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A Study on the Development of Integrated Type Fire Alarm Control Panel for Ubiquitous Environment

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(1)

유비쿼터스 환경을 위한 통합형 화재수신기 개발에 관한 연구

A Study on the Development of Integrated Type Fire Alarm Control Panel for Ubiquitous Environment

박세화 Se-Hwa Park 지멘스

(

)

연구소

(2009. 10. 26.

접수

/2010. 2. 12.

채택

)

요 약

유비쿼터스환경에적용을위한목적으로구현된통합형화재수신기의개발경험을보고한다. 유비쿼터 환경을위해수신기가본래가지고있는능력에부가적으로크게세가지의추가적인기능이구현된다.

, 지그비가적용된무선감지기와의접속기능과이더넷을통해전송되는카메라영상신호의화면출력

능이다. 또한분산형화재수신기간의시간동기화기능을위해 GPS 모듈이적용되고구현된다.

ABSTRACT

An integrated type fire alarm control panel which is for the purpose of the ubiquitous environment application is reported. For the ubiquitous environments, mainly three additional functions upon its inherent capabilities are implemented. That is, wireless technology with ZigBee capability is applied for the interface of ZigBee detectors. Camera images can be displayed in the fire alarm control panel in which images are transferred via ethernet. For the time synchronization of the distributed fire alarm control panel, GPS module is introduced and implemented in the system.

Key words :USN, Panel, GPS, CCTV, Fire

1. 서 론

최근 건축물이대형화

,

고층화 되어감에따라 화재 안전에관한관심이더욱커지고있으며중요성 또한점차강조되고있다

.

대형건물에화재가 발생할 경우 피해는 상당하므로

,

사전에 정확하고 철저하

예방하기위한노력이행해져왔다

.

화재예방을 건물관리자의편의성을위해다양한요구가행해지 있어서 화재수신기에 화재감시뿐아니라 가스 누출 감시 등의 복합기능은 일반화되고 있다

.

건물의

화재안전을 위해 화재수신기는 감지기나 발신기에서 보내오는화재신호를입력받아서경종

,

사이렌

보장치의출력 신호를통해화재에 대한피해를 방지 있도록하는경보장치로서일정규모이상의건물 에는반드시설치가필요하다

.

이런경보장치는단독 으로만동작되기도하지만건물이대형화됨에따라

대가분산구조로통신망으로연결되어서로정보를 공유하고 있기도 하다

.

대학캠퍼스의 통합 방재를

화재수신기의경우에는 본원과 분원이수백

Km

떨어져 있지만

,

각각동일한정보가공유되기를

구한다

.

이러한요구는 유비쿼터스를지향하는최근의 추세에 비추어 보면당연하다고 있다

.

특히

근에는정보통신분야를중심으로하여유비쿼터스 기술이 진보하고있어서 어느지역에 위치하고 커다란제약없이사용자가원하는정보를주고 있는기반이조성되고있기도하다

.

1,2)여기서

비쿼터스라는 의미는 정확하게 유비쿼터스 컴퓨팅을 지칭한다고 있으며

,

유비쿼터스 컴퓨팅 환경에

서는어디에서든지접근이가능한세계가되어인간이 어디에있든지사용자가의식하지않는상태에서장소 관계없이 컴퓨터나 네트워크에 접속할 있음을 의미한다

.

화재 안전을 위한시스템의 경우에 시간적

공간적인 제약에 구속되지않는 것으로 유무선 기능

,

원격감시

,

분산제어등의기능을기본적으로수용한다 E-mail: [email protected]

(2)

있겠다

.

소방방재분야에서는법적인 약으로 인해

USN(ubiquitous sensor network)

최근

종종접할있는다양한기술의접목이거의이루어 지고있지않는실정이다

.

논문을통해유비쿼터스

환경을 위한 화재수신기의 구현을 위해 필요한 여러 새로운 요소를 고려하여 유비쿼터스환경에 부합되는 통합형화재수신기를설계하고구현한사례와개발 험을보고하고자한다

.

2. 기존 화재수신기의 현황

화재수신기는 크게

P

수신기와

R

수신기가 으며

, R

수신기는복합기능을 갖추고있으므로 대상으로 하여 유비쿼터스 환경에 필요한 부분을 고려한다

.

무엇보다도 화재수신기가 국내에 적용되기

위해서는

KFI

형식승인을만족하여야한다

. R

수신

기에 대한 세부 요구사항은

KOFEI 304

나타나 으므로3)논문에서는 이와관련된내용은생략한다

.

지멘스

(

)(

신화전자

(

))

에서도

SRF

시리즈의

R

수신기를개발해서수많은현장에적용해왔다

.

4)

Figure

1

SRF

기본구조를나타낸것으로분산처리

장을위해개의

RS485

적용하고있다

.

나는수신기간의통신용으로

,

다른하나는수신기와 계반간의통신용으로적용되고있다

.

그리고수신기와

PC

와의

RS232

이용한통신이가능한구조를가지고

있다

.

수신기간의 통신은

X-NET

으로 지칭하고

,

수신 기와 중계반간의 통신은

M-NET

으로 지칭하고 있다

. Figure 1

나타나 있는

ALD(analog loop device)

보드 최대

4

개까지의루프를담당하고있으며

,

하나의 프는최대

127

개의주소형단말기와접속된다

.

메인수 신기의 구성에따라여러개의

ALD

보드가수신기 내에장착될있는구조이며

,

중계반은전원부와

ALD

보드 장으로 이루어지게된다

.

RS485

다중통신이가능한통신방식이므로이를

절히활용하면통신망에새로운노드의확장이가능하

.

연구에서도

Figure 2

나타나있는바와 같이 본래의화재수신기를위한기능이외에추가되는기능

M-NET

노드로추가구성하여적용하는형태

여러필요한기능을구현하고자 한다

. 2. 유비쿼터스 환경을 위한 시스템

설계시 고려 사항

유비쿼터스환경에서는어디에서든지접근이가능한 세계가되어인간이어디에있든지사용자가의식하지 않는 상태에서장소에 관계없이

,

공간이나시간에 제약없이유선이나무선으로필요한정보를상호간에 주고받을있게된다

.

따라서

,

유비쿼터스환경에 응하기위해여러가지를고려할있겠으나연구 에서는크게세가지를고려하여설계에반영하고자

.

화재수신기에무선감시기능의수용과공간적인 재감시를 위한영상신호와의인터페이스기능그리고

,

시간적인 요소로 중요한정확한 시간설정기능과 간동기화 기능을검토할있겠다

.

2.1무선감시

화재 수신기에 무선 감시 기능의 결합을 위해서는 적절한 무선방식의선정이 필요하다

. USN

각종 서에서 감지한 신호를 무선으로 주고받을 있도록 구성한네트워크를말하는 것으로

, USN

환경

,

재해 예측방재

,

시설제어

,

방법

,

보안광범위한분야 적용되고있다

.

5-8)

USN

위해 저전력

,

저가격

,

속의특징을 가지고있는 근거리무선통신기술로

채택되어 적용되고 있는

IEEE 802.15.4

기반의

ZigBee

방식을통해무선 네크워크와의 결합이가능하

도록하고자한다

.

9-11)

Figure 1. Overview of fire alarm control panel.

Figure 2. Functional expansion structure.

(3)

2.2영상디지털신호접속기능

폐쇄회로카메라

(CCTV, closed-circuit televi sion)

특정 지역에대해실시간으로 영상을통해 감시할 있어서방범이나보안을위해일반적으로건축물에 당히 많이 설치되고있다

.

관리자는카메라 모니터를 통해 해당지역을 감시함으로써 원격지에서도 지역의 상태를 확인할있는잇점이있다

.

일반적으로화재 수신기에서는화재가발생한경계지역에대한정보를 문자를 통해나타내고있는데

,

해당지역에화상카메 라가설치되어있고화재수신기와카메라가서로연계 되어 영상정보를보여줄 있다면 후속조치를 위한 작업에 많은 보탬이 있겠다

.

,

화재수신기를 통해영상신호출력기능이부여된다면관리자는화재 경보상황이 발생할 경우에보다 효과적으로적절 조치를 취할있게 된다

.

논문에서는 화재수 신기의화면에영상신호의출력이가능하도록화면 계를고려하고자한다

.

이런기능을구현할경우영상 신호는 데이터량이 많기때문에 처리하는데이터량을 최소화하는노력이필요하며

,

화재수신기의기본동작 저해하지않도록필요가있겠다

.

2.3시간동기화기능

계층적으로 이루어진복합형수신기의경우에는 시간이 지남에 따라 지역수신기간 또는 지역 기들 간의시간 정보가 상이해 있다

.

유비쿼터 환경 하에서는 화재수신기의 설치에 있어서 공간 적인위치에 제한을 두지않으므로분산설치되어 영될 시에 서로 상이한 시간을 가지고 운영이 있다

.

따라서

,

각각의 장치들 간에 동일한 시간을 유하기 위한방안이 요구됨은필수적이라고

.

화재발생시에전후관계를파악하여정확한원인 규명을 위해서는정확한 시간설정이되어 있어야

.

논문에서는이를해결하기위한방안을제안하

있다

.

3. 유비쿼터스 환경을 고려한 시스템 구조

유비쿼터스 환경을 고려하면 무선감시 기능

,

영상

신호접속시간동기화기능이요구되므로이런 능들을 화재수신기에 통합 구현하고자 한다

.

이렇게

요구되는기능은 주기능이라기보다는 보조기능또는 부가기능이라고 있다

.

,

법적으로 반드시

구되는 기능이라기보다는 방화관리자에게 부가적인 정보와 보조적인 수단을 제공할 있으므로

,

부가기

능의형태로화재수신기에통합하여 구현하려고한다

.

화재수신기는법적으로일정규모의건물에설치가

요한 것으로

KOEFI304

따라구현될 있는데

비쿼터스 환경을 위한 시스템 설계에서 요구되는 능들은 부가기능의 형태로 시스템에 포함이 되어 용자의 선택의 폭을 넓히도록하려는 것이다

.

앞에서 언급한 기능들을구현하기위해서는화재수신기에 용되는

MCU(micro controller unit)

성능을 일정 이상으로 높일 필요가 있겠다

.

최근의 화재수신기 운영체제를탑재하고고도의연산능력을가진

MCU

적용할뿐만 아니라디스플레이 기술의발전에 입어 대화면 디스플레이가적용되고 있다

.

따라서 논문에서도시스템에 요구되는성능을고려하고유비 쿼터스환경을위한시스템설계를하였다

.

이렇게 계된통합형화재수신기의주요사양이

Table 1

나타 있다

.

기존의

SRF

시리즈에서 리눅스 운영체제를도입하

메인

MCU

디스플레이전반적인 내부설계가 크게 바뀌었으며 이더넷 포트

, USB (universal serial bus)

추가되었다

. RS485

RS232

기존방식과 일하게적용되었다

.

리눅스운영체제는소스코드가 개되어 무료로사용이 가능할뿐만 아니라안정된 영체제로알려져있어서다양한응용분야에서많이 택되어 적용되고 있다

.

12) 유비쿼터스 환경을 위한 비쿼터스 컴퓨팅을위해 임베디드소프트웨어에 대한 관심이 커지고있어서 연구에서도이를채택 적용 하여임베디드소프트웨어를설계하였다

.

이는다중처 리가가능하도록다중쓰레드

(multi thread)

설계하여 운영이 되도록 하는 것으로

,

설계된 주요한 쓰레드를

Table 2

나타내었다

.

Table 1. Main Specifications Overview

구분 사양

MCU 32bit ARM9 계열

OS Embedded Linux

Display TFT-LCD, 해상도 1024 × 768

입력 Touch panel, 정지키버튼

출력 LED 상태출력, 기동출력, 스피커

통신 Ethernet, RS485, RS232C

데이터유지관리 USB통한입출력

USN ZigBee protocol

Camera

monitoring 최대 16화면

시간설정 실시간시계IC 내장, GPS 인터페이스

(4)

4. 유비쿼터스 환경을 위한 화재수신기 인터페이스

4.1무선기능

유비쿼터스환경에적합한무선기능을결합하기

여러가지방법론이있을있으나최근에

ZigBee

여러분야에서응용사례를많이있다

.

13-15)

과제를위해

Max Stream

사에서공급하는

ZigBee

스택

가지고 있는 모듈을 적용하여 구현하였다

.

16) 이런

ZigBee

모듈은 저전력의무선네트워크 요구에 만족하

IEEE 802.15.4

호환 솔루션을 제공하고있으며

,

주파수 대역은

2.4GHz

대역에서작동된다

. ZigBee

듈과의 인터페이스를 위해 새로운

MCU

적용되며

,

구현되는게이트웨이보드는 중계기가되어무선 감지 기와무선통신을하게된다

.

게이트웨이보드와화재

수신기간에는

Figure 2

에서있는확장구조로서

RS485

통신을 통해신호를 주고받도록한다

.

센서노

드의역할을하는무선감지기는단독경보형감지기에 무선 기능을 결합하여 구현한 것으로 단독경보형 또는연기감지기로서통상적으로는단독적으로동작되 다가 경보시에 중계 역할을 하는 게이트웨이 보드를 통해 화재수신기에 경보를 전달하게된다

.

이런

USN

무선감지기에도동일하게

ZigBee

모듈이적용되어 있다

.

무선감지기는 수신기측에서 무선의 경로 통해신호가 전달되는것만유일하게차이가 있을 유선으로접속되는여타의감지기와동일하게고유

주소를 가지고 있는 주소형 디바이스로 인식되어 화재나 장애신호처리가가능하도록 구성된다

. Table 3

무선감지기의주요 사양이나타나 있고

, Figure 3

시제작된

ZigBee

연기감지기가 나타나있다

.

4.2영상신호접속방법

화재수신기자체에

CCTV

통해입력받는영상신

호를

TFT-LCD

화면에 출력해 주는 기능을 포함하였

.

이런기능은 부가기능으로구현된것이며특정

역에화재가발생할경우에지역의화재영상을

래픽화면을통해확인이가능하다

.

17)이를위해

CCTV

등의카메라영상을 입력받는클라이언트시스템

(client

system)

별도로 구축하고화재수신기는 서버

(server)

되어클라이언트에서 보내오는영상신호를이더넷

통해입력받아

TFT-LCD

출력하게 된다

.

영상전

송을 위한 클라이언트 시스템은프레임 그래버

(frame

Table 2. Contents of Multi-threads

구분 내용

Main/

Display · Main Program

· Display 처리 Thread

Key/LED · 외부 Key 입력처리, LED 표시사용 Thread M-NET · M-NET 통신처리용 Thread 수신기와

계반사이의통신처리

Touch · Touch screen 처리용 Thread

TimeSync · GPS 모듈과의인터페이스시간동기화 기능제공 Thread

CCTV · CCTV시스템과의통신용 Thread X-NET · X-NET · 수신기간의통신통신데이타처리용 Thread GDS · 수신기와 PC MMI 프로그램간의통신데

이타처리용 Thread Sound · Sound 처리용 Thread

USB · USB이용한데이터유지관리용 Thread

Table 3. Specification of Wireless Detector

구분 사양 비고

감지방식 열식/연기식 종류 전원 배터리 9V

경보, 동작표시 부져, LED

테스트기능 버튼누름

경보음량 70dB 이상 1m 거리

무선방식 ZigBee

난연성 UL94-VO 수지재료

사용환경 0~40oC 결로없는

Figure 3. ZigBee smoke detector.

(5)

grabber)

통해 카메라신호를 디지털 수치데이터로 변환한 다음 약속된프로토콜로 화재수신기와 접속하 된다

.

클라이언트시스템은

PC

급으로이루어져 채널의 영상을입력 받아알고리즘을통해 화상신 호를 분석하여 연기나화재정보를 추출하여 보다

쉽게방화관리자가확인할있는

VSD(video smoke

detector)

혹은

VFD(video fire detector)

기능도구현 있겠다

.

영상신호를분석하는내용은 문의범위를벗어나는것이므로여기서는다루지않는

.

영상입력용클라이언트시스템과화재수신기는

더넷을통해접속이되도록하였으므로네트워크접속 가능하고약속된프로토콜로전송이가능한경우에 전세계어느지역이든지위치에상관없이영상신호 주고받을있게된다

.

영상입력용클라이언트 스템에

4

개의 프레임그래버를장착하면최대

16

개의 카메라와접속될있으며

,

화재수신기에는선택적으

이들의신호를전송받을있도록하였다

. Table 4

클라이언트 시스템의주요 사양이 나타나 있으며

,

클라이언트와 서버간에초기 접속을위한 핸드쉐이킹

(hand shaking)

이후반복적으로 영상을주고 받는

로토콜이

Figure 4

나타나 있다

.

초기에서버로클라이언트가접속을시도한접속 성공하면서버에서 클라이언트에 요청하는카메라 번호에해당되는영상프레임이전송된다

.

클라이언트

에서서버로 보내는패킷은 정해진 헤더가앞에 붙고

jpeg

포맷으로압축된영상프레임이 다음에연속적

으로포함되어패킷이이루어진다

.

4.3시간동기화기능

유비쿼터스환경에서는여러 대의화재수신기가 산된 지역에 설치될 있다

.

화재수신기가 분산되어 설치되는거리는바로인접할수도있으나수백

Km

떨어져 있거나훨씬떨어져있을있다

.

화재 등의경보가 발생한시각을 기록할 경우에서로 일치

기준시간을적용할필요가있다

.

한편

, GPS(global

positioning system)

지구의중궤도를돌고있는수십

개의인공위성에서 발신하는 마이크로파를

GPS

수신 기에서수신하여위치벡터를결정한다

. GPS

수신기는

이상의

GPS

위성으로부터 송신된 신호를 수신

하여위성과수신부의위치를결정하게 된다

. GPS

성에는고정밀의원자시계가탑재되어있으며

, GPS

신기에서는위성의위치

, GPS

내부의시각

,

신호의 연량을이용하여해당지역시간대의시각을계산해준

.

18)과제에서는이런기능을하는

GPS

모듈을 입하여수신기의시간동기화기능에 적용하였다

.

적용

GPS

모듈은

(

모델명

: UIGGUB01) 0.01

초의분해능

으로시간정보를제공해준다

. GPS

모듈은실내에서

위성신호의수신감도가미약하므로독립된보드로 설계하여창가외부와인접된부근에설치할 도록 구현하였다

.

화재수신기와는 무선감지기 접속용 게이트웨이보드와 동일하게

M-Net

노드로 구성

되도록 하고

RS485

통신될 있도록 하였다

.

Table 4. Specification of Client System for Camera Interface

구분 사양 비고

본체PC

OS Windows XP 하드웨어는

고사양일수록 처리속도높음 하드웨어 P-5 이상

Frame

grabber 모델명

MPG24PCI- 최대 4개의 카메라입력

해상도 640 × 480 VGA

영상입력 최대 16 4개의 Frame

grabber 장착

Figure 4. Protocol for image communication. Figure 5. Photo of GPS board.

(6)

GPS

보드내에도

MCU

있어서

GPS

모듈을통해 간정보를 받을 있도록 이를 제어하고

,

화재수신기

간의

RS485

통한 통신을 수행하도록 구현하였다

.

Figure 5

GPS

보드의 내부사진이나타나있다

.

5. 통합테스트

앞에서언급한여러기능을통합하여유비쿼터스 경에서동작될 있는화재수신기의외형이

Figure 6

나타나있다

. TFT-LCD

터치입력을통해대부분

조작을있도록구성되었으며

,

전체적인설정

제어는

TFT-LCD

터치 화면을 통해 이루어짐을

있겠다

. Figure 7

에서 있듯이 부가기능의

화면을 통해영상신호접속 시간설정을위한

GPS

접속화면을 있다

. ZigBee

적용된 무선감지기 와는 여타의 주소형기기와동일한 접속구조를 가지고 있으며

,

무선감지기에서 화재동작테스트를 하면 법적 요건인

5

이내에 수신기에서화재가 표시함을확인 하였다

.

무선감지기의 경우

ZigBee

방식이 저전력으로 알려져 있으나

,

동작전류가

mA

이므로

ZigBee

관련 회로를계속적으로유지시키는경우일반상용배터리 소모가 급속히 진행됨이 관찰되었다

.

무선감지기에서

무선송수신을위한전류소모가화재감시를위한작업 수행시보다훨씬크므로프로그램내에서감시와동작 적절히 수행함으로써 배터리의 수명을 연장할 있슴을 확인했으나이에대한세부적인 내용은

문에서는 생략한다

. Figure 8

영상신호가 입력되어

화면에 출력됨을 나타내었다

.

영상신호용 클라이언트 시스템과의통신속도는

1

초에프레임을전송하도록 하고

,

압축된 프레임의 영상이 수십

KB

밖에 안되

통신량도크지않아수신기의

MCU

부하량에별다

영향을주지않음을확인하였다

. GPS

모듈을 통해

전달받는시간정보의정밀도는

0.01

초까지가능함도

통합테스트를통해 확인하였다

. 6. 맺음말

논문에서는유비쿼터스환경을 위한화재수신기 Figure 6. Outlook of the panel.

Figure 8. Monitoring view of CCTV image.

Figure 7. View of additional function.

(7)

구현에 관한내용을다루었다

.

이를위해통상적인 재수신기에 무선감지기의인터페이스와 디지털 영상

신호의접속기능그리고

, GPS

이용한시간설정

능을부가기능으로포함토록하였다

.

화재수신기에

어서이런기능들은법적규정이정해져있지않기

문에

KFI

형식승인을 적용받을없다

.

특히

,

무선

관련된

ZigBee

감지기는법적근거가 없어서전혀

인정을 받지못하고있는실정이다

.

하지만논문을 통해 관련된 새로운 기술을 융합하여 적용하기 위한 시도는 의미가 있으며

,

향후 지속적으로 신뢰성 향상

위한보완과

KFI

개정 법적요건 부합을 위한

노력의 병행을 통해실제적인 결실을얻을 있으리 기대한다

.

감사의 글

논문은중소기업청에서시행한중소기업혁신개발 사업 전략과제의 기술 개발 결과임을밝히며

,

중기청 관계자들과참여연구원들에게 감사드립니다

.

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수치

Figure 2.  Functional expansion structure.
Table 1.  Main Specifications Overview
Table 2.  Contents of Multi-threads
Figure 4.  Protocol for image communication. Figure 5.  Photo of GPS board.
+2

참조

관련 문서