1. 머리말

최근 대부분의 산업 분야에 광범위하게 적용되고 있는 IoT 기술을 소방산업에 도입하여 소방용품도 좀 더 지능적이고 능동적인 시스템으로 발전시키고자 하는 연구 활동이 활발히 이루어지고 있다. 이번 글에서는 소방산업에 적용 가능한 IoT 무선통신 기술에 대한 시험적 결과를 토대로 제품설계의 가이드를 제공하려 한다.

소방용 무선통신 제품에서 가장 중요한 것은 내장된 배터리의 용량에 따른 제품의 배터리 교체주기를 극대화시키는 기술과 저 전력으로도 장거리 통신이 가능하도록 하는 낮은 주파수 대역 통신 기능 구현[국내 소방주파수 447Mhz]이다. IoT 무선통신 기술 중 LPWA[Low Power Wide Area] 기술을 이용하여 최적화된 소방용 무선통신 제품을 설계할 수 있으며 이는 저 전력으로 장거리 통신을 할 수 있는 최적화된 통신 기술을 제공하며 특히 많은 수량의 Device와 Fire alarm system의 양방향 다중 통신에 적합한 통신시스템이라 판단된다.

2. 제품의 개발 기술 소개

가. 시스템의 구성

[그림 1] IoT플랫폼 기반 지능형 재난관리 시스템

[그림 1]과 같이 최근 소방산업분야에서 IoT플랫폼 기반의 재난관리시스템에 대한 연구개발 활동이 활발하게 이루어지고 있으며 이 중에서도 무선통신을 이용한 화재감시분야에서의 연구활동이 가장 활발하게 이루어지고 있다. IoT 무선통신 화재감시시스템은 무선화재감지기의 신호를 LPWA[Low Power Wide Area]무선통신 기술을 이용하여 구현하고 이 신호를 POE[Power Over Ethernet]로 전원을 공급받으면서 인터넷에 연결가능한 무선 Gateway를 통해 Cloud 서버로 Event정보를 수신한 후 이를 필요로 하는 건축주, 관리자, 시설관리업체, 지자체 등과 공유하는 방식의 화재감시시스템이다.

[그림 2] IoT 무선통신 화재감시시스템의 구성도

이 시스템에서 가장 중요한 기술은 LPWA 무선통신 감지기이며 최근 소방용품의 형식승인 및 제품검사기술기준의 개정으로 인해 무선통신 감지기와 수신기, 중계기, 발신기 등을 제조, 설치할 수 있는 법적 근거가 마련되었다.

무선통신 소방제품의 구현에 가장 중요한 항목은 예비전원의 효율적 사용, 비화재보 저감기술, Helical Antenna의 설계 로 볼 수 있다.

(1) 예비전원의 효율적 사용

(가) 감시방식

화재감지기 중 연기감지기의 화재감시 원리는 발광부와 수광부 사이의 연기에 의한 산란광 감시를 통한 연기감시, 즉 산란광식 연기감지기를 보편적으로 가장 널리 사용하고 있으며 외부에서 전원을 공급받지 않고 내장된 베터리를 이용하여 장기간의 화재감시를 수행하기 위하여 배터리의 효율적 사용이 매우 중요한 부분이다. 공칭값 이상의 연기가 발생되었을 때 이를 30초 이내에 감지하기 위하여 감지기는 30초 이내에 최소 3회 이상의 감시를 수행하여야 하므로 10초에 한번 감시펄스를 발생시키는 것이 효율적이라 판단된다.

[그림 3] 무선감지기의 구성도

(나) MCU 전원의 최소화

감지기의 예비전원 사용에 가장 많은 부분을 차지하는 것은 MCU전원이 이 전원 공급 방식을 감시펄스 작동 10초에 맞추어 Sleep모드와 Wake모드로 전환하여 감지기가 10초에 한 번씩만 깨어나서 감시하고 나머지시간에는 전류소모를 하지 않도록 제어하는 기술이 필요하다.

(2) 비화재보의 저감 기술

유선 감지기에서도 가장 중요한 것 중 하나이지만 무선감지기에서도 비화재보 절감 방안은 효율적이고 정상적인 화재감시시스템 운용에 가장 중요한 부분 중 하나라고 할 수 있다. 비화재보를 저감시키기 위한 방안은 암실의 구조 설계와 자동보정 알고리즘 구현을 통해 가능하다.

(가) 비화재보를 줄이기 위한 암실 구조 설계

일반적으로 국내외에서 가장 보편적으로 널리 사용하는 암실 구조는 빗살무늬 구조이다. 이 구조는 빛은 들어가지 못하면서 연기만 암실 내부로 들어 갈 수 있는 가장 좋은 구조라 여겨지지만 먼지의 침투가 용이하여 환경오염에 따른 비화재보가 생기기 쉬운 구조라 할 수 있다.

[그림 4] 이중격벽 구조의 연기감지기 암실 성능 시뮬레이션

최근 암실 구조 개선을 통한 비화재보 저감 기술에 대한 연구가 이루어 졌다. [그림 4]와 같이 이중격벽 구조의 암실을 사용하면 연기와 먼지가 구분되어 암실 내부로는 연기만 쉽게 들어가고 먼지는 아래로 가라앉으며 암실내부로 들어간 먼지도 침착이 되지 않는 적절한 유속을 유지시키므로 비화재보를 줄일 수 있다.

(나) 환경오염 자동보정 알고리즘 구현을 통한 비화재보 저감 기술

암실 구조의 개선을 통해 먼지의 침투를 방지하는 기술을 적용했음에도 불구하고 내부로 유입되는 먼지를 100% 막을 수는 없다. 따라서 먼지로 인한 암실 내부 산란광 발생으로 비화재보를 줄이려면 자동으로 환경오염에 대한 보상을 해주는 기술이 필요하다. [그림 5]는 이러한 환경오염 보상 알고리즘의 예시이다.

[그림 5] 환경오염 보상 알고리즘 예시

상기 비화재보 저감기술에 대한 내용은 2013년 10월 한국안전학회지에 자세히 소개되었다.(Vol.28,No6,pp.11-16)

(3) Helical Antenna 설계 기술

무선화재감지기의 안테나는 외부에 노출될 경우 디자인의 제약 및 제조원가가 상승하면 관리의 어려움도 있을 수 있어 PCB 패턴을 통해 임피던스를 매칭시켜 원하는 주파수에서 최적의 공진이 될 수 있는 설계와 설계 툴을 이용하여 시작품 제작 전 충분한 시뮬레이션 및 디버깅을 수행하고 시작품을 만드는 것이 중요하다.

[그림 6] PCB 패턴으로 안테나 설계

[그림 7] 설계된 안테나의 성능 시뮬레이션 및 디버깅

[그림 8] 시작품 제작 및 측정

3. 출시 제품의 소개

올라이트라이프(주)에서는 위에서 소개한 내용으로 제품을 개발하여 현재 인증 진행 중에 있으며 2018년 상반기 중으로 국내에 제품을 출시할 예정이다. 또한 2017년 보스턴 전시회에 제품을 선보여 타 국가의 관계자에게 많은 관심을 받았다.

[그림 9] NFPA 2017 보스턴 출품

출시 전 제품의 성능 시험 결과는 <표 1>과 같다.

4. 맺음말

해외 무선감지기 시장을 살펴보면 일본과 미국에서 상용화 되어있는데 두 국가 모두 FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)방식을 채택하고 있고 LPWA 칩을 이용하여 무선감지기를 구현한 사례는 아직 찾아 볼 수 없다. 이처럼 LPWA 기술은 소방용품에 적합한 통신 방식이며 향후 소방시스템의 무선통신화에 크게 기여할 것이다.