알파

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 에어프라이어의 초기 화재를 진압할 수 있는 자동 소화 장치

영문 : Automatic fire extinguishing device for Air fryer

과제 팀명

알파

지도교수

김현식 교수님

개발기간

2024년 3월 ~ 2024년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 신소재공학과 2018450017 박상현(팀장)

서울시립대학교 신소재공학과 2019450018 서준교

서울시립대학교 신소재공학과 2019450024 유소영

서울시립대학교 신소재공학과 2019450034 전승원

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 본 과제는 에어프라이어 사용 시 발생할 수 있는 불꽃을 감지하여 자동으로 소화 장치를 작동시켜 큰 화재를 사전에 방지하는 시스템을 개발하는 것입니다. 이 시스템은 적외선 불꽃 감지 센서를 활용하여 불꽃에 의해 발생하는 특정 복사 파장을 식별하고, 이를 통해 소화 장치가 자동으로 활성화 되도록 설계 되었습니다. 불꽃 감지 센서는 에어프라이어의 바스켓 내부와 외부의 손잡이 연결 부위에 부착되며, 불꽃이 감지되면 워터펌프와 연결된 호스를 통해 물이나 소화액이 분사되는 방식으로 화재를 진압합니다. 이를 통해 에어프라이어의 기본 기능에 영향을 주지 않으면서도 사용 도중 발생할 수 있는 화재에 신속하게 대응할 수 있습니다.

개발 과제의 배경

◇ 과거에 에어프라이어는 일부 가구만 사용하는 고가의 제품이라는 인식이 존재하였으나, 기술이 발전하면서 많은 가구에 보급이 되었습니다. 최근 중저가의 국산 제품이 등장하면서 에어프라이어의 보급이 크게 증가하고 있습니다. 2023년 한국 갤럽의 조사에 따르면 응답자의 70%가 에어프라이어를 보유하고 있다고 답하였습니다. 하지만 이렇게 보급량이 늘어남에 따라 에어프라이어 관련 화재사고도 증가하고 있습니다. 2023년 주택 화재의 약 40%가 음식 조리 중 발생한 것으로 나타났습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 과제에서는 에어프라이어 사용 중 발생할 수 있는 화재를 초기에 감지하고 자동으로 진압하는 시스템을 개발하게 되었습니다.

[그림 1] 2020~2023년 에어프라이어 보유율

에어프라이어에는 발열부 온도 퓨즈, 바이메탈 센서와 같은 안전장치가 존재하나, 기기의 노후화나 불량에 의해 온도 센서의 결함이 생길 경우 큰 화재로 이어질 수 있기에 이에 대한 대비책이 필요하다고 판단하였습니다.

[그림 2] 에어프라이어의 온도 센서 diagram

◇ 본 시스템은 불꽃 감지 센서와 아두이노 워터펌프, 스텝 모터를 활용하여 화재 발생 시 자동으로 대응할 수 있도록 설계되었습니다. 불꽃 감지 센서는 특정 파장을 감지하여 화재를 조기에 식별하며, 아두이노 보드와 연결되어 화재 발생 시 소화 장치가 작동하도록 신호를 보냅니다. 워터펌프는 물이나 소화액을 분사하여 화재를 진압하고, 스텝 모터는 소화 장치의 문을 열고 닫는 역할을 수행합니다. 이를 통해 사용자는 안전하게 에어프라이어를 사용할 수 있으며, 화재로 인한 피해를 최소화할 수 있습니다.

◇ 이 시스템의 기대 효과는 다음과 같습니다. 첫째, 사용자의 안전이 향상됩니다. 화재 발생 시 자동으로 소화가 이루어져 사용자의 안전을 보장하며, 특히 에어프라이어를 사용하는 가정에서 중요한 역할을 합니다. 이는 안전사고를 미연에 방지할 수 있습니다. 둘째, 화재 피해를 최소화할 수 있습니다. 초기 단계에서 화재를 신속히 진압하여 재산 피해를 최소화합니다. 자동 소화 시스템은 불꽃이 감지되자마자 즉각적으로 반응하여 화재를 진압하기 때문에 큰 화재로 번지기 전에 피해를 막을 수 있습니다. 셋째, 제품의 신뢰성이 증대됩니다. 안전성이 향상된 제품으로 소비자 신뢰도가 증가할 것입니다. 자동 소화 시스템이 장착된 에어프라이어는 안전한 가전 제품으로 인식되어 시장 경쟁력을 높일 수 있습니다.

◇ 결론적으로, 본 과제는 에어프라이어 사용 중 발생할 수 있는 화재 사고를 예방하기 위해 아두이노 기반의 자동 소화 시스템을 제안합니다. 적외선 불꽃 감지 센서와 워터펌프, 스텝 모터를 활용하여 불꽃을 감지하고 신속하게 소화하는 이 시스템은 사용자의 안전을 최우선으로 고려하며, 에어프라이어의 안전한 사용 환경을 조성하는 데 기여할 것입니다. 이를 통해 에어프라이어 사용의 편의성과 안전성을 동시에 확보할 수 있을 것으로 기대됩니다. 또한, 자동 소화 시스템은 에어프라이어의 기본 기능에 영향을 주지 않으면서도 추가적인 안전성을 제공하여 사용자의 신뢰도를 높일 수 있습니다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 개발 과제의 목표

본 과제의 주요 목표는 에어프라이어 사용 중 발생할 수 있는 화재를 자동으로 감지하고 진압할 수 있는 시스템을 개발하여 사용자 안전을 확보하는 것입니다. 이를 위해 적외선 불꽃 감지 센서와 아두이노 기반의 워터펌프 및 스텝 모터를 활용한 자동 소화 장치를 설계하고 구현하는 것을 목표로 합니다.

◇ 개발 과제의 내용

1. 화재 감지 시스템 구축 - 적외선 불꽃 감지 센서 : 특정 파장을 감지하여 불꽃을 조기에 식별하는 역할을 수행합니다. 불꽃 감지 센서는 에어프라이어의 바스켓 내부와 외부 손잡이 연결 부위에 부착됩니다. - 아두이노 보드 : 불꽃 감지 센서로부터 신호를 받아 이를 처리하고, 소화 장치의 작동을 제어합니다. 신호가 임계 값을 초과할 경우 아두이노 보드는 소화장치를 활성화 합니다.

2. 소화 장치 - 아두이노 워터펌프 : 소화 패드 대신 워터펌프를 사용하여 물이나 소화액을 분사하는 방식으로 소화장치를 설계 및 제작하였습니다. 워터펌프는 작동 전압이 낮고 정밀한 제어가 가능하여 에어프라이어의 자동 소화 장치에 적합합니다. - 물 보관 용기 : 워터펌프와 연결된 호스를 통해 물이나 소화액이 분사되기 위해 바스켓 외부에 물을 보관할 용기를 부착하였습니다. 이 용기 안에 워터펌프를 설치하여 바스켓 내부로 물이나 소화액을 뿌리는 방식으로 설계 및 제작하였습니다.

3. 개폐장치 작동 - 스텝 모터 : 스텝 모터를 사용하여 소화 장치의 문을 열고 닫는 역할을 수행합니다. 펄스 형태의 입력 전류에 따라 일정 각도로 뢰전하는 스텝 모터는 정밀한 위치 제어가 가능하여 소화 장치의 작동을 정확하게 제어할 수 있습니다. - 자동화 시스템 : 화재 발생 시 전기 신호를 통해 자동으로 소화장치의 문이 열리고, 워터펌프가 작동하여 물이나 소화액을 분사합니다. 이를 통해 사용자는 화재 발생 시 즉각적인 대응이 가능하게 됩니다. 4. 에어프라이어 기능 영향 최소화 : 개발하고자 하는 자동 소화 기능이 에어프라이어의 원래 기능에 영향을 주지 않도록 설계했습니다. 사용자가 에어프라이어를 이용하는 과정에서 소화 시스템이 자동으로 작동하며, 에어프라이어의 사용성이 저하되지 않도록 고려했습니다.

5. 안전성과 신뢰성 보장 : 자동 소화 시스템은 안전하고 신뢰성 있게 작동해야 합니다. 이를 위해 실험과 테스트를 거쳐 시스템의 안정성을 확인하고, 사용자가 신뢰할 수 있는 기술로 개발되는 것을 목표로 하였습니다.

6. 성능 향상 및 최적화 : 시스템의 성능을 지속적으로 개선하고 최적화하여 불꽃 감지의 정확성과 소화 장치의 효율성을 향상시키고자 하였습니다. 이를 통해 화재를 빠르게 감지하고 진압함으로써 화재로 인한 피해를 최소화할 수 있도록 하였습니다.

관련 기술의 현황

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

◇ 우리 팀이 만들고자 하는 에어프라이어 자동소화장치는 기존의 일반 에어프라이어와 일반 조리기기의 소화 장치와 비교할 수 있습니다. 현재 에어프라이어를 위한 화재 소화장치는 특허로 등록된 것이 없어, 개발과제와 직접 비교할 수 있는 경쟁제품은 특별히 존재하지 않습니다.

먼저, 일반 조리기기의 소화 장치에 대한 기존 특허인 10-2022-0121970 '화재 위험을 검출하는 조리 기기 및 그 제어 방법'과 비교해보겠습니다. 해당 특허는 조리기기 내부를 촬영하는 카메라를 통해 색을 감지하여 식재료의 종류를 판별하고, 불꽃을 인지합니다. 불꽃을 인지한 후 온도가 기준 값 이상일 때 화재 위험이 있다고 판단하여 요리를 중단하고, 알림을 앱에 전송하는 시스템입니다.

개발과제와 비교해볼 때, 조리기기의 내부에서 색을 감지하여 화재를 예방하려는 점은 유사합니다. 하지만 이 특허와 우리의 아디이어는 여러 차이점이 있으며, 그 속에서 우리의 개발과제만의 독창적인 점을 설명드리겠습니다.

첫째, 화재를 감지하는 방법이 색을 이용한다는 부분은 유사하지만, 개발하려는 과제는 불꽃의 특정 파장을 감지하는 적외선 센서를 사용합니다. 해당 특허는 아예 색 자체를 모니터링하여 불꽃과의 유사도를 판단하여 감지하기 때문에 별도의 메모리가 필요합니다. 불꽃 감지의 정확도 자체는 해당 특허가 더 좋을 수도 있으나, 장치의 복잡도나 경제적인 측면에서는 개발 과제가 더 효율적입니다. 둘째, 해당 특허는 화재의 위험을 알리고 조리 기기의 작동을 멈추는 데 그치지만, 우리의 개발 과제는 물이나 소화액을 뿌려 화재를 진압하는 단계까지 나아갑니다. 셋째, 개발과제는 보편적인 조리기기보다는 에어프라이어라는 특정 조리기기를 위한 아이디어입니다. 에어프라이어는 조리 공간이 폐쇄적이고 좁으며 제품의 이동이 필요할 때가 많아, 보편적인 장치를 도입하기 어렵습니다. 따라서 에어프라이어만을 위한 화재 소화장치가 필요합니다. 또한, 에어프라이어를 위한 소화 장치이기 때문에 기존의 에어프라이어의 구조의 변형을 최소화하면서 손잡이를 이용한 독창적인 아이디어를 도출 할 수 있었습니다.

다음으로는 기존의 일반 에어프라이어와 비교해보겠습니다. 기존의 에어프라이어는 내부 온도를 설정한 온도로 유지시키는 온도 센서와 과열될 때 전원을 차단하는 바이메탈 형식의 안전장치를 갖추고 있습니다. 그러나 이미 발생한 화재에 대한 안전장치는 존재하지 않으며, 이런 장치가 있음에도 불구하고 종이호일 등에 의해 제대로 장치가 작동하지 않을 수 있다는 점이나 기기의 노후화로 인해 화재 위험은 여전히 존재합니다. 한국 갤럽의 조사에 따르면 에어프라이어의 보급률은 꾸준히 증가하고 있으며, 2020년에는 36%였던 보급률이 2023년에는 무려 70%로 상승하여 가정집의 필수 가전제품으로 자리잡고 있습니다. 이러한 보급률의 증가와 함께 에어프라이어로 인한 화재 사건이 뉴스로 종종 보고되고 있습니다. 사용이 편리하다는 이유로 화재 위험성이 높은 종이호일이나 튀김기름을 사용하는 경우가 많아지면서 에어프라이어로 인한 화재사건이 증가하고 있으며, 이는 안전 기능에 대한 소비자의 요구를 예측할 수 있게 합니다. 화재를 진압하는 장치가 이미 내장된 에어프라이어는 앞으로 해당 제품 시장에서 경쟁력을 가질 것으로 예상됩니다. 자동 소화 시스템을 갖춘 에어프라이어는 소비자에게 안전성을 제공하며, 이러한 기능은 제품의 신뢰성을 높여주고, 시장에서의 경쟁력을 강화할 것입니다.

마케팅 전략 제시

◇ 개발 과제에 대한 SWOT 분석을 하면 다음과 같습니다.

1. 강점과 기회를 활용한 전략 (S-O 전략)

1) 제품 차별화 및 홍보 전략 - 에어프라이어 화재 뉴스에 따른 안전성 수요 증가를 활용하여, 초기 화재 진압을 통한 안전성 강화를 제품의 주요 마케팅 포인트로 삼습니다. 광고 및 홍보 캠페인을 통해 안전한 사용 환경을 강조하고, 가정 내 화재 예방의 중요성을 알립니다. - 소비자 교육 프로그램을 통해 제품의 안전 기능과 사용 방법을 적극적으로 홍보하여, 소비자의 신뢰를 얻고 시장 점유율을 높입니다.

2) 시장 확대 전략 - 에어프라이어의 안전 기능을 강화한 제품을 어린 자녀가 있는 가정이나 고령자가 있는 가정 등 안전을 중시하는 소비자층을 타겟으로 마케팅 합니다. 이들 소비자층은 안전 기능에 대한 높은 관심을 가지고 있어, 새로운 시장 기회를 창출할 수 있습니다. - 보험 회사와의 협력을 통해 가정 안전 프로그램의 일환으로 제품을 홍보하고, 안전 기능이 강화된 에어프라이어를 사용하는 가정에 보험료 할인 혜택을 제공하는 등의 인센티브를 도입합니다.

2. 강점과 위협을 조합한 전략 (S-T 전략)

1) 제품의 경제성 및 가치 제안 강화 - 기존 에어프라이어 구조에서 큰 변형을 주지 않고 안전 기능을 추가함으로써, 제조 비용을 최소화 하고, 경제적인 가격으로 제품을 제공하여 소비자의 교체 비용 부담을 줄입니다. 이를 통해 가격 경쟁력을 유지하면서 안전 기능을 강조합니다. - 장기적인 비용 절감을 강조하는 마케팅 전략을 수립하여, 초기 구매 비용 대비 안전성 강화로 인한 장기적인 이익을 소비자에게 설득합니다.

2) 서비스 및 A/S 강화 - 센서 오작동으로 인한 소비자 불만을 최소화하기 위해 고성능 센서를 사용하고, 정기적인 점검과 유지 보수를 제공하는 A/S 프로그램을 도입합니다. 이를 통해 제품의 신뢰성을 높이고 소비자의 만족도를 향상시킵니다. - 제품의 무게 증가로 인한 불편함을 해결하기 위해, 에어프라이어의 디자인을 개선하고 사용자의 편의성을 고려한 기능을 추가합니다.

3. 약점과 기회를 조합한 전략 (W-O 전략)

1) 기술 개발 및 품질 개선 - 센서의 민감도를 높이고 오작동을 줄이기 위한 기술 개발에 투자합니다. 이를 통해 화재 감지의 정확성을 높이고, 소비자 불만을 최소화 합니다. - 제품의 무게를 최소화 하기 위한 경량 소재 및 기술을 도입하여, 사용자의 편의성을 높입니다.

2) 제품 업그레이드 옵션 제공 - 이미 보급된 에어프라이어를 사용하는 소비자들을 위해, 기존 제품에 간단히 설치할 수 있는 추가 안전 장치를 별도로 판매합니다. 이를 통해 소비자는 낮은 비용으로 안전 기능을 업그레이드 할 수 있으며, 시장 진입 장벽을 낮출 수 있습니다. - 설치 기술과 추가 장치를 묶어 패키지로 제공하여, 소비자가 쉽게 설치할 수 있도록 지원합니다.

4. 약점과 위협을 조합한 전략 (W-T 전략)

1) 위기 관리 및 대응 전략 - 센서 오작동으로 인한 문제를 사전에 예방하기 위해 제품 출시 전 철저한 테스트와 검증을 거칩니다. 또한, 오작동 발생 시 신속하게 대응할 수 있는 고객 지원 체계를 구축합니다. - 고객 피드백을 지속적으로 수집하고, 제품 개선에 반영하여 소비자의 신뢰를 유지합니다.

2) 비용 절감 및 효율화 전략 - 제조 프로세스의 효율성을 높이고 원가 절감을 통해 제품 가격을 경쟁력 있게 유지합니다. 이를 통해 교체 비용에 대한 소비자의 부담을 줄이고, 가격 민감도가 높은 시장에서도 경쟁력을 유지합니다.

◇ 에어프라이어 화재 뉴스가 보고됨에 따라 소비자의 안전 기능에 대한 요구가 증가할 것으로 예측됩니다. 이에 따라 화재에 대한 안전 기능을 강화한 우리의 개발 과제는 경쟁력을 가질 것으로 생각됩니다. 기존 에어프라이어 구조에서 약간의 개조를 통해 안전 기능을 추가하였기 때문에, 대량생산을 위한 공장의 제조 프로세스에도 큰 변화를 주지 않아 그에 따른 비용을 줄일 수 있을 것으로 예상됩니다.

그러나 이 개발 과제는 어쩌다 한 번 발생할 수 있는 화재를 대비한 시스템이므로, 필요할 때 제대로 작동하기 위해서는 평소 에어프라이어가 작동하는 동안의 열을 센서가 견뎌야 합니다. 또한 화재가 발생하지 않았음에도 센서가 작동하여 소화액이 음식물에 뿌려진다면 소비자의 불만이 생길 수 있습니다. 따라서 실제로 회사에서 우리의 개발 과제를 채택하게 된다면, 경제적인 부분과 성능의 균형을 맞추기 위해 고성능 센서를 사용하는 것이 바람직하다고 생각합니다.

또한 이미 에어프라이어가 많은 가정에 보급되어 있으며, 기존의 에어프라이어는 수명이 상당합니다. 따라서 이미 보급된 에어프라이어를 화재 안전장치가 달린 새로운 에어프라이어로 교체하는 비용을 소비자가 부담할 정도로 본 과제가 매력적인가에 대한 고민도 필요합니다. 이 점을 고려하여, 기존 장치에 약간의 변형만 추가하여 설치 기술과 추가적인 장치를 별도로 마케팅하는 방향도 고려해볼 수 있을 것입니다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 불꽃 감지 및 소화 기술의 발전 본 과제는 적외선 불꽃 감지 센서와 아두이노 보드를 이용하여 에어프라이어 내부에서 발생하는 불꽃을 신속히 감지하고, 자동으로 소화 장치를 작동시켜 화재를 예방하는 시스템을 개발하였습니다. 이 시스템은 특정 복사 파장을 감지하여 불꽃의 존재를 판단하는 기술을 활용하였으며, 감지된 신호를 기반으로 소화 장치를 작동시키는 기술적 성과를 이룰 수 있었습니다. 이러한 기술은 다른 가전제품이나 산업용 장비에도 응용될 수 있어, 화재 예방 기술의 발전에 크게 기여할 것입니다.

◇ 아두이노 기반의 자동 제어 시스템 구현 아두이노 보드를 활용하여 불꽃 감지 센서와 소화 장치를 통합한 자동 제어 시스템을 구현함으로써, 아두이노의 활용 가능성을 넓혔습니다. 아두이노는 다양한 센서와 모터 등을 쉽게 연결할 수 있어, 향후 다양한 자동화 시스템 개발에 유용하게 활용될 수 있습니다. 본 과제에서 개발된 시스템은 아두이노를 활용한 자동 제어 기술의 성공적인 사례로서, 다른 분야에서도 아두이노를 이용한 자동화 솔루션의 개발을 촉진할 것입니다.

◇ 워터펌프 및 스텝 모터의 정밀 제어 기술 본 과제에서는 워터펌프와 스텝 모터를 활용하여 소화액을 정확한 위치에 신속하게 분사하는 시스템을 구현하였습니다. 스텝 모터의 정밀한 위치 제어 기술을 통해 문을 정확한 각도로 열고 닫을 수 있으며, 워터펌프의 신속한 작동으로 화재 발생 초기 단계에서 효과적으로 소화할 수 있습니다. 이러한 정밀 제어 기술은 향후 정밀한 작동이 요구되는 다양한 자동화 시스템에 적용될 수 있어, 제어 기술의 발전에 기여할 것입니다.

◇ 에어프라이어의 안전성 향상 본 과제의 시스템은 에어프라이어 내부에서 발생할 수 있는 화재를 자동으로 진압함으로써, 에어프라이어의 안전성을 크게 향상시켰습니다. 이는 소비자에게 보다 안전한 제품을 제공함으로써, 에어프라이어의 신뢰성과 시장 경쟁력을 높일 수 있습니다. 또한, 이러한 안전 시스템은 다른 가전제품에서도 적용할 수 있어, 가전제품의 전반적인 안전성을 높이는 데 기여할 것입니다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 화재 피해 감소로 인한 경제적 효과 본 과제에서 개발된 자동 소화 장치 시스템은 화재 발생 시 신속히 대응하여 화재를 초기 단계에서 진압함으로써, 화재로 인한 재산 피해를 최소화 할 수 있습니다. 이는 가정 내 화재 사고로 인한 경제적 손실을 줄이고, 화재로 인해 발생할 수 있는 보험료 인상 등을 방지하는 데 기여할 것입니다. 또한, 화재 피해 감소로 인한 사회적 비용 절감 효과도 기대할 수 있습니다.

◇ 안전한 가전제품 수요 증가 자동 소화 시스템이 장착된 에어프라이어는 안전한 가전제품으로 인식되어 소비자 신뢰도를 높일 것입니다. 이는 안전한 가전제품에 대한 수요 증가로 이어져, 관련 제품의 시장 확대와 제조업체의 매출 증가를 기대할 수 있습니다. 또한 안전성을 강조한 마케팅 전략을 통해 기업의 브랜드 이미지를 향상시킬 수 있으며, 이는 장기적으로 기업의 경쟁력을 강화하는 데 기여할 것입니다.

◇ 화재 예방 기술의 산업적 응용 확대 본 과제에서 개발된 불꽃 감지 및 자동 소화 기술은 다른 산업 분야에도 응용될 수 있습니다. 예를 들어, 산업용 기계, 차량, 전자기기 등에서 화재 예방을 위한 자동 소화 시스템을 도입할 수 있으며, 이는 산업 전반의 안전성을 높이는 데 기여할 것입니다. 또한, 이러한 기술의 응용 확대는 관련 산업의 발전과 일자리 창출로 이어질 수 있습니다.

◇ 사회적 안전망 강화 화재 예방 기술의 발전과 적용은 사회 전반의 안전망을 강화하는 데 중요한 역할을 합니다. 가정 내 화재 사고를 예방함으로써 가정의 안전을 보장하고, 화재로 인한 인명 피해를 줄일 수 있습니다. 이는 사회적 안전성을 높이는 데 기여하며, 화재 사고로 인한 사회적 트라우마를 예방하는 데 도움을 줄 것입니다.

◇ 환경 보호에 기여 화재로 인한 환경 피해도 무시할 수 없는 문제입니다. 본 과제에서 개발된 자동 소화 시스템은 화재 발생 시 신속하게 대응하여 화재로 인한 환경 오염을 최소화 할 수 있습니다. 이는 환경 보호에도 기여할 수 있으며, 지속 가능한 사회를 구현하는 데 도움을 줄 것입니다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 팀장 : 박상현 / 팀원 : 서준교, 유소영, 전승원

◇ 박상현 : 산학협력 업체컨택, 재료구매, 회로 구동 실험, 제품 제작

◇ 서준교 : 소프트웨어 코딩, 회로 구동 실험

◇ 유소영 : 재료 구매, 회로 설계 및 3D 모델링

◇ 전승원 : 산학협력 업체 컨택, 제품 제작

◇ 전원 : 아이디어 구체화

설계

설계사양

제품의 요구사항

평가 내용

상기 요구사항들을 선정한 이유는 다음과 같이 정리할 수 있습니다.

1. 화재가 발생하였을 때, 가장 중요한 것은 화재를 즉각적으로 감지하는 것입니다. 시간이 지날수록 화재는 더욱 커져 더욱 큰 화재로 번질 수 있기 때문에 즉각적인 감지가 필수적입니다.

2. 화재가 발생한 초기에는 빠르고 효과적인 소화가 매우 중요합니다. 초기 소화는 화재의 확산을 방지하고 피해를 최소화하는 데에 필수적입니다.

3. 화재 감지 센서는 신뢰할 수 있는 센서를 통해 화재의 조기 감지와 대응에 있어 핵심적인 부분을 차지하므로, 안정적으로 동작해야 합니다.

4. 에어프라이어가 정상적인 작동을 하는 동안에 소화장치는 열의 영향을 받지 않아야 합니다. 열에 의해 소화장치가 영향을 받으면 정작 화재가 발생하였을 때 적절한 대응을 하는 능력이 저하되기 때문입니다.

5. 새로운 안전 시스템을 기존의 에어프라이어 시스템에 통합하는 것은 중요합니다. 기존의 시스템을 보다 안전한 장치로 만드는 것이 주된 목표이기에 기존의 시스템을 벗어나지 말아야 합니다.

6. 새로운 안전 시스템을 도입함으로써 에어프라이어 가격에 영향을 최소화해야 합니다. 소비자들이 안전을 위해 더 많은 비용을 지불해야 할 필요 없이 안전한 제품을 적절한 가격에 구입할 수 있도록 추가 비용 부담을 최소화해야 합니다.

개념설계안

◇ 화재의 감지 - 아두이노 불꽃 감지 센서

[그림 4] 아두이노 불꽃 감지 센서

아두이노 불꽃감지 센서는 특정 파장을 감지하여 화재를 조기에 식별하는 역할을 합니다. 센서가 불꽃을 감지하면, 이는 아날로그 또는 디지털 신호로 변환되어 아두이노 보드로 전달됩니다. 아두이노는 이 신호를 기반으로 사전에 설정된 임계값과 비교하여 불꽃의 존재 여부를 판단합니다. 이를 통해 불꽃 감지 센서는 화재 발생 시 신속한 대응을 가능하게 하며, 초기 단계에서 화재를 진압하여 피해를 최소화 하는 중요한 역할을 합니다. 본 과제의 경우 에어프라이어의 바스켓 내부와 바스켓 외부의 손잡이가 연결되는 부분에 불꽃 감지 센서를 부착하였으며, 불꽃이 감지되면 하기 언급된 스텝 모터가 바스켓 내부의 호스가 연결된 부분의 문을 열어 워터펌프로부터 물 또는 소화액을 분사하는 방식으로 프로그래밍이 되어있습니다. 이를 토대로 불꽃이 감지되면 소화장치의 작동을 취하게 됩니다.

◇ 소화장치 - 아두이노 워터펌프

[그림 5] 아두이노 워터펌프

소화 장치는 기존의 마이크로 소화 캡슐 패드를 부착한 구형 물질에서 아두이노 워터펌프를 사용한 소화 장치로 변경하였습니다. 이는 위의 과제의 요약에서도 설명하였듯이, 음식물이 들어있는 에어프라이어 바스켓 내부에서 소화 패드가 부착된 구형 물질의 움직임이 제한됨에 따라 효과적인 소화 장치가 구현되지 못할 것으로 판단하였기 때문입니다. 아두이노 워터펌프는 작동 전압이 낮으며, 정밀한 제어가 가능하다는 점에서 에어프라이어의 자동 소화 장치에 적합하다고 판단하였습니다. 소형화가 쉽고, 전력 소모가 낮아 장시간 대기 상태에서도 효율적입니다. 아울러, 다양한 센서와의 결합으로 화재 감지부터 소화까지의 전 과정을 자동으로 제어할 수 있습니다. 본 과제의 아두이노 워터펌프 기반의 자동 소화 장치는 에어프라이어 사용중 화재 발생 위험을 최소화 할 수 있으며, 사용자의 안전을 보장하는 효율적인 해결책이 될 것입니다.

◇ 개폐장치 작동 방법 화재가 발생하였을 때, 즉각적으로 반응하여 화재를 진압하는 것이므로, 수동으로 제어하는 것이 아닌 전기 신호가 들어왔을 때 자동으로 손잡이에 있는 소화장치의 문이 열리는 방식을 채택하였습니다.

- 스텝모터

[그림 6]스텝 모터의 실물과 구조

[그림 7] 스텝 모터 적용 예시

스텝모터가 선택된 이유는 그 구동 방식과 특성에서 찾을 수 있습니다. 스텝 모터는 펄스 형태의 입력 전류에 따라 일정 각도로 회전하는 모터로, 이러한 특성은 정밀한 위치제어가 요구되는 곳에서 매우 중요합니다. 또한 펄스 신호를 이용한 간단한 제어로 모터의 회전 각도와 속도를 정확히 조절할 수 있기 때문에 복잡한 위치 제어가 필요한 시스템에 효과적으로 사용될 수 있습니다. 스텝 모터를 채택한 주요 이유는 다음과 같습니다.

1. 정밀한 위치 제어와 반복성 : 스텝 모터는 입력된 펄스 수만큼 정확한 각도로 회전합니다. 이는 기동과 정지, 그리고 응답성에서 높은 정밀도와 반복성을 보장합니다. 작업 중 발생할 수 있는 각도 오차가 없으며, 여러번 사용한 후에도 안정적으로 동일한 위치로 회귀할 수 있습니다. 2. 간단한 제어 메커니즘：스텝 모터는 피드백 회로가 불필요합니다. 이는 서보모터와 같이 복잡한 피드백 제어 시스템을 필요로 하는 모터에 비해 제어 회로를 훨씬 간단하게 구성할 수 있음을 의미합니다. 따라서, 시스템 설계와 구현 측면에서 효율적이며 단순화 할 수 있습니다. 위의 이유를 통해 스텝 모터가 본 과제에 적합하다고 판단하였으며, 복잡한 피드백 회로 없이도 우수한 성능을 발휘할 수 있는 스텝모터를 통해 개폐장치 구동을 구현할 계획입니다.

◇ 요약 본 과제는 에어프라이어 사용 중 발생할 수 있는 화재 사고를 자동으로 대응하기 위해 아두이노 워터펌프와 스텝 모터를 활용하는 자동 소화 장치를 제안합니다. 아두이노를 기반으로 한 이 소화 시스템은 에어프라이어 내부에 발생할 수 있는 초기 화재를 불꽃 감지 센서로 감지하고 자동으로 소화할 수 있도록 설계되었습니다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 스텝 모터의 회전 속도 및 시간 분석 본 장치의 구동 방식은 불꽃 감지센서에서 화재를 감지하면, 스텝모터에 연결되어 있는 문이 열리고 워터펌프에서 소화액을 방출하여 화재를 진압하는 방식입니다. 따라서, 스텝모터의 문이 완전히 열리고 워터펌프에서 소화액이 방출되어야 화재 지점에 더욱 효과적으로 소화액을 방출할 수 있습니다. 모터의 회전 속도는 20RPM으로 분당 20회전을 완료하는 속도입니다. 이후 후술할 코드에서 화재를 감지하거나, 화재 진압을 완료하였을 시에 문은 반바퀴만 회전하기 때문에, 문이 완전히 열리는 데 걸리는 시간은 1.5초임을 알 수 있습니다.

상세설계 내용

가. 조립도

◇ 이미 완제품으로 존재하는 에어프라이어를 개조하는 것으로, 에어프라이어의 바스켓의 기존 주요 부품에서 변형된 부분을 위주로 서술하겠습니다.

◇ 에어프라이어 바스켓의 주요 몸통인 (가) 부품의 경우 표시한 1, 2, 3번의 구멍이 기존 부품에서 새롭게 변형된 부분입니다.

◇ 1번은 에어프라이어 손잡이와 바스켓이 연결되는 부위에 위치하는 구멍이며, 불꽃감지센서가 들어갈 자리입니다.

◇ 2번은 스텝모터가 들어갈 구멍인데, 정확히는 위의 스텝모터 그림에 화살표로 표시한 막대 부분이 바스켓 외부에서 내부로 들어가는 구멍입니다.

◇ 3번은 액체가 지나가는 호스를 위한 구멍입니다. 외부의 액체가 바스켓 내부로 호스를 통해 뿜어져 나오게 됩니다.

◇ (나) 부품의 1*는 불꽃감지센서가 통과하기 위한 구멍입니다. 화살표로 가리킨 곳은 원래 기존 부품에 있던 구멍이며 가운데 네모난 구멍으로 스텝모터의 막대 부분이 통과하고 오른쪽의 작은 네모난 구멍으로 호스가 지나가게 됩니다.

◇ (다) 부품은 기존의 손잡이에서 작업이 쉽도록 윗부분을 뜯어낸 모습으로, 빨간색 화살표로 표시된 부분의 구멍을 통해 불꽃 감지센서가 들어가게 됩니다.

◇ (가) 부품과 (나) 부품, (다) 부품이 조립되고, 불꽃감지센서와 스텝모터가 장착된 그림입니다.

◇ (가) 부품의 경우 최종적으로 제품을 덮어주는 역할을 하는데, 1**의 구멍은 호스가 들어가기 위한 구멍입니다. 참고로 스텝모터는 (가) 부품 안쪽에 있으므로 구멍을 뚫을 필요가 없으며, 센서의 경우 손잡이 부분 구멍은 이미 있기 때문에 따로 뚫을 필요는 없습니다.

◇ (가) 부품의 2**쪽 구멍은 안의 스텝모터의 회로선이 나올 부분을 따로 마련해준 것입니다.

나. 조립순서

다. 부품도

◇ 제작

◇ 구매

라. 제어부 및 회로설계

◇ 회로 구성품

◇ 전체 회로 설계도

[그림 8] 회로 설계

- 1.5V AA 건전지를 직렬로 6개를 연결하는 홀더를 이용해 9V를 공급합니다. 이 9V는 아두이노 우노보드에 내장되어 있는 레귤레이터를 통해 5V로 조절됩니다. 초반에는 9V 건전지를 이용했으나 전류가 약해 구동이 잘 되지 않았고 이런 이유로 방식을 변경하게 된 것입니다.

- 스텝모터, 워터펌프, 불꽃감지센서 모두 작동전압이 5V 근처로 아두이노 보드로부터 공급되는 5V의 전압이 똑같이 들어가게 하기 위해서 병렬로 연결했습니다.

- 스텝모터와 워터펌프의 경우 소자 자체로는 +,- 으로만 연결할 수 있기 때문에 컴퓨터적으로 신호를 줘서 제어를 하기 위해 중간에 모터 드라이버를 추가로 연결했습니다.

- 스텝모터, 워터펌프, 불꽃감지센서와 같은 모든 소자가 디지털 핀을 통해 신호를 받게 됩니다. 각각의 소자에 연결된 디지털 핀 번호는 후에 서술할 소스코드에 설명할 것입니다.

마. 소프트웨어 설계

◇ 센서 및 회로부 알고리즘

[그림 9] 자동 소화장치 알고리즘 순서도

이 제품의 작동 원리를 간략하게 3가지 단계로 나누면 다음과 같습니다. 첫째, 에어프라이어 내부에 설치된 적외선 불꽃 감지 센서가 화재를 감지합니다. 장치의 전원이 켜지면, 가장 먼저 워터펌프를 정지시키고, 불꽃 감지 센서가 화재를 감지하게 됩니다. 둘째, 감지된 불꽃에 대응하여 바스켓 내외부를 연결하는 구멍의 문을 스텝모터로 개폐합니다. 불꽃이 감지된 상태에서 문이 닫혀있다면 스텝모터로 문을 시계방향으로 반바퀴 회전시키고 다음 단계로 진행하며, 열려있는 상태라면 별도의 행동 없이 다음 단계로 진행합니다. 불꽃이 감지되지 않는 상태에서는 문이 열려있다면 스텝모터로 문을 반시계방향으로 반바퀴 회전 및 워터펌프를 정지시키며 첫번째 단계로 돌아가며, 문이 열려있는 상태라면 별도의 행동 없이 첫번째 단계로 돌아갑니다. 셋째, 아두이노 워터펌프를 이용하여 바스켓 외부의 물통에서 물을 끌어와 화재를 진압합니다. 문이 열려있는 상태에서 워터펌프가 작동하게 되며, 다시 첫번째 단계로 돌아갑니다.

◇ 코드 구현 위의 알고리즘을 바탕으로 아래의 코드를 구현하였습니다.

◇ #include <Stepper.h>

◇ #define STEPS 1024 
◇ #define flame 7 
◇ #define A1A 13
◇ #define A1B 12
◇ Stepper stepper(1024, 11, 9, 10, 8);

◇ int state = 1;

◇ int spincount = 0;

◇ void setup() 
 {
 stepper.setSpeed(20); 
 pinMode(A1A, OUTPUT);
 pinMode(A1B, OUTPUT);
 pinMode(flame, INPUT);
 Serial.begin(9600);
 }

◇ void loop() {
 state = digitalRead(flame);

 if (state == 0) 
 {
   Serial.println("On");
   if (spincount == 0) 
   {
     stepper.step(STEPS); // 반바퀴 회전
     delay(2500); // 모터가 완전히 멈출 때까지 기다림
     spincount = 1; // 회전 제어 변수 업데이트     
     // 워터펌프 작동
     digitalWrite(A1A, HIGH);
     digitalWrite(A1B, LOW); 
   }
 } 
 else 
 {
   Serial.println("Off");
   if (spincount == 1) 
   {
     digitalWrite(A1A, LOW); // 워터펌프 정지
     digitalWrite(A1B, LOW);
     stepper.step(-STEPS); // 반대 방향으로 반바퀴 돌기
     delay(2500); // 모터가 완전히 멈출 때까지 기다림
     spincount = 0; // 회전 제어 변수 초기화
   }
 }
 delay(1000);
}

아두이노의 코드는 크게 대표적으로 사용되는 상수의 지정, 초기의 회로 상태를 지정하는 setup 함수, 이후 작동 시 반복될 loop 함수로 구성됩니다. 변하지 않는 값인 모터의 회전 스텝수를 결정하는 STEPS 변수와 입출력 신호를 담당하는 소자의 핀 번호는 #define 전처리로 값을 고정시켰습니다. 화재감지센서의 신호 유무를 표현하기 위해 state 변수를 두어 감지되었을 경우를 0, 감지되지 않았을 때를 1로 설정하였습니다. 문이 열리고 닫힘을 판단하는 기준은 변수 spincount로, 평소 0의 값을 가지다 시계방향으로 반바퀴 회전할 시 1을 더하고, 반시계방향으로 회전할 시 1을 빼주어 spincount의 값에 따라 다른 행동을 할 수 있도록 제어하였습니다. 상수 지정 후 초기 설정을 담당하는 setup 함수에서는 화재 감지 센서를 input, 워터 펌프의 신호 단자인 A1A, A1B는 output으로 지정하였고, 스텝모터의 초기 속도를 지정하였습니다. 이후 반복 행동을 결정하는 loop 함수에서는 현재 화재 감지 센서의 True/False를 확인하여 True인 경우 문이 닫혔을 때만 스텝모터를 이용하여 문을 시계방향으로 반바퀴 회전하고 1초의 지연시간을 두고, 문이 열린 상태에서는 워터 펌프를 작동하도록 하였습니다. False인 경우 이미 문이 열려있다면 워터펌프를 정지시키고, 스텝모터를 반시계방향으로 반바퀴 회전시켜 다시 문이 닫힐 수 있도록 하였습니다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

향후계획

◇ 제품 성능 최적화

1. 센서 정확도 향상 : 현재 사용 중인 적외선 불꽃 감지 센서의 성능을 더욱 향상시키기 위해 최신 기술을 도입하고, 다양한 테스트를 통해 민감도와 신뢰성을 높이겠습니다. 센서의 위치와 각도를 최적화 하여 화재 감지 능력을 극대화 할 것입니다. 2. 소화 시스템 효율성 개선 : 워터펌프와 소화액 분사 시스템의 효율성을 높이기 위해 다양한 소화액과 분사 방식에 대한 연구를 진행합니다. 소화액의 분사량과 압력을 조절하여 화재 진압 능력을 최적화하고, 소화액의 종류를 다양화하여 다양한 화재 상황에 대응할 수 있도록 할 것입니다. 3. 이중 감지 시스템 도입 : 화재 감지의 정확성과 신뢰성을 높이기 위해 연기 감지 센서와 불꽃 감지 센서를 함께 사용하는 이중 감지 시스템을 도입합니다. 이 두 가지 센서는 OR 논리 회로를 이용해 연결되며, 어느 하나의 센서라도 화재를 감지하면 즉시 소화 시스템이 작동하도록 설계합니다. 이를 통해 화재 감지의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

◇ 안전성 강화

1. 소화 시스템 테스트 및 인증 : 다양한 조건에서 소화 시스템의 안전성을 철저히 테스트하고, 국제 및 국내 안전 인증을 획득하겠습니다. 이를 통해 사용자에게 더욱 안전한 제품을 제공할 수 있도록 하겠습니다. 2. 내열성 강화 : 아두이노 보드와 전자 부품들이 고온의 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있도록 내열성을 강화하겠습니다. 이를 위해 내열 소재를 활용하여 제품의 안전성을 한층 더 높일 수 있습니다. 3. 이중 감지 시스템 안전성 테스트 : 연기 감지 센서와 불꽃 감지 센서가 결합된 이중 감지 시스템의 안정성을 다양한 환경에서 테스트하여 모든 조건에서 신뢰성 있게 작동하는지 확인할 것입니다. 이는 시스템의 이중 감지 기능이 화재를 더욱 신속하게 감지하고 대응할 수 있도록 보장합니다.

◇ 시장 출시 준비

1. 제품 디자인 최적화 : 에어프라이어의 외관 디자인을 개선하여 소화 시스템이 장착되었음에도 불구하고 깔끔하고 세련된 외관을 유지할 수 있도록 하겠습니다. 사용자가 쉽게 접근할 수 있도록 디자인하여 유지보수의 편의성을 높이겠습니다. 2. 시제품 제작 및 사용자 테스트 : 완성된 시제품을 제작하고, 실제 사용자들을 대상으로 테스트를 진행하여 제품의 성능과 사용자 만족도를 평가하겠습니다. 사용자 피드백을 반영하여 최종 제품을 개선하고, 시장 요구에 부합하는 제품을 출시하겠습니다. 3. 마케팅 전략 수립 : 에어프라이어의 안전성을 강조하는 마케팅 전략을 수립하여 소비자들에게 제품의 장점을 효과적으로 전달할 계획입니다. 다양한 광고 채널과 프로모션을 통해 시장에서의 인지도를 높이고, 초기 판매를 촉진하겠습니다.

◇ 기술 확장 및 응용

1. 다양한 가전제품 적용 : 에어프라이어 외에도 다양한 주방 가전제품에 자동 소화 시스템을 적용할 수 있는 가능성을 탐색하겠습니다. 전자레인지, 오븐, 토스터 등 다양한 가전제품에 화재 예방 기술을 적용하여 가정 내 안전을 종합적으로 강화할 계획입니다. 2. 스마트 홈 연동 : IoT 기술을 활용하여 스마트홈 시스템과 연동되는 소화 시스템을 개발하겠습니다. 이를 통해 집안의 모든 가전 제품이 중앙 제어 시스템과 연결되어 화재 발생 시 자동으로 대응할 수 있는 통합 안전 솔루션을 제공할 것입니다.

◇ 이러한 향후 계획을 통해 본 개발 과제는 단순한 제품 개발을 넘어 사용자에게 안전하고 편리한 생활 환경을 제공하는 혁신적인 솔루션을 제공할 것입니다. 지속적인 연구와 개발을 통해 기술을 발전시키고, 다양한 시장 요구에 부응하는 제품을 출시하여, 가전제품의 안전성을 한층 더 강화하겠습니다.

알파

목차