[논문]외부환경 인식용 스마트 필터 시스템에 대한 연구

서도원; 윤근영

doi:10.13067/jkiecs.2021.16.2.271

외부환경 인식용 스마트 필터 시스템에 대한 연구
A Study on the Smart Filter System for External Environment Recognition 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.16 no.2, 2021년, pp.271 - 278

서도원 (호남대학교 전기공학과) , 윤근영 (호남대학교 전기공학)

초록
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본 논문은 외부환경을 인식하고 오염도에 따라 자동으로 오염물질을 제거하는, 스마트 필터 시스템의 구현에 관한 연구이다. 최근 실내외 공간에서 다양한 오염물질의 발생은 인체에 악영향을 미치고 있으며 특히 대기 중에서 발생되는 다양한 미세먼지는 밀폐된 주거 공간이나 사무공간에서 심해진다. 환기 등을 통해 일시적인 공기질 오염도를 낮출 수는 있으나 미세먼지 변화를 실시간적으로 대응하는 것이 어려워 가정이나 산업체와 같이 다수의 인력이 상주하는 공간에서 이와 같은 문제점은 심각해진다. 따라서 거주 공간의 내부의 미세먼지 농도를 실시간적으로 측정하고, 외부와의 자동 환기를 통해, 실내 환기의 오염농도를 저감시킬 필요성이 있다. 이와 같은 문제점을 개선하기 위하여, 본 논문에서는 외부환경 인식용 스마트 필터 시스템에 대한 구현을 제안하고자 한다. 실내외부의 공기질을 자동으로 측정하고, 오염물질을 제거하는 스마트 필터 시스템에 대한 구조를 설계하고 기능을 구현하였으며, 시제품을 제작하여 동작성을 확인하였다. 최종적으로는 스마트 필터 시스템의 미세먼지 문제 해결에 대한 효용성을 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is a study on the implementation of smart filter system that recognizes the external environment and automatically removes pollutants according to pollution level. Recently, the occurrence of various pollutants in indoor and outdoor space has adversely affected the human body. Especially, various fine dust generated in the atmosphere becomes worse in closed residential space or office space. Although air pollution can be temporary lowered through ventilation, it is difficult to respond to fine dust changes in real time, and such problems become serious in the space where many people reside, such as at home or industry. Therefore, it is necessary to measure the pollution level of fine dust inside the residential space in real time and to reduce the pollution of indoor ventilation through automatic ventilation with the outside. To improve these problems, this paper proposes the implementation of smart filter system for external environment recognition. The structure of smart filter system that automatically measures air quality inside and outside, removes pollutants, implements the function, and confirms the operability by manufacturing prototypes. Finally, the effectiveness of the smart filter system for solving fine dust problems was examined.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. 스마트 필터 시스템의 주요 구성 Fig. 1 Configuration of smart filter system
그림 그림 2. 스마트 필터 시스템 동작 프로세스 Fig. 2 Operation process of smart filter system
그림 그림 3. 미세먼지 농도에 따른 게이트 동작 Fig. 3 Operation of the driving part according to the degree of fine dust pollution
그림 그림 4. SMPS의 기본 구성도 Fig. 4 Basic configuration of SMPS
그림 그림 5. Arduino UNO R3 주요 구성 Fig. 5 Configurations of Arduino UNO R3
그림 그림 6. 스마트 필터 시스템 회로도 Fig. 6 Circuit diagram of smart filter system
그림 그림 7. 주요 부품 및 단면도 Fig. 7 Main parts and cross-section
표 표 1. PTC Heater의 주위온도와 발열량의 연관성 Table 1. Relationship between ambient temperature and heat emission of PTC heater
그림 그림 8. 스마트 필터 시스템 시제품 Fig. 8 Prototype of smart filter system
그림 그림 9. 스마트 필터 시스템 시제품의 구동 시험 Fig. 9 Experiment of prototype
그림 그림 10. PTC 히터 동작 시험 Fig. 10 Experiment of PTC heater

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 외부환경 인식용 스마트 필터 시스템에 대한 것으로 최근 이슈가 되고 있는 실내외 공기 질 개선에 대한 시스템 구현을 주목적으로 한다. 실내로 유입되는 공기질을 효율적으로 개선하기 위하여 3개의 선형 엑츄에이터를 사용하여 흡입게이트를 조절하였다.
본 연구에서는 미세먼지 농도와 주변 온습도를 체크하고 환기기능 및 난방기능 둘 다 수행이 가능한 외부환경 인식용 스마트 필터 시스템의 구현 및 구동에 관한 내용을 수행하였다. 스마트 필터 시스템은 창틀에 부착하여 미세먼지 농도에 따라 단계별로 모터가 구동하고 단계별 필터링 이후 온풍 기능이 탑재되어 따뜻하고 깨끗한 공기를 유입시키는 것과 내부의 오래된 공기를 배출하는 환기시스템을 기본으로 하였으며, 시스템을 검토하고 시제품을 통하여 동작성 및 효용성을 검증하였다.

제안 방법

검토된 주요 부품을 이용하여 전체적인 시스템 구성하였다. 그림 6은 각각의 주요 부품으로 구성된 스마트 필터 시스템의 전체 회로도를 나타내며, 이를 바탕으로 하여 시제품 제작을 진행하였다.
특히 아두이노 소스 코드를 이용하여 설정한 미세먼지 농도 값에 따라서 모터가 동작하는 구동방식을 검토하였으며, 이를 위해 IF 문을 단계별로 사용하였고 사용 단계별 이외의 값의 경우에는 Else를 사용하였다. 또한 실용성 및 사용자의 편의성을 고려하여 아두이노 소스코드를 이용하여 내부에 설정된 온도 값에 따라 Positive temperature coefficient (PTC) 히터가 동작하게 하였으며, 이를 IF 문을 이용하여 일정 온도 이하 값에서만 동작하도록 알고리즘을 검토, 적용하였다. 그림 1은 스마트 필터 구동 시스템의 주요 구성을 나타낸다.
실내 공기질 오염 농도에 따라서 공기 유입차단 장치의 동작을 3단계로 구분하고 이에 따라 오염물질 제거 경로를 상이하게 구성함으로써 보다 효율적으로 오염물질을 제거할 수 있었으며, 필터의 수명을 연장시킬 수 있었다. 또한 온습도센서와 PTC 히터 장치를 이용하여 난방기능과 환기기능을 둘 다 수행할 수 있는 스마트 필터 시스템의 시스템을 구현 및 구동에 대한 연구를 수행하였다. 시제품 제작 후 시험을 통해 공기 오염도에 따른 엑츄에이터의 동작을 확인하였으며 PTC 히터 구조를 통해 저온의 공기를 상온으로 유지할 수 있음을 확인할 수 있었다.
그림 3은 미세먼지 오염도에 따른 흡입게이트 동작을 나타낸다. 미세먼지 농도에 따라서 선형엑츄이터 동작을 조절하여 흡입게이트를 개폐함으로써 효율적으로 필터링을 하고자 한다[5-8]. 실내외 미세먼지 농도가 낮은 경우에는 그림 3의 (a)와 같이 필터를 거치지 않고 토출이 되게 된다.
전원이 인가되고 동작을 수행하며 센서에 측정된 값이 정보표시 화면에 표시가 되는데 왼쪽에는 온도가 표시되며, 오른쪽에는 습도가 표시되는 것을 확인할 수 있다. 본 시제품은 실내 공기질 내부의 먼지 오염도를 실시간으로 측정한 후에 유입차단장치 즉 흡입 게이트의 개폐를 이용하여 필터링을 하는 프로세스를 갖고 있다. 우선 1번 흡입게이트 하부에는 필터가 존재하지 않고, 2번과 3번 흡입게이트 하부에만 필터가 존재한다.
구조이다. 본 연구에서는 아두이노 소스 코드를 이용하여 계산식을 넣어 외부 온습도 값과 외부 미세먼지 농도 값을 측정하였다. 특히 아두이노 소스 코드를 이용하여 설정한 미세먼지 농도 값에 따라서 모터가 동작하는 구동방식을 검토하였으며, 이를 위해 IF 문을 단계별로 사용하였고 사용 단계별 이외의 값의 경우에는 Else를 사용하였다.
관한 내용을 수행하였다. 스마트 필터 시스템은 창틀에 부착하여 미세먼지 농도에 따라 단계별로 모터가 구동하고 단계별 필터링 이후 온풍 기능이 탑재되어 따뜻하고 깨끗한 공기를 유입시키는 것과 내부의 오래된 공기를 배출하는 환기시스템을 기본으로 하였으며, 시스템을 검토하고 시제품을 통하여 동작성 및 효용성을 검증하였다.
실내로 유입되는 공기질을 효율적으로 개선하기 위하여 3개의 선형 엑츄에이터를 사용하여 흡입게이트를 조절하였다. 실내 공기질 오염 농도에 따라서 공기 유입차단 장치의 동작을 3단계로 구분하고 이에 따라 오염물질 제거 경로를 상이하게 구성함으로써 보다 효율적으로 오염물질을 제거할 수 있었으며, 필터의 수명을 연장시킬 수 있었다.
우선 DC Adapter(5V, 100W LRS-100-5)와 SMPS 를 통해서 전체 전원을 인가하고, 송풍 팬 및 PTC 히터의 제어를 위하여 먼지센서와 온습도센서, 아두이노를 이용하여 소스코드를 제작하였다. 환기기능을 위한 송풍 팬과 온도변화에 따라서 효율적으로 사용이 가능한 PTC 히터 그리고 미세먼지를 줄이기 위한 필터로 구성이 되었으며, 송풍 팬이 동작됨에 따라서 변하는 온도에 따라 PTC 히터의 동작 변화를 구현하였다.
이때 유입되는 공기의 온도가 높을시 PTC 히터는 OFF상태가 되고, 공기 유입 차단 장치가 동작하여 온도조정을 통하여 온도가 낮아지면 PTC 히터는 다시 ON상태가 되어 동작을 유지하는 방식이다. 이와 같은 동작을 구현하기 위해서는 전원 및 PTC 히터의 성질, 온습도센서와 Arduino 연결 구성으로 크게 나뉠 수 있으며 목표 동작 구현을 위해 각각의 동작 특성에 대해서 검토하였다. 그림 3은 미세먼지 오염도에 따른 흡입게이트 동작을 나타낸다.
정전식 습도 센서와 서미스터(Thermistor)를 사용하여 대기온도와 습도를 측정하고 디지털 센서 신호로 출력하는 센서이며, 온도를 감지하는 부분은 반도체 세라믹으로 이루어져 온도에 따라서 물질의 저항 값이 변하는 소재의 특성을 이용하며 값의 변화를 감지하여 온도를 출력한다. 습도는 두 전극 사이의 저항 변화를 측정함으로써 공기 중의 습도 변화를 알아낼 수 있다.
본 연구에서는 아두이노 소스 코드를 이용하여 계산식을 넣어 외부 온습도 값과 외부 미세먼지 농도 값을 측정하였다. 특히 아두이노 소스 코드를 이용하여 설정한 미세먼지 농도 값에 따라서 모터가 동작하는 구동방식을 검토하였으며, 이를 위해 IF 문을 단계별로 사용하였고 사용 단계별 이외의 값의 경우에는 Else를 사용하였다. 또한 실용성 및 사용자의 편의성을 고려하여 아두이노 소스코드를 이용하여 내부에 설정된 온도 값에 따라 Positive temperature coefficient (PTC) 히터가 동작하게 하였으며, 이를 IF 문을 이용하여 일정 온도 이하 값에서만 동작하도록 알고리즘을 검토, 적용하였다.
이용하여 소스코드를 제작하였다. 환기기능을 위한 송풍 팬과 온도변화에 따라서 효율적으로 사용이 가능한 PTC 히터 그리고 미세먼지를 줄이기 위한 필터로 구성이 되었으며, 송풍 팬이 동작됨에 따라서 변하는 온도에 따라 PTC 히터의 동작 변화를 구현하였다. 또한 주요 부품은 시스템의 구현성을 위해서 적합한 사양을 검토한 후 선정하였다.

이론/모형

외부 환경 요인 중 온습도에 대한 정보를 얻기 위해서, 시스템 내부에 온습도센서(DHT-11)를 사용하였다. 정전식 습도 센서와 서미스터(Thermistor)를 사용하여 대기온도와 습도를 측정하고 디지털 센서 신호로 출력하는 센서이며, 온도를 감지하는 부분은 반도체 세라믹으로 이루어져 온도에 따라서 물질의 저항 값이 변하는 소재의 특성을 이용하며 값의 변화를 감지하여 온도를 출력한다.

성능/효과

따라서 흡입되는 공기는 필터를 거치지 않고 순환된다. 미세먼지 상태가 보통 상태인 b)조건에서는 노란색 LED가 발광을 하면서 2 번 유입차단장치만 개방되고 1, 3번은 폐쇄된 모습을 확인할 수 있다. 따라서 필터를 하나만을 거치면서 오염물질이 제거된다.
따라서 필터를 하나만을 거치면서 오염물질이 제거된다. 미세먼지 상태가 나쁨 상태인 c) 조건에서는 빨간색 LED가 발광을 하면서 2번과 3번 유입차단 장치만 개방되고 1번은 폐쇄된 모습을 확인할 수 있다. 따라서 2개의 필터를 통해 공기 중에 포함된 오염물질이 제거되는 구조를 나타낸다.
또한 온습도센서와 PTC 히터 장치를 이용하여 난방기능과 환기기능을 둘 다 수행할 수 있는 스마트 필터 시스템의 시스템을 구현 및 구동에 대한 연구를 수행하였다. 시제품 제작 후 시험을 통해 공기 오염도에 따른 엑츄에이터의 동작을 확인하였으며 PTC 히터 구조를 통해 저온의 공기를 상온으로 유지할 수 있음을 확인할 수 있었다. 향후 본 연구를 통해서 확인된 취약점을 보강하고, 보다 실용적인 구조 및 시스템이 되도록 추가 연구를 진행해야 할 것으로 사료된다.
시제품의 제작 및 운전 시험 결과, 동작 알고리즘에 맞게 구동됨을 확인할 수 있었으며, 먼지센서와 온 습도 센서의 측정된 값에 따라 동작의 구분 및 PTC 히터의 동작 상태를 확인하였다. 다만 초기 구상은 전면부에 유입구와 배출구를 위치시키는 형태였으나, 제작된 스마트 필터 시스템은 측면부에 유입구와 배출구가 위치한 형태이므로 시스템에 설치를 하려면 옆면을 분리해야 되며, 향후 시제품의 실용성 및 편의성을 고려하여 추가적인 구조 연구가 있어야 할 것으로 판단된다.
실내로 유입되는 공기질을 효율적으로 개선하기 위하여 3개의 선형 엑츄에이터를 사용하여 흡입게이트를 조절하였다. 실내 공기질 오염 농도에 따라서 공기 유입차단 장치의 동작을 3단계로 구분하고 이에 따라 오염물질 제거 경로를 상이하게 구성함으로써 보다 효율적으로 오염물질을 제거할 수 있었으며, 필터의 수명을 연장시킬 수 있었다. 또한 온습도센서와 PTC 히터 장치를 이용하여 난방기능과 환기기능을 둘 다 수행할 수 있는 스마트 필터 시스템의 시스템을 구현 및 구동에 대한 연구를 수행하였다.

후속연구

동작 상태를 확인하였다. 다만 초기 구상은 전면부에 유입구와 배출구를 위치시키는 형태였으나, 제작된 스마트 필터 시스템은 측면부에 유입구와 배출구가 위치한 형태이므로 시스템에 설치를 하려면 옆면을 분리해야 되며, 향후 시제품의 실용성 및 편의성을 고려하여 추가적인 구조 연구가 있어야 할 것으로 판단된다.
시제품 제작 후 시험을 통해 공기 오염도에 따른 엑츄에이터의 동작을 확인하였으며 PTC 히터 구조를 통해 저온의 공기를 상온으로 유지할 수 있음을 확인할 수 있었다. 향후 본 연구를 통해서 확인된 취약점을 보강하고, 보다 실용적인 구조 및 시스템이 되도록 추가 연구를 진행해야 할 것으로 사료된다.

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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