무선 통신을 활용한 공기호흡기 상태 정보 제공 기술개발에 관한 연구

A Research on the Development of Technology to Provide Air Respirator Status Information using Wireless Communication

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2025;25(1):77-82

Publication date (electronic) : 2025 February 27

doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2025.25.1.77

Gunho Lee ^*, Sungchul Hong ^**

이건호^*, 홍성철^**

* 정회원, (주)태산전자 기업부설연구소 연구소장(Tel: +82-31-297-8794, Fax: +82-31-297-8792, E-mail: trans7625@naver.com)

* Member, Director Research Institute, TAE SAN ELECTRONICS Co., Ltd.

** 호서대학교 산업안전공학과 교수(Tel: +82-41-560-8527, Fax: +82-31-297-8792, E-mail: schong@hoseo.edu)

** Member, Professor, Department of Industrial Safety Engineering, Hoseo Univ.

^** 교신저자, 호서대학교 산업안전공학과 교수(Tel: +82-41-560-8527, Fax: +82-31-297-8792, E-mail: schong@hoseo.edu)

** Corresponding Author, Member, Professor, Department of Industrial Safety Engineering, Hoseo Univ.

Received 2025 January 07; Revised 2025 January 09; Accepted 2025 January 16.

Abstract

소방훈련대원이 훈련하는 시스템은 중앙소방학교등 여러 가지 훈련테스트배드가 존재하고 있으나 훈련중 발생하는 신체정보를 이용하여 정량적으로 훈련결과를 취득하고 이에 대한 피드백하는 훈련용 지원기술은 아직까지 부족한 실정이다. 그 중 공기호흡기는 훈련상황속에서 소방훈련대원의 호흡량을 담담하는 장비지만, 이러한 정보를 외부에서 상세하게 파악할 방법은 없는 실정이다. 따라서 훈련시 소비된 공기호흡기의 압력정보를 무선통신기술을 접목하여 외부에 관제시스템에서 이를 측정 및 표기를 할 수 있다면 훈련시 발생한 훈련대원의 정량적인 훈련성과에 대한 평가를 진행할 수 있을 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 무선통신을 활용하여 공기호흡기의 사용정보를 훈련테스트배드 내 현장지휘소에 제공할 수 있는 기술을 개발하고, 데이터 취득에 관한 반복실험을 통하여 데이터 정확성 및 활용성에 대하여 검증하였다.

Trans Abstract

Firefighter training systems, such as those provided by the National Fire Service Academy, offer various testbeds for skill development. However, there is a notable lack of training technologies that quantitatively support performance evaluation and provide feedback based on physical data generated during training exercises. Air respirators, which are crucial for monitoring the breathing volume of firefighters in training scenarios, currently lack mechanisms to transmit detailed status information externally. This study proposes the integration of wireless communication technology to measure and transmit the pressure data of air respirators consumed during training to an external control system. This advancement is expected to enable the quantitative evaluation of trainee performance in real time. To achieve this goal, a wireless communication-enabled system was developed to transmit air respirator usage data to a field command center within a training testbed. The accuracy and usability of this system were verified through repeated experiments focused on data acquisition and validation.

Keywords: 소방훈련; 공기호흡기; 무선통신; 정보제공기술

Keywords: Fire Drill; Air Respirator; Wireless Communication; Information Provision Technology

1. 서 론

최근 10년간 국내 화학사고 발생 건수는 Fig. 1과 같다(National Institute of Chemical Safety, 2023). 누출, 화재, 폭발 등의 피해를 유발하는 화학물질 사고는 누출만으로도 수많은 인명과 재산피해를 끼치고 있다. 화학물질에 관한 지속적인 연구와 사고방지대책 마련으로 과거와 비교하면 발생 건수가 과거 연간 100건 이상이었던 것에 비해 줄어들고 있기는 하지만 2019년 58건, 2020년 75건, 2021년 93건, 2022년 66건, 2023년 11월 현재 76건으로 최근 5년 평균 73.6건으로 매년 다수의 화학물질 사고가 발생하고 있으며, 이에 대응하기 위해 소방당국과 기업들이 노력과 비용을 투자하고 있다. 화학 사고에 대응하기 위해서는 화학 보호복의 착용이 필수적으로 요구되며, 현재 국내에서 많이 사용되고 있는 화학 보호복의 형태(Korea Fire Institute, 2015)는 Fig. 2와 같다.

Fig. 1

Oxide Composition Diagram

Fig. 2

Chemical Protective Clothing Used in Korea

화학 보호복은 일단 착용하게 되면 외부 공기와 단절되기 때문에 질식을 방지하기 위해 공기호흡기를 착용한 상태에서 화학 보호복을 착용하는 것을 원칙으로 한다(Bang and Kwon, 2015). 화학 보호복을 착용한 사람은 훈련과정속에서 여러 가지 훈련상황에(National Institute of Chemical Safety, 2014) 대한 활동량이 발생하게 되고 이는 곧 공기호흡기의 산소소모량으로 훈련과정속의 부하(Kim et al., 2018)를 추정할 수 있고 이에 대한 정보를 파악하여 외부에 훈련지휘소에 전달하는 방법은 무선통신방식이 유일하다고 볼 수 있다(Cho, 2022). 무선통신에는 LORA통신, LTE통신, 블루투스통신등 여러 가지 방식이 존재하고 있으나(Kim et al., 2021) 설치환경의 제약, 전파의 세기, 다중통신시 제약등을 고려하여 WIFI통신을 이용하여 개발을 진행하였다. 이에 본 논문에서는 WIFI 무선통신방식을 이용하여 훈련과정속에서 화학 보호복 착용자의 공기호흡기 사용정보를 실시간으로 확인(Seo and Kim, 2017)하고, 훈련지휘소에서 확인할 수 있도록 공기소모량을 모니터링하는 기술을 개발하고 실증 실험을 통하여 실효성을 검증하고자 한다.

2. 실 험

훈련대원이 사용하고 있는 공기호흡기는 가장 많이 사용하는 SCA10 모델(Hancom Lifecare, 2023)을 사용하며 정보전송 모듈을 장착하여 정보를 수집하였고, 훈련에 방해가 되지 않도록 내부 등지개에 내장한 형태로 구성하는 것으로 진행하였다. 각각의 장비들의 통신 간 충돌을 고려하여 통신방식은 WIFI 방식으로 결정하였으며, WIFI 통신을 이용한 데이터 전송 방식으로 공기소모량 전송 프로토콜을 설계하고 훈련지휘소에 모니터링 시스템을 설치하여 모니터할 수 있는 프로그램을 개발하였다. Fig. 3의 형태로 모듈을 제작하였으며 최대 6명의 실시간으로 변화하는 공기소모량 측정 가능하도록 GUI를 구성하였다.

Fig. 3

Wireless Communication Module and GUI

2.1 실험방법

실증 실험을 위한 테스트 베드의 도면과 사진은 Fig. 4와 같으며, 총 6개를 무작위로 실험장에 배치하였고 연기 발생기를 이용하여 인체에 무해한 연기를(LION Group Inc, 2024) 채워 사고현장과 유사한 환경을 조성하였다. 완충된 공기호흡기를 착용하고 30분간 간단한 걷기, 빠르게 걷기, 짐 나르기, 계단 오르내리기등(Kim and Lee, 2016)의 여러 가지 동작들과 행동을 취하며 공기를 소모하면서 수신된 데이터와 공기호흡기에 실제 표기되는 정보들을 1분마다 비교하식 방식으로 3회 반복실험을 진행하였다.

Fig. 4

Drawings and Photos of the Test Beded in Korea

3. 실험결과

3.1 세부실험 결과

Table 1은 본 실증 실험에서 오차가 가장 적었던 3차 실험의 5번 공기호흡기의 실험데이터를 나타낸 표로써 30분간 측정한 결과 6번의 오차가 발생하여 20%의 오차율이 나타났으며 오차값은 1 Bar로 나타났다.

Table 1

Best Experimental Data

Table 2는 본 실증 실험에서 오차가 가장 컸던 2차 실험의 2번 공기호흡기의 실험데이터를 나타낸 표로써 30분 측정한 결과 9번의 오차가 발생하여 30%의 오차율이 나타났으며 오차값은 1~2 Bar로 나타났다.

Table 2

Lowest Experimental Data

3.2 실험 결과

Fig. 5는 1차 실험의 데이터를 나타낸 것이다. 1번 공기호흡기에서는 총 아홉 번의 오차가 발생하였으며, 오차값은 1 Bar가 8회, 2 Bar가 1회로 30분간 1.11의 오차가 30%발생하였다. 2번 공기호흡기에서는 1.14의 오차가 23.3%, 3번 공기호흡기에서는 1.13의 오차가 26.7%, 4번 공기호흡기에서는 1.13의 오차가 26.7%, 5번 공기호흡기에서는 1.29의 오차가 23.3%, 6번 공기호흡기에서는 1.11의 오차가 30%발생하였다. Table 3은 여섯 개의 공기호흡기에서 발생된 오차값을 나타낸 것이다. 1차 실험결과 평균 오차값 1.15가 26.7% 발생하였다.

Fig. 5

Graph of Results from the First Experiment

Table 3

Results Table From The First Experiment

Fig. 6은 2차 실험의 데이터를 나타낸 것이다. 1번 공기호흡기에서는 총 일곱 번의 오차가 발생하였으며, 오차값은 1 Bar가 6회, 2 Bar가 1회로 30분간 1.14의 오차가 23.3% 발생하였다. 2번 공기호흡기에서는 1.22의 오차가 30%, 3번 공기호흡기에서는 1.15의 오차가 20%, 4번 공기호흡기에서는 1.11의 오차가 30%, 5번 공기호흡기에서는 1.12의 오차가 26.7%, 6번 공기호흡기에서는 1.15의 오차가 20% 발생하였다. Table 4는 여섯 개의 공기호흡기에서 발생된 오차값을 나타낸 것이다. 2차 실험결과 평균 오차값 1.15가 25% 발생하였다.

Fig. 6

Drawings and Photos of the Test Bed

Table 4

Results Table From The Second Experiment

Fig. 7은 3차 실험의 데이터를 나타낸 것이다. 1번 공기호흡기에서는 총 여덟 번의 오차가 발생하였으며, 오차값은 1 Bar가 7회, 2 Bar가 1회로 30분간 1.13의 오차가 26.7% 발생하였다. 2번 공기호흡기에서는 1의 오차가 23.3%, 3번 공기호흡기에서는 1.22의 오차가 30%, 4번 공기호흡기에서는 1.22의 오차가 30%, 5번 공기호흡기에서는 1의 오차가 20%, 6번 공기호흡기에서는 1.14의 오차가 23.3% 발생하였다. Table 5는 여섯 개의 공기호흡기에서 발생된 오차값을 나타낸 것이다. 3차 실험 결과 평균 오차값은 1.12가 25.6% 발생하였다. 이러한 오차값의 발생하는 것은 훈련대원의 위치에 따라 무선데이터 전송 및 수신처리에 걸리는 시간과 다를 수 있고 전송된 무선데이터가 수신측에 전달되지 못한 경우도 있을 수 있어서 발생될 수 있다고 판단된다. 이러한 경우 무선데이터의 전송신호는 유선으로 반드시 전송되는 방법과 신뢰도에 차이가 있다고 보여지고 데이터 누락에 대한 부분을 감안해야 된다고 판단된다.

Fig. 7

Graph of Results from the Third Experiment

Table 5

Results Table from the Third Experiment

4. 결 론

총 세 번의 실험을 통해 무선통신을 활용하여 공기호흡기의 상태정보를 제공하는 시스템이 정상적으로 기능하는 것을 확인하였다. 총 3회의 실험에서 발생된 공기호흡기의 용기잔압의 오차율은 25.74%로 수치로만 본다면 1/4에 달하는 큰 오차율이라고 볼 수 있지만 무선데이터의 정보손실에 대한 부분을 감안하고 오차범위가 2 Bar를 넘지 않는 점과 평균 오차값이 1.14인 것을 생각하면 실제로 누락되는 전송데이터는 크지 않다고 보여 신뢰도를 가진 결과라고 판단된다. 이러한 공기소모량 소모값을 훈련대원의 훈련간 발생되는 훈련강도에 대한 정량적 평가를 활용한다면 반복되는 훈련속에서 훈련대원의 훈련성과에 대한 정량적지표로 활용할 수 있다고 판단된다. 공기소모량뿐만 아니라 추가적인 신체정보도 추가연구를 통해 반영된다면 실제 현장에서 훈련하는것과 같은 훈련지원기술로 활용될 것으로 판단된다.

감사의 글

이 논문은 2017년도 정부(소방청)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2017M3D9A1075451).

References

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10. National Institute of Chemical Safety. 2023;Chemical substance information system

11. Seo Y.H, Kim D.W. 2017;UART-to-APB interface circuit design for testing a chip. The Journal of Korea Navigation Institute 21(4):386–393.

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