초코볼의 inside Tech

이 글은 전편 2개가 있습니다.

* Hardware | Digitial Compass - HMC5883L 사용기 - 1

- https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-Digital-Compass-HMC5883L-1

* Hardware | Digital Compass - HMC5883L 사용기 - 2

- https://chocoball.tistory.com/entry/Hardware-Digital-Compass-HMC5883L-2

1. Why calibration?

이 HMC5883L 이나, 기타 digital compass 는 영점조정이 필요합니다.

Calibration 을 하기 전은 정확성에 있어서 사용할 수 있는 물건이 아니라고도 할 정도 입니다.

또한 지구상에서 내가 어디에 있느냐에 따라 자력의 방향과 세기가 달라지므로, 공장에서 만들어 졌던 들,

이 영점 조정은 꼭 필요하게 된다는 이야기가 됩니다.

현재 위치하고 있는 지리적 장소에 따라 변하는 자력을 계산해 주는 사이트도 있습니다.

* NCEI Geomagnetic Calculators

- https://www.ngdc.noaa.gov/geomag/calculators/magcalc.shtml

2. Yury Matselenak

아래 그림처럼 직각 육면체 (박스) 를 이용하여 영점 조정한 사람이 있습니다.

* Advanced hard and soft iron magnetometer calibration for dummies

- https://diydrones.com/profiles/blogs/advanced-hard-and-soft-iron-magnetometer-calibration-for-dummies

영점 조절을 위한 arduino code, Visual Studio 2010 C# 을 이용한 검증 어플 및 계산 어플까지 all set 를 혼자 만드신 분이죠.

위의 블로그에서 가져온 소스를 여기에 올려 놓습니다.

- MagMaster.rar

위의 압축파일에 모든게 들어 있습니다만,

한가지 아쉬운 것은, 2014년에 만들어진 코드라, 최신 Arduino IDE 에서는 제대로 동작하지 않습니다.

동작만 한다면, 이 분이 안내하고 만들어진 프로그램을 사용하여 영점 조정이 가능하나, 그러지 못했네요.

시간이 생기면 소스를 분석하고, geomagnetic 에 대해 공부하여 소스 개선을 좀 해주고 싶으나, 현재 그럴 여유는 없습니다.

Yuri 아저씨의 방식을 잠깐 설명해 보면, HMC5883L 센서는, PCB에 프린팅 된 XYZ 축의 모양에 따라 다음과 같은 축을 가집니다.

이 센서를 가지고 다음과 같이, 북쪽을 0도로 정하고 3차원 공간에서 XYZ 값을 가져오면, 틀어진 중심점을 알 수 있으니,

측정시에 그 틀어진 만큼을 빼주거나 더해주면 된다는 이론 입니다.

모두 12가지를 측정하여, 그 값들을 가지고 틀어진 중심점을 구하는 방식 입니다.

3. Sequential Quadratic Programming

측정된 값을 가지고 SQP (Sequential Quadratic Programming) 을 통해 최적의 영점을 잡아주는 방식도 있습니다.

(보다 기술적인 것은 잘 모름)

본 방식은, 아래 블로그에서 소개되었습니다.

* 電子コンパスHMC5883Lのキャリブレーションに挑戦

- http://tomoto335.hatenablog.com/entry/arduino/HMC5883L

결과적으로 SQP 를 실행해야 하는데, 이를 Octave (상용 MatLab 의 GNU 버전) 을 통해서 답을 구할 수 있다고 하네요.

Yuri 아저씨 방식이 안되니, 이 방식으로 진행해 봅니다.

4. Octave

SQP 계산을 위해, 일단 Octave 를 설치해 봅니다.

* GNU Octave

- https://www.gnu.org/software/octave/

사용하는 OS 에 맞게 다운로드 하구요.

인스톨 실행파일을 실행 시킵니다.

나에게 맞게 설정하구요.

저는 바탕화면이 지저분하게 되는게 싫어서 "Install for all users" 만 선택했습니다.

BLAS library 는 뭔지 모르니 그냥 OpenBLAS 로 놔뒀습니다.

Windows 10을 새로 깔았더니만 JRE 가 없네요. Octave 는 JRE 가 필요하다 합니다. 깔아 줍니다.

자 이제 다음으로 넘어갑니다.

5. 연결

우선 arduino 와 HML5883L 을 다음과 같이 연결합니다.

 HMC5883L | Arduino Nano
-------------------------
    VCC   |      5V
    GND   |      GND
    SCL   |      A5
    SDA   |      A4
-------------------------

그리고 I2CScanner / I2Cdetect 를 이요하여 address 0x1E 를 통해서 잘 인식 되었는지 확인합니다.

     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 1e --
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
70: -- -- -- -- -- -- -- --

Hardware 준비는 끝났으니, arduino source 준비로 넘어갑니다.

6. 값을 입력받자

HMC5883L 을 구동시켜 주는 몇 가지 Library 들을 확인해 봤는데, Adafruit 에서 만든 Unified library 가 가장 짱인 것 같습니다.

OS 를 싹 밀었더니만 예전 library 가 다 날라갔네요. 깔끔하게 다시 설치해 줍니다.

바로 실행하면, Octave 에서 계산을 방해하는 문자들이 들어가니 아래와 같이 단순한게 XYZ 값만 입력받게 합니다.

#include "Wire.h"
#include "Adafruit_Sensor.h"
#include "Adafruit_HMC5883_U.h"

/* Assign a unique ID to this sensor at the same time */
Adafruit_HMC5883_Unified mag = Adafruit_HMC5883_Unified(12345);


void setup(void) 
{
  Serial.begin(9600);
  
  /* Initialise the sensor */
  if(!mag.begin())
  {
    /* There was a problem detecting the HMC5883 ... check your connections */
    Serial.println("Ooops, no HMC5883 detected ... Check your wiring!");
    while(1);
  }
  
}

void loop(void) 
{
  /* Get a new sensor event */ 
  sensors_event_t event; 
  mag.getEvent(&event);
 
  /* Display the results (magnetic vector values are in micro-Tesla (uT)) */
  Serial.print(event.magnetic.x); Serial.print(",");
  Serial.print(event.magnetic.y); Serial.print(",");
  Serial.println(event.magnetic.z);
}

그러면 다음과 같은 결과들을 얻을 수 있습니다.

...
-21.82,-9.36,-41.94
-16.45,-8.73,-47.24
-16.45,-8.73,-47.24
-16.45,-8.73,-47.24
-9.64,-6.91,-51.43
-9.64,-6.91,-51.43
-9.64,-6.91,-51.43
-3.55,-4.00,-53.27
-3.55,-4.00,-53.27
-3.55,-4.00,-53.27
2.55,-1.27,-54.18
...

Serial Monitor 의 값들을 카피하여 txt 파일로 하나 만들어 놓습니다. 이게 Octave 에서 사용될 소스 값입니다.

참고로 Yuri 아저씨가 만들어 주신 MagMaster 프로그램 중에, MagViewer 라는게 있습니다.

실행시키면, 입력받을 Serial Port 를 물어보는데, arduino 와 연결된 port 를 지정하면 값들을 읽어와서 3차원 공간에 뿌려 줍니다.

훗, 확실히 틀어져 있군요.

동영상으로도 올려 봅니다. Graph Fetish 인지라, 이런거 보면 사족을 못 씁니다.

마우스로 요리조리 움직일 수 있어서 3차원 공간에서 어떻게 값들이 찍히는지 실시간으로 알 수 있습니다.

7. 영접을 찾아 보자

이제 Octave 에서 SQP 를 시켜 볼 차례 입니다.

Serial Monitor 에서 받은 값들을 파일로 만든 다음, Octave 내에서 아래 command 를 실행 시킵니다.

global points
points = csvread("HMC5883L_org_uncal.txt");
scatter3(points(:,1), points(:,2), points(:,3));

느낌이 예전 GNU Plot 을 사용하는 것이랑 매우 비슷하네요. Command 도 비슷하고.

짜잔~! 3차원으로 찍힌 그림을 그려줍니다. 이는 아까 MegViewer 로 본 모습이기도 합니다.

값들이 모두 입력 되었으니, 틀어진 값을 찾기 위해 SQP 해 봅니다.

function retval = sphere_errors(p, x)
  retval = sqrt( (p(:,1).-x(1)).^2+(p(:,2).-x(2)).^2+(p(:,3).-x(3)).^2).-x(4)
endfunction

function retval = sphere_error(x)
  global points
  retval = sum(sphere_errors(points, x).^2)
endfunction

x0 = [mean(points(:,1)), mean(points(:,2)), mean(points(:,3)), 100]

result = sqp(x0, @sphere_error)

그러면 한참만에 아래 값들이 도출됩니다. 모든 값들에 대해 mash 형태로 계산을 하다 보니, 꽤 시간이 걸립니다.

계산에 의하면, 중심점은 (12.1, -5.9, -7.2) 반경 47.85 라고 나옵니다.

이 값들이 지금까지 찾았던 영점값 되겠습니다.

8. 영접값 적용하여 확인

이제 다시 arduino source 로 돌아와, 위에서 구한 값들을 입력받는 source 에 반영해 줍니다.

중심점이 벗어나 있으니, 그만큼 가감해서, 입력 받을 때, 자동으로 계산되게 해주면 됩니다.

MegViewer 를 통해 어떻게 변했나 확인해 볼까요?

오호이~. 적용이 되어서 둥그런 원 모양과 중심축에 붙어서 값들이 표현되었습니다.

이게 calibration 의 힘이란 말인가... (대박)

9. Further More

사실 저는 이 결과가 썩 마음에 들지 않습니다.

일단, 값을 입력받는 방식 차제를 아래 그림들 처럼 고정된 상태에서 선의 걸리적 거림 없이,

6면체의 각 면과 같이 회전하면서 값들을 받아야, 입력값을 신뢰할 수 있을 것 같았습니다.

* Arduino GY-273 HMC5883L Magnetometer Compass Tutorial

- http://henrysbench.capnfatz.com/henrys-bench/arduino-sensors-and-input/arduino-gy-273-hmc5883l-magnetometer-compass-tutorial/

위와 같이 하려면, 아래 장치 처럼, 무선모듈을 추가해야 하고, 배터리로 구동시켜야 합니다.

* Tutorial: How to calibrate a compass (and accelerometer) with Arduino

- https://thecavepearlproject.org/2015/05/22/calibrating-any-compass-or-accelerometer-for-arduino/

저는 이렇게 연결하고 윙윙 휘둘렀습니다.

그래서 몇 개씩 값이 튀기도 하고...

혹시... 혹시 나중에 기회가 되면, 그땐 위의 전문가들 처럼 해보고 싶네요.

1. Bluetooth 통신

룰루~ arduino 로 놀 수 있는 센서나 모듈이 뭐가 있을까~ 하고 AliExpress 를 둘러 보던 중,

HC-05, HC-06, SPP-C 가 bluetooth 연결에 사용할 수 있는 모듈이라는 것을 알았습니다.

아직 쌓여있는 센서가 많지만, 일단 구매해 봅니다.

* SPP-C Bluetooth serial pass-through module wireless serial communication from machine Wireless SPPC Replace HC-05 HC-06

- https://www.aliexpress.com/item/32755550889.html

* HC-05 HC 05 hc-06 HC 06 RF Wireless Bluetooth Transceiver Slave Module RS232 / TTL to UART converter and adapter

- https://www.aliexpress.com/item/32523867394.html

2. 도착

한 업자에게서 구매 해서 동시에 배달되었습니다.

HC-05 이구요.

HC-06 이구요.

응? HC-05 랑 보드는 같고, 다른점은 오른쪽 밑에 스위치와 pin 갯수가 다른 것 뿐이네요.

뒷면에 세겨진 pin out 배열도 동일합니다.

SPP-C 만 다른 보드를 사용합니다.

3. HC-06

일단 오늘은, Slave 만으로 사용할 수 있는 가장 간단한 HC-06 구동을 시험해 보기로 합니다.

HC-05 는 Master / Slave 양쪽으로 사용할 수 있고, HC-06 은 Slave 만 가능하다 하네요.

보드가 동일한 것을 미리 알았더라면, HC-05 만 두개 살껄 그랬습니다.

SPP-C 는 완전 다른 모양이라 HC-05 / HC-06 을 가지고 놀아 보고 그 다음애 해보려 합니다.

구동 전원 Vcc 는 3.6v~5V 라서 arduino nano 의 3.3v 로는 조금 부족하고 5v 로 확실하게 구동됩니다.

HC-06 의 RXD, TXD 는 3.3v 를 이용한 입출력이므로. level shift 회로가 필요합니다만, 출력 (TXD) 은 그대로 하고,

입력 (RXD) 에 저항을 연결하여 회로를 보호해 줍니다.

사실 그대로 연결해도 됩니다만, 저항을 연결해 주는게 느낌상 좋습니다.

실제로 전용회로를 꾸미게 되면, 입출력 전압을 측정하여 거기에 맞는 저항을 달아 주는 것이 좋겠죠?

사양은 다음과 같습니다.

- Bluetooth protocol: Bluetooth V2.0 protocol standard

- Power Level: Class2(+6dBm)

- Band: 2.40GHz—2.48GHz, ISM Band   

- Receiver sensitivity: -85dBm

- USB protocol: USB v1.1/2.0

- Modulation mode: Gauss frequency Shift Keying

- Safety feature: Authentication and encryption

- Operating voltage range:+3.3V to +6V

- Operating temperature range: -20ºC to +55ºC

- Operating Current: 40mA

* Specification : hc06.pdf

4. pin out

여러 연결 방법이 있을 수 있으나,

우선 가장 간단한 arduino nano 를 통해서 PC 와 통신을 시도해 봅니다.

Pin out 정보 입니다.

 HC-06 | Arduino Nano
-----------------------
  RXD  |      D2
  TXD  |      D3
  GND  |      GND
  VCC  |      3.3V
-----------------------

아두이노에서 받는 3.3v 전원은 조금 약한 감이 있고, 5v 를 받자니 arduino nano 가 버거울 것 같아,

외부 전원을 사용하면 안정적으로 3.3v 인가 가능할 것 같습니다.

실제로 arduino nano 의 3.3v 에 연결하면, 되었다 안되었다 불안한 동작을 보여 줍니다.

5. layout

연결 diagram 입니다.

실제로 아래와 같이 연결했습니다.

삽질한 부분은 arduino nano 와 추가 전원의 ground 는 서로 연결해줘야 하는 것이였습니다.

그렇지 않으면, 정상적으로 통신이 되지 않습니다.

Ground 는 꼭 서로 맟춰 줘야 합니다.

6. sketch

아래는 arduino nano 를 PC 와 연결 할 경우에 사용한 소스 입니다.

#include "SoftwareSerial.h"
 
#define HC06_RXD 2
#define HC06_TXD 3
SoftwareSerial bluetooth(HC06_RXD, HC06_TXD);
 
void setup(){
  Serial.begin(9600);
  bluetooth.begin(9600);
}
 
void loop(){
  if (bluetooth.available()) {
    Serial.write(bluetooth.read());
  }
  if (Serial.available()) {
    bluetooth.write(Serial.read());
  }
}

7. AT commands

HC-06 과 연결되면 AT 명령어를 통해서 상태 확인이 가능합니다. 

Arduino IDE > Tools > Serial Monitor 를 띄우고 위의 AT 명령어들을 쳐 봅니다.

통신 속도 = baud rate 는 9600 으로 해야 합니다.

HC-06 은 공장 출하 설정이 9600 bps 로 되어 있습니다.

Bluetooth 이름은 "HC-06" 이구요, ROLE 은 0, 즉 SLAVE 로 되어 있습니다.

* AT+ROLE: See role of bt module(1=master/0=slave)

Password 는 기본 "1234" 로 되어 있습니다.

통신 속도 UART 는 9600 으로 되어 있네요.

바꾸고 싶을 경우는 아래와 같이 설정하면 됩니다.

* 1 set to 1200bps

* 2 set to 2400bps 

* 3 set to 4800bps 

* 4 set to 9600bps (Default) 

* 5 set to 19200bps 

* 6 set to 38400bps 

* 7 set to 57600bps 

* 8 set to 115200bps

  ex) AT+BAUD4 will set the baud rate to 9600

다른 명령어도 다 쳐 봤습니다.

8. Windows 10 과 연결해 보기

Windows 10 에서 블루투스 장치로 연결해 봅니다.

HC-06 을 연결하면 비번을 물어봅니다.

블루투스다 보니 잘 연결됩니다.

장치관리자에서 연결된 HC-06 의 주소를 확인해 보면, 가지고 있는 HC-06 의 address 인 것을 알 수 있습니다.

동일한 장치임을 확인 할 수 있는 부분이죠.

COM 포트를 확인해 보면, 송신 port 가 COM8 임을 알 수 있네요.

시리얼 포트 리스트에도 떠 있습니다.

putty 를 이용하여 COM8 에 연결합니다.

오호라. putty 에서 타이핑 한 것은 보이지 않지만, 글씨를 타이핑 후,

"Ctrl + M, J" 를 치면 arduino IDE 의 Serial Monitor 에서 송신된 단어를 확인할 수 있습니다.

반대로, Serial Monitor 에서 글씨를 치고 Send 를 누르면, putty 화면에 나타나는 것을 확인 할 수 있어요.

9. USB UART CP2102

Serial 연결은, USB Serial 장치인 CP2102 를 통해서도 연결해 봅니다.

RXD 는 저항을 달아서 보호해 주면서, 그림과 같이 연결해 줍니다.

 HC-06 | CP2102
----------------
  RXD  |  TXD
  TXD  |  RXD
  GND  |  GND
----------------

실제 연결은 다음과 같습니다.

역시 putty 를 이용해서 확인해 봅니다.

모든 AT commands 가 잘 먹힙니다. 정상적으로 통신이 가능하네요.

FIN

HC-06 / HC-05 은 해볼 것이 여러가지 있는것 같습니다.

일단 오늘은 HC-06 의 여러가지 연결법과 AT commands 를 사용해 봤습니다.

다음은 HC-05  HC-06 을 사용하여 Master / Slave 연결 등을 활용해 볼께요.

Update - 20210124

사진 정리를 하다, 예전 경주에 놀러갔을 때, 3D 놀이공간 건물 한켠에 전자 공방에서 찍은 사진을 발견.

HC-06 / HC-05 는 bluetooth 에 있어서 널리 사용되는 모듈임을 새삼 다시 알게 되었네요.