삼다수조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 부유식 수질 측정기구를 통한 개인하수처리시설 등의 IOT 관리체계

영문 : IOT management system for personal sewage treatment facilities through floating water quality measurement equipment

과제 팀명

삼다수조

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2021년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 이**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 박**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 권**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 현재 제주도의 인프라 및 인력의 한계로 지하수의 수질관리가 방치되고 있음에 따라 해결책 필요.
◇ 프로젝트의 목표는 IOT 센서와 연계하여 내부 부유식 수질측정기구를 통한 개인하수처리시설의 수질관리임.
◇ 설비의 전력 확보를 위해, 내장배터리를 이용하여 동력 및 경제성을 확보함.
◇ 하나의 수질 기준을 활용하여 시제품 완성 후, 각 지자체와 연계하여 IOT 모니터링 플랫폼을 구축.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 제주도의 하수처리시설 현황

▷ 현재 제주시에는 3곳, 서귀포시에는 5곳의 공공하수처리장이 위치되어 있으나, 인구 및 관광객 증가시 시설용량이 부족하여 성수기에는 바다에 방류할 수 밖에 없어, 해양생태계 오염문제를 야기하여 플라스틱 쓰레기 문제와 함께 심각한 환경문제로 대두됨.
▷ 최근 고도 200m 이상인 중산간 지역을 중심으로 시설 수가 크게 증가하고 있는 추세로, 중산간 이상 지역은  투수성 지질구조가 발달해 있고 강수량이 많아 여기서 지하수가 오염되면 하류 지역 지하수 또한 오염이 되기 때문에 특별한 관리가 필요함.

▷ 시설 용량이 50m³/day 이상인 개인하수처리시설은 기술관리인을 두어 시설의 유지 관리에 대한 기술업무를 담당하게 하고 있지만, 50m³/day 미만인 개인하수처리시설은 대부분 개인하수처리시설의 필요성에 대한 인식이 부족하고 관리방법을 알지 못해 관리가 부실한 상황임.

◇ 기존 수질관리 방법의 문제점

▷ 현재 한국의 하수처리방식은 관계기간의 정기점검으로 방류수 수질 기준 초과 시 과태료를 부과하는 시스템으로 진행됨. 하지만 시설에 대한 정기점검이 가능한 인력은 제주시에 3명, 서귀포시에 1명으로 확인되나 그 인력들도 다른 업무들을 병행하느라 사실상 점검이 어려운 것으로 확인됨. (2019년 11월 기준)
▷  제주도는 공공하수처리시설 시설용량이나 하수관로 등 공공인프라가 부족하여 생활하수를 자체적으로 처리하여 방류하는 개인하수처리시설이 2019년 9월 기준 10,400개소가 운영되고 있어 체계적인 하수 모니터링의 어려움을 가짐.
▷ 이에 따라, IOT 센서를 이용해, 센서의 작동유뮤를 데이터센터로 보내 효율적인 개인하수처리시설 관리가 이루어 질 수 있도록 함.

◇ 기대효과

▷ IOT센서는 “제주도 개인하수처리시설 운영 개선을 위한 기초연구” 논문을 통해 확인한 문제점인 인력부족, 관리소홀 문제를 해결하는 효과적.
▷ 부유식으로 수질을 측정하므로 오작동의 가능성이 낮음.
▷ 개인하수처리시설의 쳬계적인 관리가 용이.

개발 과제의 목표와 내용

◇ 본 프로젝트는 IOT 센서를 이용한 통합적인 개인하수처리시설의 수질 관리임.
◇ 수자원공사 디지털워터플랫폼, 제주연구원과의 협력으로 제주도 내 1만개소 개인하수처리시설에 대한 IOT 모니터링 플랫폼을 구축할 계획임.
◇ 국내 개인하수처리시설, 하수처리장에 대해 2차개발을 실시, 수자원공사 테스트베드를 활용하여 실험 진행.
◇ 최종적으로 개인하수처리시설, 하수처리장에 대해 서비스 전국구 확대.

관련 기술의 현황

State of art

◇환경 센서 기술

 센서란 일반적으로 측정 대상물을 감지 또는 측정하여 그 측정량을 전기적인 신호로 변환하는 장치를 의미한다.

▷ 환경 모니터링 분야에서는 센서로 전기화학센서, 반도체식 가스센서, 광학센서, 바이오센서가 사용된다. 본 프로젝트에서는 광학센서 및 바이오 센서가 사용될 예정이다.

▷ 광학센서란 환경요소에 의한 대상들로부터 색 흡광 및 형광 등의 광학적 현상을 전기적 신호와 같은 인식 가능한 신호로 변환해주는 센서를 의미한다.

▷ 수질 분석에서는 형광원리를 활용하여 용존산소량(DO), 화학적산소요구량(COD), 산란원리를 활용하여 탁도, 색깔을 활용하여 pH 측정 등에 사용한다.

▷ 바이오센서: 생물체를 이용한 센서를 총칭한다.

▷ 최근 선택성과 민감도를 동시에 만족할 수 있는 기술로 나노 바이오 센서 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 수질 측정분야에서는 BOD 센서, 세포기반 BOD 센서 등이 속한다.

◇IOT 통신 기술

 IOT란 1999년 케빈 애쉬튼이 처음으로 사용한 용어로 처음에는 RFID 태그를 활용한 근거리 통신 시스템을 의미했지만, 현재에는 유무선 네트워크로 연결된 모든 사물들의 통신 시스템을 의미한다.

▷ IOT 통신 기술은 Sensing –> Network –> Middle-ware -> Application 4가지 계층으로 나누어져 있다. 본 프로젝트는 센싱 계층에 환경센서를 접목하여 진행된다.

▷ 국내 IOT 플랫폼은 삼성 LG, KT, SKT 등의 여러 대기업 및 KETI와 같은 연구소에서 제공하고 있다. 본 프로젝트는 SKT ThingPlug에서 제공하는 LoRA 디바이스를 사용하여 연동한다.

▷ LoRA 무선 네트워크의 형식으로 저전력 광대역, 비면허 sub-GHz 사용을 특징으로 한다.

기술 로드맵

특허조사

특허전략

◇신규성

 본 과제에서 이용할 기술은 전기전도도/광학 센서를 이용한 수질측정기술, 측정장치 부유 및 방수에 관한 기술, LoRa무선통신기술, 서버의 실시간 데이터 처리기술이다. 그러나 이는 기존의 기술들을 단순 조합한 것이므로 신규성을 만족한다고 보기 어렵다. 

◇진보성

 현재 디자인중인 시제품의 배터리 수명은 소프트웨어 최적화를 통해 7년으로 예상된다. 기기의 배터리가 소진되었을 경우 개인하수처리시설 내에 설치된 기기의 배터리 충전에 관한 기술을 준비 중이며, UOS 캡스톤디자인 홈페이지를 통해 대중에 공개되는 종합설계발표 특성상 특허 보호를 위해 자세히 기술하지는 아니하였다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

◇수질원격 감시 시스템(수질 TMS)

▷ 사업장 최종 방류수의 수질오염농도를 실시간으로 자동측정 및 전송하는 시스템
▷ 측정자와 측정지점 및 측정지점마다 오차가 발생함으로써 정확한 수질오염도의 측정이 곤란하고, 현장에서의 시료채취후 측정결과가 나오기까지 시간적인 공백이 발생하여 지속적이고 효율적인 관리가 이루어지기 힘든 문제점을 해결하기 위함.
▷ 구체적인 기술에 관한 정보는 기업 특허로 인해 공개되지 않음. 
▷ 본 기술은 공공하수처리시설에 연계된 기술로, 개인하수처리시설에 대한 데이터베이스는 구축되어있지 않음.

마케팅 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 개인하수처리 시설에 대해 데이터베이스를 통한 통합적인 수질 모니터링이 가능
◇ 내장 배터리로 작동하는 감지 센서를 사용하므로, 기존 기술과 대비해 전력 소모 감소 및 수명이 긴 장점을 보유
◇ 수집된 데이터는 로컬 통신보드와 통신안테나를 통해 기지국으로 전송되고, 부유식 감지기는 개인하수처리시설의 방류조에 1대 1 대응으로 투입되므로, 기지국으로 전송된 데이터는 관리자의 컴퓨터, 스마트폰을 통해 실시간으로 확인이 가능

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 소형(16cm)과 부유식으로 만들어져 쉽게 탈부착이 가능하여 간편하게 운용 가능
◇ 자체 BEP 분석에 의하면, 운영중인 개인하수처리시설 모니터링 방식에서 소요되는 인력 및 장비의 절감효과
◇ 시제품 제작 후 프로토타입 하드웨어 설계, 환경부에서 활용 할 수 있는 유의미한 분석 결과를 도출 가능
◇ 제주도에서의 빅데이터를 활용하여, 전국 개인하수처리 시설로의 확장 가능성

구성원 및 추진체계

◇이원재 - 조장, 아이디어 제시 및 발표, 외부산업체 컨택
◇박준의 - 3D 모델링 및 시제품 개발
◇권혁민 - 자료 수집 및 보고서 작성

설계

설계사양

제품 요구사항

평가 내용

◇ 제품의 내구성, 배터리 수명 및 교체 효율성

 원거리 통신안테나, 통신기판, 중앙처리기판이 내장된 10000mAh 리튬이온배터리에 의해 동작하는 형태임. 본 프로젝트에 사용되는 배터리의 기대수명은 3년이며, 개인하수처리시설 내 방류조에 투입되어 실시간으로 데이터를 서버로 송신하여 배터리의 교체시기를 손쉽게 알 수 있음.

◇ 데이터베이스 구현 정도

 본 프로젝트의 목표는 IOT플랫폼 구축으로 기존 인력투입 방식보다 저렴하고 편리한 시스템을 제공하는 것임. 따라서, 이를 위한 데이터베이스 구축은 필수적임. 이를 위해 현재, AWS기반 서버 구축을 진행중 이며, 시제품 회로 개발완료 및 소프트웨어 개발 90퍼센트 완료 상태임. 

◇ 제품의 고정

 본 프로젝트의 제품인 부유식 수질측정기기는 그 특성상 여과조를 자유롭게 다니며 수질을 측정함. 이 과정에서, 방류수가 방류하는 과정에서 떠내려가거나 무게중심이 맞지 않아 제품이 뒤집힐 우려가 있으므로, 이를 방지하기 위한 방법을 고안할 필요가 있음.

◇ 통신의 정확도

 IoT 기술을 사용하는 특성으로 본 프로젝트에서는 통신의 정확도가 매우 중요함. 이를 위해 가격 경쟁력과, 850Mhz의 대역을 사용하여 원할한 통신이 가능한 RoLa를 사용하여 정확도를 높일 계획임. 시제품 시연에서는 예산의 문제로 인해 성능이 비슷한 WiFi로 테스트를 진행할 예정임.

목적 계통도

QFD

개념설계안

◇ 본 IOT 센서를 이용한 관리 체계는 크게 환경 센싱, IOT 무선 통신, 서버 모니터링로 세개의 아이디어로 이루어져 있다.

부유식 측정기기의 개념도

         * 하부 수질측정센서는 바깥으로 돌출되어 있으며, 측정기는 완전하게 방수됨.
         * 직경 15cm 반구형, 무게 800g 내외

▷ 설계 시 부유식 수질측정기가 반구형으로 만들어지므로 뒤집어지는 것을 방지하고자 무게 중심을 맞추기 위하여, 배터리가 아두이노 기판 아래에 위치하여 하부 무게중심을 맞추도록 함.

▷ 측정기기가 움직이면서 여과조의 유출구를 막을 우려가 있으므로, 유출구의 크기를 고려하여 15cm 반구형으로 설계.

▷ 방류조 상단에 부유하며 방류되기 직전 오염수와 성질이 유사한 상등수만을 측정하므로, 수위변동에 관계없이 일관된 계측이 가능함.

서버 UI 및 CAD 모델링

◇ 제주도에 산개한 1만개소의 개인하수처리시설을 한 화면으로 모니터링할 수 있도록 서버 설계.
◇ 서버에서 관리할 수 있는 항목은 BOD, SS, TDS, 배터리잔량, 시설 위치, 관리번호임.
◇ 수질기준치(BOD, SS 각각10mg/L)를 넘거나, 배터리잔량 25% 이하일 경우 적색 표시, 알림전송.

◇ 구 형태, 부유식으로 설계하여 방류조의 상등수를 측정, 완전 방수, 아두이노 기반으로 작동 설계.
◇ TDS, SS 두가지 항목을 측정할 수 있도록 설계, 종합설계 시제품은 SS만 측정

이론적 계산 및 시뮬레이션

규격 설정

◇ 하수도법 시행령 별표1의 5 개인하수처리시설의 설치기준에 따르면 시설물의 맨홀은 최소직경이 45cm이며, 추락을 방지하기 위해 격자형의 철망을 설치해야 함. 
◇ 격자형 철망을 통과하여 방류조에 설치할 수 있도록 실제 규격과 동일하게 시뮬레이션 진행, 시제품의 최대 크기를 16cm로 결정

물에 잠기는 부피

배터리 기대 수명

조립도

조립도

조립순서

1. 하부 아크릴반구 중앙에 직경 3cm 홀 드릴
2. 중앙 3cm홀에 아두이노 탁도 센서 연결 및 고정
3. 탁도센서 상부에 보조배터리를 고정
4. 아두이노 우노 보드에 와이파이모듈 설치, 탁도센서케이블과 회로도에 맞춰 전선 연결
5. 아두이노 우노 보드와 보조배터리 케이블로 연결 후 고정
6. 상부 아크릴반구 체결, 도색 및 방수처리

부품도

제어부 및 회로설계

◇ 아두이노 UNO, 와이파이모듈, 탁도센서를 전선과 브레드보드를 이용해 연결한 모습.
◇ 배터리는 생략되었음.

소프트웨어 설계

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

향후평가

향후 일정

◇ 환경종합설계에서 설계비 500,000원을 바탕으로 시제품 제작 완료했으며, 7월에는 서귀포시 시범설치를 위한 프로토타입 양산에 돌입.
◇ 국내 개인하수처리시설, 하수처리장에 대해 2차 개발을 실시하여 수자원공사 테스트베드를 활용하여 실험 실시 후 서비스를 전국구로 확대할 예정
◇ 앞서 서술한, 넥스트로컬 예비창업패키지 2021의 자금을 이용하여, 한국수자원공사가 서비스 준비 중인 물산업클라우드 플랫폼에서 전국적인 서비스 제공 예정.

경제성 분석

◇ 본 작품의 최우선 사항은 경제성 확보임. 따라서 BEP 분석을 통해 자체적으로 경제성을 평가를 진행.
◇ 가격 조사를 통해 IOT모듈(A6 Mini GPRS/GSM), TDS센서, 통신망 등 시제품 가격을 합산 2만원으로 산정, 유지보수비는 2.5%로 가정함.
◇ 제주연구원에서 계산한 시설유지보수를 위한 충원인력은 12명으로, 9급 공무원의 초봉을 기준으로 인력충원에 드는 비용을 계산함.  
◇ 기존의 하수처리시설 10,400개소 중 10,000개소에 센서를 부착하는 것으로 기준으로 손익분기점을 산출했을 때 손익분기점은 13개월 이후에 나타내는 것으로 확인되었으며 IOT서비스 웹, 서버 관련 구축 비용은 추가하지 않았음
◇ 향후 IOT서비스 웹, 서버 관련 구축 비용 추가 시 24개월 내 손익분기점 돌파를 목표로 함.

부록

참고문헌 및 참고사이트

[1] 한국과학기술기획평가원, 상하수도 혁신 기술개발사업, 2018
[2] 한국환경정책평가연구원, 수질오염의 사회적 비용 계량화 연구 - 한강수계를 중심으로 - , 1999
[3] David Gillett and Alan Marchiori, "A Low-Cost Continuous Turbidity Monitor", sensors 2019, 3039(31 May), p19
[4] 환경부, 센싱 기술을 이용한 상수 모니터링용 수질, 수량, 수질 냄새 측정장치 개발 최종 보고서, 2018
[5] 박원배 외 3명, 제주도 개인하수처리시설 운영 개선을 위한 기초연구, 2019
[6] 한국환경산업기술원, 환경기술 기술동향보고서;수질센서/환경칩 기술동향, 2011
[7] 사물인터넷표준연구실, 사물인터넷 기술 동향, 2020
[8] 김상진 외 2명, 제주도 소규모 하수처리시설의 대규모 하수처리시서 연계에 따른 타당성 검토,  2014

관련특허

[1]주식회사 에이치코비, 수질계측기 원격 사후 시스템, 10-0506319, 2002.09.25. ,2005.07.28
[2]대구가톨릭대학교산학협력단, IoT 기반 실시간 수질 측정을 위한 휴대용 무선 센서 시스템, 10-2020-0103285, 2019.02.25., 2021.03.11
[3]길주형, 사물인터넷 기능을 갖는 수질감시장치, 10-2016-0139185, 2015.05.27. 2017.11.20
[4]우대원 최정호, 부유식 수질정화 환류 시스템, 10-20130019010, 2013.02.22, 2015.07.09.
[5]주식회사 신성엔지니어링, 부유식 수질관리 장치,10-20200014670, 2010.02.07., 2021.03.15.

소프트웨어 프로그램 소스