Design of Emergency Evacuation Guiding System with Serially Connected Multi-channel Speakers

논문 2011-48SP-4-16

직렬 스피커 연결을 이용한 비상 대피 유도 시스템의 설계

( Design of Emergency Evacuation Guiding System with Serially Connected Multi-channel Speakers )

정 한 빛

^*

^*

^{** *} ( Hanvit Chung, Teawan Kim, and Yunmo Chung )

요 약

일반적으로 기존의 비상 대피용 유도 시스템은 비상등 또는 유도 LED와 같이 시각적인 부분에 의존하고 있다. 실제로 화 재인 경우에는 연기 때문에 시야 확보가 힘든 경우가 많다. 본 논문에서는 이런 경우를 대비하여 방향성을 가진 음향을 사용 하여 비상 대피 유도 시스템을 설계 및 구현하였다. 이 때 모든 스피커는 편리한 설치를 위해 오디오 직렬 전송 기법을 사용 하였다. 대피 경로를 위한 최단 경로 알고리즘은 플로이드 알고리즘을 사용하였다. 오디오 직렬 전송 기법의 단점인 단선에 대 한 대책으로 자동 고장 진단 기법을 제안하였다. 시스템 제어와 감시는 PC와 USB 프로토콜 연결을 통하여 이루어진다. 제안 한 시스템은 가상의 비상 대피 환경에서 표본 집단의 대피 실험의 효율성을 검증했다. 결론적으로 제안된 시스템은 비상 상황 에서 대피율의 증가를 확인하였고 오디오 직렬 전송 기법으로 쉽고 저가의 비용으로 설치 가능하다.

Abstract

In general, existing emergency evacuation guiding systems depend on visual techniques like emergency lights or LEDs.

Actually people in the case of fire emergency condition may not obtain a range of view because of smoke from the fire.

This paper introduces a technique to design an emergency guiding system using directivity sound to cope with this problem. In this case all speakers are serially connected for audio signal transmission in a serial fashion to achieve convenient speaker installation. Floyd algorithm is used to find shortest evacuation paths. Because serially connected multi-channel speakers are weak in case of disconnection, this paper uses a technique to solve the diagnostic problem. In the proposed system, a PC based on the USB protocol is used for control and observation. The system has achievements, such as increasing evacuation rate under emergency conditions, and serial transmission of audio signal for easy maintenance and low installation cost.

Keywords : evacuation, guiding, directivity sound, Hass effect, Doppler effect

Ⅰ. 서 론

최근 기후의 이상 변화에 따라 우리나라뿐만 아니라 세계적으로 재해 및 재난이 증가하고 있다. 또한 초고 층 건물들의 증가와 건물의 복잡한 형성은 잠재적으로 재난의 가능성을 내재하고 있다. 현재 우리나라의 재해 및 재난 관련 피해액은 2조 1천억 원에 달하고 있다고

* 정회원, 경희대학교 전자전파공학과

(Department of Electronic and Radio Engineering, Kyung Hee University)

접수일자: 2011년1월13일, 수정완료일: 2011년3월10일

한다. 우리는 언제 어디서나 발생할 수 있는 재난에 대 해서 위기의식을 가질 필요가 있다. 하지만 아직 재난 이 발생했을 때 그 위치 파악이나 피난을 위한 유도 방 법에 대한 연구가 미흡하다. 따라서 최첨단 시대에 걸 맞게 우리는 재난에 대한 예방 및 대비에 중점을 둔 기 술 개발이 필요하다.

새로 건축되고 있는 건물에 설치된 비상구 표시등 만 있는 것이 아니라 출구까지의 거리와 방향을 표시해 주 거나 LED 배열로 방향을 유도하는 시스템이 설치된 것 을 볼 수 있다

^[1～2]

재 발생 시 적절한 대피 경로를 제안하는 화재 대피 유 도 시스템들도 설치되고 있다

^[3]

본 논문에서는 음향을 이용한 비상 대피 유도 시스템 을 제안하였다. 비상 대피시에 기존의 시각적인 유도에 의존도가 높기 때문에 음향의 방향성을 느끼도록 하여 청각적인 부분을 보완하였다. 그래서 시야가 확보되지 않을 경우 청각에 의존하여 효율적으로 대피할 수 있도 록 하였다. 음향을 이용하려면 많은 양의 스피커를 설 치 및 연결해야한다. 이를 위해 음향을 위한 다채널 스 피커 직렬 연결 기법을 이용하였다

^[5]

본 논문에서 제시한 시스템에는 자동 고장 진단 알고 리즘을 적용하였다. 그 방법은 플로이드 알고리즘을 응 용하였고 다채널 스피커 직렬연결 기법의 단점인 단선 문제를 보완할 수 있게 설계되었다. 그 결과 시스템은 단선시에도 우회 경로를 통하여 동작 가능하게 하였으 며 단선이 발생한 부분을 제어권자에게 알려준다.

본 시스템은 PC에서 USB 프로토콜을 이용하여 하드 웨어 제어 및 모니터링을 구현하고 음향을 전송할 수 있게 설계되었다. USB 통신은 표준 규격으로 정해져 있어 모든 PC가 지원을 한다. 또한 USB 2.0 하이스피 드에서 사용할 수 있으며 최대 480Mbps의 빠른 속도를 가진다. 이를 이용해 PC는 마스터 보드에게 음향 데이 터를 전송한다. 마스터 보드는 USB 프로토콜을 이용하 여 센서 데이터를 전송한다.

Ⅱ. 비상 대피 유도 시스템

본 시스템은 음향을 통하여 사람들에게 비상시 대피 방향을 유도하고자 하며, 일렬로 배열되어 있는 스피커

에서 음향의 방향성을 나타낸다. 하스 효과(Haas effect)와 도플러 효과(Doppler effect)를 이용하여 음의 시간 지연과 음압의 세기를 변화시켜 음상을 이동시킨 다. 청취자는 이 음상의 이동을 음향의 방향성으로 인 식하고 청각적인 부분에 의존해 유도된다. 각각의 스피 커는 직렬 전송 기법에 의해 연결 되어있다. 전송된 음 원을 이용하여 마스터 보드(master board)는 음향효과 처리를 하여 각각의 슬레이브 보드(slave board)로 전 송한다.

본 논문은 기존의 시각적인 대피유도 방식에 청각적 인 방식을 더하여 좀 더 효율적으로 대피를 시킬 수 있 는 방식을 제안한다. 시스템의 하드웨어 부분은 마스터 보드와 슬레이브 보드의 두 부분으로 나뉜다. 마스터 보드는 PC와 연결되어 음향 데이터를 전송받고 센서 값은 전송시킨다. 전송받은 음향 데이터는 플로이드 알 고리즘의 우선순위에 따라 슬레이브 보드에 전송한다.

마스터 보드는 슬레이브 보드와 직렬로 연결되어있고 각각의 슬레이브 보드에게서 센서 값을 수집한다. 슬레 이브 보드는 센서 값을 마스터에게 전송하고 스피커로 음향 데이터를 방송한다.

음향 대피 유도기는 그림 1의 순서도에 따라 동작한 다. 시스템이 시작과 초기화가 끝나면 화재의 유무를 판단한다. 순차적으로 각각 연결된 화재 센서 값을 물

그림 1. 시스템의 순서도 Fig. 1. Flow chart of system.

어보며 화재를 판단한다. 슬레이브 보드가 마스터로부 터 센서 정보 요청을 받으면 온도 정보를 전달하게 된 다. 마스터에서 슬레이브 보드로부터 센서 값이 정상적 으로 전달되었을 때, 이를 ACK 신호로도 판단하여 정 상적인 동작 상태를 판단한다. 하지만 슬레이브 보드로 부터의 센서 값이 마스터 보드로 전송되지 않는다면 이 는 고장으로 판단하고 고장 진단 모드로 들어간다.

정상적으로 전송된 센서 값이 화재를 알리는 값일 경 우에 화재 모드로 바뀌며 이때부터 마스터 보드는 최단 경로를 탐색하기 시작한다.

마스터 보드에서 최단 경로 탐색을 마치게 되면 각각 의 슬레이브 보드에 맞는 대피 유도 음향을 전송하기 시작한다. 화재가 종료되기 전까지 마스터 보드는 최단 경로를 탐색하고 대피 유도 음향을 전송하고 고장 진단 을 판단하는 동작을 반복하며 대피자들을 유도한다.

Ⅲ. 음향을 이용한 방향성 부여

1. 음향의 방향성

두 개의 스피커에서 소리를 어떻게 내보내느냐에 따 라서 사람에게 들리는 소리의 방향이 다르게 느껴진다.

그 원리를 이용하여 임의적으로 사람에게 방향성을 부 여할 수 있다.

2. 하스 효과

일반적인 스테레오 시스템에서 두 개의 스피커로 주 파수와 음압이 동일한 음을 동시에 재생하면, 인간의 귀에는 두 소리가 정중앙에서 나오는 것처럼 느껴진다.

이와 같이 음상이 스피커의 중앙에 정확하게 위치하는 것을 ‘음상이 정위 되었다’라고 표현 하는데, 음상의 정 위는 좌우 스피커에서 청취 점까지의 레벨차, 위상차, 시간차로 결정된다. 이것은 아무리 훌륭한 스테레오 시 스템이라고 해도 재생 음에 위상차가 없으면 모노로 재 생된다는 의미와 같다.

마찬가지로 음상이 정위된 상태에서 오른쪽 스피커 의 신호를 약간 지연시키면 음상은 왼쪽 스피커의 방향 으로 옮겨간다. 이러한 청각 현상을 하스 효과라고 한 다

^[4]

그림 2 하스 효과 이론 Fig. 2. Hass effect theory.

(가)는 음원이 중앙에 정위된 것을 나타내고 있다. 여 기서 (나)와 같이, 왼쪽 스피커의 음원에 디지털 딜레이 를 직렬로 넣어서 서서히 지연 시간을 늘리면, 지연이 걸리지 않은 음 왼쪽으로 음의 정위가 이동하기 시작한 다. 그런데 (나)의 상태에서 (다)와 같이 음압 레벨을 저하시키면 음의 정위는 중앙으로 회복된다. (다)의 상 태에서 (라)와 같이 지연 시간을 30ms이상 증가 시키면 좌우의 음은 서로 별개의 것으로 느껴진다.

3. 도플러 효과

사이렌을 울리면서 빠르게 다가왔다 지나가는 경찰 차나 소방차를 사이렌 소리가 특이하게 변한다는 것을 느낄 수 있다. 이때 다가오는 순간에는 사이렌이 높은 음으로 들리고, 멀어지고 있을 때에는 낮은 음으로 바 뀌는 것을 알 수 있는데, 이는 소리를 내는 물체의 운동 이나 관측자의 운동에 따라 원래의 소리의 형태와 다르 게 되기 때문이다. 이러한 일은 일반적인 파동에 대하

그림 3. 도플러 효과 이론 Fig. 3. Doppler effect theory.

여 다 성립하는데 이를 도플러 효과라 한다

^[4]

사람 진행 방향 앞쪽의 파장은 점점 짧아지고 뒤쪽의 파장은 길어지게 된다. 파장이 짧아진다는 것은 진동수 가 높아진다는 것이고 이는 소리로 치면 높은 음을 말 한다. 반대로 뒤쪽은 낮은 음이 된다. 본 시스템은 사람 이 움직이지 않았을 경우에도 방향을 느낄 수 있도록 주파수를 조정하여 음향으로 방향성을 나타내었다.

Ⅳ. 다채널 스피커의 직렬 연결 기법

1. 다채널 음향 직렬연결의 기본개념

현재 다채널 스피커의 직렬 연결 시스템은 그림 4와 같이 외부 오디오 시스템으로부터 여러 채널의 아날로 그 음향 신호를 받아서 디지털 신호로 변환한 후, 직렬 로 스피커에 전달된다. 스피커들은 시스템에 각각 연결 되어야 한다.

이 시스템의 경우에는 별도의 외부 오디오 시스템이 필요하고, 채널의 수 만큼 ADC(Analog to Digital Converter)가 필요하기 때문에 시스템의 크기가 커지게 된다. 또한 처리할 수 있는 채널의 수가 하드웨어적으 로 고정이 되어 있기 때문에 채널수를 변경하는 것이 불가능하다. 뿐만 아니라, 원하는 음향을 재생하고 선택 함에 있어 외부 오디오 시스템을 조작해야하는 번거로 움이 있어 유연성이 떨어지는 단점이 있다. 다채널 스

그림 4. 다채널 스피커 직렬연결 시스템의 구조 Fig. 4. Structure of serially connected multi-channel

speakers.

피커 직렬 연결 기법은 이런 단점을 보안할 수 있다.

2. 다채널 스피커와 PC간 인터페이스

그림 5. USB 인터페이스의 스피커의 직렬 연결 방법 Fig. 5. Serial connection method of speakers using a

USB interface.

위와 같은 문제들을 해결하기 위해 그림 5의 PC와의 USB 인터페이스를 이용하여 여러 채널의 음원을 제공 받아 전송하는 방법을 이용하였다. 그림 4와 같이 기존 의 외부 오디오 시스템 대신 PC를 사용하여, 저장된 파 일을 USB 2.0 프로토콜로 USB 디바이스인 주제어 부 (main controller)로 전송한다. 이 과정에서 디지털 음향 데이터가 저장된 파일을 사용하였기 때문에 별도의 ADC 과정이 필요 없게 된다. 또한 기존의 시스템과 비 교했을 때, USB 컨트롤러와 USB 인터페이스를 위한 기능이 추가되었다.

이 시스템을 응용하면 사용자는 그림 5과 같이 비상 대피유도기의 모든 스피커 들을 PC에서 GUI 환경을 통해 제어할 수 있다.

3. 다채널 스피커 직렬 연결 설계

본 논문에서 제시하는 시스템은 PC가 USB의 호스트 역할을 수행한다. PC에서는 USB 어플리케이션으로 음 원 파일을 선택하여 전송할 수 있도록 재구성한다. 그 리고 USB API 함수를 이용하여 호스트 송신 버퍼에 데이터를 채워 넣게 되면 USB 전송이 이루어진다. 여 러 채널의 음원 데이터를 받은 주제어부는 각각의 채널

개 발 내 용 사 양 비 고 USB 인터페이스 2.0 High Speed 지원

USB전송방법 벌크 전송 채널 정보 포함

디지털 샘플링 I ² S 디지털 변환 방식

샘플링 비율 8kHz 라디오수준

샘플링 크기 16bit 각 채널당

지원 음향 파일 WAV 형식

Table 1. Development specifications.

을 압축하고 패킷화 하는 과정을 거쳐 직렬로 각 스피 커로 전송한다.

본 논문에서 적용된 다채널 오디오 스피커의 직렬 연 결 시스템은 표 1과 같이 사양을 가지고 있다. USB 2.0 High Speed는 22.5792Mbit/sec를 지원하기 때문에 여 러 음향 채널의 실시간 전송이 가능하다. 또한 벌크 전 송으로 채널 선택이 가능하도록 구성하였다. 외부에서 아날로그 오디오 신호와 마이크 신호를 입력받을 수 있 도록 ADC를 추가하여 I

²

Ⅴ. 최단 거리 알고리즘

1. 알고리즘의 이론적 배경

A지점에서 또 다른 B지점까지 가는 최단 거리를 구 하는 알고리즘은 다익스트라(Dijkstra)와 플로이드 (Floyd) 등 여러 가지가 있다. 다익스트라 알고리즘은 A에서 B까지의 최단 거리와 경로를 구하는 알고리즘이 다. 플로이드 알고리즘은 모든 정점끼리의 최단 거리를 구하는 알고리즘이다.

2. 플로이드 알고리즘

다익스트라 알고리즘은 Greedy한 방법이고 플로이드 알고리즘은 동적계획법이 들어간 보다 고차원적인 알고 리즘이다. 최적 해를 구하는 문제들은 동적 계획법을 적용하면 모든 경우에 최적 해를 구할 수 있다. 하지만 더욱 간단하고 효과적인 Greedy 방법에 의해 해결되는 문제들도 많이 있다. Greedy 방법은 최적 해를 구하는 문제를 풀기위해서 행하는 시점에서의 상황만 고려해서

최선의 선택을 한다. 궁극적으로 추후 변화를 고려하지 않고 연산 시점에만 의존하여 최적 해를 구하는 것 이 다. 하지만 동적 계획법을 적용하면 연산의 양이 많아 져 시간이 더 많이 필요하다. 또한 사용되지 않는 데이 터들도 생성된다. 코딩 면에 있어서는 다익스트라 알고 리즘보다 플로이드 알고리즘이 훨씬 간단하다. 여기에 서 N을 노드(node)의 수라 가정하면 다익스트라 알고 리즘의 연산양은 

^



^

FOR k = 1 to N DO FOR i = 1 to N DO

FOR j = 1 to N DO

IF D[i][k] + D[k][j] < D[i][j] THEN P[i][j] = k;

D[i][j] = D[i][k] + D[k][j];

ENDIF ENDFOR ENDFOR ENDFOR

그림 6은 임의의 건물 구조를 정하여 가상으로 거리 에 대한 가중치를 두어 플로이드 알고리즘을 적용해 보 았다. 그림 7은 거리에 따른 가중치 값을 이용하여 플 로이드 테이블을 생성한 것이다. 숫자가 나타내는 곳은 출발한 곳과 목적지간의 거리를 나타내고 있다. 이 거 리는 항상 직접적으로 연결됐을 경우만을 고려한다. 직 접적으로 연결 되지 않는 경우는 무한대로 표현하나 무 한대 대신에 임의의 큰 수를 지정받는다. 여기서 큰 수

그림 6. 플로이드 알고리즘의 예 Fig. 6. Example of Floyd algorithm.

그림 7. 플로이드 기본 테이블 Fig. 7. Basic Floyd table.

그림 8. 플로이드 알고리즘의 계산 예제 Fig. 8. Calculation result of Floyd algorithm.

의 의미는 다른 경로의 거리의 합보다 크다는 것이다.

그래야 경로의 거리 비교 시 잘못된 경로로 지정되는 것을 방지 할 수 있다.

그림 8은 가상의 현장에 플로이드 알고리즘을 적용 하여 각각의 노드에 따른 최단 거리를 적용한 결과 테 이블을 나타낸 것이다. 플로이드 알고리즘의 기본 수행 식의 배열 D에 해당하는 값으로 각각의 출발지에서 각 각의 목적지까지의 거리데이터를 가지고 있다. 기본 수 행의 배열 P은 경로를 저장하는 레지스터로 출발지와 목적지 사이의 경로를 파악할 수 있다.

그림 6의 가상의 공간에서 출구를 S1과 S7로 규정하 였을 때 그림 8의 테이블을 보면 두 출구 중 어느 쪽이 더 가까운지 알 수 있다. 예를 들어 S3에서 가까운 쪽 을 찾고자 한다면 S1까지는 거리가 4이고 S7까지는 거 리가 10을 나타내므로 S1이 경로가 더 짧다는 것을 알 수 있다.

Ⅵ. 고장 진단 알고리즘

1. 직렬 데이터 전송 기법을 이용한 연결

본 시스템에서는 스피커들의 연결선을 간소화하기 위하여 다채널 스피커 직렬 연결 기법을 사용한다. 여 러 채널의 음향 데이터를 디지털 음향 데이터전송 포맷 인 I

²

하지만 스피커간의 연결선이 페루프를 형성하면 데이터 간에 충돌 발생의 우려가 있다. 스피커들은 실제로는 연결되어 있지만 프로그램 적으로 폐루프를 형성하지 않도록 하이 임피던스로 설정되어있다. 이 부분을 이용 하여 여러 개의 스피커들과 연결되어 있는 스피커들을 시스템이 단선이 됐을 경우에 이용하여 고장 진단을 하 는 방법을 고안하였다.

2. 고장 진단 알고리즘

본 시스템은 데이터 충돌을 방지하기 위한 루프의 생 성을 막기 위하여 구조적으로 데이터 전송선은 연결해 놓고 시스템 초기화 때 프로그램 적으로 하드웨어 내부 에서 단선을 하였다. 하이 임피던스(Hi-Z)로 되어 있는 선은 고장 진단 시 필요에 의해서 다시 데이터 전송선 을 사용 가능하게 하게 프로그램 되어 있다. 플로이드 알고리즘의 테이블을 응용하여 고장 진단 테이블을 만 들었다.

그림 9는 고장 진단 알고리즘의 예시를 나타낸다. 그 림과 같이 S4번과 S5번 보드 사이에 결선이 생기면 S5 번과 S6번 보드는 더 이상 동기화 신호가 들어오지 않 기 때문에 S5번과 S6번 보드는 여분의 데이터 전송선 인 하이 임피던스 선을 찾아 프로그램 적으로 연결해주 면 된다. 여분의 데이터 전송선을 알기위해 그림 10의 테이블을 만들었고 이 테이블을 이용하여 고장 진단 알 고리즘이 실행된다. S5번 보드는 S4번과 S6번에 연결 되어 있는 것으로 테이블에 나와 있다. S6번 보드는 S5 번 보드와 연결되어 있고 또한 6번 보드는 3번과 9번 보드와는 하이 임피던스로 연결되어 있다. 따라서 이 때 6번 보드는 3번 보드와의 하이 임피던스 선의 설정 을 바꿔 동기화 신호가 들어오는지 확인하게 된다. 이 때 동기화 신호가 들어오면 그 연결 설정을 유지하고 마스터 보드로 결선 정보를 알려주게 된다.

그림 10은 데이터 전송선의 연결된 상태를 테이블로

그림 9. 고장 진단 알고리즘의 예시 Fig. 9. Example of the diagnostic problem.

그림 10. 고장 진단 테이블 Fig. 10. Diagnostic table.

나타낸 것이다. C는 연결이 되어 있는 상태를 말하고 Z 는 하이 임피던스로 연결되어 있어 고장 진단 시 사용 할 수 있는 데이터 전송선을 나타낸다. 이 테이블을 바 탕으로 본 논문에서는 플로이드 알고리즘을 응용하여 고장 진단을 위하여 사용하였다.

시스템 동작 중 슬레이브 보드 사이에 결선이 발생하 게 되면 결선된 슬레이브 보드에선 더 이상 동기화 신 호가 들어오지 않게 된다. 각각의 슬레이브 보드는 데 이터가 들어오는지 결선을 감지하는 회로를 내장하고 있다. 슬레이브 보드는 동기화 신호를 감시하고 있다가 문제가 발생했음을 인지하게 됐을 경우 하이 임피던스 로 연결된 선을 하드웨어 내부적으로 다시 연결한다.

그리고 새로 연결된 선에서 동기화 신호가 들어오는지 의 유무를 판단한다. 동기화 신호가 들어오면 임시적으 로 연결된 상태로 놔두고 결선된 부분을 마스터 보드로 알려준다. 동기화 신호가 들어오지 않을 경우는 연결할 수 있는 선들을 차례대로 연결해 상태를 확인하게 된 다. 그림 11은 알고리즘의 순서를 나타낸다. 고장 진단 을 시작한다는 것은 마스터 보드가 슬레이브 보드로부

그림 11. 고장 진단 알고리즘 순서도

Fig. 11. Flow chart of the diagnostic problem.

터 ACK 신호를 받지 못했다는 것이다. 따라서 마스터 보드는 슬레이브 보드와 단선이 된 것을 파악하고 끊어 진 슬레이브 보드를 연결 할 수 있는 우회로를 찾기 시 작한다. 우회로에 대한 정보는 고장 진단 테이블에서 검색해야 한다.

Ⅶ. 구현 및 실험

1. 음향의 방향성 구현과 검증

음향의 방향성을 위하여 음의 지연 시간과 주파수를 변화하여 음상의 변화를 주는 하스 효과와 도플러 효과 를 이용한다고 제 Ⅲ 장에서 보였다. 본 논문의 구현을 위해 그림 12의 음성유도기보드를 마스터 보드를 사용 하였다.

음향 데이터는 PC로부터 USB 전송을 통해 마스터 보드로 전달된다. FPGA에서는 PC로부터 전송받은 음 향 데이터를 하스 효과에 맞게 지연시킨다. 시뮬레이션 을 위해 Matlab의 Simulink를 이용해 샘플 음향 데이 터를 오디오 ADC로 보내고 처리된 데이터를 마이크

그림 12. 마스터 보드 Fig. 12. Master board.

그림 13. Simulink를 이용한 음압변화 검증

Fig. 13. Sound pressure control verification using Simulink.

그림 14. 테스트를 위한 샘플 음향 데이터 Fig. 14. Sample audio data for test.

입력을 통하여 알아보았다.

그림 13은 Simulink의 프로그램이다. 사인파를 이용 하여 샘플 음향 데이터를 만들어 사운드 출력으로 전

송시킨다. 그림 14는 샘플 음향 데이터의 파형을 보 여주고 있다.

샘플 음향 데이터는 마스터 보드의 FPGA에서 슬레 이브 보드로 전송시킬 음향 데이터를 생성한다. 2개의

그림 15. 2개 채널의 음향 데이터 신호 Fig. 15. 2 Channel audio data signal.

그림 16. 슬레이브 보드 Fig. 16. Slave board.

스피커로 전송 될 음향 데이터를 오디오 전송 포맷인 I

²

그림 15의 데이터는 시간도메인에서 나타내어진 것 이다. 채널 1의 스피커에서 소리가 먼저 발생했고 0.5초 후에 점점 채널 2의 스피커로 음향이 이동함을 알 수 있다.

그림 23의 2개 채널의 신호에서 볼 수 있듯이 음향이 스피커들을 통해 자연스럽게 방향의 이동을 나타내 주 기위해 음압을 제어하였다.

본 논문에서 사용되는 음향의 주파수 영역은 1.4kHz - 3.3kHz 이다. 채널이 바뀔 때마다 각각 0.1kHz의 주 파수 변화가 있고 이것이 방향성을 느끼게 해준다.

그림 16은 마스터 보드로부터 음향 데이터를 받아 오디오 DAC를 통하여 스피커로 출력되는 동작과 센서 들을 이용하여 비상 사태에 대한 감시 데이터 전송을 한다.

2. USB 인터페이스

그림 17은 PC상에서 비상 대피 유도기의 마스터 보 드와 연결되어 데이터 전송을 주고받는 인터페이스이 다. 제 Ⅴ 장에서 설정한 가상 현장에 맞춰 설정이 되어 있다.

아래의 각각의 채널의 SEL 체크 박스를 선택하면 해 당하는 채널로 데이터를 직접 보낼 수 있다. EDIT 박 스에는 온도 데이터가 표시된다. 비상 사태로 파악이 됐을 경우 미리 저장된 음향파일을 마스터 보드로 계속 전송하게 된다.

그림 17. 비상 대피 유도기 컨트롤러

Fig. 17. Emergency evacuation guiding system controller.

3. 대피 유도 실험 절차

실험 환경은 T자형 통로에서 시행 되었다. T자형 통 로는 그림 18과 같이 3개의 그룹으로 나눠 각각의 통로 를 기준으로 방향을 지시한다

^[6]

가상의 환경은 그림 19는 T자형 통로의 위쪽 양 끝 부분에서 시작하여 아래 방향으로 대피를 유도하는 상 황이고 그림 20은 왼쪽 끝부분에서 오른쪽 끝부분으로 대피하는 상황이다. 청각에 대한 의존성 여부를 알아보

그림 18. 가상 대피 유도 환경

Fig. 18. Studio of emergency experiment.

그림 19. 가상 대피 유도 케이스 1 Fig. 19. Virtual emergency case 1.

그림 20. 가상 대피 유도 케이스 2 Fig. 20. Virtual emergency case 2.

그림 21. 비상대피용 음성 유도 시스템 Fig. 21. Emergency evacuation guiding system.

기 위해서 반투명 안대를 끼고 시야가 거의 없는 상황 에서 실험을 하였다. 본 실험에서 피실험자에게는 출구 를 가르쳐 주지 않은 상태에서 음향만을 이용하여 출구 를 찾을 수 있게 유도 하였다. 그리고 시간제한을 두어 탈출 여부를 결정하였다. 시야가 확보되지 않았기 때문 에 시간제한은 각각 2분으로 가정하였다. 그림 21은 보 드간에 실제로 연결된 것을 보이고 있다.

4. 대피 유도 실험 결과

실험 결과는 그림 22와 같다. 시야가 확보되지 않은 상황에서 아주 조심히 움직이는 사람과 빨리 대피하기 위한 움직임을 보이는 사람으로 나눴다. 음향으로 대피 를 유도할 경우에는 그렇지 않은 경우보다 대체적으로 빠르게 움직임을 보였고 대다수의 인원이 대피를 할 수

그림 22. 가상 대피 유도 실험 결과 Fig. 22. Experiment result.

있었다. 대피를 못한 피실험자는 대부분 음향 유도가 없을 시에도 성공하지 못한 사람으로 다소 움직임이 둔 한 사람들이 많았다. 꺾어지는 복도에서 피실험자들이 시간을 많이 소비하여 제한 시간을 넘어가는 경우가 많 아 대피율이 떨어졌다. 음향 유도를 한 부분에서 꺽어 지는 복도의 빠른 방향감각으로 대피율을 높일 수 있는 것으로 판단되어진다.

Ⅷ. 결 론

기존 시스템은 비상 대피 유도에 있어서 시각을 이 용한 의존도가 높다. 본 논문에서 제시한 시스템은 시 야가 확보되지 않을 경우에 청각적인 부분을 추가하여 기존 시스템보다 대피율을 높일 수 있었다. 급박한 비 상 대피를 위해 플로이드 알고리즘을 하드웨어로 구현 하여 소프트웨어 경우보다 빠른 경로 검색이 가능하게 하였다.

제시한 시스템은 많은 수의 스피커로 구성되어 있다.

지금까지의 아날로그 스피커를 이용하면 시스템이 복잡 하기 때문에 설치 및 관리가 어렵고 또한 비용도 많이 들게 된다. 하지만 아날로그 음향신호는 디지털 음향 신호로 바꾸고 스피커 직렬 연결 기법을 이용하여 복잡 한 시스템을 간단하게 하였다. 디지털 음향 신호는 아 날로그 음향신호를 비교하여 신호의 열화가 거의 없으 며 변환과 재처리가 용의하다는 장점이 있다.

USB로 PC와 인터페이스를 구성하기 때문에 쉽게 설 치할 수 있고, 누구라도 쉽게 현재 상태확인이 가능하 다. PC에서 USB 프로토콜을 이용하여 하드웨어 제어 및 모니터링을 구현하고 음향을 전송할 수 있게 설계되 었다. USB 통신은 표준 규격으로 정해져 있기 때문에 모든 PC가 지원을 한다. 또한 USB 2.0 하이스피드에서

사용할 수 있으며 최대 480Mbps의 빠른 속도를 가진 다. 모든 스피커를 하나의 선으로 연결하였기 때문에 설치 및 시공이 간편하다. 또한 음향 데이터를 디지털 방식으로 처리하게 때문에 잡음에 강하다.

고장 진단 알고리즘으로 화재로 인한 단선 등 비상 상황 시 일어날 수 있는 시스템 장애에 대한 신뢰도가 향상 되었다. 하나의 선으로 모든 스피커가 연결되어 있기 때문에 결함 유무를 쉽게 파악할 수가 있어서 관 리가 편리하다.

음향만을 전적으로 이용하여 비상 상황에서 대피자 를 유도할 수도 있겠지만 그것보다 가능한 사람의 감각 들을 최대한 이용하여 비상시 대피하는 것이 대피율을 높일 수 있는 방법이므로 본 논문이 제시한 시스템은 단독적으로 사용되기 보다는 기존의 좋은 시스템들과 결합되어 비상사태에서 좀 더 대피율을 높이고 사상자 를 줄이는데 그 의의를 두고 있다.

참 고 문 헌

[1] Liu Baifen, Zhang Yongxian, “Design Intelligent Multi-sensor Fire Monitoring Based on DSP”, The Eighth International Conference on Electronic Measurement and Instruments, pp.4799 - 4804, 2007.

[2] 김동욱 외6, “유도등 제어 시스템의 개발”, 조명․

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[3] Lorincz, K., Malan, J., et al., “Sensor Networks for Emergency Response: Challenges and Opportunities”, Pervasive computing, Vol. 3, No.

4, pp. 1536-1268, 2004.

[4] 박우철 외2, “음향기술 총론”, 도서출판 차송, pp.34-43, 2009. 6.

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[7] Han Vit Jung, Taewan Kim, Yunmo Chung,

“Emergency Evacuation Guiding system using changeable sound directivity”, 20th International Congress on Acoustics, pp.131, August 2010.

저 자 소 개 정 한 빛(정회원)

2009년 경희대학교 전자공학과 학사졸업

2011년∼경희대학교 전자전파 공학과 석사졸업

<주관심분야 : SoC, ARM processor, FPGA>

김 태 완(정회원)

2007년 경희대학교 전자공학과 학사졸업

2009년 경희대학교 전자공학과 석사졸업

2009년～경희대학교 전자전파 공학과 박사과정 재학 중

<주관심분야 : SoC, 임베디드 시스템, FPGA>

정 연 모^(정회원) 1980년 경북대학교 졸업.

1982년 KAIST 공학석사.

1982년∼1987년 경제기획원 전산처리관

1992년 미국 미시간주립대학교 공학박사

1992년∼현재 경희대학교 전자전파공학과 교수

<주관심분야 : SoC, 임베디드 시스템, RTOS>