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환경 모니터링을 위한 기본적인 전자 설계

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글/Michael Parks, PE for Mouser Electronics

오늘날 우리가 사는 세상에서는, 과학자들이 기후 변화, 온실 가스, 미세먼지, 해수면 상승 같은 것을 감지하기 위한 환경 모니터링을 하기 위해서 초인적인 노력을 펼치고 있다는 내용의 뉴스 기사를 거의 하루도 빠지지 않고 들을 수 있다. 이러한 연구는 현시대에 지구 행성의 건강을 향상시키도록 기여할 뿐만 아니라, 인류와 지구의 관계가 미래 세대의 이익까지 고려한 지속 가능한 것이 되도록 한다. 전통적으로 이러한 연구를 위해서는 전문적인 과학자들이 고가의 장비를 사용해서 대규모로 긴 시간에 걸쳐서 측정을 하였다. 보통 사람들은 자신의 가정에서 탄소 발자국을 감시하는 것 말고는 이러한 노력에 참여할 수 없었다. 하지만 이제는 지역 사회와 DIY 족들까지도 견고한 환경 모니터링을 할 수 있게 되었다.
전문적인 과학자이든 또 아니면 갈수록 늘어나는 ‘시민 과학자(Citizen Scientists)’ 운동의 추종자이든, 환경을 모니터링하기 위한 디바이스를 개발하기 위해서는 고유의 과제들을 해결해야 한다. 이러한 장비들은 전통적인 컨슈머 기기에서와 같은 편의성과 조건들이 허용되지 않는 것이 일반적이다. 환경 모니터링 용으로 설계되는 기계 장비는 신뢰할 수 있는 전원을 사용할 수 없고, 혹독한 주변 조건과 싸워야 하고, 통신 채널이 열악한 것과 같은 여러 가지 과제들을 극복해야 한다. 그러므로 환경 모니터링과 같은 가혹한 조건으로 동작해야 하는 디바이스를 설계하기 위해서는 엔지니어들이 모든 관련 사항들을 고려해야 한다.

왜 우리가 관심을 가져야 하는가?

인류가 우주를 탐험하기 위해서 펼쳤던 그 모든 노력에도 불구하고 우리가 ‘집’이라고 부를 수 있는 행성은 여전히 하나뿐이다. 지금 현재 인류는 ‘모든 계란을 한 바구니에 담고 있는’ 꼴이며, 지구라는 행성을 잃는다면 대체할 수 있는 것이 아무 것도 없다. 기본적으로 환경 모니터링은 지구를 대상으로 한 의학적인 신체 검사 같은 것이다. 공기, 물, 토양의 질에 관한 데이터가 없다면, 지구 행성의 다양한 생태계를 이루는 모든 특성들이 최적으로 조화를 이루도록 유지하기 위해서 어떻게 해야 할지에 관한 통찰적이며 예방적인 의사결정을 하는 것이 불가능하다. 환경 모니터링은 바로 그러한 데이터를 제공한다. 이를 활용함으로써 다음과 같은 것들이 가능하다:
“저 점을 다시 보라. 저기가 바로 여기다. 저기가 우리들의 집이다. 저기가 우리가 사는 곳이다. 우리가 사랑하는 모든 이들, 우리가 아는 모든 이들, 우리가 이름을 들어보았던 모든 이들, 태어났던 모든 사람이 바로 저 위에서 자신의 삶을 살았다.”
- 칼 세이건
• 식량 공급: 토양의 화학적 특성을 이해함으로써 전세계 농부들이 윤작에 관해서 좀더 현명한 결정을 할 수 있으며 급격하게 증가하는 인구를 먹여 살릴 수 있다.
• 인간의 건강: Rishi Manchanda 박사는 2014년에 “무엇이 우리를 병들게 하는가? 원천은 어디인가?”라는 제목의 TED 강연을 하였다. 그는 로스앤젤레스의 저소득 주민들을 돌보는 의사로 활동하면서 겪은 얘기를 들려주면서 인간의 건강과 환경은 아주 밀접하게 연관되어 있다는 사실을 강조하였다. 그는 우리가 의료 문제를 다루면서 질병을 유발하는 주된 원인으로서 우리가 생활하고, 일하고, 배우고, 놀이하는 곳에서의 환경적 요인(예를 들어서 곰팡이 증식 같은)을 고려하는 것을 간과한다고 지적하였다.
• 경제: 환경에 대해서 무간섭주의를 취했을 때 경제에 어떤 영향을 미칠지 생각해 보라. 지구적 차원에서는 해수 범람으로 집과 재산을 바다에 내주어야 할 때 막대한 보험 청구가 발생될 것이다. 개인적 차원에서는 잔디에 과하게 물을 주는 것과 같은 행위는 물을 낭비하는 것이고 또한 그만큼 수도요금을 더 내야 하므로 돈을 낭비하는 것이다.
센서 선택을 위한 고려사항
건강한 지구는 우리 세대뿐만 아니라 미래 세대에까지도 중요한 문제이므로, 지구에 어떤 일이 벌어지고 있는지 이해하기 위해서는 잘 설계된 환경 모니터링 장비를 사용해야 한다. 환경 모니터링에서 가장 기본적인 요소는 센서이다. 센서는 일종의 트랜스듀서로서 환경의 물리적 특성(온도, 습도, 조도 등)을 전기적 신호로 변환한다. 환경 모니터링 용으로 적합한 센서를 선택하는 것이 중요하다. 센서를 선택할 때는 다음과 같은 여러 가지 파라미터들을 고려해야 한다:
• 수동(passive) 대 능동(active): 능동 센서는 동작하기 위해서 전원을 필요로 하며, 수동 센서는 물리적 스티뮬러스(자극)를 곧바로 전기적 신호로 변환한다.
• 절대(absolute) 대 상대(relative): 절대 센서는 출력이 동작 조건에 따라서 종속적이지 않다. 반면에 상대 센서의 출력은 출력을 고정적 전압 같은 알려진 수치와 비교를 필요로 한다.
• 범위(range): 검출할 수 있는 최소 및 최대 물리적 특성의 범위를 말한다. 예를 들어서 주변 빛을 측정하려고 한다면 측정할 수 있는 가장 어두운 빛과 가장 밝은 빛 수준이 어느 정도인지 알아야 할 것이다. Texas Instruments의 뛰어난 OPT3001 센서를 선택한다고 했을 때 이 제품의 데이터 시트를 보면 이 범위가 0.01룩스부터 83킬로룩스까지라는 것을 알 수 있다...(중략)