[논문]전자기유도방식의 에너지 하베스팅을 이용한 자가발전 무선 비상호출기 구현 연구

김일중; 최연석

doi:10.12812/ksms.2014.16.2.111

전자기유도방식의 에너지 하베스팅을 이용한 자가발전 무선 비상호출기 구현 연구
Feasibility study for the self powered wireless emergency call button using electromagnetic energy harvesting mechanism 원문보기

대한안전경영과학회지 = Journal of the Korea safety management & science, v.16 no.2, 2014년, pp.111 - 119

김일중 (호서대학교 기계공학과) , 최연석 (호서대학교 컴퓨터정보공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the design and implementation of a electromagnetic energy harvesting mechanism and electronic circuit for autonomous emergency call system. This analysis results show the power output of the proposed harvesting mechanism and circuit up to max power output 5V and it can hold up to 65 msec of the power generation and 10msec of the RF transmission. Based on the these testing results, the implementation of autonomous emergency call device without battery power or any external power source is feasible.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이때 사용되는 무선통신 주파수 출력세기 및 대역폭등과 같은 무선규격은 해당 국가의 무선기기 형식승인 사양에 따라 결정되어지며, 입력수단 및 메커니즘도 제작사의 설계 방향과 기능설계에 따라 다양하게 변형되어지고 있다. 그러나 이들 모든 제품들은 별도의 전원 공급수단이 요구되어지기 때문에 지속적인 전원공급수단을 확보하기 위해 자가발전 방식의 대체 전원 공급 방안을 도출하고 구현하는 것이 본 연구 대상이 된다.
본 논문은 우범가능성이 높은 지역에 설치되어 있는 비상호출 시스템이 배터리의 부족 및 전원 불량으로 인해 작동 되지 않는 불상사를 예방할 수 있도록 배터리나 외부전원이 필요 없는 자가발전방식의 비상호출기 설계 및 구현에 대한 연구 내용을 다루고 있다.
특히, 무선 비상 호출기의 전체구성에서 신호 발생부인 푸시버튼과 전원 공급 장치로 사용되는 배터리 부분을 자가발전 구조 연구 대상으로 분류하고 그에 대한 연구를 진행하고자 한다.

제안 방법

에너지 하베스팅을 이용하는 무선통신기기의 최대 무선통신 효율을 얻기 위한 안테나 선정 및 설계 방향은 와이어 안테나가 적합하며, 설치면적이 좁으며 제약이 많은 경우에는 안테나 길이를 줄이면서 접지를 잘 활용하여야 한다. 따라서, 본 연구에서는 상기 고려사항들을 반영하여 30cm 와이어 안테나를 선정 및 적용하여 무선비상 호출기 단말기를 제작하였다.
즉, 자성체 1의 좌측 부분은 S극으로 자회된 하측 자성체 2와 접촉하게 되며, 우측 부분은 N극으로 자회된 상측 자성체 2와 접촉하게 되어 결국 코일 내부 영역에서 자성체 1의 왼쪽은 S극, 오른쪽은 N극을 띄게 된다. 반대로 가동자 자성체 1 상판의 좌측 끝부분을 눌러서 아래로 내리게 되면 자성체 1의 우측 부분은 S극으로 자화된 하측 자성체 2와 접촉하게 되며, 좌측 부분은 N극으로 자회된 상측 자성체 2와 접촉하게 되어 결국 코일 내부 영역에서 자성체 1의 왼쪽은 N극, 오른쪽은 S극을 띄게 되어 가동자 자성체 1을 상측 자성체와 하측 자성체의 간격 거리정도의 최소 스트로크로 움직여서 자장의 변화가 발생되도록 하였다.
본 연구에는 UHF 송신을 위해서 단일 칩 패키지 상품을 적용하지 않고 Discrete 부품을 조합해서 적용했으며 그 결과는 [Figure 11]에 도시하였다. 본 연구에 적용된 Discrete설계 방식은 PLL(Phase Locked Loop)를 적용한 단일 칩 적용 방식에 비해서 부품수가 많고 복잡하다는 단점이 있지만, PLL방식에 비해서 Phase모니터링, 주파수 가변회로가 불필요하므로 전원효율이 높고, 목표주파수가 될 때까지 발생되는 시간이연도 없으므로 에너지 하베스팅에 적합하다는 장점이 있기 때문이다.
구현된 하베스팅 메커니즘을 상측 또는 하측으로 1회 작동시켰을 때의 단위 운동을 통해 전기에너지로 변환되어진 전압은 평균적으로 5~6V정도의 교류 전압을 가지게 된다. 시제품 전자회로에 적용하기 위해서는 고효율의 정류회로, 전력관리 회로설계 및 전력관리알고리즘을 구현하였다.
에너지 하베스팅 메커니즘의 출력부에 [Figure 8]과 같이 간헐적 교류특성을 가지는 전원을 이용하는 전자부 회로를 구성하며, 전자부 설계 방향은 짧은 시간에 발생되는 에너지를 활용하기 위한 전원부, MCU부, RF 전송부로 나누어져 설계 및 구현하였다.
이때 생기는 전위차를 기전력이라 하며, 이 기전력에 비례하여 전류가 발생한다. 이러한 전자기 유도현상을 본 연구에서 적용된 에너지 하베스팅 발전기 메커니즘은 소형화된 구조를 위해 최소한의 변위 안에서 기계적 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 직선운동 구조의 변환 메커니즘을 가지도록 설계되어졌다.
자속 쇄 교수의 변화도(flux linkage gradient)는 자석의 세기와 코일의 면적 및 권선수의 함수이다. 자석의 세기는 자석재료의 자기 이력 루프(magnetic hyste resis loop)에 따라 좌우됨으로, 본 연구에서는 현재 가장 강한 자석재료로 알려진 NdFeB(Neodymium iron boron)자석을 적용하였다. 또한 권선의 수 N은 코일의 기하학적 구조 즉 코일의 직경과 감긴 밀도의 함수이다.
Step 4. 저장된 에너지원의 편차에 대해 안정성을 꾀하기 위해서 고효율 LDO를 적용함. 여기에서 LDO가 에너지 발전모듈의 동작과 동시에 활성화되는 불안함을 방지하기 위해서 SHUT DOWN 제어핀에 시간지연을 위한 저항을 적용

대상 데이터

DC로 변환된 전압이 일정 레벨 이상이 될 때까지 기다리기 위해서 /DN에 저항을 붙여서 LDO 작동시간을 조정하며, 본 연구에 사용된 LDO는 Si91841DT-2.5이다. 이 제품은 저전력 애플리케이션에 적합한 고효율 LDO이며 /DN 입력은 출력의 안정성을 위해서 히스테리시스 특성(기준전압은 150mV)도 반영되어 있다.
본 연구에 사용된 MCU는 Atmel사의 Atmega-88PA 모델이다. 이 제어기는 1.
본 연구에 적용되어질 무선 주파수 대역은 국내 무선 주파수 규격을 수용하는 447MHz 대역(447.675MHz 주파수 사용)이며, 이 주파수는 약 67cm의 파장을 가지고 있다. 일반적으로 무선통신에 사용되어지는 안테나는 파장/2의 길이로 제작함으로써 최대 효율을 얻을 수 있지만, 통상적으로 물리적인 제약(구조물의 크기 및 안테나 위치 등) 때문에 와이어 형태를 그대로 사용하지 못하고 헬리컬 방식과 같은 소형으로 제작되는 경우가 대부분이다.
5이다. 이 제품은 저전력 애플리케이션에 적합한 고효율 LDO이며 /DN 입력은 출력의 안정성을 위해서 히스테리시스 특성(기준전압은 150mV)도 반영되어 있다.
자기장방향 전환방식 발전 모듈에 사용한 자석은 크기가 10mm x 5mm x 2mm, 흡착력이 8.5N(0.87kgf) 네오디움 자석이며, 표면 자속밀도는 3000~3200G이다.

성능/효과

개발된 에너지 하베스팅 메커니즘의 발전 모듈에 2.0V의 저전력 상태에서도 구동되는 MCU (Micro Controller Unit)와 디지털 입 · 출력을 구비한 전자 회로 모듈을 결합하여 실험한 결과 단일 누름 동작으로 약 60 ~ 65ms 동안 구현된 전자회로 모듈이 구동할 수 있는 정도의 전력이 생산됨을 알 수 있다.
일반적으로 무선통신에 사용되어지는 안테나는 파장/2의 길이로 제작함으로써 최대 효율을 얻을 수 있지만, 통상적으로 물리적인 제약(구조물의 크기 및 안테나 위치 등) 때문에 와이어 형태를 그대로 사용하지 못하고 헬리컬 방식과 같은 소형으로 제작되는 경우가 대부분이다. 그러나 본 연구의 결과물로 적용되어질 비상호출기들은 주로 벽체에 부착하는 방식이므로 물리적인 제약이 낮기 때문에 와이어 형태의 안테나를 적용하는 것이 비용과 효율 측면에서 유리하다 사료된다. 또한 와이어 안테나 적용에 고려된 사항은, 접지에 관한 사항이다.
본 연구 결과물인 전자기유도방식의 초소형 에너지 하베스팅 메커니즘이 적용되어질 수 있는 푸시버튼 할용 시스템들은 주기적인 배터리 교체 및 관리가 필요 없으므로 가정, 생산 공장, 병원 등에서 위험관리 및 긴급호출 분야에 유용하게 적용될 수 있다. 또한, 배터리가 사용되지 않기 때문에 폐배터리 재활용 비용, 매립/소각 처리 시 발생되는 오염물질 처리 비용 절감과 폐배터리로 발생되는 2차 환경오염을 방지하여 사회적 공공편익이 창출될 것으로 사료된다.
본 연구를 통해 제안된 자가발전 비상호출 메커니즘은 한 번의 누름 동작을 통해서 비상호출 정보를 무선으로 송신할 수 있는 정도의 전력을 발생시킬 수 있으며, 구현된 메커니즘에 전력관리 회로부 및 저전력 무선 통신부를 결합한 자가 발전식 비상호출기 시제품의 작동을 통하여 높은 상업화 가능성을 보여주고 있다.
각 Clock의 상승 Edge에서 Data를 읽어내는 방식으로 수신데이터를 처리한다. 본 연구에서 발생하는 무선 패킷의 길이는 스위치의 동작 신호 즉 ON과 OFF신호를 구분하는 정도이며 그에 대한 패킷의 길이는 [Figure 7]에서 보여지는바와 같이4.2 ~ 6.4ms 정도의 길이를 가지도록 구현되어졌다.

후속연구

본 연구 결과물인 전자기유도방식의 초소형 에너지 하베스팅 메커니즘이 적용되어질 수 있는 푸시버튼 할용 시스템들은 주기적인 배터리 교체 및 관리가 필요 없으므로 가정, 생산 공장, 병원 등에서 위험관리 및 긴급호출 분야에 유용하게 적용될 수 있다. 또한, 배터리가 사용되지 않기 때문에 폐배터리 재활용 비용, 매립/소각 처리 시 발생되는 오염물질 처리 비용 절감과 폐배터리로 발생되는 2차 환경오염을 방지하여 사회적 공공편익이 창출될 것으로 사료된다.
첫째 요소는, 평균 3~5N 정도의 약한 작력에 누름운동이 발생되어지는 입력 메커니즘 구조이며, 두 번째 요소는 압전소자를 이용한 발전 메커니즘 보다 에너지변환밀도가 높으며[4] 부가적인 요소들이 필요하지 않는 경제적인 에너지 하베스팅 메커니즘 구조이다. 즉, 푸시버튼이 속한 작은 공간구조 안에서 외부의 작력에 의해 발생되는 기계적 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 소형사이즈의 경제적인 에너지 하베스팅 메커니즘에 대한 연구가 필요하게 된다.
향후 자가발전방식의 무선 송신 거리 성능사양을 증대하기 위해서 누름 운동에너지 변환효율 증대 및 전력 저장 효율 향상 연구와 더불어 에너지 하베스팅 전력 특성에 적합한 전자 및 무선 회로부에 대한 연구를 진행시켜 나갈 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비상콜 버튼 및 신호 중계시스템들은 어떠한 시스템인가?	시민 또는 주민들이 위급상황을 타인에게 알리기 위하여 우범가능성이 높은 지역(지하주차장, 골목지역, 방범 취약 지역 등)에 설치되어져 있는 비상콜 버튼 및 신호 중계시스템들은 긴급 버튼 누름 인식 정보를 유선 통신 또는 무선 통신기술을 사용하여 전송하고 처리하는 시스템이다. 이러한 비상통보의 핵심기기인 비상버튼(위급 시 호출하기 위한 기기)들은 배터리 또는 유선을 통해 전원 공급이 이루어지고 있으며, 특히 배터리를 사용하는 시스템인 경우, 지속적인 비상버튼의 기능을 유지하기 위해서는 1~3년 주기로 배터리 상태를 점검하여 적절한 시기에 교체를 해야 하는 유지보수 관리대상 기기들이다.
	비상통보의 핵심기기인 비상버튼은 어떻게 전원 공급이 이루어지는가?	시민 또는 주민들이 위급상황을 타인에게 알리기 위하여 우범가능성이 높은 지역(지하주차장, 골목지역, 방범 취약 지역 등)에 설치되어져 있는 비상콜 버튼 및 신호 중계시스템들은 긴급 버튼 누름 인식 정보를 유선 통신 또는 무선 통신기술을 사용하여 전송하고 처리하는 시스템이다. 이러한 비상통보의 핵심기기인 비상버튼(위급 시 호출하기 위한 기기)들은 배터리 또는 유선을 통해 전원 공급이 이루어지고 있으며, 특히 배터리를 사용하는 시스템인 경우, 지속적인 비상버튼의 기능을 유지하기 위해서는 1~3년 주기로 배터리 상태를 점검하여 적절한 시기에 교체를 해야 하는 유지보수 관리대상 기기들이다. 그리고 전원의 공급이 단절되거나 배터리 교체가 제때 이루어지지 않는 상황에서 비상 상황이 발생된다면 비상콜 운영시스템은 무용지물이 되는 위험요소를 내재하고 있는 상황이다.
	비상호출기에 사용되는 푸시 버튼에서 발생되어지는 누름 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 무선방식의 IT기기 및 비상호출기들을 무전원 통신기기로 제작하기 위한 두 가지 요소는?	다양한 에너지 하베스팅 방법 중에서, 비상호출기에 사용되는 푸시 버튼에서 발생되어지는 누름 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 무선방식의 IT기기 및 비상호출기들을 무전원 통신기기로 제작하기 위해서는 다음과 같은 두 가지 요소가 필요하게 된다. 첫째 요소는, 평균 3~5N 정도의 약한 작력에 누름운동이 발생되어지는 입력 메커니즘 구조이며, 두 번째 요소는 압전소자를 이용한 발전 메커니즘 보다 에너지변환밀도가 높으며[4] 부가적인 요소들이 필요하지 않는 경제적인 에너지 하베스팅 메커니즘 구조이다. 즉, 푸시버튼이 속한 작은 공간구조 안에서 외부의 작력에 의해 발생되는 기계적 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 소형사이즈의 경제적인 에너지 하베스팅 메커니즘에 대한 연구가 필요하게 된다.

참고문헌 (13)

C. R. Saha, T. O'Donnell, N. Wang, P. McCloskey(2008), "Electromagnetic generator for harvesting energy from human motion", Sensors and Actuators A 147, 248-253

상세보기
Eun-Jung Yoon, In-Ho Hwang, Jong-Tae Park, Chong-Gun Yu(2012), "Design of an Energy Harvesting Circuit Using Solar and Vibration Energy with MPPT Control", Journal of IKEEE, 16(3):224-234

원문보기 상세보기
ES Leland, EM Lai, PK Wright(2004), "A selfpowered wireless sensor for indoor environmental monitoring", in Proc. of the Wireless Networking Symposium (WNCG), October 20-22
Joseph A. Paradiso, Mark Feldmeiser(2001), "A Compact, Wireless, Self-Powered Pushbutton Controller", Ubicomp 2001: Ubiquitous Computing, 299-304
Joseph A. Paradiso, Thad Starner(2005), "Energy Scavenging for Mobile and Wireless Electronics", IEEE Pervasive computing, 18-27
Kyoung-Bum Kim, Chang-Il Kim, Young Hun Jeong, et al(2012), "Energy Harvesting Characteristics of Spring Supported Piezoelectric Cantilever Structure (SPCS)",J. KIEEME, 25(10):766-772

원문보기 상세보기
Mi so Kim(2012), "Piezoelectric Mechanical Vibration Energy Harvesting", Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, 32(5):603-610
R Torah, P Glynne-Jones, M Tudor,T O'Donnell, S Roy and S Beeby(2008), "Self-powered autonomous wireless sensor node using vibration energy harvesting", Measurement Science and Technology, 19(12)

상세보기
Seok-ki Ryu1, Sunheum Lee(2010), "Design and Implementation of Economical Security Monitoring System", KAIS, 11(3):1101-1107

원문보기 상세보기
Shenck N, Paradiso(2001), "Energy-Scavenging with Shoe-Mounted Piezoelectrics", IEEE Micro, 21(3):30-42

상세보기
www.s1.co.kr, Secom Home Blackbox
www.bell-u.co.kr, Bell-u Emergency call system
www.nttworks.co.kr, Nttworks Emergency call

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증