열전대열 적외선센서 기반 인체감지 거리 확장시스템

Abstract

사물과 인체를 구분하여 제어하는 자동화 기계장치의 인체감지 용도로 사용되고 있는 초전형 적외선(pyroelectric infrared : PIR) 센서는 10 여 년 전에 출시되어 인체감지 모듈로 상용화 되었다. 이후, PIR 센서, 증폭기, 비교 회로로 구성된 PIR 인체감지 모듈은 자동화 기계장치 등에 많이 사용되고 있으나, 가시광선에 의한 빛의 굴절과 반사 변화 영향으로 인체감지 오동작이 발생되고, 또한 정지된 인체를 감지 못하는 문제가 있어 자동화 기계의 안전장치에 적용이 되지못하고 있다. 최근(2016)에 출시된 열전대열 적외선센서(thermopile infrared sensor)는 인체에서 발산되는 적외선 파장(8 ~ 14 𝛍m)을 감지하여 인체감지 능력이 좋고, 또한 가시광선으로 인한 오동작 현상이 거의 없고, 근접 거리(0.05 ~ 0.5 m)에서의 인체감지 성능이 우수하여 비접촉 온도 측정 장치에 적용되고 있다. 그러나 주변에서 발생된 온도 변화에 민감하게 반응하여 감지 거리가 커질수록 인체에서 발산되는 적외선 신호 대비 환경 온도 변화 폭이 상대적으로 커져, 이로 인하여 인체감지 신호의 감지 오차와 편차가 커져서 감지 추정 거리 변화가 크고, 감지 거리가 초전형 적외선센서 모듈의 감지 거리(5 ~ 6 m)에 비하여 짧다. 이러한 감지거리 짧음으로 인하여 열전대열 적외선센서는 자동화 기기의 안전장치 용도로 실용화되지 못하고 있다. 열전대열 적외선센서의 감지 거리를 확장하기 위해서는, 적외선 인체감지 신호를 증폭하는 감지 거리 확장용 고감도 증폭기 회로와 주변 온도 변화 영향으로 인하여 발생되는 감지 오차와 편차를 줄여서 실시간으로 판정의 문지방 값을 낮출 수 있는 판정기 설계가 필요하다.

본 논문은 열전대열 적외선센서 기반 인체감지 장치에서, 감지 거리를 확장하기 위하여 상업용 증폭기 모듈(이득 800배)에 비하여 증폭 이득을 확장하고 증폭 이득 확장으로 발생되는 포화(saturation) 현상을 개선한 열전대열 적외선센서 기반 고감도 증폭기 모듈(이득 4,000배)과, 주변 환경 온도 감지 센서 회로(thermistor circuit)를 이용하여 주변 온도 변화로 인한 감지 거리 변화를 낮출 수 있는 DSP 회로 기반 적응 필터 알고리즘이 적용된 열전대열 적외선 인체감지 거리 확장시스템을 제안한다. 구체적으로, 열전대열 적외선 인체감지 센서 출력에 중첩되어 있는 주변 환경 온도 변화 노이즈의 영향을 적응 필터에 적용하여 주변 환경 온도 변화로 인한 판정 문지방 값을 낮추고, 실시간으로 적응 필터에서 인체감지 신호에 해당되는 신호 출력만을 출력하여 인체감지 여부를 판정함으로써, 이로 인하여 인체감지 거리가 확장된다. 제안된 열전대열 적외선센서 기반 인체감지 거리 확장시스템은 고감도 증폭기와 DSP 회로 기반 적응 필터 알고리즘 판정기 모듈, 적외선을 집광할 수 있는 프레즈넬 렌즈(Fresnel lens), 그리고 감지 모듈을 360도 회전할 수 있는 스텝 모터 구동 모듈로 구성된 인체감지 장치이다. 열전대열 적외선센서 기반 인체감지 거리 확장시스템은 시제품 보드로 제작되어 성능 실험을 보인다. 시제품을 8-bit CPU 기반(atmega128a)의 감지 전압 변화 (△V)로 판정하는 회로로 구성된 상업용 열전대열 적외선 감지 모듈과 동일 환경 조건에서 비교한 결과, 8-bit CPU로 구성된 상업용 열전대열 적외선 감지 모듈에 비하여 감지 거리가 약 6 ~ 7배 이상 확장(최대 7.0 m)된 인체감지 성능을 보였다. 감지 거리가 확장된 열전대열 적외선센서 기반 인체감지 거리 확장시스템은 정확한 인체감지를 요하는 무인 자동화 기기의 안전장치 부분의 제어 용도로 확대 적용이 될 수 있다. 다만 극한적 환경 온도 변화에 대한 대응은 추가적 연구가 필요하다.