KR101034671B1 - Ｕｓｎ 기반 환경 정보 측정 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 USN 기반 환경 정보 측정 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은 USN의 기본 구성을 해치지 않는 범위에서 단순히 고정된 특정 파장만을 방출하는 광원 노드와 특정 파장만을 검출하는 수광 노드를 구성하여 환경 정보를 수집하고 계측 장비가 수행해야 할 복잡한 연산 기능을 측정 현장에서 분리하여 환경 모니터링 센터에서 수행하도록 한다.
본 발명은 환경 측정의 설치 제약이 경감되어 지리적으로 대표성을 갖는 위치에 정확하게 측정 위치를 설정할 수 있으며 측정점 설정에 있어 비용 부담을 경감하여 측정점을 비약적으로 증가할 수 있어 환경 정보의 신뢰성을 높일 수 있다.
환경 정보, USN, 센서 노드, 스펙트럼 분석

Description

ＵＳＮ 기반 환경 정보 측정 시스템 및 그 방법{System and Method for Measuring Environment Data}
본 발명은 환경 정보 측정 방법에 관한 것으로서, 특히 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network, 이하 'USN'라 칭함) 기반 스펙트럼 분석을 활용한 환경 정보 측정 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
종래의 환경 정보 측정은 해당 지역 내에 측정소를 설치하고 수집된 대기 정보를 데이터 로거(자료 수집 장치)에 임시 저장한 후 환경 정보 시스템에 전송하는 방식이다.
대기 정보 측정에는 각종 측정 장비가 사용되는데 화학 반응식, 반도체식, 스펙트럼 분석식 등의 다양한 기술이 활용된다.
이 중 레이저 광원을 이용한 스펙트럼 분석 방식은 가장 높은 분해능을 갖는데 그 원리를 다음의 도 1에서 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 환경 정보 측정 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
환경 정보 측정 시스템은 파장의 길이를 조절할 수 있는 레이저 광원(10)으로부터 특정한 파장의 광을 측정 대상계(20)로 방출하면 포토 다이오드를 이용한 수광부(30)에서 파장의 광을 검출하여 에너지 크기로 변환 기록한다.
측정 대상계(20)에는 다양한 물질이 혼재하지만 물질마다 파장에 따른 방사율 차이로 인하여 도 2에 도시된 결과를 얻게 된다.
환경 정보 측정 시스템은 제1 파장(40), 제2 파장(50) 및 제3 파장(60)에서 피크가 관찰되므로 이를 세 가지 물질로 구분할 수 있다.
종래의 환경 정보 측정 시스템은 장비의 크기와 복잡한 컴퓨팅 연산에 소요되는 소비 전력 문제 등으로 인하여 지역적 대표성을 갖는 측정 지점에 설치하기가 어려운 문제점이 있었다.
종래의 환경 정보 측정 시스템은 서울 지역에 30여 곳 정도에 환경 측정점을 운영하고 있지만 주로 건물의 옥상 등을 활용하고 있어 대기적 대표성 측면보다는 전력 공급, 점용 허가 등의 설치 편의를 고려하여 설치되었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 USN 기술을 활용하여 측정 장비의 설치 제약을 없애고 측정 장비 수준의 분해능을 유지하여 측정 데이터의 정밀도를 향상하는 환경 정보 측정 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 환경 정보 측정 방법은 (a) 특정 물질에 대한 측정이 필요한 시점에 특정 지점에 설치되어 있는 광원 노드들을 동작시키는 제1 기능 모드 동작 신호를 생성하여 상기 광원 노드들로 전송하고 상기 광원 노드에 대응되는 수광 노드를 동작시키는 제2 기능 모드 동작 신호를 생성하여 상기 수광 노드―상기 수광 노드는 광원을 검출하여 양자화된 검출 신호 크기를 생성함―로 전송하는 단계; (b) 상기 광원 노드와 상기 수광 노드의 전력을 절감하기 위해 기능 모드의 동작 완료 신호를 생성하여 상기 광원 노드와 상기 수광 노드로 전송하여 상기 광원 노드와 상기 수광 노드를 대기 상태로 전환하는 단계; 및 (c) 상기 수광 노드로부터 수신한 상기 양자화된 검출 신호 크기와 기설정된 기준 스펙트럼 데이터를 이용하여 상기 특정 물질의 파장 길이를 에너지 측정값으로 변환하여 출력하는 단계를 포함한다.
본 발명의 특징에 따른 환경 정보 측정 시스템은 측정 대상 물질의 스펙트럼 특성을 측정할 수 있도록 상기 측정 대상 물질의 스펙트럼 변화를 고려한 고정 파장 길이의 레이저 광원으로 구성되는 광원 노드; 및 상기 광원 노드로부터 수신된 광원의 특정 파장의 세기를 검출한 후 양자화하여 양자화된 측정값을 환경 모니터링 시스템으로 전송하는 수광 노드를 포함하며, 상기 광원 노드와 상기 수광 노드는 대기적 대표성 측면에서 해당 위치에 중요한 측정 대상 물질을 측정하도록 구성한다.
본 발명의 특징에 따른 환경 정보 측정 시스템은 측정 대상 물질의 측정이 필요한 경우, 측정 대상 물질의 스펙트럼 특성을 측정할 수 있도록 상기 측정 대상 물질의 스펙트럼 변화를 고려한 고정 파장 길이의 레이저 광원으로 구성되는 광원 노드와 수광 노드를 동작하도록 제어하고 측정이 완료되면 상기 광원 노드와 상기 수광 노드의 동작을 종료시켜 대기 상태로 전환하는 제어부; 및 상기 수광 노드로 부터 수신한 양자화된 검츨 신호 크기와 기설정된 기준 스펙트럼 데이터를 이용하여 상기 측정 대상 물질의 파장 길이를 에너지 측정값으로 변환하여 출력하는 스펙트럼 분석부를 포함한다.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 USN 기술을 활용하여 측정 장비의 설치 제약을 없애면서 동시에 측정 장비 수준의 분해능을 유지하여 측정 데이터의 정밀도를 향상시킨다.
본 발명은 환경 측정의 설치 제약이 경감되어 지리적으로 대표성을 갖는 위치에 정확하게 측정 위치를 설정할 수 있으며 측정점 설정에 있어 비용 부담을 경감하여 측정점을 비약적으로 증가할 수 있어 환경 정보의 신뢰성을 높일 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network, 이하 'USN'라 칭함) 기반 환경 정보 측정 시스템의 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 측정 물질에 따라 광원을 선택하는 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 USN 기반 환경 정보 측정 시스템은 하나 이상의 광원 노드(100, 110, 120)와 수광 노드(300, 310, 320), USN 게이트웨이(400) 및 환경 모니터링 센터(500)를 포함한다.
하나 이상의 광원 노드(100, 110, 120)는 측정 대상 물질에 따른 고정 파장 길이의 레이저 광원을 이용하여 구성된다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 측정 대상 물질이 이산화탄소이고, 이산화탄소의 특성이 3개의 스펙트럼 특성(600, 610, 620)이 변화되는 것을 알고 있는 경우 3개의 광원 노드를 설치하게 된다.
하나 이상의 수광 노드(300, 310, 320)는 포토 다이오드로 구성되어 특정 파장의 세기를 검출한 후 양자화하여 전송하는 기능을 한다.
양자화는 검출된 신호의 세기를 숫자로 표현하는 것으로 정밀도가 수광 노드(300, 310, 320)가 전달할 수 있는 데이터의 크기에 따라 결정된다. 예를 들어, 수광 노드(300, 310, 320)의 데이터 크기가 16비트라면 65,536 레벨의 검출 신호의 세기를 구분하여 전송할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 측정 대상 물질에 따라 광원을 선택하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명의 실시예는 측정 대상 물질의 스펙트럼 특성을 측정할 수 있는 최소한의 광원 노드(100, 110, 120), 수광 노드(300, 310, 320)만을 설치하는 것이 바람직하다.
측정 대상 물질의 농도에 따라 스펙트럼 특성이 변화할 수 있어 추가적인 광원을 설치할 수 있다.
도 4의 실선과 점선은 측정 대상 물질의 농도에 따른 스펙트럼 특성의 변화 정도를 나타낸 것이다.
도 4는 피크가 관찰되는 하나의 광원을 사용하는 것보다 측정 대상 물질의 분석에 중요한 근거가 되는 광원을 추가로 사용함으로써 정확도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예는 스펙트럼 분석 작업을 간단하게 처리하기 위해 특정한 물질만을 검출해 내는 용도로 단순히 양자화된 상태에서의 검출 신호 크기만 측정이 가능하다. 예를 들어, 이산화탄소, 일산화탄소, 아산화 질소 등 모든 물질을 측정하는 것이 아니라 대기적 대표성 측면에서 해당 위치에 중요한 하나의 물질만을 측정하도록 광원을 설치하는 것이다.
이로 인하여 본 발명은 USN 기술을 이용하여 측정 장비의 설치 제약을 없애고 측정 장비 수준의 분해능을 유지하여 측정 데이터의 정밀도를 향상시킨다.
또한, 본 발명의 실시예는 하나의 측정 대상 물질을 측정하도록 광원을 구성하였지만 다수의 측정 대상 물질을 측정하도록 광원을 구성할 수도 있다.
USN 게이트웨이(400)는 USN 내부에서 사용되는 데이터 전송 방식(ZigBee 또는 6LoWPAN 기술)을 인터넷 망에서 활용할 수 있도록 IP 기반 전송 방식(WiBro 또는 WLAN 기술)으로 변환하는 네트워크 게이트웨이를 나타낸다.
환경 모니터링 센터(500)는 제어부(510), 기준 스펙트럼 데이터부(520) 및 스펙트럼 분석부(530)를 포함한다.
제어부(510)는 측정 대상 물질의 측정이 필요한 경우, 해당 광원 노드(100, 110, 120)와 수광 노드(300, 310, 320)를 동작시키고, 측정 대상 물질의 측정이 완료되면 광원 노드(100, 110, 120)와 수광 노드(300, 310, 320)의 동작을 종료시켜 대기 상태로 전환한다.
제어부(510)는 광원 노드(100, 110, 120)로부터 고정 파장 길이의 광 스펙트럼 신호와 수광 노드(300, 310, 320)로부터 양자화된 검출 신호 크기를 수신한다.
기준 스펙트럼 데이터부(520)는 스펙트럼 분석에 사용되는 기설정된 기준 스펙트럼 데이터를 저장한다.
스펙트럼 분석부(530)는 광원 노드(100, 110, 120)로부터 수신한 고정 파장 길이의 광 스펙트럼 신호와 수광 노드(300, 310, 320)로부터 수신한 양자화된 검출 신호 크기를 기설정된 기준 스펙트럼 데이터와 비교하여 광원의 파장 길이를 에너지 측정값으로 변환하여 출력한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 USN 기반 환경 정보 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
제어부(510)는 특정 물질에 대한 측정이 필요한 시점에 해당 광원 노드(100, 110, 120)를 식별한 후 광원 노드(100, 110, 120)의 제1 기능 모드 동작 신호를 생성하여 하나 이상의 광원 노드(L1 광원 노드(100), L2 광원 노드(110), L3 광원 노드(120))로 전송한다(S100).
이 때부터 하나 이상의 광원 노드(100, 110, 120)는 수광 노드(300, 310, 320)로 해당 광원을 방출하기 시작한다(S102).
제어부(510)는 하나 이상의 광원 노드(100, 110, 120)로부터 광원 노드(100, 110, 120)가 동작되었음을 나타내는 응답 신호를 수신하는 경우(S104), 해당 광원을 검출할 수 있는 수광 노드(300, 310, 320)를 동작시키는 제2 기능 모드 동작 신호를 생성하여 수광 노드(300, 310, 320)로 전송한다(S106).
여기서, 응답 신호에는 광원 노드(100, 110, 120)에서 측정 대상계(200)로 방출한 고정 파장 길이의 광 스펙트럼 신호를 포함되어 있다.
제어부(510)는 수광 노드(300, 310, 320)로부터 양자화된 측정값을 수신하고(S108), 측정이 완료되면 광원 노드(100, 110, 120)와 수광 노드(300, 310, 320)의 전력을 절감하기 위하여 제1 기능 모드와 제2 기능 모드의 동작 종료 신호를 생성하여 광원 노드(100, 110, 120)와 수광 노드(300, 310, 320)로 전송하며 각 노드가 대기 상태로 전환되도록 한다(S110, S112).
스펙트럼 분석부(530)는 수광 노드(300, 310, 320)로부터 수신한 양자화된 측정값(검출 신호 크기)을 스펙트럼 분석을 이용하여 파장 길이에 대한 에너지 값으로 표현하는 작업을 수행한다(S114). 여기서, 스펙트럼 분석 방법은 공지된 기술로 상세한 설명을 생략하기로 한다.
다시 말해, 스펙트럼 분석부(530)는 광원 노드(100, 110, 120)로부터 수신한 고정 파장 길이의 광 스펙트럼 신호와 수광 노드(300, 310, 320)로부터 수신한 양자화된 측정값을 기저장된 기준 스펙트럼 데이터와 비교하여 광원의 파장 길이를 에너지 측정값으로 변환하여 출력한다(S114).
즉, 스펙트럼 분석부(530)는 양자화된 스펙트럼 신호를 합성 벡터를 이용하여 광 스펙트럼의 크기로 변환한다.
스펙트럼 분석부(530)는 측정 대상 물질의 농도를 스펙트럼 특성의 변화로 나타내고 측정 대상 물질의 농도를 광 스펙트럼의 크기로 출력한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 환경 정보 측정 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 스펙트럼 분석을 통한 측정예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 USN 기반 환경 정보 측정 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 측정 물질에 따라 광원을 선택하는 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 USN 기반 환경 정보 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.

Claims (8)

  1. (a) 특정 물질에 대한 측정이 필요한 시점에 특정 지점에 설치되어 있는 광원 노드들을 동작시키는 제1 기능 모드 동작 신호를 생성하여 상기 광원 노드들로 전송하고 상기 광원 노드에 대응되는 수광 노드를 동작시키는 제2 기능 모드 동작 신호를 생성하여 상기 수광 노드―상기 수광 노드는 광원을 검출하여 양자화된 검출 신호 크기를 생성함―로 전송하는 단계;
    (b) 상기 광원 노드와 상기 수광 노드의 전력을 절감하기 위해 기능 모드의 동작 완료 신호를 생성하여 상기 광원 노드와 상기 수광 노드로 전송하여 상기 광원 노드와 상기 수광 노드를 대기 상태로 전환하는 단계; 및
    (c) 상기 수광 노드로부터 수신한 상기 양자화된 검출 신호 크기와 기설정된 기준 스펙트럼 데이터를 이용하여 상기 특정 물질의 파장 길이를 에너지 측정값으로 변환하여 출력하는 단계
    를 포함하는 환경 정보 측정 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광원 노드는 측정 대상 물질의 스펙트럼 특성을 측정할 수 있도록 상기 측정 대상 물질의 스펙트럼 변화를 고려한 고정 파장 길이의 하나 이상의 레이저 광원으로 구성되는 것을 특징으로 하는 환경 정보 측정 방법.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 광원 노드와 상기 수광 노드는 대기적 대표성 측면에서 해당 위치에 중요한 하나의 측정 대상 물질을 측정하도록 구성하는 것을 특징으로 환경 정보 측정 방법.
  4. 측정 대상 물질의 스펙트럼 특성을 측정할 수 있도록 상기 측정 대상 물질의 스펙트럼 변화를 고려한 고정 파장 길이의 레이저 광원으로 구성되는 광원 노드; 및
    상기 광원 노드로부터 수신된 광원의 특정 파장의 세기를 검출한 후 양자화하여 양자화된 측정값을 환경 모니터링 시스템으로 전송하는 수광 노드를 포함하며, 상기 광원 노드와 상기 수광 노드는 대기적 대표성 측면에서 해당 위치에 중요한 측정 대상 물질을 측정하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 환경 정보 측정 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 광원 노드는 상기 측정 대상 물질의 스펙트럼 변화를 고려하여 상기 고정 파장 길이의 하나 이상의 레이저 광원으로 구성되고 측정 대상 물질을 측정하는데 필요한 최소한의 광원으로 구성되는 것을 특징으로 하는 환경 정보 측정 시스템.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 광원 노드는 상기 측정 대상 물질에 따라 광원을 추가로 구성하는 것을 특징으로 하는 환경 정보 측정 시스템.
  7. 측정 대상 물질의 측정이 필요한 경우, 측정 대상 물질의 스펙트럼 특성을 측정할 수 있도록 상기 측정 대상 물질의 스펙트럼 변화를 고려한 고정 파장 길이의 레이저 광원으로 구성되는 광원 노드와 수광 노드를 동작하도록 제어하고 측정이 완료되면 상기 광원 노드와 상기 수광 노드의 동작을 종료시켜 대기 상태로 전환하는 제어부; 및
    상기 수광 노드로부터 수신한 양자화된 검츨 신호 크기와 기설정된 기준 스펙트럼 데이터를 이용하여 상기 측정 대상 물질의 파장 길이를 에너지 측정값으로 변환하여 출력하는 스펙트럼 분석부
    를 포함하는 환경 정보 측정 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 광원 노드는 상기 측정 대상 물질의 스펙트럼 변화를 고려하여 상기 고정 파장 길이의 하나 이상의 레이저 광원으로 구성되고 측정 대상 물질을 측정하는데 필요한 최소한의 광원으로 구성되는 것을 특징으로 하는 환경 정보 측정 시스템.
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