서론
이 기술 문서는 UL 217 8차 에디션에 요약된 시방서의 요건을 충족하도록 설계 및 테스트된 CN-0537 연기 참조 설계의 소프트웨어 및 데이터 부분을 설명합니다. 설계는 UL(Underwriters Laboratories) 및 Intertek Group PLC의 연기 테스트 시설에서 수집된 화재 연구 데이터를 분석하여 진행했습니다. 해당 테스트 시설과 테스트 절차는 주거용 연기 알람에 관한 UL 217 시방서를 따랐습니다. 참조 설계는 ADPD188BI 통합 광학 센서(LED 및 포토다이오드 포함)와 함께 단일 보정 장치를 사용하여 연기 입자를 탐지 및 측정하도록 설계되어 있는 최적화된 연기 챔버를 사용합니다. 또한 중요한 점으로, 참조 설계는 UL 217 테스트와 검증을 완료한 연기 탐지 알고리즘도 포함되어 고객이 제품 개발 라이프 사이클에 속도를 더하고 최종 제품 설계를 더 신속히 내놓는 데 힘이 됩니다. Arduino 형상 계수 호환 참조 설계 하드웨어(CN-0537 연기 탐지기 참조 설계 및 ADICUP3029 마이크로컨트롤러 개발 보드 포함)는 그림 1에서 확인할 수 있습니다.
그림 1. 연기 탐지기 참조 설계 하드웨어 솔루션.
ADPD188BI 연기 센서
연기 탐지기는 1970년대부터 상업용 및 주거용 건물에서 흔히 볼 수 있게 되었습니다. 현재는 2가지 기본 유형의 탐지기가 존재하는데, 하나는 방사성 물질을 사용해서 공기를 이온화하고 전기적 불균형을 확인하는 이온화식이고, 다른 하나는 광검출기에서 떨어져 있는 특정한 각을 조준한 광원을 사용하면서 공중 입자로부터 포토다이오드로 반사되는 빛에 의한 광검출기 전류를 확인하는 광전식입니다.
두 유형 모두를 결합한 솔루션이 권장되기는 하지만, 광전식 연기 탐지기가 일반적인 가정 내 화재 탐지에서 한층 개선된 신뢰성과 훈소 화재(smoldering fire)에 대한 더욱 빠른 응답 시간 덕분에 좀 더 널리 쓰이고 있습니다.
ADPD188BI 광학 모듈은 그림 2에서 확인할 수 있는데, 이 모듈은 연기 탐지 애플리케이션에 맞게 설계된 완벽한 측광계입니다. 기존의 개별적 연기 탐지기 회로 대신에 ADPD188BI를 사용하면 광전자공학(LED 2개 및 광검출기 2개 포함)과 AFE(아날로그 프론트 엔드)가 패키지로 이미 통합되어 있으므로 설계가 크게 간소화됩니다. ADPD188BI는 연기 탐지 수행 시 2개의 통합 LED가 서로 다른 두 파장으로, 즉 하나는 470nm(청색광)고 다른 하나는 850nm(적외선광)로 빛을 방출하는 이중 파장 기술을 활용합니다. 해당 LED는 2개의 독립된 시간 슬롯에서 펄싱되며, 전송된 빛은 공중의 입자상 물질에 의해 장치로 다시 산란됩니다.
그림 2. 연기 챔버의 단면적과 ADPD188BI.
그러면 2개의 통합 광검출기는 산란된 빛을 받아서 그에 비례하는 수준의 출력 전류를 생산하는데, 이는 내부에서 AFE에 의해 디지털 코드로 변환됩니다. LED 광전력이 변함없이 유지된다고 가정하는 가운데, 시간에 따른 ADPD188BI 출력 값 증가 현상은 공중 입자가 축적됨을 시사합니다. 이는 그림 3에서 설명합니다.
그림 3. ADPD188BI LED의 빛 역산란.
ADPD188BI의 연기 반응은 전송된 광전력에 대한 수신된 광전력의 비율로 표현하는 것이 가장 좋습니다. PTR(전력 전송률)로 불리며 nW/mW 단위로 표현되는 이 파라미터는 사용되는 실제 하드웨어 설정과 무관하다는 점 때문에 원시 출력 코드보다 훨씬 유의미한 값입니다. 센서를 구성해서 그 출력 결과를 PTR 값으로 변환하는 작업과 관련된 단계는여기에서 제공되는 애플리케이션 참고 사항을 참조하시기 바랍니다.
LED 온도 보정
ADPD188BI의 반응은 주변 온도에 영향을 받습니다. 청색광 채널의 경우에는 이것이 더욱 복잡해지는데, 사용되는 LED 전류의 양에 따라 온도 반응 곡선의 모양도 달라질 수 있기 때문입니다. 적외선 채널의 경우에는 온도 반응 곡선이 LED 전류와 무관합니다.
상대 반응의 값을 확인하기 위해서는 주변 온도를 실시간으로 측정할 수 있어야 합니다. CN-0537에서는 온도 및 습도 센서가 ADPD188BI 옆에서 챔버 내부 조건을 모니터링합니다. 센서를 선택할 때는 챔버 내부의 공간 확보가 어려우므로 컴포넌트 크기를 일차적으로 고려해야 합니다.
온도 보정은 챔버 내부의 실시간 온도 값으로 소프트웨어에서 수행되며, 이를 위해 부품 작동 온도 전반의 상대 반응을 장치에서 읽히는 원시 데이터와 곱합니다. 그러면 PTR 반응 계산에 사용할 수 있는 온도 보정 데이터가 확보됩니다. 상대 반응 계수는 IR LED 및 청색광 LED 보정 데이터를 위한 메모리에서 정적 테이블로 유지됩니다. 장치에서 데이터가 읽히고 나면 애플리케이션이 온도 센서와 청색광 LED의 전류를 판독해서 어떤 테이블과 상대 반응 계수가 사용되는지 확인합니다. LED 전류 레벨에 근접한 테이블이 사용되며, 지수 값은 다음과 같이 계산됩니다.
지수 = (40 + 온도) / 입상도
여기에서
- • 지수는 테이블 안의 적정 요소에 대한 지수를 가리킴
- • 온도는 현재 온도를 가리킴
- • 입상도는 상대 반응 테이블 내 두 데이터 포인트 간의 온도 차이를 가리킴(예: 비율 차이가 5°일 경우 입상도는 5임)
이 방법에서는 상대 반응 테이블에서 영차 보간법을 통해 장치 데이터가 보정됩니다. 이 방법은 전력 효율성과 시간 효율성 증진을 위해 쓰입니다. 더 높은 정확도가 필요하면 입상도가 더 작아지고 1차 및 2차 보간법이 수행될 수 있는데, 이때는 전력 소모량과 프로세서의 주기에서 손실을 감수해야 합니다.
UL 217 표준 및 테스트 시나리오 개요
연기 탐지기 기술과 마찬가지로 주거용 화재 안전 규정도 전자 기기와 일반적인 가정용 소재가 수십 년 동안 발전해 왔는데도 1970년대 이래 변화가 거의 없었습니다. UL(Underwriters Laboratory)이 발행한 ANSI/UL 217 및 ANSI/UL 268 등의 새로운 표준 개정판이나 NFPA(National Fire Protection Agency)가 발행한 NFPA R 72 미국 화재 경보 코드는 더 복잡한 현대의 연기 탐지기 설계 요건을 제시하여 그와 같은 간극을 메우고자 합니다.
일례로 현재 UL 217 표준의 최신 에디션은 기존의 화재 및 연기 감도 테스트에 더해서 요리 같은 허위 이벤트 중에 연기 탐지기에서 거짓 알람이 발생하지 않도록 요구하고 있습니다. 따라서 최신 연기 탐지기는 요리 등의 허위 이벤트와 화재 이벤트의 차이점을 구분할 수 있어야 합니다.
이러한 새 표준의 목표는 매일의 활동에서 발생하는 거짓 알람의 수를 줄이면서 화재 관련 사망 건수도 감소시켜 안전을 증진하는 데 있습니다. 지금까지는 이 목표를 달성하려면 다중 센서 기술과 일정 수준의 인공지능에 힘입은 복잡한 솔루션이 필요하곤 했지만, ADPD188BI를 사용하면 그 구현 방법이 눈에 띄게 간단해집니다. ADPD188BI는 연기 탐지를 위해 특별히 설계된 다중 LED 센서를 갖춘 통합형 광학 모듈입니다.
어떤 연기 탐지기든 상업용으로 출시되기 위해선 인증을 거쳐야 합니다. 미국에서는 주요 인증 방법으로 UL 217이 쓰입니다. 이 시방서는 화재 또는 연기 이벤트가 관련된 몇몇 테스트 시나리오를 설명하는데, 테스트되는 모든 장치는 이 시나리오를 통과해야만 합니다. 시방서 업데이트 버전은 2021년에 발효되었고, 이 버전에서는 추가 테스트를 통과해야 함에 따라 인증 획득이 더 까다로워집니다.
그림 4. CN-0537의 물리적 방향 감도 테스트.
센서의 탐지 성능은 주요 테스트 카테고리 2가지, 즉 감도 테스트와 시나리오 기반 테스트를 통해 확인됩니다. 감도 테스트는 서로 다른 물리적 방향과 환경 조건에서 알람 트리거가 어떻게 변하는지에 초점을 맞춥니다. 이러한 테스트의 예로는 UL 217의 섹션 42를 들 수 있는데, 연기가 챔버에 일반적인 속도로 유입되고 알람 발생 시간과 차폐 수준이 측정됩니다. 이 과정은 장치의 방향을 8개로 나누어 여러 장치에 걸쳐서 반복합니다. 장치 하나를 예로 들자면 그림 4를 볼 수 있는데, 여기에서는 8가지 연기 접근 방향 모두에 라벨이 지정됩니다. 측정 결과는 모든 방향에서 감도가 가장 큰 장치와 가장 작은 장치 간의 편차가 50%를 초과할 수 없습니다. 테스트의 난도를 더욱 높이기 위해, 동일한 장치를 극한의 온도와 습도에서 테스트하여 일관성을 유지하는지 검증하기도 합니다.
시나리오 기반 테스트에는 서로 다른 화원과 제약 조건을 각기 다른 테스트에 적용하는 과정이 포함됩니다.
표 1. UL 217 목표 수준 요약 설명
UL 217 8차 에디션에서는 기존의 화원과 함께 허위 발생원을 추가할 수 있도록 새로운 관점이 도입되었습니다. 그에 따라 해당 시나리오에서는 알람이 조기에 트리거될 것이므로 연기 수준에 대한 임계값을 단순하게 설정할 수 없습니다. 이 시나리오의 예시는 그림 5의 연기 프로필에서 확인할 수 있는데, 여기에서는 초기 피크를 관찰할 수 있고 두 번째 램핑 추세가 보입니다. 이는 허위 및 유효 연기 발생원의 프로필로서, 여기에서는 허위 화재가 일차적으로 모델링되고 알람이 발령될 실제 화재 조건이 그 뒤를 잇습니다. UL 217에서 요구하는 시방서를 토대로 요건을 충족하는 탐지기는 연기가 초기 수준(L1)에 도달하고 나서 일정 시간(T1)이 흘러 특정 연기 수준(L2)에 도달하기 전까지 알람을 발령하지 않습니다. 이처럼 여러 요소가 결합되면서 해당 요건에 따른 알람 시간대가 형성됩니다. 이러한 요건은 테스트 화원 간에 서로 다르기도 하지만, 화원에 관한 정보 없이 동일 장치를 통해 고려해야 합니다. 이 시나리오의 요약 표는 표 1에서 확인할 수 있습니다.
그림 5. CN-0537의 테스트 전망.
CN-0537 연기 탐지 알고리즘 설계 방법론
화재 연구 데이터의 수집
부품 간의 변동과 테스트 간의 변동 모두를 정확하게 모델링하기 위해, ADI는 데이터 수집이 용이하도록 MCU에 필요한 케이블을 연결하고 4개 및 8개의 ADPD188BI 연기 센서가 표면에 장착된 PCB를 설계 및 구축했습니다. 여기에서 1개 센서만은 예외적으로 각각의 연기 테스트 중에 챔버를 장착했습니다.
따라서 여러 센서는 UL과 Intertek의 테스트 시설에서 현실적으로 다양한 화재 상황에 걸쳐 테스트를 진행할 수 있었습니다. 그 결과 UL 217에 의해 식별되는 연기 발생원 중 어느 하나에 해당하는 각각의 인증 시험은 여러 개의 보드와 다수의 연기 센서에 의해 동시적으로 기록됩니다. Intertek 연기 테스트 시설 천장 삽화에서는 ADPD188BI 연기 센서가 장착된 PCB를 볼 수 있습니다(그림 6 참조). 테스트 시설의 전체 레이아웃에서는 전체 테스트 설정의 다양한 요소를 묘사하고 있으며, 이는 그림 7에서 확인할 수 있습니다. 1, 2, 3번 포드는 천장에 위치해 있고, 4번 포드와 5번 포드는 벽면에 위치해 있습니다.
그림 6. 천장에 장착된 UL 217 연기 테스트용 ADPD188BI PCB 포드.
그림 7. UL 217 준수 연기 테스트 시설 레이아웃.
화재 연구 데이터의 이해
이제 (햄버거 조리에 따른) 허위의 테스트 화재 이벤트에서 관찰되는 일반 연기 프로필의 구체적 주요 특징을 살펴보겠습니다. 이러한 특징은 연기 발생원 구분을 위한 뚜렷한 특징이 되므로 연기 탐지기 알고리즘 설계에 유용합니다.
허위 화재의 경우(그림 8 참조), UL 217에서는 허위 화재를 소화하는 시점이 해당 차폐 레퍼런스가 1.5%에 도달한 후 PU(폴리우레탄)에 불이 붙기 시작하면서 17피트 거리의 빔으로 차폐 레퍼런스를 수집할 수 있을 때로 지정되어 있습니다. 이는 그림 8에서 확인할 수 있는데, 여기에서 1,100초 정도로 표시된 지점의 청색광 LED와 IR PD 모두 허위 화재가 소화됨에 따라 반응치가 아래로 꺾이기 시작합니다. 그리고 이 지점부터의 반응치는 온전히 PU에 붙은 불에 따라 움직입니다.
그림 8. 2020년 2월 Intertek에서 포드 A와 장치 2로 진행된 1번 시험의 버거 PU 연기 프로필. 차폐 레퍼런스는 피트당 백분율 단위로 표시되며 센서 반응은 nW/mW로 표시됨.
테스트 중에 포드는 테스트의 허위 양상 요건에 따라 화원과 10피트 거리를 항상 유지합니다. 이 테스트에서 PU에 불이 붙을 때의 거리는 17피트로 지정되어 있으므로, 차폐 레퍼런스 데이터는 요건 충족 여부 확인을 위해 서로 다른 두 빔의 데이터를 접합함에 따라 구해집니다. 또한 허위 화재는 불이 느리게 붙지만 PU 화재는 빠르게 붙는다는 특징도 관찰할 수 있습니다.
알고리즘 제약 조건 및 설계
연기 탐지를 위해 ADPD188BI 센서 데이터를 처리하려면 그 전에 센서 바이어스를 계산하고 PTR 데이터에서 제거해야 합니다. 센서 바이어스는 장치마다 고유하며 챔버의 공차, 장기적 LED/PD 드리프트, 분진이나 기타 검댕의 축적 등으로 인해 발생합니다. 그에 더하여 주변 습도, 온도, 노후화 등 다양한 요인이 장기적 동작에 영향을 미칩니다. 또한 센서 바이어스는 오랜 시간이 지나면 바뀌기 때문에 긴 기간에 걸쳐 추적해야 합니다. 결과적으로 화재 이벤트 부재 시 영평균 데이터를 가정하고 ADPD188BI를 사용하는 모든 연기 탐지기 알고리즘은 주기적으로 센서 바이어스를 계산한 후에 캡처된 데이터에서 제거해야 합니다.
또한 알고리즘 계산 횟수를 최적화하고 그 결과에 따라 알고리즘에 쓰일 시스템 전력을 최적화하는 일도 중요한 설계 결정 사항입니다. 이 결정 사항은 ADPD188BI에서 옵션으로 제공되는 윈도우 평균(windowed average) 전처리 기능에 영향을 받습니다. 이 단계는 데이터의 SNR을 개선하지만 시스템 전력에 손실이 발생하며, 연기 탐지 알고리즘 적용 전에 수행됩니다. 당사가 진행한 연구에서는 알고리즘에 이 단계를 적용하지 않고도 UL 217을 준수할 수 있었습니다. 그에 더하여 당사는 설계 특성상 약 6초 간격으로 캡처된 샘플을 활용함에 따라 알고리즘 계산에 쓰이는 시스템 전력이 크게 최적화되었습니다. 이 기능을 적용해 보고 싶은 고객은 이 문서를 참조할 수 있습니다.
이전에 설명된 바와 같이, 점화 속도가 서로 다른 연기 프로필의 대조적 특성은 연기 탐지 알고리즘 설계의 동인으로 작용합니다. ADI의 연기 탐지기 알고리즘은 PTR 샘플을 시계열 데이터로서 처리하고 시계열 데이터의 특정 주요 이벤트가 관찰되어 알람이 울려야 할 때 인스턴스를 적시에 식별하는 작업에 기반합니다. ADI는 약 1,500가지로 조합되는 알고리즘 조정 파라미터를 제공하며, 이는 고려 중인 연기 발생원에 따라 다양한 수준의 성공 여유도 내에서 UL 217의 레퍼런스 빔 차폐 수준 및 알람 시간 요건을 충족합니다.
CN-0537 연기 탐지 알고리즘 성능 결과
알고리즘 조정
이 섹션에서는 UL 승인 실험실에서 수집되는 화재 연구 데이터에 CN-0537 연기 탐지 알고리즘을 적용해서 얻는 성능 결과에 관해 논의합니다. 이 프로세스에는 CN-0537 연기 탐지 알고리즘 파라미터를 조정하는 과정도 포함됨에 따라 고객은 수많은 조정 파라미터 조합 중에서 선택할 수 있는데, 이들 파라미터는 다양한 수준의 성공 여유도로 UL 217을 준수하는 것이 확인되었습니다. 버거 허위 플롯(그림 9 참조)은 일반적 알고리즘의 성능 부분을 설명하기 위한 연기 발생원 예제로 쓰입니다.
그림 9. 버거 PU 테스트의 레퍼런스 빔 차폐 수준.
위의 그림 9에서는 버거 PU 테스트를 위해 UL 217에서 요구하는 레퍼런스 빔 차폐 수준의 상한과 하한을 확인할 수 있습니다. 알고리즘에 따라 알람이 발생할 때의 레퍼런스 빔 차폐 수준도 볼 수 있습니다. 이 그림의 x축은 조정 파라미터의 조합 지수입니다.
이제 특정 x축 지수에서는 해당하는 조정 파라미터 조합이 모든 데이터 파일에 적용되었고 얻어진 결과도 분류되었습니다. 위의 그림 9에서 보이는 바와 같이, 모든 조정 파라미터 조합은 UL 217 준수 알고리즘을 제공하기는 하지만 알람 시간 차폐 수준과 목표 차폐 수준 간의 차이는 매우 근소할 수 있습니다. 더욱이 조정 파라미터의 조합에 따라 일부 연기 발생원의 여유도는 충분하지만 다른 발생원은 낮을 수도 있습니다. 따라서 조정 파라미터는 모든 연기 발생원을 고려해서 선택해야 합니다.
예를 들어 그림 9에서는 UL 217의 규정에 따라 알고리즘 알람의 레퍼런스 빔 차폐 수준이 1.5% 초과 5% 미만임을 볼 수 있습니다. 특정 조정 파라미터 조합의 경우, 가령 지수 500에서 모든 버거 및 PU 훈소 테스트 중에서 모든 버거 및 PU 화재 데이터 세트 가운데 알고리즘에 따라 알람이 발생한 가장 높은 차폐 수준이 약 4.7%였다면 이는 규정 이내의 수준입니다. 마찬가지로 알람이 발생한 모든 허위 버거 화재 데이터 세트 가운데 가장 낮은 차폐 수준은 약 2%였습니다. 이와 같은 차이는 기본적으로 기술자가 테스트를 다르게 진행하거나 연기 프로필 자체가 선천적으로 테스트마다 임의성을 띠어서 테스트 진행이 바뀜에 따라 발생합니다.
UL 217 테스트 결과
알고리즘 설계를 따르고 화재 연구 데이터 세트를 사용하여 조정을 진행함으로써 알고리즘의 UL 217 준수 여부 테스트를 마쳤습니다. CN-0537 연기 탐지기 알고리즘을 사용한 Intertek 테스트 결과의 요약은 표 2에서 볼 수 있으며, 자세한 보고서는 여기에서 확인할 수 있습니다. 물론 EVAL-CN0537-ALGO가 UL 217 8차 에디션 화재 테스트 통과 여부를 테스트하고 검증받기는 했지만, 그 목적은 고객이 최종 제품 구현이라는 더 큰일에 집중할 수 있도록 돕는 데 있습니다. 달리 설명하자면, ADI가 개발한 알고리즘을 사용할 때에도 고객은 최종 제품 전체의 UL 217 표준 준수 여부를 인증받아야 합니다. 또한 UL 217은 기계적 측면, 배터리 수명 등에 초점을 맞춘 다른 부분을 제외하고 연기 탐지기 부분만 테스트와 검증을 거쳤습니다.
표 2. CN-0537 연기 탐지 알고리즘의 Intertek 인증 테스트 및 결과
ADI 솔루션 옵션
다양한 솔루션으로 다양한 고객들의 요구를 충족할 수 있으며, 이는 그림 10에 요약되어 있습니다. 이 하드웨어는 Arduino 형상 계수와 호환되며, 임베디드 연기 탐지 알고리즘의 원형 제작 및 평가 기간을 단축할 수 있도록 설계되었습니다. 이 하드웨어는 CN-0537 회로 노트에 설명된 EVALCN0537-ARDZ 참조 설계와 이를 지원하는 EVAL-ADICUP3029 마이크로컨트롤러 보드로 구성됩니다. 데이터(EVAL-CNO537-DATA) 패키지에는 자체 알고리즘과 CN-0537 조달처 코드(탐지 알고리즘 제외)를 개발하고자 하는 사람들을 위해 UL 217 인증 시설에서 수집한 광범위한 연기 데이터 세트가 포함되어 있습니다. 알고리즘(EVAL-CN0537-ALGO) 패키지에는 데이터 패키지에 있는 모든 것이 들어 있으며, UL 테스트와 검증을 통과한 연기 탐지 알고리즘 및 관련 알고리즘 프로젝트 파일도 있습니다.
그림 10. CN-0537 참조 설계 솔루션.
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