[논문]미세먼지 센서 출력의 안정화를 위한 신호처리

정상욱; 박준현; 김주안; 김재욱; 천봉원; 김남호

미세먼지 센서 출력의 안정화를 위한 신호처리
Signal Processing for Stabilizing Output of Fine Dust Sensor 원문보기

정상욱 (부경대학교 공과대학 제어계측공학과) , 박준현 (부경대학교 공과대학 제어계측공학과) , 김주안 (부경대학교 공과대학 제어계측공학과) , 김재욱 (부경대학교 공과대학 제어계측공학과) , 천봉원 (부경대학교 공과대학 제어계측공학과) , 김남호 (부경대학교 공과대학 제어계측공학과)

현대 산업사회가 발달함에 따라 대기오염이 사회적 문제로 대두되고 있다. 특히 미세먼지에 대한 관심이 높아지고 있고 미세먼지를 측정하기 위해 여러 종류의 센서가 사용되고 있다. 이 중 가장 보편적으로 사용되는 적외선 미세먼지 센서는 적외선 송, 수신기를 통해 빛의 회절을 탐지하여 공기 중의 먼지에 의해 반사되는 빛을 감지하는 방식으로 동작한다. 하지만 이런 방식은 계측 시 잡음으로 인한 편차가 발생하여 정확한 데이터 분석이 어려운 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 본 논문에서는 FIR(Finite Impulse Response) 필터의 저역통과필터 알고리즘을 적용하여 구현하였다.

Air pollution has become a social issue. Particularly, interest in fine dust is increasing. Various kinds of sensors are being used to measure fine dust. The most commonly used infrared detection dust sensors operate by sensing the diffraction of light through an infrared receiver and sensing the light reflected by the dust in the air. However, this method has a drawback in which accurate data analysis is difficult due to deviation caused by the noise during measurement. In order to overcome such drawbacks, in this thesis, a low pass filter algorithm of FIR(Finite Impulse Response) filter was designed and implemented.

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문제 정의

본 논문에서는 미세먼지 센서 구동 시에 출력의 편차가 큰 것을 보다 안정화하여 측정하기 위해 FIR 필터를 제안하였다. 기존의 FIR 필터에 샘플링 타임을 계산하고 비중을 구하여 저역통과필터를 적용하였다.
디지털 필터의 종류로는 크게 FIR 필터와 IIR 필터가 있다. 본 논문에서는 신호의 잡음을 효과적으로 제거하기 위해 기존의 신호에 FIR 필터를 적용하여, 보다 안정화 된 값이 출력되는 것을 확인하였다.

제안 방법

본 논문에서는 미세먼지 센서 구동 시에 출력의 편차가 큰 것을 보다 안정화하여 측정하기 위해 FIR 필터를 제안하였다. 기존의 FIR 필터에 샘플링 타임을 계산하고 비중을 구하여 저역통과필터를 적용하였다. FIR필터 사용 전과 사용 후로 나누어 비교해 보았을 때, 필터 적용 전 출력이 비교적 짧은 시간에 편차가 크게 나타났지만 필터 적용 후에 안정화되고 선형적인 출력을 얻을 수 있게 되었다.
일반적으로 차분방정식의 가운데 값에 가중치를 크게 두고 마지막과 처음의 값에 가중치를 작게둔다. 본 논문에서는 샘플링 타임 1Hz, 나이퀴스트 주파수 3Hz를 적용하여 비중 계수를 선정하였다.

성능/효과

기존의 FIR 필터에 샘플링 타임을 계산하고 비중을 구하여 저역통과필터를 적용하였다. FIR필터 사용 전과 사용 후로 나누어 비교해 보았을 때, 필터 적용 전 출력이 비교적 짧은 시간에 편차가 크게 나타났지만 필터 적용 후에 안정화되고 선형적인 출력을 얻을 수 있게 되었다. FIR필터를 활용하여 미세먼지 측정뿐만 아니라 가속도 측정, 진동 측정 등 다양한 방면으로 활용이 가능할 것으로 사료 된다.

후속연구

FIR필터 사용 전과 사용 후로 나누어 비교해 보았을 때, 필터 적용 전 출력이 비교적 짧은 시간에 편차가 크게 나타났지만 필터 적용 후에 안정화되고 선형적인 출력을 얻을 수 있게 되었다. FIR필터를 활용하여 미세먼지 측정뿐만 아니라 가속도 측정, 진동 측정 등 다양한 방면으로 활용이 가능할 것으로 사료 된다.

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