Ambient-Node-HW - Fan and Axis control

Seeeduino XIAO RP2040을 사용해 BLDC모터 와 스텝모터 2개를 이용해 얼굴 추적, 자동 회전, 자연풍, 수동 조작 기능을 구현한 Ambient node 하위 HW프로젝트

한림대학교 25년도 2학기 SW캡스톤디자인

Demo & Hardware

pan 테스트1	pan 테스트2	tilt 테스트1
pan-tilt 테스트1	pan-tilt 테스트2	fan 테스트1
fan 테스트2	fan 테스트3	fan-pan-tilt 테스트
솔더링 플랜	솔더링 후	내부 구성

---

프로젝트 데모 영상

하드웨어 구성

• MCU: seeduino XIAO RP2040

  • 초기에는 Seeeduino XIAO SAMD21을 사용했으나, BLDC 선풍기 제어에 필요한 20~60kHz 대역 고주파 PWM을 안정적으로 출력하기 어려워 제어용 보드를 XIAO RP2040으로 변경
  • RP2040은 PWM 대역이 유연하여 BLDC 팬용 고주파 PWM 신호 발생에 적합

• 스텝모터 2축 구성

  • 모터1 (PAN, 좌우)
    • STEP: D1
    • DIR: D10
    • EN: D2 (HIGH = 비활성화, LOW = 활성화)
    • 소프트웨어 위치 범위: -10000 ~ +10000 스텝
  • 모터2 (TILT, 상하)
    • STEP: D4
    • DIR: D3
    • EN: D5 (HIGH = 비활성화, LOW = 활성화)
    • 소프트웨어 위치 범위: 0 ~ 8500 스텝 (0 = HOME)

• BLDC 선풍기 구성

  • PWM 제어: D8 사용. 약 30Khz 고주파 PWM을 출력하며 듀티를 조정해 속도를 제어
  • FG(홀 센서) 입력: D9 사용. 인터럽트로 펄스를 카운트하여 RPM 계산.

• 기타 인터페이스 구성

  • Serial: USB 디버그 및 테스트 명령 수신에 사용.
  • Serial1: 얼굴 인식/좌표 및 제어 명령 수신용 UART로 사용.

보드 변경 배경

• XIAO SAMD21 사용 시 제약사항

  • 기본 PWM 주파수가 낮고 타이머/채널 제약이 존재하여 BLDC 팬이 요구하는 20~60kHz 고주파 PWM을 안정적으로 구현하기 어려움.
  • 타이머 레지스터 직접 제어를 통해 이론상 수십 kHz PWM 생성은 가능하나, 시스템 타이머(millis, delay 등) 및 다른 기능과 충돌 가능성이 존재함.
  • 여러 채널에서 동일한 주파수·해상도를 유지하기 어렵고, 실제 팬 구동 시 특정 구간에서 소음, 떨림, 불안정한 구동이 발생할 수 있음.

• XIAO RP2040 선택 이유

  • RP2040은 다수의 PWM 채널을 제공하며, 고주파 PWM을 안정적으로 생성할 수 있음.
  • 본 프로젝트에서는 BLDC 팬 구동용 PWM을 20~60kHz 대역으로 설정하기 위해 보드를 XIAO RP2040으로 변경.
  • XIAO RP2040은 Seeeduino XIAO(SAMD21)와 동일한 핀아웃과 폼팩터를 가지므로, 기존 PCB 설계를 수정하지 않고 그대로 사용할 수 있음.
  • 보드 변경 이후 BLDC, 스텝모터, 고속 시리얼 통신을 동시에 사용해도 전체 시스템이 안정적으로 동작함.

주요 기능

얼굴 추적(페이스 트래킹) 기능

• 얼굴 좌표를 Serial1로 수신하여 선풍기 헤드를 얼굴 방향으로 회전시키는 기능

• 카메라 해상도는 1920 x 1080 기준으로 동작

• 명령 형식(Serial1)

  • P (x,y) 형식을 사용
    • 예: P (960,540) 형태로 사용

• 동작 방식

  • 입력된 x, y 좌표를 기준으로 PAN/TILT 목표 스텝(target_motor1_pos, target_motor2_pos)을 계산.
  • P 제어와 딜레이 스무딩을 사용하여 모터 속도를 조정.
  • TRACKING_DEADZONE 범위 내에서는 출력 명령을 억제하여 중앙 부근에서의 미세 떨림을 방지.

• 추적 정지 방식

  • P X 또는 P x 명령을 수신하면 페이스 트래킹이 비활성화됨.
  • 스텝모터 EN 핀을 HIGH로 설정하여 전류를 차단하고, 모터2 현재 위치를 EEPROM에 저장.

BLDC 풍속 제어 기능

• 고정 풍량 모드

  • 명령 형식(Serial1): S n (0~5) 사용.
    • 0: 정지 또는 최소 풍량 수준으로 동작.
    • 1~5: SPEED_LEVELS 테이블에 정의된 PWM 값으로 속도를 설정.

• 자연풍 모드

  • 명령 형식(Serial1):
    • N 1 : 자연풍 모드 활성화
    • N 0 : 자연풍 모드 비활성화
  • NATURAL_WIND_MIN_LEVEL ~ NATURAL_WIND_MAX_LEVEL 범위 내에서 풍속 레벨을 주기적으로 증감시키며 자연스러운 풍량 변화를 구현
  • setBldcSpeed()와 updateBldcSpeed()를 통해 targetBldcPwm까지 1씩 보간하여 목표 PWM으로 서서히 수렴하도록 구현

• FG 기반 RPM 측정

  • BLDC_FG_PIN 인터럽트에서 fgPulseCount를 증가시키는 방식으로 펄스를 카운트
  • FG 3펄스를 1회전으로 가정하여 1초마다 RPM을 계산

자동 왕복 회전 모드 (좌우 자동 스윙)

• 명령 형식(Serial1)

  • R 1 : 회전 모드 활성화
  • R 0 : 회전 모드 비활성화

• 동작 방식

  • 모터1(PAN)을 MOTOR1_MIN_STEPS ~ MOTOR1_MAX_STEPS 범위 내에서 왕복 회전시키는 기능
  • 한쪽 끝에 도달하면 ROTATION_PAUSE_MS 동안 정지 후 회전 방향을 반전
  • 회전 모드 활성화 시 얼굴 추적 및 수동 조작 모드는 자동으로 비활성화

수동 조작 모드 (리모컨/버튼 대응)

• 명령 형식(Serial1, A d state)

  • 모터1 (좌우) 제어

    • A r 1 : 오른쪽으로 수동 이동 시작
    • A r 0 : 오른쪽 이동 정지
    • A l 1 : 왼쪽으로 수동 이동 시작
    • A l 0 : 왼쪽 이동 정지

  • 모터2 (상하) 제어

    • A u 1 : 위쪽으로 수동 이동 시작
    • A u 0 : 위쪽 이동 정지
    • A d 1 : 아래쪽으로 수동 이동 시작
    • A d 0 : 아래쪽 이동 정지

• 특징

  • 수동 모드 진입 시 facetracking 및 rotation_mode 플래그를 자동으로 비활성화하여 수동 조작이 최우선으로 동작
  • 각 모터는 소프트웨어 위치 제한(MIN/MAX/HOME)을 항상 체크하여 허용 범위 밖으로 이동하지 않도록 구현
  • 모터2는 수동 이동 후 motor2_needs_save 플래그를 설정하고, 일정 시간이 지난 후 EEPROM에 위치가 자동 저장

단발 테스트 이동 (USB Serial 전용)

• 명령 형식(USB Serial)

  • 1 cw 1000
  • 2 ccw 500

• 동작 방식

  • 입력 문자열에서 모터 번호, 방향(cw/ccw), 스텝 수를 파싱하여 test_motor1_steps, test_motor2_steps 변수에 기록
  • loop에서 driveTestMotors()를 통해 지정된 스텝 수만큼만 이동하도록 동작
  • 이동 중에도 MIN/MAX/HOME 위치 제한을 적용
  • 테스트 이동 종료 후 EN 핀을 HIGH로 설정하여 모터 전류를 차단

모터 전원 관리 및 위치 저장

• EN 핀 로직

  • EN = LOW : 모터 드라이버 활성화(전류 인가, 홀딩 토크 유지)
  • EN = HIGH : 모터 드라이버 비활성화(전류 차단, 발열 감소)

• 자동 전원 OFF 기능

  • 마지막 스텝 이후 ENABLE_OFF_DELAY_MS 이상 동작이 없을 경우 EN을 HIGH로 설정하여 모터 전류를 자동 차단
  • 수동 조작, 테스트 이동, 회전 모드, 얼굴 추적이 모두 비활성화된 상태에서만 적용

• 모터2 위치 EEPROM 저장

  • motor2_position은 MotorPosition 구조체(위치 값 및 유효 플래그) 형태로 EEPROM에 저장
  • motor2_position 변경 시 motor2_needs_save 플래그가 설정
  • 마지막 이동 후 EEPROM_SAVE_DELAY_MS가 경과하면 savePositionToFlash()를 호출하여 자동 저장
  • 부팅 시 EEPROM에서 데이터를 읽어 VALID_SIGNATURE를 확인하고, 유효 시 해당 위치로 복원되며, 유효하지 않을 경우 HOME(0)으로 초기화 후 저장

디버그 및 유틸리티 기능

• USB Serial (Serial)

  • 그래프 모드
    • graph 명령으로 그래프 디버그 모드를 토글
    • 활성화 시 Serial1로 "Time,Target,Current" 포맷의 데이터를 주기적으로 출력
  • EEPROM 유틸리티
    • clear : motor2_position을 초기화하고 유효 플래그를 제거
    • sethome : 현재 motor2_position을 HOME(0)으로 설정하고 EEPROM에 저장

• UART (Serial1) 사용

  • 얼굴 좌표 및 모든 제어 명령을 Serial1로 수신
  • 버퍼에 여러 줄이 쌓인 경우 가장 마지막 유효 명령만 처리하도록 구현

제어 로직 요약

• 모터 제어 우선순위는 다음과 같음.

  1. 수동 모터 조작 (A …)
  2. 단발 테스트 스텝 이동 (1/2 cw/ccw …)
  3. 자동 왕복 회전 (R 1)
  4. 얼굴 추적 (P (x,y))

• loop 처리 흐름

  • 각 프레임마다 processUartCommand(), processDebugCommand()를 호출하여 명령을 처리
  • 우선순위에 따라 driveManualMotors(), driveTestMotors(), rotationMode(), faceTrackingControl() 중 하나를 실행.
  • checkMotorPowerOff(), naturalWindMode(), updateBldcSpeed(), checkAutoSave()를 호출하여 전원 관리, 자연풍 모드, BLDC 속도 보정, EEPROM 저장을 수행.
  • BLDC가 구동 중인 경우 measureRPM() 함수로 RPM을 주기적으로 측정

빌드 및 사용 방법

• Arduino IDE 보드 설

  • 보드: Seeed XIAO RP2040 보드 패키지 선택(https://github.com/earlephilhower/arduino-pico/releases/download/global/package_rp2040_index.json)
  • 시리얼 속도:
    • USB Serial(Serial): 921600 사용함.
    • UART(Serial1): 921600 사용함.

• 배선 및 업로드 절차

  • 핀 정의에 맞게 스텝모터 드라이버와 BLDC 모터를 XIAO RP2040에 연결
  • 스케치를 업로드한 후 USB Serial 및 Serial1을 통해 동작을 검증

테스트 예시

• USB Serial(PC)에서 테스트

  • 1 cw 500
  • 2 ccw 500

• Serial1(외부 장치)에서 제어

  • 얼굴 좌표: P (960,540)
  • 얼굴 추적 정지: P X
  • 풍속 설정: S 3
  • 자연풍 모드: N 1
  • 회전 모드: R 1
  • 수동 조작: A r 1, A r 0, A u 1, A u 0 등 사용

주의사항 및 팁

• EN 핀 HIGH가 비활성화(전류 차단) 상태이므로, 구동 중이 아닐 때 EN을 HIGH로 유지하면 모터 발열이 감소됨.
• 얼굴 추적, 자동 회전, 수동 조작 모드는 동시에 동작하지 않도록 상호 배타적으로 설계됨.
• 모터2는 틸트 각도를 유지하기 위해 EEPROM에 위치를 저장. EEPROM_SAVE_DELAY_MS를 통해 저장 간격을 조절하여 EEPROM 수명을 보호.