논 문]
벽체 종류에 따른 무선화재감지기의 응답특성에 관한 연구
A Study on the Response Characteristics of the Wireless Fire Detector Depending on the Wall Types
사공성호·김시국*·이춘하*·김형권†
Seong-Ho Sakong · Si-Kuk Kim* · Chun-Ha Lee* · Hyeong-Gweon Kim† 한국소방산업기술원, *호서대학교 소방방재학과
요 약
본 논문에서는 무선화재감지기의 효용성 및 신뢰성을 확인하고자, 현재 가장 많이 상용화되어 있는 2.4 GHz의 주파수를 사용하는 무선모듈을 이용하여, 건물 내에서 무선통신 환경에 영향을 줄 수 있는 대표적 인 장애물의 종류인 벽체를 시료로 하여 무선신호의 투과파 측정실험을 실시하였다. 실험결과 벽체 종류 에 따라 무선신호의 응답특성에 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
ABSTRACT
In this paper, an experiment was performed to confirm the effectiveness and the reliability of the wireless fire detector with a 2.4 GHz wireless module which is widely used for commercial purpose.
It was the experiment of transmitted waves of wireless signals using samples of typical obstacles such as walls which may affect the wireless communication environment in the building. The experiment results show that the transmitted signal had differences in the response characteristics by wall types.
Key words : Effectiveness, Reliability, Wireless fire detector, 2.4GHz frequency, Transmitted wave
1.
서 론
자동화재탐지설비 중 화재감지기는 발신기, 중계기, 수신기 및 경보장치 등과 함께 소방대상물에 설치되어 화재발생시 생성되는 열, 연기 및 불꽃 등과 같은 화 재징후를 조기에 감지하여 수신기에 신호를 발하고 경 종이나 음향장치로 화재 사실을 통보하여 조기피난 및 초기소화를 유효하게 하는 매우 중요한 설비이다.1,2)
그러나 국보문화재 및 사적, 민속마을 등과 같은 역 사적으로 오래된 건축물의 경우 원형 그대로를 보존해 야 된다는 이유로 배선 시공에 의한 화재감지기의 설 치를 꺼려하고 있는 것이 현실정이다. 이로 인해 역사 적 건축물의 경우 화재발생 사실을 조기에 감지할 수 없어 초기소화 및 초동대응이 늦어지게 되고, 화재 시 소중한 문화유산을 잃게 되는 경우가 대부분이다. 또 한, 신축건축물 공사현장의 경우 법적으로 자동화재탐
지설비 설치 제외 대상이기 때문에 화재감지기 및 소 화기 등과 같은 소방시설들이 미비되어 화재에 무방비 로 노출되어 있는 실정이다. 2007년에 발생한 신도림 미래시티 신축공사현장 화재사고는 사망 1명, 부상 59 명의 인명피해와 2억3천만원의 재산피해를 발생한 대 표적인 사례이다.
이러한 문제점을 극복하기 위한 대책으로 현재 첨단 IT 기술 중 하나인 무선시스템이 대두되고 있는 실정 이다. 소방분야에서의 무선시스템은 도입단계로서 현 재 사용이 미미하여 단독경보형감지기에만 적용되고 있다.3) 현재 국내에서 개발된 무선형 단독경보형감지 기는 무선신호를 이용하여 감지기와 게이트웨이(Gateway) 간을 송·수신하는 부가적 기능으로 사용되고 있지만, 소방설비에서 무선시스템은 사람의 생명과 연관되기 때문에 편리성 및 실용성보다는 안전성 및 신뢰성이 확보된 후에 적용되어야 할 것이다.
따라서 본 연구에서는 소방 IT분야에 도입될 무선화 재감지기의 효용성 및 신뢰성을 확인하고자, 현재 가
†E-mail: [email protected]
장 많이 상용화되어 있는 2.4 GHz의 주파수를 사용하 는 무선모듈을 이용하여, 건물 내에서 무선통신 환경 에 영향을 줄 수 있는 대표적인 장애물의 종류인 벽체 를 시료로 하여 무선신호의 투과파 측정실험을 통해 응답특성을 확인하고, 도출된 결과를 바탕으로 무선화 재감지기의 신뢰성을 검토하고 향후 소방분야에 도입 을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
2.
실 험
무선화재감지기의 응답특성 연구를 위해 한국소방산 업기술원에서 개발한 무선화재감지기용 무선모듈 및 성능시험챔버를 이용하였다.
2.1 실험시료
Table 1은 실험에 사용된 벽체의 종류 및 규격을 나 타낸 것으로 건축물에서 가장 많이 사용되어지고 있는 벽체 종류인 블록벽, 벽돌벽, 타일시공벽돌벽, 콘크리 트벽, 샌드위치패널, SGP(Steel gypsum panel; 이하
‘석고패널’)를 시료로 사용하였다. Figure 1은 실험시료 의 사진을 나타낸 것으로 실험시료의 크기는 150 cm
× 190 cm로 제작하였다.
2.2 실험장비4)
2.2.1 신호발생기 및 신호분석기
Figure 2는 신호발생기(E4428C, Agilent사, 미국)와 신호분석기(N9010A, Agilent사, 미국)를 나타낸 것으로 신호발생기를 이용하여 2.4 GHz의 무선주파수를 발생 시키고, 발생된 무선주파수를 신호분석기의 스펙트럼 분석기능을 이용하여 수신신호전력인 CP(Channel power)
를 측정하는데 사용하였다.
2.2.2 성능시험챔버(간이형전파무반사챔버)
무선화재감지기의 신뢰성 있는 응답특성 실험을 위 하여 Figure 3에서와 같이 외란(외부무선주파수)의 영 Table 1. Types and Features of the Walls
Types Features Thickness
(a) Block 6 inch block 170 mm
(b) Brick 190 mm brick 200 mm
(c) Tiled brick
190 mm brick,
Ceramic-tiled 220 mm
(d) Concrete
Single rebar with
200 mm gap 150 mm
Double rebar with
100 mm gap 200 mm
(e) Sandwitch panel
steel + styrofoam
+ steel 075 mm
(f) Gypsum panel
steel + gypsum board
+ steel 075 mm
Figure 1. Photograph of the walls.
Figure 2. Photograph of the signal generator and signal analyzer.
향을 최소화할 수 있는 성능시험챔버를 사용하였다. 성 능시험챔버는 흡수체(Ferrite absorber)가 설치되어 있어
외부 무선신호의 영향 및 회절 등에 의한 간섭을 제거 할 수 있으며, 시험장치 내 무선신호의 반사를 최소화 할 수 있는 특징이 있다. Figure 4는 성능시험챔버의 내부구조를 나타낸 것이다.
2.2.3 무선감지기용 무선모듈
현재 국내에 개발되고 있는 무선화재감지기는 단독 경보형감지기에 무선 송·수신모듈을 접목시킨 것으로 서 무선은 감지기의 부가적 기능으로 사용되고 있으며, 해외에서 개발된 다양한 무선화재감지기 역시 유선방 식을 대체하는 형태가 아닌 무선을 보조적인 수단으로 사용되고 있다.
Figure 5는 실험에 사용된 2.4 GHz 무선모듈의 구성 도 및 시제품을 나타낸 것이다. 사용된 MCU는 MSP430F1611(Texas Instruments사, 미국)이며, RF IC 로는 CC2420(Chipcon사, 미국)을 사용하였고, 3.6 V의 리튬배터리를 전원으로 동작하는 저전력 통신모듈로서 12bit의 ADC(A/D converter) 8채널과 다수의 GPIO (General purpose input/output)를 가지고 있으며 RF모 듈과 SPI(Serial peripheral interface)로 연결되어 있다.
51 pin sensor interface connector에 센서보드(감지기보 드)를 연결하면 연결된 센서의 데이터를 수집하거나 수 집된 데이터를 RF신호로 다른 기기로 전송할 수 있는 특징이 있다.
Figure 6은 단독경보형감지기에 개발된 무선모듈을 접목시킨 무선화재감지기를 나타낸 것이다. 단독경보 Figure 3. Configuration of performance test chamber.
Figure 4. Photograph of internal structure of performance test chamber.
Figure 5. The developed 2.4 GHz RF module.
형감지기와 무선모듈간의 통신은 Figure 7의 (a)인 인 터페이스보드(EX 1000)를 통해 통신이 이루어지게 된 다. 단독경보형감지기와 무선모듈 간에 연결된 신호선 에 의해 신호가 무선모듈로 들어오게 되고 다이폴 (Dipole)안테나를 통해 Zigbee 방식으로 신호를 전송하 여 수신부인 베이스보드에서 신호를 받아 Figure 7의 (b)인 USB 인터페이스보드(MTI-USB 1000)를 통해 PC 와 연결되고 PC에서 모니터링하게 된다. PC에서는 화 재발생 여부 및 배터리전압 등을 확인할 수 있다. 또 한, 무선통신상태를 감지하기 위하여 송·수신 무선모 듈의 데이터를 획득하게 되는데 RSSI Checker 프로그
램과 하이퍼터미널 프로그램을 사용하여 무선모듈간의 수신신호감도인 RSSI(Received signal strength indication) 와 데이터(패킷)전송 에러율인 PER(Packet error rate) 를 측정하는데 사용하였다.
2.3 실험방법
벽체 종류에 따른 무선신호의 응답특성을 확인하기 위해 벽체를 통과하는 무선수신신호의 변화를 확인하 는 투과파(Transmitted wave) 측정실험을 실시하였고, 모든 실험은 50회 실시 후 평균값으로 나타내었다. 또 한, 실험은 외란(기류 및 날씨의 영향) 및 실험의 재현 성을 위해 구획된 실험실 안에서 실시하였다.
2.3.1 무선수신신호전력 측정(CP)
Figure 8은 수신신호전력 측정실험의 구성도 및 사 진을 나타낸 것으로 각각의 성능시험챔버 내부에 송·
수신 안테나를 설치하고 신호발생기와 신호분석기를 이용하여 벽체 종류에 따른 수신신호전력의 변화를 측 정하였다. 이때, 챔버 내부의 송·수신 안테나 사이의 거리(χ)는 벽체의 유·무와 관계없이 150 cm부터 10 cm 씩 변화시켜 챔버 내에서 측정 가능한 최대거리인
250 cm까지 CP 값을 측정한 후 평균값으로 나타내었다.
Figure 8. The CP measurement experiment.
Figure 6. Photograph of the developed 2.4 GHz wireless fire detector.
Figure 7. Photograph of EX 1000 and MTI-USB 1000.
2.3.2 무선수신신호감도 측정(RSSI)
Figure 9는 수신신호감도 측정실험의 구성도를 나타 낸 것으로 각각의 성능시험챔버 내부에 안테나를 장착 한 송·수신 무선모듈을 설치하고 송신(Tx)모듈에서 무선신호를 전송하여 전송된 신호를 수신(Rx)모듈에 연결된 노트북으로 데이터(RSSI checker 프로그램사용) 를 획득하여 벽체 종류에 따른 수신신호감도의 변화를 측정하였다. 이때, 챔버 내부의 송·수신 무선모듈 사 이의 거리(χ)는 벽체의 유무와 관계없이 150 cm, 200 cm, 250 cm로 하여 RSSI 값을 측정한 후 평균값으로 나타 내었다.
2.3.3 패킷에러율 측정(PER)
수신신호전력과 수신신호감도 변화에 따른 데이터전 송율의 신뢰성을 확인하고자 패킷에러율을 측정하였다.
일반적으로 IEEE 802.15.4-2006 표준 수신기 감도에 의하여 주파수도약 기능을 제거한 상태에서 수신기의 수신 안테나 터미널에 −85 dBm 정도로 맞춘 뒤 수신 단에서 측정한 패킷에러율이 1 % 미만이 되어야 한다 고 규정되어 있다.6) 따라서 무선시스템 패킷에러율은 1 % 미만이 나와야 신뢰성이 검증된 것으로 할 수 있다.
Figure 10은 패킷에러율 측정실험의 구성도를 나타 낸 것으로 각각의 성능시험챔버 내부에 안테나를 장착 한 송·수신 무선모듈을 설치하고 송신모듈에서 1회 에 100개의 데이터를 전송하여 전송된 신호를 수신모 듈에 연결된 노트북으로 데이터(Hyper terminal 프로그 램사용)를 획득하여 벽체 종류에 따른 패킷에러율의 변 화를 측정하였다. 이때, 챔버 내부의 송·수신 무선모 듈 사이의 거리(χ)는 벽체의 유·무와 관계없이 챔버 내에서 측정 가능한 최대거리인 250 cm에서의 PER 값 을 측정하였다. 또한 외란의 영향을 최소화하기 위하 여 푸시버튼스위치를 외부에 설치하여 패킷을 전송하였다.
3.
실험결과
3.1 수신신호전력 측정(CP)
Figure 11은 벽체 종류에 따른 수신신호전력의 평균 투과손실을 그래프로 나타낸 것으로 성능시험챔버 내 부의 송·수신 안테나 사이에 벽체가 없는 정상상태 (평균: −39.83 dBm)의 수신신호전력을 기준(0 dBm)으 로 하여 벽체 종류에 따른 평균 투과손실을 분석해보 면, 블록벽인 경우 −9.11 dBm으로 벽체 종류 중 투과 손실이 가장 낮고, 그 다음 순으로 벽돌벽 −15.02 dBm, 타일시공벽돌벽 −19.40 dBm, 콘크리트벽 두께 150 mm 일 때 −21.73 dBm, 콘크리트벽 두께 200 mm일 때
−29.41 dBm 순으로 투과손실이 높게 나타는 것을 확 인할 수 있었다.
이와 같이 투과손실이 나타난 원인은 전파의 특성으 로 공기와 부도체를 매질로 하는 경우 그 공간상의 입 자사이를 전계와 자계가 상호 수직을 이루고, 전계와 자계에 수직인 방향으로 파동을 일으키며 전파를 전송 Figure 10. Schematic diagram of PER measurement experiment.
Figure 9. Schematic diagram of RSSI measurement experiment.
Figure 11. Results of CP depending on the wall types (Av.
of transmitted loss).
하기 때문에 공간상의 입자가 조밀할수록 에너지(열) 손실이 커져 투과손실이 크게 발생한다. 따라서 벽체 의 입자조밀도가 가장 낮은 블록벽이 전파의 에너지 손실이 적어 투과손실이 가장 낮게 나타났고, 그 다음 입자의 조밀도가 큰 순서에 따라 벽돌벽, 타일시공벽 돌벽, 콘크리벽(150 mm), 콘크리벽(200 mm) 순으로 조 밀도가 커질수록 전파의 에너지 손실에 의한 투과손실 이 크게 나타는 것을 확인할 수 있었다.
그러나 전파가 공기입자 사이를 진행하다 매질이 다 른 금속과 만나게 되면 대부분의 전파를 반사하고, 일 부는 금속표면에 전류를 발생시켜 흐르다 열로 손실되 거나, 접지도체에 의해 그라운드로 흐르게 됨으로 전 파가 투과할 수 없는 전자파 차폐효과5)를 나타낸다. 따 라서 표면이 금속인 샌드위치패널, 석고패널의 경우 수 신신호전력이 측정되지 않는 것으로 생각된다.
3.2 수신신호감도 측정(RSSI)
Figure 12는 벽체 종류에 따른 수신신호감도의 평균 투과손실을 그래프로 나타낸 것으로 성능시험챔버 내 부의 송·수신 무선모듈 사이에 벽체가 없는 정상상 태(평균: −33.8 dBm)의 수신신호감도를 기준(0 dBm)으 로 하여 벽체 종류에 따른 평균 투과손실을 분석해보 면, 블록벽인 경우 −20.8 dBm으로 벽체 종류 중 투과 손실이 가장 낮고 그 다음 순으로 벽돌벽 −24.0 dBm, 타일시공벽돌벽 −28.2 dBm, 콘크리트벽 두께 150 mm 일 때 −32.13 dBm, 콘크리트벽 두께 200 mm일 때
−45.6 dBm 순으로 투과손실이 높게 나타는 것을 확인 할 수 있었다.
이와 같이 벽체의 종류에 따라 수신신호감도 차이가 나타나는 것은 수신신호전력과 같이 매질인 부도체 벽 체의 입자조밀도에 의한 투과손실 차와 금속인 벽체표
면의 전자파 차폐효과에 의한 것으로 생각된다.
3.3 패킷에러율 측정(PER)
Table 2는 수신신호전력과 수신신호감도 변화에 따 른 데이터전송율의 신뢰성을 확인하고자 패킷에러율 측정실험결과를 나타낸 것으로 성능시험챔버 내부의 송·수신 무선모듈 사이의 패킷에러율은 벽체가 없는 정상상태와 벽체의 종류가 블록벽, 타일시공벽돌벽, 콘 크리트벽(두께 150 mm, 두께 200 mm)인 경우 모두 0 % 로 패킷전송(데이터)에 에러가 없는 것으로 측정되었 지만, 샌드위치패널과 석고패널은 100 %로 패킷전송에 문제가 나타나는 것을 볼 수 있었다.
IEEE 802.15.4-2006 표준 수신기 감도에 의거하여 주 파수도약 기능을 제거한 상태에서 수신기의 수신 안테 나 터미널에 −85 dBm 정도로 맞춘 뒤 수신단에서 측 정한 패킷에러율이 1 % 미만이 되어야 한다고 규정되 어 있다.6)
따라서 수신신호감도가 측정된 부도체인 벽체 중 콘 크리트벽 두께 200 mm에서 수신신호감도가 가장 낮은 최소 −82.2 dBm으로 측정되었지만 패킷에러율은 1 % 미만(데이터성공률 100 %)으로 데이터전송의 신뢰성에 문제가 없다는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 수신신 호전력 및 수신신호감도가 −85 dBm 이하인 샌드위치 패널, 석고패널의 경우 패킷에러율이 100 %로 나타나, 벽체 표면이 금속인 경우 데이터전송의 신뢰성에 문제 가 발생하여 실제 화재발생시 화재신호의 전송에 있어 서 에러가 발생할 것으로 생각되어진다.
4.
결 론
본 논문에서는 소방 IT분야에 도입될 무선화재감지 기의 효용성 및 신뢰성을 확인하고자, 현재 가장 많이 상용화되어 있는 2.4 GHz의 주파수를 사용하는 무선모 Table 2. Results of PER Depending on the Wall Types
Types PER Rate of Success
Normal 000 % 100 %
Block 000 % 100 %
Brick 000 % 100 %
Tiled brick 000 % 100 %
Concrete (150 mm) 000 % 100 % Concrete (200 mm) 000 % 100 %
Sandwich panel 100 % 000 %
Gypsum panel 100 % 000 %
Figure 12. Results of RSSI depending on the wall types (Av. of transmitted loss).
듈을 이용하여, 건물 내에서 무선통신 환경에 영향을 줄 수 있는 대표적인 장애물의 종류인 벽체를 시료로 하여 무선신호의 투과파 측정실험을 실시하여 응답특 성을 확인한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 벽체종류에 따라 수신신호전력 및 수신신호감도 에 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 블록벽, 벽돌벽, 타일시공 벽돌벽, 콘크리트벽 순으로 매질입자 의 조밀도가 커질수록 투과손실이 크게 나타났으며, 표 면이 금속으로 된 샌드위치패널 및 석고패널의 경우 전자파차폐효과에 의해 수신신호전력 및 수신신호감도 가 측정되지 않았다.
2. 수신신호전력 및 수신신호감도가 −85 dBm 이하 인 샌드위치패널, 석고패널의 경우 패킷에러율이 100 % 로 나타나, 벽체 표면이 금속인 경우 데이터전송의 신 뢰성에 문제가 발생하여 실제 화재발생시 화재신호의 전송에 있어서 에러가 발생할 것으로 판단된다. 화재 발생시 조기의 정확한 화재데이터의 전송은 인명의 생 명과 재산피해를 판가름하는 중요한 역할을 하기 때문 에 데이터전송의 신뢰성이 확보되어야 할 것으로 생각 된다.
따라서 건축물 내에서 무선통신 환경에 영향을 줄 수 있는 다양한 변수들에 대한 실험을 통한 정확한 분 석과 이를 바탕으로 무선화재감지기의 설치기준 정립
이 우선적으로 진행된 후에 소방분야에 무선시스템이 도입이 되어야 할 것으로 생각된다.
참고문헌
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2. 사공성호, 김시국, 이춘하, 정종진, “화재실험을 통한 주택용 연기감지기 응답특성에 관한 연구”, 한국화재 소방학회 논문지, Vol.23, No.4, p.98(2009).
3. 김형권, 사공성호, 김시국, 이춘하, “장애물에 따른 무 선신호의 투과특성에 관한 연구”, 한국화재소방학회 2009년도 추계학술발표대회 초록집, pp.249-250 (2009).
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