KR101974383B1 - 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로파 렌즈와 마이크로파센서의 설치와, 센서신호증폭부와 마이콤제어 판단부를 구성하여 소변기에 사용자가 접근함과 멀어짐을 파악함으로 소변기의 세척수를 제어할 수 있는 센서내장식 자동물내림 소변장치에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명은, 소변기 사용자를 정확히 감지하기 위하여 마이크로파 렌즈를 통해 지향성를 갖고, 마이크로파센서는 움직이는 물체에 반사되는 마이크로파의 신호를 이용하여 물체의 움직임을 감지하도록 설치되고; 상기 마이크로파 센서가 밴드패스필터를 매개로 1 차 감도조절부의 1 차앰프와 2 차 감도조절부의 2 차 앰프가 순차적으로 연결되는 센서신호 증폭부와, 상기 마이크로파 센서로의 마이크로파 센서동작 제어와 1 차 및 2 차 감도조절부로의 증폭감도제어, 그리고 세척밸브 온오프해주는 마이콤제어 판단부로 구성된 것을 그 특징으로 한다.

Description

마이크로파센서를 사용한 소변감지장치{URINAL SENSING APPARATUS USING MICROWAVE SENSOR}

본 발명은 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로파 렌즈와 마이크로파센서의 설치와, 센서신호증폭부와 마이콤제어 판단부를 구성하여 소변기에 사용자가 접근함과 멀어짐을 파악함으로 소변기의 세척수를 제어할 수 있는 센서내장식 자동물내림 소변장치에 관한 것이다.

종래기술 센서방식의 소변기에서는 적외선센서 방식이 많이 사용되고 있는 바, 이러한 적외선센서는 적외선을 이용하여 대상을 검출하는 소자로서 적외선를 발사하고 반사되는 적외선의 양으로 물체의 유무를 알아내는 것으로, 투광부에서 방사된 펄스 변조광이 검출영역내의 물체에 의해 반사되면 수광소자에의 입사광이 증가하고, 이렇게 증가한 반사광의 신호레벨이 설정 동작레벨에 도달하게 되면 물체 또는 인체가 있음으로 판단하고 있다.

상기 적외선센서 방식은 한쪽에서 적외선을 발사하고 대응되는 한쪽에서는 반사되어 돌아오는 적외선을 확인하여 물체나 사람을 확인하는 방식을 사용함에 있어 다음과 같은 문제점이 발생한다.

즉, 적외선센서 부분에 햇빛이 직접 조사되는 경우에는 감지하지 못하거나 감지거리가 대폭 줄어들게 되고, 또 반사되는 표면의 재질(물체표면, 옷의 종류)에 따라 감지하지 못하거나 감지거리가 줄어드는 경우가 발생된다. 또한, 삼파장 또는 이와 유사한 전등이 있는 환경에서는 정상적인 사용이 불가능하다.

그리고, 적외선센서의 위치는 감지하고자 하는 사람이나 물체의 정면에 위치해야 하며, 어린이나 키작은 사람인 경우에는 감지에 제한을 받거나 감지되지 않는 경우가 발생하고 있다.

기존의 센서내장형 소변기인 경우에는 도기 전면에 센서가 위치할 구멍을 형성하여야 하고, 적외선센서를 도기에 설치하기 위한 설치구조가 필요할 뿐만아니라 설치작업이 필요하다. 물체 또는 사람의 유무는 판단가능하지만, 물체 또는 사람이 접근하는지 멀어지고 있는지는 확인할 수 없다(감지영역내 물체 또는 사람만 파악).

한편, 물체나 인체를 감지하는 다른 방식으로는 가격이 적외선센서에 비해 고가이지만 초음파 센서방식을 사용할 수 있다. 이러한 초음파 센서는 인간의 귀로는 들을 수 없는 20 KHz ~ 30 KHz의 고주파 음을 이용하여 물체의 위치나 거리를 감지하는 센서이고, 두께 2 um ~ 3 um의 진동막에 전압을 가하면 초음파가 발생하고 물체에 부딪혀 반사되어 돌아오는 초음파를 다시 이 진동자에 의하여 감지하면, 물체까지의 거리가 멀수록 반사하여 되돌아오기까지의 시간이 길어지기 때문에 물체까지의 거리를 알 수 있는 것이다.

그러나, 상기 적외선 센서와 초음파 센서는 불투명한 물체나 가려진 상태로는 투과할 수 없기 때문에, 외부로 돌출시켜야 하는 단점이 있어 종래의 센서내장형 소변기인 경우에는 센서를 부착하기 위하여 소변기의 일부에 구멍을 뚫고 외부로 돌출시켜야 한다.

종래기술로써 대한민국 특허출원 10-2010-7953 는 다수의 접촉위치를 감지하는 대소변 감지센서로서, 환자의 배뇨, 배변의 유무를 감지하도록 환자의 대소변과 접촉하는 복수의 대소변 접촉부; 상기 대소변 접촉부사이에 연결된 복수의 저항들; 상기 대소변 접촉부의 전기신호를 인가받아 환자의 배뇨, 배변의 유무를 감지하는 시스템과 연결된 제 1, 제 2 시스템 연결부; 및 상기 제 1, 제 2 시스템 연결부를 연결하는 제3 시스템 연결부를 제공하고 있으며, 이는 환자가 배출한 대소변의 유무 및 위치를 손쉽게 감지할 수 있을 뿐 아니라 대소변의 유무 및 대변과 소변을 구별하고, 이를 이용하여 알람 기능을 하거나, 원격으로 전송하여 보호자 혹은 간병인 등이 쉽게 관리할 수 있도록 도와줄 수 있다.

한편, 고주파를 발산하는 마이크로파 센서는 비금속물체를 투과하여 물체나 인체를 감지할 수 있다. 따라서, 소변기의 일부를 뚫을 필요가 없으므로 소변기(도기) 제조공정이 단순화되고 구멍 뚫는 작업으로 인한 불량요소가 없어지며, 구멍을 통하여 센서를 설치하는 기존 적외선센서나 초음파센서의 작업이 필요없어진다.

상기 마이크로파(도플러) 센서를 이용한 물체 또는 인체의 감지방법은 도플러 레이더 원리(doppler radar principle)를 이용하여 송신 안테나와 수신 안테나를 하나의 모듈내에 형성시키고, 고주파 신호를 발진시켜 송신 안테나에서 방사된 전파가 물체 또는 인체에 반사되어 수신 안테나로 돌아오는 에너지를 필터링하고 증폭할 수 있다.

상기 마이크로파 센서는 대상물에 방사하여 대상물로부터 되돌아오는 에너지를 센서를 통해 감지 포착할 수 있도록 하고, 상기 포착되어 이격된 에너지의 파장과 송신 파장광의 혼합에 의해 센서는 저주파 전압을 산출하며, 전기적으로 연결된 외부의 컨트롤부와, 이 컨트롤부 내에 내장된 소프트웨어와의 연결 작용에 의해 최종적으로 센서의 작동이 이루어질 수 있다.

그러나, 마이크로파 센서는 움직임이 없는 물체나 움직임이 없는 인체를 감지하지 못하는 있는 바, 상기 마이크로파 센서를 소변기에 사용할 경우에는 사용자의 움직임에 반응하게 되고 움직임이 발생할 때마다 세척을 실행하거나, 사용자가 소변기 앞에서 움직임이 없는 경우에는 사용자가 없는 것으로 판단하는 오류를 발생시킨다.

현재, 마이크로파센서를 사용한 센서내장형 소변기(자동세척소변기)는 소변의 물줄기를 감지하는 방식을 사용하고는 있지만, 이 방식은 소변의 량과 소변 물줄기 방향에 따라 오류 가능성이 높으며, 사용자가 사용하기 전 미리 물을 변기에 내려줄 수 없기 때문에 마른 상태의 도기에 소변이 묻게 되어 이물질이 고착되는 문제를 발생한다.

따라서, 실제 세척의 효과가 낮아짐으로 사용상의 어려운 점이 있어, 이에 본 발명자는 상기와 같은 종래 마이크로파 센서의 문제점을 해소하기 위해 다각적으로 강구함으로 마이크로파 센서 내장형 소변장치를 발명하였다.

본 발명은 상기와 같은 제반 사정을 감안하여 발명한 것으로, 센서내장식 자동물내림 소변장치로써 마이크로파 렌즈와 마이크로파센서의 설치와. 센서신호증폭부와 마이콤제어 판단부가 구성되어 소변기에 사용자가 접근함과 멀어짐을 파악함으로 소변기의 세척수를 제어할 수 있는 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 소변기 사용자를 정확히 감지하기 위하여 마이크로파 렌즈를 통해 지향성를 갖고, 마이크로파센서는 움직이는 물체에 반사되는 마이크로파의 신호를 이용하여 물체의 움직임을 감지하도록 설치되고; 상기 마이크로파 센서가 밴드패스필터를 매개로 1 차 감도조절부의 1 차앰프와 2 차 감도조절부의 2 차 앰프가 순차적으로 연결되는 센서신호 증폭부와, 상기 마이크로파 센서로의 마이크로파 센서동작 제어와 1 차 및 2 차 감도조절부로의 증폭감도제어, 그리고 세척밸브 온오프해주는 마이콤제어 판단부로 구성된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구체적인 특징은, 소변기 사용자를 정확히 감지하기 위하여 마이크로파 렌즈를 통해 지향성를 갖고, 마이크로파센서는 움직이는 물체에 반사되는 마이크로파의 신호를 이용하여 물체의 움직임을 감지하도록 설치되고; 상기 마이크로파 센서가 밴드패스필터를 매개로 1 차 감도조절부의 1 차앰프와 2 차 감도조절부의 2 차 앰프가 순차적으로 연결되는 센서신호 증폭부와, 상기 마이크로파 센서로의 마이크로파 센서동작 제어와 1 차 및 2 차 감도조절부로의 증폭감도제어, 그리고 세척밸브 온오프해주는 마이콤제어 판단부로 구성되어; 상기 마이콤제어 판단부에서 중앙처리장치는 사용자 상태판단부, 학습자료 데이터저장부, 타이머가 상호 연결되는 한편, 파형분석부와 기준파형 생성부가 각기 연결되어 파형비교기에 연결된 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 소변기(도기) 안쪽에 본 발명품을 간단히 설치하면 되기 때문에 종래와 달리 소변기센서 조립작업이 단순해 짐으로, 제품 조립비가 감소된다는 효과가 있다.

또 마이크로센서 소변감지기는 적외선센서 방식과 다르게 접근과 멀어짐의 판단이 가능함으로, 접근할 때와 멀어질 때를 구분하여 다른 동작의 연출이 가능하다.

종래의 센서방식과 같이 도기에 구멍를 뚫을 필요가 없어, 센서로 인해 제한된 디자인에서 벗어나, 다양한 도기 디자인이 가능하다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치를 설명하기 위한 상세 구성도,
도 2 는 본 발명의 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에서 측면감지영역을 도시해 놓은 도면,
도 3 는 본 발명의 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에서 정면감지영역을 도시해 놓은 도면,
도 4 는 본 발명의 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에서 전파지향성의 변경 전후를 나타낸 그래프,
도 5 는 본 발명의 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에서 렌즈 및 센서를 도시해 놓은 도면,
도 6 은 본 발명의 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에서 센서유니트를 도시해 놓은 상세 단면도,
도 7 은 본 발명의 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에서 디지털 감도조절회로를 도시해 놓은 회로도,
도 8 내지 도 10 은 본 발명의 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에서 사용자 접근파형, 움직임 파형 및 멀어짐 파형을 설명하기 위한 작동 흐름도들,
도 11 내지 도 13 은 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에서 전세척 대기, 전세척동작 및 후세척동작을 설명하기 위한 작동 흐름도들이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치를 설명하기 위한 상세 구성도이고, 본 발명은 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치인 바, 이는 마이크로파 렌즈(10)와 마이크로파센서(20)의 설치와, 센서신호 증폭부(30)와 마이콤제어 판단부(40)를 구성하여 소변기에 사용자가 접근함과 멀어짐을 파악함으로 소변기의 세척수를 제어할 수 있는 센서내장식 자동물내림 소변장치인 것이다.

상기 마이콤제어 판단부(40)의 중앙처리장치(41)에서는 마이크로파센서(20)로의 마이크로파 센서 동작제어와 센서신호 증폭부(30)의 1 차 및 2 차 감도조절부 (34, 35)로의 증폭감도제어, 그리고 세척밸브(50)의 온오프 신호들을 각각 출력하게 된다.

그리고, 상기 중앙처리장치(41)는 사용자 상태판단부(42), 학습자료 데이터저장부(43), 타이머(44)가 상호 연결되는 한편, 파형분석부(46)와 기준파형 생성부(45)가 각기 연결되어 파형비교기(47)에 연결되도록 구성되어 있다.

상기 센서신호 증폭부(30)에서의 1 차 및 2 차 감도조절부(34, 35)에는 각기 1 차 앰프(32)와 2 차 앰프(33)가 연결되어 입력부로 마이크로파 센서(20)가 연결된 밴드패스필터(BPS : 31)가 연결되고, 상기 2 차 앰프(33)의 출력이 상기 파형비교기(47)로 연결되도록 구성되어 있다.

본 발명은 기존의 적외선센서 방식을 사용한 소변감지기의 문제점을 해결하기 위하여 마이크로파 센서(20)를 사용하며, 이러한 마이크로파센서(20)의 감지방식의 한계점을 본 발명과 같이 해결하고자 한다.

마이크로파센서(20)는 움직이는 물체에 반사되는 마이크로파(도플러)의 신호를 이용하여 물체의 움직임을 감지한다. 그러나, 마이크로파 센서(20)는 움직이지 않고 고정된 물체 또는 고정된 사람은 감지하지 못한다.

본 발명은 마이크로파 센서(20)가 고정된 물체나 사람을 감지하지 못하는 단점을 마이콤제어 판단부(40)에서 필요한 시기에 마이크로파 센서(20)의 동작을 제어하고, 반사되어 검출되는 신호를 필터링하고 증폭하여 자체적으로 생성한 기준파형과 비교를 거치면서 비교차에 의해 사용자의 상태를 판단하게 하고, 또한 예측하지 못한 동작의 발생을 예방하기 위하여 학습방법을 통한 데이터를 저장 활용하는 방식으로 해결하고자 한다.

좀 더 자세히 설명하면, 자체적으로 생성한 기준파형과 비교하여, 사용자의 상태를 유추하게 되는 사용자 접근 판단(도 8 참조) 알고리즘, 사용자 움직임 판단 (도 9 참조) 알고리즘 및, 사용자 멀어짐 판단(도 10 참조) 알고리즘을 갖는 장치를 구성한다.

또한, 각기 동작에서 예측하지 못한, 오동작을 예방하기 위한, 학습자료 데이터부를 구비하여, 사용자의 상태를 정확힌 판단(유추)하여 소변기를 세척할 수 있는 세척밸브(50)를 구성한다.

그러므로, 본 발명은 마이크로파 센서(20)를 소변기에 적용하여 접근해 오는 사용자와 소변기를 사용하고 이탈하는 사용자를 파악하여, 소변기의 세척밸브(50)를 자동으로 온오프함으로써 도기 세척하게 하는데 있다.

마이크로파 센서는 전파의 지향성이 도 4 와 같이 지형성이 넓고 주로 원거리 감지에 사용하고 있다. 도 4 와 같이 폭이 좁고 짧은 거리 감지하기 위하여, 본 발명과 같이 마이크로파 렌즈(10)와 1 차, 2 차의 감도조절회로를 구비하게 되어 있다.

또한, 마이크로파 센서(20)는 이동하는 물체나 움직이는 사람, 동물만 감지할 수 있기 때문에, 사용자가 움직이지 않게 되면 사용자를 파악할 수 없게 되거나, 동작 중 사용자가 움직이게 되면 사용자의 의도를 파악할 수 없게 되어, 도기를 수시로 세척하게 되는 오류를 하게 된다.

본 발명은 이러한 오류를 해결하기 위하여, 아래와 같은 장치와 콘트롤러, 동작 알고리즘을 적용하게 되어 있다. 즉, 마이크로파 센서(20)를 사용하여, 소변기에 사람이 접근함과 멀어짐을 파악하여 소변기 사용 전, 후 소변기를 마이콤제어 판단부(40)로부터 세척 밸브(50) 온오프에 의해 자동으로 세척하게 하는 것을 목적으로 한다.

도 2 는 본 발명의 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에서 측면감지영역을 도시해 놓은 도면이고, 도 3 는 본 발명의 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에서 정면감지영역을 도시해 놓은 도면이며, 도 4 는 본 발명의 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에서 전파지향성의 변경 전후를 나타낸 그래프이며, 도 5 는 본 발명의 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에서 렌즈 및 센서를 도시해 놓은 도면이고, 도 6 은 본 발명의 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에서 센서유니트를 도시해 놓은 상세 단면도이며, 도 7 은 본 발명의 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에서 디지털 감도조절회로를 도시해 놓은 회로도이다.

마이크로파 센서(DPS : 20)의 넓은 지향성을 본 발명에 부합하게 사용하기 위하여, 자체 고안, 제작한 마이크로파 렌즈(10)를 통해 지향성를 갖게 한다.

도 5 에 도시된 바와 같이 구성된 마이크로파 렌즈(10)는 사람을 기준으로 상하 지향성은 크게 하여 어른에서부터 키가 작은 어린이까지 감지를 용이하게 하고, 좌우 지향성은 좁게하여 인접한 소변기에 있는 옆사람은 감지되지 않도록 구성한다. 픔속판렌즈나 전파렌즈를 마이크로파 렌즈로 이용할 수도 있다.

도 1 에 도시된 마이크로파센서(DPS)를 통하여, 반사되어 들어오는 신호는 밴드패스필터(BPF :31)를 통하여 노이즈를 제거하고, 필요한 주파수 대역만을 필터링한다.

밴드패스필터(BPF :31)를 통과한 신호는 1차 앰프(32)와 2차 앰프(33)를 거쳐 증폭하게 된다. 사용자의 감지범위와 민감도를 설정하기 위하여 1차 감도조절부 (34)과 2차 감도조절부(35)를 각기 이용한다.

센서신호 증폭부(30)의 1차 감도조절부(34) 및 2차 감도조절부(35)에서는 관리자가 포텐셜미터를 수동으로 조정하는 수동조절과; 마이콤제어 판단부(40)에서 수신된 파형의 종류, 형태와 데이터저장부(42)에 저장된 학습데이터와 비교 판단하여 디지털 포텐셜미터(집적회로)를 중앙처리장치(41)에 의해 자동조절할 수 있다.

마이크로파센서(20)에 의해 반사되어 증폭된 신호는 마이콤제어 판단부(40)에서 신호의 종류와 형태를 파악하기 위하여, 타이머(44)와 임의의 주파수를 결합한 기준파형을 만들고, 이 기준파형과 반사된 파형을 비교하여 분석하게 된다.

중앙처리장치(41)에서 이렇게 분석된 파형의 종류로는 사용자 접근파형(도 8 ), 움직임파형(도 9), 멀어짐파형(도 10) 등으로 구분되며, 이는 마이콤제어 판단부(40)에서 분석된 파형과 데이터저장부(43)에 저장된 데이타를 참고하여, 접근, 움직임, 멀어짐 판단 알고리즘과 같이 비교 분석하여 판단하게 된다.

이렇게 분석된 파형은 데이터저장부(42)에 업데이트를 하고, 사용자의 상태에 따라, 중앙처리장치(41)의 출력을 제어하여 소변기를 세척밸브(50)의 온오프로 세척하게 된다.

따라서, 마이콤제어 판단부(40) 출력의 형태로는 사용자의 소변준비 시간인 전세척 대기(도 11 참조), 소변준비 시간중 소변기를 세척하는 전 세척 동작(도 12 참조)과 사용자가 소변기에서 이탈한 후 세척하는 후세척 동작(도 13 참조)를 실행할 수 있다.

도 2 및 도 3 에 도시된 마이크로파 센서 감지영역은 마이크로파센서(20)를 사용한 센서내장형 소변기는, 사용자를 정확히 감지하기 위하여 도 5 과 같이 자체 고안, 제작한 마이크로파 렌즈(10)를 통해 지향성를 갖게 한다.

구성된 마이크로파 렌즈(10)는 사람을 기준으로 상하 지향성은 크게 하여, 어른에서부터 키가 작은 어린이까지 감지를 용이하게 하고, 좌우 지향성은 좁게하여 인접한 소변기에 있는 옆사람은 감지되지 않도록 구성한다.

마이크로파 센서(20)는 전파의 지향성이 도 4 와 같이 지형성이 넓고 주로 원거리 감지에 사용하고 있다. 도 4 와 같이 폭이 좁고 짧은 거리 감지하기 위하여, 본 발명과 같이 마이크로파 렌즈와 1차, 2차의 감도조절회로를 구비하게 구성되어 있다.

전파 지향성 조정에 있어, 변경전 마이크로파 센서(20) 지향성은 도 4 와 같이 좌우, 상하로 넓은 특성을 갖고 있다. 따라서 본 발명과 같이 마이크로파도센서를 소변기 센서로 사용하기 위해서는 인접한 소변기의 옆사람을 감지하지 말아야 하며, 어른에서부터 키가 작은 어린이까지 감지를 용이하게 전파의 지향성을 사람을 기준으로 상하 지향성은 크게, 좌우 지향성은 좁게 할 필요성이 발생한다.

이를 구현하기 위하여 도 6 와 같이 전파원으로 부터 일정 거리에 마이크로파 렌즈(10)를 사용하여, 전파원으로부터 넓게 퍼지는 지향성을 원하는 부분으로 집중(도 4)하게 하는 마이크로파 렌즈(10)를 구성한다.

이때 마이크로파 렌즈(10)의 재질은 알미늄, 스테인레스 등 도전체 또는 페라이트 계열을 유전체로 가능하다. 본 발명품은 생산성과 원가절감을 하기 위하여 회로기판케이스를 형성하고, 그 안쪽에 마이크로파 렌즈(10)를 구성하며, 도플러(마이크로파)센서(20)와 마이콤제어 판단부가 일체화된 메인콘트롤러(제어부 유니트 : 22)를 구성한다.

또한, 습기와 암모니아 가스로 인한 부식을 방지하기 위하여, 회로기판케이스는 우레탄 또는 에폭시로 몰딩하는 구조를 갖는다. 여기서, 도면중 부호 24 는 우레탄 몰딩이고, 부호 26 은 에어부 유니트케이스를 나타낸다.

마이크로파 증폭감도 조정에 의한 감지거리 조정에 있어, 본 발명품은 사용 목적상, 소변기에 근접한 사용자만 감지하여야 하기 때문에, 전파의 지향성과 아울러, 전파의 감도를 조정할 수 있어야 한다.

전파의 감도를 조정하는 방법은 도 1 에 도시된 센서신호 증폭부(30)의 1차 앰프(32)와 2차 앰프(33)의 증폭율을 조절하는 방법을 사용한다.

1 차 앰프(32)의 1차 감도조절부(34) 및 2 차 앰프(33)의 2차 감도조절부 (35)는 관리자가 포텐셜미터를 수동으로 조정하는 수동조절과 마이콤제어 판단부(40)에서 수신되는 파형의 종류, 형태와 데이타저장부(43)에 저장된 학습데이터와 비교 판단하여, 디지털 포델셜미터(집적회로)를 자동조절을 할 수 있다.

좀더 자세히 설명하면, 도 7 에 도시된 디지털 감도조절 회로에서 비교기(U2:A)와 비교기(U2:B)의 비반전 입력포트에 각기 LS_OUT1과 LS_OUT1로 반사된 전파가 입력되면, 비교기(U2:C)의 출력 GAIN_S는 마이콤제어 판단부(40)의 파형비교기(47)를 거쳐 파형분석 후 중앙 처리장치(41)에 보내진다. 중앙처리장치(41)에서는 데이터저장부(43)의 학습자료를 참고하여, 증폭 감도제어 신호를 집적회로 (U3)의 PDTM_SCL과 PDTM_SDA를 통하여 디지털 신호를 보내게 되고, 이 신호를 받은 집적회로(U3)는 VR_W와 VR_B를 조정하여 저항값을 변화하게 하며, 이 저항값의 변화는 입력신호의 증폭율을 조정하는 역할을 하고 있다.

마이크로파 센서 회로부, 방수, 방 암모니아가스 구조는, 이와 같은 상기 마이크로파(도플러) 센서(20)를 이용한 센서내장형 소변센서는 소정의 플라스틱 케이스내에 설치되어 고주파를 발진시켜 이를 감지하고자 하는 대상물에 방사하여 대상물로부터 되돌아오는 에너지를 센서를 통해 감지 포착하는데, 이렇게 할 수 있도록 케이스는 고주파를 원활하게 투과할 수 있는 플라스틱 구조물과 구조물 내부는, 우레탄 몰딩 처리를 하여, 습기(물)과 가스(암모니아)에 의한 부식을 방지하는 구조를 특징으로 한다.

상기 마이크로파센서(20)는 도플러 레이더 원리 (doppler radar principle)를 이용하여 송신 안테나와 수신 안테나를 하나의 모듈내에 형성시키고 고주파 신호를 발진시켜, 송신 안테나에서 방사된 에너지를 물체 또는 인체에 반사되어 수신 안테나로 돌아오는 에너지를 필터링하고 증폭한다.

포착된 에너지 파장과 송신 파장광의 혼합에 의해 도플러센서는 저주파 전압을 산출하게 되며, 이 저주파 전압을 시간을 기준으로 분석하여 센서로 사용하게 된다.

마이크로파가 대상물에 반사되어 되돌아 오는 파장은, 물체가 접근할 때는 파장이 짧아지고, 물체가 멀어질 때는 파장이 길어지는 특성을 갖게 되며, 이를 이용하여 물체가 접근하는지 멀어지는지 파악이 가능하게 되나, 대상 물체가 움직이지 않는 경우에는 파악이 불가능하게 된다.

이러한 문제점 때문에, 종래의 마이크로파 센서를 이용한 소변기인 경우, 도기에 방뇨되는 소변을 감지하여, 도기를 세척하는 방식을 사용하고는 있지만, 이 방식은 소변의 량과 소변 물줄기 방향에 따라 오류 가능성이 높으며, 사용자가 사용하기 전 변기에 미리 물을 내려줄 수 없기 때문에, 마른 상태의 도기에 소변이 묻게 되어 이물질이 고착되는 문제를 발생하게 되어, 오물의 오염과 냄새를 발생시키게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 타이머(44)를 이용한 가상의 기준파형을 생성하고 대상물에서 반사되어 되돌아 오는 파장과 비교하여, 되돌아 오는 파장이 사용자가 접근하는 파장인지, 사용자가 일정한 구간에서 움직이는 중 인지, 사용자가 일정한 공간에서 움직이지 않고 정지하고 있는 중 인지, 사용자가 일정한 구간에서 이탈하는 행동을 하는 중 인지를 정확히 구분하여, 사용자의 상태에 따라 소변기를 용도에 맞게 세척하고, 사용자의 행동에 따라, 음성 또는 디스플레이 장치에 의해 안내하고자 한다.

또한, 음성안내 기능과 같이 접목하여, 소변기의 접근와 멀어짐의 구별에 따라, 각기 다른 안내 멘트를 출력하는 소변기를 실현한다. 예를 들어, 소변기에 접근시 "안녕하십니까? 좋은 하루 되세요". 또는 "안녕하십니까? OO 회사 입니다." 등이고, 소변기에서 멀어질 때, "안녕히 가십시오" 등인 것이다.

도 8 내지 도 10 은 본 발명의 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에서 사용자 접근파형, 움직임 파형 및 멀어짐 파형을 설명하기 위한 작동 흐름도들 이고, 도 11 내지 도 13 은 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치에서 전세척대기, 전세척동작 및 후세척동작을 설명하기 위한 작동 흐름도들이다.

사용자 접근 판단으로는, 위에서 간단히 설명한 바와 같이 마이크로파 센서는 물체가 접근할 때, 파장이 짧아지게 되는 특성을 갖고 있다. 하지만, 이 파장을 측정하는 기준에 따라 판단 결과는 전혀 다르게 될 수 있다.

따라서, 본 발명은 마이크로파가 사용자에 의해 발생되는 파장을 정확히 판단하기 위하여 도 8 , 도 9, 도 10 과 같이, 사용자 상태 판단 알고리즘을 통하여 사용자의 상태를 파악하게 된다.

사용자 접근 판단은, 도 8 에 도시된 바와 같이 세부적으로 설명하면, 마이콤제어 판단부(40)에서 마이크로파 센서(20)의 동작을 제어하여 필요시 사용자의 동작여부를 감시하게 된다. 이 동작은 필요이상의 전력을 소모하지 않게 하는데도 중요한 역할을 한다.

사용자가 정해진 영역(정해진 영역은 증폭감도 제어로 조정한다)에 접근하게 되면 반사에너지가 발생되고, 반사 에너지 중, 필요한 신호 영역만 필터링하고 증폭되어 파형비교기(47)로 들어가게 된다.

마이콤제어 판단부(40)에서 타이머(44)를 이용하여 생성한 가상의 기준파형과, 검출된 파형을 파형비교기(47)에서 비교하고, 검출파형이 기준파형보다 시간에 대한 변화율이 점점 작아지는 경우 이전 접근 파형을 참고하며, 접근 파형으로 판단한다. 시간에 대한 변화율은 PID(비레, 미분, 적분)값으로 한다.

사용자 움직임 판단은 도 9 에 도시된 바와 같이, 이 알고리즘은 사용자가 정해진 영역(정해진 영역은 증폭감도 제어로 조정한다)에 접근한 이후, 사용자가 움직이지 않고 그대로 있는지, 움직이고 있는 상태 인지, 정해진 영역에서 이탈하는 동작을 하고 있는지 판단하게 된다.

사용자가 움직이게 되면, 마이크로파 송신, 마이크로파 수신, 그리고 검출파형 필터링, 증폭을 거쳐 파형비교기(47)로 들어오게 되며, 임의로 만들어진 기준파형과 비교하여 움직임 파형이 검출되게 된다. 이 움직임 파형은 접근할 때 파형과 멀어질 때 파형으로 분리할 수 있으며, 접근할 때 파형 발생 시점과 멀어질 때 파형의 발생 시점간의 인터벌시간(시간차이)을 확인하게 된다.

움직임의 경우로는 접근후, 접근이 발생될 수 있으며, 멀어짐 후, 멀어짐 그리고 멀어짐 후, 접근 등 다양한 경우의 수가 발생 될 수 있다.

다양한 경우 수 발생간의 인터벌시간 기준을 정함으로, 현재 사용자가 움직이고 있는지, 정지상태로 대기 하고 있는지, 정해진 영역에서 이탈하는 동작을 하는 것 인지 파악하게 된다.

파악된 상태와 인터벌시간은 데이터저장부(43)에 업데이트 되며, 측정된 움직임 인터벌 시간은 기본설정 시간과 이전 학습자료를 참고하여 조정할 수 있다.

사용자 멀어짐 판단은 도 10 에 도시된 바와 같이, 이 알고리즘은 사용자가 정해진 영역(정해진 영역은 증폭감도 제어로 조정한다)에 있다가 영역 밖으로 이탈하는 경우를 판단하게 된다.

사용자가 움직이게 되면, 마이크로파 송신, 마이크로파 수신, 그리고 검출파형 필터링, 증폭을 거쳐 파형비교기(45)로 들어오게 되며, 임의로 만들어진 기준파형과 비교하여, 움직임 파형이 검출되게 된다.

마이콤제어 판단부(40)에서 타이머(44)를 이용하여 생성한 가상의 기준파형과, 검출된 파형을 파형비교기(47)에서 비교하여, 검출파형이 기준파형보다 시간에 대한 변화율이 점점 커지는 경우, 이전 멀어짐 파형을 참고하여, 멀어짐 파형으로 판단한다. 시간에 대한 변화율은 PID(비레, 미분, 적분)값으로 한다.

사용자 이탈에 대한 정의에서 사용자의 일정 영역 이탈에 대한 판단은, 도 10 에 도시된 바와 같이 이탈 시간에 의해서 판단한다.

이 알고리즘은 사용자가 정해진 영역(정해진 영역은 증폭감도 제어로 조정한다)에 있다가, 영역 밖으로 이탈한 이후, 일정시간을 주고 일정 시간 이후에도, 사용자가 움직임이 확인되지 않는 경우를 말한다.

본 발명은 마이크로파센서를 사용한 센서내장형 소변기에 관한 것으로, 종래의 적외선 또는 초음파 센서 그리고 마이크로파 센서가 내장된 소변감지기의 문제점을 해결하고, 소변기 제조공정 단순화, 센서 조립공정 단순화 등으로 제조원가를 절감하는 자동물내림 소변기를 제공하고자 한다.

앞에서 설명하고 있듯이 마이크로파는 마이크로파 렌즈(10)를 통하여, 목표하는 공간의 사용자를 감지하게 되며, 정해진 영역에 사용자가 접근하는지, 사용자가 움직이지 않고 그대로 있는지, 움직이고 있는 상태 인지, 정해진 영역에서 이탈하는 동작을 판단하는 방법을 설명하고 있다.

이러한 사용자 상태에 따라 아래와 같이 소변기를 세척하게 된다. 도 11 에 도시된 바와 같이, 전세척 대기는 사용자가 소변기 앞에 접근한 이후, 소변을 방뇨를 하기 위해 준비하는 시간을 말한다. 전세척 대기시간은 3 ~ 5초 정도로 하며, 사용자가 소변기 앞에 지속적으로 머물고 있는 경우, 소변기를 세척하기 직전까지의 시간을 말한다.

전세척 대기는 마이크로파 센서신호 분석결과, 사용자 접근(도 8)로 판단한 이후, 마이크로파센서 신호가 사용자 멀어짐 판단(도 10)이 발생되지 않는 경우에 한해, 사용자가 소변기 앞에 지속적으로 머물고 있다고 판단한다.

마이크로파 센서신호의 사용자 움직임 판단(도 9)이 발생되는 경우와 사용자의 움직임이 없는 경우 모두, 사용자가 소변기 앞에 지속적으로 머물고 있다고 판단한다.

사용자가 소변기에 접근 후, 3 ~ 5 초간의 대기시간이 지나면, 소변기에 전 세척을 실행한다. 전세척 대기시간이 완료되기 전에 사용자가 정해진 영역에서 이탈하는 경우 전세척 동작은 하지 않는다.

도 12 에 도시된 바와 같이. 전세척 동작은 사용자가 소변을 방뇨하기 전, 물을 제어하는 세척밸브(50)를 열어 소변기를 세척하는 동작을 말한다. 전 세척시간은 3 ~ 15 초 정도로 하며, 사용자가 소변을 방뇨전 도기에 물을 흘리게 됨으로 소변으로 인한 냄새를 감소시키고, 도기가 마른 상태에서 소변 방뇨됨으로 인하여 발생할 수 있는 요산의 점착을 방지할 수 있다.

전세척 중, 사용자가 이탈하는 경우 전세척이 완료되고, 후세척은 하지 않는다. 전세척 종료전 사용자가 이탈하고, 새로운 사용자가 감지된 경우, 전세척이 종료 이전에 새로운 사용자가 이탈하면 후세척은 하지 않는 것으로 하고, 전세척 종료 후, 새로운 사용자가 이탈한 경우 후세척을 하는 것으로 한다.

전세척 동작은 마이크로파 센서신호 분석결과, 사용자 접근(도 8)로 판단한 이후, 마이크로파센서 신호가 사용자 멀어짐 판단(도 10)이 발생되지 않는 상태에서, 전세척 대기 시간이 종료되면, 전세척 동작을 시작한다.

전세척 동작 중, 마이크로파 센서신호의 사용자 움직임 판단(도 9)이 발생되는 경우와 사용자의 움직임이 없는 경우 모두, 사용자가 소변기 앞에 지속적으로 머물고 있다고 판단한다.

전세척 동작 중, 마이크로파센서 신호의 사용자 이탈 판단(도 10)이 발생되고, 전세척이 종료될 때까지 마이크로파 센서신호 사용자 접근(도 8)이 없는 경우 후 세척은 하지 않는다.

전세척 종료 전, 마이크로파센서 신호의 사용자 이탈 판단(도 10) 되고, 마이크로파 센서신호가 다시 접근으로 판단될 경우, 새로운 사용자가 정해진 영역에 접근한 것으로 인식하고, 전세척 종료 이전에 마이크로파센서 신호의 사용자 이탈 판단(도 10)인 경우 후세척은 하지 않는 것으로 하고, 전세척 종료후 마이크로파 센서신호의 사용자이탈 판단(도 10)인 경우 후세척을 하는 것으로 한다.

도 13 에 도시된 바와 같이, 후세척 동작은 사용자가 소변을 방뇨한 후, 소변기에서 멀어지면 물을 제어하는 세척밸브(50)를 열어, 소변기를 세척하는 동작을 말한다.

후세척시간은 5 ~ 15 초 정도로 하며, 사용자가 소변을 방뇨후, 도기에서 소변을 세척하는 기능을 한다. 후세척 중 사용자가 이탈하고, 새로운 사용자가 접근하는 경우 후세척이 완료되고 후세척만 다시 동작 한다.(절수를 위해 전 세척 생략한다)

후세척 중, 새로운 사용자가 접근한 후, 후세척이 종료되기 이전에 사용가가 이탈한 경우, 그대로 후세척이 종료되고 새로운 사용자를 감지하기 위해 대기한다.(후세척 종료 후, 사용자가 접근한 경우, 전세척 대기부터 진행한다)

후세척 동작은 전 세척 종료 이후, 마이크로파센서 신호 분석결과, 사용자 이탈(도 10)로 판단되면, 후세척 동작을 시작한다.

후세척 동작 중, 마이크로파센서 신호 분석결과, 사용자 접근(도 8)이 판단 된 이 후, 마이크로파센서 신호의 사용자 움직임 판단(도 9)이 발생되거나, 움직임이 없는 경우 모두, 사용자가 소변기 앞에 지속적으로 머물고 있다고 판단하고 후 세척이 종료된 후, 마이크로파센서 신호 분석결과, 사용자 이탈(도 10)로 판단되면, 후 세척 동작만 실행한다.

후세척 동작 중, 마이크로파센서 신호 분석결과, 사용자 접근(도 8)이 판단 된 이후, 마이크로파센서 신호 분석결과, 사용자 이탈(도 10)로 판단되면, 후세척 종료 후, 마이크로파센서(20)는 새로운 사용자를 계속 감지한다.

본 발명의 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치는 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다.

따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10 ; 마이크로파 렌즈
20 : 마이크로파 센서
30 : 센서신호증폭부
40 : 마이콤제어 판단부
50 : 세척밸브

Claims (7)

1. 좌우 인접한 사용자 또는 키 작은 사용자로 인한 혼선을 방지하기 위해, 마이크로파센서는 감지영역의 좌우폭은 좁고, 상하폭은 넓은 지향성을 갖도록, 전파원으로부터 넓게 퍼지는 지향성을 원하는 부분으로 집중케하는 금속판 재질의 마이크로파 렌즈를 구비하고, 움직이는 물체에 반사되는 마이크로파의 신호를 이용하여 물체의 움직임을 감지하도록 설치되며,
   소변기 사용자의 동작을 정확히 감지하기 위하여, 상기 마이크로파 센서가 밴드패스필터를 매개로 1 차 감도조절부의 1 차앰프와 2 차 감도조절부의 2 차 앰프가 순차적으로 연결되는 센서신호 증폭부와, 상기 마이크로파 센서로의 마이크로파 센서동작 제어와 1 차 및 2 차 감도조절부로의 증폭감도제어, 그리고 세척밸브 온오프해주는 마이콤제어 판단부로 구성되어;
   상기 마이콤제어 판단부에서 중앙처리장치는 사용자 상태판단부, 학습자료 데이터저장부, 타이머가 상호 연결되는 한편, 파형분석부와 기준파형 생성부가 각기 연결되어 파형비교기에 연결되며,
   상기 1차 감도조절부 및 2차 감도조절부에는 디지탈 포텐셜미터를 사용하여 중앙처리장치에 학습된 데이터와 실시간으로 확인되는 증폭감도를 비교 판단하여 중앙처리장치에서 수정된 디지털화된 데이터를 상기 디지탈 포텐셜미터에 전송하고, 상기 디지털포텐셜미터는 아날로그로 변경된 저항값으로 증폭감도를 자동 조절할 수 있도록 구성되며,
   상기 사용자 상태 판단부에서는 사용자 정지상태를 파악하기 위해, 사용자 접근 판단 알고리즘, 사용자 움직임 판단 알고리즘, 사용자 멀어짐 판단 알고리즘의 사용자 의도를 분석하기 위한 알고리즘을 구성하여, 사용자가 접근하면 소변방뇨된 소변기를 1차 세척하고, 사용자가 소변기에서 이탈하면 2차 세척하도록 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이콤제어 판단부에서 필요한 시기에 마이크로파 센서의 동작을 제어하고, 반사되어 검출되는 신호를 필터링하고 증폭하여 자체적으로 생성한 기준파형과 비교를 거치면서 비교차에 의해 사용자의 상태를 판단한 것을 특징으로 하는 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치.
3. 소변기 사용자를 정확히 감지하기 위하여 마이크로파 렌즈를 통해 지향성를 갖고, 마이크로파센서는 움직이는 물체에 반사되는 마이크로파의 신호를 이용하여 물체의 움직임을 감지하도록 설치되고;
   상기 마이크로파 센서가 밴드패스필터를 매개로 1 차 감도조절부의 1 차앰프와 2 차 감도조절부의 2 차 앰프가 순차적으로 연결되는 센서신호 증폭부와, 상기 마이크로파 센서로의 마이크로파 센서동작 제어와 1 차 및 2 차 감도조절부로의 증폭감도제어, 그리고 세척밸브 온오프해주는 마이콤제어 판단부로 구성되어;
   상기 마이콤제어 판단부에서 중앙처리장치는 사용자 상태판단부, 학습자료 데이터저장부, 타이머가 상호 연결되는 한편, 파형분석부와 기준파형 생성부가 각기 연결되어 파형비교기에 연결되며,
   상기 마이콤제어 판단부에서 필요한 시기에 마이크로파 센서의 동작을 제어하고, 반사되어 검출되는 신호를 필터링하고 증폭하여 자체적으로 생성한 기준파형과 비교를 거치면서 비교차에 의해 사용자의 상태를 판단하며,
   상기 마이콤제어 판단부에서 예측하지 못한 동작의 발생을 예방하기 위한 보조수단을 구비하고, 자체적으로 생성한 기준파형과 비교하여 사용자의 상태를 유추하게 되는 사용자 접근판단 알고리즘, 사용자 움직임판단 알고리즘 및, 사용자 멀어짐 판단 알고리즘을 갖는 장치를 구성하며,
   상기 상기 마이콤제어 판단부는 각각의 동작에서 예측하지 못한 오동작을 예방하기 위한 학습자료 데이터저장부를 구비한 것을 특징으로 하는 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치.
4. 소변기 사용자를 정확히 감지하기 위하여 마이크로파 렌즈를 통해 지향성를 갖고, 마이크로파센서는 움직이는 물체에 반사되는 마이크로파의 신호를 이용하여 물체의 움직임을 감지하도록 설치되고;
   상기 마이크로파 센서가 밴드패스필터를 매개로 1 차 감도조절부의 1 차앰프와 2 차 감도조절부의 2 차 앰프가 순차적으로 연결되는 센서신호 증폭부와, 상기 마이크로파 센서로의 마이크로파 센서동작 제어와 1 차 및 2 차 감도조절부로의 증폭감도제어, 그리고 세척밸브 온오프해주는 마이콤제어 판단부로 구성되어;
   상기 마이콤제어 판단부에서 중앙처리장치는 사용자 상태판단부, 학습자료 데이터저장부, 타이머가 상호 연결되는 한편, 파형분석부와 기준파형 생성부가 각기 연결되어 파형비교기에 연결되며,
   상기 마이콤제어 판단부에, 1차 감도 설정량, 2차 감도 설정량, 사용자 접근판단중, 사용한 검출파형과 기준파형간의 시간에 대한 변화율, 사용자 움직임 판단 중 측정한 검출파형간 인터벌 평균치, 멀어짐 파형에 대한 멀어짐 인정 시간의 자료를 별도의 저장소에 저장하게 하고, 각각의 동작할 때 이전 값을 참조하게 하여 마이크로파 센서의 특성에 의해 발생할 수 있는 오동작을 방지하는 것을 특징으로 하는 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이크로파 센서를 이용한 소변기(도기)는 사용자의 동작에 따라, 사용자 접근판단, 사용자 움직임 판단, 사용자 멀어짐 판단으로 인하여 사용자의 상태 판단이 마이콤제어 판단부로 가능하며;
   사용자 접근 또는 멀어짐에 따라 각기 다른 동작을 가능하게 한 것을 특징으로 하는 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이크로파 센서의 사용자 접근판단, 사용자 움직임 판단, 사용자 멀어짐 판단과 연계하고, 소변기의 세척 제어함에 있어 중복동작으로 인한 물의 낭비와 오동작을 방지하는 전세척대기 알고리즘, 전세척 동작 알고리즘, 후세척 동작 알고리즘과 같이 동작하는 것을 특징으로 하는 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이크로파 센서는 소정의 플라스틱 케이스내에 설치되어 고주파를 발진시켜 이를 감지하고자 하는 대상물에 방사하여 대상물로부터 되돌아오는 에너지를 센서를 통해 감지 포착하고, 마이크로파의 지향성을 갖게하는 마이크로파 렌즈와, 마이크로파센서와 결합된 마이콤제어 판단부를 수납할 수 있는 케이스 구조물을 구성하며;
   이 케이스는 고주파를 원활하게 투과할 수 있는 플라스틱 구조물로 하고, 구조물 내부는 우레탄 몰딩처리를 하여 습기(물)과 가스(암모니아)에 의한 부식을 방지하는 것을 특징으로 하는 마이크로파센서를 사용한 소변감지장치.

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