죄송합니다. 더 이상 지원되지 않는 웹 브라우저입니다.

완전 자율 레이더 센서를 사용한 스마트 모션 센싱

PDF 다운로드

글/Bernd Kohler, 제품 마케팅 책임자, Infineon

보안 시스템, 자동문, 스마트 조명 제어 같은 스마트 빌딩 기능들은 신뢰할 수 있는 모션 센서가 없이는 불가능하다. 현재 널리 사용되고 있는 PIR(passive infrared) 센서는 중대한 단점을 가지고 있다. 이에 대한 대안으로 인피니언은 비용을 낮추면서 모션 센싱을 더 스마트하게 할 수 있는 솔루션을 개발했다. 이 단일 패키지 레이더 센싱 솔루션은 누구나 손쉽게 레이더 기술을 사용할 수 있도록 한다.

널리 사용되는 PIR 센서는 중적외선 파장을 사용해서 사람, 동물, 사물의 적외선 방사를 검출한다. 그런데 PIR 센서는 온도가 상승함에 따라서 신뢰성이 크게 저하된다. 그러므로 이 센서는 열원에 가깝게 설치하거나 주변 온도가 높은 장소에서 사용하는 것은 좋지 않다. 이와 같은 까다로운 환경에서 더 나은 방법은 레이더 센서를 사용하는 것이다. 레이더 센서는 온도의 영향을 덜 받기 때문이다.

레이더 센서의 또 다른 장점은 감도가 뛰어나다는 것이다. PIR 센서는 접선 방향으로 최소한 약 1m/s의 속도로 움직임이 큰 모션을 감지하는 데 적합하다. 그러므로 PIR 센서는 제자리에서의 움직임이나 회전하는 움직임을 감지하는 데는 효과적이지 않다. 이와 달리 레이더 센서는 타이핑을 하거나 연설을 하거나 숨을 쉬는 것과 같은 인체의 미세한 움직임까지도 감지할 수 있다. 뿐만 아니라 레이더 칩 구성에 따라서는 표적의 움직임 방향, 속도, 정확한 위치까지 알 수 있다.

뿐만 아니라 레이더 센싱은 ToF(time of flight)나 카메라 센서처럼 감지되는 대상에 대한 어떠한 광학적 이미지를 생성하지 않으므로 프라이버시를 보호한다. 

레이더는 고유의 장점들을 앞세워서 방위, 보안, 항공우주뿐만 아니라 기상 관측이나 교통 통제 같은 애플리케이션에 널리 사용되어 왔다. 하지만 산업용으로 레이더의 사용은 수위 측정/지반 탐사, 해양 내비게이션, 자동문 모션 센서 같은 용도로 제한적이었다. 그런데 최근 몇 년 사이에 이 기술이 빠르게 진화하면서 공장 자동화, 자율 내비게이션, 코봇, 상업용 드론 등에도 이 기술을 활용할 수 있게 되었다. Yole의 조사에 따르면 [1], 산업용 레이더 애플리케이션이 앞으로 5년 사이에 1천만 개 디바이스를 돌파할 것으로 전망된다(그림 1). 이 중에서 기본 모션/존재 감지가 가장 큰 비중을 차지한다.

하지만 레이더 기술은 여전히 무선 주파수 엔지니어링, 안테나 디자인, 신호 프로세싱과 관련해서 높은 수준의 전문성을 필요로 한다. 인피니언은 이 모든 영역에서 경험과 전문성을 축적하고 있고 레이더 칩 시장을 선도하는 회사로서, 이러한 역량을 바탕으로 모든 장점을 한데 결합한 고집적 마이크로파 모션 센서 제품을 개발했다. 이 제품은 사용자 친화적인 레이더 솔루션을 제공한다.

[그림 1] 산업용 레이더 디바이스 전망

최초의 완전 자율의 사용하기 쉬운 모션 센서

인피니언의 BGT60LTR11AIP(그림 2)는 고집적 초소형 60GHz 레이더 센서이다. 이 자율형 모션 센서는 크기가 1센트 동전의 1/10에 불과하므로 최종 제품에 손쉽게 통합할 수 있을 뿐만 아니라, 또 다른 장점으로 비전도성 물질을 통과해서 동작할 수 있다. 그러므로 이 센서는 우리 생활에 일상적으로 사용되는 제품들에 레이더 기술을 손쉽게 통합할 수 있도록 한다.

[그림 2] 인피니언의 완전 자율 레이더 센서 BGT60LTR11AIP

인피니언의 이 레이더 센서는 고집적 마이크로파 모션 센서로서 단일 패키지에 모션 및 모션 방향 검출기뿐만 아니라 안테나(AIP)까지 포함한다. 또한 상태기를 포함하므로 외부 마이크로컨트롤러 없이 디바이스를 실행할 수 있다. 2개 검출기는 2개 디지털 출력 신호를 제공한다. 하나는 표적의 모션을 지시하는 것이고, 또 하나는 표적의 모션 방향(접근하거나 멀어지거나)을 지시하는 것이다. 통상적인 레이더 원시 신호 처리와 달리, 이들 2개 신호를 직접 사용할 수 있다. 이와 같은 자율 모드로 80° 시야각으로 최대 5미터 거리에 있는 사람을 감지할 수 있다. 또한 듀티 사이클 구현으로 전력 소모가 5mW 미만이며, 특정한 설정에서는 전력 소모가 2mW 미만일 수 있다.

BGT60LTR11AIP는 특히 스마트 빌딩과 스마트홈 애플리케이션에 적합하다. 이 센서를 사용해서 조명 시스템, 자동문, (침입 경보와 카메라를 포함하는) 보안 시스템 같은 전통적인 모션 센싱 애플리케이션에 수고스럽지 않게 ‘지능’을 추가할 수 있다. 뿐만 아니라 랩탑, 태블릿, TV, 스피커, 온도조절기 같은 시스템에 이 센서를 통합해서 모션이나 모션 방향을 감지하는 것에 따라 기기를 가동시킬 수 있다. 또한 특정한 시간 동안 어떠한 모션이 감지되지 않으면 슬립 모드나 자동 잠금 모드로 전환하여 에너지를 절약하고, 수명을 연장하고, 프라이버시를 보호하고, 전반적인 사용자 경험을 향상시킬 수 있다.

사용자 친화적인 저전력 칩

그림 3은 BGT60LTR11AIP MMIC의 블록 다이어그램을 보여준다. 이 블록 다이어그램을 보면, 전압 제어 오실레이터(VCO)가 고주파 신호를 발생시키고, 위상 동기 루프(PLL)가 이 신호를 안정화한다. 트랜스미터 섹션은 중간 전력 증폭기(MPA)를 포함하며 이 증폭기는 출력 전력을 구성할 수 있다. 제어는 SPI(serial peripheral interface)를 통해서 이루어지고, 전력 검출기가 송신 전력을 모니터링한다.

[그림 3] BGT60LTR11AIP MMIC의 블록 다이어그램

저잡음 쿼드러처 리시버 스테이지에서는 리시버가 쿼드러처 호모다인 하향 변환 믹서 전위에 저잡음 증폭기(LNA)를 사용해서 뛰어난 리시버 감도를 달성한다. 내부 VCO 신호로부터 도출되는 RC 다상 필터(PPF)는 쿼드러처 믹서를 위해서 쿼드러처 로컬 오실레이터 신호를 발생시킨다.

아날로그 기저대(ABB) 유닛은 저전력 듀티 사이클 동작을 위한 샘플-앤-홀드(S&H) 회로에 이어서 외부적으로 구성 가능한 고역통과 필터, 가변 이득 증폭기(VGA), 저역통과 필터로 이루어진다. 검출기들은 비교기로서 표적의 움직임에 따라서 펄스를 발생시킨다. 또한 유연성을 극대화하고 오경보에 대한 견고성을 높이는 점으로서 검출기 회로로 홀드 시간, 히트 카운터, 검출 임계값을 사용자가 구성할 수 있다.

뿐만 아니라 2레이어 라미네이트 패키지 안에 소형화된 3.3mm x 6.7mm x 0.56mm 크기의 MMIC로 안테나를 내장하여 사용자가 복잡한 안테나 설계를 하지 않아도 된다. 또한 PCB 디자인으로 특수한 베이스 소재를 필요로 하지 않고 표준 FR4 소재를 사용할 수 있다. 그림 4는 PCB로 BGT60LTR11AIP MMIC를 탑재한 모습을 보여준다. 지원 회로로는 저잡음 전압 레귤레이터(LDO), 레퍼런스 클록 용의 38.4MHz 크리스털 오실레이터 소스, 외부적 커패시터를 포함한다. 센서 출력을 2개 LED를 사용해서 지시한다. 표적을 감지했을 때는 녹색 LED가 켜지고, 표적이 센서로부터 멀어지면 빨간색 LED가 켜지고, 표적이 센서로 다가오면 빨간색 LED가 꺼진다.

[그림 4] BGT60LTR11AIP MMIC와 지원 회로를 탑재한 쉴드 보드

이 쉴드 보드는 BGT60LTR11AIP MMIC를 채택한 전체적인 턴키 레이더 솔루션을 제공한다. VCC 및 GND 구멍으로 전원을 연결하여 이 MMIC 모션 센서를 기존 시스템에 연결할 수 있다. 그러므로 이 올인원 솔루션을 사용해서 빠르게 프로토타입을 개발하고, 간편하게 시스템으로 통합하고, 제품 평가 작업을 할 수 있다.

4상태 입력 핀을 사용해서 자율 모드와 SPI 모드 사이에 손쉽게 전환

4개의 4상태 입력 핀(QS1-4)을 사용해서 센서가 자율 모드로 실행되고 있을 때라도 파라미터를 유연하게 조절할 수 있다. 예를 들어서 사용자가 QS2로 임계값을 손쉽게 선택해서 검출기 감도를 높이거나 낮출 수 있다. 앞 페이지 표는 QS 파라미터 설정을 보여준다:

숙련된 레이더 사용자라면 QS1 핀으로 동작 모드를 변경해서 반자율 모드나 SPI 모드를 사용할 수도 있다. 예를 들어서 기존 마이크로컨트롤러를 사용하는 경우에 검출은 여전히 검출기들을 통해서 하면서 SPI를 통해서 칩 파라미터를 세밀하게 설정할 수 있다. 완전 비자율 SPI 모드는 이 인터페이스를 통해서 레이더 원시 데이터를 추출해서 신호 처리를 하거나 맞춤화된 알고리즘을 개발할 수도 있다. 또한 이 쉴드 보드를 아두이노 MKR 보드나 인피니언 MCU7 레이더 베이스보드로 연결할 수도 있다.

인피니언은 이 플랫폼을 지원하기 위해서 데모 소프트웨어와 레이더 그래픽 사용자 인터페이스(레이더 GUI)를 제공한다. 레이더 GUI를 사용해서 포착된 데이터를 시간 도메인이나 주파수 도메인으로 표시하고 분석할 수 있다.

맺음말

인피니언이 개발한 지능적이며 경제적인 레이더 기반 모션 센서는 조명 제어, 자동문, 보안 시스템, 여타 스마트홈 디바이스를 비롯한 다양한 모션 센싱 애플리케이션에 적합하다. 이 사용자 친화적 레이더 솔루션을 사용해서 레이더 기능을 빠르게 추가할 수 있을 뿐만 아니라 지능을 추가하여 움직임이 있거나 없는 것에 따라 기기를 가동시키거나 슬립 모드로 전환할 수 있다.

이 센서의 검출기와 상태기는 디지털 출력 신호를 사용한 자율 모드를 가능하게 하며 반자율 모드와 SPI 모드도 가능하다. 4상태 입력 핀은 완전 자율 모드로 실행하면서도 사용자가 손쉽게 레이더 동작 파라미터를 설정할 수 있도록 한다. 이러한 특징들에 낮은 전력 소모까지 더하여 BGT60LTR11AIP는 기존의 PIR 센서를 대체할 수 있는 지능적이면서도 비용적으로 경제적인 솔루션을 제공한다. 

[참고 문헌]

[1] Yole “Status of the Radar industry”, 2020

leekh@seminet.co.kr
(끝)
<저작권자(c) 반도체네트워크, 무단 전재-재배포 금지>