02분반 2조

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.

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

<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

개별 분담

설계

설계사양

제품의 요구사항

평가 내용

목적 계통도

QFD (Quality Function Deployment)

개념설계안

모식도

1) 전체 시스템 3차원 모식도

2) 본체 모듈 3차원 및 평면 모식도

3) 가스 감지 모듈 3차원 및 평면 모식도

4) 보호구 착용 감지 모듈 3차원 모식도

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

- 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

- 서울 지역의 월별 일사량 및 태양광 패널 성능계수

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

- 필요 환기량 계산 조건

- 황화수소 농도에 따른 필요 환기량 그래프

- 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

- 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

- 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

- 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

- 적정공기 기준

- 산소 농도에 따른 생체반응

- 유해가스 감지 모듈 알림 범위

- 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

상세설계 내용

조립도 및 부품도

1) 조립도

2) 부품도

제어부 및 회로설계

1) 프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도

- 본체 모듈

- 유해가스 감지 모듈

- 보호구 착용 감지 모듈

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

- 유해가스 감지 모듈 송신 코드

- 보호구 착용 감지 모듈 송신 코드

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

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.