스마트 홈 센서에서 더 많은 정보 얻기

오션스 일레븐이나 미션 임파서블과 같은 할리우드 액션 영화를 보면 못된 짓을 벌이려는 침입자를 감지할 때 사용되는 수많은 방법이 나옵니다. 검은색 옷을 입은 침입자들이 놀랍도록 유연한 움직임으로 압력 매트와 레이저 필드, 열 감지 카메라 등의 교묘한 장치들을 통과하며 멋진 장면을 연출합니다. 현실 세계의 수많은 주택과 사무실에서는 방 한구석에서 깜박이는 수동 적외선 센서만 있어도 기회를 노리는 강도를 쫓기에 충분한 것으로 간주되는 경우가 많습니다.

PIR는 주택 소유자와 보안 회사에서 가정용으로 가장 적합한 침입 감지 기술로 평가됩니다. 경제적이고, 안정적이며, 잘못된 경보를 끄도록 조정할 수 있는 RIP는 현재 가장 중요한 재실 감지 기술입니다.

지속적인 인기

PIR 제조업체들은 적외선 감지 기술의 알려진 약점을 극복하기 위해 센서를 진화시켜 왔습니다. 적외선 센서는 대상과 배경 사이의 온도 차이에 따라 작동하므로, 대상이 움직여야 존재를 확인할 수 있습니다. 이러한 효과를 최소화하기 위해 AMN11112와 같은 Panasonic MP 계열 센서는 작은 움직임도 정밀하게 감지할 수 있도록 네 개의 리셉터를 통합했습니다. 리셉터는 작은 온도 차이에 민감하기 때문에 주변 온도가 인간의 체온과 비슷한 더운 기후에서도 정확한 감지가 가능합니다.

또한 Panasonic은 작은 렌즈를 사용하는 소형 기기에서 감도와 정밀도를 높이기 위해 리셉터를 소형화했습니다. 높은 수준의 통합과 내장된 증폭기, 수동 소자 부품, 광학 필터, 전자기 차폐(그림 1)는 설계를 간소화하고 신뢰성을 강화합니다. PIR 센서는 지속적인 진화에 힘입어 보안 시스템 설계자들에게 지속적인 인기를 유지하고 있습니다.

그림 1: 향상된 통합 및 감도 덕분에 PIR 센서는 설계자들의 위시리스트에서 높은 자리를 유지하고 있습니다.

스마트 빌딩의 까다로운 요구 사항

이제 스마트 홈의 시대가 시작되었으므로 사람들은 PIR와 같은 센서가 침입자 탐지를 지원하면서 동시에 방에 사람이 있는지 여부를 감지해서 조명, 난방 및 기타 서비스의 자동화도 지원할 수 있기를 기대합니다. PIR 감지의 알려진 특성 중 일부가 이 상황에서는 약점이 됩니다. 센서는 관찰되는 열 장면의 변화를 감지해야 하므로 대상이 움직여야 감지할 수 있습니다. 보안 시스템의 경우, 집에 침입한 사람이 움직일 것이기 때문에 이 방식이 적절합니다. 그러나 집주인과 손님이 대화를 하거나 영화를 보면서 방에서 오랫동안 계속 앉아 있는 경우, 시스템이 방이 비어 있다고 잘못 판단하고 조명이나 난방 등의 서비스를 끄기 시작해서는 안 됩니다.

또한, 미래의 스마트 홈 서비스에서는 방에서의 정확한 위치와 같이, 내부에 있는 사람에 관한 세부 정보를 더 수집해야 할 수도 있습니다. 그러면 예를 들어, 시스템이 최상의 에너지 효율을 위해 실내의 다른 부분은 조명을 낮추면서 책상이나 조리대와 같은 국부 영역에서 조명을 자동으로 최적화할 수 있습니다.

노령 인구가 만년에 자신의 집에서 안전하고 독립적인 생활을 누리려고 하는 현대 사회에서, 더욱 스마트한 재실 감지는 노인 생활 지원 같은 서비스에도 도움이 될 수 있습니다. 젊은 가족들은 종일 간호를 할 형편이 되지 않고 전문적인 간호를 받으려면 비용이 많이 듭니다. 자동화된 감시 기능은 집에 있는 노인에게 도움이 필요한 상황을 감지해서 간호 인력이나 응급 서비스에 빠르게 알릴 수 있습니다.

현재의 PIR 센서는 전보다 훨씬 진화한 형태이지만, 아직 그러한 서비스를 지원하는 데 필요한 세부 정보를 파악할 수 있는 정도는 아닙니다. 다양한 대체 감지 기술을 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 동영상 기반 감지를 사용하면 간호자가 정기적으로 노인이 안전하게 집에 있는지 확인하거나 방에서 사람의 정확한 위치를 파악할 수 있습니다. 그러나 실내 영상 감시는 사생활 침해 문제로 인해 바람직한 솔루션이라고 보기 어렵습니다. 부분적인 감시를 고려할 수도 있고 분석한 동영상을 폐기할 수도 있지만, 집에서 생활하는 사람이 전반적으로 불편을 느낄 수 있습니다.

단일칩 레이더 솔루션

최근에 레이더 기반 감지 기술이 소비자 관련 시장에 진입하기 시작했습니다. 한 예로 충돌 방지 같은 자동 운전자 지원 시스템이 있습니다. 이제 스마트 홈/스마트 빌딩 시장에서 24GHz 비인가 ISM 주파수 범위에 걸쳐 작동하는 저전력 레이더 송신기를 적절한 비용에 사용할 수 있습니다. 반사된 전파를 모니터링하고 전송된 전파의 반사 시간으로 거리를 측정하여 존재를 감지하는 원리는 20세기 초에 최초로 개발되었습니다.

Infineon BGT24MTR11과 같은 24GHz 레이더 트랜시버 IC를 사용하면 실내 재실 감지에 적합한 저전력 센서를 만들 수 있습니다. 레이더 기술을 사용하면 움직이지 않는 사람을 감지하고, 사람의 정확한 위치를 확인하며, 움직임의 방향을 확인하는 등의 고급 기능을 구현할 수 있습니다. 가정에서 레이더 기술을 사용하여 얻을 수 있는 다른 장점은 송신기와 센서에서 대상까지의 시야를 확보할 필요가 없으므로 눈에 덜 띄는 위치에 설치할 수 있다는 것입니다. 이런 센서는 눈에 잘 띄지 않도록 천장 타일과 같은 경량 건축재 뒤에 설치할 수 있습니다.

적은 수의 외부 커패시터만으로 완전히 작동하는 회로를 완성할 수 있도록 BGT24MTR11은 재실 감지와 움직임의 속도 및 방향 감지를 위한 송신 채널 한 개와 수신 채널 한 개를 단일 장치에 통합합니다. 이렇게 하면 기판의 공간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 RF 정합 문제도 해결할 수 있습니다. 실내에 있는 사람의 위치를 감지하는 시스템이 필요한 경우에는 두 개의 수신기가 필요합니다. 이 목적으로는 수신 채널 두 개와 트랜시버 하나가 통합된 BGT24MTR12가 이상적입니다.

저전력 작동을 위한 설계

최대 RF 출력 전력이 15dBm인 BGT24MTR11은 ISM 대역에서 안전하게 사용할 수 있습니다. 측정 사이에 칩에 공급되는 전원을 끄는 방식의 듀티 사이클 체계를 적용하면 최대 송신 전력을 사용하는 연속 모드에서 총 528mW의 IC 전력 소비를 크게 절감할 수 있습니다. 대상 속도가 낮을 경우에 도플러 전환을 감시하는 데 필요한 측정 시간을 기준으로 0.5초마다 10ms씩만 IC를 활성화하면 약 ±1km/h의 분해능으로 최대 약 25km/h의 대상 속도를 측정할 수 있습니다. 이는 일반적인 실내 감지 응용 제품에 적합하며, 전력 소비를 사이클당 12mW로 줄일 수 있습니다.

그림 2에서는 레이더 IC를 Infineon XMC4500 마이크로 컨트롤러와 함께 사용하여 SPI 포트를 통해 BGT24MTR11을 등록하고, 온칩 DAC를 통해 VCO 주파수를 모니터링하며, VCO 튜닝 전압을 제어하고, 측정 주기 사이에 BGT24MTR11에 공급되는 전원을 끄는 부하 스위치를 제어하는 방법을 보여줍니다. 구성도에 표시된 것처럼 몇 개의 주요 부품만 있으면 설계를 완성할 수 있습니다.

그림 2: 실내 재실 모니터링 응용 제품을 위한 펄스 모드 도플러 레이더.

결론

스마트 빌딩 혁명이 추진력을 얻으면서 새로운 응용 분야와 서비스에 주택과 빌딩 내부의 활동을 설명하는 자세한 정보가 필요하게 되었습니다. 사생활을 침해하지 않으면서 이러한 정보를 수집하려면 향상된 재실 감지 기술이 필요합니다. 24GHz ISM 주파수 대역의 레이더 기반 감지는 안전하고 개별적이며, 이제 시스템 설계를 대폭 간소화하는 최신 단일 칩 트랜시버를 활용하여 전보다 훨씬 쉽게 달성할 수 있습니다. 평균 소비 전력이 10mW에 불과하고, 유지 관리가 거의 필요 없는 실내용 센서를 설계할 수 있도록 하는 전력 절감 기술이 시연되었습니다.