이 글에서는 화학적 측정 파라미터에 초점을 맞춰 살펴본다. 전기화학은 화학의 한 분야로서, 전자가 한 반응체에서 다른 반응체로 이동하는 것을 측정해서 환원-산화 반응 동작을 분석한다. 전기화학적 기법들을 직접적 또는 간접적으로 활용하면 앞에서 열거한 수질 지표들을 검출하고 측정할 수 있다.

머리말

음료 생산, 제약 공장, 폐수 처리 시설 등 몇몇 산업 분야에서는 수질 모니터링 시스템을 이용해 주요 수질 지표들을 측정하고 제어한다. 물의 물리적, 화학적, 생물학적 특성들은 수질을 나타내는 지표로 활용될 수 있다. 예를 들면 다음과 같다:

- 물리적 특성: 온도, 탁도
- 화학적 특성: pH, 산화 환원 전위(ORP), 전도도, 용존 산소량
- 생물학적 특성: 조류, 박테리아

이 글에서는 이 세 가지 특성 중 화학적 측정 파라미터에 초점을 맞춰 살펴본다. 전기화학은 화학의 한 분야로서, 전자가 한 반응체에서 다른 반응체로 이동하는 것을 측정해서 환원-산화 반응 동작을 분석한다. 전기화학적 기법들을 직접적 또는 간접적으로 활용하면 앞에서 열거한 수질 지표들을 검출하고 측정할 수 있다. 전기화학적 측정 시스템은 다음의 두 가지 요소로 이루어진다:

- 센서: 수질 지표를 측정하고 그에 상응하는 전기 신호를 발생시키는 장치
- 측정 및 처리 장치: 전기 신호를 측정하고 처리하는 회로

통상적으로, 공정 플랜트에는 곳곳에 개별 유선 센서들이 설치되어 있다. 이러한 센서들은 수시로 청소와 보정이 필요할 뿐만 아니라 자주 교체해줘야 한다. 무선 네트워크를 사용하면 이러한 부담을 덜 수 있다. 하지만 무선 센서는 이러한 애플리케이션들의 열악한 환경에 사용할 수 있을 만큼 충분히 견고하지 않다는 인식이 널리 퍼져 있다.

하지만 이제 새로운 측정 및 네트워킹 기술을 사용함으로써 견고하고 신뢰할 수 있는 무선 센싱 네트워크가 가능해졌다. 이 글에서는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 ADuCM355의 범용 센서 인터페이스와 SmartMesh® IP 기술의 유선 기술급 신뢰성을 결합해서 수질 지표의 하나인 pH 측정을 위한 견고한 저전력 무선 수질 모니터링 시스템을 구현할 수 있는 데모 플랫폼을 소개한다. 이것을 또 다른 전기화학적 파라미터를 측정하도록 확장해서, 각각의 무선 센싱 노드를 통해 다양한 수질 측정을 할 수 있다.



pH 측정과 pH 프로브

pH 값은 어떤 수용성 용액에서 수소 이온과 수산화 이온의 상대적 양을 측정한 것이다. 중성 용액이라는 것은 수소 이온 농도와 수산화 이온 농도가 같은 것이다. pH는 수소 이온 농도를 표현하는 또 다른 방식으로서, 용액의 산성과 염기성을 나타낸다. 공식은 다음과 같다:



이 공식에서 H+는 수소 이온 농도이고, 단위는 몰/리터(mol/liter)이다.



어떤 용액의 pH 값은 0 ~ 14까지이며, 중성 용액은 pH가 7이다. 산성 용액은 pH가 7 이하이고, 알칼리성 용액은 pH가 7 이상이다.

pH 프로브는 유리 전극과 기준 전극으로 이루어진 전기화학적센서이다.

pH 프로브를 용액에 집어넣으면, 용액의 수소 이온 활성화에 따라서 측정 전극이 전압을 발생하는데, 이 전압을 내부 기준 전극의 전위와 비교한다. 이 측정 전극과 기준 전극 사이의 차가 측정 전위이며, 네른스트 공식(Nernst equation)으로는 다음과 같이 표현된다:



여기에서:
E는 알려지지 않은 활동 a = ±30mV와 제로 허용오차를 갖는 전극의 전압이고, T는 주변 온도(℃)이며, n은 1이고( 25℃, 원자가(이온에서 전하의 수) F = 96485 쿨롬/몰, 패러데이 상수), R은 8.314 볼트-쿨롬/°K 몰로, 이상적 기체 상수이고  pH는 이 용액의 수소 이온 농도이고 ,pH_ISO는 이 기준 전해액의 수소 이온 농도이다: 정격 pH_ISO = 7. 프로브 데이터 시트 참조.

이 공식에 따르면, 발생하는 전압이 pH에 따라서 달라진다는 것을 알 수 있다. 또한 이 전압은 용액의 온도에 비례한다는 것을 알 수 있다. 용액의 온도가 올라갈수록 두 전극의 전위차는 커지고, 온도가 내려가면 그 반대일 것이다. 이상적인 pH 프로브는 25℃일 때 ±59.154mV/pH를 발생한다.

온도 변화는 측정 전극의 감도에도 영향을 미치는데, 이것은 측정 오차로 이어진다. 이 오차는 예상 가능하며, 온도에 대해서 프로브를 보정해서 교정할 수 있다. 이를 위해 통상적으로 pH 프로브에 온도 센서를 통합한다. 온도 센서는 NTC(negative temperature coefficient) 서미스터나 PT100 또는 PT1000 같은 RTD를 사용할 수 있다. 그림 3은 pH 프로브와 온도 센서를 보여준다.



온도 센서가 온도 변화를 측정하면 최종 pH 판독 결과에 보정률(보정 계수)를 적용해서 보다 정확한 판독값을 제공한다. 이러한 방법을 통해 pH 측정에서 온도 변화로 인해 발생할 수 있는 오차를 보정할 수 있다.



ADuCM355를 사용한 pH 측정

ADuCM355는 고도로 통합적인 화학적 센서 측정 프런트엔드로서, 필요한 모든 측정 기능과 저전력 마이크로프로세서를 결합한 pH 측정용 플랫폼 솔루션을 제공한다. 소형 폼팩터의 극저전력 측정 플랫폼인 ADuCM355는 센서 하우징 안에 집어넣을 수 있을 만큼 크기를 작게 구현할 수 있으면서도 실험실 장비급의 기능과 성능을 제공한다.



그림 5는 ADuCM355를 기반으로 한 pH 측정 보드로서, pH 프로브와 온도 센서를 연결하기 위한 BNC 및 RCA 커넥터를 포함한다. 이 보드는 CN-0428 레퍼런스 디자인을 사용했으며, 보드의 세부 내용은 그림 5에서 확인할 수 있다.

pH 측정 센서 노드와 SmartMesh의 연결

ADuCM355와 아나로그디바이스의 SmartMesh 트랜시버를 결합하여 소형의 저전력 pH 측정 센서 노드를 제작했다. ADuCM355는 측정한 pH 데이터를 디지털 출력으로 제공한다. 이 디지털 데이터를 UART를 통해서 아나로그디바이스의 LTP5902 SmartMesh IP 무선 트랜시버로 보낸다. LTP5902가 이 디지털 데이터를 SmartMesh 네트워크를 통해서 SmarMesh IP 매니저로 전송한다.



SmartMesh는 IEEE 802.15.4e 표준을 기반으로 하는 아나로그디바이스의 독자적인 2.4GHz 멀티호핑 무선 메시 네트워킹 솔루션이다. AES 128 암호화 및 인증 기법을 사용해서 강건한 엔드-투-엔드 보안을 제공한다. 전력소모가 극히 낮고 에너지 효율이 높아 각각의 센서 노드를 배터리로 구동할 수 있다.

SmartMesh 네트워크는 TSCH(time slotted channel hopping) 링크층을 사용하는데, 이는 트리플 플레이 이중화을 통해 더욱 견고한 통신을 구현한다. SmartMesh 네트워크 매니저(게이트웨이에 포함)는 스케쥴링, 보안 관리, 무선 프로그래밍(OTAP), 24시간 자동 커넥티비티 최적화 기능을 담당한다. 또한 네트워크 매니저는 API를 통해서 네트워크 건전성에 대한 상세 정보를 제공한다. 소규모 네트워크라면 1개의 임베디드 매니저로 최대 100개의 센서 노드(‘모트(mote)’)를 지원할 수 있다. VManager를 사용하면 최대 50,000개에 이르는 엄청난 수의 노드들을 지원할 수 있다.



SmartMesh 기술은 엄격한 네트워크 스트레스 테스트를 거쳐서 99.999% 이상의 데이터 신뢰성을 달성하므로, 높은 네트워크 가용성을 유지하면서 패킷 손실은 없어야 하는 산업용 무선 센서 네트워크에 사용하기에 이상적이다.



무선 수질 모니터링 시스템

그림 8의 무선 수질 네트워크 데모는 다음과 같이 이루어졌다:

▶ 4개의 센서 노드

- 각각의 센서 노드는, 그림 6에서 본 것처럼 ADuCM355와 SmartMesh IP 모트에 연결된 온도 센서를 통합한 기성품 유리 전극 pH 프로브들로 구성된다.
- pH 프로브가 pH 값을 검출하고, ADuCM355가 측정 및 계산을 하고 측정한 pH 값을 디지털 출력으로 제공하면, 이것을 무선 SmartMesh 네트워크를 통해서 SmartMesh IP 매니저로 전송한다.
- SmartMesh IP 매니저를 USB를 통해서 PC로 연결한다.

▶ 이 시스템에서는 PC가 게이트웨이 역할을 담당한다.

이 PC에는 Node-RED와 SmartMesh SDK가 설치되었다. SmartMesh SDK를 사용해 데이터용 JSON(JavaScript object notation) 서버를 생성하고, 이것을 Node-RED로 연결한다. Node-RED를 사용해서 각각의 센서 노드에서 측정한 pH 데이터를 표시하고, IBM 왓슨(Watson)이나 아마존(Amazon) AWS 같은 클라우드 서비스로 연결할 수 있다.



하드웨어 설정

데모를 위해, 세 칸으로 된 수조를 사용하고, 단 차이를 두어서 맨 위 칸에서 그 다음 칸으로 물이 흐르도록 했다. 각 칸마다 pH 센서 프로브를 넣었다. 멀리 떨어진 곳에서 SmartMesh 무선 통신을 보여주기 위해서, 네 번째 센서는 거리를 두고 기준 용액에 집어넣었다(그림에는 보이지 않음). 맨 위 칸에서 용액의 pH를 변화시키면, Node-RED의 데이터가 업데이트되고 새로운 pH가 표시된다.

이 변화한 pH 용액이 맨 위 칸에서 그 다음 칸들로 흘러내려갈 때 다른 두 pH 센서들도 측정 값을 업데이트하는데, 이렇게 업데이트된 데이터들이 화면에 표시된다. 네 번째 센서는 기준 용액에 집어넣었기 때문에 이 센서의 판독값은 pH 변화 없이 일정하다. https://www.youtube.com/watch?v=JHjZsybDJMk에 접속하면 이 데모에 관한 영상을 볼 수 있다.



측정 데이터

4개의 센서 노드들이 수행한 pH 측정 결과가 Node-RED를 사용해서 PC 상에 표시된다.

Node-RED는 웹 기반 브라우저를 포함하는 프로그래밍 툴로서, 하드웨어 디바이스, API, 그 밖에 다른 온라인 서비스들을 연결할 수 있다. 그림 11은 이 데모의 JSON 플로우를 보여준다.







맺음말

이 글에서는 아나로그디바이스의 ADuCM355와 SmartMesh IP 기술을 사용한 무선 수질 모니터링 시스템에 대해서 설명했다. 이들 제품의 소형 폼팩터와 저전력 특성 덕분에, 센서 노드를 배터리를 사용해서 구동할 수 있다. 견고한 SmartMesh 기술은 열악한 환경에서 작동하면서도 데이터를 신뢰할 수 있게 안정적으로 전송한다.

데모를 통해서 신뢰성이 매우 뛰어난 무선 모니터링 시스템과 클라우드 연결성을 살펴보았다. 이 기술을 사용함으로써 접근하기 어려운 장소에서도 수질 모니터링을 할 수 있고, 정해진 수질 임계값에 따라서 통보 및 경보가 가능하며, 이 데이터를 활용해서 지속적인 수질 파악을 위한 유용한 정보를 얻을 수 있다.


■ 참고문헌

CN-0398: Soil Moisture and pH Measurement System with Temperature Compensation. Analog Devices, Inc., January 2020.
CN-0409: Low to High Level Water Turbidity Measurement System. Analog Devices, Inc., January 2020.
IBM Watson IoT Platform. IBM Corporation, 2019.
Ka¨mmerer, Christoph. Liquid Measurements - From Water to Blood. Analog Devices, Inc., October 2019.
Node-RED: Low Code Programming for Event-Driven Applications. Node-RED, January 2020.
Tzscheetzsch, Thomas. “Isolated pH Monitor with Temperature Compensation.” Analog Devices, Inc., July 2019.
Water Quality. Fondriest Environmental, Inc., January 2020.
@Pd2019S. “pH of sensor 4 is 6.877 at timestamp 2019-11-06 18:13:55.593000.” Twitter, November, 2019, 6:13 PM.

■ 감사의 말씀
데모 개발을 도와주시고 글을 검토해주신 스코트 헌트(Scott Hunt)와 빌 린지(Bill Lindsay)에게 감사드린다. 아울러 원고 작성에 조언해주신 댄 브라운워스(Dan Braunworth)와 댄 버튼(Dan Burton)에게도 감사드린다.

■ 저자 소개
피유 다커(Piyu Dhaker)는 아나로그디바이스(Analog Devices) 북미 애플리케이션 그룹의 애플리케이션 엔지니어이다. 2007년에 산호세 주립대학에서 전기공학 석사학위를 취득했다. 2017년 6월에 ADI 북미 애플리케이션 그룹에 합류했다. 그 전에는 ADI 자동차 파워트레인 그룹과 전원 관리 그룹을 거쳤다. 문의: piyu.dhaker@analog.com