KR101008251B1 - 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측 방법 및 그 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측 방법 및 그 시스템에 관한 것으로서, 토목구조물에 장착된 하나 이상의 센서모듈로부터 감지된 신호를 무선데이터신호로 변환하고 무선 또는 지그비 네트워크를 형성하여 송수신하는 하나 이상의 센서 네트워크 단말기; 상기 센서 네트워크 단말기 사이의 음영지역에서 무선데이터신호를 송수신하는 중계기; 상기 센서 네트워크 단말기 또는 중계기의 무선데이터신호를 통합적으로 송수신하여 원격의 이동통신망으로 송수신하는 통합 데이터로거; 상기 통합 데이터로거에서 무선망을 거쳐 송수신된 데이터를 무선 네트워크 또는 인터넷을 통해 송수신하여 무선데이터신호를 저장, 분석, 편집, 출력, 감시 및 통합 관리하는 관제센터를 포함하여 무선 및/또는 지그비 네트워크를 이용하여 토목구조물에 장착된 각종 센서로부터 원격에서 무선으로 계측값을 송수신할 수 있도록 하여 토목구조물의 시공 및 유지관리를 구현한 것이다.
무선, 센서, 네트워크, 토목구조물, 원격, 계측, 지그비, 데이터로거
Description
본 발명은 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측 방법 및 그 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 토목구조물의 시공 및 유지관리를 위하여 토목구조물에 장착된 각종 센서로부터 원격에서 무선으로 계측값을 송수신하기 위한 방법과 그 시스템에 관한 것이다.
지반을 대상으로 하는 각종 토목구조물의 공사는 지반의 조사 및 설계 단계에서 상세한 검토를 수행하여도 시공 중에 발생하는 벽체의 응력, 변위, 주변 지반 및 기존 구조물의 거동 등을 정확히 예측하기 어렵다. 일반적으로 설계 단계에서 입력하는 지반의 물성치, 예컨대, 단위중량, 내부 마찰각, 점착력, 지반계수 등과 단계별 시공 계획 등이 실제 현장 조건과 정확히 일치하지 않기 때문에 상황에 따라 설계 및 시공 방법 등의 수정과 보완이 필요하다.
그러므로 토목구조물의 시공 과정에서 지반 굴착과 지지보 설치 및 해체 단계 공사를 안전하고 경제적으로 진행하기 위한 기준과 판단자료를 제시하여 주는 계측 관리에 의한 정보화 시공의 필요성은 더욱 증대되고 있다.
이와 같은 토목구조물로는 연약지반, 사면, 대공동구조물, 흙막이가시설, 터널, 제방, 도로, 철도, 교량, 공항, 댐 및 하천 등으로 나눌 수 있다. 이러한 토목구조물은 시공과 더불어 준공 후에도 연속성 있는 지속적인 감시를 필요로 한다. 더욱이 해당하는 토목구조물의 각각의 주요 부분이나 위치 등에는 각종의 센서가 설치되고, 센서로부터 계측된 값을 확보하여 분석, 관리 및 저장 등이 이루어진다.
종래에 토목구조물의 계측을 위하여 유선기반의 계측시스템이 주를 이루었다. 즉 토목구조물에 각종의 센서를 설치한 후에 센서로부터 계측된 값을 유선으로 연결하여 송수신하였을 뿐만 아니라, 각각의 센서로부터 계측된 값을 별도로 취합하여 분석, 관리 및 저장하였다.
이와 같은 유선기반의 계측시스템은 유선케이블의 과다한 설치 소요 및 케이블 설치를 위한 스틸파이프 배관설비 설치의 어려움이 있었고, 또한, 케이블의 온도보상 문제 및 접지부분에서 필터링하기 어려운 노이즈의 발생과, 케이블 및 계측기에 문제가 발생되면 확인이 어려우며, 문제가 발생한 부분의 교체작업도 용이하지 않은 문제가 있었다. 더욱이 각 토목구조물에 설치된 센서로부터 계측된 데이터는 연계가 불가능하여 관리비용을 증대시키는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 각종 토목구조물을 통합 관리 및 운영할 수 있도록 근거리 통신에 센서 네트워크를 기본적인 기술로 활용하기 위하여 지그비(ZigBee) 혹은 무선(RF) 기반의 무선 센서 유닛(Unit)을 이용하여 유선 센서시스템 대비 공사기간의 단축과 설치비용 및 운용비용을 절감할 수 있고, 지리정보시스템(GIS)에 기반을 둔 계측장비를 시설물 안전관리에 최대한 활용하여 돌발적인 환경변화에 체계적이고 계획적인 방법으로 사전에 대응함으로써 사고예방 및 피해를 최소화하며, 대부분의 토목공사 현장에서 사람이 접근할 수 없는 공간이나 오지 시설물관리, 오염지역, 위험지역, 무인시스템 등의 계측까지 수행이 가능하고, 원격 제어기능을 활용한 다양한 구조물의 효율적인 통합 유지관리가 용이하며, 이동식 지리정보시스템(GIS)을 통해 언제, 어느 장소에서나 지리정보를 기반으로 하는 유무선 환경의 통신망을 통해 현재 위치 기반의 필요 정보를 제공하고, 구조물의 시공에서 유지관리까지 데이터의 단절 없이 정확한 계측을 수행하며, 유비쿼터스 기술에 부합하고 인재 및 자연재해에 신속히 대처할 수 있어 추가재난을 예방하기 위한 것이 목적이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, (a) 토목구조물에 설치되어 토목구조물 및 외부 환경에 대한 변화를 하나 이상의 센서모듈에서 감지하여 디지털신호 로 센서 네트워크 단말기로 출력하는 단계; (b) 상기 센서 네트워크 단말기의 감지신호를 무선/지그비 네트워크를 통해 근접한 거리에 설치된 중계기, 통합 데이터로거 또는 이동식 데이터로거 중 어느 하나 이상으로 송수신하는 단계; (c) 상기 통합 데이터로거에서 수신된 감지신호를 기지국으로 무선 네트워크 또는 인터넷을 통해 관제센터로 전송하는 단계; 및 (d) 상기 관제센터에서 유무선 네트워크나 인터넷을 통해 이동통신단말기나 해당 기관으로 데이터를 송수신하는 단계를 포함하여 이루어진 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측 방법을 제공한 것이 특징이다.
또한, 본 발명은 토목구조물에 장착된 하나 이상의 센서모듈로부터 감지된 신호를 무선데이터신호로 변환하고 무선 또는 지그비 네트워크를 형성하여 송수신하는 하나 이상의 센서 네트워크 단말기; 상기 센서 네트워크 단말기 사이의 음영지역에서 무선데이터신호를 송수신하는 중계기; 상기 센서 네트워크 단말기 또는 중계기의 무선데이터신호를 통합적으로 수집하여 원격의 이동통신망으로 송수신하는 통합 데이터로거; 상기 통합 데이터로거에서 무선망을 거쳐 송수신된 데이터를 무선 네트워크 또는 인터넷을 통해 송수신하여 무선데이터신호를 저장, 분석, 편집, 출력, 감시 및 통합 관리하는 관제센터를 포함하여 이루어진 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측 시스템을 제공한 것이 특징이다.
본 발명은 상기 해결수단에 의하여, 근거리 통신에 센서 네트워크를 기본적 인 기술로 활용하기 위하여 지그비(ZigBee) 혹은 무선(RF) 기반의 무선 센서 유닛(Unit)을 이용하기 때문에 상대적으로 저가의 설치비가 소요되고, 별도 설비가 필요 없으며, 계측시스템의 문제 발생 시에 유선의 계측시스템 보다 교체가 간편하고, 근거리 무선통신(Ad-hoc) 방식을 이용하므로 센서 네트워크의 재구성이나 시스템의 응용(Application) 재설치를 무선으로 용이하게 처리할 수 있기 때문에 근거리 통신에 있어서 계측시스템의 문제 해결능력이 탁월하며, 또한 장거리 통신, 예컨대 토목구조물에서 토목구조물의 관리소까지의 거리에 이동통신망을 사용하므로 유선기반의 시스템에 비해서 상대적으로 설치비용과 유지비용의 절감 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측 방법 및 그 시스템에 관하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
먼저, 본 발명의 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측 시스템은 각종 토목구조물에 하나 이상으로 설치된 센서모듈로부터 계측된 값을 무선/지그비 네트워크를 통해 통합 데이터로거에서 취합한 후에 이동통신망, 무선 네트워크 및 인터넷 등을 거쳐 관제센터의 관리서버로 송수신할 수 있도록 하는 것이다.
따라서 본 발명의 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측을 위한 시스템은 토목구조물에 설치된 하나 이상의 센서모듈과, 센서모듈의 계측값을 무선/지그비 네트워크를 통해 데이터를 통합적으로 송수신하는 통합 데이터로거가 구비된다.
상기 센서모듈(10)은 계측된 아날로그신호를 디지털신호로 변환하여 출력하는 것으로, 각종 토목구조물, 예를 들어 연약지반이나 사면, 대공동구조물, 흙막이가시설, 터널, 제방, 도로, 철도, 교량, 공항, 댐 및 하천 등에 해당하는 위치 및 부분에 장착되는 것이다. 이러한 센서모듈(10)로는 온도계, 응력계, 경사계, 가속도계, 변위계, 전위차계, 풍향풍속계, 지진계, 수위계 등 다양하다.
센서 네트워크 단말기(100)는 상기 토목구조물에 장착된 하나 이상의 센서모듈(10)로부터 감지된 신호를 무선데이터신호로 변환하고 무선 또는 지그비 네트워크를 형성하여 송수신하는 것이다. 센서 네트워크 단말기(100)는 단일의 센서모듈(10)이 연결되거나 또는 복수의 센서모듈(10)이 연결될 수 있다.
센서 네트워크 단말기(100)는 유비쿼터스의 실현을 위한 대표적인 핵심기술인 u-센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network: USN)가 적용된 것이다. USN은 필요한 모든 곳에 센서를 부착하고, 이를 통해 사물의 인식정보를 기본으로 주변의 환경정보, 예를 들어 온도, 압력, 오염, 균열 등까지 실시간 수집하여 관리, 통제할 수 있도록 구성한 네트워크로서, 궁극적으로 모든 사물에 컴퓨팅 및 커뮤니케이션 기능을 부여하여 언제(Anytime), 어디서(Anywhere), 무엇이든(Anything) 통신이 가능한 환경을 구현하기 위한 것이다. 이와 같은 센서 네트워크 표준은 근거리 무 선통신망(Ad-hoc network)을 기반으로 센서 네트워크를 구축하는 표준이 주를 이루고 있으며, 블루투스(Bluetooth), u-센서 네트워크(USN), 지그비(ZigBee) 등이 존재한다. 이 프로토콜들은 WPAN(Wireless Personal Area Network)에 관한 표준으로 IEEE 802.15.4는 저전력의 저속 무선 네트워크 프로토콜이며, 지그비는 IEEE 802.15.4를 다양한 상위 응용에 적용하기 위한 표준이다.
본 발명에서 적용된 센서 네트워크 단말기(100)는 근거리 무선통신방식으로 2.4GHz 대역의 지그비 또는 무선(RF) 네트워크(101)가 적용된 것이다. 센서 네트워크 단말기(100)는 센서 네트워크 단말기(100) 사이에 통신이 가능할 뿐만 아니라, 일정 거리 이내의 중계기나 송수신모듈 등과의 통신이 가능한 것이다.
상기 센서 네트워크 단말기(100)의 세부적인 구성으로 도 2의 블록도를 참조하면, 하나 이상의 센서모듈(10)로부터 감지된 신호를 변환하는 센서부(112)와, 상기 센서부(112)의 감지신호를 디코딩, 증폭 및 비교하는 감지신호처리부로서, 멀티플렉서(115), 증폭기(116), 비교기(117), 바이브레이터(119)가 구성된다. 그리고 시스템셋업부(118)는 센서 네트워크 단말기(100)의 초기화를 위한 것이다. 메인프로세서(111)는 상기 센서부(112) 및 각 구성요소로부터 입출력되는 신호를 연산 및 제어하는 것이다. 그리고 상기 메인프로세서(111)의 제어로 시스템의 작동상태를 가시적으로 표시하는 표시기(114)가 구비되고, 상기 센서 네트워크 단말기(100)의 구동에 필요한 클럭(clock) 및 전원을 공급하는 전원부로서 클럭발생기(127), 전원공급기(124), 전원스위치(125), 리튬이온 배터리(126), AC전원(123)이 포함된다.
또한, 상기 센서부(112)에 연결된 하나 이상의 센서모듈(10)을 선택하거나 보정모드나 온도 등을 선택하는 모드셀렉터(122)가 구비되고, 상기 메인프로세서(111)에서 감지데이터를 안테나(121)를 통해 송수신하는 송수신모듈(120)이 구비된다. 송수신모듈(120)은 무선/지그비 전송모듈이 내장되어 무선신호를 송수신한다.
또한, 상기 송수신모듈(120)이 중계기 또는 이동식 데이터로거와 무선 통신시에 전류소비를 최소화하기 위한 웨이크업신호를 발생시키는 웨이크업회로부, 즉 무선 초퍼회로(128), 검출기(129) 및 웨이크업회로(130)가 구비된다.
중계기(110)는 상기 센서 네트워크 단말기(100) 사이의 음영지역에서 무선데이터신호를 송수신하는 것으로, 일정 거리의 센서 네트워크 단말기(100)의 데이터를 무선으로 송수신하기 위한 것이다. 중계기(110)는 필요에 따라 설치가 가능한 것으로, 선택적으로 적용된다. 중계기(110)는 사용전력의 소모에 대비하여 솔라셀 등이 장착되어 자체적인 전력공급이 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
통합 데이터로거(120)는 상기 센서 네트워크 단말기(100) 또는 중계기(110)의 무선데이터신호를 통합적으로 수집하여 원격의 이동통신망 기지국(200)으로 송수신하는 것이다. 이러한 통합 데이터로거(120)는 통합적인 데이터의 수집과 감시와 제어를 하는 것으로, 이동통신망과 무선/지그비 통신모듈이 내장되어 있고, 다양한 제어모듈이 탑재되어 있는 것이다.
상기 통합 데이터로거(120)의 세부적인 구성으로 도 3의 블록도를 참조하면, 센서 네트워크 단말기(100)로부터 송출되는 무선데이터신호를 수신하고 제어명령을 송신하기 위한 웨이크업 동기회로가 구비된 무선 송수신모듈(126)이 구비되어 있다. 그리고 제어용 프로그램 운용을 위해 응용 프로그램과 같은 주요 프로그램과 각종 데이터를 저장하거나 계측된 데이터를 보호하기 위해 정전시 데이터 백업을 위한 메모리부로서, 착탈식 메모리카드(121), EEPROM(122), RAM(123), ROM(124), 비휘발성 메모리(125) 등이 포함된다.
또한 관리센터로 데이터의 송수신을 위한 이동통신망부로서 데이터 패킷모뎀(127), TRS 인터페이스 모듈(128), GSM 모뎀(129), CDMA 모뎀(130)이 외에 TETRA 모뎀도 포함된다.
또한, GPS 모듈을 운용하기 위한 GPS 인터페이스부(137)와, GIS 모듈을 운용하기 위한 GIS 인터페이스부(138)와, 통합 데이터로거의 동작상태 및 감지데이터를 가시적으로 표시하는 표시부(135)와, 이동통신망부(127-130)와의 통신을 위한 직렬통신 컨트롤러(131)와, 외부센서의 신호입력 및 외부기기의 제어출력을 포함하는 외부센서 입력부(139) 및 외부출력 제어부(140)와, 사용자 메뉴선택 및 기능의 시작과 정지의 조작을 위한 입력부(134), 및 통합 데이터로거의 각 구성요소의 통신 프로토콜 및 사용자 인터페이스 제어와 감지데이터를 이동통신망부(127-130)를 통하여 관리센터로 전송하기 위한 데이터 모뎀의 제어를 수행하는 메인 프로세서(133)가 포함되어 있다.
또한, 상기 통합 데이터로거(120)는 도 4의 구성도에서, CDMA 전송모듈(141). 디지털 입출력모듈(142), 아날로그 입출력모듈(143), 통합 신호검출모듈(144), 무선/지그비 전송모듈(145), RS232/485 전송모듈(146), 보조전지 전원팩(147), 이더넷 전송모듈(148), GPS 모듈(149), GIS 모듈(150), GSM 모듈(151) 을 포함한다.
한편, 이동식 데이터로거(160)는 무선 통신방식 시스템을 점검하는 것으로 이동식 데이터수집기이다. 이동식 데이터로거(160)는 센서 네트워크 단말기(100) 또는 중계기(110)와 무선데이터신호를 송수신하는 휴대가 가능한 것이다. 더욱이 이동식 데이터로거(160)는 장비의 고장이나 위험도 점검 등의 현장검증을 위한 보조수단으로 적용된 것이다.
관제센터(300)는 통합 데이터로거(120)에서 무선망을 거쳐 송수신된 데이터를 무선 네트워크(210) 또는 인터넷(220)을 통해 송수신하여 무선데이터신호를 저장, 분석, 편집, 출력, 감시 및 통합 관리하는 것이다. 관제센터(300)는 무선 네트워크(210) 또는 인터넷(220)을 통해 송수신된 데이터를 가상사설망(VPN)(310)을 거쳐 서비스 IP(Internet Protocol)를 통해 입력받아 관리하기 위한 콘솔(consol)로서 관리자 단말기(311)가 구비된다. 그리고 입출력되는 데이터 정보의 제공이나 작업을 수행하는 관리서버(312)가 포함되고, 관리서버(312) 이외에도 입출력되는 데이터 정보의 저장, 백업 및 복구를 위한 스탠바이서버(313) 및 백업서버(314)와, SAN(storage area network; 광 저장장치 영역 네트워크) 스위치를 통한 저장, 백업 및 복구용 서버(316, 317)를 선택적으로 채용할 수 있도록 하였다.
또한, 관제센터(300)는 관리서버(312)는 무선 네트워크(330) 및 기지국(350)을 통해 이동통신 단말기(340)로 메시지 서비스를 제공한다.
더욱이 관제센터(300)는 이동통신망을 통한 기지국(200)으로부터 무선 네트워크(210)와 인터넷(220)을 통해 가상사설망(400-403)을 거쳐 토목구조물을 관리하 는 해당 기관, 예를 들어 감리단(500), 시공사(501) 또는 이를 관할하는 국가기관(502, 503)으로 데이터를 송수신할 수 있도록 한다. 관제센서(300)의 관제시스템은 통합 관제를 위한 패키지, HMI(Human Machine Interface), MMI(Man Machine Interface) 인터페이스 API(응용 프로그램 인터페이스)를 지원하고 지리정보시스템(GIS)과 연동된다.
도 6은 본 발명의 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측 시스템을 교량에 적용한 실시예를 참조하면, 교량(30)에는 센서모듈(10)로서 장기 모니터링을 위해 경간 중앙부 및 지점부에 설치하여 온도를 측정하는 온도계(11), 거더 내 두 개 지점 사이의 수직 및 수평 방향의 상대변위를 측정하는 변위계(12), 주탑 상단부에 설치하여 하중에 의한 교각 기울기를 측정하는 경사계(13), 및 경간 중앙부 및 지점부에 설치하여 발생 응력을 측정하는 응력계(14)가 설치되고, 각각의 센서모듈(10)에는 센서 네트워크 단말기(100a-100d)가 연결되어 설치되어 있다. 상기 각 센서모듈(11-13)에서 계측된 아날로그신호의 값은 디지털신호의 값으로 변환되어 센서 네트워크 단말기(100a-100d)로 입력되면, 센서 네트워크 단말기(100a-100d)는 무선/지그비 네트워크(101)를 형성하면서 통합 데이터로거(120)로 데이터를 송수신한다. 통합 데이터로거(120)는 각 센서 네트워크 단말기(100a-100d)에서 수신된 데이터를 통합하여 이동통신망을 이용하여 기지국(200)으로 전송하면, 기지국(200)을 거친 데이터는 무선 네트워크(210) 또는 인터넷(220)을 통해 관제센터(300)의 관리서버(320)로 송수신된다. 관제서버(320)는 설정된 프로그램에 의하여 수집된 데이터를 저장 하고 분석 및 저장 등의 일련의 처리과정을 수행한다. 이때 상기 센서 네트워크 단말기(100a-100d) 사이에 중계기(110)가 설치될 수 있고, 이동식 데이터로거(160)로 데이터를 수집할 수도 있을 것이다.
본 발명의 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물로서 교량 상태를 계측하는 시스템의 구축으로 실제 교량에 무선 자동 계측 시스템을 설치하여 현장의 데이터를 무선통신을 통해 습득하고 이를 데이터베이스화하여 출장을 거치지 않고서도 교량의 데이터를 확인하여 교량의 상태를 파악할 수 있도록 함으로써, 교량의 유지보수 비용의 절감, 데이터 축적에 따른 교량의 상태거동 파악의 용이, 도로의 결빙침수상태 모니터링을 목적으로 시스템의 구축이 가능할 것이다.
또한, 각종 센서모듈에서 획득한 데이터를 일정시간 간격으로 무선(ZigBee or RF)으로 통합 데이터로거에 전송하고 통합 데이터로거는 전송된 데이터를 취합하여 이동통신망 또는 인터넷을 통하여 관제센터의 관리서버에 전송하게 하여 가공한 후에 교량을 이용하는 운전자와 교량을 관리하는 관리자에게 필요한 정보를 실시간으로 제공하기 위하여 구축할 수 있다.
또한, 다른 실시예로서 터널 상태를 계측하기 위한 시스템을 구축하는 경우에는 터널 내부, 터널 출입구 등에서 발생하는 다양한 재난 정보를 실시간 모니터링을 위하여 시스템을 구축할 수 있다. 예를 들어, 터널 내부의 화재, 연기 등을 센서에 의해 탐지한 후에 정보제공하거나 터널의 진입부 노면의 결빙, 미끄럼, 수막 상태를 실시간으로 정보를 제공할 수 있다. 또한, 터널의 내공 변위 및 균열부위에 대한 계측 및 지진에 의한 터널 진동 변화를 계측하여 안전성을 파악하고, 터 널 구조물의 노후화 등에 의한 문제를 센서모듈을 이용하여 조기발견으로 유지보수비의 절감은 물론 예산집행이 선행되는 측정, 검사 등의 비용을 최소화하기 위하여 구축할 수 있을 것이다.
도 7은 본 발명의 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측 방법을 나타낸 흐름도로서, 토목구조물에 설치되어 토목구조물 및 외부 환경에 대한 변화를 하나 이상의 센서모듈(10)에서 감지하여(S10) 디지털신호로 센서 네트워크 단말기(100)로 전송하고(S11), 센서 네트워크 단말기(100)의 감지신호를 무선/지그비 네트워크(101)를 통해 근접한 거리에 설치된 중계기(110), 통합 데이터로거(120) 또는 이동식 데이터로거(160) 중 어느 하나 이상으로 송수신한다(S12). 그리고 통합 데이터로거(120)는 수신된 감지신호를 이동통신망을 이용하여 기지국(200)으로 전송하고(S13), 다시 기지국(200)에서 무선 네트워크(210) 또는 인터넷(310)을 통해 관제센터(300)의 관리서버(312)로 전송한다(S14). 상기 관제센터(300)에서 유무선 네트워크나 인터넷을 통해 이동통신단말기(340)나 해당 기관(500-503)으로 데이터를 송수신한다(S15).
더욱이 상기 센서 네트워크 단말기(100)의 작동에 관한 흐름은 도 8에서, 센서모듈(10)의 감지 펄스신호를 모니터링하고 초기 파라미터를 설정하고(S20), 센서모듈(10)로부터 펄스신호의 감시를 시작한다(S21).
그리고, 상기 펄스신호의 감시 중에 입력된 펄스신호가 하이펄스 또는 로우펄스 인지 여부를 체크하고(S22), 펄스신호가 하이펄스이면 하이펄스 주기를 체크하며(S23), 메인프로세서에 설정된 기준치 하이펄스 주기와 비교해서 정상신호인지 여부를 체크한 후(S24), 메인프로세서에 설정된 기준치 하이펄스 주기와 동일한 펄스 주기로 펄스가 발생되면 정상신호로 인식하여 하이 펄스 주기 체크 설정을 완료하고, 메인프로세서에 설정된 기준치 하이펄스 주기와 다른 펄스 주기로 펄스가 발생되면 비정상신호로 인식하여 처음부터 다시 펄스 감시를 시작한다(S25).
그리고, 본원발명에 따른 하이펄스는 외부 클럭 신호의 주파수가 특정 주파수 이상일 경우 일정한 하이 펄스 폭을 갖는 내부 클럭 펄스를 말하고,
상기 로우펄스는 외부 클럭 신호의 주파수가 특정 주파수 이하일 경우 일정한 로우 펄스 폭을 갖는 내부 클럭 펄스를 말한다.
또한, 상기 펄스신호의 감시 중에 입력된 펄스신호가 로우펄스이면 로우펄스 주기를 체크하고(S26), 메인프로세서에 설정된 기준치 로우펄스 주기와 비교해서 정상신호인지 여부를 체크해서 메인프로세서에 설정된 기준치 로우펄스 주기와 다른 펄스 주기로 펄스가 발생되면 비정상신호로 인식하여 처음부터 다시 펄스 감시를 시작하고(S27), 메인프로세서에 설정된 기준치 로우펄스 주기와 동일한 펄스 주기로 펄스가 발생되면 정상신호로 인식하여 로우 펄스 주기를 체크 설정을 완료한다(S28). 이어서, 웨이크업 신호 및 펄스 래치 신호를 발생시킨다(S29). 상기 로우 펄스가 정상신호로 판독되고 발생시킨 웨이크업 및 펄스 래치 신호는 메인 프로세서(111)에서 신호에 대한 처리가 완료되어 센서모듈(10)로 발생시키는 래치 해제 신호를 판독한 후(S30)에 상기 발생된 신호가 래치 해제 신호로 판독되면 펄스 신호 체크모드를 종료시킨다(S31).
그리고, 본원발명에 따른 하이펄스는 외부 클럭 신호의 주파수가 특정 주파수 이상일 경우 일정한 하이 펄스 폭을 갖는 내부 클럭 펄스를 말하고,
상기 로우펄스는 외부 클럭 신호의 주파수가 특정 주파수 이하일 경우 일정한 로우 펄스 폭을 갖는 내부 클럭 펄스를 말한다.
또한, 상기 펄스신호의 감시 중에 입력된 펄스신호가 로우펄스이면 로우펄스 주기를 체크하고(S26), 메인프로세서에 설정된 기준치 로우펄스 주기와 비교해서 정상신호인지 여부를 체크해서 메인프로세서에 설정된 기준치 로우펄스 주기와 다른 펄스 주기로 펄스가 발생되면 비정상신호로 인식하여 처음부터 다시 펄스 감시를 시작하고(S27), 메인프로세서에 설정된 기준치 로우펄스 주기와 동일한 펄스 주기로 펄스가 발생되면 정상신호로 인식하여 로우 펄스 주기를 체크 설정을 완료한다(S28). 이어서, 웨이크업 신호 및 펄스 래치 신호를 발생시킨다(S29). 상기 로우 펄스가 정상신호로 판독되고 발생시킨 웨이크업 및 펄스 래치 신호는 메인 프로세서(111)에서 신호에 대한 처리가 완료되어 센서모듈(10)로 발생시키는 래치 해제 신호를 판독한 후(S30)에 상기 발생된 신호가 래치 해제 신호로 판독되면 펄스 신호 체크모드를 종료시킨다(S31).
도 9는 통합 데이터로거(120)에 작동에 관한 흐름도로서, 통합 데이터로거(120)의 초기화와 동시에 클럭발생기(Real Time Clock)를 초기화하고 표시부(135)의 구동과 함께 로고가 표시된다(S41). 입력부(134)를 통해 한 쌍의 키 입력이 있으면(S42), 표시부(135)의 백라이트를 구동시킨다(S43).
또한, 입력부(134)를 통해 입력된 키를 판단하여(S44), 제1키의 입력이 있으면 시간표시(S45)와 계측회수 카운트를 초기화하고(S46), 제2키의 입력이 있으면 클럭, 알람 및 ID를 설정한다(S47). 그리고 키입력이 없으면 FTRX 전송모드인지를 판단하여(S48) 계측값을 각각 표시한다(S49, S50). 계측된 값이 첫 번째 계측값인지 판단하여(S51) 첫 번째가 아니면 3회 계측값 평균의 편차가 4이하이면(S52) 무선으로 전송하고(S53), 5이상이면 +3을 카운트한다(S54). 또한, FTRX 수신모드(S55)에서 수신모드인지를 판단하여(S56) 수신모드이면 백라이트를 오프시키고(S57), 수신모드가 아니면 설정된 카운트를 수행한다(S58). 그리고 알람이 수동으로 설정되었는지를 판단하여(S59) 수동이면 데이터로거의 전원을 오프시키고(S61), 수동이 아니면 다음 알람시간을 설정한다(S60).
이와 같이 본 발명의 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측 방법 및 그 시스템은 기존의 유선기반의 계측시스템과는 달리 통합 감시제어를 위한 HMI/MMI 시스템과 GIS기반에 연동을 최적화할 수 있도록 지원하고, 신속하고 정확한 기기의 점검을 위한 원격 유지관리 프로세스를 지원한다.
또한, 용이한 현장 설치를 위한 무선 네트워크(CDMA, GSM, Packet Data, TRS/ZigBee, UHF, TETRA 등)의 구축, 요구(On demand) 및 주기 상태 점검을 위한 2-방향 통신 프로토콜을 적용하였고, 기기의 신규 추가설치 및 제거의 용이성 확보를 위한 Ad-Hoc 운영기반 및 표준기기 항목별 프레임워크를 확보하였으며, 다양한 통신망(CDMA, GSM, Packet Data, TRS / ZigBee, UHF, TETRA 모듈화 적용)의 확보가 가능하고, 다양한 감시/제어대상 신호 인터페이스 모듈을 최적화시키기 위한 솔루션 선택적 조합(Module Design Concept)이 가능하다. 또한, 독립 전원 공급방식(Solar Power)의 적용을 통한 설치의 용이함과, 저가의 특화된 데이터로거 기능 구현으로 경제적 효율성을 극대화하고, 특정 소출력 무선과 이동통신망의 조합으로 자유스런 네트워크 구현 및 비용절감을 실현하였으며, 통신의 신뢰성 확보를 위한 검증된 무선 공중망(CDMA, GSM, Packet Data, TRS, TETRA)을 활용하였다. 또한, 데이터의 안정성을 위한 Store-and-Forward 방식(ZigBee/RF Sensor Device, Concentrator, WARP S/W)을 적용하였고, 데이터 통신의 안정성 확보를 위한 운영망의 이중화 및 데이터 센터(Server)의 이중화를 지원하였다.
더욱이 본 발명은 GIS 기반의 무선 안전관리 계측시스템 도입에 따른 장점으로서, 넓은 관리지역에 있는 각종 토목/건축물들을 지도를 이용하여 정확한 위치정 보를 입체적으로 시각화하여 제공하는 정보의 시각화와, 지도의 확대 및 축소 기능을 통하여 확인하고자 하는 지역선택이 가능하며 속성 데이터베이스의 연동으로 필요한 내역정보의 신속하고 정확한 검색이 가능하여 관리효율의 극대화와, 사고 발생시 주변의 교통정보, 자연 및 환경정보 등을 시각화하여 제공함으로써 신속하고 정확한 상황파악과 대처를 용이할 수 있는 신속한 상황 파악 및 대처 용이성과, 무선 센싱 기술을 이용한 실시간 정보추출 체계를 구성하여 이를 다시 지리정보시스템으로 서비스하며, 지리정보시스템은 안전관리 주요 부분의 업무 프로세서를 반영함으로써 종합적이고 체계적인 안전관리 시스템을 구현하는 정보의 다양한 활용과 운용성 확보와, 각종 분석기능을 이용하여 추후 예측이 가능하므로 재난재해 시 대응 및 계획 수립을 위한 중요한 정보들의 창출이 가능한 의사결정 지원 등의 장점을 내포하고 있다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측 시스템의 센서 네트워크 단말기의 세부적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측 시스템의 통합 데이터로거의 세부적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 관제센서의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측 시스템이 적용된 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 센서 네트워크 단말기의 작동상태를 나타낸 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 통합 데이터로거의 작동상태를 나타낸 흐름도이다.
※ 도면 부호의 간단한 설명 ※
100 : 센서 네트워크 단말기 112 : 센서부
115 : 멀티플렉서 116 : 증폭기
117 : 비교기 119 : 바이브레이터
120 : 송수신모듈 200 : 기지국
210 : 무선네트워크 220 : 인터넷
300 : 관제센터
Claims (10)
- (a) 토목구조물에 설치되어 토목구조물 및 외부 환경에 대한 변화를 하나 이상의 센서모듈에서 감지하여 디지털신호로 센서 네트워크 단말기로 출력하는 단계;(b) 상기 센서 네트워크 단말기의 감지신호를 무선/지그비 네트워크를 통해 근접한 거리에 설치된 중계기, 통합 데이터로거 또는 이동식 데이터로거 중 어느 하나 이상으로 송수신하는 단계;(c) 상기 통합 데이터로거는 수신된 감지신호를 이동통신망을 통해 기지국으로 전송하고, 다시 기지국은 무선 네트워크 또는 인터넷을 통해 관제센터로 전송하는 단계; 및(d) 상기 관제센터에서 유무선 네트워크나 인터넷을 통해 이동통신단말기나 해당 기관으로 데이터를 송수신하는 단계에 있어서,상기 센서 네트워크 단말기는(a-1) 상기 센서모듈의 감지 펄스신호를 모니터링하고 초기 파라미터를 설정하는 단계;(a-2) 상기 센서모듈로부터 펄스신호의 감시를 시작하는 단계;(a-3) 상기 펄스신호의 감시 중에 입력된 펄스신호의 주기를 판단하는 단계;(a-4) 상기 펄스신호가 하이 펄스이면 메인프로세서에 설정된 기준치 하이펄스 주기와 비교해서 정상신호인지 여부를 체크한 후, 메인프로세서에 설정된 기준치 하이펄스 주기와 동일한 펄스 주기로 펄스가 발생되면 정상신호로 인식하여 하이 펄스 주기 체크 설정을 완료하고, 메인프로세서에 설정된 기준치 하이펄스 주기와 다른 펄스 주기로 펄스가 발생되면 비정상신호로 인식하여 처음부터 다시 펄스 감시를 시작하는 단계;(a-5) 상기 펄스신호가 로우펄스이면 메인프로세서에 설정된 기준치 로우펄스 주기와 비교해서 정상신호인지 여부를 체크해서 메인프로세서에 설정된 기준치 로우펄스 주기와 다른 펄스 주기로 펄스가 발생되면 비정상신호로 인식하여 처음부터 다시 펄스 감시를 시작하고, 메인프로세서에 설정된 기준치 로우펄스 주기와 동일한 펄스 주기로 펄스가 발생되면 정상신호로 인식하여 로우 펄스 주기를 체크 설정을 완료하고, 웨이크업 신호 및 펄스 래치 신호를 발생시키는 단계;(a-6) 상기 로우 펄스가 정상신호로 판독되고 발생시킨 웨이크업 및 펄스 래치 신호는 메인 프로세서에서 신호에 대한 처리가 완료되어 센서모듈로 발생시키는 래치 해제 신호를 판독한 후에 상기 발생된 신호가 래치 해제 신호로 판독되면 펄스 신호 체크모드를 종료시키는 단계를 포함하는 것을 무선 센서 네트워크를 이용한 토목구조물의 원격 자동 계측 방법.
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