[스마트팜] 3핀 팬 기반 습도 제어 및 회전수 모니터링 + PID 제어 개요

 

스마트팜용 3핀 팬 기반 습도 제어 및 회전수 모니터링 + PID 제어 개요

스마트팜에서 쾌적한 환경 유지와 작물 생장을 위해 습도 조절은 매우 중요합니다. 3핀 팬과 습도 센서를 활용하여 자동화된 습도 제어 시스템을 구축할 수 있으며, PID 제어 알고리즘을 도입하면 더 정밀하고 안정적인 제어가 가능합니다. 아래에서 주요 구성과 구현 방법을 소개합니다.

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1. 3핀 팬 기본 구성 및 결선

핀 번호	색상(일반적)	역할
1	검정 (Black)	접지 (GND)
2	빨강 (Red)	전원 공급 (+12V)
3	노랑 (Yellow)	회전수 신호 출력 (RPM)

• 팬에 공급하는 전압으로 속도 조절 가능 (전압 제어 방식)

• 회전수 신호는 홀 센서 펄스로 팬 속도 모니터링에 활용

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2. 습도 센서 및 데이터 수집

• 습도 센서 (예: DHT22, AM2302, SHT31 등)로 환경 습도 실시간 측정

• 마이크로컨트롤러(Arduino, ESP32 등)에서 센서 데이터를 읽어 제어 알고리즘 입력으로 사용

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3. 팬 속도 제어 방법

• 팬에 공급하는 전압을 가변 제어하여 팬 속도 조절 (예: 트랜지스터, MOSFET 스위칭)

• 간단한 ON/OFF 제어도 가능하지만, 팬 속도를 세밀하게 조절하면 에너지 효율과 환경 안정성이 향상됨

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4. PID 제어 적용

• PID 제어란?
  비례(P), 적분(I), 미분(D) 세 가지 요소를 합성해 현재 상태와 목표 상태 간 차이를 줄이는 제어 알고리즘

• PID 컨트롤러가 습도 센서로부터 받은 현재 습도와 목표 습도(설정값)를 비교해 오차 계산

• 오차를 바탕으로 팬에 공급할 전압 값을 산출 → 팬 속도 조절

• PID 제어를 사용하면 습도 변화에 대해 과도한 팬 속도 변화 없이 안정적이고 빠른 조절 가능

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5. 팬 회전수(RPM) 모니터링

• 팬 노랑선에서 나오는 펄스 신호를 MCU가 카운트하여 실제 팬 회전수를 측정

• RPM 데이터로 팬 이상 동작 감지 및 제어 상태 피드백 가능

Arduino RPM 측정 예시

volatile int pulseCount = 0;

void pulseISR() {
  pulseCount++;
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(2, INPUT_PULLUP);  // 팬 노랑선 연결
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), pulseISR, FALLING);
}

void loop() {
  pulseCount = 0;
  interrupts();
  delay(1000);
  noInterrupts();

  int rpm = (pulseCount / 2) * 60;  // 2펄스 당 1회전 기준
  Serial.print("Fan RPM: ");
  Serial.println(rpm);
}

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6. 시스템 흐름 요약

1. 습도 측정: 센서가 실시간 습도 데이터 전달

2. PID 연산: MCU가 목표 습도와 현재 습도의 오차를 계산하고 PID 알고리즘으로 팬 속도 제어 신호 산출

3. 팬 제어: 팬에 공급하는 전압을 PID 출력 값에 따라 조절하여 적절한 환기 및 습도 조절 수행

4. 회전수 모니터링: 팬 속도를 측정하여 정상 작동 여부 감시 및 제어 피드백에 활용

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7. 추가 고려 사항

• 팬 전압 조절 회로 설계: PWM 신호를 전압으로 변환하는 모듈 또는 트랜지스터 드라이버 필요

• PID 튜닝: 스마트팜 환경에 맞게 P, I, D 파라미터 조절 필요

• 안전 장치: 팬 고장 시 알림, 과열 방지 로직 추가 권장

• 확장성: 여러 개 팬 제어 및 복수 센서 연동 가능