KR101640775B1 - 무선 네트워크 기반의 실시간 계측 시스템 - Google Patents

무선 네트워크 기반의 실시간 계측 시스템 Download PDF

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KR101640775B1 KR1020150084978A KR20150084978A KR101640775B1 KR 101640775 B1 KR101640775 B1 KR 101640775B1 KR 1020150084978 A KR1020150084978 A KR 1020150084978A KR 20150084978 A KR20150084978 A KR 20150084978A KR 101640775 B1 KR101640775 B1 KR 101640775B1
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Abstract

측정 센서(예를 들어, 로드 셀(load cell), 토양 수분 센서 등)의 고유 특성에 대응한 교정 값을 적용하여 정확하게 측정하고, 측정 신호를 변환한 디지털 신호를 실제 측정값으로 변환하여 외부의 관리 서버에 전송하여 무선 네트워크 기반으로 실시간 계측할 수 있도록 한 무선 네트워크 기반의 실시간 계측 시스템에 관한 것으로서, 측정 대상을 측정하는 측정센서; 상기 측정센서로부터 측정된 측정값을 증폭하고, 디지털 측정 신호로 변환하는 아날로그/디지털 컨버터; 및 상기 아날로그/디지털 컨버터로부터 출력되는 디지털 측정 신호를 교정한 후 실제 측정값으로 수치화하고, 수치화된 측정 데이터를 무선 신호로 만들어 원격의 관리 서버로 중계해주는 무선 중계기를 포함하여 무선 네트워크 기반의 실시간 계측 시스템을 구현한다.

Description

무선 네트워크 기반의 실시간 계측 시스템{Wireless network-based real-time measurement system}
본 발명은 무선 네트워크 기반 실시간 계측 시스템에 관한 것으로, 특히 측정 센서(예를 들어, 로드 셀(load cell), 수분 센서 등)의 고유 특성에 대응한 교정 값을 적용하여 정확하게 측정하고, 측정 신호를 변환한 디지털 신호를 실제 측정값으로 변환하여 외부의 관리 서버에 전송하여 무선 네트워크 기반으로 실시간 계측할 수 있도록 한 무선 네트워크 기반의 실시간 계측 시스템에 관한 것이다.
하중을 계측하거나 토양 수분을 측정하기 위해 다양한 측정 센서가 있으며, 그 중 하중을 위한 센서로 많이 사용되는 로드 셀은 힘이나 하중 등의 물리량을 전기적 신호로 변환시켜 힘이나 하중을 측정하는 하중감지센서이다. 전자저울은 로드 셀과 인디케이터로 구성되는 데, 로드 셀은 물체가 가지는 고유한 성질인 무게 정보를 측정하여 이를 디지털 중량 표시장치인 인디케이터로 보내고, 이를 전달받은 인디케이터는 표시부에 디지털 형식으로 중량을 표시한다.
전자저울을 이용할 경우, 사용자는 현장에서 인디케이터를 직접 확인하여 측정한 무게를 인식한다. 상기와 같은 무게 측정 방식은 사용자가 현장에서만 무게를 확인해야 하는 불편함이 따른다.
이러한 불편함을 극복하고 원격에서 로드 셀이 설치된 전자저울을 통해 측정한 무게 계측 값을 실시간으로 확인할 수 있도록 하는 시스템이 개발 및 연구되고 있다.
하기의 <특허문헌 1>에 원격에서 로드 셀을 이용하여 계측한 무게 계측 값을 실시간으로 확인하기 위한 종래기술이다.
<특허문헌 1>에 개시된 종래기술은 현장의 로드 셀로 적재물의 하중을 검출하여 측정된 데이터 값을 지그비 신호에 실어 송신하고, 원격에서 지그비 프로토콜을 이용한 무선 통신으로 로드 셀에 의해 측정된 무게 데이터 값을 수신하여 디스플레이한다. 이로써 관리자는 원격에서 현장에 설치된 로드 셀로 측정한 무게 계측 값을 실시간으로 확인할 수 있다.
등록특허 제10-0636708호(2006.10.13)
그러나 상기와 같은 종래기술은 지그비 프로토콜을 이용하여 원격 계량은 가능하나, 현장에 설치된 로드 셀마다 상이한 고유 특성에 대한 교정(calibration)이 불가능하고, 웹 및 모바일 등에서 동작하는 반응형 모니터링 시스템은 제공해주지 못하는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 측정 센서(예를 들어, 로드 셀(load cell), 수분 센서 등)의 고유 특성에 대응한 교정 값을 적용하여 정확하게 측정하고, 측정 신호를 변환한 디지털 신호를 실제 측정값으로 변환하여 외부의 관리 서버에 전송하여 무선 네트워크 기반으로 실시간 계측할 수 있도록 한 무선 네트워크 기반의 실시간 계측 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 무선 네트워크 기반의 실시간 계측 시스템은 측정 대상의 무게 또는 수분을 측정하는 측정 센서; 상기 측정센서로부터 측정된 측정값을 증폭하고, 디지털 측정 신호로 변환하는 아날로그/디지털 컨버터; 상기 아날로그/디지털 컨버터로부터 출력되는 디지털 무게 측정 신호를 교정한 후 실제 측정값으로 수치화하고, 수치화된 측정 데이터를 무선 신호로 만들어 원격의 관리 서버로 중계해주는 무선 중계기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 아날로그/디지털 컨버터는 입력 전원을 정전압으로 만들어 구동 전원을 공급해주는 정전압기; 상기 로드 셀로부터 측정된 측정값을 입력받는 멀티플렉서; 상기 멀티플렉서에서 출력되는 측정값을 설정된 이득에 따라 증폭하는 증폭기; 상기 증폭기에서 출력되는 아날로그 측정값을 디지털 측정신호로 변환하는 신호 변환기; 상기 신호 변환기에서 변환된 디지털 측정 신호를 상기 무선 중계기와 인터페이스 하기 위한 신호로 포맷하여 상기 무선 중계기에 전송하는 디지털 인터페이스기; 발진 주파수를 생성하여 상기 멀티플렉서와 신호 변환기에 전달해주는 발진기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 무선 중계기는 상기 아날로그/디지털 컨버터와의 신호 입력 및 출력을 제어하는 제1프로세서; 상기 제1프로세서를 통해 출력되는 디지털 측정 신호를 교정한 후 실제 측정값으로 수치화하는 브리지 라이브러리; 상기 브리지 라이브러리에서 출력되는 수치화된 측정 데이터를 무선 신호로 전송토록 제어하는 제2프로세서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 무선 중계기는 호스트(HOST)와 USB 방식으로 데이터를 상기 제2프로세서에 인터페이스해주는 USB 호스트 단자; 상기 수치화된 측정 데이터를 저장하며, 임베디드 시스템용 리눅스 프로그램이 저장된 SD 카드; 상기 제2프로세서와 와이-파이로 데이터를 인터페이스하기 위한 와이-파이 통신 모듈; 상기 원격의 관리 서버와 이더넷 방식으로 데이터를 인터페이스하기 위한 이더넷 인터페이스기; 외부 기기와 데이터를 USB 방식으로 인터페이스 하기 위한 USB 단자를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 브리지 라이브러리는 측정센서의 수치를 맞추기 위해 하기와 같은 수식의 교정 값을 적용하는 것을 특징으로 한다.
<수식>
Figure 112015057950242-pat00001
여기서 2.03은 기울기 보정 값이며, 2.05는 반올림된 수치 획득을 위한 변수이다.
본 발명에 따르면 측정센서(로드 셀(load cell))의 고유 특성에 대응한 교정 값을 적용함으로써, 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 OpenWRT 기반의 임베디드 시스템용 리눅스를 이용하여 측정 신호를 변환한 디지털 신호를 실제 측정값으로 변환하여 외부의 관리 서버에 전송함으로써, 원격에서 실시간으로 정확하게 무게나 토양 수분을 계측할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 네트워크 기반의 실시간 무게 시스템의 블록 구성도,
도 2는 도 1의 아날로그/디지털 컨버터의 실시 예 블록 구성도,
도 3은 도 1의 무선 중계기의 실시 예 블록 구성도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명에서 C++를 이용하여 개발한 프로그래밍 코드의 예시도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 네트워크 기반의 실시간 계측 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 네트워크 기반의 실시간 계측 시스템의 블록 구성도이다.
본 발명에 따른 무선 네트워크 기반의 실시간 계측 시스템은 측정센서, 아날로그/디지털 컨버터(200) 및 무선 중계기(300)를 포함한다.
여기서 측정 센서(100)는 무게를 측정하는 로드 셀 또는 토양 수분을 측정하는 토양 수분 측정 센서를 의미하나, 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 로드 셀을 이용하는 것으로 설명한다.
상기 로드 셀(100)은 측정 대상의 무게를 측정하는 역할을 한다.
상기 아날로그/디지털 컨버터(200)는 상기 로드 셀(100)로부터 측정된 무게 측정값을 증폭하고, 디지털 무게측정 신호로 변환하는 역할을 한다.
이러한 아날로그/디지털 컨버터(200)는 입력 전원(2.7 ~ 5.5V)을 정전압으로 만들어 구동 전원을 공급해주는 정전압기(207); 상기 로드 셀(100)로부터 측정된 측정값을 입력받는 멀티플렉서(201); 상기 멀티플렉서(201)에서 출력되는 측정값을 설정된 이득에 따라 증폭하는 증폭기(202); 상기 증폭기(202)에서 출력되는 아날로그 측정값을 디지털 측정신호로 변환하는 신호 변환기(203); 상기 신호 변환기(203)에서 변환된 디지털 측정 신호를 상기 무선 중계기(300)와 인터페이스 하기 위한 신호로 포맷하여 상기 무선 중계기(300)에 전송하는 디지털 인터페이스기(204); 발진 주파수를 생성하여 상기 멀티플렉서(201)와 신호 변환기(203) 및 디지털 인터페이스기(204)에 전달해주는 발진기(206); 밴드 갭(Bandgap) 기준 값을 설정하는 기준값 설정부(205)를 포함한다.
상기 무선 중계기(300)는 상기 아날로그/디지털 컨버터(200)로부터 출력되는 디지털 측정 신호를 교정한 후 실제 측정값으로 수치화하고, 수치화된 측정 데이터를 무선 신호로 만들어 원격의 관리 서버로 중계해주는 역할을 한다.
이러한 무선 중계기(300)는 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 아날로그/디지털 컨버터(200)와의 신호 입력 및 출력을 제어하는 제1프로세서(310); 상기 제1프로세서(310)를 통해 출력되는 디지털 측정 신호를 교정한 후 실제 측정값(예를 들어, 저울 값)으로 수치화하는 브리지 라이브러리(320); 상기 브리지 라이브러리(320)에서 출력되는 수치화된 측정 데이터(예를 들어, 무게 데이터)를 무선 신호로 전송토록 제어하는 제2프로세서(330)를 포함한다.
바람직하게 상기 무선 중계기(300)는 호스트(HOST)와 USB 방식으로 데이터를 상기 제2프로세서(300)에 인터페이스해주는 USB 호스트 단자(340); 상기 수치화된 무게 데이터를 저장하며, 임베디드 시스템용 리눅스 프로그램이 저장된 SD 카드(350); 상기 제2프로세서(330)와 와이-파이(wi-fi)로 데이터를 인터페이스하기 위한 와이-파이 통신 모듈(370); 상기 원격의 관리 서버와 이더넷 방식으로 데이터를 인터페이스하기 위한 이더넷 인터페이스기(380); 외부 기기와 USB 방식으로 데이터를 인터페이스하기 위한 USB단자(360)를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 네트워크 기반의 실시간 계측 시스템의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 현장에서 측정 대상의 무게를 계측하는 로드 셀(100)은 측정 대상의 무게를 측정하여 획득한 무게 측정값을 아날로그/디지털 컨버터(200)에 전달한다. 여기서 측정 센서가 토양 수분 센서일 경우, 측정 대상의 수분을 측정하여 획득한 수분 측정값이 아날로그/디지털 컨버터(200)에 전달된다. 이때, 무게 측정값은 수 mV단위의 미세한 신호이다.
여기서 로드 셀(100)과 아날로그/디지털 컨버터(200)를 합하여 로드 셀 전자저울이라고 할 수 있다. 또한, 토양 수분 센서와 아날로그/디지털 컨버터를 합하여 수분 측정 장치로라고 할 수 있다.
상기 아날로그/디지털 컨버터(200)는 입력되는 미세한 신호인 아날로그 무게 측정값을 설정된 이득만큼 증폭하고, 그 증폭된 무게 측정값을 디지털 무게 측정신호로 변환을 하여, 무선 중계기(300)에 전달한다.
아날로그/디지털 컨버터(200)는 24비트 아날로그/디지털 컨버터를 이용하며, 로드 셀(100) 또는 스트레인 게이지 센서의 미소신호(수 mV)를 내부에 내장된 프로그래머블 앰프(PGA)로 32배, 64배, 128배 등으로 증폭하고, 이를 24비트 디지털 신호로 변환한다. 2채널 동시 사용이 가능하므로 4선식 로드 셀을 최대 2개까지 연결할 수 있다.
도 2는 상기 아날로그/디지털 컨버터(200)의 상세 구성도이다.
정전압기(207)를 통해 입력 전원(2.7 ~ 5.5V)을 소정의 정전압으로 만들어 전원을 필요로 하는 부분에 구동 전원을 공급해준다. 전원 공급이 이루어진 상태에서, 발진기(206)는 동작 클록 및 동작 주파수를 위한 발진주파수를 생성하여 클록 및 주파수를 필요로하는 부분에 공급해준다.
동작 상태가 되면, 멀티플렉서(201)는 상기 로드 셀(100)로부터 측정된 무게 측정값을 입력받아 출력한다. 2채널 사용시 멀티플렉서(201)에 의해 특정 채널을 선택할 수 있다. 증폭기(202)는 상기 멀티플렉서(201)에서 출력되는 무게 측정값을 설정된 이득에 따라 증폭한다. 예컨대, 입력 신호를 32배, 64배, 128배와 같이 증폭한다. 증폭된 신호는 신호 변환기(203)에 입력되며, 신호 변환기(203)는 상기 증폭기(202)에서 출력되는 아날로그 무게 측정값을 디지털 무게 측정신호로 변환한다. 디지털 인터페이스기(204)는 상기 신호 변환기(203)에서 변환된 디지털 무게 측정 신호를 상기 무선 중계기(300)와 인터페이스 하기 위한 인터페이스 포맷에 맞게 변환된 디지털 데이터를 포맷하여 무선 중계기(300)에 전송한다. 여기서 기준 값 설정부(205)는 밴드 갭(Bandgap) 기준 값을 설정하는 역할을 한다.
다음으로, 무선 중계기(300)는 상기 아날로그/디지털 컨버터(200)로부터 변환된 디지털 무게 측정신호를 실제 전자저울 값으로 수치화한다. 이를 위해, 별도의 프로그래밍 코드가 필요하며, 도 4a 및 도 4b는 본 발명에서 C++를 이용하여 개발한 프로그래밍 코드이다.
무선 중계기(300)는 도 3에 도시한 바와 같이, 제1프로세서(310)에서 상기 아날로그/디지털 컨버터(200)로부터 출력되는 디지털 무게 측정신호를 USB 단자(360)로부터 입력받아 브리지 라이브러리(320)에 전달한다. 아울러 제2프로세서(330)로부터 전송되는 데이터는 상기 USB 단자(360)를 통해 아날로그/디지털 컨버터(200)로 전송한다. 여기서 아날로그/디지털 컨버터(200)로 전송하는 데이터는 증폭 이득일 수 있다.
상기 브리지 라이브러리(320)는 상기 제1프로세서(310)로부터 출력되는 디지털 무게 측정 신호를 교정 값을 이용하여 교정한 후, 실제 저울 값으로 수치화하고, 수치화된 무게 데이터를 와이-파이 통신모듈(370) 또는 이더넷 인터페이스기(380)를 통해 원격에 위치한 리눅스 관리 서버로 전송한다.
로드 셀의 수치를 맞추기 위해 교정 값이 필요하며, 로드 셀의 교정 값은 하기의 [수학식1]과 같다.
Figure 112016043195665-pat00010
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삭제
여기서 2.03은 최종 저울의 기울기 보정 값이며, 2.05는 반올림된 수치 획득을 위한 변수이고, 센서 고유 특성값은 무게 측정을 위해 사용된 센서마다 미리 설정된 고유 특성값을 의미한다.
24비트 아날로그/디지털 컨버터(200)를 통해 읽은 초기 값을 교정하여 무게 수치 즉, Weight_S를 구한다. 로드 셀마다 고유의 특성이 다르므로 교정 값이 달라지게 되며, 추후 로드 셀의 교체 시에는 새로운 교정 값을 적용한다.
상기 브리지 라이브러리(320)를 통해 변환된 디지털 무게 계측 데이터는 제2프로세서(330)를 통해, 와이-파이 무선 신호 또는 LAN 프로토콜 데이터로 포맷되어, 원격에 위치한 리눅스 관리 서버로 전송된다. 이때 외부 리눅스 관리 서버로 전송하는 코드는 마이크로 SD카드(350)에서 실행된다.
여기서 아날로그/디지털 컨버터(200)에서 무선 중계기(300)로 전달되는 디지털 무게 측정 데이터를 LCD 디스플레이 창을 통해 확인하는 것도 가능하다. 예컨대, 무선 중계기(300)에 입력되는 디지털 무게 측정 데이터를 LCD 디스플레이기에 연결함으로써, 실제 측정되고 있는 무게 계측 데이터를 실시간으로 중계기에서 바로 확인할 수 있다.
여기서 무선 중계기는 다양하게 활용될 수 있다. 예컨대, 토양 수분 센서와 결합하여 토양의 수분을 측정하는 것으로 응용할 수 있다.
한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 무선 중계기에서 수집된 측정값은 무선 중계기의 와이-파이나 랜을 통해 외부 웹 서버(리눅스 관리 서버)에 전송된다. 웹 서버에 수집된 데이터는 웹 브라우저, 모바일 기기에서 확인할 수 있게 된다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
100: 로드 셀
200: 아날로그/디지털 컨버터
201: 멀티플렉서
202: 증폭기
203: 신호 변환기
204: 디지털 인터페이스기
300: 무선 중계기
310: 제1프로세서
320: 브리지 라이브러리
330: 제2프로세서

Claims (7)

  1. 측정 대상의 무게 또는 수분을 측정하는 측정 센서;
    상기 측정센서로부터 측정된 측정값을 증폭하고, 디지털 측정 신호로 변환하는 아날로그/디지털 컨버터; 및
    상기 아날로그/디지털 컨버터로부터 출력되는 디지털 측정 신호를 교정한 후 실제 측정값으로 수치화하고, 수치화된 측정 데이터를 무선 신호로 만들어 원격의 관리 서버로 중계해주는 무선 중계기를 포함하고,
    상기 무선 중계기는,
    상기 아날로그/디지털 컨버터와의 신호 입력 및 출력을 제어하는 제1프로세서; 상기 제1프로세서를 통해 출력되는 디지털 측정 신호를 교정한 후 실제 측정값으로 수치화하는 브리지 라이브러리; 및 상기 브리지 라이브러리에서 출력되는 수치화된 측정 데이터를 무선 신호로 전송토록 제어하는 제2프로세서를 포함하며,
    상기 브리지 라이브러리는,
    측정 센서가 로드 셀일 경우, 로드 셀의 수치를 맞추기 위해 하기와 같은 수식의 교정 값을 적용하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 기반의 실시간 계측 시스템.
    <수식>
    Figure 112016043195665-pat00011

    여기서 2.03은 최종 저울의 기울기 보정 값이며, 2.05는 반올림된 수치 획득을 위한 변수이고, 센서 고유 특성값은 무게 측정을 위해 사용된 센서마다 미리 설정된 고유 특성값을 의미한다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 아날로그/디지털 컨버터는,
    입력 전원을 정전압으로 만들어 구동 전원을 공급해주는 정전압기;
    상기 측정센서로부터 측정된 측정값을 입력받는 멀티플렉서;
    상기 멀티플렉서에서 출력되는 측정값을 설정된 이득에 따라 증폭하는 증폭기;
    상기 증폭기에서 출력되는 아날로그 측정값을 디지털 측정신호로 변환하는 신호 변환기;
    상기 신호 변환기에서 변환된 디지털 측정 신호를 상기 무선 중계기와 인터페이스 하기 위한 신호로 포맷하여 상기 무선 중계기에 전송하는 디지털 인터페이스기; 및
    발진 주파수를 생성하여 상기 멀티플렉서와 신호 변환기에 전달해주는 발진기를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 기반의 실시간 계측 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 측정 센서는,
    로드 셀 또는 토양 수분 센서 중 적어도 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 기반의 실시간 계측 시스템.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 무선 중계기는,
    호스트(HOST)와 USB 방식으로 데이터를 상기 제2프로세서에 인터페이스해주는 USB 호스트 단자;
    상기 수치화된 무게 데이터를 저장하며, 임베디드 시스템용 리눅스 프로그램이 저장된 SD 카드;
    상기 제2프로세서와 와이-파이로 데이터를 인터페이스하기 위한 와이-파이 통신 모듈;
    상기 원격의 관리 서버와 이더넷 방식으로 데이터를 인터페이스하기 위한 이더넷 인터페이스기;
    외부 기기와 데이터를 USB 방식으로 인터페이스 하기 위한 USB 단자를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 기반의 실시간 계측 시스템.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 무선 중계기는,
    측정센서를 통해 계측된 계측 데이터를 와이-파이 또는 랜(LAN)을 통해 원격의 리눅스 관리 서버로 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 기반의 실시간 계측 시스템.
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