Development of Wearable Device for Monitoring Working Environment in Pig House

양돈장 작업환경 모니터링을 위한 웨어러블 장비개발

Development of Wearable Device for Monitoring Working Environment in Pig House

서일환 ^a,†

Seo, Il-Hwan

ABSTRACT

Enclosed pig house are creating an environment with high concentrations of gas and dust. Poor conditions in pig farms reduce pig weight and increase disease and accidents for livestock workers. In the pig house, the high concentration of harmful gas may cause asphyxiation accidents to workers and chronic respiratory disease by long-term exposure. As pig farm workers have been aging and feminized, the damage to the health of the harsh environment is getting serious, and real-time monitoring is needed to prevent the damage. However, most of the measuring devices related to humidity, harmful gas, and fine dust except temperature sensors are exposed to high concentrations of gas and dust inside pig house and are difficult to withstand for a long time. The purpose of this study is to develop an wearable based device to monitor the hazardous environment exposed to workers working in pig farms. Based on the field monitoring and previous researches, the measurement range and basic specifications of the equipment were selected, and wearable based device was designed in terms of utilization, economic efficiency, size and communication performance. Selected H2S and NH3

sensors showed the average error of 5.3% comparing to standard gas concentrations. The measured data can be used to manage the working environment according to the worker’s location and to obtain basic data for work safety warning.

Keywords:

Ⅰ. 서 론

양돈농장의 대형화와 밀집화로 인한 축산냄새와 가축분뇨 의 처리와 같은 환경문제는 지역의 발전과 삶의 질과 연관이 되어 매우 중요한 문제로 대두되고 있다. 외부로 배출되는 유 해요인의 영향도 중요하지만, 축산 시설 내부의 유해요인은 사육환경 뿐 아니라 내부에서 작업하는 작업자의 건강에 중 요한 요인으로 고려되어야 한다. 특히 양돈농가의 경우 Fig.

1과 같이 지난 10년간 사육두수는 22.1% 증가하는 동안, 농가 수는 20.2% 감소하여, 농가당 사육밀도가 53% 증가하였다.

이러한 밀집사육 양돈장에서 작업하는 작업자들은 점차 고령 화, 여성화, 외국인화 되고 있으며, 작업안전에 취약해지고 있 다. 특히 양돈장 내부의 높은 암모니아, 황화수소, 미세먼지에 장기간 노출되는 작업을 수행하는 경우 만성 호흡기성 질환 및 피부병 등 건강상의 위험이 증가한다 (Chapin et al., 1998).

직업적 노출농도에 대하여 암모니아의 경우 단시간 노출 기

준을 35 ppm, 황화수소는 15 ppm으로 제시하고 있으며 (Milby and Baselt, 1999, Park et al., 2015), 고농도의 유해가스 에 노출되는 경우에는 질식 및 중독으로 인하여 정신을 잃고 사망하는 사고가 발생할 수 있다 (Gautam et al., 2018). 따라서 모니터링 장비를 바탕으로 작업환경에 대한 적절한 평가를 수행하는 것이 필요하다.

작업환경 및 사육환경을 포함하는 실내환경의 측정 결과는 축산 스마트팜 연구에도 매우 중요한 기초자료가 된다. 양돈 업의 노동력 감소를 자동화와 원격제어로 극복하고, 축산물 의 생산성을 높이기 위하여 환경 측정을 기반으로 한 자동제 어 알고리즘을 개발하는 것이 필요하다. 생산성의 절감, 농업 표준 준수, 고품질의 품질 및 안전확보를 위해서는 적절한 정

a

Assistant professor, Department of Rural Construction Engineering, Jeonbuk National University

†

Tel.: +82-63-270-2520, Fax: +82-63-270-2517 E-mail: [email protected]

Received: December 06, 2019 Revised: December 12, 2019 Accepted: December 19, 2019

Fig. 1 Number of livestocks (blue column) and households (red

line) in pig production industry (KOSIS, 2019)

보의 확보 및 관리가 매우 중요하다 (Lewis 1998; Banhazi et al., 2012; Fountas et al., 2015). 양돈사 내부의 사육환경을 측 정하기 위하여 많은 연구자들은 암모니아, 황화수소, 이산화 탄소, 미세먼지 등 다양한 공기 중 유해물질에 대한 모니터링 을 수행한 바 있다 (Groot Koerkamp et al., 1998; Ki et al., 2012; Kalantarifard et al., 2013, Kwon et al., 2016). 하지만, 축사 내부의 환경을 실시간으로 장기간 측정하는데는 현실적 으로 많은 어려움이 있다. Fig. 2는 자돈사 현장 모니터링에 설치된 후 30일이 지난 온습도센서의 사진으로, 축산 시설 내 부에 설치된 센서들은 높은 가스 및 미세먼지의 농도와 습도 로 인하여 빠르게 오염되어 적절한 모니터링 결과를 제시하 지 못하고 있다. 또한 양돈장 내부에 고정되어 측정되는 모니 터링 장비들은 작업자들이 노출되는 환경과는 다른 결과를 제시하기 때문에 축사에서 작업하는 작업자들이 노출되는 작 업환경에 대한 모니터링도 고려되어야 한다. 이를 해결하기 위하여 모니터링 장비의 내구성을 높이는 방안과 작업자가 착용할 수 있는 웨어러블 기반의 모니터링 시스템의 개발이 필요하다.

웨어러블 장비는 기존에 농업분야 이외에 다른 산업분야에 서는 활발하게 사용되고 있다. 특히 의료분야에서는 심전도, 근전도, 심장박동수 등을 측정하기 위하여 가슴, 손목, 중지, 뒷통수 등에 설치할 수 있는 장비를 제시한 바 있다 (Chung, 2009, Lim et al., 2017, Al Mamum and Yuce, 2019). 축산시설 에서도 다양한 ICT, IoT 기술의 발전으로 인하여 축사에서 환경요인을 측정하는 장비의 소형화 및 개선된 통신기술을

통하여 철골구조물이 많은 축산시설에서 효율적으로 데이터 를 송신할 수 있는 기반을 갖출 수 있게 되었다. 하지만 아직 까지 고가의 외국 모니터링 장비에 의존하고 있으며, 장비의 국산화 및 경량화를 위한 연구는 미흡한 실정이다.

본 연구에서는 양돈장에서 작업환경 및 사육환경을 실시간 으로 모니터링할 수 있도록 작업자가 착용할 수 있는 웨어러 블을 고려한 소형 작업환경 모니터링 장비를 개발하였다. 이 를 위하여 축산환경에 적합한 센서를 설정하고, 적정 통신기 술을 적용하여, 위치정보, 안테나, 배터리효율 등을 종합적으 로 고려하여 PCB 보드를 설계하였으며, 개발된 시제품을 활 용하여 축산현장에서 유효성 검증을 수행하였다. 축산시설에 서 사용이 가능한 모니터링 장비의 개발과정을 통하여 향후 개발을 위하여 고려하여야 하는 현장의 어려움과 장비개발의 방향에 대한 정리를 수행하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

양돈장 작업환경 모니터링을 위한 웨어러블 장비의 개발목 적은 작업자의 노출환경, 이동하는 동선, 작업시간에 따른 위 치정보와 연계된 작업환경 및 사육환경을 실시간으로 측정하 는 것이다. 이를 위하여 Fig. 3과 같이 1) 목적에 따른 장비의 설계기준을 마련하였으며, 유해가스, 환경 및 위치정보 등 측 정요인을 포함하여 측정의 정확도와 경제성, 전력소모 등을 고려하여 적정한 센서를 설정하고, 2) 축산시설의 복잡한 철 제구조에서도 통신이 가능하도록 사용할 수 있는 통신기술을 도입하며, 3) 크기, 무게, 배터리 효율, 비용, 안테나 설치, 통신 모듈, 메인보드를 고려하여 PCB 보드를 설계하며, 4) 완성된 시제품을 실제 현장에서 기존에 사용되는 장비와 상호검토하 여 적용성을 평가하였다.

1. 모니터링 장비 제작기준

작업환경 모니터링 장비의 설계를 위한 기준을 설정하였 다. 온도, 습도, 암모니아, 황화수소 등 주요 측정요인에 대한 상용 센서를 선택하기 위하여 축산시설에 적합한 측정범위에 대한 설정이 필요하다. 구입이 가능한 센서는 대부분 산업체 에 활용되는 목적으로 설계되어 축산시설과 같이 지속적으로

Fig. 3 Process for developing wearable based monitoring device used for measuring working and rearing environments in livestock house Fig. 2 Air humidity data measured by temperature and humidity

sensors inside the pig house over 30 days

고농도의 유해가스에 노출된 경우 측정에 어려움이 있으며, 정확한 센서의 경우 값이 비싸거나, 고용량의 전력을 요구하 기 때문에, 축사 작업환경 모니터링을 위해서는 얇고 가벼우 면서도, 미세한 측정보다는 위험을 알릴 수 있는 수준의 측정 범위와 단위를 가지는 센서를 설정하여야 한다.

측정센서의 범위를 결정하기 위하여 양돈장 내 현장모니터 링 수행결과를 통하여 얻은 데이터의 범위와 선행연구에서 제시하고 있는 양돈장에서 고려해야 하는 암모니아 및 황화 수소의 최대농도 및 적정 설계 농도를 고려하였다. 현장모니 터링은 열환경해석과 내부의 작업환경 모니터링을 위하여 암 모니아, 황화수소, 미세먼지의 포집을 포함하여 2018년 8월부 터 2019년 7월까지 1년간 전남에 소재한 15,000 두 규모의 양돈장을 대상으로 주기적으로 수행하였다. 수행된 모니터링 결과는 환경요인의 측정범위 선정에 활용하였으며, 온도는 최소 7.4℃에서 최대 37.1℃가 측정되었다. 겨울철에 돼지가 없는 기간에도 온도가 영하로 떨어지지는 않았으며, 돼지가 있는 기간만으로 범위를 한정하는 경우 최소온도는 15.9℃로 나타났다. 해당 기간동안 주기적으로 자돈사 및 비육사 내부 에서 측정한 암모니아 농도는 작업 중 최대 42 ppm, 황화수소 는 최대 5.8 ppm 이었다.

선행연구에서 제시하는 기준을 살펴보면 Chapin et al.

(1998)은 암모니아와 황화수소에 노출되는 경우에 발생하는 증상에 대하여 제시하였다. Table 1에서 제시하는 바와 같이 작업자를 기준으로 황화수소의 농도가 10 ppm을 초과하면

신체의 변화가 발생하며, 50 ppm을 넘어가면서 작업에 어려 움을 느끼게 된다. 암모니아는 20 ppm 정도에서 눈과 호흡기 의 자극을 느끼며, 100 ppm 초과 시 호흡에 지장을 받게 된다.

돼지 역시 황화수소 농도 150 ppm 이상, 암모니아 농도 300 ppm 이상에서 폐사가 발생할 가능성이 있다. Kim et al. (2008) 은 현장모니터링을 통하여 바닥의 형식과 환기방식에 따라서 국내 양돈장에서는 암모니아 농도가 평균 7.5 최대 21.4 ppm 을 황화수소는 평균 286.5 ppb, 최대 612 ppb가 측정되었으며, 해외사례들을 정리하여 측정된 결과들을 바탕으로 암모니아 가 최대 15.4 ppm, 황화수소는 최대 226.8 ppb가 측정되었음 을 제시하고 있다. Seo et al. (2008)은 전산유체역학 시뮬레이 션 검증을 위한 현장모니터링을 통하여 비육사에서 평균 21.8 ppm, 바닥 근처에서 최대 40 ppm을 측정하였다. Kim et al.

(2014)은 밀폐형 돈사에서 모니터링을 수행하여 암모니아는 최대 18.3 ppm, 황화수소는 최대 132.7 ppb의 결과를 제시한 바 있다. 현장모니터링 결과와 선행연구자료를 종합하여 온 도는 10도∼40도, 상대습도는 30∼100%, 황화수소는 최대 50 ppm, 암모니아는 50 ppm을 최소한 포함할 수 있도록 설계하 였다.

Table 2는 필요한 장비의 성능수준을 결정한 것으로, 황화 수소는 축사 안에서는 최대 20 ppm, 가축분뇨 처리시설에서 는 최대 500 ppm, 암모니아는 최대 50 ppm을 측정할 수 있는 센서를 활용하였다. 측정장비의 정확도는 20% 이상, 크기는 가로세로 15 cm 이내로 12시간 이상의 측정이 가능하도록

Concentrations (ppm) Symptom

Human Pig

Hydrogen Sulfide

10 Congestion, Eye irritation -

20 Respiratory irritation Light sensitivity, Anxiety,

Loss of appetite

50∼100 Headache, Sickness, throw up, colic -

150∼200 - Pulmonary edema, Olfactory paralysis,

Unconscious, Animal death

200 Fatigue, Olfactory paralysis, Dizziness -

500 Unconscious, Nervousness,

CNS abnormalities, -

>600 Instant death -

Ammonia

5∼20 Eye & Respiratory irritation -

50 - Pneumonia, Incresed risk of

respiratory infections 100 Intensive irritation on eye,

respiratory and mucosal Loss of appetite, Sneeze

300 - Irritation of mouth and nose,

Olfactory paralysis 5,000 Hyperventilation, Respiratory cramps, choke -

>10,000 Instant death -

Table 1 Effect of hydrogen sulfide and ammonia by concentrations for human and pig (Chapin et al., 1998)

설계하고자 하였다. 추가적으로 웨어러블장비의 설계에 적합 하도록 가급적 작고 납작한 센서를 사용하여 크기를 줄이고 자 하였으며, 배터리를 탈착하거나 보조전원을 연결하며, 돈 사에서의 장기간 모니터링 시 급속히 내구성이 떨어지는 것 을 방지하고자 하였다.

1단계 개발을 통하여 구현한 웨어러블 장비의 컨셉은 휴대 할 수 있고, 의류에 부착 가능한 형태의 소형으로 설계하는 것으로, 측정 정보를 확인할 수 있는 정보제공 화면, 노출식 가스센서의 부착, 알람 목적의 LED와 부저 설치를 고려하였 다. 측정 데이터를 전송할 수 있는 통신모듈이 고려되었으며, 센서는 교체 가능한 구조로 설계되었다 (Fig. 4). 작업자의 편

의성과 환경 측정 센싱의 정확도를 높이고, 데이터 송⋅수신 율을 높이기 위한 외장형 안테나를 부착하고, 다양한 가스센 서를 범용적으로 수용할 수 있도록 센서 모듈을 탈부착할 수 있는 구조로 설계하였다. 구조의 개선을 위하여 작업자 의복 에 센서 디바이스를 부착하거나 직접 손으로 잡을 때의 안정 감을 주기 위한 표면처리, 안테나 모듈 크기조정, 알람 모듈 확장을 고려하였다. 개발된 프로토타입의 웨어러블 장비의 검증을 위하여 기존의 상용화되어 사용되고 있는 장비와 동 시에 현장모니터링을 수행하여 데이터를 비교 및 검증하였으 며, 사용 시 발생하는 문제점을 고려하여 보완사항을 도출하 였다.

Contens Hydrogen Sulfide

(Manure storage)

Hydrogen Sulfide (Pig house)

Ammonia (Pig house)

Measuring range Requirement 10∼500 ppm 0.1∼20 ppm 0.1∼50 ppm

Possible range 0.5∼500 ppm 0.1∼50 ppm

Required accuracy 20 %

Size (mm)

(W x L x H) 150x150x100 150x150x100 150x150x100

Weight (g) 100 100 100

Battery time (hr) over 12 hr over 12 hr over 12 hr

Other requirements

1. Flat type sensor shape

2. Battery can be removed or powered separately

3. Durability decrease rapidly during continuously measurements inside pig house Table 2 Required design for the wearable device which measures working environment including ammonia and hydrogen sulfide

concentrations inside the pig house

Fig. 4 Initial design works for making wearable device used for monitoring working environment in pig house;

LCD, module design, battery, surface of case, and separated parts for device (clockwise from top left)

2. 유해가스 측정센서 결정

가스센서는 가스 누설방지의 용도로 주로 농도 측정, 기 록, 경보 등에 사용되며, 가스누출 감지장치, 화학 플랜트, 제조상 유독가스 발생을 검출하는데 사용되고 있다. 가스 센 서 시장의 경우 초소형화, 저전력화 및 저가격화 항목을 기준 으로 각각 단점을 보완하고 형태를 개선하면서 발전되고 있 다. 포터블이 가능한 유해가스 측정센서는 측정방식에 따라 서 Table 3과 같이 구분 및 정리할 수 있다. 광학식 측정센서 의 경우 가스를 정확하게 분석하는데 유리하지만, 크기가 크 고 비싸기 때문에 농가에 보급하기 위한 웨어러블 장비 개발 에 적합하지 않았다. 따라서 주로 반도체식 (Semiconductor), 전기화학식 (Electrochemical) 방식의 센서를 중심으로 목적 에 맞는 측정이 가능한 센서를 검토하였다. 가스센서의 선정 을 위하여 가격과 수급 가능성을 고려하였다. 특히 센서는 대량납품을 중심으로 유통되어 소량납품이 어려웠으며, 소 형화를 위해서는 소비전류와 지연시간, 적정한 수준의 정확 도를 고려해야 한다. 특히 연구용으로 고가의 장비를 통하여 매우 높은 수준의 정밀도를 확보하는 것보다, 축산현장에서 작업하는 농민들이 구입 및 활용하기 쉽도록 정밀도는 상대 적으로 떨어지더라도 환경모니터링에 적절한 수준의 정밀도 를 유지할 수 있다면 가급적 저렴한 장비를 개발하는 것이 필요하다.

3. 통신기술 검토

양돈장에서 고정형 또는 웨어러블 기반의 모니터링 시스템 을 운영하기 위한 맞춤형 통신기술을 구축하고자 하였다. 이 를 위하여 데이터 처리장치와 통신서버의 구축이 필요하다.

현장맞춤형 통신모듈 설계를 위하여 Table 4와 같이 다양한 통신기술을 검토하였다. Wifi는 제품의 소비전력이 커 소형화 에 어려움이 있으며, ZigBee는 사용하는 수요가 적어 적용가 능한 상용제품의 확보가 어려워 제외하였으며, 축산시설이 위치한 외곽지역에서도 적용이 가능한 블루투스, Z-웨이브, Lora를 통신 방법으로 고려하였다. 블루투스의 경우 단수 연 결로 2종이상의 가스 모니터링 데이터를 동시에 송신하는 것 이 어려우나, 저전력 통신이 적용 가능하며, 위치 오차가 축사 환경 조건을 고려하더라도 약 3 cm 정도로 정확하다. Z-웨이 브는 개발된 제품이 많지 않아 제품을 구입하는 것이 어려우 며, 먼지나 유해가스의 농도에 취약하여 축산시설에 설치하 기에는 부적합하다. Lora (Long Range Low Power)와 BLE 통 합 모듈은 통신사 서비스망을 활용하지 않고, 자체 로컬망을 구성해서 현장에 적용할 수 있으며 먼거리까지 저렴하게 송 신이 가능하여 복잡한 구조물이 많은 축사에 적합하다. Lora 는 저전력으로 운영될 수 있어 배터리 하나로 최대 10년 정도 서비스의 사용이 가능하며, 920 MHz 대역의 주파수를 사용하 고, 약 16 km 이상 (최대 21 km) 통신범위를 가지고 있어 하나

Type of sensors Semiconductor Electrochemical Contact-combustion Optical Representative gas CO, NO

, SO

, H

S,

VOC, HCHO, etc.

CO, CO

, SO

, O

, NO, NO

VOC

H

, CH

Flammable gas

CO, CO

, SO

, NO, O

, NO

, CH

Gas selectivity Poor Medium Poor Good

Sensitivity Good Good Medium Poor

Reaction time Fast Fast Medium Slow

Power consumption Medium Medium High Low

Price Low Low Low High

Size Small Small Medium Large

Table 3 Operating principles by different types of gas sensors

Type Bluetooth WiFi Zigbee Z-wave LoRa

Frequency band 2.4 GHz 2.4, 5 GHz 868∼928 MHz 868∼928 MHz 920 MHz

Communication distance 1-100 m 100 m ＞100 m >100 m 2∼15 km

Waiting time 10s 3s 0.03s 0.03s 0.03s

Current consumption 1∼100 mW 100 mW

on average 1∼100 mW Low 1∼100 mW

Application Audio, earphone Internet Home network Home network Industrial sensing Characteristic low power

singular connection

multiple connection

low power

cheaper netwo가 Good compatibility Cheap module

Low interference

Table 4 Comparison of each communication module which can be considered for making network system in livestock facility

의 모듈에 여러 센서를 장착하는 것도 가능하여 다양한 서비 스와 데이터 전송이 가능하다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 측정센서 결정

양돈장 작업환경을 모니터링하기 위하여 웨어러블이 가능 한 축사환경 측정장비를 개발하기 위한 첫 단계로 유해가스 측정을 위한 적정한 센서를 평가 및 결정하였다. 센서는 상용 화되어 구매가능한 제품 중에서 축산시설의 작업환경을 측정 하는데 필요한 성능범위를 만족하며, 정확도와 내구성을 고 려하여 선정하였다. Table 5와 6은 각각 확보할 수 있는 황화 수소와 암모니아 센서들에 대한 성능을 비교 검토한 것이다.

센서의 정확도와 측정방식을 고려하여 H2S 및 NH3 센서 모두 전기화학식 제품으로 선정하였다.

황화수소 센서의 측정정확도를 분석하기 위하여 500 ppm 까지의 서로 다른 농도에서 센서선정기준을 만족하는 Table 5의 D, E 센서를 대상으로 성능평가를 수행하였다. 센서 시 제품은 Fig. 5와 같이 PCB (printed circuit board)에 조립하여 측정이 가능하도록 제작하였으며, 표준가스를 활용하여 테 들러백에 센서를 넣고 밀봉한 후 무취공기 제조장치를 활용 하여 무취공기와 황화수소를 적정량을 주입하여 0, 100, 333, 500 ppm을 유지시킨 후 각 센서의 측정값을 비교분석 하였다. Fig. 6은 농도의 변화에 따른 센서의 측정결과를 시 간에 따라 제시한 것으로 D 센서는 3단계의 농도변화에 따 라 오차가 -6.3, -7.9, -1.5%로 평균 5.3%를 보였으며, E 센서 는 +20.2, 15.7, -6.3%로 평균 14.1%의 오차를 보였다. 농도 단계별 측정값이 일정하게 유지되면서, 가격도 저렴한 D 센 서를 최종적으로 황화수소 센서로 선정하였다. Fig. 7은 동 일한 실험을 암모니아 센서를 대상으로 수행한 결과를 나타 낸 것이다. 암모니아의 농도를 단계적으로 10, 20, 30 ppm으

Company A

(England)

B (England)

C (China)

D (Japan)

E (Korea) Sensing type Semi-conductor Electrochemical Electrochemical Electrochemical Electrochemical

Model H

S -Micro sensor 4H

S-HR 100 MES3 -H

S NE4 -H

S SS2198

Picture

Size 12x12x6 mm Φ21x17 mm Φ20x17 mm Φ20x16.5 mm Φ20x16.5 mm

Operating temperature -40∼50℃ -20∼50℃ -20∼50℃ -20∼50℃ -20∼50℃

Measuring range 1∼5000 ppm 0∼100 ppm 0∼100 ppm 0.5∼500 ppm 0.5∼500 ppm

Unit of measures 5 ppm 0.1 ppm 0.1 ppm 0.5 ppm 0.5 ppm

Endurance 36 month 18 month 24 month 24 month 24 month

Weight (g) 0.7 8 8 5 5

Table 5 Hydrogen sulfide candidate sensor technology review and selection

Company A (England) B (China) C (Korea)

Sensing type Electrochemical Electrochemical Electrochemical

Model 4NH

-100 ME4-NH

SS21N8

Picture

Size Φ21x17 mm Φ32x15 mm Φ21x17 mm

Operating temperature -20∼40℃ -20∼50℃ -20∼50℃

Measuring range 0.5∼100 ppm 0.1∼50 ppm 0.1∼100 ppm

Unit of measures 0.5 ppm 0.1 ppm 1.0 ppm

Endurance 12 month 24 month 24 month

Weight (g) 5 9 5

Table 6 Ammonia candidate sensor technology review and selection

로 증가시키는 동안의 Table 6의 A센서는 -8.0, -1.1, -6.5 % 의 오차로 평균 5.2%의 오차를 보인 반면, B센서는 -23.0, -13.0, -7.5%의 오차로 평균 14.5%의 오차를 보였다. 따라서 측정값이 안정적이었던 A센서를 암모니아 측정용 센서로 선정하였다.

2. PCB 설계

선정된 황화수소 및 암모니아 센서는 모두 전기화학식 가 스센서이며, 센서에 전압을 가하는 경우 대기 중의 황화수소 및 암모니아와 내부의 대전물질들이 화학반응을 일으켜 Electrode에 미세전압이 흐르며, 이를 증폭하는 앰프와 대기 온도에 따라 증폭도를 변환하는 서미스터 (Thermistor)를 설 치하여 정확도를 높이고자 하였다. 전기회로기판의 경우 축

Fig. 5 PCB design for testing hydrogen sulfide and ammonia monitoring sensors

Fig. 6 Hydrogen sulfide concentration according to different kind of sensors during increment of concentration from 0 to 500 ppm

Fig. 7 Ammonia concentration according to different kind of sensors during increment of concentration from 0 to 30 ppm

산시설에 장기간 노출되는 경우 패턴부위가 부식되어 데이터 의 수집 및 전송이 원활하지 않는 것을 감안하여, 패턴부위에 코팅을 통하여 내구성을 강화하였다. 또한 외부에서 발생 및 유입될 수 있는 먼지와 이물질을 제거할 수 있도록 외곽을 설계하였다. 축사 내 높은 습도, 가스, 분진으로 인한 열악한 환경에서 통신 모듈의 부식 및 오작동 가능성을 고려하여 내 부는 방진/방습 구조로 설계 (방진/방습 IP 66등급)하였다. 작 업복에 간편하게 설치할 수 있는 크기의 측정장비 및 송신기 에서 온습도센서, 가스센서, 리튬이온배터리를 설치하여 원 칩 MCU (micro controller unit), Wifi, 블루투스, LoRa를 모두 사용가능한 통신모듈을 연결하였으며, 비콘 (Beacon)을 적용 하여 축사의 위치정보를 수신한 후 측정된 데이터와 함께 수 신기로 데이터를 전송할 수 있도록 하였다. 비콘은 2.4 GHz 단방향 통신이 가능한 상용제품을 활용하였으며, 수신되는 데이터에서 Mac Address와 RSSI (Received signal strength indicator)를 판단하여 가장 가까운 비콘의 정보를 자동으로 인식하여 저장 및 제공할 수 있다.

3. 통신모듈 설계

축사 내 작업환경 및 사육환경에 대한 정보를 모니터링 하여 원거리로 전송하기 위하여 위치정보를 파악하는 것이 중요하다. 통신 모듈 선정 시 고려사항으로 열악한 축사환 경이 있다. 산악지대, 콘크리트 등 벽체가 두꺼워 통신에 열악한 건물로 내부통신 가능성이 높아 축사현장 적용할 경우 블루투스의 실제 통신거리 (0∼50 m)를 고려하여 중계 장비를 설치하여야 한다. 축사 내 작업자의 동선을 파악하 기 위하여 비콘을 설치하여 센서가 보내는 측정데이터와

비콘의 위치정보를 함께 중계기로 송신할 수 있도록 설계하 였다. 양돈장의 돈방별로 비콘 모듈을 각각 설치한 후 해당 하는 돈방으로 접근하는 신호를 웨어러블 장비의 송신기에 서 수신한 후, 센서를 이용하여 측정된 데이터가 LoRa 망을 통하여 전송되도록 하였다. 비콘과 로라의 조합을 통하여 GPS 없는 저전력 추적 애플리케이션 구현이 가능하며, 1회 전송 성공율 90%, 재전송 3회 고려 시 99% 이상을 확보할 수 있었다.

Fig. 9 Concept of communication system from wearable monitoring device to main server via LoRa system

4. 개발 웨어러블 측정장비 현장검증

통신 및 센싱기술을 적용한 모니터링 장비 시제품의 성능 을 평가하기 위하여 휴대용 복합가스측정기인 MultiRAE lite (RAE Inc., USA), Gas tiger 2000 (Wandi Inc., China)을 사용하 여 현장에서 암모니아와 황화수소의 농도 측정평가를 수행하

Fig. 8 Development of prototype monitoring device with installation of H

S sensor

였다. Fig. 10과 같이 상업용 양돈장 (15,000두 규모)의 비육사 와 자돈사에서 작업자의 어깨에 모니터링 장비의 측정부가 고정될 수 있도록 2개의 상용제품과 개발된 모니터링장비를 함께 설치하여 황화수소와 암모니아의 농도를 측정하는 실험 을 반복 수행하였다. Fig. 11은 상용화된 기존의 2가지 장비에 서 측정한 암모니아와 황화수소 농도의 평균값과 본 연구과 제에서 개발된 시제품 2대에서 측정된 농도의 평균을 비교한 것이다. 비교 결과 암모니아와 황화수소의 R²가 각각 0.811, 0.812로 기존 제품과의 유사한 성능을 확인할 수 있다.

Ⅳ. 결 론

축산시설 내부의 온도, 습도, 가스농도와 같은 환경데이터 를 모니터링하는 것은 스마트축사의 자동제어 시스템을 구축 하기 위한 환경제어 알고리즘 구축에 필요한 기초데이터를 확보하는 데 매우 중요한 역할을 한다. 축산시설 내부의 높은 습도, 가스 및 미세먼지의 농도로 인하여 상시 설치하여 측정 하는 모니터링 장비는 내구성이 금방 떨어지며, 작업자가 노 출되고 있는 작업환경을 추적하는데 한계가 있다. 이를 극복

Fig. 10 Field application test in the experimental pig house and manure storage using existing and developed monitoring devices for ammonia and hydrogen sulfide

Fig. 11 Comparison of ammonia and hydrogen sulfide concentration measured by existing and developed monitoring devices

하기 위하여 본 연구에서는 농가에 보급할 수 있는 경제성과 정확도를 갖추고, 작업위치에 따른 작업환경 및 사육환경을 모니터링하기 위한 웨어러블 기반의 모니터링 장비를 개발하 였다. 이를 위하여 작업자에 부착할 수 있도록 장비를 경량화, 소형화하였으며, 축산시설의 복잡한 구조를 극복하고 위치정 보, 모니터링정보를 실시간으로 전송하기 위한 통신기술을 확립하였다. 본 장비를 활용하여 향후 위험한 환경에 작업자 가 노출되는 경우 해당하는 정보를 알람 또는 중앙에 전송함 으로써 작업자의 안전을 보호할 수 있으며, 작업환경 개선을 위한 작업자의 노출환경, 이동동선, 작업시간 등 관련 기초데 이터를 확보함으로써 IoT 기반의 축산환경 데이터 수집 및 분석 체계를 구축하는데 활용하고자 한다.

감사의 글

본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기 획평가원의 1세대 스마트 애니멀팜 고도화 및 실증사업의 지 원을 받아 연구되었음 (319014-01).

REFERENCES

1. Al Mamum, M. A., and M. R. Yuce, 2019. Sensors and systems for wearable environmental monitoring toward IoT-enabled applications: A review. IEEE Sensors Journal 19(18): 7771-7788. doi:10.1109/JSEN.2019.2919352.

2. Banhazi, T. M., H. Lehr, J. L. Black, H. Crabtree, P.

Schofield, M. Tscharke, and D. Berckmans, 2012. Precision livestock farming: And international review of scientific and commercial aspects. International Journal of Agricultural

and Biological Engineering 5(3): 1-9. doi:10.3965/j.ijabe.

20120503.00.

3. Chapin, A., C. Boulind, and A. Moore, 1998. Controlling odor and gaseous emission problems from industrial swine facilities, a handbook for all interested parties. Yale

Environmental Protection Clinic.

4. Chung, K. Y., 2009. Correlation between visual sensibility and vital signal using wearable based electrocardiogram sensing clothes. The Korea Contents Association 9(12):

496-503 (in Korean). doi:10.5392/JKCA.2009.9.12.496.

5. Fountas, S., G. Carli, C. G. Sørensen, Z. Tsiropoulos, C.

Cavalaris, A. Vatsanidou, B. Liakos, M. Canavari, J.

Wiebensohn, and B. Tisserye, 2015. Farm management information systems: Current situation and future

perspectives. Computers and Electronics in Agriculture 115: 40-50. doi:10.1016/j.compag.2015.05.011.

6. Gautam, R., Y. Heo, G. Lim, E. Song, K. Rogue, J. Lee, Y. Kim, A. Cho, S. Shin, C. Kim, G. Bang, J. Bahng, and H. Kim, 2018. Altered immune responses in broiler chicken husbandry workers and their association with endotoxin exposure. Industrial Health 56(1): 10-19. doi:10.2486/

indhealth.2017-0049.

7. Groot Koerkamp, P. W. G., J. H. M. Metz, G. H. Uenk, V. R. Phillips, M. R. Holden, R. W. Sneath, J. L. Short, R. P. White, J. Hartung, J. Seedorf, M. Schroder, K. H.

Linkert, S. Pedersen, H. Takai, J. O. Johnsen, and C. M.

Wathes, 1998. Concentrations and emissions of ammonia in livestock buildings in northern Europe. Journal of

Agricultural Engineering Research 70: 79-95.

8. Kalantarifard, A., E. S. Byeon, Y. W. Ki, and G. S. Yang, 2013. Monitoring of emission of ammonia, hydrogen surfide, nitrogen oxide and carbon dioxide from pig house, 2013. International Journal of Environmental Monitoring

and Analysis 1(3): 78-83. doi:10.11648/j.ijema.20130103.11.

9. Ki, Y., J. Han, T. Hyeon, and J. Han, 2012. Comparison of seasonal concentration of ammonia and hydrogen sulfide in swine house according to pig’s growth stage. Journal

of Agriculture & Life Science 46: 163-168.

10. Kim, K. Y., H. J. Ko, H. T. Kim, Y. S. Kim, Y. M. Roh, C. M. Lee, and C. N. Kim, 2008. Quantification of ammonia and hydrogen sulfide emitted from pig buildings in Korea. Journal of Environmental Management 88:

195-202. doi:10.1016/j.jenvman.2007.02.003.

11. Kim, K. Y., S. C. Seo, and J. H. Choi, 2014. Effect of general ventilation rate on concentrations of gaseous pollutants emitted from enclosed pig building. Journal of

Korean Society of Occupational and Environmental Hygiene 24(1): 46-51 (in Korean). doi:10.15269/JKSOEH.

2014.24.1.046.

12. Kwon, K. S., I. B. Lee, and T. Ha, 2016. Identification of key factors for dust generation in a nursery pig house and evaluation of dust reduction efficiency using a CFD technique. Biosystems Engineering 151: 28-52. doi:10.1016/

j.biosystemseng.2016.08.020.

13. Lewis, T., 1998. Evolution of farm management information systems. Computers and Electronics in Agriculture 19(3):

223-248.

14. Lim, H. J., Y. J. Kang, J. Y. Song, M. B. Lee, J. E. Oh, and J. H. Ku, 2017. Development of a mobile game and

wearable device for upper limb rehabilitation after brain injury. Journal of Rehabilitation Welfare Engineering &

Assistive Technology 11(3): 253-259 (in Korean). doi:

10.21288/resko.2017.11.3.253.

15. Milby, T. H., and R. C. Baselt, 1999. Hydrogen sulfide poisoning: Clarification of some controversial issues.

American Journal of Industrial Medicine 35(2): 192-195.

doi:10.1002/(sici)1097-0274(199902)35:2.

16. Seo, I. H., I. B. Lee, S. W. Hong, H. S. Hwang, J. P.

Bitog, J. I. Yoo, K. S. Kwon, T. H. Ha, and H. T. Kim,

2008. Development of a CFD model to study ventilation efficiency of mechanically ventilated pig house. Journal

of the Korean Society of Agricultural Engineers 50(1):

25-37 (in Korean). doi:10.5389/KSAE.2008.50.1.025.

17. Park, J., J. Seok, S. Lee, O. Kwon, K. Lee, Y. Heo, and C. Yoon, 2015. Ammonia and hydrogen sulfide monitoring in broiler barns and cattle barns. Journal of Environmental

Health Sciences 41(5): 277-288 (in Korean). doi:10.5668/

JEHS.2015.41.5.277.