KR20000024550A - Intelligent Passive Infrared Detector ( IPIR Detector ) - Google Patents
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Abstract
Description
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 있다가 둘 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.In the unmanned human body detection system, a device for detecting the presence or absence of a human body by detecting a change in its value using infrared rays is widely used. The system is divided into two types, active and passive, depending on its operation principle. Active type is a system that installs a receiver and a transmitter in a fixed place in a certain place, and receives the infrared light from the transmitter, and when an object enters between them, the infrared detection of the receiver disappears and is detected. The passive type installs only a pyroelectric infrared sensor with a wide viewing angle, and when the human body approaches the viewing angle, the sensor detects the corresponding infrared rays and generates an alarm.
이중 넓은 시야각을 갖는 수동형 시스템을 살펴보면 다음과 같다. 먼저 인간의 체온은 36~37OC 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.A passive system with a wide viewing angle is as follows. First, since human body temperature is 36 ~ 37OC, far infrared rays having a peak at 9 ~ 10㎛ are emitted. There are two types of sensors for detecting this, a thermal type and a quantum type. Thermotypes have the disadvantage of operating at room temperature, having no wavelength dependence, low cost, low sensitivity, and slow response. The quantum type has disadvantages such as high sensitivity, fast response, cooling with liquid nitrogen, wavelength dependence and expensiveness. As a security system requires low cost and light weight, thermal sensors are widely used rather than quantum. Specific examples of the thermal element are dummy rotor borometer, thermopile, pyroelectric element. After all, the most popular infrared device for security system is passive type or pyroelectric type among thermal type.
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 is a diagram illustrating an internal circuit diagram of a pyroelectric infrared device. The pyroelectric element uses PZT (zirconate titanate-based ceramic) ferroelectric ceramic, and is polarized by applying a high voltage (3 kV to several kV / mm). By this treatment, the charges of (+) and (-) appearing on the surface of the device are electrically neutralized in connection with the floating ions having the opposite charge in the air. If the surface temperature of the device changes, the magnitude of the polarization of the sensing device changes as the temperature changes. As a result, the neutralization state of the stable charges is broken, and the relaxation time of the sensing element surface charges and the adsorption floating ion charges is different, resulting in an electrical imbalance, resulting in an unconnected charge. As such, the phenomenon of charge caused by temperature change is called a pyroelectric effect. The process of generating signals using this pyroelectric element is listed in order.
(1) 여러 가지 파장의 적외선이 센서(110)에 입사한다.(1) Infrared rays of various wavelengths enter the sensor 110.
(2) 창(윈도우)부의 광학필터에 의해 필요한 적외선만을 통과시키고 불필요한 적외선을 커트한다.(2) Only the necessary infrared rays pass through the optical filter in the window, and the unnecessary infrared rays are cut.
(3) 감지소자 표면에 있는 열 흡수막에 의해 적외선만을 통과시키고 불필요한 적외선을 커트한다.(3) Only the infrared rays pass through the heat absorbing film on the sensing element surface and the unnecessary infrared rays are cut.
(4) 감지소자의 표면온도가 오르고 초전효과에 의해 표면전하가 발생한다.(4) The surface temperature of the sensing element rises and surface charges are generated by the pyroelectric effect.
(5) 발생한 표면전하를 FET로 전압증폭하고 임피던스 변환한다.(5) Amplify the surface charge generated by FET and convert impedance.
(6) 드레인단자로부터는 FET를 움직이기 위한 전압이 공급된다.(6) A drain terminal is supplied with a voltage for moving the FET.
(7) 증폭된 전기신호는 외부에 접속된 소스-어스간 저항에서 바이어스전압과 중첩해서 전압으로 꺼내진다.(7) The amplified electric signal is taken out as a voltage overlapping the bias voltage in an externally connected source-to-earth resistor.
도 2는 위의 동작순서를 바탕으로 구성된 인체검지 장치의 구성을 도시한 도면이다.2 is a view showing the configuration of a human body detection device configured based on the above operation sequence.
인체에서 방사되는 에너지는 미약하기 때문에 배경온도가 25OC일때 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.Since the energy emitted by the human body is weak, the pyroelectric sensor can detect only about 1m when the background temperature is 25OC. Therefore, a method of raising the detection temperature by concentrating energy from the human body is adopted. As the light collecting system 100, a reflector or a plastic lens is generally used, and thus a detection sensitivity of about 5 to 15 m can be obtained. The signal generated from the infrared sensor 110 passes through the amplifier circuit 120 and the band amplifier (band pass filter) 130. The high frequency side is around 15 Hz to avoid the influence of the commercial frequency and the influence of the ambient temperature change. To avoid this attenuation around 0.2Hz, the gain is about 60dB. The signal from this is compared with the reference voltage set in advance in the comparator 140, if greater than this to operate the driving circuit 160, such as chime, buzzer, automatic door, alarm for the time set in the timer circuit.
초전검출기는 더미스터 블로미터, 서모파일에 비해 감도가 높고, 사람의 움직임을 포착하는데는 최적인 검출기라고 할 수 있다.Pyroelectric detectors are more sensitive than dummyster blocmeters and thermopiles and are the best detectors for capturing human movement.
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.3 is a view showing an output signal of the pyroelectric element with or without human body signal. As described herein, the pyroelectric element is a differential element that generates a signal only when there is a temperature change. In other words, there is no output for people who are not moving. If there is a movement of the human body, the output is generated in proportion to the change amount, but if it moves slowly, the signal output amount is reduced, and if it is stopped, the signal is not output as in the case of no human body. In addition, malfunctions may be caused by external light such as sunlight, and may also cause malfunctions due to temperature changes in the surrounding environment. In addition, there is a lack of ability to distinguish between various animals having a temperature similar to the human body and the human body may cause a malfunction.
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.The reason for such a malfunction is that the amplification and comparison functions are simply sent to the output without the function of comprehensively sorting and discriminating the sensor signals. Therefore, an object of the present invention is to provide a function for classifying and discriminating types of sensor output signals for various causes in a microcontroller and distinguishing the output signals for different causes by an observer.
도 1은 기존의 적외선 감지소자의 내부 회로도;1 is an internal circuit diagram of a conventional infrared sensing element;
도 2는 종래의 실시예에 따른 인체감지 장치의 구성을 표시한 도면;2 is a view showing the configuration of a human body detecting apparatus according to a conventional embodiment;
도 3은 도 2에 도시된 구성중 인체 유무에 따른 적외선 센서의 출력신호;3 is an output signal of the infrared sensor according to the presence or absence of the human body in the configuration shown in FIG.
도 4는 본 발명에 따른 실시예에 따른 IPIR Detector의 구성을 도시한 블럭도;4 is a block diagram showing the configuration of an IPIR detector according to an embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LCD (Liquid Crystal Display)를 적용한 인체검출 장치의 구성을 도시한 도면;5 is a diagram illustrating a configuration of an apparatus for detecting a human body to which a liquid crystal display (LCD) according to another embodiment of the present invention is applied;
* 도면의 주요부분에 대한 용어의 설명* Explanation of terms for the main parts of the drawings
100: 미러렌즈 (여러방향으로부터 나오는 인체 적외선을 집광하여 적외선 센서로 보내주어 센서가 작은 신호를 포착할 수 있도록 한다.)100: mirror lens (collects human infrared rays from various directions and sends them to the infrared sensor so that the sensor can capture small signals)
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.)110: Infrared sensor (receives the infrared light collected by the mirror lens and converts it into an electric signal. When infrared light is detected, the sensor converts it to a change in voltage. The change in voltage is very small. Sensor is common.)
120: 증폭기 (센서에서 나오는 미약한 전압의 변화를 이용할 수 있도록 전압증폭의 역활을 담당한다. 보통 OP-AMP를 다단계로 써서 충분한 전압증폭 이득을 얻을수 있도록 한다.)120: Amplifier (It plays the role of voltage amplification to take advantage of the slight change in voltage from the sensor. Usually, OP-AMP is used in multiple stages to obtain sufficient voltage amplification gain.)
130: 필터 (센서와 증폭기로부터 발생되는 고주파 잡음을 제거하기 위한 것이다.)130: Filter (To remove high frequency noise from sensors and amplifiers.)
210: 가변증폭기 (전압의 증폭 이득을 가변할 수 있도록 하여 구성한 것이다.)210: variable amplifier (configured so that the gain of voltage can be varied)
220: 비교기1 (센서와 증폭기를 거친 신호를 미리 설정된 고전압과 비교하여 이보다 높을 경우 신호를 출력한다.)220: Comparator 1 (compares the signal through the sensor and the amplifier with a preset high voltage and outputs the signal if it is higher than this)
230: 비교기2 (센서와 증폭기를 거친 신호를 미리 설정된 저전압과 비교하여 이보다 낮을 경우 신호를 출력한다.)230: Comparator 2 (compares the signal through the sensor and the amplifier with a preset low voltage and outputs a signal when it is lower than this)
240 : 마이크로 콘트롤러 (비교기1과 비교기2에서 나온 신호를 받아들여서 상황별로 미리 설정된 경향치와 비교하여 인체의 존재 유무를 최종적으로 판단하는 기능을 담당한다.)240: Microcontroller (receives the signal from Comparator 1 and Comparator 2 and compares it with the preset trend value for each situation to determine the existence of the human body.)
310 : LCD셀 (두장의 기판 사이에 액정을 넣고 외부에 편광판을 붙여 구성한 것으로 구동전압에 따라 적외선신호의 통과를 제어하는 역활을 한다.)310: LCD cell (It consists of a liquid crystal between two substrates and a polarizer attached to the outside, and controls the passage of infrared signals according to the driving voltage.)
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, Variablr 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 정지인체 감지불가, 외부광에 의한 오동작, 주위 온도변화에 의한 오동작, 각종 동물에 의한 오동작 등을 보다 정밀하게 판별할 수 있다.4 is a block diagram showing the configuration of an IPIR (Intelligent Passive Infrared) Detector according to an embodiment of the present invention. Existing mirror 100, infrared sensor 110, amplifier 120, filter 130 is used as it is, and after adjusting in the Variablr Gain Amplifier 210, comparator 1 (220) and comparator 2 (230 Are each entered. Here, each output is provided to the microcontroller 240 in comparison with the voltage value set in advance. In this microcontroller, the output from the Comparators 1 and 2 can be detected more precisely by comparing the time intervals, the number of times, and the like with various pre-caused patterns. By doing so, it is possible to more accurately discriminate the shortcomings of the existing system, such as inability to detect a stationary human body, malfunctions caused by external light, malfunctions caused by changes in ambient temperature, and malfunctions caused by various animals.
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.The variable amplifier 210 is configured to have a gain change to increase the accuracy and to distance the sensing distance. In addition, the output of the amplifier is input directly to the microcontroller to selectively use the signal output of the existing system.
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.An advantage of the present invention is that the detection accuracy can be greatly improved only by a low cost increase of 10% or less. That is, it can be a signal distinction between humans and animals, and can prevent malfunctions caused by changes in ambient temperature, and can detect and detect input signals from the microcontroller even when a person is not moving. In addition, the gain control function of the microcontroller can be used to automatically determine whether the system has a failure at regular intervals.
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. 이는 기존의 기계적 차폐 기능을 LCD Cell로 대처한 것으로 고장 및 오동작율을 줄인것이다.FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a human body detecting device to which a liquid crystal display (LCD) according to another embodiment of the present invention is applied. LCD cell 310 is attached in front of the PIR detector, so that it can be detected even when the human body does not move by turning it on and off at a predetermined signal interval. This is to cope with the existing mechanical shielding function with LCD Cell, which reduces the failure and malfunction rate.
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.By using the IPIR Detector of the present invention as described above can be free from various malfunctions unlike the existing. That is, by accurately detecting the human body signal from the sunlight, ambient temperature changes, signals by the animals and determine this, it is possible to achieve a more accurate alarm device by outputting an alarm signal.
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.In addition, by being able to detect the human body in a stationary state it is possible to expand the application. That is, the present invention can be configured in a variety of home appliances, including automatic operation air conditioning facilities, room system that detects the presence of the human body in the room and sends a signal to a desired place.
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| Publication number | Publication date |
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| KR100347109B1 (en) | 2002-07-31 |
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