http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2014.23.5.342 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
다중가스센서를 이용한 화재의 조기검출에 대한 연구
조시형1·장향원1·전진욱1·최석임2·김선규3·江鐘偉4·최삼진5·박찬원1,+
A Study on the Early Fire Detection by Using Multi-Gas Sensor
Si Hyung Cho1, Hyang Won Jang1, Jin Wook Jeon1, Seok Im Choi2, Sun Gyu Kim2, Zhongwei Jiang3, Samjin Choi4, and Chan Won Park1,+
Abstract
This paper introduced a novel multi-gas sensor detector with simple signal processing algorithm. This device was evaluated by inves- tigating the characteristics of combustible materials using fire-generated smell and smoke. Plural sensors including TGS821, TGS2442, and TGS260X were equipped to detect carbon monoxide, hydrogen gas, and gaseous air contaminants which exist in cigarette smoke, respectively. Signal processing algorithm based on the difference of response times in fire-generated gases was implemented with early and accurately fire detection from multiple gas sensing signals. All fire experiments were performed in a virtual fire chamber. The cig- arette, cotton fiber, hair, polyester fiber, nylon fiber, paper, and bread were used as a combustible material. This analyzing software and sensor controlling algorithm were embedded into 8-bit micro-controller. Also the detected multiple gas sensor signals were simul- taneously transferred to the personnel computer. The results showed that the air pollution detecting sensor could be used as an efficient sensor for a fire detector which showed high sensitivity in volatile organic compounds. The proposed detecting algorithm may give more information to us compared to the conventional method for determining a threshold value. A fire detecting device with a multi-sensor is likely to be a practical and commercial technology, which can be used for domestic and office environment as well as has a com- paratively low cost and high efficiency compared to the conventional device.
Keywords : Multi-gas sensor device, Early fire detection, Air pollution detecting sensor, Differential coefficient analysis
1. 서 론
화재검출 시스템은 개인 및 국가의 재산과 생명을 보호하기 위하여 다양한 제품들이 전 세계적으로 사용된다. 하지만, 이 같
은 중요성과 빈번히 발생하는 화재에 비해 화재감지기의 검출 속도와 안정성에 관한 연구는 빈약한 상태이다. 대부분의 화재 감지기는 입자 밀도 및 온도와 같은 물리적 parameter의 검출에 기반을 두었다. 하지만, 이러한 매개 변수는 기존의 검출기 성 능을 더욱더 떨어뜨리고 연소가스의 재질 및 상태에 따라 반응 정도가 다른 단점이 있다[1]. 예측할 수 없는 화재에 대한 인간 의 생명을 보호하기 위해, 건물은 화재 감지를 위한 안정된 성능 을 가진 고급 기술 및 모니터링 시스템이 절실히 요구된다[2-9].
이러한 요구에 충족하기 위하여 다중척도(multi-criteria) 혹은 다 중센서(multi-sensor)에 기반을 둔 연구가 수행되고 있다[10-14].
최근 다중센서를 사용한 기술이 몇 가지 소개되고 있으나 대부 분 열감지기와 연기센서 또는 일산화산소(CO)감지센서와 광센 서들을 이용한 기술로서 센서의 감지능력의 한계로 다양한 화 재발생조건의 조기 검출능력에는 한계를 보이고 있다[15,16]. 기 존의 임계값(threshold) 기반의 경보 연기 탐지기에 비해 다중척 도에 의한 접근 방식은 확실한 성능 향상의 결과를 제시할 뿐 만이 아니라 실제 화재에 대한 좋은 검출 능력을 보여 주기도 하지만 잘못되거나 원치 않는 경보의 비율은 더욱더 높다[10].
그래서 고가의 화재 검출기 시스템은 급격한 변화에 다양한 환
1강원대학교 전기전자공학부(Department of Electrical and Electronic Engineering, Kangwon National University)
192 Hyojadong, Chuncheon, Gangwondo, 200-701, Korea
2한국 폴리텍 강릉캠퍼스 전자통신과(Department of Electronic Communication System, Korea Polytechnic),Korea
3한국 폴리텍 II 정보통신학부(Department of Information and Communication System, Korea Polytechnic II),Korea
4 Department of Mechanical Engineering, Yamaguchi University, 2-16-1, Tokiwadai, Ube, Yamaguchi, Japan
5경희대학교 의과대학 의학과(Department of Biomedical Engineering, Kyung Hee University)
1 Hoegi-dong, Dongdaemun-gu, Seoul 130-701, Korea
+Corresponding author: [email protected]
(Received : Aug. 25, 2014, Revised : Sep. 21, 2014, Accepted : Sep. 23, 2014)
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경 및 신속한 응답이 가능한 고감도 센서의 조합을 기반으로 한 다. 그런데 대부분의 화재검출기의 경우 자동화되어 오경보률이 상당히 높은 단점을 가진다. 이와 같은 오경보률을 낮추기 위하 여 다양한 환경에서 검출 성능 향상에 관한 연구와 멀티센서 기 반의 화재 검출기 디자인의 개선 등 다양한 노력이 시도되고 있 으나 뚜렷한 결과를 내지 못하고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 미흡한 부분을 해결하기 위한 방법으로서 온도센서, 공 기오염검출가스센서, 수소가스센서, 그리고 일산화탄소가스센서 를 이용한 다중가스센서방식의 연구를 수행하였다. 최근 통계에 따르면, 화재로 인한 사망자의 제 1원인은 탈출 실패에 의한 가 스질식사인 것으로 발표되었다. 그래서 본 연구의 목적은 일반 가정과 사무실 수준에서 주로 사용하는 것을 목표로 간단하고 민감도가 높은 화재 감지기의 개발에 적용할 수 있는데 초점을 맞추어 화재의 초기 단계에서 정확한 예측을 통하여 화재 사망 사고를 예방하고자 한다.
2. 다중가스검출 장치의 제작과 실험
2.1 모듈설계
전체 시스템은 Fig. 1과 같이 5개의 부분(다중가스센서부, 제 어부, 통신부, 파워부, LCD 표시부)으로 구성되어 있다.
다중가스센서부에는 총 4개의 센서를 장착하였다. 이 같은 센 서의 채택은 센서 단독의 결과보다는 센서들 간의 반응시간의 상관관계에 더 치중을 하고자 하였다.
화재발생시의 온도측정을 위하여 시리얼 인터페이스(SPI)방 식의 온도센서 LM70을 장착하였다. 공기오염검출가스센서로는 화재 연소 실험에 의한 공기오염(air quality)에 높은 민감도를 갖는 FIGARO TGS2600와 TGS2602 센서를 채택하였다.
수소가스(H
2) 검출을 위하여 FIGARO TGS821을 사용하였고 유독성이며 화재발생에서 주요한 요인으로 생각되는 일산화탄 소가스(CO; carbon monoxide) 검출을 위하여 FIGARO TGS2442 를 채택하였다.
화재발생시의 온도측정을 위하여 시리얼 인터페이스(SPI)방 식의 온도센서 LM70을 장착하였다. 공기오염검출가스센서로는 화재 연소 실험에 의한 공기오염(air quality)에 높은 민감도를 갖는 FIGARO TGS2600와 TGS2602 센서를 채택하였다. 수소 가스(H
2) 검출을 위하여 FIGARO TGS821을 사용하였고 유독성 이며 화재발생에서 주요한 요인으로 생각되는 일산화탄소가스 (CO; carbon monoxide) 검출을 위하여 FIGARO TGS2442를 채 택하였다. 제어부는 5개의 A/D 변환기를 내장한 PIC16F873A 를 사용하였고[17] 온도센서와의 SPI 통신을 통하여 온도정보 를 습득하고, 가스센서로부터는 가스정보를 얻는 것을 기본 기 능으로 하였다. 가스센서의 경우 측정개시 후 가열시간이 필요 한데 이 같은 타이밍을 적절하게 조정하여 대기 중에 가스 성
분의 정보를 습득하도록 하였다. 실시간으로 취득한 데이터를 LCD 디스플레이 장치에 표시하도록 하였고, 계측한 데이터는 PC 상에 전송하여 데이터 분석을 통하여 오류검출을 최소화하도 록 하기 위하여 별도의 USB 모듈을 통하여 PC와 데이터 전송 Fig. 1. Block diagram of multi-gas sensor device.
Fig. 2. Each module of multi-gas sensor device.
Fig. 3. Stand-alone multi-gas monitoring program.
이 가능하도록 하였다. 화재의 경우는 샘플링주파수를 0.5 Hz로 하였고 안정적인 통신 유지를 위하여 통신 속도는 2400 bps로 하였다. 가스센서의 경우 가스 검출 후 일정시간의 고온 가열작 업이 필요하여 순간 많은 전류를 요구하므로 5A 출력을 갖는 별도의 전원부를 제작하였다. PC상에서는 이와 같은 4개의 센 서와 카메라 정보 디스플레이 처리부분과 뒤에서 설명할 신호 처리 알고리즘에 의한 오류를 최소화한 화재경보를 위한 부분, 2 가지로 구분되어 있다. 프로그램은 National Instruments사의 Measurement Studio® Visual Studio 6.0 이 사용되었고 stand-alone 기반으로 설계를 하였다. 제작한 프로토타입의 다중가스센서 모 듈과 PC에서의 stand alone 화재계측 및 경보 프로그램 실행화 면을 Fig. 2와 3에 각각 도시한다.
2.2 연소실험
가상 화재 실험은 Fig. 4와 같이 90 cm×90 cm×90 cm 챔버 안 에서 수행되었고 화재발생은 챔버 중앙 바닥에 1200 W의 전열 기를 설치하여 수행하였다. 제작한 다중가스측정센서장치는 화 재발생 윗부분에 설치하였고 측면에는 화재 발생 유무를 확인 하기 위하여 2대의 CCD 카메라를 설치하였다. 뒷부분에 별도 의 환기구와 팬을 설치하여 연소실험 종료 후 가스를 배출하도 록 하였다. 실험재료는 일반 가정에서 많이 사용하는 면섬유, 머 리카락, 폴리에스테르섬유, 나일론섬유, 종이, 빵을 채택하여 연 소실험을 수행하였다[18].
2.3 실험결과 및 고찰
Figs. 5-7 은 센서의 반응 테스트를 위하여 담배를 이용하여 실 험한 결과이다. 우선 담배를 피우기 전(화재 발생 전)에는 다중 가스측정센서 반응이 없고(Fig. 5), 담배 연기가 다중가스측정센
서 내부로 유입되기 시작 후에 센서가 반응을 시작하는(Fig. 6) 것을 알 수 있다. Fig. 7은 담배실험[19]으로부터 컴퓨터에 실시 간으로 계측된 데이터를 도시한 그림 이다. 가장 빠른 반응은 수소가스센서(TGS821)가 보였으나 급격한 변화는 그 다음으로 반응을 보인 공기오염감지가스센서(TGS260X)였으며 마지막으 로 일산화탄소가스센서(TGS2442)가 반응을 시작하였다. 특히 공기오염감지가스센서는 담배에 대해 일산화탄소가스센서보다 급격한 반응을 보였고 일산화탄소가스센서는 예상한 것만큼 급 격한 변화는 보이지 않았다. 하지만 5cm 근처에서 직접 담배연 기를 다중가스측정센서모듈에 정면으로 분사 시 모든 센서가 동 시에 급격한 반응을 보였다.
결국, 화재의 조기진단을 위해서는 각 센서들의 반응시작 시 간 정보가 중요하기 때문에 각 가스 센서들의 반응시작시의 차 이 정보를 조사하여 다음과 같은 3개의 파라미터를 정의하였고 그 결과를 Fig. 8에 도시하였다.
1) 수소가스센서 반응시작시간(Th)과 공기오염감지가스센서 Fig. 4. Fire experimental chamber.
Fig. 5. Normal response for multi-gas sensor device.
Fig. 6. Smoke-generated response for multi-gas sensor device.
반응시작 시간(Ts)의 차이
Ths = Th − Ts (1)
2) 일산화탄소가스센서 반응시작시간(Tc)과 수소가스센서 반 응시작시간(Th)의 차이
Tch =Tc − Th (2)
3) 일산화탄소가스센서 반응시작시간(Tc)과 공기오염검지가스 센서 반응시작시간(Ts)의 차이
Tcs =Tc − Ts (3)
흥미로운 점은 공기오염감지가스센서(TGS260X)가 가장 빠른 응답 특성을 보였고 다음으로 연소실험에서 화염이 발생한 면 섬유, 폴리에스테르섬유, 종이에 대해서는 거의 시간차가 없는 동일한 패턴이 검출되었다. 특히, 수소가스센서(TGS821)와 일 산화탄소가스센서(TGS2442)는 거의 동시에 발생하는 특징을 보 였고 가상화재 연소실험 중 화염이 발생한 시점에서 일시적으 로 일산화탄소가스센서의 반응이 저하되고 약간의 시간 경과 후 다시 증가하다가 감소하는 독특한 패턴을 보였다. 머리카락의
경우 담배연기와 동일하게 일산화탄소가스보다 수소가스센서가 먼저 반응하는 패턴을 보였다. 나일론섬유의 경우 공기오염검지 가스센서와 수소가스센서가 반응시작 후 한참 시간이 지난 후 일산화탄소가스센서가 반응을 보였다.
이 같은 결과로부터 다양한 물질에 따른 초기 연소시의 특징 을 알 수가 있었고 가스발생의 시간차이로부터 연소물질의 고 유특징을 판단할 수 있었다.
3. 신호처리 알고리즘
다양한 물질의 연소실험의 결과로부터 공기오염감지가스센서 Fig. 7. Representative real-time response characteristic waveform of
multi-gas sensor after smoke exposure.
Fig. 8. Difference between response times for each gas sensor
according to combustible materials. (A) Ths, H2 sensor and
air pollution detecting sensor, (B) Tch, CO sensor and H2 sen-
sor, (C) Tcs , CO sensor and air pollution detecting sensor.
(TGS260X) 가 다른 센서에 비해 가장 빠른 반응을 보였기 때문 에 이 센서를 기준으로 화재검출을 위한 기본 신호처리 알고리 즘을 개발하였다. 즉, 화재의 경우 조기 검출이 중요하므로 공 기오염검지가스센서를 가장 우선순(priority)가 높은 센서로 설 정하고 이전의 결과와 같이 가스센서들 간의 반응시작시간의 차 이정보를 통하여 화재조기검출기를 설계하였다.
특히, 공기오염도를 측정하는 가스센서에는 두 가지 타입 (TGS2600 과 TGS2602)이 주로 사용되고 있다. TGS2600은 연 소 물질 중에 냄새 및 연기를 알고자 할 때 주로 사용하여 수 소와 담배 연기에 감도가 높고 TGS2602센서는 사무실과 가정 환경에 있는 나무 및 건설 제품에서 방출되는 톨루엔 등의 휘 발성 유기 화합물에 좋은 반응특성을 가지므로, Fig. 2에서 보 인 프로토타입 모듈 2대를 제작하여 TGS2602를 기본으로 하고 추가적으로 TGS2600 센서를 동시에 계측하는 실험을 실시하였 다. 신호처리 부분은 크게 2부분, signal pre-processing과 differential coefficient 분석으로 구성되어 있고 이와 같은 소프트 알고리즘 은 마이크로컨트롤러에 내장하기 위하여 C언어로 인코딩 되었 다[20].
3.1 Signal Pre-processing
화재의 경우 습기, 주변온도의 변화, 금속산화물의 전달특성 에 의한 가스센서 표면변화와 같은 외부환경적인 요인에 의하 여 계측된 가스센서신호는 분석을 어렵게 하는 많은 백그라운 드 노이즈를 포함하고 있다. 이 같은 노이즈는 대부분 DC성분 을 포함하므로 시행착오에 의한 실험으로 부터 3차 Butterworth 형 2.5 Hz의 저역통과필터를 설계하여 적용하였다. 다음으로 서 로 다른 진폭을 갖는 가스센서들 간의 일반화(normalization)를 적용하였다. 식(4)와 같은 센서신호의 최대값과 최소값을 이용 하여 [0, 1]로 일반화하는 방법을 적용하였다.
(4)
3.2 Differential Coefficient 분석법
화재 발생 시 화재의 상황정보에는 크게 연소와 화염 정보가 있는데, 이 두 가지 경우 가스의 발생이 전혀 다른 것을 알 수 있었으므로 공기오염검지가스센서 신호에서 화재 상황정보를 알 기 위하여 식 (5)와 같은 differential coefficient 분석법을 사용 하였다.
(5)
여기서, 는 서로 다른 2개의 시점에서의 센서 응답 출
력의 차이를 의미한다. 제안한 differential coefficient 분석법에 의하여 계산된 2개의 공기오염감지가스센서의 다른 분석 결과 를 Fig. 9에 도시하였다.
x t ( ) y t ( ) y –
miny
max– y
min---
=
d t ( ) Δ x t ( ) Δ t ---
=
x t ( ) Δ
Fig. 9. Response characteristic waveforms for two air pollution detecting sensor TGS2600 and TGS2602 (A) before and (B) after differential coefficient analysis.
Fig. 10. Flowchart of microprocessor-embedded signal process-
ing and control algorithm.
Fig. 9(B) 의 differential coefficient 파형 결과를 보면, 아무런 반응이 없던 공기오염검지가스센서 TGS2600과 TGS2602는 연 기발생 시점(a)에서 TGS2600이 먼저 반응을 보이기 시작하고 뒤이어서 TGS2602가 반응을 보이는 것을 알 수 있다. 계속 상 승하던 신호는 화염발생 시점(b) 이후 TGS2600은 감소하기 시 작하고 역시 뒤이어 TGS2602이 가장 높은 값을 보이고 감소하 기 시작한다. TGS2602은 화재의 상황, 연소와 화염에 반응(가 스검출특성)이 TGS2600에 비해 느린 것을 알 수 있었다. 반응 이 감소하던 공기오염검지가스센서 TGS2600은 다시 증가하기 시작하여 일산화탄소가스센서 TGS2442가 최대값을 보이는 시 점(c)에서 TGS2600의 최대값을 보이고 다시 감소하기 시작 후 일정한 값을 유지하였다(Fig. 9A). TGS2602는 앞선 peak치에 대한 반응특성과 동일하게 약간의 delay된 시간차를 두고 유사 한 반응 패턴을 보이게 되는데 그 값은 TGS2600과는 다르게 약간 올라갔다가 다시 감소하는 패턴을 보였다.
결론적으로 면섬유 연소실험의 경우 TGS2600 센서는 화염발 생 후 p=0.2±1.2초에서 피크값(Fig. 9B에서 검정색 피크)을, TGS2602 센서는 p=8.6±4.9초에서 피크값을 보였다. 종이의 경 우 TGS2600의 피크값은 화염발생 후 p=0.5±1.6초, TGS2602는 p=8.8±5.7로 약 9초의 시간차이가 존재함을 알 수 있었다. 화염 발생 시점은 TGS2602 보다는 TGS2600의 첫 피크를 이용하여 예측을 할 수 있었다.
이전에 수행한 패턴의 결과와 TGS2600과 TGS2602의 응답 특성파형으로부터 검출 패턴을 정의하여 신호처리알고리즘을 구 현하고 하드웨어의 기본적인 제어를 수행하기 위한 소프트웨어 알고리즘을 Fig. 10과 같이 구성하였다. 마이크로프로세서에 전 원이 인가되면 먼저 초기화를 진행하고 설정모드에서는 센서종 류에 따른 영점, 스팬값, 그리고 온도와 직선성보상을 수행하고 그 설정값을 저장한다. 일반동작 모드에서는 센서의 값을 읽어 들인 후 디지털 필터링을 수행하고 전술한바와 같이 signal pre- processing과 differential coefficient 분석법을 수행한 결과를 데
이터 변환하여 디스플레이하고 USB전송하는 것을 반복 수행한다.
이와 같은 알고리즘이 마이크로컨트롤러에 내장되고 최종적 으로 화재발생을 알리는 알람장치를 가진 일체형 프로토타입을 Fig. 11 과 같이 제작하였다.
4. 결 론
본 논문에서는 화재가상실험에서 초기연소시의 특징으로부터 기체발생의 시간차이에서 연소물질의 특징을 구분할 수 있고 냄 새와 연기로 화재의 발생을 조기에 판단 할 수 있는 기술에 대 한 연구를 수행하였다. 다중센서를 이용한 데이터 처리방법은 각 센서들의 반응의 차이 신호 분석과 조기검출을 위한 알고리 즘으로 구현하였다. 이 같은 방법은 기존의 단순한 임계값에 의 한 판단 방법보다 더 정교하고 복잡한 알고리즘이면서 8비트 마 이크로컨트롤러에 내장할 수 있는 비교적 간단한 프로그램으로 실시간으로 데이터를 측정하면서 판단이 가능하였다. 결과는 TGS2600은 휘발성 유기 화합물의 낮은 농도에서 높은 감도를 보였고 TGS2602은 화재 감지기에 대한 효율적인 센서임을 알 수 있었다. 그래서 이와 같은 다중센서에 의한 화재검출기술은 기존 방법에 비해 저가이면서 고성능의 특징을 갖는 장치의 개 발이 가능하여 사무실 및 가정환경에서 화재의 조기검출장치로 실용화할 수 있는 기술로 판단된다. 향후, 실제 좀 더 많은 다 양한 화재실험과 다중센서에 의한 장치들 간의 간섭 효과, 무선 화 구현 등 다양한 실험이 수행되어야 할 필요성이 요구된다.
또한, 제작한 시작품의 실용화를 위하여 소형의 SMD부품으로 구성된 전용의 단일기판모듈의 개발을 진행 중에 있다.
감사의 글
본 논문은2013년도 강원대학교 학술연구조성비로 연구하였음.
( 과제번호-120131198)
REFERENCES
