KR101077125B1 - 지하수 모니터링 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하수 모니터링 장치에 관한 것으로서, 이는 이동식 또는 고정식으로 현장에서 일정기간 동안 지하수와 관련된 데이터를 효율적이고 편리하게 측정하여 그 데이터를 저장하고 자료를 암호(복호)화를 적용하여 원격지에서 안전하게 수집가능하게 하기 위한 것이다. 이를 위해 본 발명은, 지하수를 지상으로 펌핑하는 수중펌프를 온/오프하기 위한 스위치모듈과; 지하수의 수위, 수온, 유량, 전도도 및 pH 데이터를 출력하기 위한 제1 내지 제3 측정모듈과; 대기압을 측정하여 수위 데이터를 보정하기 위한 보정모듈과; 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터를 저장하기 위한 메모리모듈과; 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터와 메모리모듈에 저장된 데이터를 선택적으로 표시하기 위한 디스플레이모듈과; 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터와 메모리모듈에 저장된 데이터를 외부로 전송하고, 각 모듈의 온/오프를 원격으로 제어가능하게 하는 통신모듈과; 각 모듈의 온/오프와 디스플레이모듈의 선택적 표시를 제어하기 위한 신호를 생성하는 입력모듈과; 각 모듈과 통신하여 제어하는 메인MPU(Micro Processor Unit)와; 전원을 공급하기 위한 충전식 배터리;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

지하수 모니터링 장치{UNDERGROUND WATER MONITORING APPARATUS}

본 발명은 지하수 모니터링 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 이동식 또는 고정식으로 현장에서 일정기간 동안 지하수와 관련된 데이터를 효율적이고 편리하게 측정하여 그 데이터를 저장하고 보안을 위한 암호화 방식을 적용하여 원격지에서 안전하게 수집가능하게 하기 위한 지하수 모니터링 장치에 관한 것이다.

일반적으로 지하수 관측을 위해 심도별 채수장치를 이용하는 대수성 시험은 구간별 단계 대수성 시험(연속 1시간 이상), 연속 대수성 시험(연속 16시간 이상), 수위 회복 시험(펌핑 정지 후 2 시간 이상) 등의 수위 변화 관측 데이터를 연속적으로 저장기록하고 취수량의 누적 데이터를 필요로 하게 되며, 이러한 대수성 시험을 진행하기 위해 관리자는 시험기간(약 3일) 동안 현장에 상주하게 된다.

따라서 상층 오염 지하수량을 배제할 수 있도록 심도구간별 취수량 계측이 가능하면서도 취수량에 대한 누적 데이터 기능이 가능하고 구간별 수위를 구분 측정하여 실시간을 데이터가 저장됨은 물론 데이터의 현장 다운로드와 원격전송이 가능한 기술개발을 통해 무인 양수시험 및 관리가 가능한 지하수 통합 측정 시스템을 개발할 필요성이 대두되고 있다.

또한 지하수의 정확한 상태를 알기 위해서는 지하수의 수위, 수온, 유량, 전기전도도, pH 등의 특성을 파악하는 것이 매우 중요한 과제인데, 지금까지는 동시에 이러한 지하수의 특성을 측정할 수 있는 방법이 용이하지 않은 한편, 종래에는 지하수 수위를 측정하기 위해 대기압의 변동에 영향을 받지 않는 벤티드 튜브(Vented Tube)를 사용하여 왔으나 이러한 벤티드 튜브는 두껍고 무거우며 가격 또한 고가인 이유로 설치하는데 많은 어려움이 따르는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 이동식 또는 고정식으로 현장에서 일정기간 동안 지하수와 관련된 데이터를 효율적이고 편리하게 측정하여 그 데이터를 저장하고 보안을 위해 암호화하여 원격지에서 유무선으로 안전하게 수집가능하게 함과 동시에 현장에서 사용이 매우 간편한 지하수 모니터링 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 지하수를 지상으로 펌핑하는 수중펌프를 온/오프하기 위한 스위치모듈과; 지하수의 수위 및 수온 데이터를 출력하기 위한 제1 측정모듈와; 상기 수중펌프에 의해 펌핑되는 지하수 유량을 누적 측정하고 상기 스위치모듈과 연동되어 수중펌프를 자동 또는 수동으로 제어가능하게 하는 제2 측정모듈과; 지하수의 전도도 및 pH 데이터를 출력하기 위한 제3 측정모듈과; 대기압을 측정하여 상기 제1 측정모듈에서 전송된 수위 데이터를 자동으로 보정하기 위한 보정모듈과; 상기 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터를 저장하기 위한 메모리모듈과; 상기 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터와 상기 메모리모듈에 저장된 데이터를 선택적으로 표시하기 위한 디스플레이모듈과; 상기 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터와 상기 메모리모듈에 저장된 데이터를 외부로 전송하고, 상기 제1 내지 제3 측정모듈, 스위치모듈, 보정모듈 및 디스플레이모듈 중 하나 이상의 온/오프를 원격으로 제어가능하게 하는 통신모듈과; 상기 제1 내지 제3 측정모듈, 스위치모듈, 보정모듈 및 디스플레이모듈 중 하나 이상의 온/오프와 디스플레이모듈의 선택적 표시를 제어하기 위한 신호를 생성하는 입력모듈과; 상기 제1 내지 제3 측정모듈, 스위치모듈, 보정모듈, 메모리모듈, 디스플레이모듈 및 입력모듈과 통신하여 각각을 제어하고 상기 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터를 암호화하여 외부로 전송하는 메인MPU(Micro Processor Unit)와; 상기 제1 내지 제3 측정모듈, 스위치모듈, 보정모듈, 디스플레이모듈, 입력모듈 및 메인MPU 각각에 전원을 공급하기 위한 충전식 배터리;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 지하수 모니터링 장치는 지하수의 수위, 수온, 유량, 전도도 및 pH 데이터를 저장 및 암호화 송신하거나 외부에서 각 모듈을 제어가능하게 함으로써 지하수에 대한 데이터 수집이 원격지에서도 유무선으로 효율적이고 안전하면서도 편리하게 이루어지도록 하는 한편, 종래 벤티드 튜브를 사용하지 않음에 따라 케이블 굵기를 크게 감소시킬 수 있어 제품 단가를 낮추고 현장에서의 시공성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 지하수 모니터링 장치를 개략적으로 도시한 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 지하수 모니터링 장치 중 제1 측정모듈을 도시한 블록도.

이하, 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 지하수 모니터링 장치를 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 지하수 모니터링 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.

본 발명에 따른 지하수 모니터링 장치는 기본적으로 지하수를 지상으로 펌핑하는 수중펌프를 온/오프하기 위한 스위치모듈과, 지하수의 수위, 수온, 유량, 전도도 및 pH 데이터를 출력하기 위한 제1 내지 제3 측정모듈과, 대기압을 측정하여 수위 데이터를 보정하기 위한 보정모듈과, 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터를 저장하기 위한 메모리모듈과, 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터와 메모리모듈에 저장된 데이터를 선택적으로 표시하기 위한 디스플레이모듈과, 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터와 메모리모듈에 저장된 데이터를 외부로 전송하고 각 모듈의 온/오프를 원격으로 제어가능하게 하는 통신모듈과, 각 모듈의 온/오프와 디스플레이모듈의 선택적 표시를 제어하기 위한 신호를 생성하는 입력모듈과, 각 모듈과 통신하여 제어하는 메인MPU(Micro Processor Unit)와, 전원을 공급하기 위한 충전식 배터리를 포함하여 이루어진다.

상기 스위치모듈은 지하수를 지상으로 펌핑하도록 설치되는 종래 단상 또는 삼상 모터펌프와 같은 수중펌프를 제어하게 되고, 이를 위해 마그네트 스위치와 같은 수단을 통해 수중펌프의 온/오프 작동여부를 결정하게 되며, 스위치모듈의 상태에 따라 수중펌프의 가동상태를 자동으로 점검할 수 있다.

도 2를 참조로 하면, 상기 제1 측정모듈은 지하수의 수위 및 수온 데이터를 출력하기 위한 것으로, 이를 위해 지하수의 수위 및 수온 데이터를 측정하기 위한 디지털 압력센서 및 온도센서와, 압력센서 및 온도센서로부터 측정된 지하수 수압에 비례하는 수위와 수온 데이터를 주기적으로 수신하고 고유 ID(Identification number)를 갖는 서브MPU와, 서브MPU와 압력센서 및 온도센서가 상호간에 데이터 통신가능하게 하는 통신칩과, 압력센서, 온도센서, 서브MPU 및 통신칩에 직류 전원공급을 위한 레귤레이터로 이루어진다.

상기와 같은 제1 측정모듈의 구조에 대해 보다 구체적으로 살펴보면, 온도센서는 0.1℃ 단위로 0~50℃ 범위 내 지하수 수온을 측정하게 되며 14비트 패킷으로 측정된 수온 데이터를 서브MPU로 전송하게 되고 압력센서는 지하수의 수위에 대응하는 압력을 전송하게 되는 한편, 서브MPU는 플래쉬 메모리 및 EEP-ROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)을 구비하여 주기적으로 압력센서 및 온도센서를 통해 측정된 수압 및 수온 데이터를 수신한 다음 자신에게 부여된 고유 ID를 통해 메인MPU에 의해 호출될 경우 수압 데이터에 비례하는 수위 데이터와 수온 데이터를 통신칩을 거쳐 메인MPU에 전송하게 된다.

여기서 상기 통신칩의 경우 서브MPU가 메인MPU와 RS-485 통신을 하도록 하기 위한 것으로 수위 및 수온 데이터의 입출력 단자(DATA+, DATA-)만을 구비하여 통신용 배선 개수를 감소시키면서 각 센서와 메인MPU간 고품질의 신뢰성 있는 장거리 통신을 가능하게 한다.

또한 상기 레귤레이터의 경우 전원공급단자(+12V, GND)를 구비하여 제1 측정모듈에 전원을 공급하게 되며, 이를 위해 통신칩의 입출력 단자(DATA+, DATA-)와 전원공급단자(+12V, GND)에 연결되어 복수개의 제1 측정모듈을 직렬로 접속시키는 케이블 길이가 약 1200m일 때에도 그 케이블 저항성분으로 감소되는 전압에 의해 전원공급에 차질이 발생되지 않도록 +12V의 전압을 공급받아 5V로 변환하여 제1 측정모듈의 각 구성요소를 작동시키게 된다.

상기 제2 측정모듈은 수중펌프에 의해 펌핑되는 지하수 유량을 누적 측정하고 스위치모듈과 연동되어 수중펌프를 자동 또는 수동으로 제어가능하게 하기 위한 것으로, 예를 들어 1리터 또는 10리터 단위로 펄스를 출력하여 이를 적산함으로써 지하수의 유량을 디스플레이모듈에서 그래프나 수치로 확인가능하게 하고, 입력모듈에서 생성되거나 통신모듈을 거쳐 수신된 제어신호에 의해 트립(Trip)되어져 수중펌프와 연동되어 일정기간 동안 지하수를 펌핑하면서 자동으로 유량을 측정하게 된다.

상기 제3 측정모듈은 지하수의 전기 전도도 및 pH 데이터를 측정하여 지하수 수질을 확인할 수 있도록 하고, 기존의 전도도 측정센서나 pH 측정센서가 사용되며, 이를 위한 동작구조는 제1 측정모듈과 동일하게 하거나 종래 공지된 바에 따르는 등 다양한 형태로 이루어질 수 있다.

상기 보정모듈은 대기압을 측정하여 제1 측정모듈에서 전송된 수위 데이터를 자동으로 보정하게 되는데, 이를 위해 압력센서의 수압 데이터에 대기압을 적용하여 대기압의 변동에 영향을 받지 않는 종래 벤티드 튜브(Vented Tube)를 사용한 것과 마찬가지의 정확하게 보정된 수위 데이터를 확보할 수 있음에 따라 통신 케이블 굵기를 크게 감소시킬 수 있어 제작 단가를 낮추고 현장에서의 시공성을 향상시킬 수 있게 된다.

상기 메모리모듈은 이하 기술되는 통신모듈을 사용하지 않는 환경에서 측정결과를 수집하고자 할 때 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터를 저장하게 되며, 저장된 측정결과는 디스플레이모듈에서 확인가능하고 USB메모리와 같은 이동식 메모리로 데이터를 백업하는데도 사용될 수 있다.

상기 디스플레이모듈은 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터와 메모리모듈에 저장된 데이터를 입력모듈에서 생성된 제어신호에 따라 선택적으로 그래픽 타입이나 수치 타입으로 표시하고, 기술된 데이터 이외에 날짜 및 시간 또한 표시하게 된다.

상기 통신모듈은 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터와 메모리모듈에 저장된 데이터를 외부로 전송하고, 제1 및 제2 측정모듈, 스위치모듈, 보정모듈 및 디스플레이모듈 중 하나 이상의 온/오프를 원격으로 제어가능하게 하는데, 이에 따라 장시간 또는 원격으로 지하수 관측이 요구되는 곳에서 실시간 또는 일정기간 주기로 지하수 관리를 위한 데이터를 수집하고 경우에 따라서는 관리자에게 지하수 관측 데이터에 대한 내용의 문자메세지를 전송하는데도 활용될 수 있다.

상기 입력모듈은 제1 및 제2 측정모듈, 스위치모듈, 보정모듈 및 디스플레이모듈 중 하나 이상의 온/오프와 디스플레이모듈의 선택적 표시를 제어하기 위한 신호를 생성하여, 불필요한 모듈의 동작에 따른 전력낭비를 방지하는 한편으로 확인하고자 하는 데이터를 선택하여 디스플레이모듈에 표시되도록 한다.

상기 메인MPU는 제1 및 제2 측정모듈, 스위치모듈, 보정모듈, 메모리모듈, 디스플레이모듈 및 입력모듈과 통신하여 각각을 제어함으로써 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터가 원격으로 외부에 전송되거나 메모리모듈에 저장되도록 하는 등의 데이터 관리작업부터 입력모듈이나 외부에서 전송된 제어신호에 따라 해당 모듈의 온/오프, 디스플레이모듈에서의 표시 제어 등과 같이 각 모듈간의 전반적인 제어작업이 이루어지도록 한다.

여기서 상기 메인MPU는 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터에 난수를 추가하여 암호화하거나 그 데이터에 난수 및 CRC(Cyclic Redundancy Check) 비트를 추가한 다음 AES(Advanced Encryption Standard)로 암호화하여 출력함으로써 통신모듈을 거쳐 외부의 서버나 단말기로 전송되는 지하수 관련 데이터의 보안성을 향상시키게 되며, 수신된 데이터는 외부 서버나 단말기에 매립되는 소프트웨어에 의해 복호화되어 관리자가 확인가능한 상태로 표시된다.

상기 충전식 배터리는 스위치모듈, 제1 내지 제3 측정모듈, 보정모듈, 디스플레이모듈, 입력모듈 및 메인MPU 각각에 전원을 공급하기 위한 것으로, 전원공급이 불가능한 환경하에서 사용가능하도록 태양전지를 통해 충전될 수 있고 낙뢰와 같은 과전압이 발생할 시에도 가급적 안정적인 전원공급을 가능하게 한다.

Claims (3)

1. 지하수를 지상으로 펌핑하는 수중펌프를 온/오프하기 위한 스위치모듈과; 지하수의 수위 및 수온 데이터를 출력하기 위한 제1 측정모듈와; 상기 수중펌프에 의해 펌핑되는 지하수 유량을 누적 측정하고 상기 스위치모듈과 연동되어 수중펌프를 자동 또는 수동으로 제어가능하게 하는 제2 측정모듈과; 지하수의 전도도 및 pH 데이터를 출력하기 위한 제3 측정모듈과; 대기압을 측정하여 상기 제1 측정모듈에서 전송된 수위 데이터를 자동으로 보정하기 위한 보정모듈과; 상기 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터를 저장하기 위한 메모리모듈과; 상기 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터와 상기 메모리모듈에 저장된 데이터를 선택적으로 표시하기 위한 디스플레이모듈과; 상기 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터와 상기 메모리모듈에 저장된 데이터를 외부로 전송하고, 상기 제1 내지 제3 측정모듈, 스위치모듈, 보정모듈 및 디스플레이모듈 중 하나 이상의 온/오프를 원격으로 제어가능하게 하는 통신모듈과; 상기 제1 내지 제3 측정모듈, 스위치모듈, 보정모듈 및 디스플레이모듈 중 하나 이상의 온/오프와 디스플레이모듈의 선택적 표시를 제어하기 위한 신호를 생성하는 입력모듈과; 상기 제1 내지 제3 측정모듈, 스위치모듈, 보정모듈, 메모리모듈, 디스플레이모듈 및 입력모듈과 통신하여 각각을 제어하고 상기 수온, 유량, 전도도, pH 및 보정된 수위 데이터를 암호화하여 외부로 전송하는 메인MPU(Micro Processor Unit)와; 상기 제1 내지 제3 측정모듈, 스위치모듈, 보정모듈, 디스플레이모듈, 입력모듈 및 메인MPU 각각에 전원을 공급하기 위한 충전식 배터리;를 포함하며,
   상기 보정모듈은 압력센서의 수압 데이터에 대기압을 적용하여 보정된 수위 데이터를 출력하는 것을 특징으로 하는 지하수 모니터링 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 메인MPU는 데이터에 난수를 추가하여 암호화하거나, 데이터에 난수 및 CRC(Cyclic Redundancy Check) 비트를 추가한 다음 AES(Advanced Encryption Standard)로 암호화하는 것을 특징으로 하는 지하수 모니터링 장치.
3. 삭제

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