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문제 정의
- 본 논문에서는 단독경보형 정온식 감지기의 소비 전력 최소화와 온도 측정에 대한 높은 신뢰성을 보장하기 위해 임계온도스위치(Critical-temperature switch, CTS)를 활용하는 방안을 제시하고자 한다. 또한 임계온도스위치 소자의 특성 분석을 통해 소자의 장점을 파악하고, 이 특성을 이용한 화재감지 알고리즘을 제시하고, 그 알고리즘을 이용하여 임계온도스위치를 이용한 단독경보형 정온식 감지기를 구현하였다.
제안 방법
- Table 1의 1호 시험결과를 보면 수동작동 시험에서는 Figure 6의 (a)와 같이 주황색 LED가 점멸하며 테스트 알람음이 1회 울렸다. 2호의 화재 감지 시험에서는 공칭작동온도 70 ℃에서 화재를 감지하였으며, 붉은색 LED와 화재경보음을 통해 주위에 지속적인 경보를 알렸다. 3호의 정상동작 표시등 시험의 경우 55 s 간격으로 주황색 LED가 점멸하여 정상상태임을 표시하였다.
- 건전지의 저전압 감시를 위해 STM32L4에 내장된 Programmable voltage detector (PVD) 기능을 이용하였다. PVD는 STM32L4에 내장된 기능으로 MCU에 공급되는 전압이 설정된 전압 이하로 내려갈 시에 MCU를 웨이크업 시키는 기능이다.
- 또한 임계온도스위치 소자의 특성 분석을 통해 소자의 장점을 파악하고, 이 특성을 이용한 화재감지 알고리즘을 제시하고, 그 알고리즘을 이용하여 임계온도스위치를 이용한 단독경보형 정온식 감지기를 구현하였다. 구현된 임계온도스위치를 이용한 단독경보형 감지기가 단독경보형 감지기의 형식승인 기준 충족 여부에 관한 시험을 진행하였고, 임계온도스위치를 이용한 단독경보형 정온식 감지기와 기존 제품의 화재 감지를 위한 소비 전력을 비교해 보았다.
- 본 논문에서는 단독경보형 정온식 감지기의 소비 전력 최소화와 온도 측정에 대한 높은 신뢰성을 보장하기 위해 임계온도스위치(Critical-temperature switch, CTS)를 활용하는 방안을 제시하고자 한다. 또한 임계온도스위치 소자의 특성 분석을 통해 소자의 장점을 파악하고, 이 특성을 이용한 화재감지 알고리즘을 제시하고, 그 알고리즘을 이용하여 임계온도스위치를 이용한 단독경보형 정온식 감지기를 구현하였다. 구현된 임계온도스위치를 이용한 단독경보형 감지기가 단독경보형 감지기의 형식승인 기준 충족 여부에 관한 시험을 진행하였고, 임계온도스위치를 이용한 단독경보형 정온식 감지기와 기존 제품의 화재 감지를 위한 소비 전력을 비교해 보았다.
- STM32L4는 스탑모드를 지원하는 MCU로 일반적인 MCU보다 스탑모드 시 소모하는 소비전력이 낮다. 또한, 화재 경보음, 배터리 교체 경보음, 감지기 테스트 음은 MP3 파일 형태로 사용하여 파일용량을 최소화하였으며, 이를 통해 추가 메모리 부착 없이 MCU 단독 사용이 가능하도록 설계하였다.
- STM32L4는 저전력 상태인 스탑모드를 지원하며 PVD 기능을 내장하고 있어 추가적인 회로 없이 전지의 저전압을 감지할 수 있다. 또한, 화재 알람 시 STM32L4의 DAC를 통해 나온 신호는 연산 증폭기를 이용하여 신호 증폭을 시켜 스피커로 전달되고, 스피커를 통해 주위에 화재 경보를 울릴 수 있도록 제작하였다.
- 를 통해 제작된 낮은 원가의 임계온도스위치를 활용하여 저전력으로 화재를 감시할 수 있는 단독경보형 정온식 감지기를 제작하였다. 먼저 화재 감지 시 전류소비를 최소화하기 위해 저전력 상태인 스탑모드를 지원하는 STM32L4를 채택하여 사용하였으며, 임계온도스위치를 이용하여 화재를 감시함으로써 화재감시 전류를 최소화하였다. 제작된 감지기는 단독경보형 감지기의 형식승인 기준 제5조의2를 모두 충족하였다.
- 화재 알람을 위하여 4 Ω의 스피커를 부착하여 음향 크기를 키웠으며, 화재 경보 제어를 위한 버튼과 상태 표시를 위한 LED 2개가 부착되어 있다. 버튼과 LED는 매우 가깝게 부착시켜 케이스에 사용된 반투명 플라스틱에서 버튼 제어 및 상태 표시가 동시에 가능하도록 하였다.
- 본 연구에서 제작된 임계온도스위치를 이용한 단독경보형 정온식 감지기의 경우 플라스틱 케이스와 관련된 제5조의2 7호의 일부와 배터리 용량에 관한 제5조의2 6호를 제외한 단독경보형 감지기 성능 및 기능에 관한 규정만 시험하였다.
- 선행연구(7)를 통해 제작된 낮은 원가의 임계온도스위치를 활용하여 저전력으로 화재를 감시할 수 있는 단독경보형 정온식 감지기를 제작하였다. 먼저 화재 감지 시 전류소비를 최소화하기 위해 저전력 상태인 스탑모드를 지원하는 STM32L4를 채택하여 사용하였으며, 임계온도스위치를 이용하여 화재를 감시함으로써 화재감시 전류를 최소화하였다.
- 임계온도스위치를 이용한 단독경보형 정온식 감지기의 제안된 구조는 Figure 3과 같다. 알람 제어를 위한 STMicroelectronics 사의 MCU, 화재를 감지하고 화재 감지 시 MCU를 제어하는 임계온도스위치, 작동 테스트 및 화재 경보음 제어를 위한 버튼, 화재 경보 및 작동 표시를 위한 LED, 화재 경보음 발생을 위한 스피커, 그리고 전원을 공급하는 3 V 건전지로 구성되어 있다.
- 정상 동작 테스트를 위해 버튼을 MCU의 웨이크업-핀과 연결하였다. 버튼을 누르는 경우 MCU에 연결된 웨이크업 핀에 하이 신호가 입력되어 MCU는 동작 상태로 전환된다.
대상 데이터
- Figure 5는 임계온도스위치를 이용한 단독경보형 정온식 감지기 프로토타입 사진이다. Figure 5의 (a)는 조립된 프로토타입의 윗면 사진으로 여기서 사용된 플라스틱 케이스는 현재 판매 중인 제품의 케이스를 분리하여 사용하였다. Figure 5의 (b)는 조립된 프로토타입의 아랫면 사진으로 Tekcell사의 CR123A 3 V 리튬배터리가 들어가 있다.
- MCU의 경우 화재 경보음 처리 및 음성 데이터 저장을 위해 STM32L4 모델을 사용하였다. STM32L4는 스탑모드를 지원하는 MCU로 일반적인 MCU보다 스탑모드 시 소모하는 소비전력이 낮다.
- 또한 경보음과 음성경보음의 크기는 각각 86 dB와 71 dB이므로 규정을 만족함을 알 수 있었다. 본 감지기는 2.8 V이하를 저전압으로 설정하여 제5조의2 5호를 실험하였다. 시험 결과 배터리 전압이 2.
이론/모형
- 임계온도스위치를 이용한 단독경보형 정온식 감지기의 제5조의2 단독경보형 감지기의 일반기능 시험은 한국소방산업기술원의 의뢰시험을 통해 진행되었다.
성능/효과
- 이때 음성 알람은 70 dB로 규정을 만족하였다. 7호의 화재 경보 정지에 관한 시험의 경우 주황색 LED가 20 s 간격으로 2번 연속 깜빡이며 화재 경보 정지 상태임을 알렸으며, 화재 경보 정지 6 분 후 정상상태로 자동 복귀함을 확인하였다. 시험 결과 감지기의 형식승인 및 제품검사 기술기준 제5조2에 적합하였다.
- 7 s 이하로 규정을 만족하고 있었다. 또한 경보음과 음성경보음의 크기는 각각 86 dB와 71 dB이므로 규정을 만족함을 알 수 있었다. 본 감지기는 2.
- 또한, 임계온도스위치를 사용하는 경우 VO2의 상전이현상을 이용하여 온도를 측정하고, 디지털적인 특성을 가지고 있기 때문에 기존의 NTC 서미스터와 바이메탈 온도센서에 비하여 높은 신뢰성을 보장할 수 있으며, 기존 제품 대비 약 70%의 전력만으로 화재를 감시할 수 있는 장점이 있었다.
- 8 V이하를 저전압으로 설정하여 제5조의2 5호를 실험하였다. 시험 결과 배터리 전압이 2.8 V이하가 되는 즉시 저전압 경보음 및 붉은색 LED를 이용하여 저전압 경보를 알렸다. 이때 음성 알람은 70 dB로 규정을 만족하였다.
- 이 결과 임계온도스위치를 이용한 단독경보형 정온식감지기는 화재감시를 매우 적은 전력으로 할 수 있으며, 높은 신뢰성을 보장한다.
- 이 알고리즘의 장점은 MCU의 주기적인 동작 없이 화재를 감지할 수 있다는 점으로 온도 측정을 위해 소모되는 소비전력을 획기적으로 줄일 수 있다.
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