Ⅰ. 서 론
양돈농장의 대형화와 밀집화로 인한 축산냄새와 가축분뇨의 처리와 같은 환경문제는 지역의 발전과 삶의 질과 연관이 되어 매우 중요한 문제로 대두되고 있다. 외부로 배출되는 유해요인의 영향도 중요하지만, 축산 시설 내부의 유해요인은 사육환경 뿐 아니라 내부에서 작업하는 작업자의 건강에 중요한 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 고령화, 여성화, 외국인화 되고 있으며, 작업안전에 취약해지고 있다. 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 기준을 35 ppm, 황화수소는 15 ppm으로 제시하고 있으며 (Milby and Baselt, 1999, Park et al., 2015), 고농도의 유해가스에 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.
Fig. 1
Number of livestocks (blue column) and households (red line) in pig production industry (KOSIS, 2019)
작업환경 및 사육환경을 포함하는 실내환경의 측정 결과는 축산 스마트팜 연구에도 매우 중요한 기초자료가 된다. 양돈업의 노동력 감소를 자동화와 원격제어로 극복하고, 축산물의 생산성을 높이기 위하여 환경 측정을 기반으로 한 자동제어 알고리즘을 개발하는 것이 필요하다. 생산성의 절감, 농업표준 준수, 고품질의 품질 및 안전확보를 위해서는 적절한 정보의 확보 및 관리가 매우 중요하다 (Lewis 1998; Banhazi et al., 2012; Fountas et al., 2015). 양돈사 내부의 사육환경을 측정하기 위하여 많은 연구자들은 암모니아, 황화수소, 이산화탄소, 미세먼지 등 다양한 공기 중 유해물질에 대한 모니터링을 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 현실적으로 많은 어려움이 있다. Fig. 2는 자돈사 현장 모니터링에 설치된 후 30일이 지난 온습도센서의 사진으로, 축산 시설 내부에 설치된 센서들은 높은 가스 및 미세먼지의 농도와 습도로 인하여 빠르게 오염되어 적절한 모니터링 결과를 제시하지 못하고 있다. 또한 양돈장 내부에 고정되어 측정되는 모니터링 장비들은 작업자들이 노출되는 환경과는 다른 결과를 제시하기 때문에 축사에서 작업하는 작업자들이 노출되는 작업환경에 대한 모니터링도 고려되어야 한다. 이를 해결하기 위하여 모니터링 장비의 내구성을 높이는 방안과 작업자가 착용할 수 있는 웨어러블 기반의 모니터링 시스템의 개발이 필요하다.
Fig. 2
Air humidity data measured by temperature and humidity sensors inside the pig house over 30 days
웨어러블 장비는 기존에 농업분야 이외에 다른 산업분야에서는 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). 축산시설에서도 다양한 ICT, IoT 기술의 발전으로 인하여 축사에서 환경요인을 측정하는 장비의 소형화 및 개선된 통신기술을 통하여 철골구조물이 많은 축산시설에서 효율적으로 데이터를 송신할 수 있는 기반을 갖출 수 있게 되었다. 하지만 아직까지 고가의 외국 모니터링 장비에 의존하고 있으며, 장비의 국산화 및 경량화를 위한 연구는 미흡한 실정이다.
본 연구에서는 양돈장에서 작업환경 및 사육환경을 실시간으로 모니터링할 수 있도록 작업자가 착용할 수 있는 웨어러블을 고려한 소형 작업환경 모니터링 장비를 개발하였다. 이를 위하여 축산환경에 적합한 센서를 설정하고, 적정 통신기술을 적용하여, 위치정보, 안테나, 배터리효율 등을 종합적으로 고려하여 PCB 보드를 설계하였으며, 개발된 시제품을 활용하여 축산현장에서 유효성 검증을 수행하였다. 축산시설에서 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 개발목적은 작업자의 노출환경, 이동하는 동선, 작업시간에 따른 위치정보와 연계된 작업환경 및 사육환경을 실시간으로 측정하는 것이다. 이를 위하여 Fig. 3과 같이 1) 목적에 따른 장비의 설계기준을 마련하였으며, 유해가스, 환경 및 위치정보 등 측정요인을 포함하여 측정의 정확도와 경제성, 전력소모 등을 고려하여 적정한 센서를 설정하고, 2) 축산시설의 복잡한 철제구조에서도 통신이 가능하도록 사용할 수 있는 통신기술을 도입하며, 3) 크기, 무게, 배터리 효율, 비용, 안테나 설치, 통신모듈, 메인보드를 고려하여 PCB 보드를 설계하며, 4) 완성된 시제품을 실제 현장에서 기존에 사용되는 장비와 상호검토하여 적용성을 평가하였다.
Fig. 3
Process for developing wearable based monitoring device used for measuring working and rearing environments in livestock house
1. 모니터링 장비 제작기준
작업환경 모니터링 장비의 설계를 위한 기준을 설정하였다. 온도, 습도, 암모니아, 황화수소 등 주요 측정요인에 대한 상용 센서를 선택하기 위하여 축산시설에 적합한 측정범위에 대한 설정이 필요하다. 구입이 가능한 센서는 대부분 산업체에 활용되는 목적으로 설계되어 축산시설과 같이 지속적으로 고농도의 유해가스에 노출된 경우 측정에 어려움이 있으며, 정확한 센서의 경우 값이 비싸거나, 고용량의 전력을 요구하기 때문에, 축사 작업환경 모니터링을 위해서는 얇고 가벼우면서도, 미세한 측정보다는 위험을 알릴 수 있는 수준의 측정범위와 단위를 가지는 센서를 설정하여야 한다.
측정센서의 범위를 결정하기 위하여 양돈장 내 현장모니터링 수행결과를 통하여 얻은 데이터의 범위와 선행연구에서 제시하고 있는 양돈장에서 고려해야 하는 암모니아 및 황화수소의 최대농도 및 적정 설계 농도를 고려하였다. 현장모니터링은 열환경해석과 내부의 작업환경 모니터링을 위하여 암모니아, 황화수소, 미세먼지의 포집을 포함하여 2018년 8월부터 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 내부에서 측정한 암모니아 농도는 작업 중 최대 42 ppm, 황화수소는 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 어려움을 느끼게 된다. 암모니아는 20 ppm 정도에서 눈과 호흡기의 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 ppm을 황화수소는 평균 286.5 ppb, 최대 612 ppb가 측정되었으며, 해외사례들을 정리하여 측정된 결과들을 바탕으로 암모니아가 최대 15.4 ppm, 황화수소는 최대 226.8 ppb가 측정되었음을 제시하고 있다. Seo et al. (2008)은 전산유체역학 시뮬레이션 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 온도는 10도~40도, 상대습도는 30~100%, 황화수소는 최대 50 ppm, 암모니아는 50 ppm을 최소한 포함할 수 있도록 설계하였다.
Table 1
Effect of hydrogen sulfide and ammonia by concentrations for human and pig (Chapin et al., 1998)
Table 2는 필요한 장비의 성능수준을 결정한 것으로, 황화수소는 축사 안에서는 최대 20 ppm, 가축분뇨 처리시설에서는 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 설계하고자 하였다. 추가적으로 웨어러블장비의 설계에 적합하도록 가급적 작고 납작한 센서를 사용하여 크기를 줄이고자 하였으며, 배터리를 탈착하거나 보조전원을 연결하며, 돈사에서의 장기간 모니터링 시 급속히 내구성이 떨어지는 것을 방지하고자 하였다.
Table 2
Required design for the wearable device which measures working environment including ammonia and hydrogen sulfide concentrations inside the pig house
1단계 개발을 통하여 구현한 웨어러블 장비의 컨셉은 휴대할 수 있고, 의류에 부착 가능한 형태의 소형으로 설계하는 것으로, 측정 정보를 확인할 수 있는 정보제공 화면, 노출식 가스센서의 부착, 알람 목적의 LED와 부저 설치를 고려하였다. 측정 데이터를 전송할 수 있는 통신모듈이 고려되었으며, 센서는 교체 가능한 구조로 설계되었다 (Fig. 4). 작업자의 편의성과 환경 측정 센싱의 정확도를 높이고, 데이터 송⋅수신율을 높이기 위한 외장형 안테나를 부착하고, 다양한 가스센서를 범용적으로 수용할 수 있도록 센서 모듈을 탈부착할 수 있는 구조로 설계하였다. 구조의 개선을 위하여 작업자 의복에 센서 디바이스를 부착하거나 직접 손으로 잡을 때의 안정감을 주기 위한 표면처리, 안테나 모듈 크기조정, 알람 모듈 확장을 고려하였다. 개발된 프로토타입의 웨어러블 장비의 검증을 위하여 기존의 상용화되어 사용되고 있는 장비와 동시에 현장모니터링을 수행하여 데이터를 비교 및 검증하였으며, 사용 시 발생하는 문제점을 고려하여 보완사항을 도출하였다.
2. 유해가스 측정센서 결정
가스센서는 가스 누설방지의 용도로 주로 농도 측정, 기록, 경보 등에 사용되며, 가스누출 감지장치, 화학 플랜트, 제조상 유독가스 발생을 검출하는데 사용되고 있다. 가스 센서 시장의 경우 초소형화, 저전력화 및 저가격화 항목을 기준으로 각각 단점을 보완하고 형태를 개선하면서 발전되고 있다. 포터블이 가능한 유해가스 측정센서는 측정방식에 따라서 Table 3과 같이 구분 및 정리할 수 있다. 광학식 측정센서의 경우 가스를 정확하게 분석하는데 유리하지만, 크기가 크고 비싸기 때문에 농가에 보급하기 위한 웨어러블 장비 개발에 적합하지 않았다. 따라서 주로 반도체식 (Semiconductor), 전기화학식 (Electrochemical) 방식의 센서를 중심으로 목적에 맞는 측정이 가능한 센서를 검토하였다. 가스센서의 선정을 위하여 가격과 수급 가능성을 고려하였다. 특히 센서는 대량납품을 중심으로 유통되어 소량납품이 어려웠으며, 소형화를 위해서는 소비전류와 지연시간, 적정한 수준의 정확도를 고려해야 한다. 특히 연구용으로 고가의 장비를 통하여 매우 높은 수준의 정밀도를 확보하는 것보다, 축산현장에서 작업하는 농민들이 구입 및 활용하기 쉽도록 정밀도는 상대적으로 떨어지더라도 환경모니터링에 적절한 수준의 정밀도를 유지할 수 있다면 가급적 저렴한 장비를 개발하는 것이 필요하다.
Table 3
Operating principles by different types of gas sensors
3. 통신기술 검토
양돈장에서 고정형 또는 웨어러블 기반의 모니터링 시스템을 운영하기 위한 맞춤형 통신기술을 구축하고자 하였다. 이를 위하여 데이터 처리장치와 통신서버의 구축이 필요하다. 현장맞춤형 통신모듈 설계를 위하여 Table 4와 같이 다양한 통신기술을 검토하였다. Wifi는 제품의 소비전력이 커 소형화에 어려움이 있으며, ZigBee는 사용하는 수요가 적어 적용가능한 상용제품의 확보가 어려워 제외하였으며, 축산시설이 위치한 외곽지역에서도 적용이 가능한 블루투스, Z-웨이브, Lora를 통신 방법으로 고려하였다. 블루투스의 경우 단수 연결로 2종이상의 가스 모니터링 데이터를 동시에 송신하는 것이 어려우나, 저전력 통신이 적용 가능하며, 위치 오차가 축사환경 조건을 고려하더라도 약 3 cm 정도로 정확하다. Z-웨이브는 개발된 제품이 많지 않아 제품을 구입하는 것이 어려우며, 먼지나 유해가스의 농도에 취약하여 축산시설에 설치하기에는 부적합하다. Lora (Long Range Low Power)와 BLE 통합 모듈은 통신사 서비스망을 활용하지 않고, 자체 로컬망을 구성해서 현장에 적용할 수 있으며 먼거리까지 저렴하게 송신이 가능하여 복잡한 구조물이 많은 축사에 적합하다. Lora는 저전력으로 운영될 수 있어 배터리 하나로 최대 10년 정도 서비스의 사용이 가능하며, 920 MHz 대역의 주파수를 사용하고, 약 16 km 이상 (최대 21 km) 통신범위를 가지고 있어 하나의 모듈에 여러 센서를 장착하는 것도 가능하여 다양한 서비스와 데이터 전송이 가능하다.
Table 4
Comparison of each communication module which can be considered for making network system in livestock facility
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 측정센서 결정
양돈장 작업환경을 모니터링하기 위하여 웨어러블이 가능한 축사환경 측정장비를 개발하기 위한 첫 단계로 유해가스 측정을 위한 적정한 센서를 평가 및 결정하였다. 센서는 상용화되어 구매가능한 제품 중에서 축산시설의 작업환경을 측정하는데 필요한 성능범위를 만족하며, 정확도와 내구성을 고려하여 선정하였다. Table 5와 6은 각각 확보할 수 있는 황화수소와 암모니아 센서들에 대한 성능을 비교 검토한 것이다. 센서의 정확도와 측정방식을 고려하여 H2S 및 NH3 센서 모두 전기화학식 제품으로 선정하였다.
Table 5
Hydrogen sulfide candidate sensor technology review and selection
Table 6
Ammonia candidate sensor technology review and selection
황화수소 센서의 측정정확도를 분석하기 위하여 500 ppm 까지의 서로 다른 농도에서 센서선정기준을 만족하는 Table 5의 D, E 센서를 대상으로 성능평가를 수행하였다. 센서 시제품은 Fig. 5와 같이 PCB (printed circuit board)에 조립하여 측정이 가능하도록 제작하였으며, 표준가스를 활용하여 테들러백에 센서를 넣고 밀봉한 후 무취공기 제조장치를 활용하여 무취공기와 황화수소를 적정량을 주입하여 0, 100, 333, 500 ppm을 유지시킨 후 각 센서의 측정값을 비교분석하였다. Fig. 6은 농도의 변화에 따른 센서의 측정결과를 시간에 따라 제시한 것으로 D 센서는 3단계의 농도변화에 따라 오차가 -6.3, -7.9, -1.5%로 평균 5.3%를 보였으며, E 센서는 +20.2, 15.7, -6.3%로 평균 14.1%의 오차를 보였다. 농도 단계별 측정값이 일정하게 유지되면서, 가격도 저렴한 D 센서를 최종적으로 황화수소 센서로 선정하였다. Fig. 7은 동일한 실험을 암모니아 센서를 대상으로 수행한 결과를 나타낸 것이다. 암모니아의 농도를 단계적으로 10, 20, 30 ppm으로 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 가스센서이며, 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 설치하여 정확도를 높이고자 하였다. 전기회로기판의 경우 축산시설에 장기간 노출되는 경우 패턴부위가 부식되어 데이터의 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 내부는 방진/방습 구조로 설계 (방진/방습 IP 66등급)하였다. 작업복에 간편하게 설치할 수 있는 크기의 측정장비 및 송신기에서 온습도센서, 가스센서, 리튬이온배터리를 설치하여 원칩 MCU (micro controller unit), Wifi, 블루투스, LoRa를 모두 사용가능한 통신모듈을 연결하였으며, 비콘 (Beacon)을 적용하여 축사의 위치정보를 수신한 후 측정된 데이터와 함께 수신기로 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 모니터링하여 원거리로 전송하기 위하여 위치정보를 파악하는 것이 중요하다. 통신 모듈 선정 시 고려사항으로 열악한 축사환경이 있다. 산악지대, 콘크리트 등 벽체가 두꺼워 통신에 열악한 건물로 내부통신 가능성이 높아 축사현장 적용할 경우 블루투스의 실제 통신거리 (0~50 m)를 고려하여 중계장비를 설치하여야 한다. 축사 내 작업자의 동선을 파악하기 위하여 비콘을 설치하여 센서가 보내는 측정데이터와 비콘의 위치정보를 함께 중계기로 송신할 수 있도록 설계하였다. 양돈장의 돈방별로 비콘 모듈을 각각 설치한 후 해당하는 돈방으로 접근하는 신호를 웨어러블 장비의 송신기에서 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.
4. 개발 웨어러블 측정장비 현장검증
통신 및 센싱기술을 적용한 모니터링 장비 시제품의 성능을 평가하기 위하여 휴대용 복합가스측정기인 MultiRAE lite (RAE Inc., USA), Gas tiger 2000 (Wandi Inc., China)을 사용하여 현장에서 암모니아와 황화수소의 농도 측정평가를 수행하였다. Fig. 10과 같이 상업용 양돈장 (15,000두 규모)의 비육사와 자돈사에서 작업자의 어깨에 모니터링 장비의 측정부가 고정될 수 있도록 2개의 상용제품과 개발된 모니터링장비를 함께 설치하여 황화수소와 암모니아의 농도를 측정하는 실험을 반복 수행하였다. Fig. 11은 상용화된 기존의 2가지 장비에서 측정한 암모니아와 황화수소 농도의 평균값과 본 연구과제에서 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 환경데이터를 모니터링하는 것은 스마트축사의 자동제어 시스템을 구축하기 위한 환경제어 알고리즘 구축에 필요한 기초데이터를 확보하는 데 매우 중요한 역할을 한다. 축산시설 내부의 높은 습도, 가스 및 미세먼지의 농도로 인하여 상시 설치하여 측정하는 모니터링 장비는 내구성이 금방 떨어지며, 작업자가 노출되고 있는 작업환경을 추적하는데 한계가 있다. 이를 극복하기 위하여 본 연구에서는 농가에 보급할 수 있는 경제성과 정확도를 갖추고, 작업위치에 따른 작업환경 및 사육환경을 모니터링하기 위한 웨어러블 기반의 모니터링 장비를 개발하였다. 이를 위하여 작업자에 부착할 수 있도록 장비를 경량화, 소형화하였으며, 축산시설의 복잡한 구조를 극복하고 위치정보, 모니터링정보를 실시간으로 전송하기 위한 통신기술을 확립하였다. 본 장비를 활용하여 향후 위험한 환경에 작업자가 노출되는 경우 해당하는 정보를 알람 또는 중앙에 전송함으로써 작업자의 안전을 보호할 수 있으며, 작업환경 개선을 위한 작업자의 노출환경, 이동동선, 작업시간 등 관련 기초데이터를 확보함으로써 IoT 기반의 축산환경 데이터 수집 및 분석 체계를 구축하는데 활용하고자 한다.
