KR20190087147A - 비접촉 온도 감지센서를 이용한 열원 인식 방법 및 풍향 자동조절장치 - Google Patents

비접촉 온도 감지센서를 이용한 열원 인식 방법 및 풍향 자동조절장치 Download PDF

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Abstract

비접촉 온도 감지센서를 이용한 열원 인식 방법 및 풍향 자동조절장치에 관한 것이다.
열원 인식 방법은 열화상 영상을 획득 및 이진화하는 단계, 열원 도심 좌표 및 표준편차를 연산하는 단계, 표준 편차가 임계치를 넘었는지 판단하는 단계, 도심이 열원 영역 내에 있는지 판단하는 단계, 수평 히스토그램을 그리고 열화상을 분할하는 단계, 분할된 열화상에 대하여 각각 도심을 구하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

비접촉 온도 감지센서를 이용한 열원 인식 방법 및 풍향 자동조절장치{Heat source recognition and the air flow direction automatic controlled apparatus using noncontact temperature sensor}
본 발명은 비접촉 온도 감지센서를 이용한 열원 인식 방법 및 풍향 자동조절장치에 관한 것이다.
더욱 구체적으로는 비접촉 온도를 계측하여 열원부를 감지하여 열원 지향형 풍향 자동 제어함으로써 전기 소비량을 줄이고 사용자의 쾌적감을 향상시킬 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 가전업계에서는 카메라 방식의 인체감지센서 및 균일한 온도 기류제어 기능을 탑재한 스마트 에어컨을 출시 중에 있다.
천정 부착형 에어컨에서 수평기류를 제어하여 공조 영역의 온도를 균일하게 유지시켜줌으로써 넓은 영역 내 다수의 사람이 유사한 쾌적감을 느끼게 해준다.
또 다른 제품은 카메라 타입 인체감지센서를 활용해 사람 위치를 감지하여 자동으로 바람 방향 조절을 조절해주는 기능을 구현한 것도 있다.
그러나, 카메라로 인체를 감지하는 데는 조명등 여러 인자들에 의해 인식이 용이하지 않으며, 특히 사용자의 체온을 감지할 수 없어 넓은 공간을 불필요하게 냉방함에 따라 과도하게 전력소비가 되며, 재실자 체온 및 주변온도에 따른 온도 제어가 아니다 보니 과냉시 냉방병 유발이 우려되며, 고온시 온열 불쾌감을 야기시킬 수 있는 단점을 가지고 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
한국등록특허공보 제10-1350922호(2014.01.07) 한국등록특허공보 제10-1786525호(2017.10.11) 한국등록특허공보 제10-1477233호(2014.12.22)
본 발명은 전술한 바와 같이 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 공조기에 비접촉 온도감지 및 제어모듈을 장착하여, 재실자 열원 지향 맞춤형 공조제어를 수행함으로써 재실자 열적 쾌적성을 향상시키며 열원 지향 풍향 제어를 통하여 소비전력 저감 기능을 가지게 되는 열원 감지형 공조 자동조절 시스템 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 재실자 정보를 입체적으로 계측하기 위한 2차원 매트릭스 적외선센서 및 써멀 이미지 처리부; 상하좌우 풍향조절각을 작동시키는 풍향제어부; 열원에 따라 희망온도, 자동조절 풍량을 작동시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 비접촉 온도 감지센서를 이용한 풍향 자동조절장치가 열화상 영상을 획득 및 이진화하는 단계는, 2차원 매트릭스 적외선센서를 통하여 실내의 열원을 계측하고 온도의 높고 낮음에 따라 고온부와 저온부를 구분하되, 이진화 방식으로는 otsu 알고리즘을 적용하여 배경온도와 인체 열원으로 구분하는 것을 특징으로 한다.
상기 비접촉 온도 감지센서를 이용한 풍향 자동조절장치가 열원 도심 좌표 및 표준편차를 연산하는 단계는, 이진화된 열원부 이미지에 대하여 수평(x)축과 수직(y)축에 대한 도심과 열원부 분포의 산포도를 나타내는 표준편차를 연산하는 단계일 수 있다.
상기 비접촉 온도 감지센서를 이용한 풍향 자동조절장치가 표준 편차가 임계치를 넘었는 지 판단하는 단계는, 집중된 열원이 1명인 지를 인식하는 단계로서 열원의 산포 기준인 표준편차가 임계 표준편차 이상을 벗어났는 지를 판단하는 단계일 수 있다.
상기 비접촉 온도 감지센서를 이용한 풍향 자동조절장치가 열원 도심이 열원 영역 내에 있는 지를 판단하는 단계는, 열원이 단일 열원인지 다수 열원인지를 인식하는 단계로서 열원 도심이 열원 영역 내에 있지 않으면 다수 열원일 확률이 높다고 판단하는 단계일 수 있다.
상기 비접촉 온도 감지센서를 이용한 풍향 자동조절장치가 수평축 위로 히스토그램을 그리는 단계는, 이진화 이미지 상 열원부에 해당하는 픽셀을 수평축으로 수직 방향으로 내려서 그 빈도를 알아보는 히스토그램을 그리는 단계일 수 있다.
상기 비접촉 온도 감지센서를 이용한 풍향 자동조절장치가 히스토그램 상 단속구간 기준으로 열화상을 분할하는 단계는 상기에서 얻어진 히스토그램에서 수평축으로 보았을 때 빈도영역이 끊기는 구간이 있으며, 이 단속된 구간을 기준으로 열화상을 좌우로 분할하는 단계일 수 있다. 단속된 구간이 없다고 빈도에 적당한 오프셋을 빼는 절차를 추가할 수도 있다.
상기 비접촉 온도 감지센서를 이용한 풍향 자동조절장치가 분할된 열화상에 대하여 각각 도심을 연산하는 단계는 다수의 열원 별로 도심을 구하는 단계이며, 이로써 열원 중심을 인식하여 열원 중심으로 직접 풍향이 지향하도록 하기 위함이라고 할 수 있다.
상기 비접촉 온도 감지센서를 이용한 풍향 자동조절장치가 열원 도심 및 온도에 따른 풍향 자동제어하는 단계는 다수의 열원 별로 직접 풍향이 지향하도록 제어하는 단계로써, 바람직하게는 제어상 열원 온도에 따라 희망온도를 설정하며, 바람세기를 조정하는 것을 동시에 수행할 수도 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 인체 열원 인식에 있어 온도를 직접 계측하기 때문에 종래 카메라 방식대비 조명등 여러 인자들에 의한 노이즈에 강인하며, 열원 인식이 용이한 효과가 있으며, 아울러 다수의 열원을 감지하는 방법을 통하여 열원 지향형 공조제어를 실시 할 수 있다.
또한 사용자의 체온을 감지할 수 있어 넓은 공간을 불필요하게 냉방함을 방지할 수 있어 전력소비를 저감할 수 있으며, 재실자 체온 및 주변온도에 따른 온도 제어로 과냉시 냉방병 유발을 막고, 고온시 온열 불쾌감을 방지함으로 사용자의 쾌적감을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 의한 비접촉 온도감지 및 제어모듈을 통한 열원 지향형 공조제어시스템 및 관련 구성을 전반적으로 도시한 도면.
도 2는 도1에 도시된 본 발명의 열원 지향형 공조제어시스템의 상세 구성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 열원 지향형 공조제어시스템을 통하여 구동 제어되는 과정을 도시한 흐름도.
도 4는 단일 인체 열원의 열화상 계측 이미지와 온도에 따른 이진화 이미지와 이에 대한 열원 도심을 표기한 개념 예를 도시한 도면.
도 5는 다수(2인) 인체 열원의 열화상 계측 이미지와 온도에 따른 이진화 이미지와 이에 대한 기존 방식으로 구한 열원 도심을 표기한 개념 예를 도시한 도면.
도 6은 다수(2인) 인체 열원의 이진화 이미지와 본 발명에 따라 수평축 위로 히스토그램을 그리고 열원을 분할하는 개념 예를 도시한 도면.
도 7은 다수(2인) 인체 열원 온도에 따른 이진화 이미지와 본 발명에 따라 다수 열원 도심을 표기한 개념 예를 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 의한 비접촉 온도감지 및 제어모듈을 통한 열원 지향형 공조제어시스템이 열원 중심을 향하여 바람을 송풍하는 개념 예를 도시한 도면.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념을 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 의한 비접촉 온도감지 및 제어모듈을 통한 열원 지향형 공조제어시스템(10) 및 비접촉 온도감지부 및 신호처리부(100)의 구성을 전반적으로 도시한 도면이다.
도 1에서 도시된 바와 같이 본 발명의 시스템(10)이 재실자 및 주변의 열적 정보에 따라서 열원지향형 풍향 제어 및 열적 쾌적성 제어를 실시하여 재실자 열적 쾌적성을 향상시킬 수 있으며, 또한 온도를 모니터링하여 과냉 및 과열을 방지하는 절전제어를 수행함으로써 소비전력 저감 기능을 구현할 수 있게 된다.
구체적으로, 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 열원 지향형 공조제어시스템(10)은 비접촉 온도감지부 및 신호처리부(100)을 포함하고 있으며, 여기에 재실자 정보를 입체적으로 계측하기 위한 2차원 매트릭스 비접촉 온도감지 센서인 적외선센서(110)가 내장되어 있다. 또한 상하벤트 그릴 루버(20), 좌우 벤트 그릴의 루버(30)을 조작하는 루버각 제어부로 구성되어 있다.
그리고, 도 3은 본 발명을 통하여 공조기를 구동 제어하는 과정을 도시한 흐름도로써 적외선 센서가 열영상을 감지(S200)한 후 적절한 노이즈 제거 및 필터링이 이루어지며(S205), 온도의 높고 낮음에 따라 열영상을 otsu 알고리즘등을 통해 이진화 실시한다. (S210)
예컨대, 도 8에서와 같이 인체 열원(301) 이외 소파 열원(302) 및 벽체 열원(303) 온도가 유사하고 인체 열원(301)이 높은 경우 인체 열원이 이진화 되어 높은 온도 영역으로 분리된다.
상하좌우 풍향조절의 원점으로 삼고자 상기와 같이 이진화된 열원군에 대하여 도심(x,y)을 구하고(S220) 열원군의 산포정도를 정량화 하기 위해 표준편차를 연산한다. (S230) 이때 서거나 앉아있는 사람을 기준으로 하면 수평(x)축에 대한 표준편차(Sx)만 고려하여도 된다.
집중된 열원이 1명인 지를 열원의 집중도를 정량화한 표준편차(Sx)가 임계 표준편차(Scr) 이상 여부로 판단한다. 즉 수평축의 표준편차가 임계 표준편차(Scr) 이하라면 1인 열원일 확률이 높아지며, 반대로 임계 표준편차(Scr) 이상이면 열원이 다수 명이라고 미루어 짐작할 수 있기 때문이다. (S240)
상기 표준편차가 임계치보다 낮아 열원이 1명이라고 여겨진다면 다음 단계로 열원 도심이 열원 영역 내에 있는 지를 판단하는 단계로 이어진다. 표준편차가 낮고 열원 도심이 열원 영역 내에 있다면 단일 열원으로 판단할 수 있다.(S245)
반대로 표준편차가 임계 표준편차 이상이거나 열원 도심이 열원 영역 내에 있지 않다면 다수 열원인 경우라고 판단할 수 있으므로 이진화 이미지 상 열원부에 해당하는 픽셀을 수평축에 수직 방향으로 내려서 그 빈도를 알아보는 히스토그램을 그린다.(S250) 이는 열원을 분할하여 각각 열원에 대한 도심을 구하기 위한 전처리 단계하고 할 수 있다.
상기에서 얻어진 히스토그램에서 수평축으로 보았을 때 빈도영역이 끊기는 구간이 있으며 이를 기준으로 열화상 이미지를 좌우로 분할한다.(S260) 단속된 구간이 없다고 전체 빈도에 적당한 오프셋을 빼는 절차를 추가할 수도 있다.
이후, 상기 분할된 열화상 이미지에 대하여 다수의 열원 별로 각각 도심을 연산한다. 이로써 열원 으로 직접 풍향이 지향하도록 하기 위한 열원 중심점을 얻을 수 있게 된다.(S270)
마지막으로, 상기 비접촉 온도 감지센서를 이용한 풍향 자동조절장치가 다수의 열원 별로 직접 풍향이 지향하도록 제어하는 단계로써, 바람직하게는 열원 온도에 따라 희망 온도를 설정하며, 바람세기를 조정하는 것을 동시에 수행할 수도 있다. (S280)
도 4 왼쪽 그림은 단일 인체 열원의 열화상 계측 이미지를 나타내며, 오른쪽 그림은 온도에 따른 이진화 이미지와 이에 대한 열원 도심을 표기한 개념 예를 도시한 것이다. 여기에서 알 수 있듯이 표준편차가 임계치 이하이며 도심이 열원영역 내에 있다.
도 5 왼쪽 그림은 다수(2인) 인체 열원의 열화상 계측 이미지를 나타내며, 오른쪽 그림은 온도에 따른 이진화 이미지와 이에 대한 기존 방식으로 구한 열원 도심을 표기한 개념 예를 도시한 것이다. 이 경우 표준 편차가 임계치 이상이며 도심이 열원영역 밖에 있다.
도 6 위쪽 그림은 다수(2인) 인체 열원의 이진화 이미지를 나타내며, 아래 그림은 본 발명에 따라 이진화 이미지 상 열원부에 해당하는 픽셀을 수평축에 수직 방향으로 내려서 그 빈도를 그린 히스토그램이다. 특히 상기에서 얻어진 히스토그램에서 수평축으로 보았을 때 빈도영역이 끊기는 구간이 있으며, 이 단속된 구간 내 점선 기준으로 열화상을 좌우로 분할하는 개념 예를 도시한다.
도 7은 본 발명을 적용하여 다수(2인) 인체 열원 이진화 이미지 내 다수 열원 도심을 구하여 표기한 개념 예를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시 예로써 비접촉 온도감지부가 인체 열원(301), 소파 열원(302) 및 벽체 열원(303)을 계측하여 소파 및 벽체 온도가 유사하고 인체 열원(301)이 높은 경우 인체 열원이 이진화 되어 높은 온도 영역으로 분리되고 상기 열원의 도심을 구하여 비접촉 온도감지 및 제어모듈을 통한 열원 지향형 공조제어시스템이 열원 중심을 향하여 바람을 송풍하는 개념 예를 도시한 것이다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 본 발명의 비접촉 온도감지 센서를 이용한 열원 지향형 공조제어시스템
20 : 상하 풍향조절 루버
30 : 좌우 풍향조절 루버
100 : 비접촉 온도감지부 및 신호처리부
110 : 비접촉 온도감지 센서
301 : 인체 열원
302 : 소파 열원
303 : 벽체 열원

Claims (6)

  1. 비접촉 온도 감지센서를 이용한 열원 인식 방법에 있어서,
    열화상 영상을 획득 및 이진화하는 단계; 열원 도심 좌표 및 표준편차를 연산하는 단계; 표준 편차가 임계치를 넘었는 지 판단하는 단계; 도심이 열원 영역 내에 있는 지 판단하는 단계; 열원에 대한 히스토그램을 그리고 열화상을 분할하는 단계; 분할된 열화상에 대하여 각각 도심을 구하는 단계를 포함한 열원 중심 인식 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 표준 편차가 임계치를 넘었는 지 판단하는 단계는, 열원의 집중도로서 열원이 다수인 지를 인식하는 단계로서 열원의 산포 기준인 표준편차가 임계 표준편차 이상을 벗어났을 경우를 다수 열원이라고 판단하는 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 감지센서를 이용한 열원 인식 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 열원 도심이 열원 영역 내에 있는 지를 판단하는 단계는, 다수 열원인 지를 인식하는 단계로서 열원 도심이 열원 영역 내에 있지 않으면 다수 열원이라고 판단하는 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 감지센서를 이용한 열원 인식 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 열원에 대한 히스토그램을 그리고 열화상을 분할하는 단계는, 이진화 이미지 상 열원부에 해당하는 픽셀을 수평축에 수직 방향으로 내려서 그 빈도를 알아보는 히스토그램을 그리고 상기 히스토그램에서 수평축 방향으로 보았을 때 빈도영역이 끊기는 구간을 만들어, 이 단속된 구간을 기준으로 열화상을 좌우로 분할하는 하는 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 감지센서를 이용한 열원 인식 방법.
  5. 비접촉 온도 감지센서를 이용한 열원 인식 방법에 있어서,
    재실자 정보를 입체적으로 계측하기 위한 2차원 매트릭스 비접촉 온도감지 센서부; 써멀 이미지 처리로 단일 혹은 다수 열원의 도심을 연산하는 연산부; 상하좌우 풍향조절각을 작동시키는 풍향제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 감지센서를 이용한 열원 인식 방법 및 풍향 자동조절장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제어는 열원 온도에 따라 희망 설정온도를 설정하며, 바람세기를 설정을수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 감지센서를 이용한 열원 인식 방법 및 풍향 자동조절장치.

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