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(새 문서: <div>__TOC__</div> ==프로젝트 개요== === 기술개발 과제 === ''' 국문 : ''' 00000000.. ''' 영문 : ''' 00000000.. ===과제 팀명=== 00000.. ===지도교수=== 000...)
 
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<div>__TOC__</div>
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__TOC__
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==프로젝트 개요==
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{| class="infobox" style="width: 100%; border: 5px solid #0056b3; background-color: #e6f7ff; margin-bottom: 30px; border-radius: 10px;"
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=== 기술개발 과제 ===
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|+ style="font-size: 1.6em; padding: 18px; background-color: #0056b3; color: white; font-weight: bold; border-radius: 5px 5px 0 0;" | 🌟 캡스톤디자인 프로젝트: SafeWash의 혁신
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''' 국문 : ''' 00000000..
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| style="padding: 25px; font-size: 1.1em;" |
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* '''프로젝트명 (국문):''' '''<span style="color: #c0392b;">발로 조작하는 전자식 풋 레버 기반의 스마트 수전 시스템 개발</span>'''
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* '''프로젝트명 (영문):''' A Foot Lever Sink with Pedal-based Control for Water Temperature and Flow
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* '''팀명:''' '''<span style="color: #0056b3;">SafeWash (세이프워시)</span>'''
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* '''지도교수:''' '''<span style="color: #28a745;">윤민호 교수님</span>'''
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* '''개발 기간:''' 2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)
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''' 영문 : ''' 00000000..
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===과제 팀명===
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==👨‍🎓 구성원 및 추진체계==
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00000..
 
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===지도교수===
 
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000 교수님
 
−
 
 
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===개발기간===
 
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2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)
 
  
 
===구성원 소개===
 
===구성원 소개===
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서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20XXXXX0** 김**(팀장)
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{| class="wikitable" style="width: 95%; text-align: center; margin: 15px auto; border: 3px solid #0056b3;"
 +
|+ style="font-size: 1.3em; font-weight: bold; background-color: #0056b3; color: white; padding: 10px;" | SafeWash 엔지니어링 팀 (기계정보공학과)
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|-
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! style="background-color: #4a90e2; color: white; width: 15%;" | 역할
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! style="background-color: #4a90e2; color: white; width: 20%;" | 이름
 +
! style="background-color: #4a90e2; color: white; width: 20%;" | 학번
 +
! style="background-color: #4a90e2; color: white; width: 45%;" | 주요 담당 분야
 +
|-
 +
| style="background-color: #ffc107; font-weight: bold;" | 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
 +
|}
  
−
서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20XXXXX0** 정**
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서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20XXXXX0** 조**
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===개발 일정===
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{| class="wikitable" style="width: 95%; margin: 15px auto; text-align: center;"
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! style="background-color: #0056b3; color: white;" | 기간
 +
! style="background-color: #0056b3; color: white;" | 주요 활동
 +
! style="background-color: #0056b3; color: white;" | 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
 +
|}
 +
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 +
'''개발 일정표:'''
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<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
  
−
서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20XXXXX0** 이**
+
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−
서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20XXXXX0** 남**
+
==📜 서론: 비접촉 정밀 제어의 필요성 ==
  
−
==서론==
 
 
===개발 과제의 개요===
 
===개발 과제의 개요===
 +
 
====개발 과제 요약====
 
====개발 과제 요약====
−
내용
+
본 과제는 수전 조작의 '''위생성'''과 '''사용 편의성'''을 혁신적으로 향상시키기 위해, 발로 조작하는 '''전자식 풋 레버'''를 활용하여 수전의 온도와 유량을 정밀하게 제어할 수 있는 스마트 수전 시스템인 '''SafeWash'''를 개발하는 것입니다.
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 +
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* '''시스템 목표 및 구조 혁신:'''
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** SafeWash는 기존 기계식 카트리지에서 수행되던 혼합 및 유량 조절 기능을 '''완전한 전자식'''으로 대체하는 '''디지털 수전 제어 플랫폼'''을 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 방식'''으로 확장하는 데 중점을 두었습니다.
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* '''핵심 제어 원리 및 구성:'''
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** '''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 패턴'''을 식별할 수 있습니다.
 +
** '''통신 및 신호 처리:''' 풋 페달 입력 신호는 '''ESP32-C3'''를 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 밸브'''의 개도율을 독립적으로 조절합니다. 냉수와 온수 밸브의 '''개도 비율'''을 제어함으로써 최종 혼합수의 '''목표 수온'''이 결정되고, 밸브의 '''총 개도량'''에 따라 '''유량'''이 결정됩니다.
 +
** '''정밀도 확보:''' 이 과정에서 목표 수온을 '''±0.5℃ 이내'''로 정밀하게 제어할 수 있는 로직을 적용합니다.
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* '''시스템 유연성 및 확장성:'''
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** 본 시스템은 '''모듈형 구조'''와 '''UI 기반의 사용자 설정 기능'''을 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 설계'''에 있습니다.
 +
** 라즈베리파이에 연결된 '''디스플레이 UI'''는 현재 설정 단계를 사용자에게 시각적으로 제공하여 직관적인 조작을 돕습니다.
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'''SafeWash 전체 개념도:'''
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<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
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====개발 과제의 배경====
 
====개발 과제의 배경====
−
내용
+
* '''교차 감염 문제:''' 공공시설 수도 손잡이는 세균 및 바이러스 전파의 주요 경로입니다. '''SafeWash'''는 손 접촉을 원천 차단하여 이러한 '''교차 감염 위험을 최소화'''합니다.
 +
* '''기존 절수 페달의 한계:''' 기존 제품은 단순히 On/Off 기능만 제공하여 '''온도/유량 조절이 불가능'''했습니다. 본 시스템은 이 한계를 극복하여 위생성과 기능성을 동시에 제공합니다.
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'''일반 수전 손잡이 교차 감염 예시:'''
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<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
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====개발 과제의 목표 및 내용====
 
====개발 과제의 목표 및 내용====
−
내용
+
{| class="infobox" style="width: 95%; border: 3px solid #0056b3; background-color: #e6f7ff; margin: 15px auto; border-radius: 8px;"
 +
|+ style="font-size: 1.2em; font-weight: bold; background-color: #0056b3; color: white; padding: 7px; border-radius: 6px 6px 0 0;" | 🎯 SafeWash의 핵심 개발 목표 및 정량 지표
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|-
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| style="padding: 15px;" |
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* '''온도 정밀도:''' 목표 온도 대비 오차 '''<span style="color: #c0392b; font-weight: bold;">±0.5℃ 이내</span>''' 유지
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* '''제어 응답성:''' 페달 입력 후 밸브 작동까지 '''<span style="color: #c0392b; font-weight: bold;">1초 이내</span>''' 응답
 +
* '''기능 구현:''' 냉/온수 밸브의 '''독립적인 비례제어''' 및 '''단계적 조절'''
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* '''구조:''' 밸브의 누수가 발생하지 않도록 밀폐 설계
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|}
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===관련 기술의 현황===
 
===관련 기술의 현황===
 +
 
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
 
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
−
*전 세계적인 기술현황
+
* '''전 세계적인 기술현황 비교'''
−
내용
+
{| class="wikitable" style="width: 95%; margin: 10px auto; text-align: center;"
−
*특허조사 및 특허 전략 분석
+
! style="background-color: #4a90e2; color: white;" | 기술
−
내용
+
! style="background-color: #4a90e2; color: white;" | 작동 원리 및 특징
−
*기술 로드맵
+
! style="background-color: #4a90e2; color: white;" | SafeWash 대비 한계점
−
내용
+
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| '''IR 센서 수전'''
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| 적외선 센서 기반 On/Off 제어
 +
| '''온도/유량 조절 불가능''', 환경 인식 오류
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|-
 +
| '''음성인식 스마트 수도'''
 +
| AI 연동, 전자식 밸브로 정량/온도 제어 가능
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| '''인터넷 필수''', 소음으로 인식률 저하
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|-
 +
| '''기계식 절수 페달'''
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| 발로 단순 On/Off 제어
 +
| '''수온/수압 조절 불가능'''
 +
|}
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'''IR 센서 수전 이미지:'''
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<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
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 +
'''스마트폰/UI 제어 화면 이미지:'''
 +
<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
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 +
 
 +
* '''기술 로드맵: 미래 수전의 진화'''
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{| class="wikitable" style="width: 95%; margin: 10px auto; text-align: center; font-weight: bold;"
 +
! style="background-color: #0056b3; color: white;" | 구분
 +
! style="background-color: #0056b3; color: white;" | 단계
 +
! style="background-color: #0056b3; color: white;" | 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
 +
|}
 +
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 +
'''기술 로드맵 그림:'''
 +
<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
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 +
 
 +
====시장상황에 대한 분석 (SWOT 분석 기반)====
 +
* '''경쟁 우위 확보:''' SafeWash는 기존 비접촉 제품의 '''위생성'''을 유지하면서도, '''정밀한 온도 및 유량 조절'''이라는 핵심 기능을 제공하여 경쟁 우위를 가집니다.
 +
 
 +
* '''마케팅 전략 제시'''
 +
{| class="wikitable" style="width: 95%; margin: 10px auto; border: 3px solid #0056b3;"
 +
! style="background-color: #4a90e2; color: white;" | 강점 (S)
 +
! style="background-color: #4a90e2; color: white;" | 약점 (W)
 +
|-
 +
| 🥇 '''S1. 완벽한 비접촉 제어''' 및 '''단계적 디지털 정밀 제어'''
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| 💰 '''W1. 기존 절수페달 대비 높은 초기 비용'''
 +
|-
 +
| 🧑‍💻 '''S2. RPI 기반 UI 및 IoT 확장성'''
 +
| ⚡ '''W2. 작동을 위한 안정적인 전력 공급 필요'''
 +
|-
 +
| style="background-color: #9fccf7;" | 기회 (O)
 +
| style="background-color: #9fccf7;" | 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'''
 +
|}
 +
<br>
 +
'''SWOT 분석 다이어그램:'''
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<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
  
−
====시장상황에 대한 분석====
+
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*경쟁제품 조사 비교
 
−
내용
 
−
*마케팅 전략 제시
 
−
내용
 
  
 
===개발과제의 기대효과===
 
===개발과제의 기대효과===
 +
 
====기술적 기대효과====
 
====기술적 기대효과====
−
내용
+
* '''디지털 유량 제어 기술 확보:''' 2개의 솔레노이드 밸브를 이용한 '''단계적 개방도 제어 로직''' 소프트웨어 기술 확보.
 +
* '''IoT 플랫폼 구축:''' RPI를 메인으로 사용자 설정 저장 및 타 기기 연동이 가능한 '''모듈형 IoT 제어 플랫폼''' 구축.
 +
* '''새로운 패러다임 제시:''' 기존의 단순 개폐 기계식 절수 페달을 유량/온도 제어가 모두 가능한 '''완전한 전자식 인터페이스'''로 대체.
 +
<br>
 +
'''기술적 기대효과 개념도:'''
 +
<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
 +
 
 +
<br>
 +
 
 
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
 
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
−
내용
+
* '''사회적:''' '''교차 감염 방지'''를 통한 공중 보건 증진. 손 사용이 불편한 '''교통 약자를 위한 배리어 프리''' 환경 조성.
 +
* '''경제적:''' 새로운 스마트 주방 가전 시장 창출 및 '''데이터 기반 수자원 절약'''을 통한 장기적 비용 절감 효과.
  
−
===기술개발 일정 및 추진체계===
+
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====개발 일정====
+
 
−
내용
+
==📐 설계: 하드웨어 및 소프트웨어의 융합 ==
−
====구성원 및 추진체계====
 
−
내용
 
  
−
==설계==
 
 
===설계사양===
 
===설계사양===
−
====제품의 요구사항====
+
 
−
내용
+
====제품의 요구사항 (D/W)====
−
====설계 사양====
+
* '''D (필수):''' RPI 기반 무선 제어, 목표 수온/유량 정밀 제어, 밸브 누수 방지 설계, 공동/수격 현상에 의한 밸브 소모 최소화.
−
내용
+
* '''W (바람직):''' 1초 이내 빠른 응답성, 합리적인 비용, 설치 및 유지보수 용이성.
 +
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 +
'''설계 사양 도출 계통도:'''
 +
<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
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====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
 +
<br>
 +
'''주요 부품 구성도:'''
 +
<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
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===개념설계안===
 
===개념설계안===
−
내용
+
'''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 용이성'''이 가장 높습니다.
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<br>
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'''최종 개념 설계 모형도:'''
 +
<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
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===이론적 계산 및 시뮬레이션===
 
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
−
내용
+
* '''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.
 +
<br>
 +
'''수온 혼합 이론 수식 이미지:'''
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<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
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'''목표 온도별 혼합 비율표:'''
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<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
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===상세설계 내용===
 
===상세설계 내용===
−
내용
 
  
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==결과 및 평가==
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====기구 설계 및 3D 모델링====
 +
* '''유체 제어 모듈 구성:''' 비례제어 밸브(STS304), 니플(C36000), 부싱(C36000), 배관(SUS304) 등으로 구성됩니다.
 +
<br>
 +
'''밸브 제어 모듈 조립도:'''
 +
<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
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 +
'''밸브 제어 모듈 등각 투상도:'''
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<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
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 +
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 +
 
 +
====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.
 +
<br>
 +
'''전체 제어 구조 블록도:'''
 +
<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
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 +
'''PWM 듀티 사이클 제어 설명 이미지:'''
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<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
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 +
<br>
 +
 
 +
====소프트웨어 설계 (고유 제어 로직)====
 +
* '''입력 처리 로직:''' 풋 페달의 입력 시간을 구분하여, '''1초 이상 입력'''은 '''ON/OFF 토글'''로, 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 계산'''하여 밸브를 개방합니다.
 +
<br>
 +
'''페달 입력 처리 알고리즘 흐름도:'''
 +
<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
 +
<br>
 +
'''밸브 제어 로직 흐름도:'''
 +
<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
 +
 
 +
<br><br><br>
 +
 
 +
==✅ 결과 및 평가: SafeWash의 성능 검증 ==
 +
 
 
===완료 작품의 소개===
 
===완료 작품의 소개===
 +
 
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
 
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
−
내용
+
* '''프로토타입 최종 조립 사진 (싱크대 하부):'''
 +
<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
 +
* '''작동 시연 장면 (물줄기):'''
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<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
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====포스터====
 
====포스터====
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내용
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* '''캡스톤 디자인 포스터 이미지:'''
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<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
  
 
===관련사업비 내역서===
 
===관련사업비 내역서===
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내용
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(사업비 내역서 표 작성예정.)
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* '''총 개발 소요 비용:''' ~~총액 내용 작성 예정 (천원)~~
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* '''주요 지출 내역:'''
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{| class="wikitable" style="width: 80%; margin: 10px auto;"
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! style="background-color: #0056b3; color: white;" | 항목
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! style="background-color: #0056b3; color: white;" | 품명 (규격)
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! style="background-color: #0056b3; color: white;" | 수량
 +
! style="background-color: #0056b3; color: white;" | 금액 (천원)
 +
|-
 +
| 비례제어 밸브
 +
| HPCV0602 (비례제어 솔레노이드 밸브 DC 24V)
 +
| 2개
 +
| ~~금액 작성 예정~~
 +
|-
 +
| 제어 모듈 부품
 +
| RPI, ESP32, 아두이노 등
 +
| n개
 +
| ~~금액 작성 예정~~
 +
|-
 +
| 제작/재료비
 +
| 배관, 부싱, MOSFET 등
 +
| n개
 +
| ~~금액 작성 예정~~
 +
|}
  
 
===완료작품의 평가===
 
===완료작품의 평가===
−
내용
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(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)~~
 +
<br>
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'''성능 평가 차트/그래프:'''
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<span style="background-color: #fff9c4; font-weight: bold;">[이미지 첨부 예정]</span>
  
 
===향후계획===
 
===향후계획===
−
내용
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* '''제품화 및 내구성 강화:''' 습한 환경을 고려한 '''방수/방진 설계''' (IP 등급 확보)를 적용하여 상용화 추진.
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+
* '''AI 연동 기능:''' 물 사용 데이터를 분석하여 사용자에게 '''능동적 절수 방안을 제안'''하는 AI 시스템 개발.
−
===특허 출원 내용===
+
* '''사용자 편의 기능:''' '세안 모드', '설거지 모드' 등 '''개인 맞춤형 프리셋 기능''' 추가.
−
내용
 

2025년 12월 13일 (토) 00:57 판



🌟 캡스톤디자인 프로젝트: SafeWash의 혁신
  • 프로젝트명 (국문): 발로 조작하는 전자식 풋 레버 기반의 스마트 수전 시스템 개발
  • 프로젝트명 (영문): A Foot Lever Sink with Pedal-based Control for Water Temperature and Flow
  • 팀명: SafeWash (세이프워시)
  • 지도교수: 윤민호 교수님
  • 개발 기간: 2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)




👨‍🎓 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

🎯 SafeWash의 핵심 개발 목표 및 정량 지표
  • 온도 정밀도: 목표 온도 대비 오차 ±0.5℃ 이내 유지
  • 제어 응답성: 페달 입력 후 밸브 작동까지 1초 이내 응답
  • 기능 구현: 냉/온수 밸브의 독립적인 비례제어 및 단계적 조절
  • 구조: 밸브의 누수가 발생하지 않도록 밀폐 설계



관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

  • 전 세계적인 기술현황 비교
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


IR 센서 수전 이미지: [이미지 첨부 예정]
스마트폰/UI 제어 화면 이미지: [이미지 첨부 예정]


  • 기술 로드맵: 미래 수전의 진화
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


기술 로드맵 그림: [이미지 첨부 예정]



시장상황에 대한 분석 (SWOT 분석 기반)

  • 경쟁 우위 확보: SafeWash는 기존 비접촉 제품의 위생성을 유지하면서도, 정밀한 온도 및 유량 조절이라는 핵심 기능을 제공하여 경쟁 우위를 가집니다.
  • 마케팅 전략 제시
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


SWOT 분석 다이어그램: [이미지 첨부 예정]



개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

  • 디지털 유량 제어 기술 확보: 2개의 솔레노이드 밸브를 이용한 단계적 개방도 제어 로직 소프트웨어 기술 확보.
  • IoT 플랫폼 구축: RPI를 메인으로 사용자 설정 저장 및 타 기기 연동이 가능한 모듈형 IoT 제어 플랫폼 구축.
  • 새로운 패러다임 제시: 기존의 단순 개폐 기계식 절수 페달을 유량/온도 제어가 모두 가능한 완전한 전자식 인터페이스로 대체.


기술적 기대효과 개념도: [이미지 첨부 예정]


경제적, 사회적 기대 및 파급효과

  • 사회적: 교차 감염 방지를 통한 공중 보건 증진. 손 사용이 불편한 교통 약자를 위한 배리어 프리 환경 조성.
  • 경제적: 새로운 스마트 주방 가전 시장 창출 및 데이터 기반 수자원 절약을 통한 장기적 비용 절감 효과.




📐 설계: 하드웨어 및 소프트웨어의 융합

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(STS304), 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:

[이미지 첨부 예정]

관련사업비 내역서

(사업비 내역서 표 작성예정.)

  • 총 개발 소요 비용: ~~총액 내용 작성 예정 (천원)~~
  • 주요 지출 내역:
항목 품명 (규격) 수량 금액 (천원)
비례제어 밸브 HPCV0602 (비례제어 솔레노이드 밸브 DC 24V) 2개 ~~금액 작성 예정~~
제어 모듈 부품 RPI, ESP32, 아두이노 등 n개 ~~금액 작성 예정~~
제작/재료비 배관, 부싱, MOSFET 등 n개 ~~금액 작성 예정~~

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.
원본 주소 "http://capstone.uos.ac.kr/mie/index.php?title=4조-세이프워시&oldid=16564"