무럭무럭 (스마트 콘크리트 자동양생 시스템)

시작하며,

저의 학부시절 진행했던 팀프로젝트에 대해 작성해보려고 합니다.
저는 건축공학 전공이여서 건축에서 발생하는 문제를 it기술로 해결해보고 싶었습니다. 해당 프로젝트를 통해 제가 it쪽으로 진로를 잡게된 계기기도 하고 제겐 애착도 많고 의미도 큰 프로젝트였습니다.

개요

콘크리트 양생

콘크리트는 타설 한 후 소요기간 (3일~7일)까지 경화에 필요한 온도와 습도를 유지해야합니다.

기존 콘크리트 양생의 문제점

• 열풍기, 스토프, 열선, 난로 등을 설치해 재래식으로 사람의 경험에 의존해 수동으로 양생하므로 정확한 온습도 조절이 어렵다.
• 화덕식을 많이 이용하는데 이는 유해가스가 발생해 환경오염과 인명사고를 일으킴.

스마트 콘크리트 양생 시스템의 필요성

• 센서를 기반으로 온도와 습도 조절을 자동화해 무인으로 공백없이 정확하고 균일한 품질의 콘크리트를 양생 할 수 있음.
• 충격, 변위 센서 등을 활용해 균열 같은 하자 발생을 예방 할 수 있다. 모니터링이 가능하다.

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목표

• 저렴한 가격
• 모듈화

 

 

 

기존 재래식 양생 방법은 위의 문제점을 가지지만 많은 사례와 경험으로 안정성을 인정받으며 사용되고 있다. 그렇기에 스마트 콘크리트 양생 시스템이 경쟁력을 갖기 위해서는 기존 방식보다 저렴해야 한다. 스마트 시스템을 활용하면서 줄어드는 인건비보다 부품 가격이 높아지지 않게 방향을 잡았다. 콘크리트는 시공 현장마다 규모와 형태가 다르므로 확장성, 유연성, 설치 및 해제가 쉽고 간편해야한다. 따라서, 단순한 모듈화를 목표로 삼았다.

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시스템 구상

메인단자

 

온습도 센서와 기상청 날씨 데이터를 기반으로 온도, 습도 조절 명령을 내림.
콘크리트 표면 온도, 습도를 기록
네트워크에 연결하여 핸드폰으로 모니터링 및 조작
예상 부품 : 아두이노, 온도 습도 센서, wifi 모듈, bluetooth 모듈

온도제어

콘크리트 양생은 크게 한중(겨울), 서중(여름)으로 나뉘며 한중은 난방, 서중은 냉방을 하게된다. 따라서, 모듈화로 Cooling이나 Heating 시스템을 연결해서 사용.

Cooling

 

쿨링 시스템은 수냉 방식으로 컴퓨터 수냉 처럼 콘크리트 표면을 냉수로 식히는 방법을 생각했다.
다양한 규모와 형태에 대응 하기 위해 값싼 냉매인 물을 이용해 쉽게 확장할 수 있도록 생각했다.
최종적으론 온도를 낮추고 습도를 올리는 것을 동시에 가능하도록 직접 물을 분사하는 것으로 완성했다. 그런데 겨울이 오면 아마 다 얼어버릴 것이다...

 

Heating

 

적외선 램프를 이용한 난방방법을 택했다. 다른 방안인 열선을 생각해봤는데 여러 이유로 탈락.
설치도 쉽고 굴곡등에도 대비가 가능해서 택했다. 제어도 편하고

 

습도 제어

 

콘크리트는 건조하면 균열이 생기므로 표면에 물을 뿌려 관리를 한다. 건조함을 센서가 감지하면 펌프로 물을 끌어와 물을 뿌려준다.

 

모니터링

 

블랙박스 시스템이라고 우린 칭했는데 충격 방지는 아이디어로만 남기로 했다. 충격방지야 충격받지마
대신 관리하는 온도 범위를 넘어서면 어플을 통해 이메일로 알림이 가는 기능을 추가했다.

 

플로우고리즘

 

제어부 

제어부 모습

제어부 코드

제가 원하는 콘크리트의 목표온도는 25도 입니다. 그래서 처음엔 25도를 기준으로 25도 미만이면 램프를 켜고 이상이면 키게 했습니다. 그랬더니 발생한 문제가 램프가 수시로 껏다 켜졌다 하는 문제가 발생했고 또, 실제로 콘크리트 내부 온도는 25도에 도달하지 못하는 문제가 발생했습니다. 그래서 저는 평균 콘크리트 벽 두께를 15cm 로 산정하고 콘크리트 논문을 찾아보아 콘크리트 비열을 알아 보았고 표면을 몇도까지 가열하면 중심부가 25도로 가열될지 계산했습니다.

그래서 해당 문제를 해결하기 위해 25도 기준으로 +- 3도의 offset을 두어 조건문을 추가했습니다.

난방부

난방부 코드와 하드웨어 모습

제어부로 부터 블루투스 신호를 받으면 램프를 on/off 합니다.

살수부

살수부 코드와 하드웨어 초기형태

제어부로부터 블루투스 신호를 받으면 펌프를 on/off 합니다.

웹서버

1.웹서버 2. 공공데이터 포탈 온습도 정보 3. 그래프

제가 만든 부분은 아니지만 스프링으로 공공데이터 포탈에서 온습도 정보를 받아오는 서버에 아두이노 기기가 wifi로 접속하여 해당 정보를 받아옵니다.

어플리케이션

어플리케이션 블럭코드, 화면, 메일 알림 기능

블럭코딩으로 어플을 제작했는데 설정한 온습도 범위를 넘어서면 이메일로 알림이 오게 했다.

 

기대 효과

기존 화석 연료 방식과 의 유지비용, 기기 비용 비교, 재활용 가능성

단순히 대회용으로 만들려는 프로젝트가 아니라 실제로 사용할 가치가 있는 제품을 만들고 싶었고, 그러기 위해서는 기존 방식보다 경제적이여야 한다고 생각했습니다.

 

그래서 건축 논문들을 많이 찾아보았고 해당 방식(전열기 난방)과 기존 갈탄 사용 방식을 비교하고 비용을 분석한 논문을 찾아 인용했습니다. 실제로 전기램프로 난방을 실시했을 때 유지비용이 갈탄으로 난방을 하는 방식보다 저렴했습니다. 이유는 산업용 전기세가 갈탄 연료비보다 저렴했고 인건비가 들지 않기 때문입니다. 다만 처음에 걱정되는 것은 초기 하드웨어 비입니다. 하지만 이 하드웨어는 계속해서 재활용이 되기 때문에 경제적이라고 판단했습니다.

마치며,

이번글에는 처음에 했던 구상들에 대해 작성해보았습니다. 다음글에 어떻게 구현했는지 작성하겠습니다. 이 프로젝트를 통해서 처음으로 아두이노로 코딩하는 것을 접했는데요 계획하면서도 내가 이걸 구현할 수 있을까?? 싶은 나날이었지만 독학하면서 밤새워서 만들었을때의 그 기쁨들이 아직도 잊을수 없네요. 앱 개발이나 공공데이터 연결은 제가 도저히 시간내에 배울수가 없어서 팀원을 새로 영입해서 협업했는데 못하는건 빨리 판단해서 누군가의 도움을 받는 게 좋은거 같습니다.