KR101256703B1 - 무선 센싱 장치 및 그 무선 센싱 장치들을 이용한 침수감지 시스템 - Google Patents

무선 센싱 장치 및 그 무선 센싱 장치들을 이용한 침수감지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 센싱 장치 및 그 무선 센싱 장치를 이용한 침수 감지 시스템을 개시한다.
본 발명의 침수 감지 시스템은 다중 주파수 도약(multi frequency hopping) 기능을 지원하는 에드혹(ad-hoc) 라우팅 방식의 네트워크를 형성하는 복수의 무선 센싱 장치들 구비하며 상기 무선 센싱 장치들이 설치된 지역들의 침수 정보를 감지하여 무선 송신하는 무선센서 네트워크; 상기 무선센서 네트워크로부터 상기 침수 정보를 수집하는 게이트웨이; 및 상기 게이트웨이로부터 상기 침수 정보를 제공받아 이를 사용자가 지정한 형태로 가공하여 해당 지역의 침수 상황을 사용자에게 제공해주는 자료저장 및 해석용 서버를 구비하여, 해당 지역의 침수 발생 여부 및 침수 상황을 보다 정확하게 그리고 보다 적응적으로 감지할 수 있도록 해준다.

Description

무선 센싱 장치 및 그 무선 센싱 장치들을 이용한 침수 감지 시스템{FLOOD DETECTION WIRELESS SENSOR AND SYSTEM USING THE SENSOR DURING FLASH FLOOD}
도 1은 종래의 침수 모니터링 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 침수 감지 시스템의 구성을 나타내는 구성도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 무센 센싱 장치의 구성을 보다 상세하게 나타낸 구성도.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 무선 센싱 장치들이 설치되는 위치들을 도시한 도면.
도 5는 무선센서가 설치된 지역에 대한 정보가 지도정보와 매칭된 모습을 보여주는 도면.
도 6은 침수 상황을 알려주는 사용자인터페이스화면에 대한 일 실시예를 보여주는 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 무선센서 네트워크 101, 102, 103, 104 : 무선센서
105 : 지지물 111 : 마그네틱 센서
112 : 가속도 센서 113 : 무선 통신부
114 : 제어부 200 : 게이트웨이
300 : 자료저장 및 해석용 서버
본 발명은 무선 센싱 장치 및 그 무선 센싱 장치들을 이용한 침수 감지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 침수가 우려되는 곳에 다중 주파수 도약(multi frequency hopping) 기능을 갖는 다수의 무선센서 노드들을 배치하여 자동 에드혹 라우팅(auto ad-hoc routing) 방식의 네트워크를 통해 침수 정보를 수집함으로써 해당 지역의 침수 정보를 보다 정확하면서 보다 적응적으로 수집할 수 있는 침수 감지 시스템에 관한 것이다.
도 1은 종래의 침수 모니터링 시스템의 구성도이다.
도 1의 침수 모니터링 시스템은 현장 계측센서(10), 자료 저장 및 해석용 서버(20), 인터넷(30) 및 사용자 단말(40)로 구성된다.
현장 계측센서(10)는 홍수 모니터링 시스템에 설치되는 수단으로서 계측센서(11), 계측센서(11)의 동작을 제어하는 제어부(12), 계측센서(11)로부터 감지된 정보를 유선으로 전송하기 위한 데이터 송수신부(13)로 구성된다. 여기에서, 계측센서(11)는 교량의 교각이나 도시 하천의 수위를 대표할 수 있는 부분에 설치되어 하천 수위를 측정하기 위해 구비되는 센서이며, 제어부(12)는 데이터 송수신부를 통해 수신되는 계측 실행명령에 의거하여 계측센서의 실행을 제어하는 동시에 계측 된 데이터를 소정의 신호처리 과정을 거쳐 다시 데이터 송수신부(13)로 전송하는 기능을 수행한다. 그리고, 데이터 송수신부(13)는 제어부(12)로부터 제공되는 각종 계측데이터를 소정의 신호처리 과정을 거쳐 자료저장 및 해석용 서버(20)로 전송한다. 그리고, 하천 수위를 측정하는 계측센서(11)로는 초음파를 이용하는 방법, 수압을 이용하는 방법 및 전파를 이용하는 방법 등이 사용된다.
그런데 이와 같은 종래의 모니터링 시스템은 주로 하천 수위를 실시간으로 측정하기 위해 개발된 것으로서 교량의 교각 등에 설치되기 때문에 교각 이외의 다른 지점에서의 수위를 알기 위해서는 별도의 수문학적 해석 절차를 거쳐야 한다.
또한 집중호우 시 도시 내부의 배수 처리가 원활하지 않아 침수가 발생하는 경우에 도 1과 같은 모니터링 시스템으로 침수 여부를 확인하기 위해서는 다수의 모니터링 시스템을 설치 운용해야 한다.
하지만 종래의 모니터링 시스템은 대부분 유선에 기반을 둔 시스템(telemetry)으로서 하천 고수부지, 하상 공원 및 산책로, 하상주차장 및 하상도로, 지하차도, 저지대 가옥 등에 설치하기 어렵고 설치비가 많이 소요된다는 단점이 있다.
따라서, 상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 침수가 우려되는 지역에 다수의 무선센서 노드들을 설치하여 해당 지역의 침수 발생 여부 및 침수 상황을 보다 정확하게 그리고 보다 적응적으로 감지할 수 있도록 하는데 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무선 센싱 장치는 무선센서를 물리적으로 지지해주며 상기 무선센서에 자력을 제공하는 지지물; 및 상기 자력의 감지 여부를 통해 상기 지지물로부터의 이탈 여부를 감지하고 이탈이 발생시 자신의 이동 속도 변화를 감지하여 상기 이탈 정보 및 속도 정보를 무선 송신하는 상기 무선센서를 구비한다.
본 발명의 침수 감지 시스템은 다중 주파수 도약(multi frequency hopping) 기능을 지원하는 에드혹(ad-hoc) 라우팅 방식의 네트워크를 형성하는 복수의 무선 센싱 장치들 구비하며 상기 무선 센싱 장치들이 설치된 지역들의 침수 정보를 감지하여 무선 송신하는 무선센서 네트워크; 상기 무선센서 네트워크로부터 상기 침수 정보를 수집하는 게이트웨이; 및 상기 게이트웨이로부터 상기 침수 정보를 제공받아 이를 사용자가 지정한 형태로 가공하여 해당 지역의 침수 상황을 사용자에게 제공해주는 자료저장 및 해석용 서버를 구비한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 침수 감지 시스템의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 2의 침수 감지 시스템은 무선센서 네트워크(100), 게이트웨이(200) 및 자료저장 및 해석용 서버(300)를 구비한다.
무선센서 네트워크(100)는 다중 주파수 도약(multi frequency hopping) 기능을 지원하는 에드혹(ad-hoc) 라우팅 방식의 네트워크를 형성하는 복수의 무선센서 들(101, 102, 103, 104)을 포함하는 무선 센싱 장치들 구비한다. 이때, 각 무선센서(101, 102, 103, 104)들은 고유의 식별번호가 할당되며 평상시(침수가 발생되지 않은 경우)에는 도 3과 같이 고정된 지지물(15) 상에 위치하여 슬립 모드로 동작하게 되고 침수가 발생하여 지지물(15)로부터 이탈하게 되면 정상 모드로 동작해 침수 정보(침수 발생 여부, 침수 속도 등)를 감지한다. 그리고, 무선센서들(101, 102, 103, 104)는 이렇게 감지된 침수 정보를 자신과 가장 인접한(또는 통신상태가 가장 양호한) 다른 무선센서 또는 게이트웨이(200)로 전달한다. 각 무선센서들(101, 102, 103, 104)의 침수 정보는 다중 주파수 도약 기능이 적용된 에드혹 라우팅 방식을 통해 게이트웨이(200)로 전달된다. 이러한 무선통신방법으로서 무선센서들(101, 102, 103, 104)은 지그비(Zigbee)를 사용할 수 있다. 이와 같은 다중 주파수 도약 기능이 적용된 에드혹 네트워크는 고정된 기간망의 도움이 필요 없는 자율적이고 독립적인 네트워크이며, 에드혹 네트워크에서의 단말들은 능동적으로 네트워크의 참여와 이탈이 자유로우며 대등하게 네트워크를 구성하는 주체가 될 수 있다.
게이트웨이(200)는 무선센서 네트워크(100)로부터 제공받은 침수 정보를 자료저장 및 해석용 서버(300)로 전송한다. 이때, 게이트웨이(200)는 정해진 통신 프로토콜에 따라 인증절차를 수행하고 인증이 완료되면 무선센서 네트워크(20)로부터 정보의 입력을 허락할 수 있다. 게이트웨이(200)는 무선통신망을 통해 시간과 장소에 구애를 받지 않고 자료저장 및 해석용 서버(300)로 침수 정보를 전송하며, 광역 연결 통신망을 구축하기 위하여 WAN(Wide Area Network)을 통해 자료저장 및 해석용 서버(300)와 연결될 수도 있다.
자료저장 및 해석용 서버(300)는 무선통신망을 통해 게이트웨이(200)로부터 전송받은 침수 정보를 이용하여 침수 상황을 사용자가 확인할 수 있는 형태로 가공하여 도 6과 같이 인터넷을 통해 접속한 사용자가 침수 상황을 확인할 수 있도록 해준다. 특히, 자료저장 및 해석용 서버(300)는 제공받은 침수 정보(침수 속도) 및 무선센서들(101, 102, 103, 104)이 설치된 지역별로 미리 설정된 기준값(위험 수위)을 이용하여 해당 지역이 위험 수위에 도달될 것으로 예상되는 시간을 계산하고 이를 사용자 단말(400)로 전송한다. 또한, 자료저장 및 해석용 서버(300)는 침수 정보를 통해 위험상황이 감지되면, 위험상황을 통보하기 위한 경보를 사용자 단말(400)에 발생시켜 사용자가 위험상황에 대한 적절한 조치를 취할 수 있도록 해준다.
도 3a는 본 발명의 무센 센싱 장치의 구성을 보다 상세하게 나타낸 구성도이다.
무선 센싱 장치는 무선센서(101) 및 지지물(105)을 구비한다.
무선센서(101)는 물이 침투되지 않도록 밀폐된 구(求) 형상으로 이루어지며, 침수 발생시 지지물(105)을 이탈하면서 침수 발생 여부를 감지하고 이탈 후 자신의 이동 속도를 이용해 침수 속도를 감지하여 그 침수 정보(침수 발생 및 침수 속도)를 무선통신(예컨대, 지그비)을 이용하여 인접한 다른 무선센서 또는 게이트웨이(200)로 전달한다. 무선센서(101)는 평상시에는 슬립 모드로 동작하여 자신이 지지물(105)로부터 이탈하는지 여부만을 감지하며 이탈이 발생시 정상 모드로 전환 되어 상술한 동작들을 수행한다.
이러한 무선센서(101)는 마그네틱 센서(111), 가속도 센서(112), 무선통신부(113) 및 제어부(114)를 구비한다.
마그네틱 센서(111)는 지지물(105)에 구비된 자석으로부터 제공되는 자력을 감지함으로써 무선센서(101)가 지지물(105)로부터의 이탈되었는지 여부를 감지하며, 이탈이 발생시 그 이탈 사실을 알리는 이탈신호를 제어부(114)로 전송한다.
가속도 센서(112)는 제어부(114)를 통해 전원을 공급받아 무선센서(101)의 이동 속도 변화를 감지한다.
무선통신부(113)는 제어부(114)를 통해 전원을 공급받아 인접한 무선센서 또는 게이트웨이(200)와 무선통신을 수행한다.
제어부(114)는 평상시에는 슬립 모드로 동작하다가 마그네틱 센서(111)로부터 이탈신호가 수신되면 정상 모드로 돌아와 가속도 센서(112) 및 무선 통신부(113)로 전원을 공급하여 이들을 동작시키고 곧바로 무선 통신부(113)를 통해 침수발생을 알리는 침수신호를 인접한 무선센서(102) 또는 게이트웨이(200)로 전송한다. 그리고, 제어부(114)는 가속도 센서(112)에서 감지된 속도 변화를 이용하여 침수 속도를 계산한 후 그 침수 속도를 역시 무선 통신부(113)를 통해 인접한 무선센서(102) 또는 게이트웨이(200)로 전송한다. 또는 제어부(114)는 침수 속도를 자신이 직접 계산하지 않고 가속도 센서(112)에서 감지된 속도 변화에 대한 정보를 바로 인접한 무선센서(102) 또는 게이트웨이(200)로 전송할 수도 있다. 이러한 제어부(114)는 자신의 침수 정보를 수집하는 도중에 인접한 무선센서로부터 침수 정 보가 수신되면 별도의 신호 처리 과정을 거치지 않고 바로 수신된 침수 정보를 다른 인접한 무선센서로 전송해준다.
지지물(105)는 평상시 무선센서(101)를 물리적으로 지지해주며 무선센서(101)가 놓이는 받침대에 자석이 구비되어 무선센서(101)로 자력을 공급한다.
도 3b는 도 3a와 비교하여 지지물(106)의 구조만 다르다. 즉, 도 3a와 도 3b는 무선센서의 설치 위치에 따라 그 위치에 맞는 지지물(105, 106)을 달리 사용할 수 있음을 보여주는 것이다.
상술한 구성을 갖는 본 발명의 무선 센싱 장치 및 침수 감지 시스템의 동작을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
침수 감지 시스템의 사용자는 먼저 침수가 우려되는 지역 또는 침수가 발생시 이를 빠르게 감지해야 될 필요가 있는 지역의 여러곳에 도 3과 같은 지지물(105, 106)을 설치한 후 그 위에 무선센서(101, 102, 103, 104)를 올려놓는다.
예컨대, 도 4a 내지 도 4d에서와 같이 침수가 우려되는 하천 고수부지, 하상공원과 산책로, 하상주차장과 하상도로, 지하차도, 및 저지대 가옥 등에 다수의 무선센서들(101, 102, 103, 104)을 설치한다. 그리고 무선센서가 설치된 지역에 대한 정보는 도 5에서와 같이 지도정보와 매칭되어 자료저장 및 해석용 서버(300)에 저장된다.
이후 집중 호우가 발생하여 하천에 흐르는 물의 수위가 점점 높아져 무선센서들(101, 102, 103, 104)이 지지물(105)에서 이탈하게 되면, 이를 마그네틱 센서(111)를 이용하여 감지함으로써 슬립 모드로 동작하던 각 무선센서들(101, 102, 103, 104)이 깨어나 정상 모드로 전환된다. 정상 모드로 전환된 무선센서들(101, 102, 103, 104)은 침수 사실을 알리는 침수신호를 인접한 다른 무선센서 또는 게이트웨이(200)로 전달하게 된다.
즉, 게이트웨이(200)와 인접한 무선센서(104)는 자신의 침수신호를 게이트웨이(200)로 전송하며, 게이트웨이(200)와 인접하지 않은 무선센서들(101, 102, 103)은 다중 주파수 도약 기능을 이용하여 다른 무선센서들을 통해 자신의 침수신호를 게이트웨이(200)로 전송하게 된다. 예컨대, 무선센서(101)에서 송신한 침수신호는 먼저 인접한 무선센서(102)로 전달되면, 이를 수신한 무선센서(102)는 그 신호를 다시 인접한 무선센서(103)로 전달한다. 무선센서(103)는 다시 그 신호를 무선센서(104)로 전달하고 무선센서(104)는 이를 게이트웨이(200)로 전달한다. 이때, 어느 특정 무선센서(예컨대, 103)에 장애가 발생하게 되면, 무선센서(102)는 침수신호를 다른 인접한 무선센서(104)로 전달한다.
그리고, 각 무선센서들(101, 102, 103, 104)은 침수신호를 발생시킨 후 가속도 센서(112)를 이용하여 자신의 이동 속도를 감지함으로써 해당 지역의 침수 속도를 계산하여 이를 상술한 바와 같이 다중 주파수 도약 기능을 이용하여 게이트웨이(200)로 전달해준다.
상술한 과정을 통해 각 무선센서들(101, 102, 103, 104)로부터 침수 정보를 수신한 게이트웨이(200)는 이를 자료저장 및 해석용 서버(300)로 전송해준다.
자료저장 및 해석용 서버(300)는 게이트웨이(200)를 통해 제공받은 침수 정보를 이용하여 침수가 발생한 지역들을 및 어느 특정 지역의 침수상황을 도 6과 같 은 사용자인터페이스화면을 통해 제공해준다.
즉, 자료저장 및 해석용 서버(300)는 침수 정보 중 침수신호를 이용하여 지도상에 침수가 발생된 위치들을 표시해줌으로써 사용자가 현재 침수가 발생된 지역과 그렇지 않은 지역이 어디인지를 한눈에 알 수 있도록 해주며, 침수 속도에 대한 정보를 이용하여 각 지역에 침수상황을 분석한 후 사용자가 지도상에서 특정 지역을 지정하면 해당 지역의 침수상황을 도 6의 아래 그림과 같이 보여준다.
특히, 자료저장 및 해석용 서버(300)는 각 지역별 위험수위에 대한 정보를 가지고 있으며, 각 지역의 침수 속도를 이용하여 해당 지역이 언제 위험수위에 도달하게 될지를 계산하여 그 시간정보(lead time)를 사용자에게 알려주어 준다. 그리고, 자료저장 및 해석용 서버(300)는 이미 위험수위에 도달한 지역이 있거나 위험수위에 곧 도달이 예상되는 지역이 있는 경우 위험상황을 통보하기 위한 경보를 사용자 단말(400)에 발생시켜 사용자가 위험상황에 대한 적절한 조치를 취할 수 있도록 해준다.
상술된 실시예에서는 무선센서들(101, 102, 103, 104)이 다중 주파수 도약 기능을 이용하여 인접한 다른 무선센서를 통해 자신의 침수 정보를 게이트웨이(200)로 전송하도록 하고 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
예컨대, 모든 무선센서들(101, 102, 103, 104)이 직접 게이트웨이(200)와 통신하도록 하여 수집된 침수 정보를 곧바로 게이트웨이(101, 102, 103, 104)로 전달되도록 할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 침수 감지 시스템은 침수가 우려되는 지역에 다수의 무선센서 노드들을 다중 주파수 도약 기능이 적용된 에드혹 라우팅 방식으로 설치하여 해당 지역의 침수 발생 여부 및 침수 상황을 보다 정확하게 그리고 보다 적응적으로 감지할 수 있도록 해준다.

Claims (11)

  1. 무선센서를 물리적으로 지지해주며 상기 무선센서에 자력을 제공하는 지지물; 및
    상기 자력의 감지 여부를 통해 상기 지지물로부터의 이탈 여부를 감지하고 이탈이 발생시 자신의 이동 속도 변화를 감지하여 상기 이탈 정보 및 속도 정보를 무선 송신하는 상기 무선센서를 구비하는 무선 센싱 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 무선센서는
    상기 지지물 위에 위치하는 경우에는 상기 지지물로부터의 이탈 여부만을 감지하는 슬립 모드로 동작하며, 상기 지지물로부터 이탈이 발생시 정상 모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 무선 센싱 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 무선센서는
    상기 자력을 감지하여 상기 지지물로부터의 이탈 여부를 감지하며 이탈이 발생시 이탈신호를 발생시키는 마그네틱 센서;
    상기 무선센서의 속도 변화를 감지하는 가속도 센서;
    무선 송수신을 수행하는 무선 통신부; 및
    상기 마그네틱 센서로부터 상기 이탈신호를 수신시 정상 모드로 동작하여 상기 가속도 센서 및 무선 통신부에 전원을 공급하며, 상기 이탈 정보 및 속도 정보 를 수집하여 상기 무선 통신부를 통해 무선 송신하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 센싱 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 무선센서는
    지그비 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 센싱 장치.
  5. 다중 주파수 도약(multi frequency hopping) 기능을 지원하는 에드혹(ad-hoc) 라우팅 방식의 네트워크를 형성하는 복수의 무선 센싱 장치들 구비하며 상기 무선 센싱 장치들이 설치된 지역들의 침수 정보를 감지하여 무선 송신하는 무선센서 네트워크;
    상기 무선센서 네트워크로부터 상기 침수 정보를 수집하는 게이트웨이; 및
    상기 게이트웨이로부터 상기 침수 정보를 제공받아 이를 사용자가 지정한 형태로 가공하여 해당 지역의 침수 상황을 사용자에게 제공해주는 자료저장 및 해석용 서버를 구비하는 침수 감지 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 각 무선 센싱 장치는
    무선센서를 물리적으로 지지해주며 상기 무선센서에 자력을 제공하는 지지물; 및
    상기 자력의 감지 여부를 통해 상기 지지물로부터의 이탈 여부를 감지하고 이탈이 발생시 자신의 이동 속도 변화를 감지하여 감지된 정보를 상기 침수 정보로 서 무선 송신하는 상기 무선센서를 구비하는 침수 감지 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 무선센서는
    상기 지지물 위에 위치하는 경우에는 상기 지지물로부터의 이탈 여부만을 감지하는 슬립 모드로 동작하며, 상기 지지물로부터 이탈이 발생시 정상 모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 침수 감지 시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 무선센서는
    상기 자력을 감지하여 상기 지지물로부터의 이탈 여부를 감지하며 이탈이 발생시 이탈신호를 발생시키는 마그네틱 센서;
    상기 무선센서의 속도 변화를 감지하는 가속도 센서;
    무선 송수신을 수행하는 무선 통신부; 및
    상기 마그네틱 센서로부터 상기 이탈신호를 수신시 정상 모드로 동작하여 상기 가속도 센서 및 무선 통신부에 전원을 공급하며, 상기 침수 정보를 수집하여 상기 무선 통신부를 통해 무선 송신하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 침수 감지 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 침수 정보를 가장 근접한 다른 무선센서 또는 상기 게이트웨이로 송신하는 것을 특징으로 하는 침수 감지 시스템.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 침수 정보를 가장 통신상태가 양호한 다른 무선센서 또는 상기 게이트웨이로 송신하는 것을 특징으로 하는 침수 감지 시스템.
  11. 제 5항에 있어서, 상기 자료저장 및 해석용 서버는
    각 무선 센싱 장치들로부터의 침수 정보 및 해당 지역의 위험 수위에 대한 정보를 이용하여 해당 지역이 상기 위험 수위에 도달하는 시간을 계산하여 사용자에게 알려주는 것을 특징으로 하는 침수 감지 시스템.
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