KR101801029B1

KR101801029B1 - 사물인터넷을 이용한 수질관리장치

Info

Publication number: KR101801029B1
Application number: KR1020160045865A
Authority: KR
Inventors: 길주형
Original assignee: 길주형
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2017-11-27
Also published as: KR20170118308A

Abstract

본 발명은 스마트팜, 수경재배 등의 농업 및 양식장, 양만장 등의 어업에 이용하는 물의 특성을 실시간으로 파악하도록 구체적인 해결방안을 제시하는 동시에 2Wire 방식의 전원/신호 전달방식으로 신호의 장거리 전송 안정성 및 구조를 간단화하며 수질의 품질이 일정하게 유지되도록 사물인터넷 기반을 통해 실시간 관리 제어가능한 사물인터넷을 이용한 수질관리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물의 특성을 측정하도록 다수개의 센서로 이루어지는 여러 개의 센서그룹, 상기 센서그룹의 센서에 각각 연결되어 전원을 센서그룹에 공급하는 동시에 측정신호를 검출하여 아날로그출력신호를 규격신호로 변환하는 컨버터, 상기 컨버터에 연결되어 변환된 국제통일규격신호를 전달받으며 외부기기로 사물인터넷 통신가능한 콘트롤러, 상기 콘트롤러에서 신호를 전달받아 센서의 측정값을 표시하는 로컬패널로 구성하여; 컨버터의 전원선에서 측정신호를 전달하며 센서의 기전력을 국제통일규격신호로 변환하여 별도의 변환 과정이 불필요하게 되어 응답성이 빠르며 구조가 간단한 효과가 있다.

Description

사물인터넷을 이용한 수질관리장치{Water quality management system using Internet of Things}

본 발명은 수질관리장치에 관한 것으로, 특히 물을 이용하는 농업 및 어업을 사물인터넷 기반을 통해 실시간 관리 제어와 일정한 수질의 품질을 유지할 수 있으며 전원선을 통한 신호전달이 가능하도록 하여 구조를 간단화하는 사물인터넷을 이용한 수질관리장치에 관한 것이다.

최근에는 유무선 통신망을 이용하여 별도의 관리기기나 휴대용 단말기 등을 이용하여 현장에 설치된 시설물의 작동 제어를 원격통제 가능한 사물인터넷을 이용하는 스마트팜, 수경재배, 양식장, 양만장 등에 많이 적용 실시되고 있다.

현재, 우리나라는 농가인구 감소 및 노동력 부족, 농지감소 등 농업의 지속성에 대한 위기를 극복하고, 신성장동력 창출, 삶의 질 향상 등의 수요를 충족하기 위해 기본 농업과 과학기술의 융합에 초점을 맞추고 있다. 정부는 농업의 6차 산업화와 더불어 전통적인 생산방식의 농업과 ICT, BT, CT 등 다양한 과학기술과의 융합인 스마트 농업으로의 전환을 확대 추진하여, 농업의 범위 확장과 동시에 새로운 부가가치와 일자리 창출에 모색하고 있는 현실이다.

그러나, 농산·축산·수산업의 양식시설은 대부분 거주지의 외곽지역에 위치하며, 한곳에 여러 시설이 다수로 집중되어 있는 형태로 되어 있으므로, 여기에 관리기와 통신회선을 하나로 통합하여 각 시설에서는 환경 검출용 센서와 통신인터페이스를 설치하여 통합 운용할 수 있는 개선책이 요구되고 있는 실정이다.

또한, 농산·축산·수산업에 관련되는 산업에서는 하우스나 양식장 등의 시설은 물론 양식 또는 재배하는 생물에 많은 투자가 소요되고, 생물의 성장에는 상당한 시일과 노력이 소요하게 된다.

그리고, 장기간동안 양육에 필요한 관리가 지속되어야 하는 어려운 조건이므로, 거주지역으로부터 멀리 떨어져 있을 경우, 항시 감시하고 관리해야 할 뿐만 아니라, 잠시라도 감시·관리가 소홀해져 환경이 부적합한 상태로 지속되면 양식중인 생물에게 치명적일 수 있으며, 예상치 못한 크나큰 경제적인 손실이 발생하는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 근래에는 양식장이나 양만장과 같은 수산업, 가축을 기르는 축산업의 분야에서도 관리인원의 감소 등으로 인하여 스마트 양식장이나 스마트 농장을 운영하는 추세로 변화하고 있다.

이러한, 사물인터넷을 이용하는 농,축,수산업에는 식물의 생육이나 어종 및 가축의 성장을 위하여 이용되는 물은 반드시 알맞은 생육,성장 조건을 만족하기 위하여 실시간으로 특성을 측정하게 된다.

이와 같은, 사물인터넷을 이용한 종래 기술에 관련된 대한민국 특허등록 제10-0405005호에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

종래 기술에 따른 자동화 양식 시스템은 시스템을 전반적으로 제어하는 제어부, 어류가 양식할 수 있도록 한 육상 탱크 식의 양식조, 양식조와 순환 배관으로 연결되어 있는 드럼 필터, 생물막 여과부, 살균부, 산소 공급부 및 온도 조절부를 포함하는 해수 정화부, 제어부에 순환 배관을 통해서 순환하는 순환수의 수질 상태를 전송하는 다수의 복합 센서를 복합 센서부 제어부에 의해서 제어되는 다수의 펌프 및 보충수 공급부로 구성된다.

이러한, 복합 센서부는 순환 배관을 통해 순환되는 해수의 수질 상태를 측정하여 수질 데이터를 제어부에 전송하고, 제어부는 복합 센서부의 수질 데이터와 저장된 기 설정된 기준 값(어류 양식의 최적 수질 조건)간의 비교 결과에 의거하여 채취된 해수의 순환을 제어하기 위한 다수의 펌프의 개폐 제어 신호 및 해수 정화부의 구동 또는 정지 제어 신호를 발생한다.

이때, 해수 정화부는 순환 배관에 설치되어, 양식조에서 배출되는 해수를 정화시킨다. 펌프는 순환 배관에 설치되고, 제어부에서 제공되는 펌프의 개폐 제어 신호에 응답하여 순환 배관을 통해 순환되는 해수를 양식조로 순환시키기 위해 적응적으로 개폐되어진다.

그리고, 양식조의 일측에 부착된 복합 센서는 양식조에 저장되어 있는 순환수의 온도, 용존산소(DO : Dissolved Oxygen), pH, NH₄ ⁺, NO₂ ^-, NO₃ ^-, 수위, 탁도, OUR(oxygen uptake rate)을 측정하고, 측정된 수질 데이터를 제어부에 전송한다.

이후, 제어부는 복합 센서에서 전송된 수질 데이터를 기 설정되어 있는 기준 값(어류가 양식될 수 있는 최적의 수질)과 비교하여, 비교 결과 전송된 수질 데이터가 기준 값 이하로 될 때 양식조와 드럼 필터 사이의 순환배관에 설치된 펌프를 구동시키기 위한 제어 신호를 발생하고, 비교 결과 전송된 수질 데이터가 기준 값을 초과할 때는 펌프를 폐쇄하기 위한 제어 신호를 발생하여 관리자에게 전송하며 관리제어를 받게 되는 것이다.

그러나, 상기와 같은 종래 기술에 따른 자동화 양식 시스템은 사용되는 물의 특성을 측정하기 위하여 복합센서가 이용되는데 이때 복합센서는 측정되는 값이 설정값을 벗어날 경우 알려주는 데 단지 물의 특성을 측정하는데 국한되는 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같은 종래 기술에 따른 자동화 양식 시스템은 물의 특성이나 센서의 특성에 따라 측정조건이나 측정방식을 고려하지 않아 오차를 갖는 문제점이 있었다.

이로 인하여, 본 발명은 수질의 특성에 알맞은 측정조건이나 측정방식을 선택할 수 있으며, 국제통일규격신호로 신호를 변환시켜 별도의 미터기 없이 전송작업을 통해 표시하고 센서의 수명을 자동으로 인식하는 동시에 사물인터넷 기능을 통해 관리 제어할 수 있는 개선된 수질관리장치가 절실히 요구되는 실정이다.

1. 등록번호 제10-0405005호 2. 등록번호 제10-1146055호 3. 등록번호 제10-0967840호 4. 공개번호 제10-2009-0027279호 5. 등록번호 제10-1507057호

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로 스파트팜, 수경재배나 양식장, 양만장 등에 이용되는 물에 대한 특성을 실시간으로 관리하도록 하는 사물인터넷을 이용한 수질관리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고, 본 발명의 다른 목적은 물의 여러 특성을 동시에 측정할 수 있으며 사물통신을 통해 원격관리가 가능하도록 하는 데 있다.

더불어, 본 발명의 또 다른 목적은 생육조건이나 양식조건이 다른 여러 종의 구획셀에 각각 센서그룹을 별도로 설치하여 각 종에 알맞는 물의 특성을 체크하도록 하는 데 있다.

아울러, 본 발명의 또 다른 목적은 별도의 미터기가 필요없이 컨버터의 전원/신호선을 통해 센서로의 전원공급과 측정신호를 콘트롤러로 간단히 전송하여 로컬패널에 표시하도록 하는 데 있다.

그리고, 본 발명의 또 다른 목적은 센서의 이상이나 공급되는 물의 이상이 알림램프를 통해 원거리에서 쉽게 확인할 수 있도록 하는 데 있다.

더불어, 본 발명의 다른 목적은 2Wire(24V DC)방식을 이용함으로써 전송 길이가 길어도 신호의 손실이 적고 노이즈의 영향도 받지 않도록 하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수경재배, 스마트팜(Smart Farm), 다양한 양식장, 양만장에서 단위 면적으로 구획된 다수 개의 구획셀에 유입되는 물의 특성 및 환경적 특성을 측정하기 위한 여러 개의 센서그룹을 형성하되, 상기 센서그룹은 구획셀에서 측정할 수질을 바이패스 방식으로 공급받을 때 설치되는 장소의 수평 바닥면을 기준으로 20~25°경사지게 사각 형태의 측정셀을 설치하며, 상기 측정셀로 측정수의 공급은 낮은 위치 지점으로 유입되어 높은 위치 지점으로 배수되도록 형성하고, 상기 측정셀에는 낮은 지점을 기준으로 센서그룹의 센서가 상부로 등 간격으로 측정셀의 경사진 각도와 직교되도록 형성하며, 상기 센서그룹에 구비되는 다수 개의 센서 마다 각각 연결되며, 전원인가를 위해 전원/신호선이 연결되어 센서에 전원 공급과 측정시 발생하는 기전력 신호를 국제통일규격신호로 변환하는 2Wire(24V DC)방식의 컨버터를 다수개로 형성하되, 상기 컨버터가 수중이나 대기 온도를 측정하는 센서에 연결된 경우에는 표시온도를 섭씨(℃)나 화씨(℉)로 출력되도록 변환하는 온도선택스위치를 형성하며, 상기 컨버터가 수질의 용존산소량을 측정하는 센서에 연결된 경우에는 측정원리에 따른 갈바닉방식이나 폴라로그래피방식을 선택할 수 있는 측정선택스위치를 형성하고, 상기 컨버터의 전원/신호선을 통해 변환된 측정신호를 전달받으며, 무선통신망을 이용하여 관리기지나 휴대용 단말기로 무선전송 및 제어신호를 수신받는 콘트롤러를 형성하며, 상기 콘트롤러에서 측정신호를 전달받아 각 센서그룹의 센서 측정값을 표시하는 로컬패널로 구성하는 것을 특징으로 하는 사물인터넷을 이용한 수질관리장치를 제공한다.

이상에서와 같이 본 발명은 스파트팜, 수경재배나 양식장, 양만장 등에 이용되는 물에 대한 특성을 실시간으로 관리하며, 물의 여러 특성을 동시에 측정할 수 있으며 사물통신을 통해 원격관리가 가능하도록 하는 효과가 있다.

더불어, 생육조건이나 양식조건이 다른 여러 종의 구획셀에 각각 센서그룹을 별도로 설치하여 생태 조건에 알맞는 물의 특성을 체크하여 물의 품질을 일정하게 유지하는 효과가 있다.

아울러, 센서의 이상이나 공급되는 물의 이상이 알림램프를 통해 원거리에서 쉽게 확인할 수 있도록 하여 시인 판단성이 향상되는 효과가 있다.

더불어, 측정하는 방식 및 특성이 다른 센서에 알맞은 컨버터를 연결하여 안정적인 측정조건과 출력조건을 선택가능한 효과가 있다.

아울러, 별도의 미터기가 필요없이 컨버터의 전원/신호선을 통해 센서로의 전원공급과 측정신호를 콘트롤러로 간단히 전송하여 로컬패널에 표시함으로서 장치의 구조를 간단화 하는 효과가 있다.

더불어, 2Wire(24V DC)신호전송방식을 이용함으로써 전송 길이가 길어도 신호의 손실이 적고 노이즈의 영향도 받지 않아 표시지점에서 정확한 측정값을 표시할 수 있어 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 사물인터넷을 이용한 수질관리장치를 나타낸 구성개략도,
도 2는 본 발명에 따른 사물인터넷을 이용한 수질관리장치를 나타낸 적용사시도,
도 3은 도 2의 A부분 확대도,
도 4는 본 발명에 따른 측정셀에 센서를 설치한 예시 정면도,
도 5는 본 발명에 따른 센서그룹과 컨버터, 콘트롤러의 연결도,
도 6부터 도 8은 각각 수소이온센서용 컨버터, 전기전도도(EC)센서용 컨버터의 구성도,
도 9는 온도센서, 용존산소센서, 잔류염소센서용 컨버터를 나타낸 구성도,
도 10은 본 발명에 따른 2Wire의 기능 회선도,
도 11 내지 도 13은 콘트롤러의 사시도와 정면도 및 구성도,
도 14는 다른 실시 예에 따른 컨버터가 콘트롤러로부터 전원을 인가받는 구성도,
도 15는 본 발명에 따른 로컬패널의 사시도,
도 16 내지 도 18은 다양한 양식조나 수경재배에 센서그룹이 설치된 일 예시도,
도 19는 본 발명에 따른 센서그룹의 센서에서 측정되는 측정값이 로컬패널에 표시되는 일 예시도이다.

이에 상기한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 사물인터넷을 이용한 수질관리장치는 수경재배, 스마트팜(Smart Farm), 다양한 양식장, 양만장 등에 이용하는 물의 특성을 정확하게 측정 및 측정된 값을 표시하기 위하여 물의 특성을 측정하도록 다수개의 센서(21)로 이루어지는 여러 개의 센서그룹(20), 상기 센서그룹(20)의 센서(21)가 각각 연결되어 전원을 공급받는 동시에 측정신호를 검출하여 기전력신호를 국제통일규격신호로 변환하는 컨버터(30), 상기 컨버터(30)에서 국제통일규격신호로 변환된 측정신호를 전달받으며 외부기기와 사물인터넷 통신가능한 콘트롤러(40), 상기 콘트롤러(40)에서 측정신호를 전달받아 센서(21)의 측정값을 표시하는 로컬패널(50)로 구성하는 수질관리장치(100)를 구성한다.

이러한, 상기 수질관리장치(100)는 수경재배, 스마트팜(Smart Farm), 다양한 양식장, 양만장 등을 임의 단위 면적으로 구획한 다수 개의 구획셀(10)에 유입되는 물의 특성과 구획셀(10)내의 대기 온도를 측정하기 위한 여러 개의 센서그룹(20)을 형성한다.

여기서, 상기 구획셀(10)은 다수 개로 형성되며 일 예로 수경재배의 경우 물이 공급되는 공급라인이 다른 경우를 나타낼 수 있으며, 스마트팜의 경우 각각의 이랑이나 단위 구역을 나타내고, 양식장이나 양만장의 경우에는 단위 수조 등으로 형성한다.

이때, 상기 센서그룹(20)은 구획셀(10)과 대응하는 개수로 센서그룹(20)을 형성되며, 상기 센서그룹(20)의 센서(21)는 수소이온농도센서, 전기전도도센서, 용존산소센서, 잔류염소센서, 수중 온도센서, 대기 온도센서 중 다수 개로 구성할 수 있다.

자세한 설명으로 위하여, 본 발명에서는 수소이온농도센서(21b), 전기전도도센서(21c), 용존산소센서, 잔류염소센서, 수중 온도센서(21d), 대기 온도센서(21e)로 예로 들어 구분하며; 수경재배나 스마트팜에 이용되는 센서그룹(20)은 수소이온농도센서(21b), 전기전도도센서(21c), 수중 온도센서(21d), 대기 온도센서(21e)로 구성함이 바람직하며; 양식장이나 양만장에 이용되는 센서그룹(20)은 수소이온농도센서(21b), 용존산소센서, 잔류염소센서, 수중 온도센서(21d), 대기 온도센서(21e)로 구성함이 바람직할 것이다.

이때, 상기 수소이온농도센서(21b), 전기전도도센서(21c), 용존산소센서, 잔류염소센서에는 내부에 측정수의 온도를 측정하는 별도의 온도센서를 형성하여 측정시 물의 수온을 체크하며 측정값에 대해 실시간 보상할 수 있도록 형성된 것이 바람직할 것이다.

이렇게, 상기 센서그룹(20)을 형성하는 센서(21) 중 수소이온농도센서(21b), 전기전도도센서(21c), 용존산소센서, 잔류염소센서, 수중 온도센서(21d)는 수중에 침적시켜 측정에 이용하는 것이며, 대기 온도센서(21e)는 센서그룹(20)이 설치되는 구획셀(10)의 측정영역의 실내 공간에 설치하도록 구성한다.

여기서, 상기 수중 온도센서(21d)와 대기 온도센서(21e)는 써모커플, 측온저항체, 써미스터 중 하나로 구성할 수 있는데, 써모커플, 측온저항체, 써미스터를 간단히 설명하면 다음가 같다.

1. 상기 써모커플은 두 종류의 금속을 조합하였을 때 접합 양단의 온도가 서로 다르면 이 두 금속 사이에 전류가 흐르는데, 이때 전류로 2접점 간의 온도차를 파악하는 것으로 백금-백금 로듐, 크로멜-알루멜, 철-큰스탄탄, 동-콘스탄탄 등으로 구성할 수 있을 것이다.

2. 상기 측온저항체는 금속 또는 반도체의 전기 저항이 온도에 따라서 변화하는 것을 이용하여 그 저항값을 측정하여 온도를 측정하는 것으로, 저항 소자로서는 백금, 구리, 니켈 등의 금속선으로 구성될 수 있다.

3. 상기 써미스터는 온도가 상승하면 전기 저항값이 민감하게 감소하는 성질이 있는 반도체 소자로써 망간, 니켈, 코발트, 철, 동, 티탄 등의 금속 산화물을 소결해 구성하는 것으로 수질의 온도 측정 또는 검출에 이용되며 측정 범위는 -50~300℃ 정도로 감도를 갖도록 구성될 수 있다.

그리고, 상기 수중 온도센서와 대기 온도센서는 2선식, 3선식, 4선식 중 하나로 구성하는 것으로, 2선식은 T와 T로 이루어지는 형태이며, 3선식은 두 개의 T1과 하나의 T2로 이루어지는 형태이고, 4선식 두 개의 T1과 두 개의 T2로 이루어지는 형태로서 선식이 많을수록 온도 측정이 정밀해지도록 구성한 것이다.

한편, 상기 구획셀(10)의 일 측에는 컨버터(30)와 연결되어 센서(21)의 측정 상한값과 하한값이 설정범위를 벗어날 경우 표시되는 알림램프(23)를 형성한다.

이러한, 상기 알림램프(23)에는 단위 센서그룹(20)의 각 센서(21)와 각각 연결되는 제1램프(23a)~제n램프(23n)를 설치하는데, 더욱 자세하게 살펴보면 알림램프(23)는 각각의 센서(21)나 컨버터(30)에 연결되어 센서(21)에서 측정 신호가 발생하지 않거나 설정된 상한 측정값, 하한 측정값을 벗어나는 현상이 발생하면 점등과 점멸을 반복하면서 관리자에게 시각적으로 알림하도록 형성한다.

이때, 상기 제1램프(23a)는 수소이온농도센서(21b)의 이상 여부를 표시하고, 제2램프(23b)는 전기전도도센서(21c)의 이상 여부를 표시하고, 제3램프(23c)는 수중 온도센서(21d)의 이상 여부를 표시하고, 제n램프(23n)는 대기 온도센서(21e)의 이상 여부를 표시하도록 일 예로 형성한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 센서그룹(20)은 구획셀(10)에서 측정할 물을 물 공급배관(300)으로부터 바이패스 방식으로 공급받을 때 설치되는 장소의 수평 바닥면을 기준으로 20~25°경사지게 설치되는 사각 형태이며 내부가 텅빈 측정셀(22)을 설치한다.

상기 측정셀(22)로 물의 공급은 하부 위치인 낮은 지점으로 유입되도록 유입구(22a)가 형성되며 상부 위치인 높은 지점으로 배수되도록 배수구(22b)가 형성되고, 상부면에는 센서(21)가 삽입 설치되는 다수개의 설치홀(22c)을 형성한다.

상기 측정셀(22)에는 센서(21)가 등 간격으로 측정셀(22)의 경사진 각도와 직교되도록 설치한다.

자세하게, 상기 측정셀(22)은 센서그룹(20)의 센서(21)를 각각 설치하지 않고 동시에 설치하며 외부 빛의 간섭을 받지 않도록 불투명한 합성수지재나 금속재질로 구성할 수 있는 것으로, 측정셀(22)의 배수구(22b) 측 끝단을 상부로 상승시켜 유입구(22a) 측의 끝단과 약 20~25°정도로 경사지게 셀판넬(24)에 설치한 다음, 설치홀(22c)에 수소이온농도센서(21b), 전기 전도도센서(21c), 수중 온도센서(21d) 및 도면상 표현하지 않은 용존산소센서나 잔류염소센서 등의 센서(21)를 각각 설치하여 셀판넬(24)을 측정장소의 바닥에 고정설치할 수도 있다.

이때, 상기 측정셀(22)의 내부로 구획셀(10)의 물 공급배관(300)과 별도의 파이프로 연결되어 물 공급배관(300)보다 낮은 위치나 동일 위치에 설치됨이 바람직하며, 물이 유입구(22a)로 유입되면 측정셀(22)의 내부 공간의 하부부터 차올라 내부 공간을 완충하면 배수구(22b)를 통해 물 공급배관(300)으로 재 공급되는 순환구조로 형성되는 것이다.

여기서, 상기 측정셀(22)의 내부로 유입되는 측정수는 급격한 유속변동이나 압력변화 등이 발생하지 않아 센서(21)의 측정에 영향을 주지 않으며, 물 공급배관(300)에 물이 공급되지 않더라도 측정셀(22)의 내부에 물이 완충되어 있어 센서(21)가 건조하게 되지 않아 측정부를 보호하도록 하는 구성이다.

한편, 상기 센서그룹(20)에 구비되는 다수 개의 센서(21) 마다 각각 연결되며, 전원인가를 위해 전원/신호선(31)이 연결되어 센서(21)에 전원 공급과 측정시 발생하는 기전력 신호를 국제통일규격신호로 변환하는 2Wire(24V DC)방식의 컨버터(30)를 다수개로 형성한다.

본 발명에서는 상기 컨버터(30)는 수소이온농도센서(21b), 전기전도도(EC)센서(21c), 수중 온도센서(21d) 및 대기 온도센서(21d)에 각각 연결되는 것으로 분류하여 설명한다.

1. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 센서그룹(20)의 센서(21) 중 수소이온농도센서(21b)에 연결되는 컨버터(30)는 센서그룹(20)의 센서(21) 단자가 연결되는 센서단자대(32)를 형성한다.

상기 센서단자대(32)에 연결된 센서(21)의 기전력 값을 아날로그신호로 인식, 전달받는 아날로그회로부(33)를 형성한다.

상기 아날로그회로부(33)에서 전달받은 센서(21)의 아날로그신호를 출력신호로 변환하는 신호변환부(34)를 형성한다.

상기 센서(21)의 최소치, 최대치 기전력 값을 측정을 위한 최소치, 최대치 기준값에 맞도록 표준, 셋팅하기 위해 조정하는 최소값단자(35a) 및 최대값단자(35b)로 이루어진 게인단자부(35)를 형성한다.

상기 게인단자부(35)를 통해 표준, 세팅이 완료된 센서(21)의 기전력 최소값에 대하여 4㎃ 값이 출력되도록 하는 제로조정단자(36a) 및 기전력 최대값에 대하여 20㎃값이 출력되도록 출력값을 조정하는 스팬조정단자(36b)로 이루어진 출력값조정부(36)를 형성한다.

상기 센서(21)의 측정신호 출력과 전원을 공급받는 전원/신호선(31)의 +극선(31a)과 -극선(31b)을 연결하는 전원/신호단자(37)를 형성한다.

상기 전원/신호선(31)의 -극선(31b)을 통해 센서(21)의 측정신호가 출력되도록 콘트롤러(40)와 연결 구성한다.

2. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 센서그룹(20)의 센서(21) 중 전기전도도(EC)센서(21c)에 연결되는 컨버터(30)는 센서그룹(20)의 센서(21) 단자가 연결되는 센서단자대(32)를 형성한다.

상기 센서(21)의 기전력 최소값에 대하여 4㎃ 값이 출력되도록 하는 제로조정단자(36a) 및 기전력 최대값에 대하여 20㎃값이 출력되도록 출력값을 조정하는 스팬조정단자(36b)로 이루어진 출력값조정부(36)를 형성한다.

아울러, 상기 수질의 전기전도도를 측정하는 센서(21)에 연결되는 컨버터(30)인 경우에는 센서단자대(32)를 4개나 8개로 형성할 수 있는데, 본 발명에서는 단자대의 개수를 8개로 형성하여 2전극, 3전극, 4전극 방식의 센서(21)가 연결되도록 구성한다.

즉, 상기 센서단자대(32)는 일 예로 2전극, 3전극, 4전극의 양극(A:Anode)단자, 음극(K:Cathode, Kathode)단자대를 4개로 형성하고, 나머지 4개는 온도단자가 2~4선식 방식 중 하나로 연결되도록 구성하는 것이다.

3. 상기 센서그룹(20)의 센서(21) 중 수중이나 대기 온도를 측정하는 온도센서 또는 용존산소농도나 잔류염소농도를 측정하는 센서(21)에 연결되는 컨버터(30)는 센서 단자가 연결되는 센서단자대(32)를 형성한다.

그리고, 상기 컨버터(30)가 수중이나 대기 온도를 측정하는 센서(21)에 연결된 경우에는 표시온도를 섭씨(℃)나 화씨(℉)로 출력되도록 변환하는 온도선택스위치(39)를 구성할 수 있다.

추가적으로, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 컨버터(30)가 수질의 용존산소량을 측정하는 센서(21)에 연결된 경우에는 측정원리에 따른 갈바닉방식이나 폴라로그래피방식을 선택할 수 있는 측정선택스위치(39a)를 구성할 수도 있다.

이러한, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 컨버터(30)의 공통적인 특징으로는 측정값을 표시하도록 LCD 방식이나 FND방식의 표시창(30a)및 이상 여부와 상한값/하한값을 알림하는 다수개의 알림등(30b)이 일측에 형성되며, 센서(21)의 측정신호를 전압(Voltage)이나 전류(Current)로 선택할 수 있는 출력선택스위치(38)를 형성한다.

그리고, 상기 출력선택스위치(38)를 전압으로 설정하면 0~5V나 1~5V로 출력되도록 변환하고, 상기 출력선택스위치(38)를 전류로 설정하면 4~20mA로 출력되도록 변환하도록 구성한다.

아울러, 상기 컨버터(30)는 콘트롤러(40)로 측정신호를 전송하기 위하여 전원/신호선(31)으로 연결되는데, 상기 전원/신호선(31)은 콘트롤러(40)와 별도로 외부 전원을 공급받는데 이용하는 것으로 전원/신호단자(37)에 연결되어 컨버터(30)의 자체 전원과 센서그룹(20)의 센서(21)에 전원이 공급하는 기능과 콘트롤러(40)로 측정신호를 전달하는 기능을 하는 2Wire방식으로 구성되는 것이다.

즉, 상기 전원/신호선(31) 중 +극선(31a)는 전원/신호단자(37)의 +단자(37a)와 연결되며, -극선(31b)는 -단자(37b)에 연결되고, 접지단자(GND:37c)d에는 접지선이 연결된다.

이때, 상기 전원/신호선(31)의 -극선(31b)는 절단되어 절단된 1개의 -극선(31b)는 콘트롤러(40)의 신호수신단자(41) -극에 연결되며 다른 1개의 -극선(31b)는 신호수신단자(41)의 +극에 연결되는 것이다.

여기서, 상기 콘트롤러(40)의 신호수신단자(41)는 -극선(31b)을 통해 전달되는 측정신호(Signal)을 수신하며 전원과 무관하게 -극선(31b)을 연결하는 기능을 위한 구성이다.

아울러, 상기 전원/신호단자(37)에서는 4~20mA나 0~5V 또는 1~5V의 신호와 함께 콘트롤러(40)로 전송되는 통신신호 형태는 RS-232C, RS423, RS-422, RS485 형태 중 일 예로 RS485로 이루어지도록 구성한 것이다.

즉, 상기 전원/신호단자(37)는 전원/신호선(31)을 통해 별도로 전원을 공급받는 동시에 센서(21)의 측정신호를 콘트롤러(40)로 전달하도록 구성한 것이다.

도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 컨버터(30)의 전원/신호선(31)을 통해 변환된 측정신호를 전달받으며, 무선통신망을 이용하여 관리기지나 휴대용 단말기(200)로 무선전송 및 제어신호를 수신받는 콘트롤러(40)를 형성한다.

이러한, 상기 콘트롤러(40)는 전원을 공급하는 전원부(47)를 형성한다.

그리고, 상기 컨버터(30)에 전원 공급을 위해 연결되는 전원/신호단자(37)의 -극선(31b)이 연결되어 4~20mA나 0~5V 또는 1~5V로 측정신호를 수신받는 신호수신단자(41)를 형성한다.

상기 신호수신단자(41)에 전달되는 측정신호를 저장하는 저장부(42)와 연결되며 로컬패널(50)로 분배 전송하는 신호분배부(43)를 형성한다.

상기 신호분배부(43)의 일 측에는 관리기지나 휴대용 단말기로 송출하며, 관리기지나 휴대용 단말기로부터 수신되는 제어신호를 통해 로컬패널(50)을 제어하는 사물통신부(44)를 구성하는 것이다.

이러한, 상기 콘트롤러(40)에는 저장부(42)에 저장되는 측정값이나 온도, 전력량, 전류량, 날짜, 시간을 표시하는 데이터로거부(45)를 구성한다.

즉, 상기 데이터로거부(45)를 이용하여 측정값이나 수중 및 대기온도, 사용되는 전력량 및 전류량, 날짜, 시간을 표시함으로써 수질관리장치(100)의 전체적인 작동 조건이나 이상여부를 별도로 판단할 수 있도록 구성한 것이다.

아울러, 상기 콘트롤러(40)에는 입출력부(46)가 일측에 형성되어 저장부(42)에 저장되는 정보를 기록계나 SD카드, USB방식으로 다운로드 받거나 업데이트가 가능하도록 구성한다.

이때, 상기 콘트롤러(40)는 일 예로 전기함이나 배선함 형태와 유사한 형태로 구성할 수 있는데, 입출력부(46)는 오염을 방지하기 위하여 개폐방식의 커버(46a)를 별도로 형성하며, 커버(46a)는 투명으로 구성하여 사용자가 쉽게 알아볼 수 있도록 구성함이 바람직할 것이다.

도 14에 도시된 바와 같이, 상기 콘트롤러(40)에서 신호를 전달받아 각 센서그룹(20)의 센서(21) 측정값을 표시하는 로컬패널(50)을 구성하는데, 설치 일 예로는 구획셀(10)의 측정영역의 일 측 영역에 직립형태로 설치되는 스텐드 방식이나 일 측 영역의 공중에 설치하는 스크린 형태로 구성할 수 있다.

이러한, 상기 로컬패널(50)은 패널(52)의 전방으로 센서그룹(20)의 개수와 동일하게 패널창(51)을 다수 개로 형성하며, 상기 패널창(51)은 콘트롤러(40)의 신호분배부(43)에서 전송되는 센서그룹(20)의 각 센서(21) 신호값을 목록 형태로 나타내도록 구성한다.

아울러, 상기 로컬패널(50)의 패널창(51)은 콘트롤러(40)에 개별적으로 연결되거나 패널(52)에 센서그룹(20)에 해당하는 회로를 형성하여 패널창(51)을 접점시켜 형성하며, 패널창(50)에는 측정항목이나 측정단위 등을 표시하도록 구성하는 것이다.

다른 실시 예로써, 상기 수질관리장치(100)는 컨버터(30)의 전원/신호단자(37)와 콘트롤러(40)의 전원부(47)를 전원/신호선(31)으로 연결하여 컨버터(40)가 콘트롤러(40)로부터 전원을 인가받아 센서(21)에 공급하도록 형성한다.

그리고, 상기 콘트롤러(40)는 전원/신호단자(37)의 -극선(31b)으로부터 4~20mA나 0~5V 또는 1~5V로 측정신호를 신호수신부(41a)에서 전달받아 저장부(42)에 저장하는 동시에 신호분배부(43)를 통해 로컬패널(50)로 분배 전송하도록 구성할 수도 있을 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 상기 수질관리장치(100)는 수경재배, 스마트팜(Smart Farm), 다양한 양식장, 양만장 등의 구획셀(10)에 설치한다.

이후, 상기 센서그룹(20)의 센서(21)는 각 제조마다 다르게 설정된 기전력의 최소/최대범위를 통일하기 위하여 용액을 이용하거나 표준전류/전압발생기를 이용한 게인조정과 출력값을 4~20mA로 표준화시키는 출력값조정이 요구된다.

이러한, 상기 센서그룹(20)의 센서(21) 게인조정 및 출력값 조정을 위해서는 여러 종류의 센서(21)의 단자를 컨버터(30)의 센서단자부(10)에 연결하고, 표준검사장비를 전원/신호단자(37)에 연결한다.

이러한, 게인조정시 게인단자부(35)의 최소값단자(35a)를 이용하여 최소값의 조정이 완료되면 출력값조정부(36)의 최소값단자(35a)를 이용하여 최소값에 대한 출력값 조정을 시행하고, 최소값에 대한 출력값 조정 후 게인단자부(35)의 최대값단자(35b)를 이용하여 게인조정의 최대값 조정을 시행한 다음 출력값조정부(36)의 최대값단자(35b)를 이용하여 최대값에 대한 출력값 조정을 통해 센서(21)의 각기 다른 기전력을 표준화시켜 준비한다.

이때, 상기 구획셀(10) 중 물을 공급하는 방식이 물 공급배관(300)을 이용하는 방식을 경우에는 물 공급배관(300)에 바이패스배관(301)을 별도로 연결한 후 바이패스배관(301)에 연결하는 측정셀(22)에 측정항목에 해당하는 각각의 센서(21)를 설치하여 센서그룹(20)을 각 구획셀(10)에 설치한다.

여기서, 상기 센서그룹(20)은 로컬판넬(50)의 표시를 쉽게 설명하기 위하여 임의 순서로 #1번~#n번까지 지정하는데, 본 발명에서는 #1번~#18번까지 임의로 지정 표기하여 설명하기로 한다.

위와 같은, 상기 센서그룹(20)의 조합은 일 예로 수소이온농도센서(21b), 전기전도도(EC)센서(21c), 수중 온도센서(21d), 대기 온도센서(21e)를 사용한다.

여기서, 상기 센서(21)는 측정셀(22)을 이용하지 않고 직접 바이패스배관(301)에 유통형 방식이나 삽입형 방식으로 설치할 수도 있다.

그리고, 상기 구획셀(10)이 수조나 양식조 형태로 형성된 경우에는 측정환경에 구비된 별도의 프레임이나 각종 배관 시설물에 센서홀더(21a)를 이용하여 침적형 방식으로 설치가능 할 것이다.

이후, 상기 센서그룹(20)의 센서(21)는 각각 수질의 특성을 측정하는 센서(21)에 알맞은 컨버터(30)의 센서단자대(32)에 연결한다.

이렇게, 상기 컨버터(30)의 설치가 완료되면 필요에 따라 알림램프(23)를 센서그룹(20)이 설치된 구획셀(10)의 일 측 지점에 관리자가 잘 식별할 수 있도록 일정 높이로 설치하고 각 센서(21)마다 연결된 컨버터(30)의 신호변환부(34)에서 신호를 전달받을 수 있도록 각각 연결한다.

아울러, 상기 센서그룹(20)의 각 센서(21)마다 컨버터(30) 및 알림램프(23)의 설치가 완료되면 관리가 편리하며 이동시나 수분 및 오염에 대한 영향이 적은 측정장소 일 측 영역에 콘트롤러(40) 및 로컬패널(50)을 스탠드 타입이나 리프트 타입으로 설치한다.

이때, 상기 컨버터(30)의 전원/신호단자(37)에 각각 연결되는 콘트롤러(40)는 로컬패널(50)에 연결하며 콘트롤러(40)의 사물통신부(44)는 관리자의 관리기기나 휴대용 단말기(200)와 신호를 주고 받을 수 있도록 설정하여 수질관리장치(100)의 설치를 완료한다.

이렇게, 상기 수질관리장치(100)의 설치를 완료하고 측정을 위한 일 예로 측정셀(22)의 설치홀(22c)에 센서(21)를 각각 설치하여 측정하는 것을 일 예로 들어 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 물 공급배관(300)을 통하여 물이 공급되면 바이패스배관(301)를 거쳐 유입구(22a)로 유입되어 측정셀(22)의 내부공간을 모두 충만하면 배수구(22b)를 통해 물 공급배관(300)으로 재 유입되어 순환되는 것이다.

이때, 상기 측정셀(22)을 이용할 경우 물이 하부에 위치하는 유입구(22a)를 통해 하부에서 상부로 서서히 차오르게 되어 수평방향으로 이동하는 방식보다 유속 및 유량의 변화가 적어 이온 감응 반응이 균일하여 안정화된 측정가능한 특징이 있다.

아울러, 상기 물 공급배관(300)에 물이 공급되지 않더라도 측정셀(22)의 내부에는 물이 항상 충만된 상태를 유지하여 유리격막이나 격막으로 형성된 수소이온농도센서(21b), 용존산소센서, 잔류염소센서 등이 건조하게 되어 물성 변화를 일으키지 않아 안정적으로 센서(21)를 최적의 상태로 유지할 수 있는 특징이 있다.

다음으로, 상기 컨버터(30)는 전원/신호선(31)을 이용하고 콘트롤러(40)는 전원부(47)를 이용하며, 로컬패널(50)로 각각 별도로 전원을 인가하는데, 이때 센서(21)는 컨버터(30)의 센서단자대(32)를 통해 전원을 인가받는다.

이후, 상기 센서(21)에서는 측정작동이 시행되어 측정할 물의 수소이온농도나 전기전도도(EC), 용존산소량, 측정수의 온도, 대기 온도를 측정하는 동시에 실시간으로 고유 기전력 아날로그신호가 센서단자대(32)를 거쳐 각 컨버터(30)의 아날로그회로부(33)로 전달된 후 신호변환부(34)에서 측정 아날로그신호를 국제통일규격신호인 4~20mA, 0~5V나 1~5V 등의 전류, 전압 형태의 측정신호를 변환한다.

이렇게, 상기 신호변환부(34)에서 변환된 측정신호는 전원/신호단자(37)를 거쳐 전원/신호선(31)을 통해 콘트롤러(40)의 신호수신단자(41)로 수신되면서 저장부(42)에 저장되는 동시에 신호분배부(43)에 의해 로컬패널(50)의 각 패널창(51)으로 전달하게 된다.

즉, 상기 전원/신호단자(37)에 연결되어진 2Wire 방식의 전원/신호선(31)을 이용하여 컨버터(30)는 전원을 공급받는 동시에 센서그룹(20)의 각 센서(21) 측정값 신호를 RS485 통신방식을 이용하여 전원/신호선(31)의 -극선(31b)와 연결되는 콘트롤러(40)의 신호수신단자(41)에서 측정신호를 추출하여 저장부(42)에 저장하는 동시에 신호분배부(43)를 통해 로커패널(50)로 전달한다.

이렇게, 상기 전원/신호선(31)을 이용하여 전원을 인가받는 동시에 측정신호를 콘트롤러(40)로 동시에 전달함으로써 별도의 신호 출력선, 전원단자 및 신호 출력단자를 추가로 구비하지 않고 겸용으로 이용할 수 할 수 있어 컨버터(30)의 회로적 구조 및 작동 구조를 간단화하는 특징이 있다.

아울러, 2Wire 방식의 전원/신호선(31)을 이용함으로써 컨버터(30)와 콘트롤러(40)의 설치 거리가 원거리더라도 신호에 대한 손실이 발생하지 않으며 외부 간섭에 영향이 없어 측정신호가 변하지 않고 정확하게 전송될 수 있는 특징이 있다.

또한, 상기 센서그룹(20)에 적용하는 센서(21)를 이용하여 측정된 측정값을 나타낼 때 센서(21)의 기전력 값은 서로 다르지만 컨버터(30)에서 국제통일규격신호로 변환되어 콘트롤러(40)를 통해 로컬패널(50)에 표시됨으로써 신호변환을 위한 별도의 분석기 및 변환기가 요구되지 않으며 측정값 표시 시간 및 전송 시간이 빨라지고 변환오류가 적어지는 특징이 있다.

이때, 상기 패널창(51)에는 위에서부터 순차적으로 수소이온농도 측정값, 전기 전도도 측정값, 수중온도, 대기온도를 일 예로 표시한다.

아울러, 상기 알림램프(23)는 컨버터(30)의 신호변환부(34)에서 측정신호를 전달받아 각 해당 센서(21)의 측정값이 설정 최대치와 최소치를 벗어나는 이상현상 발생시 발광하여 원거리에서도 관리자가 쉽게 식별할 수 있어 해당 센서그룹(20)의 이상 여부를 간단하게 확인할 수 있는 특징이 있다.

결과적으로, 상기 컨버터(30)는 게인단자부(35)를 통한 센서(21)의 게인조정 및 출력값조정부(36)를 통한 출력값 조정 -> 센서(21)에서의 측정 -> 센서단자대(32) -> 아날로그회로부(33) -> 신호변환부(34) -> 전원/신호단자(37) -> 전원/신호선(31) -> 콘트롤러(40) -> 로컬패널(50) 또는 관리기기나 휴대용 단말기(200)로 측정값이 전달되어 표시되거나 알림한다.

아울러, 상기 콘트롤러(40)로 전달되는 센서그룹(20)의 센서(21) 측정값이나 작동 정보는 실시간으로 관리자가 이용하는 컴퓨터와 같은 관리기기나 스마트폰이나 PDA 같은 휴대용 단말기(200)로 전달하며, 관리자가 스마트폰에 설치된 어플리케이션을 통해 제어 신호를 전송하여 제어할 수 있는 것이다.

도 19에 도시된 바와 같이, 상기 로컬패널(50)에 표시되는 센서(21)의 측정값은 휴대용 단말기(200)에 표시되며, 각 패널창(51)의 측정값은 어플리케이션을 통해 각각 또는 전체적으로 다운받을 수 있는 것이다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

10 : 구획셀 20 : 센서그룹
21 : 센서 21a : 센서홀더
22 : 측정셀 22a : 유입구
22b : 배수구 22c : 설치홀
23 : 알림램프 23a~23n : 제1램프~제n램프
24 : 셀판넬 30 : 컨버터
30a : 표시부 30b : 알림등
31 : 전원/신호선 32 : 센서단자대
33 : 아날로그회로부 34 : 신호변환부
35 : 게인단자부 35a : 최소값단자
35b : 최대값단자 36 : 출력값조정부
36a : 제로조정단자 36b : 스팬조정단자
37 : 전원/신호단자 37a : + 단자
37b : - 단자 37c : GND단자
38 : 출력선택스위치 39 : 온도선택스위치
39a : 측정선택스위치 40 : 콘트롤러
41 : 신호수신단자 41a : 신호수신단자
42 : 저장부 43 : 신호분배부
44 : 사물통신부 45 : 데이터로거부
46 : 입출력부 46a : 커버
47 : 전원부 50 : 로컬패널
51 : 패널창 52 : 패널
100 : 수질관리장치 200 : 관리기지나 휴대용 단말기
300 : 물 공급배관 301 : 바이패스배관

Claims

수경재배, 스마트팜(Smart Farm), 다양한 양식장, 양만장에서 단위 면적으로 구획된 다수 개의 구획셀(10)에 유입되는 물의 특성 및 환경적 특성을 측정하기 위한 여러 개의 센서그룹(20)을 형성하되,
상기 센서그룹(20)은 구획셀(10)에서 측정할 수질을 바이패스 방식으로 공급받을 때 설치되는 장소의 수평 바닥면을 기준으로 20~25°경사지게 사각 형태의 측정셀(22)을 설치하며, 상기 측정셀(22)로 측정수의 공급은 낮은 위치 지점으로 유입되어 높은 위치 지점으로 배수되도록 형성하고, 상기 측정셀(22)에는 낮은 지점을 기준으로 센서그룹(20)의 센서(21)가 상부로 등 간격으로 측정셀(22)의 경사진 각도와 직교되도록 형성하며,
상기 센서그룹(20)에 구비되는 다수 개의 센서(21) 마다 각각 연결되며, 전원인가를 위해 전원/신호선(31)이 연결되어 센서(21)에 전원 공급과 측정시 발생하는 기전력 신호를 국제통일규격신호로 변환하는 2Wire(24V DC)방식의 컨버터(30)를 다수개로 형성하되,
상기 컨버터(30)가 수중이나 대기 온도를 측정하는 센서(21)에 연결된 경우에는 표시온도를 섭씨(℃)나 화씨(℉)로 출력되도록 변환하는 온도선택스위치(39)를 형성하며, 상기 컨버터(30)가 수질의 용존산소량을 측정하는 센서(21)에 연결된 경우에는 측정원리에 따른 갈바닉방식이나 폴라로그래피방식을 선택할 수 있는 측정선택스위치(39a)를 형성하고,
상기 컨버터(30)의 전원/신호선(31)을 통해 변환된 측정신호를 전달받으며, 무선통신망을 이용하여 관리기지나 휴대용 단말기(200)로 무선전송 및 제어신호를 수신받는 콘트롤러(40)를 형성하며,
상기 콘트롤러(40)에서 측정신호를 전달받아 각 센서그룹(20)의 센서(21) 측정값을 표시하는 로컬패널(50)로 구성하는 것을 특징으로 하는 사물인터넷을 이용한 수질관리장치.
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