1. 과목명 캡스톤 디자인1
교수님 김경태 교수님
조 1조 (Fan조)
조원 김수환, 양주한, 이석찬, 최의준
학과 기계공학과
발표일 2023.12.15
센 서 를 이 용 한 자 동 환 풍 시 스 템
2. 1. 과제 개요
2. 연구개발 목표
3. 연구개발 결과
(자체제작 예상도)
1-1 개발 대상 제품의 정의
1-2 동작 원리
1-3 핵심 개발 방향
1-4 개발 대상 제품의 중요성
2-1 연구역량 및 역할
2-2 연구결과 추진일정
2-3 프로젝트 소요예산 구성
3-1 세부 개발 결과
3-2 제작 과정
3-3 시연
3-4 기타
3. 과제 개요
1-1. 개발 대상 제품의 정의
1-2 동작 원리
1-3 핵심 개발 방향
1-4 개발 대상 제품의 중요성
4. 과제 개요
“아두이노와 감지센서를 이용한 자동 환풍 시스템”의 정의
1.
▪ 오픈 소스를 기반으로 한 단일 보드
▪ 환풍기와 센서를 에너지 효율적으로 제어
▪ 코딩을 통한 시스템의 자동화 가능
2.
▪ 여러 가스 및 습도를 감지 및 측정
▪ 황화수소 센서, 암모니아 센서, 습도 센서 사용
▪ 대기질의 모니터링 및 제어 가능
3.
아두이노
감지센서
아두이노와 감지센서를 이용한 자동 환풍 시스템
_ 개발 대상 제품의 정의
(자체제작 예상도)
(출처: 11번가) (출처: quartz components)
(출처: kuongshun) (출처: AliExpress)
5. 과제 개요 _ 동작 원리
쿨러
암모니아 감지 센서
황화수소 감지 센서
습도 감지 센서
아두이노 메가보드
아크릴 외부 커버
▪ 3개의 센서로 대기질과 습도를 모니터링
▪ 아두이노를 활용하여 허용 농도를 초과할 시, 쿨러가 작동하도록 설계
▪ 아크릴 커버 내, 대기질 모니터링 및 제어
(암모니아, 황화수소, 습도 감지 센서)
(자체제작 예상도)
6. 과제 개요 _ 동작 원리
▪ 냄새(미세한 입자) 공기 분자들과 상호 작용하여 확산
확산의 방향은 주로 농도 차이에 의해 결정
냄새 입자 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동
▪ 환풍기 팬을 작동시키면서 내부의 유체가 밖으로 유동함에 따라
실내의 압력은 낮아지고, 압력 차이에 의해
외부의 공기가 압력이 낮아진 내부로 유입이 되는 것이다.
▪ 팬의 운동으로 인한 압력 변화와
나비에 스토크스 방정식을 활용해 유체의 유동을 계산.
(자체제작 예상도)
(diffusion)
7. 과제 개요 _ 핵심 개발 방향
기존 환풍 시스템 자동 환풍 시스템
• 화재발생위험
• 실내유해가스
• 지속적인유해가스제어
• 자동화로인한화재예방
(환풍기버튼) (아두이노보드)
• 사용자가수동제어
• 번거로움발생
• 쾌적하지않은환경
(기존환풍기) (자동환풍기)
작동 방식
편의
안전
AS IS TO BE
• 대부분수동형
• 일부전등과일체형
• 비효율적작동
• 완전한자동화
• 효율적인작동
• 아두이노를통한자동화
• 사용자편의성증대
• 쾌적한환경
(출처: 11번가)
(출처: 금강 그린팬)
(출처: 대경 엘에디)
(자체 제작 모델링)
에너지
• 불필요시에도작동
• 전력낭비
• 환풍시스템자동조절
• 에너지·전기사용량절감
(출처: FreePik)
(출처: FreePik)
(출처: 안전공감 캠페인)
(출처: 위기탈출 넘버원)
8. ▪ 기존의 환풍 시스템은 수동이 압도적으로 많음
▪ 실내의 환기 문제가 다수 발생
▪ 대부분의 가정용 화장실에는 환풍 시스템이 존재하지만, 대부분이 수동으로 작동
▪ 기존의 환풍 시스템은 단시간 작동하여 환기가 되지 않거나, 장시간 작동 되는 등 문제가 많음
▪ 러·우크라 전쟁 등으로 인한 단기적인 에너지난과 미래에 장기적인 에너지 문제가 예상됨
▪ 실내에 환기 문제로 인한 유해가스 흡입 발생, 실제로 황화수소, 암모니아에 의한 질식 사망사건도 존재
▪ 실내에 대부분 환풍 시스템이 존재하지만,
비효율적인 작동으로 인한 에너지 낭비와 유해한 대기 환경을 조성한다
I. 연구 필요성
II. 경쟁력 필요성
III. 기술개발 필요성
“[전주덕진소방서] 환풍기 잘못 사용하면 화재위험”
(출처: 투데이안_엄범희 기자님)
“70대 남성 숨진 부천 아파트 화재.. 화장실 환풍기서 발화 추정”
(출처: MBC뉴스_ 손하늘 기자님)
과제 개요 _ 개발 대상 제품의 중요성
2021.12.21 2020.07.17
9. (출처: Amphenol SGX Sensortech)
과제 개요 _ 개발 대상 제품의 중요성
(출처: GnsComponents)
(출처: quartz components) (출처: kuongshun)
(출처: AliExpress)
센 서 전력 소모량(W)
암모니아 감지 센서
(MICS-6814)
0.160
황화수소 감지 센서
(MQ-136)
0.750
온습도 감지 센서
(DHT-11)
0.0015
합계 전력 소비량 0.9115
(출처: Aosong)
암모니아 감지 센서 황화수소 감지 센서 온습도 감지 센서
전력 소모량(W)
센서 3개 0.9115
가정용 환풍기 10
합계 전력 소비량 10.9115
▪ 환풍 시스템 전력에너지 소모량: 95.6 kW
▪ 일반 가정 95.6 kW 전기세: 14,780 원
▪ 4인 가구 월평균 전기사용량: 307 kW
▪ 환풍 시스템을 365일, 24시간을 가동한다 하여도
4인 가구 월평균 전기 사용량에도 못 미침
▪ 대기전력: 약 8kW, 2,180원
가정내 평균 화장실 환풍기 전력량: 9~12 W
(365일, 24시간 기준)
(출처: 한국전력공사)
(한국 전력공사 전기요금 계산기 이용)
(365일, 24시간 기준)
10. 과제 개요 _ 개발 대상 제품의 중요성
“노원소방서, 화장실 화재… 소화기로 자체 진화”
(출처: 헬스조선_이채리 기자님, 화장실 습하다고 ‘이것’ 계속 틀었다간… 집에 불난다 기사中)
[FPN 정현희 기자] = 노원소방서(서장 이상일)는 지난 21일 오전 3시 22분께 노원구
중계동의 한 공동주택 화장실에서 불이 났지만 관계인이 소화기로 자체 진화했다고 밝
혔다.
소방서에 따르면 이날 화재는 세대 내 화장실 환풍기에서 전기적 요인으로 발생했고 거
주자가 소화기로 진화했다.
소방서 관계자는 “소화기와 단독경보형 감지기 등 주택용 소방시설을 꼭 설치해 만일의
사고에 대비하길 바란다”고 당부했다.
2023.07.23
▪ 화장실 환풍기 적정 사용 시간: 2~3시간
▪ 환풍기 화재 주요 원인은 과사용
(출처: 소방안전본부)
환풍기의 장시간 사용은 피하는 게 좋다. 환풍기 모터가 뜨거워지면서 환풍기 자체의 온도를 높인다.
발생한 열은 환풍기 내부에 쌓여 있던 분진, 먼지 등의 가연물과 만나 스파크를 일으킨다. 이때 불이
붙을 수 있는 조건이 완성된다. 대구 소방안전본부 화재조사팀 관계자는 “그동안 발생했었던 환풍기
화재 사건의 원인을 조사해 보면 장시간 가동이 원인인 경우가 대부분”이고 말했다.
(출처: 소방방재신문_정현희 기자님)
11. 과제 개요 _ 개발 대상 제품의 중요성
▪ 공동주택에서 간접흡연 침입을 경험한 경로로 화장실을 14.3% 가 선택
▪ 공동주택에서 흡연 장소로 화장실을 8.2% 정도가 선택 (흡연가구 거주자 1359명 대상)
▪ 암모니아 감지 센서(MICS-6514)내에 일산화탄소 감지 기능으로 역류 방지 가능
간접흡연 경험 아파트 다세대 주택
비율 (%) 73.8 73.1
▪ 간접흡연 침입 피해 실태에 대한 설문조사 (2,600명 표본)
▪ 담배연기 침입 경로에 대한 설문조사 (간접흡연 침입을 경험한 거주자 912명 대상)
시설의 위생 문제점 베란다/창문 화장실 현관문 기타
비율 (%) 73.1 14.3 11.4 1.2
(출처: 서울의료원 환경건강연구실)
(출처: 서울의료원 환경건강연구실)
(출처: YTN Youtube)
“화장실에서 흡연하는 이웃을 고소하고 싶습니다”
(출처: 법률방송뉴스_박민성 변호사님)
2022.11.24
14. 2023
제품의 구체화
-대략적 모델링
-부품 선정 및 결정
-목표 효율 설정
-예산 구성
전반적 제품 설계 및 모델링
-외형 모델링 및 치수부여
-제품 어셈블리 제작
-간섭체크
자재 결정 및 구매
-필요 자재 수량 확인
-예산 확인 및 구입처 결정
-구매양식 작성
시제품 제작 및 구동
최종 결과물 제출
-최종 결과 보고
-피드백 수용
9월 10월 11월 12월
중간 발표용 PPT 제작
연구개발 목표 _ 연구결과 추진일정
15. 구 분 가 격 비 고
부 품 553,608원
배 송 48,500원 부품 주문 배송비
3D 프린팅 0원 교내 시설 이용
레이저 커팅기 0원 교내 시설 이용
합 계 602,108원
부 품 가 격 비 고
아크릴 박스 178,000원 12면
암모니아 감지 센서
(MICS – 6814)
121,000원 3개
아두이노 메가 보드 78,000원 3개
황화수소 감지 센서
(MQ-136)
61,998원 3개
AA 건전지 27,500원 20개
5V 쿨링팬 19,440원 3개
고무 방수 테이프 17,000원 1개
방구 냄새 스프레이 13,000원 1개
아크릴용 순간접착제 9,000원 2개
라벤더 인센스 스틱 8,500원 1개
15V 건전지 홀더 5,430원 3개
연구개발 목표 _ 프로젝트 소요예산 구성
부 품 가 격 비 고
점퍼선 4,750원 5개
안개분사 분무기 4,290원 1개
온습도 감지 센서
(DHT-11)
4,200원 3개
파워 모스펫 1,500원 3개
합계 553,608원
17. 연구개발 결과 _ 세부 개발 결과: 아두이노
1. 아두이노 (ARDUINO) 선정 이유
▪ 통합 개발 환경 (IED) 간소화
▪ 제작비용 절감
▪ 오픈소스 활용 용이
2. 메가보드
▪ 53개의 입출력 핀 보유
▪ 아두이노 보드중 가장 많은 핀과 메모리 보유
▪ 센서 3개와 디스플레이 동작에 유리
(출처: 에듀이노 오픈랩)
(출처: 에듀이노 오픈랩)
아두이노 우노(Uno) R3 아두이노 우노 메가(Mega)
18. 연구개발 결과 _ 세부 개발 결과: 아두이노
Circuito.io 사이트를 통한 배선 작업
(출처: Circuito.io)
19. 연구개발 결과 _ 세부 개발 결과: 아두이노
Arduino IDE 프로그램을 이용하여 코딩한 코드
▪ 상온에서 가지는 값을 직접 측정하여 임계값 설정
▪ 암모니아·일산화 탄소 센서의 경우,
가스 농도가 증가하면 저항이 감소하며 그 저항값을 측정
▪ 환풍기의 동작 시간 또한, 설정 가능
습도
황화 수소
일산화 탄소
암모니아
동작 시간 설정(화재예방)
임계값 설정
(저항값이 감소하면 환풍기가 작동하도록 코딩)
20. 연구개발 결과 _ 세부 개발 결과: 아크릴 박스
아크릴 박스 크기
▪ 환기량: 용적(면적) X 시간당 필요한 환기 횟수
▪ 필요한 환풍기의 풍량: 72.45 ൗ
𝑚3
ℎ (
환기량
환풍기의 대수
)
▪ 일반 가정용 환풍기 풍량: 210 ൗ
𝑚3
ℎ
▪ 쿨러의 풍량: 3.23 ൗ
𝑚3
ℎ
▪ 비례식 사용(면적:환풍기 풍량), 쿨러의 풍량대비 면적 계산: 0.111 𝑚3
, 11000000 𝑚𝑚3
▪ 15k x 23k x 21k = 7145 𝑘3
이용하여 계산한 면적: 372 x 571 x 521 (mm)
일반 건물 환기 횟수
부엌 15
거실 6
응접실 6
화장실 10
▪ 일본 위생공학협회 환기규정 中 ▪ 화장실 면적: 7.245 𝑚3
화장실의 대략적인 크기: 1500 x 2300 𝐦𝐦𝟐
(국민 평수, 33평, 108.9㎡ 기준)
높이: 2.1 m (주택건설기준에 의거)
(출처: 건축 컴온 네이버 블로그)
주택 공용화장실 도면 예시
(출처: 쿠팡)
(단위 환산표)
21. 연구개발 결과 _ 제작과정
환풍구 드릴링 천장 부분 결합 센서 위치 결정 및 결합 문 제작
센서 동작 확인 배선 작업 기판 업로딩
레이저 커팅기, 3D 프린팅 이용 3D 프린팅 이용
Arduino IDE 프로그램 이용 Circuito.io 사이트 이용
23. 연구개발 결과 _ 시연
▪ 작품 완성 전 1차 시연 영상(연기가 환풍구가 아닌 틈으로 빠져나가는 현상 발견)
24. 연구개발 결과 _ 시연
▪ 일산화 탄소를 이용한 작품 시연 영상(일산화 탄소 농도가 높을 수록 저항값이 감소)
일산화 탄소에 반응하는 저항값
(밀폐된 모습 확인 가능)
25. F
^
기존 수동 가정용 환풍기의 불편, 전력낭비, 화재위험 문제를
극복하기 위한, 아두이노와 센서를 이용한 가정용 환풍 시스템을 목표로 개발
AS IS_ 기존 환풍 시스템
기존 환풍기 에너지 안전 기존 작동 방식
에너지
→ 비효율적인 작동 방식 → 유해가스 및 화재발생 위험 →수동 및 자동제어 불가
TO BE _ 자동 환풍 시스템
아두이노와 센서 사용
지속적인 모니터링 및 자동제어
센서를 이용한 자동 환풍 시스템
조이름 : Fan
조 원 : 김수환, 양주한, 이석찬, 최의준
안전 작동 방식
자동 환풍 시스템 에너지 안전 자동 작동 방식
효율적인 작동 방식
유해가스 제어 및
자동화로 인한 화재예방
AS IS - TO BE
제품 모델링 및 실사
제품의 특장점
✓ 안전
✓ 아두이노 사용
✓ 편의성 증대
연구개발 결과 _ 기타
센서를 이용한 자동 환풍 시스템
조 원 : 김수환, 양주한, 이석찬, 최의준
조이름 : Fan
▪ 오픈 소스를 기반으로 한 단일 보드
▪ 환풍기와 센서를 에너지 효율적으로 제어
▪ 코딩을 통한 시스템의 자동화 가능
▪ 여러 가스 및 습도를 감지 및 측정
▪ 황화수소 센서, 암모니아 센서, 습도 센서 사용
▪ 대기질의 모니터링 및 자동 제어 가능
1. 아두이노
2. 감지센서
3. 아두이노와 감지센서를 이용한 자동 환풍 시스템
▪ 3개의 센서로 대기질의 습도를 모니터링
▪ 아두이노를 활용하여 허용 농도를 초과할 시, 쿨러가 작동하도록 설계
▪ 아크릴 커버 내, 대기질 모니터링 및 자동 제어
▪ 아두이노 메가보드
▪ 쿨러
▪ 암모니아 감지 센서
▪ 황화수소 감지 센서
▪ 습도 감지 센서
본 프로젝트는 기존에 가정에 공급되고 있는 환풍 시스템의
단점들(직접 수동으로 환풍기를 작동, 전력낭비·화재위험)을
보안하여 그에 따라 편의성을 증대하고 화재위험을 낮추는
아두이노를 이용한 가정용 자동 환풍 시스템을 목표로 개발
작품 설명
작품 정의
모델링
동작 원리
기대 효과
핵심 개발 방향
Fan
시제품 완성
▪ 환풍 시스템 전력에너지 소모량: 95.6 kW
▪ 일반 가정 95.6 kW 전기세: 14,780 원
▪ 4인 가구 월평균 전기사용량: 307 kW
▪ 환풍 시스템을 365일, 24시간을 가동한다 하여도
4인 가구 월평균 전기 사용량에도 못 미침
▪ 대기전력: 약 8kW, 2,180원
(365일, 24시간 기준)
(출처: 한국전력공사)
(한국 전력공사 전기요금 계산기 이용)
(365일, 24시간 기준)
1. 전력에너지소모량
