KR101974143B1 - 전력을 수확하는 센서단말 및 이를 이용하는 전력 수확 시스템 - Google Patents

전력을 수확하는 센서단말 및 이를 이용하는 전력 수확 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력을 수확하는 센서단말과 이를 이용하는 시스템을 개시한다. 본 시스템은 센싱된 정보를 기초로, 제1 주파수 대역의 센싱 데이터를 생성하여 게이트웨이로 전송하는 복수의 센서단말; 복수의 센서단말로부터 수신된 제1 주파수 대역의 센싱 데이터를 제2 주파수 대역의 센싱 데이터로 가공하여 서버로 전송하는 게이트웨이(gateway); 및 게이트웨이로부터 제2 주파수 대역의 센싱 데이터를 수신하는 서버를 포함한다. 이때, 센서단말은 제2 주파수 대역의 신호를 수집하고, 수집된 신호로부터 전력을 수확한다.

Description

전력을 수확하는 센서단말 및 이를 이용하는 전력 수확 시스템{SENSOR FOR HARVESTING POWER AND POWER HARVESTING SYSTEM WITH PLURALITY OF SENSOR}
본 발명은 전력을 수확하는 센서단말 및 이를 이용하는 전력 수확 시스템에 관한 것이다.
사물인터넷은 인터넷을 기반으로 모든 사물을 연결하여 사람과 사물, 사물과 사물 간의 정보를 상호 소통하는 지능형 기술 및 서비스를 의미한다. 특히 철도 사물인터넷은 철도 관련 사물, 예시적으로, 선로 및 선로 변의 시설물이나 차량, 역사 등의 센싱 정보가 인터넷을 통하여 전달되고, 이를 통해 철도 환경에서의 다양한 어플리케이션에 고도의 서비스를 제공하는 기술이다.
철도 인터넷에서 각종 시설물에 설치된 정보 수집 디바이스는 센싱 데이터를 서버로 제공하여, 서버가 센싱 데이터들로부터 의미 있는 데이터를 추출 및/또는 가공하여 다양한 철도 어플리케이션으로 제공한다. 예를 들어, 서버는 차량 정보를 추출 및/또는 가공하여 차량 스케줄을 유연하게 변동시키거나, 선로 또는 선로 변의 상태 정보를 추출 및/또는 가공하여 방호 구간 및 속도 제한 구간을 설정할 수 있을 뿐 아니라, 유지보수 시기를 알림함으로써 철도 안전을 도모할 수 있다.
이와 같이, 철도 사물인터넷은 차량의 유연한 운행 제어, 재난재해로 인한 철도 시설의 피해 저감, 철도 시설물의 유지보수 비용 절감 등 철도의 여러 분야에서 효과적으로 활용될 수 있다.
도 1은 일반적인 철도 사물인터넷을 도시한 개요도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 사물인터넷 서버(IoT 서버)는 선로, 선로변, 철도 및/또는 차량에 구비된 센서들로부터 센싱 데이터를 수집한다. 철도 사물인터넷에서는 센싱 데이터의 안정적인 수집이 중요하며, 이를 위해서는 센서들로의 안정적인 전력공급이 요구된다. 그러나 철도 사물인터넷의 센서단말들은 철도 환경의 특성 상 열차가 운행되는 길고 좁은 선로 영역을 중심으로 분산되어 배치되며, 이동성이 요구된다. 따라서, 전력선을 통한 전력 공급은 한계를 갖는다. 이에 따라, 철도 사물인터넷의 효율적이고 안정적인 운영을 위해 센서단말들로의 무선 전력 전송에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.
무선 전력 전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 자기장의 유도 원리 및 공진 현상 등을 이용하여 무선으로 송신기에서 수신기로 전기 에너지를 전송하는 기술이 대표적이며, 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다.
현재까지 무선 전력 전송 방식은 크게 자기 유도 방식과 자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식으로 구분될 수 있으며, 최근 단파장 무선 주파수를 이용한 전력 전송 방식이 연구되고 있다.
자기 유도 방식은 두 개의 코일을 서로 인접시킨 후 한 개의 코일에 전류를 흘려보내면 이 때 발생한 자속(MagneticFlux)이 다른 코일에 기전력을 일으키는 현상을 사용한 기술로서, 휴대폰과 같은 소형기기를 중심으로 빠르게 상용화가 진행되고 있다. 자기 유도 방식은 최대 수백 키로와트(kW)의 전력을 전송할 수 있고 효율도 높지만 최대 전송 거리가 1센티미터(cm) 이하이므로 일반적으로 충전기나 바닥에 인접시켜야 하는 단점이 있다.
또한, 자기 공진 방식은 전자기파나 전류 등을 활용하는 대신 전기장이나 자기장을 이용하는 특징이 있다. 자기 공진 방식은 전자파 문제의 영향을 거의 받지 않으므로 다른 전자 기기나 인체에 안전하다는 장점이 있다. 그러나, 한정된 거리와 공간에서만 활용할 수 있으며 전력 전달 효율이 낮다는 단점이 있다.
그러나, 종래의 자기유도 방식 및 자기공명 방식의 무선전력 방식은 좁은 충전 범위(1m이내), 고비용, 고전력, 일대일 충전 등의 특성을 가지므로, 철도 사물인터넷과 같이 센서단말들이 산재되어 배치되며, 이동성이 요구되는 환경에는 적합하지 않다. 따라서, 보다 먼 거리에서 안정적이고 지속적인 무선 전력 방식이 필요한 실정이다.
대한민국 공개특허 제 10-2008-0031391호 (발명의 명칭: 통신을 통한 전력 전송 시스템, 장치 및 방법)
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 라디오파를 이용하는 무선 전력 방법을 이용하되, 무선 전력 전송을 위한 별도의 주파수 대역을 할당하지 않고 기존의 주파수 대역을 통해 무선 전력 전송 및 데이터 송수신을 수행하는 센서단말, 그 센서단말을 이용하는 전력 수확 시스템을 제공하는 방법을 제공하는데에 그 목적이 있다. 다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따른 전력 수확 시스템은, 센싱된 정보를 기초로, 제1 주파수 대역의 센싱 데이터를 생성하여 게이트웨이로 전송하는 복수의 센서단말; 복수의 센서단말로부터 수신된 제1 주파수 대역의 센싱 데이터를 제2 주파수 대역의 센싱 데이터로 가공하여 서버로 전송하는 게이트웨이(gateway); 및 게이트웨이로부터 제2 주파수 대역의 센싱 데이터를 수신하는 서버를 포함한다. 이때, 센서단말은 제2 주파수 대역의 신호를 수집하고, 수집된 신호로부터 전력을 수확한다.
또한, 본 발명의 제2 측면에 따른 센서단말은, 제1 주파수 대역의 신호 및 제2 주파수 대역의 신호를 송수신하는 안테나 및 안테나에 결합되어 제1 주파수 대역의 신호와 제2 주파수 대역의 신호를 구분하는 듀플렉스(duplex)를 포함하는 안테나부; 듀플렉스에 연결되어 제1 주파수 대역의 신호를 송수신하는 데이터 송수신부; 및 듀플렉스에 연결되어 제2 주파수 대역의 신호로부터 전력을 수확하는 전력 수확부를 포함한다. 이때, 제1 주파수 대역의 신호는 근거리 무선 통신 주파수 대역이며, 제2 주파수 대역은 원거리 무선 통신 주파수 대역이다.
또한, 본 발명의 제 3 측면에 따른 센서단말의 동작 방법은, 센싱된 정보를 기초로, 센싱 데이터를 생성하는 단계; 센싱 데이터를 제1 주파수 대역으로 게이트웨이로 전송하는 단계; 게이트웨이가 서버와 데이터 송수신하는 제2 주파수 대역의 신호를 수집하는 단계; 및 수집된 제2 주파수 대역의 신호로부터 전력을 수확하는 단계를 포함한다.
본 발명은 게이트웨이와 서버 간의 통신 채널에서 송수신되는 신호를 수집하여 전력을 수확하는 센서단말을 제공함으로써, 센서단말을 이용하는 시스템이 지속적이고 안정적으로 복수의 센서로부터 센싱 데이터를 획득하도록 할 수 있다.
도 1은 일반적인 철도 사물인터넷을 도시한 개요도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 사물인터넷을 위한 전력 수확 시스템을 도시한다.
도 3은 센서단말, 게이트웨이 및 서버가 데이터를 송수신하는 주파수 대역을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서단말이 전력 수확에 사용하는 주파수 대역을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서단말의 구성을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환부의 구성을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 센서단말의 제어부가 센싱 데이터를 전송하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 센싱 데이터가 전송되는 시점을 도시한 일례이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
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. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 사물인터넷을 위한 전력 수확 시스템을 도시한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수확 시스템(10)은 복수의 센서단말(11-1, 11-2, 11-3, 11-4, … , 11), 적어도 하나의 게이트웨이(12) 및 서버(13)를 포함한다.
센서단말(11)은 다양한 정보를 센싱하는 장치로서, 예를 들어, 선로 및/또는 선로 변의 이미지, 균열, 온도, 습도, 차량의 속도, 위치 등에 대한 정보를 감지하는 다양한 장치일 수 있다. 센서단말(11)은 센싱된 정보를 기초로, 제1 주파수 대역의 센싱 데이터를 생성하여 게이트웨이(12)로 전송한다. 여기서, 제1 주파수 대역은 근거리 무선 통신에 이용되는 주파수 대역으로서, 비한정적인 예로서, 와이파이(wifi), 블루투스(bluetooth), 지그비(ZigBee) 등에 이용되는 주파수 대역을 포함할 수 있다.
게이트웨이(12)는 복수의 센서단말(11)과 복수의 센서단말(11)로부터 수신된 제1 주파수 대역의 센싱 데이터를 제2 주파수 대역의 센싱 데이터로 가공하여 서버로 전송한다. 여기서, 제2 주파수 대역은 원거리 무선 통신에 이용되는 주파수 대역으로서, 비한정적인 예로서, WCDMA, LTE/LTE-A, LTE-R, GSM-R 등에 이용되는 주파수 대역을 포함할 수 있다. 즉, 게이트웨이(12)는 센서단말(11)로부터 수신된 센싱 데이터를, 원거리에 위치한 서버(13)로 전달하는 역할을 수행한다. 다시 말해, 게이트웨이(12)는 센서단말(11)이 센싱된 정보를 상대적으로 작은 전력량으로 서버(13)에 전달할 수 있도록 중개한다. 구체적으로, 게이트웨이(12)는 제1 주파수 대역의 센싱 데이터를 기 설정된 방식으로 제2 주파수 대역의 센싱 데이터로 변환한다. 또한, 게이트웨이(12)는 복수의 센싱 데이터를 적어도 하나의 데이터 페이로드(payload)로 재구성하여 서버(13)로 전송함으로써 서버(13)의 통신량을 조정할 수 있다.
서버(13)는 게이트웨이(12)로부터 수신된 제2 주파수 대역의 센싱 데이터를 가공 및/또는 추출하여 의미 있는 정보를 생성한다. 예를 들어, 서버(13)는 수신한 센싱 데이터로부터 선로 및/또는 선로변의 사고를 감지하거나, 선로 및/또는 선로변에 위치하는 다양한 장치들의 유지보수 시기를 감지하거나, 차량의 고장을 감지하는 등과 같은 다양한 프로그램을 수행할 수 있다.
도 3은 센서단말(11), 게이트웨이(12) 및 서버(13)가 데이터를 송수신하는 주파수 대역을 도시한다. 일반적으로, 제1 주파수 대역과 제2 주파수 대역은 상이하며, 센서단말(11)은 제1 주파수 대역만을 이용하여 게이트웨이와 데이터를 송수신하며, 게이트웨이(12)는 제1 주파수 대역과 제2 주파수 대역을 모두 사용하여 센서단말(11) 및 서버(13)와 데이터를 송수신한다. 이때, 게이트웨이(12)와 서버(13)는 원거리 무선 통신을 위해 강한 세기의 신호를 송수신한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 센서단말(11)은 이러한 신호를 수집하여 전력을 수확(harvesting)한다.
구체적으로, 센서단말(11)은 제2 주파수 대역의 신호를 수집하여 전력을 수확한다. 센서단말(11)은 임의 주기로 센서 데이터를 게이트웨이(12)로 전송하며, 게이트웨이(12)로부터의 데이터 전송량은 많지 않다. 반면, 게이트웨이(12)는 복수의 센서단말(11)들의 센싱 데이터 전송을 중개하므로, 게이트웨이(12)에서 서버(13)로의 전송량은 상당하다. 또한 게이트웨이(12)와 서버(13)는 원거리 통신을 위해 강한 세기의 신호를 송수신하므로, 센서단말(11)은 제2 주파수 대역의 신호를 수집함으로써, 충분한 전력을 수확할 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서단말(11)이 전력 수확에 사용하는 주파수 대역을 도시한다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수확 시스템(10)은 무선 전력 전송을 위한 별도의 주파수 대역을 할당하지 않고, 종래의 주파수 대역을 이용한다는 점에서 효율적이며, 고비용의 게이트웨이 설비 및 서버 설비를 그대로 이용할 수 있다는 점에서 경제적이다.
한편, 도 3및 도 4에서는 게이트웨이(12)가 데이터 송신 주파수 대역과 데이터 수신 주파수 대역을 구분하여 사용하는 것으로 도시하였으나, 실시예에 따라 게이트웨이(12)는 일정 주파수 대역을 데이터 송신과 데이터 수신에 함께 사용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서단말(11)의 구성을 도시한다.
도 5를 참조하면, 센서단말(11)은 안테나부(510), 제1 주파수 대역(즉, 근거리 무선 통신 주파수 대역)의 신호를 송수신하는 데이터 송수신부(520), 및 제2 주파수 대역(즉, 원거리 무선 통신 주파수 대역)의 신호로부터 전력을 수확하는 전력 수확부(530)를 포함한다.
먼저, 안테나부(510)는 제1 주파수 대역의 신호와 제2 주파수 대역의 신호를 송수신하는 하나의 안테나(511)와 안테나(511)에 결합되어 제1 주파수 대역의 신호와 제2 주파수 대역의 신호를 구분하는 듀플렉스(dupelx)(512)를 포함한다. 예시적으로, 듀플렉스(512)는 제1 주파수 대역을 송수신 주파수 대역으로 구분하여, 제1 RF 송수신부(520)로부터 제공받은 신호를 안테나(511)로 제공하거나, 안테나(511)로부터 제공받은 신호를 제1 RF 송수신부(521)로 제공할 수 있다. 또한, 듀플렉스(512)는 제2 주파수 대역을 구분하여 제2 주파수 대역의 신호를 제2 RF 수신부(531)로 제공할 수 있다.
데이터 송수신부(520)는 듀플렉스(512)에 연결되어, 제1 주파수 대역의 신호를 송수신한다. 데이터 송수신부(520)는 제1 RF 송수신부(521), 데이터 변복조부(522) 및 데이터 생성부(523)로 구성될 수 있다.
구체적으로, 제1 RF 송수신부(521)는 듀플렉스(512)에 연결되어, 제1 주파수 대역의 신호를 중간주파수로 변환하여 데이터 변복조부(522)로 제공하거나, 데이터 변복조부(522)로부터 제공받은 신호를 제1 주파수 대역의 신호로 변환한다. 이를 위해, 제1 RF 송수신부(521)는 하나 이상의 믹서(mixer, 미도시), 제1 주파수 대역으로 튜닝된 로컬발진기(local oscillator, 미도시) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 신호 송수신을 위한 다양한 구성요소를 더 포함할 수 있다.
데이터 변복조부(522)는 제1 RF 송수신부(521)에서 출력된 중간 주파수에 실린 데이터를 기 설정된 방식으로 복조(demoulation)하는 복조부(미도시)와 데이터 생성부(523)에서 생성된 센싱 데이터를 기 설정된 방식으로 변조(modulation)하는 변조부(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 데이터 생성부(523)는 센서단말(11)의 특성(예컨대, 이미지 센서, 온도 센서, 압력 센서 등)에 따른 다양한 정보를 센싱하고, 센싱된 정보를 기초로 센싱 데이터를 생성한다. 예시적으로, 데이터 생성부(523)는 감지된 정보를 기초로 베이스밴드 신호(baseband signal) 또는 베이스밴드 디지털 신호(baseband digital signal)로 가공할 수 있다. 한편, 데이터 생성부(523)는 생성된 센싱 데이터를 임의 시간 동안 저장부(540)에 저장될 수 있다.
전력 수확부(530)는 듀플렉스(512)에 연결되어, 제2 주파수 대역의 신호로부터 전력을 수확한다. 전력 수확부(530)는 제2 RF 수신부(531), 전력 변환부(532) 및 배터리부(533)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 제2 RF 수신부(531)는 제2 주파수 대역의 신호로부터 전기 신호가 실린 중간 주파수를 출력한다. 이를 위해, 제2 RF 수신부(531)는 하나 이상의 믹서(미도시), 제2 주파수 대역으로 튜닝된 로컬발진기(미도시) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니다.
전력 변환부(532)는 제2 RF 수신부(531)에서 출력된 중간 주파수에 실린 전기 신호의 교류 전류를 직류 전류로 변환한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 전력 변환부(532)는 교류 전류를 직류 전류로 변환하기 위한 정류기(rectifier)(601) 및 저역통과필터(low pass filter, LPF)(602)를 포함한다. 여기서, 정류기(601)는 다이오드(diode) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전력 변환부(532)에서 생성된 직류 전류는 배터리부(533)로 출력되어 저장된다.
한편, 센서단말(11)은 상기한 구성요소 이외에, 저장부(540) 및 제어부(550)를 더 포함할 수 있다.
저장부(540)는 센서단말(11)에서 처리되는 다양한 정보 및 제어부(550)에 의해 실행되는 데이터 전송 프로그램을 저장한다. 이때, 저장부(540)는 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 유지하는 비휘발성(non-volatile) 저장 장치 및 저장된 정보를 유지하기 위하여 전력이 필요한 휘발성 저장 장치를 통칭하는 것일 수 있다.
제어부(550)는 센서단말(11)의 전반적인 동작을 제어한다. 예시적으로, 제어부(550)는 각 구성요소의 입력 및 출력 신호를 제어한다. 이를 위해, 제어부(550)는 하나 이상의 코어(core)를 포함할 수 있으며, 하나 이상의 논리 소자를 포함하는 논리 회로일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제어부(550)는 저장부(540)에 저장된 프로그램을 실행하여, 데이터 생성부(523)에서 생성된 센싱 데이터를 저장부(540)에 저장하고, 특정 시점에 기 저장된 센싱 데이터들을 기초로 데이터 페이로드를 생성하여 데이터 변복조부(522)로 출력함으로써, 센싱 데이터가 게이트웨이(12)로 전송되도록 제어한다. 센서단말(11)은 센싱 데이터를 전송하는데에 상대적으로 많은 전력을 소모하므로, 배터리부(533)의 전력량이 충분하지 않은 상태에서 데이터를 전송하게 되면 전원이 오프(off)될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 제어부(550)는 전력량을 기초로 센싱 데이터의 전송 시점을 트리거링(triggering)한다. 이하, 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 센서단말(11)의 제어부(550)가 센싱 데이터를 전송하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7을 참조하면, 제어부(550)는 전력 수확량을 산출한다(S700). 예를 들어, 제어부(550)는 다음의 수학식 1을 이용하여 전력 수확량을 산출할 수 있다.
Figure 112017101641195-pat00001
위 식에서,
Figure 112017101641195-pat00002
은 수신 전력의 세기,
Figure 112017101641195-pat00003
는 전력 획득 효율,
Figure 112017101641195-pat00004
는 송신 전력,
Figure 112017101641195-pat00005
는 게이트웨이(12)의 전송 안테나 이득,
Figure 112017101641195-pat00006
은 센서단말(11)의 수신 안테나 이득,
Figure 112017101641195-pat00007
는 전력 송신 신호의 파장,
Figure 112017101641195-pat00008
은 송수신 안테나간 거리(즉, 센서단말(11)과 게이트웨이(12) 간의 거리)를 나타낸다.
이후, 제어부(550)는 산출된 전력 수확량을 기초로, 배터리부(533)의 현재 전력량을 예측한다(S710).
제어부(550)는 현재 전력량과 임계값을 비교한다 (S720). 만약, 제어부(550)는 현재 전력량이 임계값 이하이면, 현재 센싱 데이터를 저장한다 (S730).
그러나, 제어부(550)는 전력량이 임계값을 초과하면, 기 저장된 센싱 데이터를 기초로 생성된 데이터 페이로드를 데이터 변복조부(522)로 출력한다(S740). 이때, 데이터 페이로드는 이전 센싱 데이터 전송 시점 이후에 저장부(540)에 저장된 센싱 데이터의 평균값을 포함하는 제1 필드와 현재 센싱 데이터를 포함하는 제2 필드를 포함할 수 있다. 센싱 데이터의 평균값은 다음의 수학식 2로 산출될 수 있다.
Figure 112017101641195-pat00009
위 식에서,
Figure 112017101641195-pat00010
은 이전 전송 시점을 나타내며,
Figure 112017101641195-pat00011
은 현재 전송 시점,
Figure 112017101641195-pat00012
는 시점
Figure 112017101641195-pat00013
에서의 센싱값,
Figure 112017101641195-pat00014
는 센싱값의 평균값을 나타낸다. 만약, 이전 전송 시점 이후에 새로운 센싱 데이터가 존재하지 않는 경우,
Figure 112017101641195-pat00015
이다.
한편, 도 7의 단계 S700내지 S740은 본 발명의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 센싱 데이터가 전송되는 시점을 도시한 일례이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제어부(550)는 현재 전력량이 임계값을 초과하는 시점에 센싱 데이터가 게이트웨이(12)로 전송되도록 트리거링 함으로써, 센서단말(11)의 전원이 오프되거나 전력량이 필요 이상으로 많아지는 것을 방지함으로써, 경제적이고 효율적으로 센서단말(11)의 전력을 운영할 수 있다. 한편, 임계값은 각 센서단말의 특성, 채널 환경 등을 고려하여 실험적으로 결정된 값으로서, 제조 단계에서 기 설정된 값일 수 있다. 또한, 임계값은 게이트웨이(12)로부터 수신되는 제어 신호에 의해 조정될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서단말(11)은 종래의 게이트웨이(12)와 서버(13) 간의 통신 채널을 이용함으로써, 경제적이고 효율적인 방식으로 전력을 수확할 수 있다. 또한, 전력 수확 시스템(10)은 이러한 센서단말(11)을 이용함으로써, 지속적이고 안정적으로 복수의 센서단말(11)로부터 센싱 데이터를 획득할 수 있다. 한편, 위 설명에서는, 전력 수확 시스템(10)이 철도 환경에 적용되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수확 시스템(10)은 복수의 센서들이 넓은 영역에 분산되어 배치되는 다양한 환경(예컨대, 재난 관리 시스템, 도로 교통 시스템, 산업 설비 관리 시스템, 물류 관리 시스템 등)에 적용될 수 있다.
또한, 도 5의 블록도의 각 구성요소는 실제 구현되는 센서 단말의 사양에 따라 통합, 추가, 또는 생략될 수 있다. 즉, 필요에 따라 2 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나, 혹은 하나의 구성요소가 2 이상의 구성요소로 세분되어 구성될 수 있다. 또한, 하나 이상의 구성요소는 별개의 하드웨어가 집적된 FPGA(Field-Programmable Gate Array) 또는 ASCI(Application Specific IC, Application Specific Integrated Circuit) 형태로 구현될 수 있다. 또한, 각 블록에서 수행하는 기능은 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 그 구체적인 동작이나 장치는 본 발명의 권리범위를 제한하지 아니한다.
본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독 가능매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장매체는 컴퓨터 판독 가능 명령어, 데이터구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
본 발명의 시스템 및 방법은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍처를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 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.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 전력 수확 시스템
11: 센서단말
12: 게이트웨이
13: 서버
510: 안테나부
511: 안테나 512: 듀플렉스
520: 데이터 송수신부
521: 제1 RF 송수신부 522: 데이터 처리부
523: 데이터 생성부
530: 전력 수확부
531: 제2 RF 수신부 532: 전력 변환부
533: 배터리
540: 저장부 550: 제어부

Claims (13)

  1. 철도 사물 인터넷을 위한 전력을 수확하는 시스템에 있어서,
    철도 사물 인터넷을 위해 선로 영역을 기준으로 분산 배치되고, 철도 관련 사물에 대해 센싱된 정보를 기초로, 근거리 무선 통신 주파수 대역인 제1 주파수 대역의 센싱 데이터를 생성하여 게이트웨이로 전송하는 복수의 센서단말;
    상기 복수의 센서단말로부터 수신된 상기 제1 주파수 대역의 센싱 데이터를 원거리 무선 통신 주파수 대역인 제2 주파수 대역의 센싱 데이터로 가공하여 서버로 전송하는 게이트웨이(gateway); 및
    상기 게이트웨이로부터 상기 제2 주파수 대역의 센싱 데이터를 수신하는 서버를 포함하되,
    상기 센서단말은 상기 제2 주파수 대역의 신호를 수집하고, 상기 수집된 신호로부터 전력을 수확하고,
    상기 수확된 전력량을 산출하고, 상기 수확된 전력량을 기초로 예측된 현재 전력량이 임계값 이상이면, 상기 센싱 데이터를 기초로 데이터 페이로드(data payload)를 생성하여 상기 게이트웨이로 전송하되,
    상기 데이터 페이로드는 이전 센싱 데이터 전송 시점 이후에 상기 센서단말에 저장된 센싱 데이터의 평균값을 포함하는 제1 필드와 현재 센싱 데이터를 포함하는 제2 필드를 포함하는 것인 전력 수확 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서단말은
    상기 제1 주파수 대역의 신호 및 상기 제2 주파수 대역의 신호를 수신할 수 있는 단일 안테나와 상기 제1 주파수 대역의 신호와 상기 제2 주파수 대역의 신호를 구분하기 위한 듀플렉스(duplex)를 구비하는 것인 전력 수확 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서단말은
    상기 제2 주파수 대역의 신호에 실린 전기 신호를 추출한 후, 상기 추출된 전기 신호의 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 것인 전력 수확 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 철도 사물 인터넷을 위해 선로 영역을 기준으로 분산 배치되고, 철도 관련 사물에 대한 센싱 데이터를 생성하여 게이트웨이로 전송하는 센서단말에 있어서,
    근거리 무선 통신 주파수 대역인 제1 주파수 대역의 신호 및 원거리 무선 통신 주파수 대역인 제2 주파수 대역의 신호를 송수신하는 안테나 및 상기 안테나에 결합되어 상기 제1 주파수 대역의 신호와 상기 제2 주파수 대역의 신호를 구분하는 듀플렉스(duplex)를 포함하는 안테나부;
    상기 듀플렉스에 연결되어 상기 제1 주파수 대역의 신호를 송수신하는 데이터 송수신부;
    상기 듀플렉스에 연결되어 상기 제2 주파수 대역의 신호로부터 전력을 수확하는 전력 수확부;
    데이터 전송 프로그램이 저장된 저장부; 및
    상기 프로그램을 실행하는 제어부를 더 포함하되,
    상기 제어부는, 상기 프로그램이 실행됨에 따라, 상기 전력 수확부에서 수확된 전력량을 산출하고, 상기 수확된 전력량을 기초로 현재 전력량을 예측하며, 상기 현재 전력량이 임계값 이하이면, 상기 센싱 데이터를 상기 저장부에 저장하고, 상기 현재 전력량이 임계값을 초과하면, 상기 저장부에 기 저장된 센싱 데이터를 기초로 생성된 데이터 페이로드를 출력하고,
    상기 데이터 페이로드는 이전 센싱 데이터 전송 이후에 상기 저장부에 저장된 센싱 데이터의 평균값을 포함하는 제1 필드 및 현재 센싱 데이터를 포함하는 제2 필드를 포함하는 것인 센서단말.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전력 수확부는
    상기 제2 주파수 대역의 신호로부터 중간 주파수를 출력하는 하나 이상의 믹서(mixer) 및 국부발진기(local oscillator)를 포함하는 RF 수신부,
    상기 중간 주파수에 실린 전기 신호의 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 정류기(rectifier) 및 저역통과필터(low pass filter)를 포함하는 전력 변환부, 및
    상기 전력 변환부에서 출력된 직류 전류를 저장하는 배터리부를 포함하는 것인 센서단말.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 데이터 송수신부는
    상기 제1 주파수 대역의 신호로부터 중간 주파수를 출력하는 하나 이상의 믹서 및 국부발진기를 포함하는 RF 송수신부;
    상기 중간 주파수에 실린 데이터를 변조(modulation) 및 복조(demodulation)하는 데이터 변복조부; 및
    센싱된 정보로부터 센싱 데이터를 생성하는 데이터 생성부를 포함하는 것인 센서단말.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 철도 사물 인터넷을 위한 전력을 수확하는 센서단말의 동작 방법에 있어서,
    철도 사물 인터넷을 위해 선로 영역을 기준으로 분산 배치되고, 철도 관련 사물에 대해 센싱된 정보를 기초로, 센싱 데이터를 생성하는 단계;
    상기 센싱 데이터를 근거리 무선 통신 주파수 대역인 제1 주파수 대역으로 게이트웨이로 전송하는 단계;
    상기 게이트웨이가 서버와 데이터 송수신하는 원거리 무선 통신 주파수 대역인 제2 주파수 대역의 신호를 수집하는 단계; 및
    상기 수집된 제2 주파수 대역의 신호로부터 전력을 수확하는 단계를 포함하되,
    상기 센싱 데이터를 전송하는 단계는,
    상기 제2 주파수 대역의 신호로부터 전력을 수확한 후에 상기 수확된 전력량을 산출하는 단계;
    상기 수확된 전력량을 기초로 현재 전력량을 예측하는 단계; 및
    상기 현재 전력량이 임계값 이하이면, 상기 센싱 데이터를 저장하고, 상기 현재 전력량이 상기 임계값을 초과하면, 기 저장된 센성 데이터를 기초로 데이터 페이로드를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 데이터 페이로드는 이전 센싱 데이터 전송 이후에 저장부에 저장된 센싱 데이터의 평균값을 포함하는 제1 필드 및 현재 센싱 데이터를 포함하는 제2 필드를 포함하는 것인 동작 방법.
  13. 삭제
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