WO2025249706A1 - 커피 로스팅 장치 - Google Patents

커피 로스팅 장치

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WO2025249706A1
WO2025249706A1 PCT/KR2025/002273 KR2025002273W WO2025249706A1 WO 2025249706 A1 WO2025249706 A1 WO 2025249706A1 KR 2025002273 W KR2025002273 W KR 2025002273W WO 2025249706 A1 WO2025249706 A1 WO 2025249706A1
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WO
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roasting
coffee
signal processing
sound
processing device
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PCT/KR2025/002273
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English (en)
French (fr)
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최병익
김상렬
함상용
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Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Original Assignee
Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
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Publication date
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    • A23F5/00—Coffee; Coffee substitutes; Preparations thereof
    • A23F5/02—Treating green coffee; Preparations produced thereby
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23N—MACHINES OR APPARATUS FOR TREATING HARVESTED FRUIT, VEGETABLES OR FLOWER BULBS IN BULK, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; PEELING VEGETABLES OR FRUIT IN BULK; APPARATUS FOR PREPARING ANIMAL FEEDING- STUFFS
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    • A23N12/08—Machines for cleaning, blanching, drying or roasting fruits or vegetables, e.g. coffee, cocoa, nuts for drying or roasting
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A23N12/12—Auxiliary devices for roasting machines
    • A23N12/125—Accessories or details
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/181—Low-frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers

Definitions

  • the present invention relates to a coffee roasting device.
  • Coffee is a beloved beverage for many. While coffee has a wide range of characteristics, including flavor, aroma, and mentally stimulating properties, its common characteristic stems from the coffee bean.
  • Coffee roasting is the process of heating green coffee beans for a specific period of time to transform them into brown or black beans. This process alters the internal components and characteristics of the beans, shaping the coffee's flavor and aroma. Therefore, roasting is a crucial step in determining the quality of coffee beans.
  • the degree of coffee roasting is determined by the roaster's judgment. Control of the roasting process also relies on the operator, so significant variations in bean quality can occur depending on the operator's experience and skill level.
  • the present invention provides a coffee roasting device capable of obtaining coffee beans of uniform quality regardless of the skill level of the operator.
  • One embodiment of the present invention discloses a coffee roasting device including a roasting chamber for roasting coffee beans, a wave guide having one end positioned within the roasting chamber and the other end positioned outside the roasting chamber to transmit sound inside the roasting chamber to the outside of the roasting chamber, and an acoustic sensor for collecting sound inside the roasting chamber transmitted by the wave guide.
  • the sound generated during coffee roasting can be easily heard by the worker, it can be helpful in controlling the coffee roasting process.
  • the color plate can be replaced or changed independently from the coffee roasting device in all coffee roasting devices, so it can be easily applied to coffee roasting devices that are already installed and in operation.
  • More objective and consistent coffee roasting process judgment and control through mechanical and statistical processing can contribute to improving the productivity of coffee beans and the quality of the results, regardless of the skill level of the operator.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a coffee roasting device according to one embodiment.
  • FIG. 2 is a side view schematically illustrating a color zone of the coffee roasting device of FIG. 1 according to one embodiment.
  • Figure 3 is a block diagram showing the functions of a signal processing device.
  • FIGS. 4A and 4B are exemplary graphs of the time waveform and frequency of an acoustic signal generated in a coffee roasting device in a coffee roasting process according to one embodiment.
  • FIG. 5 is an example graph of applying a band-pass filter to the frequency of an acoustic signal generated in a coffee roasting device during a coffee roasting process according to one embodiment.
  • FIG. 6 is an example graph of applying a high-pass filter to the frequency of an acoustic signal generated in a coffee roasting device during a coffee roasting process according to one embodiment.
  • FIGS. 7A and 7B are exemplary graphs of an acoustic signal before and after applying a high pass filter to an acoustic signal in which a first crack occurs in a coffee roasting process according to one embodiment.
  • FIGS. 8A and 8B are exemplary graphs of acoustic signals before and after applying a high pass filter to an acoustic signal generated during a second crack in a coffee roasting process according to one embodiment.
  • One embodiment of the present invention discloses a coffee roasting device including a roasting chamber for roasting coffee beans, a wave guide having one end positioned within the roasting chamber and the other end positioned outside the roasting chamber to transmit sound inside the roasting chamber to the outside of the roasting chamber, and an acoustic sensor for collecting sound inside the roasting chamber transmitted by the wave guide.
  • the coffee roasting device may further include a trier that is connectable to the roasting chamber, and the waveguide may be positioned within the trier along the longitudinal direction of the trier.
  • a signal processing device that receives and processes an acoustic signal collected by the acoustic sensor may be further included.
  • the sound inside the roasting chamber may include a cracking sound of the coffee beans generated during the roasting process of the coffee beans, and the signal processing device may reduce background noise in the collected sound signal and amplify the cracking sound.
  • the signal processing device can determine at least one of the number of coffee beans in which cracks have occurred, whether cracks have occurred in a group of coffee beans, and the end point of coffee roasting based on the collected acoustic signals.
  • the signal processing device can diagnose the coffee roasting process status from the collected acoustic signal based on artificial intelligence learning.
  • the signal processing device can determine the first crack time based on the crack sound, and the first crack time can be a time at which at least two crack sounds occur within 1 second after the first crack sound.
  • the signal processing device can determine the time elapsed from the determined first crack point as the coffee roasting end point.
  • the signal processing device can generate a control command to stop the operation of the roasting chamber at the end point of the coffee roasting.
  • the signal processing device counts the number of times the cracking sound of the coffee beans occurs, and if the number of times the cracking sound of the counted coffee beans occurs is 70% or more of the total number of coffee beans put into the roasting chamber, it can be determined that the coffee roasting is finished.
  • the signal processing device can generate a coffee roasting device failure notification signal when an acoustic signal corresponding to an acoustic signal generated when a coffee roasting device fails is generated from the collected acoustic signals.
  • a terminal device may further be included that receives information processed by the signal processing device and manages a coffee roasting process using the received information.
  • the terminal device may be a wireless terminal device.
  • one embodiment of the present invention includes the configurations listed above does not mean that it consists only of these configurations, but rather that it basically includes these configurations, and that it may include other configurations (e.g., a widely known technology in coffee roasting devices), but a detailed description of the known technology is omitted as it may obscure the gist of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a coffee roasting device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a side view schematically illustrating a color band of the coffee roasting device of FIG. 1 according to an embodiment
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating the functions of a signal processing device according to an embodiment in blocks
  • FIGS. 4A and 4B are graphs illustrating time waveforms and frequencies of an acoustic signal generated in a coffee roasting device during a coffee roasting process according to an embodiment
  • FIG. 5 is an exemplary graph illustrating application of a band-pass filter to the frequency of an acoustic signal generated in a coffee roasting device during a coffee roasting process according to an embodiment
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a coffee roasting device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a side view schematically illustrating a color band of the coffee roasting device of FIG. 1 according to an embodiment
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating the functions of
  • FIGS. 6 is an exemplary graph illustrating application of a high-pass filter to the frequency of an acoustic signal generated in a coffee roasting device during a coffee roasting process according to an embodiment.
  • FIGS. 7A and 7B are exemplary graphs illustrating acoustic signals before and after application of a high-pass filter to an acoustic signal in which a first crack occurs during a coffee roasting process according to an embodiment.
  • FIGS. 8A and 8B are exemplary graphs of acoustic signals before and after applying a high pass filter to an acoustic signal generated during a second crack in a coffee roasting process according to one embodiment.
  • a coffee roasting device (100) may include a roasting chamber (110), a waveguide (120) for transmitting sound inside the roasting chamber (110) to the outside of the roasting chamber (110), and an acoustic sensor (130) for collecting sound inside the roasting chamber (110) transmitted by the waveguide (120).
  • the coffee roasting device (100) may further include a colorimeter (140) for checking the degree of roasting of coffee beans, a signal processing device (150) for receiving and processing an acoustic signal collected by the acoustic sensor (130), a speaker (160) for outputting an acoustic signal processed by the signal processing device (150), and a terminal device (170) for receiving information processed by the signal processing device (150) and managing a coffee roasting process with the information.
  • the roasting chamber (110) is a room where coffee beans are supplied and roasting of the coffee beans is performed.
  • the waveguide (120) is a tube that connects the roasting chamber (110) and the acoustic sensor (130), transmits sound waves in a size and shape that does not disturb the internal thermal environment, and can be cooled in the middle of the transmission path to reduce the heat transmitted to the acoustic sensor (130).
  • the waveguide (120) has one end positioned inside the roasting chamber (110) and the other end positioned outside the roasting chamber (110), so that it can transmit sound inside the roasting chamber (110) to the outside of the roasting chamber (110).
  • the waveguide (120) may include a cooling unit (122).
  • the cooling unit (122) may surround at least a portion of the waveguide (120) exposed to the outside of the roasting chamber (110), and a coolant or the like may flow through the cooling unit (122). Accordingly, the waveguide (120) heated inside the roasting chamber (110) may be cooled to transmit a stable sound to the acoustic sensor (130).
  • An acoustic sensor (130) is a device that detects, distinguishes, and measures the physical quantity or changes in sound and reports them as a constant signal.
  • the acoustic sensor (130) can detect the cracking sound, which is an important sound during coffee roasting.
  • Acoustic signals such as primary and secondary cracks that occur during the coffee roasting process can be important signals that indicate changes in the condition of coffee beans.
  • the onset or end of cracking is a critical milestone in controlling the coffee roasting process, and how this is assessed can have a significant impact on the quality of the final product.
  • the large quantity of coffee beans collected within the roasting chamber is not uniform, so variations can occur during each process, and process assessments can vary depending on the operator. Mechanical and statistical assessment of coffee roasting conditions can improve coffee productivity and final product quality by providing a more objective and consistent process.
  • the beginning and end of the crack are crucial control points in coffee roasting, where rapid flavor development occurs.
  • the crack an indicator of the progress of the coffee roasting process, is something workers in the coffee roasting field focus on listening for.
  • a microphone a typical acoustic sensor, inside or outside the roasting chamber to obtain a signal, analyze it in the time series or frequency domain, and compare the result with a reference signal to determine whether a crack has occurred.
  • the present invention has one end of a waveguide (120) connected to the interior of a roasting chamber (110), and the other end extending outside the roasting chamber (110), so that sound generated during coffee roasting can be transmitted to the outside.
  • the waveguide (120) the acoustic sensor (130) can be protected from heat generated in the roasting chamber (110).
  • the acoustic sensor (130) may include a microphone and may collect and amplify sound inside the roasting chamber (110) transmitted from the waveguide (120).
  • the coffee roasting device (100) may further include a scoop (140) that can be connected to the roasting chamber (110).
  • the scoop (140) is a tool that allows several coffee beans to be taken out during the coffee roasting process to observe the degree of roasting.
  • a hole into which a collection portion (144) of the scoop (140) can be inserted may be formed in the roasting chamber (110).
  • the roasting tray (140) may include a handle (142) that can be held by a worker, a collection portion (144) that is connected to the handle (142) and inserted into the roasting chamber (110) to collect a portion of the coffee beans being roasted, and a stopper (146) between the handle (142) and the collection portion (144).
  • the handle (142) is located outside the roasting chamber (110) and may be formed of a material with low thermal conductivity so that it can be maintained at a temperature that can be directly manipulated by hand during coffee roasting.
  • the handle (142) may be made of wood or a polymer material.
  • the collection unit (144) is connected to the handle (142) and can be inserted into the roasting chamber (110).
  • the collection unit (144) has a concave shape and collects several coffee beans being roasted, thereby allowing the operator to check the degree of roasting.
  • the collection member (144) When the roasting chamber (110) is connected to the roasting chamber (110), the collection member (144) can be inserted into the roasting chamber (110) so that the concave portion faces downwards. If the concave portion of the collection member (144) faces downwards, when the collection member (144) is connected so that the concave portion faces upwards of the roasting chamber (110), coffee beans are contained in the concave portion of the collection member (144), which can prevent the coffee beans from being roasted evenly.
  • the worker can take out a few coffee beans from the sampler (140) to check the degree of roasting of the coffee beans.
  • the worker can turn the sampler (140) inside the roasting chamber (110) so that the concave part of the collection part (144) faces upwards and determine the degree of roasting using the coffee beans contained in the collection part (144).
  • the stopper (146) between the handle (142) and the collection part (144) may be formed larger than the hole formed in the roasting chamber (110) to prevent the roasting part (140) from excessively entering the inside of the roasting chamber (110) when the collection part (144) is inserted into the roasting chamber (110).
  • the waveguide (120) may be positioned within the sintering chamber (140).
  • a hole may be formed within the handle (142) of the sintering chamber (140), and the waveguide (120) may be positioned to penetrate the hole.
  • an acoustic sensor (130) connected to the waveguide (120) may be installed at the end of the handle (142).
  • the sintering chamber may be included in various coffee roasting devices, but may be replaced, changed, etc. independently of the coffee roasting device.
  • the handle (142) is formed of a material such as a polymer or wood with low thermal conductivity, it is easy to form a hole extending along the length of the handle (142). Therefore, the waveguide (120) according to the present invention may be easily installed in the sintering chamber of a coffee roasting device that is already installed and in operation, and as a result, the sound inside the roasting chamber (110) may be easily recognized from the outside.
  • the roasting chamber (140) inserted into the hole may be positioned higher than the upper surface of the coffee beans. That is, the roasting chamber (110) may be advantageously used for collecting sound inside the roasting chamber (110) by positioning the roasting chamber (140) so that it does not come into direct contact with the coffee beans being roasted.
  • the coffee roasting device (100) may further include a signal processing device (150) that receives and processes an acoustic signal collected from an acoustic sensor (130), and the signal processing device (150) may be located outside the roasting chamber (110).
  • a signal processing device (150) that receives and processes an acoustic signal collected from an acoustic sensor (130), and the signal processing device (150) may be located outside the roasting chamber (110).
  • the signal processing device (150) can remove, reduce or offset ambient noise signals, such as roasting drum driving noise and blower operating noise, that interfere with the operator's ability to detect important sounds, such as cracking sounds, and send the signals to the speaker (160) so that the operator can easily hear important sounds, such as cracking sounds.
  • ambient noise signals such as roasting drum driving noise and blower operating noise
  • FIG. 3 is a block diagram showing the functions of a signal processing device (150).
  • the signal processing device (150) may include a preamplifier (152), a processor (154), and an amplifier (156).
  • the acoustic signal collected by the acoustic sensor (130) may be amplified in the preamplifier (152) and then transmitted to the processor (154) to remove, reduce, or cancel out ambient noise, and then transmitted to the amplifier (156) to be amplified.
  • the processor (154) may analyze the amplified signal to determine the number of coffee beans in which cracks have occurred, whether cracks have occurred in a group of coffee beans, and the end point of coffee roasting.
  • the preamplifier (152) may be a control amplifier that processes audio signals through small-signal amplification of internal circuits.
  • the preamplifier (152) may be an amplifier that processes small signals that require a separate amplifier to be connected to sufficiently amplify the audio signal before sound can be heard through a speaker.
  • the processor (154) can reduce, eliminate, or offset other ambient noises, such as the noise of the roasting drum operation and the noise of coffee beans hitting the roasting chamber, in addition to sounds that are important for judging the coffee roasting status, such as the cracking sound.
  • the processor (154) can control the overall operation of processing the acoustic signal acquired from the acoustic sensor (130).
  • the processor (154) can control the operation of the signal processing device (150) by executing programs stored in the signal processing device (150).
  • the processor (154) may be implemented using at least one of application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors (DSPs), digital signal processing devices (DSPDs), programmable logic devices (PLDs), field programmable gate arrays (FPGAs), controllers, micro-controllers, microprocessors, and other electrical units for performing functions.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • DSPs digital signal processors
  • DSPDs digital signal processing devices
  • PLDs programmable logic devices
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • controllers micro-controllers, microprocessors, and other electrical units for performing functions.
  • the amplifier (156) is a device that increases the amplitude of an input signal and outputs it. By amplifying the signal from which the processor (154) has removed, reduced, and offset surrounding noise, the signal processing device (150) can diagnose the state of the coffee roasting process. The configuration for diagnosing the state of the roasting process by analyzing the signal amplified by the amplifier (156) will be described later.
  • FIG. 4A and FIG. 4B are exemplary graphs showing the time waveform and frequency of an acoustic signal generated when a coffee roasting device is operated.
  • FIG. 4A is a graph showing the time waveform
  • FIG. 4B is a graph showing the frequency spectrum.
  • noise generated from a roasting drum and a blower may have only specific frequency components because the roasting drum and the blower operate constantly with a uniform rotational speed, etc. during the coffee roasting process.
  • the processor (154) can reduce the ambient noise by filtering to remove or reduce only this specific frequency component.
  • a processor (154) for removing peak components of ambient noise may be applied not only to a band-pass filter, which is a filter that removes components below a certain frequency and components above a certain frequency from an input signal and outputs the output, but also to a high-pass filter, which removes low-pass frequencies below a certain frequency from an input signal.
  • Figure 5 is an example graph showing the application of a band-pass filter that removes and outputs the frequency ranges 0 to a (Hz) and b to c (Hz), which are the frequency ranges where ambient noise is mainly distributed.
  • the red solid line represents the frequency characteristics of the band-pass filter applied by the processor (154) of the present invention.
  • Figure 6 is an example graph showing the application of a high-pass filter that removes and outputs the 0 to d (Hz) frequency range, which is the frequency range where ambient noise is mainly distributed.
  • the red solid line represents the frequency characteristics of the high-pass filter applied by the processor (154) of the present invention.
  • Figures 7a and 7b are exemplary graphs of acoustic signals before and after applying a high-pass filter to an acoustic signal in which a first crack occurs during a coffee roasting process.
  • Figure 7a shows the acoustic signal before applying the high-pass filter
  • Figure 7b shows the acoustic signal after applying a 2 kHz high-pass filter.
  • Figures 8a and 8b are exemplary graphs of acoustic signals before and after applying a high-pass filter to the acoustic signal generated during the second crack in the coffee roasting process.
  • Figure 8a shows the acoustic signal before applying the high-pass filter
  • Figure 8b shows the acoustic signal after applying the 2 kHz high-pass filter.
  • the processor (154) can cancel out ambient noise using an active noise cancellation (ANC) technique.
  • Active noise cancellation is one of the noise canceling functions and is a technique for blocking noise using a technical method.
  • the active noise cancellation technique collects ambient sounds from a microphone, which can be an example of an acoustic sensor, reverses the phase of the waves for the collected sounds, and then transmits the reversed sounds to a speaker to cause destructive interference with the ambient noise, thereby blocking the ambient noise. Since the ambient noise in the coffee roasting process is constant and has peak characteristics, an active noise control technique that measures the sound and removes the ambient noise can be applied in the initial stage of coffee roasting when no cracks occur.
  • the initial stage of coffee roasting can be, for example, the time before the first crack sound of the coffee beans is heard after the start of roasting.
  • a typical active noise control method uses a reference microphone, an error microphone, and a control speaker.
  • an error microphone, and a control speaker other than the existing measurement microphone, which is an example of an acoustic sensor, may not be provided.
  • a signal processing device (150) may be provided with a preamplifier (152), a processor (154), and an amplifier (156) for active noise control.
  • the active noise control method can be implemented by first amplifying the sound signal obtained from the sound sensor (130) in a preamplifier (152), canceling out the surrounding noise in a processor (154), and amplifying the processed sound signal in an amplifier (156) and sending it to a speaker (160).
  • the processor acquires a reference signal used for active noise control during the initial stage of coffee roasting, generates a signal with an opposite phase to the signal, and then generates a control signal with the phase of the reference signal changed so that an error is minimized by overlapping it with a measured acoustic signal, thereby offsetting the surrounding noise by overlapping it with the acoustic signal.
  • the processor (154) can generate a signal that cancels out ambient noise using a filtering or active noise control method, thereby enabling the signal processing device (150) to easily diagnose the coffee roasting process status.
  • the amplifier (156) can amplify the signal canceling out ambient noise by the processor (154) and send it to the speaker (160), thereby enabling the worker to hear the cracking sound better.
  • a configuration for diagnosing the roasting process status by analyzing the signal processed by the processor (154) will be described.
  • the processor (154) of the signal processing device (150) can better determine whether a group of coffee beans has cracked from a signal with ambient noise canceled out from an acoustic signal collected from an acoustic sensor (130).
  • the processor (154) of the signal processing device (150) can better determine whether a group of coffee beans has cracked from a signal with ambient noise canceled out from an acoustic signal collected from an acoustic sensor (130).
  • the processor (154) of the signal processing device (150) can better determine whether a group of coffee beans has cracked from a signal with ambient noise canceled out from an acoustic signal collected from an acoustic sensor (130).
  • FIGS. 7B and 8B it can be seen that peaks that were difficult to identify due to their small size compared to the ambient noise can be better distinguished than the signals in FIGS. 7A and 8A before the high-pass filter was applied.
  • the occurrence of cracks can be determined by the number of times peaks with a size greater than a certain level occur in the time waveform of the sound signal after the ambient noise has been canceled out, or by the trend of change in the crest factor (defined as peak/rms).
  • the processor (154) of the signal processing device (150) can learn the cracks and other emitted sounds generated during the process of heating individual coffee beans using artificial intelligence (AI) technology.
  • AI artificial intelligence
  • An example of artificial intelligence (AI) technology may be deep learning.
  • the signal processing device (150) can individually determine the moment when a crack occurs in each coffee bean from the sound signal collected from the sound sensor (130) by utilizing artificial intelligence (AI) technology, and can count the number of times cracks occur and statistically process them to create a control signal for whether cracks occur or end for a group (lot) of coffee beans, and accordingly, end coffee roasting.
  • AI artificial intelligence
  • the signal processing device (150) can determine the first crack time as the time at which at least two crack sounds occur within 1 second after the first crack sound.
  • the signal processing device (150) may determine the end point of the first crack as the moment when at least two cracks do not occur per second for three seconds after the first crack. In another embodiment, the signal processing device (150) may determine the end point of the first crack as the moment when the first crack occurs in at least 50% of the coffee beans introduced into the roasting chamber (110).
  • the signal processing device (150) can determine the second crack time as the time at which at least two crack sounds occur within 1 second after the first second crack sound after the end of the first crack.
  • the signal processing device (150) may determine the end point of the secondary crack as the moment when at least two cracks do not occur per second for three seconds after the second crack. In another embodiment, the signal processing device (150) may determine the end point of the secondary crack as the moment when the second crack occurs in more than 50% of the number of coffee beans introduced into the roasting chamber (110) after the first second crack sound.
  • the signal processing device (150) can determine the crack point through the processed acquired acoustic signal and artificial intelligence learning.
  • the signal processing device (150) can determine the coffee roasting end point when a preset time elapses from one of the determined first and second crack points or the first and second crack end points.
  • the preset time can be set by the operator and can be, for example, 30 seconds or 1 minute.
  • the signal processing device (150) counts the number of times the cracking sound of coffee beans occurs, and if the number of times the cracking sound of the counted coffee beans occurs is 70% or more of the total number of coffee beans put into the roasting chamber, it can be determined that the coffee roasting is finished.
  • the signal processing device (150) can automate the coffee roasting process by reflecting the generated and statistically processed signal into a typical coffee roasting time-temperature process graph or by feeding back a control command to the process, such as to stop the operation of the roasting chamber (110) at the determined coffee roasting end point.
  • the signal processing device (150) can learn a sound corresponding to an acoustic signal generated when a coffee roasting device malfunctions from the sound obtained from the acoustic sensor (130), and can determine a malfunction of the coffee roasting device (100) based on this.
  • the signal processing device (150) can generate a coffee roasting device malfunction notification signal when determining a malfunction of the coffee roasting device (100).
  • the speaker (160) can output an audio signal processed by the signal processing device (150).
  • the operator can diagnose the status of the coffee roasting process using the audio signal output by the speaker (160).
  • the coffee roasting device (100) may further include a terminal device (170) that receives information acquired from the signal processing device (150) and manages the coffee roasting process using the received information.
  • the operator may use the terminal device (170) to start and end the coffee roasting process, check notifications, and check the roasting progress.
  • the terminal device (170) may be, for example, a wireless terminal device.
  • the coffee roasting device can be applied to various industrially applicable devices.
  • it can be applied to a coffee roasting device that easily controls and determines the coffee roasting process to produce improved results.

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 커피콩을 로스팅하는 로스팅 챔버, 상기 로스팅 챔버 내에 일단이 위치하고 타단은 상기 로스팅 챔버 외부에 위치하여, 상기 로스팅 챔버 내부의 소리를 상기 로스팅 챔버 외부로 전달하는 도파관(Wave Guide) 및 상기 도파관이 전달한 상기 로스팅 챔버 내부의 소리를 수집하는 음향센서를 포함 커피 로스팅 장치를 개시한다.

Description

커피 로스팅 장치
본 발명은 커피 로스팅 장치에 관한 것이다.
커피는 많은 사람들이 좋아하는 음료다. 커피는 맛과 향, 정신을 맑게 해주는 각성 성분 등 특성이 다양하고 종류도 많지만 공통적으로 그 특성은 커피 원두에서 온다.
커피 로스팅은 커피 생두(green been)를 일정 시간동안 가열하여 갈색 또는 검은 색 원두로 가공하는 과정이다. 이때 생두의 내부 성분과 특성이 변화되어 커피의 맛과 향을 형성하므로 커피 로스팅은 원두의 품질을 결정하는 중요한 과정이다.
커피 로스팅의 정도는 커피를 볶는 작업자의 판단에 의해 이루어진다. 로스팅 공정 제어 역시 작업자에 의존되므로 작업자의 경험과 숙련도에 따라 원두의 품질에 많은 편차가 발생할 수 있다.
본 발명은, 작업자의 숙련도와 무관하게 균일한 품질의 원두를 얻을 수 있는 커피 로스팅 장치를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 한정되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 과제 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예는, 커피콩을 로스팅하는 로스팅 챔버, 상기 로스팅 챔버 내에 일단이 위치하고 타단은 상기 로스팅 챔버 외부에 위치하여, 상기 로스팅 챔버 내부의 소리를 상기 로스팅 챔버 외부로 전달하는 도파관(Wave Guide) 및 상기 도파관이 전달한 상기 로스팅 챔버 내부의 소리를 수집하는 음향센서를 포함하는 커피 로스팅 장치를 개시한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 커피 로스팅 시 발생하는 소리를 작업자가 용이하게 들을 수 있으므로, 커피 로스팅 공정을 제어하는데 도움이 될 수 있다.
또한, 간색대는 모든 커피 로스팅 장치에 있어 커피 로스팅 장치와 독립적으로 교체, 변경 등이 가능해, 이미 설치되어 운전되고 있는 커피 로스팅 장치에도 쉽게 적용할 수 있다.
기계적이고 통계적인 처리에 의한 더 객관적이고 일관적인 커피 로스팅 공정 판단과 제어는 작업자의 숙련도와 무관하게 원두의 생산성이나 결과물의 질 향상에 기여할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 커피 로스팅 장치의 예시를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 도 1의 커피 로스팅 장치의 간색대를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 3은 신호 처리 장치의 기능을 블록으로 나타낸 구성도이다.
도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 커피 로스팅 공정에서 커피 로스팅 장치에서 발생한 음향신호의 시간파형과 주파수에 대한 예시 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따라 커피 로스팅 공정에서 커피 로스팅 장치에서 발생한 음향신호의 주파수에 밴드 패스 필터(band-pass filter)를 적용하는 예시 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따라 커피 로스팅 공정에서 커피 로스팅 장치에서 발생한 음향신호의 주파수에 하이 패스 필터(high-pass filter)를 적용하는 예시 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 일 실시예에 따라 커피 로스팅 공정에서 1차 크랙이 발생한 음향신호에 하이 패스 필터를 적용하기 전과 후의 음향신호에 대한 예시 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 일 실시예에 따라 커피 로스팅 공정에서 2차 크랙시 발생한 음향신호에 하이 패스 필터를 적용하기 전과 후의 음향신호에 대한 예시 그래프이다.
본 발명의 일 실시예는, 커피콩을 로스팅하는 로스팅 챔버, 상기 로스팅 챔버 내에 일단이 위치하고 타단은 상기 로스팅 챔버 외부에 위치하여, 상기 로스팅 챔버 내부의 소리를 상기 로스팅 챔버 외부로 전달하는 도파관(Wave Guide) 및 상기 도파관이 전달한 상기 로스팅 챔버 내부의 소리를 수집하는 음향센서를 포함하는 커피 로스팅 장치를 개시한다.
본 실시예에서, 상기 커피 로스팅 장치는, 상기 로스팅 챔버에 결합 가능한 간색대(Trier)를 더 포함할 수 있고, 상기 도파관은 상기 간색대의 길이 방향을 따라 상기 간색대 내에 위치할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 음향센서에서 수집한 음향신호를 수신하여 처리하는 신호 처리 장치를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 로스팅 챔버 내부의 소리는 상기 커피콩의 로스팅 과정 중 발생하는 상기 커피콩의 크랙 소리를 포함할 수 있고, 상기 신호 처리 장치는 수집한 음향신호에서 주변소음(background noise)을 저감하고, 상기 크랙 소리를 증폭할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 신호 처리 장치는, 수집한 상기 음향신호로 크랙이 발생한 상기 커피콩의 개수, 커피콩 집단의 크랙 발생 여부 및 커피 로스팅 종료 시점 중 적어도 어느 하나를 판단할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 신호 처리 장치는, 인공지능 학습에 기초하여 상기 수집한 음향신호로부터 커피 로스팅 공정 상태를 진단할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 신호 처리 장치는, 상기 크랙 소리에 의해 1차 크랙 시점을 판단할 수 있고, 상기 제1 크랙 시점은, 최초 크랙 소리 이후 1초 내에 적어도 2회의 크랙 소리가 발생하는 시점일 수 있다.
본 실시예에서, 상기 신호 처리 장치는 상기 판단한 1차 크랙 시점에서부터 기 설정된 시간 경과시를 커피 로스팅 종료 시점으로 판단할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 신호 처리 장치는 상기 커피 로스팅 종료 시점에서 상기 로스팅 챔버의 동작을 중지하는 제어 명령을 생성할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 신호 처리 장치는, 상기 커피콩의 크랙 소리의 발생 횟수를 카운팅하고, 상기 카운팅된 커피콩의 크랙 소리의 발생 횟수가 상기 로스팅 챔버에 투입한 전체 커피콩 개수의 70%이상이면, 커피 로스팅 종료 시점으로 판단할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 신호 처리 장치는, 상기 수집한 음향신호에서 커피 로스팅 장치 고장 시 발생하는 음향신호에 대응하는 음향신호 발생 시, 커피 로스팅 장치 고장 알림 신호를 생성할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 신호 처리 장치에서 처리한 정보를 전달받고, 상기 전달받은 정보로 커피 로스팅 공정을 관리하는 단말기기를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 단말기기는 무선 단말기기일 수 있다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 각 도면에서, 구성요소는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 해당 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
각 구성요소의 설명에 있어서, 상(on)에 또는 하(under)에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(on)과 하(under)는 직접 또는 다른 구성요소를 개재하여 형성되는 것을 모두 포함하며, 상(on) 및 하(under)에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예가 위에서 나열된 구성들을 포함한다는 의미는 이들 구성으로만 이루어진다는 뜻이 아니라 이들 구성을 기본적으로 포함한다는 뜻으로, 이외에도 다른 구성(예컨대, 커피 로스팅 장치에서 널리 알려진 공지기술)을 포함할 수 있다는 의미이지만, 공지기술에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 커피 로스팅 장치의 예시를 개략적으로 도시한 구성도이다. 도 2는 일 실시예에 따른 도 1의 커피 로스팅 장치의 간색대를 개략적으로 도시한 측면도, 도 3은 일 실시예에 따른 신호 처리 장치의 기능을 블록으로 나타낸 구성도, 도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 커피 로스팅 공정에서 커피 로스팅 장치에서 발생한 음향신호의 시간파형과 주파수에 대한 그래프, 도 5은 일 실시예에 따라 커피 로스팅 공정에서 커피 로스팅 장치에서 발생한 음향신호의 주파수에 밴드 패스 필터(band-pass filter)를 적용하는 예시 그래프, 도 6은 일 실시예에 따라 커피 로스팅 공정에서 커피 로스팅 장치에서 발생한 음향신호의 주파수에 하이 패스 필터(high-pass filter)를 적용하는 예시 그래프이다. 도 7a 및 도 7b는 일 실시예에 따라 커피 로스팅 공정에서 1차 크랙이 발생한 음향신호에 하이 패스 필터를 적용하기 전과 후의 음향신호에 대한 예시 그래프이다. 도 8a 및 도 8b는 일 실시예에 따라 커피 로스팅 공정에서 2차 크랙시 발생한 음향신호에 하이 패스 필터를 적용하기 전과 후의 음향신호에 대한 예시 그래프이다.
먼저 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 커피 로스팅 장치(100)는, 로스팅 챔버(110), 로스팅 챔버(110) 내부의 소리를 로스팅 챔버(110) 외부로 전달하는 도파관(120), 도파관(120)이 전달한 로스팅 챔버(110) 내부의 소리를 수집하는 음향센서(130)를 포함할 수 있다. 또한, 커피 로스팅 장치(100)는 커피콩의 로스팅 정도를 확인할 수 있는 간색대(140) 음향센서(130)가 수집한 음향신호를 수신하여 처리하는 신호 처리 장치(150), 신호 처리 장치(150)에서 처리한 음향신호를 출력하는 스피커(160) 및 신호 처리 장치(150)에서 처리한 정보를 전달받고, 그 정보로 커피 로스팅 공정을 관리하는 단말기기(170)을 더 포함할 수 있다.
로스팅 챔버(110)는 커피콩을 공급받고 이 안에서 커피콩을 볶는 로스팅이 진행되는 실(室)이다.
도파관(120)은 로스팅 챔버(110)와 음향센서(130)를 연결하는 관으로서, 내부의 열 환경을 교란하지 않는 크기와 형상으로 음파를 전달하며, 전달 통로 중간에 냉각되어 음향센서(130)에 전달되는 열은 적도록 할 수 있다.
도파관(120)은, 로스팅 챔버(110) 내에 일단이 위치하고 타단은 로스팅 챔버(110) 외부에 위치하여, 로스팅 챔버(110) 내부의 소리를 로스팅 챔버(110) 외부로 전달할 수 있다.
또한, 도파관(120)은 냉각부(122)를 포함할 수 있다. 일 예로, 냉각부(122)는 로스팅 챔버(110) 외부에 노출된 도파관(120)의 적어도 일부를 감쌀 수 있으며, 냉각부(122)에는 냉매 등이 흐를 수 있다. 따라서, 로스팅 챔버(110) 내부에서 가열된 도파관(120)을 냉각시켜 안정된 소리를 음향센서(130)에 전달할 수 있다.
음향센서(130)는 소리의 물리적인 양이나 그 변화를 감지하여 구분 및 계측하여 일정한 신호로 알려주는 기구이다. 음향센서(130)는 커피 로스팅 시 중요한 소리인 크랙 소리를 감지할 수 있다.
커피 로스팅 공정 중에 발생하는 1차 및 2차 크랙 등의 음향신호는 커피콩의 상태 변화를 알려주는 중요한 신호가 될 수 있다.
크랙 발생 또는 종료 시점은 커피 로스팅 공정 제어에 중요한 이정표가 되며, 이를 어떻게 판단함에 따라 결과물의 질이 좌우될 수 있다. 커피 로스팅 챔버 안에 모인 다량의 커피콩들은 균일하지 않으므로 각 공정시마다 편차를 가질 수 있으며, 작업자에 따라 공정에 대한 진단도 달라질 수 있다. 기계적이고 통계적인 처리에 의한 커피 로스팅 상황 진단은 더 객관적이고 일관적인 공정으로 커피의 생산성이나 결과물의 질을 향상시킬 수 있다.
크랙의 시작과 종료는 커피 로스팅의 중요한 컨트롤 포인트로 맛의 급속한 발전이 일어나는 지점일 수 있다. 커피 로스팅 공정의 진행 상태를 파악할 수 있는 지표인 크랙 소리는 커피 로스팅 현장에서 작업자들이 집중해서 들으려 하는 대상이다.
그러나 작업자의 맨 귀로는, 모든 커피콩이 동시에 바로 터지지 않아 정확한 크랙 시점을 판단하기 어려울 수 있고, 커피 로스팅 장치의 소음과, 로스팅 챔버와 원두가 부딪히는 소음, 또는 단열이 너무 잘 되어 있는 일부 커피 로스팅 장치 때문에 크랙 소리를 듣기 더욱 힘들 수 있다.
크랙 소리를 더 잘 듣기 위해 종래의 대부분의 방법들은, 대표적인 음향센서인 마이크를 로스팅 챔버 내부 또는 외부에 설치하여 신호를 얻고 이를 시계열 혹은 주파수 영역에서 분석하여 그 결과를 기준이 되는 신호와 비교하여 크랙 발생 여부를 판단한다.
그러나 로스팅 챔버 외부에 설치된 음향센서는 차폐되어 있는 로스팅 챔버 안에서 발생하는 음향신호를 모터, 팬 등이 가동되고 있는 환경 속에서 얻기 어렵고, 적어도 220˚C가 넘는 로스팅 챔버 안에 장시간 작동할 수 있는 음향센서를 설치하기도 쉽지 않다.
본 발명은 도파관(120)의 한쪽 끝이 로스팅 챔버(110) 내부와 연결되고, 다른 쪽 끝은 로스팅 챔버(110) 외부로 연장되어, 커피 로스팅 시 발생하는 소리를 외부로 전달할 수 있다. 또한, 도파관(120)을 사용함으로써 로스팅 챔버(110)에서 발생하는 열로부터 음향센서(130)를 보호할 수 있다.
일 예로, 음향센서(130)는 마이크를 포함할 수 있으며, 도파관(120)에서 전달되는 로스팅 챔버(110) 내부의 소리를 수집하고 증폭시킬 수 있다.
커피 로스팅 장치(100)는, 로스팅 챔버(110)에 결합 가능한 간색대(140)를 더 포함할 수 있다. 간색대(140)는 커피 로스팅 공정 중에 있는 커피콩 몇 개를 외부로 꺼내 로스팅의 정도를 관찰할 수 있도록 하는 도구이다. 로스팅 챔버(110)에는 간색대(140)의 수집부(144)가 삽입될 수 있는 홀이 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 간색대(140)는, 작업자가 잡을 수 있는 핸들(142), 핸들(142)과 연결되어 로스팅 챔버(110) 내부로 삽입되어 로스팅 되는 커피콩의 일부를 수집하는 수집부(144), 및 핸들(142)과 수집부(144) 사이의 스토퍼(146)를 포함할 수 있다.
핸들(142)은 로스팅 챔버(110) 외부에 위치하며, 커피 로스팅 작업 중 손으로 직접 조작할 수 있는 온도로 유지될 수 있도록 열전도도가 작은 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 핸들(142)은 나무, 고분자 재질일 수 있다.
수집부(144)는 핸들(142)과 연결되어 로스팅 챔버(110) 내부로 삽입될 수 있다. 수집부(144)는 오목한 형상으로, 로스팅 되는 여러 개의 커피콩을 수집하고, 이를 통해 작업자는 로스팅의 정도를 확인할 수 있다.
간색대(140)를 로스팅 챔버(110)에 결합할 때, 오목한 부분이 로스팅 챔버(110) 아래를 향하도록 수집부(144)를 로스팅 챔버(110) 안으로 넣을 수 있다. 수집부(144)의 오목한 부분이 로스팅 챔버(110) 아래를 향하게 되면, 수집부(144)의 오목한 부분이 로스팅 챔버(110) 위를 향하게 결합될 때 커피콩이 수집부(144)의 오목한 부분에 담겨있어 커피콩들이 균일하게 로스팅되지 않는 것을 방지할 수 있다.
작업자는 커피콩의 로스팅 정도를 확인하기 위해 간색대(140)에 몇 개의 커피콩을 꺼내볼 수 있다. 작업자는 수집부(144)의 오목한 부분이 위를 향하도록 로스팅 챔버(110) 내에서 간색대(140)를 돌려 수집부(144)에 담긴 커피콩으로 로스팅의 정도를 판단할 수 있다.
핸들(142)과 수집부(144) 사이의 스토퍼(146)는, 수집부(144)가 로스팅 챔버(110)에 삽입될 때, 간색대(140)가 로스팅 챔버(110) 내부로 과도하게 들어가는 것을 방지하기 위해 로스팅 챔버(110)에 형성된 홀보다 크게 형성될 수 있다.
도파관(120)은 간색대(140) 내에 위치할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 간색대(140)의 핸들(142) 내부에 홀을 형성하고, 홀을 관통하도록 도파관(120)을 위치할 수 있다. 또한, 핸들(142) 끝에 도파관(120)과 연결된 음향센서(130)를 설치할 수 있다. 한편, 간색대는 다양한 커피 로스팅 장치에 포함되되, 커피 로스팅 장치와 독립적으로 교체, 변경 등이 가능하다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 핸들(142)은 열 전도도가 작은 고분자, 나무 등의 재질로 형성되므로, 핸들(142)의 길이 방향을 따라 연장된 홀을 형성하기 용이하다. 따라서, 이미 설치되어 운전되고 있는 커피 로스팅 장치의 간색대에도 본 발명에 따른 도파관(120)을 용이하게 설치할 수 있으며, 그 결과 로스팅 챔버(110) 내부의 소리를. 외부에서 용이하게 인지할 수 있다.
홀에 삽입된 간색대(140)는 커피콩 상면보다 더 높게 위치할 수 있다. 즉, 로스팅 되는 커피콩과 직접 맞닿지 않도록 간색대(140)가 위치함으로써 로스팅 챔버(110) 내부의 소리 수집에 유리할 수 있다.
커피 로스팅 장치(100)는 음향센서(130)에서 수집한 음향신호를 수신하여 처리하는 신호 처리 장치(150)를 더 포함할 수 있고, 신호 처리 장치(150)는 로스팅 챔버(110) 외부에 위치할 수 있다.
신호 처리 장치(150)는, 작업자가 크랙 소리 같은 중요한 소리를 쉽게 들을 수 있도록 로스팅 드럼 구동 소음, 송풍기 작동 소음 등 작업자가 크랙 소리 같은 중요한 소리를 감지하는 데 방해가 되는 주변소음 신호를 제거, 저감 또는 상쇄하여 스피커(160)로 보낼 수 있다.
도 3은 신호 처리 장치(150)의 기능을 블록으로 나타낸 구성도이다.
신호 처리 장치(150)는 프리앰프(152), 프로세서(154), 앰프(156)를 포함할 수 있다. 음향센서(130)에 의해 수집된 음향신호는 프리앰프(152)에서 증폭된 후 프로세서(154)로 전달되어 주변소음이 제거, 저감 또는 상쇄된 후, 앰프(156)로 전달되어 증폭될 수 있다. 또한, 프로세서(154)는 증폭된 신호를 분석하여 크랙이 발생한 상기 커피콩의 개수, 커피콩 집단의 크랙 발생 여부 및 커피 로스팅 종료 시점을 판단할 수 있다.
프리앰프(152)는 내부 회로의 소신호 증폭을 통해 오디오 신호를 처리하는 제어용 앰프일 수 있다. 프리앰프(152)는 별도의 증폭기를 연결해 충분히 음향신호를 증폭해야만 스피커를 통해 사운드를 들을 수 있는 소신호를 처리하는 증폭기일 수 있다.
프로세서(154)는 크랙 소리와 같이 커피 로스팅 상태 판단에 중요한 소리 외에 다른 주변소음, 즉 로스팅 드럼 구동 소음, 로스팅 챔버에 커피콩들이 부딪히는 소음 등을 저감, 제거 또는 상쇄할 수 있다.
즉, 프로세서(154)는 음향센서(130)로부터 획득된 음향 신호를 처리하는 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 프로세서(154)는, 신호 처리 장치(150)에 저장된 프로그램들을 실행함으로써, 신호 처리 장치(150)의 동작을 제어할 수 있다.
프로세서(154)는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
앰프(156)는 입력신호의 진폭을 크게 하여 출력하는 장치로서, 프로세서(154)가 주변 노이즈를 제거, 저감 및 상쇄한 신호를 증폭함으로써, 신호 처리 장치(150)가 커피 로스팅 공정 상태를 진단할 수 있도록 할 수 있다. 앰프(156)가 증폭한 신호를 분석하여 로스팅 공정 상태를 진단하는 구성에 대해서는 후술하기로 한다.
도 4a 및 도 4b는 커피 로스팅 장치 구동 시 발생하는 음향신호의 시간파형과 주파수를 나타내는 일 예시 그래프이다. 도 4a는 시간파형을, 도 4b는 주파수 스펙트럼을 도시하는 그래프이다. 일반적으로 로스팅 드럼과 송풍기에서 발생하는 소음은 커피 로스팅 과정에서 로스팅 드럼과 송풍기가 균일한 회전수 등으로 일정하게 동작하기 때문에 특정 주파수 성분만을 가질 수 있다. 프로세서(154)는 이 특정 주파수 성분만을 제거 또는 저감하는 필터링으로 주변소음을 낮출 수 있다.
커피 로스팅 과정에서 크랙 소리 등 중요한 소리는 모든 주파수 성분이 존재하는 임펄스 소음 형태로 발생하기 때문에, 주변소음의 피크 성분 제거를 위한 프로세서(154)에는 입력신호에서 어느 주파수 이하의 성분과 어느 주파수 이상의 성분을 제거하고 출력하는 필터인 밴드 패스 필터(band-pass filter) 뿐만 아니라, 입력신호에서 특정 주파수 이하의 저역 주파수를 제거하는 하이 패스 필터(high-pass filter)도 적용될 수 있다.
도 5는 주변소음이 주로 분포하는 주파수 구간인 0~a(Hz), b~c(Hz) 주파수 구간을 제거하고 출력하는 밴드 패스 필터를 적용한 예시 그래프이다. 적색 실선은 본 발명의 프로세서(154)가 적용한 밴드 패스 필터의 주파수 특성을 나타낸다.
도 6은 주변소음이 주로 분포하는 주파수 구간인 0~d(Hz) 주파수 구간을 제거하고 출력하는 하이 패스 필터를 적용한 예시 그래프이다. 적색 실선은 본 발명의 프로세서(154)가 적용한 하이 패스 필터의 주파수 특성을 나타낸다.
도 7a 및 도 7b는 커피 로스팅 공정에서 1차 크랙이 발생한 음향신호에 하이 패스 필터를 적용하기 전과 후의 음향신호에 대한 예시 그래프이다. 도 7a는 하이 패스 필터를 적용하기 전 음향신호를, 도 7b는 2 kHz 하이 패스 필터를 적용한 후 음향신호를 나타낸다.
도 8a 및 도 8b는 커피 로스팅 공정에서 2차 크랙시 발생한 음향신호에 하이 패스 필터를 적용하기 전과 후의 음향신호에 대한 예시 그래프이다. 도 8a는 하이 패스 필터를 적용하기 전 음향신호를, 도 8b는 2 kHz 하이 패스 필터를 적용한 후의 음향신호를 나타낸다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 프로세서(154)는 능동소음제어(Active　Noise　Cancellation,　ANC) 기법을 사용하여 주변 소음을 상쇄할 수 있다. 능동소음제어는 　노이즈 캔슬링　기능 중 하나로, 기술적인 방법으로 소음을 차단하는 기법이다. 능동소음제어기법은 음향센서의 일 예시가 될 수 있는 마이크에서 주변의 소리를 수집하고, 수집된 소리에 대한 파동의 위상을 반대로 반전시킨 후, 반전시킨 소리를 스피커로 쏘아 주변의 소음에 상쇄 간섭을 일으켜 주변의 소음을 차단할 수 있다. 커피 로스팅 공정에서의 주변소음은 일정하고, 피크 특성을 가지므로, 크랙이 발생하지 않는 커피 로스팅 초기 상태에는 소리를 측정해 주변소음을 제거하는 능동소음제어 기법을 적용할 수 있다. 커피 로스팅 초기 상태는 예를 들면, 로스팅 시작 이후 커피콩의 첫 크랙 소리가 들리는 시점 전일 수 있다.
일반적인 능동소음제어는 기준 마이크과 오차 마이크, 제어용 스피커가 사용되지만, 본 방법에서는 출력부의 일 예시인 스피커로 입력되는 스피커 입력 신호만을 제어하면 되기 때문에 음향센서의 일 예시인 기존의 측정 마이크 외 오차 마이크, 제어용 스피커들은 구비하지 않을 수 있다. 대신, 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치(150)는 능동소음제어를 위하여 프리앰프(152), 프로세서(154) 및 앰프(156)를 구비할 수 있다.
능동소음제어 방법은, 음향센서(130)에서 얻은 음향신호를 프리앰프(152)에서 먼저 증폭시키고, 프로세서(154)에서 주변소음을 상쇄해, 앰프(156)에서 처리된 음향신호를 증폭해 스피커(160)로 보내는 방법으로 구현될 수 있다.
프로세서(154)는, 커피 로스팅 초기 상태 동안 능동소음제어에 사용된 기준신호를 취득하고, 해당 신호에 대한 반대 위상 신호를 생성한 후, 측정된 음향신호와 중첩하여 오차가 최소가 되도록 기준신호의 위상을 변경한 제어 신호를 생성하여 음향신호와 중첩해 주변소음을 상쇄할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 프로세서(154)가 필터링이나 능동소음제어 방법을 이용하여 주변소음을 상쇄한 신호를 생성함으로써 신호 처리 장치(150)가 커피 로스팅 공정 상태를 쉽게 진단할 수 있도록 할 수 있다. 또한 앰프(156)는 프로세서(154)가 주변소음을 상쇄한 신호를 증폭하여 스피커(160)로 보냄으로써 작업자가 크랙 소리를 더 잘 들을 수 있도록 할 수 있다. 이하에서는 프로세서(154)가 처리한 신호를 분석하여 로스팅 공정 상태를 진단하는 구성에 대해 살펴보기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 신호 처리 장치(150)의 프로세서(154)는 음향센서(130)에서 수집한 음향신호로부터 주변소음을 상쇄한 신호로부터 커피콩 집단의 크랙 발생여부를 보다 잘 판단할 수 있다. 일 실시예에 따라 도 7b와 도 8b에서 하이 패스 필터를 통해 주변소음이 상쇄된 신호에서는, 주변소음 대비 크기가 작아 파악이 어려웠던 피크들을 하이 패스 필터를 적용하기 전의 도 7a 및 도 8a의 신호보다 더 잘 구별할 수 있음을 볼 수 있다.
크랙 발생 여부는 주변 소음이 상쇄된 음향신호의 시간파형에서 일정 수준 이상의 크기를 갖는 피크 발생 횟수나 크레스트 팩터(Crest factor, peak/rms 로 정의)의 변화 추이로부터 판단할 수 있다.
또한 신호 처리 장치(150)의 프로세서(154)는 인공지능(AI)기술을 활용해 개별 커피콩을 가열하는 공정에서 발생되는 크랙 등 방출 음향을 학습할 수 있다. 인공지능(AI)기술의 일 예시로는 딥러닝(Deep learning)이 있을 수 있다.
신호 처리 장치(150)는 인공지능(AI)기술을 활용해 음향센서(130)에서 수집한 음향신호로부터 각각의 커피콩에서 크랙이 발생한 순간을 개별적으로 판단할 수 있고, 크랙 발생 횟수를 계수하고 통계적으로 처리해 커피콩 집단(lot)에 대한 크랙 발생 및 종료 여부, 이에 따른 커피 로스팅 종료 등의 제어 신호를 만들 수 있다.
신호 처리 장치(150)는 1차 크랙 시점을 최초 크랙 소리 이후 1초 내에 적어도 2회의 크랙 소리가 발생하는 시점을 1차 크랙 시점으로 판단할 수 있다.
신호 처리 장치(150)는 1차 크랙의 종료 시점을 1차 크랙 시점 이후 3초 동안 1초당 적어도 2회의 크랙이 발생되지 않은 순간으로 판단할 수 있다. 다른 실시예에서 신호 처리 장치(150)는 1차 크랙의 종료 시점을 로스팅 챔버(110)에 투입한 커피콩 수의 50% 이상의 커피콩에서 1차 크랙이 발생한 시점으로 판단할 수 있다.
신호 처리 장치(150)는 2차 크랙 시점을 1차 크랙 종료 이후 최초의 2차 크랙 소리 이후 1초 내에 적어도 2회의 크랙 소리가 발생하는 시점을 2차 크랙 시점으로 판단할 수 있다.
신호 처리 장치(150)는 2차 크랙의 종료 시점을 2차 크랙 시점 이후 3초 동안 1초당 적어도 2회의 크랙이 발생되지 않은 순간으로 판단할 수 있다. 다른 실시예에서 신호 처리 장치(150)는 2차 크랙의 종료 시점을 최초의 2차 크랙 소리 이후 로스팅 챔버(110)에 투입한 커피콩 수의 50% 이상의 커피콩에서 2차 크랙이 발생한 시점으로 판단할 수 있다.
혹은, 다른 실시예에 따르면, 신호 처리 장치(150)는 처리된 취득 음향신호와 인공지능 학습을 통해 크랙 시점을 판단할 수 있다.
일 예시에 의하면, 신호 처리 장치(150)는 판단한 1차 및 2차 크랙 시점, 1차 및 2차 크랙 종료 시점 중의 하나로부터 기 설정된 시간 경과시를 커피 로스팅 종료 시점으로 판단할 수 있다. 기 설정된 시간은 작업자의 설정에 의할 수 있으며, 예를 들어 30초, 1분 등이 될 수 있다.
다른 예시에 의하면, 신호 처리 장치(150)는 커피콩의 크랙 소리의 발생 횟수를 카운팅하고, 카운팅된 커피콩의 크랙 소리의 발생 횟수가 로스팅 챔버에 투입한 전체 커피콩 개수의 70%이상이면, 커피 로스팅 종료 시점으로 판단할 수 있다.
신호 처리 장치(150)는 생성 및 통계 처리된 신호를 전형적인 커피 로스팅 시간-온도 공정 그래프에 반영하거나 판단한 커피 로스팅 종료 시점에서 로스팅 챔버(110)의 동작을 중지하는 제어 명령 등을 공정에 피드백하여 커피 로스팅 공정을 자동화할 수 있다.
또한, 신호 처리 장치(150)는 음향센서(130)에서 얻은 소리에서 커피 로스팅 장치 고장 시 발생하는 음향신호에 대응하는 소리를 학습할 수 있고, 이를 근거로 커피 로스팅 장치(100)의 고장을 판단할 수 있다. 신호 처리 장치(150)는 커피 로스팅 장치(100) 고장 판단 시 커피 로스팅 장치 고장 알림 신호를 생성할 수 있다.
스피커(160)는 신호 처리 장치(150)에서 처리한 음향신호를 출력할 수 있다. 작업자는 스피커(160)로 출력된 음향신호로 커피 로스팅 공정 상태를 진단할 수 있다.
커피 로스팅 장치(100)는, 신호 처리 장치(150)에서 취득한 정보를 전달받고 전달받은 정보로 커피 로스팅 공정을 관리하는 단말기기(170)를 더 포함할 수 있다. 작업자는 단말기기(170)로 커피 로스팅 공정의 시작, 종료, 알림 확인, 로스팅 진행 상황 확인 등을 할 수 있다. 단말기기(170)는 일 예시로서 무선 단말기기일 수 있다.
본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 이용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 커피 로스팅 장치는 다양한 산업상 이용 가능한 장치에 적용될 수 있다. 특히, 커피 로스팅 공정을 용이하게 제어 및 판단하여 향상된 결과물을 생산하는 커피 로스팅 장치에 적용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 커피콩을 로스팅하는 로스팅 챔버;
    상기 로스팅 챔버 내에 일단이 위치하고 타단은 상기 로스팅 챔버 외부에 위치하여, 상기 로스팅 챔버 내부의 소리를 상기 로스팅 챔버 외부로 전달하는 도파관; 및
    상기 도파관이 전달한 상기 로스팅 챔버 내부의 소리를 수집하는 음향센서; 를 포함하는 커피 로스팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 커피 로스팅 장치는, 상기 로스팅 챔버에 결합 가능한 간색대(Trier)를 더 포함하고, 상기 도파관은 상기 간색대의 길이 방향을 따라 상기 간색대 내에 위치하는, 커피 로스팅 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 음향센서에서 수집한 음향신호를 수신하여 처리하는 신호 처리 장치를 더 포함하는, 커피 로스팅 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 로스팅 챔버 내부의 소리는 상기 커피콩의 로스팅 과정 중 발생하는 상기 커피콩의 크랙 소리를 포함하고,
    상기 신호 처리 장치는, 상기 수집한 음향신호에서 주변소음(background noise)을 저감하고, 상기 크랙 소리를 증폭하는, 커피 로스팅 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 신호 처리 장치는, 수집한 상기 음향신호로 크랙이 발생한 상기 커피콩의 개수, 커피콩 집단의 크랙 발생 여부 및 커피 로스팅 종료 시점 중 적어도 어느 하나를 판단하는, 커피 로스팅 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 신호 처리 장치는, 인공지능 학습에 기초하여 상기 수집한 음향신호로부터 커피 로스팅 공정 상태를 진단하는, 커피 로스팅 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 신호 처리 장치는, 상기 크랙 소리에 의해 1차 크랙 시점을 판단하고,
    상기 제1 크랙 시점은, 최초 크랙 소리 이후 1초 내에 적어도 2회의 크랙 소리가 발생하는 시점인, 커피 로스팅 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 신호 처리 장치는, 상기 판단한 1차 크랙 시점에서부터 기 설정된 시간 경과시를 커피 로스팅 종료 시점으로 판단하는, 커피 로스팅 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 신호 처리 장치는, 상기 커피 로스팅 종료 시점에서 상기 로스팅 챔버의 동작을 중지하는 제어 명령을 생성하는, 커피 로스팅 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 신호 처리 장치는, 상기 커피콩의 크랙 소리의 발생 횟수를 카운팅하고, 상기 카운팅된 커피콩의 크랙 소리의 발생 횟수가 상기 로스팅 챔버에 투입한 전체 커피콩 개수의 70%이상이면, 커피 로스팅 종료 시점으로 판단하는, 커피 로스팅 장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 신호 처리 장치는, 상기 수집한 음향신호에서 커피 로스팅 장치 고장 시 발생하는 음향신호에 대응하는 음향신호 발생 시, 커피 로스팅 장치 고장 알림 신호를 생성하는, 커피 로스팅 장치.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 신호 처리 장치에서 처리한 정보를 전달받고, 상기 전달받은 정보로 커피 로스팅 공정을 관리하는 단말기기를 더 포함하는, 커피 로스팅 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 단말기기는 무선 단말기기인, 커피 로스팅 장치.
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