KR101835034B1 - 구조물 모니터링용 센서를 위한 전력 및 데이터의 동시 무선 전송 방법 및 이를 위한 시스템 - Google Patents

구조물 모니터링용 센서를 위한 전력 및 데이터의 동시 무선 전송 방법 및 이를 위한 시스템 Download PDF

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Abstract

구조물 모니터링용 센서를 위한 전력 및 데이터의 동시 무선 전송 방법 및 이를 위한 시스템이 개시된다. 통신 모듈과 전력선 없이, 검사용 차량에 탑재되는 1차 측 공진회로와 도로나 교량에 설치되는 2차 측 공진 회로를 매개로 하여, 교량용 센서에 전력을 무선 송전하고, 또한 센서가 검출한 도로나 교량의 모니터링 정보를 디지털 신호로 변환하고 그에 기초하여 2차 측 부하를 변동시켜 그에 상응하는 1차 측 전압 변동을 야기하는 방식으로 센서가 검출한 정보를 1차 측으로 전달한다. 제안하는 시스템은 코일 사이의 자기 간섭에 의한 데이터 전송에 에러가 발생하는 기존 방식과는 달리, 통신을 위한 안테나 및 부가 회로를 사용하지 않음으로써, 데이터 전송에 에러가 없는 장점을 가진다. 또한 부가 회로를 사용하지 않기 때문에 전체 시스템이 구성이 간단하고, 교량에 설치한 센서의 유지 보수비용을 절감할 수 있다.

Description

구조물 모니터링용 센서를 위한 전력 및 데이터의 동시 무선 전송 방법 및 이를 위한 시스템 {Wireless and simultaneous power and data transmission method for sensor for monitoring state of structure and system for the same}
본 발명은 구조물의 상태를 모니터링하는 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조물 예컨대 교량에 설치되어 교량의 상태를 모니터링하는 센서에 대한 전력 전송과 센서의 검출신호 수집을 무선 방식으로 하는 기술에 관한 것이다.
기존의 교량의 물리적 정보를 측정하는 센서는 전력선을 통해 유선방식으로 구동 전력을 공급받는다. 또한, 그 센서가 검출한 센싱 데이터도 데이터 전송선을 통해 유선으로 전달된다. 이런 유선 방식 시스템은 설치 및 유지보수 비용이 상대적으로 많이 발생하는 문제가 있다.
이를 개선하기 위해 전력선을 대신하여 배터리를 사용하는 방법이 제안되었지만, 배터리의 방전 시 교량 내부에 위치한 배터리의 교체가 어렵다. 또한, 교량 상태에 관한 센싱 데이터를 전송하기 위해 고가의 통신 모듈이 요구된다.
이런 문제점들을 개선하기 위한 대안으로서, 무선 전력 및 데이터 전송 기술이 연구되고 있다. 관련 종래 기술들 중의 일 예에 따르면, 일반적으로 고주파수 연결 (Radio Frequency Link) 시스템이 무선 데이터 통신을 위해서 많이 사용되고 있다. 그 시스템은 전력 전송과 데이터 전달을 위하여 전력전송과 데이터 전달을 분리한 이중 코일 시스템(Multi-Coil system)을 사용한다.
그러나 이중 코일 시스템의 경우, 무선 전력전송 채널과 데이터 전달 채널 간에 자기 간섭 현상이 발생하고, 그로 인해 무선 전력전송 및 데이터 전달 채널에 노이즈가 유발된다. 그에 따라 데이터 전달부의 신호 대 잡음비 (SNR)가 낮아지는 문제가 생긴다.
또한, 그 이중 코일 구조는 무선 전력 전송 (Wireless Power Transmission: WPT) 시스템의 크기를 커지게 하여, 한정된 공간에 위치해야 하는 어플리케이션에 이중 코일 시스템을 적용하기에는 적합하지 않다. 또한, 시스템의 가격을 상승시키는 문제점이 있다.
본 발명은 교량과 같은 고정체의 상태 감지용 센서에 대한 전력 공급과 그 센서로부터 데이터 수집을 차량과 같은 가동체를 활용하여 무선으로 동시에 효과적으로 수행할 수 있어 센서의 유지 및 보수비용을 절감할 수 있고, 데이터 전송의 에러를 없애 전송 정확도를 높이고, 이 작업을 수행하기 위한 시스템의 구성을 단순화시킬 수 있는 전력 및 데이터 동시 무선 송수신 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 교량과 같은 고정체의 상태 감지용 센서에 대한 전력 공급과 그 센서로부터 데이터 수집을 차량과 같은 가동체를 활용하여 무선으로 동시에 효과적으로 수행할 수 있어 센서의 유지 및 보수비용을 절감할 수 있고, 데이터 전송의 에러를 없애 전송 정확도를 높이고, 별도의 부가회로의 사용이 필요치 않아 구성이 간단한 전력 및 데이터 동시 무선 송수신 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 전력 및 데이터의 동시 무선 전달 시스템이 제공된다. 이 시스템은 전력 및 데이터 전달부와, 송전 및 데이터 수신부, 그리고 수전 및 데이터 제공부를 포함할 수 있다. 전력 및 데이터 전달부는, 가동체에 설치되는 1차 측 코일과 고정체에 설치되는 2차 측 코일을 포함하며, 상기 가동체의 이동으로 상기 1차 측 코일이 상기 2차 측 코일 위에 위치할 때 상기 1차 측 코일과 상기 2차 측 코일 간에 상호 자기 유도에 의해 어느 일측에서 타측으로 전기에너지를 전달할 수 있다. 송전 및 데이터 수신부는 상기 가동체에 설치되며, 상기 1차 측 코일에 연결된다. 수전 및 데이터 제공부는 상기 고정체에 설치되며, 상기 2차 측 코일에 연결된다. 상기 송전 및 데이터 수신부는, 충전용 교류 전류를 상기 1차 측 코일에 흘려 상기 2차 측 코일에 자기 유도 전류를 흐르게 하여 상기 수전 및 데이터 제공부의 작동에 필요한 구동전력을 무선 전송하고, 상기 구동전력의 무선 전송을 중지시킴으로써 상기 2차 측 코일의 자기 유도 전류의 변화를 야기하여 상기 수전 및 데이터 제공부에 상기 고정체의 상태정보 요청신호를 보낸다. 상기 수전 및 데이터 제공부는, 상기 송전 및 데이터 수신부가 전송해준 구동전력으로 작동하고, 상기 상태정보 요청신호에 응하여 상기 고정체의 상태를 모니터링하여 검출정보를 생성하고, 상기 검출정보의 대응 디지털신호에 의거하여 자체의 부하를 디지털적으로 변동시킴으로써, 상기 1차 측 코일에 흐르는 순환전류의 변화를 야기한다. 상기 송전 및 데이터 수신부는, 상기 순환전류의 변화 또는 상기 순환전류의 변화에 상응하는 전압의 변화를 검출하여 상기 수전 및 데이터 제공부가 제공하는 상기 검출정보를 복구한다.
실시예에 따르면, 상기 수전 및 데이터 제공부의 부하 변동은, 상기 2차 측 코일에 대한 상기 수전 및 데이터 제공부의 적어도 일부 또는 전부의 연결과 끊음을 스위칭 하는 스위칭부를 상기 검출정보에 대응하는 패킷화된 디지털 신호로 온/오프 구동하는 것에 의해 발생될 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 가동체는 차량이고, 상기 고정체는 상기 차량이 다닐 수 있는 도로 및/또는 교량일 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 송전 및 데이터 수신부는 상기 1차 측 코일에 연결되어 1차 측 공진회로를 구성하는 제1 캐패시터부를 포함하고, 상기 수전 및 데이터 제공부는 상기 2차 측 코일에 연결되어 2차 측 공진회로를 구성하는 제2 캐패시터부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 수전 및 데이터 제공부는 상기 상태정보 요청신호의 수신을 상기 제2 캐패시터부에 나타나는 충전전압의 변화를 검출하는 것을 통해 파악할 수 있다. 상기 송전 및 데이터 수신부는 상기 수전 및 데이터 제공부가 제공하는 상기 검출정보를 상기 제1 캐패시터부에 나타나는 충전전압의 변화를 검출하는 것을 통해 획득할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 송전 및 데이터 수신부는, 상기 1차 측 코일에 연결되어 1차 측 공진회로를 구성하는 제1 캐패시터부; 상기 1차 측 공진회로에 교류전류를 흐르게 함으로써, 상기 2차 측 코일에 자기 유도 방식으로 전류의 흐름을 유도하여 상기 수전 및 데이터 제공부에 상기 구동전력이 무선으로 전송되도록 하는 전원부; 및 상기 상태정보 요청신호를 상기 수전 및 데이터 제공부에 전달되도록 하고, 상기 수전 및 데이터제공부가 상기 검출정보에 대응하는 제1 아날로그신호를 상기 전력 및 데이터 전달부를 통해 전달할 때 상기 1차 측 코일의 유도전류의 변화에 의해 상기 제1 캐패시터부에 나타나는 충전전압의 변화를 검출하여 상기 검출정보를 복구하는 데이터 수신부를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 데이터 수신부는, 상기 제1 캐패시터부에 나타나는 상기 충전전압의 피크값을 검출하여 기준값과의 비교를 통해 그 검출된 피크값을 대응하는 디지털신호로 변환하는 제1 변조부; 충전 개시 후 소정 시점에 상기 전원부로부터 상기 수전 및 데이터 제공부로의 무선 전력 전송이 중지되도록 제어함으로써 상기 상태정보 요청신호가 상기 수전 및 데이터 제공부에 전달되게 하고, 상기 제1 변조부를 통해 변환된 상기 디지털신호를 상기 수전 및 데이터 제공부가 제공한 상기 고정체의 검출정보로서 수신하는 제1 프로세서를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 1차 측 코일과 상기 송전 및 데이터 수신부는 가동체인 차량에 탑재되며; 상기 전원부는 배터리 전원을 이용하여 직류 전압을 제공하는 직류전원부와, 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 1차 측 코일과 상기 제1 캐패시터부를 통해 교류 전류를 흐르게 하는 인버터부를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 수전 및 데이터 제공부는, 상기 2차 측 코일에 연결되어 2차 측 공진회로를 구성하는 제2 캐패시터부; 상기 2차 측 코일에 자기 유도되어 흐르는 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 정류부; 상기 직류 전류에 의해 충전되는 센서 배터리부; 상기 센서 배터리부의 전원을 이용하여 작동하며, 상기 고정체의 상태를 모니터링하여 상태검출신호를 출력하는 센서부; 상기 2차 측 코일과 상기 수전 및 데이터 제공부 간의 연결을 스위칭 제어신호에 의해 온/오프 스위칭 하여 상기 2차 측 코일에 연결되는 상기 수전 및 데이터 제공부의 부하를 변동시키기 위한 스위칭부; 및 상기 센서 배터리부의 전원에 의해 작동하며, 상기 제2 캐패시터에 나타나는 상기 충전전압 변화를 통해 상기 송전 및 데이터 수신부의 상기 상태정보 요청신호를 인지하고, 상기 상태정보 요청신호에 응하여 상기 센서부의 상기 상태검출신호에 대응하는 디지털 신호를 상기 스위칭부에 상기 스위칭 제어신호로서 제공함으로써, 상기 1차 측 코일을 통해 상기 송전 및 데이터 수신부로 상기 센서부의 상기 상태검출신호를 전달하는 데이터 제공부를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 데이터 제공부는, 상기 제2 캐패시터부에 나타나는 상기 충전전압을 검출하여 대응하는 디지털신호로 변환하여 출력하는 제2 변조부; 상기 제2 변조부로부터 출력되는 디지털신호가 상기 상태정보 요청신호에 해당하면, 상기 센서부로부터 상기 아날로그 검출신호를 읽어서 그에 대응하는 패킷화 된 디지털 신호로 변환하는 제2 프로세서; 상기 제2 프로세서가 제공하는 상기 패킷화된 디지털 신호에 따라 상기 스위칭부의 온/오프 스위칭을 구동하는 스위치 구동부를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 센서부는 교량에 설치되어 그 교량의 상태를 모니터링하다 상기 상태검출신호를 출력하는 센서를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전력 및 데이터의 동시 무선 전달 방법이 제공된다. 이 방법은, 전력 및 데이터 전달부의 2차 측 코일, 그리고 상기 2차 측 코일에 연결되고 정류부, 센서 배터리부, 스위칭부, 센서부 그리고 데이터 제공부를 포함하는 수전 및 데이터 제공부를 고정체에 설치하고, 상기 전력 및 데이터 전달부의 1차 측 코일, 그리고 상기 1차 측 코일에 연결되고 전원부 그리고 데이터 수신부를 포함하는 송전 및 데이터 수신부를 가동체에 설치할 수 있다. 상기 가동체의 이동에 의해 상기 1차 측 코일이 상기 2차 측 코일 위에 위치한 상태에서, 상기 전원부가 상기 1차 측 코일에 교류전류를 흘려 상기 2차 측 코일에 자기 유도 전류를 흐르게 함으로써 상기 2차 측 코일에 연결된 상기 정류부를 통해 상기 센서 배터리부를 충전할 수 있다. 상기 센서 배터리부의 충전 전압에 의해 상기 센서부가 동작을 개시하여 상기 고정체의 상태를 모니터링하다 상태검출신호를 생성할 수 있다. 상기 송전 및 데이터 수신부가 상기 센서 배터리부를 충전하다가 상기 1차 측 코일에 전류를 흐르지 않게 함으로써 상기 2차 측 코일에 흐르는 2차 측 유도전류의 변화 또는 이에 상응하는 2차 측 전압 변화가 발생되도록 하여 상기 수전 및 데이터 제공부에 상기 고정체의 상태정보 요청신호를 보낼 수 있다. 상기 상태정보 요청신호에 응하여, 상기 수전 및 데이터 제공부가 상기 상태검출신호의 대응 디지털신호에 의거하여 자체의 부하를 변동시킴으로써, 그 부하의 변동에 상응하여 상기 1차 측 코일에 흐르는 순환전류의 변화를 야기할 수 있다. 상기 송전 및 데이터 제공부가 상기 순환전류의 변화 또는 상기 순환전류의 변화에 상응하는 전압의 변화를 검출하여 상기 수전 및 데이터 제공부가 제공하는 상기 상태검출신호를 복구할 수 있다.
상기 방법의 실시예에 따르면, 상기 송전 및 데이터 수신부는 상기 1차 측 코일에 연결되어 1차 측 공진회로를 구성하는 제1 캐패시터부를 포함하고, 상기 수전 및 데이터 제공부는 상기 2차 측 코일에 연결되어 2차 측 공진회로를 구성하는 제2 캐패시터부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 수전 및 데이터 제공부는 상기 상태정보 요청신호의 수신을 상기 제2 캐패시터부에 나타나는 충전전압의 변화를 통해 파악할 수 있고, 상기 송전 및 데이터 수신부는 상기 수전 및 데이터 제공부가 제공하는 상기 상태검출신호를 상기 제1 캐패시터부에 나타나는 충전전압의 변화를 통해 획득할 수 있다.
상기 방법의 실시예에 따르면, 상기 수전 및 데이터 제공부의 부하 변동은, 상기 2차 측 코일에 대한 상기 수전 및 데이터 제공부의 적어도 일부 또는 전부의 연결과 끊음을 스위칭 하는 상기 스위칭부를 상기 검출정보에 대응하는 패킷화된 디지털 신호로 온/오프 구동하는 것에 의해 발생될 수 있다.
상기 방법의 실시예에 따르면, 상기 가동체는 차량이고, 상기 고정체는 상기 차량이 다닐 수 있는 도로 및/또는 교량일 수 있다.
상기 방법의 실시예에 따르면, 상기 전원부는 상기 차량의 배터리를 전원으로 이용하며, 상기 센서부는 교량에 설치되어 그 교량의 상태를 모니터링하다 상기 상태검출신호를 출력할 수 있다.
상기 방법의 실시예에 따르면, '상기 상태검출신호를 복구하는 단계' 후, 상기 전원부가 상기 1차 측 코일에 교류전류를 흘려 상기 2차 측 코일에 자기 유도 전류를 흐르게 함으로써 상기 센서 배터리부에 대한 충전을 재개하여 충전을 완성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법의 실시예에 따르면, 상기 고정체의 상태검출값의 측정가능 최대범위를 복수의 구간으로 구분하여 각 구간별로 대응하는 전압신호를 지정해둔 정보를 기초로 하여, 센서부가 검출한 상기 고정체의 상태검출값이 해당하는 구간에 대응하는 전압신호를 상기 상태검출신호로서 생성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 검사 차량을 통해 무선으로 교량 상태 감지용 센서에 대한 충전과 그 센서로부터 데이터 수집을 동시에 할 수 있다. 이러한 작업을 수행함에 있어서, 코일사이의 자기 간섭에 의한 데이터 전송에 에러가 발생하는 기존 방식과는 달리, 본 발명은 통신을 위한 안테나 및 부가회로를 사용하지 않기 때문에, 데이터 전송에 에러가 없는 장점이 있다.
본 발명은 무선 전력 전송용 자기 유도/공진용 공진기를 이용하여 부가적인 통신용 모듈의 사용 없이 데이터의 전송을 가능하게 한다. 이를 통해서 부가적인 통신용 모듈을 교량 및 검사용 차량에서 없앨 수 있다. 부가회로를 사용하지 않기 때문에, 전체 시스템의 구성이 간단하다.
교량에 설치한 센서의 유지, 보수비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 모니터링용 센서에 대한 무선 전력 공급 및 데이터 수집용 시스템의 개략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 전압 검출 및 아날로그/디지털 변환부의 구성의 일예를 도시하는 회로도이다.
도 4는 도 2에 도시된 의 시스템(10)을 등가적으로 간략하게 도시한 것이다.
도 5는 PT 텐던의 긴장력과 이를 모니터링하는 센서의 출력 아날로그 전압 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 긴장력 검출 센서가 출력하는 아날로그 상태검출신호와 이에 대응되는 디지털 데이터 간의 관계를 예시한다.
도 7의 (a)는 스위칭부(SL)의 동작이 ON인 경우의 1차 측의 회로를 나타내고, (b)의 회로는 OFF인 경우의 1차 측의 회로를 나타낸다.
도 8은 제1 캐패시터부의 전압의 크기 변화를 검출하여 그 변화 추이에 대응하는 디지털 신호를 생성하기 위한 제1 변조부의 구성을 예시한다.
도 9는 전력 및 데이터의 무선 전송의 동작 관계를 설명하기 위한 파형도를 예시한다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 관한 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 모니터링용 센서에 대한 전력 및 데이터의 동시 무선 전달 시스템(10)의 개략적인 개념도가 도시되어 있다. 이 전력 및 데이터 동시 무선 송수신 시스템(10)은, 통신 모듈과 전력선 없이, 한 쌍의 코일을 통해 교량용 센서에 대한 전력을 무선 송전하는 동시에, 2차 측 부하 변동에 의한 1차 측 전압 변동을 이용하여 데이터를 무선으로 전송할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 이 시스템(10)은 크게 교량(3)의 상태를 모니터링하기 위한 센서부(70)의 구동을 위한 센서 배터리(64)의 무선 충전을 위한 수단과 센서부(70)가 검출한 정보를 무선으로 전달받기 위한 수단을 포함한다. 예컨대 이 시스템(10)은 송전 및 데이터 수신부(20), 수전 및 데이터 제공부(60), 그리고 전력 및 데이터 전달부(50)를 포함할 수 있다. 센서 배터리(64)에 대한 무선 충전과 센서부(70) 생성 데이터의 무선 전송은 동일한 공진기를 이용할 수 있다. 그 공진기는 전력 및 데이터 전달부(50)로 구현할 수 있다.
전력 및 데이터 전달부(50)는 예컨대 차량(1)과 같은 가동체(이하에서는 차량(1)을 예로 하여 설명함)에 설치되는 1차 측 코일(52)과 예컨대 교량(3)과 같은 고정체(이하에서는 교량(30)을 예로 하여 설명함)에 설치되는 2차 측 코일(54)을 포함한다. 이 전력 및 데이터 전달부(50)는 차량(1)의 이동으로 1차 측 코일(52)이 2차 측 코일(54) 위에 위치할 때(즉, 서로 자속 쇄교에 의해 자기 유도가 가능한 상태에 있을 때) 1차 측 코일(52)과 2차 측 코일(54) 간에 상호 자기 유도에 의해 어느 일측에서 타측으로 전기에너지를 전달할 수 있다.
송전 및 데이터 수신부(20)는 차량(1)에 설치되어 차량과 함께 이동할 수 있다. 또한, 전력 및 데이터 전달부(50)의 1차 측 코일(52)에 연결된다.
수전 및 데이터 제공부(60)는 교량(3)에 설치된다. 또한, 전력 및 데이터 전달부(50)의 2차 측 코일(54)에 연결된다.
도 2에는 도 1에 도시된 시스템(10)의 전기 회로 구성의 일예가 도시되어 있다. 이를 참조하면서 본 발명의 시스템(10)의 구성을 좀 더 구체적으로 살펴본다.
먼저, 송전 및 데이터 수신부(20)는, 제1 캐패시터부(C1), 전원부(30), 그리고 데이터 수신부(40)를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터부(C1)는 1차 측 코일(52)에 직렬로 연결되어 1차 측 공진회로를 구성한다. 제1 캐패시터부(C1)는 1차 측 코일(52)의 인덕턴스 성분(L1)과 함께 LC 공진회로(실제로는 코일의 저항 성분(R1)까지 고려하면, RLC 공진회로임)를 구성할 수도 있다.
전원부(30)는 수전 및 데이터 제공부(60)에 공급할 직류 전원을 포함한다. 이 직류 전원은 배터리일 수 있다. 예컨대 차량의 배터리(32)를 상기 전원으로 사용할 수도 있다. 전원부(30)는 또한, 그 직류 전원의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 1차 측 코일(52)과 제1 캐패시터부(C1)를 통해 교류 전류를 흐르게 하는 인버터부(36)를 포함할 수 있다. 전원부(30)는 배터리(32)의 출력 전압 레벨을 원하는 레벨의 직류 전압으로 조정하여 인버터부(36)로 제공하기 위한 전압조정기(34)를 더 포함할 수도 있다.
상기 데이터 수신부(40)는 제1 변조부(47)와 제1 프로세서(48)를 포함할 수 있다.
제1 변조부(47)는 제1 캐패시터부(C1)의 양단에 나타나는 충전전압의 피크값을 검출하는 전압 검출부(44)와, 전압 검출부(44)가 검출한 피크값을 제공받아 그것을 기준값과의 비교를 통해 대응하는 디지털신호로 변환하는 ADC(46)를 포함할 수 있다.
제1 프로세서(48)는 전원부(30)의 인버터부(36)를 제어할 수 있도록 그 인버터부(36)에 연결된다. 또한, 제1 프로세서(48)는 ADC(46)의 출력신호를 제공받을 수 있도록 제1 변조부(47)의 ADC(46)에 연결된다. 제1 프로세서(48)는 프로그램 된 명령들을 수행하고 데이터 및 프로그램 등을 저장하기 위한 연산장치와 메모리 등을 포함할 수 있다. 예컨대 디지털 신호 처리기(DSP), 마이크로프로세서, 마이크로 컨트롤러 등으로 구현될 수 있다.
수전 및 데이터 제공부(60)는 전력 및 데이터 전달부(50)의 2차 측 코일(54)에 직렬로 연결되는 제2 캐패시터부(C2)를 포함할 수 있다. 제2 캐패시터부(C2)는 2차 측 코일의 인덕턴스 성분(L2) 및 저항 성분(R2)과 함께 2차 측의 RLC 공진회로를 구성할 수 있다.
수전 및 데이터 제공부(60)는 정류부(62), 센서 배터리부(64), 센서부(70), 스위칭부(SL)를 포함할 수 있다.
정류부(62)는 2차 측 코일(54)의 일측에 연결되어, 그 2차 측 코일(54)에 자기 유도되어 흐르는 교류 전류를 직류 전류로 변환한다.
센서 배터리부(64)는 스위칭부(SL)를 통해 정류부(62)에 연결되어, 스위칭부(SL)를 통해 흐르는 정류부(62)의 출력 직류 전류에 의해 충전된다.
센서부(70)는 센서 배터리부(64)에 연결되어, 그 센서 배터리부(64)의 전원을 이용하여 작동한다. 센서부(70)는 교량(3)의 상태를 모니터링하여 상태검출신호를 출력한다. 센서부(70)는 예컨대 스마트 교량 구현을 위해 교량(3)에 삽입된 PT텐던(Post-Tensioning Tendon)의 긴장력 및 온도 등의 측정을 위한 센서를 포함할 수 있다.
스위칭부(SL)는 2차 측 코일(54)과 수전 및 데이터 제공부(60) 간의 연결을 스위칭 제어신호에 의해 온/오프 스위칭 한다. 이에 의해, 2차 측 코일(54)에 연결되는 수전 및 데이터 제공부(60)의 부하를 디지털적으로 변동시킬 수 있다. 즉, 스위칭부(SL)의 온/오프 스위칭에 의해, 2차 측 코일(54)에 연결되는 수전 및 데이터 제공부(60)의 부하의 크기는 두 가지 종류가 교호적으로 변화될 수 있다.
데이터 제공부(80)는 제2 변조부(97)를 포함할 수 있다. 제2 변조부(97)는 제2 캐패시터부(C2)에 연결되어 그 제2 캐패시터부(C2)에 나타나는 충전전압을 검출하는 전압 검출부(94)와, 이 전압 검출부(94)의 검출전압을 디지털신호로 변환하는 ADC(96)을 포함할 수 있다.
데이터 제공부(80)는 또한, 제2 프로세서(82)와 스위치 구동부(86)를 포함할 수 있다. 제2 프로세서(82)는 ADC(84)를 포함할 수 있다. 제2 프로세서(82)는 또한, 프로그램 된 명령들을 수행하고 데이터 및 프로그램 등을 저장하기 위한 연산장치와 메모리 등을 포함할 수 있다. 제2 프로세서(82)는 예컨대 디지털 신호 처리기(DSP), 마이크로프로세서, 마이크로 컨트롤러 등으로 구현될 수 있다. 제2 프로세서(82)는 제2 변조부(97)의 ADC(96)에 연결되어 그 출력신호를 제공받을 수 있고, 또한 센서부(70)에 연결되어 센서부(70)가 검출한 상태검출신호를 제공받을 수 있다. 제2 프로세서(82)는 스위칭 구동부(86)에도 연결된다.
스위칭 구동부(86)는 스위칭부(SL)의 온/오프 스위칭을 제어할 수 있는 지점에 연결된다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 및 데이터의 동시 무선 전달 방법의 전반적인 실행순서를 나타낸 흐름도이다. 전력/데이터 무선 송수신 시스템(10)에서, 센서부(70)에 대한 무선 전력전송을 위해서, 인버터(36)를 포함한 송전 및 데이터 수신부(20)에서 전력을 무선 송출하여 그 전력이 교량용 콘크리트를 통과하여 센서부(70)가 위치한 수전 및 데이터 제공부(60)에 공급한다. 이와 동시에, 그 센서부(70)가 검출한 데이터를 송전 및 데이터 수신부(20)로 전달하기 위해서, 교량(3)의 물리적 정보를 디지털 신호로 변환한 후 그 변환된 디지털 신호에 기초하여 수전 및 데이터 제공부(60)의 부하의 크기를 가변시킨다. 송전 및 데이터 수신부(20)는 그 부하의 크게 변동에 따라 1차 측에 나타나는 순환전류 또는 그에 대응하는 물리량을 검출하는 것을 통해 센서(70)가 검출한 데이터를 복구한다. 이와 같은 교량 센서부(70)에 대한 무선 충전 및 데이터 수집은 송전 및 데이터 수신부(20)가 장착된 검사용 차량(1)을 통해서 수행될 수 있다.
시스템(10)에서 전력과 데이터를 무선으로 동시에 전송할 수 있는 원리와 절차를 구체적으로 설명하기로 한다. 도 1에 도시되어 있듯이, 본 발명의 시스템(10)은 검사용 차량(1)에서 교량(3) 내부에 위치한 센서부(70), 예컨대 PT 텐던 긴장력 모니터링 센서에 전력 및 데이터 전달부(50)의 1차 측 코일(52) 및 2차 측 코일(54)을 통해 무선으로 전원을 공급한다. 이와 더불어, 수전 및 데이터 제공부(60)는 센서부(70)가 측정한 긴장력 데이터를 똑같이 2차 측 코일(54)과 1차 측 코일(52)을 통해 송전 및 데이터 수신부(20)에 전달할 수 있다. 이처럼, 송전 및 데이터 수신부(20)가 센서부(70)로부터 교량(3)의 상태를 검출한 정보를 제공받기 위해서는 수전 및 데이터 제공부(60)에 전력을 전송하여 센서부(70)를 비롯한 전체 구성요소들이 작동 가능한 상태로 만들 필요가 있다.
먼저, 송전 및 데이터 수신부(20)가 수선 및 데이터 제공부(60)로 전력을 무선으로 전달하는 원리와 방법을 설명한다.
검사용 차량(10)에서 교량(3) 내부에 위치한 PT 텐던 긴장력 모니터링 센서에 무선으로 전원을 공급하기 위해, 검사용 차량(1)이 교량(3)에 진입하여 센서부(70)가 설치된 지점에 접근하여야 한다. 보다 정확하게는 차량(1)에 탑재된 전력 및 데이터 전달부(50)의 1차 측 코일(52)이 교량(3)에 설치된 2차 측 코일(54) 위에 위치하도록 접근한다. 검사용 차량(1)은 그 차량(1)에 설치되어 있는 송전 및 데이터 수신부(20)가 전력 및 데이터 전달부(50)를 통해 수전 및 데이터 제공부(60)의 작동에 필요한 구동전력을 무선으로 전송하여, 교량(3)에 설치된 수전 및 데이터 제공부(60)의 센서 배터리(64)를 충전한다(S10 단계).
센서 배터리부(64)의 충전을 위해, 송전 및 데이터 수신부(20)는 충전용 교류 전류를 1차 측 코일(52)에 흘려 2차 측 코일(54)에 자기 유도 전류를 흐르게 한다. 구체적으로, 자동차용에 실린 배터리(32)의 전압을 일정한 전압조정기(34)를 통해 DC전압으로 레귤레이션 한 이후, 인버터부(36)에서 교류 전류로 변환한다. 그 교류 전류를 1차 측 코일(52)에 흘리면, 2차 측 코일(54)이 1차 측 코일(52)이 상호 자기 유도 관계로 결합되어 있으므로, 2차 측 코일(54)에 전류가 유도된다. 유도된 교류 전류는 정류기(62)를 거치면서 직류 전류로 변환된다. 이 때, 스위칭부(SL)는 닫혀있으므로, 그 직류 전류는 센서 배터리부(64)에 흘러들어가서 충전된다.
도 1에 도시된 것과 같은 무선 전력 전송 방식은 커플링 계수가 낮아질수록 1차 측 코일(52)에서 2차 측 코일(54)로 전송되지 않는 순환 전류가 크고, 이는 큰 도통 손실과 낮은 전송 효율을 초래한다. 그 때문에 1차 측 코일(52)에 흐르는 순환 전류의 크기를 감소시키기 위해, 입력 임피던스의 무효 전력 부분을 가능한 한 작게 설계하는 것이 바람직하다. 이를 통해, LC공진 현상이 일어날 수 있게 함으로써, 무효 전력 부분을 제거할 수 있다. 또한, 부하에 따라 1차 측 코일(52)에 요구되는 전류가 변하여 상대적으로 도통 손실을 최소화 할 수 있는 직렬-직렬 보상의 공진기 구조를 이용할 수 있다.
도 4는 도 2의 시스템(10)을 등가적으로 간략하게 도시한 것이다. 이를 더 참고하면서 무선 전력 전송을 고효율로 할 수 있는 방안을 좀 더 구체적으로 설명한다. 두 코일(52, 54) 사이에 갭을 가지고 전력을 전달하는 방식은 낮은 결합 계수(Coupling coefficient)에 의하여 초래되는 높은 순환 전류(Circulating current)에 의하여 전송 효율이 낮다.
순환전류의 크기를 작게 하여, 높은 전송 효율을 얻기 위해서는 입력 임피던스의 허수 부분을 가능한 한 작게 설계를 하여야 한다. 이를 위해 1차 측 코일(52)과 2차 측 코일(54) 각각에 제1 캐패시터(C1)와 제2 캐패시터(C2)를 각각 직렬로 부가할 수 있다. 1차 측에서는 1차 측 코일(52)과 제1 캐패시터(C1)가 LC 공진회로(실제로는 1차 측 코일(52)의 자체 저항(R1)에 의해 RLC 공진회로임)를 구성하고, 2차 측에서는 2차 측 코일(54)과 제2 캐패시터(C2)가 LC 공진회로(이것도 실제로는 RLC 공진회로임)를 구성한다. 이와 같은 LC 공진회로를 이용하여 입력 임피던스의 허수 부분을 최소화 할 수 있다.
이때 전력 전송 효율 관계식은 아래 와 같이 표현이 가능하다.
Figure 112016033568613-pat00001
......(1)
여기서, L1과 L2는 1차 측 코일(52)과 2차 측 코일(54)의 인덕턴스를 각각 의미하며, R1과 R2는 전력 및 데이터 전달부(50)의 1차 측의 저항값과 2차 측의 저항값을 각각 나타낸다. RL은 2차 측 코일(54)에 연결되는 부하(이 부하는 수전 및 데이터 제공부(60)의 부하의 적어도 일부임)이며, Q1과 Q2는 성능계수(Quality factor)를 뜻한다. k는 결합 계수를 뜻하며, Q1, Q2, k값이 클수록 높은 전력 전송 효율을 얻을 수 있다.
k는 다음과 수식으로 표현된다. M은 1차 측 코일(52)과 2차 측 코일(54) 간의 상호 유도계수이다.
Figure 112016033568613-pat00002
......(2)
센서 배터리(64)에 대한 충전이 어느 정도 진행되면 그 센서 배터리(64)의 충전전압이 임계전압 이상으로 높아질 수 있다. 즉, 수전 및 데이터 제공부(60)의 정상적인 작동에 필요한 전력을 충분히 공급할 수 있는 상태가 되면, 센서부(70)가 교량(3)의 상태를 모니터링하고 그 모니터링에서 획득된 정보(예컨대 교량의 PT텐던 긴장력 변화 및 온도 정보로서 이하에서는 '상태검출신호' 또는 '상태검출정보'라 함)를 전력 및 데이터 전달부(50)를 통해 송전 및 데이터 수신부(20)에 전달한다. 상태검출정보의 무선 전달은 상태검출정보를 디지털 신호로 변환하고 그 변환된 디지털 신호를 이용하여 2차 측 코일(54)에 연결되는 수전 및 데이터 제공부(60)의 부하를 가변시켰을 때 발생하는 부하 변동 정보를 이용하여 이루어질 수 있다. 수전 및 데이터 제공부(60)에서 발생한 부하 변동 정보는 송전 및 데이터 수신부(20)의 LC 공진용 제1 캐패시터부(C1)에서의 충전전압의 변동값으로 나타날 수 있다. 그러므로 제1 캐패시터부(C1)의 충전전압의 변동을 검출하고 그 변동에 대응되는 디지털 신호를 복구하면 그것이 바로 센서부(70)가 제공한 상태검출신호가 되는 것이다. 이처럼 센서부(70)가 측정한 데이터(상태검출정보)를 전원부(30)의 전력이 전송된 그 통로(즉, 1차 측 코일(52)과 2차 측 코일(54))를 통해 역으로 전달할 수 있다. 별도의 복잡한 구성을 갖는 추가회로의 사용 없이도 센서부(70)의 상태검출정보의 전달이 가능하다.
이 과정을 좀 더 구체적으로 설명한다. 센서 배터리(64)의 충전이 어느 레벨 이상으로 이루어지면, 센서 배터리(64)는 충전 전력을 센서부(70)에 공급하여 센서부(70)가 작동할 수 있도록 할 수 있다. 전력을 공급받은 센서부(70)의 동작이 활성화 되면, 센서부(70)의 각 센서들은 교량(3)의 상태를 모니터링하여 소정의 상태검출신호를 생성한다. 센서부(70)는 각 센서들로부터 상태검출신호를 수집한다(S20 단계). 센서부(70)가 획득할 수 있는 정보는 교량에 설치, 운용되는 센서의 종류에 따라 다양할 수 있다. 교량의 경우 PT의 긴장력 정보, 온도 정보 등이 대표적일 수 있으나, 이것에 한정되지는 않는다.
또한, 센서 배터리(64)는 제2 프로세서(64), 제2 변조부(97), 그리고 스위치 구동부(86) 등 수전 및 데이터 제공부(60)의 각 구성요소에도 필요한 구동 전력을 공급할 수 있다. 제2 프로세서(64)에 구동 전력이 공급되면, 시동(startup) 모듈(83)이 실행되어 제2 프로세서(64)가 작동을 개시한다. 본 발명의 실시에 필요한 내장 프로그램이 실행된다.
센서부(70)가 교량의 상태를 검출하여 상태검출신호를 생성하기에 충분한 시간이 경과된 후 적정한 시점에, 데이터 수신부(40)의 제1 프로세서(48)는 데이터 요청신호 즉, 센서부(70)가 교량의 상태를 검출하여 획득한 상태정보를 요청하는 신호(이하, '상태정보 요청신호'라 함)를 전원부(30)에 보낸다. 이 상태정보 요청신호는 제2 캐패시터(C2)에서 전압 변동을 야기하고, 제2 변조부(90)가 이를 검출하여 제2 프로세서(82)에게 전달한다(S30 단계).
S30 단계를 좀 더 구체적으로 설명한다. 교량(3)에 관한 상태정보의 요청은 제1 프로세서(48)가 상태정보 요청신호를 인버터(36)에 인가하는 것에 의해 이루어진다. 상태정보 요청신호의 펄스가 인가되면 인버터(36)는 순간적으로 작동을 멈추어 1차 측 코일(52)에 전력공급을 중지한다. 즉, 1차 측 코일(52)에 흐르던 전류의 흐름이 끊어지고, 충전은 중지된다. 그에 따라 1차 측 코일(52)과 자기 상호 유도 관계에 있는 전력 및 데이터 전달부(50)의 2차 측 코일(54)에도 전류의 흐름이 끊어진다.
그에 따라 2차 측 코일(54)에 순간적으로 큰 유도전류가 흘러 제2 캐패시터(C2)에서는 순간적인 전압 상승이 발생한다. 제2 변조부의 전압검출부(94)는 제2 캐패시터(C2)의 충전전압을 모니터링하면서 그것의 크기를 검출하여 ADC(96)에 제공한다. ADC(96)는 전압검출부(94)에서 검출한 전압을 기준 레벨과 비교하여 디지털 신호를 출력한다. ADC(96)는 전압 검출부(94)의 출력전압이 기준 레벨 이하이면(센서 배터리(64)를 충전하는 동안의 제2 캐패시터(C2)의 전압은 상기 기준 레벨 이하가 되도록 설계함) 로직 로우를 출력하고, 상기 기준 레벨 이상으로 변하면 로직 하이를 출력하도록 설계할 수 있다. 따라서 ADC(96)는 전원부(30)가 센서 배터리(64)를 충전하는 동안에는 로직 로우를 출력하다가, 제1 프로세서(48)가 상태정보 요청신호를 출력하여 충전을 중지하면 로직 하이를 출력하게 된다. ADC(96)에서 출력되는 디지털신호의 레벨 변화 (즉, 로직 로우에서 로직 하이로의 변화 또는 그 반대로의 변화)는 곧 제1 프로세서(48)가 전원부(30)에 제공한 상태정보 요청신호로 볼 수 있다.
제2 프로세서(82)는 ADC(96)의 출력 디지털 신호로부터 제1 프로세서(48)가 센서부(70)의 상태검출정보를 요청하였는지 여부를 인지할 수 있다. 제2 프로세서(82)는 상태검출정보의 요청이 있는 것으로 파악되면, 센서부(70)로부터 상태검출정보를 읽어 들인다. 센서부(70)의 상태검출정보는 아날로그 신호일 수 있다. 그 경우, 그 아날로그신호를 디지털 신호로 변환한다(S40 단계).
본 발명은 센서부(70)의 상태검출신호를 송전 및 데이터 수신부(20)로 전달하기 위해, 그 상태검출신호를 디지털 신호로 변환한 후, 그것을 스위칭부(SL)의 온/오프 스위칭을 구동하는 데 이용한다. 이때, 그 변환된 디지털 신호는 패킷화 할 수 있다. 즉, 제2 프로세서(82)는 ADC(84)에서 변환된 디지털 신호를 패킷화 하여, 스위치 구동부(86)에 제공한다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 아날로그 신호인 상태검출신호를 제2 프로세서(82)에서 처리하기 위해 제2 프로세서부(82)의 ADC(84)가 우선 그 상태검출신호를 디지털 신호로 변환한다. 센서부(70)가 검출하여 생성하는 정보는 DC전압 값으로 출력될 수 있다. 예컨대 교량(3)에 설치된 PT 텐던의 긴장력을 모니터링하는 센서의 경우, 긴장력 0~200kN의 범위에서 검출된다. 도 5는 PT 텐던의 긴장력과 이를 모니터링 하는 긴장력 검출 센서가 출력하는 아날로그 전압 간의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 5의 그래프와 같이, 긴장력 검출 센서가 검출 가능한 최대 긴장력이 예컨대 200kN인 경우, 긴장력 정보를 25kN의 단위로 분할하여 검출 가능한 긴장력을 8단계로 구분하고, 그 8단계 각각에 대해 크기가 다른 아날로그 전압(V1~V8)을 1 대 1로 대응시킬 수 있다. 예를 들어 V5는 100kN~125kN사이의 값을 의미한다.
도 6은 센서가 출력하는 아날로그 상태검출신호와 이에 대응되는 디지털 데이터 간의 관계를 예시적으로 보여준다. 긴장력 검출 센서는 검출한 긴장력의 크기가 속하는 등급에 대응하는 전압을 PT 텐던의 상태검출신호로서 출력할 수 있다. 예를 들어 센서가 검출한 긴장력이 110kN인 경우, 센서는 V5에 해당하는 전압신호를 PT 텐던의 상태검출신호로서 출력할 수 있다. 긴장력 검출 센서가 출력하는 아날로그 상태검출신호는 도 6에 도시된 것과 같이 제2 프로세서(82)의 ADC(84)로 제공되어 8단계의 패킷화된 디지털 신호 중 대응되는 어느 한 가지로 변환될 수 있다. 8단계의 아날로그 상태검출신호의 전압 각각은 예컨대 6 비트 디지털 신호로 ADC(84)에 의하여 변환될 수 있다. ADC(84)가 출력하는 그 6비트 디지털 신호는 맨 처음 비트와 마지막 비트가 신호의 시작과 종료를 의미하며, 가운데의 나머지 4 비트가 PT 텐던의 긴장력 정보에 해당하도록 구성할 수 있다.
도 5와 도 6에 제시된 것은 긴장력 검출 센서에 관한 예시로서, 다른 것을 검출하는 센서에도 적용될 수도 있다. 다만, 센서가 검출한 물리량을 구분하는 단계, 각 구분 단계와 디지털신호의 대응 관계, 디지털 신호의 구성 등은 예시적인 것에 불과할 뿐이며, 각각의 사항에 관해 여러 가지 변화를 줄 수도 있다.
제2 프로세서(82)는 ADC(84)에서 변환된 디지털 신호를 스위치 구동부(86)에 제공한다. 스위치 구동부(86)는 그 패킷화된 디지털 신호를 이용하여 스위칭부(SL)의 온/오프 스위칭을 제어할 수 있다. 스위칭부(SL)가 온 상태에서 오프 상태로 변동하거나 오프 상태에서 온 상태로 변동하면, 2차 측 코일(54)에 걸리는 부하의 크기도 큰 값(로직 하이 상태)에서 작은 값(로직 로우 상태)으로 변동하거나 그 반대로 변동한다(S50 단계). 예컨대, 스위칭부(SL)가 예컨대 MOSFET으로 구성되고, 스위치 구동부(86)는 게이트 드라이버로 구성될 수 있다. V5에 대응되는 디지털 신호 '111001'가 스위치 구동부(86)에 제공되는 경우, 스위치 구동부(86)는 맨 처음과 맨 마지막 비트를 제외한 가운데 4비트의 값 '1100'에 따라 스위칭부(SL)인 MOSFET의 게이트를 제어한다. 이에 따르면, 처음 2 클럭 주기 동안에는 스위칭부(SL)는 온 상태가 되어 부하(RL)가 2차 측 코일(54)에 연결되고, 다음 2 클럭 주기 동안에는 오프 상태가 되어 부하(RL)의 2차 측 코일(54)에 대한 연결이 끊어질 것이다. 이와 같은 방식으로, 2차 측 코일(54)에 대한 부하(RL)의 연결과 끊김이 제어될 수 있다. 부하(RL)의 크기가 디지털적으로 변동될 수 있는 것이다.
2차 측 코일(54)에 걸리는 부하의 변동에 상응하여, 1차 측 코일(52)에 흐르는 순환전류의 크기도 변동하게 된다. 이 순환전류에 의해 충전되는 제1 캐패시터부(C1)의 충전전압도 상기 부하의 변동에 상응하여 변동한다. 제1 캐패시터부(C1)의 충전전압을 검출하면, 결국 센서부(70)가 검출한 상태검출신호를 확보할 수 있게 된다(S60 단계).
스위칭부(SL)의 온/오프 스위칭에 의해 2차 측 코일(54)에 걸리는 부하(RL)가 위와 같이 변동하면, 그에 따라 전력 및 데이터 전달부(50)의 2차 측에서 1차 측으로 투영되는 임피던스에 변화가 생기고 그 변화는 1차 측 코일(52)에 흐르는 순환전류(It)량의 변화를 유발하여, 결국 제1 캐패시터부(C1)의 충전전압의 크기도 변하게 된다. 제1 캐패시터부(C1)의 전압의 크기 변화의 추이는 스위칭부(SL)의 온/오프 스위칭 동작의 구동신호에 대응하고, 이 구동신호는 또한 센서부(70)의 상태검출신호의 디지털 값에 대응하는 것이다. 제1 캐패시터부(C1)의 충전전압의 크기 변화의 추이는 곧 센서부(70)의 상태검출신호의 변화 추이에 대응하는 것이다.
이 관계를 도 4의 회로를 참조하면서 좀 더 구체적으로 설명한다. 도 4의 회로에서 전압과 전류 관계식은 아래와 같다.
Figure 112016033568613-pat00003
......(3)
여기서, Vin은 1차 측 전압, Zt는 1차 측 임피던스, Zr은 2차 측 임피던스, M은 1차 측 코일(52)과 2차 측 코일(54) 간의 상호 유도계수, It와 Ir은 1차 측 순환전류와 2차 측 순환전류를 각각 나타낸다.
1차 측과 2차 측 임피던스는 각각 다음과 같이 쓸 수 있다.
Figure 112016033568613-pat00004
......(4)
Figure 112016033568613-pat00005
......(5)
이때 1차 측으로 투영되는 임피던스를 Zref라 하면,
Figure 112016033568613-pat00006
......(6)
이고, 이의 실수부 ReZref와 허수부 ImZref는 각각 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016033568613-pat00007
......(7)
Figure 112016033568613-pat00008
......(8)
여기서, 표시한 임피던스 Zref는 스위칭부(SL)의 동작이 ON인 경우에는 1차 측에 투영되지만, 스위칭부(SL)의 동작이 OFF인 경우에는 1차 측에 투영되지 않는다. 이를 도면으로 표시하면 도 7과 같다. 도 7의 (a)는 스위칭부(SL)의 동작이 ON인 경우에 1차 측 회로를 나타내며, (b)의 회로는 OFF인 경우에 1차 측 회로를 나타낸다.
스위칭부(SL)가 ON인 경우, 제1 캐패시터부(C1)의 전압은 다음과 같다.
Figure 112016033568613-pat00009
......(9)
스위칭부(SL)가 OFF인 경우, 제1 캐패시터부(C1)의 전압은 다음과 같다.
Figure 112016033568613-pat00010
......(10)
따라서 스위칭부(SL)가 ON일 때와 OFF일 때(2차 측의 부하 가변에 따른) 제1 캐패시터부(C1)의 전압 차이는 다음과 같다.
Figure 112016033568613-pat00011
......(11)
제1 캐패시터부(C1)의 전압 차이에 관한 수식은 아래 식 (12)와 위와 같은 형식으로 고쳐 쓸 수 있다.
Figure 112016033568613-pat00012
......(12)
제1 캐패시터부(C1)의 전압 차이는 클수록 SNR이 좋아져서, 데이터 수신부(40)가 센서부(70)의 상태검출신호를 정확하게 복구하는 확률이 높아진다. 식 (12)에서, (wL­1/wC)2 이 제로가 되는 때, 제1 캐패시터부(C1)의 전압 차이가 가장 크다. 결국 그 전압 차이는 시스템(10)이 공진주파수로 동작할 때 최대가 된다. 그러므로 공진주파수로 동작하도록 전력 및 데이터 전달부(50)의 1차 측 코일(52)과 2차 측 코일(54), 그리고 제1 및 제2 캐패시터(C1, C2)의 값을 정하는 것이 바람직하다.
결국, 제1 변조부(47)는 결과적으로 위 수식으로 표현되는 전압 차이를 제1 캐패시터부(C1)의 전압노드에서 검출하여 ADC(46)를 통해 디지털 신호로 복구한다. ADC(46)로 기능하는 비교기의 기준전압 값은 스위칭부(SL)가 ON일 때의 제1 캐패시터부(C1)의 전압과 OFF일 때 제1 캐패시터부(C1)의 전압의 중간 정도의 크기가 적절할 것이다.
도 8은 제1 캐패시터부(C1)의 전압의 크기 변화 내지 차이를 검출하여 그 변화 추이에 대응하는 디지털 신호를 생성하기 위한 제1 변조부(47)의 구성을 예시한다. 도시된 회로에서, 제1 캐패시터부(C1)의 전압(VC1)은 전압 분배기(140)에 의해 후속단의 처리에 적절한 수준으로 전압 크기를 낮추어 준다. 그런 다음, 반파 정류회로(142)로 반파 정류되고, 그 반파 정류신호의 피크 전압을 전압 피크 검출기(144)가 검출한다. ADC(46)는 기준 전압과 검출된 피크 전압을 비교하여 그 두 전압 간의 차이를 해석하여 하이(High) 신호와 로우(Low) 신호의 디지털 전압신호(VD)를 출력한다. 이렇게 제1 변조부(47)가 검출하는 제1 캐패시터부(C1)의 충전전압의 피크값 변동은 센서부(70)가 전달하려는 상태검출신호(예컨대, PT 텐던의 긴장력 정보 등)에 대응한다.
제1 변조부(47)에 의해 복구된 센서부(70)의 상태검출신호는 디지털 신호의 형태로 제1 프로세서(48)로 제공된다. 이처럼, 제1 프로세서(48)는 전원부(30)에 상태정보 요청신호를 제공함으로써, 위에서 설명한 일련의 신호처리 과정을 통해 센서부(70)의 상태검출신호를 제공받아 복구할 수 있게 된다(S70 단계).
도 9는 전력 및 데이터의 무선 전송의 동작 관계를 설명하기 위한 파형도를 예시한다. 센서부(70)가 수집한 데이터(상태검출신호)를 별도의 통신 시스템이 없이 차량(1) 전달하기 위하여, 위에서 설명한 것처럼, 차량(1)이 교량(3)에 설치된 센서부(70) 위에 위치해 있는 동안(도 9의 (a) 참조), 센서 배터리(64)에 대한 충전을 한다(도 9의 (b) 참조). 충전이 어느 정도 이루어지면, 센서부(70)가 작동을 시작하여(도 9의 (c) 참조), 교량(3)의 상태를 모니터링하고 그 모니터링 결과로서 아날로그 상태검출신호를 생성한다.(도 9의 (d) 참조). 제2 프로세서(82)는 그 아날로그 상태검출신호를 그에 대응하는 패킷화된 디지털 신호로 변환하여 스위치 구동부(86)에 제공한다(도 9의 (e) 참조). 스위치 구동부(86)와 스위칭부(SL)에 의해, 상태검출신호의 대응 디지털 신호의 정보에 따라 수전 및 데이터 제공부(60)의 부하의 연결과 끊음이 제어된다. 이렇게 부하를 변동시키면, 그 부하 변동에 상응하여 송전 및 데이터 수신부(20)의 순환전류에 변화가 발생하고(도 9의 (f) 참조), 그 순환전류의 변화량은 공진용 제1 캐패시터부(C1)에서의 전압 차이로 나타난다. 제1 변조부(47)는 그 전압 차이를 대응하는 디지털 신호로 변환하여 제1 프로세서(48)에 제공한다(도 9의 (g) 참조). 제1 프로세서(48)는 그 디지털 신호에 대응하는 아날로그 신호를 출력할 수 있다(도 9의 (h) 참조). 그 아날로그 신호는 센서부(70)가 전송하고자 하는 상태검출신호(예컨대, PT텐던의 긴장력 정보)에 대응한다. 이 전송 동안에는 센서 배터리(64)의 충전은 일시적으로 중단할 수 있다. 이러한 상태검출신호의 전송은 전체 배터리 충전 시간에 비해 매우 짧아, 전력의 전송 효율에 거의 영향을 주지 않는다.
센서부(70)의 상태검출신호의 전송 완료 이후에도 센서부(70)를 구동하기 위한 센서 배터리(64)에 대한 무선 충전은 지속적으로 진행할 수 있다. 무선 충전이 완료된 후에 검사용 차량(1)은 다른 센서부의 설치 지점으로 이동하여 위에서 설명한 것과 같은 방식으로 다른 센서 배터리(64) 충전과 센서부(70)의 데이터 수집과 무선 전달을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 시스템(10)은 코일 사이의 자기 간섭에 의한 데이터 전송에 에러가 발생하는 기존 방식과는 달리, 통신을 위한 안테나 및 부가 회로를 사용하지 않음으로써, 데이터 전송에 에러가 없는 장점을 가진다. 또한 부가 회로를 사용하지 않기 때문에 전체 시스템이 구성이 간단하고, 교량에 설치한 센서의 유지 보수비용을 절감할 수 있다.
이상에서는 가동체가 차량(1)이고, 고정체가 교량(3)인 경우를 예로 하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정적으로 적용되는 것은 아니다. 가동체는 이동하여 고정체에 설치된 센서부에 접근할 수 있으면 무엇이든 될 수 있고, 고정체 역시 가동체가 접근할 수 있는 것이면 무엇이든 될 수 있다. 예컨대 교량(3) 외에도 도로도 고정체의 예가 될 수 있다. 또한, 차량(1) 외에 드론과 같은 비행체도 가동체의 예가 될 수 있다.
본 발명은 도로나 교량 등에 센서를 설치하고 차량으로 이동하면서 그 구조물의 구조적 건강 상태를 모니터링하는 시스템에 효과적으로 이용될 수 있다.
10: 전력 및 데이터 동시 송수신 시스템
20: 송전부 30: 전력 공급부
32: 차량 배터리 34: 전압 조정기
36: 인버터 40: 데이터 수신부
42: 제1 (공진) 캐패시터 44: 전압 검출부
46: ADC 48: 프로세서(DSP)
50: 전력/데이터 전달부 52: 1차 측 코일(송전측 공진부)
54: 2차 측 코일(수전측 공진부) 60: 수전부
62: 정류기 64: 센서용 배터리
70: 센서부 80: 데이터 제공부
82: MCU 83: 스타트-업
84: ADC 86: 스위치 드라이버
90: 제2 변조부 92: 제2 (공진) 캐패시터
94: 전압 검출부 96: ADC
SL: 부하 가변용 스위치

Claims (17)

  1. 차량인 가동체를 이용하여 도로 또는 교량인 고정체 내에 설치된 센싱유닛에 무선으로 전력을 공급하면서 상기 센싱유닛이 검출한 도로나 교량의 상태에 관한 검출정보를 무선으로 전달받기 위한 시스템으로서,
    상기 가동체에 설치되는 1차 측 코일과 상기 고정체에 설치되는 2차 측 코일을 포함하며, 상기 가동체의 이동으로 상기 1차 측 코일이 상기 2차 측 코일 위에 위치할 때 상기 1차 측 코일과 상기 2차 측 코일 간에 상호 자기 유도에 의해 어느 일측에서 타측으로 전기에너지를 전달할 수 있는 전력 및 데이터 전달부;
    상기 가동체에 설치되며, 상기 1차 측 코일에 연결된 송전 및 데이터 수신부; 및
    상기 고정체에 설치되며, 상기 2차 측 코일에 연결된 수전 및 데이터 제공부를 포함하며,
    상기 송전 및 데이터 수신부는, 충전용 교류 전류를 상기 1차 측 코일에 흘려 상기 2차 측 코일에 자기 유도 전류를 흐르게 하여 상기 수전 및 데이터 제공부의 작동에 필요한 구동전력을 무선 전송하고, 상기 구동전력의 무선 전송을 중지시킴으로써 상기 2차 측 코일의 자기 유도 전류의 변화를 야기하여 상기 수전 및 데이터 제공부에 상기 고정체의 상태정보 요청신호를 보내고,
    상기 상태정보 요청신호를 검출하기 위해, 상기 수전 및 데이터 제공부는, 상기 2차 측 코일에 연결되어 2차 측 공진회로를 구성하는 제2 캐패시터부; 상기 제2 캐패시터부에 연결되어 상기 제2 캐패시터부에 나타나는 충전전압을 검출하는 전압 검출부; 상기 전압 검출부의 검출전압을 디지털신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부(ADC); 및 상기 제2 캐패시터부에 나타나는 충전전압의 변화에 대응하는 상기 ADC로부터 출력되는 디지털신호의 변화에 기초하여 상기 상태정보 요청신호의 수신 여부를 판단하는 제2 프로세서를 포함하며,
    상기 수전 및 데이터 제공부는, 상기 송전 및 데이터 수신부가 전송해준 구동전력으로 작동하고, 상기 송전 및 데이터 수신부가 보낸 상기 상태정보 요청신호를 검출하고, 검출된 상기 상태정보 요청신호에 응하여 상기 센싱유닛을 통해 생성된 상기 고정체의 상태에 관한 검출정보를 대응되는 디지털신호로 변환하고, 변환된 상기 디지털신호에 의거하여 자체의 부하를 디지털적으로 변동시킴으로써, 상기 1차 측 코일에 흐르는 순환전류의 변화를 야기하고,
    상기 송전 및 데이터 수신부는, 상기 1차 측 코일에 연결되어 1차 측 공진회로를 구성하는 제1 캐패시터부를 포함하고, 상기 순환전류의 변화 또는 상기 순환전류의 변화에 상응하여 상기 제1 캐패시터부에 나타나는 충전전압의 변화를 검출하여 상기 수전 및 데이터 제공부가 제공하는 상기 검출정보를 복구하는 것을 특징으로 하는 전력 및 데이터의 동시 무선 전달 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수전 및 데이터 제공부의 부하 변동은, 상기 2차 측 코일에 대한 상기 수전 및 데이터 제공부의 적어도 일부 또는 전부의 연결과 끊음을 스위칭 하는 스위칭부를 상기 검출정보에 대응하는 패킷화된 디지털 신호로 온/오프 구동하는 것에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 전력 및 데이터의 동시 무선 전달 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 송전 및 데이터 수신부는, 상기 1차 측 코일에 연결되어 1차 측 공진회로를 구성하는 제1 캐패시터부; 상기 1차 측 공진회로에 교류전류를 흐르게 함으로써, 상기 2차 측 코일에 자기 유도 방식으로 전류의 흐름을 유도하여 상기 수전 및 데이터 제공부에 상기 구동전력이 무선으로 전송되도록 하는 전원부; 및 상기 상태정보 요청신호를 상기 수전 및 데이터 제공부에 전달되도록 하고, 상기 수전 및 데이터제공부가 상기 검출정보에 대응하는 제1 아날로그신호를 상기 전력 및 데이터 전달부를 통해 전달할 때 상기 1차 측 코일의 유도전류의 변화에 의해 상기 제1 캐패시터부에 나타나는 충전전압의 변화를 검출하여 상기 검출정보를 복구하는 데이터 수신부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 및 데이터의 동시 무선 전달 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 데이터 수신부는, 상기 제1 캐패시터부에 나타나는 상기 충전전압의 피크값을 검출하여 기준값과의 비교를 통해 그 검출된 피크값을 대응하는 디지털신호로 변환하는 제1 변조부; 충전 개시 후 소정 시점에 상기 전원부로부터 상기 수전 및 데이터 제공부로의 무선 전력 전송이 중지되도록 제어함으로써 상기 상태정보 요청신호가 상기 수전 및 데이터 제공부에 전달되게 하고, 상기 제1 변조부를 통해 변환된 상기 디지털신호를 상기 수전 및 데이터 제공부가 제공한 상기 고정체의 검출정보로서 수신하는 제1 프로세서를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 및 데이터의 동시 무선 전달 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 1차 측 코일과 상기 송전 및 데이터 수신부는 가동체인 차량에 탑재되며; 상기 전원부는 배터리 전원을 이용하여 직류 전압을 제공하는 직류전원부와, 상기 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 1차 측 코일과 상기 제1 캐패시터부를 통해 교류 전류를 흐르게 하는 인버터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 및 데이터의 동시 무선 전달 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 수전 및 데이터 제공부는, 상기 2차 측 코일에 연결되어 2차 측 공진회로를 구성하는 제2 캐패시터부; 상기 2차 측 코일에 자기 유도되어 흐르는 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 정류부; 상기 직류 전류에 의해 충전되는 센서 배터리부; 상기 센서 배터리부의 전원을 이용하여 작동하며, 상기 고정체의 상태를 모니터링하다 상태검출신호를 출력하는 센서부; 상기 2차 측 코일과 상기 수전 및 데이터 제공부 간의 연결을 스위칭 제어신호에 의해 온/오프 스위칭 하여 상기 2차 측 코일에 연결되는 상기 수전 및 데이터 제공부의 부하를 변동시키기 위한 스위칭부; 및 상기 센서 배터리부의 전원에 의해 작동하며, 상기 제2 캐패시터부에 나타나는 충전전압의 변화를 통해 상기 송전 및 데이터 수신부의 상기 상태정보 요청신호를 인지하고, 상기 상태정보 요청신호에 응하여 상기 센서부의 상기 상태검출신호에 대응하는 디지털 신호를 상기 스위칭부에 상기 스위칭 제어신호로서 제공함으로써, 상기 1차 측 코일을 통해 상기 송전 및 데이터 수신부로 상기 센서부의 상기 상태검출신호를 전달하는 데이터 제공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 및 데이터의 동시 무선 전달 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 데이터 제공부는, 상기 제2 캐패시터부에 나타나는 상기 충전전압의 변화를 검출하여 대응하는 디지털신호로 변환하여 출력하는 제2 변조부; 상기 제2 변조부로부터 출력되는 디지털신호가 상기 상태정보 요청신호에 해당하면, 상기 센서부로부터 아날로그 검출신호를 읽어서 그에 대응하는 패킷화된 디지털 신호로 변환하는 제2 프로세서; 상기 제2 프로세서가 제공하는 상기 패킷화된 디지털 신호에 따라 상기 스위칭부의 온/오프 스위칭을 구동하는 스위치 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 및 데이터의 동시 무선 전달 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 센서부는 교량에 설치되어 그 교량의 상태를 모니터링하다 상기 상태검출신호를 출력하는 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 및 데이터의 동시 무선 전달 시스템.
  11. 제1항의 전력 및 데이터의 동시 무선 전달 시스템을 이용하여 전력 및 데이터를 무선 전달하는 방법으로서,
    상기 가동체의 이동에 의해 상기 1차 측 코일이 상기 2차 측 코일 위에 위치한 상태에서, 상기 송전 및 데이터 수신부가 상기 1차 측 코일에 교류전류를 흘려 상기 2차 측 코일에 자기 유도 전류를 흐르게 하여 상기 수전 및 데이터 제공부의 작동에 필요한 구동전력을 무선 전송하는 단계;
    상기 수전 및 데이터 제공부가 상기 2차 측 코일로부터 상기 자기 유도 전류를 전달받아 정류하여 센서 배터리부를 충전하는 단계;
    상기 센서 배터리부의 충전 전압에 의해 상기 센싱유닛이 동작을 개시하여 상기 고정체의 상태에 관한 검출정보를 생성하는 단계;
    상기 송전 및 데이터 수신부가 상기 구동전력의 무선 전송을 중지시킴으로써 상기 2차 측 코일에 흐르는 2차 측 유도전류의 변화가 발생되도록 하여 상기 수전 및 데이터 제공부에 상기 고정체의 상태정보 요청신호를 보내는 단계;
    상기 2차 측 유도전류의 변화에 상응하여 상기 제2 캐패시터부에 나타나는 충전전압을 검출하여 디지털 신호로 변환하고, 그 변환된 디지털 신호의 변화에 기초하여 상기 상태정보 요청신호의 수신 여부를 판단하는 단계;
    상기 상태정보 요청신호에 응하여, 상기 센싱유닛을 통해 생성된 상기 고정체의 상태에 대한 검출정보를 대응되는 디지털신호로 변환하고, 변환된 상기 디지털신호에 의거하여 자체의 부하를 변동시킴으로써 상기 1차 측 코일에 흐르는 순환전류의 변화를 야기하는 단계; 및
    상기 송전 및 데이터 제공부가 상기 순환전류의 변화 또는 상기 순환전류의 변화에 상응하여 상기 제1 캐패시터부에 나타나는 충전전압의 변화를 검출하여 상기 수전 및 데이터 제공부가 제공하는 상기 검출정보를 복구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 및 데이터의 동시 무선 전달 방법.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서, 상기 수전 및 데이터 제공부의 부하 변동은, 상기 2차 측 코일에 대한 상기 수전 및 데이터 제공부의 부하의 적어도 일부 또는 전부의 연결과 끊음을 스위칭 하도록 구성된 스위칭부를 상기 검출정보에 대응하는 패킷화된 디지털 신호로 온/오프 구동하는 것에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 전력 및 데이터의 동시 무선 전달 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제11항에 있어서, 상기 고정체의 상태검출값의 측정가능 최대범위를 복수의 구간으로 구분하여 각 구간별로 대응하는 전압신호를 지정해둔 정보를 기초로 하여, 상기 센싱유닛이 검출한 상기 고정체의 상태검출값이 해당하는 구간에 대응하는 전압신호를 상기 검출정보로서 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 및 데이터의 동시 무선 전달 방법.
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