KR20240012765A - 선형 액추에이터를 이용한 스마트 공기 청정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세먼지 센서를 통해 측정된 값에 따라 선형 액추에이터의 작동을 조절하여 필터링 동작으로 전환시키는 스마트 공기 청정 시스템에 관한 것으로 Arduino 보드와 흡입팬 2개, 토출팬, 미세먼지 센서로 구성하였다. 전원 인가 시 실내 공기질 오염도는 상시 측정이 가능하도록 하고 1개의 흡입팬은 토글스위치와 동시에 작동하게 되도록 설계하고 나머지 1개의 흡입팬은 실내 공기질의 오염도가 2단으로 높아질 경우 자동으로 작동될 수 있도록 구성하여 미세먼지 센서가 측정한 미세먼지의 농도 값에 따라 서브 모터의 동작을 결정하고 1단과 2단 필터링 단계로 나뉘어 작동하며 측정된 오염도에 따라서 오염물질 제거 경로를 다르게 설정함으로써 오염도에 따라서 실내에 존재하는 오염물질을 신속하게 제거할 수 있는 것이 특징으로 공기 오염도에 따라 2단 시스템으로 구성되어 신속하게 오염물질을 제거할 수 있으며 효율적인 시스템 동작을 할 수 있어서 고가의 필터 교체 주기를 연장할 수 있는 효과를 제공하고 미세먼지의 투입과 토출 과정에서의 공기질 정보를 저장하고 확인할 수 있도록 설치된 디스플레이 장치를 통해서 사용자가 실내 공기질 환경 정보를 실시간으로 확인하여 공기 청정 시스템을 효과적으로 제어할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

Description

선형 액추에이터를 이용한 스마트 공기 청정 시스템{Smart air cleaning system using a linear actuator}

본 발명은 미세먼지 센서를 통해 측정된 값에 따라 선형 액추에이터의 작동을 조절하여 필터링 동작으로 전환시키는 스마트 공기 청정 시스템에 관한 것이다.

공기청정기는 송풍기에 의해 청정기 내로 강제 흡입된 실내의 공기가 내부에 설치된 필터 등을 통과하는 과정에서 공기 중에 함유된 먼지나 냄새 및 세균 등의 오염물질이 여과 및 살균되고 청정한 공기는 다시 실내로 토출되도록 하는 것이다.

IoT(Internet of Things)는 각종 사물에 센서와 통시 기능을 내장하여 인터넷에 연결하는 기술을 의미한다. 인터넷으로 연결된 사물들이 데이터를 주고받아 스스로 분석하고 학습한 정보를 사용자에게 제공하거나 사용자가 이를 원격 조정할 수 있는 인공지능 기술이다.

선형 액추에이터는 모터와 기구적 연결구조물을 일체화한 구조로 회전 운동을 직선 운동으로 변환하여 부하를 이동시키는 구조이며 정밀한 직선운동이 가능하고 정밀속도, 고토크 및 위치 제어가 가능하다.

아두이노는 오픈 소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로컨트롤러로 센서를 연결해서 주변 환경의 변화를 감지하게 할 수 있고 모니터나 LED를 통해 사물을 움직이거나 빛을 만들어내기도 하는 작은 신경계라고 할 수 있다. 또한 아두이노로 하드웨어를 제어하려고 할 때 추가적이 장비나 설정이 필요 없다. PC에서 아두이노 통합개발환경이라는 프로그램을 통해 아두이노 본체로 옮기면 바로 실행할 수 있고 간단한 함수 몇 개로도 하드웨어를 제어하는 것이 가능하다.

미세먼지는 인체의 기관에 걸러지지 않고 체내로 축적되고 축적된 미세먼지는 폐암과 여러 가지 기관지 질병을 유발하는 원인이 된다. 더욱이 미세먼지는 건물 외부뿐만 아니라 우리가 생활하는 내부 공간에서도 지속적으로 문제를 유발하고 있다. 즉 질병뿐 아니라 주거환경 및 사회적으로도 악영향을 끼치고 있는 실정이다.

실내외 공기질에 포함된 다양한 오염물질로부터 여러 피해를 받고 있는 현 상황에서 이러한 피해를 줄이기 위해 가전 및 산업용 공기청정기는 필수품이 되고 있으며 IoT 및 스마트 기술 시대에 맞게 다양한 기능을 추가한 공기청정기들에 대한 수요가 증가하고 있으며 개선된 스마트 공기 청정 시스템을 필요로 하고 있는 상황이다.

또한 공기청정기는 공기의 강제 순환을 위한 송풍기와 살균을 위한 음이온 발생장치 등을 내부에 설치하여 전력을 사용토록 고안된 것이므로 전력의 소모가 많았고 특히 작동할 때 소음과 진동이 발생하여 또 다른 공해가 유발되는 등의 문제가 있다.

황사, 미세먼지, 전염병을 유발하는 실내 세균 등 다양한 유해성 물질에 의해 대기 환경이 오염되고 있고 이러한 다양한 요소들로부터 유발되는 위험요소들은 단순한 공기청정기로는 관리할 수 없기 때문에 위험인자들을 검출하고 다양한 방법으로 공기질을 검사하고 관리할 수 있는 스마트 공기 청정 시스템이 요구되고 있다.

기존의 필터 수명 예측은 주변 환경 상태를 동시에 반영한 것이 아니기 때문에 실제 필터 상태를 감지하지 못하고 필터 교체 알림을 표시하여 사용자에게 불필요하게 빨리 필터를 교체하여 유지관리 비용을 자주 발생하게 하거나 필터 수명이 다해 제대로 된 공기 청정 능력을 사용하지 못하는 상태에서도 계속 사용하게 하는 등의 문제점을 초래한다.

미세먼지 센서를 2단계로 구성하여 실내 공기질 오염도를 측정한 후에 1단계 시에는 먼지망과 미세먼지 필터를 1개로 구성하여 오염물을 제거하고 실내 공기질 오염도 2단계 시에는 오염 농도 증가에 따라 1차와 2차 필터 쪽을 모두 자동 개폐하는 구조로 설계한다.

또한 시스템의 주요 구동원으로는 선형 액추에이터를 이용하고 전원공급은 SMPS를 이용하며 아두이노를 이용하여 자동 제어를 실행하도록 하고 공기질 청정 기능을 위해 오염도를 포함하고 있는 실내 공기를 흡입하기 위한 흡입팬과 오염물질을 제거한 공기를 실내로 공급하는 송부팬과 전환 시켜줄 필터로 구성하여 설계한다.

상시적이고 정확한 공기질 오염도의 측정을 위해 공기청정기의 흡입구와 토출구에 미세먼지 센서를 설치하여 공기질 오염도를 판정하고 그 결과에 따라 시스템을 작동시킬 수 있도록 구성한다.

본 발명에 따른 시스템은 공기 오염도에 따라 2단 시스템으로 구성되어 신속하게 오염물질을 제거할 수 있으며 효율적인 시스템 동작을 할 수 있어서 고가의 필터 교체 주기를 연장할 수 있는 효과를 제공한다.

미세먼지의 투입과 토출 과정에서의 공기질 정보를 저장하고 확인할 수 있도록 설치된 디스플레이 장치를 통해서 사용자는 실내 공기질 환경 정보를 실시간으로 확인하여 공기 청정 시스템을 효과적으로 제어할 수 있다.

또한 미세먼지의 투입과 토출 과정에서 저장된 공기질의 정보를 토대로 디스플레이 장치를 통해서 사용자에게 필터의 교체 시기를 알려줄 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 공기청정 시스템을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 기재함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 시스템의 동작 프로세스를 간략하게 설명하면 시스템 동작 이후에 실시간으로 실내 공기질을 측정하고 오염도가 심할 경우 외부에 알람 경고와 함께 오염도가 중간 또는 하위 단계가 될 때까지 개선 시스템이 동작되게 된다. 공기질의 오염도가 높으면 액추에이터의 동작을 통해 공기 흐름 경로를 변경하고 2개의 팬을 구동시켜 최단 시간에 공기질을 개선하는 프로세스를 실행하고 만약 공기질의 오염도가 낮으면 1개의 팬만을 구동시키므로 상대적으로 필터 및 시스템 사용에너지를 줄일 수 있다.

시스템의 효율적인 공기 청정 기능을 구현하기 위해 기본 구성은 Arduino 보드와 흡입팬 2개, 토출팬, 미세먼지 센서로 구성하였다. 전원 인가 시 실내 공기질 오염도는 상시 측정이 가능하도록 하고 1개의 흡입팬은 토글스위치와 동시에 작동하게 되도록 설계하였다. 나머지 1개의 흡입팬은 실내 공기질의 오염도가 2단으로 높아질 경우 자동으로 작동될 수 있도록 하였다.

전원 공급방식은 Switching mode power supply(SMPS)를 이용해 내부 전원을 공급하게 하였고 AC 어댑터를 이용하여 충전을 가능하도록 구성하여 무선으로도 사용할 수 있도록 설계하였다.

본 발명에 따른 시스템은 상시적으로 측정되는 실내 공기질 오염도를 판정한 후에 오염도에 따라서 시스템을 동작시켜 오염도를 제거하는 구성이므로 미세먼지 센서를 흡입구와 토출 쪽에 설치하였고 미세먼지 센서에서 계측되는 실내 공기질 오염도 정보를 저장하도록 하였다.

미세먼지 센서는 양옆으로 두 개의 소자 부착 LED 와 적외선 LED로 구성하였다. 적외선 LED는 공기 중의 먼지를 비추는 역할을 하며 먼지에 반사되는 것을 반대편에 위치한 적외선 수신 소자가 인식하여 실내 공기 오염도를 확인할 수 있도록 하려면 적외선 LED를 켜고 수신기로 값을 받을 수 있도록 하여야 한다.

따라서 미세먼지 센서의 펄스 파형을 확인하기 위해서 10ms 중 032ms 동안 LED를 켜고 나머지 968ms 동안 LED를 끄는 동작을 무한히 반복하고 적외선 LED가 028ms 흘렀을 때 적외선 수신기가 동작을 시작하고 그 후 004ms 흐르면 적외선 LED를 끌 수 있도록 설계한다. 또한 이후에 미세먼지 센서를 동작시키기 위해 220uF 전해 커패시터와 150Ω의 저항을 함께 연결하여 구성한다.

시스템의 구동부는 PM25까지 측정이 가능한 미세먼지 센서를 아두이노 보드와 연결하여 제어 가능하도록 설계하였다. 미리 설정된 미세먼지 오염도의 기준치에 따라 선형 액추에이터의 동작을 제어하도록 하였다.

미세먼지 센서가 측정한 미세먼지의 농도 값에 따라 서브 모터의 동작이 결정되어 1단과 2단 필터링 단계로 나뉘어 동작하도록 설계하였다. 또한 측정된 오염도에 따라서 오염물질 제거 경로를 다르게 설정함으로써 오염도에 따라서 실내에 존재하는 오염물질을 신속하게 제거할 수 있도록 구성하였는데 이는 필터의 사용 수명 시간을 연장시킬 수 있는 효과를 제공한다.

미세먼지 측정 농도가 낮은 1단계의 경우에는 흡입되는 공기가 필터 1개만 거치고 외부로 방출되도록 설계하였고 미세먼지 측정 농도가 높은 2단계의 경우에는 흡입되는 공기가 2개의 필터를 모두 거치고 외부로 방출되도록 설계하였다.

그리고 실내 공기질 개선 여부를 확인하기 위하여 흡입구와 토출구에 설치된 미세먼지 센서를 통해 미세먼지의 투입과 토출 과정에서의 공기질 정보를 저장할 수 있도록 구성하고 디스플레이 장치를 통해서 실내 공기질 환경 정보를 저장할 수 있도록 구성하고 디스플레이 장치를 통해서 실내 공기질 환경 정보를 확인할 수 있도록 구성하였다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 다음의 특허청구범위뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (3)

1. Arduino 보드와 흡입팬 2개, 토출팬, 미세먼지 센서로 구성하였다. 전원 인가시 실내 공기질 오염도는 상시 측정이 가능하도록 하고 1개의 흡입팬은 토글스위치와 동시에 작동하게 되도록 설계하였다. 나머지 1개의 흡입팬은 실내 공기질의 오염도가 2단으로 높아질 경우 자동으로 작동될 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 하는 선형 액추에이터를 이용한 스마트 공기 청정 시스템의 개발 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   시스템의 구동부는 PM25까지 측정이 가능한 미세먼지 센서를 아두이노 보드와 연결하여 제어 가능하도록 설계하고 미리 설정된 미세먼지 오염도의 기준치에 따라 선형 액추에이터의 동작을 제어하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 선형 액추에이터를 이용한 스마트 공기 청정 시스템의 개발 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   미세먼지 센서는 양옆으로 두 개의 소자 부착 LED 와 적외선 LED로 구성하고 적외선 LED는 공기 중의 먼지를 비추는 역할을 하며 먼지에 반사되는 것을 반대편에 위치한 적외선 수신 소자가 인식하여 실내 공기 오염도를 확인할 수 있도록 적외선 LED를 켜고 수신기로 값을 받을 수 있게 구성하는 것을 특징으로 하는 선형 액추에이터를 이용한 스마트 공기 청정 시스템의 개발 방법.