KR102228163B1

KR102228163B1 - 선박 내 통신 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102228163B1
Application number: KR1020170090548A
Authority: KR
Inventors: 강창수; 김나영; 배은규; 김미영; 박철균; 플랭클린 돈 변
Original assignee: 주식회사 지엔테크놀로지스; 울산과학기술원
Priority date: 2017-07-17
Filing date: 2017-07-17
Publication date: 2021-03-17
Also published as: US20200303819A1; CN111345015B; CN111345015A; KR20190008760A; US11362422B2; WO2019017520A1; KR102228163B9

Abstract

선박에 사용되는 인터폰 장치에 연관되며, 인터폰 장치는 음성을 입력 받거나 출력하는 입출력부; 상기 입출력부로부터 상기 음성을 수신하여 인코딩하고 변조하여 제1 신호를 제공하는 송수신 회로부; 및 상기 선박의 금속 선체에 부착되고, 상기 금속 선체에 전자기장을 형성시키고, 상기 송수신 회로부로부터 받은 상기 제1 신호를 상기 전자기장에 실어서 전파하는 안테나를 포함한다.

Description

선박 내 통신 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TRANMITTING AND RECEIVING SIGNAL IN VESSEL}

통신 장치 및 방법에 연관되며, 보다 특정하게는 선박의 한쪽에서 다른 쪽으로 영상 등 신호를 전송하고 수신하는 장치에 연관된다.

선박에서는 통신을 위한 인터폰 장치들이 서로 유선으로 연결되어 있다. 격벽으로 나뉘어 있는 각 격실마다 설치되는 인터폰을 위한 전력 공급 역시 유선으로 연결되어 있다.

그러나 이러한 유선 연결은 선박의 건조 단계와 완성 후 단계 모두에서 인터폰의 설치를 어렵게 만든다. 유선 연결 때문에 선박의 격벽에 구멍을 뚫어야 하고, 선박의 경우에는 그 길이가 수 백 미터에 달하기 때문에 긴 길이를 유선으로 연결한다는 것은 큰 비용이 소모된다.

이러한 유선 연결을 대체하기 위해 RF(Radio Frequency) 방식 등의 무선 연결이 가능하나, 철제 격벽으로 전자기파가 차폐되는 공간에서는 사용할 수 없다.

한국 등록특허 10-1475476호 (등록일자 2014년12월16일)는 선박 내의 통신 방법 및 시스템을 제시한다. 유선 단말기와 무선 단말기를 복합적으로 이용하여 선박 내 통신하는 방법에 관한 발명이다.

일실시예에 따르면 선박에 설치되어 사용되는 인터폰 장치에 있어서, 음성을 입력 받거나 출력하는 입출력부; 상기 입출력부로부터 상기 음성을 수신하여 인코딩하고 변조하여 제1 신호를 제공하는 송수신 회로부; 상기 선박의 금속 선체에 부착되고, 상기 금속 선체에 전자기장을 형성시키고, 상기 송수신 회로부로부터 받은 상기 제1 신호를 상기 전자기장에 실어서 전파하는 안테나; 및 상기 안테나의 임피던스를 피드백하여 수신단의 임피던스와 대응하도록 조절하는 제어부를 포함하는 인터폰 장치가 개시된다.

다른 일실시예에 따르면 상기 안테나는: 전도성 물질로 구성되고, 상기 선체에 면하는 적어도 하나의 개구부를 포함하는 제1 레이어; 전도성 물질로 구성되고, 상기 제1 레이어에 인접하는 제2 레이어; 및 유전물질로 구성되고, 상기 제1 레이어와 상기 제2 레이어 사이에 배치되어 상기 제1 신호를 상기 전자기장에 싣도록 상기 선체와 전자기파 교환을 하는 제3 레이어를 포함하는 인터폰 장치일 수 있다. 또한 상기 제1 레이어는 3 X 3 배열을 갖는 9개의 개구부를 포함하는 인터폰 장치일 수 있다.

또 다른 일실시예에 따르면 상기 안테나부는 상기 선체를 통해 전달되는 전자기파로부터 전력을 수신하여 상기 송수신 회로부에 제공하고, 상기 송수신 회로부는 컨버터를 통해 상기 입력부로 전력을 공급할 수 있고, 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어 중 적어도 하나는 구리 재질을 포함할 수 있다.

다른 일실시예에 따르면 상기 제3 레이어는 탄소섬유, 아크릴 및 폴리카보네이트 중 적어도 하나의 재질을 포함하는 것도 가능하다.

일측에 따르면 선박에 설치된 입출력부로부터 음성을 수신하는 인터폰 장치에 있어서, 상기 선박의 금속 선체의 제1 위치에 부착되고, 상기 선박의 금속 선체의 제2 위치에 부착된 입력부 쪽 안테나가 상기 금속 선체에 전자기장을 형성시키고 상기 음성에 대응하는 제1 신호를 상기 전자기장에 실어서 전파하는 경우, 상기 제1 신호를 수신하는 안테나; 상기 제1 신호를 변조 및 복호화 하여 상기 음성으로 제공하는 송수신 회로부; 및 상기 안테나의 임피던스를 피드백하여 송신단의 임피던스와 대응하도록 조절하는 제어부를 포함하는 인터폰 장치가 개시된다.

다른 일측에 따르면 상기 안테나는: 전도성 물질로 구성되고, 상기 선체에 면하는 적어도 하나의 개구부를 포함하는 제1 레이어; 전도성 물질로 구성되고, 상기 제1 레이어에 인접하는 제2 레이어; 및 유전물질로 구성되고, 상기 제1 레이어와 상기 제2 레이어 사이에 배치되어 상기 선체와 전자기파 교환을 함으로써 상기 제1 신호를 수신하는 제3 레이어를 포함하는 인터폰 장치일 수 있다.

또 다른 일측에 따르면 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어 중 적어도 하나는 구리 재질을 포함할 수 있고, 상기 제3 레이어는 탄소섬유, 아크릴 및 폴리카보네이트 중 적어도 하나의 재질을 포함하는 것도 가능하다.

다른 일측에 따르면 상기 선박의 배터리 또는 선박의 전원으로부터의 공급 전압이 컨버팅 되어 전달되는 경우, 상기 송수신 회로부는 상기 전력을 상기 안테나에 전달하고, 상기 안테나는 상기 금속 선체에 전자기장을 형성시켜 상기 인터폰 쪽 안테나로 상기 전력을 전파하는 인터폰 장치도 개시된다.

다른 일실시예에 따르면 선박에 설치되어 사용되는 중계기에 있어서, 데이터를 입력 받거나 출력하는 입출력부; 상기 입출력부로부터 상기 데이터를 수신하여 인코딩하고 변조하여 제1 신호를 제공하는 송수신 회로부; 상기 선박의 금속 선체에 부착되고, 상기 금속 선체에 전자기장을 형성시키고, 상기 송수신 회로부로부터 받은 상기 제1 신호를 상기 전자기장에 실어서 전파하는 안테나; 및 상기 안테나의 임피던스를 피드백하여 수신단의 임피던스와 대응하도록 조절하는 제어부를 포함하는 중계기도 개시된다.

일실시예에 따르면 선박에 설치되어 사용되는 전력전송 장치에 있어서, 상기 선박의 금속 선체에 부착되고, 상기 금속 선체에 전자기장을 형성시키고, 전력을 상기 전자기장에 실어서 전파하는 안테나; 및 상기 안테나의 임피던스를 피드백하여 수신단의 임피던스와 대응하도록 조절하는 제어부를 포함하는 전력전송 장치가 개시된다.

또 다른 일실시예에 따르면 선박에 설치되어 사용되는 전력수신 장치에 있어서, 상기 선박의 금속 선체의 제1 위치에 부착되고, 상기 선박의 금속 선체의 제2 위치에 부착된 전력전송 장치 쪽 안테나가 상기 금속 선체에 전자기장을 형성시키고 전력을 상기 전자기장에 실어서 전파하는 경우, 상기 전력을 수신하는 안테나; 및 상기 안테나의 임피던스를 피드백하여 송신단의 임피던스와 대응하도록 조절하는 제어부를 포함하는 전력수신 장치도 개시된다.

도 1은 일실시예에 따라 금속 선체를 통해 영상이 전송되는 원리를 설명하는 개요도이다.
도 2는 일실시예에 따른 안테나부와 송수신 회로부를 도시한다.
도 3은 일실시예에 따른 안테나부의 평면도이다.
도 4는 일실시예에 따른 안테나부의 측면도이다.
도 5는 일실시예에 따르면 전체 시스템 구성의 예시적 블록도이다.
도 6은 일실시예에 따른 임피던스 매칭을 위한 간략 회로도이다.
도 7은 일실시예에 따라 복수의 선박 인터폰이 설치된 선박 전체의 모습을 도시한다.
도 8은 일실시예에 따른 선박 인터폰의 상세 모습을 도시한다.
도 9는 일실시예에 따른 선박 인터폰이 선실 내 격벽에 부착되어 있는 모습을 도시한다.

이하에서, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 권리범위는 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.

또한 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.

선박 인터폰 장치의 구성

실시예들에 따른 선박 인터폰 장치는 음성을 입출력 하는 입출력부(또는 송수화기도 가능하다)와, 상기 음성을 처리하는 송수신 회로부 및 아래에서 제안하는 통신방식으로 신호를 송수신하는 안테나를 포함한다. 기존에는 음성 데이터 또는 전기적 신호를 전송하는 과정이, 유선통신 또는 RF 방식의 무선통신 등에 의해 이루어졌다. 그러나 실시예들에 따르면 선박의 선체를 통신의 매질로 하는 금속체 통신 (또는 자기장 통신)에 의해 일측에서 타측으로 음성 데이터 또는 전기적 신호가 전송된다. 나아가, 일측의 송신단에서는 공급 전력을 타측의 수신단으로 보내어, 선박 인터폰 장치의 동작 전력을 전달할 수 있다.

일실시예에 따른 선박 인터폰 장치는 선박용 원거리 비상 통화에 적용이 가능하다. 그러나 이는 예시적 응용의 하나에 불과하며, 다른 형태의 제품도 가능하다. 음성 통신을 수행하는 인터폰뿐만 아니라 화상 영상 통화 또는 문자메시지 등의 다양한 통신에도 응용이 가능하다.

일실시예에 따른 선박 인터폰 장치는, 음성을 입출력하는 입출력부와, 상기 음성을 인코딩하고 변조하여 제1 신호(전기적 및/또는 자기적 신호를 의미한다, 이하 같다)를 제공하는 송수신 회로부를 포함한다. 또한, 장치는 상기 선박의 금속 선체에 부착되고, 상기 금속 선체에 전자기장을 형성시키고, 상기 송수신 회로부로부터 받은 상기 제1 신호를 상기 전자기장에 실어서 전파하는 안테나를 포함한다. 안테나부의 구성은 도 3 내지 도 4를 참조하여 보다 상세히 후술한다.

일실시예에 따르면 인터폰 장치는 상기 입출력부가 금속체 통신을 이용하여 선체를 통해 보내는 신호를 받아서 처리한다. 인터폰 장치는, 상기 선박의 금속 선체의 제1 위치에 부착되는 안테나를 포함한다. 이 안테나는, 상기 선량의 금속 선체의 제2 위치에 부착된 상기 인터폰 장치 쪽의 안테나가 상기 금속 선체에 전자기장을 형성시키고 상기 음성에 대응하는 제1 신호를 상기 전자기장에 실어서 전파하면, 이 제1 신호를 수신한다. 인터폰 장치는 상기 제1 신호를 변조 및 복호화 하여 상기 음성으로 제공하는 송수신 회로부도 포함한다.

그러면, 금속 선체를 통해 음성이 전송될 수 있는 원리를 도 1을 참조하여 먼저 설명한다. 도 1은 일실시예에 따라 금속 선체를 통해 음성이 전송되는 원리를 설명하는 개요도이다. 도시된 예에서 금속 매질(101)은 예시적으로 선체의 강판이나 프레임 구조 등일 수 있다. 금속 매질(101)이 자성체인 경우와 반자성체인 경우로 나누어 설명한다.

금속 매질이 자성체인 경우

제1 안테나(110)의 전도성 레이어들이 유전체 레이어에 전자기장을 형성 시킨다. 그러면, 이 전자기장 에 의해 전파매체인 금속 매질(101)에 자기장이 도미넌트(dominant)한 전자기장이 형성 된다. 생성 된 전자기장 중 전기장 E1이 안테나(110)의 개구면을 통해 금속 매질(101)으로 직각방향으로 전파해 나간다. 전파된 전기장 E1은 금속 매질(101) 내에 자기장이 도미넌트한 전자기장 B를 형성 시킨다.

그러면, 가역성 이론에 의해 유사한 구조와 원리로 수신부 측의 제2 안테나(120)가 금속 매질(101)내에 형성된 전자기장으로부터 에너지를 받아 들인다. 이러한 과정은 자기장이 도미넌트한 전자기장 B의 변화가, 안테나(120)의 개구면을 통해 전기장이 도미넌트한 전자기장 E2로 유전층에서 전달된다.

이러한 금속체 통신에서는 자기장이 도미넌트하기 때문에 금속 매질(101)의 형태와 크기가 변화 해도 임피던스의 변화가 작다. 또한 금속 매질(101)은 투자율이 공기(air)보다 크므로 전파 전달 효율이 공기중으로 전파 되는 통신 시스템보다 우수하다.

예를 들면, 강철은 투자율이 약 2000, 순철은 약 4000~5000 인데, 이는 공기의 투자율 보다 각각 약 2000배, 약 4000~5000배 크다는 의미이다. 이 의미는 자성체 내 에서의 자기장의 전파는 공기 중 보다 매우 강하게 전파 가능 하다는 것이고, 공기중에서의 전파 보다 훨씬 더 멀리 전파 가능하다는 의미이다. 따라서 공기중을 통한 자기장 통신 보다 자성체인 금속 매질(101)을 통한 통신이 거리가 더 멀리 나갈 수 있다는 의미 이다. 자기장이 도미넌트한 전자기장을 형성 시키기 위해서는, 공진부 및 회로부에서 일정 크기의 전기장이 금속체 내부에 형성 되도록 공진부 및 회로부를 설계 해야 한다.

한편, 투자율이 높은 금속 매질인 경우, 전파 효율은 증가 하게 되며 작동 주파수의 파장 크기에 따라 전달거리가 달라진다. 금속 매질(101)에 형성 된 전자기장으로 인해 금속 매질로부터 일정 거리 떨어진 공진기로도 에너지 전달이 가능하다. 금속 매질(101)에 형성된 전자기장은 자기장이 도미넌트하므로 이로 인해 금속 매질(101)로부터 전기장이 방사 되므로 작동 주파수에 공진 되는 안테나가 금속 매질(101)로부터 일정 거리내에 있을 경우 에너지 수신이 가능하다.

안테나(110 또는 120)의 유전층의 유전체는 공진부의 두께 및 크기를 소형화 시킬 수 있으며, 금속 매질(101)에 자기장이 도미넌트한 전자기장 B를 형성시켜 충분한 에너지가 전달되도록 한다.

금속 매질이 상자성체, 반자성체인 경우

전도성 레이어 쪽에 급전된 전류는 금속 매질(101)에서 전기장이 도미넌트한 전자기장 E1을 형성한다. 이때 개구면으로부터 방사되는 전기장은 금속 매질(101) 내에 자기장이 도미넌트한 전자기장 B를 형성 시키지 못한다. 이것은 상자성체와 반자성체는 투자율이 공기와 비슷하기 때문이다. 따라서 상자성체나 반자성체의 금속 매질(101)은 강자성체의 경우와 같이 공기중에서의 자기장의 전파가 더 강하지 않고 비슷한 크기로 전파 된다. 다시 말해, 공기 중이나 금속체 내부에서나 전파 되는 거리가 비슷한 것이다.

강자성체인 순철의 경우 투자율이 4000 ~ 5000이나, 상자성체인 알루미늄이나 반자성체인 은은 투자율이 약 1.0으로 금속체 내부에서의 자기장 전파의 강도가 다르다. 따라서, 이 경우에는 안테나의 전도성 레이어 중 금속 매질(101)에 접하는 레이어로부터 금속 매질(101)로 유기된 전류에 의해 수신기로 신호가 전파 된다. 이때 개구면에서 방사된 전기장이 금속체에 유기 되고 이것에 의해서 신호 또는 전력이 전송 된다.

안테나 파트의 구조

도 2는 일실시예에 따른 안테나부(210)와 송수신 회로부(220)를 도시한다. 안테나(210)는 도시된 예에서 개구면을 포함하며 금속 매질에 면하게 될 전도성 재질의 제1 레이어, 제1 레이어의 반대면에 배치되는 전도성 재질의 제2 레이어, 및 상기 제1 레이어와 상기 제2 레이어 사이에 포함되는 유전체 재질의 제3 레이어를 포함한다.

도 3을 함께 참조한다. 도 3은 일실시예에 따른 안테나부(300)의 평면도이다. 예시적으로, 그러나 한정되지 않게, 상기 제1 레이어 및/또는 제2 레이어는 3 X 3 배열을 갖는 9개의 개구부(310)를 포함할 수 있다. 그러나 개구면의 개수는 응용에 따라, 또한 통신 환경에 따라 다르게 결정될 수 있다. 따라서 제1 레이어와 제2 레이어는 하나 또는 복수의 개구면을 가질 수도 있으나, 경우에 따라서는 개구면을 갖지 않을 수도 있다. 개구면의 형태는 원형 또는 다각형이 될 수 있고, 그 크기는 금속 매질에 자기장이 도미넌트한 전자기장을 형성시켜 충분한 에너지가 전달되도록 결정된다.

각 레이어의 두께는 파장과 스킨 뎁스(skin depth)를 고려해 금속 매질에 자기장이 도미넌트한 전자기장을 형성시켜 충분한 에너지가 전달되도록 결정된다. 제1레이어나 제2레이어에는 전기적 특성이 다른 또 다른 레이어(들)가 제3레이어의 반대 방향으로 추가 할 수 있다. 예를 들어, 제1 레이어 윗층에 다른 유전층을 추가 하여 강한 전자기장의 형성을 유도 할 수 있다. 또 다른 예에서는 부도체를 제1 레이어 윗층에 추가 하여 금속 매질과의 전기적 연결을 방지 할 수 있다.

제1 레이어와 제2 레이어의 중간층인 제3레이어는 유전체 또는 부도체로 구성 될 수 있다. 예시적으로 그러나 한정되지 않게 제3 레이어는 탄소섬유, 아크릴 및 폴리카보네이트 중 적어도 하나의 재질을 포함할 수 있다. 그러나 패인트(도료), 종이, 고분자수지 필름 등 다른 재질을 포함할 수도 있다. 또한 제3레이어는 특성이 다른 여러 층, 복수의 유전체 또는 부도체를 포함 할 수 있다. 두 개 이상의 유전체 층을 갖는 예시적 안테나 구성이 도 4에 도시되었다. 도 4는 다른 일실시예에 따른 안테나부의 측면도이다. 도시된 실시예에서는, 구리와 같은 전도성 레이어들(410, 430, 450) 사이에 유전체 층(420 및 440)이 배치되었다. 이렇게 유전층의 개수, 그 두께 등은 응용이나 통신 환경에 따라 설계 변경될 사항이며, 구체적인 스펙은 금속 매질에 자기장이 도미넌트한 전자기장을 형성시키기 충분한 에너지가 전달되도록 결정된다.

이상에서는 기본적으로 도파관 안테나의 예를 들어 설명 하였으나 금속체 내에 자기장이 지배적인 전자기장을 형성 시켜 주는 구조의 공진부를 설계 하면 다른 안테나 형태도 가능하다. 예를 들어, 패치 안테나, 혼 안테나 등이 사용 될 수 있다.

추가적인 자기장 유도의 예시

한편, 금속 매질(101)에 강자성체를 미리 부착 하여 금속체에 강한 자기장을 유도 시킬 수도 있다. 예를 들어, 제1 레이어 위에 유전체 또는 부도체를 부착 하고 그 위에 강자성체를 부착 한다. 그리고 이를 금속 매질에 올려 놓는다.

그러면 부착된 강자성체가 강한 자기장 형성 하고 이것이 금속 매질에 자기장을 유기 시키게 되어 직접 금속체 내에 자기장을 유기 시키는 것보다 더 강한 자기장을 형성 하게 된다. 만약 부착된 강자성체가 100,000 ~ 200,000 정도의 투자율을 갖는 정제철 이나 뮤합금이라면 훨씬 더 강한 자기장이 금속체에 형성 될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서는, 강자성체에 코일을 감고 강자성체내에 자기장을 발생 시키면서 이를 금속체에 부착하는 방법도 가능하다.

송수신 회로부

다시 도 2를 참조한다. 송수신 회로부(220)는 공진부인 안테나(210)에서 송수신되는 신호를 의미 있는 신호로 변환 해 주는 회로장치이다. 송신을 위한 회로와 수신을 위한 회로로 구분되어 있다. 송신회로부는 회로를 구동하거나 공진부에 충분한 파워를 공급하기 위한 전력 공급 회로가 포함 되고 이를 위한 배터리가 포함 될 수 있다. 송신회로는 일반적인 무선 통신의 송신 시스템의 구조와 유사 하지만 공진부가 충분한 전력을 방사 하기 위한 회로가 추가적으로 필요한 경우가 있다. 예를 들면 파워앰프(Power amp.), AGC(automatic gain controller) 등이 필요할 수 있다. 수신부는 일반적인 무선 통신 시스템의 수신부와 유사한 구조를 가지고 있다.

사용 주파수

통신을 위해 사용되는 주파수는 특별한 제한이 없으나, 전송되는 데이터의 특성, 통신 환경 등에 따라 최적의 주파수가 선택되는 것은 가능하다. 몇몇 주파수에 대해 안테나 크기(도 3의 도시 예에서 안테나부 300의 한 변 길이) 관계가 아래 표에 제시되어 있다.

동작 파워

영상 통신은 아니지만, 음성 통신(무전기)에 대해서 27MHz 대역에서 송수신 파워를 테스트 한 바 있다. 해당 테스트의 환경은 아래와 같다.

대기 전력 : 1.794 W (안테나 크기 무관)

송신전력

- 안테나 크기 150mm x 150 mm : 22.08 W

- 안테나 크기 100mm x 100 mm : 21.39 W

- 안테나 크기 60 mm x 60mm : 10.35 W

수신전력

- 안테나 크기 150mm x 150 mm : 2.76 W

- 안테나 크기 100mm x 100 mm : 3.45 W

- 안테나 크기 60 mm x 60mm : 6.21 W

이 테스트에서 무전기 회로를 통해 테스터로 측정한 전격 전압은 13.8V 였고, 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리는 대략 1미터 정도였다.

이 경우에 측정된 전류는 아래와 같다.

측정된 전류는 음성 신호 레벨에 따라 바뀌었으며, 측정된 전류 값은 평균 값이다.

전력의 전송

한편, 실시예에 따르면 데이터 통신뿐만 아니라 전력의 송수신도 가능하다. 신호를 보내는 것과 유사하게 전력을 보내므로, 송전기 또는 수전기라고 하기도 한다. 송전기의 송전회부로는 전력 파워 아웃렛(power outlet) 에서 나오는 DC를 아날로그 또는 RF 신호로 바꿔주고, 바뀐 전력이 송전공진부(신호 전송에서의 안테나와 같음, 이하 동일)를 통해 송전한다.

수전기의 수전회로부(신호 수신에서의 안테나와 같음, 이하 동일)는 송전기의 송전공진부를 통해 방사된 아날로그 또는 RF 신호를 수전기의 수전공진부를 통해 수전하고 수전된 아날로그 또는 RF 신호를 수전회로에서 DC로 변환 시켜 필요로 하는 회로에 전력을 공급한다. 필요하다면 부가적으로 필요로 하는 전압으로 컨버팅(DC-DC 컨버터) 하여 공급 할 수 있다. 또한 수전기에 배터리가 있는 경우 배터리를 충전 시키는 것도 가능하며 배터리를 충전 시키며 동시에 필요로 하는 회로에 전력을 공급 하는 것도 가능하다.

선박용 인터폰 시스템의 예시

도 5는 일실시예에 따르면 전체 시스템 구성의 예시적 블록도이다. 일실시예에 따른 선박용 인터폰 시스템은, 크게 임피던스 매칭부(510), 마이크로 처리장치(Micro Controller Unit, 520) 및 입출력부(530)로 구성될 수 있다.

상기 임피던스 매칭부(510)는 금속체 통신 안테나(511)와 자동 제어 파워 앰프(512) 및 전류 센싱부(513)로 구성되며, 전류 센싱부(513)는 임피던스 변환(514)을 위한 전류 센싱(513)을 수행한다. 상기 입출력부(530)는 오디오 증폭기(Amplifier, 531), 전류 센싱부(532), 스피커 및 마이크로 구성될 수 있다.

구체적으로 살펴보면, 전류 센싱부(532)는 오디오 증폭기(531)의 전류를 센싱(532)하여 전류 값을 마이크로 처리장치(520)로 전달한다. 상기 마이크로 처리장치(520)는 센싱되는 전류를 기반으로 하여 금속체 통신 안테나(511)의 임피던스를 적응적으로 변환(514)한다. 또한 상기 전류 센싱부(513)는 자동 제어 선체에 흐르는 전류의 변화량을 지속적으로 센싱하여 상기 마이크로 처리장치(520)로 피드백 한다. 전류 변화량을 피드백함에 따라 상기 마이크로 처리장치(520)는 자동 제어 파워 앰프(512)의 게인(gain)을 조절하고, 금속체 통신 안테나(511)의 임피던스를 적응적으로 변환(514)한다.

예를 들어 오디오 증폭기(531)의 전류는 일정하나 상기 선체에 흐르는 전류가 변화하는 경우에, 송수신단의 임피던스가 서로 대응하도록 적응적으로 임피던스를 변환(514)한다. 전류 센싱부(513)는 선박의 격벽 간 거리, 두께, 구조 변화 등에 따른 다양한 임피던스의 변화를 감지하기 위함이다. 상기 방법을 통해, 송신단 임피던스와 수신단의 임피던스를 일치시켜 통신 효율을 높인다. 적응적 임피던스 변환(514) 방법에 대하여는 도 6에서 구체적으로 살펴본다.

마이크로 처리장치(520)는 배터리(Battery)로 전력을 공급받을 수 있다. 전력을 공급받기 전에 레귤레이터(Regulator)에 의해 조절되는 전력을 공급받을 수도 있다. 상기 배터리는 선박 내부에 존재하는 배터리 또는 선박의 별도 전원일 수 있다. 상기 레귤레이터는 전력을 LCD 컨트롤러, 마이크로 처리장치 및 오디오 증폭기로 공급할 수 있다.

임피던스 매칭의 예시

도 6은 일실시예에 따른 임피던스 매칭을 위한 간략 회로도이다. 마이크로 처리장치(MCU)는 임피던스 매칭을 위해 복수의 커패시터(C₁ 내지 C_n) 및 트랜지스터(TR₁ 내지 TR_n)를 이용한다. 이하에서는 예시적으로 커패시터 및 트랜지스터를 이용하였으나, 다이오드 등 다른 전자 소자를 이용하여 구성할 수 있다.

복수의 캐패시터는 RF 단자와 안테나 사이에 연결된다. 복수의 트랜지스터는 각각의 캐패시터와 RF단자 사이에 소스가 연결되고, 드레인은 그라운드(ground)에 연결된다. 또한 게이트는 마이크로 처리장치에 연결된다.

복수의 트랜지스터는 상기 마이크로 처리장치(MCU)와 연결되어 캐패시터의 온/오프를 제어하는 스위치 역할을 수행한다. 상기 마이크로 처리장치는 상기 복수의 트랜지스터의 게이트 단자 전압을 조절하여 제어한다.

먼저 선체에 흐르는 전류의 변화량을 측정한다. 예시적으로 측정되는 전류의 변화량이 10mA인 경우에 ADC(Analog Digital Converter) 전압 5mV로 정한다. 상기 전압 레벨에 따라 온 또는 오프(on/off)할 트랜지스터를 선택(selection)한다. 상기 선택에 따라 트랜지스터를 온 또는 오프(on/off)하여 임피던스(impedance)를 조절할 수 있다. 구체적인 예시는 아래의 표1을 참고한다.

ADC 전압	Selection	TR₁	TR₂	TR₃	_...	TR_n
5 mV	Sel 1	On	Off	Off	...	Off
10 mV	Sel 2	Off	On	Off	...	Off
15 mV	Sel 3	Off	Off	On	...	Off
20 mV	Sel 4	On	On	Off	...	Off
25 mV	Sel 5	Off	On	On	...	Off
30mV	Sel 6	Off	Off	On	...	Off
...	Sel n	On	On	On	...	On

상기 표 3에서는 5mV 단위의 ADC 전압에 따라 트랜지스터를 온 오프 하는 경우의 수를 나열하였다. 이는 예시적일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며 임피던스를 대응되도록 매칭하는 다른 방법도 가능하다. 임피던스 매칭에 있어서 표 3과 같은 룩업 테이블을 이용하여 매칭할 수도 있고, 매 순간 전류 값에 의한 임피던스를 계산하여 매칭시키는 방법도 가능하다.

인터폰 설치 후 선박 모습

도 7은 일실시예에 따라 복수의 선박 인터폰이 설치된 선박 전체의 모습을 도시한다. 도 7에는 선박(700)과 선박 인터폰(710, 720)이 나타난다.

예시적으로 상기 선박(700)의 가장 낮은 곳에 제1 인터폰(710)이 존재하고 위 쪽 선실에 제2 인터폰(720)이 존재하는 경우에 종래에는 각 인터폰이 유선으로 연결되어야 했다. 철제 선박의 특성상 격벽에 막혀 기존의 무선 통신이 불가능 하기 때문에 철제 격벽에 구멍을 뚫고 유선으로 제1 인터폰(710)부터 제2 인터폰(720)까지 연결한다. 대형 선박의 경우에는 연결거리가 수백 미터에 이르기 때문에 유선 연결에 비용이 많이 들고 중간에 단선될 우려도 존재한다.

제안되는 인터폰을 사용하는 경우에는 제1 인터폰(710)부터 제2 인터폰(720)까지 금속으로 연결이 되어 있기만 하다면 통신이 가능하다. 구체적인 금속체를 이용한 통신 방법은 도 1 내지 도 4에서 설명하였다. 따라서 상기 제1 인터폰(710)부터 상기 제2 인터폰(720)까지 철제 격벽으로 연결되어 있기 때문에 별도의 유선 연결 없이 통신이 가능하게 된다.

상기 예시에서는 특정 위치에 각 인터폰을 부착하였으나, 이에 한정되지 않고 금속체가 연결되어 있기만 하다면 선박(700)의 어느 위치에 부착되어도 무선 통신이 가능하다. 따라서 특정 위치에 고정되어 있는 것이 아니라 인터폰을 휴대하고 다니면서 필요시 금속 벽면에 부착하여 사용하는 형태도 가능하다.

인터폰의 상세 모습

도 8은 일실시예에 따른 선박 인터폰의 상세 모습을 도시한다. 상기 선박 인터폰(800)은 LCD표시부(810), 버튼부(820), 입출력부(830) 및 안테나(840)로 구성될 수 있다.

상기 LCD 표시부(810)는 발신자 정보, 현재시각, 인터폰의 위치 등에 대한 다양한 정보를 표시할 수 있으며 상기 예시에 한정되지 않고 선박 상태에 관한 어떠한 정보를 표시할 수 있다.

상기 버튼부(820)는 다른 인터폰과 연결시 번호를 누를 수 있도록 숫자 패드가 구성되어 있고, 필요에 따라서는 화재 경보 버튼, 누수 경보 버튼, 비상사태 알림 버튼 등을 추가로 포함할 수 있다.

상기 입출력부(830)는 사용자가 자신의 음성을 입력하는 입력부(또는 마이크)와 상대방의 음성을 출력하는 출력부(또는 스피커)를 포함한다. 상기 입출력부를 이용하여 사용자는 상대방과 통화를 할 수 있다. 경우에 따라서는 이에 응용하여 영상통화를 위한 카메라를 더 포함할 수도 있다.

마지막으로 상기 안테나(840)는 도 3에서 개시되는 형태로 구성될 수 있다. 상기 안테나(840)는 선박의 일면에 부착되어 상기 선박의 다른 일면에 부착되어 있는 인터폰과 통신할 수 있다.

인터폰이 설치 된 격실 모습

도 9는 일실시예에 따른 선박 인터폰이 선실 내 격벽에 부착되어 있는 모습을 도시한다. 격실(900)의 임의의 벽면에 부착되어 있는 선박 인터폰(910)을 도시한다.

상기 격실(900)은 도 7에서 살펴본 것과 같이 선박 내에 존재하는 금속 벽으로 둘러싸인 임의의 방을 의미한다. 상기 격실의 내부 임의의 위치에 상기 선박 인터폰(910)이 부착될 수 있다.

추가적인 실시예

위 예시들에서는 인터폰을 이용하여 선박 내에서 음성을 송수신 하는 인터폰을 중심으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 데이터를 송수신 하는 중계기도 가능하다.

보다 구체적으로 데이터 입출력부, 송수신 회로부, 안테나 및 제어부를 포함하는 중계기를 구성할 수 있다. 상기 중계기는 인터폰과 마찬가지 방식으로 금속체 무선 통신을 수행하며, 제어부가 임피던스 매칭을 수행한다. 데이터를 송수신 함에 있어서도 임피던스 매칭을 통해 통신효율 또는 감도를 향상시킬 수 있다.

상기 데이터 통신을 통해 전송할 수 있는 구체적인 예시를 예시도 존재한다. 예시적으로 사진 또는 동영상 파일을 전송하는 시스템도 가능하다. 상기 선박에 설치되어 사용되는 인터폰 장치에 영상 입출력부를 추가적으로 포함하는 경우에는 사진 또는 동영상 파일도 전송할 수 있다. 구체적으로 카메라를 통해 사진 또는 동영상을 입력받고, 디스플레이부를 통해 사진 또는 동영상을 출력할 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면 선박의 특정 격실 내부에서 노트북, 컴퓨터, 스마트폰 등 무선통신 기기들을 사용하는 경우에도 상기 중계기를 통해 격실 외부로의 통신이 가능할 수 있다. 격벽 내부에 제안되는 방식의 안테나를 부착하고, 선체 외부에 상기 안테나와 외부망을 연결하는 경우 외부로의 통신도 가능하다.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims

선박에 설치되어 사용되는 인터폰 장치에 있어서,
음성을 입력 받거나 출력하는 입출력부;
상기 입출력부로부터 상기 음성을 수신하여 인코딩하고 변조하여 제1 신호를 제공하는 송수신 회로부;
상기 선박의 금속 선체에 부착되고, 상기 금속 선체에 전자기장을 형성시키고, 상기 송수신 회로부로부터 받은 상기 제1 신호를 상기 전자기장에 실어서 전파하는 안테나;
상기 선체에 흐르는 전류의 변화량을 센싱하는 전류 센싱부; 및
상기 전류 센싱부에 의해 센싱되는 전류의 변화량에 따라 상기 안테나의 임피던스를 피드백하여 수신단의 임피던스와 대응하도록 조절하는 제어부
를 포함하는 인터폰 장치.
제1항에 있어서,
상기 안테나는:
전도성 물질로 구성되고, 상기 선체에 면하는 적어도 하나의 개구부를 포함하는 제1 레이어;
전도성 물질로 구성되고, 상기 제1 레이어에 인접하는 제2 레이어; 및
유전물질로 구성되고, 상기 제1 레이어와 상기 제2 레이어 사이에 배치되어 상기 제1 신호를 상기 전자기장에 싣도록 상기 선체와 전자기파 교환을 하는 제3 레이어
를 포함하는 인터폰 장치.
제2항에 있어서,
상기 제1 레이어는 3 X 3 배열을 갖는 9개의 개구부를 포함하는 인터폰 장치.
제1항에 있어서,
상기 안테나는 상기 선체를 통해 전달되는 전자기파로부터 전력을 수신하여 상기 송수신 회로부에 제공하고, 상기 송수신 회로부는 컨버터를 통해 상기 입출력부로 전력을 공급하는 인터폰 장치.
제2항에 있어서,
상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어 중 적어도 하나는 구리 재질을 포함하는 인터폰 장치.
제2항에 있어서,
상기 제3 레이어는 탄소섬유, 아크릴 및 폴리카보네이트 중 적어도 하나의 재질을 포함하는 인터폰 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 센싱되는 전류 값과 미리 계산되는 표를 이용하여 상기 안테나의 임피던스를 조절하는 인터폰 장치.
선박에 설치된 입출력부로부터 음성을 수신하는 인터폰 장치에 있어서,
상기 선박의 금속 선체의 제1 위치에 부착되고, 상기 선박의 금속 선체의 제2 위치에 부착된 입력부 쪽 안테나가 상기 금속 선체에 전자기장을 형성시키고 상기 음성에 대응하는 제1 신호를 상기 전자기장에 실어서 전파하는 경우, 상기 제1 신호를 수신하는 안테나;
상기 제1 신호를 변조 및 복호화 하여 상기 음성으로 제공하는 송수신 회로부;
상기 선체에 흐르는 전류의 변화량을 센싱하는 전류 센싱부; 및
상기 전류 센싱부에 의해 센싱되는 전류의 변화량에 따라 상기 안테나의 임피던스를 피드백하여 송신단의 임피던스와 대응하도록 조절하는 제어부
를 포함하는 인터폰 장치.
제9항에 있어서,
상기 안테나는:
전도성 물질로 구성되고, 상기 선체에 면하는 적어도 하나의 개구부를 포함하는 제1 레이어;
전도성 물질로 구성되고, 상기 제1 레이어에 인접하는 제2 레이어; 및
유전물질로 구성되고, 상기 제1 레이어와 상기 제2 레이어 사이에 배치되어 상기 선체와 전자기파 교환을 함으로써 상기 제1 신호를 수신하는 제3 레이어
를 포함하는 인터폰 장치.
제10항에 있어서,
상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어 중 적어도 하나는 구리 재질을 포함하는 인터폰 장치.
제10항에 있어서,
상기 제3 레이어는 탄소섬유, 아크릴 및 폴리카보네이트 중 적어도 하나의 재질을 포함하는 인터폰 장치.
제9항에 있어서,
상기 선박의 배터리 또는 선박의 전원으로부터의 공급 전력이 컨버팅 되어 상기 제1 신호를 수신하는 안테나로 전달되는 경우, 상기 송수신 회로부는 상기 전력을 상기 안테나에 전달하고, 상기 안테나는 상기 금속 선체에 전자기장을 형성시켜 상기 인터폰 쪽 안테나로 상기 전력을 전파하는 인터폰 장치.
삭제
제9항에 있어서,
상기 제어부는 센싱한 전류 값과 미리 계산되는 표를 이용하여 상기 안테나의 임피던스를 조절하는 인터폰 장치.
선박에 설치되어 사용되는 중계기에 있어서,
데이터를 입력 받거나 출력하는 입출력부;
상기 입출력부로부터 상기 데이터를 수신하여 인코딩하고 변조하여 제1 신호를 제공하는 송수신 회로부;
상기 선박의 금속 선체에 부착되고, 상기 금속 선체에 전자기장을 형성시키고, 상기 송수신 회로부로부터 받은 상기 제1 신호를 상기 전자기장에 실어서 전파하는 안테나;
상기 선체에 흐르는 전류의 변화량을 센싱하는 전류 센싱부; 및
상기 전류 센싱부에 의해 센싱되는 전류의 변화량에 따라 상기 안테나의 임피던스를 피드백하여 수신단의 임피던스와 대응하도록 조절하는 제어부
를 포함하는 중계기.
선박에 설치된 입출력부로부터 데이터를 수신하는 중계기에 있어서,
상기 선박의 금속 선체의 제1 위치에 부착되고, 상기 선박의 금속 선체의 제2 위치에 부착된 입력부 쪽 안테나가 상기 금속 선체에 전자기장을 형성시키고 상기 데이터에 대응하는 제1 신호를 상기 전자기장에 실어서 전파하는 경우, 상기 제1 신호를 수신하는 안테나;
상기 제1 신호를 변조 및 복호화 하여 상기 데이터로 제공하는 송수신 회로부;
상기 선체에 흐르는 전류의 변화량을 센싱하는 전류 센싱부; 및
상기 전류 센싱부에 의해 센싱되는 전류의 변화량에 따라 상기 안테나의 임피던스를 피드백하여 송신단의 임피던스와 대응하도록 조절하는 제어부
를 포함하는 중계기.
선박에 설치되어 사용되는 전력전송 장치에 있어서,
상기 선박의 금속 선체에 부착되고, 상기 금속 선체에 전자기장을 형성시키고, 전력을 상기 전자기장에 실어서 전파하는 안테나;
상기 선체에 흐르는 전류의 변화량을 센싱하는 전류 센싱부; 및
상기 전류 센싱부에 의해 센싱되는 전류의 변화량에 따라 상기 안테나의 임피던스를 피드백하여 수신단의 임피던스와 대응하도록 조절하는 제어부
를 포함하는 전력전송 장치.
선박에 설치되어 사용되는 전력수신 장치에 있어서,
상기 선박의 금속 선체의 제1 위치에 부착되고, 상기 선박의 금속 선체의 제2 위치에 부착된 전력전송 장치 쪽 안테나가 상기 금속 선체에 전자기장을 형성시키고 전력을 상기 전자기장에 실어서 전파하는 경우, 상기 전력을 수신하는 안테나;
상기 선체에 흐르는 전류의 변화량을 센싱하는 전류 센싱부; 및
상기 전류 센싱부에 의해 센싱되는 전류의 변화량에 따라 상기 안테나의 임피던스를 피드백하여 송신단의 임피던스와 대응하도록 조절하는 제어부
를 포함하는 전력수신 장치.