🧠 초음파 센서 가까워질수록 색이 바뀐다 / 네오픽셀 LED 시각화 실험

(Sensloop Lab Research Log / Part.2)

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연구원 여러분, 안녕하세요. 🔬
이번 글은 지난 시간에 진행했던 「JSN-SR04T 초음파 센서, 정말 정확할까?」 실험의 연장선에 있습니다.
그때 우리는 초음파 센서가 실제로 어느 정도의 거리 정확도를 가지는지,
20cm부터 50cm까지 구간별 데이터를 직접 측정하며 확인했습니다.

센서의 신뢰성을 검증했다면,
이번에는 그 데이터를 ‘눈으로 보이게’ 표현해보는 단계입니다.
바로, 거리에 따라 LED 색상이 바뀌는 시각화 실험이죠.
센서가 감지한 숫자 데이터를 ‘빛의 색’으로 보여주는 방식이라,
누구나 한눈에 결과를 확인할 수 있습니다.

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🎯 실험의 확장 의도

전편에서 센서의 동작 원리와 배선은 이미 다뤘기 때문에
이번에는 그 내용을 반복하지 않고, 출력 장치(네오픽셀) 연결부만 추가했습니다.

(전편을 아직 보지 않으신 연구원분들은
👉 초음파 센서, 정말 정확할까? JSN-SR04T 아두이노 실측 데이터
글을 먼저 참고하시면 이해가 훨씬 빠릅니다.)

이번 실험의 목적은 단순합니다.
거리값에 따라 LED의 색이 변하는 시스템을 만드는 것.
예를 들어,

• 25cm 이하에서는 “위험 구간”으로 빨강,
• 30cm 근처에서는 주황,
• 35cm에서는 노랑,
• 40cm에서는 초록 –
  이렇게 가까워질수록 색이 더 강렬해지는 방식입니다.

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🔌 실험 구성

항목	내용
사용 보드	Arduino Mega 2560
센서 모듈	JSN-SR04T (방수형 초음파 센서)
출력 장치	네오픽셀(WS2812B) 8개 링 모듈
전원 공급	USB 5V (또는 SMPS 5V 보강 가능)
환경 조건	실내 약 23 °C, 평면 반사체 기준

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🧩 회로 연결

모듈	핀	아두이노
JSN-SR04T	VCC	5V
JSN-SR04T	GND	GND
JSN-SR04T	Trig	D7
JSN-SR04T	Echo	D6
네오픽셀 링	Din	D5
네오픽셀 링	VCC	5V
네오픽셀 링	GND	GND

💡 주의: 네오픽셀은 전류를 많이 사용합니다.
전원 부족 시 LED 밝기를 120~140 정도로 낮추거나, 별도의 5V SMPS를 사용하세요.

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💻 실험 코드

JSN-SR04T + NeoPixel – 거리별 색상 표시 (25 / 30 / 35 / 40 cm)

#include <Adafruit_NeoPixel.h>

// ============================================
// 🔧 하드웨어 설정
// ============================================
#define TRIG_PIN    7
#define ECHO_PIN    6
#define PIXEL_PIN   5
#define NUM_PIXELS  8
Adafruit_NeoPixel strip(NUM_PIXELS, PIXEL_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

// ============================================
// 🧩 상태(enum) — ★반드시 함수들보다 위★
/*  타입명을 ColorZone_e로 변경하여 충돌 가능성 제거  */
enum ColorZone_e { CZ_OFF, CZ_GREEN, CZ_YELLOW, CZ_ORANGE, CZ_RED };
ColorZone_e lastZone = CZ_OFF;

// ============================================
// ⚙️ 환경/보정 & 타이밍
// ============================================
const float     TEMP_C        = 23.0;
const float     SOUND_SPEED   = 331.0 + 0.6 * TEMP_C;    // m/s
const float     CM_OFFSET     = 1.0;                     // +1 cm 보정
const uint32_t  TIMEOUT_US    = 38000UL;
const uint16_t  UPDATE_MS     = 200;
uint32_t        lastUpdateMs  = 0;

// ============================================
// 🎯 임계값
// ============================================
const float TH_RED = 25.0;  // <25 → 빨강
const float TH_ORG = 30.0;  // <30 → 주황
const float TH_YEL = 35.0;  // <35 → 노랑
const float TH_GRN = 40.0;  // <40 → 초록
const float BOUNDARY_RANGE = 1.0; // 경계 구간 보정(±1cm)

// ============================================
// 🌈 색상
// ============================================
static inline uint32_t COL(uint8_t r,uint8_t g,uint8_t b){ return strip.Color(r,g,b); }
const uint32_t RED = COL(200,  0,  0);
const uint32_t ORG = COL(220, 90,  0);
const uint32_t YEL = COL(200,170,  0);
const uint32_t GRN = COL(  0,180,  0);
const uint32_t OFF = COL(  0,  0,  0);

// ============================================
// 📏 거리 측정(5회 평균)
// ============================================
float measureDistanceCm() {
  float sum = 0.0f; int n = 0;
  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);  delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH); delayMicroseconds(10);
    digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);

    unsigned long dur = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, TIMEOUT_US);
    if (dur > 0) {
      float cm = dur * ((SOUND_SPEED * 100.0) / 1000000.0) / 2.0 + CM_OFFSET;
      sum += cm; n++;
    }
    delay(2);
  }
  if (n == 0) return NAN;
  return sum / n;
}

// ============================================
// 🚦 구간 판정 (경계 구간 보정 포함)
// ============================================
ColorZone_e getZone(float cm) {
  if (isnan(cm)) return lastZone;

  ColorZone_e z =
    (cm < TH_RED) ? CZ_RED :
    (cm < TH_ORG) ? CZ_ORANGE :
    (cm < TH_YEL) ? CZ_YELLOW :
    (cm < TH_GRN) ? CZ_GREEN  :
                    CZ_OFF;

  // 경계 구간 보정
  if (z != lastZone) {
    switch (lastZone) {
      case CZ_RED:
        if (cm < TH_RED + BOUNDARY_RANGE) z = CZ_RED;
        break;
      case CZ_ORANGE:
        if (cm < TH_ORG + BOUNDARY_RANGE && cm >= TH_RED - BOUNDARY_RANGE) z = CZ_ORANGE;
        break;
      case CZ_YELLOW:
        if (cm < TH_YEL + BOUNDARY_RANGE && cm >= TH_ORG - BOUNDARY_RANGE) z = CZ_YELLOW;
        break;
      case CZ_GREEN:
        if (cm < TH_GRN + BOUNDARY_RANGE && cm >= TH_YEL - BOUNDARY_RANGE) z = CZ_GREEN;
        break;
      case CZ_OFF:
        if (cm >= TH_GRN - BOUNDARY_RANGE) z = CZ_OFF;
        break;
    }
  }
  return z;
}

// ============================================
// 💡 LED 표시
// ============================================
void showColor(uint32_t color) {
  for (int i = 0; i < NUM_PIXELS; i++) strip.setPixelColor(i, color);
  strip.show();
}

// ============================================
// 🧠 setup / 🔁 loop
// ============================================
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);

  strip.begin();
  strip.setBrightness(150);
  strip.clear();
  strip.show();

  Serial.println(F("=== SR04T + NeoPixel | EDU thresholds: 25/30/35/40 cm ==="));
}

void loop() {
  if (millis() - lastUpdateMs < UPDATE_MS) return;
  lastUpdateMs = millis();

  float cm = measureDistanceCm();
  if (isnan(cm)) return;

  ColorZone_e z = getZone(cm);
  if (z != lastZone) {
    lastZone = z;
    switch (z) {
      case CZ_RED:    showColor(RED); break;
      case CZ_ORANGE: showColor(ORG); break;
      case CZ_YELLOW: showColor(YEL); break;
      case CZ_GREEN:  showColor(GRN); break;
      default:        showColor(OFF); break; // 40cm 이상 소등
    }
  }

  Serial.print(F("cm=")); Serial.print(cm, 1);
  Serial.print(F("  zone="));
  Serial.println((z==CZ_RED)?"RED":(z==CZ_ORANGE)?"ORG":(z==CZ_YELLOW)?"YEL":(z==CZ_GREEN)?"GRN":"OFF");
}

이 코드는 JSN-SR04T 초음파 센서로 거리를 측정하고,
네오픽셀 LED 링을 통해 4단계 색상으로 시각화하는 교육용 예제입니다.

25cm 미만에서는 빨강,
30cm 미만에서는 주황,
35cm 미만에서는 노랑,
40cm 미만에서는 초록으로 표시되며,
40cm 이상은 소등됩니다.

🌡 경계 구간 보정(Boundary Correction)
센서값이 경계 근처에서 조금씩 변할 때 LED가 깜빡이는 현상을 막기 위해,
±1cm의 여유 구간을 설정하여 안정적으로 색이 전환되도록 했습니다.

🧩 실험 팁

• 거리 범위를 바꾸려면 TH_RED~TH_GRN 값을 조정하세요.
• LED 밝기는 strip.setBrightness()에서 변경할 수 있습니다.
• 거리 변화 속도가 빠를 경우 UPDATE_MS(갱신 주기)를 줄여보세요.

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📷 실험 현장 스냅

이번 실험에서는 별도의 거치대를 쓰지 않고,
센서를 나무젓가락으로 살짝 고정한 상태에서 측정했습니다. 😄
Sensloop Lab의 실험은 항상 “지금 가진 재료만으로 가능한 가장 효율적인 방법”을 추구합니다.
그래서 이번에도 마찬가지로,
복잡한 프레임 없이 센서와 LED, 점퍼선만으로 실험 환경을 구성했습니다.

(사진 속 젓가락 고정은 실험 중 잠시의 웃음 포인트가 되었죠.
“이게 바로 진짜 현장형 실험이다!”라는 말이 나올 정도였습니다.)

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📊 실험 결과 요약

측정 거리	표시 색상	의미
< 25 cm	🔴 빨강	매우 근접 (위험)
25–30 cm	🟠 주황	주의 구간
30–35 cm	🟡 노랑	인식 안정
35–40 cm	🟢 초록	안전 거리
≥ 40 cm	⚫ 꺼짐	감지 없음

LED가 색상으로 바뀌는 구간이 매우 명확하고,
±1 cm 경계 보정 덕분에 빠르게 움직이는 물체에도 색이 안정적으로 유지됩니다.

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🧠 연구원 코멘트

이번 실험은 센서 입력 → LED 출력의 가장 기초적인 시각화 실습입니다.
특징은 다음과 같습니다.

1. 경계 구간 보정(±1 cm) 으로 색상 전환 시 깜빡임 최소화
2. 5회 평균값으로 거리 측정 오차 완화
3. 코드 구조 단순화 – 초보 연구원도 손쉽게 응용 가능

이 구조를 기반으로, 다음 단계에서는
👉 블루투스 모듈(HC-05) 를 연결해
스마트폰 시리얼 모니터로 실시간 거리값을 표시할 예정입니다.

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