This was supported by Korea National University of T ransportation in 2015.
*Corresponding Author : Department of Computer Engineering, Korea National University of Transportation (ygchoi@ut.ac.kr) Received Novem ber 14, 2015 Revised N ovem ber 22, 2015 Accepted N ovem ber 30, 2015
S3F8S19 프로세서를 이용한 음성지원 가스타이머 개발
최영규*
*한국교통대학교 컴퓨터공학과
Development of voice-enabled Gas timer using the S3F8S19 processor
Young-Gyu Choi*
Department of Computer Engineering, Korea National University of Transportation, Seoul, Korea
요 약 인구의 고령화로 인한 전국의 치매 환자 수는 59만여 명이 심각한 지경에 이르고 있습니다. 향후 치매 환자 수는 2050년까지 20년 마다 2배씩 증가하여 2020년 약 84만 명, 2030년 약 127만 명, 2050년에는 271만 명으로 추정하 고 있습니다. 이러한 문제로 가정에서 가스랜지 사용 시 치매 환자가 있는 경우 대형 화재가 발생할 위험이 높기 때 문에 가스를 자동으로 차단할 수 있는 음성지원 차단기가 절실히 필요합니다. 본 논문에서는 치매환자의 가스사용 안 전을 위해 S3F8S19 8bit 프로세서를 이용하여 가스 타이머를 개발하였다.
Abstract Dementia of the country due to the aging population of 59 thousand people has reached serious territory. To increase the number of future dementia doubled every 20 years until 2050, in 2020 about 84 thousand people, about 127 thousand people in 2030, 2050 are estimated at 271 thousand people. If you have a gas stove when using dementia patients at home, Voice Support breaker is required in a fire can automatically block the gas valve because of a risk. In this paper, we develop a gas-timer demented patients using S3F8S19 8bit processor to use the gas safely.
Key Words : Gas valve, Gas-timer, Demented patients, Voice, Processor
1. 서론
인구의 고령화는 몇 년 전부터 사회적인 이슈 로 자리잡아왔습니다. 실제로 1960년 65세 이상의 인구는 2.9%였으나 2000년에는 7.1%, 2022년에는 14%를 넘어 한국 역시 완전히 고령사회로 접어들 것으로 예상되고 있습니다. 또한 14년 기준으로 국립중앙치매센터 집계에 의하면 우리나라 노인 인구가 총 613만 명 정도인데 전국의 치매 환자 수는 59만여 명으로 심각한 수준에 도달했음을 알 수 있다. [1]
전국치매역학조사 결과, 65세 이상 치매환자는 9.2%를 추정하고 있으며 이 수가 56만여 명 정도 라고 한다. 향후 치매 환자 수는 2050년까지 20년 마다 2배씩 증가하여 2020년 약 84만명, 2030년 약 127만명, 2050년에는 271만명으로 추정하고 있 다.[2] 이러한 문제로 가정에서 여러 가지 갈등 의 요인이 되고 있다. 특히 가스랜지 사용시 치매 환자가 있는 경우 대형 화재가 발생할 위험이 매 우 높기 때문에 가스를 자동으로 차단할 수 있는 음성지원 가스타이머가 절실히 필요하다. 현재 팔 리고 있는 제품은 고가로 일반 소비자가 쉽게 살
수 없으므로 누구나 쉽게 살 수 있는 음성지원 시간설정 가스단기를 S3F8S19 8bit 프로세서와 음성지원 IC를 적용하여 가스타이머를 개발함으 로써 가정에서 노약자들이 음성지원을 통한 On/Off 시간을 알려줌으로써 가스 누출 사고에 대한 불안감을 덜어 줄 수 있도록 개발하였다.
2. 본론 2.1. MCU
최근 8bit 시장에서 더 높은 성능과 더 낮은 가 격의 MCU에 대한 요구가 늘어나고 가운데 8 비 트 CMOS 타입의 삼성 8bit 컨트롤러인 S3F8S19 는 빠르고 효율적인 다양한 CPU기능을 제공한다.
2.1.1 S3F8S19 블록다이어그램과 메인 회로 설계 S3F8S19는 RISC 구조를 기반으로 만들어진 8 비트 마이크로컨트롤러이다. 그림 1은 S3F8S19 블록도로 인터페이스 다중 타임 프로그램, 풀 플 래시 메모리 32K, LCD 컨트롤러/드라이버, 저전 력 모드, 인터럽트, 메인 클럭과 서브 클럭 등을 활용하여 메인 컨트롤 보드를 그림 2와 같이 설 계를 하였다.[3]
그림1. S3F8S19 블록도 Fig. 1. S3F8S19 block diagram
그림 2. S3F8S19 회로 설계도 Fig. 2. S3F8S19 Circuit design
2.2. 음원 IC
FC1004는 플래시 메모리, LDO (Low Drop-Out regulator), POR (Power-On Reset), 링 오실레이터(Ring Oscillator), 8M 비트 플레시 메모리를 내장한 음성 합성 IC이다.[4]
음성 알고리즘은 고품질의 음향 사운드를 유 지하기위해 서브 밴드 코덱 (SBC : Sub-Band Codec) 알고리즘을 지원하고, 낮은 전력 소비를 위해 저전력 CMOS 로 설계되어 있다.
음원 IC FC1004 블록도는 그림 3과 같다.
그림 3. FC1004 블록도 Fig. 3. FC1004 block diagram
2.2.1 음원 회로 설계
FC1004 특징은 내장된 16.384MHzㅍ링 오실레 이터, PWM 프로세서와 8Ω 스피커의 파워 스테 이지를 지원한다. 음성지원에 있어서 고품질의 음 향 사운드를 유지하기 위해 SBC(Sub-Band Codec)는 48 kHz와 모노 198 kbit /s의 최대 비
트 레이트와 스테레오 스트림 345 kbit/s의 모노 및 스테레오 스트림 등의 특성 활용하여 그림 4 와 같이 회로를 설계하였다.
그림 4. FC1004 회로 설계도 Fig. 4. FC1004 Circuit design
2.2.2 음원 생성 및 기록
가스타이머에서 사용할 음원을 생성하기 위해 im_Transtator를 활용하여 “가스밸브가 20분이 설 정되었습니다.” 문자를 음성으로 변환하여 스피커 로 출력되는 내용을 곰 플레이어로 녹음하여 WAV 파일로 저장하였다. 생성된 Wav 파일의 음원을 편 집하기위해 GoldWavePortable 툴을 사용하여 원하 는 부분만 잘라 44100(Hz)를 16000 (Hz)로 변환하 여 주파수가 시작되는 부분부터 끝나는 영역의 음 원 주파수만을 Wav 파일로 PCM 16bit mono 저장 하여 음원을 생성하였다. 생성된 파일을 SBC 코 덱 파일로 변환하기 위하여 FusionChips Power Control V3.0을 이용하여 변환하였다.
그림 5. GoldWavePortable 툴 Fig. 5. GoldWavePortable Tool
그림 6. Fusion Chips 파워 컨트롤 툴 Fig. 6. Fusion Chips Power Control Tool
2.2.3 음성출력
내장된 PWM 프로세서와 8Ω 스피커를 위한 전원 스테이지를 통해 3V 400mW로 모노 사운드 를 위한 SBC Decoder(3.526:1)로 출력하기위한 포트설정 프로그램 표 1과 음성 출력 회로도를 그림 7과 같이 설계하였다.
표 1. 음성 출력 포트 프로그램 Table 1. Voice output port program
#define SOUND_IN3 BIT0
#define SOUND_IN2 BIT1
#define SOUND_IN1 BIT2
#define SOUND_IN0 BIT3
#define CSB_VUP BIT6 P4 &= ~SOUND_IN0;
P4 &= ~SOUND_IN1;
P4 &= ~SOUND_IN2;
P4 |=
(SOUND_IN0+SOUND_IN1+SOUND_IN2+SO UND_IN3+CSB_VUP+SDATI_VDOWN);
그림 7. 음성 출력 회로 Fig. 7. Audio output circuit
2.3. 회로 패턴 설계 및 기구 설계 2.3.1 회로패턴설계
음성지원 가스타이머 설계를 위해 회로도에서 네트리스트를 추출한 후 가스타이머 기구설계에 서 PCB(Printed Circuit Board) 아웃라인 설계 도와 홀 가공 위치를 그림 8과 회로패턴을 설계 한다. 아웃라인 설계 시 기구적 동작을 위한 부품 배치 위치에 정확하게 배치한 후에 네트리스트를 호출하여 패턴설계를 진행해야 설계의 완성도를 높일 수 있었다. [5][6]
그림 8. PCB 아웃라인 디자인 Fig. 8. PCB outline design
그림 9-10은 보드 아웃라인을 디자인한 후 네 트리스를 호출하여 부품 배치 및 회로패턴을 디 자인 결과이다.
그림 9. 윗면 회로패턴 설계 Fig. 9. Top of the circuit pattern design
그림 10. 윗면 회로패턴 설계 Fig. 10. bottom of the circuit pattern design
최종적으로 S3F8S19 프로세서를 이용한 음성 지원 가스타이머 보드를 설계한 후 윗면에 부품 을 실장한 결과이다.[7]
그림 11. 부품 실장 결과 Fig. 11. component mounting results
2.3.2 기구 설계
기구설계는 노약자들이 사용하기 편리하고 시 각적으로 거부감이 없도록 심플하게 NX8 기구설 계 툴을 사용하여 밸브 컨트롤시스템의 기구를 그림 12와 같이 개발하였다.[8]
그림 12. 가스타이머 기구 설계 Fig. 12. Gas-timer mechanism design
3. 결론
인구의 고령화 사회로 접어들면서 치매 환자 수는 59만여 명으로 심각한 수준에 이르고 있고 그에 따른 독거노인의 가스 사용 시 화재발생 위 험이 매우 높아지고 있다. 본 논문에서는 고령화 사회에 접어들면서 가정에서 발생할 수 있는 가스 사고를 예방할 수 있도록 컨트롤러 케이스 온도가 70도에 도달하면 가스 자동 차단기능과 밸브 오픈 시 자동으로 20분 가스사용시간을 설정할 수 있도 록 함으로써 가스 사고를 미연에 방지 할 수 있도 록 개발하였다. 전원은 3V로 어뎁터를 사용할 수 있도록 개발하였고 밸브 오픈시 기본시간 20분으 로 설정됨과 동시에 음성 지원을 “가스밸브가 20 분 설정되었습니다.”, 가스차단 5분전에는 “가스밸 브 차단 5분전입니다.”, 밸브가 차단될 때에는
“가스 밸브가 차단됩니다.”란 3가지 음성 안내를 통해 노약자가 쉽게 인지하여 가스 사고 발생 위 험을 줄일 수 있도록 S3F8S19 프로세서를 이용한 음성지원 가스타이머 개발을 하였다.
REFERENCES
[1] Mi-Suk Kim, Jong-Uk Won, Mun-Hui Seo, Byeong-Gu Gang,Gyo-Seong Kim,Yu-Gyeong Im “The Socioeconomic Problems of an Aging Society and Policy Responses”,Korea Institute for Health and Social
Affairs,Research Reports, 2013
[2] "Nationwide Study on the Prevalence of Dementia in Korean Elders",Seoul National University Hospital,Research Projects, 2008.
[3] Samsung Electronics Co "S3F8S19/F8S15 8bit CMOS Microcontrollers ", Datasheet
[4] FusionChips "FC1004 Specification Voice Synthesis IC", Datasheet
[5] Young-Gyu Choi, "A Study on algorithm for improving the gas control timer", ChungJu National University, pp. 383-388, 2006.
[6] Gyu-Seok Han, Won Jang, Min-Hyung Choi, Young-Gyu Choi, "A Study on Develpment of the gas valve control system using the MSP430F413", Spring Conference on KIIECT, pp. 138-140, 2013.
[7] MARK I. MONTROSE, "EMC Considering PCB design technologies", 2006.
[8] Matt Lombard, "SolidWorks 2013 Bible", 2013.
저자약력
최 영 규 (Young-Gyu Choi) [종신회원]
