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
(
주)
연구소(2009. 10. 26.
접수/2010. 2. 12.
채택)
요 약
유비쿼터스환경에적용을위한목적으로구현된통합형화재수신기의개발경험을보고한다. 유비쿼터 스환경을위해수신기가본래가지고있는능력에부가적으로크게세가지의추가적인기능이구현된다.
즉, 지그비가적용된무선감지기와의접속기능과이더넷을통해전송되는카메라영상신호의화면출력기
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 및안전에관한관심이더욱커지고있으며그중요성 또한점차강조되고있다.
대형건물에화재가 발생할 경우 그 피해는 상당하므로,
사전에 정확하고 철저하게예방하기위한노력이행해져왔다
.
화재예방을위 한건물관리자의편의성을위해다양한요구가행해지 고있어서 화재수신기에 화재감시뿐만아니라 가스 누출 감시 등의 복합기능은 일반화되고 있다.
건물의화재안전을 위해 화재수신기는 감지기나 발신기에서 보내오는화재신호를입력받아서경종
,
사이렌등통보장치의출력 신호를통해화재에 대한피해를 방지 할수있도록하는경보장치로서일정규모이상의건물 에는반드시설치가필요하다
.
이런경보장치는단독 으로만동작되기도하지만건물이대형화됨에따라여러대가분산구조로통신망으로연결되어서로정보를 공유하고 있기도 하다
.
대학캠퍼스의 통합 방재를 위한화재수신기의경우에는 본원과 분원이수백
Km
이 상떨어져 있지만,
각각동일한정보가공유되기를요구한다
.
이러한요구는 유비쿼터스를지향하는최근의 추세에 비추어 보면당연하다고 볼수 있다.
특히 최근에는정보통신분야를중심으로하여유비쿼터스관 련기술이 진보하고있어서 어느지역에 위치하고있 든커다란제약없이사용자가원하는정보를주고받 을수있는기반이조성되고있기도하다
.
1,2)여기서유비쿼터스라는 의미는 정확하게 유비쿼터스 컴퓨팅을 지칭한다고 할수 있으며
,
유비쿼터스 컴퓨팅 환경에서는어디에서든지접근이가능한세계가되어인간이 어디에있든지사용자가의식하지않는상태에서장소 에 관계없이 컴퓨터나 네트워크에 접속할 수 있음을 의미한다
.
화재 안전을 위한시스템의 경우에 시간적공간적인 제약에 구속되지않는 것으로 유무선 기능
,
원격감시
,
분산제어등의기능을기본적으로수용한다 E-mail: [email protected]고할수있겠다
.
소방및방재분야에서는법적인제 약으로 인해USN(ubiquitous sensor network)
등최근종종접할수있는다양한기술의접목이거의이루어 지고있지않는실정이다
.
본논문을통해유비쿼터스환경을 위한 화재수신기의 구현을 위해 필요한 여러 새로운 요소를 고려하여 유비쿼터스환경에 부합되는 통합형화재수신기를설계하고구현한사례와개발경 험을보고하고자한다
.
2. 기존 화재수신기의 현황
화재수신기는 크게
P
형수신기와R
형수신기가있 으며, R
형수신기는복합기능을 갖추고있으므로이 를 대상으로 하여 유비쿼터스 환경에 필요한 부분을 고려한다.
무엇보다도 화재수신기가 국내에 적용되기위해서는
KFI
형식승인을만족하여야한다. R
형수신기에 대한 세부 요구사항은
KOFEI 304
에나타나 있 으므로3)본논문에서는 이와관련된내용은생략한다.
지멘스
(
주)(
구신화전자(
주))
에서도SRF
시리즈의R
형수신기를개발해서수많은현장에적용해왔다
.
4)Figure
1
은SRF
의기본구조를나타낸것으로분산처리및확장을위해두개의
RS485
를적용하고있다.
그중하나는수신기간의통신용으로
,
다른하나는수신기와중 계반간의통신용으로적용되고있다.
그리고수신기와PC
와의RS232
를이용한통신이가능한구조를가지고있다
.
수신기간의 통신은X-NET
으로 지칭하고,
수신 기와 중계반간의 통신은M-NET
으로 지칭하고 있다. Figure 1
에나타나 있는ALD(analog loop device)
보드 는최대4
개까지의루프를담당하고있으며,
하나의루 프는최대127
개의주소형단말기와접속된다.
메인수 신기의 구성에따라여러개의ALD
보드가수신기본 체내에장착될수있는구조이며,
중계반은전원부와ALD
보드 한장으로 이루어지게된다.
RS485
는다중통신이가능한통신방식이므로이를적절히활용하면통신망에새로운노드의확장이가능하 다
.
본연구에서도Figure 2
에나타나있는바와 같이 본래의화재수신기를위한기능이외에추가되는기능을
M-NET
의한노드로추가구성하여적용하는형태로여러필요한기능을구현하고자 한다
. 2. 유비쿼터스 환경을 위한 시스템
설계시 고려 사항
유비쿼터스환경에서는어디에서든지접근이가능한 세계가되어인간이어디에있든지사용자가의식하지 않는 상태에서장소에 관계없이 즉
,
공간이나시간에 제약없이유선이나무선으로필요한정보를상호간에 주고받을수있게된다.
따라서,
유비쿼터스환경에대 응하기위해여러가지를고려할수있겠으나본연구 에서는크게세가지를고려하여설계에반영하고자한 다.
화재수신기에무선감시기능의수용과공간적인화 재감시를 위한영상신호와의인터페이스기능그리고,
시간적인 요소로 중요한정확한 시간설정기능과 시 간동기화 기능을검토할수있겠다
.
2.1무선감시
화재 수신기에 무선 감시 기능의 결합을 위해서는 적절한 무선방식의선정이 필요하다
. USN
은각종 센 서에서 감지한 신호를 무선으로 주고받을 수 있도록 구성한네트워크를말하는 것으로, USN
이환경,
재해 예측및방재,
시설제어,
방법,
보안등광범위한분야 에적용되고있다.
5-8)USN
을위해 저전력,
저가격,
저 속의특징을 가지고있는 근거리무선통신기술로 많이 채택되어 적용되고 있는
IEEE 802.15.4
기반의ZigBee
방식을통해무선 네크워크와의 결합이가능하도록하고자한다
.
9-11)Figure 1. Overview of fire alarm control panel.
Figure 2. Functional expansion structure.
2.2영상디지털신호접속기능
폐쇄회로카메라
(CCTV, closed-circuit televi sion)
는특정 지역에대해실시간으로 영상을통해 감시할수 있어서방범이나보안을위해일반적으로건축물에상 당히 많이 설치되고있다
.
관리자는카메라 모니터를 통해 해당지역을 감시함으로써 원격지에서도 지역의 상태를 확인할수있는잇점이있다.
일반적으로화재 수신기에서는화재가발생한경계지역에대한정보를 문자를 통해나타내고있는데,
해당지역에화상카메 라가설치되어있고화재수신기와카메라가서로연계 되어 영상정보를보여줄 수있다면 후속조치를 위한 작업에 많은 보탬이 될 수 있겠다.
즉,
화재수신기를 통해영상신호출력기능이부여된다면관리자는화재 나경보상황이 발생할 경우에보다 효과적으로적절 한 조치를 취할수있게 된다.
본논문에서는 화재수 신기의화면에영상신호의출력이가능하도록화면설 계를고려하고자한다.
이런기능을구현할경우영상 신호는 데이터량이 많기때문에 처리하는데이터량을 최소화하는노력이필요하며,
화재수신기의기본동작 을저해하지않도록할필요가있겠다.
2.3시간동기화기능
계층적으로 이루어진복합형수신기의경우에는특 히 시간이 지남에 따라 지역수신기간 또는 지역 기 기들 간의시간 정보가 상이해 질수있다
.
유비쿼터 스 환경 하에서는 화재수신기의 설치에 있어서 공간 적인위치에 제한을 두지않으므로분산설치되어운 영될 시에 서로 상이한 시간을 가지고 운영이 될수 있다.
따라서,
각각의 장치들 간에 동일한 시간을 공 유하기 위한방안이 요구됨은필수적이라고할수있 다.
화재발생시에전후관계를파악하여정확한원인 규명을 위해서는정확한 시간설정이되어 있어야한 다.
본논문에서는이를해결하기위한방안을제안하고있다
.
3. 유비쿼터스 환경을 고려한 시스템 구조
유비쿼터스 환경을 고려하면 무선감시 기능
,
영상신호접속및시간동기화기능이요구되므로이런기 능들을 화재수신기에 통합 구현하고자 한다
.
이렇게요구되는기능은 주기능이라기보다는 보조기능또는 부가기능이라고 할 수 있다
.
즉,
법적으로 반드시 요구되는 기능이라기보다는 방화관리자에게 부가적인 정보와 보조적인 수단을 제공할 수 있으므로
,
부가기능의형태로화재수신기에통합하여 구현하려고한다
.
화재수신기는법적으로일정규모의건물에설치가필
요한 것으로
KOEFI304
에따라구현될 수 있는데 유비쿼터스 환경을 위한 시스템 설계에서 요구되는 기 능들은 부가기능의 형태로 시스템에 포함이 되어 사 용자의 선택의 폭을 넓히도록하려는 것이다
.
앞에서 언급한 기능들을구현하기위해서는화재수신기에적 용되는MCU(micro controller unit)
의성능을 일정 수 준이상으로 높일 필요가 있겠다.
최근의 화재수신기 는운영체제를탑재하고고도의연산능력을가진MCU
를적용할뿐만 아니라디스플레이 기술의발전에 힘 입어 대화면 디스플레이가적용되고 있다
.
따라서 본 논문에서도시스템에 요구되는성능을고려하고유비 쿼터스환경을위한시스템설계를하였다.
이렇게설 계된통합형화재수신기의주요사양이Table 1
에나타 나있다.
기존의
SRF
시리즈에서 리눅스 운영체제를도입하여메인
MCU
나디스플레이등전반적인 내부설계가 크게 바뀌었으며 이더넷 포트, USB (universal serial bus)
도추가되었다. RS485
와RS232
는기존방식과동 일하게적용되었다.
리눅스운영체제는소스코드가공 개되어 무료로사용이 가능할뿐만 아니라안정된 운 영체제로알려져있어서다양한응용분야에서많이채 택되어 적용되고 있다.
12) 유비쿼터스 환경을 위한 유 비쿼터스 컴퓨팅을위해 임베디드소프트웨어에 대한 관심이 커지고있어서 본연구에서도이를채택 적용 하여임베디드소프트웨어를설계하였다.
이는다중처 리가가능하도록다중쓰레드(multi thread)
를설계하여 운영이 되도록 하는 것으로,
설계된 주요한 쓰레드를Table 2
에나타내었다.
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 USB를통한입출력
USN ZigBee protocol
Camera
monitoring 최대 16개화면
시간설정 실시간시계IC 내장, GPS 인터페이스
4. 유비쿼터스 환경을 위한 화재수신기 인터페이스
4.1무선기능
유비쿼터스환경에적합한무선기능을결합하기위
해여러가지방법론이있을수있으나최근에
ZigBee
가여러분야에서응용사례를많이볼수있다
.
13-15)본과제를위해
Max Stream
사에서공급하는ZigBee
스택을 가지고 있는 모듈을 적용하여 구현하였다
.
16) 이런ZigBee
모듈은 저전력의무선네트워크 요구에 만족하는
IEEE 802.15.4
의호환 솔루션을 제공하고있으며,
주파수 대역은
2.4GHz
대역에서작동된다. ZigBee
모듈과의 인터페이스를 위해 새로운
MCU
가 적용되며,
구현되는게이트웨이보드는 중계기가되어무선 감지 기와무선통신을하게된다
.
게이트웨이보드와화재수신기간에는
Figure 2
에서볼수있는확장구조로서RS485
통신을 통해신호를 주고받도록한다.
센서노드의역할을하는무선감지기는단독경보형감지기에 무선 기능을 결합하여 구현한 것으로 단독경보형 열 또는연기감지기로서통상적으로는단독적으로동작되 다가 경보시에 중계 역할을 하는 게이트웨이 보드를 통해 화재수신기에 경보를 전달하게된다
.
이런USN
용무선감지기에도동일하게
ZigBee
모듈이적용되어 있다.
무선감지기는 수신기측에서 볼때 무선의 경로 를통해신호가 전달되는것만유일하게차이가 있을 뿐유선으로접속되는여타의감지기와동일하게고유한 주소를 가지고 있는 주소형 디바이스로 인식되어 화재나 장애신호처리가가능하도록 구성된다
. Table 3
에무선감지기의주요 사양이나타나 있고, Figure 3
에시제작된
ZigBee
연기감지기가 나타나있다.
4.2영상신호접속방법
화재수신기자체에
CCTV
를통해입력받는영상신호를
TFT-LCD
화면에 출력해 주는 기능을 포함하였다
.
이런기능은 부가기능으로구현된것이며특정지역에화재가발생할경우에그지역의화재영상을그
래픽화면을통해확인이가능하다
.
17)이를위해CCTV
등의카메라영상을 입력받는클라이언트시스템
(client
system)
을별도로 구축하고화재수신기는 서버(server)
가되어클라이언트에서 보내오는영상신호를이더넷
을통해입력받아
TFT-LCD
에출력하게 된다.
영상전송을 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 수신기와중
계반사이의통신처리
Touch · Touch screen 처리용 Thread
TimeSync · GPS 모듈과의인터페이스및시간동기화 기능제공 Thread
CCTV · CCTV시스템과의통신용 Thread X-NET · X-NET · 수신기간의통신통신데이타처리용 Thread GDS · 수신기와 PC의 MMI 프로그램간의통신데
이타처리용 Thread Sound · Sound 처리용 Thread
USB · USB를이용한데이터유지관리용 Thread
Table 3. Specification of Wireless Detector
구분 사양 비고
감지방식 열식/연기식 두종류 전원 배터리 9V
경보, 동작표시 부져, LED
테스트기능 버튼누름
경보음량 70dB 이상 1m 거리
무선방식 ZigBee
난연성 UL94-VO 수지재료
사용환경 0~40oC 결로없는곳
Figure 3. ZigBee smoke detector.
grabber)
를통해 카메라신호를 디지털 수치데이터로 변환한 다음 약속된프로토콜로 화재수신기와 접속하 게된다.
클라이언트시스템은PC
급으로이루어져여 러채널의 영상을입력 받아알고리즘을통해 화상신 호를 분석하여 연기나화재정보를 추출하여 보다손쉽게방화관리자가확인할수있는
VSD(video smoke
detector)
혹은VFD(video fire detector)
의기능도구현 이될수있겠다.
영상신호를분석하는내용은본논 문의범위를벗어나는것이므로여기서는다루지않는 다.
영상입력용클라이언트시스템과화재수신기는이더넷을통해접속이되도록하였으므로네트워크접속 이가능하고약속된프로토콜로전송이가능한경우에 는전세계어느지역이든지위치에상관없이영상신호 를주고받을수있게된다
.
영상입력용클라이언트시 스템에4
개의 프레임그래버를장착하면최대16
개의 카메라와접속될수있으며,
화재수신기에는선택적으로이들의신호를전송받을수있도록하였다
. Table 4
에 클라이언트 시스템의주요 사양이 나타나 있으며
,
클라이언트와 서버간에초기 접속을위한 핸드쉐이킹
(hand shaking)
이후반복적으로 영상을주고 받는프로토콜이
Figure 4
에나타나 있다.
초기에서버로클라이언트가접속을시도한후접속 이성공하면서버에서 클라이언트에 요청하는카메라 번호에해당되는영상프레임이전송된다
.
클라이언트에서서버로 보내는패킷은 정해진 헤더가앞에 붙고
jpeg
포맷으로압축된영상프레임이 그다음에연속적으로포함되어패킷이이루어진다
.
4.3시간동기화기능
유비쿼터스환경에서는여러 대의화재수신기가 분 산된 지역에 설치될 수 있다
.
화재수신기가 분산되어 설치되는거리는바로인접할수도있으나수백Km
이 상떨어져 있거나훨씬더떨어져있을수있다.
화재 등의경보가 발생한시각을 기록할 경우에서로 일치된기준시간을적용할필요가있다
.
한편, GPS(global
positioning system)
는지구의중궤도를돌고있는수십개의인공위성에서 발신하는 마이크로파를
GPS
수신 기에서수신하여위치벡터를결정한다. GPS
수신기는세개이상의
GPS
위성으로부터 송신된 신호를 수신하여위성과수신부의위치를결정하게 된다
. GPS
위성에는고정밀의원자시계가탑재되어있으며
, GPS
수 신기에서는위성의위치, GPS
내부의시각,
신호의지 연량을이용하여해당지역시간대의시각을계산해준 다.
18)본과제에서는이런기능을하는GPS
모듈을도 입하여수신기의시간동기화기능에 적용하였다.
적용 한GPS
모듈은(
모델명: UIGGUB01) 0.01
초의분해능으로시간정보를제공해준다
. GPS
모듈은실내에서는위성신호의수신감도가미약하므로독립된보드로 설계하여창가등외부와인접된부근에설치할수있 도록 구현하였다
.
화재수신기와는 무선감지기 접속용 게이트웨이보드와 동일하게M-Net
의 한노드로 구성이 되도록 하고
RS485
로 통신될 수 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 VGA급
영상입력 최대 16개 4개의 Frame
grabber 장착
Figure 4. Protocol for image communication. Figure 5. Photo of GPS board.
GPS
보드내에도MCU
가있어서GPS
모듈을통해시 간정보를 받을 수있도록 이를 제어하고,
화재수신기간의
RS485
를 통한 통신을 수행하도록 구현하였다.
Figure 5
에GPS
보드의 내부사진이나타나있다.
5. 통합테스트
앞에서언급한여러기능을통합하여유비쿼터스환 경에서동작될 수있는화재수신기의외형이
Figure 6
에나타나있다
. TFT-LCD
의터치입력을통해대부분의조작을할수있도록구성되었으며
,
전체적인설정및 제어는
TFT-LCD
의터치 화면을 통해 이루어짐을볼수있겠다
. Figure 7
에서 볼수있듯이 부가기능의화면을 통해영상신호접속 및시간설정을위한
GPS
접속화면을 볼수있다
. ZigBee
가적용된 무선감지기 와는 여타의 주소형기기와동일한 접속구조를 가지고 있으며,
무선감지기에서 화재동작테스트를 하면 법적 요건인5
초이내에 수신기에서화재가 표시함을확인 하였다.
무선감지기의 경우ZigBee
방식이 저전력으로 알려져 있으나,
동작전류가 수mA
이므로ZigBee
관련 회로를계속적으로유지시키는경우일반상용배터리 소모가 급속히 진행됨이 관찰되었다.
무선감지기에서무선송수신을위한전류소모가화재감시를위한작업 수행시보다훨씬크므로프로그램내에서감시와동작 을 적절히 수행함으로써 배터리의 수명을 연장할 수 있슴을 확인했으나이에대한세부적인 내용은 본논
문에서는 생략한다
. Figure 8
에 영상신호가 입력되어화면에 출력됨을 나타내었다
.
영상신호용 클라이언트 시스템과의통신속도는1
초에한프레임을전송하도록 하고,
압축된 한프레임의 영상이 수십KB
밖에 안되어통신량도크지않아수신기의
MCU
부하량에별다른영향을주지않음을확인하였다
. GPS
모듈을 통해전달받는시간정보의정밀도는
0.01
초까지가능함도통합테스트를통해 확인하였다
. 6. 맺음말
본논문에서는유비쿼터스환경을 위한화재수신기 Figure 6. Outlook of the panel.
Figure 8. Monitoring view of CCTV image.
Figure 7. View of additional function.
구현에 관한내용을다루었다
.
이를위해통상적인화 재수신기에 무선감지기의인터페이스와 디지털 영상신호의접속기능그리고
, GPS
를이용한시간설정기능을부가기능으로포함토록하였다
.
화재수신기에있어서이런기능들은법적규정이정해져있지않기때
문에
KFI
형식승인을 적용받을수없다.
특히,
무선과관련된
ZigBee
감지기는법적근거가 없어서전혀인정을 받지못하고있는실정이다
.
하지만본논문을 통해 관련된 새로운 기술을 융합하여 적용하기 위한 시도는 의미가 있으며,
향후 지속적으로 신뢰성 향상을 위한보완과
KFI
개정 등법적요건 부합을 위한노력의 병행을 통해실제적인 결실을얻을 수있으리 라기대한다
.
감사의 글
본논문은중소기업청에서시행한중소기업혁신개발 사업 전략과제의 기술 개발 결과임을밝히며
,
중기청 관계자들과참여연구원들에게 감사드립니다.
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