2.1 전동 창호 시스템 설계 및 제작

우리 생활에서 “의식주” 중에서도 “주”에 해당하는 부분에서 외부 환경으로 부터 우리를 보호하기 위한 창문 개폐 기능을 담당하는 창호 시스템은 과거에는 사용자가 직접 열거나, 닫아서 사용하다가 현재에는 손이 닫지 않은 지붕 등에 부착되어지는 창문인 천창, 일반 창문 등에 전동으로 벽에 부착된 버튼(스위치)이나 리모컨 조작으로 실내에서 자동으로 창문을 개폐하여 실외에서의 미세먼지나 벌레, 외부 침입자를 막는데 주로 사용되었다. Fig. 1은 전동 창호 시스템의 기술 추세를 보여 주고 있다. Fig. 1에서 보듯이 사용자 삶의 질적 향상에 따른 생활환경의 변화에 대응하기 위한 창호 시스템으로 기존 기능을 충족시키고, 비상시나 평상시에도 실내/외 위험 환경에서 사용자 중심으로 시간, 공간 제약에서 탈피하여 원격으로 전동 창호를 제어하기 위한 사용자 편리성을 갖는 창호 시스템에 원격 제어 연구가 활발히 진행되어지고 있으며, 이에 본 논문은 기존 창호 시스템에 사용자의 편리성을 반영한 추가 원격 제어 기능을 적용한 회로 구성 및 설계, 제작, 시험을 통해 제안 시스템의 현장 적용 가능성을 제시하였다. Fig. 2(a)는 제안한 기능들을 포함하는 제안 시스템의 주요 블록도를 보여 주고 있으며, 크게 전동 창호 시스템의 구동 기능과 원격 제어를 위한 wifi 기능, 안전을 위한 가스 검출 등의 기능으로 제안하였으며, Fig. 2(b)는 제안 시스템의 상세 블록도를 보여 주고 있다. 창문을 자동으로 개/폐하는 것을 구현하기 위해서는 모터와 동력전달장치에 대한 설계 및 선정이 필수이다. 이에 대한 설계 및 절차는 Fig. 3에 보여 주고 있다^[5-7]. Fig. 3의 5단계 절차에 따라 제안 시스템의 모터 및 동력전달장치를 선정하였다. 먼저, 기구 사양 결정은 구동 Unit의 형태, 크기, 중량, 동력전달방법, 마찰 계수 등을 통해 정했으며, 제안 시스템에서는 일반적인 창문의 무게를 고려하여 제안 시스템에서의 무게는 최대 15kg까지 이송 가능하게 하였으며, 구동 유닛의 형태는 직선운동으로 진행 될 수 있게 선형 이송 모듈 타입으로 선정하였다. 두 번째로는 상수, 로터치의 개수, 기본 스텝(Step) 각, 분해능, 속도, 응답성, 소음 등을 고려하였고, 제안 시스템에서는 여러 모터 중에서 속도와 응답성, 소음 등을 고려해서 2상 스테핑 모터를 선정하였다. 세 번째는 속도, 위치결정시간, 가/감속 시간, 기동 펄스 속도, 고속운전 펄스 속도, 펄스 수 등의 구동 패턴을 고려하여 결정하였고, 제안 시스템에서는 사다리꼴 구동패턴을 사용하였으며, 이에 개/폐 모션에 맞게 제어를 진행하였다. 네 번째로 안전율 고려한 필요 운전 토오크, 가속 토오크, 부하 토오크 등을 계산하여 최종적으로 모터 제조사 시방 등을 고려하여 모터를 선정하였다. 제안 시스템에서는 안전율과 기계효율 등을 모두 고려하여 적정 모터를 선정하였다. 선정된 모터는 스테핑 모터(NEMA17)로 Fig. 4에 주요 시방을 보여 주고 있다. Fig. 4의 스테핑 모터의 상세 시방으로는 4선식 42규격의 4248 스테핑 모터로 모터축 5mm, 가로세로 42mm, 모터 높이 48mm의 기구구조와 홀딩토크 0.55Nm, 전류 1.7A의 전기적 시방을 가지는 DC 모터를 선정하였다. 일반적인 창호 시스템은 선형으로 이동하는 특성을 가지므로, 기구적인 동력전달방법 및 장치를 선정하기 위해 Fig. 5에서와 같이 초기에는 랙 & 피니어 구조로 스테핑 모터와 직접 결합되는 구조로 실제 설계, 제작, 시제품을 제작하여 실험을 진행하였다^[3]. 고려한 결과, 기어의 모듈과 피치 원의 지름을 계산하여 이동하는 회전수를 계산하여 제어를 하는데 Fig. 6의 볼 스크류 방식보다 정확도가 떨어지고, 실제 현장(실생활) 적용에서 창문 시스템의 취부가 다양하여 이에 대응하기 위한 제어가 불리하여 최종적으로 Fig. 6의 볼 스크류 선형 이송 모듈 방식을 선정하였다. Fig. 6은 볼 스크류 선형 이송 모듈에 스테핑 모터를 결합하여 제안한 시스템의 동력전달 선형 이송장치를 보여주고 있다. 제안한 동력전달 장치는 400mm 리니어 이송 레일 슬라이더 구조이며, T8(8mm), 2mm 피치(한 바퀴에 2mm 이동)의 볼 스크류 선형 이송 모듈과 NEMA17 4248 스테핑 모터를 사용하였고, 이송 속도는 초당 0∼20mm이며, 오차는 약 0.5mm이고, 횡축 부하는 최대 15kg이며, 스테핑 모터는 12Vdc(3A) 또는 24Vdc(1.5A)으로 구동되는 2상 풀브리지 회로 구성을 가지는 TB6560 드라이버를 통해 동작되도록 설계, 제작하였다.

Fig. 1. Technology trand of Electric Window System

Fig. 2. The block diagram of proposal system

Fig. 3. Mechanism design processor of the proposal system

Fig. 4. Structure of stepping motor(mechanical and electrical)

Fig. 5. Rack and pinion structure(mechanism)

Fig. 6. Ball screw structure(mechanism):Linear module

Fig. 7. Double window bracket of the proposal system

일반적인 창호 시스템은 기구적으로 2중 창호 구조로 구성되어 있다. 따라서 Fig. 6에 동력전달장치를 내창측에 부착하여 작동하게 되면 내창측만 동작하고, 외창측은 동작하지 않는 문제점이 발생하게 된다. 이에 내장측과 외창측이 동시에 작동되게 하기 위해 제안한 브라켓인 2중 창호 브라켓을 Fig. 7에 보여 주고 있다. Fig. 7에서 보듯이 제안한 2중 창호 브라켓은 실제 제작시 금형 개수를 적게 할 수 있는 구조로 제안하였고, 또한, 내창측과 외창측을 독립으로 열고, 닫게 하기 쉬운 기구적 구조를 위해 중간 브라켓의 착/탈 구조를 적용한 장점을 가지는 것이 특징이다.

2.2 IoT 설계 및 제작

Fig. 8은 사용자 편리성을 위한 원격 제어를 위해 제안한 시스템에 IoT를 적용한 주요 블록도를 보여 주고 있다. Fig. 8에서 보듯이 wifi 기능을 내장하는 제어기 보드를 선정하고 또한 제어기에서 스위치 기능을 구현할 수 있게 제안하였다. Fig. 9(a), (b)는 wifi 기능을 내장한 제어기의 회로도 및 실제 시제품을 보여 주고 있다^[8]. Fig. 9에서 보듯이 제안한 IoT 기반 제어기 보드로 ESP8266 보드(ESP8266 D1 Mini 보드)를 적용하여 기존 창호 시스템에도 원격 제어 기능을 쉽게 적용할 수 있게 제안 시스템의 제어기 크기를 고려하여 선정하였다. 선정된 제어기의 크기는 68*53mm, 무게 25g, 플레쉬메모리 4M bytes, 동작전압 3.3V, 디지털 입/출력 11개, 아날로그 입/출력 1개로 구성하였으며, 스위칭 기능을 할 수 있는 보드도 제어기 크기에 대응하기 위해 동일한 크기로 제작하였으며, 그 사양은 입력 전압 5V, 출력 사양 250V(10A), 125V(15A)를 가지는 릴레이(JQC-3FF-S-Z)를 선정하여 제작하였다. Fig. 9(c)는 컴퓨터 및 핸드폰에서 제안 창호 시스템을 제어하기 위한 제어 화면으로 간단히 구성하여 시험을 행하였다. Fig. 9(c)에서 보듯이 핸드폰의 화면에서는 전원 제어 및 스위치 제어를 위한 ON/OFF 화면과 컴퓨터에서는 전원제어, 스위치 제어를 위한 ON/OFF 화면과 창문의 열림 정도도 화면에 표시되도록 구현하였다. Fig. 10은 제안 시스템에 IoT 기반 제어기 보드 및 스위치 기능의 릴레이 보드와 컴퓨터 및 핸드폰의 제어 화면에서 원격으로 제어하기 위한 시제품과 그 시험을 보여주고 있다. 이는 Fig. 10에서 보듯이 핸드폰을 이용하여 제어지령을 하면 wifi 기능으로 서버를 통해 제안 시스템의 제어기가 동작하여 최종으로 릴레이보드가 구동됨을 확인하였으며, 최종으로는 릴레이 보드와 제어기 보드를 단일 보드로 구현하였다.

Fig. 8. IoT block diagram of the proposal system

Fig. 9. IoT based controller

Fig. 10. Prototype and experiment of IoT based controller

2.3 제안 시스템 시제품 및 시험

Fig. 11은 제안 시스템의 주요 부품을 보여 주고 있다. Fig. 11에서 보듯이 wifi 기능을 포함하는 제어기와 동일한 크기의 릴레이 보드는 동일 크기로 착/탈이 가능한 일체형 구조로 제작하여 A/S 등이 용이할 수 있는 구조를 가지는 것이 특징이고, 스테핑 모터를 구동할 수 있는 드라이브 보드와 스테핑 모터, 스테핑 모터와 결합된 선형 이송모듈로 실제 제안 전동 창호 시스템을 제작하였다. Fig. 12는 제안 창호 시스템의 시제품을 보여 주고 있다. Fig. 12는 Fig. 11의 제안한 주요 부품을 바탕으로 하여 제안 창호 시스템을 구성하고 이에 추가로 안전을 위해 선형 이송 모듈의 양 끝단인 창문의 양 끝단에 리밋 센서를 부착하였고, 실제 창호 시스템에 적용하여 실험을 행하기 위해 선형 이송 모듈과 내측창에 연결하기 위한 연결 브라켓을 제작하여 고정한 시제품을 제작하였다. Fig. 13은 제안 시스템을 실제 창호 시스템에 적용하여 wifi 기능으로 원격 제어하여 설치된 창호 시스템이 동작되는 시험을 보여 주고 있으며 실제 핸드폰 또는 컴퓨터로 원거리에서 원격으로 wifi를 이용하여 원격 제어로 제안 창호 시스템이 잘 동작됨을 확인하였다.

Fig. 11. Key prototype materials of the proposal system

Fig. 12. Prototype of the proposal system

Fig. 13. Experiment using Prototype of proposal system(window open/closed state)