글: 존 가베이
제공: 마우저 일렉트로닉스

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.

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.

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.

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.