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02분반 2조

2024-12-21T00:52:34Z

2024enveng12: /* 조립도 및 부품도 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

3) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''전기 장비 점검 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]

[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]

[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====

- 보호구 착용 및 가스 감지 모듈

[[파일:2조프로토타입1.jpg|350픽셀]]

- 본체 모듈

[[파일:2조프로토타입3.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조프로토타입4.jpg|350픽셀]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
===참고문헌===
- 유현철, 김상현, 조규선(2023). 질식재해 예방을 위한 맨홀 관리시스템 필요성에 대한 연구. 한국산학기술학회, 24(6), 80-89.

- 밀폐공간 질식재해예방 안전작업 가이드(2020). 고용노동부, 안전보건공단.

- 김희경. (2022년 7월 15일). “맨홀·오폐수 처리시설 등 '밀폐공간 질식사고' 위험도 증가,, 3명 이상 재해자 발생시 중처법 적용”.
https://www.safety1st.news/news/articleView.html?idxno=2834

- 스마트 안전폴 및 이를 포함하는 맨홀 내부 환경 모니터링 시스템. 특허청. https://doi.org/10.8080/1020230150629

- 지하 맨홀을 활용한 지하 안전 통합관리 시스템. 특허청.
https://doi.org/10.8080/1020170140882

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02분반 2조

2024-12-20T08:23:43Z

2024enveng12: /* 경제적 기대효과 */

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==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

3) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''전기 장비 점검 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====

- 보호구 착용 및 가스 감지 모듈

[[파일:2조프로토타입1.jpg|350픽셀]]

- 본체 모듈

[[파일:2조프로토타입3.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조프로토타입4.jpg|350픽셀]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T04:15:45Z

2024enveng12: /* 프로토타입 사진 혹은 작동 장면 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

3) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====

- 보호구 착용 및 가스 감지 모듈

[[파일:2조프로토타입1.jpg|350픽셀]]

- 본체 모듈

[[파일:2조프로토타입3.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조프로토타입4.jpg|350픽셀]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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02분반 2조

2024-12-20T04:14:56Z

2024enveng12: /* 프로토타입 사진 혹은 작동 장면 */

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==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

3) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====

- 본체 모듈

[[파일:2조프로토타입3.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조프로토타입4.jpg|350픽셀]]

- 보호구 착용 및 가스 감지 모듈

[[파일:2조프로토타입1.jpg|350픽셀]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
===참고문헌===
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https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

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https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T04:13:38Z

2024enveng12: /* 프로토타입 사진 혹은 작동 장면 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

3) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====

- 보호구 착용 및 가스 감지 모듈

[[파일:2조프로토타입1.jpg|350픽셀]]

- 본체 모듈

[[파일:2조프로토타입3.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조프로토타입4.jpg|350픽셀]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T04:12:13Z

2024enveng12: /* 프로토타입 사진 혹은 작동 장면 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

3) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====

- 보호구 착용 및 가스 감지 모듈

[[파일:2조프로토타입1.jpg|300픽셀]]

- 본체 모듈

[[파일:2조프로토타입2.jpg|300픽셀]]
[[파일:2조프로토타입3.jpg|300픽셀]]
[[파일:2조프로토타입4.jpg|300픽셀]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
===참고문헌===
- 유현철, 김상현, 조규선(2023). 질식재해 예방을 위한 맨홀 관리시스템 필요성에 대한 연구. 한국산학기술학회, 24(6), 80-89.

- 밀폐공간 질식재해예방 안전작업 가이드(2020). 고용노동부, 안전보건공단.

- 김희경. (2022년 7월 15일). “맨홀·오폐수 처리시설 등 '밀폐공간 질식사고' 위험도 증가,, 3명 이상 재해자 발생시 중처법 적용”.
https://www.safety1st.news/news/articleView.html?idxno=2834

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- 무전기 이어폰 케이블.
https://topplaza.co.kr/product/%EC%98%A4%EB%94%94%EC%BD%A4-ac-em2001-%EA%B2%BD%ED%98%B8%EC%9A%A9-%ED%8A%9C%EB%B8%8C-%EC%9D%B4%EC%96%B4%EB%A7%88%EC%9D%B4%ED%81%AC-%EC%9D%B4%EC%96%B4%ED%8F%B0/980/

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- ESP32 Data sheet,
https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

- TP4056 Data sheet,
https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T04:11:32Z

2024enveng12: /* 완료 작품의 소개 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

3) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====

- 보호구 착용 및 가스 감지 모듈

[[파일:2조프로토타입1.jpg|350픽셀]]

- 본체 모듈

[[파일:2조프로토타입3.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조프로토타입4.jpg|350픽셀]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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https://topplaza.co.kr/product/%EC%98%A4%EB%94%94%EC%BD%A4-ac-em2001-%EA%B2%BD%ED%98%B8%EC%9A%A9-%ED%8A%9C%EB%B8%8C-%EC%9D%B4%EC%96%B4%EB%A7%88%EC%9D%B4%ED%81%AC-%EC%9D%B4%EC%96%B4%ED%8F%B0/980/

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https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

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https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T04:11:07Z

2024enveng12: /* 프로토타입 사진 혹은 작동 장면 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

3) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

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'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

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[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====

- 보호구 착용 및 가스 감지 모듈

[[파일:2조프로토타입1.jpg|350픽셀]]

- 본체 모듈

[[파일:2조프로토타입3.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조프로토타입4.jpg|350픽셀]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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- 권오극, 이수민, 권진성, 조현식 and 차한주. (2019). 발전운영 데이터 분석을 통한 육상대비 수상태양광발전시스템의 발전효율계수 도출. 전기학회논문지, 68(6), 717-724.-8

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- 무전기 이어폰 케이블.
https://topplaza.co.kr/product/%EC%98%A4%EB%94%94%EC%BD%A4-ac-em2001-%EA%B2%BD%ED%98%B8%EC%9A%A9-%ED%8A%9C%EB%B8%8C-%EC%9D%B4%EC%96%B4%EB%A7%88%EC%9D%B4%ED%81%AC-%EC%9D%B4%EC%96%B4%ED%8F%B0/980/

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- ESP32 Data sheet,
https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

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https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T04:06:59Z

2024enveng12: /* 완료 작품의 소개 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

3) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:2조프로토타입1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조프로토타입2.jpg|350픽셀]]

[[파일:2조프로토타입3.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조프로토타입4.jpg|350픽셀]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
===참고문헌===
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02분반 2조

2024-12-20T04:06:30Z

2024enveng12: /* 프로토타입 사진 혹은 작동 장면 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

3) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:2조프로토타입1.jpg]]
[[파일:2조프로토타입2.jpg]]

[[파일:2조프로토타입3.jpg]]
[[파일:2조프로토타입4.jpg]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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- Huadong Yuan et al. ,An ultrastable lithium metal anode enabled by designed metal fluoride spansules.Sci. Adv.6,eaaz3112(2020).DOI:10.1126/sciadv.aaz3112

- ESP32 Data sheet,
https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

- TP4056 Data sheet,
https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T04:06:19Z

2024enveng12: /* 완료 작품의 소개 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

3) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:2조프로토타입1.jpg|]
[[파일:2조프로토타입2.jpg]]

[[파일:2조프로토타입3.jpg]]
[[파일:2조프로토타입4.jpg]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
===참고문헌===
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02분반 2조

2024-12-20T04:05:40Z

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==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

3) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:2조프로토타입1.jpg||가스 감지 및 보호구 착용 모듈]]

[[파일:2조프로토타입2.jpg|섬네일|가운데|본체(열림, 옆)]]

[[파일:2조프로토타입3.jpg|왼쪽|섬네일|본체(열림, 위)]]

[[파일:2조프로토타입4.jpg|섬네일|본체(닫힘, 위)]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T04:04:54Z

2024enveng12: /* 프로토타입 사진 혹은 작동 장면 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

3) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:2조프로토타입1.jpg|왼쪽|섬네일|가스 감지 및 보호구 착용 모듈]] [[파일:2조프로토타입2.jpg|섬네일|본체(열림, 옆)]]

[[파일:2조프로토타입3.jpg|왼쪽|섬네일|본체(열림, 위)]]
[[파일:2조프로토타입4.jpg|섬네일|본체(닫힘, 위)]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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2024enveng12: /* 이론적 계산 및 시뮬레이션 */

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==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

3) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T03:58:22Z

2024enveng12: /* 이론적 계산 및 시뮬레이션 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

3) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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- Webb, P. Temperatures of skin, subcutaneous tissue, muscle and core in resting men in cold, comfortable and hot conditions. Europ. J. Appl. Physiol. 64, 471–476 (1992). https://doi.org/10.1007/BF00625070

- Urazayev Dnislam, Eduard Aida, Ahsan Muhammad, and Zorbas Dimitrios. (2023). Indoor performance evaluation of ESP-NOW. 2023 IEEE Smart Information Systems and Technologies (SIST), 4-6 May, 2023, Astana, Kazakhstan.

- Dania Eridani, Adian Fatchur Rochim, and Faiz Noerdiyan Cesara. (2021). Comparative performance study of ESP-NOW, Wi-Fi, Bluetooth protocols based on range, transmission speed, latency, energy usage, and barrier resistance. 2021 International Seminar on Application for Technolo

- Huadong Yuan et al. ,An ultrastable lithium metal anode enabled by designed metal fluoride spansules.Sci. Adv.6,eaaz3112(2020).DOI:10.1126/sciadv.aaz3112

- ESP32 Data sheet,
https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

- TP4056 Data sheet,
https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T03:57:14Z

2024enveng12: /* 관련 기술의 현황 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

3) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
===참고문헌===
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https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

- TP4056 Data sheet,
https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T03:56:29Z

2024enveng12: /* 특허 조사 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

3) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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02분반 2조

2024-12-20T03:55:25Z

2024enveng12: /* 유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준인 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기량만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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02분반 2조

2024-12-20T03:54:16Z

2024enveng12: /* 유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬 사용만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

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02분반 2조

2024-12-20T03:52:38Z

2024enveng12: /* 유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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- Urazayev Dnislam, Eduard Aida, Ahsan Muhammad, and Zorbas Dimitrios. (2023). Indoor performance evaluation of ESP-NOW. 2023 IEEE Smart Information Systems and Technologies (SIST), 4-6 May, 2023, Astana, Kazakhstan.

- Dania Eridani, Adian Fatchur Rochim, and Faiz Noerdiyan Cesara. (2021). Comparative performance study of ESP-NOW, Wi-Fi, Bluetooth protocols based on range, transmission speed, latency, energy usage, and barrier resistance. 2021 International Seminar on Application for Technolo

- Huadong Yuan et al. ,An ultrastable lithium metal anode enabled by designed metal fluoride spansules.Sci. Adv.6,eaaz3112(2020).DOI:10.1126/sciadv.aaz3112

- ESP32 Data sheet,
https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

- TP4056 Data sheet,
https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T03:52:23Z

2024enveng12: /* 유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
===참고문헌===
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https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

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https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T03:51:35Z

2024enveng12: /* 유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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02분반 2조

2024-12-20T03:50:54Z

2024enveng12: /* 통신 거리 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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02분반 2조

2024-12-20T03:50:07Z

2024enveng12: /* 통신 거리 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

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02분반 2조

2024-12-20T03:48:40Z

2024enveng12: /* 설계 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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- Urazayev Dnislam, Eduard Aida, Ahsan Muhammad, and Zorbas Dimitrios. (2023). Indoor performance evaluation of ESP-NOW. 2023 IEEE Smart Information Systems and Technologies (SIST), 4-6 May, 2023, Astana, Kazakhstan.

- Dania Eridani, Adian Fatchur Rochim, and Faiz Noerdiyan Cesara. (2021). Comparative performance study of ESP-NOW, Wi-Fi, Bluetooth protocols based on range, transmission speed, latency, energy usage, and barrier resistance. 2021 International Seminar on Application for Technolo

- Huadong Yuan et al. ,An ultrastable lithium metal anode enabled by designed metal fluoride spansules.Sci. Adv.6,eaaz3112(2020).DOI:10.1126/sciadv.aaz3112

- ESP32 Data sheet,
https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

- TP4056 Data sheet,
https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T03:47:18Z

2024enveng12: /* 제어부 및 회로설계 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
===참고문헌===
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https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

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https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T03:44:04Z

2024enveng12: /* 결과 및 평가 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

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- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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02분반 2조

2024-12-20T03:43:26Z

2024enveng12: /* 이론적 계산 및 시뮬레이션 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
===참고문헌===
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02분반 2조

2024-12-20T03:42:37Z

2024enveng12: /* 완료 작품의 소개 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
===참고문헌===
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https://doi.org/10.8080/1020190073598

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https://topplaza.co.kr/product/%EC%98%A4%EB%94%94%EC%BD%A4-ac-em2001-%EA%B2%BD%ED%98%B8%EC%9A%A9-%ED%8A%9C%EB%B8%8C-%EC%9D%B4%EC%96%B4%EB%A7%88%EC%9D%B4%ED%81%AC-%EC%9D%B4%EC%96%B4%ED%8F%B0/980/

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https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

- TP4056 Data sheet,
https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T03:42:19Z

2024enveng12: /* 프로토타입 사진 혹은 작동 장면 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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- Urazayev Dnislam, Eduard Aida, Ahsan Muhammad, and Zorbas Dimitrios. (2023). Indoor performance evaluation of ESP-NOW. 2023 IEEE Smart Information Systems and Technologies (SIST), 4-6 May, 2023, Astana, Kazakhstan.

- Dania Eridani, Adian Fatchur Rochim, and Faiz Noerdiyan Cesara. (2021). Comparative performance study of ESP-NOW, Wi-Fi, Bluetooth protocols based on range, transmission speed, latency, energy usage, and barrier resistance. 2021 International Seminar on Application for Technolo

- Huadong Yuan et al. ,An ultrastable lithium metal anode enabled by designed metal fluoride spansules.Sci. Adv.6,eaaz3112(2020).DOI:10.1126/sciadv.aaz3112

- ESP32 Data sheet,
https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

- TP4056 Data sheet,
https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T03:37:43Z

2024enveng12: /* 유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
===참고문헌===
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https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

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https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-20T03:37:14Z

2024enveng12: /* 유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG|600픽셀]]

- 필요 환기량 계산 조건

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- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|600픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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02분반 2조

2024-12-20T03:34:58Z

2024enveng12: /* 이론적 계산 및 시뮬레이션 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|500픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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02분반 2조

2024-12-20T03:30:28Z

2024enveng12: /* 통신 거리 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|500픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
===참고문헌===
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https://topplaza.co.kr/product/%EC%98%A4%EB%94%94%EC%BD%A4-ac-em2001-%EA%B2%BD%ED%98%B8%EC%9A%A9-%ED%8A%9C%EB%B8%8C-%EC%9D%B4%EC%96%B4%EB%A7%88%EC%9D%B4%ED%81%AC-%EC%9D%B4%EC%96%B4%ED%8F%B0/980/

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- ESP32 Data sheet,
https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

- TP4056 Data sheet,
https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-19T17:36:51Z

2024enveng12: /* 경보 범위 설정 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|500픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|700픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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- Dania Eridani, Adian Fatchur Rochim, and Faiz Noerdiyan Cesara. (2021). Comparative performance study of ESP-NOW, Wi-Fi, Bluetooth protocols based on range, transmission speed, latency, energy usage, and barrier resistance. 2021 International Seminar on Application for Technolo

- Huadong Yuan et al. ,An ultrastable lithium metal anode enabled by designed metal fluoride spansules.Sci. Adv.6,eaaz3112(2020).DOI:10.1126/sciadv.aaz3112

- ESP32 Data sheet,
https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

- TP4056 Data sheet,
https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-19T17:36:17Z

2024enveng12: /* 전력공급량 계산 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG|500픽셀]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|600픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|600픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|700픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|500픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
===참고문헌===
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02분반 2조

2024-12-19T17:35:38Z

2024enveng12: /* 통신 거리 */

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==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|500픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|500픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|600픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|500픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|700픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg|500픽셀]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|350픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|350픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-19T17:34:59Z

2024enveng12: /* 유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|500픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|500픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|600픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|500픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|600픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|250픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|250픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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02분반 2조

2024-12-19T17:34:47Z

2024enveng12: /* 유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|500픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|500픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|600픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|700픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|700픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|600픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|250픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|250픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
===참고문헌===
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https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

- TP4056 Data sheet,
https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-19T17:32:36Z

2024enveng12:

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|500픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|500픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|600픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|600픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|500픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|600픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|250픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|250픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

==부록==
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- Dania Eridani, Adian Fatchur Rochim, and Faiz Noerdiyan Cesara. (2021). Comparative performance study of ESP-NOW, Wi-Fi, Bluetooth protocols based on range, transmission speed, latency, energy usage, and barrier resistance. 2021 International Seminar on Application for Technolo

- Huadong Yuan et al. ,An ultrastable lithium metal anode enabled by designed metal fluoride spansules.Sci. Adv.6,eaaz3112(2020).DOI:10.1126/sciadv.aaz3112

- ESP32 Data sheet,
https://www.espressif.com/en/support/documents/technical-documents

- TP4056 Data sheet,
https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=588193&rid=ec3e65fa-8cee-41ba-8716-da7df5fc95a6

02분반 2조

2024-12-19T17:22:52Z

2024enveng12: /* 이론적 계산 및 시뮬레이션 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|500픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|500픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|600픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|600픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|500픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|600픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|250픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|250픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

02분반 2조

2024-12-19T17:18:08Z

2024enveng12: /* 전력공급량 계산 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

1) 필요 전력량 계산

[[파일:전력계산0.JPG]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

3) 태양광 패널 용량 산정

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인

[[파일:전력계산2.JPG|500픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|500픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|600픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

'''- 필요 환기량 공식'''

[[파일:필요환기량식.JPG]]

'''- 필요 환기량 계산 조건'''

[[파일:필요환기량설정값.JPG|600픽셀]]

'''- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프'''

[[파일:필요환기량그래프.jpg|500픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|600픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|250픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|250픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

02분반 2조

2024-12-19T17:17:18Z

2024enveng12: /* 유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산 */

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==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

'''1) 필요 전력량 계산'''

[[파일:전력계산0.JPG]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

'''2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인'''

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

'''3) 태양광 패널 용량 산정'''

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

'''4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인'''

[[파일:전력계산2.JPG|500픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|500픽셀]]

'''- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수'''

[[파일:전력계산3.JPG|600픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

'''- 필요 환기량 공식'''

[[파일:필요환기량식.JPG]]

'''- 필요 환기량 계산 조건'''

[[파일:필요환기량설정값.JPG|600픽셀]]

'''- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프'''

[[파일:필요환기량그래프.jpg|500픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|600픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|250픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|250픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

02분반 2조

2024-12-19T17:16:38Z

2024enveng12: /* 전력공급량 계산 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

'''1) 필요 전력량 계산'''

[[파일:전력계산0.JPG]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

'''2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인'''

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

'''3) 태양광 패널 용량 산정'''

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

'''4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인'''

[[파일:전력계산2.JPG|500픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|500픽셀]]

'''- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수'''

[[파일:전력계산3.JPG|600픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|600픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|500픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|600픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|250픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|250픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

02분반 2조

2024-12-19T17:15:04Z

2024enveng12: /* 전력공급량 계산 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

'''1) 필요 전력량 계산'''

[[파일:전력계산0.JPG]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

'''2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인'''

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

'''3) 태양광 패널 용량 산정'''

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 13.32W 전력 필요, 따라서 20W 태양광 패널을 선정하여 필요 전력을 공급함.

'''4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인'''

[[파일:전력계산2.JPG|500픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|500픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|600픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|600픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|500픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|600픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|250픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|250픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.

02분반 2조

2024-12-19T17:14:25Z

2024enveng12: /* 전력공급량 계산 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 에너지 하베스팅을 이용한 환경시설 밀폐공간 내 안전관리 시스템 구축

''' 영문 : ''' Development of a Safety Management System for Enclosed Spaces in Environmental Facilities Using Energy Harvesting

===과제 팀명===
맨홀 안ZONE

===지도교수===
구자용 교수님

===개발기간===
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 2019890043 이수연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2018890038 변우진

서울시립대학교 환경공학부 2019890024 문강현

서울시립대학교 환경공학부 2021890026 노유진

==서론==
===개발 과제의 개요===

====개발 과제 요약====
환경 시설 내 밀폐공간에서 발생하는 질식 사고를 예방하는 시스템을 구축한다. 태양광 패널을 이용하여 자가 충전이 가능한 시스템을 만든다.

- 작업자의 보호구 착용 여부를 실시간 모니터링하는 모듈을 설계.

- 밀폐공간 내의 산소 및 황화수소 농도를 지속적으로 감지하는 모듈을 설계.

- 보호구 착용 여부 및 가스의 농도를 수신하여 관리자에게 위험 상황을 알리는 본체 모듈을 설계.

- 본체 모듈의 메인 제어부와 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 충당하기 위한 태양광 패널 시스템을 설계.
====개발 과제의 배경====
- 환경 시설 중 하나인 하수처리장에는 다양한 밀폐공간이 존재하고, 여기서 시행되는 슬러지 준설 등의 작업은 질식 사고를 유발할 수 있음.

- 현장을 관리하는 안전관리자에 의하면, 불편하다는 이유로 작업자가 송기마스크 등의 장비를 벗는 행위로 인해 사고가 발생함.

- 작업 전에는 황화수소의 농도가 낮더라도 작업 도중에 슬러지를 휘저어서 스컴층이 파괴되면 순간적으로 농도가 급증할 수 있기에 지속적인 유해가스 모니터링이 필요함.

- IoT에 활용되는 디바이스와 센서는 유한한 전력의 배터리로 동작하기에 데이터 전송량과 송신 주기에 제약이 있음.
====개발 과제의 내용====
1) 유해가스 감지 모듈 설계

- 하수처리시설에서 발생하는 주요 유해가스 통계를 분석하여 분석 대상 가스를 선정하고 이를 실시간으로 모니터링하는 모듈을 설계함.

2) 보호구 착용 감지 모듈 설계

- 작업자의 보호구 해제 여부를 실시간으로 알 수 있는 방안을 모색하여 그에 대한 데이터를 실시간으로 감지하는 모듈을 설계함.

3) 본체(관리자 단말기) 설계

- 감지된 데이터들을 밀폐공간 외부에 배치된 작업관리자의 단말기에 전송하여 경보를 통해 작업자의 위험 상황을 관리자가 알 수 있게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스를 구축함.

- 태양광 패널은 본체 케이스에 설치되어 메인 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈(가스, 보호구 착용)에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

===관련 기술의 현황===
====State of Art====
1) 포스코의 스마트 안전관리 시스템

포스코는 제철소에서 밀폐공간 안전을 강화하기 위해 IoT 및 AI 기술을 적용한 스마트 안전 관리 시스템을 도입함.

[[파일:포스코.png]]

2) 쉘(Shell)의 드론 및 로봇 활용

글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)은 정유 공장 및 석유 저장 시설에서 발생할 수 있는 밀폐공간 작업의 위험을 최소화하기 위해 로봇과 드론을 활용한 안전관리 시스템을 도입함.

[[파일:쉘.png]]

====기술로드맵====
[[파일:기로.png]]

====특허 조사====
1) 보호구 착용 모니터링 시스템 관련 특허

[[파일:안전모 특허.png]]

2) 유해가스 감지 시스템 관련 특허

[[파일:가스특허.png]]

2) 이동식 안전 시스템 관련 특허

[[파일:다목적 이동식 특허.png]]

====기존 특허와의 차별점====

기존 특허와 본 기술의 차별성을 정리하여 표로 나타냄.

[[파일:특허compar.png]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 및 비교====

- 본 기술의 경쟁제품으로 (주)오픈웍스의 LifeSaver-V2를 선정함.

- 캐리어 형태의 몸체에 유해가스 모니터링 시스템을 설치한 이동식 장치.

- 이 장치는 본 기술과 다르게 "작업자"가 밀폐공간 내에서 소지하는 것으로 슬러지 준설 작업을 할 때 장소를 이동할 때마다 제품을 이동시켜야 하는 번거로움이 있음.

[[파일:이동식.png]]

[[파일:lifesaver.png]]

====마케팅 전략====

[[파일:SSS.png]]

'''S/O 전략'''(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

실시간 가스 모니터링 및 안전 장비 착용 확인을 통해 밀폐공간 내 질식사고를 사전에 예방할 수 있으며, 이를 통해 중대재해처벌법 적용 확대에 따른 밀폐공간 안전관리에 대한 리스크 관리가 가능함.

'''S/T 전략'''(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

에너지 하베스팅 기술 적용을 통해 적은 전력 소모로도 안전관리 시스템 운영이 가능하며, 사업장 내 안전 리스크를 저감하는 것이기 때문에 소규모 사업장 적용 시에도 경제적, 사회적 효과가 큼.

'''W/O 전략'''(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

설치 비용 부담이 높은 점을 완화하기 위해 가스 감지 및 안전 장비 모니터링 시스템에 대한 단기 리스나 렌탈 서비스를 제공하여 소규모 기업의 접근성을 높임.

'''W/T 전략'''(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

고정식이 아닌 탈부착식 가스 감지 시스템을 설계하여 고가 소재 활용에도 불구하고 다양한 작업 환경에서 적용 가능하도록 설계하여 경제성을 높일 수 있음.

===개발과제의 기대효과===
====기술적, 사회적 기대효과====
- 태양광 에너지 하베스팅 형식을 활용하여 전력망이 없는 지역에서도 독립적으로 에너지를 공급할 수 있기 때문에 이동식 설계품 특성에 맞게 전력 공급을 안정적으로 할 수 있음.

- 태양광 모듈은 일반적으로 25년 이상의 수명을 가지고 연간 성능 저하율이 0.3~0.5%로 낮기 때문에 장기적으로 안정적인 성능을 제공함.

- 최근 개발되는 태양 전지를 이용하면 배터리를 추가적으로 사용하지 않고 필요한 전력을 바로 공급받을 수 있어 배터리 교환에 필요한 자원을 감소시킬 수 있음.

- 사회적 기대효과는 유해가스로 인한 질식 사고를 예방할 수 있어 도시 안전 시스템 강화에 기여할 수 있으며, 탄소중립 목표에도 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

====경제적 기대효과====

[[파일:BCBCBC.png]]

'''<편익>'''

- 안전관리 시스템의 편익비용 분석 방법에 관한 연구(임세종 외 3명, 2021)를 참고하여 산재보상급여 감소 비용을 편익으로 산정함.

- 밀폐공간의 평균 작업자 수를 5명으로 가정하고, 안전관리 시스템 도입으로 인한 사고 감소 비율을 20%(임세종 외 3명, 2021)로 해서 1명의 재해 감소 비용을 고려함.

1) 휴업 급여

- 업무상 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 요양으로 인해 취업하지 못한 기간에 지급되는 보험급여로 평균임금의 70%를 지급함.

- 근무자의 일평균 임금: 167,081 (2024 건설업 임금실태 보고서), 휴업 일수: 6개월

'''휴업 급여 비용''' = 167,081 x 0.7 x 180 = 21,052,206원

2) 장해 급여

- 업무상의 사유로 부상을 당하거나 질병에 걸린 근로자가 치유 후에도 신체 등에 장해가 있는 경우에 지급하는 보험급여로 장해등급에 지급일수를 정하여 평균임금만큼 지급함.

- 질식 사고 특성 상 후유증으로 언어장해, 운동장해, 시야협착, 환각, 건망증, 성격이상 등이 남을 수 있다는 것을 고려하여 장해등급을 3급(262일)으로 선정함.

'''장해 급여 비용''' = 167,081 x 262 = 43,775,222원

'''<비용>'''

1) 태양광 패널

'''20W 태양광 패널 비용'''= 50,000원

2) 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치

- 본 기술의 시스템 구성 요소와 유사한 ㈜오픈웍스의 유해가스 모니터링 시스템 V1의 비용을 참고함.

''' 센서, MCU, 통신부, 전원부, 경보장치 비용''' = 13,200,000원

3) 센서 교정 및 교체 비용

- 매년 1회 교정하는 비용(90,000원)과 전기화학식 산소 센서(77,800원) 및 반도체식 황화수소 센서(47,500원)의 수명을 고려하여 각각 2년, 10년에 한 번 교체할 경우의 비용을 연간 비용으로 계산함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 90,000 x 2 + 77,800/2 + 47,500/10 = 223,650원

4) 전기 장비 점검 비용

- MCU, 통신부, 모니터링 화면, 경보 장치 등의 전기 장비의 경우에는 매년 2회 점검하는 것을 가정하고,‘2023년 하반기 중소제조업 직종별 임금조사 보고서’에서 제시된 전기 정비원의 조사노임이 약 120,000원임을 참고함.

'''센서 교정 및 교체 비용''' = 120,000 x 4 x 2 = 960,000원

'''B/C''' = (21,052,206 + 43,775,222) / (50,000 + 13,200,000 + 223,650 + 960,000) = 4.49

B/C 값이 4.49로 도출되어 본 기술 개발은 경제성이 있는 것으로 판단됨.

===구성원 및 추진체계===
====개발 일정====

[[파일:FCFC.png]]

[[파일:추진추진.png]]

====개별 분담====

[[파일:개분개분.png]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====

[[파일:제요.png]]
====평가 내용====

[[파일:평냉.png]]

====목적 계통도====

[[파일:목계.png]]

====QFD (Quality Function Deployment)====

[[파일:큐엪.png]]

===개념설계안===
====모식도====

1) 전체 시스템 3차원 모식도

[[파일:전체구조.png]]

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 1.png]]
[[파일:입 2.png]]
[[파일:평 1.png]]

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

[[파일:입 4.png]]
[[파일:평 2.png]]

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

[[파일:입 3.png]]

====개념설계 내용====
1) 본체 모듈

- 본체는 안전관리자와 함께 밀폐공간 외부에 배치됨.

- 태양광 패널의 크기를 고려하여 휴대하기 편한 브리프 케이스 형태로 제작했고, 케이스의 윗면에 태양광 패널을 부착함.

- 태양광 패널은 케이스 내부에 있는 제어부에 필요한 전력과 두 개의 감지 모듈에 활용할 배터리에 전력을 공급함.

- 케이스 내부에는 전원 공급 장치, 메인제어부(ESP32)를 배치하여 보호구 착용 감지부와 유해가스 감지부로부터 실시간으로 수신한 데이터를 제어함.

- 보호구를 미착용하거나 유해가스 농도가 작업 허용 농도 기준을 벗어나면, 케이스 외부의 경광등과 경보음을 작동하여 관리자가 위험 상황을 인지하게 함.

- 메인 제어부에서 수신한 데이터를 외부의 관제 시설에 송신하여 데이터베이스 구축의 중계 역할을 수행함.

2) 보호구 착용 감지 모듈

- 보호구 착용 여부를 파악하기 위해 송기 마스크 머리끈에 조도 센서와 적외선 온도 센서를 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

3) 가스 감지 모듈

- 황화수소 및 산소 농도를 실시간으로 측정하기 위해 작업자의 조끼에 가스 감지 모듈을 부착함.

- 각 센서로부터 감지된 데이터를 본체 모듈로 전송함.

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====전력공급량 계산====

'''1) 필요 전력량 계산'''

[[파일:전력계산0.JPG]]

- 구매처의 Datasheet 참고하여 각 부품의 효율과 전압값 설정, 관련 논문을 참고하여 여유율 1.15 고려함.

- 필요 전력량 계산 결과, 감지모듈의 송신부 ESP32는 2W, 본체의 수신부 ESP32는 0.52W의 전력이 필요함.

- 승압 컨버터의 변환 효율 96% 고려하면, 승압 컨버터에 공급되어야 할 전력은 각각 2.08W, 0.54W임.

'''2) 리튬 이온 배터리의 전력 공급 가능성 확인'''

- 배터리의 방전 전압을 3.7V 가정 시, 송신부와 수신부 ESP32에 공급되는 전류는 각각 562mA, 146mA임.

- 배터리의 용량 2,600mAh를 고려하면 송신부와 수신부 ESP32에 '''각각 4.62시간, 17.8시간 전력 공급이 가능'''함.

- 오전, 오후 작업 각각 4시간 수행하는 것으로 가정 시, 여분의 리튬 이온 배터리 사용으로 충분히 전력 공급 가능함.

'''3) 태양광 패널 용량 산정'''

- 리튬 이온 배터리의 충전율 0.25C과 충전전압 3.6V~4.2V 고려 시, 650mA(2600mAh/4hr)를 공급하는 배터리 충전모듈이 필요함.

- 배터리 충전모듈의 충전전류, 전압, 효율 및 강압 컨버터의 효율 고려 시, 한 개의 리튬 이온 배터리 충전에는 4.44W의 전력 요구됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 충전 시 '''13.32W 전력 필요''', 따라서 '''20W 태양광 패널을 선정'''하여 필요 전력을 공급함.

'''4) 태양광 패널의 전력 공급 가능성 확인'''

[[파일:전력계산2.JPG|500픽셀]]

[[파일:전력계산1.JPG|500픽셀]]

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

[[파일:전력계산3.JPG|600픽셀]]

- 태양광 모듈 효율 12.99% 계산: 이론적 출력 전력 20W, 면적 0.154 m2, 일사량 1,000 W/m2 고려함.

- 서울의 월별 일사량 데이터를 바탕으로 성능계수 및 실제 발전량 산정함.

- 가장 낮은 발전량을 보인 12월에는 23.10Wh의 발전량이 산출됨.

- 세 개의 리튬 이온 배터리 완충에 필요한 전력량 27.47Wh(3.7V x 650mA x 4h x 3개)에 근접하여 태양광 패널의 전력 공급 가능성을 확인함.

====유해가스 농도에 따른 필요 환기량 계산====

- 필요 환기량 공식

[[파일:필요환기량식.JPG]]

- 필요 환기량 계산 조건

[[파일:필요환기량설정값.JPG|600픽셀]]

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

[[파일:필요환기량그래프.jpg|500픽셀]]

- 한국산업안전보건공단의 밀폐공간 작업 기술지침에 따르면, 밀폐공간 작업 전에는 공간 체적의 10배 이상을 외부 공기로 환기하고, 작업 중에도 시간당 20회 이상 환기하도록 권장함.

- 거품효과란 작업 중 유해가스 농도가 100 ppm 이상까지도 급격히 높아지는 현상으로, 이를 고려하여 작업 중 환기량의 타당성을 검토할 필요가 있음.

- KOSHA GUIDE에서 제시한 공식을 활용하여 필요 환기량을 계산하였으며, 작업 시 적정 공기 기준 및 관련 문헌을 참고하여 실내 허용 농도, 신선 외기 중 오염물질 농도, 환기 빈도 등 계산 조건을 설정함.

- 계산 결과, 부피 1 m3 기준으로 거품효과로 인해 10 ~ 100 ppm이 되면 0.73 ~ 7 m3/s의 환기량이 필요함. 현재 권고 기준에 따라 분(min)당 체적의 40%에 해당하는 0.4 m3/s 환기팬만으로는 충분히 환기가 되지 않는 문제가 발생함.

- 따라서, 거품 효과를 고려하여 작업 중 실시간으로 황화수소 농도를 감지할 필요가 있으며, 본 설계에서는 작업자에게 가스 감지 센서를 부착하여 거품 효과를 고려하는 설계를 수행함.

====통신 거리====
1) 환경시설 밀폐공간의 최대 거리 산정

[[파일:2조통신.jpg|600픽셀]]

- 환경부의 하수도 설계기준(2022)을 참고하여 하수처리장 내 반응조들의 크기 고려함.

- 환경시설 중에서도 폭, 비율을 모두 알 수 있는 침전지를 기준으로 최대 거리 산정함.

- 정사각형 침전지를 기준으로 했을 때 최대 거리가 62m임.

- 거리는 작업자와 안전관리자 사이의 거리를 의미하며, 최대 거리를 고려하여 통신 방식을 선정함.

2) ESP-NOW 선정 이유

- 프로토콜별 최대 통신 범위

[[파일:2조통신범위.jpg]]

- ESP-NOW 통신 방식은 Wi-Fi와 유사한 2.4GHz 통신 방식으로, Wi-Fi보다 더 안정적이고 빠른 통신이 가능함.

- Eridani 외 2명(2021)에 따르면 IoT 센서에 활용되는 블루투스, Wi-Fi, ESP-NOW의 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW와 Wi-Fi의 최대 통신 거리가 각각 220 m, 88m로 본 설계의 필요 조건을 충족함.

- Urazayev 외 3명(2023)에 따르면 실내 공간에서 ESP-NOW, Wi-Fi 통신 성능을 비교했을 때 ESP-NOW의 우수한 장애물 저항성이 확인됨.

- 따라서, 본 설계에서 ESP-NOW를 작업자와 본체 모듈 사이의 통신 방식으로 선정함.

3) ESP-NOW 통신 실험

- 통신 실험

[[파일:2조통신실험1.jpg|250픽셀]]
[[파일:2조통신실험2.jpg|250픽셀]]

- 실험 장소: 서울시립대학교 제2공학관 2층

- 실험 방법: 219호에서 데이터를 송신하고, 수신부 ESP32를 이동시키며 데이터 수신 여부 확인함.

::: 데이터 수신 여부는 ESP32에 연결된 LED와 부저의 작동 여부를 통해 확인함.

::: 데이터 수신이 원활하지 않은 지점을 기준으로 거리 측정함.

- 실험 결과: 1층인 106호 앞 비상구까지 두 개의 문 통과를 포함하여 총 104 m 거리까지 원활한 통신 가능함.

- 결론: 실제 필요로 하는 최대 통신 거리인 62m를 충족함.

::환경시설 내 밀폐공간에서 ESP-NOW 통신 방식의 적용 가능성을 확인함.

====경보 범위 설정====

1) 유해가스 농도 경보 범위 설정

- 하수처리장 유해가스 농도 자료 및 관련 논문을 참고하여 산소와 황화수소의 모니터링을 위한 설계 수행함.

- 산소 센서는 폭발성 기체를 감지할 수 있는 23.5% 이상 감지 가능한 성능 고려함.

- 황화수소 센서는 거품효과를 고려하여 최대 200 ppm까지 감지 가능한 성능 고려함.

- 산소 센서: Gravity: I2C

:전기화학식, 0~25% 측정 가능, 수명 2년, 분해능 0.15%Vol

:공기 순환이 적은 공간에서 활용 가능, 간섭 방지 능력

- 황화수소 센서: MQ-136

:반도체식, 넓은 농도 범위 감지(1~200 ppm)

:긴 수명, 저렴한 비용, 높은 감지 감도

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

[[파일:2조유해가스경보3.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 유해가스가 감지되어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 가스 농도가 적정공기 기준을 벗어나 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 산소 알림 범위는 적정공기 기준 및 산소 농도에 따른 생체반응 자료를 참고하여 설정함.

2) 보호구 착용 모듈 경보 범위 설정

- 보호구 착용 모듈 알림 범위

[[파일:보호구경보.JPG|600픽셀]]

- 위험 알림은 두 단계로 설정하였으며, 1단계는 주의 단계, 2단계는 경보 단계임.

- 주의(1단계)는 보호구 미착용 가능성이 있어 확인이 필요한 단계, 경보(2단계)는 보호구 미착용으로 판단되어 의무적으로 작업을 중단해야 하는 단계임.

- 보호구 착용 알림 범위는 한국수자원공사의 옥내 시설 기준조도 및 공간 온도에 따른 피부 온도 자료를 참고하여 설정함.

===상세설계 내용===
====조립도 및 부품도====
1) 조립도

[[파일:2조조립도1.JPG|700픽셀|]]
[[파일:2조조립도2.JPG|700픽셀|]]

2) 부품도

[[File:2조부품도1.JPG|700픽셀|]]
[[File:2조부품도2.JPG|700픽셀|]]

====제어부 및 회로설계====

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

[[파일:2조회로도1.jpg|700픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈

[[파일:2조회로도2.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈

[[파일:2조회로도3.jpg|500픽셀]]

2) 설계 내용

- 본체 모듈: 배터리 충전부와 데이터 통신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 태양광 패널, 5V 강압 모듈, 배터리 충전 모듈, 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, LED 및 부저의 순서로 배치됨.

- 유해가스 감지 모듈: 가스 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 리튬 이온 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 산소 센서 및 황화수소 센서의 순서로 배치됨.

- 보호구 착용 감지 모듈: 보호구 착용 감지부와 데이터 송신부로 구성됨. 회로도는 왼쪽에서부터 배터리, 5V 승압 모듈, ESP32, 조도 센서 및 적외선 온도 센서의 순서로 배치됨.

====소프트웨어 설계====
- 본체 모듈 수신 코드

[[파일:2조수신코드1.jpg|500픽셀]]

[[파일:2조수신코드2.jpg|500픽셀]]

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드1.jpg|500픽셀]]

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

[[파일:2조송신코드2.jpg|500픽셀]]

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
[[파일:프로토타입1.png]]
[[파일:프로토타입2.png]]

[[파일:프로토타입3.png]]
[[파일:프로토타입4.png]]

====포스터====
[[파일:포스터2조.jpg|700픽셀|]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:2조개발사업비.jpg|700픽셀|]]

===완료작품의 평가===
[[파일:2조평가.jpg|700픽셀|]]

===향후계획===
- 본체 모듈에 외부 안테나 설치, LR 모드 적용, 유선 케이블 연결 등 통신 성능 향상 방안을 적용하여 실제 작업 환경에 맞게 최적화를 수행함.

- 실제 현장에서 발생할 것으로 예상되는 유해가스를 고려하여 기존 가스 감지 모듈에 CO, Ar 등 추가적인 가스 센서를 부착하여 각 현장 상황에 맞게 활용성을 높임.

- 센서 DB를 구축하고 데이터를 수집, 분석하여 가스 감지 및 보호구 착용 모니터링의 정확성을 높임.