[Arduino] 미세먼지 측정과 자동 창문 제어 - 개요

2019년 3월-6월 가톨릭대학교 창의적 미디어 프로젝트 종합설계 수업에서 진행한 팀 프로젝트입니다.

과제의 목표와 개요

1. 과제 목표

• 미세먼지의 위험성에 대해 재고하고, 가정에서 미세먼지를 보다 쉽게 측정하고 대비할 수 있는 방법으로서 미세먼지 스마트 창문을 개발하고자 한다

2. 과제 내용

• 최근 미세먼지가 기승을 부림에 따라, 국민들의 건강에 직간접적인 악영향을 끼치고 있다.
• 정부 차원에서는 미세먼지법 또는 미세먼지 저감조치를 시행하고 있고, 시장에는 미세먼지 마스크와 공기청정기 등 미세먼지에 대비하기 위한 다양한 제품들이 쏟아져 나오고 있다.
• 이에 가정에서 미세먼지 유입을 더욱 쉽고 편리하게 관리할 수 있도록 미세먼지 스마트 창문을 개발하고자 한다.

3. 기대효과 및 활용방안

• 아두이노에 대한 이해와 미세먼지의 심각성에 대해 공부하고, 시제품을 직접 만들어 보며 향후에 제품으로써의 발전 가능성을 기대한다.

• 미세먼지를 자동으로 인식하여 제어되는 창문을 통해 미세먼지 수치가 높은 날엔 자동으로 문이
  닫히고, 수치가 낮은 날에는 문을 열어 환기시킬 수 있게 하여 사람이 직접 문을 여닫지 않아도 되는 편리성을 도모한다.

4. 과제 최종 결과물 내용

• 아두이노를 이용한 미세먼지 개폐 창문 시제품
  : 아두이노를 이용하여 미세먼지의 농도에 따라 자동으로 개폐하는 창문 시제품을 제작한다.

5. 최종 목표

• 미세먼지 위험성에 대한 재고
• 회로설계와 개발을 직접 함으로써 hw와 sw에 대한 학습
• 시제품 제작을 통해 향후에 발전시켜 판매 가능성 도모

6. 과제를 수행하기 위한 도구 및 장비의 활용방안

• 아두이노 우노보드, 온습도 센서(DHT-11), 미세먼지 측정센서(GP2Y10), LCD 1602(12C), RGB LED 모듈, 아크릴, 창문틀, 모터, 톱니바퀴, 톱니 레일 등 아두이노 키트를 이용한 미세먼지 인식기를 창문에 부착하여 미세먼지 농도에 따라 자동으로 문을 여닫을 수 있도록 한다

7. 과제 수행 절차

8. 과제 수행 후 얻을 수 있는 결과 및 효과

• 전공 분야를 활용하여 제품을 만듦으로써 전공에 대해 더욱 깊게 심화 학습 하고, 팀원의 능력을 최대한 이끌어 성공적인 프로젝트를 진행하면서 개개인의 기술을 향상시킬 수 있다.
• 향후에 집에 사람이 없을 때도 미세먼지 농도에 따라 개폐되는 스마트 창문이 스스로 문을 여닫는 것을 조절해 적정 환경에서 환기를 시키게 하여 편리성과 효율성을 증진 시킬 수 있다.
• 나아가 자외선 지수를 측정하는 기능을 추가하여 빛이 많은 시점에 창문을 열 수 있는 기능 등 날씨와 환경에 대해 더욱 다양한 정보를 얻어 창문을 제어하게끔 응용하여 향후에 상품화를 기대한다.

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NABCD 분석

1. NEEDS

1. 최근 미세먼지로 인한 호흡기 질환이 급증하는 시점에 마스크, 실내 공기청정기 외에도 새로운 형태의 미세먼지 방지책을 요할 것이다.

2. 미세먼지 농도는 일기예보의 정확도가 낮다. 일기예보를 보고서 창문을 열고 나왔는데 미세먼지 농도가 높을 경우를 대비한 스마트 창문 시스템이 필요할 것이다.

3. 시중에는 창문에 붙여 쓰는 ‘미세먼지 필터’가 존재한다. 하지만 이 제품들의 미세먼지 차단율은 60%대에 그친다.

4. 앞으로도 미세먼지가 더욱 심각해질 것이라는 여러 기관청들의 말에 의해 미세먼지 농도에 관한 국민들의 관심이 더욱 증가할 것이다. 반기성 케이웨더 예보선터장에 따르면, “올봄 미세먼지가 작년과 재작년보다 심할 것”이란 전망을 내놨다.

5. 올해 2월부터 '미세먼지 저감 및 관리에 관한 특별법'이 시행됨에 따라 미세먼지 저감에 대한 중요성이 대두되고 있다.

6. 미세먼지는 2013년 10월, 세계보건기구(WHO) 산하 국제암연구소(IARC) 연구 결과를 바탕으로 1군 발암물질로 분류되었다.

7. 국립 환경과학원에서는 기상정보와 미세먼지 배출량, 대기화학반응을 고려하여 일 4회 미세먼지 예보를 발표하고 있다. 이 예보는 미래의 일평균 농도에 대한 예측 정보이므로 실제 우리 동네 미세먼지 농도와는 다를 수 있다. 따라서 실제 주거지에서 바로 미세먼지를 측정하여 창문을 여닫을 수 있는 기술이 필요할 것이다.

8. 2012년 통계청이 발표한 ‘세계 주요 시도 미세먼지 오염도’ 자료에 따르면 서울이 41㎍/㎥로 주요 다섯 개 도시 중 오염도가 가장 높은 것으로 나타났다. 뒤를 이어 미국 LA(30㎍/㎥), 파리(26㎍/㎥), 도쿄(20㎍/㎥), 런던(19㎍/㎥) 순으로 조사됐다.
   
   (출처 : 월간헬스조선 4월호에 실린기사 (연재))

2. APPROACH

1. 아두이노로 간편하고 복잡한 회로 없이 제작할 수 있도록 설계하여 보다 소비자들에게 저렴하고 대중화될 수 있도록 한다.

2. 미세먼지를 자동으로 인식하여 제어되는 창문을 통해 미세먼지 수치가 높은 날엔 자동으로 문이 닫히고, 수치가 낮은 날에는 문을 열어 환기시킬 수 있게 하여 사람이 직접 문을 여닫지 않아도 되는 편리성을 도모한다.

3. 자동으로 미세먼지를 측정하여 창문을 개폐함으로, 더욱 편리하고 건강한 환경을 만들도록 한다.

3. BENEFIT

1. 거주 지역의 통계 데이터가 아닌 개별화된 데이터로써 높은 정확도를 제공한다.

2. 미세먼지를 측정하여 '자동적'으로 제어되므로 편리성을 제공한다.

3. 창문 원격 조정을 통하여 안전 보안에 대한 서비스를 제공한다.

4. 타사 제품과의 차별성

• 미세먼지 농도 뿐만 아닌 습도를 제공한다는 점에 있어 타사 제품인 샤오미 미세먼지 측정기의 '수증기도 미세먼지로 측정한다는 점'에 대한 문제가 없다.

5. 온도, 습도, 불쾌지수, 미세먼지 농도를 제공해주므로 여러 전자제품의 복합적인 서비스를 제공한다.

4. COMPETITION

1. 창문 필터가 아닌 다른 방식의 미세먼지 차단제품과 구별되는 확실한 장점을 구축해야 한다.

2. 간단한 모듈과 센서 구조 및 소프트웨어로 가격 경쟁력에서 우위를 점한다.

3. 통계 예측 데이터 값이 아닌 개별화된 측정값으로 작동하기에 타 제품 대비 높은 성능을 보여준다.

4. 미세먼지의 차단율이 아닌 미세먼지가 섞인 공기의 유입자체를 차단하는 것이기에 타 미세먼지 제품 대비 확실한 성능을 보인다.

5. 미세먼지 측정을 주거지 창문 바로 앞 1M^3 반경에서 실시간으로 측정하므로 기상정보보다 더 정확한 수치를 제공해 창문을 여닫음으로써 성능이 우수하다.

5. DELIVERABLES

1. 아두이노를 이용하여 미세먼지의 농도에 따라 자동으로 개폐하는 창문 시제품을 제작

• 시제품 창문 형태는 폼보드와 투명 아크릴판을 이용한다.
• 창문을 여닫게 하기 위해 창틀 하단에 톱니 바퀴와 펼쳐진 톱니 형태를 붙여 작동할 시 톱니가 맞물려 여닫게 한다. 이 톱니 바퀴와 펼쳐진 톱니 형태는 3D 프린터로 제작한다.
• 아두이노와 미세먼지 센서와 온도, 습도 센서, 서브 모터를 이용하여 온도와 습도, 미세먼지 농도를 측정해 모터를 구동 시켜 창문 개폐를 가능하게 코딩한다.
• 온도, 습도, 미세먼지 농도는 주거지의 창문의 바로 앞 바깥쪽의 수치를 받아들여 주거지 마다 개별화된 측정값으로 정확도를 높인다.
• 제작 후 오류 수정 과정을 거쳐 최종적인 시제품을 만든다.

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위험 관리

1. 미세먼지 농도 측정은 실시간으로 하되, 창문 여닫음을 몇 분 단위로 할 지를 선정해야 한다.

• 미세먼지 농도 측정은 측정기가 실시간으로 값을 받아들이는데, 그에 따라 실시간으로 창문을 여닫는 것은 무리가 있을 수 있다. 따라서 몇 분 정도가 최선의 시간인지 몇번의 시행을 통해 선정한다.

2. 스마트 창문이 상용화 되면, 어떤 주기로 측정기를 교체해야 할지를 결정해야 한다.

• 측정의 오류를 최소화하기 위해 미세먼지 측정기의 수명을 판단하여 측정기의 교체 주기를 알아낸다.

3. 실제 창문에 스마트 창문을 구현하는데 까지의 비용이 많이 들 수 있다.

• 기본적으로 창문에 미세먼지 측정기, 창틀에 모터로 구동 될 수 있는 레일, 수동으로 조절할 수 있는 어플리케이션 등 비용에 대해 생각하여야 한다.
• 값이 비싸다면 소비자들의 입장에선 굳이 스마트 창문을 쓰려 하지 않을 수 있다.
• 값을 최소화 하기 위해 모든 창문에 미세먼지 측정기를 다는 것이 아닌, 기준이 되는 창문 하나에만 측정기를 다는 방법을 고려한다.

4. 후에 초미세먼지와 온도, 습도까지 고려하여 스마트 창문을 만드는 것을 고려해본다.

• 초미세먼지는 미세먼지보다 우리 몸에 더욱 악영향을 끼친다. 초미세먼지까지 측정하는 측정기로 스마트 창문을 제어하게끔 하고, 온도에 따라, 습도(비가 오는지)에 따라서도 제어하게끔 발전시킬 수 있게 한다.