초록 ▼

□ 핵심기술
광학식 미세 먼지 감지 센서(PM10, PM2.5) 자체 개발
7종의 센서를 포함하는 블루투스 연동이 가능한 대기 환경 모니터링 센서 개발

□ 최종목표
IoT 플랫폼 적용을 위한 대기 환경 모니터링 센서 개발

□ 개발내용 및 결과
1)먼지센서
PM2.5 PM10 감지 범위의 아날로그 신호 처리(Analog Front End) 회로 설계, 전체 AFE 회로단은 1차 전류 증폭 회로,DC Offset 제거, Programmable Gain AMP, ADC Reading부

□ 핵심기술
광학식 미세 먼지 감지 센서(PM10, PM2.5) 자체 개발
7종의 센서를 포함하는 블루투스 연동이 가능한 대기 환경 모니터링 센서 개발

□ 최종목표
IoT 플랫폼 적용을 위한 대기 환경 모니터링 센서 개발

□ 개발내용 및 결과
1)먼지센서
PM2.5 PM10 감지 범위의 아날로그 신호 처리(Analog Front End) 회로 설계, 전체 AFE 회로단은 1차 전류 증폭 회로,DC Offset 제거, Programmable Gain AMP, ADC Reading부로 구성
-PD(Photo Diode)로부터 센싱된 광신호는 전류 신호로 변환되고내,외부 주변 환경에 따른 DC Offset 성분에 대하여 제거 회로를 거친다.

-PM2.5~10 감지 범위를 만족하기 위하여 수백nA~수십uA의 미세 전류 신호를 ADC에서 높은 분해능으로 디지털신호처리를 하기이한 미세한 신호가변증폭이 가능한 2단 Gain AMP를 설계하였다.
-외부 노이즈 성분 제거를 위한 접지 쉴드 케이스를 적용하였다.
-LD(Laser Diode) 광원을 자동 출력 제어하는 (Auto Power Control)회로를 적용 하였으며 동일 소비 전류 대비 출력이 3~4배 이상 뛰어난 LD를 적용하였다.

-미세먼지의 크기 및 수량 카운트 : MCU의 ADC 리딩 기능을 이용하여 미세먼지에 반응하는 전기적 신호를 그 크기별 수량으로 감지하여 농도 계산에 반영하였다.
-다채널 평가 시스템 구출
-먼지센서 Calibration 진행 : 먼지센서 알고리즘을 통한 PM1.0, PM2.5, PM10 농도 산출

2)환경 센서 모듈 개발
환경 센서 모듈 개발은 블루투스 기능을 지닌 환경 센서 통합 모듈을 개발하는데 그 목적이 있다. 유해가스 센서를 포함하고, 무선통신 기능을 부여하여 IOT 플랫폼에 적용 가능한 대기 환경 모니터링 센서를 개발하는 것이다. 실내 공기질 상태 및 환경 정보를 내장된 센서(먼지센서, VOC센서, 온도센서, 습도센서, 조도센서, 가속도센서, 대기압센서)를 이용하여 측정하여 수치화 한다.
과제의 개발품은 단품 또는 세트의 개념으로 고객사의 의견을 반영하여 다양한 환경 센서로 활용될 수 있도록 할 예정이다.
①블루투스 환경센서 모듈 개발 사양 정립
∙ 입력 전원 : DC 5V, 200mA(Micro USB) 이내.
∙ 크기 : 150x25x77(mm)
∙ 배터리 : Li-Poly3.8V 2,000mAh.
∙ 충전 전류 : 1.5A
∙ 통신 : 블루투스 4.0 이상
∙ 지원 플랫폼 : Android, iOS(Android4.3/iOS8.0 이상 스마트폰)
∙ 동작온도 : 0~60℃
∙ Application : 실내 공기질 모티터링
② 기능 블럭도
③ 회로도
④ PCB 설계
⑤ PBA 설계 제작
⑥ 환경 센서 통신 모듈 시작품 제작
⑦ 통신 규격
본 과제에서 개발 제작된 블루투스 환경 센서 모듈은 UART 통신 방식을 지원한다. Message structure는 4byte 단위로 정렬된다.
사용하는 field의 크기가 4byte alignment에 맞지 않을 경우 dummy field를 사용해야 한다. 센서의 응답시간을(REQ를 전송한 순간부터 해당 ACK를 수신한 순간까지) 최대 1000ms로 정한다. 본 통신 모듈의 통신방식은 Request & acknowledge이다. Request &acknowledge로 통신하는 경우는 PC가 센서모듈에 REQ를 송신하면, 센서모듈이 이에 대한 RSP를 송신한다.
∙Protocol
-Baud Rate : 115200bps
-1bit start
-8bit data
-No parity
-1bit stop
-No Flow Control
-Link layer protocol은 UART 사용
∙Packet Structure
∙UART 통신 기능에 대한 메시지별 상세 프로토콜 정의 간략한 메시지 정보는 아래와 같다.
∙Bluetooth MAC Address 조회
- Request Message인 경우에는 Length를 0으로 설정하고 Payload를 비운 상태로 송신한다.
∙Response Message
수신된 Response Message는 아래의 형식이다.
Table3. Bluetooth MAC Address Response Message
⑧Test mode 설정
아래와 같이 테스트 환경을 구축 후 시험을 진행한다.

센서 통신 모듈이 테스트 모들에 정상적으로 진입하면 ACK 메시지가 수신된다. 통신모듈이 센서 테스트 모드 실행 명령을 수신하면,매초 송신되는 STATUS 메시지의 출력을 정지하고, RGB LED의 색상을 매초 변경하게 된다. 이후의 명령들은 양산 테스트 모드에 진입한 상태에서만 수행이 가능하며, 양산 테스트 모드에 진입하지 않은 상태에서 실행되면 NACK 메시지를 응답한다.
∙ 터치 센서 데이터 조회
센서 통신 모듈 내부의 터치 센서 데이터를 조회한다. Request Message인 경우에는 Lenght를 0으로 설정하고 Payload를 비운 상태로 송신한다.
수신된 Response Message는 아래의 형식이다.
∙ 터치 센서 데이터 조회
센서 통신 모듈 내부의 가속도 센서 데이터를 조회한다. Request Message인 경우에는 Lenght를 0으로 설정하고 Payload를 비운 상태로 송신한다.
수신된 Response Message는 아래의 형식이다.
∙ 가속도 센서 Self-test 데이터 조회
센서 통신 모듈 내부의 터치 센서 데이터를 조회한다. Request Message인 경우에는 Lenght를 0으로 설정하고 Payload를 비운 상태로 송신한다.
수신된 Response Message는 아래의 형식이다.
∙ 온습도 센서 데이터 조회
센서 통신 모듈 내부의 온습도 센서 데이터를 조회한다. Request Message인 경우에는 Lenght를 0으로 설정하고 Payload를 비운 상태로 송신한다.
수신된 Response Message는 아래의 형식이다.
∙ 기압센서 데이터 조회
센서 통신 모듈 내부의 기압 센서 데이터를 조회한다. Request Message인 경우에는 Lenght를 0으로 설정하고 Payload를 비운 상태로 송신한다.
수신된 Response Message는 아래의 형식이다.
∙센서 데이터 조회
센서 통신 모듈 내부의 가스 센서 데이터를 조회한다. Request Message인 경우에는 Lenght를 0으로 설정하고 Payload를 비운 상태로 송신한다.
수신된 Response Message는 아래의 형식이다.
∙환경 센서 Self-test 데이터 조회
센서 통신 모듈 내부의 환경 센서 Self-test 결과 데이터를 조회한다. Request Message인 경우에는 Lenght를 0으로 설정하고 Payload를 비운 상태로 송신한다.
수신된 Response Message는 아래의 형식이다.

□ 기술개발배경
당사는 가정용 공기청정기의 필터 오염도를 측정할 수 있는 센서를 양산하고 있다. 고객사로부터 공기청정기의 미세먼지 감지 센서의 성능 개선이 필요하다는 의견을 접수하고 미세먼지 감지 센서의 개발하게 되었다. 또한 개발의 범위를 확장하여 사물인터넷(IoT) 기술이 확산될 것을 예상하여 온/습도 센서, 가스등 다양한 센서를 통합한 IOT 플랫폼 적용을 위한 환경센서 개발을 기획하게 되었다.
다양한 IoT 응용 분야에서 환경 정보를 수집하기 위해 초소형 저전력 등의 요구사항을 충족하는 센서의 수요가 급증하고 있다. 환경센서는 온도/습도 센서, 가스/먼지 센서를 비롯하여 다양한 센서들이 있으며, 이들 센서는 대기등 환경 매체, 인간, 생태계에서의 환경 오염물질의 영향 등에 대한 실시간 모니터링을 지원한다.
환경센서는 반도체 기술과 MEMS 기술로 소형화시키고 있고 대량생산 및 생산 수율을 올려 저가격화를 지향하고 있으며 시스템 원칩화로 스마트 센서의 고성능화에 집중하고 있다.
여기에 무선통신 기술을 내장한다면 가전기기기 뿐만 아니라 자동차, 사무실등 다양한 환경 분야에 폭넓게 이용될 것으로 보인다.
이러한 환경 기반 미래형 센서는 먼지 측정을 위한 자동차 실내 환경 모니터링, 각종 환경 센서가 장착되는 모바일/웨어러블 기기 등이 더욱 각광받을 것으로 보인다. 웰빙 라이프 구현을 위하여 생활환경 분석이 가능한 환경 센서 및 신호처리 모듈, 환경 모니터링 및 제어 서비스를 위한 클라우드 연동형 서비스 플랫폼 기술이 활발하게 이루어질 것으로 보인다.

□ 핵심기술개발의 의의
1)신규개발 : 광학식 먼지센서 개발 완료, 대기환경 모니터링 센서개발 완료, 유아용 IOT 센서 응용 개발 완료
2)이전 모델의 업그레이드 여부 : 해당 없음
3)개발 난이도 : 블루투스를 이용한 IOT 플래폼의 경우 개발 난이도가 높지 않으나 응용 범위가 다양하고, 광학식 먼지 센서의 경우개발 난위도가 매우 높다. 광학 구조를 포함하는 기구 설계, 미세신호를 증폭하고 노이즈를 제거하기 위한 하드웨어 설계, 검출된 신호를 통하여 미세먼지의 크기별로 분류하고 농도를 계산하는 매우 까다롭고 복잡한 개발 과정을 거쳐야한다. 본 개발 사업을 통하여 개발된 레이저 방식의 광학식 먼지센서는 PM2.5 기준 측정 정밀도 15%이하로 매우 높은 정밀도를 확보하게 되었다.
4)국산화 정도 : 레이저다이오드를 이용한 광학식 먼지 센서의 경우 현재 100% 수입에 의존하는 상황으로, 사업화시 수입 대체 효과가 크다.
5)해외기술 도입을 통한 개발 여부 : 없음
6)기술 수출 가능성 : 개발 기술을 적용한 부품 수출 마케팅 진행중이다.

□ 적용분야
IOT 환경센서, 실내용 공기청정기, 차량용 공기 청정기, 유야용 환경센서, 실버 IOT

(출처 : 요약(초록) - 3. 기술개발 결과요약 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약(초록) ... 3
• 연구개발사업 주요 연구 성과 ... 25
• 목차 ... 28
• 제 1 장 서론 ... 29
• 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 29
• 제 2 절 국내ㆍ외 관련 기술의 현황 ... 35
• 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적ㆍ경제적 파급 효과 ... 38
• 제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ... 42
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 42
• 제 2 절 개발 내용 및 개발 범위 ... 44
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 68
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 68
• 1. 연구개발 추진 일정 ... 68
• 2. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과(고용성과 포함하여 전체 실적 작성) ... 70
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 82
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 계획 ... 85
• 1. 시장 진입을 위한 단계적 전략 (시장진입시기, 현지화 전략 등) ... 85
• 2. 생산, 설비투자, 마케팅 등에 대한 추진전략 ... 86
• 3. 기술 및 경제적 기대효과 ... 87
• 끝페이지 ... 90