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문제 정의
- 이로 인하여 사람의 움직임이 존재하는데도 그 동작이 미세할 경우 전등이 꺼져버리거나 넓은 공간에 적외선 센서 조명등만을 설치해야 할 경우 하나의 적외선 센서 조명등만으로는 감지 범위를 모두 커버하지 못하므로 두 개 혹은 그 이상 여러 개의 센서 조명등을 설치하게 되어 그로 인한 경비와 전력 소비가 증가하는 등의 일련의 불편함이 있다. 본 논문에서는 이런 문제점을 개선하기 위하여 근거리 감지 및 인체 감지에 적합한 적외선 센서의 장점과 원거리 감지 및 미세 감지에 뛰어난 초음파 센서의 장점을 결합한 다중센서를 PIC16F73 MIC0M으로 제어하는 전등제어 시스템을 구현하였다. 제안된 시스템은 기존의 적외선 센서 조명등의 감지 범위인 5평 보다 훨씬 넓은 약 40평의 범위에서 미세 움직임 감지가 가능하도록 제작하였다.
제안 방법
- 각 센서의 미세 감지 거리를 알아보기 위하여 위의 센서 실험에서 얻어진 최적의 경계값을 적용하여 다음과 같이 4가지 조건하에 실험을 실시하였다.
- 감도 조절이 가능할 수 있도록 MC14052B 멀티플렉서를 이용하여 가변저항에 의한 적외선 센서 및 초음파 센서의 민감도를 조절할 수 있도록 하였고 테스트 모드를 통하여 전등 작동의 이상 여부를 알 수 있도록 하였다. 기준전압 K苛=2.
- 기준전압 K苛=2.5[μ]를 중심으로 High 값과 Low 값을 설정하여 이 두 값 이상의 신호가 감지될 때에만 인체 감지로 보고 다중센서 조명등을 ON 될 수 있도록 설정하였고 가변저항을 이용하여 두 값을 조절함으로서 감도 조절이 가능하도록 하였다. [그림 3]은 초음파 센서 수신부의 파형에서 감지 및 비감지 상태를 나타낸다.
- 넷째, 모드를 테스트 모드로 하여 전등이 ON /OFF 시간을 10초로 설정하여 정상작동의 유무를 판별하였다.
- 넷째, 모드를 테스트 모드로 하여 전등이 ON /OFF 시간을 10초로 설정하여 정상작동의 유무를 확인하였다.
- 본 연구에서는 근거리 감지와 인체 감지에 적합한 적외선 센서의 장점과 원거리 감지와 미세 움직임 감지에 뛰어난 초음파 센서의 장점을 결합하여 PIC16F73 MIC0M으로 컨트롤 할 수 있는 다중센서를 이용한 전등제어 시스템을 구현하였다. 실험을 통하여 얻은 결과는 다음과 같다.
- 다중 센서 부로 설계하였다. 본 전등제어 시스템에서는 조명등을 설치한 장소의 중앙부를 중심으로 근거리의 빠른 움직임의 감지가 약한 초음파 센서부의 단점을 보완하고자 근거리의 인체 감지를 목적으로 적외선 센서를 사용하였다. 적외선 센서는 열형에 속하는 초전형 적외선 센서를 사용하였다.
- 센서 부는 적외선 센서와 초음파 센서를 이용한 다중 센서 부로 설계하였다. 본 전등제어 시스템에서는 조명등을 설치한 장소의 중앙부를 중심으로 근거리의 빠른 움직임의 감지가 약한 초음파 센서부의 단점을 보완하고자 근거리의 인체 감지를 목적으로 적외선 센서를 사용하였다.
- 셋째, 이 두 범위의 값을 지속적으로 변화를 주면서 그 중에서 가장 오차범위가 없으면서 정상 동작을 하는 값을 찾았다.
- 본 연구에서는 원거리에서도 미세감지가 가능한 초음파 센서 송. 수신부를설계하여 적외선 센서 부의 단점을 보완함과 동시에 전체적인 감도와 감지 범위를 향상시켰다.
- 초음파 센서 송.수신부의 초음파가 송신되고 수신되는 단면을 기준으로 각도 0도, 45도, 90도에서의 감지거리를 실험하였다. 실험 방법은 다음과 같이 하였다.
- 실험장소와 센서의 높이는 적외선 센서와 초음파 센서 실험과 동일하게 하였고, 실험 횟수는 각 조건하에 20회씩 반복 실시하였다. [표 4]는 각 센서에 대한 미세 감지 실험의 결과이다.
- 여섯째, 각각의 High 값과 Low 값 설정 후 다섯째 과정을 20번 반복 실험을 하여 거리 평균을 구하였으며 평균값 계산 시 최대 거리와 최소 거리는 제외하였다.
- 여섯째, 각각의 High 값과 Low 값을 설정한 후 다섯 번째 과정을 20회 반복 실험을 하여 거리 평균을 구하였으며 평균값은 최대 거리와 최소 거리를 제외한 값을 사용하였다.
- 원거리에서의 민감한 움직임을 감지하기 위해서 초음파 센서를 사용하였고 초음파 센서만을 사용할 경우 빠른 움직임에 대한 반응 속도가 느리기 때문에 이를 보완하기 위하여 적외선 센서를 결합하였다.
- 이상의 실험 결과를 바탕으로 적외선 센서와 초음파 센서의 장점을 서로 접목시켜 다중센서를 이용한 원거리 인체 감지 전등제어 시스템을 구현하였다. 원거리에서의 민감한 움직임을 감지하기 위해서 초음파 센서를 사용하였고 초음파 센서만을 사용할 경우 빠른 움직임에 대한 반응 속도가 느리기 때문에 이를 보완하기 위하여 적외선 센서를 결합하였다.
- 인체 감지를 위한 구동 알고리즘은 적외선 센서 구동과 초음파 센서 구동으로 각각 나누어 설계하였으나 최종 감지를 위해서 상호 보완되도록 프로그램밍 하였다.
- 적외선 High 값과 Low 값의 신호 입력 시간은 3 [ms] 로 설정되고, 입력신호가 3 脸 ] 보다짧으면 오작동으로 판단을 하여 비감지 상태로 인식, 다시 처음의 과정으로 돌아가도록 프로그래밍 하였다. 만약 3 [ms] 보다 긴 신호가 들어왔을 때는 인체 감지로 인식하여 전등이 ON 상태가 되도록 한다.
- 적외선 센서만을 강의실의 정중앙에 위치시켜 실험을 하였으며 걷기, 뛰기 등의 방법으로 인체 감지 확인 실험을 하였다. 실험 방법은 다음과 같이 하였다.
- 전체 시스템은 메인 제어부인 PIC16F73, 적외선 센서 및 초음파 센서 송, 수신부로 이루어진 센서부, 가변저항으로 민감도를 조절할 수 있는 감도 제어부, 전등을 ON/OFF 시키는 전등 릴레이부, 감지 여부를 LED를 통해 시각적으로 확인할 수 있는 센싱 표시부, 그리고 전등의 조도를 제어하는 조도 제 어부(디밍부)로 구성된다.
- 본 논문에서는 이런 문제점을 개선하기 위하여 근거리 감지 및 인체 감지에 적합한 적외선 센서의 장점과 원거리 감지 및 미세 감지에 뛰어난 초음파 센서의 장점을 결합한 다중센서를 PIC16F73 MIC0M으로 제어하는 전등제어 시스템을 구현하였다. 제안된 시스템은 기존의 적외선 센서 조명등의 감지 범위인 5평 보다 훨씬 넓은 약 40평의 범위에서 미세 움직임 감지가 가능하도록 제작하였다.
- 첫째, 센서 등이 위치하는 높이는 일반 사무실에서의 천장까지의 높이인 2.5 血]로 고정하였다.
- 수신 분리 초음파 센서 2쌍을 사용하였다. 초음파 센서 수신부에 입력되는 미약한 신호를 증폭하기 위하여 저전압 듀얼 OP-AMP 인 062BC와 LM358 IC로 신호를 증폭하여 메인 부에 신호가 들어가도록 하였다.
- 초음파 센서의 감지 범위를 알기 위해 적외선 센서 실험과 동일한 약 35평 넓이의 강의실에서 실험을 하였다.
- 4 [“湖의 파장에 가장 가까운 8 [fjm] ~ 14 [/zm] 범 위 의 적외선만을 감지하여 준다. 한편 적외선 센서 자체만으로는 감지 신호가 미약하므로 이를 보완하기 위하여 감지 신호를 증폭해주는 저 전압 듀얼 OP-AMP인 LM358 IC로 신호를 증폭하여 메인부인 PIC16F73으로 입력되도록 하였다.
대상 데이터
- 또한 집적도가 높고 입력 임피던스가 크며 동작 전압의 범위가 넓다(3). PIC16F73에 있는 3개의 I/O 포트는 모두 양방향성 I/O포트로서 22개의 I/O 포트 라인이 있으며 포트 A는 적외선 센서와 초음파 센서 신호의 A/D 변환과 릴레이 입력에 사용하였다. 포트 B는 민감도를 조절할 수 있는 감도 조절부와 시간 설정에 사용하였고 나머지 포트C는 전등이 OFF 될 때 서서히 조도를 줄여주는 디밍 기능을 할 수 있도록 하는 조도 제어부로 사용하였다.
- 위하여송. 수신 분리 초음파 센서 2쌍을 사용하였다. 초음파 센서 수신부에 입력되는 미약한 신호를 증폭하기 위하여 저전압 듀얼 OP-AMP 인 062BC와 LM358 IC로 신호를 증폭하여 메인 부에 신호가 들어가도록 하였다.
- 적외선 센서의 감지 범위를 확인하기 위해 서약 35평 정도의 강의실에서 실험을 하였다. 적외선 센서만을 강의실의 정중앙에 위치시켜 실험을 하였으며 걷기, 뛰기 등의 방법으로 인체 감지 확인 실험을 하였다.
성능/효과
- [표 3]은 각도 45도에서의 초음파 센서 감지 거리이다. 각도 45도에서 위와 같은 순서로 실시한 실험 결과 High 값 8과 Low 값 8로 설정하였을 때 감지 거리는 반경 6.8 两로 가장 멀리 감지하였다. 이때의 High 값 8과 Low 값 8은 각각 0.
- 넷째, 최종 실험 결과 최대 감지 범위는 약 125而勺로 약 37평을 감지하였다. 감지 범위의 형태는 원이 아닌 직사각형에 가까운 타원이다.
- 다섯째, 각 설정이 끝나면 실험자가 감지 범위 밖에서 안으로 이동하여 적외선 센서가 감지하면 전등이 ON 되도록 한다. 이때 전등이 ON 되는 순간 거리를 측정하였다.
- 둘째, 적외선 센서의 경계치 High 값 범위는 185-195, Low 값 범위는 10~110으로 하였다. 경계값은 0(1)에서 5 W까지의 범위를 8bit 최대값인 255로 나누어 각 레벨 크기를 약 0.
- 둘째, 적외선 센서의 경계치 High 값 범위는 8~18, Low 값 범위는 8~18로 하였다. 경계값은 0 [叼에서 5 W까지의 범위를 8bit 최대값인 255로 나누어 각 레벨 크기를 약 0.
- 둘째, 초음파 센서는 약 5.0 却]까지 미세 감지가 가능 하였으나 적외선 센서는 1 旅] 내에서 조차도 손목만을 움직이는 미세한 동작은 감지하지 못하였다';
- 있다. 따라서 본 연구에서 제안된 전등제어 시스템은 강의실, 전산실 등과 같은 미세움직임만 일어날 수 있는 공간 내에서 전등 제어에 보다 효율적으로 사용되어 고유가 시대에 에너지 절약에 도움이 될 수 있다. 또한 교실이나 사무실 내부에 사람의 유무를 판단한 정보를 유선 혹은 무선 방식으로 관리실에 전달하는 간단한 네트워크와 연계된다면 기초 보안 및 모니터링 시스템으로도 활용 가치가 있을 수 있다.
- 셋째, 빠른 움직임에 대한 감지 거리는 초음파 센서 1.0 [rn] 이내, 적외선 센서 약 2.5 [rn] 이내로 적외선 센서가 우수함을 알 수 있었다.
- 셋째, 이 두 범위의 값을 지속적으로 변화를 주면서 그 중에서 가장 오차범위가 없으면서 정상 동작을 하는 값을 찾는 과정을 반복하였다.
- 보임을 알 수 있었다. 실험 결과 적외선센서의 최대 감지 거리는 반경 2.6 \m], 초음파센서의 최대 감지 거리는 반경 7.7 却]로 측정되었다.
- 5 [湖이지만, 적외선 센서는 감지조차 하지 못하였다. 조건 2, 3, 4에서도 적외선 센서의 미세 감지 거리는 초음파 센서 미세 감지 거리의 절반에도 미치는 못하는 결과를 얻을 수 있었다.
- 첫째, 동일한 환경하에서 초음파 센서의 감지 거리가 적외선 센서보다 3배 이상의 감지 거리를 보임을 알 수 있었다. 실험 결과 적외선센서의 최대 감지 거리는 반경 2.
후속연구
- 또한 교실이나 사무실 내부에 사람의 유무를 판단한 정보를 유선 혹은 무선 방식으로 관리실에 전달하는 간단한 네트워크와 연계된다면 기초 보안 및 모니터링 시스템으로도 활용 가치가 있을 수 있다. 그러나 향후 홈 네트워크 등 다양한 분야에 적용되기 위해서는 감지 범위의 확장 및 민감도 부분에 대한 연구가 지속되어야 할 것으로 보여 진다.
- 따라서 본 연구에서 제안된 전등제어 시스템은 강의실, 전산실 등과 같은 미세움직임만 일어날 수 있는 공간 내에서 전등 제어에 보다 효율적으로 사용되어 고유가 시대에 에너지 절약에 도움이 될 수 있다. 또한 교실이나 사무실 내부에 사람의 유무를 판단한 정보를 유선 혹은 무선 방식으로 관리실에 전달하는 간단한 네트워크와 연계된다면 기초 보안 및 모니터링 시스템으로도 활용 가치가 있을 수 있다. 그러나 향후 홈 네트워크 등 다양한 분야에 적용되기 위해서는 감지 범위의 확장 및 민감도 부분에 대한 연구가 지속되어야 할 것으로 보여 진다.
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