A Study on the Development of Smart Helmet for Forest Firefighting Crews

산불진화대원용 스마트 헬멧 개발에 관한 연구

하연철

, 진영우

, 박재문

, 도희찬

1

부산대학교 선박해양플랜트기술연구원,

부산대학교 조선해양공학과,

(주)오에스랩

A Study on the Development of Smart Helmet for Forest Firefighting Crews

Yeon-Chul Ha

, Young-Woo Jin

, Jae-Mun Park

, Hee-Chan Doh

1

The Korea Ship and Offshore Research Institute, Pusan National University

2

Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Pusan National University

3

OSLAB.Co..Ltd.

요 약 본 연구의 목적은 산불진화대원들을 안전하게 하고, 현장 정보를 실시간으로 제공하기 위한 스마트 헬멧을 개발하는 것 이다. 산불진화대원용 스마트 헬멧은 카메라, 영상/음성통신 모듈, GPS, Bluetooth 및 LTE 모듈 등을 모두 갖추어 산불진화대원 의 안전을 도모하고, 스마트 헬멧을 통해 현장 상황을 실시간으로 전송하고, 양방향 통신이 가능하도록 하였다. 제작된 스마트 헬멧을 이용하여 테스트한 결과 관제센터에서 현장 정보를 수신할 수 있었고, 현장 산불진화대원과 소통을 할 수 있었다. 현장 평가와 사용자 평가를 통해 스마트 헬멧의 개선이 필요함을 확인하였다. 개발된 스마트 헬멧은 산림재해 및 산림산업에 다양하 게 사용될 수 있을 것이다.

• 주제어 : 스마트 헬멧, 안전모, 산불진화, 디자인, 통신, LTE

Abstract The purpose of this study is to develop a Smart Helmet to safeguard forest firefighting crews and provide on-site information

• Key Words : Smart Helmet, Helmet, Forest Firefighting, Design, Communication, LTE

Received 3 May 2021, Accepted 29 June 2021

* Corresponding Author Yeon-Chul Ha, The Korea ship and Offshore Research Institute, Pusan National University, 2, Busandaehak-ro,

Ⅰ. 서론

산불 등 산림재난 대응 시 작업자의 안전 확보 및 작업 효율을 높여주는 산악형 웨어러블 장비의 필요성 이 대두되고 있다. 특히, 산불진화대원들의 안전확보 및 현장상황을 즉시 송·수신할 수 있는 스마트 헬멧 은 산불진화 등 재난상황에서 신속하고 안전한 대응을 위해 필요성이 강조되고 있다. 일반적으로 헬멧은 머 리의 상해를 방지하기 위해 착용하는 작업모이지만 ICT 기술과 접목되어 스마트 헬멧으로 나타나고 있다.

스마트 헬멧은 산업 안전 및 건강을 위하여 여러 연구 가 진행되고 있으며 특히 고위험 지역의 근로자를 위 해 점점 더 혁신적인 솔루션으로 구현되고 있다[1].

본 연구는 험준한 산림의 접근한계를 극복하고 산불 진화대원의 안전 확보 및 작업 효율 향상을 위한 스마 트 헬멧을 개발하는 것에 목적이 있다. 스마트 헬멧을 통해 모니터링, 환경 감시 및 다른 사람 간의 위험 감 지 등 작업 환경을 지속적으로 모니터링하고 이상 및 위험 상황에 대처하도록 할 것이다.

본 논문의 구성은 2장에서 스마트 헬멧의 동향과 디 자인 요구사항을 설명하였고, 3장에서는 산불진화대원 용 스마트 헬멧의 구성, 그리고 4장에서는 현장평가와 개선사항에 대하여 나타내었다. 개발된 스마트 헬멧은 산림재해 및 산림산업에 다양하게 사용될 수 있을 것 이라 기대된다.

Ⅱ. 관련 연구

2.1 스마트 헬멧 동향

헬멧은 머리 위쪽으로 떨어지는 낙하물체, 작업 또 는 운동을 하는 도중에 넘어져 머리가 다치는 것을 방 지하기 위해 착용하는 일종의 개인 안전장비이다. 헬 멧을 의무적으로 착용해야 하는 산업 안전 분야는 건 설업, 광산업, 조선업, 중공업, 철강업, 석유/화학/가스, 산림과 환경사업, 야간작업, 지하 공간 작업장 등으로 다양하다. 작업 외에도 오토바이, 자전거, 스키, 등산, 래프팅, 오지 탐험 등 레저활동 중에도 헬멧은 반드시 착용해야 하며, 이때 착용하는 레포츠용 첨단 헬멧은 고가임에도 불구하고 더 큰 고부가가치 산업으로 큰 시장을 형성하고 있다.

Table 1.에서는 스마트 헬멧 중 산업 현장용, 소방용,

레저용 헬멧으로 분류하여 예를 들었다. 분류된 스마 트 헬멧은 사용 목적은 다르지만 기술적으로는 ICT 및 IoT 기술이 접목되어 목적에 따라 기능을 하도록 디자 인 되었다.

Classification Products

Industrial

Fire Fighting

Leisure

Table 1. Examples of Smart Helmet products

2.2 산불진화대원용 안전헬멧

국내에는 산불진화대원용 안전헬멧이 별도로 지정되 어 있지 않으며, 소방용 안전헬멧의 요구 수준은 너무 높고 일반 안전헬멧의 성능은 산불진화대원이 사용하 기에 품질이 부족한 점이 있다[2]. 따라서, 산불진화대 원용 안전헬멧에 대한 요구 조건 등을 고려한 스마트 헬멧의 개발이 필요하다 할 수 있다.

현재 사용하고 있는 산불진화대원용 안전헬멧은 비 교적 무게가 가볍고, 전자 부품이 없음으로 고장 및 파손이 적고, 헬멧 내부 내피 교체가 비교적 자유롭다 는 장점과, 착용감이 한쪽으로 쏠림이 발생하고, 귀 덮 개가 없음으로 화재 진압에 부적합하고, 통신 및 Light, 고글 등 별도의 파츠가 없고, 별도의 파츠를 사용할 수 있는 마운트가 없으며, 특히 공기구멍이 없음으로 답답함이 가중되는 단점을 가지고 있다.

Table 1.에서는 산불진화대원용 스마트 헬멧을 개발 하기 위해 분석된 사용자의 디자인 요구사항을 나타내 었다.

산불진화대원은 험준한 산악지형을 도보로 이동하고, 산불 진화 또는 작업 시 보호 장구에 의해 불편함이 가중되고 있으므로 이를 해결하기 위해 산불진화대원 용 스마트 헬멧은 현장에서의 사용성, 사용자를 위한 편리성, 현장의 심리적 환경과 사용자의 신체 사이즈 를 고려한 인간 공학적 설계가 필요하고[3], 긴급 상황 에서 현장 지휘부와의 원활한 통신과 거동을 자유롭게 할 수 있는 시스템 매립 및 장착형이 되어야 한다. 즉, 스마트 렌즈, 스피커, 전원 모듈, 통신 모듈 등이 헬멧 에 매립 또는 장착되어야 한다는 것이다. 또한, 기존에 사용되고 있는 무전기를 대신할 수 있는 LTE 및

Bluetooth 통신 방식으로 변경이 요구되어 지고 있다.

그 외에 내열, 방수 등을 고려한 소재 선정 및 디자인 이 필요하다.

Classification Design Requirements

Design

·Usability in the field

·Convenience for users

·Ergonomic design

Module

·Smart Lens

·Speakers

·Power

·Communication(LTE, Bluetooth, GPS) Communication

Methods

·LTE

·Bluetooth Table 2. Design Requirements

Ⅲ. 산불진화대원용 스마트 헬멧

3.1 스마트 헬멧 디자인

처음 디자인된 산불진화대원용 스마트 헬멧은 앞서 관련 연구에서 논의되었던 인간 공학적 설계 부분은 배제하고 기능적인 측면에 초점을 두고 디자인 되었다.

추후 재설계되는 제품에는 편의성과 사용자의 신체 사 이즈 등을 고려한 인간 공학적 디자인이 적용될 예정 이다.

(a) Front Side (b) Back Side

(c) Left Side (d) Right Side Fig. 1 Designs of Smart Helmet for Forest Firefighting Crews

산불진화대원용 스마트 헬멧은 카메라, GPS, 통신 모듈, 전원, 스피커 등의 모듈이 헬멧에 내장된 형태이 며, 이를 통해 현재 위치 인식, 비디오 전송 및 음성

통신, 응급 상황 시 긴급 호출 기능 등을 제공할 수 있다[4].

Fig. 1은 산불진화대원용 스마트 헬멧의 디자인 도면 으로서 정면, 측면(좌, 우), 후면을 나타내고 있다.

스마트 헬멧의 기능 배치를 보면 정면에 카메라, 배 터리 상태 표시등, LED Light를 배치하였고, Mainboard 는 헬멧 내부에 매립하였다. 후면에는 전원 버튼을 두 었고, 좌측면에는 영상 촬영용 카메라 버튼과 PTT(Push To Talk)용 버튼을 배치하였다. 마지막으로 우측면에는 LED Light 버튼과 비상 상황을 알리기 위 한 SOS 버튼을 배치하였다.

Fig. 2는 디자인을 바탕으로 제작된 실물 산불진화대 원용 스마트 헬멧 시제품이다.

(a) Front Side (b) Back Side

(c) Left Side (d) Right Side Fig. 2 Smart Helmet for Forest Firefighting Crews

3.2 스마트 헬멧 하드웨어

스마트 헬멧은 통신 모듈, 카메라, 메모리, 이어폰, 헤 드 램프, 배터리 등이 스마트 헬멧 내부에 내장되어 있으며, 주요 사양은 Table 3.과 같다.

Fig. 3은 스마트 헬멧 내부에 매립되어 있는 통신 모 듈을 나타내고, Fig. 4는 메모리 및 스토리지 부분을 나타낸다.

Item Contents Communication

Module

Bluetooth 4.1 WiFi 2.4GHz, 5GHz

LTE support GPS+IMU

Size 286mm×240mm×160mm

Camera 2megapixel, Wide angle Memory & Storage 2G memory, 16G storage

Earphone Socket 3.5mm Earphon Socket

Head Lamp LED light

Battery

Standby mode: 24H Maximum Usage: 3.5H

Capacity: 2000mAh

Charging Time 2 hours

Weight 600g

Table 3. Specification of Smart Helmet

(a) LTE, WiFi (b) Bluetooth, GPS Fig. 3 Communication Module

(a) Front Side (b) Back Side Fig. 4 SD Card Module

스마트 헬멧은 앞서 설명한 통신 모듈을 포함하여 대부분의 모듈이 헬멧에 내장되어야 한다. 그 이유는 헬멧의 고유 기능인 안전을 목적으로 하는 것도 있지 만, 착용 후 별도의 모듈들이 외부에 부착되면 서 발 생할 수 있는 거부감 등을 해소하여야하기 때문이다.

Fig. 5는 통신 모듈이 헬멧 내피 상부 공간에 위치된 것을 나타낸다.

(a) Memory (b) Comm. Module Fig. 5 Module Embedded Type

배터리는 스마트 헬멧의 후면의 전원버튼이 있는 곳 에 부착하였다. 배터리 충전의 용이성을 위하여 후면 에 위치하였으며, Fig. 6은 전원 및 배터리를 나타내고 있다. 배터리는 대기 모드일 때 24시간, 모든 모듈이 동작되었을 경우에는 3.5시간의 사용 시간을 가지며, 용량은 2000mAh이다. 충전시간은 2시간이 소요된다.

Fig. 6 Power and Battery

3.3 스마트 헬멧 관제 소프트웨어

스마트 헬멧은 현장에서 LTE 통신을 통해 관제센터 와 연결된다. 스마트 헬멧의 통신 모듈과 카메라 모듈 등을 이용하여 현장의 영상/음성이 관제센터로 전송되 게 되면 Fig. 7와 같은 관제센터 GUI를 통해 화면으로 확인할 수 있다.

Fig. 7 GUI of Control Center

관제센터 GUI의 구성은 좌측에 사용자 리스트를 디 스플레이하고, 중앙에 현장 위치 지도와 영상 화면을 배치하였다. 스마트 헬멧이 활성화되면 지도에 현장 사용자의 위치가 표시되고, 현장 사용자를 클릭하게 되면 사용자 ID, 이름, 상태, 위도, 경도, 주소 데이터 등을 관제센터 요원이 확인할 수 있다. 또한, 관제센터 요원은 관제센터에서 현장 사용자에게 영상/음성 통화 Call 요청과 Stop 요청, 메시지를 송/수신할 수 있고, GPS 셋업도 가능하다. 이러한 기능들을 통해 산불현장 또는 작업현장 등에 대한 실시간 모니터링이 가능하게 된다.

3.3.2 GPS를 이용한 사용자 위치 추적

산불진화대원들의 실시간 위치는 안전을 위하여 매 우 중요한 사항이다. Fig. 8에 나타난 바와 같이 중앙 화면의 지도를 통해서 추적 동선을 알 수 있고, GUI 우측 화면을 통해 위도와 경도 데이터를 볼 수 있다.

이를 통해 산불진화대원이 활동한 위치 등의 이력 데 이터를 수집하여 분석할 수 있다.

Fig. 8 GUI of User Location

Fig. 9 GPS Setup Mode

Fig. 9는 GPS 설정 화면을 나타내며, GPS 모드와 주 기를 설정할 수 있다. 주기는 5초에서 20분 간격으로 설정할 수 있다.

3.3.3 스마트 헬멧 SOS 버튼 구현

스마트 헬멧에 구현된 SOS 버튼을 활성화 시키면 자 동으로 관제센터로 연결되고 사용자의 위치 및 실시간 영상이 관제센터로 수신되게 된다. Fig. 10은 스마트 헬멧의 SOS 버튼을 누른 후, 관제센터 GUI에 현장 위 치와 현장 화면이 표시되는 것을 나타낸다.

Fig. 10 Smart Helmet SOS Button

Ⅳ. 평가 및 개선 요청 사항

4.1 현장 평가

제작된 스마트 헬멧을 현장에서 직접 산불진화대원 들이 착용하고 평가를 진행하였다. 산불진화대원이 스 마트 헬멧을 착용하고 현장 주변을 이동하면서 관제센 터와 통신 및 영상 전송 등을 진행하였다.

스마트 헬멧의 현장 실험 결과, 영상/음성 송수신, 데이터 송수신, 위치 추적 등 주요 기능이 정상적으로 동작하는 것을 확인하였다. 그러나 산악 지형에서 LTE 서비스가 원활히 되지 않는 것을 확인하였으며, 이를 해결하기 위하여 2021년부터 진행되는 국가 재난안전 통신망(PS-LTE)을 적용할 예정이다. PS-LTE는 700MHz 대역의 주파수대를 사용하기 때문에 현재 LTE망보다 는 산악 지형에서 원활한 서비스가 될 것으로 예상되 며, 이를 보완할 수 있는 Device-to-Device 기술을 적 용하여 통신망 연결이 원활하지 않는 경우를 대비하고 자 한다.

(a) Smart Helmet (b) Control Center Fig. 11 Field Test

4.2 개선 요청 사항

현장 평가 및 사용자들의 평가를 통해 개선 요청 사 항은 아래와 같다.

ㅇ 경량화 및 무게 중심

ㅇ 다양한 파츠 탈부착이 가능한 레일 및 홀 필요 ㅇ 화재 발생 시 얼굴 옆면 및 귀 보호

ㅇ 열로부터 안면을 보호하기 위한 쉴드(탈부착) ㅇ 통신용 짧은 이어폰 또는 스피커 장착 ㅇ 헬멧의 형태는 Half Type으로 변경

따라서, 다시 제작되는 스마트 헬멧에는 상기 개선 요청 사항을 반영하여 디자인을 진행할 예정이다.

Ⅴ. 결론 및 고찰

본 연구는 산불진화대원에 특화된 스마트 헬멧 개발 에 관한 것으로, 1차적으로 스마트 헬멧의 기능에 중 점을 두고 개발하였다. 스마트 헬멧의 디자인은 모듈 매립형으로 하였고, 스마트 헬멧을 통해 영상/음성 통 신, 위치 추적, 긴급상황 호출 기능 등을 구현하였다.

시제품을 제작하여 현장 평가를 통해 스마트 헬멧이 산불진화대원에게 유용하게 활용될 수 있음을 확인하 였다. 하지만, 개선사항이 많이 도출되어 이를 반영한 업그레이드된 스마트 헬멧을 개발하여야 한다는 결론 또한 도출하게 되었다. 특히, 산악 지형에서 LTE 서비 스가 원활하지 않는다는 점은 큰 문제점이 될 수 있으 므로 꼭 개선되어야 할 부분이라 판단된다.

따라서, 재난안전통신망의 적용, 인간공학적 디자인 의 적용, 스마트 헬멧 애플리케이션 개발 등이 추후 연구과제로 진행되어야 될 것이다.

ACKNOWLEDGMENTS

본 연구는 산림청 ‘산림과학기술실용화지원사업(과 제번호 : 2021294D10-2121-AD02)’의 지원에 의하여 이루어진 것입니다.

REFERENCES

[1] Israel Campero-Jurado, Sergio Marquez-Sanchez, Juan Quintanar-Gomez, Sara Rodriquez and Juan M.

Corchado, “Smart Helmet 5.0 for Industrial Internet of

Things using Artificial Intelligence,” Sensors 2020, no.

21: 6241, https://doi.org/10.3390/s20216241

[2] S. T. Hong, J. H. Jeong, S. Y. Kim, C. G. Kwon,

"Performance Evaluation Criteria for Safety Helmets of Forest Firefighting Crews,”Fire Science Engineering, pp.

66-77, 2019 (in Korean).

[3] J. H. Hwang, W. Y. Jeong, "Structure and Technology of Personal Protection Helmets,”Journal of the Korena Society of Clothing and Textiles, pp. 771-781, 2017 (in Korean).

[4] C. Grant, A. Bryner, A. Jones, G. Koepke, "Research Roadmap for Smart Fire Fighting,”NIST Special Publication 1191, pp. 23-37, 2015.

저자소개

하 연 철 (Yeon-Chul Ha)

2000년 2월 : 창원대학교 전자공학과(공학석사) 2007년 8월 : 창원대학교

전자공학과(공학박사) 2012년 3월~현재 : 부산대학교

부교수

관심분야 : 수중드론, 조선해양 ICT융합, 전기추진선박

진 영 우 (Young-Woo Jin)

2018년 3월~현재: 부산대학교 조선해양공학과(학부연구생) 관심분야 : 조선해양 ICT,

재난안전통신망

박 재 문 (Jae-Mun Park)

2007년 2월 : 창원대학교 전자공학과(공학석사) 2011년 2월 : 창원대학교

전자공학과(공학박사 수료) 2015년 8월~현재 : ㈜오에스랩

기술개발팀장

관심분야 : IoT 임베디드 시스템, 조선해양 ICT 제어 시스템, 친환경에너지 응용기술

도 희 찬 (Hee-Chan Doh)

1996년 2월 : 동아대학교 전자공학과(공학석사)

2007년 8월 : University of Texas at Arlington Electrical Engineering(공학박사) 2015년 3월~현재 : ㈜오에스랩

대표이사

관심분야 : RFIC, RF통신 및 조선해양 ICT 시스템교육