지능형 열 감지기를 활용한 실시간 위치 추적 화재 감지 시스템 설계 = Design of a Real-time Location Tracking Fire Detection System Using Intelligent Heat Detectors

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 위치 추적 기능 및 화재 조기 감지 기능을 포함한 지능형 화재 감지기를 활용하여, 화재 발생시 빠르고 정확한 초기 대응이 가능한 화재 감지 시스템을 제시하고자 한다. 최근 대한민국의 화재 발생률 및 화재로 인한 피해 금액은 꾸준히 증가하고 있으며, 특히 건물 내 전기 및 가스 사용의 증가로 인한 화재 위험성이 높아지고 있다. 이를 예방하기 위해 많은 시설에서 화재 감지기를 설치하고 있지만, 시중의 저가형 감지기는 화재 인식 속도가 느리고, 화재 발생 위치를 정확하게 파악하기 어렵다. 반면 고급형 감지기는 고가이고, 별도의 통신 인프라가 필요하기 때문에 일반 소비자나 소형 건물에서는 사용이 어렵다. 따라서 본 연구에서는 기존의 열 기반 감지기에 위치 추적 기능과 화재 조기 감지 기능을 통합하고, 전용 통신 인프라가 없어도 전원선을 통신선으로 활용하는 Power Line Communication 기술을 활용하여 경제성과 실용성을 가진 지능형 화재 감지기 시스템을 설계하였다. 감지기의 제어용 MCU로는 STM32L010F4P6을 사용하였고, 수신기의 제어용 MCU로는 STM32F407VET6TR 을 사용하였다. 감지기의 내부 서미스터 2개를 사용하여 온도를 측정 하였으며, MCU에서 ADC 값을 분석하여 특정 온도 도달 이전에도 온도 변화율을 기반으로 화재를 조기에 감지할 수 있도록 설계하였다. 이를 통해 기존 열 기반 감지기의 한계를 보완하고, 빠른 화재 대응이 가능하도록 하였다. 화재가 감지되면 감지기 번호 및 선로 번호를 포함한 데이터를 전력선을 통해 수신기로 송신하고, 수신기는 LCD에 화재 감지 위치를 표시할 수 있다. 전력선 통신 회로는 BJT TR 및 OP-AMP 기반으로 구성 되어 전력선을 이용한 안정적인 데이터 송수신을 지원하며, 순차적 통신 알고리즘을 적용하여 다수의 감지기가 동시에 연결되어도 충돌 없이 통신 할 수 있도록 하였다. 또한 Modbus 통신 프로토콜을 적용하여 CRC 오류 검출 기능을 통해 통신의 신뢰성도 확보하였다. 실험 결과, 제안한 시스템은 수신기와 감지기 간 실시간 데이터 송수신이 가능함을 확인하였으며, 화재 발생 전 온도 변화율에 따라 화재를 사전에 인식하고, 화재 발생 시 즉각적으로 감지기 위치 정보를 사용자에게 전달함으로써, 기존 시스템 대비 신속하고 정확한 초기 대응의 가능성을 제시하였다. 본 시스템은 저비용으로 설치 및 유지가 가능하며, 기존 화재 감지기의 성능을 대폭 향상시킴으로써, 향후 다양한 환경에 적용 가능한 지능형 화재 대응 플랫 폼으로의 확장 가능성을 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper proposes a method for designing a system that utilizes intelligent fire detectors equipped with location tracking and early fire detection capabilities to enable rapid and accurate initial response to fire outbreaks. The fire rate and associated damages in South Korea have been steadily increasing. The increased use of electricity and gas in buildings has heightened the risk of fire. To prevent this, many facilities are installing fire detectors. However, low-cost detectors on the market are slow to detect fires and have difficulty accurately identifying the location of fires. High-end detectors, on the other hand, are expensive and require separate communication infrastructure, making them unsuitable for general consumers or small buildings. Therefore, this study designed an intelligent fire detector system that combines location tracking and early fire detection capabilities with existing heat-based detectors. This system also utilizes Power Line Communication technology, which utilizes power lines as communication lines without dedicated communication infrastructure. This design achieves both cost-effectiveness and practicality. The STM32L010F4P6 MCU was used for the detector's control. The detector's temperature is measured via a thermistor, and the MCU analyzes the ADC values to enable early fire detection based on abnormal temperature rise patterns even before the critical temperature is reached. This complements the limitations of existing thermal detectors and enables more proactive fire response. When a fire is detected, data including the detector number and line number are transmitted to the receiver via the power line, and the detected fire location can be intuitively displayed on the receiver's LCD. The power line communication circuit is based on BJT TR and OP-AMP and supports stable data transmission and reception over the power line. A sequential communication algorithm is applied to transmit and receive data without collisions even when multiple detectors are connected simultaneously. In addition, the Modbus communication protocol is applied and a CRC-based error detection function is provided to ensure communication reliability. Experimental results confirmed that the proposed system is capable of real-time data transmission between the receiver and detector. Furthermore, it proactively identifies temperature abnormalities before a fire breaks out and immediately transmits detector location information to the user in the event of a fire, demonstrating faster and more accurate initial response compared to existing systems. This system is low-cost to install and maintain, and significantly improves the performance of existing fire detectors, suggesting its potential for expansion into an intelligent fire response platform applicable to a variety of environments.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 1 절 연구 배경 1
• 제 2 절 연구 필요성 및 목적 3
• 제 2 장 국내 화재 감지 시스템 기술 현황 4
• 제 3 장 지능형 열 감지기 설계 5
• 제 1 절 지능형 열 감지기 시스템 구성 5
• 제 2 절 저항 가변 회로를 이용한 화재 판정 8
• 3.2.1 BJT를 이용한 저항 가변 회로 8
• 3.2.2 화재 판정 알고리즘 9
• 제 3 절 지능형 화재 감지 알고리즘 11
• 3.3.1 ADC 이동평균 기법을 활용한 온도 데이터 전처리 11
• 3.3.2 ADC 이동평균 기울기 계산을 통한 온도 변화율 12
• 제 4 절 감지기 전력선 통신 회로 14
• 3.4.1 감지기 수신부(RX) 회로 설계 14
• 3.4.2 감지기 송신부(TX) 회로 설계 15
• 제 5 절 주소 지정 및 입력 스위치 회로 설계 16
• 제 6 절 Modbus RTU 기반 통신 프로토콜 설계 18
• 제 4 장 화재 수신기 설계 20
• 제 1 절 화재 수신기 시스템 구성 20
• 제 2 절 수신기 전력선 통신 회로 23
• 4.2.1 수신기 수신부(RX) 회로 설계 23
• 4.2.2 수신기 송신부(TX) 회로 설계 24
• 제 5 장 실험 및 결과 26
• 제 1 절 실험 환경 구성 26
• 5.1.1 화재 수신기 CPU 전면부 26
• 5.1.2 화재 수신기 CPU 후면부 31
• 5.1.3 화재 수신기 POWER 34
• 5.1.4 지능형 열 감지기 37
• 제 2 절 실험 결과 39
• 5.2.1 ISO 9705 규격 모방 실험 39
• 5.2.2 이동평균 기반 써미스터 ADC 데이터 분석 41
• 5.2.3 써미스터 온도 변화율(기울기)의 이동평균 분석 43
• 5.2.4 감지기 성능 평가 45
• 5.2.5 감지기와 수신기 간 전력선 통신 실험 47
• 제 6 장 결론 및 향후 연구 49
• 참고문헌 51
• ABSTRACT 54