4조-세이프워시

👨‍🎓 구성원 및 추진체계

구성원 소개

SafeWash 엔지니어링 팀 (기계정보공학과)
역할	이름	학번	주요 담당 분야
팀장	이*현	20204300**	프로젝트 총괄, 제어 로직 및 이론 계산
팀원	김*호	20204300**	구매 및 하드웨어 제작 주도
팀원	이*민	20204300**	3D 모델링 및 기구 설계
팀원	전*형	20204300**	중앙 제어 시스템 및 SW 구현

개발 일정

기간	주요 활동	달성 목표
9월 (1차)	개념설계 및 문헌/기술 조사	프로젝트 아이디어 확정 및 기술적 검토 완료
10월 (2차)	상세 설계 및 부품 구매/발주	3D 모델링 완료, 주요 부품 스펙 확정
11월 (3차)	시제품 제작, 회로 구성 및 SW 구현	하드웨어 조립 및 제어 로직 프로그래밍
12월 (4차)	최종 통합 테스트 및 성능 평가	정량적 목표 달성 확인 및 최종 보고

개발 일정표: [이미지 첨부 예정]

📜 서론: 비접촉 정밀 제어의 필요성

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 수전 조작의 위생성과 사용 편의성을 혁신적으로 향상시키기 위해, 발로 조작하는 전자식 풋 레버를 활용하여 수전의 온도와 유량을 정밀하게 제어할 수 있는 스마트 수전 시스템인 SafeWash를 개발하는 것입니다.

시스템 목표 및 구조 혁신:
- SafeWash는 기존 기계식 카트리지에서 수행되던 혼합 및 유량 조절 기능을 완전한 전자식으로 대체하는 디지털 수전 제어 플랫폼을 구현합니다.
- 사용자는 손을 사용하지 않고도 원하는 온도와 세기를 안정적이고 반복 가능하게 설정할 수 있습니다.
- 이 시스템은 기존 절수 페달 구조의 한계(단순 On/Off 제어)를 넘어선 전자식 단계 제어 방식으로 확장하는 데 중점을 두었습니다.

핵심 제어 원리 및 구성:
- 입력부: 사용자는 풋 페달을 통해 냉수와 온수의 제어 신호를 입력합니다. 풋 페달은 순간/연속 신호를 모두 감지할 수 있도록 설계되었으며, 이를 통해 단계적 제어 및 다양한 조작 패턴을 식별할 수 있습니다.
- 통신 및 신호 처리: 풋 페달 입력 신호는 ESP32-C3를 통해 수집 및 디지털 신호로 변환되며, 블루투스(BLE)를 이용하여 라즈베리파이 5 기반의 중앙 제어부로 무선 전송됩니다.
- 구동부: 중앙 제어부는 이 신호를 실시간으로 처리하여 두 개의 비례제어 솔레노이드 밸브의 개도율을 독립적으로 조절합니다. 냉수와 온수 밸브의 개도 비율을 제어함으로써 최종 혼합수의 목표 수온이 결정되고, 밸브의 총 개도량에 따라 유량이 결정됩니다.
- 정밀도 확보: 이 과정에서 목표 수온을 ±0.5℃ 이내로 정밀하게 제어할 수 있는 로직을 적용합니다.

시스템 유연성 및 확장성:
- 본 시스템은 모듈형 구조와 UI 기반의 사용자 설정 기능을 제공하여 향후 확장성, 유지보수성, 스마트홈 연동 가능성까지 고려한 차세대 주방 수전 기술을 목표로 합니다.
- 특히, 새로운 기능 구현의 핵심은 기계 구조가 아닌 제어 알고리즘, 신호 처리, 사용 인터페이스 및 전체 시스템의 통합 설계에 있습니다.
- 라즈베리파이에 연결된 디스플레이 UI는 현재 설정 단계를 사용자에게 시각적으로 제공하여 직관적인 조작을 돕습니다.

SafeWash 전체 개념도: [이미지 첨부 예정]

개발 과제의 배경

교차 감염 문제: 공공시설 수도 손잡이는 세균 및 바이러스 전파의 주요 경로입니다. SafeWash는 손 접촉을 원천 차단하여 이러한 교차 감염 위험을 최소화합니다.
기존 절수 페달의 한계: 기존 제품은 단순히 On/Off 기능만 제공하여 온도/유량 조절이 불가능했습니다. 본 시스템은 이 한계를 극복하여 위생성과 기능성을 동시에 제공합니다.

일반 수전 손잡이 교차 감염 예시: [이미지 첨부 예정]

개발 과제의 목표 및 내용

설계사양

제품의 요구사항 (D/W)

D (필수): RPI 기반 무선 제어, 목표 수온/유량 정밀 제어, 밸브 누수 방지 설계, 공동/수격 현상에 의한 밸브 소모 최소화.
W (바람직): 1초 이내 빠른 응답성, 합리적인 비용, 설치 및 유지보수 용이성.

설계 사양 도출 계통도: [이미지 첨부 예정]

설계 사양 (주요 부품 및 구성)

구동부: 24V 비례제어 솔레노이드 밸브 (온수/냉수)
제어부: 라즈베리 파이 5 (중앙 제어 및 UI), ESP32-C3 (BLE 통신 및 PWM 출력)
전력원: SMPS (AC 220V → DC 24V), RPI 5V

주요 부품 구성도: [이미지 첨부 예정]

개념설계안

최종 채택안 (외부 개별 제어 방식):

개요: 벽면에서 유입된 온수 및 냉수는 외부 모듈에 유입되어, 각각 비례제어 밸브를 거치며 유량이 조절됩니다. 두 유로는 합류 없이 수전 카트리지의 온수 및 냉수 유입구에 직접 연결됩니다.
장점: 기존 수전 구조와의 호환성 및 유지보수 용이성이 가장 높습니다.

최종 개념 설계 모형도: [이미지 첨부 예정]

이론적 계산 및 시뮬레이션

CAE 해석 배제: 상용 인증 제품 사용 및 밸브 개도 변화의 점진적 비례제어 방식으로, 유체 충격 및 진동 문제 발생 가능성이 낮아 CAE 해석은 필수적이지 않습니다.
수온 혼합 이론: 혼합수 온도 T_m은 냉수(T_c)와 온수(T_h)의 유량비에 의해 결정됩니다. 즉, 목표 혼합수 온도는 냉수 유량(Q_c), 온수 유량(Q_h)과 각 물의 온도에 따라 결정됩니다.

수온 혼합 이론 수식 이미지: [이미지 첨부 예정]
목표 온도별 혼합 비율표: [이미지 첨부 예정]

상세설계 내용

기구 설계 및 3D 모델링

유체 제어 모듈 구성: 비례제어 밸브(HPCV0602), 니플(C36000), 부싱(C36000), 배관(SUS304) 등으로 구성됩니다.

밸브 제어 모듈 조립도: [이미지 첨부 예정]
밸브 제어 모듈 등각 투상도: [이미지 첨부 예정]

전자 회로 설계 (분산 제어 구조)

밸브 구동 회로: 로직 레벨에서 구동 가능한 MOSFET (IRLZ44N)을 사용하며, 밸브 코일의 역기전력은 플라이백 다이오드 (1N5819)로 흡수하여 회로를 보호합니다.

전체 제어 구조 블록도: [이미지 첨부 예정]
PWM 듀티 사이클 제어 설명 이미지: [이미지 첨부 예정]

소프트웨어 설계 (고유 제어 로직)

입력 처리 로직: 풋 페달의 입력 시간을 구분하여, 1초 이상 입력은 ON/OFF 토글로, 그 외는 온도/세기 변경 신호로 판단하는 고유의 알고리즘을 적용합니다.
PWM 제어 알고리즘: 아두이노는 RPI로부터 목표값을 수신하여 혼합 비율 테이블을 참조, 냉·온수 밸브의 PWM 듀티를 계산하여 밸브를 개방합니다.

페달 입력 처리 알고리즘 흐름도: [이미지 첨부 예정]
밸브 제어 로직 흐름도: [이미지 첨부 예정]

✅ 결과 및 평가: SafeWash의 성능 검증

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

프로토타입 최종 조립 사진 (싱크대 하부):

[이미지 첨부 예정]

작동 시연 장면 (물줄기):

[이미지 첨부 예정]

포스터

캡스톤 디자인 포스터 이미지:

완료작품의 평가

(정량적 목표 대비 달성도를 명확히 제시합니다.)

온도 제어 성능:
- 목표치: ±0.5℃ 이내
- 평가 결과: ~~실제 평가 결과 작성 예정 (예: ±0.4℃ 달성)~~
응답 속도:
- 목표치: 1.0초 이내
- 평가 결과: ~~실제 평가 결과 작성 예정 (예: 0.8초 달성)~~

성능 평가 차트/그래프: [이미지 첨부 예정]

향후계획

제품화 및 내구성 강화: 습한 환경을 고려한 방수/방진 설계 (IP 등급 확보)를 적용하여 상용화 추진.
AI 연동 기능: 물 사용 데이터를 분석하여 사용자에게 능동적 절수 방안을 제안하는 AI 시스템 개발.
사용자 편의 기능: '세안 모드', '설거지 모드' 등 개인 맞춤형 프리셋 기능 추가.

기술	작동 원리 및 특징	SafeWash 대비 한계점
IR 센서 수전	적외선 센서 기반 On/Off 제어	온도/유량 조절 불가능, 환경 인식 오류
음성인식 스마트 수도	AI 연동, 전자식 밸브로 정량/온도 제어 가능	인터넷 필수, 소음으로 인식률 저하
기계식 절수 페달	발로 단순 On/Off 제어	수온/수압 조절 불가능

구분	단계	특징
과거	💧 2핸들 → 1핸들 레버 수전	기계식 혼합/유량 제어
현재	🦶 기계식 페달 / 🖐️ IR 센서	위생성(비접촉) 확보, 정밀 제어 부족
SafeWash	✨ 페달 기반 디지털 제어	발 입력 기반 단계적 제어, UI를 통한 사용자 맞춤 설정

강점 (S)	약점 (W)
🥇 S1. 완벽한 비접촉 제어 및 단계적 디지털 정밀 제어	💰 W1. 기존 절수페달 대비 높은 초기 비용
🧑‍💻 S2. RPI 기반 UI 및 IoT 확장성	⚡ W2. 작동을 위한 안정적인 전력 공급 필요
기회 (O)	위협 (T)
📈 O1. 위생 제품 선호도 급증 및 스마트 가전 시장 성장	🛡️ T1. 대기업 스마트 수전 제품과의 경쟁 심화
🏥 O2. 병원, 식당 등 B2B 특수 시장 수요 높음	❓ T2. 확장 기능에 대한 소비자 장벽 및 필요성 의문

항목	품명 (규격)	수량	금액 (천원)
비례제어 밸브	HPCV0602 (비례제어 솔레노이드 밸브 DC 24V)	2개	~~금액 작성 예정~~
제어 모듈 부품	RPI, ESP32, 아두이노, MOSFET 등	n개	~~금액 작성 예정~~
제작/재료비	배관, 부싱, 펌프 등	n개	~~금액 작성 예정~~