 속도 설정
spi.max_speed_hz = 100000

# 0 ~ 7 까지 8개의 채널에서 SPI 데이터를 읽어서 반환
def readadc(adcnum):
  if adcnum > 7 or adcnum < 0:
    return -1
  r = spi.xfer2([1, 8 + adcnum << 4, 0])
  data = ((r[1] & 3) << 8) + r[2]
    return data

# 무한루프
while True:
  # X, Y 축 포지션값
  vrx_pos = readadc(vrx_channel)
  vry_pos = readadc(vry_channel)
  # 스위치 입력
  sw_val = readadc(sw_channel)
  # 출력
  print("X : {} Y : {} SW : {}".format(vrx_pos, vry_pos, sw_val))
  # delay 시간만큼 기다림
  time.sleep(delay)

(3) 코드 실행하기

조이스틱을 움직이지 않을 때 X축과 Y축이 500 정도이고 X축 Y축을 좌우로 움직이면 0 ~ 1023까지 변하는 것을 확인할 수 있다. 또한 조이스틱을 아래로 눌렀을 때 SW는 0이고 눌리지 않으면 1023으로 유지된다.

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