환경 센서를 활용한 실내 공기질 모니터링 시스템 설계 시 고려 사항
센서 기술은 지난 10년 동안 지속적으로 발전하면서 여러 새로운 애플리케이션과 활용 사례를 만들어냈습니다. 하나의 예가 실내 공기질에 중점을 둔 환경 감지 및 공기질 모니터링입니다. 특히 COVID-19 팬데믹의 여파로 사람들은 실내 공간의 공기 질에 대해 훨씬 더 많은 관심을 갖고 예민하게 인식하게 되었습니다.
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실내 공기질을 모니터링할 때는 이산화탄소(CO2), 미세먼지(PM), 휘발성 유기 화합물(VOC) 수준 등 여러 요소들을 고려해야 합니다. 감지 기술이 발전하긴 했지만 추적해야 할 변수가 너무 많기 때문에 실내 공기질을 모니터링하는 것은 어려운 작업입니다. 특히 설계자가 성능, 정확도, 전력 소비 사이의 절충점을 찾아야 하는 하드웨어 시스템 설계 관점에서 보면 더욱 그렇습니다.
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이번 포스트에서는 실내 공기질 모니터링 시스템에 사용되는 다양한 센서와 시스템 설계의 어려움, 그리고 이러한 과제에 대한 몇 가지 해결책에 대해 살펴보겠습니다.
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환경 센서를 활용한 실내 공기질 모니터링 시스템 설계 시 고려 사항 (출처: Olivier Le Moal- stock.adobe.com)
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실내 공기질 모니터링에 사용되는 센서
실내 공기질 모니터링의 주요 측정 대상은 CO2, PM, VOC입니다. 일반적으로는 각각의 측정 대상마다 특정 센서를 사용해야 합니다.
CO2 감지의 경우, 일반적인 센서 유형으로는 비분산형 적외선(NDIR) 센서, 전기 화학적 센서, 금속 산화물 반도체(MOS) 센서가 있습니다. 일례로, 실내 공기질 모니터링 애플리케이션에서 매우 높은 정확도를 제공하도록 설계된 암페놀 어드밴스드 센서(Amphenol Advanced Sensors)의 T6793은 NDIR CO2 센서입니다. 이 센서의 몇 가지 주목할 만한 특성으로는 440 ~ 2,000ppm의 측정 범위에서 ±45ppm + 3%의 판독 정확도를 들 수 있습니다.
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미세먼지(PM)는 형태도 다양하고 발생원도 제 각각이기 때문에 가장 복잡한 대기 오염 유형 중 하나입니다. 일반적으로 PM은 크기에 따라 미세먼지(PM10), 초미세먼지(PM2.5), 극초미세먼지(PM0.1 - 직경이 0.1µm 이하인 입자)의 세 가지 범주 중 하나로 분류됩니다. 이러한 다양성으로 인해 PM 센서는 광학 입자 계수 및 체적 산란을 포함한 다양한 감지 기술을 사용합니다.
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마찬가지로 VOC 역시 많은 오염 물질을 포함하므로 다양한 형태의 감지가 필요합니다. 가장 널리 사용되는 VOC 센서의 세 가지 종류는 광이온화 검출기, 화염 이온화 검출기, MOS 센서가 있습니다. 이들 센서는 일반적으로 이소부틸렌 가스를 사용하여 보정되지만, 측정되는 실제 VOC에 따라 다양한 반응 및 출력 판독값을 가질 수 있습니다.
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이러한 세 가지 주요 오염 물질 외에, 온도와 습도 같은 다른 요인들도 독성 물질의 주요 원인이므로 모니터링할 가치가 있습니다.
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환경 센싱의 과제와 절충 요인
사용 가능한 감지 옵션이 다양하기 때문에 적정 애플리케이션과 환경에 적합한 센서를 결정하는 것은 실내 공기질 모니터링 시스템을 설계할 때 가장 어려운 측면 중 하나입니다. 일반적으로 센서를 선택할 때, 설계자는 전력 소모와 성능이라는 두 가지 특성을 주로 고려하게 됩니다.
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대부분의 실내 공기질 모니터링 시스템은 전용 센서를 사용하여 공기질을 모니터링하고, 센서가 측정한 데이터는 무선 시스템을 통해 중앙의 온라인 허브로 무선으로 전송하여 분석합니다. 일반적으로 이러한 시스템은 최고의 유연성과 가치를 제공하기 위해 배터리 전원을 사용합니다. 따라서 배터리 수명이 매우 중요하기 때문에 실내 공기질 모니터링 시스템을 설계할 때 주요 절충 사항은 전력 소비와 성능 사이의 균형입니다.
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일반적으로 환경 센서는 더 우수한 성능을 갖고 있지만 그만큼 전력 소모가 큰 편입니다. 예를 들어, 더 높은 샘플링 속도를 사용하면 센서가 자세한 데이터를 수집하는 데 도움이 되지만 디바이스의 전력 소비가 크게 증가합니다. 이로 인해 배터리가 더 빨리 소모되므로, 원치 않는 디바이스 다운타임과 유지보수로 이어질 수 있습니다.
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반면, 전력 소비를 최소화하려면 감지 성능과 무선 통신 안정성을 희생해야 하는 경우가 많습니다. 실내 공기질 모니터링 시스템의 전력이 부족하면 센서의 정확도가 눈에 띄게 떨어집니다. 따라서 실내 공기질 모니터링 시스템의 이상적인 설계는 정확하고 가치 있고 유용한 데이터를 제공하면서도 배터리 수명을 유지할 수 있도록 성능과 전력 소비 사이의 균형을 찾는 것입니다. 저전력 구성 요소를 신중하게 선택하고, 디바이스 절전 모드를 지능적으로 사용하며, 애플리케이션 및 설치 위치에 따라 데이터 전송에 적합한 무선 통신 프로토콜을 선택하면 이러한 목표를 달성할 수 있습니다.
공기가 깨끗하고 오염 물질이 없는 대기 환경에서 살고 싶다면 실내 공기질을 정확하게 모니터링할 수 있어야 합니다. 공기질을 정확하게 파악하기 위해서는 고품질의 정확한 데이터가 필요합니다. 이 글에서 설명한 것과 같은 우수한 센서를 사용하고 성능과 전력 소비 사이의 균형을 갖춘 적정 설계를 통해, 우리는 보다 건강한 생활 및 업무 환경을 구축할 수 있습니다.