스마트 빌딩을 위한 이미지센서와 보드는?

[테크월드=선연수 기자] 상업용 빌딩은 상당한 양의 에너지를 소모한다. 전기는 빌딩의 에너지 소비 중 60% 이상을 차지하며, 전기 에너지의 일부는 쓸모없이 낭비된다.

예를 들어, 복도나 공용 공간은 사람이 없어도 장시간 조명이 켜져 있고, 사무실 빌딩에서 HVAC(난방, 환기, 공조) 시스템은 총 에너지 소모의 40%가량을 차지한다. 에너지 낭비를 줄이기 위해서는 스마트 기술을 대대적으로 도입하는 것이 필요하다.

BIoT 시장 확장 본격화

지난 20여 년에 걸쳐 정부와 업계 규정은 갈수록 엄격해지고 있으며, 이로 인해 높아지는 지속가능성과 에너지 효율 기준에 맞춰 나가야 하는 상황이다. 이를 위해서는 기존 빌딩에서 에너지 사용을 절감하고 탄소 발자국을 줄이며, 신규 빌딩에서는 지속가능한 소재를 사용해 건설하고 지능적인 자동화 시스템을 도입함으로써 에너지 소비를 효율적으로 관리해야 한다.

주거용이든 업무용이든 이 모든 것의 중심은 빌딩 내부에서 생활하는 사람이다. 빌딩 자동화 시스템(BAS, Building Automation System)을 도입해 입주자의 편의성을 높일 수 있고, 에너지 효율을 높이기 위해 사람의 존재 여부에 따라 전력 사용을 조절할 수 있어야 한다.

메무리(Memoori)가 실시한 조사에 따르면, 전 세계 빌딩 시스템 매출이 크게 증가하고 있다. 주된 성장 동력은 스마트 빌딩용 IoT다. 이를 ‘BIoT(Building IoT)’라 부르기도 한다. 해당 매출에서 가장 큰 부분을 차지하는 것은 빌딩 에너지·제어 시스템이며, 물리 보안과 안전·화재 감지 시스템이 뒤를 잇는다. 메무리는 2017년에 348억 달러에 불과했던 전 세계 BIoT 시장이 CAGR 19.4%로 2022년에 840억 달러 규모로 성장할 것으로 전망한다. 반면, 리서치앤마켓(ResearchandMarkets)은 좀 더 보수적으로 2023년에 520억 달러 규모의 시장을 조성할 것으로 예상하고 있다.

사람을 감지하는 이미지센서

스마트 빌딩은 빌딩 안에 사람이 있는지를 감지할 수 있어야 한다. 이와 함께 사람의 움직임을 추적할 수 있으면 다양한 시스템의 효율을 극대화할 수 있다. 인공지능(AI)까지 도입하면, 해당 공간을 점유하는 사람이 원하는 설정에 따라 실내 조건을 조절할 수 있을 것이다. 점유 감지(Occupancy detect)는 특정 공간에 대상의 존재 여부를 감지하는 것을 의미한다.

그렇다면 에너지 절약 관점에서 볼 때, 스마트 빌딩은 어떻게 사람을 감지할 수 있을까? 예로, 점유 센서를 사용해 사람의 존재 여부에 따라 복도나 실내조명을 자동으로 켜고 끔으로써 전기 소비를 줄일 수 있다. 주변 빛 센서를 활용해 실내로 들어오는 일광 정도에 따라 조명 밝기까지 조절하면 에너지를 더 절약할 수 있게 된다.

스마트 빌딩에서 사람을 감지하는 대표적인 방법은 고해상도의 CMOS 이미지센서가 탑재된 카메라를 사용하는 것이다. 온세미컨덕터(ON Semiconductor)의 파이썬(Python) 이미지센서 시리즈는 유연한 구성을 지원하고, 높은 속도와 낮은 잡음으로 정확한 이미지 렌더링을 지원한다[그림 1].

80~815fps의 프레임 레이트를 지원해 빠르게 움직이는 장면을 왜곡 없이 포착할 수 있다. 4.5~4.8µm 픽셀 이미지센서는 VGA~25MP 해상도가 특징이며 모션 모니터링, 보안, 감시용에 적합한 다양한 구성의 제품을 제공한다.

2.3MP 파이썬2000(Python2000)은 온칩 프로그래머블 이득(Gain) 증폭기와 10비트 아날로그-디지털 컨버터를 포함한다. 전역 셔터 리드아웃 모드를 사용해 잡음을 낮추고 상관 이중 샘플링(CDS, Correlated Double Sampling)으로 동적 범위를 넓혀준다.

카메라는 특정한 각도 내에서 동작하기 때문에 여러 대를 설치해야 한다. 그리고 프라이버시 침해 문제를 일으킬 수 있어, 머신 비전 시스템을 사용해 사람의 얼굴을 흐릿하게 해야 할 수 있다. 이런 조치가 돼 있더라도 벽면에 여러 대의 카메라가 설치돼 있으면 ‘빅 브라더’가 항상 감시하고 있는 것 같아 신경이 쓰일 것이다.

세밀한 관리를 위해 인원까지 세야

조명 제어를 위해서는 사람의 존재 여부를 감지하는 것만으로 충분하나, 스마트 빌딩에서 상황에 따라 환기를 하는 등의 여러 기능을 위해서는 특정 공간의 인원을 세는 능력도 필요할 수 있다. 이를 위해서는 점유 감지 모델에 기반한 알고리즘을 사용해야 한다. 이 알고리즘을 사용해 카메라를 사용하지 않고도 인원수를 계산할 수 있고 온도, 습도, CO₂ 센서 등과 함께 HVAC 시스템이 자동으로 최적의 환경 조건을 제공할 수 있다.

점유 감지에 사용할 수 있는 사생활 침해가 적고 경제성이 우수한 센서로는 수동 적외선(PIR, Passive Infrared Sensor) 모션 센서가 있다. 파나소닉(Panasonic)이 제공하는 PIR 장치에는 EKMB, EKMC 시리즈가 있으며 넓은 시야각을 특징으로 한다. 납작한 직사각형 형태이며 단일 축으로 최대 150°까지 감지할 수 있다. 배터리 구동 애플리케이션에 적합하도록 1µA, 2µA, 6µA 모드로 제공되며, 감지 영역을 중첩해 움직임을 감지해낸다.

오므론 일렉트로닉스(Omron Electronics)는 고유한 MEMS 센싱 기술을 적용한 초고감도 IR 열 센서 D6T 시리즈를 제공한다[그림 2]. 모션 감지 방식의 PIR 센서와 달리, 체온을 통해 정지한 사람을 감지할 수 있다. 실내 온도를 모니터링해 사람이 없을 때 조명이나 에어컨을 자동으로 끌 수 있도록 지원하고, 과열과 같은 비정상적 변화를 감지해 화재를 방지한다.

텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments, 이하 TI)의 IWR1642 시리즈는 FMCW 레이더 기술에 기반해 정교한 단일칩 밀리미터파 센서를 제공한다. 제품은 76~81GHz 대역으로 동작하고 최대 4GHz 연속 처프(Chirp)를 사용한다. 고유한 저전력 45nm RFCMOS 프로세스를 사용해 제조돼, 인원수 측정과 같은 빌딩 자동화 애플리케이션에 적합하다.

RF 신호 프로세싱을 위한 고성능 C674x 프로세서 코어도 특징이다. DSP 서브시스템과 프론트엔드 구성·제어와 캘리브레이션을 가능케 하는 Arm R4F 기반 프로세서 서브시스템에 기반한다.

출입 제어와 더불어, RFID 시스템을 사용하면 빌딩 안에 있는 인원을 셀 수 있다. 이 방법으로 다수의 임차인이 입주한 빌딩의 전체 인원수를 계산할 수 있다. 그러나 입주자를 더 세밀히 추적하는 일은 빌딩 전체를 한 회사가 사용하는 경우(혹은 한 재산 관리 회사가 운영하는 경우)에만 가능할 것이다.

센서 어레이를 위한 개발 보드

점유 감지와 인원 추적·계수 기능의 센서는 저마다의 장단점을 가진다. 사용할 수 있는 비용이나 빌딩 내부 구조에 따라 선택할 수 있는 시스템이 달라질 것이다. 센서를 결합한 시스템을 설계함으로써 정확도를 높일 수도 있다. 또한, 센서 자체의 유지보수를 최대한 줄이고 에너지 소비도 절감해야 한다.

TI의 점유 감지 레퍼런스 디자인은 IWR6843 밀리미터파 센서를 사용한다. 실내·외 인원 계수 애플리케이션에 적합하며, MMWAVEICBOOST와 IWR6843ISK 평가 모듈에 LAUNCHXL-CC1352R1 무선 마이크로컨트롤러 유닛(MCU) 런치패드(LaunchPad)를 결합한 형태로 제공된다[그림 3].

실리콘랩스(Silicon Labs)의 PIR 점유 센서 평가 키트는 EFM32와 EFR32 스타터 키트로 연결 가능한 보드 형태다. 이 키트는 MCU 연결과 관계없이 점유 센싱과 주변 빛 센싱 시스템을 지원한다. SLSTK3402A EFM32 PG12 스타터 키트와 호환되며, 실시간 GUI(Graphic User Interface) 디스플레이로 PIR 모션 신호, 성능 요약, 테스트 방법론과 같은 데이터를 확인할 수 있다.

외부로부터 전류 소모가 없는 센서라면 빌딩 내 에너지 효율을 더 높일 수 있다. 몰렉스(Molex)의 트랜센드(Transcend) 무선 점유 센서 시리즈는 전력을 자가 발전할 수 있다. 실내조명으로부터 광 에너지를 포집하고 RF 기술로 근처의 다른 트랜센드 디바이스와 무선으로 통신할 수 있다. 지정된 공간에서 특정 시간 동안 사람이 없는 것이 감지되면 빌딩 자동화 시스템은 자동으로 온도를 재설정하거나 조명을 끌 수 있다.

글: 마크 패트릭(Mark Patrick)
자료제공: 마우저 일렉트로닉스

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2021년 2월 호에 게재된 기사입니다.

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