KR20090016314A - 센서 신호에서 노이즈를 제거하는 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 센서신호에서 노이즈를 제거하는 방법 및 그 장치는 센서신호에서 노이즈를 제거하는 방법에 있어서, 상기 센서신호에 부가된 노이즈의 주기성을 확인하는 단계; 상기 노이즈 특성이 반영될 수 있는 샘플링 비율로 상기 센서신호를 샘플링하는 단계; 상기 샘플링된 값과 직전에 샘플링된값의 변화량이 소정의 임계치내에 있으면 그 값을 선택하는 단계; 및 샘플링 단계와 임계치와 비교한 후 선택하는 단계를 일정한 시간동안 반복한 뒤 얻어지는 값들의 평균값을 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하며, 센서 신호에 포함되는 주기적인 전원 노이즈 또는 비주기적인 고주파 노이즈에 영향을 받지 않도록 샘플링된 센서 신호에서 노이즈를 제거하여 센서 신호가 어떠한 노이즈에도 영향을 받지 않게 된다.

Description

센서 신호에서 노이즈를 제거하는 방법 및 그 장치{Method for eliminating noise from sensor signal and apparatus thereof}

본 발명은 빌딩 자동화 시스템에서 센서 신호에 포함되는 주기적인 전원 노이즈 혹은 비주기적인 고주파 노이즈에 영향을 받지 않도록 샘플링된 센서 신호에부가된 노이즈를 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 빌딩자동화 시스템에서 센서 신호에 노이즈가 섞이게 되면 정확한 센서 신호의 측정이 어렵다. 센서 신호에 가장 크게 작용하는 노이즈는 전원 노이즈로 주기성을 갖는 노이즈이다. 전원 케이블 및 패턴이 신호 센서 라인에 근접해 있는 경우 노이즈가 센서 신호에 섞이게 되며 주기적인 형태를 갖는 교류 전원신호가 직류 센서 신호에 유도되어 교류성분을 갖는 직류의 형태로 나타난다. 또한 전원케이블에 연결된 스위치, 릴레이 등의 스위칭 소자 및 RF(Radio Frequency)기기에 의한 비주기적인 고주파의 스위칭 노이즈가 전원라인을 통해 유도되어 임펄스형태의 고주파 노이즈로 나타난다.

종래에는 센서 라인에 전원라인이 근접해 있는 경우 전원 노이즈가 센서 신호에 유도되는 것을 방지하기 위하여 지연 필터 및 대용량 커패시터(콘덴서)를 사 용하여 노이즈에 의한 변화를 일정 시간 동안 지연 시킨 후에 인식하는 방법을 사용하였다.

그리고 전원 주파수의 주기성을 이용하여 1주기 또는 반주기당 2번의 샘플링을 하여 평균을 구하거나, 고주파 노이즈를 제거하기 위하여 1주기 또는 반주기당 소정 수의 샘플링을 하여 최대값과 최소값을 버리고 정 중앙에 위치한 일정 개수의 샘플값을 평균하는 메디안 필터를 이용했다.

지연 필터 및 대용량 커패시터를 사용할 경우 지연시간으로 인해 즉각적인 센서 신호를 인식 할 수 없으며, 연속적인 전원노이즈인 경우에는 제거할 수 없는 단점이 있다. 또한, 전원 스위칭등에 의한 고주파 신호는 제거할 수 없다.

전원 주파수의 주기성을 이용하여 노이즈를 제거하는 방법은 비주기적인 노이즈에 대해서는 대처가 어렵고 최종적으로 얻게 되는 값이 중간값들의 평균값이기 때문에 큰 값의 노이즈가 발생할 경우 실제 값과 차이가 많이 나게 되는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 샘플링한 센서 신호의 값을 이전 값과 비교하여 차이를 구하고 제한된 범위 안에 있으면 그 값을 채택하고 제한된 범위를 넘어서는 고주파 성분 의 값이면 제외하여 단위 회수당 채택된 샘플링 값들의 평균값을 구하는 방식을 적용함으로써, 센서 신호에 포함되는 주기적인 전원 노이즈 또는 비주기적인 고주파 노이즈에 영향을 받지 않도록 센서 신호를 샘플링하여 궁극적으로 그러한 노이즈를 제거하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 센서 신호에서 잡음을 제거하는 방법은 센서신호에서 노이즈를 제거하는 방법에 있어서, 상기 센서신호에 부가된 노이즈의 주기성을 확인하는 단계; 상기 노이즈 특성이 반영될 수 있는 샘플링 비율로 상기 센서신호를 샘플링하는 단계; 상기 샘플링된 값과 직전에 샘플링된값의 변화량이 소정의 임계치내에 있으면 그 값을 선택하는 단계; 및 샘플링 단계와 임계치와 비교한 후 선택하는 단계를 일정한 시간동안 반복한 뒤 얻어지는 값들의 평균값을 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 센서 신호에서 잡음을 제거하는 장치는 센서신호에 부가된 노이즈의 주기성을 결정하는 주기성판단부; 상기 주기에 따른 노이즈 특성이 선택될 수 있는 샘플링 비율로 상기 센서신호를 샘 플링하는 샘플링부; 상기 샘플링된 값과 직전에 샘플링된값의 변화량이 소정의 임계치내에 있으면 그 값을 선택하는 비교부; 및 일정한 시간동안 상기 비교부가 선택하여 출력하는 값들의 평균값을 구하는 평균부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 센서 신호에서 잡음을 제거하는 장치 및 방법은 센서 신호에 포함되는 주기적인 전원 노이즈 또는 비주기적인 고주파 노이즈에 영향을 받지 않도록 샘플링된 센서 신호에서 노이즈를 제거하여 센서 신호가 어떠한 노이즈에도 영향을 받지 않게 된다.

샘플링한 센서 신호의 값을 이전 값과 비교하여 차이를 구하고 제한된 범위 안에 있으면 그 값을 채택하고 제한된 범위를 넘어서는 고주파 성분의 값이면 제외하여 단위 회수당 채택된 샘플링 값들의 평균값을 구하는 방식을 취하기 때문에 전원 노이즈와 고주파 노이즈를 동시에 제거할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명에 의한 센서 신호에서 노이즈를 제거하는 방법의 과정을 보여주는 흐름도이고, 도 2는 본 발명에 의한 센서 신호에서 노이즈를 제거하는 장치의 구성을 보여주는 블록도이다. 도 3은 교류인 전원신호가 직류인 센서신호에 유도되어 센서 케이블에 나타나는 노이즈 신호를 보여주는 도면이고, 도 4는 고주파 노이즈가 포함된 센서 케이블 신호이며, 도 5는 노이즈가 포함된 케이블 신호를 샘플링하는 모습을 보여주는 도면이다.

본 발명에서는 연속(continuous) 데이터의 고주파 성분을 제거하고 저주파 성분만을 채택하여 이산(discrete) 데이터를 얻어내는 방식을 사용한다. 먼저, 제거해야 할 두 가지 노이즈의 특성은 다음과 같다.

1. 전원 노이즈

주기적인 형태로 나타나며 보통 50~60Hz의 주파수로 나타난다.

2. 고주파 노이즈

임펄스 형태로 아주 짧은 시간에 큰 값으로 나타나며, 스위치, 릴레이 등의 스위칭 소자 및 RF기기 등에 의해 유도된다.

전원 신호는 50~60Hz의 주기적인 특성을 가지므로 주기적인 노이즈의 제거를 위해서는 전원 주파수의 2배수에 해당하는 샘플링을 해야 하므로 8.3ms에 한 번씩 샘플링하는 것을 기본으로 한다. 비 주기적인 임펄스성의 고주파 노이즈도 이러한 샘플링 방법으로 제거가 가능하다.

샘플링한 값과 이전 샘플링한 값의 차이가 임의로 지정한 제한된 범위에 있으면 채택하고 범위외에 있으면 버린다. 이러한 방식으로 예를 들어, 연속 10회 샘플링한 값 중에 채택된 값의 평균값을 최종 인식된 값으로 결정한다. 이렇게 되면 1초당 12개의 최종 결정된 값을 얻을 수 있다.

도 3에서는 AC 24V의 전원신호가 DC 3V의 센서신호에 유도되어 센서 케이블에 나타나는 노이즈 신호를 도시하고 있다. 노이즈가 포함된 센서케이블 신호는 DC 3V + AC 50mV로 주기가 60Hz이다. 1주기를 초로 환산하면 1/60 초 즉, 16.7ms가 된다.

도 4에서는 센서 케이블 주변에 있는 전원측의 스위치, 릴레이 또는 RF 기기의 스위칭에 따른 고주파 노이즈가 포함된 센서 케이블 신호를 도시하고 있다. 고주파의 노이즈는 순간적으로 높은 값을 나타내는 임펄스 형태로 유도되며 도 3에서 나타난 전원 노이즈도 같이 포함되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같은 두 가지 종류의 노이즈를 효과적으로 제거하기 위한 본 발명에 의한 노이즈 장치와 방법을 아래에서 도 1내지 도 3을 참조하면서 설명하도록 한다. 설명의 편의와 이해의 용이함을 위하여 방법과 장치를 함께 서술하도록 한다.

주기성판단부(210)는 도 3과 같이 센서신호에 부가된 각 노이즈의 주기성을 판단한다(S110 단계). 샘플링부(220)는 주기성판단부가 판단하여 결정한 그 주기에 따른 노이즈 특성이 선택될 수 있는, 즉 전원 신호의 주기 또는 고주파성 노이즈의 주기등 상이한 주기를 가지는 노이즈의 특성(전원에 의한 노이즈인지 혹은 고자파에 의한 노이즈인지)이 나타날 수 있는 샘플링 비율로 상기 센서신호를 샘플링한다. 즉 도 3을 보면 노이즈가 포함된 센서 케이블의 신호를 8.3ms에 마다 샘플링하는 것을 보여 주고 있다. 전원 노이즈의 16.7ms(1/(60Hz))이므로 주기적인 노이즈의 제거를 위해서는 전원 주파수의 2배수에 해당하는 샘플링을 해야 하므로 8.3ms에 한 번씩 샘플링을 한다(S120 단계).

비교부(230)는 상기 샘플링된 값과 바로 직전 샘플링 시간에 샘플링된값의 변화량이 소정의 임계치내에 있으면 그 값을 선택한다. 즉 매번 샘플링을 할 때 마다 a-b, b-c, c-d, d-e 등과 같이 이전값에서 현재 샘플링 된 값을 뺄셈 연산한다. 뺄셈 연산을 한 결과가 ΔD(임계치)보다 작을 경우 제한된 범위 이내에 있으므로 현재 샘플링 된 값이 채택되게 된다. ΔD는 고주파 성분을 제거하기 위한 설정값으로서 센서타입 및 측정하고자 하는 데이터의 특성에 따라 알맞게 설정한다. 예를 들어 온도를 측정하는 센서의 경우를 살펴보면, 온도는 매우 짧은 시간에 크게 변화하지 않으며 실제로도 온도 센서는 1초 동안에 1℃이상 변화하지 않는다. 그러므로 ΔD 값을 1초에 1℃변하는 값으로 설정하는 것이 바람직하게 된다(S130 단계).

샘플링된 10개의 값 중에 연산 결과가 ΔD(도면에서는 직접 도시하지 않았지만 위에서 설명한대로 센서에 따라 결정할 수 있으며, 도 5의 502,503등 노이즈의 피크를 감안하여 설정하는 것이 바람직하다)보다 큰 i,j값(고주파 성분)을 제외한다. 즉 i에서의 샘플링 값(501)에서 직전의 샘플링 값 즉 h에서의 샘플링 값을 뺀 값이 ΔD보다 크고, j에서의 샘플링 값(504)에서 직전의 샘플링 값 즉 i에서의 샘플링값(501)이 ΔD보다 크다. 따라서 이 구간에서는 높은 피크 전압을 가지는 노이즈 성분(502,503)이 포함되어 있는 것을 알 수 있으므로 제외하게 되는 것이다. 따라서 이들을 제외한 a,b,c,d,e,f,g,h에서 샘플링된 값 8개를 채택한다(S140 단계). 이 선택된 값들이 사용자에 의하여 선택된 시간동안 샘플링을 수행한 결과인지 판단하여 이를 만족하면 평균부로 출력하고, 그렇지 않으면 다시 샘플링을 수행한다(S150 단계).

평균부(240)는 상기 비교부가 선택하여 출력하는 값들의 평균값을 구한다. 위의 예에서 채택된 8개의 값을 평균한 값이 최종 결과 값으로 출력된다. 즉 최종 결과 값은 ((a+b+c+d+e+f+g+h)에서의 각 샘플링값)/8이 된다. 이것을 일반식으로 표현하게 되면 F(t) = ∑ f(t)/N 이 된다(S160 단계). 여기서 N은 샘플링 개수, f(t)는 샘플링 타임에서의 샘플링 값이다. 이제, 최종 결과 값이 83ms 마다 하나씩 나오게 되므로 1초당 12개의 값을 얻을 수 있다. 1초당 12개의 값으로 정확한 데이터를 수집하여 실시간 제어를 할 수 있게 된다. 이러한 방법으로 전원 노이즈 및 고주파 노이즈를 효과적으로 제거 할 수 있다.

본 명세서에서 개시된 장치 및 방법에서 사용되는 기능은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 센서 신호에서 노이즈를 제거하는 방법의 과정을 보여주는 흐름도이다.

도 2는 본 발명에 의한 센서 신호에서 노이즈를 제거하는 장치의 구성을 보여주는 블록도이다.

도 3은 교류인 전원신호가 직류인 센서신호에 유도되어 센서 케이블에 나타나는 노이즈 신호를 보여주는 도면이다.

도 4는 고주파 노이즈가 포함된 센서 케이블 신호이다.

도 5는 노이즈가 포함된 케이블 신호를 샘플링하는 모습을 보여주는 도면이다.

Claims (11)

1. 센서신호에서 노이즈를 제거하는 방법에 있어서,

   (a) 상기 센서신호에 부가된 노이즈의 주기성을 확인하는 단계;

   (b) 상기 노이즈 특성이 반영될 수 있는 샘플링 비율로 상기 센서신호를 샘플링하는 단계;

   (c) 상기 샘플링된 값과 직전에 샘플링된값의 변화량이 소정의 임계치내에 있으면 그 값을 선택하는 단계; 및

   (d) 상기 (b) 내지 (c)단계를 일정한 시간동안 반복한 뒤 얻어지는 값들의 평균값을 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서신호에서 노이즈를 제거하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 샘플링 비율은

   상기 노이즈의 한 주기당 적어도 2개 이상의 샘플링 값을 갖도록 정해지는 것을 특징으로 하는 센서신호에서 노이즈를 제거하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 (c)단계는

   (c1) 상기 직전에 샘플링된 값에서 현재 샘플링된 값을 빼는 단계;

   (c2) 상기 (c1)단계 결과와 상기 임계치를 비교하는 단계; 및

   (c3) 상기 임계치보다 작으면 선택하고, 크면 폐기하는 단계;를 포함하는 것 을 특징으로 하는 센서신호에서 노이즈를 제거하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 임계치는

   상기 센서신호를 출력하는 센서의 종류에 따라 정해지는 것을 특징으로 하는 센서신호에서 노이즈를 제거하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 임계치는

   상기 센서가 인지하는 주변정보가 시간에 따른 변화가 크면 그 변화를 나타낼 수 있는 큰 값을 가지고, 시간에 따른 변화가 작으면 그에 비례하여 작은 값을 가지는 것을 특징으로 하는 센서신호에서 노이즈를 제거하는 방법.
6. 센서신호에 부가된 노이즈의 주기성을 결정하는 주기성판단부;

   상기 주기에 따른 노이즈 특성이 선택될 수 있는 샘플링 비율로 상기 센서신호를 샘플링하는 샘플링부;

   상기 샘플링된 값과 직전에 샘플링된값의 변화량이 소정의 임계치내에 있으면 그 값을 선택하는 비교부; 및

   일정한 시간동안 상기 비교부가 선택하여 출력하는 값들의 평균값을 구하는 평균부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서신호에서 노이즈를 제거하는 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 샘플링부는

   상기 노이즈의 한 주기당 적어도 2개 이상의 샘플링 값을 갖도록 상기 센서신호를 샘플링하는 것을 특징으로 하는 센서신호에서 노이즈를 제거하는 장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 비교부는

   상기 직전에 샘플링된 값에서 현재 샘플링된 값을 뺀 후 사전에 설정된 상기 임계치와 비교하여 그 결과가 상기 임계치보다 작으면 선택하여 상기 평균부로 출력하고, 크면 폐기하는 것을 특징으로 하는 센서신호에서 노이즈를 제거하는 장치.
9. 제6항에 있어서, 상기 임계치는

   상기 센서신호를 출력하는 센서의 종류에 따라 정해지는 것을 특징으로 하는 센서신호에서 노이즈를 제거하는 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 임계치는

    상기 센서가 인지하는 주변정보가 시간에 따른 변화가 크면 그 변화를 나타낼 수 있는 큰 값을 가지고, 시간에 따른 변화가 작으면 그에 비례하여 작은 값을 가지는 것을 특징으로 하는 센서신호에서 노이즈를 제거하는 장치.
11. 센서신호에서 노이즈를 제거하는 방법에 있어서,

    (a) 상기 센서신호에 부가된 노이즈의 주기성을 확인하는 단계;

    (b) 상기 노이즈 특성이 반영될 수 있는 샘플링 비율로 상기 센서신호를 샘 플링하는 단계;

    (c) 상기 샘플링된 값과 직전에 샘플링된값의 변화량이 소정의 임계치내에 있으면 그 값을 선택하는 단계; 및

    (d) 상기 (b) 내지 (c)단계를 일정한 시간동안 반복한 뒤 얻어지는 값들의 평균값을 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서신호에서 노이즈를 제거하는 방법을 컴퓨터에서 실행시킬 수 있는 프로그램을 기록한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체.

Images