오늘날에는 센서를 쉽게 접할 수 있다. 온도 센서를 비롯해 습도, 압력, 힘, 응력, 터치센서 등 다양한 센서들이 제품 설계에 사용된다.
최근에는 인체 감지 센서의 활용도 크게 늘었다. 분리된 공간이나 안전한 거리두기가 중요해진 오늘날, 전 세계의 소매 유통, 상업, 산업 분야뿐 아니라 공공 시설, 공장 시설, 스포츠 시설에서도 안전 조치 차원에서 개인 공간을 확보해야 할 필요성이 커지고 있다. 예전에는 클럽이나 음식점에서 사람들이 붐비는 장면을 흔히 볼 수 있었지만, 이제는 그렇게 하기에는 위험한 시기가 됐기 때문이다.
최근까지 인체 감지 기술은 수준이 낮은 편이었다. 경보 시스템들은 보안 위협을 탐지하기 위해 스위치, 자석 또는 적외선(IR)/마이크로파 모션 감지기의 개방 및 폐쇄 접점을 사용한다. 하지만 이 시스템은 사람과 동물을 구별할 수 있을만큼 정교하지는 않다.
비디오 센서는 인공 지능(AI)과 함께 사용하면 형체를 식별할 수 있어 사람과 동물을 구별할 수 있다. 하지만 비디오 감시 장치를 더 많이 설치한다고 공공 장소에서 정확도가 더 높아지는 것은 아니다. 게다가 비디오나 AI, 고성능 프로세서를 이처럼 간단한 작업에 사용하기에는 비용이 많이 들고 설계도 복잡하다.
그렇다면 저해상 비디오 센서 어레이를 열 감지기로 대체하면 어떨까? CCD(Charge-Coupled Device) 이미지 센서는 IR에 민감하기 때문에 몇 가지 사소한 변경 사항을 적용하여 인체 감지기가 탄생하게 되었다. 파나소닉(Panasonic)이 출시한 인체 감지용 Grid-EYE® 센서 제품군이 그러한 사례이다.
파나소닉 Grid-EYE® 센서를 적절한 소프트웨어와 함께 사용하면 2차원 평면의 공공 장소에서 감지 대상 간 온도차를 모니터링하고, 대상을 식별하고, 인원 수를 계산할 수 있으며, 열을 방출하는 물체 사이의 거리도 측정할 수 있다. 또한 인체의 움직임이 없어도 인체를 탐지할 수 있다.
파나소닉 Grid-EYE® 센서는 사람들이 너무 가까이 있거나, 한 곳에 너무 많은 사람들이 몰려있거나, 허가되지 않은 영역으로 벗어나게 되면 보안 요원이나 관계자들에게 경보를 보낸다. 이 모든 작업들이 비디오 이미지 녹화 없이도 가능하므로, 어떠한 개인정보보호 이슈도 우려할 필요가 없다.
열화상 센서를 활용한 설계
협각 및 광각 기판 실장 온도 어레이 센서는 이미 상용화되어 있다. AMG8854M01은 표면 실장 모듈형 협각 8 x 8픽셀(64픽셀) 고정밀 MEMS IR 어레이로서, 표준 5V 전원공급장치로 작동하고 간단한 I2C 5핀 커넥터를 이용해 연결된다(그림 1). 이 제품은 거의 모든 소형 디바이스에 간단히 연결할 수 있고 각각의 온도 구간(-21°C ~ 80°C)에서 ±3°C의 정확도로 온도를 측정할 수 있다.
그림 1: 간단한 5핀 I2C 커넥터로 8 x 8 픽셀의 온도 매트릭스에 연결된 이 협각 모듈형 온도 어레이 센서 제품을 이용해 테스트 및 평가 작업을 신속하게 수행할 수 있다. (출처: 마우저 일렉트로닉스)
AMG8834는 3.3V 저이득 버전 제품으로서, I2C 기반 8 x 8 온도 어레이 표면 실장 리플로우 패키지로 출시되고 있다. 이 제품은 일반적으로 클럭 다중화를 통해 2개의 I2C 슬레이브 주소만 지원하지만, 각각의 판독이 12비트 온도값 64개이므로 사용자가 구현하고자 하는 소형 디바이스에서 다중 I2C 포트를 구현하기가 비교적 수월하다. 이 디바이스는 I2C 인터페이스를 활용해 스캔할 때, 프레임 속도에 따라 초당 1 프레임(1fps) 또는 10 프레임(10fps) 중에서 선택할 수가 있다.
이 센서 제품은 두 가지 버전으로 제공되는데, 환경에 맞게 사용할 수 있도록 저이득 버전과 고이득 버전으로 제공된다. 이득이 높으면 정확도는 높지만 온도 감지 범위가 좁고, 이득이 낮으면 정확도는 낮지만 온도 감지 범위는 더 넓다. 열에 민감한 픽셀은 외부 IR 조명기를 사용하지 않고도 간접적으로 판독이 가능하다. 통상적으로 IR 조명기는 더 짧은 파장의 디스크리트 IR 광 센서용으로 많이 사용된다.
테스트를 즉시 수행할 수 있도록, 개발 도구도 공급 중이다. MIKROE-2539 는 Grid-EYE 센서를 위한 브레이크아웃 보드 기능을 제공한다(그림 2). 인터페이스는 실험실에서 몇 개의 I/O 핀과 전원 연결을 사용하여 재빨리 센서를 설치하고 실행할 수 있을 정도로 간단하다(그림 3). 영상면(image plane)을 다운로드할 준비가 되면 감지 알림을 위한 인터럽트가 뜬다.
그림 2: 테스트 및 평가를 위한 모듈형 개발 보드도 판매 중이다. (출처: 마우저 일렉트로닉스)
만약 64픽셀로 이루어진 센서 제품이 충분한 감지 범위를 제공하지 않는다고 가정해보자. 이러한 경우를 대비해 파나소닉에서는 단일 Grid EYE만 사용하여 감지 범위 내의 정확도를 크게 향상시키면서 데이터 지점을 확대할 수 있는 스마트 보간 솔루션을 제공한다. 각 센서들은 출입 구역에 사용하기에 이상적이며, 인체가 감지 영역을 통과할 경우 이를 정확하게 감지해낼 수 있다. 풀 커버리지를 필요로 하는 대규모 사무실이나 건물은 전략적으로 위치를 정해 센서를 설치하거나 여러 개의 센서를 더 넓게 배치해야 한다.
그림 3: 2-와이어 I2C 포트의 간단한 인터페이스로 Grid-EYE 센서를 읽고 제어할 수 있다. 인터럽트와 셀렉트 라인을 사용하면 보다 큰 어레이를 쉽게 구현할 수 있다. (출처: 마우저 일렉트로닉스)
이러한 센서들은 오늘날 인체 감지용으로 가장 보편적으로 활용되고 있지만, 다방면에서 다양하게 활용될 수도 있다. 목축업을 예로 들면, 방목을 위해 우리에서 내보낸 가축의 수와 다시 들여보낸 수를 셀 때 이러한 센서들을 사용할 수 있다. 또한 제조 테스트 환경에서는 최대 성능을 초과하여 과열되거나, 또는 기준 성능에 못 미치는 시스템을 찾아내는 데 사용할 수도 있다. 디버깅 시스템에서는 FLIR 카메라에 대한 비용 효율적 대안으로 이러한 센서 제품을 활용할 수 있다.
맺음말
열화상 센서의 활용 방안은 그야말로 무궁무진하다. 기업 차원에서는 이처럼 간편하면서도 향상된 감지 기술을 활용해 행사 참여 인원을 파악하거나, 장비를 모니터하거나, 사무실의 온도를 쾌적하게 유지하는 등 궁극적으로 안전하고 생산적인 방식으로 사업을 운영할 수 있을 것이다.
▶ 존 가베이(Jon Gabay)
전기 공학을 전공한 후 국방, 상업, 산업, 소비가전, 에너지, 의료 기업에서 설계 엔지니어, 펌웨어 코더, 시스템 설계 엔지니어, 연구 과학자, 제품 개발자로 근무해왔다. 대체 에너지 연구자이자 발명가로 Dedicated Devices Corporation을 설립해 2004년까지 자동화 기술을 연구했다.
