KR100988016B1 - 저전력형 맨홀 감시용 무선시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 맨홀의 감시시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 맨홀 내부에 설치된 센서를 이용하여 맨홀의 위치, 상태 및 이력을 파악하고, 이를 무선통신모듈을 이용하여 외부로 무선 전송하기 위한 저전력형 센서 및 통신시스템을 이용한 저전력형 맨홀 감시시스템에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 개폐센서, 수위센서 및 온도센서 중 적어도 하나 이상의 센서가 장착되고, 상기 센서를 이용하여 맨홀의 내부 상태를 감지하며, 배터리가 내장된 터미널유닛과, 상기 터미널유닛으로부터 센서에 의해 감지된 맨홀의 감지정보를 수집하고, 수집된 감지정보를 외부로 전송하는 수집단말기에 있어서, 휴면상태에서 소정의 시간간격으로 동작되어 일정주기로 센서의 감지정보를 체크하고, 상기 수집단말기를 다시 휴면상태로 전환시키는 저전력제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징적 구성으로 한다.

맨홀감시, 원격제어, 맨홀, 센서

Description

저전력형 맨홀 감시용 무선시스템{Low power wireless system for monitoring of manhole}

[도 1]은 본 발명에 따른 저전력형 맨홀 감시용 무선시스템의 블록도.

[도 2]는 본 발명에 따른 저전력형 맨홀 감시용 무선시스템의 수집단말기의 블록도.

[도 3]은 본 발명에 따른 저전력형 맨홀 감시용 무선시스템의 중계단말기의 블록도.

[도 4]는 본 발명에 따른 저전력형 맨홀 감시용 무선시스템의 서버의 블록도.

[도 5]는 본 발명에 따른 저전력형 맨홀 감시용 무선시스템의 수집단말기의 단면 개념도.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

2: 개폐센서 4: 온도센서

6: 수위센서 8: 전원센서

10: 수집단말기 20: 중계단말기

30: 서버

본 발명은 맨홀의 감시시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 맨홀 내부에 설치된 센서를 이용하여 맨홀의 위치, 상태 및 이력을 파악하고, 이를 무선통신모듈을 이용하여 외부로 무선 전송하기 위한 저전력형 센서 및 통신시스템을 이용한 저전력형 맨홀 감시시스템에 관한 것이다.

일반적으로 도심지에서 전력설비는 도시 미관이나 안전성, 건물의 고층화 등에 따라 점차 지중화 되고 있는 추세이며, 그 비중이 날로 증대되고 있다.

그러나 다른 설비와 함께 지중선로가 설치되어 있는 공동구에 대해서는 발명개발이 진행되고 있으나, 맨홀 등은 아직 인력에 의존할 수밖에 없는 데 그 이유는 환경이 열악하고 확인이나 순시 등을 위한 출입이 용이하지 않기 때문이다.

따라서 맨홀은 외부인의 침입이나 사고 발생 등 유사시에도 즉시 확인이 불가능한 특징을 지니고 있다.

따라서 이런 난점을 극복하고 원격지에서 맨홀을 용이하게 관리하기 위해서는 맨홀 내부에 필요한 정보를 얻을 수 있는 센서를 설치하고, 상기 센서에 의해 검출된 정보를 관할지점으로 전달할 수 있도록 하기 위해서 맨홀의 원격 경보시스템과 맨홀의 현재 감지정보를 쉽게 확인할 수 있는 시스템의 개발이 필수적이라 할 수 있다.

상기와 같은 맨홀의 이벤트 내용을 쉽게 확인할 수 있는 시스템에 관한 종래의 기술은 대한민국등록특허공보 제10-0545911호의 맨홀 상태 감시 시스템에 잘 나타나 있었다.

상기 대한민국등록특허공보 제10-0545911호에 나타난 기술은

맨홀 내부의 상태를 감시하는 원격 감시 단말을 맨홀 내에 설치하여 상기 원격 감시 단말에 의해 감지된 상태 정보를 센터 서버에서 전송 받아 상기 맨홀을 관리하는 맨홀 상태 감시 시스템에 있어서,

상기 맨홀 내에 기 구축된 통신망에 접속하여 상기 통신망에 흐르는 전류로부터 전력을 추출하는 통신망 전원 추출부와,

상기 통신망 전원 추출부에서 얻어진 전력을 상기 원격 감시 단말이 사용할 수 있는 전압으로 안정화시켜 상기 원격 감시 단말로 제공하는 전원 안정화부와,

상기 맨홀의 보안과 감시 및 관리를 위하여 상기 맨홀 내부의 상태를 감지하는 복수의 센서들로 이루어진 센서부와,

상기 센서부의 감지값을 상기 센터 서버로 전송하고 상기 센터 서버로부터의 명령을 전달받아 상기 센서부를 구동시키는 중앙 처리부등의 구성요소를 구비한다.

상기 종래의 기술은 광범위하게 산재되어 있는 맨홀의 상태 감시를 위한 원격 감시 단말을 설치함에 있어서 기 구축된 PSTN 망으로부터 전원을 공급받고 통신 회선 또한 기 구축된 통신망을 이용하므로 시스템 구축 비용을 최소화하면서도 통신 맨홀에 대한 실시간 감시 및 관리가 가능하고, 통신 맨홀내의 이상사태 발생 시 사고내역의 파악과 처리를 신속하게 수행할 수 있는 장점이 있었지만, 다음과 같은 문제점이 있었다.

우선 상기 종래의 기술은 별도의 전원 공급이 없이 PSTN 망으로부터 전원을 추출하여 이용하는 데, 여기서 PSTN 망으로부터 얻을 수 있는 최대 전력이 150mW 정도인데 반해 각종 센서들 중에는 최대 300mW 정도의 전력을 소모하는 경우도 있다.

따라서 평상시에 기본적으로 사용되는 전력을 제외한 모든 전력을 배터리에 충전하며, 센서 구동 시에는 배터리에 충전된 전력을 사용하게 된다.

따라서 상기 배터리를 자주 교환해줘야 하기 때문에 불편함이 있고, 또한 배터리의 방전으로 인해 제대로 맨홀 감시 시스템이 동작하지 않는 문제점이 있었다.

또한 상기 종래의 기술은 한국통신의 전용 통신망인 PSTN 망을 이용하여 유선으로 구축함으로써, 맨홀감시 시스템을 운영함에 있어 PSTN 망을 확보하여야 하는 불편함이 있고, 맨홀의 현재 상태를 무선으로 원격 관리 할 수 없는 문제점이 있었다.

따라서 상기 PSTN 망을 확보하지 않은 맨홀(예를 들어, 한국전력공사의 맨홀)에서는 전원을 확보할 수 없으므로 배터리의 사용이 불가피하게 된다.

이에 따라 센서에서 얻은 정보를 수집하고 지사(점)등으로 중계 전달 할 수 있도록 하기 위해서는 경제적이고 신뢰성 높은 저 전력형 통신시스템의 개발이 필수적이라 할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서,

첫째, 본 발명은 종래의 PSTN망과 같이 유선으로 전원을 공급받거나, 전원공급 수단이 별도로 구비되기 힘든 맨홀 환경에서도 배터리를 이용하여 오랫동안 사용할 수 있도록 저전력형 센서 및 통신시스템을 구현하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저전력형 맨홀 감시용 무선시스템은 개폐센서, 수위센서 및 온도센서 중 적어도 하나 이상의 센서가 장착되고, 상기 센서를 이용하여 맨홀의 내부 상태를 감지하는 터미널유닛과, 상기 터미널유닛으로부터 센서에 의해 감지된 맨홀의 감지정보를 수집하고, 수집된 감지정보를 외부로 전송하는 마이크로컨트롤러를 구비한 수집단말기에 있어서, 상기 수집단말기가, 휴면상태에서 소정의 시간간격으로 동작되어 일정주기로 센서의 감지정보를 체크하고, 상기 수집단말기를 다시 휴면상태로 전환시키는 저전력제어부와, 중계단말기와 무선통신을 위하여 커넥터가 일면에 장착되어 상기 수집단말기의 내부를 외부와 차폐하는 하우징 내부에 설치되는 회로기판과, 상기 회로기판에 일체로 장착되는 안테나와, 일단은 상기 커넥터에 접속되고 타단은 상기 하우징을 관통하여 상기 센서들과 연결되는 케이블을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징적 구성으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 구성 및 작용에 대하여 설명하도록 한다.

[도 1]은 본 발명에 따른 저전력형 맨홀 감시용 무선시스템의 블록도이고, [도 2]는 본 발명에 따른 저전력형 맨홀 감시용 무선시스템의 블록도이며, [도 3]은 본 발명에 따른 저전력형 맨홀 감시용 무선시스템의 블록도이고, [도 4]는 본 발명에 따른 저전력형 맨홀 감시용 무선시스템의 블록도이다.

[도 1] 내지 [도 4]에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저전력형 맨홀 감시용 무선시스템(이하, 발명의 상세한 설명에서는 "시스템"이라고 한다.)은 기본적으로 개폐센서(2), 수위센서(4), 온도센서(6) 및 터미널유닛을 포함하는 수집단말기(10)와, 중계단말기(20)와 서버(30) 등의 구성요소가 구비된다.

상기에 설명된 구성 이외의 구성도 추가될 수 있으나, 본 발명의 설명에 불필요한 부분은 생략하기로 한다.

상기의 구성요소를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 수집단말기(10)는 개폐센서(2), 수위센서(4) 및 온도센서(6) 중 적어도 하나 이상의 센서(2, 4, 6)가 장착되고, 상기 센서를 이용하여 맨홀의 내부 상태를 감지하는 터미널유닛(16)과, 상기 터미널유닛(16)으로부터 센서(2, 4, 6)에 의해 감지된 맨홀의 감지정보를 수집하고, 수집된 감지정보를 안테나(13)를 이용하여 중계단말기(20)로 전송하는 무선통신모듈(14)을 포함하여 이루어진다.

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여기서 상기 개폐센서(2)는 맨홀의 개폐여부를 감지하는 것으로, 레버식 리미트 스위치로 맨홀몸체에 고정되고, 롤러레버를 맨홀뚜껑이 누르고 있는 형태로 설치되어 맨홀뚜껑이 열리면 레버가 복귀하면서 스위치의 접점이 동작되는 구조로 이루어져 있다.

또한 상기 개폐선서(2)는 다이캐스팅의 견고한 케이스로 이루어져 외부의 충격을 흡수하게 되며, 상기 개폐센서의 내장 스위치는 2회로 쌍단 기본스위치로 이루어져 있고, 열에 강한 페놀(phenol)재질로 이루어진다.

상기와 같이 구성된 개폐센서(2)는 내유, 내열 및 방진의 견고한 구조이며, 특히 기계적 강도가 우수한 특성이 있다.

또한 레버의 과동작방지와 긴 수명유지를 위해 설정위치표시가 부착되어 있어 장기간 안전사용이 가능한 특징이 있다.

그리고 상기 수위센서(4)는 맨홀 내부의 수위를 감지하는 것으로, 오뚜기식 레벨스위치로 이루어지되, 맨홀의 아래쪽에 설치되어 침수가 되면 아래로 늘어졌던 센서가 부력으로 바로서면서 내부의 스위치접점이 동작된다.

상기 수위센서(4)는 바람직하게는 합성수지로 이루어져 가볍고, 부식에 강한 구조로 이루어져 있다.

또한 상기 수위센서(4)는 플로트 스위치 내부가 택트(tact)스위치로 되어 있어 종래의 수은스위치에 비하여 견고한 특징이 있다.

그리고 상기 온도센서(6)는 맨홀 내부의 온도를 감지하기 위한 것으로, 일반적으로 상기 온도센서는 온도에 따라 저항 값이 변하는 다이오드 써미스터(diode thermister)인 TGA130B를 사용한다.

그러나 본 발명에 따른 온도센서(6)는 전류소모, 직진성 및 정밀도를 개선하기 위해 종래의 아날로그 방식이 아닌 디지털 온도센서인 스위스 SENSIRION사의 모델명 STH10을 채용하였다.

따라서 본 발명에 따른 온도센서(6)는 정밀하고 소비전력이 매우 적으며 상대습도도 측정할 수 있다.

그리고 상기 수집단말기(10)는 상기 배터리를 최소전류로 구동하기 위한 전압센싱부;

휴면상태에서 소정의 시간간격으로 동작되어 일정주기로 센서의 감지정보를 체크하고, 수집단말기를 휴면상태로 전환시키는 저전력제어부; 및

상기 저전력제어부(11)로부터 센서에서 발생한 상태 정보를 안테나(13) 및 무선통신모듈(14)을 이용하여 중계단말기(20)와 무선 통신하는 마이크로컨트롤러 (12)를 더 포함하여 이루어진다.

상기 전압센싱부는 5초에 한번씩 배터리 전압을 측정하다가 2.7 V 이하로 낮아지면 이벤트송신을 하도록 되어있다.

따라서 본 발명의 배터리 전압센싱부는 최소의 전류로 할 수 있도록 이루어진 것으로. 배터리전압 전압센싱부의 회로구성을 살펴보면, 배터리전압은 Vbatt가 되고, 그라운드는 GND이며, 배터리측정 ADC 입력전압은 bat_adc가 된다.

따라서 회로에서 계산을 하면

Vbat_adc = Vbatt X (15K ) / ( 15K + 24K )

Vbatt = Vbat_adc X ( 39K /15K )

Vbatt = 2.60 X Vbat_adc

이 되고,

결과적으로 배터리 전압(Vbatt )은 배터리측정 ADC 입력전압(Vbat_adc)의 2.6 배로 계산된다.

상기 저전력 제어부(11)는 수집단말기(10)의 배터리 전류 소모를 최소화 하기 위하여 대부분의 시간을 휴면모드로 보낸다.

상기 휴면모드에서의 CPU 동작전류는 1uA 이내이고 주변회로에서 소비되는 전류도 누설전류정도인 10 uA 정도이다.

즉, 본 발명의 수집단말기는 휴면상태에서 1초 간격으로 동작되어 2mS 동안 이벤트를 체크하고 다시 휴면상태로 돌아간다.

이는 평균 1일 3회 송신 하는 것으로 하여 이에 따른 평균 전류의 소모량을 계산하면 다음과 같다.

휴면 전류: 11uA

이벤트동작( 2 mS ) : 13 mA (최대)

수신 동작( 500 mS ) : 40 mA (최대)

송신 동작( 200 mS ) : 60 mA (최대)

이에 따른 시간당 총 소모전류는 0.1353 Ah 임을 알 수 있다. 따라서 평균전류는 0.1353 Ah / 3600 = 37.6 uA 이다.

결과적으로 본 발명에 채용된 배터리는 VITZRO CELL 8.5 Ah 이므로 계산상의 수명은 (8.5 / 37.5 ) X 10 ⁶ = 226,666 시간 이다.

따라서 25년간 사용이 가능한 데, 온도조건 등을 감안하여 최악조건의 수명으로 하여도 10여 년간은 배터리 교환 없이 사용할 수 있다.

상기와 같은 구성으로 인해 본 발명에 따른 수집단말기(10)는 저전력으로 구동할 수 있고, 상기 센서를 이용하여 맨홀에서 발생하는 각종 감지정보를 수집하여 자신이 소속되어있는 중계단말기(20)에 즉시 소출력으로 무선 전송하는 역할을 하게 된다.

즉, 상기 수집단말기(10)는 각 센서에서 발생된 감지정보가 이 센서들을 미소한 전류로 제어하는 저전력제어부(11)를 통하여 마이크로컨트롤러(12)로 입력되면 마이크로컨트롤러(12)는 이 내용을 정리하여 상기 무선통신모듈(RF모듈)(14) 및 안테나(13)를 이용하여 중계단말기(20)로 전송하게 된다.

상기 수집단말기(10)의 터미널유닛의 내부에는 배터리(17)가 내장되어 있어 센서에 필요한 전원을 공급하게 되고, 상기 수집단말기(10)의 각 블록에 필요한 전원을 공급하게 된다.

여기서 배터리의 방전여부를 파악가능하게 하는 전원센서(8)를 더 구비하여, 상기 수집단말기(10)의 배터리(17)가 방전되면 관리자에게 통보됨으로써 배터리(17)의 방전으로 인한 수집단말기(10)의 작동불능상태를 예방할 수 있다.

여기서 상기 맨홀의 감지정보는 맨홀의 고유번호와, 온도센서에 의해 감지된 맨홀 내부의 온도 값과, 수위센서에 의해 감지된 맨홀 내부의 수위 값과, 개폐센서에 의해 감지된 맨홀 뚜껑의 개폐여부를 포함한다.

상기 수집단말기가 센서의 상태를 수집하는 구성에 대해 보다 상세히 설명하면, 마이크로컨트롤러(12)는 1초에 1회씩 1/1000초의 기간에 계폐 및 수위센서를 체크하고, 1분에 1회씩 전원센서를 이용하여 배터리의 잔량(바람직하게는 2.7V이하가 되면 즉시 중계단말기로 전송한다)을 체크하게 된다.

또한 온도센서로부터 10초에 1회씩 온도데이터를 읽어오게 되고, 개폐 및 수위센서가 동작하는 즉시 중계단말기로 동작여부를 전송하게 된다.

또한 온도가 60도 이상이 되면 즉시 중계단말기로 전송하고, 10초에 5도이상이 변하면 중계단말기로 전송하게 된다.

마지막으로, 24시간내에 아무런 동작여부가 발생되지 않으면 자신의 현재상 태를 중계단말기로 자동 전송하게 된다.

여기서 [도 5]에 도시된 바와 같이, 상기 수집단말기(10)는 우선 맨홀 내부에 센서들이 장착되어 있고, 상기 센서에 전원을 공급하는 배터리를 포함한 터미널유닛이 장착되어 있으며, 상기 센서와 케이블로 연결되어 센서를 제어하는 모든 회로구성(안테나를 포함함)은 모두 맨홀의 주위에 지중 매설되는 수집단말기(10)의 하우징(100)에 내장된 구성을 갖는다.

따라서 상기 수집단말기의 하우징은 스테인리스스틸의 바닥판에 아세탈수지의 덮개로 제작되어 21 TON 의 압축하중에 전혀 손상이 없이 견뎠으며 1미터의 수심에 30분간 잠겨있어도 수분이 침투되지 않는 IP67등급의 방수로 장마 비에 맨홀이 침수 되어도 내부회로를 보호할 수 있게 구성되어 있다.

그리고 상기 마이크로컨트롤러(12)는 바람직하게는 ATmega16을 이용하는 데, 상기 ATmega16은 AVR RISC 구조에 기초한 저전력 CMOS형의 8비트 마이크로컨트롤러(12)이다.

따라서 상기 ATmega16에 의해 명령어가 한 클럭 사이클 내에 수행되고 1 MIPS/MHz에 처리속도를 낼 수 있기 때문에 전력 소모를 최적화 할 수 있다.

여기서 상기 수집단말기(10)와 중계단말기(20) 간의 무선통신을 위한 무선통 신모듈(14)은 바람직하게는 CHIPCON사의 모델명 CC1020을 이용하여 무선송수신장치의 기본을 설계하고 ATMEL 사의 모델명 ATMEGA16 마이크로컨트롤러로 제어 펌웨어를 구현하게 된다.

또한 상기 무선통신모듈(14)은 바람직하게는 RF 424Mhz 대역의 주파수를 이용한 비 허가된 통신방식을 이용한다.

상기 수집단말기(10)와 무선통신모듈(14)을 이용하여 무선 통신하는 중계단말기(20)는 복수의 수집단말기(10)로부터 수신 한 복수의 맨홀의 감지정보를 취합 및 정리하고, 취합 및 정리 된 맨홀의 감지정보를 CDMA모듈을 이용하여 무선으로 서버(30)에 전송하기 위해 일정구역을 두고 설치되어 있다.

상기 중계단말기(20)는 바람직하게는 1대당 250개의 수집단말기를 관리 할 수 있도록 설계되어 있다.

상기 중계단말기(20)의 구성요소를 보다 상세히 설명하면 상기 중계단말기는

상기 수집단말기(10)로부터 전파신호의 형태로 수신 한 센서의 상태 정보를 수신 하는 안테나(13);

상기 이벤트신호의 전파신호를 데이터로 변환하는 무선통신모듈(14) 및 마이크로컨트롤러(12);

상기 마이크로컨트롤러(12)와 연결수단을 통해 연결되고, CDMA 안테나(26)를 이용하여 서버의 CDMA모듈(22)과 무선 통신하는 CDMA모듈(31); 및

상기 각 구성요소에 전원을 공급하는 전원부를 포함하여 이루어진다.

즉, 상기 중계단말기(20)의 안테나(21)를 통하여 들어온 전파신호가 무선통신모듈(RF 모듈)(22)과 마이크로컨트롤러1(23-1)에서 데이터로 된다.

상기 데이터는 마이크로컨트롤러2(23-2)로 즉시 전달되고 그 내용은 다시 연결수단, 즉 RS232를 거처 CDMA 모듈(25) 및 안테나(26)를 이용하여 CDMA 공중 통신망을 통해서 서버(30)에 연결된다.

상기 마이크로컨트롤러1(23-1)은 무선통신모듈(22)을 제어하고 마이크로컨트롤러2(23-2)는 CDMA 모듈(25)을 제어한다.

상기와 같이 멀티 CPU를 사용하는 이유는 데이터전송의 신뢰도를 높이기 위함이다.

그리고 외부로부터 들어오는 데이터는 모두 인터럽트로 처리되므로 우선순위에 의하여 처리순서가 결정된다.

그러나 중계단말기(20)의 경우 어느 한쪽이라도 그 우선순위가 양보 될 수 없으므로 양쪽에 각각 별도의 마이크로컨트롤러를 사용하여 처리하고 서로는 병렬 핸드세이크 통신으로 연결한다.

상기 CDMA 모듈(25)은 BELLWAVE 사의 모델명 BSM-800/850을 이용하고. 상기 CDMA 모듈(25)은 CDMA 공중통신망을 이용하여 다이얼링으로 접속하고 일반 모듈과 마찬가지로 AT 커맨드를 사용하여 데이터를 전송한다.

여기서 상기 중계단말기(20)를 구동하기 위한 전원부는

태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지(27),

상기 태양전지(27)로부터 전기에너지를 공급받고 배터리(29)를 충전시키는 전원제어부(28); 및

상기 전원제어부(28)에 의해 충전된 전원으로 기기의 각 블록에 전원을 공급하는 배터리(29)를 포함하여 이루어진다.

상기 태양전지(27)의 경우 중계단말기(20)는 상전원의 연결이 용이하지 않은 전신주나 건물의 옥상 등에 설치되므로 자체발전이 필요하다.

따라서 본 발명의 전원부는 바람직하게는 Amorphous 솔라셀을 사용하여 전원을 해결하였다.

상기와 같이 구성된 중계단말기(20)는 멀티프로세서가 채용되어 수집단말기(10) 통신과 서버(30) 통신의 충돌이 전혀 없이 운용될 수 있으며 태양전지와 CDMA 모듈 및 안테나의 채용으로 설치장소에 대한 제한이 없게 된다.

따라서 가장 최적의 전파전송 조건의 위치에 설치하므로 탁월한 통신 중계기능을 확보 할 수 있다.

또한 PIFA(Planer Inverting F Antenna)안테나가 채용되어 중계 장치의 생명인 통신의 신뢰도를 충분히 제고하였다.

여기서 상기 중계단말기는 서버에 자신의 상태와 수집단말기의 상태를 주기 적으로 보고하게 되는 데, 수집단말기로부터 24시간 이내에 통신이 이루어지지 않으면 서버에 수집단말기의 고장을 보고하게 되고, 수집단말기로부터 아무런 감지정보가 전송되지 않아도 24시간에 1회씩 자신의 시간정보를 서버에 전송하여, 중계단말기가 정상임을 확인하게 된다.

또한 후술하는 서버로부터 시간정보를 전송받고 이를 이용하여 자신의 시간을 정정하는 기능을 수행한다.

또한 서버로부터 수집명령을 전송받으면 수집단말기와의 최종 통신내용을 서버에 리포트한다.

여기서 상기 무선통신모듈 또한 상기에서 기술한 저전력 센서와 마찬가지로 저전력으로 구동될 수 있도록 구성되는 데,

상기 무선통신모듈에 대해 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.

종래에는 UHF 정도의 무선송수신을 구현하기 위하여 많은 디스크리트(DISCRETE) 부품을 사용하므로 회로의 구성이 까다롭고 성능이 저하되는 등 설계, 제작 상에 많은 어려움이 있었으나 최근 반도체기술 및 응용소프트웨어 칩의 발달로 비교적 손쉽게 무선기술을 모든 분야에 적용 할 수가 있게 되었다.

특히 1998년 7월에 정보통신부고시 제1998-90호에서 424.7 및 424.95MHz를 데이터 전송용 특정 소출력(10mW이하) 무선국용 무선기기의 주파수로 할당하였는데 21개 채널과, 12.5kHz의 채널 폭, 스퓨리어스 특성은 기본주파수의 평균전력보다 40dB이상 낮은 값이어야 하며, 제어 채널용 주파수의 경우 송신시간은 전파를 발사 한 시간으로부터 0.2초 이내로 해야 하고, 통신채널 주파수의 경우 30초 이내의 송신시간과 1초 이상의 휴지시간을 가져야 하며 점유주파수 대역폭은 8.5kHz 이하 이어야 한다는 기술적 조건에만 맞으면 무선국 허가 없이 자유로이 이용할 수 있어 적용이 급격하게 확산 되는 추세이다.

상기 서술한 바 와 같이 마이크로 콘트롤러는 바람직하게는 CHIPCON 사의 CC1020 을 응용하여 무선송수신장치의 기본을 설계하였다.

상기 무선통신모듈에 이용되는 CC1020은 낮은 주파수의 IF 수신기를 특징으로 한다. 즉, RF_IN 로 들어온 RF신호가 초단증폭기와 가변 증폭기로 되어있어 하드웨어의 노이즈특성을 고려하여 프로그램으로 그 이득을 조절할 수 있는 LNA1, LNA2 에서 증폭되고 직각변조로 I와 Q신호로 IF(Intermediate Frequency) 변환을 한다.

상기 IF 단에서 이 I/Q 신호는 복합 필터링되고 증폭된 다음 ADC 에 의하여 디지탈화 된다.

그리고 상기 AGC, 미세채널필터링, 복조 그리고 비트동기화가 모두 디지털로 처리된다.

또한 CC1020은 DIO 핀으로 복조된 디지털신호를 출력하는데, DCLK 핀에서는 DIO 에서 나오는 디지털데이터에 동기 하는 클럭을 발생할 수 있다. RSSI(수신전계강도신호)는 디지털로 포맷되어 DIO로 읽을 수 있다.

그리고 송신모드에서는 합성된(Synthesized) RF 주파수가 PA(출력증폭기)로 직접 공급되고, RF 출력은 DIO 핀으로부터 공급된 디지털 비트스트림에 의하여 FSK(Frequency Shift Key)된 주파수이며, 옵션으로 가우시안 필터된 GFSK를 쓸 수도 있다.

상기 주파수합성기(Frequency Synthesizer)는 완전히 탑재된 LC VCO 와 수신모드에서의 다운컨버젼 믹서로 보내는 국부발진신호 LO_I 와 LO_Q를 90도로 쪼개는 페이스 스플리터를 가지고 있다.

상기 VCO는 1.608~1.880 GHz 의 주파수에서 동작한다. CHP_OUT 는 Charge 펌프 출력이고 VC 는 칩에 탑재된 VCO의 컨트롤 Node 이다. 따라서 외부 루프필터가 이 핀 사이에 위치한다. 크리스탈은 XOSC_Q1 과 XOSC_Q2 사이에 연결된다. PLL Lock 이 이루어지면 LOCK 핀으로 신호를 나오게 할 수 있다.

CC1020의 구성 및 제어를 위한 신호는 4 WIRE SPI 직렬 인터페이스를 사용한다.

상기 마이크로 콘트롤러의 동작상태를 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에 적용된 ATMEGA16 마이크로콘트롤러를 사용하여 제어하는 데 CC1020의 제어 및 구성을 위한 4개의 신호(PCLK, PDI, PDO, PESL)와 송수신 데이터 비트가 흐르는 2개의 신호(DIO, DCLK), PLL LOCK를 모니터하는 1개의 신호(LOCK)이다.

(1) 4 WIRE SERIAL CONFIGURATION INTERFACE

CC1020은 4선식 SPI 호환 인터페이스를 통하여 장치구성데이터를 주고받는다. 장치구성레지스터(CONFIGURATION REGISTER)는 각각 7비트의 주소가 부여되어 있는데 쓰기 또는 읽기모드에서 R/W 비트가 초기화된다. 장치구성레지스터는 모두 33개인데 각각은 16비트의 데이터프레임으로 전송된다. 데이터프레임은 7개의 어드레스 비트, 1개의 R/W 비트, 8개의 데이터 비트로 이루어져 있다.

상기 그림은 장치구성레지스터의 쓰기동작을 나타낸 것으로, 각의 라이트 사이클 동안 16 비트는 PDI 라인으로 보내진다. 각 프레임의 7개 MSB (A6:0) 는 어드레스 비트인데 A6 는 어드레스비트의 MSB로서 첫 번째로 전송된다. 그 다음 비트는 R/W 비트로써 HIGH 이면 쓰기이고 LOW 이면 읽기이다. 그리고 나서 8개의 데이터비트(D7:0)가 전송된다. 이러한 동작을 하는 동안 PSEL은 LOW를 유지해야 한다. 이러한 동작은 그림의 타이밍도와 같다. PDI의 데이터 클럭킹은 PCLK의 상승에지에서 이루어진다. 8개의 데이터비트의 마지막 비트인 D0이 로딩 되면 이 데이터워드는 내부 장치구성레지스터 속으로 로딩 된다.

상기 그림은 장치구성레지스터의 읽기동작을 나타낸 것으로, 같은 인터페이스를 통하여 마이크로콘트롤러는 장치구성레지스터의 읽기동작을 할 수 있다. 마이크로콘트롤러에서 CC1020으로 7개의 어드레스비트를 먼저 전송한 다음 R/W 비트를 LOW로 초기화 하면 CC1020에 있는 해당 어드레스의 장치구성 레지스터 값이 읽혀진다. PDO는 PCLK의 하강에지에서 세트되고 상승에지에서 읽기데이터가 취득된다. 이 동작은 그림에서 보이는 바와 같다. 읽기동작에서도 역시 PSEL은 LOW로 되어있어야 하며 각각의 읽기 또는 쓰기동작 사이에는 반드시 HIGH로 세트되어야 한다.

(2) 송수신 데이터신호 인터페이스

CC1020에서 사용할 수 있는 데이터코딩 방식은 NRZ, 맨체스터, UART 모드의 3가지이나 본 발명에서는 전송속도가 문제되지 아니하므로 수신에러가 가장 적은 맨체스터 방식을 선택하였다.

CC1020은 복조기로부터 데이터를 동기화하고 DCLK에서 데이터클럭을 제공한다. 데이터포맷은 MODEM 레지스터의 DATA_FORMAT[1:0]비트에 의하여 제어된다. 본 발명에서 적용된 맨체스터코딩은 RF변조 시 사용되며 상기 그림 에서 보이는 바와 같이 데이터가 "0" 이면 LOW 에서 HIGH 로 , 데이터가 "1" 이면 HIGH 에서 LOW 로 변이된다.

(3) FSK 변조포맷

CC1020의 데이터 변조기는 기본적으로 FSK(Frequency Shift Keying) 이나 가우시안 필터가 적용된 GFSK 도 사용될 수 있다. GFSK 는 상기 그림에서 보여 지는 바와 같이 점유대역을 최소화 할 수 있어서 본 발명에서는 이것을 적용하였다. 변조와 가우시안 필터링은 DEVIATION 레지스터의 TX_SHAPING 비트를 인에이블하면 CC1020 내에서 자동으로 이루어진다.

다음으로 상기 중계단말기(20)와 CDMA 모듈(31)을 이용하여 무선 통신하는 서버(30)는

상기 중계단말기로부터 CDMA 안테나(31)를 이용하여 맨홀의 감지정보를 수신 하는 CDMA 모듈(31);

상기 CDMA 모듈(31)으로부터 수신 된 맨홀의 감지정보를 저장하는 저장부;

전자지도상에서 맨홀의 위치를 표시하기 위한 지도데이터가 저장된 지도데이터저장부(36);

상기 맨홀의 감지정보를 지도데이터저장부(36)의 전자지도를 이용하여 표출하도록 제어하는 중앙제어부(35); 및

상기 맨홀의 감지정보에 해당하는 경보음을 발생시키는 경보수단(34)을 포함하여 이루어진다.

[도 5]에 도시된 바와 같이, 중계단말기(20)와 무선통신을 위한 상기 수집단말기(10)는 수집단말기(10)의 내부를 외부와 차폐하는 하우징(100)과, 커넥터(120)가 일면에 장착되어 하우징 내부에 설치되는 회로기판(110)과, 상기 회로기판(110)에 일체로 장착되는 안테나(130)와, 일단은 상기 커넥터(120)에 접속되고 타단은 상기 하우징(110)을 관통하여 센서(2, 4, 6, 도 2 참조)들과 연결되는 케이블(130)을 포함하여 구성된다.

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따라서 상기와 같이 구성된 수집단말기(10)는 맨홀의 내부에 위치하고, 상기 수집단말기와 케이블로 연결되어 맨홀 주변에 지중 매설되는 하우징은 회로기판(110)이 포함되어 매립되므로, 상기 수집단말기(10)의 내부에 장착된 배터리(17)의 교체와 프로그램의 업그레이드 등 유지보수를 위하여 별도의 연결케이블단자함을 맨홀 내부에 설계 하고 모든 인터페이스가 가능하게 된다.

상기 하우징(100)에 관통되는 케이블(130)의 외주에는 하우징(100)과의 차폐를 위해 방수케이블(140)에 의해 둘러싸이게 된다.

상기 수집단말기(10)의 안테나(13) 및 중계단말기(20)의 안테나(21)는 기본적으로 구성이 동일하다.

여기서 상기 안테나(13)는 바람직하게는 맨홀 내부의 정보를 외부의 수집 장치로 무선 전송할 수 있도록 저부피, 저자세인 마이크로스트립 패치 안테나를 이용하게 된다.

이때 수집단말기와 중계단말기 간의 무선통신 주파수 대역인 425MHz 대의 낮은 주파수에서는 반파장 패치 안테나가 매우 크므로 실용성이 없어 안테나의 소형화가 매우 힘들다.

따라서 안테나의 소형화를 위해 고유전율의 유전체가 사용되지만, 유전 손실로 인한 이득 및 방사효율의 저하가 발생하므로 패치 구조의 변형을 통한 소형화 가 필요하다.

이에 따라 본 발명의 수집단말기(10)의 안테나(13)는 반파장 마이크로스트립 패치 안테나의 패치 중앙을 그라운드로 접지시킨 PIFA(Planer Inverting F Antenna)형의 1/4파장 모노폴 패치 안테나로 이루어진다.

여기서 중계단말기의 안테나는 항상 수집단말기에 비해 높은 곳에 설치되므로, 전류경로를 증가시킴으로써 가시적인 공진 길이 증가로 인한 공진주파수의 하향을 유도하기 위해 상기 모노폴 패치 안테나의 밑면에 복수의 핀(FIN)을 부착하게 된다.

상기와 같은 안테나의 성능실험을 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.

상기 1/4파장 모노폴 패치 안테나는 패치안테나폭을 결정하기 위해 안테나의 길이는 주파수에 의하여 결정되나 폭의 영향을 알기 위하여 다음과 같이 시험하였다.

급전점과 주파수를 고정시키고 안테나의 폭을 조금씩 줄여보았더니 40mm 이상에서는 공진 주파주의 변화가 적으나 그 이하가 되면 급격히 증가 한다. 따라서 패치의 폭은 50mm 하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 핀의 간격과 수량에 대해 설펴보면 핀 간격은 파장의 3/100 이상이 되어야 안테나 전류경로가 비월하지 않으므로 22.5mm 이상이 되어야 하나 실험결과 17.5mm 까지 문제가 없었다.

또한 반파장으로 하였을 때 12개까지 포화되지 않았다. 따라서 1/4파장 모노폴패치의 핀은 6개로 구성한다.

그리고 안테나와 접지면과의 거리는 거리가 멀면 방사 저항이 낮아지고 가까우면 커지므로 기구적 사항을 고려하여 20.0mm 로 구성한다.

그리고 안테나의 급전점 결정에 대해 살펴보면 급전점은 안테나의 접지점에 가까울수록 방사 저항이 낮고 유도성을 가지며 멀어지면 저항이 높고 용량성을 갖는다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 수집단말기의 안테나에 대한 통달거리 실험을 살펴보면 다음과 같다.

수집단말기의 송수신장치 모두 10mW 출력과 424.7500MHz의 비허가소출력무선을 사용하였으며 양쪽 모두 반파장 FIN 부착 패치안테나를 채용하여 시험하였다.

(1) 가시통달거리테스트

경기도 양수리 철길 건널목과 강 건너 남양주군 종합촬영소 앞까지 약 4,700 미터의 통신이 에러 없이 통신되는 것을 확인하였다.

만일 가시거리가 더 확보되었다면 5,000 미터이상도 가능하였으리라 예상된다.

(2) 시내통달거리테스트

(주)이피아테크와 주변 간을 테스트해본결과 약 400 미터의 통신이 가능하였다.

(주)이피아테크의 건물이 3층으로 낮고 주변의 고층건물과 전철역 고가 등으로 조건이 나빠서 통달거리는 가시거리 통달시험에 비하여 현저하게 축소됨을 알 수 있다.

본 발명의 무선통신모듈의 이론상 가시통달거리는 12Km이나 실제로는 주변 여건상 약 5Km가 실현되었다.

시내 통달거리가 현저히 축소되었으나 시험조건상의 문제일 뿐이고 실제로 중계단말기를 10층 이상 고층에 설치하고 안테나를 하향조정하면 800 m이상은 충분히 확보되리라 예상된다. 그러나 전파는 주변 여건에 따른 변수가 많으므로 지속적인 시험과 발명으로 개선해야 할 것이다.

따라서 본 발명에서 제안한 PIFA(Planer Inverted F Antenna)안테나는 소형이며 주변 영향을 적게 받는 신뢰성이 확보된 안테나이다.

일반적인 선형안테나는 접지면 이나 금속판이 가까이 있으면 전혀 안테나로써의 역할을 못하는 반면 본 안테나는 접지면의 영향을 받지 않으므로 특히 땅에 매립을 하여도 성능을 유지하며 철판, 콘크리트 벽 등에도 적용할 수 있다.

상기 중계단말기(20)와 서버(30)는 바람직하게는 CDMA 모듈(25, 31)을 이용하여 서로 848Mhz 대역의 무선통신을 하게 된다.

여기서 상기 서버의 CDMA 모듈(25, 31)의 구성을 보다 상세히 살펴보면, 상기 CDMA 모듈(31)은 RF 송신부, RF 수신부 및 모드 전환부로 이루어지는 데, 상기 RF 송신부는 트랜시버 모듈(Transceiver Module)로부터 데이터를 수집하고 이에 대한 Acknowledge를 무선으로 송출 처리하는 부분이며, 상기 RF 수신부는 트랜시버 모듈(Transceiver Module)로부터 데이터를 수집하고 수집된 data를 가공하여 CDMA 인터페이스(interface)부로 데이터를 송출 처리하는 부분이다.

그리고 상기 모드 전환부는 RF 송/수신에 대하여 수신 모드에서 송신 모드로 전환하고 송신 모드에서 수신 모드로 전환하는데 사용된다.

상기와 같은 구성으로 인해 상기 중앙제어부(35)가 중계단말기로부터 수신 한 맨홀의 감지정보를 모니터와 같은 표시부(37)를 이용하여 표출하게 되고, 경보수단(34)을 이용하여 경보음을 발생시키게 되는 것이다.

여기서 상기 표시부(37)는 지도데이터저장부(36)의 전자지도를 이용하여 맨홀의 고유번호에 대한 현재위치를 표시할 수 있다.

여기서 상기 중앙제어부(35)가 경보수단(34)을 이용하여 경보음을 울리는 시기는 중계단말기(20)로부터 수집단말기(10)의 감지정보를 수신 하면 관리자에게 맨홀의 고유번호에 따른 위치 및 감지정보를 전송 및 표시하고 경보음을 발생시키게 된다.

또한 상기 저장부(33)를 이용하여 수신 된 각각의 맨홀에 대한 감지정보를 저장하여 이력을 관리하게 되고, 중계단말기(20)로부터 24시간 이내에 통신이 두절 되면 중계단말기(20)가 고장임을 인지하고 경보음을 발생시켜 서버 관리자에게 알려주게 된다.

또한 중계단말기(20)로부터 전송된 시간데이터가 5분 이상 틀리면 중계단말기에 시간정정명령을 내리게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 맨홀 감시용 무선시스템의 동작과정을 보다 상세히 설명하도록 한다.

먼저, 수집단말기(10)와 연결된 개폐센서(2), 온도센서(4) 및 수위센서(6)는 맨홀의 뚜껑개폐여부, 온도 및 수위 및 전원센서(8)에 의해 감지된 수집단말기(10)에 내장된 배터리(17)의 방전여부를 포함하는 감지정보를 수집하게 된다.

상기 감지정보는 수집단말기(10)에 의해 수집되어, 상기 수집단말기(10)의 무선통신모듈(14) 및 안테나(15)에 의해 중계단말기(20)로 전송된다.

이에 따라, 상기 중계단말기(20)는 수집단말기(10)로부터 수신 한 맨홀의 감지정보를 취합 및 정리하여 이를 CDMA모듈(25) 및 CDMA 안테나(26)을 이용하여 CDMA 통신망을 통해서 서버(30)로 맨홀의 감지정보를 전송하게 된다.

상기 중계단말기로(20)부터 맨홀의 감지정보를 CDMA모듈을 이용하여 수신 한 서버는 맨홀의 감지정보를 모니터와 같은 표시수단을 이용하여 실시간으로 표시함으로써 각각의 맨홀의 위치에 대한 현재 상태 및 정상동작여부를 실시간으로 관리자에게 알려줄 수 있는 것이다.

여기서 상기 중계단말기로(20)와 서버(30)간의 무선통신을 수행하는 통신모 듈은 CDMA 모듈 및 CDMA 안테나뿐만 아니라 기타 무선통신이 가능한 모든 수단을 이용하여도 본 발명에 따른 목적은 같을 것이다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명에 따르면,

첫째, 본 발명은 저전력제어부가 휴면상태에서 소정의 시간간격으로 동작되어 일정주기로 센서의 감지정보를 체크하고, 상기 수집단말기를 다시 휴면상태로 전환시키는 구성을 갖는다.

따라서 배터리의 방전을 방지하고 오랜 기간 사용가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 개폐센서, 수위센서 및 온도센서 중 적어도 하나 이상의 센서가 장착되고, 상기 센서를 이용하여 맨홀의 내부 상태를 감지하는 터미널유닛과,

   상기 터미널유닛으로부터 센서에 의해 감지된 맨홀의 감지정보를 수집하고, 수집된 감지정보를 외부로 전송하는 마이크로컨트롤러를 구비한 수집단말기에 있어서, 상기 수집단말기가,

   휴면상태에서 소정의 시간간격으로 동작되어 일정주기로 센서의 감지정보를 체크하고, 상기 수집단말기를 다시 휴면상태로 전환시키는 저전력제어부와,

   중계단말기와 무선통신을 위하여 커넥터가 일면에 장착되어 상기 수집단말기의 내부를 외부와 차폐하는 하우징 내부에 설치되는 회로기판과,

   상기 회로기판에 일체로 장착되는 안테나와,

   일단은 상기 커넥터에 접속되고 타단은 상기 하우징을 관통하여 상기 센서들과 연결되는 케이블을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저전력형 맨홀 감시시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 저전력제어부는

   수집단말기를 휴면상태에서 1초 간격으로 동작시키고, 1ms 내지 2ms의 시간 동안 센서의 감지정보를 체크하고 다시 휴면상태로 복귀하는 것을 특징으로 하는 저전력형 맨홀 감시시스템.

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