KR102184093B1 - 블루투스 통신망을 이용한 무선통신 음영지역 안전관리 시스템 - Google Patents

블루투스 통신망을 이용한 무선통신 음영지역 안전관리 시스템 Download PDF

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KR102184093B1 KR1020190173688A KR20190173688A KR102184093B1 KR 102184093 B1 KR102184093 B1 KR 102184093B1 KR 1020190173688 A KR1020190173688 A KR 1020190173688A KR 20190173688 A KR20190173688 A KR 20190173688A KR 102184093 B1 KR102184093 B1 KR 102184093B1
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강태호
전진오
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Abstract

블루투스 통신망을 이용한 무선통신 음영지역 안전관리 시스템이 개시된다. 무선통신 음영지역 안전관리 시스템은 비콘부, 메시 중계부, 및 외부 관제부를 포함한다. 비콘부는 인력 또는 장비에 부착된 작업자 비콘을 포함하고, 메시 중계부는 비콘부와 블루투스 통신을 이용하여 통신하는 메시 중계기를 포함하며, 외부 관제부는 메시 중계부를 통해 전달받은 정보를 이용하여 작업자 비콘의 위치를 판단하는 외부 관제부를 포함하되, 메시 중계기의 위치 정보를 이용하여 작업자 비콘의 위치를 판단한다.

Description

블루투스 통신망을 이용한 무선통신 음영지역 안전관리 시스템 {SAFETY MANAGEMENT SYSTEM FOR TELECOM SHADED AREA USING BLUETOOTH MESH NETWORK}
본 발명은 터널이나 광산과 같은 무선통신 음영지역의 안전 관리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 BMN(Bluetooth Mesh Network)을 이용하여 무선통신 음영지역에서 인력과 장비 등의 안전관리를 수행하기 위한 시스템에 관한 것이다.
최근 공사현장을 실시간으로 관리하는 방안으로 CCTV, WiFi, 비콘, 광대역 통신 기술 등이 종합적으로 사용되고 있으며, 설치된 장치들의 무선통신 기술을 활용해 작업자의 위치를 추적하거나 관리자에게 위험경고 메시지를 전송하는 등의 안전 관리를 수행하고 있다. 공사 현장의 경우 신속한 재난 대처 및 대응을 위해 작업 인원이나 장비의 관리가 필요하며, 장비와 인력의 출입 관리가 상시로 파악되어야 하기 때문이다.
그런데, 광산이나 터널과 같은 장소는 일반적인 지상의 환경과는 달리 외부와 고립된 상황으로 인해 무선통신에 대한 음영지역이고 실시간 데이터수집이 어려워, 일반적인 방법으로는 외부에서 종합적인 관리가 어렵고, 내부에서의 작업자간 통신과 위치파악, 위험에 대한 대응이 어렵다.
KR 1020110073086 A
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 안출된 것으로서, 광산이나 터널과 같은 무선통신 음영지역에서 작업 인력이나 장비에 대한 안전관리를 효과적으로 수행할 수 있도록 해 주는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 무선통신 음영지역 안전관리 시스템은 비콘부, 메시 중계부, 및 외부 관제부를 포함한다. 비콘부는 인력 또는 장비에 부착된 작업자 비콘을 포함하고, 메시 중계부는 비콘부와 블루투스 통신을 이용하여 통신하는 메시 중계기를 포함하며, 외부 관제부는 메시 중계부를 통해 전달받은 정보를 이용하여 작업자 비콘의 위치를 판단하되, 메시 중계기의 위치 정보를 이용하여 작업자 비콘의 위치를 판단한다.
이때, 외부 관제부는 메시 중계기가 설치된 지형에 대한 지형 정보를 더 이용하여 작업자 비콘의 위치를 판단할 수 있다.
또한, 무선 음영지역 안전관리 시스템은 메시 중계기의 위치 정보를 이용하여 판단된 사용자의 현재 위치를 미리 설정된 지형 정보를 이용하여 출력하는 사용자 단말기를 포함하는 단말부를 더 포함할 수 있다.
또한, 작업자 비콘은 메시 중계기의 위치 정보를 이용하여 판단된 작업자 비콘의 위치를 이용하여 작업자에게 경고 신호를 출력할 수 있다. 이때, 작업자 비콘은 인접한 다른 작업자 비콘의 정보를 더 이용하여 경고 신호를 출력할 수 있다.
또한, 비콘부는 미리 설정돼 취약 지역에 설치되고, 작업자 비콘과의 거리가 미리 설정된 거리 이내인 경우 경고 신호를 출력하는 취약지역 알림 비콘을 더 포함할 수 있다.
또한, 비콘부는 미리 설정된 환경 정보의 수집을 위한 센서를 포함하고, 센서로 측정된 환경 정보가 미리 설정된 임계치 이상인 경우 경고 신호를 출력하는 환경정보 수집 비콘을 더 포함할 수 있다.
또한, 메시 중계기는 사용자 단말기 사이의 통신을 더 중계할 수 있다.
또한, 단말부는 메시 중계기를 통해 외부 관제부로 전송되는 영상을 입력하는 영상 입력부를 더 포함할 수 있다.
또한, 메시 중계기는 비콘부에 포함된 비콘으로부터 수신된 패킷의 수신감도를 미리 설정된 대응 수신감도와 비교하여 유사도가 가장 높은 수심감도에 대응하는 위치를 패킷을 송신한 비콘의 위치로 판단할 수 있다.
본 발명에 의하면, 광산과 같은 통신 음영지역이 존재하는 지하공간에서 통신이 가능하게 되며, 시스템을 사용하여 작업자나 장비의 위치 등을 실시간으로 파악하고 기록 가능해 진다.
또한, 시간에 따라 기록된 실시간 정보에 따라 사고 발생시의 상황을 재연하는 것이 가능하므로, 현장의 특성을 반영하여 작업자나 장비 등에 대한 사고 재발방지 목적의 교육에도 활용이 가능해 진다.
또한, BMN 통신의 특성상 일부 중계기에 이상이 발생하더라도 다른 중계기를 통해 통신이 가능하기 때문에, 통신 단절과 같은 극한의 비상상황 발생의 위험이 타 통신 방식에 비해 상대적으로 낮아진다.
또한, 휴대용 통신기기(비콘)의 경우, 가볍고 휴대가 간편하여 장비나 안전모 등에 부착이 가능하므로 분실이나 고장의 위험도 낮아진다.
또한, 관리자의 경우, 현장의 지형적 특성이나 작업의 특성을 반영하여 미리 위험구간이나 위험조건 등을 사전에 입력할 수 있기 때문에, 예상되는 위험에 대해 알람 등의 정보 송수신을 통해 사전 대비가 가능하여 안전관리 측면에서 안정성을 높일 수 있다.
도 1은 BMN (Bluetooth Mesh Network) 통신기법을 이용해 통신 음영지역에서 인력, 장비 및 안전관리를 수행하기 위한 시스템을 개략적으로 도시한 블록도.
도 2는 도 1의 비콘부에 대한 개략적인 블록도.
도 3은 도 1의 메시 중계부에 대한 개략적인 블록도.
도 4는 도 1의 단말부에 대한 개략적인 블록도.
도 5는 도2의 작업자 비콘의 구체적인 블록도.
도 6은 도2의 환경정보 수집 비콘의 구체적인 블록도
도 7은 도3의 중계부의 구체적인 블록도.
도 8은 도7의 위치 설정 모듈의 구체적인 블록도.
도 9는 도7의 위치 측위 모듈의 구체적인 블록도.
도 10은 도 4의 사용자 단말기의 구체적인 블록도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 BMN (Bluetooth Mesh Network) 통신기법을 이용해 지하공간, 터널과 같은 통신 음영지역에서 인력, 장비 및 안전관리를 수행하기 위한 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1에서 시스템은, 크게 인력 및 장비에 탈부착 가능한 소형 IoT 장치로 구성되는 비콘부(10), 음영지역에서 블루투스 통신 거리 확장을 위한 메시 중계부(20), 작업자의 사용성을 위한 단말부(30), 및 외부에서 내부 현황파악을 위한 외부 관제부(40)로 구성된다.
도 2는 도 1의 비콘부(10)에 대한 설명을 위한 도면이다. 비콘부(10)의 경우 기능적으로 작업자 비콘(11), 환경정보 수집 비콘(12), 및 취약지역 알림 비콘(13)으로 구성되며, 모든 비콘은 블루투스 통신 방식으로 중계부(20)와 통신한다.
작업자 비콘(11)의 경우 소형 IoT 제품의 특성상 작업자 혹은 장비에 탈부착 가능하며, 기능으로는 위치확인, 중장비 근접 경보가 가능하며, 본 실시예에서는 다루지 않지만 비콘의 밴드형식 제작으로 작업자 생체정보 수집까지 가능하다.
환경정보 수집 비콘(12)의 경우, 다양한 환경정보 수집을 위한 센서가 탑재되어 해당 환경정보의 임계치 이상을 넘는 경우 경고 신호 발생이 가능하며, 수집되는 센서의 데이터를 중계부(20)로 전송할 수 있다.
취약지역 알림 비콘(13)의 경우, 관리자 판단하에 위험한 지역에 설치되며, 작업자 비콘을 가지고 있는 작업자 혹은 중장비의 접근이 있을 경우 경고 알림을 주는 기능이 가능하다.
도 3은 앞서 설명한 도 1의 메시 중계부(20)에 대한 설명을 위한 도면이다. 메시 중계부(20)의 경우, 하나 이상의 메시 중계기(20-1)로 구성되며 하나 이상의 메시 중계기(20-1)는 블루투스 방식으로 통신하며, 블루투스 릴레이 방식으로 메시 중계기(20-1)의 무선통신 거리 확장이 가능하다.
최종 음영지역이 아닌 부분에 위치해 있는 메시 중계기(20-1)는 광대역 네트워크를 통해 외부 관제부(40)와 통신이 가능하다. 메시 중계기(20-1)의 경우 블루투스 릴레이를 통한 통신거리 확장뿐만 아니라 다수의 비콘부(10)와의 통신이 가능하며, 데이터의 수집 및 전송의 기능이 가능하다.
도 4는 도 1의 단말부(30)에 대한 설명을 위한 도면이다. 단말부(30)는 사용자 단말기(31)로 통상 스마트폰을 칭한다. 사용자 단말기(31)의 경우 블루투스 혹은 와이파이와 같은 무선통신 기술로 작동하며, 지형 이미지 모듈을 통한 현재 위치확인, 재난 구조 신청 메시지 전송, 단말기 사용자 간의 음성 전송, 작업자 간 업무 지시 등이 가능하다. CCTV(32)의 경우 음영지역 안에 설치되어 해당 영상 정보를 메시 중계부(20)과 광대역 네트워크를 거쳐 외부 관제부(40)에 실시간 전송 가능하다.
도 5는 도2의 작업자 비콘(11) 구성의 구체적인 블록도로서, 장치에 전력을 공급하기 위한 배터리(111), 위험 장비 인식 모듈의 결과를 처리 및 제어하는 IoT 제어부(112), 특정 비콘의 UUID와 같은 고유한 값을 확인하여 위험 장비에 부착된 비콘의 접근을 파악하는 위험 장비 인식 모듈(113), 부저 혹은 LED로써 접근 경보 및 위험상황을 알리는 IoT 알람부(114), 중계부(20)와 통신하는 IoT 통신부(115)로 이루어진다.
환경정보 수집 비콘(12)의 경우 위험 장비 인식 모듈(113) 대신 환경센서(123)가 탑재된 형태의 비콘이다. 위험 장비 인식 모듈(113)의 경우 중장비에 설치되는 비콘과 취약지역에 설치되는 비콘의 특정 UUID 값을 확인하며, 해당 UUID의 신호를 수신받게 되면 거리에 따른 수신강도를 기반으로 위험을 단계별로 알려주는 역할을 한다.
도 6은 도2의 환경정보 수집 비콘 구성의 구체적인 블록도로서 장치에 전력을 공급하기 위한 배터리(121), 환경센서 모듈의 정보를 처리 및 제어하는 IoT 제어부(122), 가스센서, 온습도 센서 등 다양한 환경정보 수집이 가능한 센서로 구성되는 환경센서 모듈(123), 및 중계부(20)와 통신하는 IoT 통신부(124)로 구성된다.
도 7은 도3의 중계부 구성의 구체적인 블록도로 장치에 유선으로 전력을 공급하기 위한 전원 입력부(21), 전체적인 중계기 제어를 위한 중계기 제어부(22), 각 중계기 간의 통신 간섭 최소화 및 최대 통신 릴레이 보장을 위한 위치설정 모듈(23), 비콘부의 신호를 받아 정확한 위치를 측정하기 위한 위치 측위 모듈(24), 및 블루투스의 통신 확장을 위한 릴레이 통신부(25)를 포함한다.
도 8은 도7의 위치 설정 모듈(23)의 구체적인 알고리즘 블록도이다. 서로간의 중계기를 배치하기 위해서 S/W적인 파라미터, 물리적인 지형지물 변수에 근거하여 최대 릴레이가 가능하며, 다른 중계기와의 통신 간섭이 최소화되는 최적화된 위치에 노드의 위치 선정이 필수적이다. 사용자는 파라미터 설정부(231)를 통해 통신의 다양한 파라미터인 패킷 크기, 페이로드 사이즈, 패킷 주기, 수신 파워 등을 다양하게 설정할 수 있다.
이후 사용자는 물리 변수 설정부(232)를 통해 현재 장소의 물리적인 직선, 곡선, 사선, 부착위치 변수를 설정하면 근처 중계부 수신감도 확인부(233)에서 서로 다른 노드와의 통신간섭 최소화가 되는 위치를 선별 후 물리변수, 파라미터 테이블 참조부(234)의 사전에 정의된 값과 현재 추천됨 위치의 매칭을 통해 최적위치 설정이 가능하다.
도 9는 도7의 위치 측위 모듈(24)의 구체적인 알고리즘 블록도이다. 다양한 비콘의 패킷을 수신하여 비콘 수신감도 확인부(241)에서 RSSI를 확인 후 핑거프린트 데이터베이스부(242)를 참조하여 RSSI에 따른 위치와 현재 측정된 위치의 유사성을 비교해 가장 근접한 부분을 위치로 계산이 가능하다.
도 10은 사용자 단말기의 구체적인 블록도이다. 사용자 단말기(31)의 경우 통상 블루투스로 통신이 가능한 스마트폰을 칭한다. 사용자 단말기(31)의 경우 중계부(20)의 내부 네트워크를 통해 서로간의 단말기로 음성통신이 가능하며, 중장비에 부착 혹은 취약지역에 있는 비콘정보를 기반으로 알림을 받을 수 있으며, 긴급경보 알림을 관제부(40)에 보낼 수 있다. 또한, 사전에 저장된 지형정보 모듈을 활용해 지형정보 모듈에 현재 자신의 위치를 표시하여 위치 파악이 가능하다.
정리하면, 본 기술에서 말하는 안전관리 시스템은 크게 4가지로 구성된다. ① 지하공간의 공간정보를 이용하여 지형정보를 취득하는 모듈, ② 구성된 지형정보를 활용하여 설치된 중계기의 위치를 특정하는 모듈, ③ 지형정보와 중계기의 위치를 사용하여 소형 장치(비콘)의 위치를 특정하는 모듈, ④ 작업 공정, 위험 구간 설정, 출입제한 구역, 출입자 관리 등 관리자가 필요에 따라 인력과 장비를 관리할 수 있는 모듈
위 4가지 기능으로 구성된 시스템을 활용하여 인력과 장비의 이동, 장비 가동여부, 출입자 관리 등을 지상에서 관리하며 입력된 특정 설정값에 대해서 작업자에게 알람을 송신하여 작업의 안전성을 확보할 수 있게 된다.
종래, 여러 가지 통신기술 중 보편적으로 활용되는 WiFi 기술은 중계기가 추가로 요구되며, 중계기에 장애가 발생할 경우 통신 전체가 끊기는 등의 문제를 안고 있었다. 또한, 보안적인 문제나 WiFi Hop 증가할 경우 전체적인 무선통신 성능이 감소할 우려가 있었다.
특히, 터널 또는 광산과 같은 지하공간 개발 현장에서는 투과손실 및 전파가 도달하지 못하는 밀폐환경으로 인해, 기기간 통신이 어려운 음영지역이 발생하기 쉬워서 여러대의 단말기가 요구되나 소요대수가 늘어갈수록 운영비 등이 증가하는 단점이 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제점 해결을 위해 블루투스 메시 네트워크(이하 BMN)를 활용해 음영지역에서의 최적화된 방식의 네트워크 구축 및 구축된 네트워크를 기반으로 안전관리 솔루션을 포함한다.
블루투스 메시의 경우 네트워크 릴레이를 통해 음영지역에서의 내부 프라이빗 네트워크를 구성하는 방식이지만, 릴레이를 위한 중계기를 설치하기 위해서는 S/W적인 변수, 물리적인 변수와 중계 노드와의 간섭 등을 고려한 방식의 노드 설정이 필수적이다.
또한, 안전관리 솔루션을 위해서는 작업자의 위치 확인이 필수적이나 기존의 신호세기만을 기반으로 하는 위치확인을 오차율이 높기 때문에 핑거프린팅 방식을 통해 특정 영역을 분할하여 신호세기에 따른 위치를 저장 후 실제 신호세기와 저장된 데이터의 매칭을 통해 정확한 위치측위에 대한 기술이 필수이다.
작업자의 경우 부착 및 휴대가 용이한 IoT 제품을 기반으로 위험상황에 대한 단계별 알림이 필요하며, 단말기를 통해 실제 작업자간의 소통 및 SOS 신호 전송 등이 필요하다.
Bluetooth 기기의 경우, 타 통신장비에 비해 상대적으로 저렴하며 복잡한 환경에서도 Node의 구축이 가능하고 소형으로도 가능하기 때문에 설치 면적이 크지 않다.
BMN(Bluetooth Mesh Networking)은 최근(2017년)에 블루투스 표준으로 소개된 기술로 Node 간 Mesh Network 기술을 사용하여 Bluetooth 단말기 사이에 통신망을 구성하고 모니터링 대상이 되는 소형 비콘을 통해 음영지역에서의 활동에 대한 대응이 가능한 기술이다.
BMN 기술을 활용할 경우, 모든 장치들을 개별적으로 연결하기 때문에 각 장비가 중계기 역할을 하게 되며 특정 장비에 장애가 발생하더라도 전체 통신은 정상적으로 운영되기 때문에 전자장비 환경에 열악한 지하공간에 보다 적합한 기술로 판단된다.
또한, 각종 센서류가 개별 모듈에 연결되도록 활용할 수 있어서 기존 모니터링 또는 계측 분야에 활용 가능하다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야할 것이다.
10: 비콘부
11: 작업자 비콘, 12: 환경정보 수집 비콘, 13: 취약지역 알림 비콘
20: 메시 중계부
21: 전원 입력부, 22: 중계기 제어부, 23: 위치 설정 모듈, 24: 위치 측위 모듈, 25: 릴레이 통신부
30: 단말부
31: 사용자 단말기, 32: CCTV
40: 외부 관제부
111: 배터리, 112: IoT 제어부, 113: 위험 장비 인식 모듈, 114: IoT 알람부, 115: IoT 통신부
121: 배터리, 122: IoT 제어부, 123: 환경센서 모듈, 124: IoT 제어부
231: 파라미터 설정부, 232: 물리 변수 설정부, 233: 근처 중계부 수신감도 확인부, 234: 물리변수, 파라미터 테이블 참조부, 235: 매칭부, 236: 최적 위치 설정부
241: 비콘 수신감도 확인부, 242: 핑거프린트 데이터베이스부, 243: 수신감도 매칭부, 244: 위치 확인부
331: 음성통신, 332: 비콘 탐지, 333: 긴급경보 알림, 334: 통신 모듈, 335: 지형 정보 모듈

Claims (10)

  1. 인력 또는 장비에 부착된 작업자 비콘을 포함하는 비콘부;
    상기 비콘부와 블루투스 통신을 이용하여 통신하는 메시 중계기를 포함하는 메시 중계부;
    상기 메시 중계부를 통해 전달받은 정보를 이용하여 상기 작업자 비콘의 위치를 판단하는 외부 관제부를 포함하며,
    상기 외부 관제부는,
    상기 메시 중계기의 위치 정보를 이용하여 상기 작업자 비콘의 위치를 판단하는 무선통신 음영지역 안전관리 시스템으로서,
    상기 메시 중계기는,
    주변 메시 중계기로부터의 수신감도를 확인하여 통신 간섭이 최소화되는 설치 위치를 산출하고, 미리 설정된 통신 파라미터 및 물리적 지형지물 변수를 이용하여 산출된 설치 위치와의 매칭을 통해 최적 설치 위치를 산출하는 위치 설정 모듈; 및
    상기 메시 중계기는 상기 비콘부에 포함된 비콘으로부터 수신된 패킷의 수신감도를 미리 설정된 대응 수신감도와 비교하여 유사도가 가장 높은 수신감도에 대응하는 위치를 패킷을 송신한 비콘의 위치로 판단하는 위치 측위 모듈을 포함하며,
    상기 미리 설정된 대응 수신감도는,
    핑거프린팅 방식을 통해 미리 설정된 음역지역을 분할하고 각 분할 영역에서 측정된 패킷의 수심감도를 상기 각 분할 영역에서의 대응 수신감도로 설정함으로써 미리 설정되는 것을 특징으로 하는 무선통신 음영지역 안전관리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 관제부는,
    상기 메시 중계기가 설치된 지형에 대한 지형 정보를 더 이용하여 상기 작업자 비콘의 위치를 판단하는 것을 특징으로 하는 무선통신 음영지역 안전관리 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 메시 중계기의 위치 정보를 이용하여 판단된 사용자의 현재 위치를 미리 설정된 지형 정보를 이용하여 출력하는 사용자 단말기를 포함하는 단말부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선통신 음영지역 안전관리 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 작업자 비콘은 상기 메시 중계기의 위치 정보를 이용하여 판단된 작업자 비콘의 위치를 이용하여 작업자에게 경고 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 무선통신 음영지역 안전관리 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 작업자 비콘은 인접한 다른 작업자 비콘의 정보를 더 이용하여 상기 경고 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 무선통신 음영지역 안전관리 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 비콘부는 미리 설정된 취약 지역에 설치되고, 상기 작업자 비콘과의 거리가 미리 설정된 거리 이내인 경우 경고 신호를 출력하는 취약지역 알림 비콘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선통신 음영지역 안전관리 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 비콘부는 미리 설정된 환경 정보의 수집을 위한 센서를 포함하고, 상기 센서로 측정된 상기 환경 정보가 미리 설정된 임계치 이상인 경우 경고 신호를 출력하는 환경정보 수집 비콘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선통신 음영지역 안전관리 시스템.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 메시 중계기는 상기 사용자 단말기 사이의 통신을 더 중계하는 것을 특징으로 하는 무선통신 음영지역 안전관리 시스템.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 단말부는 상기 메시 중계기를 통해 상기 외부 관제부로 전송되는 영상을 입력하는 영상 입력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선통신 음영지역 안전관리 시스템.
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