8조 - 컴구조안들었조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 스마트 소형 냉온장고

영문 : Smart Compact Chiller & Warmer in One

과제 팀명

컴구조안들었조

지도교수

김태현 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20155600** 김**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 김**

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 박**

서울시립대학교 기계정보공학과 20154300** 오**

서울시립대학교 기계정보공학과 20154300** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

기존에 냉장과 온장 기능이 분리 되어 있던 것을 융합하여 냉장과 온장 모두를 사용자의 편의에 따라서 변환 가능한 소형 냉·온장고를 제작한다. 단순히 냉·온장 기능 뿐 만 아니라 추가적으로 사용자의 스마트폰과 연동하여 원격으로 냉장과 온장을 변환하거나 on/off 혹은 동작 제어가 가능하도록 한다. 또한 내부 공간 안에 물건 존재 유무를 sensor로 파악하여 없을 시 절약모드로 자동으로 변환되어 소비전력을 낮추도록 하고 예약 기능을 추가하여 사용자의 편리함을 증진시킨다.
이러한 전체적인 기능을 통하여 냉장 보관이 되던 음식물을 원하는 시간에 바로 섭취할 수 있도록 귀가 중에 미리 따뜻하게 데우거나 작동시키는 것을 잊었을 경우 외부에서 작동시킬 수 있는 점 등의 장점이 있다. 1인 가구나 본 과제를 진행하는 학생들처럼 자취를 하는 학생과 같은 사람들에게 생활의 편의를 제공할 것이다.

개발 과제의 배경 및 효과

(1) 배경

현재 우리 사회에서 1인 가구의 수는 역대 최대이며 점점 늦어지는 결혼 시기와 등을 고려한다면 1인 가구의 숫자는 점점 증가할 것이다. 1인 가구의 경우 매 끼니 마다 새로 밥을 하지 않고 냉장 보관된 밥을 데워 먹는 경우가 많다. 반찬의 경우도 마찬가지이다. 이러한 경우 아침에 조리한 음식을 냉장으로 보관하다가 저녁에 귀가하기 전에 미리 온장고로 전환시켜 두면 귀가와 동시에 식사를 할 수 있다는 생각에 착안하게 되었다. 또한 현재 시중에 판매 중인 스마트 냉장고의 경우에도 냉온 전환이 가능하지는 않다는 점과 냉온 전환이 가능한 소형 냉온장고가 존재한다는 점을 융합하고자 하였다. 추가적으로 전자레인지가 없어도 밥을 데우거나 냉동된 요리재료를 해동시키는 역할 등을 수행 할 수도 있을 것이다.
본 과제를 진행하는 과정에서 앞서 수강한 고체역학, 기계요소설계, 열 및 유체역학 등의 지식 역시 사용될 것이며 기계와 IT의 융합을 통한 종합 설계에 대한 이해 및 연습이 될 것이다.

(2) 기대효과

 본 개발을 통해 완성될 냉온장고는 사용자의 휴대전화를 통해서 원격으로 온도의 조절이 가능하여 미리 조리해둔 음식물을 냉장으로 보관하다가도 귀가 시간에 맞추어 따뜻하게 데우거나 냉동 보관된 요리재료를 미리 해동시켜 바로 조리를 시작할 수 있는 등의 장점을 가지고 있다. 따라서 미리 조리된 음식을 냉장보관 할 경우가 많은 1인 가구와 귀가 후 바로 요리를 해야 할 경우가 많은 직장인들에게 유용한 보조 보관 장비로 사용될 것이다. 또한 소형 냉장고로써의 역할 역시 수행 가능한 동시에 전자레인지의 대용으로 사용할 수 도 있을 것이다.

개발 과제의 목표와 내용

스마트 냉온장고는 각 온도 센서와 초음파 센서를 통해 저장고 내부의 상황을 인식한다. 그 정보를 라즈베리 파이로 전송하여 들어온 외부 신호에 맞추어 펠티어 소자 및 각 부분을 제어한다. 이 신호는 LCD 터치 스크린을 통해 냉온장고 외부에 실시간 상태를 표시하고 어플리케이션에 정보를 전달한다. 스마트폰에서는 안드로이드 어플리케이션을 통해 냉온장고의 모든 기능을 제어할 수 있다. 스마트 냉온장고의 기능으로는 전원의 on/off, 정밀한 온도조작, 예약기능, 절전모드 실행이 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 두 칸을 각자 제어함으로써 냉장과 온장을 동시에 해결하며, 섬세한 온도 조절을 통해 다양한 물품 또는 음식을 저장할 수 있다.
 
◇ IoT기능을 통해 멀리서도 제어 가능하며 예약기능을 통해 사용자의 편리성을 증가시키고 제품이 목표온도까지 도달하는 시간을 절약할 수 있다.
   
◇ 터치스크린을 통해 실시간으로 내부온도를 표시하고 조절할 수 있어 사용자가 알기 쉽고 누구나 간단하게 사용할 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

(1) 경제적 파급 효과
     
 ◇ 냉장고와 온장고를 따로 구매할 필요가 없고 전자레인지 대용으로도 쓰일 수 있어 경제적이고 두 칸을 따로 제어함으로써 다양한 제품을 저장할 수 있어 소비자의 선택권을 증가시켜줄 것이다.
    
 ◇ 기존의 비슷한 용량의 냉장고(약 20만원) 및 온장고(약 10만원)의 평균 단가대비 스마트 냉온장고 단가(약 25만원)는 약 17% 경제적이며, 여기에 원격 제어 기술과 섬세한 온도 조절 기능을 포함시키면 그 효용은 매우 증대될 것으로 예상된다.
      
       
(2) 사회적 파급 효과
      
 ◇ 미리 조리해둔 음식물을 냉장으로 보관하다가 귀가 시간에 맞추어 따뜻하게 데우거나 냉동 보관된 요리재료를 미리 해동시켜 바로 조리를 시작할 수 있어 조리 식품의 소비가 높고 바쁜 현대인들에게 유용한 보조 보관 장비로 사용될 것이다.
    
 ◇ 16L, 5kg 내외의 컴팩트한 사이즈와 가벼운 무게로 보관과 이동이 용이하여 여성이나 1인 가구에도 널리 사용될 것으로 기대된다.
        
 ◇ 여러 기능을 한꺼번에 하는 멀티 냉장고로 따로 구매하는 것보다 친환경적이며 절전 모드는 에너지를 절약시킬 수 있어 환경 보호에 힘쓰는 사람들에게 각광을 받을 것이다.
    
 ◇ 차세대 육성 산업인 IoT 기술 발전에 앞장서 기여하고 시장 확대로 인한 고객의 필요성을 만족시킬 것이다.

구성원 및 추진체계

가. 구성원 및 역할

나. 추진체계

설계

설계사양

내용

개념설계안

가. 제품의 동작과정

◇ 온도센서 및 초음파센서를 통한 저장고의 상태 실시간 갱신
◇ LCD touch screen 혹은 Application을 통한 사용자의 요구사항 입력
◇ 라즈베리 파이를 통한 사용자의 입력과 현재 상태의 비교, 제어 및 통신
◇ 설정 온도와 현재 온도가 상이할 경우 열전소자의 작동을 통한 목표 온도 달성
◇ 목표 온도 달성을 위한 릴레이 스위치 및 H-bridge를 사용한 전류 조절
◇ LCD touch screen 과 Application에 현재 상태 실시간 업데이트

나. 제품의 예상 형상

 내부 공간 한 칸의 크기는 가로 200mm, 세로 200mm, 높이 200mm 로 총 두 칸으로 설계하였다. 각 칸은 각각 동시에 제어가 가능하다. 칸 위의 공간에 제어부인 라즈베리파이를 위치시키고 전면부에 비스듬하게 LCD 터치스크린이 올림으로써 사용자의 편의성을 높일 수 있는 방향으로 구상하였다. 또한 칸 뒤의 공간에 펠티어 소자 모듈을 부착하여 내부 공기 온도를 조절할 수 있도록 하였다. 칸 내부에는 내부 상태를 확인하기 위한 온도 센서와 초음파 센서를 위치시킬 예정이다.

다. 목적계통도

◇ 효율성

(1) 편의성

- 직관성
사용자가 직접 어플리케이션이나 LCD 터치 모니터를 이용하여 냉온장고의 온도를 조절하기 때문에 사용자로 하여금 희망 온도를 설정 하는 데에 조작이 직관적이어야 한다. 어플리케이션과 LCD 모니터 화면을 만들 시 사용자가 쉽게 사용할 수 있도록 이미지나 터치 버튼 위치를 설정한다.

- 공간 효율성
가정에서 집안에 두고 사용하는 것이기 때문에 집안 공간에서 차지하는 부피가 중요한 요구 사항이다. 내부에 음식을 보관하는 데에 요구되는 공간 외에 작동 부분을 최소화한다.

- 원격 제어
타겟층인 바쁜 직장인들과 1인 가구들을 위해 집 밖에서도 자유롭게 제어 가능하도록 원격제어 기능을 도입한다. 원격 시스템은 스마트폰에서도 로컬에서 조작 가능한 모든 기능을 포함하고 조작하기 쉽도록 구성한다.

(2) 안정성

- 안정적인 통신
냉온장고와 스마트폰 연동, 온도&압력 센서와 라즈베리 파이의 연동, 라즈베리 파이와 펠티어 열전소자의 연동이 안정적으로 통신이 되어야 결과적인 냉온장고 내부 온도 조절이 가능하다. 각 기기에 들어가는 전압이 다르기 때문에 전압조절과 전선들의 합선여부, 접지가 안정적으로 설계되어야 한다.

- 피드백 제어
계속해서 현재 상태를 피드백 제어하여 LED와 LCD화면을 통해 현재 동작 상태를 확인 가능하기 때문에 제품 내부의 결함 여부를 상시 파악할 수 있다.

◇ 경제성

(1) 시장성

냉장고와 다르게 냉장과 온장 기능을 멀티로 할 수 있는 장점과 스마트폰 연동 기능에 있어서 메리트가 있지만 펠티어 열전소자 모듈을 성능의 한계가 있어 수용 가능한 면적이 기존 냉장고보다 좁다. 따라서 추가 기능과 수용 면적에 따라 사용자로 하여금 합리적인 가격 책정이 필요하다. 소형화, 경량화, 저렴한 가격과 온도조절기능, 예약기능 등 다양한 기능은 시장성을 확보할 수 있을 것이다.

(2) 유지보수성

-확장성
스마트폰과 연동하여 외부에서 조작 가능한 냉온장고이지만 추가적인 기능이나 업데이트가 필요하게 되는 경우가 생기는 데 어플리케이션 내부 소스 코드 업데이트만으로 쉽게 업데이트 가능하다.

-정밀성
초음파 센서나 온도 센서가 추후 기능 확장에 있어서 추가되는 기능을 조작하는데 정밀하게 입력 값을 주는 지 중요하다. 초음파 센서의 경우 유효 각이 제품 내부의 물체 존재 여부를 판단하는데 충분하고 온도 센서는 소수점 단위까지 입력 받기 때문에 다른 제품보다 정밀함이 보장된다.

-내구성
내부 온도가 수시로 바뀌는 제품이기 때문에 냉온장고의 외벽이나 온도센서 , 초음파센서 , 열전소자 모듈 등 이 외부 온도에 민감하지 않고 정상으로 작동되어야 한다. 두 번째로 제작을 하고 가정으로 이동하는 사이와 가정 내에서 사용할 때 외부의 충격에 의해 결함이 생기지 않는 내구성이 보장되어야 한다.

-설치성
타겟층인 1인가구와 직장인들을 공략하기 위해 제품의 설치와 해체가 용이해야할 것이다. 제품의 작은 크기, 가벼운 무게는 전원 선만 연결하면 되기 때문에 설치성이 보장된다.

-전기 절약 모드
제품을 장기적으로 사용할 때 열전소자의 낮은 효율은 문제가 된다. 이를 보완하기 위해 사용되는 제품 내부의 물체 존재 여부를 판단하여 전기를 자동으로 차단시키는 전기 절약 모드는 낭비되는 전력과 전기세를 줄이고 낮은 소비효율을 보완할 것이다.

◇생산성

(1) 가격

초기 개발 비용이 저렴하고 제품에 쓰이는 원자재는 확보가 쉽기 때문에 제품 생산 단가를 낮출 수 있다. 따라서 가격 경쟁력을 더욱 높일 수 있을 것이다.

(2) 시간

현재 bread board, raspberry pi를 이용하여 제품 설계를 하였지만 추후 이 부분을 전문적으로 회로를 통해 다시 구현한다면, 대량 생산이 가능하고 제품 구조를 단순화시킴으로써 제품 생산의 시간을 줄여 생산성을 높일 수 있다.

라. 각 구성요소별 설계안

◇ 입력장치
   
 (1) 외부 입력 장치

 (2) 온도 센서

 (3) 내부 물건 탐지

마. 설계안 평가

◇ 평가 기준

 앞에서 말한 목적계통도에 맞추어 평가기준을 정하고 아래에서 평가기준에 따라 각 설계안에 점수를 부여하였다.

◇ 평가 내용

 (1) 최종개념설계안 하드웨어사양

 제어부로는 라즈베리파이를 사용한다. 다양한 입출력 핀을 제공하기에 다른 여러 센서와 연결과 제어가 용이하다는 장점이 있다. 내부 os로는 리눅스 기반의 라즈비안을 사용한다.
   
 사용자의 입력을 받고 현재 상태를 표시하기 위한 장치로는 라즈베리파이 전용 lcd 터치스크린을 사용한다. 라즈베리파이와 연결이 용이하다는 장점이 있다.
   
 내부 상황 인식을 위해 초음파 센서와 온도센서를 라즈베리파이와 연결하여 사용한다. 초음파 센서는 내부 물건의 존재 유무를 인식하는데 사용되고 온도센서는 내부 온도를 측정하는데 사용된다.

 (2) 제어장치

 (3) 단열재 선택

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. 이론적 계산

◇ 목표

이론적 계산과 해석프로그램을 이용한 CASE STUDY를 통해 저장고의 크기, 단열재 등의 변수를 조절하여 정해진 열전소자 성능 내에서 가장 효율적인 냉장고를 설계하는 것을 목표로 한다.

◇ 저장고의 초기 모델 설정

(1) 각 칸은 모서리가 0.2m인 정육면체로 부피는 0.008m^2 이다.
(2) 각 칸을 구성하고 있는 단열재는 아크릴이며 두께는 0.015m 이다.
(3) 열전소자 모듈의 전력소비량은 120W이다.
(4) 열전소자 모듈에는 가로 0.001m, 세로 0.090m, 높이 0.017m인 알루미늄 방열판과 유속이 2.48m/s 이고 크기가 40*40*20 mm^3 인 팬이 부착되어 있다.

◇ 각 저장고 사이의 간섭 줄이기

본 제품은 두 개의 저장고를 가지고 있고 각각의 저장고를 동시에 제어할 수 있다. 그 중 한 쪽은 냉장, 다른 한 쪽은 온장으로 설정된 경우 이에 의한 온도의 영향을 받을 수밖에 없다. 각 저장고는 단열재 벽 하나를 두고 나뉘어져 있다. 따라서 서로의 간섭은 오직 벽을 통한 열전도뿐 이라 충분히 생각할 수 있다. 초기 설정 모델에서 단면적은 0.04m^2 이고 저장고 사이 벽의 두께는 0.015m, 단열재는 아크릴을 사용하므로 열전도도 값은 0.2W/m·K 이다. 따라서 열전도식을 사용하여 계산한 결과 초기 설정 모델에서의 각 저장고가 최고온도인 65도, 최저온도인 –5도 인 경우에 간섭 열량은 아래와 같다.

 전도로 전달되는 열량의 값이 작을수록 각 저장고의 온도가 서로에게 영향이 없는 것이므로 우리는 열전도도, 면적, 두께 등을 조절하여 이 값을 줄일 수 있다. 하지만 저장고의 크기는 간섭 뿐 아니라 다른 문제에도 영향을 끼치기 때문에 우선 열전도도를 바꾸기 위하여 단열재를 변경하여 열량을 줄이는 것으로 하였다. 우리는 여러 단열재를 비교한 결과 열전도도가 0.032W/m·K 인 비드법 2종의 네오폴 단열재를 사용하기로 하였다. 또한 두께를 0.015m에서 0.03m 로 변경하였다. 그 결과 간섭 열량은 아래와 같다.

 아크릴일 때의 10% 정도 수준으로 간섭 열량이 줄어든 것을 확인할 수 있고 따라서 간섭이 거의 일어나지 않는다고 말 할 수 있다.

◇ 목표 도달시간 내에 최고 및 최저온도 달성하기
   
 밀폐시스템이 아니라는 점과 열전소자의 실제 효율 등을 고려하여 우리는 최저온도 도달시간을 60분, 최고온도 도달시간을 30분 으로 설정하였다. 목표한 도달시간 내로 온도를 맞추는 것이 가능한지 계산하기 위하여 먼저 최저온도에서 최고온도로 온도를 높이는 상황을 가정하여 알아보았다.
  
 (1) 목표시간 내에 최고온도 달성하기
 저장고 내부의 초기 온도를 –5℃ 라고 가정하였을 때 최고온도 65℃까지 온도를 상승시키기 위해 공기가 필요한 열량을 계산하고 그것을 30분으로 나눈 것이 핀에서의 열전달률보다 작다면 충분히 목표시간 내에 최고온도에 도달할 수 있을 것이라 생각할 수 있다. 공기는 방열핀이 공급하는 열량으로 온도가 상승하기 때문이다. 또한 공기가 필요한 열량을 계산하는 과정에서는 외부로 빠져나가는 열들을 고려한다면 더 정확한 결과를 얻을것으로 예측할 수 있다. 빠져나가는 열로는 저장고 벽면에서 전도되는 열, 옆 저장고와의 간섭 등이 있다.

① 공기가 필요한 열량

저장고 내부의 공기온도가 최저온도인 –5℃ 에서 최고온도인 65℃ 까지 상승하기 위하여 필요한 에너지를 계산하기 위하여 열역학 1법칙 식을 사용하였다. 필요한 열량은 처음 상태와 끝 상태의 내부에너지 변화량과 외부일 변화량이지만 외부 일은 없으므로 내부에너지 변화량과 같다. 또 내부에너지 변화량을 엔탈피의 변화량과 압력이 한 일로 정의할 수 있지만 저장고의 부피는 일정하게 되므로 결국 엔탈피의 변화량으로 생각할 수 있다. 온도와 상대습도를 알고 있다면 단위 질량당 엔탈피를 계산할 수 있다. 온도는 각각 최저온도와 최고온도로 계산을 하였고 상대습도는 현재 날씨를 참고하여 40% 로 입력하였다. 그 값에 공기의 질량인 0.0093kg 을 곱하게 된다면 엔탈피 변화량, 즉 필요한 열량을 계산할 수 있다. 계산결과 필요한 열량은 2294J 임을 알 수 있다.

② 외부로 빠져나가는 열

내부 공기 온도를 높이기 위해 가해주는 열은 저장고의 벽면을 통하여 조금씩 빠져나갈 것이다. 그 값을 더해주어야 조금 더 정확하게 필요한 열량을 알아낼 수 있다. 하지만 ‘외부의 온도가 일정하다’ 라 가정하더라도 내부 공기의 온도는 점점 증가하므로 온도변화량이 계속해서 변하게 된다. 내부 온도에 따른 열전달률은 아래 그래프와 같다.

 계속해서 변하는 열전달률을 계산에 사용할 수 없기 때문에 그 평균값인 1.024W를 빠져나가는 전도율로 계산할 것이다. 30분 동안 1.024W로 열이 빠져나간다면 1843.2J 의 열이 한 면으로 빠져나가게 된다. 옆 저장고와 붙어있는 한 면을 제외한 5면으로 계산한다면 30분 동안 9216J 의 열이 빠져나갈 것으로 생각할 수 있다.
     
③ 총 필요한 열량
   
 옆 저장고로 빠져나가는 열전도율은 2.99W 임을 위에서 계산하였다. 30분 동안 빠져나가게 된다면 5382J 의 열이 빠져나갈 것이다. 따라서 총 필요한 열량은 (2294 + 9216 + 5382)J = 16892J 이다.
   
④ 핀에서의 열전달률

방열핀의 스펙을 알고 있으므로 둘레의 길이 p, 단면적 A를 계산할 수 있다. 방열핀에 부착되어 있는 내부 팬의 영향으로 강제대류 시키기 때문에 그림 1에서 볼 수 있듯이 대류열전달계수 h의 값은 25~300W/m^2·K 사이의 값을 갖게 된다. 내부 팬의 유속이 대략 2.5m/s 이므로 그림 2의 그래프를 참고하여 대류열전달계수를 25W/m^2·K 로 계산할 것이다. 방열핀의 끝에서의 온도는 내부 공기의 온도가 점점 상승하면서 따라 변하게 될 것이다. 그래서 처음온도와 마지막 온도의 평균값인 30도를 사용하여 계산하도록 하였다. 그리고 핀의 개수는 10개이므로 계산한 결과에 곱해야 한다. 계산결과 방열핀에서의 총 열전달률은 대략 26.53 W 임을 알 수 있다.

⑤ 결론

총 필요한 열량을 1800초(30분)으로 나누었을 때의 값이 9.39W 으로 방열핀에서 공급하는 열전달률인 26.53W 보다 작으므로 30분 내에 충분히 온도를 올릴 수 있음을 알 수 있다. 이론적인 계산으로 최고온도로 올리는데 필요한 시간을 구하였는데 15분이 안 되는 매우 작은 값이 나왔다. 하지만 계산과정에서 평균값을 사용한 점, 소자가 저장고에 빈틈없이 부착되어있다고 가정한 점과 실제 제품을 사용할 때는 비열이 다른 물질들을 넣어 사용한다는 점을 고려하였을 때 목표시간을 30분으로 하는 것이 적절하다고 생각된다.

 (2) 목표시간 내에 최저온도 달성하기
  
 저장고 내부의 초기 온도를 65℃ 라고 가정하였을 때 최저온도 -5도까지 온도를 하강시키기 위해 공기가 필요한 열량을 계산하고 그것을 60분으로 나눈 것이 핀에서의 열전달률보다 크다면 충분히 목표시간 내에 최저온도에 도달할 수 있을 것이라 생각할 수 있다. 공기는 방열핀이 냉각하는 열량으로 온도가 하강하기 때문이다. 또한 공기가 필요한 열량을 계산하는 과정에서는 외부로부터 들어오는 열들을 고려한다면 더 정확한 결과를 얻을 것으로 예측할 수 있다. 들어오는 열로는 저장고 벽면에서 전도되는 열, 옆 저장고와의 간섭 등이 있다.

① 공기가 필요한 열량
    
 공기가 65℃에서 –5℃까지 냉각되기 위해 빠져나가야 할 열량은 온장의 경우와 같이 두 상태의 엔탈피 값의 차이로 구할 수 있다. 위의 온장의 경우와 상태가 완전히 반대이므로 필요한 열량은 -2294J 임을 쉽게 알 수 있다.
  
   
② 외부로부터 들어오는 열
    
 내부 공기 온도를 낮추기 위해 빼내는 열은 저장고의 벽면을 통하여 조금씩 들어올 것이다. 그 값을 더해주어야 조금 더 정확하게 필요한 열량을 알아낼 수 있다. 하지만 ‘외부의 온도가 일정하다’ 라 가정하더라도 내부 공기의 온도는 점점 증가하므로 온도변화량이 계속해서 변하게 된다. 내부 온도에 따른 열전달률은 아래 그래프와 같다.

온장의 경우와 마찬가지로 계속 변하는 값의 평균값을 사용할 것이다. 온장의 열전달률과 크기는 동일하지만 열이 들어오는 것이므로 평균값은 –1.024W이다. 1초당 1.024J의 열을 더 빼내야 한다는 의미이다. 60분 동안 1.024W로 열이 들어온다면 3686.4J 의 열이 한 면으로 들어오게 된다. 옆 저장고와 붙어있는 한 면을 제외한 5면으로 계산한다면 60분 동안 18432J 의 열을 더 빼내야 할 것이다.

③ 총 필요한 열량

옆 저장고로 빠져나가는 열전도율은 2.99W 임을 위에서 계산하였다. 따라서 냉각 시 옆 저장고로부터 들어오게 되는 열전도율도 2.99W 임을 알 수 있다. 60분 동안 들어오게 된다면 10764J 의 열량을 더 냉각해 주어야 함을 알 수 있다. 따라서 총 필요한 열량은 (-2294 - 18432 - 10764)J = -31490J 이다.

④ 핀에서의 열전달률

온장일 때와 달라진 점은 방열핀의 온도차이 부호뿐이다. 따라서 핀에서의 열전달률은 대략 -26.53 W 임을 알 수 있다.

⑤ 결론

총 필요한 열량을 3600초(60분)으로 나누었을 때의 값이 -8.75W 으로 방열핀에서 공급하는 열전달률인 -26.53W 보다 큰 값이므로 60분 내에 충분히 온도를 낮출 수 있음을 알 수 있다. 이론적인 계산으로 최저온도로 내리는데 필요한 시간을 구하였는데 15분이 안 되는 작은 값이 나왔다. 하지만 계산과정에서 평균값을 사용한 점, 소자가 저장고에 빈틈없이 부착되어있다고 가정한 점과 실제 제품을 사용할 때는 비열이 다른 물질들을 넣어 사용한다는 점을 고려하였을 때 목표시간을 60분으로 하는 것이 적절하다고 생각된다. 또한 냉장 효율은 온장효율에서 소비전력을 뺀 값이기 때문에 냉장의 목표 달성 시간을 온장의 2배로 하는 것은 적절하다고 생각된다.

나. 시뮬레이션

◇ 저장고 크기 변경하기
   
 동일한 소비전력으로 더 많은 공간을 원하는 온도로 온장 또는 냉장할 수 있다면 분명한 이득이다. 시뮬레이션을 통하여 목표한 온도에 크게 벗어나지 않는 수준에서 가장 큰 저장고의 부피를 찾아낼 수 있다. 열전소자에 의하여 방열핀에 일정한 열이 전달되고 있는 중이라고 할 때, 내부 공기 온도의 체적 평균값을 살펴볼 것이다. 내부 공간이 넓어질수록 영향을 미쳐야 할 공기의 양과 외부로 유출되는 열의 양이 모두 증가하기 때문에 같은 열을 주고 있다면 온도의 체적 평균값은 감소할 것이다. 제품의 중요한 특징 중 하나가 정확한 온도조작이 가능하다는 점이기 때문에 부피의 증가로 인한 온도의 오차가 1℃ 이상이라면 최적이라고 할 수 없다. 따라서 허용할 수 있는 온도차의 범위를 1℃ 로 정하여 온도를 정확히 맞추었다고 할 수 있는 수준에서 최적의 크기를 정하였다.
  
◇ Modeling

 위의 사진은 기존에 설정한 저장고 모델 내부의 공기를 모델링 한 모습이다. 사진의 왼쪽 부분이 열을 공급하는 방열핀과 닿는 부분이고 그 바로 앞에 바람을 불어줄 팬이 부착될 공간이 비어져 있다. 사진에서 표시한 가로, 세로, 높이 순서대로 길이를 표시하게 되면 기존 모델은 (200, 200, 200)mm 이다. 이 상태에서 세로의 길이는 제작 과정상 변경할 수 없기 때문에 기존의 모델을 기준으로 정하여 가로와 높이의 길이를 각각 2배씩 늘려 해석해 보았다. 길이를 2배씩 증가시킨 이유는 각 방향으로의 길이 증가에 대한 영향을 확실히 보기 위해서이다.

위의 설명대로 기존의 모델과 가로를 늘린 모델, 높이를 늘린 모델을 차례대로 나타낸 표이다.

◇ Simulation
  
 (1) 해석 조건

 위 표는 해석 조건에 필요한 요인들이다. 초기 내부의 공기 온도가 300K 이고 저장고 외부의 공기 온도가 283K 일 때 온장하는 경우를 시뮬레이션하기 위하여 위의 표처럼 조건을 부여하였다. 벽에서의 열전달은 전도만 고려하기로 한다. 해석을 간단히 하기 위하여 방열핀 온도를 일정하게 하였고 들어가는 유동의 속도는 방열팬의 속도인 2.48m/s로 정하였다. 또 방열팬에 의해 생기는 유동의 온도는 저장고가 작동하면서 계속 변하므로 Field Function을 사용해 한 번 해석을 실행할 때 마다 그 값을 업데이트 하였다. 마지막으로 모델에서 가장 작은 부분인 방열핀의 두께가 0.002m 인 것을 고려하여 기본 메쉬 사이즈를 0.002m 로 정하여 해석을 수행하였다.

(2) Mesh 조건

 해석 진행 시 Mesh 조건은 위 표와 같이 설정하였다. 경계층에서의 전도로 인한 열손실을 중요하게 고려하면서 해석의 정확도를 높이기 위해 [Prism Layer Mesher]를 사용하여 경계층에서의 메쉬 크기가 더 조밀하도록 설정하였고 해석대상의 모양이 직육면체 형상을 띄고 있고 빠르게 해석하기 위하여 정육면체 모양의 메쉬인 [Trimmer]를 사용하였다. 해석을 진행하기 전에 메쉬 수렴성을 검증하면 좋지만 모델링 파트가 하나인 점과 간단한 해석이라는 부분에서 생략하기로 하였다.

(3) Physics 조건

 해석 진행 시 Physics 조건은 위 표와 같이 설정하였다. 표에서 굵은 글씨로 표시된 것이 선택한 모델이고 그 외의 것은 옵션으로 선택된 모델이다. 먼저 3차원 유동 해석이므로 [Three Dimensional]을 선택하였고 공기의 열 해석을 포함한 정상상태 유체해석을 진행할 것이기 때문에 [Gas], [Ideal Gas], [Steady], [Segregated Fluid Temperature]를 선택하였다. 유동의 속도가 2.48m/s로 난류이므로 [Turbulent], [K-Epsilon Turbulence]를 선택하여 해석을 진행하였다.

(4) 1차 시뮬레이션

① 온장

 세 가지 경우 모두 Residuals 이 0.001 아래의 값을 가지며 체적 평균 온도그래프가 일정하게 나오는 구간이므로 값이 충분히 수렴하였다고 할 수 있다. 그 때의 값을 비교하였을 때 두 가지 test 경우 모두 예상대로 기존 모델에 비해 체적 평균 온도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 그 중 높이를 증가시켰을 때의 체적 평균 온도가 조금 더 높은 것을 확인할 수 있다. 같은 부피를 갖게 하면서 가로를 증가시켰을 때 보다 높이를 증가시켰을 때 부피를 증가시키기 전의 모델과 온도차이가 적게 나타난다는 것을 알 수 있다.

② 냉장

 세 가지 경우 모두 Residuals 이 0.001 아래의 값을 가지며 체적 평균 온도그래프가 일정하게 나오는 구간이므로 값이 충분히 수렴하였다고 할 수 있다. 그 때의 값을 비교하였을 때 두 가지 test 경우 모두 예상대로 기존 모델에 비해 체적 평균 온도가 높은 것을 확인할 수 있다. 그 중 높이를 증가시켰을 때의 체적 평균 온도가 조금 더 낮은 것을 확인할 수 있다. 같은 부피를 갖게 하면서 가로를 증가시켰을 때 보다 높이를 증가시켰을 때 부피를 증가시키기 전의 모델과 온도차이가 적게 나타난다는 것을 알 수 있다.

③ 결론

 온장과 냉장 모든 경우에 가로를 증가시켰을 때 보다 높이를 증가시켰을 때 기존 모델과 비교하여 온도의 차이가 적으므로 높이를 증가시키며 ±1℃ 의 범위를 벗어나지 않는 수준에서 최대 높이를 찾아야 한다.

(5) 2차 시뮬레이션

 위의 표에서 볼 수 있듯이 높이를 220, 250, 280, 300, 320mm 로 변경해 보면서 체적 평균 온도를 비교하였다. 기존의 200mm 모델의 체적 평균 온도인 324.1401K과의 온도 차이가 1℃미만으로 나타나는 가장 높은 모델을 찾는 것을 목표로 시뮬레이션을 수행하였다. 해석 결과의 Residuals의 값이 0.001 아래의 값을 가지면서 체적 평균 온도가 일정해 지는 시점을 해석이 수렴하였다고 판단하였다. 그리고 위의 1차, 2차 시뮬레이션 결과를 보면 온장과 냉장의 경향이 비슷한 것을 알 수 있다. 따라서 온장의 경우로만 2차 시뮬레이션을 진행 하게 되었다. 결과적으로 높이가 300mm일 때 온도 차이가 0.9196 K으로 조건을 만족하는 가장 높은 모델이므로 높이를 300mm로 변경하기로 하였다.

(6) 경제적 기대 효과

 높이를 200mm에서 300mm로 변경하면서 저장고 한 칸의 부피가 8L에서 12L로 증가하였다. 부피가 증가하면서 얻을 수 있는 금전적인 기대효과에 대하여 정리해보았다.

 위의 표는 시중에 판매중인 8L와 12L 냉온장고의 이름과 가격을 정리하여 평균적으로 8L냉온장고와 12L냉온장고의 가격 차이가 얼마나 나는지 조사한 것이다. 면적으로 계산해 보았을 때 높이를 300mm 증가시킨다면 저장고의 외벽이 0.12m^2 더 필요하다. 표를 보면 8L냉온장고와 12L냉온장고의 가격은 평균 약 35,700원 정도의 차이가 나는 것을 알 수 있다. 우리 제품의 경우 0.12m^2 면적을 추가할 때 드는 재료비는 약 1,000원 정도이다. 따라서 높이를 300mm 로 증가시킴으로써 공임을 어느 정도 감안한다 하더라도 대략 30,000원 정도의 금전적인 이득을 얻었다고 할 수 있다.

(7) 실용적 기대 효과

 높이를 200mm에서 300mm로 변경하면서 저장고 한 칸의 부피가 8L에서 12L로 증가하였다. 부피가 증가하면서 얻을 수 있는 실용적인 기대효과에 대하여 정리해보았다.
 기존 모델에서는 높이가 200mm 이상 되는 물건을 수납할 수 없기 때문에 작은 120mm 또는 160mm의 음료캔이나 110mm인 컵밥과 같은 물건은 하나 정도 수납할 수 있었다. 하지만 300mm 로 늘어나게 되면서 210mm 또는 250mm인 생수병, 음료 페트병도 수납 가능하게 되었으며 컵밥과 같은 경우에는 2개를 한 번에 수납할 수 있게 되었다. 따라서 실용적인 이득을 얻었다고 할 수 있다.

조립도

◇ 예상 최종 형상

(1) 각 외벽은 모두 두께 30mm 의 단열재로 이루어져있다.

(2) 각 저장고의 문은 경첩을 이용하여 개폐할 수 있다.

(3) 온도 센서와 초음파 센서는 상부 공간으로부터 저장고 내부로 작은 구멍을 뚫어 도선을 연결한다.

조립순서

◇ 제작 부품

<두께 30mm의 단열재로 구성된 외관>

◇ 조립순서

(1) LCD touch screen과 Raspberry Pi(이하 파이)를 결합시킨 후, 위 제작 부품의 도면 상 ①의 해당하는 구멍에 위치시킨다.

(2) Peltier Module을 위 도면 상 ③ 위치에 각각 배치시킨다.

(3) 위 도면 상 ② 위치에 Bread Board, SMPS, USB Multi-Charger, Plug를 배치하고 도선을 연결한다.

(4) ② 위치에 배치될 조립체들은 아래 도면과 같이 배치된다.

부품도

제어부 및 회로설계

◇ 전원부

전원부는 일반적으로 콘센트에서 쓰는 220V를 라즈베리파이와 LCD모니터의 정격전압인 3.3V와 열전소자 모듈의 정격전압인 12V로 나누어 냉온장고에 전력을 공급한다. 열전소자의 정격전압에 맞추어 220V를 12V로 낮추기 위해 중간에 파워서플라이(SMPS)를 이용하여 전압을 낮춘 다음 열전소자에 전력을 공급한다. 그리고 라즈베리파이와 LCD모니터의 정격전압은 열전소자와 다르기 때문에 USB 멀티 charger를 이용에 3.3V의 정격 전압을 가한다.

◇ 온도 제어부 - 전류 방향 제어

(1) 구현 계획 변경 ( H-bridge 모듈 -> 릴레이 스위치 )

 열전소자 전류 방향 제어의 기존 계획은 MCU의 신호에 따라 전류 방향을 자동으로 바꿔 주는 H-bridge 모듈을 이용할 예정이었지만 열전소자의 전력량이 H-bridge의 허용 전류를 초과하여 모듈 자체에서 발열현상이 일어나는 것을 확인하였다. 열전소자의 전력량을 버텨낼 수 있는 새로운 H-bridge 모듈을 찾아 구매하는 것이 현실적으로 어렵다고 판단되어 릴레이 스위치를 이용하여 전류 방향 전환을 구현하기로 계획을 변경하였다.

(2) 회로 구성

 H-bridge 모듈 자체 내에서도 릴레이 스위치를 사용하여 전류 방향을 바꾸기 때문에 릴레이 스위치 4개를 이용하여 회로를 구성한다. 회로 구성은 아래와 같다.

1. 라즈베리 파이 – 릴레이 스위치

 라즈베리파이(이하 파이)에서는 릴레이 스위치에 구동 전압 3.3V와 입력신호를 주어 릴레이 스위치를 제어한다. 파이와 릴레이 스위치 간의 입력신호 연결은 gpio연결을 기본으로 한다. 파이에서 냉장인지 온장인지 즉, 전류의 방향이 어느 방향인지 일련의 알고리즘을 통해 판단을 하고 연결된 각각의 릴레이 스위치에 High or Low 신호를 보내어 제어를 하게 된다. 릴레이 스위치에서는 파이에서 받은 입력 신호가 High인 경우에는 연결된 두 전선을 연결하여 전류가 흐르게 하고 Low인 경우에는 연결을 끊어 전류가 흐르지 않게 한다.

2. 릴레이 스위치 별 입력신호( High / Low )에 따른 전류 방향

냉장의 경우, 릴레이스위치 1과 2에 Low 신호를 주어 연결을 끊고 릴레이스위치 3과 4에 High 신호를 주어 연결하게 하여 열전소자에 정방향으로 전류가 흐르도록 하여 칸 내부의 온도를 낮춘다. 온장의 경우, 릴레이스위치 1과 2에 High 신호를 주어 연결하고 릴레이스위치 3과 4에 Low 신호를 주어 연결을 끊어 열전소자에 반대방향으로 전류가 흐르도록 하여 칸 내부의 온도를 높인다. 각 경우에 대하여 전류가 어떻게 흐르는 지는 아래와 같이 도식화 할 수 있다.

<정방향 (냉장) >

<반대방향 (온장) >

◇ 센서부 (1) 온도센서 ( tmp36 )

 온도센서는 라즈베리파이와 연결이 가능하고 방수기능이 있는 tmp36 온도센서를 사용한다. 이 온도센서는 라즈비안에서 1-wire 통신에 대한 구현이 gpio4 핀에 대해 커널 모듈로 구현이 가능하기 때문에 아래와 같이 회로를 구성한다.

위와 같이 연결된 온도 센서는 라즈베리파이에 측정한 온도를 gpio선을 통해 실시간으로 전송한다. 또한 이 온도 센서는 gpio 연결 하나만으로 다수의 온도 센서를 연결할 수 있기 때문에 두 개의 칸의 온도를 측정하기에 아주 적절한 온도 센서이다.

<다수의 온도센서 연결 회로도>

소프트웨어 설계

소프트웨어 설계 목적

 소프트웨어 설계의 목적은 크게 두 가지이다. 하나는 냉온장고 온도 조절 및 전원 조절로 냉온장고 내부 구성요소를 제어하는 것이다. 이는 라즈베리파이에서 연결된 센서로 정보를 수집하고 외부에서 받은 입력을 토대로 내부 프로그래밍에 의해 이루어진다. 다른 목적은 사용자의 입력을 받고 다양한 편의기능을 구현하는 것으로 휴대폰 어플리케이션 및 터치스크린을 통해 이루어진다.

소프트웨어 개발 목표 및 기능 설명

◇ 냉온장고 제어 기능

 사용자의 입력에 따라 알맞게 냉온장고를 제어할 수 있는 능력을 확보한다. 여기에는 냉장, 온장 변환, 모듈 전원 조절 기능이 포함된다.

◇ 냉온장고 상황 인식 기능

 여러 센서를 통해 냉온장고 내부 상황을 인식한다. 이 정보를 바탕으로 냉온장고를 알고리즘에 따라 적절하게 제어한다.

◇ 예약기능 및 에코세이빙모드 기능

 스마트 냉온장고 사용의 편리성을 위한 부가기능이다. 예약 기능은 사용자가 지정한 시간에 지정한 온도에 도달할 수 있도록 해주는 기능이다. 에코세이빙모드는 사용자가 소비전력을 줄이고자 할 때 선택할 수 있는 기능으로 이 기능을 사용한다면 내부 물체를 인식하며 비어있을 때는 모듈의 전원을 차단한다. 또한 온도를 내릴 경우 모듈을 냉장으로 전환하는 대신 자연적으로 온도가 내려가도록 하여 소비되는 전력량을 획기적으로 줄일 수 있도록 한다.

◇ 냉온장고 원격 제어 기능

 어플리케이션을 이용하여 원격으로도 냉온장고를 원하는 대로 조절할 수 있는 기능이다. 이 기능을 통해 사용자에게 편리함을 제공한다.

- 위의 기능들을 모두 가지며 안정적으로 작동하고 편리한 UI를 통해 사용자에게 편리함을 제공하는 냉온장고 소프트웨어를 개발하는 것을 목표로 한다.

소프트웨어 구성

 라즈베리파이에서 동작하는 소프트웨어는 크게 냉온장고를 직접적으로 제어하는 제어프로세스 그리고 LCD터치스크린에 UI를 구현하고 사용자로부터 입력을 받는 UI프로세스로 나뉜다. 냉온장고 제어 프로세스에서는 센서의 입력 값을 기반으로 냉온장고 상황을 인식하는 인식부, 인식한 상황을 바탕으로 모듈을 제어하는 처리부, 현재 데이터를 어플과 UI프로세스로 보내는 통신부로 나뉜다. UI 프로세스에는 현재 정보를 UI로 구현하는 부분과 사용자로부터 받은 입력을 처리하는 부분 그리고 제어프로세스와 데이터를 주고받는 통신부로 구성되어있다.
  스마트폰 어플리케이션은 라즈베리파이와 통신하며 데이터를 주고받는다. 어플리케이션은 크게 UI를 구현하는 부분과 사용자의 입력을 처리하는 부분 그리고 라즈베리파이의 제어프로세스와 통신하는 부분으로 나뉜다.
  라즈베리파이에서 스마트폰으로는 현재의 온도 및 설정 상태를 전송하고 어플리케이션에서는 라즈베리파이로 사용자가 설정한 온도 및 다른 변경사항을 정해진 프로토콜에 맞추어 전송한다. (전원, 예약 시간, 에코세이빙모드 사용 여부 등)
  휴대폰과 라즈베리파이는 각각 와이파이에 연결되어 있으며 둘 사이에서는 TCP 소켓 통신으로 데이터를 주고받는다.

개발환경

◇ 라즈베리파이

   - 운영체제 : 라즈비안 4.14
   - 컨트롤프로세스 : C
   - UI 프로세스 : Python 3.6, PyQt 기반

◇ 안드로이드 어플리케이션

   - 안드로이드 7.0 버전부터 지원
   - Java

usecase diagram/sequence diagram

◇ 사용자의 입력이 스마트폰으로 들어올 경우

 스마트폰을 통해 설정 온도를 바꾸거나 전원, 모드 변경을 할 경우 이 데이터를 미리 정해둔 프로토콜에 따라 라즈베리파이의 제어프로세스로 전송하고 바뀐 화면을 스마트폰에 반영한다. 제어프로세스에서는 이 데이터를 이용하여 냉온장고를 직접적으로 제어하고 UI 프로세스 쪽으로 데이터를 전송하며 바뀐 설정이 화면에 반영될 수 있도록 한다.

◇ 사용자의 입력이 터치스크린으로 들어올 경우

 터치스크린에서 설정을 변경할 경우 정해진 프로토콜에 따라 UI 프로세스에서 제어 프로세스로 변경된 데이터를 전송하고 화면에 결과를 반영한다. 제어프로세스에서는 이 데이터를 이용하여 냉온장고 직접적으로 제어하고 어플리케이션에서 데이터를 갱신하길 원한다면 데이터를 전송한다.

안드로이드 어플리케이션

◇ 제어 프로세스

(1) 시나리오

① 어플리케이션이 실행되는 순간 라즈베리 파이에서 실행되고 있는 서버와 TCP 통신을 설정한다. 이 과정에서 통신이 이루어지지 않는 경우 경고 문구와 함께 자동으로 종료된다.
② 사용자는 이용하고자 하는 각 칸의 온도를 설정하여 전원을 켜거나 전원을 끌 수 있다.
③ 사용자는 또한 eco-saving 모드, 예약 기능을 이용할 수 있다.
④ 어플리케이션이 실행되는 순간, 사용자가 설정을 변경한 경우, 수동 업데이트 혹은 1분 간격으로 서버로부터 현재 냉온장고의 상태에 대한 정보를 수신하여 UI를 갱신한다.
⑤ 어플리케이션이 종료되면 통신을 종료한다.

(2) 통신 프로토콜

 데이터를 주고받을 때는 아래와 같이 8바이트의 character array를 통해 통신과 제어를 수행한다.

1. 첫 바이트는 1~4의 값을 갖는다.

   1 – 1번 칸의 설정을 변경하고자함을 의미한다.
   2 – 2번 칸의 설정을 변경하고자함을 의미한다.
   3 – 3번 칸의 현재 상태를 업데이트를 요청한다. * 이 경우 첫 바이트를 제외하고 모두 null
   4 – 4번 칸의 현재 상태를 업데이트를 요청한다. * 이 경우 첫 바이트를 제외하고 모두 null

2. 두 번째 바이트는 0/1의 값을 갖는다.

   0 – 해당 칸의 전원을 off 로 설정한다.
   1 – 해당 칸의 전원을 on 으로 설정한다.

3. 세 번째 바이트는 0/1의 값을 갖는다.

   0 – 해당 칸의 saving mode 사용을 off 로 설정한다.
   1 – 해당 칸의 saving mode 사용을 on 으로 설정한다.

4. 네 번째 바이트는 0/1의 값을 갖는다.

   0 – 0도 이하의 온도에 대한 음수 값에 대한 표현
   1 – 0도 이상의 온도에 대한 양수 값에 대한 표현

5. 다섯 번째 바이트는 설정 온도(절댓값)의 아스키 값을 갖는다.

6. 이후 바이트는 예약 시간의 정보를 갖게 된다.

◇ UI 프로세스

(1) UML 클래스 다이어그램

시스템을 구성하는 클래스들 사이의 관계를 표현하는 클래스 다이어그램이다. MainActivity와 Main_Tab1과 Main_Tab2는 화면에 View를 띄워주는 클래스이며 Main_Tab1과 Main_Tab2는 MainActivity의 종속 Fragment로서 의존 관계에 있다.
NumberPickerDialog와 TimePickerFragment는 화면에 다이얼로그를 띄워준 다이얼로그를 표현하는 클래스이며 사용자로부터 선택된 온도와 시간을 받는 역할을 한다. Main_Tab1과 Main_Tab2에서 불러오며 의존관계에 있다. 
NumberPicker.OnValueChangeListner는 각각 NumberPickerDialog와 TimePickerFragment의 부분이며 서로 집약 관계에 있다. 이 클래스는 각 탭에 넘버피커 인터페이스를 실현해준다. 
Dialog Fragment는 NumberPickerDialog와 TimePickerFragment와 상속관계로서 이들을 화면에 다이얼그로 띄워주는 역할을 한다.

(2) UI 디자인

-사용자가 직관적으로 알기 쉽게 아이콘을 이용하여 표현하였다.
-1번칸과 2번칸을 따로 제어할 수 있도록 상단 탭으로 구분하여 구성하였다. 각 칸은 메인 뷰와 상단 탭이 일대일로 매칭되어있다.
-현재는 하나의 wifi안에서만 통신 가능하다.

① 상단 탭

-상단 탭은 2개로 1번 칸과 2번 칸으로 구성된다.
-각 탭은 각 칸의 정보를 확인하고 기능을 설정할 수 있다.
-각 탭은 스와이프 혹은 클릭하여 이동 가능하다.

② 현재 상태 표시

- 화면 상단에 현재 상태를 한눈에 알기 쉽게 표현하였다.
- 어플리케이션에서 운전 시작을 누르거나 업데이트 버튼을 누르면 냉온장고의 현재 온도와 상태를 불러들인다.
- 각 상태에 따라 온도계 아이콘을 바꾸어 줌으로써 냉온장고가 전원 꺼짐, 냉장 중, 온장 중임을 직관적으로 표현하고 하단에 텍스트를 이용하여 설명하였다.

③ 기능의 설정

-각 기능은 리스트 형식으로 표현하여 정리된 느낌을 주게 하였다.
-설정온도와 예약기능은 넘버 피커 위젯을 사용하여 사용자로부터 온도와 시간을 받는다. 이는 사용자로부터 설정온도를 사용자의 편리성을 증가시키고 잘못된 입력을 방지하며 설정 온도 범위를 제한시키는 효과가 있다
-절전 기능은 스위치를 사용하여 on/off를 감지한다.

④ 전원

-어플리케이션에서 운전 시작, 운전 정지 버튼으로 냉온장고의 전원을 제어한다.
-로컬에서 냉온장고가 켜져 있을 경우 어플리케이션을 켰을 때 현재상태가 바로 업데이트된다.
-각 버튼을 눌렀을 경우 토스트 메시지를 띄워 사용자에게 운전 여부를 알려준다.

라즈베리 파이 소프트웨어

◇ 제어 프로세스

(1) 제어 프로세스 설계도

제어프로세스에서는 총 세 개의 스레드로 이루어져 있다. 메인스레드에서는 어플리케이션과 UI 프로세스로부터 데이터를 받고 센서로부터 냉온장고 상황을 인식한다. 이 정보를 바탕으로 계속해서 냉온장고를 제어한다. 다른 스레드는 데이터통신을 위한 스레드로 어플리케이션과 UI프로세스로 센서에서 얻은 냉온장고 내부 온도 정보를 전송한다.

(2) 냉온장고 제어 알고리즘

제어프로세스 알고리즘 순서도는 위와 같다. 실시간으로 센서부에서 칸 내부의 현재 상황( 온도 , 물체유무 )과 UI 프로세스와 안드로이드 어플리케이션에서 받은 사용자의 입력 값( 전원 on/off , saving mode , 설정온도 )을 비교하면서 일련의 알고리즘을 통해 실제로 열전소자를 어떻게 제어할지 결정한다.

◇ UI 프로세스

냉온장고에서 사용자로부터 입력을 받고 상태를 표시하는 부분으로 사용자와 직접적으로 마주하는 부분이다. PyQt 프로그램을 이용하여 개발할 예정으로 PyQt는 영국의 Riverbank Computing 이라는 곳에서 C++ 의 Cross Plaform GUI Framework 중 하나인 QT를 파이썬 모듈로 변환해 주는 프로그램이다. GUI를 만들기 위한 여러 툴이 있지만 PyQT는 다른 툴에 비해 쉬운 편이며 직관적인 인터페이스를 가진 GUI편집기를 이용할 수 있다는 장점이 있어 이번 제품 개발에 사용하게 되었다.

(1) UI 프로세스 설계도

 UI 프로세스에서는 스레드를 추가하였다. UI 프로세스에서는 총 두 개의 스레드가 돌아가는 데 하나는 UI를 구현하는 부분이고 다른 하나는 제어프로세스와 통신하는 부분이다. 이를 통해 냉온장고 상태 데이터를 지속적으로 받아 화면에 업데이트할 수 있고 스크린을 통해 들어오는 입력을 냉온장고 제어 프로세스로 보낼 수 있어 냉온장고가 사용자의 설정대로 제어될 수 있도록 한다.

(2) UI 디자인

<냉온장고 전원이 꺼졌을 때의 대기 화면, 가운데 전원 버튼을 누르면 켜진다.>

<모든 칸이 작동중일 때의 예상 UI>

예상 UI는 위와 같다. 먼저 화면을 둘로 나누어 직관적으로 각 칸을 제어할 수 있도록 하여 편리성을 높였다. 또한 모든 사람들이 사용하기 쉽도록 알아보기 쉽고 친근한 아이콘을 사용하고 메뉴 선택을 간편하게 할 수 있도록 디자인하였다. 첫 번째 아이콘부터 각각 전원버튼, 에코세이빙모드 설정 버튼, 예약기능버튼, 온도조절버튼이다.

또한 위의 그림처럼 세이빙모드가 설정이 되었는지, 아니면 냉장 또는 온장 중인지를 색상으로 표현하여 쉽고 간편하게 알아볼 수 있도록 디자인하였다. 냉온장고에 중요한 현재 온도와 설정온도는 항상 화면에 표시되어 있으며 온도를 설정하거나 예약기능을 사용하려면 버튼을 누르고 나타나는 새로운 창에서 온도 또는 시간을 입력하면 된다.

(3) 프로세스간 통신

 c로 구현된 제어프로세스 부분과 python으로 구현된 ui 프로세스 서로 다른 프로세스이기 때문에 프로세스 간 데이터 통신이 필요하다. ui 프로세스에서 입력받은 사용자의 설정을 제어프로세스로 보내고 제어프로세스에서 새로 변경된 사항을 터치스크린 화면에 반영해야 하기 때문이다. 기본적으로 모든 계산 및 제어는 제어프로세스에서 이루어지기에 ui프로세스에서는 계산된 값을 가져오고, 변경된 값을 보내면 된다. 이를 위한 프로세스 통신 방법으로는 여러 가지가 있지만 이번 프로젝트에서는 그 중 하나인 공유메모리 방법을 사용하였다.
 공유메모리란 한 프로세스의 일부분을 다른 프로세스와 공유하는 것을 의미한다. 즉. 메모리의 일부 공간을 두 독립적인 프로세스에서 공유하고, 해당 메모리를 통해 데이터를 주고받을 수 있다. 제어프로세스에서 공유메모리를 생성하면서 미리 정해준 키값을 부여하고 그 키 값을 이용하여 각 프로세스에서 메모리를 읽거나 쓰는 방식으로 데이터를 주고받는다. 이번 프로젝트에서는 각 칸마다 각 프로세스에서 읽고 쓰는 메모리를 정해두고 프로토콜에 따라 데이터를 저장하였다.

 위는 ui 프로세스와 제어프로세스간 메시지 프로토콜이다. 키의 앞자리가 1로 시작할 경우 1번칸에 대한 정보를 읽거나 쓰고, 2로 시작할 경우 2번 칸에 대한 정보를 읽거나 쓰는데 사용한다. 각 메모리에서는 한 프로세스에서 읽기 또는 쓰기만 수행되어 동시에 쓰는 일이 없도록 하였다.

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

설계 변경 및 개선사항

◇ 구조적 변경

① 1안 : < 모델 1안 >과 같이 LCD를 위에 부착하고 회로도와 소자를 제품 뒷면에 부착하였다. 실제로 아크릴 판을 절삭하여 구현 및 실험을 진행하였으나 < 모델 1안 >와 같이 후방 공간의 혼잡함과 LCD screen 위치의 부적합성, 단열 성능의 부족 등의 한계점을 발견하였다. </br>

② 2안 : < 모델 2안 >과 같이 제품 뒷면에 소자를 부착하고 윗면에 회로도와 LCD를 부착하였다. 회로도를 윗면에 부착함으로써 소자와 회로 간의 간섭을 줄이고 사용자가 조작하기에 조금 더 편리하도록 하였으나 미관상 어색함을 느낄 여지가 크다는 단점이 있다.

③ 3안 : < 모델 3안 >과 같이 2안에서 사용자의 조작 편의성을 위해 LCD를 약 30도 각도로 기울여 접근성을 높였고 회로도는 그대로 위쪽에 회로도를 부착하여 공간 효율성을 높이고자 하였으며 2안의 미관상 어색함을 줄이고자하였다.

◇ 단열재의 변경

① 변경 전: 설계 초기에는 아크릴판에 얇은 단열재를 붙여 제품 외형 설계를 하였다. 그러나 캐드 설계 후 수치를 정해 가공을 하였으나 아크릴판의 가공의 어려움으로 인해 문 부분이나 모서리 부분에 제품 내부의 유격이 생겨 단열이 제대로 되지 않고 외관상 깔끔하지 못하다는 문제점이 있다.

② 변경 후: 가공이 쉬운 두꺼운 단열재로 변경하였다. 전문 가공업체가 아니고 개발 비용의 부족으로 외주를 맡기기 힘들다는 문제점이 있었다. 따라서 조금 더 가공이 쉬운 단열재로 제품 설계와 맞게 가공을 함으로써 유격을 줄이고 두꺼운 단열재를 사용함으로써 단열의 목표를 달성한다.

◇ 물체 존재 여부 판단하는 센서의 변경(압력센서 → 초음파센서)

① 변경 전: 압력센서가 제품 내부 넓이에 비하여 작은 문제점을 보완하기 위해 < 변경 전 : 압력 센서 적용 모습> 과 같이 제품 내부 네 모서리 부분에 용수철을 달고 중심부분에 압력센서를 달아 압력을 감지하도록 하였으나 구조적 불안정성과 미관을 해치는 문제점이 있다.

② 변경 후: 제품 벽면 중앙에 초음파 센서를 설치한다. 초음파 센서는 중앙 기준 유효 각이 최대 약 40도로 제품 뒷면에 설치하였을 때 내부의 물체 존재여부를 판단하기에 충분한 각도라 판단된다.

◇ 구현 계획 변경 (H-bridge → 릴레이 스위치)

열전소자 전류 방향 제어의 기존 계획은 MCU의 신호에 따라 전류 방향을 자동으로 바궈 주는 H-bridge 모듈을 이용할 예정이었지만 열전소자의 전력량이 H-bridge의 허용전류를 초과하여 모듈 자체에서 발열 현상이 일어나는 것을 확인하였다. 열전소자의 전력량을 버텨낼 수 있는 새로운 H-bridge 모듈을 찾아 구매하는 것이 현실적으로 어렵다고 판단되어 릴레이 스위치를 이용하여 전류방향을 구현하기로 계획을 변경하였다.

◇ 소프트웨어 설계 변경

기존의 설계에서는 제어부와 UI가 통합되어 있었으나, 이번 설계에서는 두 부분을 분리하였다. 따라서 UI에서 오류가 발생해도 제어 프로세스는 독립적으로 동작이 가능해졌다.

◇ 저장고 높이 변경 (200mm → 300mm)

기존 초기 모델에서는 높이를 200mm로 설정하였지만 이론적 열교환 해석과 Star CCM을 통한 시뮬레이션을 통하여 300mm로 변경하는 것이 효율적이라고 판단하였다. 변경함에 따라서 시중 판매 제품과 비교하여 경제적인 이득과 공간적인 이득을 얻게 되었다.

프로토타입 사진

◇ 냉온장고 실물

◇ 터치스크린

◇ 안드로이드 어플리케이션

포스터

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

◇ 정상 작동 온도 범위

기존 목표였던 온장 65℃를 기준 시간 내에 달성하였다. 냉장의 경우 목표 온도를 도달하지 못하였지만 1도 까지는 내려가는 것을 온도센서로 확인하였다.

추가로 냉온장고 칸 사이의 간섭 정도를 확인해 보았다. 위 그림은 1번 칸이 65도로 작동하고 2번칸이 전원꺼짐이었을 경우 감지되는 온도를 나타낸 것이다. 측정 실내 온도는 23.7도 일 때, 2번 칸의 온도가 1번칸의 온장에 의해 크게 변하지 않는다는 점을 보면 냉온장고 칸 사이의 간섭 정도는 거의 없다는 것으로 판단할 수 있다. 이는 설계 개선 전 단열이 부족해 목표 온도를 달성하지 못하였다는 점을 감안할 때, 충분히 달성하였고 단열재 변경 및 설계 변경으로 단열의 효과가 증가하였음을 알 수 있다.

◇ 작동 소요시간
    
 온장의 경우 목표 시간보다 이른 약 9분 만에 최고 온도에 도달하는 것을 확인하였다. 하지만 냉장의 경우 온장보다 효율이 낮아 목표한 온도인 -5℃를 달성하지 못하였고 60분 이내에 1℃를 달성하였다.

◇ 센서의 정확도

 온도 센서는 온도 측정기로 측정한 내부 온도와 실제 온도 센서에서 받은 값을 비교함으로써 정확도를 측정하였다. 측정 결과 센서로 감지된 값과 온도 측정기 사이의 오차는 3% 미만으로 온도 센서는 정확하게 잘 측정된다고 할 수 있다.
 초음파 센서는 결과 값과 실제를 비교하였는데 비교적 정확한 값을 보이나 좁은 내부에서 사용하기 때문에 벽에 의한 간섭현상으로 인해 가끔 값이 튀는 현상이 발견되었다. 하지만 이 부분은 노이즈 필터링으로 충분히 해결할 수 있다는 점, 그리고 처음 목표한 개발 목표치인 85%은 충분히 만족했다는 점에서 평과결과를 중이 아니라 중상으로 정하였다.

◇ 어플리케이션과의 통신

 어플리케이션과 서버의 통신은 기본적인 socket 통신으로 이루어진다. 어플리케이션을 통해 입력할 수 있는 모든 경우의 수를 반복적으로 대입해본 결과 어플리케이션이 강제로 종료되거나 잘못된 값을 받아들이는 경우는 발견하지 못하였다. 하지만 통신의 안정성을 위하여 삽입한 시간 delay에 의해 통신이 지연되는 듯 한 느낌을 얻을 수 있기에 중상으로 정하였다.

◇ 소비 효율
    
 소비효율 측정기로 측정한 결과를 이용하여 소비전력량을 측정하였다. 전기냉장고를 기준으로 이번 제품은 보정 유효내용적 500l미만 냉동냉장고이므로 P≤0.025AV+29.45 식을 이용한다. 여기서 오른쪽 값은 59.45가 나왔고 P는 측정값을 기준으로 약 57이 나왔고 이는 소비효율을 만족한다고 할 수 있다.

향후평가

  평가 결과 모든 항목에서 중상 이상의 평가를 받아 비교적 성공적인 프로젝트라고 할 수 있다. 하지만 가장 중요한 목표인 냉온장 목표 온도 구현과 시간에서 냉장 부분은 비교적 미흡한 점이 있었다. 하지만 이 부분의 경우 단열성능과 제작에 있어서 미흡한 점이 발견되어 이로 인한 것으로 판단되었다. 따라서 이 부분이 수정된다면 충분히 목표를 달성할 수 있을 것으로 보인다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

내용

- YUNUS A. CENGEL. 「Heat and Mass Transfer 4th Edition」, 유성연(역.).McGraw-Hill Korea, 163~169.

- 「에너지이용합리화법」제 15조 및 제 16조, "효율관리기자재 운용규정" (지식경제부고시 제 2010-12호, 2010.6.16)

- KEMIN, "냉온장고" , https://smartstore.naver.com/carpang/products/3029404061, (2018년 11월 3일)

- Google, "공기조화계산법" , http://www.solarview.net/archives/343, (2018년 11월 20일)

-프로세스간 통신, https://sqlangeles.com/2018/01/10, (2018년 11월)

- [통신프로그래밍] IPC, https://12bme.tistory.com/227 (2018년 11월)

- [python] threading. multiprocessing. GIL. concurrent.futures.ThreadPoolExecutor. http://umbum.tistory.com/179