KR101032679B1 - 사통식 저수지에서 압력센서를 이용한 수위 관측 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압력식 수위 관측기; 노트북 및 PDA를 포함하는 이동통신망; 무선 인터넷 네트워크를 포함하는 정보통신망; 데이터베이스; 및 웹서버;를 포함하고, 상기 압력식 수위 관측기는 저전력 수위계측 압력 센서, 저전력 수위계측 제어기, 사용자용 디스플레이, 무선 인터넷 데이터 전송부를 포함하는 수위 관측 시스템 및 방법을 개시하고 있다.
Description
본 발명은 농업 저수지 자동수위관측기의 효율적인 관리 및 데이터의 관리를 위한 저수위관측 시스템 및 운영프로그램에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 사통식 저수지에서 압력센서를 이용한 수위 관측 시스템에 관한 것이다.
농업 생산품의 수량과 품질을 유지하기 위해서는 빗물 이외에 부족한 물을 저수지나 양수장 같은 수리시설로부터 인위적으로 공급해 주는 관개가 필수적이다.
그러나, 근래에 전 세계적인 물부족 심화 현상과 함께 한국에도 빈번한 가뭄과 홍수에 따른 농업저수지의 과학적이고 효율적인 운영의 필요성이 절실해지고 있는 실정이다.
농업저수지의 본래의 기능인 농업용수 공급과 더불어 홍수예방을 수행하기 위해서는 저수지의 저수위와 그에 따른 저수량 자료를 정확히 계측하는 것이 필수적으로 선행되어야 하며 정확하고 신뢰성 있는 저수위 계측자료는 농업저수지의 시기별, 지역별 적정 조작, 운영에 기본이 되는 사항으로써 이를 토대로 저수량과 저수율을 파악하여 물관리의 판단자료로 활용된다.
수위관측기는 시설설치비가 과다한데, 이러한 어려움을 해결하기 위해서는 저수위 관측기의 가격을 저가로 하고 유지관리가 용이하며 관측자료의 신뢰성이 있는 보급형 농업저수지 자동 저수위관측기의 개발이 절실하다. 이를 위해서는 저수위관측을 위한 저전력 소모형 수위계측 센서와 제어기 개발, 부대설치와 관리가 용이한 green energy인 태양전원을 이용한 전원시설 개선 그리고 최근의 무선 데이터통신 기술을 활용한 통신시설의 안정적인 개선 등이 필요하다. 이를 실현하는 방법으로, 전체 시스템의 안정적인 통합을 고려하여 모듈별로 개발하고, 이를 결합한 통합시스템으로 개발하여 시스템의 안정성을 제고할 필요가 있고, 효율적인 저수위 관리를 위해서는 운영프로그램의 개발이 필요하다.
농업저수지 관련 자료를 정기적이고 안정적으로 수집ㆍ관리하기 위한 시설인 농업저수지 자동 수위관측기는 저수지 수위계측기, 현장자료 및 통신기기로로 구성된다. 현재, 저수지 수위계는 국내외 여러 제작사에 따라서 다양한 방식의 수위계측기가 제작 및 설치되어있으나 대부분이 외국제품이며 계측기에 따른 적정 사용 및 유지관리 방안이 미비하여 신뢰성 있는 계측자료의 확보가 어렵고 주변 관련기기인 전원장치, 통신 및 자료처리장치와의 적정 호환이 고려되지 않는 등의 문제점을 가지고 있어 국내기술에 의한 개발이 필요하다.
저수지 수위 측정을 위해 개발된 수위계는 부표식, 압력식, 초음파식 등으로 크게 구분된다. 기존의 초음파 방식은 취수탑과 같은 시설에 설치하여 물표면의 거리를 측정하는 방식이며, 사통식의 저수지에 사면을 따라 저수지 수위측정이 불가하여 이를 대체하기 위한 압력식 센서를 활용하여야 하며, 계측과 더불어 데이터 저장 및 통신을 위해 기존에는 대부분 전력소모가 많은 대용량 제품들이 제작되고 있다.
이렇게 전력 소모가 많은 제품을 설치하기 위해서는 별도의 외부 전원이 필요하거나 대용량의 전원공급 장치가 구비되어야만 한다. 따라서 농업저수지 특성상 농촌지역에 산재해 있고 농촌지역의 전력사정이 상대적으로 열악한 어려움을 해결하고 경제성이 있는 저수위관측을 위해서는 저전력으로도 안정적인 수위측정이 가능한 압력식 수위계의 개발이 필요하다.
저수위 측정시스템의 전원장치는 농업저수지가 대부분 지역적으로 오지에 산재되어 있는 관계로 측정시스템을 위한 별도의 전원선로공사를 가설해야 하며 이에 따른 별도의 공사비가 소요되며 또한 안정적인 양질의 전원공급을 위한 안정기 및 보호기의 부착이 필요로 하는 등의 어려움이 있는데 이를 해결하기 위해서는 부대장치가 상대적으로 단순하고 독립설치가 가능한 green energy인 태양열을 이용한 태양발전 전원장치의 도입 검토가 필요하다.
관측시스템의 통신시설 또한 전력시설과 같이 유선일 경우 가설비와 부대시설비의 과다 소요가 발생하므로 최근 국내에서 급격히 보급되고 있는 무선통신망의 적용이 검토되어야 하며 이를 실용화하면 초기 설치비용이 상당히 절감될 수 있고 중앙통제실에서 저수지 상황을 즉시 파악할 수 있도록 정보 수집이 가능하고 패킷단위의 Data 전송으로 통신비를 절감함으로써 유지비용을 경감할 수 있으며 인터넷에 의한 정보 공유가 용이하게되는 등의 이점이 있으므로 국내 전문 기술에 의한 개발이 필요하다.
또한, 농업저수지의 수위측정 자료는 특성상 단시간 간격으로 관리소에서 수집 및 관리 될 필요는 없지만 1일 1~2회 혹은 계측 값의 이상 발생시 그리고 관리자가 필요할 때 양방향으로 정기적 혹은 수시로 수집, 관리될 수 있어야 하며 측정 저수위 값을 토대로 하여 각각의 저수지별 저수량과 저수율 산정기능, 관측자료 관리(모니터링, 보고서) 및 이상진단(알람) 기능 그리고 통신모듈 및 하드웨어와 운영 프로그램간 인터페이스 및 저수지 관리자 및 사용자 운영 프로그램의 개발을 통하여 현장 농업저수지의 체계적인 관리를 도모할 필요가 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 압력식 수위 관측기; 노트북 및 PDA를 포함하는 이동통신망; 무선 인터넷 네트워크를 포함하는 정보통신망; 데이터베이스; 및 웹서버;를 포함하고, 상기 압력식 수위 관측기는 저전력 수위계측 압력 센서, 저전력 수위계측 제어기, 사용자용 디스플레이, 무선 인터넷 데이터 전송부를 포함하는 수위 관측 시스템을 개시한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 상기 저전력 수위계측 제어기는 수위계측부, 저전력 기능부, 자체진단기능부 및 자동복구기능부, 데이터 전송부, 데이터 로깅부, 지자기 센서 인터페이스를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 상기 데이터 전송부는 리모트 모드, 로컬 모드, 폴링 모드, 이벤트 모드로 운용된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 상기 지자기 센서 인터페이스는 3축 지자기 센서를 포함하고, 상기 3축 지자기 센서를 통해 경사값을 구하고, 상기 경사값(θ)과 케이블 설치 길이(x)에 의해 압력센서의 실제 깊이(수심 h = sin θ × 케이블 설치 길이(x))를 구하고, 상기 압력센서의 실제 깊이(h)와 상기 저전력 수위계측 압력 센서에 의한 측정값과의 오차를 통해 상기 저전력 수위계측 압력 센서에 의한 측정값을 보정한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 상기 사용자용 디스플레이는 웹기반의 수위 관측 시스템을 나타내는 GUI(Graphic User Interface)를 포함하고, 상기 GUI는 사용자에게 측정시간, 수위데이터, 자동수위관측기 상태(배터리, 태양전지 상태), 시간별 저수위ㆍ저수량 자료, 일별 저수위ㆍ저수량 자료 그리고 저수위의 제원 및 사진 자료를 제공한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 상기 GUI는 시작화면, 초기화면을 포함하고, 각 저수지별 계측상황, 데이터검색, 관측 DB, 시설물 제원의 4개의 페이지를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 상기 계측상황은 계측기상황 표시, 저수위 현황 표시, 현재값 전송, 설정값 변경을 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 상기 설정값 변경은 IP, Port, 전송주기, 저장주기, 반응속도, 기준준위, 바닥거리, 바닥확장거리, 기준시간 등의 설정값 변경을 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 상기 데이터 검색에서 표시되는 데이터는 날짜, 수위, 저수율, 배터리상태, 태양전지상태, 수위상태를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 상기 관측 DB는 계측된 데이터를 수위와 저수율에 대하여 월단위, 일단위, 시간단위로 나타내고, 상기 월단위, 일단위, 시간단위는 해당 기간에 계측된 데이터들의 평균값을 표시한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 상기 시설물 제원은 해당 저수지에 대한 일반적인 제원을 표시하는 페이지이고, 각각의 시설물에 대하여 전경, 위치도, 내용적, 여수토, 취수시설, 수위계 등의 사진 및 그래프를 표시하도록 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 상기 프로그램은, 수위 관측기에서 메모리 및 모뎀을 부팅하는 명령어; 시간 측정 및 카운트하는 명령어; 전원 진단 및 관리하는 명령어; SMS을 체크하는 명령어; 수위 측정 및 진단하는 명령어; 데이터를 저장하고 전송하는 명령어;를 포함하는 수위 관측을 위한 프로그램을 저장한 컴퓨터 판독가능 기록매체를 개시한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 상기 수위 측정 및 진단하는 명령어는, 인터럽트 중단 및 초기화하는 단계; 트랙킹에서 수위 신호를 검출하는 단계; 신호 추적 에러를 검출하는 단계; 상기 신호 추적 에러가 검출되면 상기 트랙킹에서 수위 신호를 검출하는 단계로 리턴하는 단계; 상기 신호 추적 에러가 검출되지 않으면, 데이터 신호 처리 및 경사도에 따른 측정 데이터를 보정하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 상기 전원 진단 및 관리하는 명령어는, 태양전지와 배터리의 전압을 검출하는 단계; 배터리 전압이 임계값보다 크거나 동일한지를 판정하는 단계; 상기 배터리 전압이 임계값보다 작다면 파워 다운 모드를 실행하는 단계; 상기 배터리 전압이 임계값보다 크거나 동일하다면 태양전지 상태를 진단하는 단계; 상기 태양전지가 오프라면 배터리 방전 상태를 알리는 단계; 상기 태양전지가 온이라면 배터리 상태를 진단하는 단계; 상기 배터리 상태가 풀(full)이라면 배터리 충전을 중단하는 단계; 상기 배터리 상태가 정상(nromality)이라면 배터리를 쾌속 충전하는 단계를 포함한다.
가. 기술적 측면
1) 농업저수지의 효율적인 관리를 위한 기반기술 발전에 기여
농업저수지의 효율적인 관리를 위해서는 저수지의 저수위와 그에 따른 저수량 자료를 정확히 계측하는 것이 필수적으로 선행되어야 하며 자동 저수위관측시스템 개발을 통하여 저수위 계측기술 발전에 기여
농업용수의 수문량에 대한 계측기술과 더불어 각종 수문자료의 신뢰성있고 체계적인 자료관리를 통해서 농업저수지 관련 물관리, 조작운영 및 수문자료의 정량화 기술발전에 크게 기여
2) 농업용수 물관리 및 이상 홍수와 가뭄대처 기술발전에 기여
신뢰성있고 체계적인 저수지 수위 계측자료의 구축과 제공을 통해서 저수지 물수지 분석, 저수지 적정운영 및 연계운영 등의 최신 저수지 운영기술 개발과 농업 수자원 및 물관리 정책을 위한 기초자료 제공이 가능함으로써 이 분야의 발전 계기를 제공
자동 저수위관측시스템을 통해서 정기적으로 실시간의 수자원량을 계측, 분석함으로써 기상이변에 따른 홍수와 가뭄에 체계적이고 신속히 대처할 수 있는 자료를 제공함으로써 농업수자원 이ㆍ치수 관리 기술 발전에 기여
나. 경제ㆍ산업적 측면
1) 관련산업 활성화 및 수입대체 효과
많은 농업저수지에 자동 저수위관측기를 설치 도입으로 농업용수 관리 효율화와 더불어 계측관련 제조업의 활성화가 기대되며 또한 저수지 유입하천, 양배수장 및 용ㆍ배수 확대 적용될 경우 경제, 산업적인 효과가 막대하며 외국제품 수입 대체효과 또한 클 것으로 기대 (전체 농업저수지에 적용될 경우 2,300억원 절감)
2) 에너지 사용량 절감 효과
관측기의 전원으로써 green energy를 이용한 태양전원을 사용하며 저전력 관측시스템이므로 초기 전기인입 비용 및 운용에 드는 비용을 절감할 수 있을 뿐 아니라 건설에 따른 주변 환경파괴의 위험도 없으며 별도의 에너지가 필요하지 않으므로 자연친화적 에너지로써의 효과가 클 것으로 기대
3) 신뢰성 있고 체계적인 저수지관리를 통한 홍수 가뭄에 적정 대처 효과
관행의 인력에 의한 저수지 관리에서 정밀계측기에 의한 신뢰성 있는 저수지 관리를 통해서 빈번한 이상홍수와 가뭄에 신속히 대처 할 수 있는 등 농촌지역의 홍수, 가뭄재해 예방효과가 클 것으로 기대
4) 저수지관리 및 물관리 노동력 절감 효과
기존의 저수지 관리자가 육안으로 관측하는 방식에서 정밀계측기에 의한 자동 원격계측이므로 관리자의 노동력을 줄일 수 있으며 적정 저수지관리가 가능하게 되므로 농업용수의 절약효과가 클 것으로 기대
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 저전력 수위 계측 센서를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 저전력 수위 계측 제어기를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 저전력 수위관측시스템의 소비전류를 나타낸 그래프,
도 4a 및 도 4b는 저전력 회로 일부를 도시한 도면,
도 5는 수위 관측기의 위치보정 개념을 설명하는 도면,
도 6은 자동 수위관측기 설치형태를 설명하는 도면,
도 7은 소프트웨어 개념도를 설명한 도면,
도 8은 자동 수위관측기의 제어 과정 개요를 설명한 순서도,
도 9는 수위측정 및 진단 알고리즘을 설명한 순서도,
도 10은 전원관리 및 진단 알고리즘을 설명한 순서도,
도 11은 시스템 구성도을 도시한 도면,
도 12는 저수위관측 시스템 운영 프로그램의 구성도,
도 13은 웹기반의 수위관측시스템의 첫화면을 나타낸 도면,
도 14는 수위자료의 흐름을 도시한 도면,
도 15는 자동수위관측기 제어 흐름을 도시한 도면,
도 16은 자료의 변환 및 처리를 설명하는 도면,
도 17a, 도 17b, 도 17c는 시스템 구성도를 도시한 도면,
도 18은 저수지 취수탑 수위표를 촬영한 사진, 및
도 19는 수위 센서 및 계측처리기함을 촬영한 사진.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 저전력 수위 계측 제어기를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 저전력 수위관측시스템의 소비전류를 나타낸 그래프,
도 4a 및 도 4b는 저전력 회로 일부를 도시한 도면,
도 5는 수위 관측기의 위치보정 개념을 설명하는 도면,
도 6은 자동 수위관측기 설치형태를 설명하는 도면,
도 7은 소프트웨어 개념도를 설명한 도면,
도 8은 자동 수위관측기의 제어 과정 개요를 설명한 순서도,
도 9는 수위측정 및 진단 알고리즘을 설명한 순서도,
도 10은 전원관리 및 진단 알고리즘을 설명한 순서도,
도 11은 시스템 구성도을 도시한 도면,
도 12는 저수위관측 시스템 운영 프로그램의 구성도,
도 13은 웹기반의 수위관측시스템의 첫화면을 나타낸 도면,
도 14는 수위자료의 흐름을 도시한 도면,
도 15는 자동수위관측기 제어 흐름을 도시한 도면,
도 16은 자료의 변환 및 처리를 설명하는 도면,
도 17a, 도 17b, 도 17c는 시스템 구성도를 도시한 도면,
도 18은 저수지 취수탑 수위표를 촬영한 사진, 및
도 19는 수위 센서 및 계측처리기함을 촬영한 사진.
자동 수위관측기 개발
제1절 수위 계측 센서 및 제어기
1.1 저전력 수위 계측 센서 개발
저전력 수위계측 압력 센서를 설계하여 개발하였으며 그 구조 및 특징은 다음과 같다
가. 수위 계측 센서의 구조
정밀급 압저항 반도체 압력셀을 적용하여 고정밀 압력측정에 적합하며, 압력부 재질을 SUS316L로 우수한 내부식 특성을 가지도록 최적 설계하였다. 개발된 센서의 외형는 도 1에서 보여주고 있다. 또한 수중설치에 따른 측정데이터 관리를 위해 내부에 증폭회로가 내장되어 컨트롤러와 인터페이스가 가능하도록 구성되어 있다.
나. 수위 계측 센서의 사양
압력 센서는 -30~70의 온도 조건에서 작동할 수 있으며, 농업용 저수지의 규격에 맞게 0.5~50m의 측정범위를 갖는 제품이다.
1.2 저전력 수위계측 제어기 개발
수위계측 제어기는 기능별로 모듈화 개발하여 유지관리 편이와 기능 안정화를 향상하도록 하였다. 개발 수위계측기의 기능은 수위계측 기능과 더불어 저전력 기능, 자체진단 및 자동복구 기능, 다양한 데이터 전송방식, Data logging, 지자기 센서 인터페이스 기능 등을 포함하도록 하여 효율적인 농업저수지 자동 저수위관측기로서의 역할을 할 수 있도록 하였다.
가. 저전력 (
Low
Power
Mode
) 기능
일 단위 혹은 시간 단위의 계측이 요구되는 저수지 계측 환경을 고려하여 수위 계측 및 자료전송이 완료되면 자동적으로 시스템을 대기 모드로 절환 하여 기본 동작부 이외에는 전원을 차단함으로서 소비전력을 최대로 줄일 수 있도록 설계하였다. 정격전압을 배터리 전압(DC 12V)과 일치시키고 소비전류도 적정화하도록 하였으며 기존 방식에 비해 60%이상 소비전력을 절감하도록 하였다.
전원 이상진단 기능 내장으로 전압시스템의 이상상태가 오기 전에 ALARM으로 정보를 제공받을 수 있고 일부는 원격지에서도 대처가 가능하도록 하였다. 표 1은 기존 시스템과 개발 시스템의 전력 사용형태에 따른 비교 결과이다. 표 2는 수위관측시스템의 운전 상태별 소비전력을 나타내고 있다.
[표 1]
기존 시스템과 개발 시스템 비교
[표 2]
수위관측시스템의 운전 상태별 소비전력
나. 자체진단 및 자동복구 (
Watch
Dog
) 기능
자체 진단 기능을 내장하여, 기기 동작상태, 전원 준위 등을 현장 및 원격에서 확인 및 제어 가능하며, 배터리의 전압 상태, 시스템의 이상 유무를 판단하여 서버에 자동적으로 전송하도록 하였다. 여기서는 단일 프로세서를 적용함으로써 자체 동작을 감시하여 기기 이상 시 자동으로 복구되는 기능을 적용함으로써 안정된 동작을 구현하도록 하였다.
다. 다양한 데이터 전송 방식
현장에 설치된 자동 수위관측기로부터 중앙제어실 및 관리자에서 송신되는 자료는 Remote, Local, Polling 및 Event의 네 가지 모드로 운영할 수 있도록 구성되어 있다. 각 모드에 대한 설명은 아래와 같다.
Remote 모드 : 휴대폰 SMS나 중앙제어실의 M2M을 이용하여 원격설정
Local 모드 : 노트북이나 PDA를 이용하여 자료전송 및 설정
Polling 모드 : 설정된 접속시간마다 자료를 서버로 전송
Event 모드 : 저전압, Solar 이상 알람시 관리자에게 정보전송
수위관측기로부터 전송되는 SMS(문자메세지)에 대한 내용은 표 3과 같이 요약할 수 있다.
[표 3]
수위관측기의 SMS 설명
마.
Data
logging
기능
수위관측기로부터 계측된 자료는 실시간으로 중앙제어실과 통신을 하게 되지만 불의의 사고로 인해 자료의 유실을 방지하기 위해 미리 정해진 설정저장 간격에 따라 데이터를 자동으로 저장하게 된다. 데이터는 통신, 계측상태 등의 이상시 자체적으로 최대 20일까지 자동저장이 가능하도록 되어 있으며, 계측과 동시에 10분 간격으로 저장하게 된다. 또한 데이터 전송 이상시 데이터 검색이 가능하다.
바. 3축 지자기 센서 보정 기능
수위관측기로부터 계측된 자료는 센서 신호의 미소한 차이로 현장 요건(대기압, 설치 경사 등)에 따라 측정되는 값과 실제 깊이에 오차가 발생하게 되며, 이를 보정하기 위해서는 설치 위치에 대한 정확한 정보가 필요하며, 이를 위해 도 5에 도시된 바와 같이, 센서의 설치 길이 및 경사값을 3축 지자기 센서를 통해 확인하고 값을 보정할 수 있도록 기능이 가능하다. 압력센서 출력값을 구하는 식은 다음과 같다.
압력센서 출력값(수심 h) = sinθ × 케이블 설치 길이(x)
제2절 자동 수위관측기의 개발
2.1 자동 수위관측기 시작기
수위관측기의 제어기가 카드식 Rack형태로 개별 착탈이 가능하도록 하여 유지보수가 간편하도록 하고 하부에 수납함을 두어 배터리 등 현장장비의 수납이 가능하도록 구성하였다. 태양전지판 부분과 계측기함 부분을 결합한 일체형 구조로 설계하여 배선이 단순하고 현장설치가 용이하도록 하였다.
설치 저수지의 수위관측기 설치 환경에 따라 계측기함 부분과 센서지지대 부분이 일체인 경우와 분리된 형태로 센서와 제어기 일체형과 분리형으로 개발하여 사통형의 취수시설을 갖는 경우에 설치할 수 있도록 구성하였다. 자동 수위관측기의 주요 설치형태를 그림을 나타낸 것은 도 6에 나타내고 있다.
2.2 소프트웨어 구성
가. 소프트웨어 개념도
서버 프로그램내에 양방향 데이터 송수신 프로그램, 모뎀 컨트롤 프로그램, 웹 프로그램으로 구성되며 도 7과 같다. 본 연구에서는 계측기의 제어기에서 센서, 모뎀을 제어하고 관측된 수위를 제어하기 위한 프로그램으로 자동 수위관측기를 구성하는 하드웨어를 제어하는 알고리즘을 개발하였다. 알고리즘의 개요는 도 8에 나타내고 있다.
또한 관측된 수위의 이상유무를 진단하기 위한 수위관측 및 진단 알고리즘을 개발하였고, Solar panel과 배터리의 전원상태를 관리하고 진단하기 위한 알고리즘을 개발하였다. 개발된 알고리즘은 도 9 및 도 10에 나타내었다.
나. 시스템 구성
저수지 자동 수위관측기는 현장에서 계측되는 자료뿐만 아니라 이를 관리하는 중앙관리소 및 이용하는 사용자까지 포함하는 통합시스템으로 구성되어 있어야 한다.
본 연구에서 개발한 시스템의 구성은 자동수위관측기(현장), 이동통신망, 정보통신망(LAN), 데이터베이스 및 웹 서버로 구성되며 도 11과 같다. 현장에서 계측된 각 저수위 자료는 이동통신망을 통하여 중앙관리소의 서버 컴퓨터로 전송되며 서버에서 구축된 수위관측자료는 각 사용자에게 실시간으로 이용할 수 있게 데이터베이스로 변환되어 제공된다.
자동수위계측 운영프로그램
운영프로그램의 개발
프로그램의 설계
저수위관측시스템 운영프로그램의 구성도는 도 12와 같다. 저수위 자동수위관측기에서 수집된 데이터는 CDMA방식의 무선인터넷을 통하여 서버에 저장이 되며 자동수위관측기의 적절한 운영을 위한 설정값은 서버컴퓨터의 무선모뎀을 통하여 자동수위관측기로 전송하게 된다. 사용자의 편의를 위하여 GUI기반의 웹페이지를 서버컴퓨터에 구성하여 인터넷을 통하여 어디서든 측정데이터를 확인할 수 있으며 설정값을 변경할 수 있도록 구성하였다. 또한 자동수위관측기가 설치된 저수지의 관리하는 관리주체가 편리하게 관리할 수있도록 Report 작성 및 정보제공 기능을 추가하였다. 프로그램의 주 기능 중 하나인 데이터 관리를 위하여 DB서버를 구성하였으며 이 DB서버를 이용하여 저수위자료를 저수율, 저수량 자료로 변환하고 이를 집계 및 통계 분석할 수 있도록 하였다.
가.
웹기반의
GUI
(
Graphic
User
Interface
)구현
도 13은 웹기반으로 작성된 수위관측시스템의 첫화면이다. 수위관측시스템은 언제 어디서나 접근이 가능하고 자료공유를 용이하게 하기 위하여 웹기반으로 작성하였다. 농업용저수지의 관리는 전국의 농촌지역에 위치하고 있는 각 지사에서 관리를 하고 있다. 농업용저수지의 수위자료의 경우 각 물관리의 방향 및 용수사용 전망에 대한 파악을 위하여 지사에서 뿐만아니라 도본부, 본사에서도 필요로 한다. 웹기반으로 저수위 자료를 공유하였을 경우 우리나라뿐만 아니라 세계 어디에서도 그 자료를 확인할 수 있기 때문에 자료의 이용면에서 개방성이 우수하다.
나. 수위자료의 관리
도 14는 자료의 흐름을 나타내는 그림이다. 저수지에 설치된 자동수위관측기에서 수집된 데이터는 CDMA방식의 무선이동통신을 통하여 LAN망에 접속이 되며 LAN을 통하여 데이터 서버에 저장되게 된다. 데이터 서버에 저장된 데이터는 웹서버/관리서버에 의하여 사용되며 웹서버/관리서버에 의하여 수위데이터의 저수량, 저수율로 변환, 수위자료의 통계분석이 이루어지며 자료의 그래프처리가 된다. 이러한 자료들은 웹서버를 통하여 LAN망에 의하여 관리자 및 일반 이용자들이 확인하고 이용할 수 있게 되는 것이다.
자동수위관측기로부터 CDMA 이동통신을 통하여 데이터서버로 전송하는 것은 자동수위관측기에 설치된 CDMA모뎀의 전력소모를 줄이기 위하여 일정시간(Default 6시간)동안 수위데이터를 모아서 한번에 보내는 방식을 채택하고 있다.
다. 자동수위관측기의 관리
도 15은 자동수위관측기를 제어하기 위한 흐름을 나타낸 것이다. 관리자에 의해 LAN을 통해 웹서버/관리서버로 제어를 전송하면 웹서버/관리서버에 장착되어 있는 CDMA 무선모뎀을 이용하여 CDMA 통신망을 통하여 자동수위관측기로 제어신호를 보내어 자동수위관측기의 설정값 변경하거나 동작하게 한다.
라. 수위자료의 변환과 정보제공
저수지에서 자동수위관측기에 의하여 측정된 수위자료는 데이터서버에 저장되어 있으며 수위자료의 처리는 웹서버/관리서버에서 수행하게 된다. 웹서버/관리서버가 자료를 처리하고 이를 관리자/이용자가 사용할 수 있도록 하기 위하여 웹기반의 운영프로그램을 작성하였다. 웹서버/관리서버에서 관리자/이용자에게 제공하는 정보는 측정시간, 수위데이터, 자동수위관측기 상태(배터리, 태양전지 상태), 시간별 저수위 및 저수량 자료, 일별 저수위 및 주사량 자료 그리고 저수위의 제원 및 사진 자료 등이다.
운영프로그램의 주요기능
농업저수지 자동수위계측 운영프로그램을 사용하기 위한 사용자 인터페이스의 주요 페이지에는 우선 시작화면, 초기화면이 있으며 각 저수지별 계측상황, 데이터검색, 관측 DB, 시설물 제원의 4개의 페이지로 구분되어 있다.
가. 초기화면
초기화면은 농업저수지 자동수위계측 운영프로그램을 시작하는 화면으로 처음 들어가는 화면이다. 화면을 마우스로 클릭을 하거나 5초가 지나면 자동으로 계측지구현황 화면으로 이동한다.
나. 계측지구현황
시작화면에서는 계측자료의 보안을 위하여 로그인창이 있어서 ID와 PassWord를 알아야 농업저수지 자동수위계측 운영프로그램 안으로 들어갈 수 있도록 하였다. 또한 측정하고 있는 저수지에 대하여 측정시간, 저수위, 저수율 자료를 표시하였으며, 그림에서 각각의 저수지 이름을 마우스로 클릭하면 저수지의 전경사진창이 나타나게 된다.
다. 계측상황
계측 상황은 현재 선택된 저수지의 자동수위관측기 상태와 데이터 상황을 파악할 수 있으며 해당 자동수위관측기의 설정값을 변경할 수 있는 페이지이다.
1) 계측기상황 표시
자동수위관측기의 상황을 표시하는 것으로 수위상태, 배터리상황, 태양전지 상태을 나타낸다.
2) 저수위 현황 표시
가장 최근에 전송되어 온 저수위자료를 표시하며 해당 저수위자료에 대하여 저수량 및 저수율을 계산하여 표시한다.
3) 현재값 전송
화면에 표시된 데이터는 가장 최근에 전송되어 온 저수위자료이므로 현재 시각의 자료는 아니다 따라서 현재시각의 자료를 알고 싶을 경우 현재값 전송 버튼을 눌러서 현재 저수지의 저수위를 파악할 수있다.
4) 설정값 변경
설정값 변경은 자동수위관측기의 설정값을 변경할 수 있는 것으로서 IP, Port, 전송주기, 저장주기, 반응속도, 기준준위, 바닥거리, 바닥확장거리 , 기준시간 등의 설정값을 변경할 수 있다.
- IP : 인터넷을 통해 호스트 혹은 라우터에 접근할 수 있는 정적인 인터넷 주소로 자동수위관측기에 접근할 수 있도록 하는 주소이다.
- Port : 통신상에서 하나의 회선이 나가는 위치를 뜻한다. 즉 클라이언트가 되는 개개의 컴퓨터와 서버를 연결해 주는 하나의 라인으로 인식하면 된다. 컴퓨터와 주변 장치 사이에서 데이터를 송수신하는 역할을 수행한다.
- 전송주기 : 자동수위관측기가 CDMA 이동통신을 통하여 DB 서버로 측정한 자료를 보내는 주기를 나타낸다. CDMA모뎀의 빈번한 사용은 전력소모를 증가시키기 때문에 자동수위관측기는 전송주기를 주어 여러개의 데이터를 한번에 보내는 방식을 택하고 있다.
- 저장주기 : 저장주기는 자동수위관측기가 저수위를 측정하는 주기이다. 기존의 수위계는 측정주기 없이 연속적으로 측정을 하였으나 자동수위관측기는 저력의 소모를 줄이기 위하여 일정주기에 1회 측정하도록 설계되었다. 일반적으로 10분을 측정 주기로 설정하였다.
- 반응속도, 기준준위 : 반응속도 및 기준준위는 측정한 값 중 참값을 효율적으로 찾기 위하여 설정하는 값이다.
- 기준시간 : 자동수위관측기 자체에 내장되어 있는 시계가 있는데 항상 일정한 측정시간을 맞추기 위해 하루 1회 이동통신으로부터 시간을 다운받아 자체 내장 시계를 맞추게 되는데 이 시각을 기준시간이라고 한다.
라. 데이터 검색
데이터 검색에서는 검색하려는 데이터 기간을 입력하고 DB에 저장된 데이터를 읽을 수 있으며, 검색된 데이터를 인쇄, Excel로 저장, 그래프로 보기 등을 할 수 있다. 그래프의 경우는 수위그래프와 저수율그래프 두가지 방법으로 나타낼 수 있다. 데이터검색에서 표시되는 데이터는 날짜, 수위, 저수율, 배터리상태, 태양전지상태, 수위상태 등이다.
- 날짜 : 자동수위계측기가 수위 측정을 한 시각을 나타낸다. 표시는 년, 월, 일 시간, 분, 초를 표시하도록 되어있다.
- 수위 : 측정된 수위데이터이다. 바닥거리 설정에 의하여 압력센서로부터 수면까지의 거리를 측정한 것을 저수위값으로 환산한 값을 나타낸다.
- 저수율 : 측정된 수위자료로부터 수위-저수율 곡선식에 의하여 환산된 저수율 값을 나타낸다.
- 배터리상태 : 현재 축전지용 배터리의 전압상태를 표시한다.
- 태양전지상태 : 현재 태양전지의 상태를 표시한다.
- 수위상태 : 현재의 수위가 상승, 하강, 안정 상태를 표시한다.
마. 관측
DB
관측 DB는 계측된 데이터를 수위와 저수율에 대하여 월단위, 일단위, 시간단위로 나타낼 수 있게 작성하였다. 월단위, 일단위, 시간단위는 해당 기간에 계측된 데이터들의 평균값을 표시하도록 하였다.
- 월단위 : 각 월별 수위의 평균값을 계산하여 나타냄(표시기간 : 1년)
- 일단위 : 각 일의 수위의 평균값을 계산하여 나타냄(표시기간 : 1개월)
- 시간단위 : 각 시간별 수위의 평균값을 계산하여 나타냄(표시기간 : 1일)
바.
시설물제원
시설물제원은 해당 저수지에 대한 일반적인 제원을 표시하도록 한 페이지이며 각각의 시설물에 대하여 전경, 위치도, 내용적, 여수토, 취수시설, 수위계 등의 사진 및 그래프를 표시하도록 하였다.
표시되는 시설물의 제원은 다음과 같다.
- 일반사항 : 시설명, 소재지, 관리자, 소유자, 준공일자
- 면 적 : 유역면적, 관개면적, 만수면적, 홍수면적
- 유 량 : 총저수량, 유효저수량,
- 여 수 토
- 취수시설 : 취수시설의 종류, 취수능력
활용방안
1) 국가단위의 농업저수지에 설치하여 효율적인 농업용수 관리 실현
개발 후 주관연구기관인 농업기반공사가 관리하고있는 전국 주요 농업저수지에 실용화 되도록 하고 이후 전국 1농업저수지에 개발제품 및 기술이 확대 적용되도록 하여 농업저수지의 원활한 용수공급 및 수리시설물 보호를 위해 활용
2) 농업저수지 저수위 및 운영 현황자료의 제공
농업저수지 자동 저수위관측시스템의 운영으로 저수지 관리자, 농업인 및 농촌지역 주민이 필요에 따라서 실시간으로 저수지 현황자료를 인터넷 등을 이용해서 정보제공에 활용
3) 저전력 수위관측기 개발기술을 용ㆍ배수로 및 용ㆍ배수장 수위관측에 활용
저가 저전력 저수지관측기 개발 기술을 관련 분야인 농업저수지 유입하천 수위계측, 용ㆍ배수로 수위계측 및 용ㆍ배수장 수위계측에 저가 보급형으로 개발하는 데 활용
4) 실시간 원격 저수지 자료관리를 통한 홍수 및 가뭄대책에 활용
자동관측 저수위자료를 실시간 전국 기상자료와 병행 운영할 경우 빈번한 이상홍수와 가뭄에 체계적이고 신속히 대처하는데 활용
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
Claims (14)
- 압력식 수위 관측기;
노트북 및 PDA를 포함하는 이동통신망;
무선 인터넷 네트워크를 포함하는 정보통신망;
데이터베이스; 및
웹서버;를 포함하고,
상기 압력식 수위 관측기는 저전력 수위계측 압력 센서, 저전력 수위계측 제어기, 사용자용 디스플레이, 무선 인터넷 데이터 전송부를 포함하고,
상기 저전력 수위계측 제어기는 수위계측부, 저전력 기능부, 자체진단기능부 및 자동복구기능부, 데이터 전송부, 데이터 로깅부, 지자기 센서 인터페이스를 포함하고,
상기 지자기 센서 인터페이스는 3축 지자기 센서를 포함하고,
상기 3축 지자기 센서를 통해 경사값을 구하고,
상기 경사값(θ)과 케이블 설치 길이(x)에 의해 압력센서의 실제 깊이(수심 h = sin θ × 케이블 설치 길이(x))를 구하고,
상기 압력센서의 실제 깊이(h)와 상기 저전력 수위계측 압력센서에 의한 측정값과의 오차를 통해 상기 저전력 수위계측 압력센서에 의한 측정값을 보정하는 것을 특징으로 하는 수위 관측 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 데이터 전송부는 리모트 모드, 로컬 모드, 폴링 모드, 이벤트 모드로 운용되는 것을 특징으로 하는 수위 관측 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 사용자용 디스플레이는 웹기반의 수위 관측 시스템을 나타내는 GUI(Graphic User Interface)를 포함하고,
상기 GUI는 사용자에게 측정시간, 수위데이터, 자동수위관측기 상태(배터리, 태양전지 상태), 시간별 저수위ㆍ저수량 자료, 일별 저수위ㆍ저수량 자료 그리고 저수위의 제원 및 사진 자료를 제공하는 것을 특징으로 하는 수위 관측 시스템. - 제5항에 있어서, 상기 GUI는 시작화면, 초기화면을 포함하고, 각 저수지별 계측상황, 데이터검색, 관측 DB, 시설물 제원의 4개의 페이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 수위 관측 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 계측상황은 계측기상황 표시, 저수위 현황 표시, 현재값 전송, 설정값 변경을 포함하는 것을 특징으로 하는 수위 관측 시스템.
- 제7항에 있어서, 상기 설정값 변경은 IP, Port, 전송주기, 저장주기, 반응속도, 기준준위, 바닥거리, 바닥확장거리, 기준시간 등의 설정값 변경을 포함하는 것을 특징으로 하는 수위 관측 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 데이터 검색에서 표시되는 데이터는 날짜, 수위, 저수율, 배터리상태, 태양전지상태, 수위상태를 포함하는 것을 특징으로 하는 수위 관측 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 관측 DB는 계측된 데이터를 수위와 저수율에 대하여 월단위, 일단위, 시간단위로 나타내고, 상기 월단위, 일단위, 시간단위는 해당 기간에 계측된 데이터들의 평균값을 표시하는 것을 특징으로 하는 수위 관측 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 시설물 제원은 해당 저수지에 대한 일반적인 제원을 표시하는 페이지이고, 각각의 시설물에 대하여 전경, 위치도, 내용적, 여수토, 취수시설, 수위계 등의 사진 및 그래프를 표시하도록 하는 것을 특징으로 하는 수위 관측 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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