KR100955260B1 - 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화작업관리 시스템 및 그 방법 - Google Patents

지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화작업관리 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것으로, 자동 크레인 작업장에 설치된 크레인의 상부의 모서리 네 부분에 설치되고, 지그비 통신을 이용하여 네트워크를 형성하고 상호 통신하면서 동기화된 비컨 정보를 수신하여 좌표값을 산출하며, 트레일러 센서에 초음파 신호를 발신하는 제 1 내지 제 4 크레인 센서와; 트레일러에 설치되고, 상기 제 1 내지 제 4 크레인 센서로부터 초음파 신호를 수신하고, 초음파 신호의 수신 시간을 측정하는 트레일러 센서;를 포함하고, 상기 제1 내지 제4 크레인 센서는, 상기 형성된 네트워크에 트레일러 센서가 나타나면 상호 통신하면서 새로운 네트워크를 형성하고, 상기 트레일러 센서로부터 동기화된 비컨 정보를 수신하여 상기 트레일러 센서의 좌표값을 산출하며, 상기 제 1 내지 제 4 크레인 센서의 좌표값, 상기 트레일러 센서의 좌표값 및 상기 초음파 수신 시간을 이용하여 트레일러의 위치를 파악하는 것을 특징으로 함으로서, 유비쿼터스 기술인 USN을 이용하여 컨테이너 크레인과 트레일러의 위치정보 전송을 통한 안벽생산성 증가, 장비 생산성 향상, 트럭 서비스 시간의 축소를 구현할 수 있게 되는 것이다.
컨테이너, 크레인, 작업관리, 지그비, 센서

Description

지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템 및 그 방법{System and method for automatic task management of container crane by ZigBee communication technology}
본 발명은 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리에 관한 것으로, 특히 유비쿼터스 기술인 USN(Ubiquitous Sensor Network)을 이용하여 컨테이너 크레인과 트레일러의 위치정보 전송을 통한 안벽생산성(Waterside Productivity) 증가, 장비(Yard Crane) 생산성 향상, 트럭 서비스 시간의 축소를 구현하기에 적당하도록 한 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 우리나라 수출입화물의 90% 이상이 항만을 통해 처리되고 있으며 매년 약 10% 이상씩 물동량이 증가되고 있다.
그러나 통합적인 컨테이너 물류시스템에서 육상과 해상운송을 연결하는 하역작업인 컨테이너 크레인에서 병목현상이 자주 발생하고 있으며, 이 장비의 효율성 이 컨테이너 터미널의 생산성을 좌우하고 있다.
이 때문에 국제 시장의 개방화에 따른 컨테이너 처리량의 지속적인 증가, 화주로부터의 물류비 절감요구, 컨테이너 선사들의 단위당 수송비용 절감요구를 수용할 수 있도록 컨테이너터미널의 경쟁력을 제고시켜야 한다.
또한 급부상하고 있는 북중국, 상하이항의 위협과 항만 경쟁력 제고를 위해서는 높은 부가가치 창출로 눈을 돌려야 한다. 또한 정보시스템과 자동화기술을 활용하는 새로운 운영전략과 하역시스템을 지속적으로 개발, 운영하여야 한다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 유비쿼터스 기술인 USN을 이용하여 컨테이너 크레인과 트레일러의 위치정보 전송을 통한 안벽생산성 증가, 장비 생산성 향상, 트럭 서비스 시간의 축소를 구현할 수 있는 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템에서 센서의 설치예를 보인 블록구성도이다.
이에 도시된 바와 같이, 자동 크레인 작업장(100)에 설치된 크레인의 상부의 모서리 네 부분에 설치되고, 트레일러 센서(121)와 초음파 신호를 송수신하고, 그 결과를 지그비 통신모듈(200)로 전달하는 제 1 내지 제 4 크레인 센서(111 ~ 114)와; 트레일러(120)에 설치되고, 상기 제 1 내지 제 4 크레인 센서(111 ~ 114)와 초음파 신호를 송수신하고, 그 결과를 상기 지그비 통신모듈(200)로 전달하여 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리가 수행될 수 있도록 하는 트레일러 센서(121);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 내지 제 4 크레인 센서(111 ~ 114)는, 스타(Star), 매쉬(Mesh) 또는 하이브리드(Hybrid) 중에서 하나 이상의 형태로 네트워크를 형성하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템의 블록구성도이다.
이에 도시된 바와 같이, 자동 크레인 작업장(100)에 설치된 크레인의 상부의 모서리 네 부분에 설치되고, 트레일러 센서(121)와 초음파 신호를 송수신하고, 그 결과를 지그비 통신모듈(200)로 전달하는 제 1 내지 제 4 크레인 센서(111 ~ 114)와; 트레일러(120)에 설치되고, 상기 제 1 내지 제 4 크레인 센서(111 ~ 114)와 초음파 신호를 송수신하고, 그 결과를 상기 지그비 통신모듈(200)로 전달하여 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리가 수행될 수 있도록 하는 트레일러 센서(121)와; 상기 제 1 내지 제 4 크레인 센서(111 ~ 114) 및 상기 트레일러 센서(121)와 지그비 통신을 수행하여 센서별 위치 정보를 전송받는 지그비 통신모듈(200)과; 지그비 통신을 통해 상기 지그비 통신모듈(200)과 연결되고, 상기 지그비 통신모듈(200)에 대한 원격제어를 수행하는 지그비 AP(Access Point, 액세스 포인트) 컨트롤러(300)와; 상기 지그비 AP 컨트롤러(300)와 연결되고, 상기 센서들(111 ~ 114, 121)을 이용하여 상기 트레일러(120)에 대한 위치파악 알고리즘을 처리하고 크레인 작업처리가 수행되도록 하는 작업관리 단말기(400)와; 상기 작업관리 단말기(400)와 유선 또는 무선 인터넷을 통해 연결되고, 자동화된 터미널 제어를 수행하는 ACT(Automated Controller Terminal)(500);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 내지 제 4 크레인 센서(111 ~ 114)는, 스타(Star), 매쉬(Mesh) 또는 하이브리드(Hybrid) 중에서 하나 이상의 형태로 네트워크를 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 작업관리 단말기(400)는, 도 8에서와 같이, 미리 설정된 상기 크레인 센서(111 ~ 114)의 기준점과 상기 트레일러 센서(121)의 측정점의 거리 측정에 의해 2차원 위치를 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기 작업관리 단말기(400)는, 도 9에서와 같이, 미리 설정된 상기 크레인 센서(111 ~ 114)의 기준점과 상기 트레일러 센서(121)의 측정점의 상대 각도 측정에 의해 상기 트레일러 센서(121)의 측정점의 위치를 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기 ACT(500)는, 상기 작업관리 단말기(400)와 데이터 연계를 수행하여 컨테이너 작업계획을 관리할 수 있게 하고, 작업처리결과를 관리할 수 있게 하는 자동화 작업관리 시스템(510)과; 상기 자동화 작업관리 시스템(510)과 연결되고, 관 리자가 자동화 작업관리 상태를 모니터링할 수 있게 하는 작업관리 모니터링부(520);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
도 3은 도 2에서 지그비 통신모듈의 일 예를 보인 블록구성도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 지그비 통신모듈(200)은, 상기 제 1 내지 제 4 크레인 센서(111 ~ 114) 및 상기 트레일러 센서(121)와 지그비 통신을 수행하여 센서별 위치 정보를 전송받아 데이터를 처리하는 마이크로 컨트롤러(210)와; 상기 마이크로 컨트롤러(210)와 연결되고, 데이터의 RF 송수신 처리를 수행하는 RF 데이터 모뎀(RF Data modem)(220);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로 컨트롤러(210)는, 상기 센서(111 ~ 114, 121)를 구동시키고, 상기 센서(111 ~ 114, 121)로부터 위치정보를 전송받는 센서 드라이버(Sensor driver)(211)와; 상기 센서 드라이버(211)에서 전송받은 위치정보를 처리하는데 필요한 프로그램을 구동시키고 어플리케이션 계층에서 필요한 처리를 수행하는 센서 어플리케이션(Sensor app)(212)과; 상기 센서 어플리케이션(212)에서 처리된 데이터를 지그비 네트워크를 통해 전송할 수 있도록 네트워크(Network, NWK) 계층에서 처리하는 지그비 네트워크(ZigBee NWK)(213)와; 상기 지그비 네트워크(213)에서 처리된 데이터를 IEEE 802.15.4 MAC(Medium Access Control) 계층에서 처리하고, 상기 RF 데이터 모뎀(220)과 통신을 수행하는 MAC(214);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 RF 데이터 모뎀(220)은, 상기 마이크로 컨트롤러(210) 내의 MAC(214)과의 SPI(SDH Physical Interface) 인터페이스를 수행하고, 상기 RF 데이터 모 뎀(220)의 동작을 제어하는 SPI/제어부(221)와; 상기 SPI/제어부(221)의 제어를 받고, RF 데이터 송수신에 필요한 주파수를 생성시키는 주파수 생성부(Frequency generator)(222)와; 상기 SPI/제어부(221)에서 송신할 데이터를 전달받아 베이스밴드 신호로 변환시키는 송신 베이스밴드(TX Baseband)(223)와; 상기 주파수 생성부(222)에서 생성된 주파수에 따라 상기 송신 베이스밴드(223)의 신호를 전달받아 아날로그/RF 신호로 변환시켜 안테나를 통해 송신하는 송신 아날로그/RF(224)와; 상기 주파수 생성부(222)에서 생성된 주파수에 따라 안테나로부터 아날로그/RF 신호를 수신하는 수신 아날로그/RF(225)와; 상기 수신 아날로그/RF(225)의 신호를 전달받아 처리하여 상기 SPI/제어부(221)로 전달하는 수신 베이스밴드(RX Baseband)(226)와; 상기 RF 데이터 모뎀(220)으로 전원을 공급하고 관리하는 전원부(Power management)(227);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 방법의 흐름도이다.
이에 도시된 바와 같이, 자동 크레인 작업장에 설치된 컨테이너 크레인과 트레일러(120)에 부착된 센서(111 ~ 114, 121)의 노드들이 실시간으로 통신하면서 서로의 좌표값을 동기화시키도록 하는 제 1 단계(ST1)와; 상기 제 1 단계 후 상기 센서(111 ~ 114, 121)의 노드들에 대한 좌표값을 획득하는 제 2 단계(ST2)와; 상기 제 2 단계 후 지그비 RF 센서와 초음파 센서를 포함하여 구성된 센서들(111 ~ 114, 121)로부터 얻어진 3D(Three Dimension, 3차원) 상의 좌표값을 시뮬레이션 하여 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리에 적용되도록 하는 제 3 단계(ST3)와; 상기 제 3 단계 후 네트워크를 형성하고 있던 크레인에 상기 트레일러(120)라는 새로운 디바이스가 나타나면 통신을 위한 동기화를 시키고 새로운 네트워크가 형성되도록 하는 제 4 단계(ST4)와; 상기 제 4 단계 후 각 고유의 아이디를 가지는 상기 센서(111 ~ 114, 121)의 노드의 RF 신호를 통해서 상기 트레일러(120)의 위치를 파악하기 위해 초음파를 발생시키는 제 5 단계(ST5)와; 상기 제 5 단계 후 발생된 초음파를 상기 트레일러(120)의 트레일러 센서(121)로 송신하고, 상기 트레일러 센서(121)로부터 되돌아오는 초음파 신호의 시간을 측정하여 위치정보와 방위각 정보를 출력하는 제 6 단계(ST6);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 4 단계에서 네트워크는, 스타(Star), 매쉬(Mesh) 또는 하이브리드(Hybrid) 중에서 하나 이상의 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 제 6 단계는, 도 8에서와 같이, 미리 설정된 상기 크레인 센서(111 ~ 114)의 기준점과 상기 트레일러 센서(121)의 측정점의 거리 측정에 의해 2차원 위치를 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 6 단계는, 도 9에서와 같이, 미리 설정된 상기 크레인 센서(111 ~ 114)의 기준점과 상기 트레일러 센서(121)의 측정점의 상대 각도 측정에 의해 상기 트레일러 센서(121)의 측정점의 위치를 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템 및 그 방법은 유비쿼터스 기술인 USN을 이용하여 컨테이너 크레인과 트 레일러의 위치정보 전송을 통한 안벽생산성 증가, 장비 생산성 향상, 트럭 서비스 시간의 축소를 구현할 수 있는 효과가 있게 된다.
이에 따라 본 발명에 의한 기술적 측면에서의 효과는 항만 산업의 시스템 효율화 증대, 유비쿼터스 환경을 통한 항만 자동화 기술 향상, 컨테이너 적제 시스템의 데이터베이스화가 가능하고, ZigBee라는 최신 기술을 산업현장에 적용함으로서 새로운 표준을 제안하게 되며, 저비용, 저전력, 짧은 거리, 작은 사이즈를 이용한 효율적 기술의 제안이 가능하게 된다.
또한 본 발명에 의한 경제/산업적 측면에서의 효과는 센서네트워크 시스템 도입으로 원가 절감 및 서비스 신뢰도 상승, 센서네트워크를 이용한 관리시스템의 국내외 시장창출 기대(수출), 병목현상 완화를 통한 화물적체 감소는 이익창출이 가능하며, 안벽생산성(Waterside Productivity) 증가를 통한 경쟁력 확보, 장비(Yard Crane) 생산성 향상을 통한 경쟁력 확보, 트럭서비스 시간의 축소를 통한 경쟁력 확보가 가능하고, 한번 설치한 센서노드는 2 ~ 3년을 별도의 충전 없이 사용이 가능하여 자동화 작업관리의 지속성이 유지될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템 및 그 방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.
먼저 본 발명은 유비쿼터스 기술인 USN을 이용하여 컨테이너 크레인과 트레일러의 위치정보 전송을 통한 안벽생산성 증가, 장비 생산성 향상, 트럭 서비스 시간의 축소를 구현하고자 한 것이다.
유비쿼터스 네트워킹 환경은 사람 주변의 모든 기기가 하나의 네트워크로 연결되어 끊임없이 정보를 주고받으며 통신을 가능하게 해주는 전자공간과 실제 공간의 융합이다. 이러한 개념을 도입한다면 많은 비용과 시간을 절감 할 수 있는 시스템을 구축할 수가 있게 된다. 크레인과 트레일러에 부착된 센서노드들은 실시간으로 통신을 하면서 서로의 좌표 값을 동기화시킴으로서 안전하게 트레일러를 운반할 수 있는 좌표 값을 찾아낸다. 이러한 시스템의 구축은 인력기반의 저효율 시스템 극복과 자동화 컨테이너 터미널 구축을 위해서 꼭 필요한 것이다.
자동화 시스템에 적용되는 노드는 ZigBee라는 무선 네트워킹 기술을 사용한다. 지그비(ZigBee)는 가정, 사무실 등의 무선 네트워킹에서 10 ~ 20m 내외의 근거리 통신시장과 최근 주목받고 있는 유비쿼터스 컴퓨팅을 위한 기술로써 무선통신 분야에서 IEEE 802.11이나 다른 802.15와는 달리 단순기능이 요구되는 매우 작은 사이즈, 저전력, 저가격 시장을 목표로 하고 있다.
여기서 IEEE 802.15.4는 하나의 네트워크를 책임지는 PAN(personal area network) 코디네이터가 네트워크를 관리하며 슈퍼프레임 구조를 이용하여 네트워크를 주기적으로 깨우고 재우면서 저전력을 구현한다. PAN 코디네이트가 주기적으로 비컨을 동기화하여 하나의 프레임을 구성한다. 이 프레임을 활성(Active)프레임과 비활성(Inactive)프레임으로 구분되며, 비컨 주기 시간을 늘리고 비활성시간을 늘리면 시간당 통신가능한 시간을 줄어들어 센서노드의 생명주기가 늘어난다. PAN 코디네이터는 이와 같은 방법을 통해 네트워크의 수명을 조절할 수 있다. IEEE 802.15.4의 네트워크 형태는 Star 또는 Peer-to-Peer로 구성되며 네트워크 형성과 기본스테이션 등의 내용은 MAC에서 직접 제공하지 않는다. 다만 상위 계층인 네트워크(NWK) 계층에서 PAN 코디네이터로 부터 직접 할당받을 수 있는 16비트주소와 기기마다 고정된 주소인 64비트주소 등 다양한 주소 형식을 지원하고 있으며 이들 주소간의 데이터전송이 가능하도록 MAC에서 지원하고 있다. 뿐만 아니라 이동성의 PAN 영역에서도 사용이 가능하도록 소스 PAN ID와 목적노드 PAN ID에 대한 관리기능을 지원한다. 또한 다양한 PAN이 어울려 클러스터 헤드와 같은 형태의 네트워크를 구성할 수 있도록 고려하고 있다.
IEEE 802.15.4에서는 MAC 계층에서 지원하는 PAN 코디네이터를 통하여 슈퍼프레임 구조를 정의한다. 이 슈퍼프레임 구조는 PAN 코디네이터가 주기적으로 발생시키는 비컨이 포함된다. 이 비컨이 발생하는 주기에 의해 모든 기기는 일정시간 잠들었다가 동시에 깨어나서 작업을 수행하는데, 이러한 휴면 기능으로 인해 IEEE 802.15.4를 적용한 기기는 에너지 자원이 제한적인 환경에서 배터리로 수개월 또는 수년간 수명을 연장할 수 있는 저전력 기술의 구현이 가능하다.
그리고 지그비 기술은 지능형 홈네트워크, 빌딩 및 산업용기기 자동화, 물류, 환경 모니터링, 휴먼 인터페이스, 텔레매틱스, 군사 등 다양한 유비쿼터스 환경에 응용될 수 있다. 많은 산/학/연에서 유비쿼터스 컴퓨팅 환경을 제공하는데 필요한 기술을 연구 및 개발 중에 있으며 지그비 얼라이언스(ZigBee Alliance)에서는 네트워크 프로토콜, 애플리케이션 프레임워크 및 애플리케이션 프로파일에 대해 표준화를 진행하여 2004년 12월에 버전 1.0을 완료하였다. 또한 인증 프로그램을 개발하여 시험 스펙을 작성하고 2005년 4월부터 시험서비스를 시작하였다. TTA(Telecommunication Technology Association, 한국통신기술협회)에서는 900MHz 대역의 지그비 물리계층에 대한 표준규격을 작성하여 정보통신단체표준으로 제출하였고 국내 표준을 기반으로 국내 공인시험소 운영을 준비 중에 있다. 장기적으로 TTA는 지그비 국제공인시험소 지정을 목표로 하고 있다.
본 발명은 자동화터미널을 위한 센서네트워크 기반 컨테이너 적제시스템 개발로서 야드에서 운행하는 크레인과 컨테이너를 운반하기 위한 트레일러의 정확한 위치를 파악하는데 있다. 그래서 도 1 내지 도 4에서와 같이, ZigBee 통신모듈(200)과 초음파 센서인 제 1 내지 제 4 크레인 센서(111 ~ 114) 및 트레일러 센서(121)를 통해서 얻어진 3D(Three Dimension, 3차원) 상의 좌표 값은 시뮬레이션 되어 자동화에 적용된다. Star 혹은 mesh 형태의 네트워크를 형성하고 있던 크레인 센서(111 ~ 114)에 트레일러 센서(121)라는 새로운 디바이스가 나타나면 통신을 위한 동기화를 시키고 새로운 네트워크가 구성이 된다. 이렇게 구성된 네트워크는 각 고유의 아이디를 가지는 노드의 RF 신호를 통해서 트레일러의 위치를 파악하기 위 한 초음파를 발생한다. 트레일러에 부착되는 트레일러 센서(121)는 DSP(Digital Signal Process) 보드와 초음파 수신기로 구성되고, 초음파 수신기는 방위각 계산을 위해 2개를 둘 수 있다. 트레일러 센서(121)의 DSP 보드에서는 크레인 센서(111 ~ 114)에서 보낸 초음파 신호의 시간을 측정하여 지그비 통신모듈(200)을 통해 작업관리 단말기(400)와 ACT(500)로 전달하여 위치정보와 방위각 정보를 출력하게 된다. 이렇게 출력된 정보는 자동화 시스템에 의해 무인으로 컨테이너 박스의 적재가 가능하게 된다. 혹은 운전자가 필요하다면 그에 상응하는 디스플레이 장치를 통해서 확인할 수 있게 한다.
그리고 본 발명은 ZigBee 무선 기술을 이용한 RF 통신 기술을 사용할 수 있다. 무선 통신 기술의 발달과 이를 이용하는 어플리케이션들이 증가하면서 무선 통신 기술은 고속으로 다량의 데이터를 전송하는 기술 말고도 저속의 저전력을 사용하는 기술도 요구하게 되었다. 이 기술은 유비쿼터스 시대의 센서 네트워크에 활용되어 Home Automation, Personal Health care, Sensor와 monitoring을 이용하는 industrial & commercial 등의 다양한 분야에 활용될 수 있다. ZigBee는 소모를 고려한 MAC(Medium Access Control) protocol로 저가의 저전력 장비를 구성할 수 있도록 개발되었다.
그래서 크레인 아래로 "network device"인 트레일러(120)가 들어오게 되면 센서들(111 ~ 114, 121)에 의해 형성되는 각각의 노드들은 통신을 통해서 동기화를 하고 새로운 네트워크를 형성하고 작업관리를 수행할 수 있게 된다.
그리고 센서들(111 ~ 114, 121)에는 초음파 센서를 사용할 수 있다. 초음파 센서는 공진 주파수 길이와 주위 환경과 온도, 습도에 따라서 약간의 차이가 있지만, 40KHz의 주파수 대역의 센서를 사용할 경우 1cm의 오차까지 거리를 측정 할 수가 있다.
또한 4개의 초음파 발신기인 제 1 내지 제 4 크레인 센서(111 ~ 114)와 1개의 트레일러 센서(121)를 이용해서 3D상에서의 위치를 계산해야 한다.
ZigBee는 새로운 망을 구성하고 명령어를 내리고 자료를 송수신 하는 역할을 한다면, 초음파 센서(111 ~ 114, 121)는 거리와 각도를 측정해서 정확한 위치를 파악하게 해주는 알고리즘을 가지고 있어야 한다. 이러한 알고리즘이야 말로 기술 개발의 핵심이 된다.
초음파는 공진은 온도와 습도에 영향을 받게 된다. 산업현장에서 발생하는 많은 노이즈를 걸러주는 필터 알고리즘이 필요하다. 이러한 알고리즘은 실험환경에서 끝나는 것이 아니라 보다 산업현장에서 보다 신뢰성 있는 과제를 수행하기 위해서 개발해야 할 기술 중에 하나이다.
그래서 크레인에 부착하기에 적합한 센서노드가 결정이 되고 나면 ZigBee를 이용한 센서네트워크를 구성하고 MAC 프로토콜을 제어할 수 있는 프로그램을 제작한다. ZigBee를 지원하는 각각의 제품들은 프로젝트의 성격에 따라서 주파수 범위, 지원하는 모듈의 여부, ZigBee stack 의 버전과 향후의 기술지원이나 전망을 주도면밀하게 고려해서 선택해야 할 것이다. 초음파 발신 장치인 크레인 센서(111 ~ 114)는 크레인의 꼭대기 끝부분 4곳에 설치되도록 한다.
시스템에 대한 분석과 설계가 끝나고 하드웨어가 정해지면 본격적인 ZigBee MAC protocol 을 적용할 수 있다. 도 5 내지 도 7에서와 같이, Star, Mesh, Hybrid 형태와 같은 다양한 형태의 망이 구성이 될 수 있고 하나의 WPAN(Wireless Personal Area Network, 무선개인통신망)에 새로운 device가 추가 되었을 때의 효율적이고 빠른 처리가 가능한 새로운 알고리즘을 개발해야 한다.
이를 위해 초음파를 이용한 거리측정의 경우, 널리 사용되고 있는 비행시간(time of flight, TOF) 측정법을 사용한다. 이 방법은 간단하고 빠르게 목표물까지의 거리를 측정할 수 있게 한다. 그러나 측정의 정확도가 환경에 의존적이며, 해상도가 낮다는 단점이 있다. 더욱이 해상도를 높이기 위해 음파의 주파수를 높이면, 공기 중 감쇄가 급격히 증가하여 측정가능 거리가 짧아진다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
도 8은 도 4에서 측정점 X와 3개의 기준점의 거리 측정에 의해 2차원 위치를 검출하는 예를 보인 것이고, 도 9는 도 4에서 2개의 기준점과 상대 각도 측정에 의한 측정점 X의 위치를 검출하는 예를 보인 것이다.
개발된 시스템은 자동화 컨테이너터미널(Automated Container Terminal, ACT)(500)과도 연동이 되어야 한다. 도 8 및 도 9와 같은 위치검출 처리에 의해서 생성된 데이터는 프로세서를 통해서 활용가능한 정보로 바뀌게 된다. 이러한 정보는 데이터베이스에 저장되어 안벽생산성(Waterside Productivity), 장비(Yard Crane) 생산성, 트럭서비스시간에 영향을 미치게 된다.
도 8 및 도 9와 같은 위치검출을 통해서 얻어진 데이터 값은 3Cm 이내의 오차 범위에서 처리되어야 한다. 모든 트레일러가 도 9에서와 같은 형태의 X 지점에 위치하고 있기 때문이다.
이처럼 본 발명은 유비쿼터스 기술인 USN을 이용하여 컨테이너 크레인과 트레일러의 위치정보 전송을 통한 안벽생산성 증가, 장비 생산성 향상, 트럭 서비스 시간의 축소를 구현하게 되는 것이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템에서 센서의 설치예를 보인 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템의 블록구성도이다.
도 3은 도 2에서 지그비 통신모듈의 일 예를 보인 블록구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 방법의 흐름도이다.
도 5는 도 4에서 Star 형태의 네트워크를 형성하는 예를 보인 개념도이다.
도 6은 도 4에서 Mesh 형태의 네트워크를 형성하는 예를 보인 개념도이다.
도 7은 도 4에서 Hybrid 형태의 네트워크를 형성하는 예를 보인 개념도이다.
도 8은 도 4에서 측정점 X와 3개의 기준점의 거리 측정에 의해 2차원 위치를 검출하는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 4에서 2개의 기준점과 상대 각도 측정에 의한 측정점 X의 위치를 검출하는 예를 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 자동 크레인 작업장
111 ~ 114 : 크레인 센서
120 : 트레일러
121 : 트레일러 센서
200 : 지그비 통신모듈
300 : 지그비 AP 컨트롤러
400 : 작업관리 단말기
500 : ACT
510 : 자동화 작업관리 시스템
520 : 작업관리 모니터링부

Claims (14)

  1. 자동 크레인 작업장에 설치된 크레인의 상부의 모서리 네 부분에 설치되고, 지그비 통신을 이용하여 네트워크를 형성하고 상호 통신하면서 동기화된 비컨 정보를 수신하여 좌표값을 산출하며, 트레일러 센서에 초음파 신호를 발신하는 제 1 내지 제 4 크레인 센서와;
    트레일러에 설치되고, 상기 제 1 내지 제 4 크레인 센서로부터 초음파 신호를 수신하고, 초음파 신호의 수신 시간을 측정하는 트레일러 센서;를 포함하고,
    상기 제1 내지 제4 크레인 센서는, 상기 형성된 네트워크에 트레일러 센서가 나타나면 상호 통신하면서 새로운 네트워크를 형성하고, 상기 트레일러 센서로부터 동기화된 비컨 정보를 수신하여 상기 트레일러 센서의 좌표값을 산출하며,
    상기 제 1 내지 제 4 크레인 센서의 좌표값, 상기 트레일러 센서의 좌표값 및 상기 초음파 수신 시간을 이용하여 트레일러의 위치를 파악하는 것을 특징으로 하는 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 크레인 센서는,
    스타, 매쉬 또는 하이브리드 중에서 하나 이상의 형태로 네트워크를 형성하는 것을 특징으로 하는 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템.
  3. 자동 크레인 작업장에 설치된 크레인의 상부의 모서리 네 부분에 설치되고, 트레일러 센서에 초음파 신호를 발신하고, 지그비 통신을 이용하여 네트워크를 형성하고 상호 통신하면서 동기화된 비컨 정보를 수신하여 좌표값을 산출하여 지그비 통신모듈로 전달하는 제 1 내지 제 4 크레인 센서와;
    트레일러에 설치되고, 상기 제 1 내지 제 4 크레인 센서로부터 초음파 신호를 수신하고, 초음파 신호의 수신 시간을 측정하여 상기 지그비 통신모듈로 전달하는 트레일러 센서와;
    상기 제 1 내지 제 4 크레인 센서 및 상기 트레일러 센서와 지그비 통신을 수행하여 상기 제 1 내지 제 4 크레인 센서에서 산출된 센서별 좌표값과 상기 트레일러 센서에서 측정된 초음파 수신 신호를 전송받는 지그비 통신모듈과;
    지그비 통신을 통해 상기 지그비 통신모듈과 연결되고, 상기 지그비 통신모듈에 대한 원격제어를 수행하는 지그비 AP 컨트롤러와;
    상기 지그비 AP 컨트롤러와 연결되고, 상기 제 1 내지 제 4 크레인 센서에서 산출된 센서별 좌표값과 상기 초음파 신호의 수신 시간을 이용하여 상기 트레일러에 대한 위치파악 알고리즘을 처리하고 크레인 작업처리가 수행되도록 하는 작업관리 단말기와;
    상기 작업관리 단말기와 유선 또는 무선 인터넷을 통해 연결되고, 자동화된 터미널 제어를 수행하는 ACT;를 포함하는 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 크레인 센서는,
    스타, 매쉬 또는 하이브리드 중에서 하나 이상의 형태로 네트워크를 형성하는 것을 특징으로 하는 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 작업관리 단말기는,
    미리 설정된 상기 크레인 센서의 기준점과 상기 트레일러 센서의 측정점의 거리 측정에 의해 2차원 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 작업관리 단말기는,
    미리 설정된 상기 크레인 센서의 기준점과 상기 트레일러 센서의 측정점의 상대 각도 측정에 의해 상기 트레일러 센서의 측정점의 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 ACT는,
    상기 작업관리 단말기와 데이터 연계를 수행하여 컨테이너 작업계획을 관리할 수 있게 하고, 작업처리결과를 관리할 수 있게 하는 자동화 작업관리 시스템과;
    상기 자동화 작업관리 시스템과 연결되고, 관리자가 자동화 작업관리 상태를 모니터링할 수 있게 하는 작업관리 모니터링부;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템.
  8. 청구항 3 내지 청구항 7 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 지그비 통신모듈은,
    상기 제 1 내지 제 4 크레인 센서 및 상기 트레일러 센서와 지그비 통신을 수행하여 센서별 위치 정보를 전송받아 데이터를 처리하는 마이크로 컨트롤러와;
    상기 마이크로 컨트롤러와 연결되고, 데이터의 RF 송수신 처리를 수행하는 RF 데이터 모뎀;
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 마이크로 컨트롤러는,
    상기 센서를 구동시키고, 상기 센서로부터 위치정보를 전송받는 센서 드라이버와;
    상기 센서 드라이버에서 전송받은 위치정보를 처리하는데 필요한 프로그램을 구동시키고 어플리케이션 계층에서 필요한 처리를 수행하는 센서 어플리케이션과;
    상기 센서 어플리케이션에서 처리된 데이터를 지그비 네트워크를 통해 전송할 수 있도록 네트워크 계층에서 처리하는 지그비 네트워크와;
    상기 지그비 네트워크에서 처리된 데이터를 IEEE 802.15.4 MAC 계층에서 처리하고, 상기 RF 데이터 모뎀과 통신을 수행하는 MAC;
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 RF 데이터 모뎀은,
    상기 마이크로 컨트롤러 내의 MAC과의 SPI 인터페이스를 수행하고, 상기 RF 데이터 모뎀의 동작을 제어하는 SPI/제어부와;
    상기 SPI/제어부의 제어를 받고, RF 데이터 송수신에 필요한 주파수를 생성시키는 주파수 생성부와;
    상기 SPI/제어부에서 송신할 데이터를 전달받아 베이스밴드 신호로 변환시키 는 송신 베이스밴드와;
    상기 주파수 생성부에서 생성된 주파수에 따라 상기 송신 베이스밴드의 신호를 전달받아 아날로그/RF 신호로 변환시켜 안테나를 통해 송신하는 송신 아날로그/RF와;
    상기 주파수 생성부에서 생성된 주파수에 따라 안테나로부터 아날로그/RF 신호를 수신하는 수신 아날로그/RF와;
    상기 수신 아날로그/RF의 신호를 전달받아 처리하여 상기 SPI/제어부로 전달하는 수신 베이스밴드와;
    상기 RF 데이터 모뎀으로 전원을 공급하고 관리하는 전원부;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 시스템.
  11. 자동 크레인 작업장에 설치된 컨테이너 크레인과 트레일러에 부착된 센서 노드들이 실시간으로 통신하면서 네트워크를 형성하고, 상기 네트워크 내에 포함된 센서 노드들은 동기화된 비컨 정보를 수신하여 각 센서 노드들의 좌표값을 산출하는 제 1 단계와;
    상기 제 1 단계 후 작업관리 단말기에서 상기 센서 노드들에 대한 좌표값을 획득하는 제 2 단계와;
    상기 제 2 단계 후 상기 작업관리 단말기에서 지그비 RF 센서와 초음파 센서를 포함하여 구성된 센서들로부터 얻어진 3D 상의 좌표값을 시뮬레이션하여 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리에 적용되도록 하는 제 3 단계와;
    상기 제 3 단계 후 네트워크 내에 트레일러 센서 노드가 나타나면 크레인 및 트레일러에 부착된 센서 노드들이 실시간 통신하면서 새로운 네트워크를 형성하고, 상기 새로운 네트워크 내에 포함된 센서 노드들은 동기화된 비컨 정보를 수신하여 좌표값을 산출하는 제 4 단계와;
    상기 제 4 단계 후 크레인에 부착된 센서 노드에서 각 고유의 아이디를 가지는 상기 센서의 노드의 RF 신호를 통해서 상기 트레일러의 위치를 파악하기 위해 초음파를 발생시키는 제 5 단계와;
    상기 제 5 단계 후 크레인에 부착된 센서 노드에서 발생된 초음파를 상기 트레일러의 트레일러 센서로 송신하고, 상기 작업관리 단말기에서 상기 트레일러 센서로부터 전송된 초음파 수신 시간을 측정하여 위치정보와 방위각 정보를 출력하는 제 6 단계;
    를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제 4 단계에서 네트워크는,
    스타, 매쉬 또는 하이브리드 중에서 하나 이상의 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제 6 단계는,
    미리 설정된 상기 크레인 센서의 기준점과 상기 트레일러 센서의 측정점의 거리 측정에 의해 2차원 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 제 6 단계는,
    미리 설정된 상기 크레인 센서의 기준점과 상기 트레일러 센서의 측정점의 상대 각도 측정에 의해 상기 트레일러 센서의 측정점의 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 지그비 통신기술을 이용한 컨테이너 크레인의 자동화 작업관리 방법.
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