Development of Standing and Moving Human Body Sensing Module Using a Chopper of Shutter Method

논문 2016-53-2-13

셔터방식의 쵸퍼를 이용한 정지 및 이동인체 감지 모듈 개발

( Development of Standing and Moving Human Body Sensing Module Using a Chopper of Shutter Method )

차 형 우^*, 이 원 호^**

( Hyeong-Woo Cha^ⓒ and Won-Ho Lee )

요 약

셔터방식의 쵸퍼를 이용한 정지 및 이동인체 감지 모듈을 개발하였다. 감지 모듈은 프레넬 렌즈(Fresnel lens), 초전형적외 선(pyroelectric infrared : PIR) 센서, 센서 인터페이스 회로, MCU(micro control unit) 그리고 경보 LED(light emitting diode) 로 구성된다. 정지 인체 감지 원리는 PIR 센서에서 나오는 신호를 카메라 셔터를 이용하여 인체의 열을 쵸핑하여 감지하는 방 식이다. MCU에서 인터럽트 함수를 제어하는 알고리즘을 통해 정지 및 이동 인체 신호를 감지하게 하였다. 개발한 감지 모듈 은 기구부와 PCB(print circuit board)를 일체화함으로써 종래의 상용화되고 있는 이동인체 감지 모듈을 대체 가능하다. 실내 상온에서의 실험 결과, 감지거리는 약 7.0m, 감지각도는 110°로 측정되었다. 이런 조건에서 감지률은 100%이였고 모듈의 소비 전력는 100mW이였다.

Abstract

Sensing module of standing and moving human body using shutter method was developed. The module consists of Fresnel lens, pyroelectric infrared (PIR) sensor, interface circuit of the PIR, micro control unit(MCU), and alarm light emitting diode(LED). The principle for standing human body is chopping the thermal of human body using camera shutter.

The human sensing signal in MCU by algorithm of interrupt function is detected. By unifying an apparatus and print circuit board(PCB), the developed module can be replaced as commercial moving human body detector. Experiment results show that sensing distance is about 7.0m and sensing angles is about 110° at room temperature. In these condition, sending ratio was 100% and the power dissipation of the module was 100mW.

Keywords: pyroelectric infrared sensor, sensor interface, chopping using shutter, standing body detector

*평생회원, ^**학생회원, 청주대학교 전자공학과

(Department of Electronics Eng., Cheongju University)

ⓒCorresponding Author(E-mail : [email protected])

※ 이 논문은 (2014～2015)년도 청주대학교 연구장학 지원에 의한 것임.

Received ;November 23, 2015 ^{Revised ;}December 18, 2015 Accepted ; January 20, 2016

Ⅰ. 서 론

최근 상용화된 초전형 적외선(pyroelectric infrared : PIR) 센서를 이용한 인체 감지 시스템은 아파트 현관 또는 계단의 자동 점등 장치와 침입자 경보 장치에 주 로 사용하고 있다. PIR 센서는 인체의 적외선을 미분형 으로 감지하기 때문에 정지된 인체를 감지 할 수 없는

문제점이 있다^[1]. 하지만 이동 인체를 감지하여 시간 지 연을 주어 아파트 센서등 점등장치로 활용되고 있다.

PIR 센서의 동작원리와 이동인체 감지 시스템을 그림 1에 나타냈다. 이 시스템은 프레넬(Fresnel) 렌즈, PIR센 서, 증폭기, 저역통과여파기 제어부등으로 구성되며, 빛 의 양을 감지하여 낮에는 감지가 되지 않도록 하기도 한다^[2～3]. 종래의 인체감지는 정지된 인체를 감지할 수 없기 때문에 불편함(예, 이동하는 사람을 감지 후 일정 시간이 지나면 점등이 꺼져서 다시 움직여 주어야함)이 많아 그 활용범위가 한정되어지는 문제점이 있다. 하지 만, 종래의 PIR 센서를 이용하여 인체 감지기, 에너지절 감 시스템, 전원관리 시스템 등 다양한 응용분야가 개 발되고 발표되었지만 여전히 정지 인체를 감지하지 못

초전형 적외선 센서의 출력 신호

사람의 움직임에 대한 신호

이동 인체 적외선

렌즈 초전형

적외선센서 증폭기 LPF

알람신호

CdS셀(명암 감지용) 응용 범위 : 이동 인체만 감지하여

일정 시간(수분이내) 동안 작동하는 시스템

MCU 제어부

그림 1. 이동 인체 감지 원리 및 시스템 구성도

Fig. 1. Block diagram of moving human body sensing system.

S.M.

센서 ) A VCC(

) A VCC(

대역통과 여파기

) A

VCC( VCC(A)

기준전압

) D VCC(

) D VCC(

경보신호 마이크로 프로세서 모터구동

드라이브 ) D VCC(

DC-DC 변환기 선형

전원장치 ) A VCC(

) D VCC( 60Hz

200V AC

R

S.M. =stepping motor

증폭기 비교기

Fresne Lens

그림 2. 종래의 정지 및 이동 인체 감지 시스템 구성도 Fig. 2. Block diagram of conventional standing and

moving human body sensing system.

해 그 응용분야가 제한되고 있다^[4～8].

정지된 인체의 열을 감지하기 위해 열을 차단 (chopping) 시켜 열 변화(미분 현상)를 주는 방법과 센서 자체를 회전시켜서 센서 자체가 미분동작을 하도록 하는 방법이 있다. 이러한 두 가지 방법 후자의 기법인 PIR 센 서를 회전하여 이동 및 정지 인체를 감지하는 시스템을 발표한 바가 있다^[9]. 이 시스템에 대한 블록도는 그림 2에 나타냈다. 이 시스템에서는 정지인제 감지를 위하여 PIR 센서를 부착한 스텝핑(stepping) 모터(motor)를 180도 회 전하여 감지하는 원리를 사용하였다. 이와 같은 방법으 로 6m까지의 거리에서 인체를 감지할 수 있지만, 스텝핑 모터의 잡음 및 기구적 소형화를 달성할 수 없기 때문에

그림 3. 제안한 셔터방식의 쵸퍼를 이용한 정지인체 감 지 모듈의 블록도

Fig. 3. Block diagram of proposed standing and moving human body sensing module using a chopper of shutter method.

상용화하기 어렵다는 문제가 있다.

본 논문에서는 기존의 PIR 센서를 회전시키는 방식 에서 발생되는 문제점을 해결하기 위해, 카메라 셔터를 이용하여 쵸퍼(chopper) 방식을 이용하여 정지 및 이동 인체를 감지하는 시스템 또는 모듈을 구현하였다^[10]. 구 현된 모듈에서는 소형의 셔터를 사용하였고 MCU (micro control unit)로 셔터의 ON/OFF하여 잡음 문제 를 해결하였다. 본 절에 이어서, 본론에서는 제안한 감 지시스템의 동작 원리를 설명하고 실험결과 및 향후 추 진 내용을 서술한다.

Ⅱ. 감지 모듈 회로 구성 및 동작원리

2.1 제안한 정지 및 이동인체 감지모듈의 동작원리 본 논문에서 제안한 정지 인체 감지 모듈에 대한 블 록도를 그림 3에 나타냈다. 이 시스템은 프레넬 렌즈, 셔터, PIR 센서, PIR 센서 인터페이스, MCU로 구성된 다. 모듈의 동작원리는 사람이 없을 때는 셔터가 열려 있는 상태이다가 사람이 나타나면 PIR 센서에서 감지 신호를 내고 셔터가 열리고 닫힘을 반복하여 정지 인체 감지하고, 인체가 없는 경우 셔터를 열린 상태로 두기 때문에 이동하는 인체를 감지할 수 있다. PIR 센서가 감지 신호를 내보내면 인터페이스 회로에서 이 신호를 증폭시켜 MCU로 전달시키고 제어 알고리즘에 의해 LED에 점등신호를 내보낸다.

2.2 PIR 센서 인터페이스 회로 선정

PIR 센서는 인체에서 발생하는 36℃에 해당하는 열 을 미분형으로 감지하여 아주 미약한 1Hz정도의 교류 신호를 내보내기 때문에 이 신호를 이용하여 직접 점등

그림 4. Rohm사의 PIR 센서용 반도체 소자 BD9251FV의 회로도

Fig. 4. Circuit diagram of BD9251FV semiconductor dvice of PIR sensor supplied by Rohm corp^[11].

장치의 구동이나 MCU의 입력신호로 줄 수 없다. 따라 서 MCU에 구동신호를 만들기 위해 높은 이득을 갖는 증폭기, 1Hz의 대역폭을 갖는 증폭기, 윈도우 비교기 등으로 구성되는 복잡한 아날로그 회로를 사용하여야 한다^[9].

최근에 Rohm사에서 이러한 기능을 갖는 PIR 센서용 반도체 소자 BD9251FV가 출시되어 소형화를 할 수 있 기 때문에 본 연구에서는 이 소자를 활용하였다. 이 소 자의 블록도는 그림 4에 나타냈다^[11].

2.3 전체 회로도 개발

본 연구에서 개발한 정지 및 이동인체 감지 모듈의 전체 회로도는 그림 5에 나타냈다. 이 회로도는 그림 3 에 나타낸 모듈의 블록도를 구현한 회로이며, PIR 센서 인터페이스는 Rohm사의 BD9251FV, MCU는 어보브반 도체의 MC97F1104를 사용하였다^[12]. 온 칩(on-chip) 프 로그래밍을 위해 PC와 MCU사이에 OCD(on-chip debugger)를 연결하여 프로그램을 개발하였다. 인체감 지 여부를 확인하기 위해 LED를 사용하였고 회로에서 RC circuit 블록은 그림 4의 칩 외부에 연결되는 저항

Fresnel lens

PIR

V_CC

Shutter

RC Circuit

GND NC DRAIN A1P_IN A1N_IN A1_OUT A2P_DI

VDD T_OUT D_OUT COMP_IN REF_OUT A2_OUT A2_IN

BD9251FV

VDD VSS

DSDA DSCK INT0/P02 AIN4/P05

P17 P16 P15 INT1

MC97F1104

V_CC

On-Chip Debugger

PC

dOUT

Alarm R

그림 5. 개발한 정지 및 이동인체 감지 모듈의 전체 회로도 Fig. 5. Circuit diagram of proposed standing and moving

human body sensing module.

과 커패시터 회로망에 해당된다.

2.4 셔터 방식의 쵸핑 모듈 결정

적외선을 쵸핑하기 위해 사용한 셔터의 외형은 그림 6과 같다. 이 셔터는 가로 2cm, 세로 3.4cm, 두께 0.5cm 의 크기를 갖고 있으며 소형 솔레노이드(solenoid) 모터 가 부착되어 있으며 ON/OFF 신호로 개폐를 한다.

High(+5V) 신호가 들어가면 셔터를 열어 주고 Low

그림 6. 셔터의 외형, 좌측 : 셔터 모터 개방상태, 우측 : 셔터 모터 닫힘 상태

Fig. 6. Shape of the shutter, The left : shutter motor is opened, The right : shutter motor is closed.

(0V) 신호이면 셔터가 닫힌다.

기존의 PIR 센서와 프레넬 렌즈 사이에 쵸퍼가 추가 됨으로써 센서의 물리적인 신호가 입력되는 창 (window)을 외부와 차단시켰다가 열어 주게 된다. 이에 따라 정지 인체라도 PIR 센서가 변화하는 인체로 감지 하기 때문에 정지 인체 또한 감지하게 한다. 정지 인체 감지 모듈에서 MCU는 이 셔터 모터를 열고 닫으므로 정지 인체 감지 시스템에서 매우 중요한 역할을 한다.

2.5 정지 및 이동 인체 감지 알고리즘 개발 셔터방식의 쵸퍼를 이용한 정지 및 이동 인체 감지모 듈을 구현하기 위한 알고리즘은 그림 7과 같다. 인체가 감지되지 않은 초기 상황에선 인터럽트 레지스터가 ON 상태이고 셔터 또한 개방인 상태이다. 이러한 초기 상 태에서 인체가 감지되면 5초의 타이머가 시작되고 인터 럽트 레지스터는 약 3초 동안 OFF시키고 셔터 또한 닫 힌다. 그리고 3초가 지난 후에 셔터를 개방시키고 시간 지연을 100msec 지난 다음 인터럽트 레지스터를 다시 ON 시킨다. 정지된 인체가 감지되면 다시 감지 1의 아 래 루프로 이동하여 반복한다. 만약 감지되고 있는 인 체가 사라졌다고 하면 5초의 타이머가 남은 2초 지난 다음 종료되고 초기상태로 돌아가게 된다.

그림 7에서 IE는 Interrupt Enable이라는 레지스터이 며 외부 인터럽트를 받아들일 수 있게 해 줄 것 인지 받아들이지 않을 것인지를 설정해 주는 역할을 한다.

보통의 감지 시스템에서는 이를 항상 ON 상태로 해놓 아 감지를 한다. 특히, 그림 7에서, 쵸퍼 개방 후 100msec의 시간 지연을 시킨 것은 PIR 센서가 있는 경 통 밑부분과 렌즈가 있는 경통 윗부분이 일시적으로 분

IE : enable(ON) 쵸퍼 : 개방 LED : OFF

감지1

(5초 타이머 시작) LED : ON IE : disable(OFF), 쵸퍼 : 닫힘

(타이머 3초 되는 순간) 쵸퍼 : 개방, Delay : 100msec,

IE : enable(ON) YES

NO

YES 감지2

NO 남은 타이머 2초 동안 동작

그림 7. 정지인체 감지시스템의 제어 알고리즘

Fig. 7. Control algorithm of standing human body sen sing system.

리가 되면서 열평형이 될 때 오동작이 발생되는 것을 방지하기 위해 사용하였다. 위와 같은 알고리즘과 시간 지연을 통해 잡음에 영향을 줄이면서 이동인체 뿐 아니 라 정지인체 또한 감지가 가능하였다.

Ⅲ. 실험 결과 및 고찰

3.1 쵸퍼와 기구물 설계

PIR 센서, 쵸퍼, 프레넬 렌즈를 일체화시키고 최적의 거리를 유지하기 위해 그림 8과 같이 적외선 수광 기구 물(경통)을 개발하였다. 개발한 경통은 높이 4cm와 2cm로 2가지로 하였고 경통의 지름은 1.6cm로 하였다.

이 경통에 PIR 센서, 쵸퍼, 그리고 경통을 일체화하여 실험을 하였다. 경통의 높이가 4cm와 2cm에서 PIR 센 서와 프레넬 렌즈사이의 거리를 각각 3cm와 1.25cm로 각각 설정하여 실험한 결과 2cm의 경통이 우수한 감지 특성을 갖고 있었다. 이 경통의 외형과 사이즈를 그림 8의 오른쪽에 나타냈다.

3.2 PCB 제작 및 시제품 개발

제안한 정지 및 이동인체 감지 모듈과 알고리즘을 확 인하기 위해, 그림 5에 나타낸 회로를 PCB로 제작한 것을 그림 9에 나타냈다. 최종 제작된 PCB의 크기는 가로 7cm x 세로 3cm이다. 감지 모듈의 일체화를 위해 PCB 기판과 PIR 센서 및 기구, 경통부를 함께 설계하 여 만들었다. 제작된 PCB를 바탕으로 만든 최종 시제

1.6m

3cm 2cm 4cm

3cm 3cm

2cm

1st prototype 2th prototype 2th prototype + shutter + PIR

그림 8. 기구물과 쵸퍼의 결합상태

Fig. 8. Combination states of chopper and instrument.

그림 9. 정지 인체 감지시스템의 최종 PCB 제작 보드 Fig. 9. Final PCB board of standing human body sen

sing system.

품을 그림 10에 나타냈으며, 감지 감도를 높이기 위해 다이프로사의 PF08-10W 프레넬 렌즈^[13], PIR 센서는 NICERA사의 RE431B를 사용하였다^[14].

3.3 감지 거리 측정 결과

제작한 시제품의 성능 측정을 위해 그림 11과 같은 복도 환경에서 실험을 하였다. 측정 조건은 형광등을 켜놓은(ON) 상태에서 사람이 거리에 따라 이동 및 정 지되어 있을 때 LED 점등 여부로 거리를 측정하였다.

정확한 감지 거리 측정을 위해 정상적인 사람(대학원 생)이 1m씩 멀어지면서 그림 5의 BD9251FV의 출력신 호(T_OUT)를 측정한 결과를 그림 12에 나타냈다. 제작 한 시제품으로 정지 인체 감지 거리를 측정한 결과 약 7.2m까지는 공급전압으로 포화된 감지 신호가 얻어졌 으며, 그 이상의 거리부터는 회로 구동에 필요한 3V의 전압보다 낮아지기 때문에 감지되지 않는다.

정지 인체를 중심으로 감지 거리가 2m일 때와 7m일 때의 PIR 센서 신호를 증폭한 출력 파형과 비교기의 출 력 파형을 측정한 결과를 그림 13에 각각 나타냈다. 이 그림에서 상부 파형은 그림 4의 비교기의 T_OUT 단자 의 파형이고 하부 파형은 그림 4의 두 번째 증폭기의 출력단자인 A2_OUT 단자의 파형이다. 이 결과로부터

그림 10. 정지 및 이동인체 감지 최종 시제품 모듈 Fig. 10. Final prototype module of standing and moving

human body sensing system.

그림 11. 성능 측정 환경

Fig. 11. Measurement environment of the performance.

그림 12. 감지 거리 측정 그래프

Fig. 12. Measurement graph of sensing distance.

2m에서는 감지 신호가 최대 4V이고 7m에서는 감지 신 호가 3.2V로 작다는 것을 알 수 있다.

(a)

(b)

그림 13. 감지 거리에 따른 신호 출력파형 ; 감지거리 2m (a) 와 7m (b) 일 때

Fig. 13. Signal output waveforms for sensing distance ; sensing distance was 2m (a) and 7m(b).

Shutter

open Shutter close PIR sensor shutter Fresnel

Lens

5mm 5mm 2.5mm 16mm

6mm

6mm 20mm

그림 14. 넓은 감지 각도를 위한 기구부 설계 ; (a) 크기와 (b) 실물

Fig. 14. Design of instrument for wide sensing angle; (a) size and (b) actual object.

3.4 감지 각도 측정 결과

제작 시제품으로 정지 인체 감지 각도를 측정하였다.

측정 조건은 형광등을 켜놓은(ON) 상태에서 사람이 6m거리를 두고 각도에 따라 정지되어 있을 때 LED 점 등 여부로 각도를 측정하였다. 감지 거리와 각도를 모 두 고려한 최종 경통부 기구 설계를 그림 14에 나타냈 다. 이 그림에서 왼쪽은 감지 모듈의 사이즈이고 오른

그림 15. 감지 각도 측정 그래프

Fig. 15. Measurement graph of sensing angle.

(a)

(b)

그림 16. 감지 각도에 따른 신호 출력파형 ; (a) 감지 각 도 0° 와 55°일 때

Fig. 16. Signal output waveforms for sensing angle ; sen sing angle was 0° (a) and 55° (b)

쪽은 실물이다. 즉, 각도를 넓히기 위해 높이를 줄여 PIR 센서가 감지 가능하게 하는 범위를 넓혔다. 즉, PIR 센서와 프레넬 렌즈와의 간격은 7.5mm로 하였고, 셔터와 프레넬 렌즈는 최대한 가까이 하였다. 본 경통 부를 가지고 감지거리 및 감지 각도를 측정하였다.

표 1. 제안한 정지 및 이동인체 감지 모듈의 성능 Table 1. Performance of sensing module for proposed

standing and moving human body.

항 목 성 능

감지거리 7m

감지각도 좌우 각각 55°

공급전압 5V

전력소모 100mW

감지율(7m, 55°) 100%

감지모듈 크기 3cm × 7cm × 2cm

그림 15는 PIR 센서의 정면을 중심축으로 0°로 놓고 인체와 7m 거리에서 좌우측으로 60°씩 총 120°까지 인 체를 이동하면서 감지한 결과이다. 이 결과로부터 총 110°까지는 감지할 수 있다는 것을 알 수 있다.

그림 16(a)는 감지 각도가 0° 일 때의 출력 파형이며, 공급전압까지 포화되는 것을 알 수 있다. 그림 16(b)는 감지 각도가 좌우측으로 55°일 때의 출력 파형이다. 이 그림에서 상부 파형은 그림 4의 비교기의 D_OUT 단자 의 파형이고 하부 파형은 그림 4의 두 번째 증폭기의 출력단자인 A2_OUT 단자의 파형이다. 이 결과로부터 0° 에서는 감지 신호가 최대 4V이고 좌우측으로 60°일 에서는 감지 신호가 2.8V로 작다는 것을 알 수 있다.

최종 시제품에서 사용한 공급 전압은 5V이고 소비전력 은 100mW이다. 정지 및 이동인체가 정면에 있는 경우와 정면을 중심으로 좌・우 55°에서는 7.0m 거리에서 감지률 은 100%이였다. 시제품의 성능은 표 1에 나타냈다.

Ⅳ. 결 론

셔터방식의 쵸퍼를 이용하여 정지 및 이동인체 감지 모듈을 개발하였다. 실험 결과 감지 거리를 최대 7.0m 정도 내는 것을 알 수 있으며 감지 각도 또한 110〫〫°정도 였다. 개발한 최종 시제품의 공급 전압은 5V이고 소비 전력은 100mW이였다. 본 시제품으로 현재의 아파트 센서등의 문제점을 해결할 수 있기 때문에 상용화가 가 능할 것이다. 차후, 셔텨의 소음을 줄이면, 인체 감지는 물론 에너지 절약시스템에 응용할 수 있을 것이다.

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[11] Datasheet of BD9251FV, ROHM

[12] Datasheet of MC97F1104, ABOV Semiconductor.

[13] http://www.diypro.co.kr/bbs/board.php?bo_table [14] http://www.nicera.co.jp/pro/ip/ip-01.html#ip01

차 형 우(정회원)

1989년 2월 청주대학교 반도체공 학과(공학사)

1991년 2월 청주대학교 전자공학 과(공학석사).

1997년 3월 시즈오카(靜岡)대학 교 전자과학연구과(공학 박사)

1991년 2월∼1993년 6월 블루코드테크놀리지 주 임연구원

1997년∼현재 청주대학교 전자공학과 교수

<주관심분야 : Analog IC 설계, 센서 인터페이 스, SoC, Power IC>

이 원 호(학생회원) 2014년 2월 청주대학교

정보통신공학과(공학사) 2014년∼현재 청주대학교 전자공

학과 석사 재학.

<주관심분야 : Analog IC 설계, 센 서 인터페이스, SoC, Power IC>