Regular paper Journal of the KIECS. pp. 1411-1416, vol. 13, no. 6, Dec. 31 2018, t. 92, pissn 1975-8170 eissn 2288-2189 http://dx.doi.org/10.13067/jkiecs.2018.13.6.1411 안전모장착용가스누출경보 IoT 시스템설계및구현 주용민 * ㆍ이효승 ** ㆍ오재철 ** Design and Implementation of Gas Leakage Alarm IoT System for Safety Helmet Yong-Min Ju * ㆍ Hyo-Seung Lee ** ㆍ Jae-Chul Oh ** 요약현재화학, 제조, 조선, 철강등대부분의공업지역에서는가스와관련된작업을진행하게되는데이러한작업을수행하는담당자의경우가스누출등의사고를인지하지못하고질식하는등의위험을안고작업을진행하게된다. 그예로 2015년파주에서질소가스가누출돼 2명이사망하고 4명이부상을당하였고 2018년에는포항에서 4명의근로자가질소가스에질식하여사망하는사고가발생하였다. 이러한문제를해결하고자본연구에서는현장작업자가필수로착용하여야하는안전모에가스센서와통신모듈등으로구성된 IoT 장치를장착하여작업자가가스의누출을즉각적으로인지함과동시에안전담당자에게상황을전달할수있는시스템을구현하여이를통해산업현장에서가스누출에대한인명사고를줄일수있기를기대한다. ABSTRACT Currently, most of the industrial areas like chemistry, manufacturing, shipbuilding, and steel, perform the work related to gas, and the staffs who are in charge of this work have a risk of suffocation without cognizing incidents like gas leak. For example, when the nitrogen gas leaked in 2015 at Paju, two people were killed and four people were injured. In 2018 at Pohang, four workers were suffocated to death from nitrogen gas. In order to solve this problem, this study realized the system in which workers could immediately cognize the gas leak and also deliver the situation to the staff in charge of safety at the same time, by installing the IoT device composed of gas sensor and communication module on the safety helmet that should be worn by field workers. This study is expected to be able to reduce the casualties caused by gas leak in industrial sites. 키워드 Alarm, Arduino, Bluetooth, GAS Leakage, Suffocation 알람, 아두이노, 블루투스, 가스누출, 질식 Ⅰ. 서론 지금까지도산업현장에서는유해가스로인한질식 사고가빈번히발생하고있다. 가스누출원은탱크의파열로인한누출또는가스가배관을통하여옮겨지는과정에서초과압력이발생하거나배관이노후화한 * 순천대학교컴퓨터공학과 (jym3370@scnu.ac.kr) ** 교신저자 : 순천대학교컴퓨터공학과ㆍ접수일 : 2018. 10. 13 ㆍ수정완료일 : 2018. 11. 13 ㆍ게재확정일 : 2018. 12. 15 ㆍ Received : Oct. 13, 2018, Revised : Nov. 13, 2018, Accepted : Dec. 15, 2018 ㆍ Corresponding Author : Hyo-Seung Lee, Jae-Chul Oh Dept. Computer Engineering, Sunchon National University, Email : hodol0@scnu.ac.kr, ojc@scnu.ac.kr 1411
JKIECS, vol. 13, no. 06, 1411-1416, 2018 경우, 해당배관에서의누출또는파열에의한누출이발생하게된다고한다 [1]. 특히혈색소와결합하여산소운반능력을방해하여질식작용을일으키는일산화탄소와공기중의산소량을저하시키는이산화탄소등이대표적인질식또는사망의원인이라고한다 [2]. 이러한문제들을해결하기위해각산업현장에서는안전교육을실시하고있지만해년마다일어나는가스질식사고의건수로예측하건데그효율성은미비하다할수있을것이다. 이러한이유로최근 Private LoRa를기반으로하는가스안전원격모니터링시스템과같이 IoT 기술을이용한가스감지시스템에대한연구가활발하게진행되고있다 [3]. 하지만이는밀폐공간에서의고정된장비를이용하여감시하는기능으로작업자의현재위치에서위험을측정하기에는한계가있을것으로생각된다. 본논문에서는작업자가필수로착용하여야하는안전모에장착하여사용할수있는가스감지및통신용 IoT 장치와안드로이드기반의애플리케이션을설계개발하여현장에서사용이가능한가스누출경보 IoT 시스템을구현하여산업현장에서발생할수있는가스로인한사고등에신속히대처하여사고로인한인명피해를줄일수있기를기대한다. 이에본논문에서는 Ⅱ장에서가스누출과관련된연구및각종가스센서에대한내용을소개하고 Ⅲ장에서가스누출감지 IoT 디바이스에관한설계및앱에대한설계 Ⅳ장에서는 Ⅲ장의설계내용을바탕으로시스템을개발하고 Ⅴ장에서는이에따른결과를통해결론을맺고자한다. Ⅱ. 관련연구 2.1 가스누출및감지지금까지가스를검출하여사고를예방하고자하는연구들은꾸준히지속되어왔으며그예로 5000 ppm 이하의메탄가스농도에서 50 ppm 이하의최소검출한계를가지는저농도감지를위한 NDIR 방식의초소형고정도메탄센서모듈 [4] 의개발과같이저농도의가스만으로도가스누출을검출할수있는센서에대한연구와라즈베리파이와스모크센서를이용하여해당위치의가스누출및화재여부를판단 [5] 하거나 6가지의화학가스 (H2S, C3H8 CH4, CO, NH3, C₇H ₈) 를검출할수있는센서및제어부를이용한반도체식센서어레이와 SVM 기술을이용한배관가스누출감지기 [6] 에대한연구등을통해가스누출사고를인지하고이후해당이벤트를어떠한방식으로전달하여사고예방또는신속한대처를할것인가에대한연구가지속적으로이루어지고있다. 하지만이러한연구들은대부분고정된위치즉, 사고가발생할수있을것으로예측되는위치에해당장비를고정시키고모니터링하는방식으로실제작업자위치한곳에대한가스안전에대한보장은어렵다고판단된다. 이러한이유로본연구에서는가스검출및통신이가능한휴대용 IoT 장치를안전모에장착하여가스누출사고에서부터작업자의안전을도모하고자한다. 2.2 가스센서와사물인터넷가스센서는그역할에따라매우다양한종류가존재하게되는데그중대표적인가스센서는 MQ-2, MQ-3, MQ-4, MQ-5, MQ-7 등이있다. 이중 MQ-2 센서는 LPG, I-부탄, 프로판, 메탄, 알코올, 수소, 연기등다양한감지가가능하며가정및산업계의가스누설감지장치에사용하는등가스누출감지에적합하여본연구에서는가스감지 IoT 디바이스에 MQ-2 센서를적용하고자한다. MQ-2 센서를이용해감지된가스누출에대한정보를해당작업자및안전관리자에게실시간전달하기위해아두이노와블루투스를이용하여사물인터넷기반의장치를설계하고자한다. 사물인터넷이란다양한센서를각종사물에부착하고통신을통해인간과사물또는사물과사물간에상황인식또는상호소통을위한지능적인서비스라할수있다 [7]. 아두이노는오픈소스를기반으로하는단일보다마이크로컨트롤러로써센서값을받아환경과상호작용이가능한물건을제작하기에용이 [8] 하므로센서로부터받아온데이터를처리가공하고판단하는역할을수행할수있다. 블루투스를이용한통신방식은산업, 과학, 의료용으로할당된주파수대역을사용하므로별도의전파사용에관한허가를받을필요가없어개인무선기기에많이사용 [9] 되는장점을가지고있어본연구에서는가스검출을위한 IoT 장치와작업자의스마트폰과상호연결해주는통신방식으로사용하고자한다. 1412
안전모장착용가스누출경보 IoT 시스템설계및구현 Ⅲ. 디바이스및시스템설계본연구는안전모에 IoT 장치를장착하여가스누출에대해작업자에게신속히알려현장의인명을보호하고안전관리자로하여금현재의상황을직시할수있도록하기위한시스템이다. 가스누출감지용 IoT 디바이스는가스감지즉시해당작업자에게 LED를통해이사실을전달하고가스누출이현장에서 5초이상지속될경우작업자의스마트폰에현상황을전달하도록설계하였다. 그림 1. 안전모가스누출경보 IoT 시스템구성도 Fig. 1 Gas leak alarm IoT system configuration diagram for safety helmet 이를구현하기위해본연구에서는가스누출을감지하고작업자에게알리기위한 IoT 디바이스와디바이스에서감지한가스누출상황을안전관리자에게전달하기위한모바일애플리케이션으로구분하여설계하였다. 3.1 가스누출감지 IoT 디바이스설계 가스누출감지용 IoT 디바이스는가스감지를위한센서부, 센서로부터제공된데이터를판별하고해당이벤트를처리하기위한데이터처리부, 스마트폰과의연결을위한통신부로구성되어있으며작업자에게가스누출상황을시각적으로전달하기위한 LED와전원부인배터리로구성되어있다. 그림 3. 가스누출경보 IoT 장치알고리즘 Fig. 3 Gas leak alarm IoT device algorithm 3.2 가스누출상황감지모바일앱설계 가스누출감지용 IoT 디바이스가 5초이상지속적으로가스를감지하게될경우현장작업자가 LED 경보를확인하지못하였거나무시하였다고판단하고스마트폰에가스누출데이터를전달하게된다. 데이터를전달받은애플리케이션은현장작업자에게소리와진동을통해가스누출을알리고안전관리자에게해당작업자의위치및시간등을전달하여작업자와안전관리자가실시간으로현재상황을파악할수있도록설계하였다. 그림 2. 가스누출경보 IoT 장치구성 Fig. 2 Gas leak alarm IoT device configuration 그림 4. 가스누출경보모바일앱알고리즘 Fig. 4 Gas leak alarm mobile app algorithm 1413
JKIECS, vol. 13, no. 06, 1411-1416, 2018 Ⅳ. 디바이스및시스템개발회로를구성하고아두이노스케치를이용하여가스센서의정상동작및블루투스모듈의정상동작여부를시리얼모니터를이용하여확인하여야한다. 이때아두이노와컴퓨터및아두이노와블루투스의통신속도는 9600bps를적용하였다. 그림 7. 가스누출경보 IoT 장치조립 Fig. 7 Gas leak alarm IoT device assembly 그림 5. 가스누출경보 IoT 장치회로구성 Fig. 5 Gas leak alarm IoT device circuit configuration 본연구에서사용한블루투스모듈인 HC-06은사용전시리얼통신을이용하여모듈의초기값을설정하여야하는데먼저 AT+NAME 명령을이용하여블루투스의모듈이름을설정하고 AT+PIN 명령을통해상호연결을위한비밀번호를설정해주어야한다. 또한본연구에서사용되는블루투스모듈은슬레이브로동작하여야하므로 AT+ROLE=S 명령을이용하여슬레이브모드로세팅하여야한다. 이렇게초기세팅이완료되면가스센서로부터들어온값을블루투스를이용해전달하게된다. 이렇게구성된장치를안전모에장착하기위해케이스를설계하고 3D 프린터를이용하여케이스를제작하였다. 설계의내용과같이가스누출경보 IoT 장치는가스의누출을확인한즉시작업자에게알리기위해 LED를점등하고가스의농도가높거나 5초의시간이지난이후에도지속적으로가스가감지될경우작업자의모바일에이를전달하게된다. 현장작업자의모바일앱화면으로평상시좌측과같은화면에서가스가지속적으로감지되거나가스의농도가높은경우오른쪽과같이화면이변경되고상황을인지시키기위해알람과진동이동반된다. 그림 8. 현장작업자모바일앱실행화면 Fig. 8 Mobile app execution screen of on-site operator 그림 6. 가스누출경보 IoT 장치케이스설계 Fig. 6 Gas leak alarm IoT device case design 제작된케이스에가스누출경보 IoT 모듈을조립하여그림 7과같이안전모에장착할수있는가스누출경보 IoT 장치를완성하였다. 또한안전관리자는현재가스누출상황을실시간으로확인하고조치할수있도록그림 9와같이가스가누출된위치, 작업자의 ID 및가스누출시간등과같은데이터를수신할수있다. 1414
안전모장착용가스누출경보 IoT 시스템설계및구현 그림 9. 안전관리자모바일앱실행화면 Fig. 9 Mobile app execution screen of safety manager 이를통해안전관리자는현재가스누출상황을실시간으로확인하고통상적으로알려져있는연기질식사의골든타임인 5분이내에인명을구조할수있는방안을제시하고진행할수있을것으로예상한다. 초동조치가제대로이루어지지못했을경우반드시인명피해로이어지고재난으로발전될가능성이농후하다할수있다. 본연구는과거저자가화학공단에근무한경험을통해당시가스에질식또는유독가스에중독되는현장담당자들의위험성을인지하고해당위치에고정하여가스를검출하는비효율적인고정형태가아닌작업자의안전모에장착하는형태로휴대하여현재위치의위험을실시간으로검출할수있는가스누출경보 IoT 장비및모바일애플리케이션을설계개발하게되었다. 먼저가스누출사고등이발생하지않도록미리점검하는것이중요하지만혹시그렇지못한불가항력적인사항이발생한다면본연구를통해현장작업자의안전과더큰재난사고로부터안전을도모할수있기를기대한다. References 그림 10. 가스누출경보 IoT 장치안전모장착 Fig. 10 Gas leak alarm IoT device helmet mounted 시스템의최종테스트를위해그림 10과같이실제로장비를안전모에장착하고가스누출과관련된테스트를진행하여 IoT 장치와현장작업자의모바일앱, 그리고안전관리자의모바일앱이정상적으로상호작용하는것을확인할수있었다. Ⅴ. 결론 가스누출사고는교통사고등과비교한다면사고발생확률이확실히적다. 하지만가스누출사고는 [1] W. Oh, U. Lee, and J. Oh, A Development of gas discharge rate and dispersion monitering system, In Proc. of the Korean Institute of Gas Spring Conf., Busan, Korea, May 2018, pp. 171-171. [2] D. Cheon, D. Jung, D. Kwak, J. Kim, Y. Park, and S. Lee, A Study on the USN Sensor Node for Injurious Gas Sensing, Fire Science and Engineering, vol. 2009, no. 11, 2009, pp. 221-226. [3] D. Yoo, T. Yoon, W. Jung, and H. Choi, Private LoRa based Real-time Remote Gas Safety Monitoring System, In Proc. of Symposium of the Korean Institute of Communications and Information Sciences Conf., Jeju, Korea, June 2018, pp. 722-723. [4] D. Kim, I, Lee, I. Bang, D. Chun, and I. Kim, Development of the Smallest, High-accuracy NDIR Methane Sensor Module to Detect Low Concentration, J. of Sensor Science and Technology, vol. 27, no. 3, 2018, pp. 199-203 [5] D. Kim, S. Kim, and J. Ryu, Development of Fire and Gas Leak Detectors using Raspberry Pi and Smoke Sensors, In Proc. of the Korean Institute of Information Technology Summer 1415
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