특허 명세서 초안 (변리사 검토용)

특 허 명 세 서

출원인 초안 — 변리사 검토 및 보정 전

【발명의 명칭】

밀리미터파 레이더 센서 내장형 환기장치를 이용한 재실감지, 에너지 최적화 및 안전관제 통합 시스템

【기술분야】

본 발명은 건축물의 환기장치에 mmWave(밀리미터파) 레이더 센서를 내장하여, 실내 재실 인원 감지, 환기량 자동 제어, 에너지 절감, 및 거주자 안전관제(낙상감지, 생존확인, 장기부재감지)를 통합적으로 수행하는 시스템에 관한 것이다.

【배경기술】

건축법에 의한 기계환기 의무화 규정에 따라, 100세대 이상의 공동주택은 기계식 환기장치를 의무적으로 설치하여야 한다.
1인 가구가 전체 가구의 34.5%(약 750만 가구)를 차지하며, 독거노인 고독사가 연간 3,500명 이상 발생하는 심각한 사회문제로 대두되고 있다.
기존 환기장치는 재실 여부와 무관하게 전 실에 균등하게 환기를 수행하여 불필요한 에너지를 소비하는 한계가 있다.
기존 안전관제 시스템은 다음과 같은 한계를 가진다:
- PIR(수동적외선) 센서: 정지 상태의 인체를 감지하지 못하며, 욕실 수증기에 의한 오작동이 빈번하다.
- CCTV: 프라이버시 침해 문제로 가정 내 설치에 대한 거부감이 크다.
- 웨어러블 기기: 착용 및 충전에 대한 사용자 거부가 높아 실효성이 낮다.
현재 환기장치와 안전관제 시스템이 완전히 별도의 독립 시스템으로 존재하여, 이중 설치에 따른 비용 부담이 발생한다.

선행기술 분석

문헌번호	핵심 내용	본 발명과의 차이점
KR101949799B1	mmWave 레이더를 이용한 생체신호 감지	보호시설 전용이며, 환기장치와의 연계가 없음
KR102408312B1	레이더 기반 바이탈사인 모니터링	환기장치와의 연계가 없음
KR101204328B1	재실감지 기반 환기 제어	적외선(Kinect) 방식으로 프라이버시 침해, 수증기 환경 부적합
WO2025164969A1	레이더 센서 + 에어컨 연동	환기장치(ERV)가 아닌 에어컨 대상이며, 안전관제 기능 없음

【발명이 해결하고자 하는 과제】

이미 건축법에 의해 의무 설치되는 환기장치에 센서를 내장하여, 별도 안전장비의 추가 설치 비용을 제거한다.
재실 인원 수에 기반한 환기량 자동 제어로 환기 에너지를 절감한다.
동일한 센서로 호흡감지, 낙상감지, 부재감지를 수행하여 거주자의 안전을 확보한다.
영상을 촬영하지 않는 레이더 방식으로 프라이버시를 보호하면서 24시간 안전관제를 가능하게 한다.
습기 및 수증기가 존재하는 욕실 환경에서도 정상 동작하는 감지 시스템을 제공한다.
세대 내 복수의 환기장치를 연동하여 세대 전체를 커버하는 통합 관제를 실현한다.

【과제의 해결 수단】

본 발명의 시스템은 다음의 구성요소를 포함한다:

(a) mmWave 레이더 센서가 내장된 환기장치

상기 환기장치는 전열교환기(ERV), 열회수환기장치(HRV), 욕실 환풍기, 주방 레인지후드, 또는 기타 기계식 환기장비 중 하나 이상을 포함한다.

(b) mmWave 레이더 센서

상기 센서는 FMCW(주파수변조연속파) 방식의 밀리미터파(24~77GHz) 레이더로서, 다음 정보를 감지한다:

인체 존재 여부 (재실/부재)
재실 인원 수 (다중 타겟 추적)
인체 위치 좌표 (3차원)
인체 움직임 상태 (활동/정지)
호흡 패턴 (흉부 미세 움직임 기반)
낙상 이벤트 (급격한 높이 변화 + 바닥 정지)

(c) 환기 제어부

상기 센서의 재실 정보를 기반으로 다음을 수행한다:

존별 환기량 자동 조절 (댐퍼 개도, 팬 속도 제어)
빈 방: 최소 환기량으로 감소
재실 방: 인원 수에 비례한 환기량 공급
수면 감지 시: 저소음 최소 환기 모드 전환

(d) 안전관제부

상기 센서의 생체 정보를 기반으로 다음을 수행한다:

호흡 미감지 시 생존 위급 알림 발생
낙상 감지 시 즉시 알림 발생
장기 부재(설정 시간 이상) 시 알림 발생
장시간 미동(설정 시간 이상 정지 상태) 시 알림 발생

(e) 통신부

다음의 연동을 수행한다:

환기장치 ↔ 세대 내 월패드 (RS-485 또는 TCP/IP)
월패드 ↔ 관리사무실 통합 관제 시스템
관리사무실 → 외부 연계 (보호자 SMS, 119 자동 신고)

(f) 패턴 학습부 (선택적 구성)

재실 데이터의 시계열 분석을 통해 다음을 수행한다:

시간대별/요일별 재실 패턴 학습
학습된 패턴에 기반한 환기량 예측 제어 (선제적 증감)
이상 패턴 감지 (평소와 다른 행동 패턴 시 주의 알림)

(g) 복수 환기장치 연동

세대 내 복수의 환기장치(예: ERV 1대 + 욕실 환풍기 2대)가 하나의 통합 컨트롤러에 연결되어 다음을 수행한다:

세대 전체 커버리지 확보
각 환기장치의 센서 데이터를 통합하여 세대 단위 재실/안전 상태 판단
통합 에너지 관리

【발명의 효과】

별도 안전장비 설치 비용 제거 (환기장치에 통합)
재실 기반 환기 제어로 환기 에너지 30~65% 절감
호흡/낙상/부재 감지로 독거노인 고독사 예방
프라이버시 보호 (영상 촬영 없음, 레이더 방식)
수증기/습기 환경에서도 정상 동작 (욕실 환풍기 적용 가능)
착용 및 조작 불필요 (비접촉 방식)
밀리미터파의 벽 투과 불가 특성으로 이웃 세대 간섭 없음
기존 환기장치 설치 규격 변경 없이 적용 가능
패턴 학습을 통한 선제적 에너지 최적화

【도면의 간단한 설명】

도 1: 시스템 전체 구성도 (세대 내 + 세대 간 + 관리사무실)
도 2: 환기장치(ERV) 내부 mmWave 센서 배치도
도 3: 욕실 환풍기 내부 mmWave 센서 배치도
도 4: 재실감지 기반 환기 제어 흐름도
도 5: 안전관제 판단 흐름도 (낙상/호흡/부재)
도 6: 다단계 알림 체계 흐름도
도 7: 패턴 학습 및 예측 제어 흐름도
도 8: 복수 환기장치 연동 구성도

※ 도면은 텍스트로 설명만 기재하였으며, 실제 도면은 변리사가 별도 작성합니다.

【발명의 상세한 설명】

이하, 본 발명의 각 구성요소에 대해 상세하게 설명한다.

1. mmWave 레이더 센서부

방식: FMCW(주파수변조연속파)
주파수 대역: 60GHz (또는 24GHz)
안테나 구성: 송신 안테나 3개, 수신 안테나 4개 (예시)
감지 거리: 0.5 ~ 6m
감지 각도: 약 ±60°
데이터 갱신 주기: 100ms
출력 데이터: 대상 좌표(x, y, z), 이동 속도, 호흡율, 낙상 이벤트

2. 환기 제어부

재실 인원 수에 따른 환기량 계산: Q = N × Q_base (N: 재실 인원, Q_base: 1인당 기준 환기량)
존별 댐퍼 제어: 0~100% 개도 조절
ERV 팬 속도 제어: 인버터 방식 또는 다단 제어
수면 감지 시 저소음 모드 자동 전환

3. 안전관제부

낙상 판단 기준: 1초 이내 높이 60cm 이상 하강 + 이후 30초 이상 바닥 정지
생존 확인: 호흡 패턴(12~20회/분) 연속 감지 여부
장기 부재 판단: 전 구역에서 0명 상태가 12시간 이상 지속
이상 패턴 판단: 평소 활동량 대비 통계적 이상치 발생

4. 통신부

센서 → 컨트롤러: UART / RS-485
컨트롤러 → 월패드: RS-485 (KS 표준 호환)
월패드 → 관리사무실: TCP/IP
위급 시 외부 연동: LTE / 인터넷

5. 패턴 학습부

입력 데이터: 시간대별 실별 재실 인원, 이동 경로, 체류 시간
학습 기간: 2~4주
알고리즘: 시계열 분류 (경량 ML 모델)
출력: 시간대별 예상 재실 상태 → 선제적 환기량 조절

6. 복수 환기장치 연동

구성 예시: ERV(거실/방) + 욕실 환풍기(욕실) + 레인지후드(주방, 선택)
통합 컨트롤러가 모든 센서 데이터 수집
세대 단위 재실 맵 생성
세대 단위 안전 상태 판단

【실시예】

실시예 1: 독거노인 임대주택 (84㎡, 3방+거실)

ERV 1대 (거실 천장 설치) + 욕실 환풍기 2대
거실 ERV: 존별 환기 제어 + 재실감지 수행
욕실 환풍기: 낙상감지 + 호흡감지 수행
월패드 연동 → 관리사무실 통합 관제

실시예 2: 신축 아파트 (일반 가족 세대)

ERV 1대 + 욕실 환풍기 2대 + 주방 레인지후드 1대
전 실 재실감지 → 에너지 절감 기능에 집중
안전관제는 부가 기능으로 제공

실시예 3: 요양시설

각 병실 환풍기에 mmWave 센서 내장
다수 병실 통합 관제 대시보드 운용
낙상 및 호흡 이상 발생 시 즉시 간호사실에 알림

【특허청구범위】

[청구항 1] — 독립항

밀리미터파(mmWave) 레이더 센서가 내장된 환기장치;

상기 레이더 센서로부터 수신된 반사 신호를 분석하여 실내 공간의 인체 존재 여부, 인원 수, 및 인체의 생체 상태를 감지하는 감지부;

상기 감지부의 재실 정보에 기반하여 환기량을 자동 조절하는 환기 제어부; 및

상기 감지부의 생체 정보에 기반하여 이상 상태를 판단하고 알림을 발생시키는 안전관제부;

를 포함하는, 재실감지 및 안전관제 통합 환기 시스템.

[청구항 2]

제1항에 있어서, 상기 환기장치는 전열교환기(ERV), 열회수환기장치(HRV), 욕실 환풍기, 주방 레인지후드 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 시스템.

[청구항 3]

제1항에 있어서, 상기 환기장치는 욕실에 설치되는 환풍기이며, 상기 레이더 센서는 수증기 및 습기 환경에서 정상 동작하여 욕실 내 낙상을 감지하는 것을 특징으로 하는 시스템.

[청구항 4]

제1항에 있어서, 상기 감지부는 FMCW(주파수변조연속파) 방식의 24GHz 내지 77GHz 대역 레이더 센서를 이용하여, 다음 중 하나 이상을 감지하는 것을 특징으로 하는 시스템:

인체의 존재 여부 및 인원 수;
인체의 3차원 위치;
인체의 움직임 속도 및 방향;
흉부 미세 움직임에 기반한 호흡 패턴;
급격한 높이 변화에 기반한 낙상 이벤트.

[청구항 5]

제1항에 있어서, 상기 안전관제부는 다음 중 하나 이상의 이상 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 시스템:

호흡 미감지 상태가 설정 시간 이상 지속되는 경우;
낙상 이벤트 감지 후 설정 시간 이내에 정상 자세로 복귀하지 않는 경우;
전 구역에서 인체가 감지되지 않는 상태가 설정 시간 이상 지속되는 경우;
특정 구역에서 움직임 없이 인체가 감지되는 상태가 설정 시간 이상 지속되는 경우.

[청구항 6]

제1항에 있어서, 상기 환기 제어부는:

인원이 감지되지 않는 구역의 환기량을 최소 설정값으로 감소시키고, 인원이 감지된 구역의 환기량을 감지된 인원 수에 비례하여 증가시키는 것을 특징으로 하는 시스템.

[청구항 7]

제1항에 있어서, 상기 감지부의 재실 데이터를 시계열로 수집하여 시간대별 재실 패턴을 학습하고, 학습된 패턴에 기반하여 환기량을 선제적으로 조절하는 패턴 학습부를 더 포함하는 시스템.

[청구항 8]

제7항에 있어서, 상기 패턴 학습부는 엣지(Edge) AI 방식으로 상기 환기장치의 컨트롤러 내에서 동작하며, 외부 클라우드 서버 없이 독립적으로 패턴을 학습하는 것을 특징으로 하는 시스템.

[청구항 9]

제1항에 있어서, 세대 내에 설치된 복수의 환기장치가 하나의 통합 컨트롤러에 연결되어, 각 환기장치의 센서 데이터를 통합하여 세대 단위의 재실 상태 및 안전 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 시스템.

[청구항 10]

제9항에 있어서, 상기 복수의 환기장치는 거실 또는 방에 설치된 전열교환기(ERV)와 욕실에 설치된 환풍기를 포함하며, 상기 전열교환기는 주로 환기 제어 및 재실감지를 수행하고, 상기 욕실 환풍기는 주로 낙상감지 및 호흡감지를 수행하는 것을 특징으로 하는 시스템.

[청구항 11]

제1항에 있어서, 상기 시스템은 세대 내 월패드와 RS-485 또는 TCP/IP 프로토콜로 연동되어, 실별 재실 상태 및 환기 상태를 월패드에 표시하고, 이상 상태 발생 시 월패드를 통해 1차 알림을 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템.

[청구항 12]

제11항에 있어서, 상기 월패드는 단지 네트워크를 통해 관리사무실의 통합 관제 시스템과 연동되어, 복수 세대의 재실 상태, 안전 상태, 및 에너지 사용 현황을 통합 모니터링하는 것을 특징으로 하는 시스템.

[청구항 13]

제1항에 있어서, 상기 안전관제부는 다단계 알림 체계를 포함하며:

1단계로 세대 내 음성 안내 또는 월패드 알림을 발생시키고;

설정 시간 내 응답이 없는 경우 2단계로 관리사무실에 알림을 전송하며;

위급 상태로 판단되는 경우 3단계로 보호자 연락 및 긴급 구조 신고를 수행하는 것을 특징으로 하는 시스템.

[청구항 14]

제1항에 있어서, 상기 레이더 센서는 밀리미터파 특성에 의해 벽체를 투과하지 않아, 인접 세대의 인체를 감지하지 않는 것을 특징으로 하는 시스템.

[청구항 15] — 독립항 (방법 청구항)

환기장치에 내장된 밀리미터파 레이더 센서로 실내 공간의 인체를 감지하는 단계;

감지된 재실 정보에 기반하여 환기량을 자동 조절하는 단계;

감지된 생체 정보로부터 이상 상태 여부를 판단하는 단계; 및

이상 상태 판단 시 알림을 발생시키는 단계;

를 포함하는, 환기장치 기반 재실감지 및 안전관제 통합 방법.

[청구항 16]

제15항에 있어서, 상기 재실 정보를 시계열로 수집하여 생활 패턴을 학습하고, 학습된 패턴에 기반하여 환기량을 선제적으로 조절하는 단계를 더 포함하는 방법.

[청구항 17]

제15항에 있어서, 상기 환기장치는 욕실 환풍기이며, 상기 이상 상태는 수증기 환경에서 감지된 낙상 이벤트를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.