가로등 도로 빙결 감지 팀 중간 보고서

[윤예주]

1. 활동 및 제작 과정

 1) 겨울철 도로에서 발생하는 블랙아이스로 인한 교통사고 문제를 조사하였다. 블랙아이스는 도로 표면에 얇은 얼음층이 형성되어 운전자가 쉽게 인지하기 어려우므로, 이를 조기에 감지하여 경고할 수 있는 시스템을 구상하였다.

 2) 블랙아이스를 감지하기 위해 아두이노, MLX90614 적외선 온도 센서, BH1750 조도 센서, LCD, LED를 이용하여 회로를 설계하고 제작하였다. 적외선 온도 센서로 노면 온도를 측정하고, 조도 센서로 노면에 비춘 빛의 반사 정도를 측정하도록 구성하였다.

3) 아두이노 코드를 작성하여 노면 온도가 0℃ 이하일 경우 블랙아이스 발생 가능성을 LCD에 표시하도록 하였다. 또한 온도가 0℃ 이하이면서 반사광이 기준값 이상일 경우 블랙아이스가 형성된 것으로 판단하여 LCD에 경고 문구를 출력하도록 구현하였다.

2. 결과물 소개 하기: (외형, 기능 등)

#include <Wire.h>

#include <Adafruit_MLX90614.h>

#include <BH1750.h>

#include <LiquidCrystal_I2C.h>

// 센서 객체 생성

Adafruit_MLX90614 mlx = Adafruit_MLX90614();

BH1750 lightMeter;

// LCD 주소 (안 되면 0x3F로 변경)

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

// LED 핀

const int streetLamp = 8;

const int lightSource = 9;

// 실험 후 수정할 값

float iceLuxThreshold = 150.0;

void setup()

{

  Serial.begin(9600);

  Wire.begin();

  // 센서 시작

  mlx.begin();

  lightMeter.begin(BH1750::CONTINUOUS_HIGH_RES_MODE);

  // LCD 시작

  lcd.init();

  lcd.backlight();

  // LED 설정

  pinMode(streetLamp, OUTPUT);

  pinMode(lightSource, OUTPUT);

  // 가로등 ON

  digitalWrite(streetLamp, HIGH);

  // 광원 ON

  digitalWrite(lightSource, HIGH);

  lcd.setCursor(0,0);

  lcd.print("Road Monitor");

  lcd.setCursor(0,1);

  lcd.print("Starting...");

  delay(2000);

  lcd.clear();

}

void loop()

{

  // 노면 온도 측정

  float roadTemp = mlx.readObjectTempC();

  // 반사광 측정

  float lux = lightMeter.readLightLevel();

  // 시리얼 출력

  Serial.print("Road Temp: ");

  Serial.print(roadTemp);

  Serial.print(" C  ");

  Serial.print("Lux: ");

  Serial.println(lux);

  lcd.clear();

  // 결빙 감지

  if(roadTemp < 0 && lux > iceLuxThreshold)

  {

    lcd.setCursor(0,0);

    lcd.print("ROAD ICED!");

    lcd.setCursor(0,1);

    lcd.print("CAUTION!");

  }

  // 영하 경고

  else if(roadTemp < 0)

  {

    lcd.setCursor(0,0);

    lcd.print("TEMP < 0C");

    lcd.setCursor(0,1);

    lcd.print("Possible Ice");

  }

  // 정상

  else

  {

    lcd.setCursor(0,0);

    lcd.print("Road Normal");

    lcd.setCursor(0,1);

    lcd.print(roadTemp,1);

    lcd.print("C ");

    lcd.print((int)lux);

    lcd.print("lx");

  }

  delay(1000);

}

본 결과물은 아두이노 기반 도로 빙결 감지 가로등 시스템이다. 가로등 역할을 하는 LED가 항상 켜져 있으며, 적외선 온도 센서와 조도 센서가 도로 상태를 실시간으로 측정한다.

도 온도가 0℃ 이하로 떨어지면 LCD에 빙결 주의 경고를 표시한다. 또한 도로 온도가 0℃ 이하이고 조도 센서가 측정한 반사광이 기준값 이상일 경우 도로가 실제로 얼어 있다고 판단하여 LCD에 도로 결빙 경고를 표시한다. 이를 통해 운전자에게 위험 상황을 빠르게 알릴 수 있다.

3. 활동 후기: (깨달은 점 등... 일반화 하기)

이번 활동을 통해 겨울철 도로에서 발생하는 블랙아이스가 운전자에게 매우 위험한 요소가 될 수 있다는 점을 알게 되었으며, 이를 과학기술을 활용하여 예방할 수 있는 방법에 대해 고민해 볼 수 있었다. 특히 적외선 온도 센서와 조도 센서를 함께 사용하여 블랙아이스를 감지한다는 아이디어를 구상하면서 센서의 원리와 활용 방법에 대해 자세히 알아볼 수 있었다. 또한 문제를 해결하기 위해 필요한 장치와 회로를 설계하고, 아두이노 코드를 작성하는 과정을 통해 프로그래밍과 공학 설계의 중요성을 이해하게 되었다.

활동을 진행하면서 단순히 하나의 센서만 사용하는 것보다 여러 센서의 정보를 종합하여 판단하는 것이 더 정확한 결과를 얻는 데 도움이 된다는 사실도 배울 수 있었다. 이를 통해 실제 산업 현장이나 스마트 교통 시스템에서도 다양한 센서를 활용하여 문제를 해결한다는 점을 이해하게 되었다.

다만 중간보고서 작성 시점까지는 시간적 여유가 부족하여 아두이노와 센서를 실제로 연결하고 구동하는 단계까지 진행하지 못한 점이 아쉬웠다. 현재는 회로 설계와 코딩을 완료한 상태이며, 앞으로 남은 기간 동안 센서를 직접 연결하여 정상적으로 작동하는지 확인하고 측정값을 분석할 계획이다. 또한 실험을 통해 블랙아이스와 일반 노면의 반사광 차이를 비교하고, 보다 정확한 감지 기준을 설정하여 시스템의 완성도를 높이고자 한다. 이번 활동을 통해 과학기술이 실생활의 안전 문제 해결에 활용될 수 있음을 깨달았으며, 앞으로도 다양한 사회 문제를 과학적으로 해결하는 방법에 관심을 가지고 탐구하고 싶다는 생각이 들었다.

4. 핵심 과학/기술 원리

1. 적외선 온도 측정 원리

모든 물체는 온도에 따라 적외선을 방출한다. MLX90614 적외선 온도 센서는 도로 표면에서 방출되는 적외선을 측정하여 직접 접촉하지 않고도 도로의 온도를 측정할 수 있다. 이를 통해 도로의 온도가 0℃ 이하로 내려가는지를 실시간으로 확인할 수 있다.

2. 빛의 반사 원리

블랙아이스는 얇고 투명한 얼음층으로 이루어져 있어 일반 도로와 다른 방식으로 빛을 반사한다. 광원 LED가 도로에 빛을 비추면 얼음이 형성된 부분에서는 반사되는 빛의 양이 증가하게 된다. 이러한 반사 특성의 차이를 이용하여 블랙아이스의 존재 여부를 판단할 수 있다.

3. 조도 측정 원리

BH1750 조도 센서는 빛의 세기를 lux 단위로 측정하는 센서이다. 본 시스템에서는 광원 LED가 비춘 빛이 도로에서 반사된 정도를 측정하는 역할을 한다. 측정된 조도 값이 일정 기준 이상일 경우 도로에 얼음이 형성되었을 가능성이 높다고 판단할 수 있다.

4. 센서 융합(Fusion) 기술

본 작품은 온도 센서와 조도 센서를 함께 활용하는 센서 융합 기술을 적용하였다. 온도만으로는 실제 결빙 여부를 정확히 판단하기 어렵고, 반사광만으로는 물기와 얼음을 구별하기 어렵다. 따라서 도로 온도가 0℃ 이하인 상태에서 반사광이 일정 기준 이상일 때 블랙아이스로 판단하도록 설계하여 감지의 정확성을 높였다.

5. 아두이노 기반 자동 제어 기술

아두이노는 각 센서에서 측정된 데이터를 실시간으로 수집하고 분석한다. 설정된 조건에 따라 LCD에 경고 문구를 출력하여 운전자에게 위험 상황을 알려준다. 이를 통해 사람의 지속적인 관찰 없이도 자동으로 블랙아이스를 감지하고 경고할 수 있다.

5. 활용 사례 (2~3가지)

1. 산간 지역 및 터널 입구 안전 관리

산간 지역이나 터널 입구는 기온 변화가 크고 햇빛이 잘 들지 않아 블랙아이스가 자주 발생한다. 이러한 장소에 본 시스템을 설치하면 결빙 위험을 조기에 감지하여 교통사고를 예방하는 데 활용할 수 있다.

2.  학교 및 주차장 안전 관리

학교 통학로, 주차장, 보행자 도로 등에 설치하면 겨울철 결빙 구간을 빠르게 확인할 수 있다. 이를 통해 학생과 보행자의 미끄럼 사고를 예방하고 안전한 보행 환경을 조성할 수 있다.

3. 고속도로 휴게소 및 진출입로 관리

고속도로 휴게소 진출입로와 같이 차량 이동이 많은 구간은 겨울철 결빙으로 인해 사고가 발생할 위험이 높다. 본 시스템을 설치하면 블랙아이스 발생 여부를 빠르게 감지하여 운전자에게 경고를 제공할 수 있다.