실내 IOT 환기시스템 설계

1. 개요

과거에 실내 공기질 측정 시스템을 기획한 적이 있는데, 그동안 개발 업무와 바쁜 일정으로 인해 보류 되었었다.

https://machinejw.tistory.com/80

IoT 실내 공기질 센서

최근 제어공학을 열심히 공부하고 있는 바 과거 조사했던 내용을 바탕으로 실내공기질을 측정하고 환풍기를 제어하는 IoT 시스템을 설계해보고자 한다.

2. 제어 시스템 블록도

폐루프 제어시스템을 기반하여 블록도를 구성해보았다.

• 제어 설정부 : 실제로 제어 시스템을 동작시키는 기준 신호를 발생하는 장치로 버튼이나 HMI 또는 IoT 웹 정도로 볼수 있겠다. 
• 비교부 : 기준입력과 귀환요소 데이터를 바탕으로 비교하여 오차를 알아내는 장치이다. 굳이 분류하자면 비교부의 역할은 마이크로 프로세서에서 수행한다.
• 제어장치 : 제어공학에서 가장 중요한 장치로 동작신호에 따라 제어대상을 제어하는 조작량을 만들어내는 장치이다. 여기서도 조절부와 조작부로 나눌 수 있지만 매커니즘이 복잡해지기 때문에 제어장치로 통합하였다. 제어장치는 기계설비에서 PLC로 주로 구성되며, 본 환기 시스템 설계에서는 제어장치의 역할을 수행하는 컨트롤보드를 별도로 제작하여 사용한다.
• 제어대상 : 전체 제어시스템에서 직접 제어를 받는 대상을 의미한다. 본 시스템에서는 환풍기, 환기구 등을 제어하므로 220V로 동작하는 환기장치 정도로 볼 수 있겠다.
• 목표값 : 제어시스템에서 사용자가 목표로 설정하는 값이다. 목표값이 시간에 따라 변하지 않고 항상 일정하면 설정 값이라고도 한다. 본 시스템에서는 실내 공기질 상태를 목표값으로 지정하였다.
• 귀환요소 : 제어량이 목표값과 일치하는지를 알기 위해 제어량을 귀환 시키는 장치를 의미한다. 귀환요소는 센서나 계측장치가 많이 사용되며, 본 시스템에서도 다양한 실내공기질 센서가 귀환요소로 작용한다.

IOT 컨트롤러를 제작/개발하여 표시된 부분을 구현할 예정이다.

3. 실내 IoT 환기 시스템 설계/기획

(1) 제어출력 (디지털 ON/OFF)

설계도는 간단하게 PPT로 그려보았다.. 나중에 CAD나 공부해보도록 하자

• 제어 시스템에서 제어대상이되는 환기장치는 사실 엄청난 기술력이 들어간 것은 아니다.
• 모터 ON/OFF 디지털 수행 정도의 역할만 수행하기 때문에 선풍기 제어 매커니즘보다 더 쉽다. (선풍기는 모터의 세기를 조정해야하니....)
• 그러한 관점에서 대부분의 환기 장치들은 220V ON/OFF로 동작하기 때문에 컨트롤러의 출력은 220V 릴레이 스위치를 사용하여 출력하고자 한다.

(2) 외부 보호케이스 (컨트롤 패널)

• 케이스/보호 역할은 전기 (하이) 박스를 구매하여 조립/가공할 예정이다.
• 가공은 외주업체를 통하여 진행하여 보고자 한다. 조사해보니 패널 인쇄/가공을 전문적으로 하는 업체가 있다.

컨트롤 패널을 대략적으로 그려보았다.

• 전면 패널의 구성은 HMI 터치 디스플레이 부분과 표시 램프 정도로 간략하게 구성해보았다.

(3) IOT 환기 시스템 컨트롤러 내부 구성도

내부 구성도로 아키텍처를 간략하게 나타내보았다.

• 전원은 간편하게 220V AC 전원을 사용할 예정이다.
• 컨트롤보드의 전원은 AC/DC 컨버터를 통하여 전원이 들어온다. (DC 5V)
• 공기질 흡입구와 배기구를 배치하여 센서부에서 공기질을 정확하게 감지 할 수 있도록 한다. (DC 5V 작동하는 FAN을 활용한다.)
• 표시 램프등을 보드와 케이블로 연결하여 램프 출력부에서 제어한다.
• HMI와 통신할 수 있는 단자를 배치하고 컨트롤보드와 케이블로 연결한다.