KR102159108B1 - Network-calibrated, distributive three dimensional fine dust measurement system and method - Google Patents

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김세용
이동엽
김한성
강다인
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세종대학교산학협력단
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Abstract

Disclosed are a distributive three-dimensional (3D) fine dust measurement system capable of network calibration to significantly increase measurement reliability, and a method thereof. According to the present invention, the distributive 3D fine dust measurement system capable of network calibration comprises: a plurality of fixed measurement nodes measuring fine dust concentration through an optical sensor and installed in a predetermined area in a fixed type; a plurality of mounted measurement nodes measuring fine dust concentration through an optical sensor and installed in public transportation moving along a preset route; and an autonomous mobile measurement node measuring fine dust concentration through an optical sensor, linked with a preset main fixed measurement node to perform calibration due to effects of temperature and humidity, and moving to at least one of the plurality of fixed measurement nodes and at least one of the plurality of loaded measurement nodes after the calibration to perform calibration.

Description

네트워크 교정이 가능한 분산형 3차원 미세먼지 측정 시스템 및 방법{Network-calibrated, distributive three dimensional fine dust measurement system and method}Network-calibrated, distributive three dimensional fine dust measurement system and method}

본 발명은 네트워크 교정이 가능한 분산형 3차원 미세먼지 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a distributed three-dimensional fine dust measurement system and method capable of network calibration.

현재 한국의 미세먼지 감시는 BAM(Beta Attenuation Monitoring)-1020 등의 측정장치를 통해 이루어지고 있다. Currently, fine dust monitoring in Korea is performed through measuring devices such as BAM (Beta Attenuation Monitoring)-1020.

BAM-1020는 미세먼지에 전자선을 가하면 Beer-Lambert 법칙에 따라 전자선의 감소가 오로지 질량에만 관계된 함수로 주어진다는 원리를 이용하는 것이다. BAM-1020 uses the principle that when an electron beam is applied to fine dust, the decrease of the electron beam is given as a function only related to the mass according to Beer-Lambert's law.

미국환경보호국(EPA; Environmental Protection Agency)의 FRM(Federal Reference Method) 평가(evaluation)에 따르면 BAM-1020의 정확도는 1시간 및 24시간 측정에서 각각 신뢰도가??

Figure 112019071690704-pat00001
= 0.873 그리고 0.986 으로 매우 우수한 성능을 보유하고 있다. According to the Federal Reference Method (FRM) evaluation of the Environmental Protection Agency (EPA), the accuracy of BAM-1020 is reliable in 1-hour and 24-hour measurements, respectively??
Figure 112019071690704-pat00001
= 0.873 and 0.986, which has very good performance.

그러나, BAM-1020은 다음과 같은 문제점이 있다. However, BAM-1020 has the following problems.

첫째, 높은 수준의 기술이 이용되기 때문에 고가이며 유지보수가 어려운 문제점이 있다. 이에, 한정된 장소에만 설치되어 있기 때문에 낮은 공간 해상도를 가져 측정 신뢰도 문제가 꾸준히 지적되고 있으며, 서울시에는 구(區)당 1개소 정도만이 운용되고 있다. First, there is a problem that it is expensive and difficult to maintain because high-level technology is used. Therefore, since it is installed only in a limited place, the problem of measurement reliability has been steadily pointed out due to its low spatial resolution. In Seoul, only one place per ward is operated.

둘째, 측정 주기가 길다. 실질적으로 한번의 측정에 1시간 가량 소요되며, 미세먼지 농도가 태양광 조사량이나 바람 등의 환경 요인과 러시아워 등 인위적인 요인에 의해 오차가 발생할 소지가 크다. Second, the measurement cycle is long. In fact, it takes about an hour for one measurement, and the concentration of fine dust is highly prone to errors due to environmental factors such as solar irradiation or wind and artificial factors such as rush hours.

셋째, 1마이크론 이하의 입자 측정이 불가능하며 질량 농도의 측정만 가능하다. 현재 한국은 대기 환경기준을 EPA에서 지정한 질량 농도 기준을 그대로 사용하고 있지만, 인체에 미치는 영향에는 개수 농도를 반영하는 것이 더 적합하다는 지적이 여러 연구를 통해 계속되고 있다. 또한 1마이크론 이하의 입자의 경우 호흡기 모세혈관은 물론 혈액뇌장벽(Blood-Brain barrier)까지 통과하여 뇌에 축척될 수 있다. 미세먼지의 주요 구성 성분이 질산염, 황산염, 중금속임을 고려한다면 체내에 축적되어 신경, 심혈관, 면역계 질환, 암 등을 초래 할 수 있는 심각한 위협원이기 때문에 1마이크론 이하의 입자 측정이 필수적이다. Third, it is impossible to measure particles of less than 1 micron, and only measure the mass concentration. Currently, Korea uses the mass concentration standard specified by EPA as the air environment standard, but several studies continue to point out that it is more appropriate to reflect the number concentration for the effect on the human body. In addition, in the case of particles of 1 micron or less, they can be accumulated in the brain by passing through the respiratory capillaries as well as the blood-brain barrier. Considering that the major constituents of fine dust are nitrates, sulfates, and heavy metals, it is essential to measure particles of 1 micron or less because it is a serious threat agent that can accumulate in the body and cause neurological, cardiovascular, immune system diseases, and cancer.

이러한 문제들로 인하여 저가의 광학형 미세먼지 측정 장치가 대안으로 제시되어 왔다. 광학형 미세먼지 측정 장치는 일정하게 유입되는 대기 샘플에 IR-LED로 빛을 조사하여 미세먼지에 의해 산란되는 빛을 포토다이오드(Photodiode)를 통해 측정하고, Mie theory에 근거하여 짧은 시간 간격으로 연속적인 미세먼지 농도를 계산해 내는 장치이다. Due to these problems, an inexpensive optical fine dust measuring device has been proposed as an alternative. The optical fine dust measuring device irradiates light with an IR-LED to a constant flowing atmospheric sample, measures the light scattered by the fine dust through a photodiode, and continuously at short time intervals based on the Mie theory. It is a device that calculates the concentration of fine dust.

그러나 측정 정확도의 문제, 측정 장치의 교정 문제로 인하여 아직까지 측정망 구축이 현실화되지 못하였다. 미세먼지 농도는 단위 시간 간격 동안 포토다이오드에 수신되는 산란광을 통해 계산되기 때문에, 측정값은 미세먼지 운동의 안정여부에 큰 영향을 받는다. 측정 장치의 정확도 자체는 근래 해외 업체들을 중심으로 계산 알고리즘의 개선, 설계형 대기 순환장치 탑재 등이 이루어지면서 상당부분 개선되었다. 하지만, 여전히 미세먼지의 운동이 측정 대기의 온도와 상대 습도에 큰 영향을 받기 때문에, 저가형 미세먼지 측정망 구축을 위해서는 이를 위한 교정 방법이 필요한 실정이다. However, due to the problem of measurement accuracy and calibration of the measurement device, construction of a measurement network has not yet been realized. Since the fine dust concentration is calculated through the scattered light received by the photodiode during a unit time interval, the measured value is greatly affected by the stability of the fine dust movement. The accuracy of the measuring device itself has improved considerably as the calculation algorithm has been improved and the design-type atmospheric circulation device has been installed, mainly by overseas companies. However, since the motion of fine dust is still greatly influenced by the temperature and relative humidity of the measurement atmosphere, a correction method is needed to establish a low-cost fine dust measurement network.

Enabling Large-Scale Urban Air Quality Monitoring with Mobile Sensor Nodes, H. David, 2015, ETHEnabling Large-Scale Urban Air Quality Monitoring with Mobile Sensor Nodes, H. David, 2015, ETH

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 저가의 광학형 센서를 이용하더라도 측정 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있는 네트워크 교정이 가능한 분산형 3차원 미세먼지 측정 시스템 및 방법을 제안하고자 한다. In order to solve the above problems of the prior art, the present invention proposes a distributed three-dimensional fine dust measurement system and method capable of network calibration that can greatly improve measurement reliability even when a low-cost optical sensor is used.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 분산형 미세먼지 측정 시스템으로서, 광학형 센서를 통해 미세먼지 농도를 측정하며 미리 설정된 지역에 고정형으로 설치되는 복수의 고정형 측정노드; 광학형 센서를 통해 미세먼지 농도를 측정하며 미리 설정된 노선을 따라 이동하는 대중교통에 설치되는 복수의 탑재형 측정노드; 및 광학형 센서를 통해 미세먼지 농도를 측정하며 미리 설정된 메인 고정형 측정노드와 연동하여 온도 및 습도의 영향에 따른 교정을 실시하고, 교정 완료 후 상기 복수의 고정형 측정노드 중 적어도 하나 및 상기 탑재형 측정노드 중 적어도 하나로 이동하여 교정을 수행하는 자율 이동형 측정노드를 포함하는 분산형 미세먼지 측정 시스템이 제공된다. In order to achieve the above object, according to an embodiment of the present invention, according to an embodiment of the present invention, as a distributed fine dust measurement system, the concentration of fine dust is measured through an optical sensor, and a plurality of fixed types are fixedly installed in a preset area. Node; A plurality of on-board measurement nodes installed in public transport moving along a preset route and measuring the concentration of fine dust through an optical sensor; And measuring the concentration of fine dust through an optical sensor, performing calibration according to the influence of temperature and humidity in conjunction with a preset main fixed measurement node, and after completion of the calibration, at least one of the plurality of fixed measurement nodes and the on-board measurement A distributed fine dust measurement system including an autonomous mobile measurement node that moves to at least one of the nodes to perform calibration is provided.

상기 메인 고정형 측정노드는 미세먼지 질량농도를 측정하는 측정기에 인접 배치되어 최우선적으로 미리 설정된 임계치 이상의 교정 신뢰도를 유지할 수 있다. The main fixed measurement node is disposed adjacent to a measuring device for measuring the mass concentration of fine dust, so as to maintain a calibration reliability of a predetermined threshold or higher.

상기 복수의 고정형 측정노드, 복수의 탑재형 측정노드 및 자율 이동형 측정노드는 MPI(Message Passing Interface) 네트워크를 구성하여 병렬 연산을 수행할 수 있다. The plurality of fixed measurement nodes, a plurality of mounted measurement nodes, and autonomously mobile measurement nodes may configure a Message Passing Interface (MPI) network to perform parallel computation.

상기 복수의 탑재형 측정노드 각각은 교정 신뢰도가 미리 설정된 임계치 이하인지 여부를 판단하고, 자신의 교정 신뢰도가 미리 설정된 임계치 이하인 경우, 교정 신뢰도가 미리 설정된 임계치 이상인 다른 탑재형 측정노드 또는 고정형 측정노드가 인접하는 경우 상기 다른 탑재형 측정노드 또는 고정형 측정노드의 측정값을 기준 데이터로 하여 교정을 실시할 수 있다. Each of the plurality of onboard measurement nodes determines whether or not the calibration reliability is less than or equal to a preset threshold, and when its own calibration reliability is less than or equal to a preset threshold, another on-board measurement node or a fixed measurement node whose calibration reliability is more than a preset threshold is If adjacent, calibration can be performed using the measured values of the other mounted measurement nodes or fixed measurement nodes as reference data.

교정 신뢰도가 미리 설정된 임계치 이하인 제1 탑재형 측정노드의 교정은 상기 다른 탑재형 측정노드 또는 고정형 측정노드와 온도 및 습도가 동일한 경우에 실시될 수 있다. The calibration of the first mounted measurement node whose calibration reliability is less than or equal to a preset threshold may be calibrated when the temperature and humidity are the same as that of the other mounted measurement node or the fixed measurement node.

상기 제1 탑재형 측정노드에 인접한 탑재형 측정노드 또는 고정형 측정노드의 수가 미리 설정된 임계치 이하이거나, 인접 시간이 미리 설정된 임계치 이하인 경우, 상기 제1 탑재형 측정노드는 상기 MPI 네트워크로부터 수신된 기준 데이터를 이용하여 다중 교정을 실시할 수 있다. When the number of on-board measurement nodes or fixed measurement nodes adjacent to the first on-board measurement node is less than or equal to a preset threshold, or when the adjacent time is less than or equal to a preset threshold, the first on-board measurement node receives reference data from the MPI network. Multiple calibrations can be performed using.

상기 다중 교정이 불가능한 경우, 상기 자율 이동형 측정노드가 상기 제1 탑재형 측정노드로 이동하며, 상기 제1 탑재형 측정노드는 상기 자율 이동형 측정노드의 측정값을 기준 데이터로 하여 교정을 실시할 수 있다. When the multiple calibration is not possible, the autonomous mobile measurement node moves to the first mounted measurement node, and the first mounted measurement node can perform calibration using the measured value of the autonomous mobile measurement node as reference data. have.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 분산형 미세먼지 측정 방법으로서, 미리 설정된 지역에 고정형으로 설치된 복수의 고정형 측정노드가 광학형 센서를 통해 미세먼지 농도를 측정하는 단계; 미리 설정된 노선을 따라 이동하는 대중교통에 설치되는 복수의 탑재형 측정노드가 광학형 센서를 통해 미세먼지 농도를 측정하는 단계; 자율 이동형 측정노드가 미리 설정된 메인 고정형 측정노드와 연동하여 온도 및 습도의 영향에 따른 교정을 실시하는 단계; 및 상기 자율 이동형 측정노드가 교정 완료 후 상기 복수의 고정형 측정노드 중 적어도 하나 및 상기 탑재형 측정노드 중 적어도 하나로 이동하여 교정을 수행하는 단계를 포함하는 분산형 미세먼지 측정 방법이 제공될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for measuring a distributed fine dust, comprising: measuring a concentration of fine dust by a plurality of fixed measurement nodes fixedly installed in a preset area through an optical sensor; Measuring the concentration of fine dust through an optical sensor by a plurality of on-board measurement nodes installed in public transport moving along a preset route; Performing calibration according to the influence of temperature and humidity in connection with the pre-set main fixed measurement node by the autonomous mobile measurement node; And performing calibration by moving the autonomously mobile measurement node to at least one of the plurality of fixed measurement nodes and at least one of the mounted measurement nodes after calibration is completed.

본 실시예에 따르면, 첫째로 낮은 단가와 유지비용으로 대규모 센서 측정노드 네트워크의 운용이 가능하다. 이로 인하여 기존의 미세먼지 측정망 대비 해상도를 현저하게 향상 시킬 수 있다.According to the present embodiment, first, it is possible to operate a large-scale sensor measurement node network with low unit cost and maintenance cost. This can significantly improve the resolution compared to the existing fine dust measurement network.

또한, 측정주기가 1초 이하로 짧아 연속적인 미세먼지 감시가 가능하다. 따라서 기존의 1시간 단위의 측정주기를 현저히 향상 시킬 수 있다.In addition, the measurement period is as short as 1 second or less, enabling continuous fine dust monitoring. Therefore, it is possible to significantly improve the measurement cycle of the existing one-hour unit.

나아가, 자율 이동형 측정노드를 이용하여 3차원 미세먼지 자료를 수집할 수 있고, 보다 정밀한 미세먼지 모형 연구가 가능해지는 장점이 있다. Furthermore, it is possible to collect 3D fine dust data by using an autonomous mobile measurement node, and has the advantage of enabling more precise fine dust model research.

다수의 측정노드가 대중교통 수단에 탑재된 형태로 운용된다. 따라서 대중교통의 밀도가 높은 도심지에서는 상기한 두 가지 효과가 배가되는 효과를 갖는다.A number of measurement nodes are operated in a form mounted on public transport. Therefore, in an urban area with a high density of public transportation, the above two effects are doubled.

다음으로, 네트워크가 MPI를 통해 구축되기 때문에 측정노드 클러스터(cluster)가 데이터 공표를 위한 웹서버(web server) 운용이나 자체적인 연산처리, 모델(model) 계산이 가능해진다. 따라서 서버 운용에 필요한 비용을 절감할 수 있는 효과를 갖는다.Next, since the network is built through MPI, the measurement node cluster can operate a web server for data publication, process its own operation, and calculate a model. Therefore, it has the effect of reducing the cost required for server operation.

셋째로 광학형 센서의 이용으로 인체에 가장 치명적인 극 초미세먼지의 감시가 가능해진다. 광학형 미세먼지 측정 방식은 BAM(Beta Attenuation Monitor)방식과는 달리, 매우 작은 입자의 측정에도 유리하다. Third, the use of optical sensors enables the monitoring of ultrafine dust, which is the most lethal to the human body. Unlike the BAM (Beta Attenuation Monitor) method, the optical fine dust measurement method is also advantageous for the measurement of very small particles.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 미세먼지 측정 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 측정노드의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세민지 측정 시스템의 동작 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 습도와 온도의 기여도에 따른 교정 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탑재형 측정노드의 교정 과정을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 교정 신뢰도 부여 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따른 우선 교정대상 측정노드의 교정 과정을 도시한 도면이다.
1 is a view showing a fine dust measurement system according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing the configuration of a measurement node according to the present embodiment.
3 is a diagram illustrating an operation process of a fine sensitivity measurement system according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing a calibration process according to the contribution of humidity and temperature according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a calibration process of a mounted measurement node according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a process of assigning calibration reliability according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a calibration process of a measurement node to be calibrated first according to the present embodiment.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.In the present invention, various modifications may be made and various embodiments may be provided, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it is to be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 미세먼지 측정 시스템을 도시한 도면이다. 1 is a view showing a fine dust measurement system according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 미세먼지 측정 시스템은 복수의 고정형 측정노드(100,102), 자율 이동형 측정노드(104) 및 탑재형 측정노드(106)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 1, the fine dust measurement system according to the present embodiment may include a plurality of fixed measurement nodes 100 and 102, an autonomous mobile measurement node 104 and a mounted measurement node 106.

복수의 고정형 측정노드 중 하나는 미세먼지 질량농도를 측정하는 측정기에 인접 배치되어 최우선적으로 미리 설정된 임계치 이상의 교정 신뢰도를 유지하며, 이를 메인 고정형 측정노드(100)라 정의한다. One of the plurality of fixed measurement nodes is disposed adjacent to a measurement device that measures the mass concentration of fine dust, and maintains a calibration reliability above a preset threshold with the highest priority, and this is defined as the main fixed measurement node 100.

메인 고정형 측정노드(100)는 기존 환경공단 소속 측정소에 배치되며, 환경공단 소속 측정소에 설치된 BAM-1020와 같은 높은 신뢰도로 미세먼지 질량농도를 측정하는 측정장치와 연동하여 최신의 교정 상태를 유지한다. The main fixed measurement node 100 is placed in a measurement station belonging to the existing Environment Corporation, and maintains the latest calibration state by interlocking with a measurement device that measures the mass concentration of fine dust with high reliability, such as BAM-1020 installed at the measurement station belonging to the Environment Corporation. .

그밖에 지역에 설치된 고정형 측정노드(102)는 그밖에 인구유동과 교통량이 많은 관심지역, 교통노선의 교차점이 많은 지역에 배치된다. In addition, the fixed measurement node 102 installed in the area is disposed in an area of interest with a large amount of population flow and traffic, and an area where there are many intersections of traffic lines.

관심지역에 배치된 고정형 측정노드(100,102)는 네트워크를 이루는 측정노드 전체에 교정이 전파되는 효율성과 측정망의 감시 능력을 향상시킨다.The fixed measurement nodes 100 and 102 arranged in the region of interest improve the efficiency of propagating the calibration throughout the measurement nodes constituting the network and the monitoring capability of the measurement network.

자율 이동형 측정노드(104)는 드론과 같은 무인 항공기일 수 있고, 미리 설정된 임계치 이상의 교정 신뢰도를 유지하는 메인 고정형 측정노드(100)의 측정값을 기준 데이터로 하여 온도 또는 습도의 영향에 따른 교정을 실시하고 탑재형 측정노드(106)로 이동한다. The autonomous mobile measurement node 104 may be an unmanned aerial vehicle such as a drone, and calibration according to the influence of temperature or humidity is performed using the measured value of the main fixed measurement node 100 that maintains calibration reliability above a preset threshold as reference data. And move to the onboard measurement node 106.

본 실시예에 따른 탑재형 측정노드(106)는 대중교통 수단에 설치될 수 있다.The on-board measurement node 106 according to this embodiment may be installed in public transportation.

자율 이동형 측정노드(104)는 탑재형 측정노드(106)가 밀집한 차고지 혹은 노선 교차점으로 이동하여 해당 탑재형 측정노드(106)들에 대해 2차적 교정을 실시한다. 또한 네트워크상에서 비정상적인 측정값 변화를 감시했을 때 이를 추가 감시하기 위해 직접 이동하는 역할을 갖는다.The autonomous mobile measurement node 104 moves to a parking lot or a route intersection where the on-board measurement node 106 is concentrated and performs secondary calibration on the on-board measurement node 106. In addition, when abnormal measurement value change is monitored on the network, it has the role of moving directly to further monitor it.

탑재형 측정노드(106)는 고정형 측정노드(100,102)와 함께 미세먼지를 감시하는 측정망을 구성하며, 노선을 따라 움직이면서 인접하게 되는 다른 탑재형 측정노드(106)의 교정을 수행한다. 이를 통해 전역적으로 배치된 모든 탑재형 측정노드의 최종 교정이 수행될 수 있다. The mounted measurement node 106 constitutes a measurement network that monitors fine dust together with the fixed measurement nodes 100 and 102, and performs calibration of other mounted measurement nodes 106 that are adjacent while moving along a route. This allows a final calibration of all globally deployed on-board measurement nodes to be performed.

탑재형 측정노드(106)는 대중교통에 탑재되기 시작한 데이터 핫스팟(Hotspot)을 통해 네트워크에 접속하여 다른 탑재형 측정노드(106)의 교정을 수행한다. 이를 위해 해당 장치에 대한 포트포워딩(PortForwarding)이 필요하다.The onboard measurement node 106 connects to the network through a data hotspot that has started to be loaded on public transportation and performs calibration of the other onboard measurement node 106. For this, port forwarding is required for the device.

본 실시예에 따른 측정망 및 교정망은 MPI(Message Passing Interface) 기반으로 구성될 수 있다. The measurement network and calibration network according to the present embodiment may be configured based on a Message Passing Interface (MPI).

즉, 본 실시예에 따른, 복수의 고정형 측정노드(100,102), 자율 이동형 측정노드(104) 및 탑재형 측정노드(106)가 MPI 네트워크를 구성한다. That is, according to the present embodiment, a plurality of fixed measurement nodes 100 and 102, an autonomous mobile measurement node 104 and a mounted measurement node 106 constitute an MPI network.

MPI는 통상 표준화된 정보전달 체계로서 병렬컴퓨팅(Parallel Computing)에 이용되는 소프트웨어이다. CPU 코어(core)간의 정보 교환에 관여하며, 복수의 연산장치를 단일의 연산체계로 통합시킨다. 빠른 연산속도로 슈퍼컴퓨터에 사용되는 Data parallelism 뿐만 아니라, 기능의 효율적인 분리를 위해 사용되는 Task parallelism 에도 이용되고 있다.MPI is a standardized information delivery system and software used for parallel computing. It is involved in the exchange of information between CPU cores and integrates a plurality of computing devices into a single computing system. It is used not only for data parallelism used in supercomputers with high computational speed, but also for task parallelism used for efficient separation of functions.

MPI는 일반적으로 높은 성능을 요구로 하는 작업에 이용되기 때문에, 주요 운영체계와 CPU 아키텍쳐(Architecture)에 최적화 되어있어 이를 운용할 수 있는 마이크로컨트롤러(Microcontroller)는 제한적이다. 이러한 이유로 본 실시예의 측정노드는 라즈베리파이(Raspberry Pi) 플랫폼을 기반으로 한다. 라즈베리파이는 ARM Architecture 코어로 가동된다. 다른 마이크로컨트롤러에 비해 디지털 신호 입출력 확장성이 뛰어나며, Debian OS를 기반으로 만들어진 기본 운영체계 Raspbian 뿐만 아니라, 다양한 운영체계의 운영이 가능하다. 따라서 라즈베리파이 단일 플랫폼으로 네트워크의 모든 요소를 유지하는 것이 가능하며 이러한 네트워크의 구조는 그 규모와 상관없이 매우 높은 안정성을 갖는다.Since MPI is generally used for tasks that require high performance, microcontrollers that can operate it are limited because it is optimized for major operating systems and CPU architectures. For this reason, the measurement node of this embodiment is based on the Raspberry Pi platform. Raspberry Pi runs on the ARM Architecture core. Compared to other microcontrollers, digital signal input and output expandability is excellent, and it is possible to operate various operating systems as well as Raspbian, a basic operating system based on Debian OS. Therefore, it is possible to maintain all elements of the network with a single platform of Raspberry Pi, and the structure of this network has very high stability regardless of its size.

본 실시예에 따른 미세먼지 측정 시스템은 호스트(host)가 존재하지 않는 분산된 측정노드로 이루어져 있다. SSH(Secure Shell)를 통해 측정노드간의 접근이 이루어지며, 프로그램으로 이를 연결시켜주는 것이 바로 MPI이다. The fine dust measurement system according to the present embodiment is composed of distributed measurement nodes without a host. Access between measurement nodes is made through SSH (Secure Shell), and it is MPI that connects them with a program.

각 측정노드는 MPI를 통해 교정용 프로그램(교정용 MPI)과 측정망 프로그램(측정용 MPI)을 동시에 운용한다. 측정된 데이터는 기본적으로 해당 측정노드가 직접 관리하게 되며, 주기적으로 분석된 데이터를 데이터 웹서버(110)에 업로드한다.Each measurement node simultaneously operates a calibration program (MPI for calibration) and a measurement network program (MPI for measurement) through MPI. The measured data is basically directly managed by the corresponding measurement node, and periodically analyzed data is uploaded to the data web server 110.

교정용 MPI는 교정상태를 확인하면서 교정과정에 직접적으로 관여하며, 측정망 MPI는 측정노드에 보정된 측정값을 분석하거나 데이터 웹서버(110)로 업로드 한다.The calibration MPI is directly involved in the calibration process while checking the calibration status, and the measurement network MPI analyzes the calibrated measurement value in the measurement node or uploads it to the data web server 110.

도 2는 본 실시예에 따른 측정노드의 구성을 도시한 도면이다. 2 is a diagram showing the configuration of a measurement node according to the present embodiment.

도 2는 고정형, 자율 이동형 및 탑재형 측정노드가 공통적으로 구비하고 있는 구성을 도시한 것이다. FIG. 2 shows a configuration common to a fixed type, an autonomous mobile type, and a mounted type measuring node.

도 2에 도시된 바와 같이, 모든 측정노드는 센서부(200), 저장부(202), 통신부(204) 및 제어부(206)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 2, all measurement nodes may include a sensor unit 200, a storage unit 202, a communication unit 204, and a control unit 206.

센서부(200)는 광학형 센서이며, 대기 샘플에 IR-LED로 빛을 조사하여 미세먼지에 의해 산란되는 빛을 포토다이오드(Photodiode)를 통해 측정한다. The sensor unit 200 is an optical sensor, and measures light scattered by fine dust through a photodiode by irradiating light onto an atmospheric sample with an IR-LED.

저장부(202)는 상기와 같이 센서부(200)를 통해 원 측정값, 다른 측정노드를 통해 교정된 측정값 두 가지의 데이터를 저장한다.As described above, the storage unit 202 stores two types of data, an original measurement value through the sensor unit 200 and a measurement value calibrated through another measurement node.

통신부(204)는 교정된 측정값을 데이터 웹서버(110)로 전송하거나, 다른 측정노드로 전송한다. The communication unit 204 transmits the calibrated measurement value to the data web server 110 or to another measurement node.

제어부(206)는 센서부(200), 저장부(202) 및 통신부(204)의 동작을 제어한다. The control unit 206 controls the operation of the sensor unit 200, the storage unit 202, and the communication unit 204.

센서의 능력을 평가하는 방법에는 대표적으로 EPA의 FRM과, FEM이 있으며, 동일하게 센서를 교정하기 위해 사용할 수 있는 방법이다. FRM은 그 수치를 정확히 알고 있는 샘플을 측정하는 방법이며, FEM은 높은 신뢰도를 확인한 다른 센서와 함께 측정하는 방법이다.EPA's FRM and FEM are representative methods of evaluating the sensor's capabilities, and these are the same methods that can be used to calibrate the sensor. FRM is a method of measuring a sample whose value is known accurately, and FEM is a method of measuring with other sensors that have confirmed high reliability.

본 실시예에 따른 교정은 FEM과 유사하다. 구체적으로는 신뢰도가 확보된 BAM-1020 또는 다른 검증된 측정노드와 OLS(Ordinary least squares) regression으로 1차 교정을 실시하고, 이후에는 교정된 측정노드를 이용하여 다른 측정노드를 전체적으로 교정해나가는 방법이다. The calibration according to this embodiment is similar to the FEM. Specifically, a method of performing the first calibration with BAM-1020 or other verified measurement node with secured reliability and Ordinary least squares (OLS) regression, and then using the calibrated measurement node to fully calibrate other measurement nodes. to be.

본 실시예에 따른 교정 방법은 동일한 측정 조건을 가지고 있는 상태에서 각 측정노드의 측정값을 비교하는 것을 전제로 한다. 따라서 교정을 위해서는 동일 시간에 동일한 장소에서 측정하는 것이 필요하다. The calibration method according to this embodiment is premised on comparing the measured values of each measurement node while having the same measurement conditions. Therefore, it is necessary to measure at the same place at the same time for calibration.

BAM-1020은 높은 정확성을 가지고 있기 때문에 교정을 위한 표준 데이터로 사용하기에 적합하다. 그러나 측정주기가 1시간으로 매우 길기 때문에, OLS regression을 실시하기 위해서는 오랜 시간에 걸쳐 데이터를 축적하는 것이 필요하다. 이러한 이유로 환경공단 측정소에 메인 고정형 측정노드(100)를 배치하여 항시 최신의 교정상태를 유지시킨다. BAM-1020 is suitable for use as standard data for calibration because it has high accuracy. However, since the measurement cycle is very long (1 hour), it is necessary to accumulate data over a long period of time in order to perform OLS regression. For this reason, by arranging the main fixed measurement node 100 at the measurement station of the Environment Corporation, the latest calibration state is always maintained.

1차 교정 이후, 다른 측정노드와 자율 이동형 측정노드 간의 교정은 단시간에 가능하다. 일반적으로 저가의 광학형 센서는 수 초 수준의 측정주기를 가지고 있기 때문에 짧은 시간 동안 충분한 데이터 축적이 가능하다. After the first calibration, calibration between other measurement nodes and autonomous mobile measurement nodes is possible in a short time. In general, inexpensive optical sensors have a measurement cycle of several seconds, so sufficient data can be accumulated for a short time.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세민지 측정 시스템의 동작 과정을 도시한 도면이다. 3 is a diagram illustrating an operation process of a fine sensitivity measurement system according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 환경공단 측정소에 배치된 메인 고정형 측정노드(100)가 최신 교정값 유지한다(단계 300).Referring to FIG. 3, the main fixed measurement node 100 disposed at the environmental industrial complex measurement station maintains the latest calibration value (step 300).

본 실시예에 따른 메인 고정형 측정노드(100)는 MPI 네트워크를 통해 환경공단 측정소의 데이터(BAM-1020)를 다운로드 하고, 환경공단 측정소의 데이터 교정을 실시하며, 24시간 이상의 주기로 교정을 실시한다. The main fixed measurement node 100 according to the present embodiment downloads the data of the environmental agency measurement station (BAM-1020) through the MPI network, performs data calibration of the environmental agency measurement station, and performs calibration every 24 hours or more.

다음으로, 자율 이동형 측정노드(104)는 메인 고정형 측정노드(100)에 접근하여 메인 고정형 측정노드(100)의 측정값을 기준 데이터로 하여 교정을 실시한다(단계 302).Next, the autonomous mobile measurement node 104 approaches the main stationary measurement node 100 and performs calibration using the measured value of the main stationary measurement node 100 as reference data (step 302).

교정이 완료된 자율 이동형 측정노드(104)는 대중교통 허브 또는 차고지로 이동하여 탑재형 측정노드(106)의 교정을 실시한다(단계 304).The calibration is completed, the autonomous mobile measurement node 104 moves to a public transportation hub or garage and performs calibration of the on-board measurement node 106 (step 304).

또한, 본 실시예에 따른 탑재형 측정노드(106)는 다른 탑재형 측정노드(106) 또는 고정형 측정노드(102)에 인접할때마다 교정 신뢰도에 기반하여 교정을 수행하고, 교정 신뢰도를 갱신한다(단계 306).In addition, the mounted measurement node 106 according to the present embodiment performs calibration based on the calibration reliability whenever it is adjacent to the other mounted measurement node 106 or the fixed measurement node 102, and updates the calibration reliability. (Step 306).

교정이 완료된 측정노드는 데이터 웹서버(110)에 주기적으로 측정값을 업로드 한다(단계 308).The measurement node on which the calibration is completed periodically uploads the measurement value to the data web server 110 (step 308).

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 습도와 온도의 기여도에 따른 교정 과정을 도시한 도면이다. 4 is a view showing a calibration process according to the contribution of humidity and temperature according to an embodiment of the present invention.

도 4는 각 교정대상이 되는 측정노드에서 수행하는 과정을 도시한 것이다. 4 shows a process performed by each measurement node to be calibrated.

도 4를 참조하면, 측정노드는 원 측정값을 저장하고(단계 400), 이후 상대 습도의 기여도가 큰지 여부를 판단한다(단계 402).Referring to FIG. 4, the measurement node stores the original measurement value (step 400), and then determines whether or not the contribution of the relative humidity is large (step 402).

단계 402는 기준 데이터, 즉 교정이 완료된 다른 측정노드로부터 획득한 측정값을 기준으로 판단할 수 있다. Step 402 may be determined based on reference data, that is, a measurement value obtained from another measurement node that has been calibrated.

상대 습도 기여도가 큰 경우, 상대 습도에 따른 교정을 수행한다(단계 404).If the relative humidity contribution is large, calibration is performed according to the relative humidity (step 404).

단계 404에서, 일반적으로 습도 교정의 경우, 아래의 수학식 1과 같은 Hanel 성장함수 또는 수학식 2와 같은 Soneja 성장함수가 사용될 수 있다. In step 404, in general, for humidity calibration, a Hanel growth function such as Equation 1 below or a Soneja growth function such as Equation 2 may be used.

Figure 112019071690704-pat00002
Figure 112019071690704-pat00002

여기서, a, b는 계수, RH는 상대습도이며, 원 측정값은 측정노드가 직접 측정한 값이고, 기준 측정값은 교정이 완료된 측정노드가 저장하고 있는 값이다. Here, a and b are coefficients, RH is relative humidity, the original measurement value is the value directly measured by the measurement node, and the reference measurement value is the value stored by the measurement node that has been calibrated.

Figure 112019071690704-pat00003
Figure 112019071690704-pat00003

수학식 1 내지 2를 통해 계산된 습도보정계수를 통해 아래와 같이 습도보정값을 산출한다. The humidity correction value is calculated as follows through the humidity correction coefficient calculated through Equations 1 to 2.

Figure 112019071690704-pat00004
Figure 112019071690704-pat00004

단계 402에서 상대 습도의 기여도가 크지 않거나, 또는 단계 404에서 상대 습도에 따른 교정이 완료된 이후, 온도 기여도가 큰지 여부를 판단한다(단계 406).It is determined whether the contribution of the relative humidity is not large in step 402, or whether the contribution of temperature is large after calibration according to the relative humidity is completed in step 404 (step 406).

또한, 온도 교정의 경우에는 아래의 수학식 4 또는 수학식 5가 사용된다. In addition, in the case of temperature calibration, Equation 4 or Equation 5 below is used.

Figure 112019071690704-pat00005
Figure 112019071690704-pat00005

Figure 112019071690704-pat00006
Figure 112019071690704-pat00006

수학식 4 내지 5에서,

Figure 112019071690704-pat00007
은 절편에 해당하는 계수,
Figure 112019071690704-pat00008
는 기준 측정값에 대한 비례 계수,
Figure 112019071690704-pat00009
은 절대온도에 대한 비례 계수이다. In Equations 4 to 5,
Figure 112019071690704-pat00007
Is the coefficient corresponding to the intercept,
Figure 112019071690704-pat00008
Is the proportionality factor for the reference measurement,
Figure 112019071690704-pat00009
Is the coefficient of proportion to the absolute temperature.

아래의 수학식 6은 수학식 4를 통해 계산된

Figure 112019071690704-pat00010
,
Figure 112019071690704-pat00011
,
Figure 112019071690704-pat00012
를 원 측정값에 대입하여 최종된 보정값을 산출하는 식을 나타낸 것이다. Equation 6 below is calculated through Equation 4
Figure 112019071690704-pat00010
,
Figure 112019071690704-pat00011
,
Figure 112019071690704-pat00012
This is an equation for calculating the final correction value by substituting for the original measured value.

Figure 112019071690704-pat00013
Figure 112019071690704-pat00013

그리고, 다음 수학식 7은 온도 기여도가 낮아 해당 항을 제거한 결과를 나타낸 것이다. In addition, the following Equation 7 shows the result of removing the term due to low temperature contribution.

Figure 112019071690704-pat00014
Figure 112019071690704-pat00014

단계 406에서, 온도의 영향의 큰 경우에는 수학식 6의 온도 보정값에 따른 교정을 수행하고(단계 408), 온도의 영향이 크지 않은 경우에는 수학식 7의 온도 보정값 이용하여 교정을 수행한다(410).In step 406, if the influence of temperature is large, calibration is performed according to the temperature correction value of Equation 6 (step 408), and if the influence of temperature is not large, calibration is performed using the temperature correction value of Equation 7. (410).

본 실시예에 따르면, 측정노드 간의 교정에서 트리거가 되는 요소는 두가지가 있다. 첫째는 물리적으로 근거리에 있을 때, 기존 MPI 네트워크 상에서의 데이터 I/O 또는 LAN(Local Area Network)으로 MPI를 작동하여 p2p 교정을 실시하는 방법이다. According to this embodiment, there are two factors that trigger the calibration between measurement nodes. The first is a method of performing p2p calibration by operating MPI with data I/O on the existing MPI network or LAN (Local Area Network) when physically in a short distance.

다른 하나는 MPI 네트워크 상에서 같은 시간, 같은 위치에서 측정되는 모든 데이터를 종합하여 교정을 실시하는 방법이다. The other is to perform calibration by synthesizing all data measured at the same time and location on the MPI network.

첫 번째 트리거는 높은 안정성을 가지며, 모든 형태의 교정에서 이용될 수 있다. 두 번째 트리거는 교정 기회를 높여주고 교정 신뢰도를 향상시키며 탑재형 측정노드간 교정에서 주로 이용할 수 있다. The first trigger has high stability and can be used in any type of calibration. The second trigger increases calibration opportunities, improves calibration reliability, and is primarily used in on-board measurement node-to-node calibration.

탑재형 측정노드 간의 또는 관심지역에 배치된 고정형 측정노드에 대한 교정은 교정 조건이 완벽한 수준을 만족하지 못할 수 있다. 특히 물리적인 근거리 접근이 트리거인 경우이다. 그 예로는 두 측정노드간의 상대속도가 커서 교정이 유효한 근거리 내에서의 데이터 축적이 충분히 이루어지지 않는 경우이다. 따라서 교정을 실시할 때마다 해당 측정노드에 교정 신뢰도를 부여하여 측정값과 해당 노드를 통해 이루어지는 교정의 신뢰도를 평가할 수 있어야 한다. Calibration between on-board measuring nodes or for fixed measuring nodes placed in an area of interest may not satisfy the perfect level of calibration conditions. In particular, this is the case where physical close proximity is the trigger. An example of this is the case where the relative speed between the two measurement nodes is so large that data accumulation within a short distance for which calibration is effective is not sufficiently performed. Therefore, each time calibration is performed, calibration reliability should be given to the measurement node so that the measured value and the reliability of calibration performed through the node should be evaluated.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탑재형 측정노드의 교정 과정을 도시한 도면이다. 5 is a diagram illustrating a calibration process of a mounted measurement node according to an embodiment of the present invention.

도 5는 탑재형 측정노드가 인접한 다른 탑재형 측정노드 또는 고정형 측정노드를 통해 교정을 진행하는 과정을 도시한 것이다. FIG. 5 shows a process in which a mounted measurement node performs calibration through another adjacent mounted measurement node or a fixed measurement node.

도 5를 참조하면, 탑재형 측정노드(106)는 원 측정값을 저장한다(단계 500).Referring to FIG. 5, the onboard measurement node 106 stores the original measurement value (step 500).

다음으로, 다른 측정노드의 위치가 임계치 이내인지 여부를 판단한다(단계 502).Next, it is determined whether or not the location of the other measurement node is within a threshold (step 502).

두 측정노드가 소정 거리 이내인 경우, 탑재형 측정노드(106)는 자신과 인접한 측정노드의 교정 신뢰도가 임계치 이상인지 여부를 판단한다(단계 504).When the two measurement nodes are within a predetermined distance, the onboard measurement node 106 determines whether or not the calibration reliability of the measurement node adjacent to it is greater than or equal to a threshold (step 504).

본 실시예에 따른 교정 신뢰도는 아래의 수식으로 나타낼 수 있다. The calibration reliability according to this embodiment can be expressed by the following equation.

Figure 112019071690704-pat00015
Figure 112019071690704-pat00015

Figure 112019071690704-pat00016
Figure 112019071690704-pat00016

Figure 112019071690704-pat00017
Figure 112019071690704-pat00017

Figure 112019071690704-pat00018
Figure 112019071690704-pat00018

유효기간신뢰도는 최후 교정일로부터 시간이 소요될수록 감쇠하며, 표본수 신뢰도는 교정 당시에 사용되는 측정 데이터의 수가 많을 수록 증가한다.The shelf life reliability decreases as time elapses from the last calibration date, and the sample number reliability increases as the number of measurement data used at the time of calibration increases.

교정 신뢰도가 미리 설정된 임계치 이상(예를 들어, 0.8 이상)인 경우, 탑재형 측정노드(106)는 인접한 측정노드와 온도 및 습도가 동일한지 여부를 판단한다(단계 506).When the calibration reliability is greater than or equal to a preset threshold (eg, greater than or equal to 0.8), the onboard measurement node 106 determines whether the temperature and humidity are the same as that of the adjacent measurement node (step 506).

온도 및 습도가 동일한 경우, 교정 신뢰도가 높은 측정노드를 기준으로 교정을 실시한다(단계 508).If the temperature and humidity are the same, calibration is performed based on a measurement node having high calibration reliability (step 508).

교정이 완료된 이후, 탑재형 측정노드(106)의 교정 신뢰도를 갱신하고, 교정된 측정값을 저장한다(단계 512).After the calibration is completed, the calibration reliability of the on-board measurement node 106 is updated, and the calibrated measurement value is stored (step 512).

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 교정 신뢰도 부여 과정을 도시한 도면이다. 6 is a diagram illustrating a process of assigning calibration reliability according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 각 측정노드는 자신의 교정 신뢰도를 주기적으로 확인한다(단계 600).6, each measurement node periodically checks its own calibration reliability (step 600).

각 측정노드는 자신의 교정 신뢰도가 0.8 이상(제1 임계치)인지 여부를 판단한다(단계 602).Each measurement node determines whether its own calibration reliability is 0.8 or more (first threshold) (step 602).

교정 신뢰도는 상기한 수학식 8에 따라 결정될 수 있고, 교정 신뢰도가 0.8 이상인 경우에는 교정 표준 및 측정 노도로 사용된다(단계 604).The calibration reliability can be determined according to Equation 8 above, and when the calibration reliability is 0.8 or more, it is used as a calibration standard and measurement node (step 604).

한편, 교정 신뢰도가 0.8 이하인 경우에는 새로운 데이터 축적되거나, 또는 교정 신뢰도가 높은 측정노드가 인접하는 경우 자동으로 재교정을 실시한다(단계 606).On the other hand, when the calibration reliability is 0.8 or less, new data is accumulated, or when measurement nodes having high calibration reliability are adjacent to each other, recalibration is automatically performed (step 606).

또한, 각 측정노드는 교정 신뢰도가 0.7 이상(제2 임계치)인지 여부를 판단한다(단계 608).Further, each measurement node determines whether or not the calibration reliability is 0.7 or more (a second threshold) (step 608).

교정 신뢰도가 0.7 이상인 경우에는 교정 표준으로 사용되지는 않고 측정노드로만 사용된다(단계 610). If the calibration reliability is 0.7 or more, it is not used as a calibration standard, but is used only as a measurement node (step 610).

반면, 교정 신뢰도가 0.7 이하인 경우에는 해당 측정노드는 우선 교정대상 측정노드로 분류된다(단계 612).On the other hand, if the calibration reliability is 0.7 or less, the measurement node is first classified as a measurement node to be calibrated (step 612).

단계 610에서, 우선 교정대상 측정노드로 결정되는 경우, MPI 네트워크에서 자율 이동형 측정노드(104)를 우선 교정대상 측정노드로 이동시키거나, 다른 측정노드가 인접하는 경우 또는 교정값 다운로드를 통해 해당 측정노드의 교정을 실시한다. In step 610, when it is first determined as a measurement node to be calibrated, the autonomous mobile measurement node 104 is first moved to the measurement node to be calibrated in the MPI network, or when other measurement nodes are adjacent, or through a calibration value download Perform node calibration.

도 7은 본 실시예에 따른 우선 교정대상 측정노드의 교정 과정을 도시한 도면이다. 7 is a diagram illustrating a calibration process of a measurement node to be calibrated first according to the present embodiment.

도 7은 우선 교정대상이 되는 측정노드에 인접한 탑재형 측정노드 또는 고정형 측정노드의 수가 미리 설정된 임계치 이하이거나, 인접 시간이 미리 설정된 임계치 이하인 경우에 수행되는 과정을 도시한 것이다. FIG. 7 illustrates a process performed when the number of on-board measurement nodes or fixed measurement nodes adjacent to a measurement node to be calibrated is less than or equal to a preset threshold or the adjacent time is less than or equal to a preset threshold.

도 7을 참조하면, 우선 교정대상 측정노드가 다른 측정노드의 인접 위치, 인접 시간 및 측정값을 검색하고 다운로드 한다(단계 700).Referring to FIG. 7, first, a measurement node to be calibrated searches and downloads a location adjacent to another measurement node, an adjacent time, and a measurement value (step 700).

단계 700은 우선 교정대상 측정노드가 본 실시예에 따른 병렬 연산을 수행하는 MPI 네트워크와 연동하여 수행될 수 있다. Step 700 may be first performed by interworking with the MPI network in which the measurement node to be calibrated performs parallel operation according to the present embodiment.

우선 교정대상 측정노드는 MPI 네트워크로부터 다운로드 받은 다른 측정노드의 측정값으로 교정을 실시한다(단계 702).First, the measurement node to be calibrated performs calibration with the measurement values of other measurement nodes downloaded from the MPI network (step 702).

또한, 교정 신뢰도가 0.8 이상이 될 때까지 데이터를 축적하고 주기적으로 교정을 실시한다(단계 704).Further, data is accumulated until the calibration reliability becomes 0.8 or more, and calibration is periodically performed (step 704).

전술한 바와 같이, 단계 700 내지 704는 우선 교정대상이 되는 측정노드가 다른 측정노드와 인접하는 기회가 많지 않거나 교정이 자주 이루어지지 않는 경우에 수행되는 과정일 수 있다. As described above, steps 700 to 704 may be performed when the first measurement node to be calibrated does not have many opportunities to be adjacent to other measurement nodes or calibration is not frequently performed.

즉, 다른 측정노드와 충분한 인접 기회 및 시간을 갖지 못하는 경우, 우선 교정대상 측정노드는 MPI 네트워크로부터 측정값을 다운로드 하여 교정을 실시한다. That is, if it does not have a sufficient opportunity and time adjacent to other measurement nodes, the measurement node to be calibrated first downloads the measurement value from the MPI network and performs calibration.

단계 700 내지 704는 다중 교정으로 정의될 수 있다. Steps 700 to 704 may be defined as multiple calibrations.

상기한 과정을 통해서도 교정이 이루어지지 못하는 경우, 즉 다중 교정이 어려운 경우 우선 교정대상 측정노드로 자율 이동형 측정노드가 이동하여 직접 교정을 실시한다(단계 706).If calibration cannot be performed even through the above-described process, that is, when multiple calibration is difficult, the autonomously mobile measurement node first moves to the measurement node to be calibrated to perform calibration directly (step 706).

자율 이동형 측정노드의 이동은 MPI 네트워크에서의 병렬 연산을 통해 이루어질 수 있다. The movement of the autonomous mobile measurement node can be accomplished through parallel computation in the MPI network.

본 실시예에 따른 측정노드는 라즈베리파이에 MPI가 설치된 것일 수 있다. The measurement node according to the present embodiment may have an MPI installed on the Raspberry Pi.

라즈베리파이 마이크로컨트롤러는 ARM 아키텍쳐이며 Debian을 기반으로 만들어진 Rapbian 운영체제를 기반으로 작동한다. 그러나 Rapbian은 GNU 컴파일러가 해당 운영체제에서 작동시키도록 CPU를 32비트 기반 아키텍쳐인 armv7로 다운그레이드 하여 시스템이 운용되고 있다. 이러한 이유로 라즈베리파이에서는 대표적인 MPI implementation인 Mpich와 OpenMPI 모두, CPU 아키텍쳐를 혼동하여 Kernal 상에서 메모리 배리어의 충돌이 발생할 수 있다. The Raspberry Pi microcontroller is an ARM architecture and runs based on the Rapbian operating system built on Debian. However, Rapbian is running the system by downgrading the CPU to armv7, a 32-bit based architecture, so that the GNU compiler runs on the operating system. For this reason, in Raspberry Pi, both Mpich and OpenMPI, which are representative MPI implementations, confuse CPU architectures, and memory barrier conflicts may occur on the kernel.

따라서, MPI가 라즈베리파이에서 정상적으로 구동될 수 있도록 설치 과정을 수정하여 CPU 아키텍쳐를 armv8 이상 버전으로 강제 할당에 주어야 한다. 본 실시예에서 아키텍쳐 강제 할당을 통해 Mpich와 OpenMPI에서 P2P 통신 및 Collective 통신의 정상적인 구동을 확인하였다. Therefore, the installation process must be modified so that MPI can run normally on the Raspberry Pi, and the CPU architecture must be forcibly assigned to armv8 or higher. In this embodiment, normal operation of P2P communication and collective communication in Mpich and OpenMPI was confirmed through architectural force allocation.

또한, MPI는 SSH(Secure Shell) 프로토콜을 통해 통제하기 때문에 라즈베리파이간 SSH 접근이 이루어져야 하며 라즈베리파이는 기본 설정으로 이를 지원하고 있다. 본 실시예에서는 WiFi 모듈을 이용하여 인터넷에 접속하여 측정노드간 SSH 연결을 구현한다. Also, since MPI is controlled through the SSH (Secure Shell) protocol, SSH access between Raspberry Pis must be made, and the Raspberry Pi supports this by default. In this embodiment, an SSH connection between measurement nodes is implemented by accessing the Internet using a WiFi module.

SSH 접근 수단은 LAN과 원격 방식을 모두 고려할 수 있다. LAN의 경우 WiFi 규격의 통신을 이용하여 근접 트리거 방식의 교정에 주로 이용될 수 있다. 원격 방식은 인터넷을 통한 접근과 WAN을 통한 접근 또한 고려할 수 있다. WAN으로는 LoRa(Long Range)의 이용을 고려할 수 있다.SSH access methods can be considered both LAN and remote methods. In the case of LAN, it can be mainly used for calibration of the proximity trigger method by using WiFi standard communication. The remote method can also consider access through the Internet and access through the WAN. For WAN, you can consider using LoRa (Long Range).

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The above-described embodiments of the present invention have been disclosed for the purpose of illustration, and those skilled in the art who have ordinary knowledge of the present invention will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention, and such modifications, changes and additions It should be seen as belonging to the following claims.

Claims (10)

분산형 미세먼지 측정 시스템으로서,
광학형 센서를 통해 미세먼지 농도를 측정하며 미리 설정된 지역에 고정형으로 설치되는 복수의 고정형 측정노드;
광학형 센서를 통해 미세먼지 농도를 측정하며 미리 설정된 노선을 따라 이동하는 대중교통에 설치되는 복수의 탑재형 측정노드; 및
광학형 센서를 통해 미세먼지 농도를 측정하며 미리 설정된 메인 고정형 측정노드에 접근하여 온도 및 습도의 영향에 따른 교정을 실시하고, 교정 완료 후 상기 복수의 고정형 측정노드 중 적어도 하나 및 상기 탑재형 측정노드 중 적어도 하나로 이동하여 교정을 수행하는 자율 이동형 측정노드를 포함하되,
상기 메인 고정형 측정노드는 미세먼지 질량농도를 측정하는 측정기에 인접 배치되어 최우선적으로 미리 설정된 임계치 이상의 교정 신뢰도를 유지하며,
상기 자율 이동형 측정 노드는 무인 항공기이며, 교정 신뢰도가 미리 설정된 임계치 이하인 고정형 측정노드 또는 탑재형 측정노드로 이동하여 교정을 수행하는 분산형 미세먼지 측정 시스템.
As a distributed fine dust measurement system,
A plurality of fixed measurement nodes that measure the concentration of fine dust through an optical sensor and are fixedly installed in a preset area;
A plurality of on-board measurement nodes installed in public transport moving along a preset route and measuring the concentration of fine dust through an optical sensor; And
Measures the concentration of fine dust through an optical sensor, accesses a preset main fixed measurement node, performs calibration according to the influence of temperature and humidity, and after completion of the calibration, at least one of the plurality of fixed measurement nodes and the on-board measurement node Including an autonomous mobile measurement node for performing calibration by moving to at least one of,
The main fixed measurement node is disposed adjacent to a measuring device that measures the mass concentration of fine dust, and maintains calibration reliability above a preset threshold with the highest priority,
The autonomous mobile measurement node is an unmanned aerial vehicle, and a distributed fine dust measurement system for performing calibration by moving to a fixed measurement node or a mounted measurement node having a calibration reliability below a preset threshold.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 복수의 고정형 측정노드, 복수의 탑재형 측정노드 및 자율 이동형 측정노드는 MPI(Message Passing Interface) 네트워크를 구성하여 병렬 연산을 수행하는 분산형 미세먼지 측정 시스템.
The method of claim 1,
The plurality of fixed measurement nodes, a plurality of mounted measurement nodes, and autonomously mobile measurement nodes constitute a MPI (Message Passing Interface) network to perform parallel computation.
제3항에 있어서,
상기 복수의 탑재형 측정노드 각각은 교정 신뢰도가 미리 설정된 임계치 이하인지 여부를 판단하고, 자신의 교정 신뢰도가 미리 설정된 임계치 이하인 경우, 교정 신뢰도가 미리 설정된 임계치 이상인 다른 탑재형 측정노드 또는 고정형 측정노드가 인접하는 경우 상기 다른 탑재형 측정노드 또는 고정형 측정노드의 측정값을 기준 데이터로 하여 교정을 실시하는 분산형 미세먼지 측정 시스템.
The method of claim 3,
Each of the plurality of on-board measurement nodes determines whether or not the calibration reliability is less than a preset threshold, and when its calibration reliability is less than a preset threshold, another on-board measurement node or a fixed measurement node whose calibration reliability is more than a preset threshold is If adjacent, a distributed fine dust measurement system that performs calibration using the measured values of the other mounted measurement nodes or fixed measurement nodes as reference data.
제4항에 있어서,
교정 신뢰도가 미리 설정된 임계치 이하인 제1 탑재형 측정노드의 교정은 상기 다른 탑재형 측정노드 또는 고정형 측정노드와 온도 및 습도가 동일한 경우에 실시되는 분산형 미세먼지 측정 시스템.
The method of claim 4,
A distributed fine dust measurement system performed when the calibration reliability of the first mounted measurement node is less than or equal to a preset threshold when the temperature and humidity are the same as that of the other mounted measurement node or the fixed measurement node.
제5항에 있어서,
상기 제1 탑재형 측정노드에 인접한 탑재형 측정노드 또는 고정형 측정노드의 수가 미리 설정된 임계치 이하이거나, 인접 시간이 미리 설정된 임계치 이하인 경우, 상기 제1 탑재형 측정노드는 상기 MPI 네트워크로부터 수신된 기준 데이터를 이용하여 다중 교정을 실시하는 분산형 미세먼지 측정 시스템.
The method of claim 5,
When the number of on-board measurement nodes or fixed measurement nodes adjacent to the first on-board measurement node is less than or equal to a preset threshold, or when the adjacent time is less than or equal to a preset threshold, the first on-board measurement node receives reference data from the MPI network. Distributed fine dust measurement system that performs multiple calibrations using.
제6항에 있어서,
상기 다중 교정이 불가능한 경우, 상기 자율 이동형 측정노드가 상기 제1 탑재형 측정노드로 이동하며, 상기 제1 탑재형 측정노드는 상기 자율 이동형 측정노드의 측정값을 기준 데이터로 하여 교정을 실시하는 분산형 미세먼지 측정 시스템.
The method of claim 6,
When the multiple calibration is not possible, the autonomous mobile measurement node moves to the first mounted measurement node, and the first mounted measurement node performs calibration using the measured value of the autonomous mobile measurement node as reference data. Type fine dust measurement system.
분산형 미세먼지 측정 방법으로서,
미리 설정된 지역에 고정형으로 설치된 복수의 고정형 측정노드가 광학형 센서를 통해 미세먼지 농도를 측정하는 단계;
미리 설정된 노선을 따라 이동하는 대중교통에 설치되는 복수의 탑재형 측정노드가 광학형 센서를 통해 미세먼지 농도를 측정하는 단계;
자율 이동형 측정노드가 미리 설정된 메인 고정형 측정노드에 접근하여 온도 및 습도의 영향에 따른 교정을 실시하는 단계; 및
상기 자율 이동형 측정노드가 교정 완료 후 상기 복수의 고정형 측정노드 중 적어도 하나 및 상기 탑재형 측정노드 중 적어도 하나로 이동하여 교정을 수행하는 단계를 포함하되,
상기 메인 고정형 측정노드는 미세먼지 질량농도를 측정하는 측정기에 인접 배치되어 최우선적으로 미리 설정된 임계치 이상의 교정 신뢰도를 유지하며,
상기 자율 이동형 측정 노드는 무인 항공기이며, 교정 신뢰도가 미리 설정된 임계치 이하인 고정형 측정노드 또는 탑재형 측정노드로 이동하여 교정을 수행하는 분산형 미세먼지 측정 방법.
As a distributed fine dust measurement method,
Measuring a concentration of fine dust through an optical sensor by a plurality of fixed measurement nodes fixedly installed in a preset area;
Measuring a concentration of fine dust through an optical sensor by a plurality of on-board measurement nodes installed in public transport moving along a preset route;
Performing calibration according to the influence of temperature and humidity by the autonomous mobile measurement node accessing the preset main fixed measurement node; And
After the calibration is completed, the autonomous mobile measurement node moves to at least one of the plurality of fixed measurement nodes and at least one of the on-board measurement nodes to perform calibration,
The main fixed measurement node is disposed adjacent to a measuring device that measures the mass concentration of fine dust, and maintains calibration reliability above a preset threshold with the highest priority,
The autonomous mobile measurement node is an unmanned aerial vehicle, and a distributed fine dust measurement method for performing calibration by moving to a fixed measurement node or a mounted measurement node having a calibration reliability below a preset threshold.
삭제delete 제8항에 있어서,
상기 복수의 고정형 측정노드, 복수의 탑재형 측정노드 및 자율 이동형 측정노드는 MPI(Message Passing Interface) 네트워크를 구성하여 병렬 연산을 수행하는 분산형 미세먼지 측정 방법.

The method of claim 8,
The plurality of fixed measurement nodes, a plurality of mounted measurement nodes, and autonomously mobile measurement nodes constitute a Message Passing Interface (MPI) network to perform parallel computation.

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