[아두이노] Processing를 이용한 아두이노 제어 II 

• 프로세싱 공식 홈페이지 : processing.org
• 프로세싱 온라인 편집기 : sketchpad

두번째 시간으로 프로세싱을 통해 아두이노를 직접 제어하는 방법을 살펴보도록 하겠습니다.

1. Processing 세팅

[1단계] 도구->추가도구 설정 눌러 줍니다.

[2단계] 라이브러리에서 arduino라고 치시면 아래 그림처럼 검색되는데 하당 라이브러리를 선택하시고 Install 하시면 됩니다.

[3단계] 프로세싱 편집기를 종료하시도 다시 실행 시킵니다. 그리고 파일->예제를 누르시면 따로 창이 뜨고 Arduino(Firmata) 가 추가된 것을 보실 수 있을거에요.

아무 예제나 클릭하시면 되는데 좀 코딩량이 많습니다. 그래서 간단히
[4단계] https://playground.arduino.cc/Interfacing/Processing 이곳 주소로 가시면 프로세싱 예제가 있습니다.

프로세싱 편집기에 그래도 코딩하시면 됩니다.

2. 아두이노 세팅

[1단계] 파일->예제->Firmata -> StandardFirmata 를 눌러줍니다.

[2단계] 예제가 뜨고 이걸 아두이노에 이식 시키면 됩니다.

3. Processing + Arduino

아두이노에서 StandardFirmata를 아두이노에 이식 시키고 Processing은 Arduino(firmata) 라이브러리를 설치해서 아두이노 라이브러리를 통해서 실제 아두이노를 직접 제어하게 됩니다.

쉽게말해서 아두이노는 프로세싱을 받을 준비를 해놓고 프로세싱에서는 직접 아두이노 함수를 통해 제어를 하게 된다고 생각하시면 됩니다.

4. Processing에서 아두이노 문법

import processing.serial.*;
import cc.arduino.*;

Arduino arduino;
int ledPin=13;

void setup() {  
  println(Arduino.list());
  arduino = new Arduino(this, Arduino.list()[0], 57600);
  arduino.pinMode(ledPin, Arduino.OUTPUT);
}

void draw() {
  arduino.digitalWrite(ledPin,Arduino.HIGH);
  delay(1000);
  arduino.digitalWrite(ledPin, Arduino.LOW);
  delay(1000);  
}

소스로 설명드리겠습니다. 아두이노 LED 깜박이는 기본베이스 소스입니다.

기본적으로

import processing.serial.*;
import cc.arduino.*;

통신과 아두이노 라이브러리를 가져오게 와야겠죠. 그리고 아두이노 클래스를 사용할때 클래스 객체를 선언해야합니다.

Arduino arduino;
arduino = new Arduino(this, Arduino.list()[0], 57600);

클래스 객체를 선언하고 객체를 인스턴트 합니다. 쉽게 말해서 객체를 만들고 초기화 한다고 생각하세요.

그다음 아두이노에서 쓰던함수들은 객체명.함수 함수로 객체가 앞에 연결자로 모두 표현해야 합니다. 아두이노 클래스내에 아두이노 함수들이 있으니깐 객체.함수() 해야지 객체속의 함수를 호출할 수 있게 됩니다.

pinMode(13,OUTPUT) => arduino.pinMode(13,Arduino.OUTPUT);

됩니다. 무슨 의미인지 아시겠지요. delay(1000) 이것은 왜 안붙이냐 오타이냐 할 수 있는데. 프로세싱에서도 있는 함수임으로 붙이지 않습니다.

임포턴트하는 것과 객체 선언한것만 이해하시면 간단 합니다.

5. 간단한 버턴클릭 예제로 아두이노 LED 제어

지난시간에 만들어 봤던 작은사각형 클릭했을때 사각형들의 색상을 바꾸는 예제를 아두이노 LED를 On/Off 시키는 스위치 버턴으로 사용하겠습니다.

예제)

boolean cnt = false;

void setup() {  // this is run once.   
    
    // set the background color
    background(255);
    
    // canvas size (Integers only, please.)
    size(600, 600);       
    
} 

void draw() {  // this is run repeatedly.  
    rect(10,10,580,300,10);    
    rect(200,350,200,100,10);    
}

void mousePressed(){
 if(mouseX>200 && mouseX<400 && mouseY>350 && mouseY <450){
     cnt=!cnt;
 }
 if(cnt==true)fill(255,0,0);
 else fill(0,0,0);
}

이 소스에서 프로세싱에서 아두이노 문법을 위에서 설명했으니 해당 위치에 넣으시면 됩니다.

mport processing.serial.*;
import cc.arduino.*;

Arduino arduino;
int ledPin=13;

boolean cnt = false;

void setup() {  // this is run once.   
    
    // set the background color
    background(255);
    
    // canvas size (Integers only, please.)
    size(600, 600); 
        
    //println(Arduino.list());
  arduino = new Arduino(this, Arduino.list()[0], 57600);
  arduino.pinMode(ledPin, Arduino.OUTPUT);
    
} 

void draw() {  // this is run repeatedly.  
    rect(10,10,580,300,10);    
    rect(200,350,200,100,10);    
}

void mousePressed(){
 if(mouseX>200 && mouseX<400 && mouseY>350 && mouseY <450){
     cnt=!cnt;
 }
 if(cnt==true) {
   arduino.digitalWrite(ledPin,Arduino.HIGH);
   fill(255,0,0);
    }
 else{
   arduino.digitalWrite(ledPin,Arduino.LOW);
   fill(0,0,0);
 }
}

버턴을 눌렀을때 색상을 바꾸는 곳에다 LED 제어해야겠죠.

if(cnt==true) {
   arduino.digitalWrite(ledPin,Arduino.HIGH);
   fill(255,0,0);
    }
 else{
   arduino.digitalWrite(ledPin,Arduino.LOW);
   fill(0,0,0);
 }

딱히 수정할 것은 없습니다. 아두이노 소스를 해당 위치에다만 삽입하면 됩니다.

6. 결과

프로세싱과 아두이노에 코드를 복사하고 실제 동작하는 전과정을 담았습니다. 동영상을 보는게 더 쉽게 와 닿을지 모르겠네요.

마무리

종합해 보면, 아두이노에서 StandardFirmata를 아두이노에 이식 시키고 Processing은 Arduino(firmata) 라이브러리를 설치해서 아두이노 라이브러리를 통해서 StandardFirmata를 이식된 아두이노를 직접 제어를 하게 됩니다.

이 방법은 아두이노에서 코딩을 할 필요가 없습니다. 프로세싱에서 그래픽 시각화와 아두이노 제어를 둘 다 할 수 있습니다.

또 다른 방법은 시리얼통신으로 서로 데이터를 주고 받는 방법이 있습니다. 프로세싱과 아두이노가 데이터를 주고 받으면서 제어할 데이터 또는 시각화 데이터를 서로 시리얼통신으로 통해 주고 받는 방식이 있습니다.
이 경우는 아두이노는 아두이노 코딩만 하면 되고 프로세싱은 프로셋이 코딩만 하면 됩니다. 그 중간 연결을 통신이 대신 하는 것이죠.

우선은 오늘 배운 프로세싱에서 아두이노를 제어하는 방법만 이해해 주시고 다음에 따로 통신을 통해 데이터를 주고 받는 방식을 살펴보도록 하겠습니다.

[아두이노] 온도센서(TMP36) 제어

• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com/
• 참고자료출처 : https://www.kocoafab.cc/tutorial/view/58 (온도계산만 참조)

오늘은 온도센서(TMP36)를 제어 해보는 시간을 가지도록 합시다. 원래 예전에 공부할때 온도계산에 대한 부분은 다른분의 블로그를 보고 했는데 기억이 안나네요. 암튼 온도 계산식을 제가 만든것도 아니고 기존에 공식이 있는 거라서 제가 참조한 출처는 못찾아서 해당 온도계산식이 나와 있는 블로그를 하나 링크를 걸어 놓았네요.

1. 온도센서(TMP36)

대부분의 측정센서는 Vcc, Gnd로 전원을 공급하고 센서에서 측정한 값은 Vout 출력됩니다. Vout은 온도에 따른 전류를 측정하는 것이죠. 그래서 전류를 계산하는 공식이 필요합니다.

 float V = analogRead(A0)*5.0/1023;
 float C = (V-0.5)*100;  //섭씨 C = (F-32)*1.8;
 float F = C*9.0/5.0+32; //화씨 F = C*1.8+32;

이게 기본베이스 입니다. 제가 만든건 아니고 기본적으로 이 공식으로 섭씨와 화씨를 측정하더군요.
제 블로그에서는 약간 수정하여 map()함수를 응용해서 함수를 따로 만들었습니다. 정수를 실수형으로 변수를 바꾼것 밖에 없지만요,

float fmap(long x, long in_min, long in_max, float out_min, float out_max)
{
  return (x - in_min) * (out_max - out_min) /(float) (in_max - in_min) + out_min;
}
<

V 계산을 map()함수 로직에다 삽입해서 바로 V값이 나오도록 했죠. 그냥 이렇다는 것이고 위의 공식으로 그냥 하셔도 됩니다.

2. 회로도 구성

• 준비물 : TMP36 센서, 아두이노우노
• 내용 : 온도센서에서 읽어들인 값을 아두이노 IDE 시리얼모니터로 출력시키기 위한 회로도 만들자.

선 연결 참 쉽죠. 원래는 LCD16x2로 온도값을 출력할려고 했는데 그러면 TMP36 제어를 어려워 할 것 같아서 최소한 코딩으로 원리만 전달하고자 간단히 표현했네요.

원리를 이해했으면 LCD16x2로 출력해 보세요. 아두이노는 하나의 부품을 배우면 지난 시간에 배운 부품들과 계속 결합해서 응용력을 키워야 실력이 늘어 납니다.

3. 코딩

• 사용함수 : analogRead(), map(), Serial.begin(9600), Serial.print(), Serial.println()
• 내용 : 온도계산공식을 이용하여 간단히 아두이노 IDE 시리얼모니터로 현재 온도를 출력하자.

복습

• analogRead(A0) : A0핀으로 아날로그 값을 읽음
• map(입력값,입력최소값,입력최대값,출력최소값,출력최대값) : 입력값이 입력범위에 기준에 맞게 출력범위의 해당값을 출력.
• Serial.begin(9600) : 시리얼 통신 시작
• Serial.print(출력값) : 출력값을 시리얼 모니터로 출력하는데 새로운 라인으로 안넘어가고 현재라인에 커서가 위치함.
• Serial.println(출력값) : 출력값을 시리얼 모니터로 출력한 다음 새로운 라인으로 커서가 이동하는데 Enter(\n) 의미로 이해

설계

1. 온도센서값을 읽어옴
2. 섭씨와 화씨를 구함
3. 시리얼모니터로 출력

온도센서는 analogRead(A0)로 읽어온다. 0~1023값을 읽어오는데 V를 구해야한다. 0~5V의 아두이노는 흐른다. 즉, 0~1023의 수치를 0~5V 값으로 출력을 맞춰야 합니다.

가령, map()함수라는 것은 0~100까지의 입력 범위가 있으면 출력을 0~10사이로 맞출때 사용합니다.

입력이 10이면 출력은 1
입력이 20이면 출력은 2

...

입력이 100이면 출력은 10

이렇게 되게죠. map()함수에 대해서 이해 하셨을거라 생각 합니다. 그런데 map()함수는 정수값으로 나오기 때문에 실수값으로 0~5V사이 값이 나오기 때문에 기존의 map()을 그대로 쓰면 안됩니다. 변수를 실수형태로 변경해 줘야 합니다. 실수형으로 변수를 선언해주면 간단히 해결 됩니다.

float V =fmap(analogRead(A0),0,1023,0,5); //map함수 원리를 이용한 다이렉트 Voltage계산

V값이 구해지면 섭씨(C)와 화씨(F)를 공식에 대입하면

float C = (V-0.5)*100;  //섭씨 C = (F-32)*1.8;
float F = C*9.0/5.0+32; //화씨 F = C*1.8+32;

이렇게 섭씨(C)와 화씨(F)가 구해지겠죠. Serial.print(), Serial.println()함수로 좀 이쁘게 그 값을 출력하면 됩니다.

코딩을 전체적으로 하면

void setup() {
  Serial.begin(9600); //시리얼통신 시작
}

void loop() {
 
  float V =fmap(analogRead(A0),0,1023,0,5); //map함수 원리를 이용한 다이렉트 Voltage계산
 
  //공식
  //float V = analogRead(A0)*5.0/1023;
  float C = (V-0.5)*100;  //섭씨 C = (F-32)*1.8;
  float F = C*9.0/5.0+32; //화씨 F = C*1.8+32;
  
  Serial.print("V : ");
  Serial.println(V);
  Serial.print("C : ");
  Serial.println(C);
  Serial.print("F : ");
  Serial.println(F);
  
  delay(1000);  
}

float fmap(long x, long in_min, long in_max, float out_min, float out_max)
{
  return (x - in_min) * (out_max - out_min) /(float) (in_max - in_min) + out_min;
}

4. 결과

가상시뮬레이터에서지만 약간은 오차가 발생 하네요. 실제로 하더라도 보정이 좀 필요할 듯 합니다.

마무리

오늘은 온도센서(TMP36)을 이용해서 아두이노에서 간단히 계산하니깐 온도계가 되었네요. 온도를 측정할 수 있다는 것은 많은 것들을 할 수 있게 됩니다.

가령 방마다 온도를 측정한다 그리고 무선통신을 이용해서 그 값을 따로 컴퓨터에 저장시켜서 4계절 집안 온도의 데이터를 수집할 수 있게 되고 그걸 통해서 집안 난방을 관리할 수 있게 되겠죠. 또 다른 예로 식물재배에서도 온도를 측정하면 온도에 맞게 자동으로 제어를 할 수 있겠죠.

온도를 측정한 다는 것은 그 데이터를 수집해서 다른 용도로 사용할 수 도 있고 아니면 현재의 온도에 맞게 특정한 동작을 수행하도록 하는 목적으로 사용할 수 도 있겠죠.

암튼 온도를 측정할 수 있으면 여러분들은 뭘 하고 싶을지 상상의 나래를 펼쳐보세요

[아두이노] 스위치버턴을 이용한 Keypad 제어

• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com/
• 참고자료출처 : http://playground.arduino.cc/Code/Keypad

오늘은 KeyPad의 내부 동작을 살펴보도록 하죠. 가장 잘 알려진게 스위치버턴으로 표현한 예제입니다. 아래 스위치 버턴의 연결한 회로도를 잘 살펴보세요. 이 원리를 이해하시면 나중에 3x3x3 LED CUBE를 만드는데 활용되는 원리니깐 꼭 이해해 주세요.

1. 스위치버턴을 이용한 KeyPad

스위치 버턴은 기본 눌렀을때 전류가 흐르잖아요. 이걸 16개의 버턴을 연결한 것이죠. 그리고 각 스위치 버턴의 입력을 내부풀업저항을 이용해서 스위치 누른 위치의 상태값을 통해서 몇번째 스위치가 눌러졌는지 알게 됩니다.

우선 선 4x4 스위치 버턴을 배치한뒤에 선을 그림과 같은 형태로 연결하세요. 그리고 스위치 버턴에 내부풀업저항을 이용한다고 가정해 봅시다. 여기서, 가로 라인을 1층으로 생각하시고 세로는 각 호실이라고 했을 때 그러면 1층 2호실을 눌렀을 경우를 생각해보세요.

어떤 경우에 1층 2호실이 눌러졌는지 알 수 있을까요.

하나만 쪼개서 다시 살펴보세요. 1층 2호실은 6번핀이 Gnd이고 4번핀은 LOW 상태일때 입니다. 좀 햇갈리 수 있는데 내부풀업저항 모드일대는 초기 스위치 값은 HIGH(1)인 상태가 되고 스위치를 누르면 전류가 흘러 가기 때문에 해당 4번핀은 LOW(0) 상태가 됩니다. 결론은 1층 2호실 스위치를 누르면 6번핀이 Gnd일때 4번핀의 입력핀이 LOW일때입니다.

이걸 어떻게 찾아내느냐 하면

  for(int y=0;y<rows;y++){
    digitalWrite(rowPins[y], LOW);   
    for(int x=0;x<cols;x++){     
        if(!digitalRead(colPins[x]))val = keys[y][x];
    }        
    digitalWrite(rowPins[y], HIGH);      
  
  }

2중 for문을 이용해서 각 층별에 대한 해당 호별로 순차적으로 체크하면 됩니다. 초기로 모든 층은 HIGH 상태로 세팅한 후에
1층(LOW)부터서 1호실, 2호실, 3호실, 4호실 체크해서 스위치가 눌러졌는지 확인한 뒤에 1층은 HIGH로 다시 잠궈집니다.
2층(LOW)부터서 1호실, 2호실, 3호실, 4호실 체크해서 스위치가 눌러졌는지 확인한 뒤에 2층은 HIGH로 다시 잠궈집니다.
...
이렇게 초기값으로 각 층은 HIGH로 해놓으면 LOW로 된 층의 각 호실만 체크할 수 있게 됩니다.

설명이 어려울 수 있는데 쉽게 말해서 HIGH은 각 층이 닫혀진 상태이고 LOW되면 LOW된 층이 개방되게 됩니다.

만약에 각 층이 전부다 LOW라고 생각해보세요. 가령 2층 1호실을 눌렀습니다. 그러면 5번 핀은 digitalRead(5)핀의 값은 LOW가 됩니다. 하지만 누른 위치가 1층 1호실인지 2층 1호실인지 알 수 없게 됩니다. 만약 for문이 1층부터 체크한다면 1층 1호실에서 출력값이 LOW되기 때문에 1층 1호실로 인식하게 되고 만약에 for문이 4층부터 순차적으로 체크했다면 4층 1호실에서 LOW가 되기 때문에 4층 1호실로 인식하게 됩니다.

각 층을 체크할때는 체크하는 층만 LOW가 되고 나머지 층은 HIGH로 잠궈놔야 됩니다.

이해가 안되시면은 그냥 HIGH일때 잠겨지고 LOW일때 열린다고 생각하시면 되겠습니다. 이게 스위치에 전류의 흐름을 이해하면 쉽게 이해되는데 약간 설명이 어렵네요.

만약 1층(6번)이 HIGH일때 1층 1호실을 누르나 안누르나 1층 1호실 digitalRead(5)의 출력값은 무조건 HIGH입니다. 스위치를 누른다고 LOW되지 않습니다. 1층(6번) 핀이 LOW일때 누른 호실의 digitalRead(호실)의 출력값이 그제서아 LOW 됩니다.
풀업저항스위치버턴의 기본 동작을 이해하셔야 이 원리를 이해하실 수 있습니다.

2. 회로도 구성

• 준비물 : 스위치버턴 16개, 아두이노우노
• 내용 : 키를 누르면 그 값을 시리얼모니터로 출력할거기 때문에 간단히 회로도 구성함.

선 연결만 주의하시면 그럽게 어렵지 않습니다.

3. 코딩

• 사용함수 : Serial.begin(), Serial.println(), keypad.getKey()
• 내용 : Keypad에 누른 값을 아두이노 IDE의 시리얼 모니터로 간단히 출력하자.
• 참고출처 : http://playground.arduino.cc/Code/Keypad

복습

• Serial.begin(9600) : 시리얼 통신 시작
• Serial.println(출력값) : 출력값을 시리얼 모니터로 출력
• keypad.getKey() : 키값 읽기

그외 함수들은 참고출처에 가셔서 한번 읽어보시길 바래요.

설계

1. 스위치 버턴으로 읽기
2. 아두이노 IDE 시리얼모니터로 키 값 출력한다.

코딩을 전체적으로 하면

#include <Keypad.h>

const byte rows = 4; //four rows
const byte cols = 4; //four columns

byte rowPins[rows] = {9,8,7,6};
byte colPins[cols] = {5,4,3,2};

char keys[rows][cols] = {
  {'1', '2', '3', 'A'},
  {'4', '5', '6', 'B'},
  {'7', '8', '9', 'C'},
  {'*', '0', '#', 'D'}
};

Keypad keypad = Keypad(makeKeymap(keys), rowPins, colPins, rows, cols);

void setup(){
  Serial.begin(9600);  
}

void loop(){
  
   char key = keypad.getKey();

   if (key != NO_KEY){      //키값이 눌렀는지 확인문
      Serial.println(key);
   }
}

4. 라이브러리 없이 코딩

스위치버턴 Keypad에서 설명한 방식으로 코딩을 하면 제블러그에 있던 코딩인데 그대로 인용합니다. 로직을 자세히 살펴보시면 이해가 되실꺼에요.

const byte rows = 4; //4 rows
const byte cols = 4; //4 columns

byte rowPins[rows] = {9,8,7,6};
byte colPins[cols] = {5,4,3,2};

 char keys[rows][cols] = {
  {'1', '2', '3', 'A'},
  {'4', '5', '6', 'B'},
  {'7', '8', '9', 'C'},
  {'*', '0', '#', 'D'}
};

void setup(){
  Serial.begin(9600);
  
  for(int i=0;i<rows;i++){
    pinMode(rowPins[i], OUTPUT);
    digitalWrite(rowPins[i], HIGH);   // 각층 초기화로 잠금
  }
  for(int i=0;i<cols;i++){
    pinMode(colPins[i], INPUT_PULLUP); //각호실 내부풀업저항모드로 읽기
  }  
}

void loop(){
  
  char val = '\0';
 
  for(int y=0;y<rows;y++){
    digitalWrite(rowPins[y], LOW);   //해당층 개방
    for(int x=0;x<cols;x++){     
        if(!digitalRead(colPins[x]))val = keys[y][x];
    }        
    digitalWrite(rowPins[y], HIGH);  //해당층 잠금
  
  }

 if(val!='\0'){
    Serial.println(val);
   delay(300);
 }      
}

5. 결과

선 배치가 제일 귀찮았네요.

마무리

오늘은 Keypad를 스위치버턴으로 대신 했습니다. 그리고 라이브러리 없이 직접 코딩을 사용하여 동작을 제어 했네요.

스위치버턴에서 층과 호실에 관한 전류 흐름의 체크에 대해서 꼭 이해해 주세요. 왜냐면 나중에 응용편에서 거론한 3x3x3 LED CUBE에 원리가 같습니다.

원래 LED 제어를 한뒤에 응용편으로 미리 다루어야 했는데 응용편이고 코딩쪽이여서 다소 어려울 수 있어서 스위치버턴에서 먼저 그 원리를 사용하게 되었네요.
꼭 층과 호실의 관계를 이해해 주세요. 입력을 층과 호실로 받았지만 반대로 출력을 층과 호실로 보낼 수 있습니다. 그게 바로 3x3x3 LED CUBE의 기본 원리입니다.

이 원리를 깨우치면 진짜 화려하고 재밌는 작품을 만들 수 있으니깐 꼭 이해해 주세요.

궁금하시면 구글검색으로 3x3x3 LED CUBE를 쳐보세요 만들고 싶은 충동이 느껴질꺼에요.