[64호]Fire Guard
ICT 융합 프로젝트 공모전 장려상
Fire Guard
글 | 대구카톨릭대학교 한진효, 김현준, 서동운, 최동근
1. 심사평
칩센 화재 등을 방지하기 위한 쓰레기통의 아이디어는 꽤 많이 있는 것이 사실입니다. 여러 가지 센서를 조합하고, 그것을 통하여 화재를 미연에 방지한다는 것 또한 거의 대동 소이한 방식을 취합니다. 다만 지원자께서 취합한 구조를 보면 실제 제품에 적용하기에 용이하게 시제품을 제작하신 것으로 보입니다. 제작된 시제품 영상을 통해 추가적인 아이디어를 고민하게 되네요. 상부 물 보관함을 방화수 또는 담배꽁초 재떨이로 공용 활용하고, Solar cell 패널을 적용하여 배터리를 보완하고, 구현하신 방식으로 화재를 예방할 수 있다면 아이디어 상품으로도 충분히 가능성이 있어 보입니다.
펌테크 실생활에 활용될 수 있는 실용적인 작품이라고 판단됩니다. 출품작에서 중요한 역할을 하는 하우징 구성이 잘 구성되었고, 완성도 또한 높은 작품이라고 생각합니다.
2. 작품 개요 및 필요성
우선 이 화재방지 쓰레기통을 만들게 된 계기는 기차역, 아파트, 음식 가게 주변 등 흡연장이 있는 곳 또는 흡연장이 아님에도 불구하고 흡연을 많이 하는 곳에서 담배꽁초와 화재의 원인이 되는 쓰레기를 버려 그것으로 인한 피해를 막고 화재를 줄이기 위해 만들게 되었습니다.
현재 국외뿐만 아니라 국내에서도 화재는 큰 재산 피해와 사람의 생명을 위협하는 부분으로 이어지고 있는데 화재를 막기 위해 만들어진 해결방안은 항상 부실했으며 그로 인해 화재방지가 되지 않아 초기진압을 하지 못해 큰 화재로 이어지는 경우가 많았습니다.
화재의 원인을 알고 방지하기 위해 모든 부분을 보완하고 대처할 수는 없지만 무엇 때문에 화재가 가장 자주 발생할까? 라는 생각과 동시에 알아 보게 되었습니다.
기초적으로 그래프와 같이 대부분 화재의 원인은 모두 사람의 부주의로 인해 발생하는 경우가 다른 모든 요인을 합친 값보다 많았고 부주의 중에서도 흡연으로 인한 담배꽁초의 경우가 가장 높았습니다. 물론 다른 화재도 배제할 수는 없지만, 이 화재의 원인을 줄이고, 화재 초기진압으로 큰 화재를 예방할 수 있다면 많은 화재로 인한 생명 피해와 재산 피해를 막을 수 있을 거 같습니다.
2.1. 담배꽁초 및 쓰레기통 화재 사건 피해 사례
1. 국외 화재 피해 사례
1973년 브라질에서 일어난 비행기 사고의 주요 원인은 화장실 쓰레기통에 던져진 담배꽁초로부터 발생된 화재 때문이었습니다. 이로 인해 정비가 불가할 정도로 비행기가 파손되었으며, 수많은 인명 피해를 입혔습니다. 작은 부주의로 인해 시작된 화재의 결과는 조종수 한 명을 제외한 나머지 모든 승객은 일산화탄소 중독으로 사망했습니다. 초기진압이 빨랐다면 재산의 피해와 많은 생명을 구할 수 있었을 것으로 생각되며 초기 진압의 중요성을 한 번 더 되새길 수 있었습니다.
2. 국내 화재 피해 사례
2014년 경기도 버스정류장에서 일어난 화재 사건의 경우에는 한 시민의 빠른 초기진압으로 큰 화재로 번지지는 않았지만 이 화재 사건의 원인도 사람의 부주의로 담배꽁초를 쓰레기통에 버려 일어난 국내 사건 사례로 들 수 있습니다.
2018년 부산의 한 고층아파트에서 주민이 쓰레기통에 불이 덜 꺼진 담배꽁초를 버려 일어난 사건입니다. 이 사건으로 아파트 입주민 100여 명이 대피하였고 다행히 아파트의 스프링클러가 작동해 화재를 빠르게 진압할 수 있었습니다. 이 사건은 빠른 화재 진압으로 아파트 복도의 벽면을 태워 30만 원의 재산 피해로 마무리가 되었지만, 초기진압이 되지 않았다면 큰 화재로 번질 수 있는 사건이었습니다.
이 사건에서 들었던 생각은 사건의 장소가 아파트라서 스프링클러가 정상작동하여 빠르게 진압 할 수 있었지만 만일 이 사건의 비슷한 사례로 사람이 적은 곳에서 발생하였다면 재산의 피해와 생명의 위협이 될 수 있었다고 생각합니다.
3. 작품설명
3.1. 주요 동작 및 특징
주요 동작은 쓰레기통 내부에 화재가 발생하거나 의심 사항을 발견했을 때 불꽃감지 센서가 이를 감지한 후 Arduino로 제어하여 불꽃감지 센서를 입력값을 읽고 판단하여 급수펌프의 작동하여 물탱크의 물을 사용하여 화재를 진압합니다. 그 후 화재가 완전히 진압되었다고 판단되면 펌프의 사용을 중단합니다.
3.2. 전체 시스템 구성
시스템 구성은 최대한 간단한 방식을 사용하기로 했다. 코드는 불꽃 센서의 값을 기준으로 if 조건문으로 상황을 제어했습니다. 불꽃감지 센서의 값이 둘 중 하나라도 일정 이하로 내려갈 경우 워터 펌프가 작동합니다. 불꽃감지 센서가 둘 다 일정값 이상이면 워터 펌프를 추가적으로 제어합니다. 이때 이전에 워터 펌프가 작동을 했을 경우 일정 시간을 더 작동하여 화재를 진압하고 일정 시간이 지난 후 작동이 중지하게 설정했습니다.
4. 단계별 제작과정
4.1. 아이디어 도출, 자료조사
미세먼지 감지 창문, 층간소음과 관련된 아이디어 등 여러 아이디어를 내는 도중 대구가톨릭대학교 입구에 ‘火가 모여 炎이 된다.’는 플래카드가 걸려있던 것이 생각났습니다. 그리고 매 학기 쓰레기통에서 담배꽁초로 인해 쓰레기들이 일부 태워지는 사례가 빈번하게 일어났기 때문에 화재와 관련된 아이디어로 해보자는 의견에 모두가 동의하였습니다. 화재를 조사하던중 쓰레기통의 화재로 인해 피해가 발생했던 뉴스 기사가 생각보다 많았습니다. 그렇다면 화재를 방지하는 쓰레기통은 없을까? 의문점이 들어 화재방지를 위한 쓰레기통을 조사해보았습니다.
아이디어를 실현하기 위해서 적재적소에서 불을 감지하여 물을 뿌리는 방식을 생각했고, 어떤 센서를 사용해야 할지 다양한 의견이 나왔습니다. 화재 발생 시 온도를 감지하는 온도 센서, 불이 커지면서 발생하는 연기를 감지하는 센서, 불을 감지하는 불꽃 센서를 사용하자 등 다양한 센서의 종류를 언급했었습니다. 팀 회의를 통해 온도 센서는 외부의 온도로 인해 오작동할 우려와 인식범위가 좁고, 연기 센서의 경우 화재 발생 시 연기가 발생이 안 될 수도 있는 변수를 고려해서 불꽃을 확실하게 인식할 수 있는 불꽃 센서로 결정했습니다, 불꽃 센서는 인식범위는 넓진 않지만 주변 환경의 빛의 차단방법에 따라 범위의 조정이 가능한 장점이 있습니다.
4.2. CATIA 모델링
설계를 위해서는 CAD 프로그램을 사용해야 했습니다. 다양한 설계 프로그램이 있지만, 그중에서 학교교육과정에서 배웠던 CATIA라는 프로그램을 사용하여 설계했습니다.
4.2.1. 문제점 발생과 모델링 수정
처음에는 시중에 판매하는 쓰레기통을 구하여 센서와 모터 등의 부품을 설치하려 하였으나 크기와 재질 등 여러 부분에서 계획했던 생각과 달라 설계를 직접하고 적절한 부품을 이용하여 새로 제작하자는 의견으로 바뀌었습니다. 그렇게 하여 직접 가공을 해야 하는 견해로서 가공의 편의성을 중점으로 설계를 했습니다.
1안의 장점은 견고함이었습니다. 하지만 그 견고함을 유지하기 위해서는 최소 10t 이상의 알루미늄 Plate를 사용하여야 했으며 이는 Prototype에 큰 비용이 들어가는 문제점에 직면하게 되었고 견고함은 유지하되 비용의 문제를 해결하려 2안에서의 알루미늄 Profile을 적용했습니다.
4.3. Arduino 코딩
하드웨어를 제작하면서 동시에 코딩을 시작했습니다.
우리 팀이 만들려는 화재방지 쓰레기통은 최근 시중의 전자제품에 있는 제어기, 센서, 구동기를 모두 사용하고 있습니다. Arduino는 제어기로서 각종 디지털 신호의 입력 및 출력을 제어하는 MCU의 종류 중 하나로 학생들이 손쉽게 접근할 수 있어 사용했습니다. 센서는 불꽃 센서를 사용하였으며 워터펌프를 구동기로 사용했습니다.
코딩에 대해 간략하게 설명해 드리자면 Arduino가 불꽃에 대한 외부의 정보를 입력받아 코딩한 내용에 따라 워터펌프로 출력 신호를 주어 제어하는 방식입니다.
4.3.1. 설계한 코딩
const int a = 8;
const int b = A0;
const int c = A1;
int x;
//a는 워터펌프 b,c는 센서
//a는 8번핀에 연결 b,c는 각각 A0,A1에 연결
void setup()
{
pinMode(a, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
x=0;
}
void loop()
{
int lax1 = analogRead(b);
int lax2 = analogRead(c);
if(lax1<500||lax2<500)
{
digitalWrite(a, HIGH);
Serial.print(lax1);
Serial.print(” “);
Serial.println(lax2);
x=1;
delay(50);
}
else
{
if(x==1)
{
delay(5000); // 센서가 인식범위를 벗어났을때 워터펌프가 일정시간 더 작동하기 위한 시간 1000=1초
x=0;
}
else if(x==0)
{
digitalWrite(a, LOW);
Serial.print(lax1);
Serial.print(” “);
Serial.println(lax2);
}
delay(50);
}
}
// Serial 코딩은 문제를 확인하기 위한 코딩이므로 정상적으로 작동한다 생각시 삭제해도 상관없다
// 센서 인식범위를 늘릴 생각이면 if조건문에 500을 조정하면된다. 숫자가 높아질수록 민감해지고 최대 1023까지 조정 할수 있다
4.3.2. 워터펌프 및 센서의 테스트
제작한 형태에 적용 전 워터펌프, 불꽃 센서, Arduino 보드 등 코딩에 대한 오류는 없는지와 부품의 이상 유무를 확인하기 위해 3번에 걸쳐 작동을 확인했습니다.
펌프 테스트 : 펌프의 정상작동 여부를 확인하기 위해 물통에 물을 받고 배터리를 이용하여 전원을 공급하며 물을 끌어오는 것과 분출의 과정을 직접 확인했습니다.
펌프와 불꽃 센서 연결 : 펌프, Arduino 보드, 불꽃 센서 하나를 사진처럼 임의로 연결하여 불꽃 센서가 라이터의 불빛을 정상적으로 감지하는지와 불빛의 감지에 따라 펌프가 정상 작동되는지 확인했습니다.
완전 결합 테스트 : 배터리, 펌프, Arduino 보드, 불꽃 센서 두 개, Bread Board를 완전 결합 후 합판에 고정해 모든 부품이 정상적으로 작동되는지 확인했습니다.
4.4. 제품 제작
4.4.1. 하드웨어 제작부품
알루미늄 Profile : 1안의 알루미늄 Plate의 대체품으로 외형제작에 사용하였으며 지지하는 역할.
M5 볼트 (10mm) : 인서트 너트 또는 스프링 너트와 함께 채결하는 역할.
인서트 너트 : M5 볼트와 함께 체결하는 역할.
스프링 너트 : M5 볼트와 함께 체결하는 역할.
브라켓 : 프로 파일 간의 체결 시 프로 파일이 움직이지 않게 고정하는 역할.
4.4.2. 소프트웨어 제작부품
Arduino UNO 보드 : Arduino UNO는 센서와 액추에이터를 제어하는 장치로 간단한 오픈 소스를 제공하고 일반인이 쓰기 쉬운 MCU 중 하나입니다.
불꽃 센서 : 적외선 LED를 통해 불꽃에서 감지되는 적외선 파장을 감지하여 아날로그 혹은 디지털신호로 변환해주는 역할을 합니다.
워터펌프 : 수조의 물을 끌어 올리고 물을 배출하는 역할을 합니다.
워터펌프 드라이버 모듈 : 아두이노 회로만으로는 펌프에 충분한 전류의 양을 공급할 수 없고 전류의 제어가 어렵다. 드라이버 모듈을 통해 펌프를 쉽게 제어할 수 있게 합니다.
PVC 배관 : 수조-펌프-노즐을 연결함으로 물의 이동에 관여하는 역할.
스프레이 노즐 : PVC 배관으로부터 물을 받아 다방면으로 물을 뿌리는 역할을 합니다.
2안 제작
1. 브라켓, 너트, 볼트를 이용하여 Profile을 연결했습니다.
2. 쓰레기통에 구멍을 뚫어 아크릴 봉을 연결했습니다.
3. 쓰레기통의 회전반경을 확인합니다.
4. 소프트웨어와 완전 결합된 합판과 센서를 장착합니다.
5. 수조를 설치하여 정상작동 여부를 확인합니다.
▶ 쓰레기통의 회전반경 등 괜찮았으나 쓰레기봉투 교체의 용이성에 불편함을 발견했습니다.
4.5. CATIA 재 모델링 및 제작수정
쓰레기통을 없애고 4방향과 아래 바닥 방향에 판을 설치하고 한 쪽방형에 경첩을 설치하여 여닫을 수 있는 형태로 새로 CATIA 모델링 하여 수정하였습니다. 이를 통해 쓰레기봉투 교체의 용이성을 기대해 볼 수 있었습니다.
3안 제작수정 : 3안으로 모델링 수정할 때 기대했던 쓰레기봉투의 교체 용이성을 확보했습니다.
4.6 실 제품 성능 TEST & 문제점 보완
불꽃을 감지하였을 때 불꽃 센서가 불빛을 정상적으로 감지하는지와 불빛의 감지에 따라 펌프가 정상작동되는지 확인하였으며 이상 없이 작동되었음을 확인했습니다.
5. 기타
5.1. 부품 재료
5.2. 회로도
제어를 위한 MCU는 Arduino를 기반으로 두 개의 불꽃감지 센서를 이용하여 입력 값의 크기를 Arduino에서 판단하고 둘 중 하나의 센서값이 일정 이하로 내려가게 되면 워터펌프가 작동되는 간단한 구조로 이루어져 있습니다.