공동주택 저수조의 효율적 관리를 위한 탁수 유입 및 필터 교체주기 알림시스템 개발 :Development of notification system for turbid water inflow and filter clogging for water tanks in apartment buildings

홍민지

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자료유형: 학위논문

저자정보: 홍민지 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 황유훈

발행연도: 2022

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

공동주택 저수조의 효율적 관리를 위한 탁수 유입 및 필터 교체주기 알림시스템 개발

홍민지 2022.01 학위논문

2021

아두이노를 활용한 공동주택 저수조의 탁수 유입 감시 및 필터 교체주기 자동측정 시스템 개발 연구

홍민지 , 황유훈 대한환경공학회 학술발표논문집 2021.11 학술대회자료

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본 연구에서는 공동주택 저수조의 효율적 관리를 위하여 아두이노 기반의 탁수 유입 및 필터 교체주기 알림시스템을 개발하였다. 국내에서 세계적인 수질의 수돗물이 생산되고 있음에도 불구하고 인천 붉은 수돗물 사건, 깔따구 유충 발견 사건 등 수질사고가 지속적으로 발생하고 있다. 국내에 가장 많은 거주 비율을 차지하고 있는 공동주택의 경우, 저수조 관리와 관련된 법령 체계가 미비하여 수질사고 발생 시 사고 대응에 취약한 상황이다. 따라서 최근 수질관리를 위하여 공동주택 저수조에 필터시스템을 설치하는 것이 관심을 받고 있다.
따라서 본 연구에서는 공동주택 저수조의 효율적 관리를 위하여 아두이노와 IoT기술을 활용하여 공동주택 저수조 필터 모니터링 시스템을 개발하였다. 저렴하고 간단하게 설계 가능한 아두이노에 명도, 색도, 압력센서를 연결하여 원격으로 탁수 유입과 필터 폐색 여부를 파악하고, 이를 기반으로 알림을 줄 수 있는 시스템 알고리즘을 구축하였다.
설계된 장치는 실험실 내에서 인공탁수를 유입시켜주며 활용성을 평가하였다. 저농도 탁수 유입 실험 결과, 명도센서와 색도센서를 통하여 극미량의 탁수 유입에 따른 필터 변색을 효과적으로 탐지할 수 있는 것으로 나타났다. 탐지 기준으로는 명도와 색도 변화율의 SNR (Signal-to-Noise, 신호대잡음비)를 사용하였으며, SNR 5 이상의 값을 탁수 유입 판단 기준으로 설정하였다. 각각 다른 종류의 탁수를 유입시켜 실험한 결과, 탁수 구성성분별로 색도(Red, Green, Blue)의 비율이 각기 다른 일정한 값으로 수렴하는 것으로 나타났으며, 추후 색도 관찰을 통하여 탁수 구성 물질을 판별할 수 있을 것으로 기대된다.
필터 파과 및 교체주기를 파악하기 위하여 다양한 조건에서 장기 실험을 진행한 결과 유입 유량, 필터 공극, 탁수 농도에 관계없이 필터 파과에 따른 압력증가 시점과 탁도 증가 시점이 유사한 것으로 나타났다. 초기 압력대비 압력변화율과 유출되는 탁도의 상관관계를 분석한 결과 대부분의 조건에서 결정계수의 값이 0.9 이상으로 매우 유의미한 상관관계를 보였으며 유입 유량에 따라 변화양상이 유사하게 나타났다. 따라서 압력변화를 통하여 필터 폐색 및 파과 여부를 파악할 수 있다고 판단된다.
실험으로 도출된 탁수 유입 및 필터 파과 여부 판단 로직을 기반으로 ‘관심, 주의, 경계, 심각’의 4단계 수질상황 알림 알고리즘을 구축하였다. 실제 공동주택 저수조 현장에 적용 평가를 진행한 결과, 장기간 안정적으로 시스템이 운전되었으며 현장의 펌프 가동 패턴에 따라 측정항목이 변동됨을 확인하였다. 현장 특성을 반영하여 정확한 알림 도출을 위한 로직을 최적화하여 안전한 상수도 공급을 보장하는 모니터링 체계를 구축할 수 있을 것으로 기대된다.

In this study, an Arduino-based filter monitoring system was developed for effective management of water tanks in apartment buildings.
Although world-class tap water is produced in South Korea, the Incheon red tap water incident, Chironomus larva discovery and other red water and water shortage accidents continue to occur. The damage caused by water quality accidents is massive, and economical loss is severe. Moreover, such incidents diminish the public’s trust in tap water.
Water quality accidents occur when sediments in pipes are supplied through tap water due to aging water supply pipelines and excessive water system conversion. In the case of apartment houses, which account for the largest proportion of residential units in South Korea, water tank management is deficient, and the relevant legal system to enforce it is inadequate, which makes water tanks vulnerable to water quality accidents.
Therefore, in this study, a monitoring system for the water tank filters in apartment buildings was developed using Arduino and IoT technology to realize efficient water tank management. The proposed system uses grayscale, color, and pressure sensors, and it is connected to an inexpensive and easy-to-design Arduino as the microcontroller unit (MCU). A system algorithm that can remotely detect turbid water inflow and filter clogging was developed to notify water quality in water tanks.
Laboratory experiments were conducted for performance evaluation of the designed system device. In the low-concentration turbid water inflow test, it was found that color change of filter due to the inflow of a trace amount of turbid water could be effectively detected using the grayscale and RGB color sensors. A signal-to-noise ratio (SNR) of 5 or higher for the grayscale and color change rate was set as the detection standard for determining the inflow of turbid water. The ratios of the colors R, G, and B for each turbid water component converged to different constant values in the experiment when different types of turbid water were introduced. It is expected that the turbidity constituents can be identified by observing the RGB colors.
Long-term experiments were conducted under various conditions to identify filter breakthrough and replacement cycle. The time of pressure increase and turbidity increase due to filter breakthrough were found to be similar, regardless of inflow flow rate, filter pore size, and turbidity concentration. A correlation analysis between the rate of pressure change relative to initial pressure and the outflow turbidity yielded an R-square value of 0.9 or higher under most conditions, which indicated an extremely close correlation. The change patterns of turbidity and pressure were similar with changes in the flow rate. Therefore, pressure changes can be used to determine whether the filter is clogged or broken through.
The water quality notification algorithm was suggested in four stages, namely “interest, caution, alert, and serious” based on the logic of turbidity inflow and filter breakage judgement. The filter monitoring system was installed in an apartment in Gunpo-si for field evaluation. Long-term operation of filter monitoring system was stable, and the monitoring factors were changed according to the water use pattern and pump operation pattern at the site. The logic for accurate notifications was optimized by reflecting the site characteristics. It is expected that through continuous optimization, the proposed filter monitoring system can guarantee safe water supply.

#수질사고 #공동주택 #저수조 #필터모니터링 #알림시스템

요약 ⅰ
표목차 ⅴ
그림목차 ⅶ
Ⅰ. 서 론 1
1. 연구의 배경 및 목적 1
2. 이론적 배경 3
1) 상수도 수질사고 3
(1) 상수도 시스템과 상수도 안전 3
(2) 국내 상수도 수질사고 발생 사례 4
(3) 국외 상수도 수질사고 발생 사례 4
(4) 국내 상수도 수질사고 대응체계 5
2) 공동주택 저수조 관리 현황 8
(1) 국내 저수조 및 급배수 시설 현황 8
(2) 국내 공동주택 저수조 관리 법령 11
(3) 국외 공동주택 저수조 관리 13
(4) 국내 공동주택 저수조 관리 기술 사례 14
3) 아두이노와 IoT를 활용한 수질 모니터링 연구 16
(1) 아두이노의 개념 및 특징 16
(2) IoT 기술 17
(3) 아두이노와 Iot를 활용한 수질 모니터링 연구 사례 19
3. 연구 내용 23
Ⅱ. 공동주택 저수조 필터 모니터링 시스템 설계 25
1. 서론 25
2. 공동주택 필터 모니터링 시스템 설계 25
1) 모니터링 인자 및 센서 선정 25
2) 적용 필터 및 하우징 선정 27
3) 필터 모니터링 하드웨어 구성 28
4) 필터 모니터링 시스템 프로그래밍 구성 29
3. 결론 32
Ⅲ. 공동주택 저수조 필터 모니터링 시스템 활용도 평가 33
1. 서론 33
2. 실험 재료 및 시스템 활용도 평가 방법 34
1) 실험 재료 및 장치 운전 방법 34
2) 저농도 탁수 유입 탐지 평가 방법 35
3) 탁수 구성성분별 탐지 평가 방법 36
4) 장기 파과 관찰 실험 방법 37
3. 활용도 평가 결과 37
1) 저농도 탁수 유입 탐지 평가 37
2) 탁수 구성성분별 탐지 평가 47
3) 장기 파과 관찰 실험 52
4. 알림 로직 도출 및 알림시스템 제안 63
1) 알림시스템 로직 도출 63
2) 최종 알림시스템 제안 65
5. 결론 68
Ⅳ. 공동주택 저수조 필터 모니터링 시스템 현장 적용 평가 69
1. 서론 69
2. 현장 저수조 현황 및 특성 분석 69
1) 공동주택 저수조 수질항목 분석방법 69
2) 설치대상 공동주택 저수조 현황 조사 71
3) 시스템 설치 공동주택 선정 및 수질분석 75
3. 공동주택 저수조 필터 모니터링 시스템 설치 및 운전 평가 76
1) 현장 저수조 필터 모니터링 시스템 구성 및 설치 76
2) 필터 모니터링 시스템 현장 적용 결과 80
4. 결론 86
Ⅴ. 종합 결론 87
부록 89
참고문헌 90
영문초록(Abstract) 96

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