건설 근로자의 심박수 모니터링을 위한 스마트 안전모 제작

- 소제목 -

Smart Helmet for Monitoring the Heart Rate of Construction Workers

- 영문 소제목 -

이건설     김토목     한건축

학생회원, ○○대학교 ○○과 학사과정, 메일주소

비회원, ○○대학교 ○○과 석사과정, 메일주소

종신회원, ○○대학교 ○○과 교수(교신저자), 메일주소

Lee, Gunseol,     Kim, Toomok,     Han, Gunchuk

요   약

심박수를 실시간으로 모니터링하여 작업 부주의에 의한 재해를 미리 방지하기 위한 스마트 안전모 Prototype 제작이 본 연구의 목적이다. 건설업은 작업자의 부주의로 안전사고가 가장 많이 발생한다. 이에 작업자의 부주의는 작업 강도 및 작업자의 피로도에 영향이 있으며 작업강도는 심박수와 연관이 있다. 따라서, 해당 연구는 안전모에 아두이노를 활용하여 심박수를 측정하는 PPG 센서를 안전모 착용자의 귓불에 고정시켜 실시간으로 심박수를 측정하고 이를 심박 범위에 따라 신호등 LED를 통해 표출한다. 제품 제작을 마친 후 제품에 대한 실험을 통하여 착용한 노동자의 심박수 실시간 측정 가능 여부, LED의 가시성, 작업도중 불빛 변화 식별 여부 등을 확인하며 이를 기반으로 건설업에 웨어러블이 도입되는 과정에서 의미 있는 연구 결과를 제시하고자 한다.

키워드: 스마트 안전모, 심박수, PPG 센서, 아두이노, 작업자의 부주의

1. 서론

1.1 연구의 배경 및 목적

1.1.1 연구의 배경

1)배경

고용노동부(2017)에서 발간한 산업재해현황분석에서 건설업 재해자 수는 25,679명으로 전체 산업재해 중 건설업의 비중은 28.55%로 가장 높은 것으로 조사되었다. 건설현장 안전사고의 주요 원인으로는 작업피로도와 관련 있는‘작업자의 부주의’가 약 51%를 차지하고 있다 (김도수, 신윤석, 2019; 정형선, 2019). 작업 강도와 작업 피로도는 양의 상관관계로 심박 수와 비례하는 %HRR값을 활용하여 작업강도를 측정할 수 있다 (서준오, 2005). 작업 강도가 강함에 따라 근로자가 느끼는 피로도도 높아지고 이로 인해 안전사고가 발생할 가능성이 높아진다. 심박수 모니터링으로 근로자의 피로도를 대략적으로 파악할 수 있으므로 피로한 근로자를 관리함으로써 안전사고를 줄이고자 한다. 추가로, 한국산업안전보건공단(2018)에서 공표한 ‘작업환경 상 건강 유해 요인에 대한 위험성 평가 지침’은 고온 위험성의 관리 및 개선 방안에서 위험성 수준에 따라 근로자의 심박수를 모니터링 해야 한다는 지침 내용을 포함하고 있다. 이에  심박수를 모니터링 할 수 있는 제품이 있다면 건설현장에서 추가적인 불편을 줄일 수 있을 것으로 사료된다.

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따라서, 본 연구는 안전모에 아두이노를 활용한 심박 모니터링 장치를 부착하여 건설 현장에서 근로자의 심박수를 실시간으로 모니터링하여 작업 부주의에 의한 재해를 미리 방지하기 위한 스마트 안전모 Prototype 제작이 본 연구의 목적이다.

1.2 연구의 범위 및 방법

본 연구에서 오픈소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로컨트롤러인 아두이노의 PPG센서를 이용하여 심박수에 따른 ‘정상범위, 경고범위, 위험범위’를 설정하고, 현장 근로자의 대략적인 심박수를 LED를 활용하여 실시간 모니터링하는 것으로 연구의 범위를 한정하였다<그림 1>.

아두이노의 PPG센서는..

그림 . 연구 진행 및 흐름

선행연구에 대한 분석 결과 웨어러블은 건설현장에서 안전사고를 예측하는 목적으로 사용된다 (김현수, 2018). 따라서 웨어러블 장비를 활용하여 안전사고를 예측하였을 때, 안전사고를 예방할 수 있는 방안에 대한 연구가 필요하다. 한국전자통신연구원에서 발표한 감성정보 서비스 기술동향에 따르면 인간의 5감 중 시각은 의존도가 77%로 가장 높다 (한국전자통신연구원, 2012). 따라서, 아두이노를 활용한 시각적 경보를 줄 방안으로 OECD 2030 환경전망 보고서에서 신호등의 색상이 의미하는 바가 동일하다는 것을 확인하여 다수 국가의 공용색상인 신호등으로 본 연구에서는 정상, 경고, 위험 범위를 표현하고자 한다 (OECD, 2008).

건설현장에 적용할 수 있는 작업에 따른 명확한 심박 기준이 없어 고강도 운동에 의한 심박수 범위를 활용할 것이며 각 범위에 도달했을 때, LED가 점등되도록 한다.

2. 스마트 안전모 제작

2.1 제품 구상

본 연구에서는 근로자의 심박수를 관찰하기 위해 안전모에 아두이노를 적용하였다. 가격이 비교적 저렴하고 코딩과 관련하여 초급자도 쉽게 이용할 수 있어 prototype 제작에 주로 사용되는 오픈 소스 하드웨어인 아두이노를 활용한다 (invetMartinez, S. L., & Stager, G., 2013).

안전모는 산업안전보건법에 관한 규칙 제32조에 따르면 물체가 떨어지거나 날아올 위험 또는 근로자가 추락할 위험이 있는 작업에서는 필수적으로 착용하여야 한다 (산업안전보건기준에 관한 규칙, 2016).

경보를 받는 근로자가 작업에 방해되지 않도록 신호등 LED는 안전모 착용 시 오른쪽 상단에, 아두이노는 케이스에 넣어 안전모 뒷부분에 부착한다.

PPG(PhotoPlethysmoGraphy) 센서는 미세혈관에 적외선을 보내고 반사되는 빛의 양을 감지해서 혈액의 흐름에 따라서 변화하는 빛의 양을 측정하는 원리를 이용한다. PPG 센서의 부착 위치는 손가락 끝, 귓불 등이 있다 (이윤호, 김용희, 김홍기, 오준학, 2018). 따라서 본 연구에서는 안전모와 위치가 가까운 귓불에 PPG 센서를 고정시켜 연구를 수행하였다.

2.2 아두이노 코딩

본 연구에서는 다양한 아두이노 보드의 종류 중 기본적인 UNO를 사용했으며 심박수를 측정하는 PPG 센서와 시각적인 경보를 주는 LED는 <그림 2>와 같은 제품을 사용하였다. 배터리는 앞서 말한 두 센서를 사용하기 위해 PPG 센서의 전력인 5V와 신호등 LED 전력 3.7V의 합보다 크고 전지 중 최소의 크기인 9V 건전지를 사용하였다.

(1) 신호등 LED 센서   (2) 9V 건전지   (3) PPG 센서

그림 2. 아두이노 회로 구성도

아두이노 코딩에 앞서 심박수 측정을 위한 최대심박수와 심박기준이 있어야 한다. 현재 건설업의 고강도 작업과 관련된 명확한 심박 기준이 제시되지 않아 최대심박수(HRmax)와 심박 범위는 관련 연구에서 자주 사용되는 Karvonen의 방법을 사용하였다. 최대심박수는 220에서 나이를 제외한 값을 선택하였으며(식 1), 심박수 영역은 연령별 최대 심박수에‘85%이상의 값을 위험 범위, 50~85%의 범위를 경고 범위, 50%이하를 정상 범위’로 선택하였다 (김태현, 정필수, 이선아, 정기숙, 금창섭, 강성원, 2017). 해당 심박 기준은 다음의 <표 1>과 같다.

[eqn: HR _{max} =`220`-`age] ----------- (식 1)

표 1. 나이별 최대 심박수 및 심박 범위

* 주: 나이별 최대 심박수는...

나이	최대심박수	위험 범위	경고 범위	정상범위
20	200	170 이상	170~100	100 이하
30	190	162 이상	162~95	95 이하
40	180	153 이상	153~90	90 이하
50	170	145 이상	145~85	85 이하
60	160	136 이상	136~80	80 이하
70	150	128 이상	123~75	75 이하

(단위 : 분당 심박수)

위의 심박 기준을 활용하여 코딩작업을 수행하였고 결과는 다음 <그림 3>과 같다.

앞서 언급한 심박 기준은 나이를 기반으로 정해진다. 따라서 나이를 함수 값으로 코딩을 진행하였으며, 해당 변수만 변경하면 필요한 심박수 범위가 설정되도록 하였다. 최대심박수 위험 범위(최대 심박수의 85%이상)에선 적색 LED, 경고 범위(최대 심박수의 50%~85%)에선 황색 LED, 정상 범위(최대 심박수의 50%이하)에선 녹색 LED가 켜지도록 코딩하였다. 또한, 아두이노와 컴퓨터 간에 주고받는 정보를 확인할 수 있는 시리얼 모니터를 통해 심박수치를 표시하는 명령문을 삽입하였다.

그림 3. 아두이노 코딩

2.3 제품 제작

심박수를 모니터링 하기 위한 안전모 제작을 위하여 아두이노를 코딩하여 안전모에 부착시켰으며 제작 과정은 다음 <그림 5>의 순서로 진행하였다.

<그림 5-a>와 <그림 5-b> 같이 아두이노를 담은 케이스는 Sketch Up과 3D print를 활용하여 제작하였다. 평평한 케이스와 달리 안전모는 전체적으로 곡면의 형태를 하고 있어 부착을 위해 실리콘을 선택하였다.

<그림 5-c>와 같이 아두이노를 케이스에 넣고 케이블 연결 구멍으로 센서 선을 빼내었다. <그림 5-d>와 같이 안전모 뒷편에 케이스를 실리콘으로 채워 부착하였다. 실리콘이 굳은 후 여러 선을 한 번에 부착하기 쉽게 절연 테이프로 감았다.

<그림 5-e>와 같이 센서 선을 안전모 안으로 둘러 고정하기 위해 투명 실리콘을 사용하여 부착작업을 하고 스마트 안전모를 <그림 6>과 같이 완성

그림 5. 제품 제작 사진

그림 6. 시제품 (안)

a) 앞 면	b) 옆 면

a) Skectup 파일	b) 3D 프린트 결과물
c) 아두이노 삽입	d) 안전모-케이스 부착
e) 안전모-케이블 부착	f) 부착된 모습

하였다.

2.4 제품 실험

스마트 안전모를 착용한 ‘노동자의 심박수 실시간 측정 가능 여부, LED의 가시성, 작업도중 불빛 변화 식별 여부’를 확인하기 위하여 관련 실험을 수행하였다.

실험은 건설현장에서 수행되는 시멘트, 벽돌 운송 등의 작업을 진행하고 작업 중‘실시간 측정 여부, LED 가시성 –근로자, 관리자, 불빛 변화 식별여부’에 대한 설문조사를 수행하였다. 설문조사는 각 문항에 대하여 5점 척도로‘매우 그렇지 않다(1점). 그렇지 않다.(2점), 보통이다.(3점), 그렇다(4점), 매우 그렇다(5점)’로 답변할 수 있도록 설문지를 구성하였으며 결과는 <표 2>와 같다.

표 2 설문조사 결과

목적	1		2		3		4		5
	인원	비율	인원	비율	인원	비율	인원	비율	인원	비율
실시간 측정 여부	0	0%	0	0%	1	8%	4	31%	8	62%
LED 가시성 - 관리자	4	31%	5	38%	3	23%	1	8%	0	0%
LED 가시성 - 근로자	0	0%	0	0%	2	15%	2	15%	9	69%
불빛 변화 식별 여부	0	0%	0	0%	0	0%	3	23%	10	77%

실험 결과 참여자들은 근로자 입장에서 모두 LED불빛을 확인하는데 불편함이 없었고, 작업 도중 불빛의 변화를 쉽게 인지할 수 있는 것으로 조사되었다. 또한, 본래의 목적대로 표시되는 불빛을 통해 근로자가 작업 중에 실시간으로 자신의 심박수를 확인할 수 있었다. 하지만 불빛의 세기가 강하지 않아 관리자입장에서 노동자의 상태를 확인하기는 쉽지 않았으며, 해당 실험 과정에서 정상과 경고를 의미하는 ‘녹색과 황색 LED’는 자주 관찰되었으나 위험을 나타내는 ‘적색 LED’의 관찰 빈도는 상대적으로 낮게 조사되었다.

그림 6. 제품 실험

a) 경고범위	b) 위험범위

3. 결론

건설업은 타 산업과 비교 시 상대적으로 안전사고가 많이 발생하며 그 이유 중 가장 큰 원인은 작업자의 부주의에 따른 것으로 확인되었다. 작업자의 부주의는 작업 강도 및 작업자의 피로도에 영향을 받으며 작업강도는 심박수와 관련이 있다. 또한, 위험환경에서 근로자 및 관리자의 심박수 측정이 요구되는 지침사항도 있다. 따라서 본 연구는 건설현장에서 의무적으로 착용해야 하는 안전모와 아두이노 코딩을 통하여 진행하였다. 심박수 센서인 PPG 센서를 안전모 착용자의 귓불에 고정시켜 실시간으로 심박수를 측정하였다. 해당 측정값을 고강도 운동을 진행할 때의 심박수 범위로 ‘정상, 경고, 위험’의 기준을 설정하였고 이를 신호등 LED를 통해 표출한다. 심박수 기준은 나이에 따라 수치가 달라지므로 코딩 과정에서 나이를 입력하면 해당 기준이 변경되도록 설정하였다.

안전모와 아두이노를 부착하기 위하여 아두이노 케이스를 3D 프린트를 통해 제작하였으며 해당 케이스와 안전모를 실리콘을 사용하여 부착하였다. 또한, 아두이노에 사용되는 케이블 같은 경우에도 실리콘으로 안전모에 고정시켰다.

아두이노를 활용하여 안전모를 제작하여 실험한 결과 근로자는 심박수를 실시간으로 확인할 수 있었으며 이를 통해 근로자가 작업의 강도를 대략적으로 판단할 수 있었다.실험 참가들은 시제품 착용 시 심박센서를 고정시키는 단순한 작업 외에 불편함은 느끼지 못한 것으로 조사되었다.

본 연구의 한계점은 다음과 같다. 먼저 연구를 위해 사용된 LED가 햇빛이 강한 밝은 환경에서는 모니터링에 대하여 불편이 생기며 이를 보완하기 위해 빛이 강한 외부 환경에서도 명확하게 식별할 수 있는 LED를 사용할 필요가 있을 것으로 사료된다. 또한, 현재 심박수 모니터링을 위한 적합한 심박 기준이 운동엔 있으나 건설현장을 위한 심박 기준은 제시되지 않는 것으로 조사됨에 따라 건설 근로자 의 피로도를 불빛만으로 판단할 수 있도록 관련 데이터에 대한 수집 및 분석과 이를 기반으로 건설현장에서 활용할 수 있는 심박 기준에 대한 정립이 필요할 것으로 판단된다.

타 산업과 비교 시 건설업은 웨어러블과 관련하여 추가적으로 투입되는 비용이라는 인식으로 인하여 적용이 저조한 상황으로 판단된다. 이러한 소요비용의 문제는 기술의 발전을 통하여 제품의 가격이 하락한다면 충분히 해결할 수 있다고 사료된다. 따라서 본 연구는 건설업에 웨어러블이 도입할 수 있을 조건이 충족된 시점에 비교적 빠른 도입을 위하여 웨어러블 장비에 대한 개발 과정에서 기초 자료로의 활용이 가능할 것으로 사료된다.

감사의 글

본 연구는 .........결과의 일부임.

참고문헌

OECD (2008) “OECD ENVIRONMENTAL OUTLOOK TO 2030”

한국전자통신연구원 (2012) “감성정보 서비스 기술동향”

invetMartinez, S. L., & Stager, G. (2013). Invent to learn: Making, tinkering, and engineering in the classroom

산업안전보건기준에 관한 규칙 (2016) 제 32조(보호구 지급)

고용노동부 (2017) 산업재해현황분석

김태현, 정필수, 이선아, 정기숙, 금창섭, 강성원(2017) 개인별 심박수 기준을 설정하기 위한 피드백-RFC 모델

한국산업안전보건공단 (2018) “작업환경상 건강유해요인에 대한 위험성 평가 지침”

김현수 (2018). "웨어러블 센싱을 활용한 작업자 행동분석 기반 위험 지역 식별“ 한국건설관리학회 학술발표대회 논문집 (2018-11)

이윤호, 김용희, 김홍기, 오준학 (2018) “전자피부(E—Skin)용 유연 광센서 연구동향” 한국공업학화학회, 제 21권 제 1호 pp.21-31

김도수, 신윤석 (2019). “건설현장 추락재해의 발생 빈도에 따른 위험요인 연구”, 한국건축시공학회지 제19권 제2호

정형선 (2019), “손목착용형 센서모듈 측정 생리신호 기반 운전자 집중도/피로도 모니터링 핵심원천기술개발” 국토교통기술촉진연구사업보고서

서준오 (2019). "건설시공단계 스마트 웨어러블 기술을 활용한 안전･보건관리“ 한국건축시공학회, 4차 산업혁명 시대의 스마트건축기술 (2019-01) pp 37~58