2.1 원격 화재감시시스템 구성

Fig. 2는 원격 화재감시시스템의 전체적인 구성을 보여주며, 화재를 감지하는 감지기들과 감지시스템을 관리하기 위한 모니터링 시스템으로 구성된다. 감지기는 세대 내 설치되는 시스템과 필로티의 주차장 내에 설치되는 시스템으로 크게 구분할 수 있다. 세대 내 설치되는 감지시스템은 스마트 화재경보 LED 조명등으로써 LED 조명등과 연기감지기(2종, 15%)로 연동되어 화재 감지 시에 화재 경보가 발생되며, 무선으로 이웃 세대에 화재 사실을 전파하게 된다. 필로티 주차장의 화재 감지시스템은 외부 환경을 고려하여 이산화탄소(co$_2$)센서와 연기감지기를 연계하여 화재를 감지한다. 이 두 감지시스템은 건물 복도나 계단실에 위치한 게이트웨이와 무선 통신으로 정보를 송·수신하게 되며, 게이트웨이와 관리 서버가 인터넷 망으로 연계되어 모든 감지시스템을 모니터링하고 관리 할 수 있다.

2.2 스마트 화재경보 LED 조명등

스마트 화재경보 LED 조명등은 화재 발생 세대의 화재 사실을 이웃 세대에 전파할 목적으로 본 연구진에 의해 2018년에 개발되었으며, 본 논문에서는 편의상 화재경보 LED등이라 한다. 화재경보 LED등은 LED조명등과 주택용 단독경보형 연기감지기로 구성되어 전체 구조는 Fig. 3과 같다⁽⁸⁾. 이는 LED 조명등의 기본 성능은 동일하고 화재 안전을 위한 감지기 및 부속 장치들이 추가된 것이다. 연기감지기는 소방제품 인증을 받은 상용 제품으로 2종(15%)이다. 기존 일반 주택의 감지기는 배터리를 사용하였으나, 조명등과 일체형이므로 상시 전원을 공급하여 동작한다. 또한, 감지기에서 울리는 경보 이외에 LED 조명등의 조도를 제어하여 시각적으로도 화재 경보를 인지하도록 설계되었다. 이는 거주자 중 시각 및 청각 장애인을 고려하여 화재 경보 방법을 설계하였으며, 이러한 설계는 LED 조명등에 중앙처리장치(MCU)가 탑재되어 있기 때문에 용이하다.

또한, 연기감지기 사용 시 가장 큰 문제점은 비화재보의 발생이다. 비화재보는 화재가 아님에도 불구하고 요리, 물 끓임, 흡연 등에 의해 발생되는 입자들에 의해 화재로 인식되어 화재 경보가 발생하는 것을 의미한다⁽⁹⁾. 기존 단독경보형 감지기는 비화재보 시 거주자가 천장의 감지기에 부착된 리셋 스위치를 눌러야만 화재 경보가 소거된다. 하지만 개발된 시스템의 경우 조명등 온-오프 스위치와 연동 되어 있어 화재 경보 후 1분 이내에 스위치를 온-오프(오프-온) 시키면 화재 경보가 소거되고 이웃 세대에 경보가 전파되지 않도록 설계되었다. Fig. 4와 Fig. 5는 시스템 기본시퀀스와 화재경보 LED등을 보여주며, 시스템의 주요 특징은 다음과 같다.

- 220V의 상시전원 공급

- 음성 경보(시각장애 고려)

- 점멸 경보(조도 100%∽10%, 청각장애 고려)

- 화재 위치(세대) 표시

- 비화재보 타세대 전파 방지

- 일반 조명과 화재연동을 구분하여 선택적 사용

3.1 필로티 내 CO$_2$ 특성 실험

필로티 내 화재 감지 및 경보의 신뢰성을 확보하기 위해서는 야외 환경에서 발생되는 연기감지기의 비화재보 발생을 고려하여 설계되어야 한다. 야외 환경에서는 불규칙적으로 먼지나 수증기 같은 입자에 의해 연기감지기가 동작 될 수 있어 co$_2$ 센서와 연기감지기를 연계하여 화재를 감지하고 경보할 수 있도록 설계되었다. 하지만 필로티 구역은 주차장으로 구성되어 자동차의 시동 및 공회전 시 발생되는 co$_2$에 의한 비화재보를 고려해야 한다. 이에 주차장에서의 차량 공회전 시 발생되는 co$_2$를 분석하여 시스템 설계에 반영하였다. 실험은 필로티 구조의 다가구주택에서 진행되었으며, 주차장 개방면에 따라 2면 개방, 3면 개방, 4면 개방 구조의 주택을 각각 Fig. 6 (a)와 같이 선정하여 휘발유 승용차 1대, 경유 승용차 1대를 공회전 시켜 자동차에서 배출되는 co$_2$ 가스를 측정하였다. co$_2$ 센서는 NDIR(비분산 적외선) 방식을 사용하였으며, Fig. 6 (b)와 같이 4개의 센서를 천장에 부착하고 RS485를 통해 모니터링 시스템에서 실시간으로 데이터를 확인하고 저장하였다. 실험용 자동차와 co$_2$ 센서의 위치관계는 Fig. 7과 같으며 실험 조건 및 센서의 사양은 Table. 1 과 같다. 공회전 이전의 자연 상태 co$_2$ 농도는 필로티 구조의 개방 면수와 관계없이 약 450ppm으로 일정하다.

Fig. 8과 9는 2면 개방되어진 주차장에서의 실험 결과를 보여주며, 개방 면이 적은 구조여서 3면 이상 개방된 구조보다 차량 배기가스의 co$_2$ 농도의 수치가 높을 것을 볼 수 있다. 휘발유 차와 경유차 모두 다른 구조보다 상대적으로 높은 수치를 보이며, 바람의 세기 및 방향에 따라서 농도의 수치가 매우 불규칙적으로 나타난다. 특히 휘발유차의 가속페달을 동작 시켰을 경우 농도가 급격히 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 가속 페달을 작동 시켰을 경우 Fig. 9에서 상대적으로 높게 나타난 경우(2038ppm)는 가장 안쪽(벽면)의 농도로 바람의 통풍이 이뤄지지 않아 나타나는 특성이다. 경유차의 경우는 가속 페달을 동작하였을 경우도 일반 공회전 시와 동일한 결과이다.

동일한 개방 구조의 주택에서 휘발유차와 경유차의 co$_2$ 농도를 비교하였을 때 휘발유차가 상대적으로 높은 특징은 가진다. 이는 휘발유차의 경우 연료 연소 방식이 점화 방식이여서 압축 방식의 경유차보다 완전 연소에 가까워 co$_2$ 농도가 높게 나타난다. 일반적으로 자동차 배기가스 중 co$_2$ 비율은 휘발유차(약 18%)가 경유차(약 11%)보다 높고, CO(일산화탄소) 비율은 휘발유차(1%)가 경유차(약 2%)보다 낮은 특성을 가진다.

Fig. 10과 11은 3면과 4면 개방되어진 주차장에서의 실험 결과로써 2면 개방 구조에 비해 co$_2$의 농도가 적은 것을 볼 수 있다. 각 필로티 구조에 따라 경유차와 휘발유차에 의한 co$_2$ 농도가 2면 개방과 달리 유사하여 별도로 구분하여 실험을 진행하지 않았다.

3면 개방의 경우는 최대 약 800ppm의 수치를 보이며, 통풍이 잘되는 구조에서는 차량에서 배출되는 co$_2$의 양이 바람에 따라서 일정하지 않아 4개의 센서 중 최댓값을 갖는 위치(센서)가 시간에 따라 달리 나타는 것을 볼 수 있다. 4면 개방의 경우는 공회전 시 가속 페달을 동작시켜도 검출되는 co$_2$의 양이 자연 상태에서의 co$_2$ 농도(450ppm)와 비교하였을 때 매우 미비하다.

이러한 필로티 구조 주차장에서의 co$_2$ 실험을 통해 차량 배기가스에 의한 비화재보의 발생 가능성을 검토하였으며, 필로티의 구조와 센서의 부착 위치에 따라 co$_2$의 농도가 매우 상이한 것으로 나타났다. 이 실험은 Fig. 7과 같이 co$_2$ 농도가 높게 나타나는 조건(worst case)으로 진행되었으며, 필로티용 화재감지시스템의 경우는 주차장 내 화재 위험요소가 산재 되어 있는 곳에 유동적으로 설치되어 자동차의 배기가스의 영향이 직접적으로 미치지 않을 것으로 판단된다. 이러한 실험 결과를 토대로 3개 이상 다수의 화재감지시스템을 필로티 내 주차장 천장에 부착하여 2개 이상의 장치에서 화재를 감지 할 경우 세대 내의 화재경보 LED등으로 전파하도록 설계하였다.

3.2 필로티용 화재감지시스템 개발

필로티용 화재감지시스템은 주차장 내에서 발생하는 화재를 감지하여 세대 내의 거주자에게 화재 사실을 전파하는 것을 목적으로 한다. 특성 실험에 따라서 화재감지시스템은 필로티 구역에 3개 이상이 화재 위험 지역에 설치되며, 이 중 2개 이상에서 화재가 감지 될 경우 화재로 판별하여 세대 내에 설치된 화재경보 LED등에 화재 사실을 전파한다. 3개 이상의 시스템은 서로 유선으로 통신하며 co$_2$ 감지 및 연기감지기 동작 정보를 한 개의 장치(master)가 수집하여 화재를 판별하고 Fig. 12와 같이 무선으로 세대 내 화재경보 LED등에 화재 발생 사실을 전파한다. Fig. 13은 개발된 필로티용 화재감지시스템의 동작 시퀀스를 보여주며, Fig. 14는 개발된 시제품을 보여준다.

3.3 원격 모니터링 시스템

원격 모니터링 시스템은 화재 상황을 모니터링 하고 시스템을 관리하기 위해 구성되었다. 화재경보 LED등과 필로티용 화재감지시스템의 정보는 게이트웨이를 통해 관리서버로 전송된다. 전송된 정보는 실시간으로 모니터링이 되어야만 신속한 대응이 가능하다. 관리 서버로 전송된 정보는 Fig. 15의 모니터링 화면에 실시간으로 나타나며, 이 모니터링 시스템은 원격 화재감시시스템을 구축하는데 중요하다.

모니터링 시스템에 표시되는 경보 알람은 세가지로 구분되며, 화재 시에는 빨간 색, 점검 시에는 파란색, 정상 동작 시에는 초록색으로 표시된다. 표시 알람 버튼을 누르면 경보 발생 이력을 상세하게 확인 할 수 있다. 또한 관리자의 사용 편리성을 위하여 Fig. 16과 같이 장치 등록, 관리자 등록, FAQ 등의 부가 기능을 탑재하여 설계되었다. 이 시스템은 관리서버가 위치하는 관리실에서 모니터링하며, 스마트폰과 같은 기기에서 실시간 확인이 가능하다.

4.1 시스템 현장 구축

일반 주택의 화재 안전을 강화하고 시스템의 운영 기술 고도화를 위하여 개발된 시스템을 실증을 위해 구축하였다. 대전 지역의 일반 주택 중 화재 안전에 취약한 다가구 주택을 선정하여 구축하였으며, 그 규모는 12개 동 87세대이다. 실증 현장은 대전 지역의 다가구 주택의 현장 조사를 통해 화재 위험성이 높고 노후화 된 주택으로 선정하였다.

Fig. 17은 현장 구축의 과정을 보여준다. 구축 단계는 통신망 및 게이트웨이 구축, 세대 내 화재경보 LED등 설치, 필로티용 화재감지시스템 설치로 진행되며, 최종적으로 설치된 시스템을 감시 할 수 있는 모니터링을 구축하였다. 통신망은 상용 인터넷 망을 사용하며 게이트웨이는 건물 당 한 개씩 복도 또는 계단실에 위치하여 관리 서버와 통신하게 된다. 신축 건물이 아닌 2000년대 초반 지어진 건축물을 대상으로 하여 상시 전원 확보를 위한 작업이 중요하다. 세대 내의 상시 전원은 Fig. 17.b(좌)와 같이 시스템(화재경보 LED등)을 설치할 위치에 가까운 주택 배선의 분기점에서 상시전원을 확보하였으며, 필로티용 화재감지시스템의 전원은 Fig. 17.b(우)와 같이 주차장 내 보안용 센서등에서 상시 전원을 확보하였다. 또한, 게이트웨이의 전원은 건물 내 통신함에서 전원을 확보하였다. 세대 내 화재경보 LED등은 기존 단독경보형 연기감지기 위치를 고려하여 거실 또는 방에 설치하였다. 필로티용 화재감지시스템은 주차장 내 창고 또는 화재 위험 요소가 산재되어 있는 곳에 설치되었으며, 3개를 하나의 세트로 구성하여 설치하였다. 시스템의 설치 간격과 방향은 필로티 구조를 고려하여 결정하였다.

Fig. 18(a)는 세대 내 설치된 화재경보 LED등으로 기존 단독경보형 연기감지기의 부근에 함께 위치하는 것을 볼 수 있다. Fig. 18(b)는 주차장 내 설치된 필로티용 화재감지시스템이며, 3개의 시스템이 하나의 세트로 구성되어 화재를 감지하고 전파한다. 설치는 재활용 물품과 폐기물들이 상시 적치되어 있거나 창고 등이 있어 화재 발생 위험이 큰 구역을 지정하여 주택 별로 위치를 달리하여 설치하였다. 설치된 두 시스템의 상태는 관리 서버를 운영하는 곳에 실시간으로 전송되어 현 상황을 Fig. 19와 같이 모니터링 하게 된다.

4.2 시스템 운영

구축된 원격 화재감시시스템의 정보는 24시간 관리 서버로 전송되며 모니터링 시스템에 실시간 표시된다. 모니터링 시스템에는 화재 감지 및 점검 상황이 발생되면 발생 상황을 알리게 되고 관리자가 신속히 대응하게 된다. 현재 운영 초기 단계로 시스템의 신뢰성 확보 및 서버 안정화 측면으로 관리 서버가 운영되고 있으며, 향후 시스템 고도화를 통해 화재 안전 강화를 위한 운영 고도화를 추진할 계획이다.

Fig. 20은 현재 운영되고 있는 모니터링 시스템의 지도(상) 및 위성 화면(하)을 보여준다. 12개 동에 대한 정상 동작 표시가 되어 있는 것을 볼 수 있으며, 화재 및 점검 상황이 발생하면 모니터링 시스템에 표시된 알림 표시의 색깔(화재 : red, 점검 : blue)이 변경되고 관리자에 알려준다. Fig. 21은 시스템의 동작 상태를 보여주는 것으로 상태 및 발생 이력 등을 확인하게 된다. 모니터링 화면은 관리실뿐만 아닌 테블릿 등의 기기를 통해서 접속 가능하게 설계되었다.

시스템 운영 중 관리 서버의 업그레이드와 함께 구축된 시스템의 동작 상태 등을 확인하기 위해 주택의 거주자에 대해 설문조사를 실시하였다. 주요 항목으로는 비화재보의 발생 유무와 시스템 설치 거주자가 느끼는 화재 안전에 대한 심리 변화이다. 설문 참여의 응답은 87세대 중 59세대(75%)이며, 이중 화재 경보가 발생한 경우가 1건(1.7%)으로 세대 내 ‘스마트 화재경보 LED조명등’에서 발생하였다. 이에 화재(연기)감지기를 회수하여 분석 결과 먼지에 의한 비화재보였으며, 거주자가 화재 경보 발생 후 비화재 상황으로 인지하여 경보 리셋 스위치(조명 스위치)를 동작시켜 타세대로의 경보 전파는 이루어지지 않았다. 원격 화재감시시스템의 구축 이후 거주자들의 약 93%이상이 거주하는 건물의 화재 감지 및 시스템 구축으로 인해 화재 안전이 강화 되었다는 인식을 가졌다. 추후 시스템 운영을 통해 발생되는 문제를 지속적으로 개선하여 시스템 고도화를 진행하고 있으며, 소방 설비가 미비한 화재 안전의 취약 주거 지역에 대한 확대 구축 등을 모색하고 있다.