KR100347109B1 - 지능형 수동 적외선 감지기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적외선 센서를 이용한 인체감지 시스템에 있어서 기존 시스템의 단점인 각종 오동작의 문제를 해결하기 위하여 마이크로 컨트롤러를 사용하여 센서 출력신호를 저장하고 이의 패턴을 판단하여 유형별로 여러 가지의 출력신호를 내 보냄으로써 검출성능의 정확도를 높이는 장치이다.

기존 시스템의 구성은 빛을 모으기 위한 미러, 인체로부터 발산되는 신호를 감지하는 적외선 센서, 이 신호를 증폭하는 앰프, 고주파 신호성분 제거를 위한 필터, 이를 기준 전압과 비교하기 위한 컴페레이터, 검출된 신호를 일정시간 유지하기 위한 타임머, 알람 신호발생을 위한 구동회로 등으로 이루어진다.

본 발명에서는 위의 구성에 추가로 비교기와 마이크로 컨트롤러를 추가로 사용하여 미러, 적외선 센서, 가변 증폭기를 거친 신호를 두개의 비교기로 각각 보내고 이들의 출력을 마이크로 컨트롤러 저장하여 유형별로 분류하여 판단된 출력 신호를 알람신호로 보내는 것이다. 이렇게 함으로써 기존의 문제점인 정지된 인체신호 감지불가와 태양광, 주위 온도변화, 각종 동물들에 의한 오동작으로부터 벗어나 보다 정확한 인체 감지를 수행할 수 있다. 또, 신뢰성을 더 높이기 위하여 기존의 아날로그 방식도 병행 사용할 수 있도록 했다.

Description

지능형 수동 적외선 감지기 { Intelligent Passive Infrared Detector ( IPIR Detector ) }

무인 인체감지 시스템에는 적외선을 이용하여 그 값의 변화를 검출하여 인체의 유무를 판별하는 장치가 널리 쓰인다. 이 시스템은 그 동작원리에 따라 능동형과 수동형의 두가지로 나뉜다. 능동형은 일정 장소, 일정 방향으로 고정된 곳에 수광기와 투광기를 각각 설치하고 투광기에서 나오는 적외선을 수광기가 받고 있다가둘 사이에 물체가 끼어들면 수광기의 적외선 검출이 사라지고 이를 검출하는 시스템이다. 수동형은 넓은 시야각을 가진 초전형 적외선 센서만을 설치하고 이 시야각 안에 인체가 접근하면 센서가 해당하는 적외선을 검출하여 경보를 발생시키는 시스템이다.

이중 넓은 시야각을 갖는 수동형 시스템을 살펴보면 다음과 같다. 먼저 인간의 체온은 36~37℃ 이므로 9~10㎛에 피크를 갖는 원적외선이 방사되고 있다. 이를 검출하기 위한 센서로는 열형과 양자형이 있다. 열형은 상온에서 동작하고, 파장 의존성이 없고, 가격이 염가이나 감도가 낮고, 응답이 늦은 단점이 있다. 양자형은 감도가 크고, 응답이 빠르나 액체질소를 사용한 냉각이 필요하고, 파장 의존성이 있고 고가인 단점이 있다. 보안 시스템의 용도로는 가격이 싸고 경박단소한 성질을 요구하는 바, 양자형보다는 열형 센서가 널리 쓰이고 있다. 열형소자의 구체적인 예로는 더미스터 보로미터, 서모파일, 초전소자가 대표적이다. 결국 보안 시스템으로 널리 쓰이는 적외선 소자로는 수동형, 열형 중 초전형 소자가 대표적이다.

도 1은 초전형 적외선 소자의 내부 회로도를 도시한 도면이다. 초전형 소자는 PZT(티탄산 지르콘산연계 세라믹) 강유전체 세라믹을 사용하고 있으며 여기에 고전압(3kV ~ 수 kV/mm)을 걸어서 분극한다. 이 처리에 의해 소자 표면에 나타나는 (+)와 (-)의 전하는 공기중의 역의 전하를 갖는 부유이온과 연결하고 전기적으로 중화되어 있다. 소자의 표면온도가 변화하면 온도변화에 따라 감지소자의 분극의 크기는 변화한다. 이 때문에 안정시의 전하의 중화상태가 무너지고 감지소자 표면전하와 흡착부유 이온전하의 완화시간이 다르기 때문에 전기적으로 불균형하게 되어 연결할 상대가 없는 전하가 발생된다. 이와같이 온도변화에 따라 전하가 생기는 현상을 초전효과라고 한다. 이 초전형 소자를 사용하여 신호를 발생하는 과정을 순서적으로 나열하면 다음과 같다.

(1) 여러 가지 파장의 적외선이 센서(110)에 입사한다.

(2) 창(윈도우)부의 광학필터에 의해 필요한 적외선만을 통과시키고 불필요한 적외선을 커트한다.

(3) 감지소자 표면에 있는 열 흡수막에 의해 적외선만을 통과시키고 불필요한 적외선을 커트한다.

(4) 감지소자의 표면온도가 오르고 초전효과에 의해 표면전하가 발생한다.

(5) 발생한 표면전하를 FET로 전압증폭하고 임피던스 변환한다.

(6) 드레인단자로부터는 FET를 움직이기 위한 전압이 공급된다.

(7) 증폭된 전기신호는 외부에 접속된 소스-어스간 저항에서 바이어스전압과 중첩해서 전압으로 꺼내진다.

도 2는 위의 동작순서를 바탕으로 구성된 인체검지 장치의 구성을 도시한 도면이다.

인체에서 방사되는 에너지는 미약하기 때문에 배경온도가 25℃일때 초전형센서는 1m앞 정도밖에 검지할 수 없다. 그래서 인체로부터의 에너지를 집광해서 검출온도를 올리는 방법이 채용된다. 집광계(100)로는 반사경이나 플라스틱 렌즈가 일반적이며 이것으로 5~15m 정도의 검출감도를 얻을 수 있다. 적외선 센서(110)에서 발생되는 신호는 앰프 회로(120)와 대역앰프(밴드패스필터)(130)를 통과하게 되는데 이는 고역측은 상용주파수의 영향을 피하기 위해 15Hz 부근에서, 또 분위기 온도변화의 영향을 피하기 위해 0.2Hz 부근에서 감쇠시키고 있으며 게인(Gain)은 약 60dB이다. 이로부터 나온 신호는 비교기(140)에서 미리 설정한 기준전압과 비교해서 이보다 클경우 타임머 회로에 설정된 시간만큼 차임,버저, 자동도어, 경보기 등의 구동회로(160)를 동작시키게 된다.

초전검출기는 더미스터 블로미터, 서모파일에 비해 감도가 높고, 사람의 움직임을 포착하는데는 최적인 검출기라고 할 수 있다.

도 3은 인체 신호 유무에 대한 초전형소자의 출력 신호를 나타낸 도면이다. 여기서와 같이 초전형 소자는 온도변화가 있는 경우에만 신호를 발생하는 미분형 소자이다. 즉, 움직이지 않는 사람에 대해서는 출력이 나오지 않는다. 인체의 이동이 있는 경우는 그 변화량에 비례해서 출력을 발생하지만, 서서히 움직이는 경우는 신호출력량이 줄어들게 되고 정지해 있는 경우는 인체가 없는 경우와 마찬가지로 신호를 출력하지 않는다. 그리고, 태양광 등 외광에 의해 오동작을 일으킬 수 있고, 주위환경의 온도변화에 의한 오동작을 일으키기도 한다. 또, 인체와 비슷한 온도를 지닌 각종 동물들과 인체를 구분해내는 능력이 부족하여 오동작의 원인이 되기도 한다.

이러한 오동작의 원인을 종합해 보면 센서의 신호를 종합 정리, 판별하는 기능이 없이 단순히 증폭, 비교 기능만을 통해 출력으로 보내기 때문이다. 그래서, 본 발명에서는 여러 가지 원인에 대한 센서 출력신호의 유형을 마이크로 컨트롤러에서 분류 및 판별하고 원인별로 출력신호를 달리하여 관찰자가 구분할 수 있는 기능을 제공하는 것이 그 목적이다.

도 1은 기존의 적외선 감지소자의 내부 회로도;

도 2는 종래의 실시예에 따른 인체감지 장치의 구성을 표시한 도면;

도 3은 도 2에 도시된 구성중 인체 유무에 따른 적외선 센서의 출력신호;

도 4는 본 발명에 따른 실시예에 따른 IPIR Detector의 구성을 도시한 블럭도;

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LCD (Liquid Crystal Display)를 적용한 인체검출 장치의 구성을 도시한 도면;

* 도면의 주요부분에 대한 용어의 설명

100: 미러렌즈 (여러방향으로부터 나오는 인체 적외선을 집광하여 적외선 센서로 보내주어 센서가 작은 신호를 포착할 수 있도록 한다.)

110: 적외선센서 (미러렌즈에서 집광된 적외선을 받아들여서 전기신호로 바꾸는 역활을 한다. 적외선이 감지되면 센서에서는 이를 전압의 변화로 바꾸어 출력한다. 이 전압의 변화가 매우 작기 때문에 버퍼가 내장되어 있는 센서가 일반적이다.)

120: 증폭기 (센서에서 나오는 미약한 전압의 변화를 이용할 수 있도록 전압증폭의역활을 담당한다. 보통 OP-AMP를 다단계로 써서 충분한 전압증폭 이득을 얻을수 있도록 한다.)

130: 필터 (센서와 증폭기로부터 발생되는 고주파 잡음을 제거하기 위한 것이다.)

210: 가변증폭기 (전압의 증폭 이득을 가변할 수 있도록 하여 구성한 것이다.)

220: 비교기1 (센서와 증폭기를 거친 신호를 미리 설정된 고전압과 비교하여 이보다 높을 경우 신호를 출력한다.)

230: 비교기2 (센서와 증폭기를 거친 신호를 미리 설정된 저전압과 비교하여 이보다 낮을 경우 신호를 출력한다.)

240 : 마이크로 콘트롤러 (비교기1과 비교기2에서 나온 신호를 받아들여서 상황별로 미리 설정된 경향치와 비교하여 인체의 존재 유무를 최종적으로 판단하는 기능을 담당한다.)

310 : LCD셀 (두장의 기판 사이에 액정을 넣고 외부에 편광판을 붙여 구성한 것으로 구동전압에 따라 적외선신호의 통과를 제어하는 역활을 한다.)

도 4는 본 발명에 따른 실시예에 따른 IPIR (Intelligent Passive Infrared) Detector의 구성을 도시한 블럭도이다. 기존에 사용된 미러(100), 적외선 센서(110), 앰프(120), 필터(130)는 그대로 사용하고, Variable Gain Amplifier(210)에서 조절을 거친후 비교기 1 (220)과 비교기 2 (230)로 각각 입력된다. 여기서는 미리 setting된 전압치와 비교하여 각 출력을 마이크로 컨트롤러(240)에 제공한다. 이 마이크로 컨트롤러에서는 Comparator1,2에서의 output을 시간간격, 횟수 등을 미리 입력된 각종 원인별 pattern과 비교함으로써 보다 정밀하게 검출을 행할 수 있다. 이렇게 함으로써 기존 system의 단점인 정지 인체 감지불가, 외부광에 의한 오동작, 주위 온도변화에 의한 오동작, 각종 동물에 의한 오동작 등을 보다 정밀하게 판별할 수 있다.

가변 증폭기(210)는 이득 변화를 갖도록 구성하여 정확도를 높이고 감지거리를 멀리 하기 위한 것이다. 그리고 증폭기의 출력을 그대로 마이크로 컨트롤러에 입력하여 선택적으로 기존 시스템의 신호 출력도 그대로 이용할 수 있도록 하였다.

본 발명의 장점으로는 10% 이하의 낮은 원가 증가만으로 검출의 정밀도를 크게 향상시킬수 있는 것이다. 즉, 사람과 동물의 신호구분이 될 수 있고, 주위 온도변화에 의한 오동작을 방지할 수 있을뿐 아니라 사람이 움직이지 않을 때도 마이크로 컨트롤러의 입력 신호를 판별하여 감지가 가능하다. 그리고, 마이크로 컨트롤러의 이득 조절 기능을 사용하여 일정시간 간격으로 시스템의 고장 유무를 자동 판별할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LCD (Liquid Crystal Display)를 적용한 인체검출 장치의 구성을 도시한 도면이다. PIR Detector앞에 LCD Cell (310)을 부착하여 이를 일정 신호간격으로 On,Off 함으로써 움직이지 않는 인체에 대해서도 검출이 가능하게 한 것이다. 일반적인 LCD에서는 상하 두 글라스 안쪽의 ITO(Indium Thin Oxide)와 같은 투명 전극 양단에 진폭은 5V정도이고, 주기는 60Hz정도인 펄스파를 입력하면 가시광선의 통과를 제어할 수 있다. 즉 OV가 인가되었을 때는 빛이 통과하고, 5V가 인가될 때에는 빛이 통과하지 못한다. 이는 일반적인 LCD 구동원리와 같다. 이러한 LCD에 대해 액정의 Cell Gap 및 형광판을 적절히 조정하여 구성하면 가시광선이 아닌 적외선 영역에 대해 빛 통과를 제어할 수 있게 된다. 이렇게 만든 LCD Cell을 PIR앞단에 구성하므로써 물체가 움직일 때만 검출가능하다는 기존 PIR의 단점을 제거한 것이다. 즉 물체가 움직이지 않을때도 정규적인 펄스파로 구동되는 LCD Cell이 PIR을 항상 초기화시켜 검출이 가능하도록 만든 것이다. 이는 기존의 기계적 차폐 기능을 LCD Cell로 대처한 것으로 고장 및 오동작율을 줄인것이다.

이상과 같은 본 발명의 IPIR Detector를 사용함으로써 기존과는 달리 각종 오동작으로부터 벗어날수 있다. 즉, 태양광, 주위 온도변화, 각동 동물들에 의한 신호로부터 인체 신호를 명확히 감지하고 이를 판단하여 알람 신호를 출력함으로써 보다 정확한 경보장치를 이룰 수 있다.

또, 정지상태의 인체를 감지할 수 있게 됨으로써 응용처를 확대 할 수 있다. 즉, 자동 동작 에어콘 시설을 비롯한 각종 가전 시스템, 방안에 인체의 존재 유무를 감지하여 원하는 곳으로 신호를 보내주는 재실 시스템등에도 본 발명을 이용하여 구성할 수 있다.

Claims (5)

1. 적외선 센서를 이용하여 인체의 적외선 신호를 탐지하고 이를 증폭, 비교하여 일정 수준 이상의 신호 발생시 알람 신호를 출력하는 인체 검지 장치 및 이와 유사한 시스템에 있어서,

   미러 혹은 렌즈 (100)에 의해 집광된 신호를 받아들이는 적외선 센서(110)와;

   적외선 센서(110)으로부터 출력된 신호를 증폭하는 앰프(120), 그리고 필요없는 고주파 신호를 제거하는 필터(130)와;

   출력신호의 이득을 변화시킬 수 있는 가변 증폭기 (210)와;

   미리 설정된 높은값과 낮은 값으로 맞춰진 기준전압과 비교할 수 있도록 만든 비교기 1 (220), 비교기 2 (230)와;

   비교기의 출력신호를 일시저장하고 패턴별로 분류하여 판단하고 출력하는 기능을 담당하는 마이크로 컨트롤러(240)을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 인체검지 장치.
2. 적외선 센서를 이용하여 인체의 적외선 신호를 탐지하고 이를 증폭, 비교하여 일정 수준 이상의 신호 발생시 알람 신호를 출력하는 인체 검지 장치 및 이와 유사한 시스템에 있어서,

   일정시간 간격으로 온,오프 되는 구동전압으로 구동되어 입력 적외선신호를일정시간 간격으로 통과를 제어하는 기능을 가진 LCD cell (310)와;

   기존 시스템에서 사용중인 미러(100), 적외선 센서(110), 앰프(120), 필터(130), 비교기(140), 타이머 회로 (150), 구동회로(160)을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 인체검지 장치.
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