덕트 안으로 들어가는 로버 — Arduino Uno + W5500으로 만드는 HVAC 덕트 검사 시스템

태그: HVAC 덕트검사 Arduino Uno W5500 Ethernet 산업용로봇 예지보전 Python

냉난방 덕트 안에는 먼지가 쌓이고, 곰팡이가 피고, 가스가 새기도 한다.
그런데 사람이 들어가서 확인하기에는 너무 좁고 위험하다.
이 프로젝트는 그 문제를 소형 원격조작 로버로 해결한다.
Arduino Uno와 W5500 이더넷 Shield가 핵심이다.

01 — 이 프로젝트는 무엇인가?

브라질 고이아스 연방기술대학(IFG) 제어·자동화공학과 졸업논문 프로젝트입니다. Ana Clara Maia Oliveira와 Gilberth Leonardo Juvencio Mariano가 개발한 HVAC 덕트 검사용 소형 로버입니다. 2026년 2월 발표, 최종 점수 9.0/10.0 획득.

HVAC 덕트 검사, 왜 필요한가?

산업·병원·상업 건물의 냉난방공조(HVAC) 시스템은 공기를 순환시키는 덕트 네트워크로 이루어집니다. 이 덕트는 24시간 가동되면서 내부에 문제가 생깁니다.

덕트 내부에 생기는 문제들:
  ├─ 먼지·입자 퇴적 → 통기 저항 증가, 에너지 낭비
  ├─ 곰팡이·세균 번식 → 실내 공기질 악화, 건강 위협
  ├─ 부식·균열 → 공기 누출, 에너지 손실
  └─ 가스·연기 누출 → 안전 위협

브라질 보건부 규정(Portaria nº 3.523)은 5TR 이상 HVAC 시스템에 정기적 유지보수 계획(PMOC)을 의무화합니다. 문제는 검사 방법입니다. 기존 방법은 작업자가 직접 덕트에 들어가거나 덕트를 분해합니다. 비용이 비싸고, 느리고, 위험합니다.

이 프로젝트는 그 대안으로 소형 원격조작 로버를 제시합니다.

02 — 시스템은 어떻게 동작하나?

[PC / 운영자]
    ↕  케이블 (W5500 유선 이더넷 + 전원)
[로버 내부]
    ├─ Arduino Uno → W5500 HTTP 서버
    │     ├─ GET /telemetry  → 온도·습도·가스 JSON
    │     ├─ GET /move?cmd=F|B|L|R  → 이동 명령
    │     ├─ GET /led?toggle=1  → 조명 제어
    │     └─ GET /diag  → 시스템 진단
    ├─ DHT11  → 온도·습도 측정
    ├─ MQ-2   → 가스·연기 감지
    ├─ 웹캠   → 실시간 1080p 영상
    └─ 조명 LED → 덕트 내부 조사
 [Python 소프트웨어 (PC)]
    ├─ Tkinter 대시보드  → 실시간 제어·영상·그래프
    ├─ OpenCV  → 웹캠 스트리밍
    ├─ matplotlib  → 온도·습도·가스 시계열 그래프
    └─ SQLite + CSV  → 검사 이력 저장·내보내기

Arduino 펌웨어가 HTTP REST API 서버로 동작합니다. PC의 Python 앱이 1초마다 /telemetry를 폴링하고, 키보드 방향키로 실시간 이동 명령을 보냅니다. 연결은 모두 유선 케이블로 이루어집니다.

03 — 왜 W5500인가? 금속 덕트에서 Wi-Fi는 왜 안 되나?

이 프로젝트에서 통신 방식 선택이 가장 중요한 설계 결정이었습니다.

🚫 Wi-Fi / Bluetooth를 쓰면 안 되는 이유

HVAC 덕트는 금속으로 만들어집니다. 금속은 전자기파를 반사하고 흡수합니다. 덕트 내부에서 Wi-Fi 신호는 다중 반사로 간섭이 생기고, 연결이 끊기고, 재연결에 시간이 걸립니다. 연결이 끊기면 로버가 덕트 안에 멈춰버립니다. 회수하기 위해 덕트를 분해해야 할 수도 있습니다.

✅ W5500이 이 환경에 맞는 이유

WIZnet W5500의 하드웨어 TCP/IP 스택은 Arduino Uno의 CPU 부담 없이 안정적인 이더넷 연결을 유지합니다. 펌웨어는 W5500 위에 HTTP 서버를 올려 REST API를 제공합니다. 연결이 케이블이므로 덕트 길이만큼 케이블을 늘리면 됩니다. 전원도 케이블로 공급하므로 배터리를 완전히 제거했습니다 — 밀폐 공간에서의 배터리 과열, 누액, 방전 위험이 사라졌습니다.

04 — 핵심 부품

🤖 Arduino Uno — HTTP 서버가 되는 마이크로컨트롤러

로버의 모든 제어를 담당합니다. PC에서 이동 명령을 받아 모터를 움직이고, DHT11·MQ-2 센서에서 온도·습도·가스 데이터를 1초 주기로 읽어 W5500을 통해 PC로 전송합니다. LED 조명 제어도 Arduino가 맡습니다.

W5500 위에 HTTP 서버를 올려 REST API 방식으로 PC와 통신합니다. RAM이 2KB밖에 되지 않는 제약 때문에 String 객체 대신 고정 버퍼로 파싱하여 메모리 단편화를 방지했습니다. 1초 이내에 명령이 없으면 자동으로 정지하는 fail-safe도 구현되어 있어, 덕트 안에서 통신이 끊겨도 로버가 멈추도록 설계했습니다.

웹캠 영상은 Arduino를 거치지 않고 USB로 PC에 직접 연결됩니다. Arduino는 영상을 제외한 나머지 모든 것을 처리합니다.

🌐 WIZnet W5500 Ethernet Shield

Arduino Uno에 꽂는 이더넷 확장 모듈입니다. SPI로 연결되며, 하드웨어 TCP/IP 스택을 내장하고 있어 Arduino CPU를 거의 쓰지 않고 이더넷 통신을 처리합니다. 이 프로젝트에서 로버와 PC 사이의 모든 통신은 W5500을 통해 이루어집니다.

🌡️ DHT11 + MQ-2 — 환경 감시 센서

DHT11은 온도와 습도를 디지털로 제공합니다. 습도가 높으면 덕트 내 결로와 곰팡이 성장 위험을 알 수 있습니다. MQ-2는 LPG, 메탄, 수소, 일산화탄소에 반응하며, 아날로그 신호로 가스 이상을 감지합니다. 두 센서를 조합하면 덕트 내부 공기 상태를 정량적으로 파악할 수 있습니다.

📷 웹캠 Full HD 1080p

로버 정면에 장착되어 덕트 내부를 실시간으로 보여줍니다. USB로 Arduino가 아닌 PC에 직접 연결되어 영상 처리는 PC가 담당합니다. 조명 LED와 함께 작동하여 빛이 없는 덕트 내부를 촬영합니다.

🖥️ Python 소프트웨어 대시보드

Tkinter 기반 GUI로 영상·텔레메트리·제어를 하나의 화면에 통합합니다. 키보드 방향키로 실시간 조종, SQLite에 측정값 이력 저장, CSV 내보내기, matplotlib 시계열 그래프를 제공합니다.

🖨️ 3D 프린팅 섀시

덕트 치수에 맞게 설계되었습니다. 치수: 300×180×150mm — 내경 180mm 이상 덕트에서 작동 가능합니다. MDF 대비 방습성, 알루미늄 대비 경량·저비용·빠른 수정이 장점입니다. Autodesk Fusion으로 모델링했습니다.

05 — 응용 시나리오

01. 병원 — 의료 공기질 기준 준수 검사

병원 HVAC 덕트는 법적 기준(RDC nº 886/2024)에 따라 정기 검사가 필수입니다. 좁은 덕트에 작업자가 들어가지 않고 로버로 영상·MQ-2·DHT11 데이터를 수집하면, 검사 보고서에 필요한 정량 데이터와 촬영 이미지를 한 번에 획득할 수 있습니다. #병원위생 #공기질 #규정준수

02. 제조 공장 — 예지보전 데이터 수집

공장 HVAC는 생산 공정과 함께 24시간 가동됩니다. 덕트가 막히면 냉난방 효율이 떨어지고 에너지 비용이 늘어납니다. 로버가 주기적으로 덕트를 순회하면서 온도·습도·가스 데이터를 SQLite에 쌓으면, 시간이 지남에 따라 덕트 상태 변화 패턴을 파악하고 청소 시기를 예측할 수 있습니다. #예지보전 #에너지절약 #공장자동화

03. 상업 건물 — 유지보수 비용 절감

브라질의 경우 상용 HVAC 로버 장비는 R$ 9,000~18,000 수준입니다. 이 프로젝트는 약 R$ 5,000으로 유사한 검사 기능을 구현했습니다. 소규모 빌딩 관리 업체나 시설 관리 팀이 자체 장비로 내부 검사를 수행하면 외주 검사 비용을 줄일 수 있습니다. #비용절감 #빌딩관리 #시설관리

04. 데이터센터 — 서버실 냉각 덕트 모니터링

서버실 냉각 덕트의 오염이나 막힘은 냉각 효율 저하와 서버 과열로 이어집니다. 덕트 내부 온도·습도를 실시간으로 모니터링하면 냉각 시스템의 이상을 조기에 발견할 수 있습니다. 금속 덕트 환경에서 Wi-Fi 기반 솔루션보다 W5500 유선 방식이 안정적입니다. #데이터센터 #냉각시스템 #서버관리

05. 교육·연구 — 로봇공학 실습 플랫폼

오픈소스 코드(GitHub: GilberthLeonardo/Rover-para-Inspecao-de-Dutos)로 공개되어 있습니다. Arduino + W5500 + Python의 전체 스택이 주석과 함께 제공되므로, 임베디드 시스템·네트워크 통신·로봇 제어를 동시에 학습할 수 있는 실습 플랫폼으로 활용할 수 있습니다. #오픈소스 #교육 #임베디드실습

06 — 비용 비교

상용 제품 대비 절반 이하 비용으로 실시간 영상·환경 데이터 수집 기능을 구현했습니다. 단, 상용 고가 제품은 자동 청소 기능, 구조적 견고성, 산업 인증이 추가로 포함된 점을 감안해야 합니다.

07 — 현재 한계와 개선 방향

결론

좁고 어둡고 금속으로 둘러싸인 공간 — 사람이 들어갈 수 없는 그곳을 로버가 대신 본다.

학사 졸업논문인 만큼 USB 거리 제한, 방수 미적용, 케이블 3개 묶음 등 실제 양산과 현장 적용까지는 거리가 있는 부분이 있습니다. 그럼에도 이 프로젝트가 흥미로운 이유는, 수백만 원짜리 상용 장비가 하는 일을 14만 원짜리 부품으로 흉내냈다는 점입니다.

그리고 이 시도가 단순한 실험으로 끝나지 않을 이유가 있습니다. 산업자동화와 스마트 빌딩이 확대될수록 HVAC 덕트 네트워크는 더욱 복잡해지고 많아집니다. 검사 수요는 늘어나지만 사람이 직접 들어가는 방식은 한계가 있습니다. 결국 이런 소형 검사 로버의 수요는 앞으로 반드시 커질 수밖에 없고, 이 프로젝트는 그 방향을 가장 저렴하게 먼저 보여준 사례입니다.

원본 논문: TCC – Bacharelado em Engenharia de Controle e Automação, IFG Campus Goiânia, Fevereiro 2026
코드 저장소: GilberthLeonardo/Rover-para-Inspecao-de-Dutos