< 연구 결과요약서 >< 연구 결과요약서 >

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과 제 명 화장실 악취 해결 방안에 대한 연구

연구목표 화장실 악취에 대한 효과적인 해결 방안을 탐구하고, 이를 자동 제어 장치를 활용하여 적용해본 다.

연구내용

□ 이론적 배경 및 선행연구

○ 이론적 배경 1) 아두이노

물리적인 세계를 감지, 제어할 수 있는 객체들과 디지털 장치를 만들기 위한 도구.

2) 공기 품질 센서

감소된 가스 분자 수에 비례하여 공기의 품질을 측정하는 센서.

3) 초음파 센서

초음파를 발생시켜 거리나 두께, 움직임 등을 검출하는 센서.

○ 선행 연구

공중화장실 복합악취 및 개선에 관한 연구

- 위 연구에서는 화장실의 악취의 원인에 대해 분석하고, 그 원인을 암모니아, 황화수소 등의 농도가 짙음을 직접 분석을 통해 제시하고 있으며, 개선 방향으로는 설치가 미비한 화장실 방향제와 수세식 화장실 및 화장지 부족 등의 문제를 해결하는 것을 제안하고 있다.

한국의 공중 화장실 개선 경험 및 시사점

- 기획재정부에서 발표한 위 내용에서는 화장실의 변천에 대해 알려주며 사람들의 화장실 경험에 대해 분석하고, 그것이 한국 공중 화장실에 시사하고 있는 바에 대하여 정리해 놓았다.

□ 연구 주제 선정

○ 연구 목적

- 다양한 센서를 접목할 수 있고 제어가 가능한 “아두이노” 장치를 활용하여 학교 생활 속 문제 중 악취문제를 공학적으로 해결함을 목표로 한다.

- 기존의 방향시스템보다 효율적인 방향시스템을 구축해 학교 화장실뿐만 아니라 다른 화장실 에도 적용할 수 있는 방향시스템을 구축함을 목표로 한다.

○ 연구의 필요성

- 학교 학생들을 대상으로 화장실 악취문제에 관련된 설문조사하였는데, 화장실 악취문제가 있다고 생각하는 학생들의 수가 80% 이상이었다. 이에 우리는 악취 문제를 해결하기 위한 방법으로 학교 지리적 특성, 시설을 고려하여 알맞은 방향시스템을 구축하기로 하였다.

- 선행 연구에서는 화장실의 악취를 제거하기 위해 시간에 따른 자동 분사 방향 장치를 제안하 고 있다. 실제로 최근 대부분의 공중 화장실에는 일정한 시간에 분사하는 방향 장치가 있다.

허나, 이면에 불편함을 안고 있다. 분사되는 순간 지나가던 사람이 방향제를 맞는다거나, 굳이 방향을 하지 않아도 될 순간에도 방향을 하게 되는 문제가 있었다.

□ 연구 활동 및 과정

○ 악취 문제 인식

< 연구 결과요약서 >

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설문 분석 <남> <여>

악취 정도가 심하다 80% 62%

방향제로 달자 80% 92%

화장실을 개선하자 94% 100%

시설이 좋지 않다 30% (보통: 46%) 30% (보통: 46%)

화장실 냄새는 괜찮다 52% 38%

지금 화장실이 좋다 34% 31%

표 1. 화장실 실태

악취의 원인 대변 소변 바깥 냄새 기타

비율 77% 6% 11% 6%

표 2. 악취의 원인

평소 학교 화장실을 사용하면서 악취문제로 불편함을 느껴왔었다. 이를 가시적으로 확인하기 위해 학생들을 대상으로 화장실 악취문제에 관한 설문조사를 실시하였다.

표1을 보면 악취문제를 인식하는 학생이 대부분이고 방향제를 설치하자는 의견을 가진 학생들이 80%이상임을 알 수 있다.

다음 표는 악취 문제가 있다고 답한 학생들이 악취 문제의 원인이 무엇이라고 생각하는 지에 대한 통계이다.

위 설문을 통해 악취의 원인이 대변임을 알 수 있었다.

○ 악취 문제 해결 수단 선택

- 일반적으로 악취를 해결하기 위한 방법은 소취, 환기, 방향이 있다. 이중 소취는 악취를 근본적 으로 없애는 방법인데, 냄새를 유발하는 분자가 다양해 냄새 분자의 원인을 알기도 어렵고 이를 근본적으로 없애기도 어렵다. 남은 환기와 방향 중 환기가 냄새분자를 밖으로 내보내 냄새분자를 다른 분자로 덮는 방향보다 효율적이다. 하지만 우리 학교의 환풍구가 낙후되어있어 먼지농도도 기준치 이상이고 산으로 둘러싸여 바람이 잘 발생하지 않는 학교 특성상 환기가 어려운 실정이다. 이러한 이유로 악취 문제를 해결하기 위한 수단으로 방향을 선택하게 되었다.

○ 기기 설계

- 대부분의 방향시스템은 지속적인 방향이고 이에 더 나아간 것이 시간제 방향 시스템이 다. 우리는 시간제 방향 시스템보다 효율적인 방향시스템을 구축하기 위해 고민한 결과 2가지 방안이 나왔다. 첫 번째는 공기품질센서를 사용해 냄새를 수치화해 임계값 이상이 되면 방향제를 분사하는 방안이다. 하지만 공기품질센서는 냄새분자뿐만 아니라 미세먼지 같이 공기 품질에 영향을 주는 다른 요인들도 인식하기 때문에 냄새가 나지 않음에도 불 구하고 기기가 작동할 위험이 있다. 이에 우리는 두 번째 방안인 초음파센서를 사용한다.

초음파센서를 사용하게 되면 사람이 이동하는 것을 인식해 센서를 분사한다. 보다 효율적 인 방향 시스템 구축을 위해 임의의 남학생 38명을 대상으로 배변시간을 측정하였다.

○ 기기 제작 및 운영

- 본 연구에서 제작한 기기의 구조는 다음과 같다. 초음파 센서가 배변을 보러가는 사람 을 인식하면 평균 배변시간인 5.8분이 지난 후 방향제를 분사한다.

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연구성과

악취가 개선됐다 87% 90%

기기가 계속 설치됐으면 좋겠다 67% 71%

표 3. 기기 설치 후 만족도 변화

□ 연구 결과

○ 기기 운영 결과

- 다음은 방향 장치를 설치하고 그에 따른 학생들의 화장실 만족도를 조사한 결과이다.

□ 결과 해석 및 논의

- 방향제 설치 이전 학생들이 방향제를 설치하자는 인원이 80%, 92%로 방향제 설치의 필요성 을 느낄 수 있었다. 이에 우리는 효과적인 방향시스템을 가지고 있는 기기를 제작해 화장실에 설치하였고 설치한 기기로 인해 실제 화장실의 악취문제가 거의 해결되었음을 알 수 있었다.

□ 결론 및 제언(시사점 및 향후 계획)

○ 결론

- 우리는 교내 화장실 악취 문제 해결에 초점을 두고 소취, 환기, 방향의 관점에서 연구를 진행하였으며 선행 연구를 토대로 소취의 현실적 어려움과 조사를 토대로 환기의 어려움을 깨닫고 효과적인 방향에 초점을 맞추고 다음과 같은 결과를 얻었다.

- 교내 화장실의 냄새의 원인은 대부분 배변이다. 설문 조사를 통해 화장실 악취의 원인을 알아본 결과 배변이 77%로 많은 결과를 보였다. 따라서 우리는 배변 시 효과적인 방향을 할 수 있는 방법에 대해 생각하였다.

- 메탄가스가 배변 악취의 주 원인이 아니다. 배변에는 주로 메탄가스가 많은 것이라고 생각했던 것과 달리 메탄가스는 주변에 담배 연기 등 연소 반응이 있을시 더욱 많이 발생하였다. 따라서 우리는 배변의 주 원인 물질을 하나로 특정할 수 없었다. 이에 사람의 배변 활동 여부를 인식하고 방향을 하도록 하였다.

- 기존의 시간제 자동 분사 장치는 매 시간마다 전력 소모를 한다. 시계처럼 톱니바퀴를 시간에 맞게 돌려 방향하는 자동 분사 장치이다. 우리는 이와 달리 필요시에 전력을 공급하여 작동시키 는 장치이다. 전력 낭비 문제, 사람이 방향제에 맞는 문제 등의 기존의 문제점을 해결해 줄 것으로 기대된다. 이러한 장치를 통해 87,90% 학생들의 화장실 만족도를 높였다. 이를 통해 필요시 방향을 하는 방식이 기존의 시간제 자동 분사 장치보다 실용적임을 알 수 있다.

○ 제언

- 본 연구에서는 일상에서의 문제 중 하나인 화장실 문제를 해결하려는 점에 있었다. 교내 환경에 국한되어 환기 시스템 개선에는 한계가 있었다. 또한, 본 연구에서 아두이노를 활용한 새로운 방향 방식을 제시하였다. 이 새로운 방향 방식은 사람의 동선에 알맞게 초음파 센서를 활용하여 사람을 인식한다는 점이다. 그러나 아두이노 초음파 센서의 정밀도가 떨어진다는 점, 사람의 동선이 초음파 센서의 영역에 들어오지 않는다는 점에 한계가 있다. 보드 자체의 전력이 커서 기존의 자동 분사 방향 장치보다는 전력 소비량이 클 수밖에 없다. 이를 보완하기 위해서는 정밀한 초음파 센서를 이용하고, 위의 장치는 아두이노 보드에 분사 장치 말고도 다른 장치들을 직렬적으로 연결하였을 때 전력 소비량 감소 효과를 더욱 볼 수 있을 것이다.

주요어 아두이노, 초음파 센서, 자동방향시스템

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< 연구 결과보고서 >

1. 개요 □ 연구목적

학교에는 수많은 학생들이 제한된 화장실을 이용하게 된다. 이를 줄이기 위해 환풍기를 틀었음에도 불구하고 냄새가 잘 빠지지 않아 우리의 눈살을 찌푸려지게 만드는 경우가 생기 고 있다. 가령 친구들이 “화장실 냄새가 왜 이러니, 토할 것 같다” 와 같이 불쾌한 표정을 지으며 말하는 것을 몇 번 본 적이 있었다. 학교 측에서는 이러한 문제점을 토대로 설문조사를 한 끝에 커피 향 방향제를 설치해 냄새를 제거하려는 노력을 하고 있음에도 불구하고 새로 설치한 방향제마저 만족하지 못한 학생들이 적지 않았다. 몇날 며칠 동안 지내며 친구들의 의견을 물어보니, 원하는 향의 방향제를 설치해 주는 것이 좋은 방안이라고 다들 말을 하였다.

□ 연구범위

이 연구를 통해 화장실의 냄새의 요인에 대해 확인해보면서 화장실 악취의 근원적인 물질이 무엇인지 연구해보고자 한다. 또한, 화장실 악취 근원 물질에 대한 조사를 바 탕으로 화장실의 악취를 제거하는 방법에 대해 연구해본다. 다양한 악취 제거 방법 중에서도 아두이노를 활용할 수 있는 방향으로 연구를 해보면서 실생활의 문제 해결 에 아두이노가 어떻게 이용될 수 있는지, 반대로 아두이노를 어떻게 이용하면 실생활 에 이용이 가능할지 생각해보며 직접 문제를 해결해 나가기 위해 연구하고자 한다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구 ○ 이론적 배경

1.아두이노 - 정의

가) 물리적인 세계를 감지하고 제어할 수 있는 상호작용 객체들과 디지털 장치를 만들기 위한 도구로, 간단한 마이크로컨트롤러(Microcontroller) 보드를 기반으로 한 오픈 소스 컴퓨팅 플랫폼과 소프트웨어 개발 환경을 말한다. 아두이노는 다양한 스위치나 센서로부터 입력 값을 받아들여 LED나 모터와 같은 전자 장치들로 출력 을 제어함으로써 환경과 상호작용이 가능한 물건을 만들어 낼 수 있다. 예를 들어 단순한 로봇, 온습도계, 동작 감지기, 음악 및 사운드 장치, 스마트 홈 구현, 유아 장난감 및 로봇 교육 프로그램 등의 다양한 제품들이 아두이노를 기반으로 개발 가 능하다. 또한 아두이노는 회로가 오픈소스로 공개되어 있으므로 누구나 직접 보드 를 만들고 수정할 수 있다.

- 목적과 의의

아두이노는 공학도도 접근이 쉽지 않은 마이크로 컨트롤러 세상을 일반인에게도

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열어준 전자장치이다. 임베디드 시스템 개발 경험이 전혀 없는 사람도 쉽게 접근할 수 있도록 친숙한 개발 도구, 회로도 등 관련된 모든 내용을 오픈소스 형태로 무상 으로 제공하고 있다. 이 때문에 이미 다양한 변종 제품이 전 세계적으로 만들어지 고 적용되고 있으며 무엇보다 가격이 30달러 정도로 저렴하다. 또한, 각종 센서/엑 츄에이터 및 통신모듈을 탑재한 다양한 호환 보드들이 있어 쉽게 확장할 수 있으며 관련 스케치(아두이노 통합개발환경에서 작성된 프로그램)들이 풍부하여 쉽게 무상 으로 구할 수 있다. 이후에 생겨난 많은 하드웨어 플랫폼도 대부분 아두이노와 호 환성을 유지하고 있는 이유도 아두이노에 의해 만들어진 IoT 생태계를 세상이 인 정했기 때문이다.

- 활용 방안

아두이노 측의 집계에 따르면 아두이노의 공식 보드만 2012년에 70만 대를 넘어 섰다. 호환 보드까지 생각하면 2015년 초까지 200만 대 이상 판매되었다고 추정한 다. 약 10만 원의 비용으로 만든 가스감지기, 지그비 통신으로 정보를 전달하는 가 속도계, 두 바퀴 위에서 넘어지지 않는 밸런싱 로봇, 웹으로 조정하는 RC모형 자동 차, 종이컵과 나무젓가락을 비행체로 적용한 컵드론, 차단되는 레이저를 이용한 레 이저 하프 등 취미부터 예술 분야까지 그 적용분야는 무궁무진하다.

2. 초음파 센서

1) 초음파 센서의 원리

가) 사람의 귀에 들리지 않을 정도로 높은 주파수(약 20 KHz 이상)의 소리인 초 음파가 가지고 있는 특성을 이용한 센서. 초음파는 공기나 액체, 고체에 사용할 수 있다. 주파수가 높고 파장이 짧기 때문에 높은 분해력을 계측할 수 있는 특징이 있 다. 초음파 센서에 이용되는 파장은 매체의 음속과 음파의 주파수에 따라 결정되고, 바다 속의 어군탐지기나 소나에서는 1㎜~100㎜, 금속 탐상(探賞) 등에서는 0.5

㎜~15㎜, 기체 속에서는 5~35㎜ 정도이다. 초음파 센서는 초음파의 발신소자와 수 신소자가 동일하고, 센서 재료로는 자기변형 재료(페라이트 등)나 전압, 전기 변형 재료(로셸염, 티탄산 바륨 등)가 이용되고 있다.

2) 초음파 센서의 역할

가)초음파 용접기, 세척기, 플라스틱 본딩, 가공 등에 이용되는 고음압용과 생산 제어, 비파괴 검사, 침입 검사, 물성 측정, 의료 진단, 지연 선로, 신호 처리 등에 활용되는 저음압용으로 나뉘어, 로봇이나 u-센서에서 물체를 지각하고, 거리를 측 정하는데 이용된다.

3. 블루투스

1) 블루투스의 정의

가) 블루투스(Bluetooth)는 휴대폰, 노트북, 이어폰·헤드폰 등의 휴대기기를 서로

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연결해 정보를 교환하는 근거리 무선 기술 표준을 뜻한다. 주로 10미터 안팎의 초 단거리에서 저전력 무선 연결이 필요할 때 쓰인다. 예를 들어 블루투스 헤드셋을 사용하면 거추장스러운 케이블 없이도 주머니 속의 MP3플레이어의 음악을 들을 수 있다. 블루투스 통신기술은 1994년 휴대폰 공급업체인 에릭슨(Ericsson)이 시작한 무선 기술 연구를 바탕으로, 1998년 에릭슨, 노키아, IBM, 도시바, 인텔 등으로 구 성된 ‘블루투스 SIG(Special Interest Group)’를 통해 본격적으로 개발됐다.

2) 블루투스의 원리

가) 블루투스의 무선 시스템은 ISM(Industrial Scientific and Medical) 주파수 대 역인 2400~2483.5MHz를 사용한다. 이 중 위아래 주파수를 쓰는 다른 시스템들의 간섭을 막기 위해 2400MHz 이후 2MHz, 2483.5MHz 이전 3.5MHz까지의 범위를 제외한 2402~2480MHz, 총 79개 채널을 쓴다. ISM이란 산업, 과학, 의료용으로 할당된 주파수 대역으로, 전파사용에 대해 허가를 받을 필요가 없어 저전력의 전파 를 발산하는 개인 무선기기에 많이 쓰인다. 아마추어 무선, 무선랜, 블루투스가 이 ISM 대역을 사용한다. 여러 시스템들과 같은 주파수 대역을 이용하기 때문에 시스 템간 전파 간섭이 생길 우려가 있는데, 이를 예방하기 위해 블루투스는 주파수 호 핑(Frequency Hopping) 방식을 취한다. 주파수 호핑이란 많은 수의 채널을 특정 패턴에 따라 빠르게 이동하며 패킷(데이터)을 조금씩 전송하는 기법이다. 블루투스 는 할당된 79개 채널을 1초당 1600번 호핑한다. 이 호핑 패턴이 블루투스 기기 간 에 동기화되어야 통신이 이루어진다. 블루투스는 기기 간 마스터(Master)와 슬레이 브(slave) 구성으로 연결되는데, 마스터 기기가 생성하는 주파수 호핑에 슬레이브 기기를 동기화시키지 못하면 두 기기 간 통신이 이루어지지 않는다. 이로 인해 다 른 시스템의 전파 간섭을 피해 안정적으로 연결될 수 있게 된다. 참고로 하나의 마 스터 기기에는 최대 7대의 슬레이브 기기를 연결할 수 있으며, 마스터 기기와 슬레 이브 기기 간 통신만 가능할 뿐 슬레이브 기기 간의 통신은 불가능하다. 그러나 마 스터와 슬레이브의 역할은 고정된 것이 아니기 때문에 상황에 따라 서로 역할을 바 꿀 수 있다.

3) 블루투스의 활용 방안

가) 무선 통신의 블루투스는 소비 전력이 낮다는 장점은 있어도 전송 속도와 비용 면에서 충분한 경쟁력을 갖추지 못했다는 혹평을 받기도 했다. 쓰임새도 차량용 헤 드셋(핸즈프리)이나 스피커폰, 헤드폰 등 일부 기기에 쓰였다. 한편으로는 휴대폰이 나 노트북 등 다른 모바일 기기에서 여전히 무선랜, NFC(근거리 통신) 등의 다른 무선 기술과 치열한 경쟁을 펼치며 무선으로 기기들을 연결하는데 활용되고 있다 4. 앱 인벤터

-구글이 제공한 오픈 소스 웹 애플리케이션으로, 지금은 매사추세츠 공과대학교

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(MIT)에 의해 관리되고 있다. 컴퓨터 프로그래밍을 처음 접하는 사람들이 안드로이드 운영 체제용 응용 소프트웨어를 만들 수 있게 해준다. 스크래치와 스타로고 TNG 사 용자 인터페이스와 매우 비슷한 그래픽 인터페이스를 사용하므로 사용자들이 시각 객 체들을 드래그 앤드 드롭하여 안드로이드 장치에서 실행할 응용 프로그램들을 만들 수 있다. 앱 인벤터 제작 시 구글은 구글 온라인 개발 환경에서 이룬 노고와 더불어 과거의 상당한 연구를 교육 컴퓨팅에 쏟았다.

5. 골드버그 장치

- 미국의 만화가 루브 골드버그(Rube Goldberg, 1883~1970)가 고안한 연쇄 반응 에 기반을 둔 기계장치로 생김새나 작동원리는 아주 복잡하고 거창한데 하는 일은 아주 단순한 기계를 일컫는 말이기도 하다. 만화적 상상력으로 만들어진 기계로 효 율성보다는 재미와 기발함을 전면에 내세운 장치이다. 그냥 손을 뻗어 우산을 펼치 면 될 것을 복잡한 연계 장치로 하도록 하는 것은 어찌 보면 말도 안 되는 바보짓이 기도 하지만 다른 면에서 보면 세상을 너무도 복잡하게 살아가는 인간에 대한 풍자 이기도 하다.

□ 연구주제의 선정

학교에서 화장실을 사용하면서 악취에 대한 문제점을 알아차렸다 이에 학교 학생들을 대상 으로 악취에 대한 설문조사를 실시해 악취에 대한 심각성을 수학적으로 모델링하여 객관적으 로 파악했다. 파악한 결과를 바탕으로 문제점을 해결하기 위해 아두이노를 활용하려한다.

□ 연구 방법

○ 설문 조사 및 현장 조사 -화장실 위치와 구조 분석

우리 학교 1층 화장실의 구조는 화장실이 복도 중앙에 설치되어 주차장 쪽으로 돌 출되어 있는 구조이다. 이 때문에 화장실 창문이 출입문 쪽에 배치되어 볼일을 보는 학생들의 입장에서 마음 편히 창문을 열어 환기를 하기는 어려운 실정이다. 이러한 문제점을 보완하고자 비치형 방향제를 설치하여 냄새를 이겨내려 하였지만, 이 향의 강렬함이 좋지 않은 냄새와 섞여 역효과를 발생시키거나 냄새의 호불호가 갈리는 듯 완전한 해결에는 도움이 되지 못했다.

○ 시설 현황

-<남자 화장실 기준>

양변기 1개, 좌변기 1개, 소변기 3개로 구성

화장실 좌우 길이 2.25m, 전후 길이 3.75m, 높이 2.55m 환풍구 1개

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그림 2 환풍구 모습

그림 3 화장실 현황1

그림 4 화장실 현황2

○ 화장실 실태 조사 -설문 대상

가) 부산 장안고 1학년 남학생 52명, 여학생 69명을 대상으로 설문을 진행하였다.

-설문 내용

가) 방향제 설치 의중: 화장실에 방향제를 설치하면 좋을 것 같다.

나) 화장실 개선 의중: 쾌적한 화장실이 쾌적한 학교생활에 도움이 될 것이다.

다) 악취 정도(1): 평소 화장실에 악취가 심하다고 생각한다.

라) 악취 정도(2): 학교 화장실 냄새로 인해 화장실에 들어가기 꺼릴 정도는 아니 다.

마) 시설 만족도(1): 우리 학교 화장실 시설은 좋다.

바) 시설 만족도(2): 나는 지금의 화장실이 나쁘지 않다.

○ 과학 상자를 통한 골드버그 제작 -해결 방안

화장실은 복합 악취이므로 소취제를 이용하기에는 어려움이 있다. 따라서 방향제를 활용한다. 향의 호불호가 있기 때문에 이용될 향에 대해서는 설문을 통해 원하는 향 을 비치한다. 방향제는 스프레이를 이용한다. 비치형을 이용하다보니 화장실 안이 늘 향으로 진동한다. 따라서 필요할 때마다 향을 분사할 수 있는 스프레이를 활용하고 스프레이를 누르기 위해 과학 상자를 활용한 골드버그를 활용한다.

○ 예상 골드버그 과정

스프레이를 누르기 위한 과학 상자를 만들기 위해 과학 상자 탁구공 쏘는 기계 만 들기를 참고한다. 모터를 이용하여 맞물린 기어를 돌려 맞물린 래크 기어를 뒤로 당 기고 고무줄의 탄성을 활용하여 앞으로 튕겨져 나간 래크 기어가 스프레이를 눌러 분사되도록 한다. 과학 상자 모터를 활용하여 사람의 손을 들이지 않고 향을 뿌릴 수 있으며 설치 후에는 향이 다 떨어지면 향수만 바꾸어 끼우고, 건전지를 교체해주 는 작업 이외에는 손을 댈 필요가 없기 때문에 기존의 비치 방식과 유사한 효과를 볼 수 있을 것으로 기대된다.

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□ 연구 활동 및 과정

○ 아두이노 구상 계획

-구상안

다음은 모터를 돌리는 시점에 대한 의견이다.

1) 화장실 문이 열렸을 때 : 화장실 문이 열릴 때마다 향수를 뿌리면 기존의 비치형 방향제보다 비효율적일 것이다.

2) 볼 일을 보았을 때 : 볼 일을 보았을 때 방향을 하면 가장 효율적이겠지만 볼 일 을 본 사람과 안 본 사람을 아두이노로 구별해내기에는 어려움이 있다.

3) 물을 내렸을 때 : 물을 내렸을 때 방향을 하면 구별이 가능해지겠지만 아두이노 의 기울기 센서를 변기 레버에 다는 것에는 한계가 있다.

4) 용변기 문이 열렸을 때 : 용변을 보러 간 사람이 나올 떄, 즉, 용변을 본 사람이 문을 열었을 때를 인식하여 방향을 한다면 효과적으로 방향이 가능할 것이다.

-예상 구동 과정

볼 일을 보고 나오게 되면, 자연스레 문을 열 것이다. 이때, 문에 달린 초음파 센 서가 이를 감지하여 골드버그 장치의 모터를 가동시킨다. 이를 통해 향이 필요할 때만 한시적으로 향이 분사되어 경제성과 효율성을 동시에 높일 수 있을 것으로 기대된다. 완성된 초음파 센서의 모습과 설치 예정 장소는 다음 사진과 같다.

○ 과학 상자 제작 과정 및 제작품 -제작 과정

1) 과학 상자의 모터를 아두이노 점퍼선과 연결한다.

2) 모터에 연결된 기어와 맞물리게 기어를 걸고 같은 축에 체인으로 이어진 기어를 걸어준다.

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#define TRIG_PIN 2

#define ECHO_PIN 3

#define LED_PIN 4

#define MOTOR_PIN 7 void setup() {

pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);

pinMode(ECHO_PIN, INPUT);

pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

pinMode(MOTOR_PIN,OUTPUT);

}

void loop() {

int distance = 0;

digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);

delayMicroseconds(10);

digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);

distance = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH)/58.2;

if (distance <= 10) {

digitalWrite(LED_PIN, HIGH);

digitalWrite(MOTOR_PIN, HIGH); // 거리가 10보다 가까우면 모터룰 켠다.

} else {

digitalWrite(LED_PIN, LOW);

digitalWrite(MOTOR_PIN, LOW); // 거리가 10보다 멀땐 모터를 끈다.

3) 큰 기어 위에 레크 기어가 들어 있는 통을 얹어 주고 고무줄을 걸어준다 4) 완성된 장치를 아크릴 판에 구멍을 뚫어 걸어준다.

○ 아두이노 코딩 및 설치 모습 -코딩 내용

1) <모터 제어 코딩>

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<서보모터 코딩>

#include <Servo.h>

Servo myservo;

int pos = 0; //서보모터 위치 제어 변수.

const int pingPin = 7; // 초음파 센서 시그널 용.

void setup() { Serial.begin(9600);

myservo.attach(9); // 서보모터에 사용할 핀을 디지털 9 번 핀으로 정하고.

}

void loop() {

myservo.write(0); //서보모터 초기값은 0

long duration, cm; // 초음파 센서 신호를 쏘고 받고 하면서 값을 얻어내고 pinMode(pingPin, OUTPUT);

digitalWrite(pingPin, LOW);

digitalWrite(pingPin, HIGH);

digitalWrite(pingPin, LOW);

pinMode(pingPin, INPUT);

duration = pulseIn(pingPin, HIGH);

cm = microsecondsToCentimeters(duration); // cm 로 변환 한다.

if( cm <= 18 ) //초음파 센서에 18cm 내에 무언가 감지 되면 {

cm *=10; //곱하기 10, 예) 초음파 센서 값이 15cm 이면 10을 곱해서 150 을 만들 어야 서보모터 위치값으로 사용 할 수 있다.

pos= 180 - cm; // 서보모터 최고 각도값에서 150 을 빼면 30이 pos변수에 들어가 고

myservo.write(pos); // 서보모터 위치 값으로 활용한다.

delay(10);

} else { } }

2) 하지만 위의 코딩으로는 과학 상자의 모터에 전력 부족 문제를 야기하였다. 이에 따라 서보모터를 이용해 스위치를 켜고자 하였다.

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myservo.write(0); //입력이 없으면 원위치로 되 돌려 놓는다.

delay(10);

}

} // 초음파센서 값 변환 함수.

long microsecondsToCentimeters(long microseconds) {

return microseconds / 29 / 2;

}

-설치 모습

설치 모습은 다음과 같다.

○ 한계점

첫째, 모터 드라이브 없이 모터를 작동시키기 위해 2개의 우노 보드를 활용하였다. 하나의 우노 보드에는 스위치를 하나의 우노 보드에는 서보 모터를 활용하여 버튼을 눌러 작동을 하도록 하였는데, 이 역시 약한 서보모터의 힘이 버튼을 누르기에는 부족하여 실행에 옮기기 어려웠다.

둘째, 본 연구에서 해보고자 했던 아두이노의 실생활 활용 부분에 대해 위의 장치를 직접 학생들에게 실용화하지 못하였고, 소취가 아닌 방향이기 때문에 결국 이 장치 역시 기존의 비치형 방향제와 다름없이 두 냄새가 섞여 불쾌감을 줄 수 있음이 연구의 제한점이다.

○개선안

-적외선 센서를 통해 초음파의 인체 감지 능력을 강화한다.

-휴대폰 앱을 개발해 인원을 체크하는 기기를 제작해 화장실 악취 여부를 판단하도록 해준 다.

○개선 내용 실시

-적외선 센서 + 초음파 센서 모듈 구현 가. 제작 모습

(13)

<초음파 + 적외선 센서 코딩> - 적외선 센서 부분 int inputPin=6;

int pirState = LOW;

int val = 0;

void setup() {

pinMode(7, OUTPUT);

pinMode(inputPin,INPUT);

}

void loop() {

val = digitalRead(inputPin);

if(val == HIGH) { digitalWrite(7, HIGH);

delay(1000);

if (pirState == LOW){

1) 아두이노 우노 2개를 연결하여 초음파 센서와 적외선 센서를 이어 붙인다.

2) 릴레이 모듈을 활용해 2개의 보드를 연결하고 모터 드라이브에 전력을 준다.

3) 초음파에 무언가 감지되면 적외선 센서가 작동하도록 한다.

나. 전력 부족 문제

- 릴레이 모듈을 적용함으로써 저항 값이 너무 커져 모터의 작동에 어려움이 있었 다. 이에 모터 드라이브와 외부 전원을 활용해 모터를 제어하였다.

다. 코딩 내용

(14)

pirState = HIGH;

} } else {

digitalWrite(7,LOW);

delay(1000);

if(pirState == HIGH) {

pirState=LOW;

} } }

<적외선+초음파 기기> - 초음파 부분 int Relaypin = 9;

int trig = 4;

int echo = 3;

void setup() {

pinMode(Relaypin,OUTPUT);

pinMode(trig, OUTPUT);

pinMode(echo, INPUT);

}

void loop() {

digitalWrite(trig, HIGH);

digitalWrite(trig, LOW);

int duration = pulseIn(echo ,HIGH);

int dis = duration / 29 / 2;

if(dis<10) {

digitalWrite(Relaypin,HIGH);

delay(100);

} else {

digitalWrite(Relaypin,LOW);

delay(100);

}

(15)

}

<모의 실험 코딩>

#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial bluetooth(2, 3);

int trig1 = 13;

int echo1 = 12;

int cnt=0;

char val;

void setup() {

pinMode(trig1,OUTPUT);

pinMode(echo1,INPUT);

Serial.begin(9600);

bluetooth.begin(9600);

}

char data='0';

void loop() {

long duration1, distance1; //시간, 거리 digitalWrite(trig1, LOW);

digitalWrite(trig1, HIGH);

digitalWrite(trig1, LOW);

duration1 = pulseIn(echo1,HIGH);

distance1 = (duration1 / 2) / 29.1;

delay(1000);

○ 휴대폰 앱 구현 1. 제작 과정

가) 화장실 인원 모의 실험 코딩 – 실제 상황에 적용하기 전 사물을 가지고 화장실 코딩을 실험해보았다.

(16)

if(distance1 < 270 && distance2 < 270) {

delay(100);

if((distance2+10) > distance1 && distance1> (distance2+2)) {

cnt--;

}

if((distance2-10) < distance1 && distance1 < distance2-2) {

cnt++;

} }

if(cnt<0) {

cnt++;

}

sprintf(&data,"%01d",cnt);

bluetooth.print(&data);

Serial.print(&data);

delay(500);

}

<모의 실험 설계 모습>

(17)

<반별 거리 코딩>

#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial bluetooth(2, 3);

int trig1 = 13;

int echo1 = 12;

int cnt=0;

char val;

void setup() {

pinMode(trig1,OUTPUT);

pinMode(echo1,INPUT);

Serial.begin(9600);

bluetooth.begin(9600);

}

char data[10] = {0,};

void loop() {

int b=0;

delay(1000);

나) 화장실의 인원을 거리를 통해 감지하는 초음파 센서를 코딩한다. 실제 화장실 에 이용

하기 위해 코딩한 내용은 다음과 같다.

(18)

if(distance1 < 270 && distance2 < 270) {

f((distance2+100) > distance1 && distance1> (distance2+2)) {

cnt--;

}

if((distance2-100) < distance1 && distance1 < distance2-2) {

cnt++;

} }

sprintf(data,"%02d%2d",cnt,b);

bluetooth.print(data);

Serial.print(data);

delay(1000);

}

나) 초음파 센서를 통해 인지한 인원을 블루투스 모듈을 통해 휴대폰을 전송한다.

다) 전송된 데이터를 휴대폰의 앱을 통해 출력한다. 앱을 만드는 과정은 다음과 같 다.

□ 시연 결과

○ 화장실 조사 내용 분석 -화장실의 지리적 문제 분석

(19)

<남> 전혀 아님 아니다 보통이다 그렇다 매우 그렇다

악취 정도 6 4 17 16 9

방향제 선호도 5 1 4 17 32

화장실 환경 개선 의중 2 0 1 17 32

시설 만족도(좋은 정도) 8 8 23 6 7

악취 심각도 5 7 12 17 11

시설 만족도(나쁘지 않은 정도) 6 7 21 12 16

<여> 전혀 아님 아니다 보통이다 그렇다 매우 그렇다

악취 정도 1 5 20 25 18

방향제 선호도 1 0 5 23 40

화장실 환경 개선 의중 0 0 0 23 46

시설 만족도(좋은 정도) 3 17 33 15 1

악취 심각도 9 9 26 21 4

시설 만족도(나쁘지 않은 정도) 10 14 24 21 0

화장실의 위치가 모두가 지나다니는 복도에 위치하여 있고 용변기가 물에 가깝게 위치하여 있기 떄문에 문을 열러 환기를 하기에는 실질적인 어려움이 있다. 창문을 열기에도 바로 밖이 입구라는 점에서 어려움이 있다. 화장실의 지리적인 문제로 인 해 효율적인 환기가 어려운 실정이다.

-화장실 환기구 문제

화장실의 환기구를 살펴보면 먼지가 쌓여있다. 화장실 불을 켜면서 학생들은 환기 구까지 켜고 들어가고 환기구는 항시 켜져 있음에도 그 효과를 미비하게 느끼는 이 유는 여기서 찾을 수 있다. 화장실의 환기구의 먼지가 환기 효과를 감소시킬뿐만 아 니라 환풍으로 인해 다시 먼지가 안을 내려오는 역효과를 발생시킬지 모른다.

○ 화장실 실태 조사 분석 -설문 조사 결과

(20)

악취 정도가 심하다 80% 62%

방향제로 달자 80% 92%

화장실을 개선하자 94% 100%

시설이 좋지 않다 30% (보통: 46%) 30% (보통: 46%) 화장실 냄새는 괜찮

다

52% 38%

지금 화장실이 좋다 34% 31%

-설문 결과 분석

□ 시연 결과의 활용 및 기대효과

학생들의 화장실 이용에 거부감을 줄이고 청결함을 향상시키기 위하여 방향제에 대한 관심을 가졌다. 이번 연구를 통해 화장실의 악취를 제거할 수 있을 것 같다. 학생들의 불편함 을 해소하니 융합적으로 문제를 해결할 수 있다고 여겨, 아두이노를 활용하여 다가오는 4차 산업 혁명에 대비한 IT 사고를 바탕으로 하여 공학적 사고 능력을 향상시킬 것이다.

아두이노가 마이크로컨트롤러를 활용한 소형의 컴퓨터라는 점을 생각한다면 단순히 인식 후 작동하는 방향제보다 다양한 활용이 가능할 것이다. 예를 들어 블루투스를 활용한다면 휴대폰이나 다른 전자기기를 통해 향수를 제어할 수 있고, 이를 통해 화장실에 들어가지 않아도 들어가기 전 방향의 효과를 얻을 수 있을 것이다. 실제로 아두이노에 블루투스 모듈을 연결하여 블루투스 기기와 연동시켜 아두이노 우노를 제어할 수 있다.

또한, 앱인벤터를 활용하여 스마트폰에서도 제어 및 향수의 냄새를 선택할 수 있도록 한다면 더욱 다양한 향으로 방향을 할 수 있다. 앱인벤터를 통해 각각의 향을 시각적으로 디자인하고 향을 클릭함에 따라 아두이노에서 인식하여 정해진 향을 분사한다면 방향제의 호불호에 대한 문제점을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

3. 연구 결과 및 시사점 □ 연구 결과

○ 결론

학생들의 화장실 이용에 거부감을 줄이고 청결함을 향상키기 위하여 방향제에 대한 관심도 고조되었다. 특히 새로운 방향제의 도입은 방향제 화장실의 향에 대한 호불호 조사에 대한 필요성이 대두되었다. 본 연구는 이러한 요구에 부응하기 위하여 아두이노에 과학 상자를 접목시켜 적절한 시점에 방향제를 가동시키기 위하여 연구하였고 다음과 같은 결론을 얻었 다.

1. 과학 상자 대신 아두이노와 직접적 연동이 가능한 제품이 효율이 높을 것이다.

과학 상자 모터의 소리가 커서 방향의 효과보다 소음의 문제점이 드러난다. 과학 상

(21)

자의 모터는 애초에 로봇이나 중장비 기계를 소형화시켜 만들기 위한 모터이므로 강 한 힘이 있는 대신 그 만큼의 소음을 동반한다. 또한, 한번 래크 기어가 스프레이를 건드리면 극소량의 향수가 흘러나와 한번 향수를 뿌리는 일을 완수하는데 오랜 시간 이 걸린다.

2. 아두이노가 마이크로컨트롤러를 활용한 소형의 컴퓨터라는 점을 생각한다면 단순 히 인식 후 작동하는 방향제보다 다양한 활용이 가능할 것이다. 예를 들어 블루투스 를 활용한다면 휴대폰이나 다른 전자기기를 통해 향수를 제어할 수 있고, 이를 통해 화장실에 들어가지 않아도 들어가기 전 방향의 효과를 얻을 수 있을 것이다. 실제로 아두이노에 블루투스 모듈을 연결하여 블루투스 기기와 연동시켜 아두이노 우노를 제 어할 수 있다. 또한, 앱인벤터를 활용하여 향수의 냄새를 선택할 수 있도록 한다면 더 욱 다양한 향으로 방향을 할 수 있다. 앱인벤터를 통해 각각의 향을 시각적으로 디자 인하고 향을 클릭함에 따라 아두이노에서 인식하여 정해진 향을 분사한다면 방향제의 호불호에 대한 문제점을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

3. 화장실 인원 체크 장치는 지난번 과제 연구에서 제언을 통해 제안하였던 블루투 스와 앱 인벤터를 연동한 장치이다. 휴대폰을 이용하여 먼 곳에서도 학생들이 화장실 의 인원을 체크할 수 있는 소형화되면서도 기존의 화장실의 내부 구조에도 이용 가능 한 효과적인 장치이다. 아두이노 우노 보드에서는 초음파 센서를 1개 밖에 연결시킬 수 없는데, 초음파 센서의 성능이 더욱 좋거나, 아두이노 보드의 제어 능력이 뛰어나 2개 이상의 초음파를 제어할 수 있다면 더욱 효과적인 인원 파악 능력을 얻을 수 있 을 것이다. 또한, 앱 인벤터는 간단하고 단순한 앱을 만들 수 있는 프로그램인데, 이 를 더욱 정교화하고 디자인에 힘을 준다면 더욱 보기 쉽게 인원을 파악할 수 있는 앱 을 만들 수 있을 것이다. 교내 식당에서 급식줄의 문제 및 이동 수업시 교실 소등에 와 연관시켜 이 인원 체크 기기를 이용하는 등 다양하게 이용할 수 있을 것으로 기대 된다.

○ 제한점

본 연구의 제한점은 다음과 같다.

1. 본 연구에서 해보고자 했던 아두이노의 실생활 활용 부분에 대해 위의 장치를 장 기간 학생들에게 실용화하지 못하였고, 소취가 아닌 방향이기 때문에 결국 이 장치 역시 기존의 비치형 방향제와 다름없이 두 냄새가 섞여 불쾌감을 줄 수 있음이 연구 의 제한점이다.

2. 앞으로의 연구에서는 가스 센서를 활용한 아두이노 방향제에 대해 연구해보고 또 한, 블루투스와 앱인벤터를 통해 아두이노에 국한되지 않고 다양하게 마이크로컨트롤 러를 활용해보며 화장실 문제를 제하고도 일상 속에 숨은 크고 작은 불편함들을 해소 하는데 이용하고자하는 차원에서의 연구가 이루어져야 할 것으로 생각된다.

3. 초음파 센서 하나를 이용한 인원 체크이기 때문에 화장실 내의인원의 유동에 따

(22)

라 인원이 바뀌는 오류가 발생할 수 있다. 또한 초음파 센서의 크기가 너무 작아 제 한적인 범위에서 인원을 체크할 수 있어서 미처 확인되지 못하는 인원이 발생할 가능 성이 있다. 따라서 결론에서도 말했듯 아두이노 보드의 성능을 높여 2개 이상의 초 음파 센서를 제어할 수 있게 된다면 거리에 따른 인원 체크를 더욱 효과적으로 할 수 있을 것이다.

□ 시사점

학생들의 화장실 이용에 거부감을 줄이고 청결함을 향상시키기 위하여 방향제에 대한 관심을 가졌다. 이번 연구를 통해 화장실의 악취를 제거할 수 있을 것 같다. 학생들의 불편함 을 해소하니 융합적으로 문제를 해결할 수 있다고 여겨, 아두이노를 활용하여 다가오는 4차 산업 혁명에 대비한 IT 사고를 바탕으로 하여 공학적 사고 능력을 향상시킬 것이다.

아두이노가 마이크로컨트롤러를 활용한 소형의 컴퓨터라는 점을 생각한다면 단순히 인식 후 작동하는 방향제보다 다양한 활용이 가능할 것이다. 예를 들어 블루투스를 활용한다면 휴대폰이나 다른 전자기기를 통해 향수를 제어할 수 있고, 이를 통해 화장실에 들어가지 않아도 들어가기 전 방향의 효과를 얻을 수 있을 것이다. 실제로 아두이노에 블루투스 모듈을 연결하여 블루투스 기기와 연동시켜 아두이노 우노를 제어할 수 있다.

또한, 앱인벤터를 활용하여 스마트폰에서도 제어 및 향수의 냄새를 선택할 수 있도록 한다면 더욱 다양한 향으로 방향을 할 수 있다. 앱인벤터를 통해 각각의 향을 시각적으로 디자인하고 향을 클릭함에 따라 아두이노에서 인식하여 정해진 향을 분사한다면 방향제의 호불호에 대한 문제점을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

4. 홍보 및 사후 활용 □ 홍보

우리는 자동방향장치를 학교에 며칠간 시연하고 학생들의 만족도를 설문조사해 만족 도를 확인하였다. 실제로 만족한다는 답변이 80%이상으로 긍정적인 반응을 보였다. 위 의 사후계획에서 언급한 결점들을 보완한다면 학교내에서뿐 아니라 다른 기관의 화장 실에서 설치하여도 반응이 긍정적일 것으로 보인다. 현재 기기들의 결점들을 충분히 보완하고 주변 여러 공공기관의 화장실에 설치해 설문조사를 실시한다. 설문조사의 결 과는 긍정적일 것으로 기대되므로 설문조사의 결과를 바탕으로 홍보를 진행한다.

□ 사후계획

본 연구에서 과학상자와 아두이노 적외선 센서, 초음파센서를 이용해 자동 방향 시스 템을 구축하였다. 하지만 이 과정에서 릴레이 모듈을 사용하는 바람에 저항이 너무 커 져 옴의 법칙에 의해 전력부족 문제가 발생하였다. 시중에 나와있는 다른 자동방향장 치에 비해 필요로하는 건전지의 양이 너무 많아 실용성이 떨어질 우려가 있다. 그러므 로 릴레이 모듈을 사용하지 않고 한 가지 아두이노 보드로 두 가지 센서를 제어하는 방법을 찾아 전력과소비 문제를 해결함을 목표로 사후활동을 진행한다. 그 방법으로

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아두이노 메가보드를 사용한다면 전력과소비 릴레이 모듈을 사용하지 않고 자동 방향 장치를 만들 수 있을 것이다, 또한, 현재 기기를 상용화한다면 기기의 크기가 너무 커 비치할 장소가 부족할 것이고 설치를 한다해도 파손의 우려가 있다. 또한, 과학상자의 모터 특성상 소음이 크게 발생한다는 문제가 있다. 이 기기를 과학상자를 사용하지 않 고 다른 개발기기를 사용한다면 크기도 줄이고 소음도 줄일 수 있을 것이다. 그러므로 과학상자 이외의 다른 개발기기를 탐색하고 이를 이용해 자동방향시스템 구축을 목표 로 사후활동을 진행하려한다.

5. 참고문헌

□ 1. 윤희경(2004) 소취가공제의 종류에 따른 소취효과에 관한 연구 = (A) Study on the Deodorization Effect which is based on the Kinds of Deodorization- Processing- Agent - 성신여자대학교 대학원, 42-46

□ 2. 손경호(2013) 아두이노를 활용한 프로그래밍 교육방안 탐구 및 적용 = The Development and Application to Computer Programming Education using Arduino - 경인교육대학교 교육전문대학원,

□ 3. 김원웅,최준섭(2016) 아두이노 활용 교육을 위한 블루투스 통신형 구동장치 모듈 설계와 구현 - 한국실과교육연구학회(The Society of Korean Practical Arts Education Korea) Vol.22 No.1

□ 4. 백동수(2004) 블루투스 및 지능형 센서 기반의 원격 계측시스템 개발 = Development of Remote Measurement System based on Bluetooth and Smart Sensor - 한국산업기술 대학교 산업기술대학원 : 제어계측공학과

□ 5. 시성일(2008) 로봇 동작으로 쉽게 배우는 C언어 실습교육 설계 및 구현 = Easy learning C language through the mechanism of robot – 경희대학교 교육대학원: 정보,컴퓨 터교육전공

□ 6. 이경석(2007)효율적인 공중화장실 설치 및 관리 방안 연구 – 한밭대학교 산업대학원