KR20020041669A - 수동 적외선 센서를 이용한 인체 감지 시스템 및 그의감지 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지능형 수동 적외선 센서를 이용한 인체 감지 시스템 및 그의 감지 방법에 관한 것이다. 여기에 개시되는 인체 감지 시스템은 신규한 프로세서와 아날로그 디지털 컨버터 및 온도 측정 회로를 포함한다. 그리고 인체 감지 시스템은 미러(또는 렌즈)와 적외선 센서와 앰프 및 필터를 포함한다. 온도 측정 회로는 적외선 센서의 주위 온도를 측정한다. 그리고 측정된 신호를 아날로그 디지털 컨버터로 출력한다. 아날로그 디지털 컨버터는 필터 및 온도 측정 회로로부터 아날로그 신호를 받아서 디지털 신호로 변환하여 출력한다. 그리고 프로세서는 아날로그 디지털 컨버터에 의해서 변환된 디지털 신호에 대한 각종 데이터들을 저장하고, 일정 시간 동안에 신호에 대한 평균값, 분산, 빈번도수, 최대 및 최소값, 순간 기울기 및 평균 기울기 등의 샘플링 변수들을 계산, 저장한다. 그리고 상기 온도 측정 회로로부터 입력된 주위 온도에 대한 보상을 처리하여 유형별로 분류하고 분석함으로써, 신호원의 종류를 판별하여 인체 유무를 정확히 결정한다. 따라서 본 발명의 인체 감지 시스템은 고주파 노이즈, 급격한 주위 온도 변화 등의 환경적 요인과 각종 동물들에 의한 오동작을 방지함으로써 정확한 인체 감지를 수행할 수 있다.

Description

수동 적외선 센서를 이용한 인체 감지 시스템 및 그의 감지 방법{INTRUDER DECTECTION SYSTEM USING PASSIVE INFRARED DETECTOR AND SENSING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 센서 시스템에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 수동 적외선 센서를 이용한 인체 감지 시스템 및 그의 감지 방법에 관한 것이다.

일반적으로 무인 인체 감지 시스템 즉, 센서 시스템은 적외선 센서를 이용하여 그 신호의 변화를 검출하고, 인체의 유무를 판별한다. 센서 시스템은 적외선 센서의 동작 원리에 따라 능동형과 수동형으로 나뉜다. 능동형의 센서 시스템은 일정 장소, 일정 방향으로 고정된 장소에 수광기와 투광기를 각각 설치하고, 투광기에서 나오는 적외선을 수광기가 받고 있다가 두 장치 사이에 물체가 들어오면,적외선이 차단되어 경보를 발생한다. 그리고 수동형의 센서 시스템은 넓은 시야각을 가진 초전형 적외선 센서를 구비하고, 그 적외선 센서의 시야각 안에 물체(예를 들어, 인체 또는 동물 등)가 접근하게 되면, 물체에서 발산하는 적외선을 검출하여 경보를 발생시킨다.

따라서 본 발명은 수동형 적외선 센서 시스템에 관한 것으로, 본 출원인에 의해서 기출원된 국내 특허 출원 번호 제 10-2000-0008099 호(2000년 02월 21일)의 "지능형 수동 적외선 감지기"에 대한 개량 특허로, 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러와 온도 측정 회로를 이용하여 동물과 인체를 정확히 판별하고, 환경요인에 따른 오동작을 방지하기 위한 인체 감지 시스템 및 그의 감지 방법에 관한 것이다.

다시 수동형 센서 시스템을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

먼저 인간의 체온은 36 ~ 37 ℃ 이므로 인간은 9 ~ 10 ㎛의 피크를 갖는 원적외선을 방사한다. 그리고 이를 검출하기 위한 적외선 센서로는 열형과 양자형이 있다. 열형은 상온에서 동작하고 파장의 의존성은 없으나, 감도가 낮으며 응답이 늦는 단점이 있다. 그리고 양자형은 감도가 크고 응답이 빠르나, 액체 질소 등의 냉각 물질을 사용해야 하며 또한 파장의 의존성이 있는 단점이 있다. 따라서 인체를 감지하기 위한 보안 시스템용으로는 가격이 싸고 경박 단소한 성질이 요구되는 바, 양자형 센서보다는 열형 센서가 널리 사용되고 있는 실정이다. 열형 소자는 예를 들어, 더어미스터 블로미터, 서모파일, 초전형 소자 등이 대표적이며, 보안 시스템용으로는 초전형 소자가 널리 사용된다.

도 1은 종래 기술의 실시예에 따른 인체 감지 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.

도면을 참조하면, 상기 인체 감지 시스템(10)은 빛을 모으기 위한 미러(또는 렌즈)(12)와, 인체로부터 발산되는 신호를 감지하는 적외선 센서(14)와, 적외선 센서(14)의 출력 신호를 증폭하는 앰프(16)와, 증폭된 신호의 고주파 신호 성분을 제거하는 필터(18)와, 필터링된 신호와 기설정된 특정 기준 전압과 비교하여 출력하는 비교기(20) 및 비교기(20)의 출력 신호에 대응하여 인체가 검출되었을 경우, 경보 장치(미도시됨) 등으로 경보 신호를 발생시키기 위한 구동 회로(26)를 포함한다. 또한 경보 장치의 동작 시간을 설정하는 타이머 회로(24)를 포함한다. 여기서 상기 국내 특허 출원 번호 제 10-2000-0008099 호에 의한 센서 시스템은 상기 구동 회로로 마이크로컨트롤러를 사용하였다.

인체에서 방사되는 에너지는 매우 미약하기 때문에 환경 온도가 25 ℃인 경우 초전형 센서는 약 1 m 정도의 범위 이내를 감지한다. 그래서 집광을 위한 반사경이나 플라스틱 렌즈 등을 이용하여 인체로부터 방사되는 에너지를 집광해서 검출하는 방법이 사용된다. 예컨대, 렌즈는 약 5 ~ 15 m의 범위를 검출할 수 있다.

적외선 센서에서 출력되는 신호는 필터를 이용해서 고대역의 상용 주파수의 영향을 제거하기 위하여 15 ㎐ 주파수 대역과, 환경 온도 변화의 영향을 줄이기 위하여 0.2 ㎐ 주파수 대역에서 감쇠시키며, 이 때의 이득(gain)은 약 60 ㏈이다.

필터로부터 출력되는 신호는 비교기에서 기설정된 특정 기준 전압과 비교하고, 기준 전압보다 크면 타이머 회로에 설정된 시간동안 경보 장치(예를 들어, 차임, 버저, 자동 도어 또는 경보기 등)의 구동 회로를 동작시킨다.

도 2는 도 1에 도시된 초전형 적외선 센서의 회로도이다.

도면을 참조하면, 상기 초전형 적외선 센서(14)는 열형 센서로, 더어미스터 보로미터, 서모파일보다 감도가 높고 인체의 움직임을 포착하기에 적합한 장치이다.

상기 초전형 적외선 센서(14)는 한 쌍의 센서 전극을 구비하고 센서 전극 사이에 예컨대, 티탄산 지르콘산연계 세라믹(PZT)의 강유전체 세라믹 등을 사용하며, 고전압(예를 들어, 3 ㎸ ~ 수 ㎸/㎜)을 걸어서 분극한다. 이 처리에 의해서 소자 표면에 나타나는 (+) 전하와 (-) 전하는 공기 중의 역 전하를 갖는 부유 이온과 결합하여 전기적으로 중화된다. 따라서 소자의 표면 온도가 변화하면, 온도 변화에 따라 소자의 분극의 크기는 변화한다. 이 때문에 안정 상태에서의 전하의 중화 상태가 무너지고, 소자 표면 전하와 부유 이온 전하의 완화 시간이 다르기 때문에 전기적으로 불균형하게 되어 연결할 상대가 없는 전하가 발생된다. 이와 같이 온도 변화에 따라서 전하가 발생되는 현상을 초전 효과라 한다.

따라서 상기 초전형 적외선 센서(14)는 여러 가지 파장의 적외선이 입사되면, 윈도우의 광학 필터(미도시됨)에 의해서 필요한 적외선만을 통과시킨다. 이어서 소자 표면에 있는 열 흡수막에 의해서 필요한 적외선만을 통과시킨다. 그리고 소자의 표면 온도가 상승하게 되어 초전 효과가 발생되면, 표면 전하가 발생한다. 발생된 표면 전하는 FET로 전압 증폭하고 임피던스를 변환시킨다. 따라서 전원 입력 단자인 드레인(drain) 단자로부터 FET를 구동하기 위한 전압이 공급되면, 증폭된 신호는 외부에 접속된 출력 단자인 소스(source) 단자와 그라운드 단자인 어스(earth) 단자 사이의 저항(R_G,R_S)에서 바이어스 전압과 증첩해서 출력된다.

그러나 상기 초전형 소자(14)는 온도 변화에 대해서만 신호를 발생시키는 미분형 소자이므로, 인체가 움직이지 않는 경우에는 신호가 출력되지 않는다. 따라서 인체의 이동이 있는 경우는 그 변화량에 비례해서 신호를 출력하지만, 서서히 움직이는 경우에는 신호 출력량이 줄어 들게 되고, 인체가 정지해 있는 경우에는 인체가 없는 경우와 마찬가지로 신호를 출력하지 않는다. 그리고 태양광, 등의 외부 광에 의해서 오동작을 일으킬 수 있으며, 주위 환경의 온도 변화에 대한 오동작을 일으키기도 한다. 또한 인체와 비슷한 체온을 갖는 각종 동물들과 인체를 판별해 내는 능력이 부족하여 오동작의 원인이 되기도 한다.

따라서 종래의 인체 감지 시스템은 적외선 센서로부터 출력되는 신호의 순간적인 출력 파형의 크기만을 비교하여 인체를 감지함으로써, 열을 방사하는 물체(예를 들어, 동물 등)에도 오동작 경보를 발생시키는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 적외선 센서로부터 검출된 신호를 디지털화하여 인체 또는 동물에 따른 열원을 판단하고, 환경적 요인에 따른 오동작을 방지하기 위한 인체 감지 시스템 및 그 감지 방법을 구현하는데 있다.

도 1은 종래 기술의 실시예에 따른 인체 감지 시스템의 구성을 도시한 블럭도;

도 2는 도 1에 도시된 초전형 적외선 센서의 회로도;

도 3은 본 발명에 따른 인체 감지 시스템의 구성을 도시한 블럭도;

도 4는 본 발명에 따른 인체 감지 시스템의 동작 수순을 도시한 흐름도;

도 5는 도 4에 도시된 샘플링 수순을 상세히 도시한 흐름도;

도 6은 도 4에 도시된 신호 분석 수순을 상세히 도시한 흐름도;

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 환경적 요인에 따른 신호와 인간으로부터 출력되는 신호의 변화 속도에 의한 차이를 나타내는 파형도;

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 환경적 요인에 따른 신호와 인간으로부터 출력되는 신호의 온도 변화에 의한 차이를 나타내는 파형도;

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 인간과 동물으로부터 출력되는 신호의 차이를 나타내는 파형도;

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 파형의 샘플링 변수들의 특징을 설명하기위한 파형도;

도 11a 내지 도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 동물을 판단하기 위한 샘플링 데이터를 나타내는 도면; 그리고

도 12a 내지 도 12b는 본 발명의 실시예에 따른 인간을 판단하기 위한 샘플링 데이터를 나타내는 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

100 : 인체 감지 시스템112 : 미러

114 : 적외선 센서116 : 앰프

118 : 필터122 : 아날로그 디지털 컨버터

124 : 프로세서130 : 온도 측정 회로

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 의하면, 센서 시스템에 있어서: 신호원으로부터 적외선 신호를 받아서 전기적 신호로 변환하여 출력하는 적외선 센서와; 상기 전기적 신호를 받아서 전압을 증폭하여 출력하는 앰프와; 상기 증폭된 전기적 신호의 고주파 대역의 잡음을 제거하는 필터와; 상기 적외선 센서의 주위 온도에 대응하여 아날로그 신호를 출력하는 온도 측정 회로와; 상기 필터 및 상기 온도 측정 회로로부터 아날로그 신호를 받아서 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 컨버터 및; 상기 디지털 신호를 받아서 신호 특성에 따른 다수의 데이터들을 샘플링하여 저장하고, 일정 시간 동안에 상기 디지털 신호에 대한 샘플링 변수들을 계산하여, 기저장된 인체로부터 방사되는 신호의 특성과 상기 샘플링 변수들을 비교, 분석하여 상기 신호원의 종류를 판별하는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는 상기 적외선 센서의 환경적 요인으로부터 상기 시스템이 오동작하는 것을 방지하도록 보상하고, 상기 신호원이 인간인 경우에 경보 신호를 출력하도록 제어한다.

이 특징의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 적외선 센서는 초전형 센서 소자로 구비된다.

이 특징의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 온도 보상 회로는 트랜지스터로 구비된다.

이 특징의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 아날로그 디지털 컨버터와 상기 프로세서는 하나의 집적 회로로 구비된다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 의하면, 신호원을 감지하기 위한 적외선 센서와, 앰프와, 필터와, 상기 적외선 센서의 주위 온도에 측정하기 위한 온도 측정 회로와, 상기 필터 및 상기 온도 측정 회로로부터 아날로그 신호를 받아서 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 컨버터 및 상기 디지털 신호의 특성에 따른 데이터들을 저장하기 위한 메모리 장치를 구비하는 프로세서를 포함하는 센서 시스템에서, 상기 센서 시스템의 감지 방법에 있어서: 상기 시스템을 초기화하는 단계와; 상기 온도 측정 회로를 이용하여 상기 적외선 센서의 주위 온도를 측정하는 단계와; 상기 아날로그 디지털 컨버터의 출력 신호를 샘플링하는 단계와; 상기 적외선 센서의 주위 온도에 의한 오동작을 방지하기 위하여 상기 샘플링된 데이터들을 보상하는 단계와; 상기 메모리 장치에 기저장된 인체로부터 방사되는 신호의 특성에 대한 데이터와 상기 보상된 샘플링된 데이터들과 비교하여 신호원의 종류를 판단하는 단계 및; 상기 판별 결과 상기 신호원이 인체이면, 경보 신호를 출력하도록 제어하는 단계를 포함한다.

이 특징의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 샘플링하는 단계는; 상기 아날로그 디지털 컨버터의 출력 신호의 노이즈를 제거하기 위한 필터링하는 단계와; 상기 필터링된 신호를 선형화하는 단계 및; 상기 선형화된 신호의 상기 샘플링 데이터들을 계산, 저장하는 단계를 포함한다.

이 실시예에 있어서, 상기 샘플링 데이터를 계산, 저장하는 단계는 일정 시간 동안의 상기 신호에 대한 평균값, 분산값, 빈번도수, 최대값, 최소값 및 평균 기울기의 변수들을 계산, 저장한다.

(작용)

따라서 본 발명에 의하면, 인체 감지 시스템은 고주파 노이즈, 급격한 주위 온도 변화 등의 환경적 요인과 각종 동물들에 의한 오동작을 방지함으로써 정확한 인체 감지를 수행할 수 있다.

(실시예)

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 인체 감지 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.

도면을 참조하면, 상기 인체 감지 시스템(100)은 신규한 프로세서(124)와 아날로그 디지털 컨버터(ADC)(122) 및 온도 측정 회로(130)를 포함한다. 그리고 상기 인체 감지 시스템(100)은 미러(또는 렌즈)(112)와 적외선 센서(114)와 앰프(116) 및 필터(118)를 포함하며, 이들은 하나의 모듈(110)로 구비된다.

상기 미러(112)는 여러 방향으로부터 방사되는 인체 적외선을 집광하여 상기 적외선 센서(114)로 출력한다. 따라서 작은 적외선 신호라도 상기 적회선 센서(114)가 신호를 포착할 수 있도록 한다.

상기 적외선 센서(114)는 상기 미러(112)로부터 집광된 적외선 신호를 받아서 전기적 신호로 변환하여 상기 앰프(116)로 출력한다.

상기 앰프(116)는 상기 적외선 센서(114)로부터 출력되는 전기적 신호의 전압을 증폭하여 출력한다. 예컨대, OP 앰프를 다단계로 구비하여 충분한 전압 증폭 이득을 얻을 수 있도록 한다.

상기 필터(118)는 상기 증폭된 전기적 신호의 고주파 대역의 잡음을 제거하여 상기 아날로그 디지털 컨버터(122)로 출력한다.

상기 온도 측정 회로(130)는 예컨대, 온도 측정 트랜지스터로 구비되며, 온도에 대응하여 전류가 변화하는 특성을 이용하여 상기 적외선 센서 소자(114)의 주위 온도를 측정한다. 그리고 측정된 신호를 상기 아날로그 디지털 컨버터(122)로 출력한다.

상기 아날로그 디지털 컨버터(122)는 상기 필터(118) 및 상기 온도 측정 회로(130)로부터 아날로그 신호를 받아서 디지털 신호로 변환하여 출력한다.

그리고 상기 프로세서(124)는 상기 아날로그 디지털 컨버터(122)에 의해서 변환된 디지털 신호에 대한 각종 데이터들을 상기 프로세서(124)에 구비된 메모리 장치(미도시됨)에 저장하고, 일정 시간 동안에 신호에 대한 평균값, 분산, 빈번도수, 최대 및 최소값, 순간 기울기 및 평균 기울기 등의 샘플링 변수들을 계산, 저장한다. 그리고 상기 온도 측정 회로로부터 입력된 주위 온도에 대한 보상을 처리하여 유형별로 분류하고 분석함으로써, 신호원의 종류를 판별하여 인체 유무를 정확히 결정한다. 그리고 인체의 유무가 판단되면, 출력 신호를 경보 장치 등으로 출력한다. 여기서 상기 프로세서(124)와 상기 아날로그 디지털 컨버터(122)는 하나의 집적 회로에 구비되는 마이크로컨트롤러(또는 마이크로프로세서)(120)로 구비된다.

따라서 상기 인체 감지 시스템(100)은 고주파 노이즈, 급격한 주위 온도 변화 등의 환경적 요인과 각종 동물들에 의한 오동작을 방지함으로써 정확한 인체 감지를 수행할 수 있다.

구체적으로 도 4 내지 도 6을 참조하여 상기 프로세서의 동작을 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시에에 따른 인체 감지 시스템의 동작 수순을 도시한 흐름도이다. 이 수순은 상기 프로세서(124)가 실행하는 프로그램으로서, 상기 프로세서(124)에 구비된 메모리 장치에 저장된다.

도면을 참조하면, 단계 S200에서 상기 프로세서(124)는 센서의 안정화 및 시스템 초기화를 수행한다. 이어서 단계 S220에서 상기 적외선 센서(114)의 주위 온도를 측정한다. 즉, 상기 온도 측정 회로(130)의 출력 신호로부터 상기 아날로그 디지털 컨버터(122)를 통해 디지털 신호로 변환된 데이터를 이용하여 상기 적외선 센서(114)의 주위 온도를 계산한다. 단계 S240에서는 상기 적외선 센서(114)의 출력 신호를 샘플링한다. 즉, 일정 시간 단위로 상기 적외선 센서(114)의 출력 신호를 상기 아날로그 디지털 컨버터(114)로부터 디지털 신호를 받아서 신호원(열원)을 판별하기 위한 데이터 즉, 샘플링 변수들의 값으로 각각 샘플링한다. 단계 S280에서는 상기 적외선 센서(114)의 주위 온도에 의한 오동작을 방지하기 위하여 샘플링된 데이터들을 온도 보상한다. 예를 들어, 상온의 온도 27 ℃와 상기 온도 측정 회로로부터 측정된 상기 적외선 센서(114)의 주위 온도의 차를 계산하고, 이를 통해 적정의 비례상수를 계산한다. 이어서 각각의 샘플링 데이터들과 비례상수를 곱하여, 신호가 주위 온도 변화에 무관하도록 샘플링 데이터들을 온도 보상한다.

이어서 단계 S300에서는 인체에서 방사되는 신호의 값을 기준 데이터로 구비하여 샘플링된 데이터들과 비교한 후, 신호원(열원)의 종류를 판단한다. 따라서 단계 S340에서 열원이 인체이면 이 수순은 단계 S360으로 진행하여 경보 신호를 알리기 위한 출력 신호(OUTPUT)를 경보 장치로 전송한다. 그리고 열원인 인체가 아니면, 이 수순은 단계 S220으로 진행하여 계속해서 상기 수순들을 처리한다.

도 5는 도 4에 도시된 샘플링 단계의 수순을 상세히 나타내고 있는 흐름도이다. 여기서 샘플링 방법은 아날로그 신호인 상기 적외선 센서(114)의 출력 신호를 상기 아날로그 디지털 컨버터(122)를 통하여 디지털 신로로 변환한 후, 각각의 필요한 변수들로 계산하여 최대값 255, 최소값 0의 데이터를 상기 프로세서(124)의 메모리 장치에 저장한다. 그리고 신호가 검출되지 않을 경우에는 상기 앰프(116)의 바이어스(bias) 전압에 대응하는 기준값 93을 설정한다.

도면을 참조하면, 단계 S242에서 상기 프로세서(124)는 상기 아날로그 디지털 컨버터(122)로부터 디지털 신호를 받아서 노이즈에 의한 오동작을 방지하기 위하여 노이즈를 제거한다. 예컨대, 노이즈에 의한 변화가 심한 최대값과 최소값 그리고 중간값에서 상기 아날로그 디지털 컨버터(122)에 의해 출력된 디지털 신호의 변환 비트보다 적은 비트로 샘플링하여 신호의 오차를 줄인다. 따라서 상기 적외선 센서(114)의 출력 신호를 증폭하기 위한 상기 앰프(116)의 포화 상태으로 인하여 출력이 제한되는데. 일반적으로 상기 적외선 센서(114)의 출력 최대값은 180 ~ 190이며, 이들 값을 기준값 183으로 샘플링하고, 최소값은 보통 0 ~ 10이며, 이들 값은 기준값 3으로 샘플링한다. 그리고 중간값은 보통 90 ~ 100이며, 상기 앰프(116)의 바이어스 전압에 대응하는 값 즉, 기준값 93으로 샘플링한다. 그 결과, 신호의 변화가 심한 곳은 값을 보정하여 오차를 줄인다.

이어서 단계 S244에서 검출된 신호를 선형화한다. 예컨대, 연속하는 세 신호의 값이 S1,S2, S3 라면, 이 신호값을 상기 프로세서(124)의 메모리 장치(미도시됨)에 저장하고, S1 - S3 < R 이면, S2 = (S1 + S2 ) / 2 로 신호의 선형화를 처리한다. 여기서는 두 신호의 차 S1 - S3 가 R 보다 작은 경우에는 신호의 변화가 없는 것으로 가정하여 S2의 값에 무관하게 S2 역시 변화하지 않은 것으로 판단한다. 그리고 R 은 변화 임계값으로, 공급 전압의 노이즈에 따라 신호의 최대값의 2 % 정도의 값(예를 들어, 샘플링 값 6)을 갖는다.

계속해서 신호의 선형화가 이루어지면, 단계 S246에서 한주기의 피크 평균값을 계산한다. 그리고 단계 S248에서 한 주기 중, 검출 구간에서의 변화된 신호의 피크 평균값을 계산하고, 단계 S250에서 한 주기 동안에 신호의 최대값과 최대값의 빈번도수를 계산한다. 이어서 단계 S252에서는 한 주기 동안에 신호의 최소값과 최소값의 빈번도수를 계산한다. 이 때, 최대값은 앰프(116)의 포화 상태로 인해 기준값 183, 그리고 최소값은 기준값 3으로 한정한다. 일반적으로 인체로부터 검출된 신호는 최대값 183, 최소값 3으로 나타내며, 이 경우에는 한 주기의 샘플링 구간 동안에 최대값과 최소값의 빈번도수를 계산한다. 빈번도수는 한 주기의 샘플링 구간 중에 중간 기준값 93이 아닌 값이 검출될 경우 그 수를 카운트하여 전체 구간에 대한 비를 계산함으로써 신호의 변화 정도를 판별한다.

단계 S254에서 한 주기의 신호의 평균을 이용하여 신호의 분산을 계산하고, 단계 S256에서는 한 주기 동안에 연속적인 신호값의 차이를 구하여 평균 기울기를 계산한다. 그리고 단계 S258에서 한 주기 중 상기 특정 기준값 93이 아닌 연속적인 신호값에 대한 차이를 구하여 평균 기울기를 계산한다. 이어서 단계 S260에서 한 주기 중 특정 기준값 93이 아닌 신호값의 수를 계산하고, 단계 S262에서는 상기적외선 센서(114)가 경보를 울리는 전압값 즉, 경보 임계값 이상의 값이 나오는 신호의 수를 계산한다. 평균 기울기는 연속적인 두 신호의 차이를 계산하여 저장한 후, 평균값을 계산한다. 따라서 전체 신호에 대한 변화율을 계산할 수 있다. 그리고 검풀 신호의 평균 기울기는 연속적인 두 신호가 기준값 93이 아닌 값으로 검출될 때, 두 신호의 차이를 저장하여 평균을 계산한 후, 변화율을 계산한다. 또한 신호의 평균은 한 주기의 샘플링 구간에서의 신호값의 평균을 계산하고, 검출 신호의 평균은 한 주기의 샘플링 구간 중, 기준값 93이 아닌 신호값이 검출될 때, 평균을 계산한다.

그리고 도 6은 도 4에 도시된 열원을 판단하기 위한 신호 분석 단계의 수순을 도시한 흐름도이다.

도면을 참조하면, 단계 S302에서 상기 샘플링 단계에서 추출된 데이터들을 주위 온도에 대한 온도 보상이 이루어지면, 이들 환경적 요인과 구별되는 인체로부터 방사되는 신호의 임계값을 분석한다. 즉, 상기 샘플링 단계에서 추출된 데이터 즉, 변수들을 인체가 낼 수 있는 신호의 기준값들과 비교한다. 그리고 단계 S304에서 검출된 신호가 인체 또는 동물 등에 의한 순간적인 변화인지 지속적인 변화인지를 판별한다. 판별 결과 순간적 변화이면, 이 수순은 단계 S306으로 진행하여 한주기 내에 순간적 변화에 대한 신호를 분석한다. 그리고 판별 결과 지속적 변화이면, 이 수순은 단계 S314로 진행하여 한 주기 동안의 지속적인 변화에 대한 신호를 분석한다.

그러므로 순간적 변화인 경우에는 단계 S308에서 피크의 최대값과 최소값을분석하고, 단계 S310에서 이들 피크의 최대값과 최소값의 차이를 분석한다. 이어서 단계 S312에서 순간적 변화에 대한 검출 구간의 피크 평균값과 한주기 동안의 피크 평균값의 비율을 분석한다.

또한 검출된 신호가 지속적이 변화인 경우 단계 S316에서 피크의 최대값과 최소값의 차이를 분석하고, 단계 S318에서 검출 구간의 피크 평균값을 분석한다. 이어서 단계 S320에서 피크의 평균 기울기를 분석하고, 단계 S322에서는 피크의 최대값을 분석한다.

그러므로 분석 결과, 순간적 변화가 3 번 연속으로 발생하고, 상술한 단계(S306 ~ S312)의 변수들중 2 번 이상 조건이 발생하면 열원을 인간으로 판단한다. 그리고 지속적인 변화인 경우에는 상술한 단계(S314 ~ S322)의 4 가지 조건을 모두 만족하는 경우에 인간으로 판단한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 인체 감지 시스템은 환경적 요인 즉, 온도 변화에 대한 보상 뿐만 아니라, 온도 변화에 따른 속도에 따른 신호를 분석하여 인체의 유무를 판별한다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 환경적 요인에 따른 신호와 인간으로부터 출력되는 신호의 차이를 나타내는 파형도이다. 도 7의 (a)는 환경의 열적 변화에 대한 검출 신호를 나타내고 있으며, 도 7의 (b)는 인체로부터 방사되는 신호의 검출 파형을 나타내고 있다. 도면에서 나타나는 바와 같이, 열적 변화에 의한 신호 파형은 상하 피크의 변화가 전체적으로 비대칭적인 경향을 띄고 있다. 그리고 인간이 내는 신호는 전체적으로 상하 대칭적인 경향을 띄고 있다. 따라서 환경의 열적 변화에 대한 판단은 대칭성으로 판별할 수 있다.

또한 도 8의 (a)처럼 환경의 열적 변화가 내는 신호는 변화의 속도가 매우 느리고 완만하다. 그러나 도 8의 (b)에서와 같이 인간이 내는 신호는 변화의 폭이 크고 도 8의 (b)의 신호에 비해 상대적으로 매우 빠르게 변화하는 특성을 지닌다. 따라서 환경의 열적 변화는 신호의 변화 속도와 폭으로도 구분이 가능하다.

즉, 인체에서 방사되는 신호는 변화의 기울기가 상당히 크고, 전체적인 변수들의 값이 크다. 그러나 환경적 요인(예를 들어, 주위 온도 변화, 바람 등)에 의한 열원의 변화는 그 변화 속도가 인체에서 방사되는 그것보다 상당히 느리고 또한 값이 작다.

계속해서 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 인간과 동물으로부터 출력되는 신호의 차이를 나타내는 파형도가 도시되어 있다. 여기에 도시된 파형은 구분이 쉽도록 열원이 적외선 센서 앞을 한 번 지나가는 경우의 파형을 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 도 9의 (a)는 동물(예를 들어, 개, 소 등)이 내는 신호를 나타내고 있으며, 도 9의 (b)는 인간이 내는 신호를 나타내고 있다. 이들 도면을 비교해 보면, 인간과 동물에 의한 신호는 크기의 차이가 있을 뿐, 온도 차가 거의 없음을 알 수 있다. 그러므로 파형의 차이를 아날로그 신호로 구분하기에는 매우 어렵다. 따라서 육안으로 구분되는 차이점 중 하나가 도 7에 도시된 바와 같이, 파형의 비대칭성이다.

여기서 인간과 동물의 파형 특성을 디지털 신호로 이해하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 파형의 샘플링 된 변수의 특징을 설명하기 위한 파형도가 도 10에 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 경보 임계값은 적외선 센서가 경보를 울리는 전압값을 의미한다. 그리고 바이어스 전압은 앰프의 바이어스 전압을 나타내며, 검출 시간은 전체 샘플링 시간 중 실제로 검출된 시간을 나타낸다.

예를 들어, 샘플링을 4 번 하는 경우, 신호 A, B, C, D에서의 평균값은 각 지점에서의 피크 크기의 평균값이며, 평균 기울기는 각 신호들에 대한 구간에서의 ｜A-B｜,｜B-C｜, ｜C-D｜의 평균값이 된다. 그리고 피크 분산값은 샘플링 기간 동안의 피크에 대한 분산값이 된다.

도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 동물을 판단하기 위한 샘플링 데이터를 나타내는 도면이다. 이는 개(dog)의 경우의 디지털 샘플링 데이터들을 나타내고 있으며, 순간적 변화와 지속적 변화에 대한 샘플링 데이터를 나타낸 것이다. 여기서 순간적 변화는 비감지 시간(420)이 8 이상, 지속적 변화(422)는 비감지 시간(420)이 7 이하의 경우를 의미한다.

도면을 참조하면, 순간적 변화에 대한 변수들의 값은 아래의 표 1을 만족해야 하고, 지속적 변화에 대한 변수들의 값은 표 2를 만족해야 한다. 그리고 이들 표 1 및 표 2의 조건들에 대한 상수들은 실험에 의한 값들이다. 따라서 30 회의 검출 과정 중, 지속적 변화에 대한 감지 오보가 3 회(400, 406, 414), 순간적 변화에 대한 감지 오보가 6 회(402, 404)로, 총 8 회의 감지 오보가 발생되었다.

상위 포화 상태의 수 > 99하위 포화 상태의 수 > 99피크 최대값 - 최소값 > 113피크 평균값(R) > 19피크 평균값(R) - 평균값 > 12

피크 최대값 > 121피크 최대값 - 최소값 > 89피크 평균값(R) > 19평균 기울기 > 1

그리고 도 12a 및 도 12b는 본 발명의 실시예에 따른 인간과 환경의 열적 변화를 판단하기 위한 샘플링 데이터를 나타내는 도면이다. 도 12a는 인간이 내는 신호의 디지털 샘플링 데이터들이고, 도 12b는 환경의 열적 변화에 대한 신호의 디지털 샘플링 데이터들이다. 여기서도 순간적 변화(424)는 비감지 시간(420)이 8 이상, 지속적 변화는 비감지 시간(420)이 7 이하의 경우를 의미한다.

도면을 참조하면, 순간적 변화에 대한 변수들의 값은 상기 표 1의 조건 중에 3 가지 이상을 만족하면 판단 결과가 " ? "로 나타나고, 연속 3 개 중 2 개 이상을 만족하면 판단 결과가 인간으로 인식하고 그렇지 않은 경우에는 인간으로 인식하지 않았다. 그리고 지속적 변화에 대한 변수들의 값은 상기 표 2의 조건들을 모두 만족하면 인간으로 인식하였다. 따라서 30 회의 검출 과정을 통하여 인간으로 검출된 14 회의 검출 결과 1 회의 " ? "(410)와, 1 회의 " X "(408)가 감지 오보로 나타났다. 그러나 3 회의 감지 오보가 발생되기 전에 인간으로 판별하였다.

그리고 도 12b에 도시된 바와 같이 환경의 열적 변화에 대한 판별 결과는 14 회의 판별 결과 중 1 회(412)의 감지 오보가 발생되었다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 인체 감지 시스템은 온도 보상을 위한 마이츠로컨트롤러(또는 마이크로 프로세서)를 구비함으로써, 저가의 인체 감지 시스템을 구현할 수 있다.

또한 적외선 센서의 검출 신호를 디지털화하여 처리함으로써, 감지 기능을 위한 프로그램 개발이 용이하고, 정확한 인체 감지가 가능하다.

Claims (7)

1. 센서 시스템에 있어서:

   신호원으로부터 적외선 신호를 받아서 전기적 신호로 변환하여 출력하는 적외선 센서와;

   상기 전기적 신호를 받아서 전압을 증폭하여 출력하는 앰프와;

   상기 증폭된 전기적 신호의 고주파 대역의 잡음을 제거하는 필터와;

   상기 적외선 센서의 주위 온도에 대응하여 아날로그 신호를 출력하는 온도 측정 회로와;

   상기 필터 및 상기 온도 측정 회로로부터 아날로그 신호를 받아서 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 컨버터 및;

   상기 디지털 신호를 받아서 신호 특성에 따른 다수의 데이터들을 샘플링하여 저장하고, 일정 시간 동안에 상기 디지털 신호에 대한 샘플링 변수들을 계산하여, 기저장된 인체로부터 방사되는 신호의 특성과 상기 샘플링 변수들을 비교, 분석하여 상기 신호원의 종류를 판별하는 프로세서를 포함하되,

   상기 프로세서는 상기 적외선 센서의 환경적 요인으로부터 상기 시스템이 오동작하는 것을 방지하도록 보상하고, 상기 신호원이 인간인 경우에 경보 신호를 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 적외선 센서는 초전형 센서 소자로 구비되는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 온도 보상 회로는 트랜지스터로 구비되는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 아날로그 디지털 컨버터와 상기 프로세서는 하나의 집적 회로로 구비되는 것을 특징으로 하는 센서 시스템.
5. 신호원을 감지하기 위한 적외선 센서와, 앰프와, 필터와, 상기 적외선 센서의 주위 온도에 측정하기 위한 온도 측정 회로와, 상기 필터 및 상기 온도 측정 회로로부터 아날로그 신호를 받아서 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 컨버터 및 상기 디지털 신호의 특성에 따른 데이터들을 저장하기 위한 메모리 장치를 구비하는 프로세서를 포함하는 센서 시스템에서, 상기 센서 시스템의 감지 방법에 있어서:

   상기 시스템을 초기화하는 단계와;

   상기 온도 측정 회로를 이용하여 상기 적외선 센서의 주위 온도를 측정하는 단계와;

   상기 아날로그 디지털 컨버터의 출력 신호를 샘플링하는 단계와;

   상기 적외선 센서의 주위 온도에 의한 오동작을 방지하기 위하여 상기 샘플링된 데이터들을 보상하는 단계와;

   상기 메모리 장치에 기저장된 인체로부터 방사되는 신호의 특성에 대한 데이터와 상기 보상된 샘플링된 데이터들과 비교하여 신호원의 종류를 판단하는 단계 및;

   상기 판별 결과 상기 신호원이 인체이면, 경보 신호를 출력하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템의 감지 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 샘플링하는 단계는;

   상기 아날로그 디지털 컨버터의 출력 신호의 노이즈를 제거하기 위한 필터링하는 단계와;

   상기 필터링된 신호를 선형화하는 단계 및;

   상기 선형화된 신호의 상기 샘플링 데이터들을 계산, 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템의 감지 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 샘플링 데이터를 계산, 저장하는 단계는 일정 시간 동안의 상기 신호에 대한 평균값, 분산값, 빈번도수, 최대값, 최소값 및 평균 기울기의 변수들을 계산,저장하는 것을 특징으로 하는 센서 시스템의 감지 방법.