커패시터 센서를 이용한 물의 수위 자동 측정 스마트컵 개발

Abstract

Drinking water has the several advantages such as improving blood circulation, reducing acid in the stomach and etc. However, it is not easy for people to check their amount of daily water drinking. Therefore, measuring the amount of the water that contained in the cup is helpful to control the amount of the water drink daily. In this paper, using capacitive sensor to develop an automatic water level measurement smart cup was proposed. The 3D model of the proposed capacitive sensor was designed using a computer-aided design (CAD) software, and subjected to the FEA (Finite Element Analysis) simulation in order to verify its feasibility and optimize its shape. According to the simulation results, the sensor was manufactured in several sizes and conducted performance confirmation experiments by LCR meter. For developing the smart cup system, a low-power consumption micro-controller and, Bluetooth module was used to be the system control and wireless communication. Finally, the measured value through a water level compensation algorithm to improve the water level measurement accuracy. Users can observe their daily water drinking volume by PC program

물 섭취는 인체 속에서 음식물의 소화와 흡수를 도우며, 미세먼지 등 체내 밖으 로 배출하는 것을 돕는다. 일반적으로 많은 사람들이 물을 마시려는 노력을 하고 있다. 하지만 일일이 하루 물 섭취량을 확인 하기란 쉽지 않다. 본 논문에서는 커 패시터 센서를 이용하여 물의 수위를 자동적으로 측정이 가능하고, 음수량 확인이 가능한 스마트 컵을 개발했다. 제안하는 커패시터 센서는 컵에 장착하여 3D 모델 링으로 설계되며, 수학적 모델링과 유한요소해석을 이용하여 센서의 크기 및 위치 에 대한 최적화 설계 및 시뮬레이션 되었다. 시뮬레이션 결과에 따라 프로토타입 의 센서 및 컵을 제작한다. 또한 솔리드웍스를 이용하여 3D 모델링된 컵 케이스가 설계되고 3D 프린터를 이용하여 제작된다. 조립된 프로토타입의 스마트컵은 LCR 미터를 이용하여 센서 성능실험을 진행 하였고, 물의 양에 따라 센서로 측정된 정 전용량 값을 관찰하였다. 또한 자동적으로 물의 수위 측정이 가능한 스마트컵 시 스템의 제어를 위해서 마이크로컨트롤러를 이용한 블루투스 시스템 및 배터리 충 전회로를 설계하였다. 시스템을 통한 정전용량 측정값 보완을 위해서 Curve Fitting 알고리즘을 이용하여 1차 방정식을 설계하고, 정전용량 값과 물의 수위는 대응된다. 이러한 과정을 거쳐서 구현된 스마트 컵은 물의 양에 따라 물의 수위가 일치하게 변화 하였고, 오차 범위 내에서 동작함을 확인하였다. 추후 계속적인 스마트컵 연구를 통해서 물의 양뿐만 아니라 여러 액체의 성분까지의 연구가 지속되어 상용화를 위한 개선 점을 도출할 수 있을 것으로 예상된다.