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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 소방 IT분야에 도입될 무선화재감지기의 효용성 및 신뢰성을 확인하고자, 현재 가장 많이 상용화되어 있는 2.4 GHz의 주파수를 사용하는 무선모듈을 이용하여, 건물 내에서 무선통신 환경에 영향을 줄 수 있는 대표적인 장애물의 종류인 벽체를 시료로 하여 무선신호의 투과파 측정실험을 통해 응답특성을 확인하고, 도출된 결과를 바탕으로 무선화재감지기의 신뢰성을 검토하고 향후 소방분야에 도입을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- Figure 8은 수신신호전력 측정실험의 구성도 및 사진을 나타낸 것으로 각각의 성능시험챔버 내부에 송・수신 안테나를 설치하고 신호발생기와 신호분석기를 이용하여 벽체 종류에 따른 수신신호전력의 변화를 측정하였다. 이때, 챔버 내부의 송・수신 안테나 사이의 거리(χ)는 벽체의 유・무와 관계없이 150 cm부터 10 cm씩 변화시켜 챔버 내에서 측정 가능한 최대거리인 250 cm까지 CP 값을 측정한 후 평균값으로 나타내었다.
- Figure 9는 수신신호감도 측정실험의 구성도를 나타낸 것으로 각각의 성능시험챔버 내부에 안테나를 장착한 송・수신 무선모듈을 설치하고 송신(Tx)모듈에서 무선신호를 전송하여 전송된 신호를 수신(Rx)모듈에 연결된 노트북으로 데이터(RSSI checker 프로그램사용)를 획득하여 벽체 종류에 따른 수신신호감도의 변화를 측정하였다. 이때, 챔버 내부의 송・수신 무선모듈 사이의 거리(χ)는 벽체의 유무와 관계없이 150 cm, 200 cm, 250 cm로 하여 RSSI 값을 측정한 후 평균값으로 나타내었다.
- 본 논문에서는 소방 IT분야에 도입될 무선화재감지기의 효용성 및 신뢰성을 확인하고자, 현재 가장 많이 상용화되어 있는 2.4 GHz의 주파수를 사용하는 무선모듈을 이용하여, 건물 내에서 무선통신 환경에 영향을 줄 수 있는 대표적인 장애물의 종류인 벽체를 시료로 하여 무선신호의 투과파 측정실험을 실시하여 응답특성을 확인한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 수신신호전력과 수신신호감도 변화에 따른 데이터전송율의 신뢰성을 확인하고자 패킷에러율을 측정하였다. 일반적으로 IEEE 802.
대상 데이터
- Table 1은 실험에 사용된 벽체의 종류 및 규격을 나타낸 것으로 건축물에서 가장 많이 사용되어지고 있는 벽체 종류인 블록벽, 벽돌벽, 타일시공벽돌벽, 콘크리트벽, 샌드위치패널, SGP(Steel gypsum panel; 이하 ‘석고패널’)를 시료로 사용하였다. Figure 1은 실험시료의 사진을 나타낸 것으로 실험시료의 크기는 150 cm X 190 cm로 제작하였다.
- 무선화재감지기의 신뢰성 있는 응답특성 실험을 위하여 Figure 3에서와 같이 외란(외부무선주파수)의 영향을 최소화할 수 있는 성능시험챔버를 사용하였다. 성능시험챔버는 흡수체(Ferrite absorber)가 설치되어 있어 외부 무선신호의 영향 및 회절 등에 의한 간섭을 제거할 수 있으며, 시험장치 내 무선신호의 반사를 최소화할 수 있는 특징이 있다.
- 무선화재감지기의 응답특성 연구를 위해 한국소방산업기술원에서 개발한 무선화재감지기용 무선모듈 및 성능시험챔버를 이용하였다.
- 4 GHz 무선모듈의 구성도 및 시제품을 나타낸 것이다. 사용된 MCU는 MSP430F1611(Texas Instruments사, 미국)이며, RF IC로는 CC2420(Chipcon사, 미국)을 사용하였고, 3.6 V의 리튬배터리를 전원으로 동작하는 저전력 통신모듈로서 12bit의 ADC(A/D converter) 8채널과 다수의 GPIO(General purpose input/output)를 가지고 있으며 RF모듈과 SPI(Serial peripheral interface)로 연결되어 있다. 51 pin sensor interface connector에 센서보드(감지기보드)를 연결하면 연결된 센서의 데이터를 수집하거나 수집된 데이터를 RF신호로 다른 기기로 전송할 수 있는 특징이 있다.
데이터처리
- 벽체 종류에 따른 무선신호의 응답특성을 확인하기 위해 벽체를 통과하는 무선수신신호의 변화를 확인하는 투과파(Transmitted wave) 측정실험을 실시하였고, 모든 실험은 50회 실시 후 평균값으로 나타내었다. 또한, 실험은 외란(기류 및 날씨의 영향) 및 실험의 재현성을 위해 구획된 실험실 안에서 실시하였다.
이론/모형
- PC에서는 화재발생 여부 및 배터리전압 등을 확인할 수 있다. 또한, 무선통신상태를 감지하기 위하여 송・수신 무선모듈의 데이터를 획득하게 되는데 RSSI Checker 프로그램과 하이퍼터미널 프로그램을 사용하여 무선모듈간의 수신신호감도인 RSSI(Received signal strength indication)와 데이터(패킷)전송 에러율인 PER(Packet error rate)를 측정하는데 사용하였다.
성능/효과
- 따라서 수신신호감도가 측정된 부도체인 벽체 중 콘크리트벽 두께 200 mm에서 수신신호감도가 가장 낮은 최소 −82.2 dBm으로 측정되었지만 패킷에러율은 1 % 미만(데이터성공률 100 %)으로 데이터전송의 신뢰성에 문제가 없다는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 수신신호전력 및 수신신호감도가 −85 dBm 이하인 샌드위치패널, 석고패널의 경우 패킷에러율이 100 %로 나타나, 벽체 표면이 금속인 경우 데이터전송의 신뢰성에 문제가 발생하여 실제 화재발생시 화재신호의 전송에 있어서 에러가 발생할 것으로 생각되어진다.
- 1. 벽체종류에 따라 수신신호전력 및 수신신호감도에 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 블록벽, 벽돌벽, 타일시공 벽돌벽, 콘크리트벽 순으로 매질입자의 조밀도가 커질수록 투과손실이 크게 나타났으며, 표면이 금속으로 된 샌드위치패널 및 석고패널의 경우 전자파차폐효과에 의해 수신신호전력 및 수신신호감도가 측정되지 않았다.
- 벽체종류에 따라 수신신호전력 및 수신신호감도에 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 블록벽, 벽돌벽, 타일시공 벽돌벽, 콘크리트벽 순으로 매질입자의 조밀도가 커질수록 투과손실이 크게 나타났으며, 표면이 금속으로 된 샌드위치패널 및 석고패널의 경우 전자파차폐효과에 의해 수신신호전력 및 수신신호감도가 측정되지 않았다.
- 2. 수신신호전력 및 수신신호감도가 −85 dBm 이하인 샌드위치패널, 석고패널의 경우 패킷에러율이 100 %로 나타나, 벽체 표면이 금속인 경우 데이터전송의 신뢰성에 문제가 발생하여 실제 화재발생시 화재신호의 전송에 있어서 에러가 발생할 것으로 판단된다. 화재발생시 조기의 정확한 화재데이터의 전송은 인명의 생명과 재산피해를 판가름하는 중요한 역할을 하기 때문에 데이터전송의 신뢰성이 확보되어야 할 것으로 생각된다.
후속연구
- 따라서 건축물 내에서 무선통신 환경에 영향을 줄 수 있는 다양한 변수들에 대한 실험을 통한 정확한 분석과 이를 바탕으로 무선화재감지기의 설치기준 정립이 우선적으로 진행된 후에 소방분야에 무선시스템이 도입이 되어야 할 것으로 생각된다.
- 수신신호전력 및 수신신호감도가 −85 dBm 이하인 샌드위치패널, 석고패널의 경우 패킷에러율이 100 %로 나타나, 벽체 표면이 금속인 경우 데이터전송의 신뢰성에 문제가 발생하여 실제 화재발생시 화재신호의 전송에 있어서 에러가 발생할 것으로 판단된다. 화재발생시 조기의 정확한 화재데이터의 전송은 인명의 생명과 재산피해를 판가름하는 중요한 역할을 하기 때문에 데이터전송의 신뢰성이 확보되어야 할 것으로 생각된다.
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