KR102670928B1 - 화재 및 보안 감시를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

화재 및 보안 감시를 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시의 실시 예에 따른 화재 및 보안 감시를 위한 장치는, 화학 기체의 농도 변화를 측정하는 가스 감지 센서, 및 음장 센서를 포함하되, 상기 음장 센서는 복수의 주파수 성분들을 갖는 멀티톤 음파를 감시 공간으로 출력하는 음향 발생 장치, 상기 멀티톤 음파를 수신하여 상기 복수의 주파수 성분들 각각의 음압을 계산하는 음향 수신 장치, 및 상기 복수의 주파수 성분들 각각의 음압에 기반한 음장 스펙트럼을 이용하여 상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화를 추정하고, 상기 화학 기체의 농도 변화와 상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화에 기반하여 상기 감시 공간 내부의 화재 발생 여부를 판단하는 음장 신호처리 장치를 포함한다.

Description

화재 및 보안 감시를 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR FIRE AND SECURITY SENSING}
본 개시는 화재 및 보안 감시에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 가스 감지 센서와 음장 센서를 연동한 화재 및 보안 감시를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
음장(sound field) 변화에 기반한 화재 및 보안 감시 기술은 음향 발생 장치에서 멀티톤(multi-tone) 음파를 방출하고, 설치된 음향 수신 장치에서 음향을 측정하고, 음장 신호처리 장치에서 멀티톤 음파의 주파수 별 음장 정보를 산출한 후, 음장 변화 여부, 음장 변화 정도, 그리고 시간에 따른 음장 변화 패턴을 분석하여 화재 상황 또는 침입 상황을 감지하는 기술이다. 이 기술은 사각지대에서도 위험 상황을 조기에 감지할 수 있기 때문에 기존의 보안 감시 센서의 약점을 극복하고 화재 감지 또는 침입 감지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
그러나, 종래의 음장 변화에 기반한 화재 감지 기술에서 이용되는 센서는 화재를 감지할 때 감시 공간 내부의 평균 온도 변화를 감지하기 때문에, 감지된 온도 변화가 감시 공간의 전체적인 온도 변화에 해당하는지, 국소적인 온도 변화에 해당하는지 구분하기 어렵다. 이로 인해 냉난방에 의한 대기 온도 변화를 화재 상황으로 감지하는 경우(false alarm)가 있다. 또한, 감시 공간 내부의 전체적인 온도 변화에 의해 멀티톤 음파의 파장이 변화할 수 있으므로 음장 변화를 감지하는 방식을 사용할 경우 화재 및 보안 감시 성능이 일정하지 않을 수 있다. 따라서, 온도가 변화하여도 화재 및 보안 감시 성능을 일정하게 유지할 수 있는 기술이 필요하다.
본 개시는 가스 감지 센서와 음장 센서를 연동하여 감지 성능이 향상된 화재 및 보안 감시를 위한 장치 및 방법을 제공한다.
본 개시의 실시 예에 따른 화재 및 보안 감시를 위한 장치는, 화학 기체의 농도 변화를 측정하는 가스 감지 센서, 및 음장 센서를 포함하되, 상기 음장 센서는 복수의 주파수 성분들을 갖는 멀티톤 음파를 감시 공간으로 출력하는 음향 발생 장치, 상기 멀티톤 음파를 수신하여 상기 복수의 주파수 성분들 각각의 음압을 계산하는 음향 수신 장치, 및 상기 복수의 주파수 성분들 각각의 음압에 기반한 음장 스펙트럼을 이용하여 상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화를 추정하고, 상기 화학 기체의 농도 변화와 상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화에 기반하여 상기 감시 공간 내부의 화재 발생 여부를 판단하는 음장 신호처리 장치를 포함한다.
본 개시의 실시 예에 따른 화재 및 보안 감시 방법은 감시 공간 내부의 화학 기체의 농도 변화를 측정하는 단계, 복수의 주파수 성분들을 갖는 멀티톤 음파를 상기 감시 공간으로 출력하는 단계, 상기 복수의 주파수 성분들 각각의 음압에 기반한 음장 스펙트럼을 이용하여 상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화를 추정하는 단계, 및 상기 화학 기체의 농도 변화 및 상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화에 기반하여 상기 감시 공간 내부의 화재 발생 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 가스 감지 센서와 음장 센서를 연동하여 감시 공간 내부의 온도 변화와 화학 기체 농도에 대한 정보를 획득함으로써 초기 화재 및 보안 감시의 정확도를 향상시킬 수 있다.
나아가 본 개시의 실시 예에 따르면, 온도가 변화하는 상황에서도 사용하는 멀티톤 음파의 파장을 변화시켜 화재 및 보안 감시 성능을 일정하게 유지할 수 있다.
도 1은 본 개시의 실시 예에 따른 화재 및 보안 감시를 위한 장치의 예를 나타낸다.
도 2는 도 1의 음장 센서에서 감시 공간 내부의 온도 변화를 추정하는 동작을 나타낸다.
도 3은 음장 센서와 가스 감지 센서가 집적 회로 상에 일체형으로 구현된 모듈의 예를 나타낸다.
도 4는 본 개시의 실시 예에 따른 화재 감지를 위한 방법의 예를 나타내는 흐름도이다.
도 5는 도 3의 모듈을 통해 위험 경보를 외부로 전달할 수 있는 장치의 예를 나타낸다
아래에서는, 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 개시를 쉽게 실시할 수 있을 정도로, 본 개시의 실시 예들이 명확하고 상세하게 기재될 것이다.
상세한 설명에서 사용되는 부 또는 유닛(unit), 모듈(module), 블록(block), ~기(~or, ~er) 등의 용어들을 참조하여 설명되는 구성 요소들 및 도면에 도시된 기능 블록들은 소프트웨어, 또는 하드웨어, 또는 그것들의 조합의 형태로 구현될 수 있다. 예시적으로, 소프트웨어는 기계 코드, 펌웨어, 임베디드 코드, 및 애플리케이션 소프트웨어일 수 있다. 예를 들어, 하드웨어는 전기 회로, 전자 회로, 프로세서, 컴퓨터, 집적 회로, 집적 회로 코어들, 압력 센서, 관성 센서, 멤즈 (microelectromechanical system; MEMS), 수동 소자, 또는 그것들의 조합을 포함할 수 있다.
도 1은 본 개시의 실시 예에 따른 화재 및 보안 감시를 위한 장치(100)의 예를 나타낸다. 장치(100)는 감시 공간 내부의 음장(sound field) 변화 및 화학 기체의 농도 변화에 기반하여 화재 발생 또는 침입자의 움직임을 감지할 수 있다. 장치(100)는 음장 센서(110) 및 가스 감지 센서(120)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 음장 센서(110) 및 가스 감지 센서(120)는 각각 독립적으로 구현될 수도 있고, 또는 집적 회로 상에 일체형으로 구현될 수도 있다. 음장 센서(110) 및 가스 감지 센서(120)는 서로 유선 또는 무선으로 연결될 수 있고, 연동될 수 있다.
음장 센서(110)는 감시 공간 내부로 음파를 출력할 수 있고, 출력한 음파에 대응하는 음장(sound field) 변화에 기반하여 화재 발생 또는 침입자의 움직임을 감지할 수 있다. 음장 센서(110)는 음향 발생 장치(111), 음향 수신 장치(112), 및 음장 신호처리 장치(113)를 포함할 수 있다. 음장은 음파가 존재하는 공간을 나타내는 것으로, 음파와 관련된 물리량(예를 들어, 음압, 위상 등)을 이용하여 표현될 수 있다.
음향 발생 장치(111)는 입력 전압에 기반하여 감시 공간으로 음파를 출력할 수 있다. 음향 발생 장치(111)로부터 출력된 음파는 20Hz~20kHz 범위의 가청 주파수 및 20kHz 이상의 초음파 영역에서 복수의 주파수 성분들을 갖는 사인파들의 선형 합으로 구성되는 멀티톤(multi-tone) 음파일 수 있다. 예를 들어, 출력된 음파는 연속파 혹은 펄스파의 형태일 수 있다.
음향 수신 장치(112)는 음향 발생 장치(111)로부터 출력된 음파를 수신할 수 있고, 수신한 음파의 음압(sound pressure)을 얻을 수 있다. 다시 말해, 음향 수신 장치(112)는 감시 공간 내부의 음압을 측정할 수 있다. 여기서 감시 공간 내부의 음압은 음향 발생 장치(111)로부터 출력된 음파가 감시 공간 내부에 퍼짐으로써 나타나는 음압을 의미한다.
또한, 음향 수신 장치(112)는 수신한 음파를 주파수 영역으로 변환할 수 있다. 예를 들어, 음향 수신 장치(112)는 수신한 음파를 주파수 영역으로 변환하는 주파수 변환 필터를 포함할 수 있다. 이로써, 음향 수신 장치(112)는 수신한 음파의 주파수 성분 별 음압을 얻을 수 있다.
음장 신호처리 장치(113)는 감시 공간 내부의 음장 변화에 기반하여 화재 발생 또는 침입자의 움직임을 감지할 수 있다. 예를 들어, 음장 신호처리 장치(113)는 PC, 스마트 기기, 또는 DSP(digital signal processor) 등의 프로세서를 통해 구현될 수 있으나, 본 개시는 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 감시 공간 내부의 음장은 감시 공간 내부의 음압을 이용하여 표현될 수 있고, 이 경우 음압 변화는 음장 변화를 발생시킬 수 있으며, 음압의 크기를 나타내는 음압 레벨(sound pressure level; SPL)이 신호처리의 대상이 될 수 있다. 감시 공간 내부의 음장은 주파수에 따른 음압 레벨을 나타내는 음장 스펙트럼(sound field spectrum, 예를 들어, 도 1의 10)으로서 표현될 수 있다.
가스 감지 센서(120)는 감시 공간 내부에 발생한 화학 기체의 농도 변화(△V)를 측정할 수 있다. 예를 들어, 화학 기체는 감시 공간 내부의 이상 고온에 따라 내부 구성품이 용융됨으로써 발생할 수 있다. 예를 들어, 화학 기체의 농도 변화(△V)는 총 휘발성 유기 화합물(total volatile organic compounds; TVoC)의 농도에 기반하여 계산될 수 있다.
이하 명확한 설명을 위해 본 개시의 장치(100)는 화재 감지를 위한 장치인 것으로 가정한다. 그러나 본 개시는 이에 한정되지 않으며, 장치(100)는 화재 감지 이외에도 침입자의 움직임 등을 감지하기 위한 장치로서 구현될 수도 있다. 예를 들어, 침입자의 움직임에 의해 감시 공간 내부의 온도가 변화하거나 음장이 변화할 수 있기 때문에 장치(100)는 침입자의 움직임 등의 보안 상황을 감지할 수도 있다.
화재가 발생하면 감시 공간 내부의 공기의 온도가 변화할 수 있다. 감시 공간 내부의 공기의 온도 변화로 인하여, 감시 공간 내부의 음파의 속도 및 음장이 변화할 수 있다. 따라서, 음장 신호처리 장치(113)는 음장 변화에 기반하여 온도 변화를 추정할 수 있고, 추정한 온도 변화에 기반하여 화재 발생 여부를 판단할 수 있다. 이하에서 음장 변화에 기반하여 추정된 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화는 △T로 나타내기로 한다.
도 2는 도 1의 음장 센서(110)에서 감시 공간 내부의 온도 변화를 추정하는 동작을 나타낸다. 좀 더 상세하게는, 음장 센서(110)의 음장 신호처리 장치(113)는 화재 발생 이전의 기준 시점에 출력되는 음파의 제 1 음압을 이용하여 기준 음장 스펙트럼(즉, 주파수에 따른 제 1 음압 레벨을 나타내는 스펙트럼, 실선으로 도시)을 얻을 수 있다. 그리고, 음장 신호처리 장치(113)는 화재 발생을 감지하는 현재 시점에 출력되는 음파의 제 2 음압을 이용하여 현재 음장 스펙트럼(즉, 주파수에 따른 제 2 음압 레벨을 나타내는 스펙트럼, 점선으로 도시)을 얻을 수 있다.
음장 신호처리 장치(113)는 기준 음장 스펙트럼과 현재 음장 스펙트럼을 비교하여 화재 발생 여부를 판단할 수 있다. 구체적으로, 음장 신호처리 장치(113)는 기준 음장 스펙트럼과 현재 음장 스펙트럼 간의 교차 상관계수(cross-correlation coefficient)에 기반하여 화재 발생 여부를 판단할 수 있다. 기준 음장 스펙트럼을 Si라 하고, 현재 음장 스펙트럼을 Sj라 할 때, Si와 Sj 간의 교차 상관계수 Ri,j(m)은 아래의 수학식 1을 통하여 계산될 수 있다.
N은 Si에 대응하는 멀티톤 음파의 주파수 성분의 개수를 나타내고, m은 주파수 이동 지수(frequency shift index)를 나타낸다. 좀 더 상세하게는, Si의 이웃한 주파수 성분 간의 간격을 df라고 할 때, 주파수 이동 지수 m은 Si에 대해 중심 주파수를 기준으로 m*df만큼 주파수 이동이 이루어졌음을 나타낼 수 있다. m=0인 경우, m은 Si에 대해 주파수 이동이 없었음을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 주파수 간격 df가 4Hz일 때 m=2인 것은 Si에 대해 중심 주파수를 기준으로 8Hz만큼 주파수 이동이 이루어졌음을 나타낼 수 있다.
m=0인 경우, 교차 상관계수 Ri,j(m)은 주파수 이동하지 않은 두 음장 스펙트럼 사이의 공분산(covariance) 값을 기준 음장 스펙트럼 및 현재 음장 스펙트럼의 표준편차 값들의 곱으로 나눈 결과이다. m≠0인 경우, 교차 상관계수 Ri,j(m)은 m*df만큼 주파수 이동한 기준 음장 스펙트럼과 현재 음장 스펙트럼 사이의 상관계수(correlation coefficient)가 계산된 결과이다. 상관계수는 두 스펙트럼 간의 닮은 정도를 나타내고, -1에서 1까지의 값을 가질 수 있다. 상관계수가 1일 때, 두 스펙트럼은 서로 동일한 것으로 판단될 수 있다.
즉, 기준 음장 스펙트럼과 현재 음장 스펙트럼 사이의 교차 상관계수가 최대가 되는(즉, 1이 되는) 주파수 이동 지수 m을 구하면, 중심 주파수를 기준으로 m*df만큼 주파수 이동한 기준 음장 스펙트럼과, 현재 음장 스펙트럼은 동일한 것으로 판단될 수 있다. 그러므로, 아래의 수학식 2와 같이 교차 상관계수가 최대가 되는 m을 구하게 되면 현재 음장 스펙트럼이 기준 음장 스펙트럼에 비하여 중심 주파수를 기준으로 얼마나 주파수 이동(△f)을 하였는지 알 수 있다.
기준 음장 스펙트럼과 현재 음장 스펙트럼 사이에 △f만큼의 주파수 이동이 발생했을 때, 감시 공간 내부의 온도 변화 △T는 아래의 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.
f는 기준 음장 스펙트럼의 중심 주파수를 나타내며, T는 화재 발생 이전의 기준 시점의 대기의 온도를 나타낸다.
한편, 상술한 수학식 3에 의한 주파수 이동(△f) 계산의 해상도(resolution)는 음장 스펙트럼에 대응하는 멀티톤 음파의 불연속적인 주파수 간격(즉, df)에 의해 결정될 수 있다. 그러나, 실제 음장 스펙트럼의 온도 변화에 따른 주파수 이동은 연속적으로 일어날 수 있다. 따라서, 온도 변화를 더 정밀하게 감지하기 위해서 불연속적인 음장 스펙트럼으로부터 연속적인 주파수 이동을 근사하여 계산할 필요가 있다. 먼저, 아래의 수학식 4와 같이 교차 상관계수 Rij(m)이 최대가 되는 주파수 이동 지수 m의 값을 S라고 하자.
지수 보간(exponential interpolation) 방법에 기반하여, 아래의 수학식 5와 같은 계산을 통해 연속(continuous) 주파수 이동 지수 δij를 계산할 수 있다.
따라서, 상술한 수학식 2의 교차 상관계수가 최대가 되는 m(즉, arg m max[R ij (m)]) 대신, 상술한 수학식 4 및 수학식 5에서 계산한 S+δij를 이용하여 연속적인 주파수 이동 △fcont를 계산하면 아래의 수학식 6과 같다.
수학식 6을 통해 계산된 주파수 이동 △fcont는 상술한 수학식 2를 통해 계산된 주파수 이동 △f에 비해 계산의 해상도가 더 정밀할 수 있다. 따라서, 상술한 수학식 3을 이용하여 온도 변화 △T를 계산할 때 수학식 6을 통해 계산된 △fcont 값을 이용하는 경우, 음장 신호처리 장치(113)는 더 정밀한 온도 변화를 감지할 수 있고, 화재 감지 성능이 높아질 수 있다.
그러나, 음장 센서(110)에 의해 추정된 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화(△T)에만 기반하여 화재 발생 여부를 판단하는 경우, 감지된 감시 공간 내부의 온도 변화(△T)가 국소적인 온도 변화 때문인지, 감시 공간 내부의 전체적인 온도 변화(예를 들어, 대기의 변화로 인한 전체적인 온도 변화) 때문인지 정확하게 구분하기 어려울 수 있다. 따라서, 장치(100)는 음장 센서(110)에 의해 추정된 온도 변화 △T와 함께, 가스 감지 센서(120)에 의해 측정된 화학 기체의 농도 변화(△V)를 고려하여 화재 발생 여부를 판단할 수 있다.
먼저, 가스 감지 센서(120)에 의해 측정된 화학 기체의 농도 변화(△V)는 아래의 수학식 7과 같이 총 휘발성 유기 화합물(TVoC)의 농도에 기반하여 계산될 수 있다. 그러나 본 개시는 이에 한정되지 않으며, 화학 기체의 농도 변화(△V)는 수학식 7과 다른 방법으로 계산될 수도 있다.
감시 공간 내부의 온도 변화가 국소적인 초기 화재로 인한 온도 변화인지, 또는 대기의 변화로 인한 온도 변화인지를 구분하기 위해, 음장 신호처리 장치(113)는 음장 센서(110)에 의해 추정된 온도 변화(△T) 및 가스 감지 센서(120)에 의해 측정된 화학 기체의 농도 변화(△V)를 비교할 수 있다.
예를 들어, 음장 신호처리 장치(113)는 음장 센서(110)에 의해 추정된 온도 변화(△T)와 가스 감지 센서(120)에 의해 측정된 화학 기체의 농도 변화(△V)에 기반하여, 아래의 수학식 8과 같이 화재 발생 판단 지수(Fire Occurrence Index; FOI)를 계산할 수 있다.
FOI 값은 감시 공간 내부의 평균 온도 변화와 감시 공간 내부의 화학 기체의 농도 변화가 동시에 발생하지 않더라도, △T 값 및 △V 값을 이용하여 계산될 수 있다.
예를 들어 감시 공간 내부에 국소적인 화재가 발생했을 때, 한정된 공간으로 인해 매질이 부족하여 화재의 확산 속도가 느릴 수 있고, △T 값은 화재 발생으로 판단되기 어려울 만큼 작을 수 있다. 그러나 이런 경우 감시 공간 내부의 화학 기체의 농도는 빠르게 상승하고 있을 수 있다. 이러한 경우, 위의 수학식 8과 같이 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화(△T) 값에 화학 기체의 농도 변화(△V) 값을 곱함으로써 화재 발생 여부를 더 정확하게 판단할 수 있다.
예를 들어, 음장 센서(110) 및 가스 감지 센서(120)가 배전반 또는 분전반과 같이 내부에 냉난방기가 없는 공간에 설치되는 경우를 가정하면, 배전반 또는 분전반 내부의 온도 변화는 전체 공간에서 균일할 수 있다. 이 경우, 화학 기체가 발생하지 않으면 △V 값은 0에 가까울 수 있고, 결과적으로 FOI 값은 0에 가까워질 수 있으며, 화재가 발생하지 않은 것으로 판단될 수 있다.
또한, 내부에 냉난방기가 없더라도 일교차 또는 외부의 냉난방기에 의한 대기의 온도 변화가 있을 수 있다. 이 경우, 내부의 온도 상승은 일교차 또는 외부의 냉난방기에 의한 온도 상승 때문인 것으로 판단될 수 있고, 온도가 상승하여도 화재가 발생하지 않은 것으로 판단될 수 있다.
반면, 일교차 또는 외부의 냉난방기에 의해 온도가 상승하는 상황에서 FOI 값이 미리 정해진 임계 값보다 커진 경우(예를 들어, FOI 값이 1.2보다 큰 경우), 내부의 전체적인 온도 변화 때문이 아닌 배전반 또는 분전반 내부 전기 부품의 부분적 과열로 인해 화재가 발생한 것으로 판단될 수 있다.
따라서, 장치(100)는 음장 센서(110)에 의해 추정되는 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화(△T), 가스 감지 센서(120)에 의해 측정되는 화학 기체의 농도 변화(△V), 그리고 △T 값 및 △V 값을 이용하여 계산되는 FOI 값으로부터, 감시 공간 내부의 온도 변화가 일교차 또는 외부의 냉난방기에 의한 균일한 온도 변화 때문인지, 또는 내부의 국소적인 과열이나 초기 화재 상황 때문인지 여부를 알 수 있다.
또한 감시 공간 내부의 온도 변화가 거의 없더라도, 장치(100)는 FOI 값에 기반하여 화학 기체의 농도 변화가 있는지 여부를 판단할 수 있다. 이로써, 장치(100)는 FOI 값에 기반하여 온도 변화 양상이 불균일한지 여부, 온도 변화가 지속되고 있는지 여부, 및 화학 기체의 농도 변화 여부를 판단함으로써 초기 화재 상황에 대해 대처할 수 있다.
한편, 감시 공간 내부의 공기의 온도가 변화하면 감시 공간 내부의 음파의 속도가 변화할 수 있다. 음파의 속도는 파장과 주파수의 곱으로 나타나기 때문에, 음파의 주파수가 일정한 경우 음파의 속도가 변화함에 따라 음파의 파장이 변화할 수 있다.
예를 들어, 음파의 파장이 변화함에 따라 음파에 대응하는 음장 스펙트럼 상의 피크(peak) 또는 딥(dip)이 발생하는 주파수 대역이 변화함으로써 음장 스펙트럼의 패턴이 변화할 수 있다. 음장 스펙트럼의 패턴이 변화하면, 상술한 교차 상관계수 계산을 통한 침입 감지의 신뢰도가 낮아질 수 있다.
음장 스펙트럼의 패턴이 변화함으로써 침입 감지의 신뢰도가 낮아지는 문제를 해결하기 위해, 음장 센서(110)는 감시 공간 내부의 공기의 온도 변화에 따라 음장 스펙트럼의 패턴 변화가 최소화되도록 음장 스펙트럼에 대응하는 멀티톤 음파의 주파수를 변화시킬 수 있다.
이로써 감시 공간 내부의 공기의 온도가 변화하여도 음장 스펙트럼의 패턴 변화가 거의 발생하지 않을 수 있고, 음장 스펙트럼을 통한 화재 및 침입 감지의 성능이 동일하게 유지될 수 있다. 다시 말해, 감시 공간 내부의 공기의 온도 변화에 의한 음장 센서(110)의 화재 및 침입 감지 신뢰도의 변화가 최소화될 수 있다.
상술한 수학식 8에서는 음장 센서(110)에 의해 추정되는 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화(△T)와, 가스 감지 센서(120)에 의해 측정되는 화학 기체의 농도 변화(△V)를 곱하여 FOI 값을 계산하는 것이 나타나 있으나, 본 개시는 이에 한정되지 않으며, FOI 값은 △T 값 및 △V 값에 기반하여 수학식 7에 나타난 것과 다른 방식으로 계산될 수도 있다.
도 3은 음장 센서와 가스 감지 센서가 집적 회로 상에 일체형으로 구현된 모듈(200)의 예를 나타낸다. 모듈(200)은 가스 감지 센서(210) 및 음장 센서(220)를 포함할 수 있고, 음장 센서(220)는 음향 발생 장치(221), 음향 수신 장치(222), 그리고 음장 신호처리 장치(223)를 포함할 수 있다. 가스 감지 센서(210) 및 음장 센서(220)의 동작은 도 1 내지 도 2를 참조하여 설명한 장치(100)의 음장 센서(110) 및 가스 감지 센서(120)의 동작과 동일하므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
모듈(200)은 가스 감지 센서(210)를 통해 미리 정해진 임계 값 이상의 화학 기체의 농도 변화(△V)가 감지하였을 때, 화재 경보를 전달할 수 있다. 또한 모듈(200)은 음장 센서(220)를 통해 추정한 온도 상승(△T)이 일정 속도로 일정 시간 이상 지속되고 있음을 감지하였을 때, 화재 경보를 전달할 수 있다.
예를 들어 화재의 발화원이 가스 감지 센서(210) 주변에 존재하는 경우, 가스 감지 센서(210)에 의한 화학 기체의 농도 변화(△V)의 감지가 음장 센서(220)를 통한 온도 상승(△T)의 감지보다 더 빠를 수 있다. 반면 화재의 발화원이 모듈(200)로부터 멀리 떨어진 경우, 음장 센서(220)에 의한 온도 상승(△T)의 감지가 가스 감지 센서(210)에 의한 농도 변화(△V) 감지보다 더 빠를 수 있다. 즉, 모듈(200)은 가스 감지 센서(210)와 음장 센서(220)를 연동함으로써 화재 상황을 더 빠르게 감지할 수 있다.
나아가, 감시 공간 내부에서 발생하는 초기 화재의 경우 감시 공간 내부의 전체적인 온도 상승이 아닌, 국소적인 온도 상승에 의해 발생할 수 있다. 이를 고려하기 위해 모듈(200)은 감시 공간 내부의 온도 상승(△T)과 화학 기체의 농도 변화(△V)에 기반하여 계산되는(예를 들어, 상술한 수학식 8과 같이) 화재 발생 판단 지수(FOI) 값을 모니터링할 수 있다.
예를 들어, 모듈(200)은 FOI 값이 미리 정해진 임계 값 이상인 경우 초기 화재 상황이 발생한 것으로 판단할 수 있고, FOI 값이 0에 가까운 경우 감시 공간 내부의 온도 변화가 화재 발생과는 관련이 없으며, 대기의 일교차 또는 냉난방기에 의한 온도 변화 때문인 것으로 판단할 수 있다.
도 4는 본 개시의 실시 예에 따른 화재 감지를 위한 방법의 예를 나타내는 흐름도이다. 이하 도 4와 함께 도 1을 참조하여 화재 감지를 위한 방법이 설명된다.
장치(100)에서 화재 감지를 시작하면, 단계 S101에서 가스 감지 센서(120)는 감시 공간 내부의 화학 기체의 농도 변화(△V)를 측정할 수 있고, 단계 S103에서 화학 기체의 농도 변화(△V) 값에 기반하여 화학 기체의 농도가 상승하였는지 여부를 판단할 수 있다.
단계 S102에서 음장 센서(110)는 음장 변화에 기반하여 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화(△T)를 추정할 수 있고, 단계 S104에서 온도 변화(△T)에 기반하여 감시 공간 내부에 이상 온도 변화가 발생하였는지 여부가 판단될 수 있다.
단계 S103에서 화학 기체의 농도가 상승하지 않은 것으로 판단된 경우, 또는 단계 S104에서 이상 온도 변화가 발생하지 않은 것으로 판단된 경우, 가스 감지 센서(120)는 계속하여 화학 기체의 농도 변화(△V)를 측정할 수 있고, 음장 센서(110)는 계속하여 평균적인 온도 변화(△T)를 추정할 수 있다.
단계 S103에서 화학 기체의 농도가 상승한 것으로 판단되고, 그리고 단계 S104에서 이상 온도 변화가 발생한 것으로 판단된 경우, 단계 S105에서 음장 신호처리 장치(113)는 온도 변화(△T) 및 화학 기체의 농도 변화(△V) 값을 이용하여 화재 발생 판단 지수(FOI) 값을 계산할 수 있다.
계산된 FOI 값에 기반하여, 단계 S106에서 감시 공간 내부의 온도 변화 양상이 불균일한지 여부가 판단될 수 있다. 단계 S106에서 온도 변화 양상이 불균일한 것으로 판단되지 않은 경우, 단계 S107에서 단계 S103 및 단계 S104에서 판단된 이상 온도 변화가 지속되는지 여부가 판단될 수 있다. 이상 온도 변화가 지속되지 않는 경우, 다시 단계 S101 및 단계 S102에서 가스 감지 센서(120)는 화학 기체의 농도 변화(△V)를 측정할 수 있고, 음장 센서(110)는 계속하여 온도 변화(△T)를 추정할 수 있다.
단계 S106에서 온도 변화 양상이 불균일한 것으로 판단되거나 또는 단계 S107에서 이상 온도 변화가 지속되는 것으로 판단되는 경우, 단계 S108에서 음장 신호처리 장치(113)는 화재가 발생하였다고 판단할 수 있다.
도 5는 도 3의 모듈(200)을 통해 위험 경보를 외부로 전달할 수 있는 장치(300)의 예를 나타낸다. 장치(300)는 전원부(310), 모듈(320), 및 통신부(330)를 포함할 수 있다. 도 1의 장치(100)와 마찬가지로, 장치(300)는 감시 공간 내부의 음장 변화 및 화학 기체의 농도 변화에 기반하여 화재 발생 또는 침입자의 움직임을 감지할 수 있고, 외부로 경보를 출력할 수 있다.
전원부(310)는 모듈(320)에 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 전원부(310)는 내장형 배터리일 수 있다. 다시 말해, 모듈(320)은 외부로부터 유선으로 전력을 제공받지 않고 내장된 전원부(310)로부터 전력을 제공받을 수 있다. 그러나 본 개시는 이에 한정되지 않으며, 모듈(320)은 외부로부터 유선으로 전력을 제공받을 수도 있다.
모듈(320)은 음장 변화 및 화학 기체의 농도 변화를 감지할 수 있고, 감지 결과에 기반하여 화재 발생 또는 침입 발생 여부를 판단할 수 있다. 모듈(320)은 가스 감지 센서(321), 음향 발생 장치(322), 음향 수신 장치(323), 및 음장 신호처리 장치(324)를 포함할 수 있다. 모듈(320)의 동작은 도 1 내지 도 2를 참조하여 설명한 장치(100)의 음장 센서(110) 및 가스 감지 센서(120)의 동작과 동일하므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
통신부(330)는 모듈(320)에서 판단한 결과에 기반하여 외부로 경보를 출력할 수 있다. 예를 들어, 통신부(330)는 모듈(320)과 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다.
상술된 내용은 본 개시를 실시하기 위한 구체적인 실시 예들이다. 본 개시는 상술된 실시 예들뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경되거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들 또한 포함할 것이다. 또한, 본 개시는 실시 예들을 이용하여 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다. 따라서, 본 개시의 범위는 상술된 실시 예들에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 화재 및 보안 감시를 위한 장치
110: 음장 센서
111: 음향 발생 장치
112: 음향 수신 장치
113: 음장 신호처리 장치
120: 가스 감지 센서

Claims (10)

  1. 화학 기체의 농도 변화를 측정하는 가스 감지 센서; 및
    음장 센서를 포함하되,
    상기 음장 센서는:
    복수의 주파수 성분들을 갖는 멀티톤 음파를 감시 공간으로 출력하는 음향 발생 장치;
    상기 멀티톤 음파를 수신하여 상기 복수의 주파수 성분들 각각의 음압을 계산하는 음향 수신 장치; 및
    상기 복수의 주파수 성분들 각각의 음압에 기반한 음장 스펙트럼을 이용하여 상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화를 추정하고, 상기 화학 기체의 농도 변화와 상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화에 기반하여 상기 감시 공간 내부의 화재 발생 여부를 판단하는 음장 신호처리 장치를 포함하고,
    상기 음장 신호처리 장치는 상기 화학 기체의 농도 변화와 상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화에 기반하여 화재 발생 판단 지수(FOI) 값을 계산하고, 상기 FOI 값에 기반하여 상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화의 양상을 판단하고,
    상기 FOI 값은 상기 화학 기체의 농도 변화와 상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화를 곱한 값인 화재 및 보안 감시를 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음장 신호처리 장치는 기준 시점에 출력된 멀티톤 음파의 복수의 주파수 성분들 각각의 음압에 기반하는 기준 음장 스펙트럼과, 현재 시점에 출력된 멀티톤 음파의 복수의 주파수 성분들 각각의 음압에 기반하는 현재 음장 스펙트럼 사이의 교차 상관계수를 계산하는 화재 및 보안 감시를 위한 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 음장 신호처리 장치는:
    상기 FOI 값이 미리 정해진 임계 값 이상인 경우 화재가 발생한 것으로 판단하는 화재 및 보안 감시를 위한 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 음장 센서는 상기 멀티톤 음파의 제 1 온도에서의 파장과 상기 멀티톤 음파의 제 2 온도에서의 파장이 같도록, 상기 제 1 온도에서의 상기 멀티톤 음파의 중심 주파수에 기반하여 상기 멀티톤 음파의 상기 제 2 온도에서의 중심 주파수를 변화시키는 화재 및 보안 감시를 위한 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 통신부를 더 포함하고,
    상기 통신부는 상기 음장 신호처리 장치가 상기 감시 공간 내부에 화재가 발생한 것으로 판단한 경우 상기 감시 공간 및 외부로 경보를 출력하는 화재 및 보안 감시를 위한 장치.
  8. 감시 공간 내부의 화학 기체의 농도 변화를 측정하는 단계;
    복수의 주파수 성분들을 갖는 멀티톤 음파를 상기 감시 공간으로 출력하는 단계;
    상기 복수의 주파수 성분들 각각의 음압에 기반한 음장 스펙트럼을 이용하여 상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화를 추정하는 단계; 및
    상기 화학 기체의 농도 변화 및 상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화에 기반하여 상기 감시 공간 내부의 화재 발생 여부를 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 화학 기체의 농도 변화를 측정하는 단계는 상기 화학 기체의 농도가 상승하였는지 여부를 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화를 추정하는 단계는 상기 감시 공간 내부의 온도 변화에 이상이 발생하였는지 여부를 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 화학 기체의 농도가 상승하고, 상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화에 이상이 발생한 경우:
    상기 화학 기체의 농도 변화 및 상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화에 기반하여 화재 발생 판단 지수(FOI) 값을 계산하는 단계; 및
    상기 FOI 값에 기반하여 상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화의 양상을 판단하는 단계를 더 포함하고,
    상기 FOI 값은 상기 화학 기체의 농도 변화와 상기 감시 공간 내부의 평균적인 온도 변화를 곱한 값인 화재 및 보안 감시 방법.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 FOI 값이 미리 정해진 임계 값 이상인 경우 화재가 발생한 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 화재 및 보안 감시 방법.
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