The Study of Fire Detector Circuit with Wireless Communication

(1)

무선통신기능을 갖는 화재감지기 회로에 대한 연구

The Study of Fire Detector Circuit with Wireless Communication

백동현

^†

·김장원*

Dong Hyun Baek

^†

· Jang-Won Kim

^*

경원대학교 공과대학소방방재공학과

, *

경원대학교

IT

대학 정보통신공학과

(2009. 12. 29.

^접수

/2010. 2. 12.

^채택

)

요 약

본논문은단독형화재감지기에무선통신기능을융합한화재감지장치를개발하고자

ZigBee

^{통신기술을}

단독형화재감지기의신호처리방식으로채택하여무선네트워크와결합이가능하도록설계하였다

.

^화재감

지시 출력전압은

0.4V,

동작 펄스폭은

600

µ

s

로 실험하였다

. LED

감시등은

30

초 주기로 동작하고

0.12mA,

동작시에는

0.5

초주기로하며사용전류가

7mA

가흐르도록하여전원회로

, Chamber

테스트

,

연

기테스트

, IRED, LED

점등등각부분이일정시간내에정상적으로동작되어그적정성을확인하였다

.

ABSTRACT

For the development of fire detector equipments that was fused independent type of fire detector and a wireless communication function, this paper adopted a signal processing method of an independent formation fire sensor by a ZigBee communication method, and it was designed that the combi- nations of fire detector and wireless communications network were enabled. When a fire occurred, output voltage of a fire detector was 0.4 V, the movement pulse width was 600

^µ

s, and that was confirmed by an experiment. When it has lookout state, LED worked by 30 s cycle and working current is 0.12 mA. When a fire occurred, LED worked by 0.5 s cycle and working current was 7 mA, and through this experiment of power source, Chamber tester, smoke tester,IRED, LED lighting, the pro- priety of the method that we showed in this paper confirmed.

Key words :

Fire detector, Fire fighting signal processing, ZigBee wireless communication

1. 서 론

화재시발생하는열

,

연기

,

불꽃 등연소생성물을 자동으로감지하여이신호를수신기에발신하는감지 기는 화재의발생을 가장먼저감지하여경보의 시작 점이 된다

.

이는 사람들을 안전하고신속하게 피난을 유도하며

,

화재의 조기진압을 위한 소방 활동의 개시 를알리는가장중요한 역할이기때문이다

.

^1,2)

최근의 초고층빌딩이나 대형화된건축물에 설치되 는모든설비들은첨단화되고복잡해지고있으며소방 설비의 경우도 첨단 신호처리기술로 화재발생장소를 정확히 알려줄수있는시스템이설치되고있다

.

따라

서소방시설을총괄하는방재센터에서화재현장에대 한정확한 위치의판별이나 상황을 알아야할필요가 더많아졌다

.

^3,4)

반면

,

주거용 건물

,

일반주택이나 다세대혹은 다가 구주택의 경우는복잡한 설비의사용으로비용이 많 은시스템보다는비용이적게드는좀더단순한시스 템을요구하게된다

.

^5-7)

이러한 시대적

,

기술적 요구에 따른 해결방안 중의 하나가무선방식이될수있으므로경보설비나자동화 재탐지설비에무선시스템이적용되어야소방산업의진

흥과소비자의니즈를충족시킬수있다

.

^8-10)

이를위해화재감지기에무선통신

(ZigBee)

기술과

R/

G

를활용하여무선통신기능을갖는화재감지기 회로 에대하여논하고자한다

.

†

E-mail: [email protected]

(2)

2. 회로 및 동작

본연구를위해화재감지기에마이크로프로세서를채 택하여 화재를 감지한 경우무선통신모듈과 정보통신 이가능하도록하되소비전력을최소화하기위해

2.4GHz

의

ZigBee

통신기술을적용한다

.

또한각감지기는고

유의유효사용자

ID(EUID)

를보유하여등록되지않은

Figure 1.

Power circuit diagram.

Figure 3.

Typical application circuit.

Figure 2.

Low voltage, fire and test function circuit diagram.

감지기의 신호에는 반응하지 않도록 한다

.

이를 기반 으로구성한 무선통신기능을갖는 화재감지기회로의 각부분별구성과동작은 다음과같다

.

2.1

전원회로

Figure 1

은 전원회로로 알카라인 배터리에서

9V

의

전압을인가받아

U

²로입력되면

3.1V

의정전압

IC

를 통해서 안정된 전압을 출력하게 된다

.

동작전류는 초 저전류타입으로배터리어플리케이션에적합하다

. C

¹

은리플발생 및안정된전압을 공급하기위한바이패

(3)

스용콘덴서이다

.

2.2

저전압

,

화재 및테스트버튼

R

7

, R

8은저전압및화재신호펄스를입력받아저전

압인지또는화재신호인지를

ZigBee

가인식하고저전

압무선신호를단말기에보내게된다

.

저전압및화재 발생시에는

LED

도점멸하게된다

. R

¹¹

, R

¹⁴은 테스트

버튼의 눌림상태에따라

ZigBee

^가^입력을 ^받아^신호

를처리한다

. 2.3 ZigBee

모듈

Figure 3

은

ZigBee

모듈의적용회로로서

U

1은

ZigBee

통신을 할수있는

ONE CHIP IC

로

CPU

가내장되어

모든통신제어를 할수있게되어있다

.

내부에는

RF

송신부와수신부가내장되어있어무선통신을

CPU

제 어명령에따라실행을 하게된다

.

X

²는

U

¹에내장되어있는

CPU

및

RF

에기본발진을 공급하고

L

4

, L

5

, L

3

, L

22는

RF

송수신임피던스 매칭회

로로

2.4GH

^z 대역에서 임피던스 매칭이 되게 회로가

구성되어있다

. L

6

, C

20

, C

22는필터회로로수신할때외 부의 잡음주파수나 송신할때불요방사파를 억제하며

2.4GH

z 대역만 통과하는필터이다

. C

21

, C

7은 안테나 임피던스 매칭회로이며 안테나의임피던스를

2.4GH

^z,

대역으로 정합하는 회로이다

. ANT

1은초소형 칩안테

나로

RF

송수신의전파를 송수신하는역할을한다

.

Figure 4

는

CMOS MC145010

의블록다이아그램으로

혼드라이버

(Horn Driver)

를 탑재하고있다

.

또한 저전 력광전식으로연기를 감지할수있으며

9V

전원으로 동작된다

. Detector

가동작하면이신호를

Timing Logic

신호에 따라 증폭하여 이를 출력하면

V

DD

-3.5V REF

와함께비교기를통해비교한다음

Alarm Logic

을출

력하게된다

.

이신호는

Strobe 4

와저전압

(Low-supply) Trip

^로부터

Comparator

^된

Signal

^을^받아

Alarm Logic

^을

Figure 4.

CMOS MC145010 block diagram.

Figure 6.

Output waveform of wireless receiver module.

Figure 5.

Battery-powered application.

출력하여

Horn Monitor

^를^{동작시키게}^된다

.

CMOS MC145010

는

CMOS MC145012

와호환되며

소량의연기입자로산란된빛에의하여화재를감지하 게되고감지기가동작하였을 때부저음이울린다

.

IC

^설정은^{감시상태일}^경우^낮은^이득으로

,

^연기를^감

지하였을 때는중간이득으로

,

시험스위치를눌렀을때 는높은 이득이 된다

.

^최초^일정 ^농도^이상의 ^연기를

감지하면 단속적인 경보음

(

삑삑삑

-)

과동작표시등 이깜빡거리며최초일정 농도이상의 연기를감지한 후

10

초동안감시하여연기가지속감시되면 동작표 시등과경보음을 출력하게된다

.

Figure 5

는전원적용회로로써

7

번핀은

I/O

로감시 상태일때는

Low

^상태로^있다가^회로가^동작하게^되면

High

로 전환된다

.

이것은 시험스위치를 누른 것과 동

일하게

16

^번^핀인

TEST

^로^입력되어^{지속회로를} ^구성

(4)

하게된다

.

복구시에는

U

¹

MC145010

의

7

번핀

(I/O)

은

R

¹ ^전류제한^저항을 ^통하여 ^강제

Low

^상태로 ^만든다

.

Standby

상태일 때저전압 감시는

11

번핀

(led)

으로펄 스를감시한다

.

^이^저전압^감시^설정은

R

⁴

, R

9의저항 값으로 설정되며 배터리가 저전압 상태일 때는 짧게 삑

-

하는소리로 경보하게 된다

. D

1

LED

는정상작동 상태표시와동작표시등을 나타낸다

.

2.4 Wireless receiver module

Figure 6

은 무선 수신모듈의 출력파형이다

.

회로의

동작은리모트 신호의주파수를받아

ON/OFF

를제어

하는 모듈로 평상시에는

High

상태로 전자 스위치를

ON

시켜 주고 있다

.

그러다가 화재감지로 인한 외부

Signal

이입력되면

Low

가되어전자 스위치를차단하

게된다

.

이때

V

^oh는

High Level

시의출력전압을

, V

^ol

은

Low Level

시의출력전압으로최대

0.4V

로하였다

.

또한

T

^wh는

High Level

시의

Pulse

폭을

T

^wl는

Low Level

시의

Pulse

폭을 나타낸다

.

회로소자의 특성은 최대

800

µ

s,

최소

400

µ

s

로할수있으나

600

µ

s

로실험하였다

. 3. 주요 사양

본논문에서는시스템에서요구하는성능과추후유 비쿼터스환경을 고려하여 저전력

,

저가격

,

저속의특 징을 가지고있는근거리 무선통신기술로 많이채택 되어적용되고있는

IEEE 802.15.4

기반의

ZigBee

방식 을통해무선네트워크와의결합이가능하도록설계하 였다

.

이는

USN(Ubiquitous Sensor Network)

이각종센 서에서 감지한 신호를 무선으로 주고받을 수 있도록 구성한 네트워크로

,

환경

,

재해 예측및 방재

,

시설제 어

,

방법

,

보안등광범위한분야에적용되고있기때

문이다

. Table 1

은무선통신기능을갖는화재감지기회

로에서필요한 주요사양을나타낸다

.

Figure 7

^은

Table 1

^에서^나타낸 ^사양에^따른^정상상

태시회로각부의동작파형이다

. LED

는평상시감시 일경우

30

^초^주기로^{점등되도록} ^하고^동작시와^작동

시험시에는

0.5

초주기에서깜박거리도록하였을때전 원회로

, Chamber

테스트

,

연기테스트

, IRED, LED

점등 등각부분이일정시간내에정상적으로동작되고있 음을알수있다

.

4. 결 론

우리나라에서는아직소방설비에 무선시스템을적 용할수있도록되어있지는않으나

IT

산업의발달과 생활의 향상은 융합시스템을 적용해야만 소방산업의 진흥과소비자의니즈를충족시킬수있다

.

이를위해 자동화재탐지설비의 감지기가 아닌단독형화재감지기

에무선통신

(ZigBee)

기술을 적용하고

R/G

를활용하여

화재신호 및상태를무선으로송신할 수있도록 하였 다

.

또한화재수신기에서화재신호를수신할수있도 록하여 발화지점의 정확한 위치를 파악하고

,

정보공 유에 따른빠른 조치를 가능하게 하였다

.

그결과 화 재발생시 단독형화재 감지기회로에서는이를 잘감지 하였으며 화재수신기에서는신호를잘수신하였다

.

그러나화재감지기술과무선통신기술의연계및안 정성확보와무선방식에서야기될수있는동일주파수 의간섭과 감쇠로 인한 전송에러 발생가능성

,

보안 문제

,

전자파문제등을파악하여신뢰성이높은감지 Table 1.

Main Specifications Overview

구분 사양

LED

^감시등 ^약

30

초주기깜빡거림

동작시 약

0.5

초주기깜빡거림 작동시험시 약

0.5

^초^주기^깜빡거림

동작전압범위

7.2~10.8V

작동온도범위 −

10~60

도

사용전류 감시상태시

0.12mA

동작시

7mA

축적

10

초

경보음량

60~95dB

Figure 7.

Standby timing diagram.

(5)

기의개발이이루어져야할것이다

.

또한설비네트워 크뿐만아니라홈네트워크시스템과연동시킨다면인 명피해를최소화하여 국민의 생명과재산보호에 기여 할것으로사료된다

.

후 기

이연구는

2009

^년도^{경원대학교}^지원에^의한^결과임

.

참고문헌

1.

백동현

, “

소방전기시설론

”,

동일출판사

, pp.337-364 (1996).

2.

백동현

,

이상집

,

성낙규

,

이승환

,

오봉환

,

이훈구

,

한 경희

, “

태양광발전시스템을이용한유도등용형광램 프의점등에관한연구

”,

^{한국화재소방학회}^논문지

, Vol.14, No.1, pp.22-26(2000).

3.

손영진

,

이영일

,

이상현

, “

자동화재탐지설비의신뢰성 개선에관한연구

”,

한국화재소방학회논문지

, Vol.22, No.4, pp.42-49(2008).

4.

^{비상경보설비의}^{화재안전기준}

(NFSC 201),

^소방방재

청고시제

2009-31

호

(2008).

5. Takayuki Nishikwa, et al., “Smoke and Heat Combined Intelligent Fire Detector - Cyber Sensor”,

松下電工技報

, Feb. pp.75-83(2003).

6.

일본총무성령

, “

주택용방재기기의설치및유지에관 한조례의제정에관한 기준을정하는성령

”, 3

월

(2005).

7.

^일본^소방안

, “

^주방^등에^있어서의^주경기

(

^주택용화

재경보기

)

등의설치·유지지도요령및정온식주 택용화재경보기와관련되는기술가이드라인에관하 여

”, 1

^월

(2005).

8.

^{한국소방산업기술원}

, “

^감지기의^형식^승인^및^검정기

술기준

(KOFEIS 0301)”,

소방방재청고시제

2005-89

호

(2005).

9.

일본총무성령

, “

주택용방재경보기

(

住宅用防災警報器

)

및주택용방재통지설비

(

^{住宅用防災報知設備}

)

^와^관련

되는기술상의규격을정하는성령

”, 1

월

(2005).

10. A V U Phalli Kumar, Adi Mallikarjuna Reddy V,

and D Janakiram, “Distributed Collaboration for

Event Detection in Wireless Sensor Networks”,

MPAC, November(2005).