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[TECH] 홈 자동화 편의성·성능 향상시킨 초음파 기술

상업용 건물·산업용 자동화 기술 가정 깊숙히 파고들어

[TECH] 홈 자동화 편의성·성능 향상시킨 초음파 기술

[산업일보]
최근 IoT 기술의 발전과 함께 가정생활도 스마트해지고 있다. 조명에서부터 선풍기, 온도조절기, TV, 음악 장비, 차고 문, 초인종과 같은 사물들을 자동으로 제어할 수 있다는 점 때문이다. 상업용 건물이나 산업용 자동화 기술이 점차 가정 속으로 파고들고 있는 것이다. 아마존 알렉사, 구글 홈, 애플 홈팟 및 홈키트, 윙크, 수많은 중앙 허브들이 가정의 다양한 전자 기기들을 제어하고 모니터링하는 시대를 맞았다.
[TECH] 홈 자동화 편의성·성능 향상시킨 초음파 기술
동작 또는 존재 감지 기능을 제공하는 대중적인 홈 자동화 제품들

홈 자동화는 이 기술이 진화의 초기 단계에 있다는 과제에 직면해있기 때문에 어떤 중앙 허브는 효과적으로 작동하는 반면 어떤 허브는 그렇지 못하다. 홈 자동화 중앙 허브와 디바이스 제조사들은 에너지 소비를 줄이면서 성능은 높이고 편의성을 향상시키기 위해 지속적으로 혁신을 추구하고 있다.

대부분의 제품들은 가까이 위치해 있는 사람들에 대한 존재 또는 그들의 접근을 빠르게 감지하고 작동하지 않을 때는 대기 모드를 유지해 전력을 절감한다. 이러한 제품들은 감지한 즉시 자동으로 동작 모드로 전환돼 조명을 켜거나 끄고, 난방 환기 공조(HVAC) 시스템 설정을 조절하는 것 외에도 사용자가 초인종을 누르기 전 전자 초인종을 울려 집주인에게 알려주고(또는 비디오 녹화), 침입자 경보 작동과 같은 주요한 기능을 수행한다.

모션 감지기는 보통 광학, 마이크로파 또는 음향 기술을 기반으로 한다. 가장 대중적인 기술은 수동 적외선(PIR) 광학 기술이다.

존재 또는 모션 감지를 위해 더 대중적인 PIR 센서 대신 초음파 센서를 선택하는 이유는 무엇일까.

PIR 센서는 센서 앞에서 발생하는 온도의 변화를 감지하는 원리를 기반으로 작동된다. 이는 센서가 곤충이나 작은 동물들에 반응할 수 있다는 것을 의미하며, 또한 센서에 비치는 백색의 직사광선은 일시적으로 센서를 가려 잘못된 경보를 발생시킬 수 있다.

카메라 시스템은 프레임 사이의 영상 변화를 감지해 움직임을 기록하기 때문에, 시스템은 곤충이나 새들, 그리고 카메라 시야에 포착되는 나뭇잎과 식물의 움직임에 반응을 할 수 있다.

초음파 감지는 음파를 방해하는 목표물의 움직임 또는 존재를 감지하는 원리를 기반으로 작동된다. 전달되는 음파를 막고 센서로 되돌아가는 울림을 생성시키므로 잘못된 경보를 발생시킬 가능성이 적다. 사람의 존재로 인한 울림의 강도는 곤충이나 애완동물과 다르기 때문에 시스템은 정확한 목표물을 감지하도록 프로그래밍할 수 있다.

광 ToF(time of flight) 정전식 감지를 포함해 다양한 감지 기술은 사람의 존재나 접근을 감지할 수 있지만, 초음파 감지가 그 중 비용이 가장 적게 들고 광범위하게 적용할 수 있는 기술이다. 현재 자동차 주차 보조 시스템에서 장애물 및 존재 감지를 위해 광범위하게 사용되고 있는 초음파 감지는 중앙 허브이며 점유 감지 및 첨단 모션 감지기에도 사용된다.

초음파 기술의 장점은 단순히 비용뿐만 아니라 성능도 포함된다. 초음파 기술은 공기, 물, 가스와 같은 다양한 매체에서 적용할 수 있다. 또한 대상의 형태, 크기, 색 또는 표면 윤곽과 상관 없이 물체를 감지할 수 있다. 레이더와 마찬가지로 이 기술은 물체 이미지를 3D로 생성해 애완동물과 사람을 구별하는 것과 같이 시스템이 더 정확한 결정을 내릴 수 있도록 돕는다. 마지막으로 초음파 기술은 완제품에서 경쟁력 있는 가격대를 제공한다.

초음파 감지 기반한 존재 감지 서브시스템을 홈 자동화 기기에 통합하면 초음파 트랜스듀서를 특정 방향으로 향하게 하거나 넓은 (90-135도) 범위에서 동작하도록 해 접근하는 사람을 감지할 수 있다. 트랜스듀서를 추가하면 적용 범위를 360도까지 증가시킬 수 있다. 반사된 초음파로부터 존재를 감지하는 즉시 서브시스템의 출력은 기기를 활성화시켜 비디오 초인종의 카메라 기능 또는 감시 카메라를 작동시킨다.

스마트 스피커와 같은 시스템에서 초음파 기반의 존재 감지 기능은 접근하는 사람을 향해 특정 마이크를 켤 수 있어 시스템 정확도를 향상시킨다. 또 다른 예로, 초음파 서브시스템은 사람을 감지해 실내 조명이나 에어컨을 작동시킬 수 있으며, 심지어 홈 보안 시스템에 사용되는 모션 감지기를 교체할 수 있다.

물론 존재 감지는 홈 자동화에 국한되지 않고 건물 자동화에도 활용할 수 있다. 빠르게 성장하는 애플리케이션 중 하나는 공항, 쇼핑몰 및 기타 상용 시설의 주차장에 적용할 수 있는 개방형 주차 공간 감지다. 이 사례에서 초음파 모듈은 주차 공간 위에 설치하거나 지면에 매설해 차량의 존재를 감지한다. 천장에 설치되는 녹색 또는 적색 등이 운전자에게 주차 공간에 차가 있는지 없는지를 알려준다.

[TECH] 홈 자동화 편의성·성능 향상시킨 초음파 기술
소형 폼팩터에 PGA450-Q1 초음파 시스템온칩(SoC) 인터페이스 IC와 초음파 트랜스듀서를 포함하는 예제 모듈을 보여준다.

주차 공간 감지 모듈은 설계 요구사항과 관련 비용에 따라 무선 또는 유선으로 구현할 수 있다. 유선 시스템의 경우 그림 2의 레퍼런스 디자인과 유사하며 2개의 LED 조명을 포함하도록 수정된 모듈을 필요로 한다. 또 다른 방법으로 주차장 천장에 케이블을 설치하지 않으려면 블루투스, 와이파이, 지그비와 같은 다양한 무선 표준 중 하나를 사용하는 무선 메시 네트워크를 선택할 수 있다.

TI 코리아 아날로그 팀은 "다양한 방식으로 존재 감지 기능을 구현할 수 있지만, 개인적으로 경보 오류를 최소화하면서 가장 효율적인 비용으로 구현할 수 있는 방식은 초음파 기반 방법"이라고 설명했다.
변지영 기자 hinomad@kidd.co.kr

안녕하세요. 산업부 변지영 기자입니다. 드론부터 AI, 신소재, 다이캐스팅, 파스너 및 소재부품 산업을 소개해드리겠습니다. 또 신선하고 유익한 국제 산업 동향을 생생한 현장 영상으로 전달해드리겠습니다.

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