KR101974909B1 - 모듈 결합식 스마트 바닥 타일 및 이를 이용한 스마트 바닥 시스템 - Google Patents

Abstract

스마트 바닥 타일 및 이를 이용한 스마트 바닥 시스템이 개시된다.
이 시스템에 따른 스마트 바닥은 각각 외부 환경을 감지하거나 외부 환경에자극을 줄 수 있는 트랜스듀서를 포함하는 복수의 스마트 바닥 타일을 결합하여 형성된다. 마스터 장치는 상기 복수의 스마트 바닥 타일과 I2C(Inter-Integrated Circuit) 통신 방식에 따라 신호 연결된다. 제어 장치는 상기 마스터 장치에 연결되며, 상기 마스터 장치를 통해 상기 복수의 스마트 바닥 타일의 트랜스듀서를 제어한다. 상기 스마트 바닥 타일은 상기 트랜스듀서를 포함하는 트랜스듀서 모듈을 포함한다. 타일 커넥터는 다른 스마트 바닥 타일과의 신호적 결합을 위한 것이다. 통신 케이블은 상기 타일 커넥터와 상기 트랜스듀서 모듈의 신호 연결을 위한 것이다

Description

모듈 결합식 스마트 바닥 타일 및 이를 이용한 스마트 바닥 시스템 {MODULE INTEGRATION BASED SMART FLOOR TILES AND SMART FLOOR SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은 공장 제작형 모듈 결합을 통한 스마트 바닥 타일 및 이를 이용한 스마트 바닥 시스템에 관한 것이다.

스마트 바닥 시스템은 사람들이 밟고 다니는 바닥에서의 이용자의 위치나 이용자의 신원 등을 인식하고 필요에 따라 감지된 위치에서 소리나 빛, 진동 등을 발생시키는 시스템이다.

스마트 바닥 시스템의 예로는 미국 사우스 햄턴 대학의 GAIT 보행 패턴 인식형 바닥 시스템, 한국과학기술연구원(KIST)의 스마트 위치 트래킹 시스템(Smart Location Tracking System), 광주과학기술원(KJIST)의 스마트 바닥에서의 음악 플레이어(Music Player with Smart Floor) 등이 있다.

이와 같이, 국내외적으로 스마트 바닥 시스템과 관련한 선행 연구나 시스템 개발 노력들이 행해지고 있으나, 대부분의 기존 시스템들은 센서와 프로세서를 잇는 개별적인 케이블들과 이들 센서로부터 오는 신호 처리를 위한 부가적인 디바이스들 관련 문제, 설치 및 운영상의 비용, 센서 자체의 불안정성, 확장성의 결여, 실제 실내외외 공간에 적용 시 예상되는 다양한 문제들에 대한 적응상 검토 미흡 등의 이유로 현재까지 상용화되어 실제 공간에 적용된 스마트 바닥 시스템은 전세계적으로 전무한 상황이다.

따라서, 기존의 스마트 바닥 시스템이 지닌 한계를 넘어서서 이들 기술들을 효과적으로 실제 건축 공간이나 도시 공간의 바닥에 적용할 수 있도록 하는 방안이 요구되고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 별도의 배선이나 장치 없이 공장생산형 모듈 형태의 스마트 바닥 타일들의 결합에 의해 간단하게 거주자의 위치와 보행 패턴을 감지하거나, 이에 기반하여 빛, 소리, 진동 등을 산출하여 보행 경로 유도나 위치 기반 인터랙티브 게임 등에 이용할 수 있는 스마트 바닥 타일 및 이를 이용한 스마트 바닥 시스템을 제공한다.

본 발명의 한 특징에 따른 스마트 바닥 타일은,

복수 개가 사용되어 바닥을 형성하는 스마트 바닥 타일로서, 하나 또는 복수개의 외부 환경을 감지하는 센서, 혹은 LED, 소리나 진동출력 장치와 같은 액추에이터를 포함하는 트랜스듀서 모듈; 다른 스마트 바닥 타일과의 신호적 결합을 위한 적어도 하나의 타일 커넥터; 및 상기 타일 커넥터와 상기 트랜스듀서 모듈의 신호 연결을 위한 통신 케이블을 포함한다.

여기서, 상기 스마트 바닥 타일 하부면에 형성된 홈에 삽입되어 상기 타일 커넥터와 상기 통신 케이블에 대해 외부로부터의 절연 및 단열을 수행하는 케이블 트레이; 및 상기 스마트 바닥 타일 내부에 상기 케이블 트레이 상에 형성되어 상기 트랜스듀서 모듈의 탈부착이 가능하도록 하고, 상기 트랜스듀서 모듈의 부착시 상기 통신 케이블과의 신호 연결을 수행하는 분기 커넥터를 포함한다.

또한, 상기 타일 커넥터는, 다른 스마트 바닥 타일과의 직선 형태의 결합을 위해 상기 트랜스듀서 모듈을 기준으로 대칭 형태로 상기 스마트 바닥 타일의 양단부에 배치되거나, 또는 다른 스마트 바닥 타일과의 L자형 결합을 위해 상기 트랜스듀서 모듈을 기준으로 90°방향을 유지하는 양단부에 배치된다.

또한, 상기 트랜스듀서 모듈은, 외부 환경을 감지하는 센서나, 소리, 빛, 진동 등을 출력하는 액추에이터; 상기 트랜스듀서나 액추에이터에 형성되어 상기 트랜스듀서를 상기 분기 커넥터에 신호 연결하는 트랜스듀서 리드; 및 외부로부터의 절연 및 단열을 위해 상기 트랜스듀서를 감싸도록 형성된 절연체를 포함한다.

또한, 상기 트랜스듀서 모듈은, 상기 스마트 바닥 타일의 상부에 노출되는 타일 상부 노출형, 상기 스마트 바닥 타일의 표면 직하부에 은폐되는 타일 상부 은폐형, 또는 상기 스마트 바닥 타일의 내부에 내재되는 타일 내부 은폐형에 따른 방식으로 상기 스마트 바닥 타일 제조시부터 결합 생산된다.

또한, 상기 트랜스듀서는 고유 어드레스를 저장하기 위한 메모리를 더 포함한다.

또한, 상기 통신 케이블은 I2C(Inter-Integrated Circuit) 통신 방식에 따른 신호를 연결하는 데 사용되는 통신 케이블이다.

본 발명의 다른 특징에 따른 스마트 바닥 시스템은,

각각 외부 환경을 감지하는 센서나 역으로 외부 환경에 자극을 가하는 액추에이터인 트랜스듀서를 포함하는 복수의 스마트 바닥 타일을 결합하여 형성되는 스마트 바닥; 상기 복수의 스마트 바닥 타일과 I2C(Inter-Integrated Circuit) 통신 방식에 따라 신호 연결되는 마스터 장치; 및 상기 마스터 장치에 연결되며, 상기 마스터 장치를 통해 상기 복수의 스마트 바닥 타일의 트랜스듀서를 제어하는 제어 장치를 포함한다.

여기서, 상기 마스터 장치에 연결되는 상기 복수의 스마트 바닥 타일은, 직렬 버스 연결 방식에 따라 하나의 라인으로 직렬로 연속해서 연결되어 최종적으로 상기 마스터 장치에 연결되거나, 또는 직병렬 하이브리드 연결 방식에 따라 상기 복수의 스마트 바닥 타일들이 각 컬럼별로 하나의 라인으로 별도로 연결된 후 이들 컬럼들의 끝부분 라인이 서로 연결되어 최종적으로 상기 마스터 장치에 연결된다.

또한, 상기 스마트 바닥 타일은, 상기 트랜스듀서를 포함하는 트랜스듀서 모듈; 다른 스마트 바닥 타일과의 신호적 결합을 위한 적어도 하나의 타일 커넥터; 및 상기 타일 커넥터와 상기 트랜스듀서 모듈의 신호 연결을 위한 통신 케이블을 포함한다.

또한, 두 개의 스마트 바닥 타일은 타일 결합용 커넥터를 통해 결합되며, 상기 타일 결합용 커넥터는 일측이 상기 두 개의 스마트 바닥 타일 중 하나의 스마트 바닥 타일의 타일 커넥터에 결합되고, 타측이 상기 두 개의 스마트 바닥 타일 중 나머지 스마트 바닥 타일의 타일 커넥터에 결합되는 방식으로 상기 두 개의 스마트 바닥 타일을 상호 결합시킨다.

또한, 상기 복수의 스마트 바닥 타일에 각각 포함되는 트랜스듀서는 서로 다른 고유의 주소를 부여받고, 상기 마스터 장치는 상기 고유의 주소를 사용하여 상기 복수의 스마트 바닥 타일의 트랜스듀서를 각각 인식한다.

또한, 상기 고유의 주소는, 상기 트랜스듀서의 제조시 부여되거나, 또는 상기 마스터 장치에 의해 부여된다.

또한, 상기 고유의 주소는, 상기 트랜스듀서의 주소 변경이 가능한 외부 핀을 사용하여 설정된다.

또한, 상기 마스터 장치에 연결되는 상기 복수의 스마트 바닥 타일이 상기 마스터 장치에 의해 인식 가능한 개수를 초과하는 경우 추가의 마스터 장치를 사용하여 초과되는 복수의 스마트 바닥 타일이 연결되고, 상기 마스터 장치 및 상기 추가의 마스터 장치가 상기 제어 장치에 연결되어 상기 제어 장치에 의한 상기 복수의 스마트 바닥 타일 제어가 가능하도록 한다.

본 발명에 따르면, 별도의 배선이나 장치 없이 공장 생산 유닛 형태의 스마트 바닥 타일들의 결합에 의해 간단하게 거주자의 위치와 보행 패턴을 감지하거나, 거주자 실내외 활동량 및 활동 패턴 모니터링, 거주자 낙상 등 위험 상황 감지, 야간에 LED를 통한 화장실 경로 유도와 같은 실내 이동 경로 안내, 시각 장애자 거주공간에서의 실내외 보행 안내나 위험 요소 접근 방지를 위한 소리 및 진동 발생 서비스 등을 구현할 수 있다.

따라서, 기존의 대부분의 스마트 바닥 시스템에서와 같은 트랜스듀서와 처리 유닛 사이의 일대일 연결에서 오는 케이블링의 복잡함과 노력 및 경비를 대폭적으로 감소시킬 수 있다.

궁극적으로, 스마트 바닥 시스템의 실제적 상용화가 가능하다.

도 1은 일반적인 I2C 통신 방식의 개념을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 타일 내부의 개략적인 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 타일 내부의 개략적인 저면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 타일 내부의 개략적인 정면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 타일 내부의 개략적인 측면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 복수 개의 트랜스듀서 모듈이 장착된 스마트 바닥 타일 내부의 개략적인 평면도이다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 타일 내에 타일 커넥터를 배치하는 방식을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 트랜스듀서 모듈이 스마트 바닥 타일에 결합된 구체적인 구성을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 시스템에서 스마트 바닥 타일의 직렬 버스 연결 형태를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 시스템에서 스마트 바닥 타일의 직병렬 하이브리드 연결 형태를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 시스템에서 타일 결합용 커넥터를 이용한 스마트 바닥 타일들의 결합 예를 도시한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "부", "기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 실제 실내외 건축 공간의 바닥에 적용할 수 있도록 바닥 타일에 내재된 기기와 배선 형식을 구성하고 별도의 배선이나 장치 없이 이들 타일들의 결합과 시공에 의해 간단하게 거주자의 바닥 위에서의 위치와 보행 패턴 등을 감지하여 스마트 홈, 스마트 빌딩, 스마트 시티 등의 어플리케이션에 이용할 수 있는 새로운 방식의 스마트 바닥 타일 및 이를 이용한 스마트 바닥 시스템을 제공한다. 여기서, 스마트 바닥 타일은 복수 개가 사용되어 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥을 구성한다.

본 발명의 실시예에서 채용하는 I2C(Inter-Integrated Circuit) 통신 방식은,도 1에 도시된 바와 같이, 복수 개의 슬래이브 장치(1, 2)가 복수 개의 마스터 장치(3, 4)와 통신하기 위한 프로토콜이며, 하나의 전자적 시스템을 구성하는 요소들 간의 근거리 통신을 위해 고안되었다. 이러한 I2C 통신은 데이터를 주고받는 선인 하나의 SDA(5)와 송수신 타이밍 동기화를 위한 하나의 클럭선인 SCL(6)로 이루어지고, 하나 혹은, 그 이상의 마스터(Master)(3, 4)와 하나 이상의 슬래이브(Slave)(1, 2)로 이루어진다. 마스터(3, 4)와 트랜스듀서나 액추에이터 같은 슬래이브 디바이스(1, 2)에 전원 공급(7)과 접지(8)를 위한 별도의 라인들을 포함하면 모두 4개의 라인이 하나의 I2C 통신 유닛을 구성하게 된다. 또한, 마스터(3, 4)이든 슬래이브(1, 2)이든 데이터를 전송하거나 수신하는 동작을 모두 사용하기에 SDA(5)선은 입력과 출력을 모두 사용하게 되고 이로 인한 플로팅(floating)현상이 발생할 수 있어 풀업 저항(Resister)(9)을 사용하게 된다.

본 발명의 실시예에서는 우선 I2C(Inter-Integrated Circuit) 통신 방식에서 허용하는 두 가닥의 케이블 라인에 현재까지는 128개의 트랜스듀서들을 직렬로 연결할 수 있는 통신 구조를 활용하여 선정된 트랜스듀서들을 일렬로 연결하고 전력공급선과 접지선까지를 포함한 이들 케이블을 마스터 장치에 연결함으로써 기존의 대부분의 스마트 바닥 시스템에서와 같은 트랜스듀서와 처리 유닛 사이의 일대일 연결에서 오는 케이블링의 복잡함과 노력 및 경비를 대폭적으로 감소시킨다.

예를 들면, 가속도 센서를 중앙 상부에 내재시킨 스마트 바닥 타일의 경우, 가속도 센서는 타일의 중앙에 내재 형식으로 은폐되고 각 센서에는 I2C 통신 방식에서 사용되는 SDA(Serial Data), SCL(Serial Clock), 접지, 전력 공급선이 직렬로 연결된다. 직렬형 버스를 구성하는 케이블들은 각 타일에 빌트인으로 결합되고 타일의 양 단부에서 시공 시 배선 연결용 커넥터들을 연결한 후 줄눈 모르타르를 이용해 전통적 바닥 시공 방식으로 인접 타일들을 바닥에 붙일 수 있다. 이 경우, 슬래이브 센서 노드에 해당하는 각 타일들 중앙의 센서와 이들을 직렬로 연결하는 케이블은 별도의 배선 없이 단순한 타일간 커넥터 연결과 시공으로 간편하게 전체 바닥 공간의 불규칙한 배열까지도 모두 커버하여 하나의 스마트 바닥으로 구성하는 게 가능하다.

각 타일들의 연결 라인들은 다시 하나의 버스 라인에 모두 연결되어 최종적으로는 마스터 장치에 연결되고, 그 후 마스터 장치가 스마트 바닥 시스템을 전체적으로 제어하는 제어 장치(컴퓨터 또는 임베디드 보드 등)에 연결됨으로써 스마트 바닥 어플리케이션을 위한 시스템 구성이 간편하게 완료될 수 있다.

한편, 마스터 장치에 연결되는 트랜스듀서들의 개수가 128개를 넘어서 하나의 마스터 장치에 모두 연결이 불가능할 경우 또 하나의 마스터 장치를 설정하여 여기에 128개를 넘는 나머지 트랜스듀서들을 연결함으로써 이론적으로는 다수의 마스터 장치를 사용하여 상대적으로 매우 넓은 공간의 바닥까지도 스마트 바닥으로 전환시킬 수 있다. 이 때, 다수의 마스터 장치는 제어 장치에 연결되어야 함은 물론이다.

스마트 바닥 시공과 구성상의 획기적인 경제성과 단순화 이외에 본 발명의 실시예에서의 또 하나의 중요한 포인트는 타일 하부에 단열과 절연 목적의 재료로 마감된 케이블 수용을 위한 별도의 하부 슬릿을 가지게 되고 트랜스듀서의 경우에도 열이나 전자기장에 민감한 경우 이를 보호하기 위한 상하부 쉴드를 제공한다는 점이다.

이렇게 함으로써 트랜스듀서 신호의 신뢰도와 안정성 확보는 물론 국내 아파트처럼 바닥 난방용 온돌시스템을 쓰는 경우 바닥 타일이 사실상 열전도체가 되어야 하는 점을 고려할 때 열로부터 배선과 트랜스듀서를 보호함으로써 실제 온돌 시스템과 스마트 바닥 시스템간의 물리적 요건 차이에서 오는 갈등을 극복하게 되고 이런 문제 해결로 주택 바닥의 스마트 바닥 전환이 사실상 가능하게 된다.

한편, 스마트 바닥 타일에 탑재될 센서는 기존의 대부분의 연구나 개발 노력에서 주로 FSR(Force Sensitive Resistor)이나 로드셀 혹은 광섬유 센서처럼 압력에 의한 내부 변위나 압전 현상 등을 이용하여 압력을 측정하는 센서가 주로 활용되어 왔으나, 압력 센서의 경우에는 압력이 작용하는 범위가 한정적이고 다양한 조건에 따라 측정치의 변동이 심하며 보정이 수시로 필요하고 계속적인 하중이 작용하는 경우 하중이 사라진 후에 센서값의 민감도가 둔해지는 등의 문제점을 내포하고 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 압력센서만이 아니라 적외선 센서, 모션 센서, 가속도 센서, 사운드 센서 등 열이나 진동을 이용한 거주자의 위치 및 보행 패턴 감지를 수행할 수 있는 다양한 종류의 센서들을 목적과 조건에 맞게 수용하여 1) 바닥 타일 상부에 노출시키거나(타일 상부 노출형), 2) 바닥 타일 표면 직하부에 은폐하거나(타일 상부 은폐형), 또는 3) 바닥 타일 내부에 내재시키는 방식(타일 내부 은폐형)으로 제조 시부터 바닥 타일에 결합 생산하고, 여기에 필요에 따라, 빛이나, 소리, 진동 등을 발생시킬 수 있는 LED, 초소형 스피커, 바이브레이터 등 액추에이터까지도 타일에 결합한 상태로 생산하여, 별도의 트랜스듀서 설치나 배선의 필요성을 모두 제거하였다.

이 트랜스듀서들은 그 내부에 제조 시에 부여 받은 고유 어드레스를 가지되 동일 트랜스듀서이지만 제조 시에 별도의 확장 어드레스 부여를 통해 트랜스듀서 그리드 내의 모든 트랜스듀서들이 고유한 인식 아이디를 보유하게 하거나 트랜스듀서에 메모리를 두어 확장 어드레스를 마스터 장치를 통하여 부여하여 전체 그리드 내 트랜스듀서들에 고유 어드레스를 부여하는 방식으로 신호 발생 시 마스터 장치가 어느 트랜스듀서로부터 오는 것인지를 구분할 수 있게 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 타일에 대해 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 타일 내부의 개략적인 평면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 타일 내부의 개략적인 저면도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 타일 내부의 개략적인 정면도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 타일 내부의 개략적인 측면도이다.

도 2, 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 타일(100)은 타일 커넥터(110, 111), 통신 케이블(120, 121), 트랜스듀서 모듈(130), 케이블 트레이(140), 분기 커넥터(150) 및 트랜스듀서 접속 케이블(160)을 포함한다.

먼저, 스마트 바닥 타일(100)은 세라믹, 대리석, 목재 패널, 합성 재료 등 일반적인 타일 재료로 구성되며, 그 중앙에 트랜스듀서 모듈(130)이 장착된다.

타일 커넥터(110, 111)는 다른 스마트 바닥 타일과의 배선 결합을 위해 사용된다. 구체적으로, 타일 커넥터(110, 111)는 본 발명의 실시예에 따른 I2C 통신 방식에 따라 4개의 신호선, 즉 SDA(Serial Data), SCL(Serial Clock), 접지 및 전원선으로 구성되는 4개의 통신 케이블에 대해 다른 스마트 바닥 타일과 상호간에 연결하는 데 사용된다. 타일 커넥터(110, 111)를 통한 스마트 바닥 타일간 연결 방식은 다양한 방식에 의해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상호 연결되는 스마트 바닥 타일들 간에 암수의 커넥터 형태를 사용하거나 또는 스마트 바닥 타일들 사이에 별개의 타일 결합용 커넥터(추후 도시됨)를 사용하여 상호 결합할 수 있다. 이에 대해서는 추후 설명한다.

트랜스듀서 모듈(130)은 스마트 바닥 시스템을 형성하기 위해 외부의 환경,즉, 빛, 소리, 진동 등의 자극을 산출하기 위한 센서와 LED, 스피커, 바이브레이터 등과 같이 외부 환경에 자극을 산출하는 액추에이터(actuator)를 포함하는 다양한 트랜스듀서(transducer)를 장착한다.

트랜스듀서 모듈(130)은 타일(100) 본체에 결합되지만 필요시 탈부착이나 교체가 가능하도록 장착된다.

이러한 트랜스듀서 모듈(130) 내에 장착되는 센서로는 위치 및 보행 패턴 감지용 센서, 모션 센서, 적외선 센서, 사운드 센서, 압력 센서, 가속도 센서 등과 같이 인체 열감지, 압력 감지 혹은 진동이나 충격 감지가 가능한 센서들이 있으며, 반대로 외부 환경에 자극을 산출하는 액추에이터들은 LED, 소형 스피커, 부저, 바이브레이터 등이 있다.

한편, 하나의 트랜스듀서 모듈(130)에 설치되는 트랜스듀서는, 하나 혹은 둘 이상 복수 개가 될 수 있으며, 예를 들면, 단순한 이용자의 위치 센싱이 아닌 야간 실내외 보행 경로 제시와 같은 시나리오의 구현을 위해서는, 특정 타일 내에 이용자의 물리적 존재와 위치를 감지하는 센서와 LED, 혹은 부저와 같이 이용자가 특정 타일 내에 감지되었음을 표출하는 액추에이터가 동시에 장착되어 있어야 한다. 이 경우, 트랜스듀서 모듈(130) 내에 장착되는 센서들과 액추에이터들은 트랜스듀서 모듈(130) 내부의 I2C 통신 방식에 대응되는 신호선들을 통해 상호 연결될 수 있다.

통신 케이블(120, 121)은 타일 커넥터(110, 111)와 분기 커넥터(150)의 4개 신호선을 연결하는 데 사용된다.

케이블 트레이(140)는 타일(100) 바닥에 직선형 혹은 L자형으로 얇게 파인 홈에 끼워지고 단열과 절연을 위한 커버로 마감되어, 타일 커넥터(110, 111), 통신 케이블(120, 121) 및 트랜스듀서 모듈(130)에 대해 바닥으로부터의 절연 및 단열을 수행한다.

분기 커넥터(150)는 통신 케이블(120, 121)의 4개의 신호선을 외부로 제공하는 데 사용된다. 구체적으로, 분기 커넥터(150)는 통신 케이블(120, 121)의 신호선을 트랜스듀서 모듈(130)로 제공하는 데 사용된다.

트랜스듀서 접속 케이블(160)은 분기 커넥터(150)의 4개의 신호선을 트랜스듀서 모듈(130)에 연결하는 데 사용된다.

따라서, 트랜스듀서 모듈(130)은 트랜스듀서 접속 케이블(145), 분기 커넥터(150), 통신 케이블(120, 121)과 타일 커넥터(110, 111)를 통해 외부의 마스터나 다른 스마트 바닥 타일(100)과의 신호 전송이 가능해진다.

한편, 상기에서는 트랜스듀서 모듈(130) 내에 적어도 한 개의 센서와 적어도 한 개의 액추에이터가 각각 또는 함께 장착되는 것에 대해서만 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위는 여기에 한정되지 않고, 스마트 바닥 타일(100)이 복수의 트랜스튜서 모듈(130)을 장착할 수도 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 타일에 두 개의 트랜스듀서 모듈이 장착된 예를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 스마트 바닥 타일(100)의 내부에 두 개의 트랜스듀서 모듈(130, 130')이 장착되어 있다. 이러한 두 개의 트랜스듀서 모듈(130, 130') 각각에는 역시 적어도 한 개의 센서 및/또는 적어도 한 개의 액추에이터가 장착될 수 있다.

그리고, 두 개의 트랜스듀서 모듈(130, 130')은 트랜스듀서 모듈(130, 130') 상호간에 I2C 통신 방식에 대응되는 4개의 신호선을 연결하기 위해 통신 케이블(123)을 통해 상호 연결된다.

한편, 상기에서는 스마트 바닥 타일(100) 내의 타일 커넥터(110, 111)를 타일(100)의 중앙, 즉 트랜스듀서 모듈(130)을 기준으로 대칭되는 형태, 즉 트랜스듀서 모듈(130)과 동일축을 이루는 형태가 되도록 타일(100)의 양단부에 배치하였으나, 이것은 타일(100) 간의 연결 방식에 따라 달라질 수 있다. 선택적으로, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 타일(100)은 도 7의 (a), (b), (c) 및 (d)와 같이 타일 커넥터(110, 111)를 형성할 수도 있다. 특히, 정방형의 타일(100)인 경우, 트랜스듀서 모듈(130)을 기준으로 타일 커넥터(110, 111)이 L자형 커넥터로 제작되는 경우, 필요에 따라, 타일(100)의 방향을 돌려서, 도 7의 (a), (b), (c) 또는 (d)의 형식으로 타일(100)들을 배치한 후 서로 연결하면 어떠한 경우에도 적용이 가능한 L자형 형태의 배열이 형성될 수 있다.

한편, 케이블 트레이(140)는 타일(100)이 제작되는 과정에서 타일(100)의 하부에 조립되고 그 중앙에 분기 커넥터(150)를 부착한 형태로 타일에 내장된다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 트랜스듀서 모듈(130)이 스마트 바닥 타일(100)에 결합된 구체적인 구성을 도시한 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 트랜스듀서 모듈(130)은 트랜스듀서(131), 트랜스듀서 리드(132) 및 절연체(133)를 포함한다.

트랜스듀서(131)는 그 유형에 따라서, 적외선 센서나 LED처럼 트랜스듀서 모듈(130)의 표면에 헤드 부분이 노출되어야 하는 유형, 사운드 사운드 센서나 가속도 센서등 진동이나 흔들림을 감지하는 센서, 혹은 바이브레이터처럼 트랜스듀서 모듈(130) 내에 은폐되도록 트랜스듀서 모듈(130) 내에 위치한다.

트랜스듀서 모듈(130)은 가능한 한 타일(100)의 표면과 동일한 마감을 유지하고 그 안에 절연체(133)에 감싸진 트랜스듀서와 필요한 회로를 내장시키는 일종의 사각형 혹은 원형 마개와 같은 형식으로 제작될 수 있다.

또한, 트랜스듀서 모듈(130)은 타일(100)에 미리 뚫어진 오프닝에 끼워지고 타일(100)과의 결합을 위한 접착 재료(134)에 의해 고정된다. 이 때, 트랜스듀서 모듈(130) 하부의 리드(132)들은 타일(100) 하부에 위치한 분기 커넥터(170)에서 나오는 트랜스듀서 접속 케이블(160)과의 연결을 위한 트랜스듀서 커넥터(170)에 끼워진다.

상기한 스마트 바닥 타일(100) 관련 모듈들의 구성 및 조립 방식은 기본적으로 타일(100) 자체와 여기에 결합되는 트랜스듀서 모듈(130)과 같은 전자부품 유닛들의 분리를 통해 때로는 고온에서 재료를 구워내야 하는 타일(100)의 제작 과정에서의 재료간 제작 요건 충돌을 방지하고 필요 시 타일(100) 전체의 교체가 아닌 타일(100) 내의 고장난 트랜스듀서(131)만의 교체를 가능하게 하는 유지 관리상의 장점을 극대화하는 방식이다. 여기서, 타일(100)의 트랜스듀서 모듈(130)이 고장 나거나 연결을 위한 커넥터에 문제가 발생하는 경우 이를 쉽게 교체하거나 또는 수리하기 위하여 각 타일(10)의 인접 타일 접합부 줄눈은 기존의 고정형 줄눈 모르타르 대신에 불투명 실리콘이나 합성재와 같이 쉽게 제거한 후 타일(100)을 들어낼 수 있는 재료로 시공하고 타일(100) 내의 커넥터나 이의 연결부나 트랜스듀서(130) 매립 혹은 은폐 부분의 경우에도 타일 본체로부터 용이하게 분리될 수 있는 구조와 재료로 만들어진다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 시스템에서는 전체 시스템을 제어하는 마스터 장치와 각 타일(100) 내에 장착된 트랜스듀서(131)간에 I2C 통신 방식을 사용한다.

잘 알려진 바와 같이, I2C 통신 방식은 저속의 주변기기간에 SCL(serial clock)과 SDA(serial data) 2개의 커넥션을 가지고 있다. 클럭 시그널을 제공하는 SCL과 데이터 전송을 위한 SDL이 그들이며 I2C 버스의 한쪽에 마스터 장치(master)가 연결되고 다른 쪽에 정보에 의해 움직이는 여러 다른 장치(slaves, 슬래이브 장치)가 연결된다. 이 때, 마스터 장치는 하나만 존재하고 슬래이브 장치는 7비트의 고유 주소를 가질 수 있어 최대 128개의 슬래이브 장치 연결이 가능하다. I2C 연결의 장점은 하나의 마스터로부터 연장되는 버스 상에 128개까지의 디바이스들을 시리얼방식으로 연결할 수 있어 불필요한 슬래이브 대 마스터 간의 일대일 연결로 생기는 케이블링 상의 복잡함과 번거로움을 극적으로 줄일 수 있다는 점이다.

일반적으로 I2C 통신 방식에서 슬래이브 장치가 되는 디바이스를 지정하기 위해 사용되는 주소는 7비트로 표현되거나 10비트로 표현되며, 대부분의 디바이스들은 7비트 형식의 주소를 사용하기에 7비트 형식의 주소를 사용하는 경우라면 마스터 장치가 지정할 수 있는 장치는 128개로 한정된다.

I2C 통신 방식을 통해 연결되는 트랜스듀서들은 모두 I2C 통신 방식에 맞는 하드웨어적 장치와 제조사로부터 부여되는 고유 어드레스를 가진 서로 다른 종류의 트랜스듀서들인 경우가 대부분이나, 만약 한 종류의 트랜스듀서들을 다수로 사용하여 일종의 트랜스듀서 그리드를 구성하는 경우에는 제조사로부터 동일한 어드레스를 부여 받은 트랜스듀서라면 이들 간의 신호 구별이 사실상 불가능하다.

하지만 디바이스 주소는 디바이스 제작사에서 정해지기도 하나 디바이스의 외부 핀을 이용하여 지정할 수도 있다. 핀 수가 적은 패키지 형식의 디바이스의 경우 주소의 상위 비트는 고정되고 하위 비트만 지정하는 게 가능하다.

그 외에 I2C 통신 방식을 이용한 트랜스듀서 그리드 구성에는 접지와 전원 공급용 자원이 필요하고 트랜스듀서들로부터 신호를 받아 처리할 마스터 장치에 연결되는 컴퓨터(PC)나 임베디드 보드가 필요하다.

다수의 트랜스듀서 노드들을 I2C에 연결하는 방식 중 가장 보편적인 방식은 도 7에 도시된 바와 같이 각각 트랜스듀서가 장착된 스마트 바닥 타일(100)들을 하나의 라인으로 직렬로 연속해서 연결하는 직렬 버스 연결 방식이다.

직렬 버스 연결 방식을 통해, 총 128개의 트랜스듀서들이 하나의 마스터 장치(아두이노와 같은 마이크로 컨트롤러)(200)에 연결되고, 만약 트랜스듀서들의 개수가 128개를 넘는 경우 초과되는 128개마다 별도의 마스터 장치에 연결하고 이들 마스터 장치(200)들은 USB 등을 통해 스마트 바닥 시스템을 제어하는 제어 장치(컴퓨터 또는 임베디드 보드)(300)에 연결될 수 있다.

또한, 스마트 바닥 타일(100)에 장착된 트랜스듀서들을 I2C 통신 방식에 따라 연결하는 또 다른 방식은, 도 8에 도시된 바와 같이, 각 스마트 바닥 타일(100)들의 트랜스듀서들을 각 칼럼별로 하나의 라인으로 별도로 연결한 후 이들 칼럼들의 끝부분 라인을 I2C 메인 버스에 연결하는 직병렬 하이브리드 연결 방식이다.

이러한 직병렬 하이브리드 연결 방식의 장점은 마스터 장치(200)로부터 모든 슬래이브 장치에 이르는 케이블의 길이를 축소시킬 수 있어 통신 효율과 에러 저감 및 재료비의 저감을 가져올 수 있다는 것이다.

도 9 및 도 10에 도시된 제어 장치(300)는 마스터 장치(200)를 통해 마스터 장치(200)에 I2C 통신 방식을 통해 연결되는 복수의 슬래이브 장치(100), 복수의 트랜스듀서(131)들을 제어한다. 즉, 제어 장치(300)는 복수의 슬래이브 장치(100)를 통해 스마트 바닥 시스템 상에 위치하는 이용자의 상황을 인식하여 이에 대응되는 제어를 수행한다. 즉, 스마트 홈, 스마트 오피스, 스마트 광장이나 스마트 시티 등의 응용을 위한 제어를 수행할 수 있다.

한편, 도 9 및 도 10에 도시된 방식에 따라 스마트 바닥 타일(100)을 연결하기 위해 본 발명의 실시예에서는 도 11에 도시된 바와 같이 타일 결합용 커넥터(400)를 사용한다. 이 타일 결합용 커넥터(400)의 일측에 하나의 타일(100)을 결합하고, 타측에 다른 타일(100)을 결합함으로써 두 개의 타일(100)이 타일 결합용 커넥터(400)를 통해 결합될 수 있다. 여기서, 도 7에 도시된 바와 같이, L자형 커넥터를 형성한 정방형 타일(100)을 회전시켜서 사용하는 경우 두 개의 타일(100)간에 커넥터의 신호선 방향이 서로 다를 수 있다. 이 경우, 양측의 신호선의 방향을 서로 반대로 결합되도록 하는 타일 결합용 커넥터(400)가 사용된다.

또한, 현재의 I2C 통신 방식은 7비트의 어드레스, 즉 128개의 디바이스에 부여된 어드레스들을 통해 양방향 데이터 통신을 수행한다. 대부분, 제작 과장에서 서로 다른 트랜스듀서들이 서로 다른 주소 값을 제작사를 통해 부여 받는 게 일반적이며, 동일 종류의 트랜스듀서의 경우 필요에 따라서는 주소의 하위 2-3 비트 정도를 가변화시킬 수 있는데, 이 경우 I2C 인터페이스를 통해 마스터 장치(200)와 연결하는 데 트랜스듀서에 3개의 주소 핀이 있어 하나의 I2C버스에 최대 8개의 동종 트랜스듀서를 주소 충돌 없이 연결할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 동종의 트랜스듀서들의 어레이를 통해 일종의 트랜스듀서 그리드를 형성해야 하는 경우에는 이러한 I2C 통신상의 마스터 장치(200)와 슬래이브 장치(100) 사이의 어드레스를 매개로 한 통신 형식상의 제한을 극복할 필요가 있으며 가장 최선의 방법은 스마트 바닥 타일(100)에 사용하는 트랜스듀서(131)의 경우 다수의 동종 트랜스듀서에 제작 당시부터 별개의 어드레스들을 부여하는 것이다.

또한, 다른 동종 트랜스듀서들의 슬래이브 장치 어드레스 차별화 방식은 시용자가 이용한 가능한 어드레스 가변화의 폭을 2-3 비트에서 보다 확장시켜 궁극적으로는 사용자가 각 슬래이브 장치의 주소를 임의로 지정할 수 있게 하는 것이다.

본 발명의 실시예에서는 상기한 두 가지 방식 중 적어도 한 가지 방식으로 동종 트랜스듀서들로 구성되는 스마트 타일 그리드의 구축 및 운영을 가능하게 한다.

또한, 도 9 및 도 10에서 다른 서비스나 어플리케이션, 예를 들어, 이용자 위치 센싱, 낙상 감지, 보행 경로 가이드, 게임 등의 어플리케이션들을 제공하기 위한 어플리케이션 서버(미도시)가 제어 장치(300)에 추가로 연결되어 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 시스템과의 연동이 가능하다.

본 발명의 실시예를 통하여 일반적인 바닥 타일을 시공하는 동일한 방식으로 스마트 홈이나, 스마트 오피스, 스마트 광장이나 스마트 시티에 적용 가능한 이용자 위치 및 보행 패턴 인식용 스마트 바닥 시스템을 간단하고 견고하며 경제적으로 구축하고 운영 할 수 있는 새로운 방식이 가능해지게 된다. 즉, 스마트 바닥 시스템 상용화의 길이 열릴 것이다.

또한, I2C 통신 방식을 기반으로 배선의 필요성을 제거한 단순한 타일 결합 방식으로 구축함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 시스템은 스마트 빌딩 및 스마트 시티 어플리케이션에 필수적인 실내외 이용자 위치 인식을 제공하고, 특정인의 보행 패턴 체크를 통해 그 사람의 신원 파악이나 건강 상태, 기분 상태 등의 파악이 가능하며, 노인들이나 장애자의 경우 이상적인 행태의 사전 징후나 낙상 등의 사고를 감지하고 이에 대한 자동 대처를 수행하는 데 필요한 기제의 제공, 외부인의 침입 감지, 실내외 사람들의 공간 사용 패턴 추적과 정보 활용 등 다양한 어플리케이션에 활용할 수 있다.

또한, 스마트 홈이나 노인 거주 시설에서 보행 패턴의 관찰과 분석을 통해 거주자의 건강 상태나 이상 행동 등을 감지하거나 트랜스듀서가 아닌 LED를 슬래이브 디바이스로 설치하는 경우 야간에 화장실로 가는 동선을 LED 점멸로 유도할 수도 있다. 또한, 박물관, 전시관 등에서는 관람객들의 관람 동선을 파악하거나 거꾸로 적정 관람 동선을 LED 점멸로 유도할 수 있으며, 시각 장애인의 경우에는, 소리나 진동을 통한 이동 경로 안내와 위험물 접근 시 이에 대한 경고 등을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 스마트 바닥 시스템은 또한 멀티미디어 게임 플루어로 활용될 수 있다. 이용자의 발이 딛는 위치를 감지하고 이에 따라 바닥 타일에 내장된 디스플레이나 스피커를 구동시켜 일종의 인터랙티브 게임을 가능하게 하는 것도 가능하다.

궁극적으로 본 발명의 실시예에 의해 스마트 바닥 시스템의 실제적 상용화가 가능하다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (16)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 각각 외부 환경을 감지하거나 특정 자극을 외부 환경에 발생시키는 적어도 하나의 트랜스듀서를 포함하는 복수의 스마트 바닥 타일을 결합하여 형성되는 스마트 바닥;
   상기 복수의 스마트 바닥 타일과 I2C(Inter-Integrated Circuit) 통신 방식에 따라 신호 연결되는 마스터 장치; 및
   상기 마스터 장치에 연결되며, 상기 마스터 장치를 통해 상기 복수의 스마트 바닥 타일의 트랜스듀서를 제어하는 제어 장치
   를 포함하고,
   상기 트랜스듀서에는 제조시에 또는 상기 트랜스듀서에 설치된 외부 핀을 사용하여 고유의 주소가 지정되며,
   상기 마스터 장치는 상기 고유의 주소를 사용하여 상기 I2C 통신 방식을 이용한 트랜스듀서 그리드 구성 내에서 상기 복수의 스마트 바닥 타일의 트랜스듀서를 각각 인식하는
   스마트 바닥 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 마스터 장치에 연결되는 상기 복수의 스마트 바닥 타일은,
   직렬 버스 연결 방식에 따라 하나의 라인으로 직렬로 연속해서 연결되어 최종적으로 상기 마스터 장치에 연결되거나, 또는
   직병렬 하이브리드 연결 방식에 따라 상기 복수의 스마트 바닥 타일들이 각 컬럼별로 하나의 라인으로 별도로 연결된 후 이들 컬럼들의 끝부분 라인이 서로 연결되어 최종적으로 상기 마스터 장치에 연결되는,
   스마트 바닥 시스템.
10. 제8항에 있어서,
    상기 스마트 바닥 타일은,
    상기 트랜스듀서를 포함하는 적어도 하나의 트랜스듀서 모듈;
    다른 스마트 바닥 타일과의 신호적 결합을 위한 적어도 하나의 타일 커넥터; 및
    상기 타일 커넥터와 상기 트랜스듀서 모듈의 신호 연결을 위한 통신 케이블
    을 포함하는, 스마트 바닥 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    두 개의 스마트 바닥 타일은 타일 결합용 커넥터를 통해 결합되며,
    상기 타일 결합용 커넥터는 일측이 상기 두 개의 스마트 바닥 타일 중 하나의 스마트 바닥 타일의 타일 커넥터에 결합되고, 타측이 상기 두 개의 스마트 바닥 타일 중 나머지 스마트 바닥 타일의 타일 커넥터에 결합되는 방식으로 상기 두 개의 스마트 바닥 타일을 상호 결합시키는,
    스마트 바닥 시스템.
12. 삭제
13. 제8항에 있어서,
    상기 고유의 주소는,
    상기 트랜스듀서의 제조시 부여되거나, 또는
    상기 마스터 장치에 의해 부여되는,
    스마트 바닥 시스템.
14. 제8항에 있어서,
    상기 고유의 주소는,
    상기 트랜스듀서의 주소 변경이 가능한 외부 핀을 사용하여 설정되는,
    스마트 바닥 시스템.
15. 제8항에 있어서,
    상기 마스터 장치에 연결되는 상기 복수의 스마트 바닥 타일이 상기 마스터 장치에 의해 인식 가능한 개수를 초과하는 경우 추가의 마스터 장치가 사용되어 초과되는 복수의 스마트 바닥 타일이 연결되고,
    상기 마스터 장치 및 상기 추가의 마스터 장치가 상기 제어 장치에 연결되어 상기 제어 장치에 의한 상기 복수의 스마트 바닥 타일 제어가 가능하도록 하는,
    스마트 바닥 시스템.
16. 제8항에 있어서,
    상기 스마트 바닥 타일 간 접합시 접합부의 줄눈은 불투명 실리콘이나 합성재를 사용하여 상기 스마트 바닥으로부터 분리가 가능하도록 하는,
    스마트 바닥 시스템.

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