KR20220066214A - 독거노인 안전사고 예방탐지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 FMCW 레이더 및 열화상 카메라를 활용하여 독거노인의 안전사고 예방탐지 기술에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 열화상 카메라를 이용하여 독거노인의 재실여부를 파악하고, FMCW 레이더를 이용하여 독거노인의 위급상황을 감지하고 이를 신속하고 정확하게 판단하여 위급상황인 경우에 관리자 단말기에 실시간으로 메시지를 전달하는 기술을 제공한다.

Description

독거노인 안전사고 예방탐지 시스템{System of accident detection for elderly people living alone}

본 발명은 FMCW 레이더 및 열화상 카메라를 활용하여 독거노인의 안전사고 예방탐지 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열화상 카메라를 통해 주거공간내에 재실여부를 파악하고 FMCW 레이더 신호로부터 사람으로부터 나오는 움직임 신호를 추출하여 위험상황을 감지하는 기술에 관한 것이다.

최근 들어 센싱 장비의 고도화에 따라 감지대상을 원격에서 모니터링 하기 위한 원격 모니터링 및 관리시스템이 널리 연구되어 실제 사용되고 있다.

이중에서 CW(Continuous Wave) 레이더는 펄스 레이더와는 달리 송신신호가 시간에 대해 휴지시간 없이 지속적으로 발사되는 레이더이다. 연속파 레이더 가운데 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더는 주파수 변조된 신호를 연속적으로 발사하는 방식의 레이더를 의미한다. 그 원리상 송수신 안테나는 펄스 레이더의 경우에서와 같이 동일한 안테나로 사용할 수 없다는 특징이 있다.

이러한 CW 신호기반 레이더 센서는 초소형 모듈 구현이 쉽다는 장점 외에도 정보를 획득하고 모니터링하는데 필요한 시스템 제어와 신호처리 계산에 상대적으로 많은 부하가 요구되지 않은 장점이 있다.

CW 신호로부터 획득 가능한 대표적인 정보는 측정 대상 움직임에 의해 발생하는 도플러 변이이며, 이는 레이더 센서로부터 전파 송신 방향에 대한 측정 대상의 속도로 직접 변환이 가능하다.

도플러 변이를 이용하면 주기적으로 변화하는 움직임, 변위와 같은 측정 대상에 대한 다양한 정보를 파악할 수 있어, 모션 센서나 속도계, 실내 위치 파악, 도난 방지 센서 등 다양한 매크로 환경에서의 움직임 감지는 물론 손가락 제스쳐 인식, 원격 생체신호 검출 등과 같이 작은 움직임을 효과적으로 인식하는데 활용할 수 있다.

특히, 호흡 및 심장 박동과 같은 생체신호를 레이더로 검출하는 기술은 CW 신호를 안테나로 송신하고 심장 및 허파 움직임에 의해 위상 변조된 역산란파를 수신하여, 주기적인 심박 및 호흡의 변이량을 측정하는 기술로서 사람이 정지한 경우에는 심박 및 호흡 신호를 정확히 감지할 수 있다. 기존 접촉 센서와 달리 원격으로 측정이 가능하게 됨에 따라 분당 호흡 및 심박 수를 비침습적인 상태에서 지속적으로 검출할 수 있는 장점이 있다.

이러한 미약한 생체신호를 원격으로 검출하는 연구는 재실자, 특히 독거노인의 갑작스러운 심정지에 의한 위급 상황인지 및 재난 상황에서 구출 대상의 위치 파악 등 다양한 응용시스템으로 확장 가능한 분야이다.

하지만 심박의 움직임이 수 Hz에 불과하므로 CW 신호의 위상 잡음이 시스템 성능에 미치는 영향이 매우 크다. 따라서, 위상 잡음의 효과를 줄이기 위해 송신 신호와 동일한 주파수를 수신기의 국부 발진기(LO: Local Oscillator)로 사용하는 직접 변환(Direct Conversion) 수신기를 사용하는 것이 일반적이다.

한국특허공보 제10-2013-0020835호(공개일 2014년 9월 4일)

기존의 동작 감지센서의 경우에는 통상적으로 동작 오류를 방지하기 위해, 인체 또는 사물에 대한 일정 한계치 이상의 큰 움직임을 감지하여 반응하도록 구성된다. 따라서, 인체 또는 사물에 대한 한계치 이하의 작은 움직임에 대해서는 인식을 못하는 경우가 발생할 수 있다.

이러한 종래 기술의 문제점에 따라, 레이더를 이용한 사람 및 물체 등의 움직에 대한 정확한 인식 기술 개발이 요구되고 있다. 물론 보다 정확한 생체 신호 측정을 위하여 전극이나 센서 등을 신체에 부착하여 측정하는 것은 정확성을 높일 수는 있으나, 이런 방식은 장시간 측정은 실질적으로 어려우며, 특히 독거노인의 경우 혼자 부착 및 탈착하는 등의 행위는 매우 큰 불편함을 초래하게 된다.

한편, 레이더 센서를 이용하여 원격으로 독거노인 등 도움이 필요한 사람들의 동작을 감지하는 연구가 최근 활발하게 진행되고 있으나, 일상 활동과 같은 큰 움직임이 존재하는 환경에서는 어느 정도 효과가 있는 반면, 수면상태에서의 작은 움직임 측정은 상대적으로 어렵다.

또한 레이더 센서를 이용하여 관리 대상인 독거노인의 심박상태를 검출하도록 하는 기술은 독거노인의 신체에 별도의 측정수단을 장착하지 않아도 심박상태 검출이 가능하여 사용의 편리성을 높임과 동시에 실시간 모니터링이 가능하다 하더라도, 독거노인이 침구 등을 사용하여 상반신을 덮고 수면 중인 경우에는 인체 내부 장기의 미세 움직임에 의한 특성 변화를 효과적으로 인식하기가 어려운 관계로 정확도가 떨어지게 된다.

또한, 주거공간 내에 반려동물이나 제3자가 함께 하는 경우에 관련된 노이즈가 발생하여 관리대상인 독거노인에 대한 감지가 어렵다는 문제가 발생하며, 이러한 경우 독거노인의 재실여부 및 이상 유무를 신속하고 정확하게 판단할 수 없어 구조에 필요한 골든타임을 놓칠 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 해결수단은 열화상 카메라와 FMCW 레이더를 포함하는 센서부; 상기 센서부에서 측정된 생체정보 데이터를 수신받는 게이트웨이(Gateway); 상기 게이트웨이로부터 상기 데이터를 전달받아 재실자의 상태를 판단하는 서버(Server); 및 상기 서버로부터 재실자가 위급상황임을 전송받는 관리자 단말기를 포함하는 독거노인의 안전사고 예방탐지 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 열화상 카메라는 상기 레이더와 일체형으로 구성되며, 감지영역의 온도데이터를 측정하여 사람의 재실여부 확인이 가능한다는 특징이 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 FMCW 레이더는 상기 재실자의 눈동자의 움직임의 변화를 측정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 서버는 상기 재실자의 눈동자의 움직임이 일정시간 동안 없는 경우, 위급상황임을 상기 관리자의 단말기에게 알리는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 상기 시스템은 인공지능이 상기 수신된 정보를 딥러닝 방식으로 분석하여 재실자가 위급상황임을 판단하고 이를 상기 관리자 단말기에게 알리는 것을 특징으로 한다.

열화상 카메라 및 레이더 센서를 활용하는 본 발명에 따르면 재실 중인 독거노인으로부터 나오는 생체 신호를 원격으로 감지하여 독거노인이 위급상황인지를 정밀하고 신속하게 판단하고, 특히 수면시와 같은 움직임이 거의 없는 상황에서도 위급상황이라고 판단되면 즉각적으로 관리자 단말기에 연락을 취하도록 함으로써 소중한 생명을 구할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 독거노인의 안전사고 예방탐지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 센서부가 재실자를 탐지하는 개략도이다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대한 안전사고 예방탐지 시스템에 대해 설명한다. 그러나 본 발명의 범위는 하기 실시 태양에 대한 설명 또는 도면에 제한되지 아니한다. 즉, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 "포함 한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

먼저 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 독거노인의 안전사고 예방탐지 시스템은 열화상 카메라 및 FMCW 레이더 센서로 이루어진 센서부(100), 게이트웨이(200), 서버(300) 및 관리자 단말기(400)로 구성된다.

상기 열화상 카메라는 감지구역 내의 온도변화를 감지하는 역할을 하며 관리 대상인 독거노인이 감지범위 내에 들어오면 상기 독거노인 및 주변 환경의 온도데이타를 측정하고 그 온도 정보를 게이트웨이로 전송한다.

이러한 열화상 카메라는 거주공간마다 설치될 수 있다. 예를 들면, 현관, 거실, 침실, 주방, 화장실 등에 각각 1개 이상이 설치될 수 있으며 독립적으로 설치되는 경우에는 천장이나 벽면 등에 설치될 수 있다.

상기 열화상 카메라와 게이트웨이는 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다. 무선 연결은 다양한 방식으로 연결될 수 있으나, 저전력으로 장시간 사용이 가능한 지그비(Zigbee) 통신이 바람직하다.

상기 레이더 센서는 FMCW((Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더를 사용한다. FMCW 레이더는 주파수 변조된 신호를 연속적으로 발사하는 방식의 레이더이다. 주거공간에서의 독거노인의 움직임을 판단할 때, FMCW는 해상도가 UWB(Ultra wide band) 방식에 비해 매우 우수하다.

상기 레이더 센서는 독거노인의 움직임이 존재할 때, 일상적인 전신의 움직임과 아울러 정지된 상태에서도 심장 또는 호흡과 같이 미약한 움직임까지 측정이 가능한 장점이 있다.

본 발명에서 사용하는 FMCW 레이더 센서는 취침을 하고 있지 않은 일반적인 상황에서는 독거노인의 전신의 움직임을 관측하나, 독거노인의 긴급한 대처가 어려운 상황, 예를 들면, 수면 중에 발생할 수 있는 돌연사 상황에 대해 긴급히 대응하기 위하여, 레이더 센서는 호흡, 심박수 및 독거노인의 눈동자의 움직임을 측정함으로써 위급상황인지 평온상태인지 판단할 수 있는 정보를 제공하게 된다.

본 발명에서 호흡이나 심박수와 같은 통상적인 선행 발명의 측정 대상과 달리 눈동자의 움직임에 대한 정보를 얻는 이유는 다음과 같다. 즉, 독거노인이 두꺼운 침구를 사용하는 경우, 레이더 센서로 심박 또는 호흡에 관한 데이터를 정확히 얻기 어렵기 때문에, 취침 중이라도 일상적으로 노출을 하게 되는 얼굴 부위 특히 눈동자의 움직임을 측정함으로써 생존 여부를 효과적으로 확인할 수 있기 때문이다.

수면은 크게 REM(Rapid eye movement) 수면과 NON-REM 수면이 반복되어 이뤄진다. 용어 그대로 REM 수면은 이 시기에 눈동자가 빨리 움직여서 붙은 이름이며, NON-REM 수면은 눈동자의 움직임이 없는 시기인데 잠자는 동안 이 두가지 수면단계가 4~5회 반복되고, 전체적인 기간은 REM 수면이 전체의 20~25%를 차지하게 된다.

따라서 독거노인이 수면 중 전체적인 움직임이 없다고 하더라도 주기적으로 눈동자가 활발하게 움직이는 시기를 반드시 겪게 되므로 이 시기에 FMCW 레이더를 이용하여 눈동자의 움직임을 감지함으로써 위급상황인지 아닌지 판단할 수 있는 데이터를 얻을 수 있게 된다.

눈동자의 움직임을 측정하는 원리는 FMCW 레이더의 송수신부와 표적내의 눈동자간에 거리 변동이 주기적으로 반복되므로, 수신된 신호 파형은 위상이 변이된다. 즉, FMCW 레이더를 통해 눈을 감은 눈꺼풀 내부로 레이더 신호를 송신한 다음 눈동자의 움직임에 따른 신호를 수신함으로써 일정기간 내에 움직임이 있는지 여부에 따라 정상적인 상태인지 비정상적인 상태인지 판단할 수 있게 된다.

또한 보다 더 정밀한 측정을 가능하도록 하기 위하여 밀리미터 범위 내에 있는 파장을 내보내는 FMCW 레이더 센서를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 사망 전후에 따라 신체의 온도 변화가 급격히 일어나지는 않기 때문에 열화상 카메라만 사용하여 위급상황을 판단하는 것은 일분 일초가 아까운 긴급 상황에서는 정확성이 떨어지게 된다. 즉, 선행 논문에 따르면 사후 1시간 이내에는 체온의 변동이 없다고 하므로 가장 중요한 이 시기에 열화상 카메라로는 위급상황을 감지하기 어렵다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 열화상 카메라는 상기 레이더 센서와 일체형으로 구성될 수 있으며, 감지영역의 온도데이터를 측정하여 독거노인의 재실여부를 먼저 확인한 다음 레이더 센서를 이용하여 독거노인의 움직임을 확인할 수도 있다. 물론 열화상 카메라와 레이더 센서가 별개로 설치될 수도 있다.

도 2를 참조하여 설명하면, 열화상 카메라와 레이더 센서가 일체형으로 결합된 센서부(100)는 독거노인의 침대 옆 벽면에 부착되어 생체정보를 측정할 수 있다. 바람직하게는 독거노인의 눈동자의 움직임을 정확하게 측정하기 위해 관리대상으로부터 멀지 않은 거리 및 높이에 설치되는 것이 좋다.

다음으로 게이트웨이는 눈동자의 움직임을 포함한 각종의 움직임 데이타 및 온도 데이타 정보를 전송받는다. 이때 상기 게이트웨이는 FMCW 레이더 센서 및 열화상 카메라와 유선 또는 무선으로 연결되어 감지신호가 발생되면, 상기 정보를 일정시간 동안 축적하고 주기적으로 서버로 전송한다.

게이트웨이에는 독거노인의 온도데이터 및 움직임 데이터 뿐만 아니라 상기 센서들이 여러 개 설치된 경우 독거노인의 위치정보도 수신한 다음 서버로 송신할 수 있다. 상기 게이트웨이의 데이터 축적주기 및 서버로의 전송주기는 독거노인의 건강상태 및 환경조건에 따라 다양하게 변화시켜 설정할 수 있다.

서버는 상기 게이트웨이로부터 독거노인의 생체정보를 전송 받고, 주거자 및 주변 환경의 상태를 판단한다. 이 때 상기 서버는 상기 재실자의 눈동자의 움직임이 일정시간 감지되지 않는 경우, 위급상황임을 상기 관리자의 단말기에게 알릴 수 있다. 물론 취침중이 아닌 경우에는 독거노인의 전체적인 움직임 뿐만 아니라 호흡, 심박수 등의 데이터로부터 위급상황을 판단할 수 있다.

한편, 상기 위급상황 판단에 관하여 서버 내의 인공지능이 상기 수신된 정보를 딥러닝 또는 머신러닝 방식으로 분석하여 독거노인이 위급상황임을 판단하고 이를 상기 관리자 단말기에게 알릴 수 있다.

즉, 서버는 인공지능 모델(알고리즘)을 이용하여 게이트웨이로부터 수신된 정보를 학습하고 분석하여 일정한 이벤트가 발생하면 이러한 이벤트가 독거노인의 통상적인 상황인지 아니면 응급상황인지 판단함으로써 응급상황을 매우 정밀하고 신속하게 판단할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에서는 위험상황임을 알리는 메시지를 관리자 단말기에게만 알리는 것으로 설명하였으나 필요에 따라 등록된 친구, 친척, 이웃 또는 유관기관에도 상기 메시지가 전송될 수 있도록 설정될 수 있다.

이상으로 본 발명에 따른 독거노인 안전사고 예방탐지 시스템에 대한 바람직한 실시예에 관하여 설명하였다. 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

또한 본 발명의 범위는 특허청구범위의 범위는 물론 그와 균등한 범위까지 도출될 수 있는 모든 변경 및 변경 가능한 형태가 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 센서부
200: 게이트웨이
300: 서버
400: 관리자 단말기

Claims (5)

1. 열화상 카메라와 FMCW 레이더를 포함하는 센서부;
   상기 센서부에서 측정된 생체정보 데이터를 수신받는 게이트웨이;
   상기 게이트웨이로부터 상기 데이터를 전달받아 재실자의 상태를 판단하는 서버; 및 상기 서버로부터 재실자가 위급상황임을 전송받는 관리자 단말기를 포함하는 것을 특징으로 하는
   독거노인 안전사고 예방탐지 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열화상 카메라는 상기 레이더와 일체형으로 구성되며, 감지영역의 온도데이터를 측정하여 사람의 재실여부 확인이 가능한
   독거노인 안전사고 예방탐지 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 FMCW 레이더는 상기 재실자의 눈동자의 움직임 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는
   독거노인 안전사고 예방탐지 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 서버는 상기 재실자의 눈동자 움직임이 일정시간 동안 없는 경우, 위급상황임을 상기 관리자 단말기에게 알리는 것을 특징으로 하는
   독거노인 안전사고 예방탐지 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 서버는 인공지능이 상기 수신된 데이터를 딥러닝 방식으로 분석하여 재실자가 위급상황임을 판단하고 이를 상기 관리자 단말기에게 알리는 것을 특징으로 하는
   독거노인 안전사고 예방탐지 시스템.

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