[논문]라즈베리파이 기반 미소 불꽃 감지를 이용한 스마트 경보 서비스 시스템 구현

이영민; 손경락

doi:10.5916/jkosme.2015.39.9.953

라즈베리파이 기반 미소 불꽃 감지를 이용한 스마트 경보 서비스 시스템 구현
Fabrication of smart alarm service system using a tiny flame detection sensor based on a Raspberry Pi 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.39 no.9, 2015년, pp.953 - 958

이영민 (Major of Electronics and Communications Engineering, Korea Maritime and Ocean University) , 손경락 (Major of Electronics and Communications Engineering, Korea Maritime and Ocean University)

초록
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라즈베리파이는 복수개의 입출력 주변 장치를 지원할 수 있는 신용카드 크기 정도의 단일보드 컴퓨터로 이기종간 상호연동을 위한 완전한 플랫폼으로 사용할 수 있으므로 다양한 응용에 적용될 수 있다. 라즈베리파이에 와이파이 기능을 결합하면 원격통신이 가능하여 무선센서 노드를 구성하는데도 매우 적합하다. 또한 데이터처리와 의사결정을 인공지능에 기반을 둘 수 있으므로 화재 감시나 화재발생 신뢰도 판단 등과 같은 예제를 이미 개발된 테스트베드에서 수행해 볼 수 있다. 본 논문은 건물 내의 능동적 화재안전감시를 위한 센서 웹노드로서 라즈베리파이 이용에 대한 연구 결과이다. UV 불꽃감지센서가 촛불 크기 정도의 불꽃을 감지하면 라즈베리파이는 GCM 서버를 통해 지정된 스마트폰으로 현장상황을 알리는 푸쉬 메시지를 보낸다. 모바일 앱은 오작동 알람 여부를 판별하기 위한 실시간 비디오 영상을 제공할 수 있도록 개발되었다. 만약 긴급 상황이라면 긴급통화로 즉시 도움을 요청할 수 있도록 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Raspberry Pi is a credit card-sized computer with support for a large number of input and output peripherals. This makes it the perfect platform for interaction with many different devices and for usage in a wide range of applications. When combined with Wi-Fi, it can communicate remotely, therefore increasing its suitability for the construction of wireless sensor nodes. In addition, data processing and decision-making can be based on artificial intelligence, what is performed in developed testbed on the example of monitoring and determining the confidence of fire. In this paper, we demonstrated the usage of Raspberry Pi as a sensor web node for fire-safety monitoring in a building. When the UV-flame sensors detect a flame as thin as that of a candle, the Raspberry Pi sends a push-message to notify the assigned smartphone of the on-site situation through the GCM server. A mobile app was developed to provide a real-time video streaming service in order to determine a false alarm. If an emergency occurs, one can immediately call for help.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 기존의 화재 감지기와 CCTV 기능을 라즈베리파이의 사물인터넷 구현기술에 적용시켜 시스템을 제작하였다. 한편 기존의 CCTV 시스템의 경우 스마트 폰 어플리케이션이나 사용자의 컴퓨터를 이용하여 사용자가 실시간으로 설치 장소에 대한 확인이 가능하다.
본 논문에서는 화재 발생 시 방사되는 자외선 영역의 파장에 반응하는 R2868 불꽃감지센서를 이용하여 사용자에게 화재여부를 초기에 알려주고 상황을 즉시 확인할 수 있는 스마트 알림 서비스 시스템을 구현하였다. 사물인터넷 기반 서비스 시스템 구현이 용이한 라즈베리파이를 이용하고 GCM 서버를 통해 사용자에게 직접 푸시메시지를 보낼 수 있는 시스템을 개발하여 원격지에서도 기존 인터넷 망과 이동통신망을 경유하여 15초 이내에 사용자가 화재 상황을 영상으로 인식할 수 있도록 하였다.
라즈베리파이는 와이파이 통신을 이용하여 인터넷에 연동되고 GCM 서버에 접속하여 사용자의 스마트 폰으로 푸시메시지를 보낼 수 있는 서비스를 제공한다[11]. 이때 라즈베리파이에서는 특정 메시지를 자동으로 전송할 수 있는데 본 연구에서는 화재 발생 상황을 보고할 수 있도록 설계하였다. 그와 동시에 부저를 통해 경고음을 발생시켜 화재가 발생했다는 것을 주위에 알려 준다.

제안 방법

R2868의 애노드와 캐소드는 센서의 길이방향으로 제작되어 있으므로 Figure 6 (a)와 같이 모니터링할 대상과 수평방향으로 설치하는 것이 이상적이다. 그러나 예측할 수 없는 곳에서 화재가 발생할 수 있으므로 최악의 경우를 가정하여 Figure 6 (b)와 같이 수직방향의 화염에 대한 실험도 수행하였으며 각각에 대한 불꽃 민감도를 비교하였다.
초의 불꽃 크기는 세로방향으로 30 mm 이며 1 m 거리에서 측정한 조도는 20 룩스이다. 실험을 위하여 Figure 7 (b)와 같이 제작된 알루미늄 프로파일에 센서를 부착하고 높낮이를 조절하면서 R2868을 통해 라즈베리파이의 알림 시스템이 감지할 수 있는 미소불꽃간 거리를 측정하였다. Figure 7 (c)는 라즈베리파이에 의해 불꽃이 감지된 경우를 확인하는 모니터 화면이다.
본 논문에서 보고한 스마트 알림시스템은 화재의 초기발화상태인 미세불꽃이 생기면 이를 즉각 감지할 수 있는 자외선 영역 불꽃감지센서와 인터넷 및 무선통신망 기반 영상모니터링과 알림 서비스를 위한 라즈베리파이로 구성된다[7]. 불꽃이 감지되면 라즈베리파이는 화재발생정보를 사용자의 스마트 폰으로 알림 메시지 형태로 보낼 수 있게 구현되었으며, 화재 발생 시 알림서비스를 받은 사용자는 어플리케이션을 통해 화재 발생지점의 실시간 영상을 자신의 스마트폰으로 직접 확인하면서 긴급지원요청을 할 수 있다.
R2868은 일본 Hamamatsu사에서 제공하는 자외선 영역에 반응하는 불꽃감지센서이다. 불꽃을 조기에 감지하기 위하여 화염의 방사에너지 중 자외선에 민감한 센서를 사용하였다. 고압회로에 의해 330V의 역 바이어스 전압이 R2868의 애노드와 캐소드 사이에 인가된 상태에서 자외선 영역대의 광자가 검출되면, 증배된 광전자 발생에 의해 센서에는 전류가 통하게 된다.
본 논문에서는 화재 발생 시 방사되는 자외선 영역의 파장에 반응하는 R2868 불꽃감지센서를 이용하여 사용자에게 화재여부를 초기에 알려주고 상황을 즉시 확인할 수 있는 스마트 알림 서비스 시스템을 구현하였다. 사물인터넷 기반 서비스 시스템 구현이 용이한 라즈베리파이를 이용하고 GCM 서버를 통해 사용자에게 직접 푸시메시지를 보낼 수 있는 시스템을 개발하여 원격지에서도 기존 인터넷 망과 이동통신망을 경유하여 15초 이내에 사용자가 화재 상황을 영상으로 인식할 수 있도록 하였다. 화재사고를 인지하고 시스템 설치 장소에 대한 실시간 영상 확인 후 긴급 구난 전화를 함으로써 정확한 정보에 기반을 둔 화재 상황에 초기대응하고 그 피해를 최소화하기 위한 시스템을 제시하였다.
Figure 5는 무선망을 통해 스마트 폰에서 불꽃센서 설치 영역을 실시간으로 확인할 수 있는 어플리케이션 프로그램의 초기화면이다. 어플리케이션 프로그램은 안드로이드 기반의 스마트 폰에서 활용할 수 있도록 구성하였다. 기본적으로 사용자가 화재 발생에 관한 푸시메시지를 받을 경우 해당 앱을 실행하여 실시간으로 영상을 확인 할 수 있도록 구성되어 있으며, 긴급 상황으로 판단되어 긴급요청이 필요할 경우 전화 버튼을 누름으로써 자동으로 화재 신고가 가능하도록 구성하였다[12][13].
웹캠은 라즈베리파이 터미널의 ‘MOTION’ 명령어를 통해 감시영역의 움직임이 감지될 경우 1초 간격의 사진으로 저장하여 추후 화재의 원인을 규명하는데 도움을 줄 있게 설계하였다.
사물인터넷 기반 서비스 시스템 구현이 용이한 라즈베리파이를 이용하고 GCM 서버를 통해 사용자에게 직접 푸시메시지를 보낼 수 있는 시스템을 개발하여 원격지에서도 기존 인터넷 망과 이동통신망을 경유하여 15초 이내에 사용자가 화재 상황을 영상으로 인식할 수 있도록 하였다. 화재사고를 인지하고 시스템 설치 장소에 대한 실시간 영상 확인 후 긴급 구난 전화를 함으로써 정확한 정보에 기반을 둔 화재 상황에 초기대응하고 그 피해를 최소화하기 위한 시스템을 제시하였다. 이것은 기존의 시스템에 비해 화재 상황 인지를 더욱 빠르게 할 뿐만 아니라 즉각적인 대처가 가능하게 하므로 인명피해와 재산피해를 최소화 할 수 있을 것으로 기대한다.

대상 데이터

그와 동시에 부저를 통해 경고음을 발생시켜 화재가 발생했다는 것을 주위에 알려 준다. 영상 처리부에서는 라즈베리파이 전용 카메라인 파이 카메라와 컴퓨터용 웹캠이 사용되었다. 파이카메라는 라즈베리파이를 서버로 사용하여 IP 주소를 할당 받음으로서 실시간으로 시스템 설치 장소에 대한 영상 확인이 가능하다.

성능/효과

사용자가 스마트 알림 시스템 설치 장소에 화재가 발생하였다는 것을 알 수 있는 것은 Figure 10 (a)와 같은 푸시 메시지를 통해서이다. 불꽃감지센서가 화재를 감지한 후 GCM 서버를 통해 사용자의 스마트 폰으로 알림 서비스를 위한 푸시메시지를 전송되는 데 걸리는 시간은 평균 15초 정도로 측정되었다. 따라서 화재 상황 발생 시 사용자는 빠른 시간 안에 자신의 스마트 폰으로 파이카메라에 직접 접속하여 화재상황을 확인 가능하므로 오동작 유무를 판단하고 긴급 상황에 대한 신속 대처가 가능한 것이다.

후속연구

라즈베리파이와 연결 된 웹캠으로 불꽃의 움직임과 화재의 진행 상태를 이미지 파일로 저장할 수 있는 기능을 통해 사후 화재의 원인 규명에 사용할 수 있다. 본 연구를 통해 개발된 시스템은 기존의 CCTV보다 화재 상황에 대해 좀 더 능동적이면서 빠르고 정확하게 대응할 뿐만 아니라 화재 신고 및 원인 규명에도 도움이 될 것이다[8].
화재사고를 인지하고 시스템 설치 장소에 대한 실시간 영상 확인 후 긴급 구난 전화를 함으로써 정확한 정보에 기반을 둔 화재 상황에 초기대응하고 그 피해를 최소화하기 위한 시스템을 제시하였다. 이것은 기존의 시스템에 비해 화재 상황 인지를 더욱 빠르게 할 뿐만 아니라 즉각적인 대처가 가능하게 하므로 인명피해와 재산피해를 최소화 할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 제안한 화재 감시 및 알림을 위한 중앙제어시스템의 구성 요소에는 무엇이 있는가?	화재 감시 및 알림을 위한 중앙제어시스템은 라즈베리파이, 와이파이 모듈, GCM 서버로 구성되어 있다. 센서를 통하여 실시간으로 불꽃을 감지하다가 화재발생을 인식하게 되면 라즈베리파이에서 화재발생여부에 대한 판단을 하게 된다.
	영국의 라즈베리파이 재단에서 개발한 라즈베리파이의 특징 및 장점에는 무엇이 있는가?	Figure 1은 영국의 라즈베리파이 재단에서 개발한 싱글보드 컴퓨터인 라즈베리파이를 보여준다. 저가형이지만 컴퓨터 기능을 모두 갖추고 있어 사물인터넷 기술을 접목한 시스템을 구현하기에 최적화되어 있다. 하드웨어 제어를 위한 입출력 핀인 GPIO를 내장하고 있으므로 추가적인 장비 없이도 기본적인 하드웨어 제어가 가능하며 그래픽 성능이 뛰어나 영상처리를 해야 하는 시스템을 구성하기에 유리한 점을 갖고 있다. 또한 리눅스 기반의 운영체제인 라즈비안을 이용하여 간단한 소스 코딩만 한다면 사용자의 조작 없이도 사물 간 정보교환 및 동작제어가 가능하다[9][10].
	기존의 정의에 따른 사물인터넷이란 무엇인가?	사물인터넷은 사물지능통신, 사물통신, M2M (Machine to Machine), IoT(Internet of Things) 등 다양한 형태로 표현되고 있다. 기존의 정의에 따르면 사물인터넷이란 사람의 직접적인 개입 없이 사물이 스스로 다른 사물 혹은 서버와 정보를 교환 하는 것으로 볼 수 있다. 최근에는 사람과 사물의 구분 없이 모든 것이 연결되어 사람·사물·데이터가 상호 정보를 교환하는 만물통신 (Internet of Everything, IoE)의 개념도 등장하였다[3][4].

참고문헌 (13)

D. Bradley, D. Russell, I. Ferguson, J. Isaacs, A. MacLeod, and R. White, "The internet of things-the future or the end of mechatronics", Mechatronics, vol. 27, pp. 57-74, 2015.

상세보기
D. F. S. Santos, H. O. Almeida, and A. Perkusich, "A personal connected health system for the Internet of Things based on the Constrained Application Protocol", Computers and Electrical Engineering, vol. 44, pp. 122-136, 2015.

상세보기
I. Korkmaz, S. K. Metin, A. Gurek, C. Gur, C. Gurakin, and M. Akdeniz, "A cloud based and Android supported scalable home automation system", Computers and Electrical Engineering, vol. 43 pp. 112-128, 2015.

상세보기
S. Ferdoush and X. Li, "Wireless Sensor Network System Design using Raspberry Pi and Arduino for Environmental Monitoring Applications", Procedia Computer Science, vol. 34, pp. 103-110, 2014.

상세보기
S. Monk, Programming the Raspberry Pi Getting Started with Python, Mc Graw Hill, 2013 (in Korean).
S. Monk, Raspberry Pi Cookbook, Hanbit Media, 2015 (in Korean).
P. Membrey and D. Hows, Raspberry Pi + Linux, Jpub, 2009 (in Korean).
J. G. Jeong, Do it! Android App Programming, easys publishing, 2012 (in Korean).
Y. S. Jang, G. O. Kim, and N. H. Seong, Step by Step Android Programming, INFINITY BOOKS, 2012 (in Korean).
J. Y. Yoon and K. Kim, Raspberry Pi Smart Life, Digital Books, 2013 (in Korean).
J. S. Lee and Y. S. Pyo, Raspberry Pi Utilizing Paper, BJPUBLIC, 2013 (in Korean).
D. Norris, Raspberry Pi with Project, Hanbit Media, 2015 (in Korean).
E. Upton and G. Halfacree, Raspberry Pi User Guide, Jinson, 2013 (in Korean).

저자의 다른 논문 :

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].

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