KR102198581B1 - 열전 에너지하베스팅에 기반한 파이프라인 모니터링 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

파이프라인 모니터링 시스템 및 그 방법이 개시된다. 본 파이프라인 모니터링 시스템은, 일면은 액화천연가스 파이프라인 일부에 연결되고 타면은 대기 중의 버퍼 부재에 연결되어 일면과 타면 사이의 온도차에 의한 전기력을 발생시키는 열전 소자를 포함하는 열전 에너지하베스팅 소자와 열전 에너지하베스팅 소자로부터 발생된 전력을 저장하는 하나 이상의 전력 저장원과 파이프라인에 접속되어 각종 상태 정보를 센싱하는 센서 및 센싱된 상태 정보를 하나 이상의 통신 프로토콜을 선택적으로 사용하여 무선 송출하는 통신모듈을 포함하는 하나 이상의 무선 센서 노드, 하나 이상의 무선 센서 노드로부터 무선 송출된 센싱 값들을 수신하는 스마트 게이트웨이, 및 스마트 게이트웨이로부터 수신된 센싱 값들에 기초하여 파이프라인의 상태를 분석하여 모니터링하고 모니터링의 결과를 출력하는 모니터링 서버를 포함한다.

Description

열전 에너지하베스팅에 기반한 파이프라인 모니터링 시스템 및 방법{MONITORING SYSTEM AND METHOD FOR PIPELINE BASED ON THERMOELECTRIC ENERGY HARVESTING}

본 발명은 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)나 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas, LPG) 이송관(Pipeline)에 대한 모니터링 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전 에너지하베스팅(thermoelectric energy harvesting) 기술에 기반한 무선 센서를 사용하여 파이프라인의 상태를 모니터링하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

최근 들어, 4차 산업혁명에 대한 이슈가 부각되면서 산업용 사물인터넷(Industrial IoT, IIoT)에 대한 논의가 점차 확산되고 있다.

구체적으로, 산업인터넷(Industrial Internet)이라는 용어는 최초로 GE(General Electric)사가 사용하였으며, 이는 “Industrial Internet, Industrial Internet of Things, Internet of Industrial Things, Enterprise IoT” 등으로 불리되, 축약하여 “IoT, IIoT, IoIT, EioT” 등으로 표현되고 있다. 이처럼 다양한 이름을 가진 산업인터넷은 국가별, 기업별로 각각 정의되고 있다. 주요 정의를 살펴보면, 사물인터넷 컨소시엄(IIC)에서는 ‘사물인터넷/기계/컴퓨터/인간이 기업 성과개선을 목적으로 최첨단 데이터 분석방법을 이용하여 지능적으로 산업을 운영하는 것’으로 정의하고 있고, 액센츄어(Accenture)사에서는 ‘사물인터넷과 빅데이터 분석의 조합’으로 정의하고 있으며, 그리고 GE사에서는 ‘데이터와 효율성 개선, 생산성 가속화 및 운영비 에널리틱스로서, 사람과 기계의 상호접속 방식을 개선하는 것’으로 정의하고 있다. 이를 종합하면 산업인터넷(즉, 산업용사물인터넷)은 스마트한 기계와 최상의 데이터 분석 조합으로 기기 인프라 변환, 오류시간의 축소, 수익성, 효율성 개선 등 사업에 혁신을 유발하는 시스템을 나타낸다.

이러한 산업인터넷은 사물, 연결, 게이트웨이(제어기), 데이터/어플리케이션으로 분류될 수 있다. 요소기술 별로는 연결(M2M), 하드웨어(센서모듈/보안/서버/스토리지/기타), 소프트웨어(분석/어플리케이션/플랫폼/보안), 서비스(IT/콘텐츠)로 세분이 가능하다. 그리고 사물을 중심으로 제트엔진, 로봇, ATM 등으로 시장을 확장하거나, 또는 산업을 중심으로 제조, 교통, 에너지, 의료 등으로 시장을 확장할 수 있다. 최근 산업인터넷 시장은 인터넷에 연결되는 사물의 폭발적인 증가로 센서/기기 비용은 매우 낮아지고 프로세싱 파워와 데이터 스토리지는 더 강력해지고 있다. 즉, 데이터를 수집/저장/분석하는 빅데이터는 더욱 효율화 되고 센서/소프트웨어/임베디드 장비는 더 스마트화 되고 있으며, 또한 정보 기술과 운영시스템의 융합이 가속화되고 있다.

한편, 산업인터넷을 에너지, 국방, 항공 등 산업의 핵심적 기기 센서에 연결할 경우 고장이 발생되면 인간의 생명을 위협하거나 비상사태를 유발할 수 있으므로, 초연결(Hyper connection)을 구현하는 형태인 IIoT 센서가 필요하다. 즉, 산업 현장에서 일반적인 센서보다 높은 사양(신뢰성, 내구성 및 안정성)의 센서 기술이 요구된다.

예를 들어, 전력 설비 분야에서는 무선 계측이 필수적이나 일반적인 유/무선 센서는 적용하기 어렵다는 한계가 있었다. 즉, 해당 산업 분야에 사용될 배터리 적용 무선 센서의 경우 장시간 유지보수 없이 작동해야 하는데, 배터리형 무선 센서를 적용할 경우 센서 장착 면적이 협소하므로 큰 용량의 배터리를 사용할 수 없을 뿐 아니라 배터리 폭발 시 배전반 폭발을 초래할 수 있다는 문제가 있었다.

또한, LNG 파이프라인이나 LPG 파이프라인을 비롯한 플랜트 배관 및 산업용 전력 설비 등의 산업 설비의 경우 온도 구배와 같이 열전 에너지하베스팅을 구현할 수 있는 환경에너지가 매우 다양하고 풍부하므로, 에너지하베스팅 IIoT 센서를 확산하기에 최적의 환경이다.

따라서, 산업 설비 분야에 산업인터넷 기술을 안정적으로 적용하기 위해서, 열전 에너지하베스팅 기술을 적용한 IIoT 센서 및 이에 대한 효율적이고 신뢰성 있는 통신을 처리할 수 있는 시스템의 개발이 필요하다.

대한민국 등록특허 제10-0641408호(발명의 명칭: ＦＢＧ센서를 이용한 ＬＮＧ운반선용 온도측정시스템)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 열전 에너지하베스팅을 통해 자가발전이 가능하되 자가조직형 통신 기반의 고연결성을 갖는 무선 센서를 사용하여 산업 설비를 효율적으로 모니터링할 수 있는 시스템 및 그 모니터링 방법을 제공하는 데에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프라인 모니터링 시스템은, 일면은 파이프라인 일부에 연결되고 타면은 대기 중의 버퍼 부재에 연결되어 상기 일면과 타면 사이의 온도차에 의한 전기력을 발생시키는 열전 소자를 포함하는 열전 에너지하베스팅 소자와, 상기 열전 에너지하베스팅 소자로부터 발생된 전력을 저장하는 하나 이상의 전력 저장원과, 상기 파이프라인에 접속되어 각종 상태 정보를 센싱하는 센서, 및 상기 전력 저장원으로부터 전원을 공급받되 상기 센싱된 상태 정보를 하나 이상의 통신 프로토콜을 선택적으로 사용하여 무선 송출하는 통신모듈을 포함하는 하나 이상의 무선 센서 노드; 하나 이상의 상기 무선 센서 노드로부터 무선 송출된 센싱 값들을 수신하는 스마트 게이트웨이; 및 상기 스마트 게이트웨이로부터 수신된 센싱 값들에 기초하여 상기 파이프라인의 상태를 분석하여 모니터링하고, 상기 모니터링의 결과를 출력하는 모니터링 서버를 포함하되, 상기 열전 소자와 상기 파이프라인 사이에 위치하되 상기 열전 소자의 하부면에 접하도록 설치된 방냉 부재를 포함한다. 상기 무선 센서 노드는, 상기 센서로부터 상태 정보를 나타내는 센싱 값을 획득하고, 상기 센싱 값에 따른 센싱 데이터를 근거리 무선 통신 방식에 따른 제 1 통신 프로토콜을 사용하여 1회 이상 송출하되, 상기 송출에 대응하여 제 1 통신 프로토콜을 통한 상기 스마트 게이트웨이로부터의 응답이 기설정된 송출 회차 내에 수신되지 않을 경우, 상기 제 1 통신 프로토콜보다 원거리 무선 통신을 처리하는 제 2 통신 프로토콜을 통해 상기 센싱 데이터를 재송출할 수 있다. 상기 근거리 무선 통신은 제 1 전력 저장원으로부터 공급된 전원을 사용하도록 하고, 상기 원거리 무선 통신은 상기 제 1 전력 저장원보다 큰 용량을 갖는 제 2 전력 저장원으로부터 공급된 전원을 사용하도록 할 수 있다.

또한, 상기 무선 센서 노드는, 제 1 전력 저장원 및 상기 제 1 전력 저장원보다 큰 용량을 갖는 제 2 전력 저장원을 포함할 수 있다.

또한, 상기 무선 센서 노드는, 상기 스마트 게이트웨이 측으로부터 상기 제 1 통신 프로토콜을 통한 ACK 신호가 수신되면 상기 제 1 통신 프로토콜에 따른 RFIC를 턴오프(OFF)하고, MCU가 기설정된 제 1 주기까지 슬립 상태(sleep)를 유지하도록 하고, 상기 제 1 주기에 따라 제 1 설정 시간이 경과하면 상기 제 2 통신 프로토콜에 따른 통신을 처리하는 RFIC에 대해 설정된 제 2 주기에 따라 상기 제 1 설정 시간보다 긴 시간인 제 2 설정 시간 동안 MCU를 턴온할 수 있다. 상기 제 1 통신 프로토콜을 통한 통신을 시도한 횟수가 설정 횟수를 초과할 경우 상기 제 2 통신 프로토콜에 따른 통신을 처리하는 RFIC를 턴온하여 상기 제 2 통신 프로토콜을 통한 센싱 데이터를 송출할 수 있다.

또한, 상기 1 통신 프로토콜은 근거리 무선통신 방식에 따른 통신 프로토콜이며, 상기 제 2 통신 프로토콜은 원거리 무선통신 방식에 따른 통신 프로토콜일 수 있다.

또한, 상기 무선 센서 노드는, 각각 서로 상이하게 설정된 턴온 스케줄에 따른 주기마다 상기 스마트 게이트웨이와 신호를 송수신하되, 각각 상기 주기가 설정된 내부 클럭을 포함하고, 상기 스마트 게이트웨이와의 신호 송수신 시 상기 스마트 게이트웨이의 시간에 기준하여 시간을 보정할 수 있다.

또한, 복수의 상기 무선 센서 노드들은, 각각 서로 상이하게 설정된 턴온 스케줄에 따른 주기마다 상기 스마트 게이트웨이와 신호를 송수신하되, 각각 상기 주기가 설정된 내부 클럭을 포함하고, 상기 스마트 게이트웨이와의 신호 송수신 시 상기 스마트 게이트웨이의 시간에 기준하여 시간을 보정할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파이프라인 모니터링용 무선 센서 장치는, 일면은 파이프라인 일부에 연결되고 타면은 대기 중의 버퍼 부재에 연결되어 상기 일면과 타면 사이의 온도차에 의한 전기력을 발생시키는 열전 소자를 포함하는 열전 에너지하베스팅 소자; 상기 열전 에너지하베스팅 소자로부터 발생된 전력을 저장하는 하나 이상의 전력 저장원; 상기 파이프라인에 접속되어 각종 상태 정보를 센싱하는 센서; 상기 전력 저장원으로부터 전원을 공급받되, 상기 센서를 통해 센싱된 상태 정보를 하나 이상의 통신 프로토콜을 선택적으로 사용하여 안테나를 통해 무선 송출하는 통신모듈; 상기 열전 소자와 상기 파이프라인 사이에 위치하되 상기 열전 소자의 하부면에 접하도록 설치된 방냉 부재; 및 상기 센서로부터 상태 정보를 나타내는 센싱 값을 획득하고, 상기 센싱 값에 따른 센싱 데이터를 근거리 무선 통신 방식에 따른 제 1 통신 프로토콜을 사용하여 1회 이상 송출하되, 상기 송출에 대응하여 제 1 통신 프로토콜을 통한 스마트 게이트웨이로부터의 응답이 기설정된 송출 회차 내에 수신되지 않을 경우, 상기 제 1 통신 프로토콜보다 원거리 무선 통신을 처리하는 제 2 통신 프로토콜을 통해 상기 센싱 데이터를 재송출하는 제어모듈을 포함하며, 상기 센싱된 상태 정보는 파이프라인의 상태를 분석하여 모니터링 결과를 출력하는 모니터링 서버로 전송된다. 상기 근거리 무선 통신은 제 1 전력 저장원으로부터 공급된 전원을 사용하도록 하고, 상기 원거리 무선 통신은 상기 제 1 전력 저장원보다 큰 용량을 갖는 제 2 전력 저장원으로부터 공급된 전원을 사용하도록 할 수 있다.

또한, 상기 열전 에너지하베스팅 소자는, 상기 열전 소자; 상기 열전 소자의 상단에 위치하는 열전달 부재; 및 상기 열전달 부재의 상단에 위치하는 상기 버퍼 부재를 포함하며, 상기 버퍼 부재는 대기 온도를 상기 열전 소자의 상부에 전달할 수 있다.

또한, 상기 열전 에너지하베스팅 소자, 상기 하나 이상의 전력 저장원 및 상기 통신모듈이 수납되는 방폭 구조 커버; 및 상기 방폭 구조 커버에 결합되는 방폭 구조 베이스를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 방냉 부재와 상기 센서 사이를 연결하여 열전효과를 갖는 케이블관을 더 포함할 수 있다.

또한, 복수의 상기 전력 저장원은, 제 1 전력 저장원 및 상기 제 1 전력 저장원보다 큰 용량을 갖는 제 2 전력 저장원을 포함하되, 상기 제 1 전력 저장원은 슈퍼 커패시터이고, 상기 제 2 전력 저장원은 배터리일 수 있다.

또한, 상기 제어모듈은 상기 센서로부터 상태 정보를 나타내는 센싱 값을 획득하고, 상기 센싱 값에 따른 센싱 데이터를 상기 제 1 통신 프로토콜을 사용하여 LNG 파이프라인 모니터링 시스템에 포함된 스마트 게이트웨이로 1회 이상 송출하되, 상기 송출에 대응하여 제 1 통신 프로토콜을 통한 상기 스마트 게이트웨이로부터의 응답이 기설정된 송출 회차 내에 수신되지 않을 경우, 상기 제 2 통신 프로토콜을 통해 상기 센싱 데이터를 재송출할 수 있다.

또한, 상기 제어모듈은, 상기 스마트 게이트웨이 측으로부터 상기 제 1 통신 프로토콜을 통한 ACK 신호가 수신되면 상기 제 1 통신 프로토콜에 따른 RFIC를 턴오프(OFF)하고, MCU가 기설정된 제 1 주기까지 슬립 상태(sleep)를 유지하도록 하고, 상기 제 1 주기에 따라 제 1 설정 시간이 경과하면 상기 제 2 통신 프로토콜에 따른 통신을 처리하는 RFIC에 대해 설정된 제 2 주기에 따라 상기 제 1 설정 시간보다 긴 시간인 제 2 설정 시간 동안 MCU를 턴온하고, 상기 제 1 통신 프로토콜을 통한 통신을 시도한 횟수가 설정 횟수를 초과할 경우 상기 제 2 통신 프로토콜에 따른 통신을 처리하는 RFIC를 턴온하여 상기 제 2 통신 프로토콜을 통한 센싱 데이터를 송출할 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파이프라인 모니터링 시스템의 무선 센서 장치를 통한 파이프라인 모니터링 방법은, 상기 무선 센서 장치는, 일면은 파이프라인 일부에 연결되고 타면은 대기 중의 버퍼 부재에 연결되어 상기 일면과 타면 사이의 온도차에 의한 전기력을 발생시키는 열전 소자를 포함하는 열전 에너지하베스팅 소자와, 상기 열전 에너지하베스팅 소자로부터 발생된 전력을 저장하는 하나 이상의 전력 저장원과, 상기 파이프라인에 접속되어 각종 상태 정보를 센싱하는 센서, 및 상기 전력 저장원으로부터 전원을 공급받되 상기 센싱된 상태 정보를 하나 이상의 통신 프로토콜을 선택적으로 사용하여 무선 송출하는 통신모듈을 포함하며, 상기 센서로부터 상태 정보를 나타내는 센싱 값을 획득하는 단계; 상기 센싱 값에 따른 센싱 데이터를 근거리 무선 통신 방식에 따른 상기 제 1 통신 프로토콜을 사용하여 상기 파이프라인 모니터링 시스템에 포함된 스마트 게이트웨이로 1회 이상 송출하는 단계; 및 상기 송출에 대응하여 제 1 통신 프로토콜을 통한 상기 스마트 게이트웨이로부터의 응답이 기설정된 송출 회차 내에 수신되지 않을 경우, 상기 제 1 통신 프로토콜보다 원거리 무선 통신을 처리하는 상기 제 2 통신 프로토콜을 통해 상기 센싱 데이터를 재송출하는 단계를 포함한다. 상기 근거리 무선 통신은 제 1 전력 저장원으로부터 공급된 전원을 사용하도록 하고, 상기 원거리 무선 통신은 상기 제 1 전력 저장원보다 큰 용량을 갖는 제 2 전력 저장원으로부터 공급된 전원을 사용하도록 할 수 있다.

또한, 상기 무선 센서 장치는 상기 전력 저장원으로서 제 1 전력 저장원 및 상기 제 1 전력 저장원보다 큰 용량을 갖는 제 2 전력 저장원을 포함할 수 있다.

또한, 상기 재송출하는 단계는, 상기 제 2 통신 프로토콜을 통해 상기 센싱 데이터를 송출할 경우 기간 통신망 또는 상기 파이프라인이 포함된 플랜트 시스템의 자가망을 통해 상기 센싱 데이터를 송출할 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예는, 상기 파이프라인 모니터링 시스템의 무선 센서 장치를 통한 파이프라인 모니터링 방법을 구현하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체를 제공한다.

이상과 같은 다양한 실시 예들에 따르면, 전력 설비(예: 배전반, 차단기 및 고압변압기), 공장 배관(예: 스팀 파이프라인) 등의 일반적인 열전 환경의 산업 설비뿐만 아니라 LNG 파이프라인 등의 극저온 환경에 적용 가능하면서도 발전 효율을 최대화할 수 있는 열전 에너지하베스팅 무선 센서를 IIoT 센서로서 제공할 수 있다.

또한, 이러한 IIoT 센서가 산업 환경(즉, 무선 환경)에 대한 자가 점검 및 학습을 통해 스스로 무선 통신 형태를 변경할 수 있는 자가조직형 멀티 프로토콜 구조를 구현함으로써, LNG 파이프라인과 같은 산업 설비의 위험 상황(균열 혹은 가스 누출 등)에 대해 IIoT 센서의 고연결성 통신에 따른 신뢰성 높은 예지 진단을 처리할 수 있다. 즉, 산업 환경의 다양한 주변 전파(무선신호)에 대하여 혼선이 있을 시에, 이를 IIoT 센서가 지능적으로 회피할 수 있는 체계 및 장거리 전송 구조를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 에너지하베스팅에 기반한 산업 설비 모니터링 시스템의 전체 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2 및 도 3은 각각 LNG 파이프라인에 설치된 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 에너지하베스팅 소자를 포함하는 무선 센서 노드를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서의 상세 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 에너지하베스팅 소자의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 센서의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서의 제어모듈의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서의 멀티 프로토콜 통신 방식을 설명하기 위한 순서도이다.

이하에서, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별 기호에 불과하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 에너지하베스팅에 기반한 산업 설비 모니터링 시스템 및 그 모니터링 방법에 대해서 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 에너지하베스팅에 기반한 산업 설비 모니터링 시스템의 전체 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

그리고 도 2 및 도 3은 각각 LNG 파이프라인에 설치된 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 에너지하베스팅 소자를 포함하는 무선 센서 노드를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 산업 설비 모니터링 시스템(100)은 일종의 IIoT 시스템으로서, 모니터링의 대상이 되는 산업 설비(110), 산업 설비(110) 상의 복수의 영역에 설치되어 산업 설비(110)의 상태 정보를 수집하여 무선으로 송출하는 무선 센서 노드(120), 복수의 무선 센서 노드(120)들로부터 각 상태 정보를 수신하는 스마트 게이트웨이(130), 및 하나 이상의 스마트 게이트웨이(130)로부터 산업 설비(110)에 대한 상태 정보들을 수신하여 분석 및 관리하는 모니터링 서버(140)를 포함한다.

참고로, 도 1에 도시된 바와 같이, 산업 설비(110) 상에 설치된 복수의 무선 센서 노드(120)는 IIoT 네트워크 상에서 각각 센서 노드로서 포함될 수 있으며, 각 무선 센서 노드(120) 중 어느 하나 이상은 싱크 노드(121)로서 동작하여 다른 무선 센서 노드(120)의 데이터를 설정된 무선 네트워크를 통해 스마트 게이트웨이(130) 측으로 전달할 수 있다.

이때, 산업 설비(110)의 종류 및 그 규모는 한정되지 않으나, 본 발명의 일 실시예에서는 무선 연결성에 고신뢰성이 확보되어야 하는 대규모 산업 설비로서 LNG파이프라인(11)을 설명하도록 한다.

일반적으로 지하 등에서 분출한 천연가스는 현지에서 영하160℃까지 냉각 및 액화되어 LNG가 되고, 사용지에 도착되면 반대로 기화기 장치에서 가스로 되돌려져 가정이나 공장 등으로 공급된다.

예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이, LNG를 공급하기 위한 산업 설비(110)에서는 LNG 운송 선박으로부터 육지 상의 하나 이상의 LNG 저장 탱크까지 여러 경로의 LNG 파이프라인(11)이 설치되며, 이러한 LNG 파이프라인(11)의 경우 온도가 약 -162℃ 수준의 극저온 상태이다. 따라서, LNG 파이프라인(11)의 작은 결함이 대형 폭발 사고를 일으킬 수 있으므로 LNG 파이프라인(11)은 극도로 까다로운 안전관리가 필요하여 다수의 센서(120)들을 장착하여 그 상태를 수시로 체크해야 한다. 물론 이는 LPG 파이프라인의 경우에도 마찬가지이다.

LNG 파이프라인(11)의 일 영역 별로 설정된 종류의 정보를 센싱하는 무선 센서 노드(120)는, 극저온 환경에 적용 가능하면서도 무선 연결성의 신뢰성을 확보하기 위해 자가 발전(self-powered)할 수 있는 무선 센서로 구성된다.

또한, 도 3을 참고하면, 무선 센서 노드(120)의 일단은 산업 설비(110)(즉, LNG 파이프라인(11))의 일면에 접하도록 설치되되, LNG 파이프라인(11)에 접하는 부분에는 대상에 대한 각종 정보(예를 들어, 온도)를 센싱하는 센서가 배치될 수 있다.

이러한 무선 센서 노드(120)의 구조에 대해서는 아래 도 4 내지6을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

스마트 게이트웨이(130)는 복수의 무선 센서 노드(120)로부터 무선 송출된 센싱 값들을 각각 수신한다. 이때, 도 1에 도시된 바와 같이 스마트 게이트웨이(130)는 다양한 종류의 무선 통신 네트워크를 통해 무선 센서 노드(120)들과 신호를 송수신할 수 있다.

그리고 스마트 게이트웨이(130)는 수집된 LNG 파이프라인(11)에 대한 각종 센싱 데이터를 산업 설비 모니터링 서버(140)로 실시간 전송한다.

산업 설비 모니터링 서버(140)는 스마트 게이트웨이(130)로부터 수신된 LNG 파이프라인의 상태 센싱 값들에 기초하여 LNG 파이프라인의 영역(또는 위치) 별 상태를 분석하여 모니터링하고, 그 모니터링의 결과를 사용자(예: 서버 관리자 및 설비 관리자 등)가 확인할 수 있는 정보(예: 시각/청각 정보 등)로 가공하여 출력한다.

이러한 산업 설비 모니터링 서버(140)는 IIoT 서비스 플랫폼이 구현된 SCADA(supervisory control and data acquisition) 시스템일 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서의 상세 구조를 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 에너지하베스팅 소자의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 센서의 특성을 설명하기 위한 도면이다.

참고로, 도 1에서 설명한 바와 같이, 무선 센서 노드(120)는 IIoT 네트워크에 센서 노드로서 포함되나 그 자체로는 하나의 장치이므로, 이하에서는 설명의 편의상 무선 센서 노드(120)를 무선 센서(120)로 지칭하도록 한다.

구체적으로, 도 4의 (a)는 무선 센서(120)의 조립이 완성된 외부 상태를 측면에서 바라본 정면도이고, (b)는 (a)의 무선 센서(120)의 세부 구성을 나타내는 분해도이며, (c)는 (a)의 무선 센서(120)에서의 보호관(thermo-well)을 이용한 열교(thermal bridge) 효과를 설명하기 위한 도면이다.

무선 센서(120)는 일면과 타면의 온도 차이를 전기력으로 변환하는 열전 소자(thermoelectric element)를 포함하며, 이를 통해 자가 전원 공급이 가능하여 IIoT 센서로서 사용된다. 또한, 무선 센서(120)는 산업용 열원에 최적화된 고열전도성 금속기판 결합형 50mW급 열전 에너지하베스팅 소자를 이용하여 독립 전원 장치로서 구현된다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서(120)는 극저온 환경에 적용 가능하면서도 발전 효율을 극대화할 수 있도록 금속 베이스의 열전 에너지하베스팅 기술이 적용되었다.

기존의 열전 에너지하베스팅 방식에서는 대기 온도(즉, 상온)를 콜드 포인트(Cold Point)로 설정하고 대기에 비해 상대적으로 높은 온도의 대상을 핫 포인트(Hot point)로 하여 두 포인트 간의 온도 구배에 따라 열전 발전을 수행한다. 이에 반해, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서(120)는 기존의 열전 에너지하베스팅 방식과는 다르게, 극저온(예: -100℃ 이하)과 대기 온도 사이의 온도 구배를 이용하여 열전 에너지하베스팅을 처리한다.

또한, 무선 센서(120)는 상온 영역에서 고응답성 열전 발전 소자로서 사용하기 위해 고열전도성의 금속 기판을 사용하였다. 이때, 금속 기판은 구리(Cu) 등을 사용할 수 있다. 즉, 극저온 상태에서의 열전 효율 개선을 위해 열전 소자를 기존의 알루미나 베이스가 아닌 금속 베이스로 설계하였다.

먼저, 도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 무선 센서(120)는 안테나(21), 제어모듈(22), 보호 부재(23), 방폭 구조 커버(24), 열전 에너지하베스팅 소자(25), 지지 부재(26), 방폭 구조 베이스(27), 방냉 부재(28), 케이블관(29) 및 센서(30)를 포함한다.

도 4의 (b)를 참조하면, 보호 부재(23)는 일정 간격을 두고 이격된 두 개의 판으로 구현되어 두 판 사이의 공간에 제어모듈(22)이 수납되어 보호될 수 있다. 또한, 보호 부재(23)에 의해 안테나(21)가 지지되며, 안테나(21)는 제어모듈(22)을 통해 전송되는 데이터를 무선 신호로 송출한다.

한편, 편의상 도 4에서는 생략되어 있으나, 열전 에너지하베스팅 소자 (25)로부터 생성된 전기 에너지(즉, 전력)를 저장하는 하나 이상의 전력 저장원 또한 보호 부재(23) 상에 수납될 수 있다. 이때, 전력 저장원은 열전 에너지하베스팅 소자(25)와 전기적으로 연결되어 있다.

이러한 안테나(21), 제어모듈(22), 보호부재(23) 및 열전 에너지하베스팅 소자(25)는, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 방폭 구조 커버(24) 내에 수납된다. 이때, 방폭 구조 커버(24)의 상부 일측에는 안테나(21)가 외부로 노출될 수 있도록 홀이 형성되어 있다. 참고로, 방폭 구조(explosion-proof structure)란, 불꽃 또는 아크의 발생 또는 고온이 되어 점화원이 되지 않도록 조치된 것을 의미한다.

이러한 방폭 구조 커버(24)는 방폭 구조 베이스(27)와 쌍을 이루며, 두 부재 사이에 제어모듈(22), 열전 에너지하베스팅 소자(25) 등의 주요 구성이 수납될 수 있다. 이때, 방폭 구조 커버(24)와 방폭 구조 베이스(27)는, 열전 에너지하베스팅 소자(25)의 일 구성(아래에서 설명할 “버퍼 부재”)의 적어도 일부가 대기 중으로 노출되도록 결합될 수 있다.

이처럼 방폭 구조 커버(24) 내로 수납되거나 커버(24)에 장착되어 커버(24) 와 베이스(27)가 결합됨에 따라 고정되는 구성들을 무선 센서(120)의 ‘헤드’라고 지칭하도록 한다. 무선 센서(120)에서 헤드 부분은 대기 중에 배치되어 상부라고 지칭할 수 있다. 또한, 헤드의 하단(즉, 방폭 구조 베이스(27)의 하단)에는 방냉 부재(28) 및 케이블관(29)을 통해 센서(30)가 연결되어 있으며, 이들 구성은 하부라고 지칭할 수 있다. 이때, 센서(30)는 적어도 일면이 LNG 파이프라인(11)에 접하도록 설치된다. 도 4의 (b)를 참조하면, 방폭 구조 베이스(27)의 하단에는 방냉 부재(28)가 결합되되, 지지 부재(26)가 상부 방향으로부터 방폭 구조 베이스(27)와 방냉 부재(28)를 각각 관통하여 두 부재를 결합 고정 시킨다.

열전 에너지하베스팅 소자(25)의 발전 출력은 상하부 온도 차이에 의해 발생하는 전력량으로서, LNG 파이프라인(11)이라는 열원의 특성 상 대기 온도와 ‘대기 온도 대비 저온’의 차이에 의해 발전하는 열전 소자를 사용한다. 이는 LPG 파이프라인과 같은 저온배관의 경우에도 마찬가지이다. 반면 스팀배관과 같은 고온배관의 경우에는 반대로 '대기 온도 대비 고온'의 차이에 의해 발전하는 열전 소자를 사용할 수 있다. 본 명세서 상에서는 설명의 용이함을 위해 저온 배관을 기준으로 설명하기로 한다.

먼저, 도 5의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 에너지하베스팅 소자(25)는 열전 소자(251)를 기준으로 상부에 열전달 부재(252) 및 버퍼 부재(253)가 순차적으로 배치된다. 이때, 열전달 부재(252)는 그리스(grease), 박판(sheet), 에폭시(epoxy) 등의 열 전달 물질 포함하며, 솔더링(soldering), 웰딩(welding) 및 볼팅(bolting) 방식으로 열전 소자(251) 및 버퍼 부재(253) 사이에 설치될 수 있다.

열전 소자(251)가 최적의 열 성능 지수를 갖도록 하기 위해서 열전 소자(251)의 상부 및 하부의 온도 차 (ΔT)를 10~80℃ 내외로 유지할 필요가 있다. 이를 위해, 열전 소자(251)의 상부 온도를 대기 온도로 적용시키는 버퍼 부재(253)를 사용하되, 열전 소자(251)의 하부 온도를 대기 온도 대비 80℃ 정도의 낮은 온도로 적용시키기 위한 방냉 부재(28)를 사용한다.

참고로, 본 발명의 일 실시예에서 열전 소자(251)의 상부에 결합되어 상부 온도를 대기 온도(즉, 상온)으로 유지시키는 버퍼 부재(253), 및 열전 소자(251)의 하부에 결합되어 LNG 파이프라인(11)으로부터의 하부 온도를 열전 성능에 기준하여 설정된 ‘대기 온도 대비 저온’으로 유지시키는 방냉 부재(28)는 각각 방열판과 유사한 알루미늄 소재로 구비될 수 있다.

도 5의 (b)를 참조하면, 열전 소자(251)는 금속 기판(501) 사이에 전극(502) 및 열전 소재(503)가 구성된다. 이때, 열전 소재(503)는 결정방향 제어형 n형 및 p형 Bi-Te계 소재를 사용할 수 있다.

한편, LNG 파이프라인(11)에서의 극저온을 열 성능에 기준하여 설정된 대기 온도 대비 저온으로 적용하기 위해서 방냉 부재(28)의 길이를 조절할 수 있다. 다시 도 4의 (c)를 참조하면, LNG 파이프라인(11)으로부터의 저온(약 -160℃)은 케이블관(29)을 통한 열교 효과에 따라 다소 높아져 방냉 부재(28)의 하부 영역(P62)에서 1차 방냉 온도(약 -76℃)가 되며, 이는 다시 방냉 부재(28)의 하부 영역(P62)을 거쳐 방냉되어 방냉 부재(28)의 상부 영역(P621)에서 2차 방냉 온도(약 -10~20℃)가 될 수 있다. 즉, 방냉 부재(28)의 길이를 짧게 또는 길게 조절하여 설계함으로써, 열전 소자(251)의 하부 온도를 산업 설비(110)의 환경에 적합한 대기 온도 대비 저온으로 유지시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 방냉 부재(28)를 통한 열전 소자(251)의 하부 온도를 유지시키는 것뿐만 아니라, 버퍼 부재(253)의 길이 조절을 통해 열전 소자(251)의 상부 온도를 대기 온도에 가깝게 유지시키는 것도 가능하다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 센서의 특성을 설명하기 위한 도면이다.

도 6에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 센서(120-1)는 앞서 도 4 및 도 5를 통해 설명한 무선 센서(120)와 유사 또는 동일한 구성 요소들을 포함한다. 예를 들어, 도 6에 도시된 무선 센서(120-1)의 안테나(21-1), 방폭 구조 커버(24-1), 열전 에너지하베스팅 소자(25-1), 방냉 부재(28-1) 및 케이블관(29-1) 등의 모든 구성은 각각 도 4 및 도 5의 무선 센서(120)의 해당 구성들과 대응된다.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 센서(120-1)의 열전 에너지하베스팅 소자(25-1) 또한 열전 소자에 결합된 버퍼 부재를 포함하되, 도 6을 참조하면 무선 센서(120-1)의 열전 소자의 상부 온도를 대기 온도에 가깝게 유지하기 위해 버퍼 부재의 상하 길이가 무선 센서(120)의 버퍼 부재(253)에 비해 좀 더 길게 설계된 것을 확인할 수 있다.

이하, 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서(120)의 제어모듈(22)의 구조 및 그 동작을 상세히 설명하도록 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서의 제어모듈의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 무선 센서(120)의 제어모듈(22)은 무선 센서(120)의 각종 동작을 제어하는 동작 컨트롤러(221), 열전 에너지하베스팅 소자(25)로부터 발생된 전력이 각각 저장된 둘 이상의 전력원 중 동작 컨트롤러(221)에서 처리하는 동작에 따라 기설정된 전력원을 통해 전력을 공급하는 전력 컨트롤러(222), 및 동작 컨트롤러(221)의 제어에 따라 안테나(21)를 통해 신호를 송출하는 통신모듈(223)을 포함한다.

구체적으로, 제어모듈(22)은 둘 이상의 전력원을 동시에 관리하는 하이브리드 전력 관리를 처리한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서(120)는 열전 에너지하베스팅 소자(25)를 통해 출력된 전력을 제 1 전력 저장원(254) 및 제 2 전력 저장원(255)에 각각 저장할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 전력 저장원(254)은 임의의 용량의 슈퍼 커패시터이고, 제 2 전력 저장원(255)은 제 1 전력 저장원(254)보다 큰 용량의 배터리 또는 슈퍼 커패시터가 사용될 수 있다. 또한, 제 1 전력 저장원(254)은 박막 전지 또는 낮은 등가 직렬 저항(Equivalent Series Resistance, ESR)의 전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor, EDLC)를 사용할 수 있다. 이에 따라, 순간적인 피크 전력을 많이 소모하는 무선 센서(120)의 웨이크업(Wake-up) 동작 방식의 특성에 적합한 높은 펄스 전력을 출력할 수 있는 저장원을 사용할 수 있다.

전력 컨트롤러(222)는, 동작 컨트롤러(221)의 제어에 따라, 센서(30)의 센싱 및 무선 센서(120)의 근거리 무선통신(Short-range Wireless Communication)은 제 1 전력 저장원(254)으로부터 공급된 전원을 사용하도록 하고, 무선 센서(120)의 원거리 무선통신(Long-range Wireless Communication)은 제 2 전력 저장원(255)으로부터 공급된 전원을 사용하도록 제어할 수 있다. 이때, 근거리 무선통신은 블루투스(Bluetooth), 와이파이(WiFi), 지그비(Zig bee), NFC(Near Field Communication) 등의 통신 방식에 따른 통신 프로토콜을 사용할 수 있다. 또한, 원거리 무선통신은 저전력 LoRa WAN(Long Range Wide Area Network) 등의 통신 방식에 따른 통신 프로토콜을 사용할 수 있다. 참고로, 전력 컨트롤러(222)는 일종의 전력관리 집적회로(Power Management Integrated Circuit, PMIC)일 수 있다.

동작 컨트롤러(221)는 일종의 마이크로 컨트롤러(Micro Controller Unit, MCU)로 구현될 수 있으며, 무선 센서(120)의 각종 동작을 제어한다.

구체적으로, 동작 컨트롤러(221)는 센서(30)로부터 LNG 파이프라인(11)의 상태를 센싱한 일련의 센싱 값(예를 들어, 온도 값)을 수신하고, 수신된 센싱 값들을 통신모듈(223)을 통해 스마트 게이트웨이(130)로 실시간 전송한다. 이때, 동작 컨트롤러(221)는 멀티 프로토콜 및 타임 페어링을 적용하여 센싱 데이터를 송출한다. 또한, 동작 컨트롤러(221)는 원거리 무선 통신 방식으로 센싱 값을 전송할 경우 기간 통신망 또는 해당 LNG 파이프라인이 포함된 설비(즉, 플랜트 시스템 등)에 자체적으로 구축된 자가망을 통해 센싱 값을 전송할 수도 있다.

무선 센서(120)가 IIoT 네트워크의 센서 노드로서 구성된다는 특성에 따라, 동작 컨트롤러(221)는 다른 무선 센서(120)와의 타임 쉐어링을 통해 센서 노드의 온/오프(on/off) 스케줄링을 처리한다.

이때, 동작 컨트롤러(221)는 각 무선 센서(120) 별로 서로 상이하게 설정된 턴온 스케줄에 따른 주기마다 스마트 게이트웨이(130)와 센싱 데이터를 비롯한 다수의 신호를 송수신한다.

이때, 동작 컨트롤러(221)는 해당 무선 센서(120)의 턴온 스케줄 주기가 설정된 내부 클럭을 포함하고, 스마트 게이트웨이(130)와의 신호 송수신 시마다 스마트 게이트웨이(130)의 시간에 기준하여 시간을 보정함으로써 타임 페어링(time pairing)을 처리한다.

한편, 통신모듈(253)은 SDR(Software Defined Radio)이 가능한 RFIC(Radio Frequency IC)를 사용하여 구현될 수 있으며, 동작 컨트롤러(221)의 제어에 따라 복수의 통신 프로토콜 중 선택된 통신 프로토콜을 사용한 무선통신(즉, 멀티프로토콜 무선 통신)을 처리할 수 있다.

참고로, SDR이란 다양한 무선통신 환경(다중 모드, 다중 표준, 다중 대역, 다중 기능 등)에 유연하게 대처하기 위해, 하나의 공통 하드웨어 플랫폼에 사용자가 원하는 응용 소프트웨어로 재구성(Reconfigurable)이 가능한 개방형 신호처리 기술로서, 소프트웨어에 기반한 무선 데이터 전송제어기술을 말한다. 이러한 SDR은 안테나, 고주파(RF) 처리 부분, 배터리 등 무선통신을 위해서 필요 최소한의 기능만을 하드웨어로 구성하고 하드웨어를 제외한 나머지 부분은 주파수, 네트워크, 무선통신 방식에 따라 소프트웨어를 로딩시켜 사용하게 한다. 이 기술을 이용하면 소프트웨어를 조작하는 것만*로 하나의 단말기에서 WCDMA/GSM 등 차세대 이동통신 서비스를 제공할 수 있다.참앞서 설명한 바와 같이, 동작 컨트롤러(221)는 센서(30)로부터 수신된 센싱 값에 따른 센싱 데이터를 복수의 통신 프로토콜 방식 중 선택하여 무선 송출한다. 이러한 멀티 프로토콜 방식에 대해서는 아래 도 8을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서의 멀티 프로토콜 통신 방식을 설명하기 위한 순서도이다.

먼저, 무선 센서(120)의 MCU가 설정된 주기에 따라 온(ON)된다(S800).

제 1 통신 프로토콜에 따른 통신을 위해 MCU ON이 실행된 경우, 제 1 통신 프로토콜에 따른 무선 통신을 위한 RFIC를 턴온(ON)한다(S811).

그런 다음, 센서(30)로 센싱 데이터를 호출하여 획득하고(S812), 획득된 센싱 데이터를 제 1 통신 프로토콜을 사용하여 송출한다(S813).

참고로, 제 1 통신 프로토콜은 근거리 무선 통신 방식 중 어느 하나의 통신 방식을 수행할 수 있다.

그런 다음, 송출된 센싱 데이터에 대응하는 수신 확인 신호(즉, ACK 신호)를 대기한다(S814).

본 발명의 일 실시예에서는 무선 센서(120)가 스마트 게이트웨이(130)로 센싱 데이터를 송신하는 바, 스마트 게이트웨이(130)측으로부터 제 1 통신 프로토콜을 통한 ACK 신호가 수신되는지 대기한다.

이때, ACK가 수신되면(S815), 센싱 데이터가 성공적으로 전송된 것으로 판단하여 제 1 통신 프로토콜에 따른 RFIC를 턴오프(OFF) 한다(S816).

제 1 통신 프로토콜에 따른 통신을 처리하는 RFIC가 턴오프된 후, MCU는 기설정된 제 1 주기까지 슬립 상태(sleep)를 유지한다(S817).

다만, 상기 제 1 주기에 따라 제 1 설정 시간이 경과하면 다시 상기 단계 (S800)으로 복귀하여 MCU는 턴온될 수 있다. 또한, MCU는 아래에서 설명할 제 2 통신 프로토콜에 따른 통신을 처리하는 RFIC에 대해 설정된 제 2 주기에 따라 턴온될 수 있으며, 이러한 MCU 턴온 시점은 제 1 주기에 따른 턴온 시점과 상이할 수 있다.

한편, 상기 단계 (S814)에서 스마트 게이트웨이(130)로부터 기설정된 시간 내에 ACK 신호가 수신되지 않을 경우, 상기 (S812) 단계로 복귀하는 재시도 절차를 기설정된 횟수만큼 시도할 수 있다.

이와 같은 재시도가 설정 회수를 초과할 경우, 상기 (S814) 단계 이후에 곧바로 상기 단계 (S816)으로 진행하여 제 1 통신 프로토콜에 따른 RFIC를 턴오프할 수 있다.

또한, 이상에서와 같은 제 1 통신 프로토콜을 통한 통신을 시도한 횟수가 설정 횟수를 초과할 경우 제 1 통신 프로토콜이 아닌 제 2 통신 프로토콜을 통한 센싱 데이터 송출을 시도한다.

즉, 제 2 통신 프로토콜에 따른 통신을 처리하는 RFIC를 턴온한다(S821).

그런 다음, 센서(30)로 센싱 데이터를 호출하여 획득하고(S822), 획득된 센싱 데이터를 제 2 통신 프로토콜을 사용하여 송출한다(S823).

참고로, 제 2 통신 프로토콜은 원거리 무선 통신 방식 중 어느 하나의 통신 방식을 수행할 수 있다. 또한, 원거리 무선 통신 방식으로 센싱 값을 전송할 경우 기간 통신망 또는 해당 LNG 파이프라인이 포함된 설비(즉, 플랜트 시스템 등)에 자체적으로 구축된 자가망을 통해 센싱 값을 전송할 수도 있다.

그런 다음, 송출된 센싱 데이터에 대응하는 수신 확인 신호(즉, ACK 신호)를 대기한다(S825).

본 발명의 일 실시예에서는 무선 센서(120)가 스마트 게이트웨이(130)로 센싱 데이터를 송신하는 바, 스마트 게이트웨이(130)측으로부터 제 2 통신 프로토콜을 통한 ACK 신호가 수신되는지 대기한다.

이때, ACK가 수신되면(S826), 센싱 데이터가 성공적으로 전송된 것으로 판단하여 제 2 통신 프로토콜에 따른 RFIC를 턴오프(OFF) 한다(S827).

제 2 통신 프로토콜에 따른 통신을 처리하는 RFIC가 턴오프된 후, MCU는 기설정된 제 2 주기까지 슬립 상태(sleep)를 유지한다(S828).

한편, 상기 (S822) 단계에서 센서 데이터 호출에 대한 센서(30)의 센싱 값이 수신되지 않을 경우, 앞서 제 1 통신 프로토콜을 사용한 통신이 일정 횟수 이상 실패한 상황에 의한 통신 시도로 판단한다.

이에 따라, 해당 무선 센서(120) 또는 LNG 파이프라인에 대한 비상 모드가 발생한 것으로 판단하여, 상기 (S822) 단계 이후에 비상 상태 정보를 제 2 통신 프로토콜을 통해 송출한다(S824). 참고로, 이때 송출되는 정보는 비상 상태 정보로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 설정된 센싱 주기가 되지 않았더라도 강제로 센서(30)로부터 센싱 값을 획득하여 LNG 파이프라인 상태 정보로서 송출할 수 있다. 또한, 무선 센서(120)의 자체 상태 정보(예: 전력량) 또는 통신이 실패한 제 1 통신 프로토콜에 대한 정보 등 다양한 정보를 송출할 수도 있다.

이처럼, 비상 상태 정보를 제 2 통신 프로토콜을 통해 송출한 다음, 상기 단계(S825)로 진행하여 다음 단계들을 처리할 수 있다.

이상에서 설명한 상기 (S821) 내지 (S828) 단계는, 제 1 통신 프로토콜을 통한 통신 시도가 실패한 경우 뿐만 아니라 기설정된 설정 주기에 마다 수행될 수 있다. 즉, 상기 (S828) 단계를 수행한 이후 제 2 주기에 따른 제 2 설정 시간이 경과하면 상기 (S800) 단계로 복귀하여 MCU ON부터 처리할 수 있다.

여기서 제 2 설정 시간은 앞서 설명한 제 1 설정 시간에 비해 긴 시간으로서, 제 1 설정 시간이 분 단위일 경우 제 2 설정 시간은 시간 단위로 설정될 수 있다. 이는, 원거리 통신의 경우 근거리 통신에 비해 소모 전력이 크고 한 주기의 타임 슬롯 내에서 처리할 수 있는 데이터량이 작은 바, 비상 시 또는 산업 환경에 따른 통신이 필요할 경우에 선택적으로 사용하기 위해서이다.

상술한 본 발명의 실시예에 따른 산업 설비 모니터링 방법은 소프트웨어로 생성되어 다양한 전자 장치에 탑재될 수 있다.

예를 들어, 도 8에서 설명한 각 단계를 포함하는 LNG 이송관 모니터링 방법을 수행하는 프로그램이 저장된 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)가 설치될 수 있다.

여기서, 비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 미들웨어 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 또한, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 액화천연가스 이송관 모니터링 시스템
110: 산업 설비 11: LNG 파이프라인
120, 120-1: 열전 에너지하베스팅 무선 센서 노드
21, 21-1: 안테나
22: 제어모듈
221: 동작 컨트롤러 222: 전력 컨트롤러
223: 통신모듈
23: 보호 부재
24, 24-1: 방폭 구조 커버
25, 25-1: 열전 에너지하베스팅 소자
251: 열전 소자 252: 열전달 부재
253: 버퍼 부재 254: 제 1 전력 저장원
255: 제 2 전력 저장원 501: 금속 기판
502: 전극 503: 열전 소재
26: 지지 부재
27: 방폭 구조 베이스
28, 28-1: 방냉 부재
29, 29-1: 케이블관
30: 센서
130: 스마트 게이트웨이
140: 산업 설비 모니터링 서버

Claims (17)

1. 일면은 파이프라인 일부에 연결되고 타면은 대기 중의 버퍼 부재에 연결되어 상기 일면과 타면 사이의 온도차에 의한 전기력을 발생시키는 열전 소자를 포함하는 열전 에너지하베스팅 소자와, 상기 열전 에너지하베스팅 소자로부터 발생된 전력을 저장하는 하나 이상의 전력 저장원과, 상기 파이프라인에 접속되어 각종 상태 정보를 센싱하는 센서, 및 상기 전력 저장원으로부터 전원을 공급받되 상기 센싱된 상태 정보를 하나 이상의 통신 프로토콜을 선택적으로 사용하여 무선 송출하는 통신모듈을 포함하는 하나 이상의 무선 센서 노드;
   하나 이상의 상기 무선 센서 노드로부터 무선 송출된 센싱 값들을 수신하는 스마트 게이트웨이; 및
   상기 스마트 게이트웨이로부터 수신된 센싱 값들에 기초하여 상기 파이프라인의 상태를 분석하여 모니터링하고, 상기 모니터링의 결과를 출력하는 모니터링 서버를 포함하되,
   상기 열전 소자와 상기 파이프라인 사이에 위치하되 상기 열전 소자의 하부면에 접하도록 설치된 방냉 부재를 포함하고,
   상기 무선 센서 노드는,
   상기 센서로부터 상태 정보를 나타내는 센싱 값을 획득하고, 상기 센싱 값에 따른 센싱 데이터를 근거리 무선 통신 방식에 따른 제 1 통신 프로토콜을 사용하여 1회 이상 송출하되,
   상기 송출에 대응하여 제 1 통신 프로토콜을 통한 상기 스마트 게이트웨이로부터의 응답이 기설정된 송출 회차 내에 수신되지 않을 경우, 상기 제 1 통신 프로토콜보다 원거리 무선 통신을 처리하는 제 2 통신 프로토콜을 통해 상기 센싱 데이터를 재송출하고,
   상기 근거리 무선 통신은 제 1 전력 저장원으로부터 공급된 전원을 사용하도록 하고, 상기 원거리 무선 통신은 상기 제 1 전력 저장원보다 큰 용량을 갖는 제 2 전력 저장원으로부터 공급된 전원을 사용하도록 하는, 파이프라인 모니터링 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 무선 센서 노드는,
   제 1 전력 저장원 및 상기 제 1 전력 저장원보다 큰 용량을 갖는 제 2 전력 저장원을 포함하는 것인, 파이프라인 모니터링 시스템.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 무선 센서 노드는,
   상기 스마트 게이트웨이 측으로부터 상기 제 1 통신 프로토콜을 통한 ACK 신호가 수신되면 상기 제 1 통신 프로토콜에 따른 RFIC를 턴오프(OFF)하고, MCU가 기설정된 제 1 주기까지 슬립 상태(sleep)를 유지하도록 하고,
   상기 제 1 주기에 따라 제 1 설정 시간이 경과하면 상기 제 2 통신 프로토콜에 따른 통신을 처리하는 RFIC에 대해 설정된 제 2 주기에 따라 상기 제 1 설정 시간보다 긴 시간인 제 2 설정 시간 동안 MCU를 턴온하고,
   상기 제 1 통신 프로토콜을 통한 통신을 시도한 횟수가 설정 횟수를 초과할 경우 상기 제 2 통신 프로토콜에 따른 통신을 처리하는 RFIC를 턴온하여 상기 제 2 통신 프로토콜을 통한 센싱 데이터를 송출하는, 파이프라인 모니터링 시스템.
   
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5. 제 1 항에 있어서,
   상기 무선 센서 노드는,
   상기 제 2 통신 프로토콜을 통해 상기 센싱 데이터를 송출할 경우 기간 통신망 또는 상기 파이프라인이 포함된 플랜트 시스템의 자가망을 통해 상기 센싱 데이터를 송출하는 것인, 파이프라인 모니터링 시스템.
   
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 무선 센서 노드는,
   각각 서로 상이하게 설정된 턴온 스케줄에 따른 주기마다 상기 스마트 게이트웨이와 신호를 송수신하되,
   각각 상기 주기가 설정된 내부 클럭을 포함하고, 상기 스마트 게이트웨이와의 신호 송수신 시 상기 스마트 게이트웨이의 시간에 기준하여 시간을 보정하는 것인, 파이프라인 모니터링 시스템.
   
7. 일면은 파이프라인 일부에 연결되고 타면은 대기 중의 버퍼 부재에 연결되어 상기 일면과 타면 사이의 온도차에 의한 전기력을 발생시키는 열전 소자를 포함하는 열전 에너지하베스팅 소자;
   상기 열전 에너지하베스팅 소자로부터 발생된 전력을 저장하는 복수의 전력 저장원;
   상기 파이프라인에 접속되어 각종 상태 정보를 센싱하는 센서;
   상기 전력 저장원으로부터 전원을 공급받되, 상기 센서를 통해 센싱된 상태 정보를 하나 이상의 통신 프로토콜을 선택적으로 사용하여 안테나를 통해 무선 송출하는 통신모듈;
   상기 열전 소자와 상기 파이프라인 사이에 위치하되 상기 열전 소자의 하부면에 접하도록 설치된 방냉 부재; 및
   상기 센서로부터 상태 정보를 나타내는 센싱 값을 획득하고, 상기 센싱 값에 따른 센싱 데이터를 근거리 무선 통신 방식에 따른 제 1 통신 프로토콜을 사용하여 1회 이상 송출하되,
   상기 송출에 대응하여 제 1 통신 프로토콜을 통한 스마트 게이트웨이로부터의 응답이 기설정된 송출 회차 내에 수신되지 않을 경우, 상기 제 1 통신 프로토콜보다 원거리 무선 통신을 처리하는 제 2 통신 프로토콜을 통해 상기 센싱 데이터를 재송출하는 제어모듈을 포함하며,
   상기 센싱된 상태 정보는 파이프라인의 상태를 분석하여 모니터링 결과를 출력하는 모니터링 서버로 전송되고,
   상기 근거리 무선 통신은 제 1 전력 저장원으로부터 공급된 전원을 사용하도록 하고, 상기 원거리 무선 통신은 상기 제 1 전력 저장원보다 큰 용량을 갖는 제 2 전력 저장원으로부터 공급된 전원을 사용하도록 하는 것인, 파이프라인 모니터링용 무선 센서 장치.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 열전 에너지하베스팅 소자는,
   상기 열전 소자;
   상기 열전 소자의 상단에 위치하는 열전달 부재; 및
   상기 열전달 부재의 상단에 위치하는 상기 버퍼 부재를 포함하며,
   상기 버퍼 부재는 대기 온도를 상기 열전 소자의 상부에 전달하는 것인, 파이프라인 모니터링용 무선 센서 장치.
   
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 열전 에너지하베스팅 소자, 상기 하나 이상의 전력 저장원 및 상기 통신모듈이 수납되는 방폭 구조 커버; 및
   상기 방폭 구조 커버에 결합되는 방폭 구조 베이스를 더 포함하는, 파이프라인 모니터링용 무선 센서 장치.
   
10. 제 7 항에 있어서,
    상기 방냉 부재와 상기 센서 사이를 연결하여 열전효과를 갖는 케이블관을 더 포함하는, 파이프라인 모니터링용 무선 센서 장치.
    
11. 제 7 항에 있어서,
    복수의 상기 전력 저장원은,
    제 1 전력 저장원 및 상기 제 1 전력 저장원보다 큰 용량을 갖는 제 2 전력 저장원을 포함하되,
    상기 제 1 전력 저장원은 슈퍼 커패시터이고,
    상기 제 2 전력 저장원은 배터리인 것인, 파이프라인 모니터링용 무선 센서 장치.
    
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어모듈은,
    상기 스마트 게이트웨이 측으로부터 상기 제 1 통신 프로토콜을 통한 ACK 신호가 수신되면 상기 제 1 통신 프로토콜에 따른 RFIC를 턴오프(OFF)하고, MCU가 기설정된 제 1 주기까지 슬립 상태(sleep)를 유지하도록 하고,
    상기 제 1 주기에 따라 제 1 설정 시간이 경과하면 상기 제 2 통신 프로토콜에 따른 통신을 처리하는 RFIC에 대해 설정된 제 2 주기에 따라 상기 제 1 설정 시간보다 긴 시간인 제 2 설정 시간 동안 MCU를 턴온하고,
    상기 제 1 통신 프로토콜을 통한 통신을 시도한 횟수가 설정 횟수를 초과할 경우 상기 제 2 통신 프로토콜에 따른 통신을 처리하는 RFIC를 턴온하여 상기 제 2 통신 프로토콜을 통한 센싱 데이터를 송출하는 것인, 파이프라인 모니터링용 무선 센서 장치.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어모듈은,
    상기 제 2 통신 프로토콜을 통해 상기 센싱 데이터를 송출할 경우 기간 통신망 또는 상기 파이프라인이 포함된 플랜트 시스템의 자가망을 통해 상기 센싱 데이터를 송출하는 것인, 파이프라인 모니터링용 무선 센서 장치.
    
14. 파이프라인 모니터링 시스템의 무선 센서 장치를 통한 파이프라인 모니터링 방법에 있어서,
    상기 무선 센서 장치는, 일면은 파이프라인 일부에 연결되고 타면은 대기 중의 버퍼 부재에 연결되어 상기 일면과 타면 사이의 온도차에 의한 전기력을 발생시키는 열전 소자를 포함하는 열전 에너지하베스팅 소자와, 상기 열전 에너지하베스팅 소자로부터 발생된 전력을 저장하는 하나 이상의 전력 저장원과, 상기 파이프라인에 접속되어 각종 상태 정보를 센싱하는 센서, 및 상기 전력 저장원으로부터 전원을 공급받되 상기 센싱된 상태 정보를 하나 이상의 통신 프로토콜을 선택적으로 사용하여 무선 송출하는 통신모듈을 포함하며,
    상기 센서로부터 상태 정보를 나타내는 센싱 값을 획득하는 단계;
    상기 센싱 값에 따른 센싱 데이터를 근거리 무선 통신 방식에 따른 제 1 통신 프로토콜을 사용하여 LNG 파이프라인 모니터링 시스템에 포함된 스마트 게이트웨이로 1회 이상 송출하는 단계; 및
    상기 송출에 대응하여 상기 제 1 통신 프로토콜을 통한 스마트 게이트웨이로부터의 응답이 기설정된 송출 회차 내에 수신되지 않을 경우, 상기 제 1 통신 프로토콜보다 원거리 무선 통신을 처리하는 제 2 통신 프로토콜을 통해 상기 센싱 데이터를 재송출하는 단계를 포함하고,
    상기 근거리 무선 통신은 제 1 전력 저장원으로부터 공급된 전원을 사용하도록 하고, 상기 원거리 무선 통신은 상기 제 1 전력 저장원보다 큰 용량을 갖는 제 2 전력 저장원으로부터 공급된 전원을 사용하도록 하는, 파이프라인 모니터링 방법.
    
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 무선 센서 장치는 상기 전력 저장원으로서 제 1 전력 저장원 및 상기 제 1 전력 저장원보다 큰 용량을 갖는 제 2 전력 저장원을 포함하는 것인, 파이프라인 모니터링 방법.
    
16. 제 14 항에 있어서,
    상기 재송출하는 단계는,
    상기 제 2 통신 프로토콜을 통해 상기 센싱 데이터를 송출할 경우 기간 통신망 또는 상기 파이프라인이 포함된 플랜트 시스템의 자가망을 통해 상기 센싱 데이터를 송출하는 것인, 파이프라인 모니터링 방법.
    
17. 제 14 항 내지 제 16항 중 어느 하나의 방법을 구현하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
    
    

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