KR101420276B1 - 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치 및 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치의 통신 수행 방법 - Google Patents

기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치 및 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치의 통신 수행 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치 및 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치의 통신 수행 방법에 대해 개시한다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치는, 광대역 가진원으로부터 발생된 진동을 전기로 변환하는 에너지 하베스팅 모듈; 상기 진동을 전달받도록 배치되는 탄성 부재; 및 상기 탄성부재에 의해 고정되어 상기 에너지 하베스팅 모듈로부터 상기 변환된 전기를 제공받고, 측정된 센싱 정보를 송신하는 통신 모듈을 포함하고, 상기 탄성 부재는 상기 통신 모듈을 위해 주파수의 범위 및 가속도의 크기를 제한하는 기계적 필터 구조로 이루어진다.

Description

기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치 및 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치의 통신 수행 방법{WIRELESS SENSOR DEVICE HAVING MECHANICAL FILTER AND COMMUNICATING METHOD THEREOF}
본 발명은 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치 및 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치의 통신 수행 방법에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술은 주변에서 버려지는 에너지를 수확(harvesting) 또는 폐이용(scavenge)하여 사용할 수 있는 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 에너지 하베스팅 기술은 자연의 빛 에너지, 인간 신체 또는 연소형 엔진으로부터의 저온 폐열 에너지, 휴대용 기기 탑재/부착 장치의 미세 진동 에너지, 인간의 신체 활동으로 인한 소산 에너지 등을 흡수하고, 열전소자 (Thermoelectric Element), 전기화학반응(Electrochemical Reaction), DC/AC 제너레이터, 피에조전기 트랜스듀서(Piezoelectric Transducer), 커패시터 트랜스듀서, 광전지 셀(Photovoltaic Cell) 등과 같은 에너지 하베스팅 소자들을 이용할 수 있다. 일반적으로, 에너지 하베스팅 기술을 통해 얻을 수 있는 전력 수준은 대략 마이크로 와트(㎼)에서 밀리 와트(㎽) 급 정도이다.
이러한 에너지 하베스팅 기술을 통해 생산된 에너지를 다양한 영역에서 활용하기 위한 시도 및 연구가 계속되고 있다.
구체적으로, 고속으로 운행하는 철도 또는 차량 등에서 발생하는 진동을 활용한 에너지 하베스팅 기술이 주목받고 있다. 예를 들면, 철도 차량에 포함되는 열차운영 시스템, 고압시스템, 견인시스템, 제동시스템, 보조전원 장치, 차체전기장치 등 다양한 시스템의 상태를 모니터링하기 위한 무선 센서가 철도 차량과 결합될 수 있고, 센싱된 정보가 무선 통신 경로를 통해 전송될 수 있다.
이와 관련하여, 미국공개특허 제 2012-0255349 호(발명의 명칭: MICRO-POWER SYSTEMS)는 차량에 부착되는 에너지 하베스팅 구조를 통해 에너지를 생산 및 관리하고, RF 통신을 수행하는 모듈을 구동시키는 전력으로 이렇게 생산 및 관리된 에너지를 활용하는 기술에 대해 개시하고 있다.
다만, 고속으로 운행하는 철도, 차량 또는 심한 진동을 발생시키는 기계 장치의 경우 고진동 또는 고열이 발생되기 때문에, 무선 통신을 통한 데이터 전송의 신뢰성이 담보되기 어려울 수 있다.
본 발명의 일부 실시예는 자가 발전을 위해 진동이 필요한 에너지 하베스팅 모듈과, 원활한 무선 통신을 위해 진동이 불필요한 통신 모듈의 성능을 모두 보장할 수 있는 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일부 실시예는 지속적으로 진동이 가해짐에 따라 발생하는 무선 통신의 성능 저하를 방지할 수 있는 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치의 통신 수행 방법을 제공하는 데에 다른 목적이 있다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치는, 광대역 가진원으로부터 발생된 진동을 전기로 변환하는 에너지 하베스팅 모듈; 상기 진동을 전달받도록 배치되는 탄성 부재; 및 상기 탄성부재에 의해 고정되어 상기 에너지 하베스팅 모듈로부터 상기 변환된 전기를 제공받고, 측정된 센싱 정보를 송신하는 통신 모듈을 포함하고, 상기 탄성 부재는 상기 통신 모듈을 위해 주파수의 범위 및 가속도의 크기를 제한하는 기계적 필터 구조로 이루어진다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치가 통신을 수행하는 방법은, 광대역 가진원으로부터 발생된 진동을 전기로 변환시키는 에너지 하베스팅 모듈로부터 상기 전기를 제공받아 구동되는 단계; 및 상기 진동을 전달받도록 배치되는 탄성 부재에 의해 고정된 통신 모듈이 센서로부터 전달된 센싱 정보를 송신하는 단계를 포함하고, 상기 탄성 부재는 상기 통신 모듈을 위해 주파수의 범위 및 가속도의 크기를 제한하는 기계적 필터 구조로 이루어져, 상기 기계적 필터 구조를 거친 진동을 상기 통신 모듈로 전달한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나인 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치는, 주파수의 범위 및 가속도의 크기를 제한하는 기계적 필터 구조로 이루어지는 탄성 부재를 포함함으로써, 랜덤 진동에 오랜 시간 동안 노출되더라도 안정적으로 RF 무선 통신을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나인 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치의 통신 수행 방법을 사용하면, 진동으로부터 최대의 에너지를 생산할 수 있고, 그와 동시에 RF 무선 통신을 통해 안정적으로 측정된 센싱 정보를 전송할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치의 구조를 도시한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 통신 모듈의 상세 구성을 설명하기 위한 도면,
도 3은 도 1에 도시된 무선 센서 장치가 설치되는 위치의 일 예를 나타내는 도면,
도 4a 내지 도 4d는 실제 주행 중인 열차에서 발생하는 랜덤 진동을 분석한 그래프,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치의 통신 수행 방법을 나타낸 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치의 구조를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅에 의해 구동되는 무선 센서 장치(100)은 에너지 하베스팅 모듈(10), 탄성 부재(20) 및 통신 모듈(30)을 포함한다.
에너지 하베스팅 모듈(10)은 광대역 가진원으로부터 발생된 진동을 전기로 변환한다. 이때, 에너지 하베스팅 모듈(10)은 진동이 가지는 주파수 별 평균 가속도가 최대일 때의 주파수를 이용하여 진동을 전기로 변환할 수 있고, 그로 인해 에너지 변환 효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 광대역 가진원이란 넓은 주파수 대역에 걸쳐서 진동을 발생시키는 근원지로서, 기계 부품, 기계구조물 또는 운송기계(철도차량, 항공기, 선박 등) 및 회전기계(모터, 펌프, 감속기/증속기, 풍력발전기 블레이드 등) 등이 이에 포함될 수 있다.
탄성 부재(20)는 진동을 전달받도록 배치되고, 후술할 통신 모듈(30)을 위해 주파수의 범위 및 가속도의 크기를 제한하는 기계적 필터 구조로 이루어진다. 이때, 탄성 부재(20)의 배치 위치는 도 1처럼 에너지 하베스팅 모듈(10)의 윗면일 수 있으나, 광대역 가진원으로부터 발생된 진동을 전달받을 수 있는 위치라면 특별히 제한되는 것은 아니다.
구체적으로, 탄성 부재(20)는 스프링(21), 탄성 매쓰(22) 및 댐퍼(23)를 포함할 수 있다.
스프링(21)은 통신 모듈(30)의 스펙에 따라 미리 설정된 고유 주파수를 가지고, 주파수의 범위를 제한한다.
이때, 고유 주파수(f)는 통신 모듈(30)의 질량(M1), 탄성 매쓰(22)의 질량(M2) 및 스프링의 고유 상수(k)를 기초로 아래 수학식 1처럼 미리 설정될 수 있다. 참고로, 수학식 1에서 m(kg)은 M1과 M2를 더한 값이다.
Figure 112013038349735-pat00001
또한, 주파수의 범위는, 진동이 가지는 주파수 별 평균 가속도가 미리 설정된 기준 값 이하인 상태로, 스프링(21)에 의해 제한될 수 있는데, 상세한 설명은 후술하기로 한다.
탄성 매쓰(22)는 스프링(21) 상에 배치되어 가속도의 크기를 제한할 수 있다. 이렇게 통신 모듈(30)에 가해지는 진동의 가속도가 제한되기 때문에, 통신 모듈(30)이 안정적으로 무선 통신을 수행할 수 있고, 성능 감소를 최소화할 수 있다.
댐퍼(23)는 스프링(21) 및 탄성 매쓰(22)의 이동 변위를 제한할 수 있다. 댐퍼(23)는 스프링(21) 및 탄성 매쓰(22)의 주변에 배치되어 이들의 이동 변위를 제한하기 때문에, 스프링(21) 및 탄성 매쓰(22)에 의한 제한 효과를 향상시킬 수 있다.
통신 모듈(30)은 상술한 탄성부재(20)에 의해 고정되어 에너지 하베스팅 모듈(10)로부터 변환된 전기를 제공받고, 후술할 센서(32)로부터 측정된 센싱 정보를 송신한다. 이하, 도 2를 참고하여 통신 모듈(30)에 대해 설명하기로 한다. 도 2는 도 1에 도시된 통신 모듈의 상세 구성을 설명하기 위한 도면이다.
통신 모듈(30)은 전력 변환부(31), 센서(32), 제어부(Machine Control Unit, 33), 무선 통신부(34) 및 안테나(35)를 포함할 수 있다.
전력 변환부(31)는 에너지 하베스팅 모듈(10)과 케이블(40)로 연결될 수 있고, 에너지 하베스팅 모듈(10)로부터 변환된 전기를 제공받아 각 구성들이 필요로 하는 전력을 적절하게 분배할 수 있다.
센서(32)는 각 설비의 상태, 성능 등을 지속적으로 모니터링하기 위한 구성으로서, 측정된 센싱 정보를 제어부(33)로 전달할 수 있다. 또한, 센서(32)는 설치되는 위치에 따라 종류, 형태, 스펙 등이 달라질 수 있다. 덧붙여, 센서(32)는 도 2에 도시된 것처럼 통신 모듈(30) 내에 포함될 수 있지만, 각 설비의 상태, 성능을 정확하게 모니터링할 수 있는 위치에 설치될 수도 있으며, 설치되는 위치가 특별하게 한정되는 것은 아니다.
제어부(33)는 상술한 센서(32)로부터 전달된 센싱 정보를 처리하여 안테나(35)와 연결된 무선 통신부(34)로 보낼 수 있다. 또한, 제어부(33)는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 구비할 수 있고, 센싱 정보는 아날로그 디지털 컨버터를 거쳐 처리될 수 있다. 덧붙여, 무선 통신부(34)는 센싱 정보를 기초로 설비의 상태나 성능을 분석하는 관리자로부터 전달된 명령 정보를 수신할 수 있고, 명령 정보를 제어부(33)로 전달할 수 있다.
에너지 하베스팅 모듈(10)을 포함하는 무선 센서 장치(100)가 도 3과 같이 진동이 발생하는 위치 또는 광대역 가진원 부근에 설치되기 때문에, 통신 모듈(30)은 무선 통신을 방해받을 수 있다. 도 3은 도 1에 도시된 무선 센서 장치가 설치되는 위치의 일 예를 나타내는 도면이다.
다시 말하자면, 통신 모듈(30)은 RF 무선 통신을 수행하는 도중에 지속적으로 진동에 노출된 상태이고, 이러한 진동은 통신의 송수신율을 감소시킬 수 있으며, 전체적인 무선 센서 장치(100)의 성능에 악영향을 끼칠 수 있다.
따라서, 본 발명에서 제안되는 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치(100)는 기계적 필터 구조로 이루어진 탄성 부재(20)를 포함함으로써, 통신 모듈(30)로 전달되는 진동을 적절하게 감쇄시킬 수 있다. 이로 인해 에너지 하베스팅 모듈(10) 및 통신 모듈(30)의 성능을 일정 수준 이상으로 유지시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 실제 주행 중인 열차에서 발생하는 랜덤 진동을 분석한 그래프이다.
구체적으로, 도 4a는 열차 주행시 차축에서 측정된 시간 대비 수직 방향 가속도를 나타낸 것이다. 측정된 가속도 RMS 값은 46.65 m/s2이고, 열차 주행시 차축에서 광대역의 큰 가속도를 가진 랜덤 진동이 발생한다는 것을 확인할 수 있다.
도 4b는 상술한 랜덤 진동이 가지는 주파수 별 평균 가속도를 나타낸 것이다. 이는 도 4a 에 나타난 데이터를 FFT한 결과이고, 전체 주행 시간 동안 각 주파수에서 발생한 가속도의 평균 값을 도식화한 것이다. 전체 주행 시간 동안 최대 평균 가속도는 3.86 m/s2이라는 것을 알 수 있고, 평균 가속도가 최대인 때의 주파수는 53Hz이다. 에너지 하베스팅 모듈(10)은 53Hz의 주파수를 이용하여 진동을 전기로 변환할 수 있고, 그로 인해 에너지 변환 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 탄성 부재(20)는 주파수의 범위 및 가속도의 크기를 제한하는 구조로 이루어지고, 주파수의 범위는 랜덤 진동이 가지는 주파수 별 평균 가속도가 미리 설정된 기준 값(A) 이하인 상태로 탄성 부재(20) 또는 스프링(21)에 의해 제한될 수 있다. 즉, 탄성 부재(20)는 주파수의 범위를 약 200Hz 이상인 주파수 영역(B)으로 제한하는 기계적 필터 역할을 수행할 수 있다. 이렇게 제한된 범위의 주파수를 가진 진동이 통신 모듈(30)로 전달되고, 스프링(21), 탄성 매쓰(22) 및 댐퍼(23)가 함께 작용하므로, 통신 모듈(30)의 성능이 일정 수준 이상으로 보장될 수 있다.
나아가, 도 4c는 탄성 부재(20)에 의한 주파수 필터링 효과를 나타낸 것이고, 도 4d는 주파수 별 평균 전압을 나타낸 것이다. 약 53 Hz 이후 주파수 영역(C)에서의 평균 전압 피크 값은 고조파 성분으로서, 53Hz에서의 평균 전압 값보다 낮게 형성된다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치(100)가 에너지 하베스팅을 통해 통신을 수행하는 방법에 대해 도 5를 참고하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치의 통신 수행 방법을 나타낸 순서도이다.
무선 센서 장치(100)는, 광대역 가진원으로부터 발생된 에너지 하베스팅 모듈(10)에 의해 변환된 전기를 제공받아 구동된다(S110).
또한, 진동을 전달받도록 배치되는 탄성 부재(20)에 의해 고정된 무선 센서 장치(100) 내 통신 모듈(30)이 센서(32)로부터 전달된 센싱 정보를 송신한다(S120).
특히, 탄성 부재(20)는 주파수의 범위 및 가속도의 크기를 제한하는 기계적 필터 구조로 이루어져, 기계적 필터를 거친 진동을 통신 모듈(30)로 전달한다. 이로 인해 랜덤 진동에 오랜 시간 노출되더라도 통신 모듈(30)은 일정 수준 이상의 성능을 유지할 수 있다.
이때, 주파수의 범위는, 진동이 가지는 주파수 별 평균 가속도가 미리 설정된 기준 값 이하인 상태로, 탄성 부재(20)에 의해 제한될 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명에서 제안된 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치의 통신 수행 방법을 사용하면, 기계적 필터를 거친 진동을 전달받게 되어 일정 수준 이상의 RF 무선 통신을 안정적으로 수행할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 에너지 하베스팅 모듈 20 : 탄성 부재
21 : 스프링 22 : 탄성 매쓰
23 : 댐퍼 30 : 통신 모듈
40 : 케이블 100 : 무선 센서 장치

Claims (8)

  1. 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치에 있어서,
    광대역 가진원으로부터 발생된 진동을 전기로 변환하는 에너지 하베스팅 모듈;
    상기 진동을 전달받도록 배치되는 탄성 부재; 및
    상기 탄성부재에 의해 고정되어 상기 에너지 하베스팅 모듈로부터 상기 변환된 전기를 제공받고, 측정된 센싱 정보를 송신하는 통신 모듈을 포함하고,
    상기 탄성 부재는 상기 통신 모듈을 위해 주파수의 범위 및 가속도의 크기를 제한하는 기계적 필터 구조로 이루어지는
    기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성 부재는
    상기 통신 모듈의 스펙에 따라 미리 설정된 고유 주파수를 가지고, 상기 주파수의 범위를 제한하는 스프링; 및
    상기 스프링 상에 배치되어 상기 가속도의 크기를 제한하는 탄성 매쓰(mass)를 포함하는
    기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 고유 주파수는 상기 통신 모듈의 질량, 상기 탄성 매쓰의 질량 및 상기 스프링의 고유 상수를 기초로 미리 설정되는 것인, 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 탄성 부재는
    상기 스프링 및 상기 탄성 매쓰의 이동 변위를 제한하는 댐퍼(damper)를 더 포함하는 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 주파수의 범위는 상기 진동이 가지는 주파수 별 평균 가속도가 미리 설정된 기준 값 이하인 상태로 제한되는 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 하베스팅 모듈은 상기 진동이 가지는 주파수 별 평균 가속도가 최대일 때의 주파수를 이용하여 상기 진동을 전기로 변환하는 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치.
  7. 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치가 통신을 수행하는 방법에 있어서,
    광대역 가진원으로부터 발생된 진동을 전기로 변환시키는 에너지 하베스팅 모듈로부터 상기 전기를 제공받아 구동되는 단계; 및
    상기 진동을 전달받도록 배치되는 탄성 부재에 의해 고정된 통신 모듈이 센서로부터 전달된 센싱 정보를 송신하는 단계를 포함하고,
    상기 탄성 부재는 상기 통신 모듈을 위해 주파수의 범위 및 가속도의 크기를 제한하는 기계적 필터 구조로 이루어져, 상기 기계적 필터 구조를 거친 진동을 상기 통신 모듈로 전달하는 것인,
    기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치의 통신 수행 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 주파수의 범위는 상기 진동이 가지는 주파수 별 평균 가속도가 미리 설정된 기준 값 이하인 상태로 제한되는 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치의 통신 수행 방법.
KR1020130048539A 2013-04-30 2013-04-30 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치 및 기계적 필터를 구비한 무선 센서 장치의 통신 수행 방법 KR101420276B1 (ko)

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