KR20120037977A - 격실의 실내 상태 감시를 위한 초음파 센서를 포함하는 다기능 센서 시스템 및 방법 - Google Patents

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윌렘 에프. 파스버어
피터 디륵센
비주 케이. 스리드하란 나이르
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본원 발명은 격실의 실내 상태를 감시하기 위한 다기능 센서 시스템 및 관련 방법에 관한 것으로서, 온도 센서, 습도 센서, 초음파를 방출하도록 제공되고 초음파를 반사할 수 있는 고정 반사면에 대해 고정 거리에 배치되어 있는 초음파 트랜스듀서를 포함한다. 감시되는 격실의 CO2 농도를 계산하기 위하여 상기 트랜스듀서와 상기 고정 반사면 사이에서의 초음파 전파 속도가 측정되고, CO2 농도는 상기 온도 센서, 상기 습도 센서 및 상기 측정된 전파 시간으로부터 계산된다.

Description

격실의 실내 상태 감시를 위한 초음파 센서를 포함하는 다기능 센서 시스템 및 방법{MULTIFUNCTION SENSOR SYSTEM AND METHOD COMPRISING AN ULTRASONIC SENSOR FOR SUPERVISING ROOM CONDITIONS}
본원발명은, 격실의 실내 상태를 감시하는 다기능 센서 시스템 및 이에 관련된 방법에 관한 것으로, 특히 격실의 실내 대기 상태(atmospherical room condition)를 제어하기 위한 빌딩 관리 시스템을 위한 것이다.
빌딩 관리 시스템은, 예를 들면, 격실에 사람이 있는지 여부, 실내 온도, 습도 및 CO2 농도와 같은, 건물의 격실의 상태에 관한 정보를 필요로 한다. 이 정보에 기초하여 격실의 실내 대기 상태의 제어가 냉난방 및 환기(heating air conditioning and ventilation: HVAC) 시스템에 의해 행해진다.
상기 필요한 정보는 제어될 각 격실에 배치된 다양한 종류의 센서에 의해 제공되는 측정값으로부터 얻어진다. 통상적인 시스템에서, 측정하고자 하는 파라미터에 따라, 예를 들면 현재의 온도 값을 제공하기 위한 온도 센서, 습도 측정을 위한 습도 센서 등과 같은 각 센서가 제공된다. 또한, EP 0 838 792 A2에 개시된 바와 같이, 다양한 종류의 센서를 하나의 다기능 센서 시스템으로 통합하는 것이 알려져 있다. 동 문헌에서 설명된 다기능 센서(multifunction occupancy sensor)는 다양한 종류의 센서 기능을 하나의 센서 장치로 통합하는데, 각각의 다기능 센서는 격실에 사람이 있는지 여부, 실내 조명 레벨, 온도 및 기타 파라미터를 감지하기 위한 다양한 종류의 센서를 포함한다.
지구 환경을 위하여 필수적으로 여겨지는 에너지 절약이 점점 중요해 지고 있다. 북미와 유럽은 에너지 절약 대책의 시행을 법으로 의무화하고 있다. 조명 산업과 건물 자동화에서 센서는 에너지 절약 효과를 달성하기 위한 중요한 요소이다. 특히, 여기서 이 센서는 사람이 격실에 있는지 여부를 감지하는 센서를 말한다.
센서 시스템을 빌딩에 설치하는데 드는 비용을 낮추기 위하여, 특히 센서 시스템이 기존의 건물에 나중에 설치되는 경우에는, 새로운 배선을 설치하지 않고 센서를 각 격실에 설치하는 것이 바람직하다. 이 경우 설치 비용이 낮아지기 때문에 무선 센서를 사용하는데 따르는 추가 비용을 감수할 수 있게 된다. 센서와 측정 데이터를 수신하는 제어 장치 사이의 무선통신을 가능하게 하는 것이 바람직할 뿐 아니라 센서에 무선으로 에너지를 공급하는 것도 바람직하다. 이러한 독립적 에너지 공급은 배터리 전원 센서, 또는, 예를 들면 태양 에너지 또는 그 밖에 다른 유사한 에너지의 사용에 의한 에너지 수확 기술(energy harvesting)에 의하여 달성될 수 있다. 이는 대략 10년 이상의 긴 수명을 보장하는 초저전력 소비 센서로만 구현될 수 있다.
냉난방 및 환기 장치(HVAC)에 의한 제어를 위하여, 온도, 습도, CO2 농도 및 격실에 사람이 있는지 여부는 완전한 격실 제어를 가능하게 하는 매우 중요한 파라미터이다. 더욱이, 실제 CO2 농도가 알려지면, 환기 조정 혹은 경고 신호도 제공될 수 있다. 통상적으로 알려진 시스템에서, 이러한 다양한 파라미터는 각각의 파라미터에 대한 센서를 포함하는 다기능 센서 시스템에 의하여 측정되어야 하는데, 이렇게 되면 센서 시스템의 전체 에너지 소비를 증가시킨다. 격실에 사람이 있는지 여부, 온도, 습도 및 CO2 농도에 대한 센서는 이들 파라미터를 측정하는 하나의 단일 무선 센서 장치로 통합되기 어렵다. 각 파라미터별로 하나의 센서를 갖는 그런 시스템의 전력 요구 조건은 높고, 그러한 전력 요구 조건에 맞추다 보니 다기능 센서 시스템이 배터리와 같은 독립 에너지 공급 장치에 의해 작동되는 경우 그 수명 시간(life time)이 감소된다. 또한, 높은 에너지 소비는 태양전지 등과 같은 독립적인 에너지 수확 기술 수단을 이용하는데 문제를 야기한다.
그러므로 본원발명의 목적은 낮은 설치 노력과 낮은 전력 소비로 격실의 실내 대기 상태를 제어하기 위해 필요한 파라미터 값들을 측정하여 격실의 실내 상태를 감시함으로써, 진정한 무선 센서 시스템을 제공하는 것을 가능케 하고, 설치비용을 낮출 수 있는 다기능 센서 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 온도 센서, 습도 센서, 초음파를 반사할 수 있는 고정 반사면에 대해 고정 거리에 배치되어 초음파를 방출하도록 제공되는 초음파 트랜스듀서, 상기 트랜스듀서와 고정 반사면 사이의 초음파 전파 시간을 측정하는 측정 장치 및 온도 센서와 습도 센서의 출력 값과 측정된 전파 시간으로부터 CO2 농도를 계산하는 계산 장치를 포함하는, 격실의 실내 상태를 감시하는 다기능 센서 시스템에 의하여 달성된다.
본원 발명에 따른 다기능 센서 시스템은 4개의 서로 다른 실내 파라미터를 얻는데 3개의 상이한 감지 유닛만 포함한다. 습도 센서와 온도 센서는 통상적인 방식으로 온도와 습도 값을 측정하도록 제공되는 반면, 초음파 트랜스듀서는 한편으로는 격실에 사람이 있는지 여부를 감지하는데 사용되고 다른 한편으로는 상기 트랜스듀서와 고정 반사면 사이에 방출된 초음파의 전파 시간을 측정하는데 사용될 수 있다. 전파 시간으로부터, 각각의 센서에 의하여 제공된 온도와 습도 값에 의하여 CO2 농도가 얻어질 수 있다.
상기 목적을 위하여 초음파 트랜스듀서를 사용하면, CO2 센서를 사용하지 않는 것이 가능하고, 다기능 센서 시스템 설치 수고와 전체 설치 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 소비까지 추가로 줄일 수 있으며, 완벽하게 무선으로 작동하는 시스템을 구축할 수 있다. 결론적으로, 본원발명에 따른 다기능 센서 시스템의 설치는 용이하고 비용이 많이 들지 않는다. 초음파 트랜스듀서는 통상적으로 격실에 사람이 있는지 여부를 감지하는 것으로 알려져 있고, 초음파 트랜스듀서를 혁신적인 센서 시스템으로 통합하고 CO2 농도를 간접적으로 얻기 위하여 방출된 초음파의 전파 시간 특성(run-time effect)을 사용하는 것은 매우 실용적인 일반 개념을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 초음파 트랜스듀서는 초음파를 전면과 후면에서 방출하도록 제공되고, 상기 다기능 센서 시스템은 초음파 웨이브 가이드를 더 포함하며, 상기 트랜스듀서는 후면이 상기 초음파 웨이브 가이드의 제1 단부를 향하도록 배치된다.
이러한 배치에서, 초음파의 전파 시간은 상기 트랜스듀서의 후면과 고정 반사면 사이에서 측정될 수 있고, 이와 동시에 상기 트랜스듀서의 대향 전면에서 방출된 초음파는 격실에 사람이 있는지 여부를 감지하는데 사용될 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 고정 반사면은 초음파 웨이브 가이드의 대향 제2 단부에 배치된 미러이다.
본원발명의 또 다른 실시예에 따르면, 초음파 웨이브 가이드는 직선 파이프 형상을 갖고, 상기 트랜스듀서의 후면과 미러는 공통 파이프 축 상에서 서로 마주본다.
다른 실시예에 따르면, 초음파 웨이브 가이드는 휘어진 뿔(bended horn) 형상을 갖는다. 휨 파라미터(bending parameter)는 아무런 신호 품질 저하도 유발시키지 않도록 정확히 선택되고, 이에 따라 전체 초음파 트랜스듀서 유닛의 두께가 감소될 수 있다.
본원발명에 따른 빌딩 관리 시스템은 상술한 바와 같은 다기능 센서 시스템과 격실의 실내 상태를 제어하기 위한 제어 장치를 포함한다.
상술한 바와 같은 다기능 센서 시스템에서의 사용을 위한 초음파 트랜스듀서 유닛은, 적어도 후면에서 초음파를 방출하도록 제공된 초음파 트랜스듀서, 상기 트랜스듀서의 후면에서 상기 초음파를 안내하기 위한 초음파 웨이브 가이드, 상기 트랜스듀서에 대향하는 웨이브 가이드의 단부에 배치된 고정 반사면 및 상기 트랜스듀서와 상기 고정 반사면 사이의 초음파 전파 시간을 측정하기 위한 장치를 포함한다.
또한, 바람직한 실시예에서 이러한 초음파 트랜스듀서는 전면에서 초음파를 방출하도록 제공되므로, 해당 방향에서 격실에 사람이 있는지 여부를 감지하는 용도로 초음파 트랜스듀서를 사용할 수 있다.
이러한 수신 유닛은 온도 센서와 습도 센서에 의해 출력된 측정값을 이용해 CO2 농도를 얻기 위한 계산 장치에 연결될 수 있다.
본원 발명에 따른 격실의 실내 상태 감시 방법은 실내 온도를 측정하는 단계, 실내 습도를 측정하는 단계, 초음파 트랜스듀서에서 상기 트랜스듀서로부터 고정 거리에 배치되고 초음파를 반사할 수 있는 고정 반사면으로 초음파를 방출하는 단계, 상기 트랜스듀서와 상기 고정 반사면 사이에서의 초음파 전파 시간을 측정하는 단계와 그 다음 단계로 상기 측정된 실내 온도, 상기 측정된 실내 습도 및 상기 측정된 전파 시간으로부터 CO2 농도를 계산하는 단계를 포함한다.
이 방법은 기체 중 초음파 속도가 온도, 압력 및 분자량을 파라미터로 하는 관계식에 의하여 주어진다는 점에 기초한다. 온도와 습도를 알면, 분자량의 변화가 감지될 수 있고, 이러한 변화는 결과적으로 CO2의 존재를 나타낸다.
본원발명에 따른 이 방법의 바람직한 실시예에서, 격실에 사람이 있는지 여부의 감지는 상기 트랜스듀서에 의해 수행된다. 이는 상기 트랜스듀서가 초음파를 방출하고 수신함으로써 격실에 사람이 있는지 여부를 나타내는 상술한 추가 기능을 갖는다는 것을 의미한다.
하나의 바람직한 실시예에 따르면, 이 방법은 트랜스듀서의 대향면들로부터 초음파를 방출하는 단계를 포함하고, 여기서 격실에 사람이 있는지 여부의 감지는 고정 반사면 반대측의 상기 트랜스듀서의 일 면에서 수행된다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 격실에 사람이 있는지 여부의 감지는 고정 반사면과 마주보는 트랜스듀서의 일 면에서 수행된다.
이러한 본 발명의 진보된 방법의 추가적인 실시예에 따르면, 초음파는 상기 트랜스듀서와 고정 반사면 사이의 웨이브 가이드 내에서 안내된다.
본원 발명에 따른 방법의 바람직한 또 하나의 실시예는, 적어도 상기 측정된 실내 온도 값, 상기 측정된 습도 값 및 상기 측정된 전파 시간을 CO2 농도를 계산하기 위한 계산 장치로 전송하는 단계를 포함한다.
이러한 계산 장치는 빌딩의 격실 내에 있는 다양한 다기능 센서 시스템에 무선으로 연결된 컴퓨터일 수 있다.
본원 발명의 바람직한 실시예에서, 상술한 바의 방법은 사전 정의된 조건 하에서 상기 트랜스듀서와 격벽 구조체(wall structure) 사이에서의 초음파 전파 시간의 측정치에 기초하여 상기 트랜스듀서와 상기 격벽 구조체 사이의 거리를 계산하는 조정(calibration) 단계를 포함할 수 있다.
본 감시 방법의 실시예는, 예를 들어 상기 트랜스듀서와 격벽 구조체 사이의 거리를 알기 위하여 상기 격벽 구조체의 위치에 관하여 자기 학습(self-learning)하는 단계를 포함한다. 다음의 단계에서는, 이 거리가 CO2 농도를 계산하기 위한 파라미터로 사용된다.
상기 조정 단계가 수행되는 사전 정의 조건은 사전 정의된 CO2 농도를 포함할 수 있다. 더 나아가 상기 조정 단계는 사전 정의된 시간대에 수행될 수 있다.
예를 들면, 상기 자기 학습 단계는 야간에 수행되는데, 야간에는 CO2 농도가, 시스템에 알려져 있는 일정한 값을 갖는다고 가정할 수 있다. 또한, 시스템 설치 후에 평균 값으로 측정을 시작하고 이 값을 야간에 사전 정의된 조건하에서 조정할 수 있다.
본원 발명의 더 많은 측면들과 장점이 이하에서 제공되는 상세한 설명에 의하여 분명하게 될 것이다. 본원에서 상세한 설명과 특정 예시는, 본원발명의 예시적인 실시예를 나타낼 뿐이고, 설명의 목적을 위한 것으로만 이해되어야 하며, 본원 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다.
상술한 본원 발명의 특징, 여러 측면들 및 장점은 다음의 첨부 도면을 참조하여 이하의 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본원 발명에 따른 빌딩 관리 시스템의 실시예의 개요를 도식적으로 도시한 도면.
도 2는 본원 발명에 따른 다기능 센서 시스템의 바람직한 실시예를 도식적으로 도시한 도면.
도 1에 도시된 빌딩 관리 시스템은 참조 번호 10으로 통칭하여 표시된 다기능 센서 시스템과 참조 번호 12로 표시된 도면 우측상의 제어 시스템을 포함한다. 다기능 센서 시스템(10)은 빌딩 관리 시스템에 의하여 제어될 빌딩의 격실의 실내 상태를 감독하기 위한 목적으로 제공된다. 이러한 목적을 위하여 격실의 상태에 관한 다양한 파라미터가 다기능 센서 시스템(10)에 의하여 측정되고 얻어지며 제어 시스템(12)으로 무선으로 전송된다. 제어 시스템(12)은 문제가 되는 격실의 실내 대기 상태, 즉 온도, 습도 등을 관리하기 위한 냉난방 및 환기 장치(HVAC) 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들면, 현재의 실내 대기 상태와 격실에 사람이 있는지 여부가 측정되고, 측정된 데이터가 무선으로 다기능 센서 시스템(10)에서 제어 시스템(12)으로 전송되며, 이에 따라 제어 시스템(12)은 실내 냉방, 난방 및 환기를 위한 적절한 값들을 설정하게 된다.
격실의 실내 상태를 감시하는 목적으로 다기능 센서 시스템은 온도 센서(14), 습도 센서(16) 및 초음파 트랜스듀서 유닛(18)을 포함한다. 초음파 트랜스듀서 유닛(18)은 두 가지 기능을 제공한다. 먼저, 초음파 트랜스듀서 유닛(18)은 초음파를 방출하고 반사된 초음파를 수신하여 사람이 격실에 있는지 여부를 검출함으로써 사람이 격실에 있는지 여부를 감지하는 목적으로 사용될 수 있다. 나아가, 초음파 트랜스듀서 유닛(18) 구성의 세부 사항과 관련하여 이하에서 상세하게 설명될 바와 같이, 초음파 트랜스듀서 유닛(18)은 초음파 트랜스듀서 유닛(18)의 일부인 트랜스듀서와 고정 반사면인 반사 격벽 구조체에 의해 방출된 초음파의 전파 시간을 측정하는 목적과, 온도 센서(14)와 습도 센서(16)에 의하여 각각 제공된 온도와 습도의 측정 데이터를 사용하여 상기 측정된 전파 시간으로부터 CO2 농도를 얻는 목적으로 사용된다. 결과적으로, 다기능 센서 시스템은 격실의 실내 조건을 관리하고 제어하기 위한 4가지 중요한 값, 즉 온도, 습도, 사람이 격실에 있는지 여부 및 CO2 농도를 제공한다. 이들 값은 무선 방식으로 제어 시스템(12)에 직접 전송될 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 1에 따른 다기능 센서 시스템(10)에 사용되기 위한 초음파 트랜스듀서 유닛(18)은 직선 파이프 형상의 웨이브 가이드(22)의 한 단부에 배치된 초음파 트랜스듀서(20)를 포함한다. 상기 트랜스듀서(20)는, 그 후면(24)이 상기 파이프(즉, 웨이브 가이드, 22)를 향하도록, 상기 파이프(22)의 한 단부에 배치된다. 초음파 트랜스듀서(20)의 전면(26)은 자유공간이다. 초음파 트랜스듀서(20)의 대향면들인 전면(26)과 후면(24) 양면은 모두 초음파를 방출하도록 제공된다.
상기 파이프(22)의 다른 단부에는 미러(28)가 고정 반사면으로 배치되어, 상기 파이프(22)의 양 단부가 그 한쪽은 상기 미러(28)에 의하여, 다른 한쪽은 상기 트랜스듀서(20)에 의하여 폐쇄된다. 초음파 트랜스듀서(20)를 향하는 상기 미러(28)의 안쪽 면(30)은 초음파 트랜스듀서(20)의 후면(24)에서 파이프(22)를 통하여 미러(28) 방향으로 진행하는 초음파를 반사하는 기능을 갖는다. 상기 트랜스듀서(20)의 후면(24)에서 방출된 초음파의 진행 방향은 화살표 32로 표시되어 있다. 미러의 안쪽 면(30)에서 반사된 초음파의 진행 방향은 또 하나의 화살표 34로 표시되어 있다. 이와 같이 반사된 초음파는 초음파 트랜스듀서(20)의 해당 수신부에 의하여 수신될 수 있다. 또한, 초음파 트랜스듀서 유닛(18)은 상기 트랜스듀서(20)와 상기 미러(28) 사이에서의 초음파 전파 시간을 측정하기 위한 측정 수단을 포함한다. 이러한 목적을 위하여, 측정 장치(36)가 제공되어, 거리 2L에 걸친 초음파 전파 시간을 측정하여 자동으로 도출하는데, 여기서 2L은 상기 트랜스듀서(20)와 미러(28) 사이의 파이프(22) 길이 L의 2배이다. 측정 장치(36)가 개념적으로만 도해되었지만 어떤 형태로도 다기능 센서 시스템(10)의 일부로 제공될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 본원 발명의 목적을 위하여 상기 트랜스듀서(20)의 후면(24)에서의 초음파 방출 시점과 상기 트랜스듀서(20)에서의 반사된 초음파 수신 시점 사이의 시간을 측정하기 위한 것이라면 어떤 장치도 사용될 수 있다.
상기 파이프(22)에는 상기 파이프(22)의 측벽에서의 대향하는 2 측면에 2개의 공기 주입구(38, 40)가 제공된다. 공기 주입구(38, 40)를 통하여 주위 공기가 상기 파이프(22) 내로 유입되어 상기 웨이브 가이드(22) 내의 대기 상태가 격실의 실내 상태와 동일하게 된다.
상기 파이프(22)를 채운 공기에서의 CO2 농도는 측정된 초음파 전파 시간으로부터 다음의 방법에 의하여 도출된다. 고정 거리 상에서, 공기에서의 초음파 흡수는 CO2의 함량의 함수일 것이다. 초음파 트랜스듀서(20)와 미러(28) 사이의 거리가 고정 거리 L이라는 점에 기초하여, 전파 시간(ToF) 측정으로부터 흡수 계수(absorption coefficient)를 계산하는 것이 가능하다.
음파의 속도는 온도, 압력, 습도 및 CO2 함유량의 함수이고, 이를 보이면 다음의 수학식 (1)로 주어진다.
Figure pct00001
수학식 (1)에서, C0는 음파의 영 주파수 속도(zero frequency speed)이고, t는 섭씨 온도이고, xw 및 xc는 각각 수증기와 이산화탄소의 몰 분율이고, p는 Pa(N/m2) 단위의 압력이다. 계수 ai는 사전 정의된 상수로 룩업 테이블로부터 찾을 수 있다.
고정 거리 L에 대해, 전파 시간(ToF)은 다음의 수학식 (2)에 의하여 주어진다.
Figure pct00002
전파 시간(ToF)은, 상기 주어진 수학식 (1)에 따라 기체의 압력, 온도 및 분자량의 변화에 의해 여기되는 속도 변화에 따라 변한다. 온도와 습도가 습도 센서(16)와 온도 센서(14)에 의하여 직접 측정될 수 있으므로, 분자량의 변화가 감지될 수 있고, 분자량의 변화는 결과적으로 CO2의 존재를 나타내게 된다. 수학식 (1)에서 압력을 포함하는 항들은 관련 상수 ai가 매우 작은 값이기 때문에 무시할 만하다고 가정한다. 그렇지만, 압력의 영향이 있다고 고려하여 적당한 압력 센서로 압력 값을 측정하고 측정된 값을 수학식 (1)에 따른 계산에 넣는 것도 가능하다.
온도 센서(14) 및 습도 센서(16)로부터의 측정값들과 측정 유닛 (36)에 의해 측정된 전파 시간(ToF)으로부터 CO2 농도를 계산하기 위한 계산 수단은 습도 센서(16)와 온도 센서(14) 근처의 트랜스듀서 유닛(18)에 직접 배치된 계산 장치(42)일 수 있다(도 1 참조). 예를 들면, 초음파 트랜스듀서 유닛(18), 온도 센서(14), 습도 센서(16) 및 계산 장치(42)를, 모니터하고자 하는 격실에 설치되는, 하나의 독립적인 장치로 통합하는 것이 가능하다. 또 다른 실시예에 따르면, 계산 장치(42)를 빌딩 관리 시스템의 다른 일부에 원격 유닛으로서 배치하는 것이 가능한데, 예를 들면 빌딩의 중앙 통제소(central place)에 있는 제어 시스템(12) 가까이에 계산 수단(42)을 배치하여, 온도 센서(14)와 습도 센서(16)의 출력 값들과 측정된 전파 시간(ToF)이 계산 장치(42)에 연결된 수신 유닛으로 무선 방식에 의해 전송되도록 함으로써 CO2 농도 계산이 측정 장소와 별도의 장소에서 수행될 수 있도록 할 수 있다. 압력 값을 제공할 목적의 부가적인 센서로 압력 센서가 제공되는 경우에는, 압력 센서의 출력 값이, 온도 센서(14)와 습도 센서(16)의 출력 값과 같은 방식으로, 계산 장치(42)로 전송되어야 한다는 점이 이해되어야 한다.
격실에 사람이 있는지 여부가 실내 상태에 관한 추가 파라미터로서 초음파 트랜스듀서 유닛에 의하여 검출될 수 있다. 이와 같은 목적을 위하여, 초음파는 트랜스듀서(20)의 전면(26)에서 방출된다(도 2). 상기 전면(26)의 앞쪽에 사람이 있는지 여부 감지는 상기 트랜스듀서(20)에 도달한 반사 초음파로부터 이루어진다. 상기 전면(26)에서 방출된 초음파의 주된 전파 방향이 화살표 44로 표시되어 있고, 반사파는 또 다른 화살표 46으로 표시되어 있다. 격실에 사람이 있는지 여부는 격실의 실내 상태를 관리하기 위한 또 다른 중요한 파라미터이고, 따라서 격실에 사람이 있는지 여부에 관한 정보 역시 빌딩 관리 시스템의 제어 시스템(12)으로 전송된다. 예를 들어, 격실에 사람이 있는지 여부에 따라 각각의 격실에 있는 전등을 점등하거나 소등하는 것이 가능하다.
본원 발명에 따른 다기능 센서 시스템은 중요한 모니터링 파라미터, 즉 온도, 습도, CO2 농도 및 격실에 사람이 있는지 여부를 온도 센서, 습도센서 및 사람이 격실에 있는지 여부와 전파 시간을 동시에 측정하는 목적의 초음파 트랜스듀서에 의해 제공한다는 점이 상술한 바로부터 명확하다. 필요한 경우에는 언제든지 압력이 추가적인 모니터링 파라미터로 측정되어 격실의 실내 조건에 관한 추가 정보를 제공한다.
에너지를 소모하는 센서 장치를 단지 3개만 사용하는 것만으로도 다기능 센서 시스템의 에너지 소모를 낮출 수 있다. 이런 이유로, 배터리, 주변 환경으로부터 에너지를 수집할 수 있는 태양 전지 따위의 독립적인 에너지원(energy source)이 도 1의 다기능 센서 시스템(10)에 제공될 수 있다. 또한, 온도 센서(14), 습도 센서(16) 및 초음파 트랜스듀서 유닛(18) 각각에 독립적인 에너지 공급 장치를 장착할 수 있다. 무선 통신이 제공되므로, 에너지 공급을 위한 격실 내 배선이 필요하지 않고 다기능 센서 시스템(10)의 설치가 용이하며 설치에 비용이 많이 들지 않는다. 이는 다른 장점들과 함께 다기능 센서 시스템이 격실의 배선 변경 없이 빌딩 내에서 용이하게 이용될 수 있게 한다.
시중에서 입수 가능한 센서 장치는 이미 매우 낮은 전력 소비 특성을 갖는다. 예를 들어, Sensirion으로부터 입수할 수 있는 SHT75와 같은 센서는 온도 혹은 습도 측정을 위해 사용될 수 있는데, (14비트의 정밀성이 요구되는 경우) 동 센서는 최대 210ms 동안 ca. 500㎂를 사용한다. 이 센서가 슬립 모드(sleep mode)에 있는 경우 단지 0.3㎂를 소모한다. 이 센서를 위한 가능한 마이크로콘트롤러는 ca. 0.3 ~ 0.5㎂의 매우 낮은 슬립 모드 전류 소모를 갖는 No. MSP430이다. 이와 같은 센서로, 필요한 낮은 에너지 소모 특성이 쉽게 얻어질 수 있다.
본원 발명은, 도 2에 도시된 바와 같은 직선 파이프를 초음파 웨이브 가이드로 이용하는 것으로 제한되지 않는다. 또한, 신호 품질 저하가 발생하지 않도록 휨 파라미터(bending parameter)를 적절히 선택하여 휘어진 뿔 형상을 웨이브 가이드로 이용할 수 있고, 이에 따라 전체 장치의 두께가 감소될 수 있다.
본원 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 초음파 트랜스듀서(20)의 후면 방향으로 사전에 정의된 거리에 고정된 미러를 갖는 파이프 구조가 필요 없다. 이러한 경우, 시스템은 자기 학습(self-learning) 혹은 자기 조정(self-calibration) 기능을 갖고 있어 상기 트랜스듀서(20)와 반사 격벽 구조체 사이의 고정 거리를 계산할 수 있다. 이와 같은 조정은 사전에 정의된 조건하에서의 상기 트랜스듀서와 격벽 구조체 사이의 초음파 전파시간 측정에 기초하여 이루어진다. 사전에 정의된 조건은 알려진 CO2 농도를 포함하는데, CO2 농도는, 예를 들어, 사전 정의된 특정 시간대에서의 CO2 농도이다. 예를 들어, 야간의 실내 CO2 농도가 알려져 있을 수 있다. 이에 기초하여, 상술된 자기 조정은 사전 정의된 야간 시간대에 이루어질 수 있다. 또한, 시스템 설치 직후 주어진 CO2 농도 평균값으로 측정을 시작하고 알려진 CO2 농도로 사전 정의된 조건하에서 야간에 시스템을 조정하는 것이 가능하다. 일단 상기 거리가 계산되면, 전파 시간 측정이, 상술한 바와 같이 진행되어 CO2 농도를 도출할 수 있다.
상기 설명은 단지 본원 발명을 설명하기 위한 것이고 첨부된 청구항들의 청구범위를 어떤 특정한 실시예 또는 관련 있는 복수의 실시예로 제한하는 것으로 고려되어서는 안된다. 본원 발명이 특정 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었으나, 청구항에 제시된 본원 발명의 의미와 범위로부터 벗어나지 않고도 상기 실시예에 대한 다양한 수정 및 변경이 가해질 수 있다. 따라서 본원 상세한 설명과 도면은 설명 수단으로 취급되어야 하고 청구항의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 청구항에서 "포함"이라는 용어는 다른 요소나 단계를 제외하는 것이 아니며 "단수" 표현은 복수를 제외하지 않는다. 청구항에 있는 어떤 참조 부호도 청구범위를 제한하는 것으로 취급되어서는 안된다.

Claims (15)

  1. 온도 센서(14),
    습도 센서(16),
    초음파를 방출하도록 제공되고 초음파를 반사할 수 있는 고정 반사면에 대해 고정 거리에 배치되어 있는 초음파 트랜스듀서(20),
    상기 트랜스듀서와 상기 고정 반사면 사이에서의 초음파 전파 시간(time of flight of ultrasonic waves)을 측정하기 위한 측정 장치(36) 및
    상기 온도 센서와 상기 습도 센서의 출력 값들과 상기 측정된 전파 시간으로부터 CO2 농도를 계산하기 위한 계산 장치(42)를 포함하는 격실의 실내 상태를 감시하기 위한 다기능 센서 시스템(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서(20)는 전면(26)과 후면(24)을 갖고 상기 전면과 상기 후면에서 초음파를 방출하며, 상기 다기능 센서 시스템(10)은 초음파 웨이브 가이드(22)를 더 포함하고, 상기 트랜스듀서(20)는 상기 후면(24)이 상기 초음파 웨이브 가이드(22)의 제1 단부를 향하도록 배치된, 격실의 실내 상태를 감시하기 위한 다기능 센서 시스템(10).
  3. 제2항에 있어서, 상기 고정 반사면은 상기 초음파 웨이브 가이드(22)의 대향하는 제2 단부에 배치된 미러(28)인, 격실의 실내 상태를 감시하기 위한 다기능 센서 시스템(10).
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 초음파 웨이브 가이드(22)는 직선 파이프 형상을 갖고, 상기 트랜스듀서(20)의 후면(24)과 미러(28)는 파이프의 공통 축상에서 서로 마주보는, 격실의 실내 상태를 감시하기 위한 다기능 센서 시스템(10).
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 초음파 웨이브 가이드(22)는 휘어진 뿔(bended horn) 형상을 갖는, 격실의 실내 상태를 감시하기 위한 다기능 센서 시스템(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 다기능 센서 시스템(10)을 포함하고, 하나 또는 둘 이상의 격실의 실내 상태를 제어하기 위한 하나 이상의 제어 장치(12)를 포함하는 빌딩 관리 시스템.
  7. 제1항에 따른 다기능 센서 시스템(10)에 사용하기 위한 초음파 트랜스듀서 유닛(18)으로서,
    전면(26)과 후면(24)을 갖고 적어도 상기 후면(24)에서 초음파를 방출하도록 제공되는 초음파 트랜스듀서(20),
    상기 트랜스듀서(20)의 상기 후면(24)에서 상기 초음파를 안내하기 위한 초음파 웨이브 가이드(22),
    상기 트랜스듀서(20)와 대향하는, 상기 웨이브 가이드(22)의 단부에 배치된 고정 반사면 및
    상기 트랜스듀서(20)와 상기 고정 반사면 사이에서의 초음파 전파 시간을 측정하는 측정 장치(36)를 포함하는 초음파 트랜스듀서 유닛(18).
  8. 제7항에 있어서, 상기 초음파 트랜스듀서(20)는 또한, 상기 전면(26)에서 초음파를 방출하도록 제공되는, 초음파 트랜스듀서 유닛(18).
  9. 격실의 실내 상태를 감시하는 방법으로서,
    격실의 실내 온도를 측정하는 단계,
    격실의 실내 습도를 측정하는 단계,
    초음파 트랜스듀서(20)로부터, 상기 트랜스듀서(20)에 대해 고정 거리에 배치된, 초음파를 반사하는 기능을 갖는 고정 반사면으로, 초음파를 방출하는 단계,
    상기 트랜스듀서(20)와 상기 고정 반사면 사이의 초음파 전파 시간을 측정하는 단계 및
    상기 측정된 격실의 실내 온도, 상기 측정된 격실의 실내 습도 및 상기 측정된 전파 시간으로부터 CO2 농도를 계산하는 단계를 포함하는 격실의 실내 상태를 감시하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 트랜스듀서(20)에 의하여 격실에 사람이 있는지 여부의 감지(occupancy detection)를 수행하는 단계를 포함하는 격실의 실내 상태를 감시하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 트랜스듀서(20)의 대향면들(24, 26)에서 초음파를 방출하는 단계를 포함하고, 격실에 사람이 있는지 여부의 감지는 상기 고정 반사면과 대향하는 상기 트랜스듀서(20)의 면에서 수행되는, 격실의 실내 상태를 감시하는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 격실에 사람이 있는지 여부의 감지는 상기 고정 반사면을 향하는 상기 트랜스듀서(20)의 면에서 수행되는, 격실의 실내 상태를 감시하는 방법.
  13. 제9항 내지 제12항 중 하나 한 항에 있어서, 상기 트랜스듀서(20)와 상기 고정 반사면 사이에서의 초음파를 웨이브 가이드(22) 내에서 안내하는 단계를 포함하는 격실의 실내 상태를 감시하는 방법.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 측정된 격실의 실내 온도 값, 상기 측정된 습도 값 및 상기 측정된 전파 시간 값을 CO2 농도 계산을 위한 계산 장치로 전송하는 단계를 포함하는, 격실의 실내 상태를 감시하는 방법.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 사전 정의된 조건하에서의, 상기 트랜스듀서(20)와 상기 고정 반사면 사이의 초음파 전파 시간 측정에 기초하여 상기 트랜스듀서(20)와 상기 고정 반사면 사이의 거리를 계산하는 조정(calibration) 단계를 포함하는 격실의 실내 상태를 감시하는 방법.
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