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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 14, o. 12 pp , 박병준 1, 류지형 2, 박재병 2,3* 1 풀빛이엔씨, 2 전북대학교전자공학부, 3 전북대학교전자정보신기술연구센터 The Development of Cleaning and Monitoring System for Pipeline Type UV Sterilizer Byeung-Jun Park 1, Ji-Hyoung Ryu 2 and Jae-Byung Park 2,3* 1 Pulbit Engineering & Control Co. Ltd. 2 Division of Electronic Engineering, Chonbuk ational University 3 Advances Electronics & Information Research Center, Chonbuk ational University 요약본논문에서는관로형 UV 소독기의자동세척제어및원격모니터링이가능한통합제어시스템을제안한다. 제안한시스템은소독기내 UV 램프세척와이퍼의다양한세척동작제어가가능하고 UV 센서를통해오염도를주기적점검할수있어관로형소독기를보다효율적으로유지, 보수할수있다. 또한, 관로형소독기의제어기는개방형프로세서를기반으로하고있어외부의스마트기기와블루투스통신을통해제어명령및센서정보등을주고받을수있다. 그뿐만아니라스마트기기를통해무선으로제어기의펌웨어업그레이드가가능하기때문에세척동작변화및각종센서장 탈착에유연하게대처할수있다. 이러한장점들을통해제안한시스템으로소규모마을등의스마트하수처리시스템구축이가능하다. Abstract In this paper, an integrated control system is proposed for automatic control and remote monitoring of pipeline type UV sterilizer. The proposed system can control the cleaning wiper in the sterilizer with various cleaning motions, and periodically check the contamination level of the UV lamps with the UV power sensors. Therefore, sterilizer repair and maintenance can be more effectively done. In addition, the control system based on the open-source processor can communicate with external smart devices via Bluetooth, and thus wirelessly exchange control commands and sensor data. Furthermore, the system is able to flexibly cope with changes of cleaning motions and sensors since its firmware can be wirelessly upgraded by using the smart device. Consequently, the proposed system is suitable to construct a smart sewage treatment system in small towns. Key Words : Monitoring System, Pipeline type, UV Sterilizer 1. 서론 공공하수처리과정에서물을하천에흘려보내기전에 Fig. 1과같이소독과정을거치게된다. 이러한소독과정에는일반적으로는염소소독제를사용하고있다. 그러나염소소독시발생하는소독부산물은인체및환경에유해하여염소소독후탈염설비를이용한재처리과정을필요로한다 [1,2]. 또한사용되는염소가스의저장과관련한안전성문제로많은논란을불러오고있는실정이며 이와더불어 1993년미국의밀워키시와 1996년일본의사이타마현 ( 埼玉県 ) 등에서발생한수돗물에의한집단감염을유발한크립토스포리디움 (Cryptosporidium) 은대장균에비해염소저항이 24만배나높아기존의염소소독으로는병원균을제거하기어렵다 [3]. 하지만최근들어크립토스포리디움이일반적인자외선소독공정으로감염력을잃는다는것이밝혀져자외선소독공정에관심이높아졌다 [4,5]. 이에점차적으로자외선 (UV) 을이용한소독공정이증가하고있다. 자외선소독공정은미생물소 * Corresponding Author : Jae-Byung Park(Conbuk ational Univ.) Tel: jbpark@jbnu.ac.kr Received October 10, 2013 Revised (1st December 3, 2013, 2nd December 4, 2013) Accepted December 5,

독효율이높고염소등의화학적소독과정에서발생되는발암성부산물이거의발생되지않는다. 이러한자외선소독공정에사용되는살균소독기는그형태에따라수로형과관로형으로나뉜다. 수로형자외선살균소독기는열린수로에자외선램프다발을침수시켜살균하며이를위한부가설등이필요하기때문에설치면적을많이차지하여대규모살균시스템에적합하다.

2 독효율이높고염소등의화학적소독과정에서발생되는발암성부산물이거의발생되지않는다. 이러한자외선소독공정에사용되는살균소독기는그형태에따라수로형과관로형으로나뉜다. 수로형자외선살균소독기는열린수로에자외선램프다발을침수시켜살균하며이를위한부가설등이필요하기때문에설치면적을많이차지하여대규모살균시스템에적합하다. 수로형소독기와는달리관로형소독기는설치면적을적게차지하여주로소규모마을단위하수처리장에서각광받고있다. 또한, 우리나라의대부분의하수처리장이소규모인것을감안하면수로형살균소독기에비해시장성이있다 [6,7]. 하지만관로형소독기는챔버내에 UV 램프가위치하기때문에이를관리자가수시로관리하기란쉽지않은일이다. 따라서소독효율을유지하면서도이를효과적으로모니터링할수있는시스템이필요하다. 2. 시스템구성 2.1 관로형 UV 소독기의자동세척시스템 자외선은파장 100 nm 와 400 nm 사이의전자기에너지를말한다. 그중에서도파장 200 nm 와 300 nm 사이의자외선이소독기능을가지며, 250 nm 에서 270 nm 사이의파장이강한소독기능을나타냄을 Fig. 2에서확인할수있다. 자외선의최대소독기능은파장 265 nm 에서나타나지만, 기술적으로생산할수있는저압계열의 UV-C램프의파장대가 253.7nm에머물러있기때문에일반적으로정수처리및하수처리시 254 nm 파장대가소독공정에많이사용되고있다. 염소등의화학적소독제제는세포벽을파괴하여세포성분의누출, 생체반응관련효소의손실이주인반면자외선을흡수한세포는핵산이광화학작용 (Photochemical) 에의해 DA의손상을입고변이하여유전자의복제를억제시키게된다 [8]. 관로형 UV 소독기는이러한자외선의살균력을활용하여하수를소독한다. [Fig. 1] The water treatment process 관로형소독기사용시대개의경우소독기와별도로제어패널을설치하여관로형소독기내램프상태 (O/OFF) 등관로내의상태를모니터링하고, 필요에따라램프를감싸는램프가드를청소하도록제어한다. 하지만이경우관로형소독기와는별도로제어패널을설치해야하기때문에추가적인설치비용과설치공간이필요하다. 본논문에서는관로형소독기제어패널의접근성, 설치비용의경제성등의문제를합리적으로해결하고관로내의소독효율을효과적으로유지할수있는세척및모니터링시스템을새롭게제안한다. [Fig. 2] The bactericidal effect due to the wavelength of ultraviolet light Fig. 3은관로형소독기의자동세척시스템을나타내고있다. 관로내부에는소독을위한 UV 램프가자리잡고있고, UV 램프를감싸는램프가드가오염되는것을막기위해램프세척와이퍼가주기적으로또는수동조작에의해램프가드를세척하게된다. 이때, 세척용와이퍼는횡방향으로이동하게된다. 6435

한국산학기술학회논문지제 14 권제 12 호, 2013 [Fig. 3] The configuration of the pipe-type UV sterilizer 만으로도간단히제어 모니터링시스템을구축할수있어비용면에서도훨씬경제적이다. 더불어필요시제어기의 Firmware를업그레이드할수있어유지보수가용이하다.

세척용와이퍼구동을위해서는모터와기어비를맞추어주는기어박스가필요하며이들은관로의끝부분에위치하고있다. UV 센서는 UV 자외선의강도 (mw/cm 2 ) 를측정하며이를이용하여자외선조사량을계산할수있다. (1) 이때, 는자외선조사량 (mw s/cm2), 는자외선강 도, t는노출시간 (sec) 을나타낸다.

따라서자외선조사량은소독성능에큰영향을끼치기때문에 UV파워센서를통해소독성능을주기적으로점검할수있다. [Fig. 4] The monitoring system of the pipe-type UV sterilizer 3. 시스템구현 3.1 관로형 UV 소독기자동세척부구현 Fig. 5와같이관로형 UV 소독기자동세척부를설계하고구현하였다.

3 한국산학기술학회논문지제 14 권제 12 호, 2013 [Fig. 3] The configuration of the pipe-type UV sterilizer 만으로도간단히제어 모니터링시스템을구축할수있어비용면에서도훨씬경제적이다. 더불어필요시제어기의 Firmware를업그레이드할수있어유지보수가용이하다. 수동으로램프가드를살균할때에스마트기기에서생성한모션을제어기를통해바로적용하여다양하고효과적인세척모션을활용할수있다. 제안한원격제어모니터링시스템내제어기는효과적인관로형소독기관리를위하여측정된 UV센서데이터를일정한주기로저장하였다가스마트기기와통신이시작되면데이터를스마트기기에전송하여분석할수있다. 세척용와이퍼구동을위해서는모터와기어비를맞추어주는기어박스가필요하며이들은관로의끝부분에위치하고있다. UV 센서는 UV 자외선의강도 (mw/cm 2 ) 를측정하며이를이용하여자외선조사량을계산할수있다. (1) 이때, 는자외선조사량 (mw s/cm2), 는자외선강 도, t는노출시간 (sec) 을나타낸다. 일반적으로조사량에따른대장균의비활성화율은챔버내의반사등을고려하지않을때다음과같이계산할수있다. (2) 여기에서 는임의시간 t 에서존재하는미생물의총수 를나타내고 는자외선을조사하기전의미생물의총 수를나타낸다. 또한, 는자외선조사량에따른대장균의비활성화계수로탁도등에영향을받는다 [9]. 따라서자외선조사량은소독성능에큰영향을끼치기때문에 UV파워센서를통해소독성능을주기적으로점검할수있다. [Fig. 4] The monitoring system of the pipe-type UV sterilizer 3. 시스템구현 3.1 관로형 UV 소독기자동세척부구현 Fig. 5와같이관로형 UV 소독기자동세척부를설계하고구현하였다. 자동세척부에는램프를감싸기위한석영관위에이를세척하기위한와이퍼가중앙의스크류를통해움직인다. 이스크류를구동하기위해 AC모터를사용하였고램프는필립스사의제품을사용하였다. 2.2 관로형 UV 소독기모니터링시스템기존의제어패널을대신하여관로형소독기의끝부분에 Arduino 기반의제어기를구성하고이를활용하여외부의스마트기기와블루투스통신을하는시스템을구성하였다. 스마트기기에서는 App을설치하여관로형소독기내부를모니터링하고세척기를제어할수있다. 따라서기존에고정형제어패널에비해원격모니터링이가능하다. 또한, 다양한스마트기기를지원하여 App 설치 [Fig. 5] The development of cleaning system for the pipe-type UV sterilizer 6436

UV강도를측정하는센서로는 Fig. 6과같이제니컴제품을사용하였다. UV강도는램프가드에이물질이없을경우약 1.19 mw/cm 2 이었고하수오염물이있을경우 0.76 mw/cm 2 으로줄어들었다. 특히이센서는 UV 파장 220nm ~ 280nm 사이의강도를측정할수있기때문에제작한관로형 UV소독기의살균력을알아볼수있는지표가된다.

6] UV power sensing (a) UV power, when contaminants don't exist (b) UV power when contaminants exist (b) [Fig. 8] The PCB board of controller 3.2 관로형 UV 소독기모니터링시스템구현 [Fig.

특히, Arduino보드의특성을살려블루투스통신을이용하여펌웨어업그레이드가가능하도록부트로더를심었다. 또 세척장치작동및램프모니터링, 블루투스를활용한원격제어, 모니터링을위해안드로이드 OS 기반의애플리케이션을개발하였다. Fig. 9는개발한안드로이드애플리케이션을보여주고있다.

4 UV강도를측정하는센서로는 Fig. 6과같이제니컴제품을사용하였다. UV강도는램프가드에이물질이없을경우약 1.19 mw/cm 2 이었고하수오염물이있을경우 0.76 mw/cm 2 으로줄어들었다. 특히이센서는 UV 파장 220nm ~ 280nm 사이의강도를측정할수있기때문에제작한관로형 UV소독기의살균력을알아볼수있는지표가된다. 한, 향후추가적으로센서를연결할수있도록충분한커넥터를만들어센서타입에맞게설치할수있도록하였다. 이렇게설계한제어기를 Fig. 8과같이 PCB형태로만들어제작하였다. (a) [Fig. 6] UV power sensing (a) UV power, when contaminants don't exist (b) UV power when contaminants exist (b) [Fig. 8] The PCB board of controller 3.2 관로형 UV 소독기모니터링시스템구현 [Fig. 7] The pipe-type UV sterilizer Fig. 7과같이관로형 UV 소독기의외관은마을하수도에설치하기용이하게제작하였다. 외관에는와이퍼의위치를한정시키기위해양끝에홀센서를부착하여와이퍼가세척중관로의끝부분에다다르면제어기에중지신호를보내도록제작하였다. Fig. 8과같이설계한제어기는 ATmega2560을기반으로하는 Arduino Mega와블루투스모듈, 자동세척부의 AC모터를구동하기위한릴레이, 각종센서들을연결할수있는센서커넥터부분으로이루어져있다. 특히, Arduino보드의특성을살려블루투스통신을이용하여펌웨어업그레이드가가능하도록부트로더를심었다. 또 세척장치작동및램프모니터링, 블루투스를활용한원격제어, 모니터링을위해안드로이드 OS 기반의애플리케이션을개발하였다. Fig. 9는개발한안드로이드애플리케이션을보여주고있다. 화면의윗부분에는관로형소독기의연결상태, 제어명령전송, 에러메시지등을나타내는상태창이위치하고다음으로는관로형소독기내의와이퍼의움직임을직관적으로나타내는도면이위치하고있다. 조작버튼으로는세척옵션을지정하는버튼, 외부의스마트기기와블루투스통신을설정하는버튼, 자동세척, 수동세척버튼등이있으며마지막으로램프의 O/OFF상태를모니터링하고이를제어할수있는램프제어버튼이화면의하단에위치하고있어직관적이고효율적으로관로형소독기를제어할수있다. Fig. 10은이러한애플리케이션의동작을순서도를이용하여보여주고있다. 6437

한국산학기술학회논문지제 14 권제 12 호, 2013 세척수동세척등의명령을주고받을수있다.

12는램프가드에이물질이묻었을경우스마트기기에서설정한동작으로세척하는과정을순차적으로나열한것이다. [Fig.

사용자제어값입력? (a) 모니터링데이터표시 사용자제어값전송 종료? 종료 (b) [Fig.

5 한국산학기술학회논문지제 14 권제 12 호, 2013 세척수동세척등의명령을주고받을수있다. 마지막으로주고받은명령어에대해검사신호가있어이를통해명령오류를최소화한다. Fig. 12는램프가드에이물질이묻었을경우스마트기기에서설정한동작으로세척하는과정을순차적으로나열한것이다. [Fig. 9] The monitoring system for the pipe-type UV sterilizer 시작 모니터링어플리케이션동작활성화 [Fig. 11] The protocol of the monitoring system 계속 장치검색및연결 연결완료? 제어기에서데이터수신? 사용자제어값입력? (a) 모니터링데이터표시 사용자제어값전송 종료? 종료 (b) [Fig. 10] The flow chart of the smart monitoring app. 이렇게만들어진모니터링애플리케이션은 Fig. 11과같은프로토콜을이용하여제어기와제어명령및센서값정보를주고받을수있다. 명령어는총 16byte로이루어져있으며시작신호를감지하고관로형소독기제어기에부여된 ID를읽어모니터링시스템의데이터베이스에저장한다. 현재램프의상태와 UV 파워센서등의상태를기본으로전송하며추가적으로센서를설치하였을경우이에대한데이터를읽어온다. 세척명령의경우자동 (c) [Fig. 12] The cleaning process (a) Before cleaning the contaminants (b) During cleaning the contaminants (c) After cleaning the contaminants 6438

6 4. 결론 본논문에서제안한관로형소독기를위한세척및모니터링시스템은관로내의 UV 램프표면이이물질이나기타요인으로인해오염되었을때이를감지하여자동으로세척해주고, 또한이를효과적으로모니터링하여관로형소독기의세척효율을유지할수있도록해준다. 특히, 기존의관로형소독기가가지고있던유지, 보수의불편함과별도의제어패널을위한추가비용및공간확보를극복하였다. 따라서제안한시스템을이용한다면보다경제적이고효율적으로관로형 UV소독기를운용할수있다. 이는최근마을단위소규모하수종말처리장에관로형 UV소독기의이용이확산되고있음을감안하면이와관련한사업부문에많은기여를할것이라고기대된다 [6]. References [1] R. A. meyers, editor, "Encyclopedia of Environmental Analysis and Remediation". Vol 3, pp , John Willey & Sons, Inc, [2] B. Langkais, D. A. Reckhow, and D. R. Brink, "Ozone in Water treatment; Application and Engineering", pp. 2-3, Lewis Publishers, Cheisea, Mich., [3] W. MacKenzie,. Hoxie, M. Proctor, M. Gradus, K. Blari, D. Peterson, J. Kazmierczak, and J. Davis, "A massive outbreak in Milwaukee of Cryptosporidium infection transmitted through the public water supply.", ew Eng. J. Med., Vol 331., pp , DOI: [4] Shin G.-A., Linden K.G., Arrowood M.J., and Sobsey M.D., "Low-pressureUV Inactivation and Subsequent DA Repair Potential of Cryptospordium parvum Oocysts", Appl. & Envir. Microbiol., Vol.67 o.7, p.3029, DOI: [5] Clancy J.L., Z. Bukhari, T.M. Hargy, J.R. Bolton, B.W. Dussertand,.M. Marshall, "Using UV to Inactiveate Cryptosporidium.", Jour. AWWA., Vol. 92. o. 9, pp , [6] Park J.H., "K-water sewer business operation status", K-water sewer system operating status, July, pp. 1-3, [7] Crites, R. and G. Tchobanoglous Small and Decentralized Wastewater Management Systems. The McGraw-Hill Companies. ew ork, ew ork. [8] Sonntag, Clemens von., "Disinfection by free radicals and UV-radition" Water Supply, Vol. 4, Mulhouse, pp , [9] K. Chiu, D.A. Lyn, P. Savoye, and E.R. Blatchley III, "Integrated UV Disinfection Model Based on Particle Tracking", J. Environ. Eng., Vol. 125 o. 1, pp , 1999 DOI: [10] J.H. Ryu, S.K. Kwak, S.M. Lee, K.T. Chong, J.B. Park, "The Extensible Monitoring System for Pipe type sterilizer", Proceedings of The Institute of Electronics Engineers of Korea, Vol o.4, pp. 179, [11] J.H. Ryu, D.H. u, S.M. Lee, K.T. Chong, J.B. Park, "pipe-type sterilizer for disinfecting increase efficiency self-cleaning device," Proceedings of the Institute of Electronics Engineers of Korea, Vol o.7, pp , [12] J.D. Park, K.K. Shin, S.T. Hong, C.G. Lee, "A Study of Disinfection Process Automation through Control Logic Program Development," Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 12 o.8, pp , DOI: [13] Zhang J K,Dong Z B,ang B, "ew Closed UV Sterilizer Application of Wastewater Treatment", Advanced Materials Research, Vol , o. 3, pp , DOI: [14] She J G,Meng X Z,Chen, "The Research and Development Based on the UV + US Synergistic Sterilizer", Applied Mechanics and Materials, Vol , pp , DOI:

한국산학기술학회논문지제 14 권제 12 호, 2013 박병준 (Byeung-Jun Park) [ 정회원 ] 2011 년 8 월 ~ 현재 :

(Ji-Hyoung Ryu) [ 정회원 ] 2007 년 2 월 : 전북대학교대학원제어계측공학과 ( 공학석사 ) 2008 년 2 월 ~ 현재 :

2월 : 서울대학교전기 컴퓨터공학부 ( 공학석사 ) 2006년 8월 : 서울대학교전기 컴퓨터공학부 ( 공학박사 ) 2006년 10월 ~ 2007년

7 한국산학기술학회논문지제 14 권제 12 호, 2013 박병준 (Byeung-Jun Park) [ 정회원 ] 2011 년 8 월 ~ 현재 : 전북대학교산업기술대학원제어계측공학석사과정 1999 년 1 월 ~ 현재 : 풀빛이엔씨대표 < 관심분야 > 산업용계측기, 자동화시스템 류지형 (Ji-Hyoung Ryu) [ 정회원 ] 2007 년 2 월 : 전북대학교대학원제어계측공학과 ( 공학석사 ) 2008 년 2 월 ~ 현재 : 전북대학교대학원전자정보공학부박사과정 < 관심분야 > 이동로봇, 지능제어, 자동화시스템 박재병 (Jae-Byung Park) [ 정회원 ] 2002년 2월 : 서울대학교전기 컴퓨터공학부 ( 공학석사 ) 2006년 8월 : 서울대학교전기 컴퓨터공학부 ( 공학박사 ) 2006년 10월 ~ 2007년 8월 : 서울대학교전기 컴퓨터공학부 BK21 박사후연구원 2007년 9월 ~ 현재 : 전북대학교전자공학부부교수 < 관심분야 > 다중로봇제어, 이동로봇제어, 원격로봇제어, 로봇비전 6440

인문사회과학기술융합학회

인문사회과학기술융합학회 Vol.5, No.5, October (2015), pp.471-479 http://dx.doi.org/10.14257/ajmahs.2015.10.50 스마트온실을 위한 가상 외부기상측정시스템 개발 한새론 1), 이재수 2), 홍영기 3), 김국환 4), 김성기 5), 김상철 6) Development of Virtual Ambient Weather Measurement