KR101206055B1 - 무선 가스 인식 시스템 및 이를 이용한 인식 방법. - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무선 가스 인식 시스템 및 그 인식방법에 관한 것으로, 복수개의 센서 어레이, 무선통신모듈 및 마이크로 콘트롤러 유닛(MCU)를 포함하는 센서노드; 상기 센서노드에서 측정된 데이터를 외부 네트워크와 연결하는 싱크 노트; 상기 싱크 노드와 무선 네트워크를 통해 상기 측정 데이터를 수신받아 상기 데이터를 분석하고, 시스템을 관리하는 단말기를 포함하되, 상기 센서노드에서 측정되는 가스는 서로 다르고, 상기 서로 다른 가스의 측정 데이터를 바탕으로 상기 단말기에서 신경회로망 알고리즘을 이용하여 각각 가스의 종류 및 농도를 추정하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은 미래형 농업환경인 USN 기반의 농작물 자동재배시스템에서 작물 생장 환경에 영향을 미치는 가스 모니터링 시스템을 제공하게 되고, 이를 통하여 가스를 분석하여 적절한 환기와 예방대책을 신속 정확하게 수행할 수 있는 가스 인식 시스템 및 방법을 제공한다.
이와 같은 본 발명은 미래형 농업환경인 USN 기반의 농작물 자동재배시스템에서 작물 생장 환경에 영향을 미치는 가스 모니터링 시스템을 제공하게 되고, 이를 통하여 가스를 분석하여 적절한 환기와 예방대책을 신속 정확하게 수행할 수 있는 가스 인식 시스템 및 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 무선 가스 인식 시스템 및 인식 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 작물 생장환경요소인 온도, 습도, 산소, 이산화탄소와 유해가스인 암모니아, 휘발성유기화합물(VOCs : Volatile Organic Compounds)가스 등을 측정하고 분석하는 무선 가스 인식 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
농작물의 최적 생장 환경요소의 기본으로 비옥한 토양과 광량 그리고 물의 시기적절한 관계계획 등이 있으며, 부수적으로 작물별 또는 품종 간에 따른 적절한 온도와 습도, 이산화탄소(CO2), 산소(O2) 등 대기상태를 고려해야 한다. 광합성작용에 필수요소인 CO2는 그 농도가 광합성량을 결정한다. 현재 대기중 CO2함량은 360ppm내외 수준으로 추정하고 있으며, 이보다 높은 농도로 온실 시설내 적절한 CO2공급은 작물의 생육촉진과 수량증대뿐만 아니라 품질향상에 그 효과가 인정되었다[1]. 시설재배를 함으로써 가능한 적정 온도 및 습도 유지는 식물의 성장뿐만 아니라 병해충 예방에 도움이 되어 신선하고 고품질의 작물생산과 파프리카와 같은 고부가가치 농작물 생산이 가능하다. 또한 최근 극심한 기후 변동이 농작물 작황에 큰 영향을 미치고 있어 연중 계획생산이 가능한 시설재배의 중요성이 한층 더 부각되고 있다.
그러나 작물을 재배하는 비닐하우스와 같은 시설은 밀폐된 공간을 가져 외부 공기와는 전혀 다른 공기조성을 가진다. 녹색식물의 광합성작용과 호흡 때문에 시설내의 이산화탄소 농도는 밤에 외부 공기보다 2~3배 높고 반대로 낮에는 1/3~1/2 정도로 낮다. 시설재배의 고온 다습한 밀폐환경은 다양한 경로로부터 발생하는 유해가스에 의한 작물의 피해를 증가시킨다.
공기 중의 유해가스는 기공을 통해 식물 체내로 침입하거나 잎 표면에 부착하여 침적함으로써 식물대사와 광합성을 저해하고 성장을 방해하거나 고사 시키는데 온난한 기후 조건에서는 식물의 조직 및 세포가 연약하게 자라기 때문에 피해에 더 민감하다. 수분이 많은 조건에서는 기공의 열림이 커져 가스흡수가 커지게 되며 토양수분 상태에 따라서는 건조 상태보다 수분이 공급됨에 따라 공변세포를 팽창시켜 기공이 닫히지 않기 때문에 피해가 커진다.
이러한 유해가스는 일반적으로 토양에서 연작, 비료의 과용과 오용, 알카리물질과 혼용, 미숙 유기물 시용 등으로 발생되는데 암모니아가스(NH3), 아질산가스(NO2) 등이 있고, 가온재배를 할 경우에는 연소된 배기가스에 의해서 아황산가스(SO2)나 일산화탄소(CO) 등이 있다. 겨울철 난방연료에 의해 발생되는 일산화탄소 가스는 농작물뿐만 아니라 밀폐공간을 형성하는 하우스 내에서 작업을 하는 농부에게도 치명적일 수 있다.
그러므로 유해가스 발생 시 신속한 환기와 발생 유해가스의 종과 농도에 따른 피해예상과 대처방안을 시행하여 농작물과 인적 피해를 줄이고 시설재배 작물에 따른 온실 환경을 적절히 유지하여 고품질의 작물을 생산하기 위해서는 항시 온실 내 작물생장환경 요소 및 유해 가스를 정확히 측정하고 진단하는 것은 매우 중요하다.
또한 국내 농촌지역 노동인력의 고령화와 감소라는 문제점과 농부가 직접 항시 온실 내 환경을 측정하고 적절하게 유지하기에는 어려움이 많을 뿐만 아니라 효율적 관리가 불가능함으로 자동 및 원격으로 온실 환경을 모니터링하여 제어하고 유지관리 할 수 있는 온실 환경 통합관리시스템에 대해 활발하게 논의되고 있으나, 기존 온실 모니터링 시스템은 비닐하우스와 같은 밀폐된 공간에서 농작물에 더 큰 피해를 줄 수 있는 유해가스는 고려하지 않고 대부분 온도, 습도, 탄산가스와 같은 생장환경 요소에만 초점이 맞추어져 있다.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 과제는 미래형 농업환경인 USN 기반의 농작물 자동재배시스템에서 작물 생장 환경에 영향을 미치는 가스 모니터링 시스템을 제공하고, 이를 통하여 가스를 분석하여 적절한 환기와 예방대책을 신속 정확하게 수행할 수 있는 가스 인식 시스템 및 방법을 제공하고자 함이다.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 특징은 복수개의 센서 어레이, 무선통신모듈 및 마이크로 콘트롤러 유닛(MCU)를 포함하는 센서노드; 상기 센서노드에서 측정된 데이터를 외부 네트워크와 연결하는 싱크 노트; 상기 싱크 노드와 무선 네트워크를 통해 상기 측정 데이터를 수신받아 상기 데이터를 분석하고, 시스템을 관리하는 단말기를 포함하되, 상기 센서노드에서 측정되는 가스는 서로 다르고, 상기 서로 다른 가스의 측정 데이터를 바탕으로 상기 단말기에서 신경회로망 알고리즘을 이용하여 각각 가스의 종류 및 농도를 추정하는 것이다.
여기서, 상기 통신모듈은 지그비, 블루투스 및 YiFi 모듈 중 어느 하나인 것이 바람직하고, 상기 측정되는 가스는 산소, 이산화탄소, 암모니아 및 휘발성 유기화합물(VOCs) 가스를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 바람직하게는 상기 산소를 측정하기 위한 가스센서는 갈바닉 셀 타입(galvanic cell-type)인 것일 수 있다.
본 발명의 제2 특징은 무선 가스 인식 시스템을 이용하여 가스 인식 방법에 있어서, (a) 센서노드를 통하여 가스를 측정하여 데이터를 추출하는 단계; (b) 상기 추출된 데이터의 정규화 및 특징점을 추출하는 단계; (c) 상기 특징점 데이터를 바탕으로 파라미터를 설정하기 위해 학습(Learning) 하는 단계; (d) 상기 학습을 통해 업데이트 된 데이터를 통하여 가스를 인식하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 (b) 단계는, 데이터 차원을 감축(Reduction)하는 단계; 상기 차원이 감축된 데이터를 스케일링(scaling)하는 단계; 및 상기 스케일링(scaling) 데이터를 정규화하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
더하여, 바람직하게는 상기 (c) 단계는 역전파 다층 퍼셉트론(BP-MLP;Back Propagation Multilayer Perceptron) 알고리즘을 이용하여 학습하는 단계인 것일 수 있고, 상기 (d) 단계는 다층 퍼셉트론(MLP; Multilayer Perceptron) 신경망 회로 알고리즘을 이용하여 가스종류 및 농도를 추정하는 것일 수 있다.
이와 같은 본 발명은 미래형 농업환경인 USN 기반의 농작물 자동재배시스템에서 작물 생장 환경에 영향을 미치는 가스 모니터링 시스템을 제공하게 되고, 이를 통하여 가스를 분석하여 적절한 환기와 예방대책을 신속 정확하게 수행할 수 있는 가스 인식 시스템 및 방법을 제공한다.
또한, 간단한 구성과 방법으로 다층 신경회로망 알고리즘을 이용하여 작물생장환경에서 발생하는 보다 정확한 가스 종류 및 농도를 추정 또는 인식할 수 있는 시스템 및 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 가스 인식 시스템의 블럭 구성을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 가스 인신 시스템을 통한 가스 측정 데이터의 획득을 위한 실험 모식도,
도 3은 본 발명의 시스템에 사용된 가스센서(TGS 2602/TGS 2444)의 데이터 샘플링 방법에 대한 모식도,
도 4는 본 발명에 따른 무선 가스 인식 시스템을 이용하여 가스 인식 방법의 흐름도를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 가스 인식 방법에서 사용된 신경회로망 구조를 나타낸 도면이다.,
도 6은 본 발명의 시스템을 이용하여 측정된 정체 데이터 셋에 대한 주성분 분석 결과를 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명에서 적용되는 신경회로망 학습 시 출력층의 각 노드에 대한 평균 자승 오차값 근(RMSE : Root Mean Square Errors) 변화 곡선을 나타낸 그래프,
도 8은 340개의 데이터를 입력하여 구현한 본 발명에 적용되는 다층 신경회로망 출력층 각 노드의 출력을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 가스 인신 시스템을 통한 가스 측정 데이터의 획득을 위한 실험 모식도,
도 3은 본 발명의 시스템에 사용된 가스센서(TGS 2602/TGS 2444)의 데이터 샘플링 방법에 대한 모식도,
도 4는 본 발명에 따른 무선 가스 인식 시스템을 이용하여 가스 인식 방법의 흐름도를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 가스 인식 방법에서 사용된 신경회로망 구조를 나타낸 도면이다.,
도 6은 본 발명의 시스템을 이용하여 측정된 정체 데이터 셋에 대한 주성분 분석 결과를 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명에서 적용되는 신경회로망 학습 시 출력층의 각 노드에 대한 평균 자승 오차값 근(RMSE : Root Mean Square Errors) 변화 곡선을 나타낸 그래프,
도 8은 340개의 데이터를 입력하여 구현한 본 발명에 적용되는 다층 신경회로망 출력층 각 노드의 출력을 도시한 그래프이다.
이하에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 가스 인식 시스템의 블럭 구성을 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 시스템은 가스센서, 무선통신모듈 및 MCU를 포함하는 복수개의 센서노드; 상기 센서노드에서 측정된 데이터를 외부 네트워크와 연결하는 싱크 노트(SN); 상기 싱크 노드와 무선 네트워크를 통해 상기 측정 데이터를 수신받아 상기 데이터를 분석하고, 시스템을 관리하는 단말기(PC)를 포함하되, 상기 센서노드에서 측정되는 가스는 서로 다르고, 상기 서로 다른 가스의 측정 데이터를 바탕으로 상기 단말기(PC)에서 신경회로망 알고리즘을 이용하여 각각 가스의 종류 및 농도를 추정하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 시스템은 간단하게 두 개의 무선 노드 즉 센서 노드(Sensor Node)와 싱크 노드(Sink Node) 노드로 구성된다. 무선 센서 노드는 특정한 위치에서 대상 가스를 측정하고 측정된 데이터를 RF 무선 통신 모듈을 통해 싱크 노드로 전송한다. 싱크 노드로 전송된 데이터는 USB 인터페이스를 통해 호스트 컴퓨터로 전송되고 컴퓨터에 구현된 패턴 인식 기법에 의해 최종 처리되어 분석이 이루어진다.
여기서, 센서노드의 구성을 살펴보면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 복수개의 가스센서 어레이로 이루어진 센서보드(Sensor Board)와, 메모리(RAM), CPU 및 통신모듈(ZigBee) 등을 포함하여 구성된다.
가스센서는 기체와 물질 사이의 상호작용을 이용하는 것으로 그 검지방식에 따라 여러 가지로 나누어진다. 이중 상용화되어 시판되고 있는 가스센서의 검지방식을 크게 나누면 반도체식, 고체전해질식, 전기화학식, 접촉 연소식 및 비분산 적외선식 등이 있다.
반도체식 가스센서는 저가의 저전력 소형으로 제작할 수 있고 수명이 길다는 장점이 있으나 선택성이 낮다는 단점이 있다. 전기화학식은 선택성이 뛰어나지만 수명이 짧고 고가의 소형제작이 힘들다는 단점이 있으며, 접촉 연소식과 고체전해질식은 현재 측정 가능한 가스가 적어 특정가스 검출에만 적용된다. 광학적 측정 방식인 비분산 적외선식은 타 성분에 의한 방해가 커 측정 시스템이 복잡해진다. 이러한 특성 때문에 측정대상 가스와 적용 목적에 맞게 센서를 채택하고, 설계해야 한다.
본 발명에서 온실 작물생장에 영향을 주는 환경요소 가스인 O2, CO2, NH3, VOCs가스 등을 측정하기 위해 제안한 무선 센서 노드는 저 전력 소형으로 제작되어야 하며, 적은 메모리용량과 마이크로 컨트롤러의 성능 제약 때문에 측정시스템의 소형화와 복잡성을 고려하여 가스센서를 사용하고 각 센서별 검지 방식에 따른 구동회로를 설계하는 것이 바람직하다.
산소가스를 측정하기 위해 선택한 가스센서는 galvanic cell-type을 이용하는 것이 바람직하다. 이는 탄산가스에 대해 완벽한 면역력을 가지고 수명이 길며 무엇보다 구동 전압이 없다는 장점이 있기 때문이다.
그리고 본 발명의 센서노드에서 각종 센서 디바이스 드라이버를 설계 하기위해 IAR 사의 C언어 컴파일러, 디버거, MSP-FET430 에뮬레이터 등을 이용하여 개발 환경을 구축하였다. 설계한 통합측정 센서 보드를 마이크로컨트롤러(MSP430F1611) 테스트보드에 연결하고 인 서킷 프로그램방식을 사용하여 모든 센서 디바이스 구동 프로그램을 작성하고 테스트하였다. 또한 무선 통신모듈은 근거리 통신모듈로서, 블루투스, 지그비 및 YiFi 등을 사용하는 것이 바람직하고, 도 1에 나타난 본 발명의 실시예는 지그비(ZigBee) 통신모듈을 사용하였다.
이하에서, 도 1에서 예시된 본 발명에 따른 가스 인식 시스템을 사용하여 가스 측정 데이터의 획득과정을 실험예로 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명에 따른 가스 인신 시스템을 통한 가스 측정 데이터의 획득을 위한 실험 모식도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 산소, 이산화탄소, 암모니아 그리고 이들의 혼합가스를 대상 가스로 선택하였고 그 대상 가스를 측정하기 위한 실험 환경 구축은 도 2에 나타낸 바와 같이 가스공급라인, 가습조절장치(bubbler), 측정용 챔버(chamber)로 구성하였다. 가스공급라인은 O2, CO2, NH3, 합성된 공기(질소:산소=4:1) 용기와 가스 유량 조절계(MFCs : Mass Flow Controllers)로 구성되어 있다.
합성 공기라인 중 하나는 가습조절 장치로 들어가고 MFCs에 의해 조절된 대상 가스도 최종적으로 한곳으로 모아져 원하는 습도로 조절된 가스농도를 만들게 된다. 챔버안의 온도와 습도는 각각 272℃, 652%로 유지되었고 챔버용량은 2500cc이다.
측정 절차는 다음과 같다. 먼저 건조한 합성 공기를 가습조절장치로 보내고 MFC에 의해 조절된 대상 가스와 합쳐져 원하는 가스 농도를 만들어 챔버로 보낸다. 마지막으로 챔버안에 놓인 무선 센서 노드로부터 센서출력 값을 20초 주기로 측정하였다. 가스 센서의 출력 전압은 Texas Instrument사의 16비트 마이크로컨트롤러에 내장된 12비트 ADC 모듈에 의해 디지털 값으로 변환되었다.
대상 가스의 측정은 표 1, 2, 3, 와 같이 이산화탄소, 암모니아, 산소, 그들 혼합가스의 각 농도별로 각각 수행하였다. 각 표에서 t로 표시된 농도를 가스식별 및 농도추정 모델의 학습 데이터로 이용하고 e로 표시된 나머지 농도를 테스트 데이터로 이용한다.
대기 즉 공기는 기본적으로 산소의 양이 약 21% 가량 존재함을 고려하여야한다. 따라서 이산화탄소와 암모니아 단일 가스 실험에서 주입한 합성 공기에도 본 연구에서의 측정 가스 중의 하나인 산소가 존재하기 때문에 중요한 파라미터 중의 하나라고 고려된다. 하지만 실험용 환경에서는 측정용 챔버의 크기와 실제적으로 가스 유량 조절계를 통해 흘려줄 수 있는 양이 제한적이므로 이산화탄소와 암모니아 단일 가스의 실험 시 산소의 양을 대기의 조건과 마찬가지로 21%로 유지하기가 불가능하다.
따라서 단일 가스 실험에 대해서 측정 대상의 가스의 농도가 양이 증가할수록 함께 공급하는 합성공기의 양은 줄어들게 되므로 이때 공급되는 산소의 양도 대기 중에 존재하는 농도보다는 낮아진 조건에서 실험이 이루어진다. 하지만 측정 대상 가스에 대한 각 센서가 산소량 변화에 대해서는 거의 독립적인 반응을 보이기 때문에 대기 중의 산소량이 줄어들었다 할지라도 이산화탄소와 암모니아의 단일 가스 및 혼합가스 측정에 대해서는 문제가 되지 않는다.
또한 34개의 서로 다른 농도의 조합에 의해 만들어진 혼합 가스 샘플은 각각 10번 반복 측정하여 기준가스(reference gas)를 포함하여 총 340번 측정하였다. 각 샘플에 대한 측정은 가스 주입 후 챔버 안이 원하는 대상 가스로 포화되고 센서 출력 전압 값이 안정화된 후 10번의 데이터를 기록하였다.
금속 산화물 반도체식 가스 센서는 가스 검지원리가 센서 감지막에 대상가스의 흡/탈착 정도에 따른 감지막 저항변화이다. 이때 온도 변화에 따라 대상 가스의 흡/탈착 정도가 달라지는 특성이 있어 하나의 감지물질로부터 여러 가스를 측정할 수 있는 이점이 있다. 그러므로 본 발명에서 사용된 상용 가스센서 TGS 2602와 TGS 2444의 경우는 열적 변조 방식을 이용하여 다차원의 데이터를 획득한다. 또한 이러한 열적 변조 방식은 센서의 저 전력 구동방법이기도 하다.
도 3은 본 발명의 시스템에 사용된 가스센서(TGS 2602/TGS 2444)의 데이터 샘플링 방법에 대한 모식도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 10초간 히터를 켜고 10초간 히터를 끄는 것을 반복하면서 측정 대상 가스의 존재나 농도의 변화에 따라 센서 감지막에서의 저항 변화가 일어나고 그에 따라 변하는 센서의 아날로그 출력 전압 값은 호스트 컴퓨터로 전송된다.
이때 가스센서(TGS 2602/TGS 2444)에서 히터가 꺼지는 시점으로부터 각각 25번의 샘플링에 의해 50차원의 데이터를 획득하고 다른 가스센서(TGS 4161/KE 25)에서 각각 1개의 데이터 포함하여 무선 가스 측정 시스템으로부터 전송되는 가스 센서의 데이터는 52개의 차원으로 이루어져 있다. 한편 온/습도 센서의 경우는 가스 센서와 달리 20초의 주기로 측정 당시의 챔버 내 온도와 습도를 실시간으로 정확히 측정하여 호스트 컴퓨터로 전송한다.
도 4는 본 발명에 따른 무선 가스 인식 시스템을 이용하여 가스 인식 방법의 흐름도를 나타낸 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 가스 인식 방법은, (a) 센서노드를 통하여 가스를 측정하여 데이터를 추출하는 단계; (b) 상기 추출된 데이터의 정규화 및 특징점을 추출하는 단계; (c) 상기 특징점 데이터를 바탕으로 파라미터를 설정하기 위해 학습(Learning) 하는 단계; 및 (d) 상기 학습을 통해 업데이트 된 데이터를 통하여 가스를 인식하는 단계를 포함한다.
가스 인식 시스템 분야에서 패턴 분류에 관한 문제는 적용 분야에 따라 다양한 알고리즘이 제안되었다. 가장 많이 적용된 방법이 주성분분석(PCA ; Principal Component Analysis)과 신경회로망(MLP, RBF, LVQ)을 이용한 방법이다. PCA는 주로 분류의 전처리 수단으로 이용되어왔고, 신경회로망을 이용한 방법은 많은 전자후각기기에 적용될 만큼 우수한 분류기로 평가되어왔다.
본 발명에서는 작물생장에 영향을 주는 환경요소가스를 모니터링 하기 위해 역전파(BP ; Back Propagation) 다층퍼셉트론(BP-MLP) 신경회로망을 이용하여 O2, CO2, NH3, VOCs의 단일가스 환경뿐만 아니라, 그것들의 복합적 환경에서 가스별 농도추정 방법을 제안한다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 가스 인식 방법은 (a)센서 배열을 통하여 측정된 가스 데이터를 추출하는 단계; (b)추출된 데이터의 정규화 및 특징점 추출 작업을 수행하는 전 처리하는 단계; (c)파라미터를 설정하기 위한 학습하는 단계; (d)업데이트된 파라미터와 함께 MLP 신경회로망을 이용하여 각 가스의 농도 및 종류를 추정하는 단계를 포함하여 구성된다.
종래의 기술에서는 사용하는 데이터의 차원이 너무 크면 시스템에 불필요한 계산이 반복되는 과잉현상이 일어나게 되고, 연산시간도 오래 걸리는 문제점이 발생한다. 반면에 데이터의 차원이 작으면 정확한 모델을 학습하기 어려워지는 문제점이 있었다. 이러한 기존의 패턴인식방법들은 데이터의 특징을 유지하면서 차원을 줄이는 방법으로 주성분분석(PCA)을 많이 사용하였다.
그러나, 본 발명에서 제안한 가스 인식 시스템의 전 처리과정((b) 단계)으로 기존의 주성분분석(PCA)과 같은 복잡한 알고리즘을 사용하지 않고 원래의 데이터를 사용하면서, 데이터의 차원만을 줄이는 방법을 사용한다.
즉, 암모니아 가스인식에 대한 반도체식 가스센서인 TGS 2444와 VOCs가스에 대한 TGS 2602에서 온도변환 구동방식으로 얻은 고차원의 출력패턴데이터의 차원을 줄이기 위해 [수학식 1]의 방법을 이용한다. 이 방법은 분산정보를 이용하여 같은 클러스터 내부의 분산은 줄이고 서로 다른 농도의 클러스터 분산을 최대화시키는 센서변수를 찾는 것이다.
제안한 방법으로 TGS 2444에서 온도 변화 구동방식으로 측정한 25차원의 데이터 중 [수학식 1]에서 Cr값이 가장 큰 한 차원을 선택 추출하였으며, 같은 방식으로 TGS 2602에도 적용한다. 그리고 CO2가스에 대한 고체전해질식 가스센서 TGS 4161과 O2측정을 위한 KE-25센서에서 각각 1차원의 데이터를 획득하여 총 4차원의 입력패턴데이터를 도출한다. 이러한 방법으로 추출한 데이터는 다시 신경회로망의 입력으로 사용하기 위해 각 차원 최대값으로 나누어주는 방법으로 0과 1사이의 값으로 조절하게 된다.
(여기서 j는 한 농도의 측정횟수를 i는 서로 다른 농도의 클러스터수를 나타낸다.)
그리고, 가스의 종류 및 농도를 추정하여 인식하는 단계는, O2, CO2, NH3, VOCs의 단일 환경 및 복합적 존재 환경에서 대상 가스 각각의 농도를 추정하기 위해 다층 신경회로망을 이용한다.
도 5는 본 발명에 따른 가스 인식 방법에서 사용된 신경회로망 구조를 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 4개의 센서에서 도출한 4차원 패턴을 위해 입력층(Input layer)은 입력노드 4개와 바이어스 노드 1개로 구성하고, 은닉층(Hidden layer)은 입력패턴 차원의 수부터 증가시키면서 학습한 결과를 비교하는 휴리스틱한 방법으로 결정된다. 출력층(Output layer)은 대상가스 O2, CO2, NH3, VOCs 가스별 농도를 추정하기 위해 4개의 노드로 구성된다.
오류 역전파(BP) 알고리즘은 순방향 다층신경망의 학습에 효과적으로 적용할 수 있어서 다양한 분야에 보편적으로 활용하는 매우 중요한 학습 방법이다. 최소자승(least mean square) 알고리즘의 비선형적 확장인 오류 역전파(BP) 알고리즘은 미분의 반복규칙 (chain rule)을 적용하여 유도해 낼 수 있다.
이하에서 본 발명의 가스 인식 시스템을 인용한 인식 방법을 적용하기 위해 사용된 센서의 성능 및 가스농도 추정 값에 대한 결과를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에서는 온실 내 작물 생장에 영향을 미치는 환경요소가스 모니터링을 위해 선택된 상용화 센서의 기본 성능검정을 위해 데이터 획득 실험으로부터 준비된 전체 데이터의 주성분분석(PCA)을 이용하여 다차원의 데이터를 2차원 데이터로 표현하였다.
도 6은 본 발명의 시스템을 이용하여 측정된 정체 데이터 셋에 대한 주성분 분석 결과를 나타낸 그래프이다.(PCA results on whole data set) 도 6에 나타낸 바와 같이, 전체 데이터의 분산이 2개의 주성분 축에 93.4% 정도 포함되어 있으며 각 가스에 대한 군집화가 상당히 양호함을 보였다. 이는 사용된 센서들에 의해 대상가스에 대한 선택성이 뛰어남을 입증한다. 이러한 주성분 분석을 통해 각 가스별 농도증가에 대한 센서반응 또한 선형적임을 알 수 있다.
이하에서는 복합가스 환경에서 각 대상 가스의 농도를 추정하는 본 발명에 따른 가스 인식 시스템의 성능을 테스트하기 위해 가스측정 실험에서 획득한 200개의 학습 패턴과 140개의 테스트 패턴으로 이루어진 전체 340개의 샘플을 이용하여 시뮬레이션 하였다.
가스센서 어레이와 열적 변조 방식으로 획득한 총 52차원의 패턴데이터를 식 (1)의 방법으로 4차원데이터로 차원을 축소하고, 데이터의 스케일을 [0,1]로 조정하여 제안한 신경회로망 가스 인식 시스템의 입력으로 사용하였다. 학습데이터 농도 값을 신경망 출력층 노드 목표치로 설정하여 기본적으로 100000번 학습을 실시하였으며, 은닉층의 노드수를 변경하면서 여러 번 반복학습 결과 계산의 복잡성과 학습시간대비 오차를 고려하여 은닉층을 32개로 구성하였다.
구성한 신경회로망 학습 시 출력층의 각 노드에 대한 평균 자승 오차값 근(RMSE : Root Mean Square Errors) 변화 곡선을 도 7에 도시하였다. 신경회로망 각각의 출력층 즉 O2, CO2, NH3, VOCs 가스별 농도추정에 대한 RMSE 값들이 모두 0.015 이하로 학습데이터에 대한 농도추정에러가 낮음을 알 수 있다.
학습된 가중치 벡터를 가지는 다층 신경회로망의 성능을 검증하기 위해 140개의 샘플로 이루어진 테스터 세트와 학습에 쓰였던 200개의 학습데이터 세트를 포함하여 총 340개의 패턴에 대해서 농도 추정을 실시하였으며 그 결과를 도 8에 나타낸다.
도 8의 (a), (b), (c)는 340개의 데이터를 입력하여 구현한 다층 신경회로망 출력층 각 노드의 출력을 도시한 그래프이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 학습데이터에 대한 농도추정 결과는 실제 농도와 거의 근접한 결과를 보였으며 테스트 데이터에 대해서는 전반적으로 실제 농도를 잘 추정하였으나 높은 농도 부분에서는 오차가 조금 발생 됨을 알 수 있다.
이는 높은 농도조합으로 갈수록 측정간격이 커짐에 따른 결과로 판단되고 측정간격을 작게 하면 오차를 줄일 수 있다.. 또한 [표 4]의 혼합 농도조합에 대해서도 각 대상 가스별 즉 O2, CO2, NH3 등 각각의 농도추정이 가능함을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 작물생장에 영향을 주는 환경요소 및 유해 가스 실시간 모니터링을 위한 무선 측정 및 인식 시스템을 제안한다. 본 발명의 시스템은 복합 환경가스를 측정하기 위한 무선 센서 노드와 대상 각 가스별 농도추정을 위한 다층 신경회로망 기반 가스 인식 시스템으로 구성된다.
그리고 본 발명의 실시예를 실험실 환경에서 무선 센서 노드를 이용하여 가스측정 실험하여 획득한 데이터의 주성분분석(PCA) 분석결과 각 대상가스의 분류가능성과 농도 기울기에 대한 선형성을 확인되었다.
또한 BP-MLP 신경회로망을 이용하여 구현한 가스 인식 시스템은 가스가 복합적으로 존재하는 공기환경 조성에서 각 대상 가스별 농도 추정이 가능함을 알 수 있다.
이처럼 본 발명은 미래형 농업환경인 USN 기반의 농작물 자동재배시스템에서 작물 생장 환경에 영향을 미치는 가스 모니터링 시스템으로 유용하게 활용될 수 있다.
Claims (8)
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- 무선 가스 인식 시스템을 이용하여 가스 인식 방법에 있어서.
(a) 센서노드를 통하여 가스를 측정하여 데이터를 추출하는 단계;
(b) 상기 추출된 데이터의 차원을
(여기서 j는 한 농도의 측정횟수를 i는 서로 다른 농도의 클러스터수를 나타낸다.)와 같은 식을 이용하여 감축하고, 상기 차원이 감축된 데이터를 스케일링(scaling)하고, 상기 스케일링(scaling) 데이터를 정규화하여, 특징점을 추출하는 단계;
(c) 상기 특징점 데이터를 바탕으로 파라미터를 설정하기 위해 역전파 다층 퍼셉트론(BP-MLP;Back Propagation Multilayer Perceptron) 알고리즘을 이용하여 학습(Learning) 하는 단계;
(d) 상기 학습을 바탕으로 업데이트 된 데이터를 다층 퍼셉트론(MLP; Multilayer Perceptron) 신경망 회로 알고리즘을 이용하여 가스종류 및 농도를 추정하고, 가스를 인식하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 인식 방법.
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