KR102339154B1 - 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템 - Google Patents

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KR102339154B1 KR1020200036511A KR20200036511A KR102339154B1 KR 102339154 B1 KR102339154 B1 KR 102339154B1 KR 1020200036511 A KR1020200036511 A KR 1020200036511A KR 20200036511 A KR20200036511 A KR 20200036511A KR 102339154 B1 KR102339154 B1 KR 102339154B1
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Abstract

본 발명은 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템에 관한 것이다. 본 발명은, A 지오폰(100a), B 지오폰(100b), C 지오폰(100c), D 지오폰(100D)을 충격발생 지점(P)의 주변에 정사각형 모양으로 배치되며, 각 지오폰과 아두이노 보드(200)가 신호 및 데이터 송수신을 위해 연결된 구조의 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)에 있어서, 지오폰 4개에서 충격을 감지하는 시각으로, A 지오폰(100a): T1 , B 지오폰(100b): T2, 지오폰(C): T3, D 지오폰(100d): T4 , 진동이 발생한 시각을 t0로 설정한 상태에서 각 설정된 정보를 A 지오폰(100a), B 지오폰(100b), C 지오폰(100c), D 지오폰(100d)로부터 수집을 수행하고, 지진파의 속도는 v, 정사각형의 한 변의 길이를 d로 설정하는 정보수집모듈(210); 및
Figure 112021055595938-pat00069
,
Figure 112021055595938-pat00070
로 설정에 따라 진앙의 좌표를
Figure 112021055595938-pat00071
,
Figure 112021055595938-pat00072
를 통해 획득하는 위치추적모듈(200); 을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이에 의해, 지오폰의 정밀한 배치를 통해 보안 시스템, 재난 경보 시스템, 농촌에서의 야생 동물 감지 시스템 등 다방면으로 활용될 수 있도록 하기 위한 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템에 관한 것이다.

Description

지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템{Location Detection System of Epicenter Using Geophone}
본 발명은 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 지오폰을 활용하여 정확하고 효율적으로 진앙지를 감지하여 대처할 수 있도록 함으로써, 보안 시스템, 재난 경보 시스템, 농촌에서의 야생 동물 감지 시스템 등 다방면으로 활용될 수 있도록 하기 위한 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안 우리나라에서 많은 지진이 발생하였고, 특히 경북 경주와 포항 주변에서 진도 5.0 이상의 강진으로 많은 매스컴과 국민적 관심을 가지게 되었다.
일반적으로 지진의 진원 또는 진앙지 분석은 한국지질자원연구원 등과 같은 국가급 연구기관에서 고가의 지진파 분석 장비를 사용하여 연구 및 분석하고 있다. 그러면 이러한 고가 장비를 대체하고 일반 생활에서도 쉽게 지진파를 활용할 수 있는 방안은 없을지 문제시되고 있다.
한편, 세 개의 지진관측소에서 진원까지의 거리를 측정하면 진원의 위치를 찾을 수 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. 이에 착안하여 지진관측소 측정법 보다 단순하고 쉽게 일상생활에서 일반인도 사용할 수 있으며 활용도가 높은 지질 연구 방안을 마련하고자 하는 기술 개발이 요구되고 있다.
특히 지진파의 이동을 전기에너지로 변환하는 장치인 지오폰을 이용하여 지층 조건 변화에 따라 모형상자 내 지진파 속도 측정 및 임의의 지층에 대한 정보를 수집하는 연구를 수행하고자 하는 움직임이 있어 왔다.
한편, 현대 사회에서 우리의 가족 구조는 점차 대가족에서 핵가족으로 변화하고 있다. 심지어 최근에는 이보다 더 진화한 소규모 가구인 1인 가구의 수가 급증하고 있다. 이와 관련하여 방범 또는 사생활 보호에 관한 사회적 문제가 대두되고 있다. 그 중 CCTV 시스템에 대해서 사생활 침해인가 안전장치인에 대해서는 종종 접할 수 있는 논쟁거리이다. 과연 사생활 침해를 일으키지 않는 새로운 보안 시스템은 없을지 연구되고 있으며, 그렇다고 CCTV가 아닌 다른 보안 시스템으로 눈을 돌려보면 가격 상승이 유발되고 있다.
이에 해당 기술분야에 있어서는 지진의 진원 또는 진앙지 분석을 위한 위치 감지 시스템을 활용하여 분석된 위치를 출력함으로써, 사생활을 침해하지 않고, 화상화면 이미지에 의존하는 CCTV의 단점을 보완 또는 겹임할 수 있는 가격이 저렴한 새로운 보안 시스템을 개발하기 위한 기술개발이 요구되고 있다.
참고로 특허문헌 1, 2는 지진을 탐지하기 위한 기술로서 지오폰을 이용한 특허들이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1899571호(2016.09.17. 공고) 지진 경보 방송 시스템 대한민국 등록특허공보 제10-1951028호(2019.02.21. 공고) 진도추정과 설비/구조물 피해예측기능을 가진 MEMS 기반 지진계측 장치
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지오폰의 개수를 최소한으로 배치하여 효율을 높이되, 정확한 위치 측정이 가능하도록 하기 위한 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템을 제공하기 위한 것이다.
그리고, 본 발명은 충격이 발생한 지점에 대한 위치 측정을 위한 오차값이 낮은 지오폰의 배치를 제공하도록 하기 위한 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 지오폰의 정밀한 배치를 통해 보안 시스템, 재난 경보 시스템, 농촌에서의 야생 동물 감지 시스템 등 다방면으로 활용될 수 있도록 하기 위한 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템을 제공하기 위한 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템은, A 지오폰(100a), B 지오폰(100b), C 지오폰(100c), D 지오폰(100D)이 충격발생 지점(P)의 주변에 정사각형 모양으로 배치되며, 그리고 아두이노 보드(200), 입출력부(300), 콘솔(400)을 포함하고, 각 지오폰과 아두이노 보드(200)가 신호 및 데이터 송수신을 위해 연결된 구조의 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)에 있어서, 상기 아두이노 보드(200)는, 지오폰 4개에서 충격을 감지하는 시각으로, A 지오폰(100a): T1 , B 지오폰(100b): T2, 지오폰(C): T3, D 지오폰(100d): T4 , 진동이 발생한 시각을 t0로 설정한 상태에서 각 설정된 정보를 A 지오폰(100a), B 지오폰(100b), C 지오폰(100c), D 지오폰(100d)로부터 수집을 수행하고, 지진파의 속도는 v, 정사각형의 한 변의 길이를 d로 설정하는 정보수집모듈(210);
Figure 112021095618747-pat00001
,
Figure 112021095618747-pat00002
로 설정에 따라 진앙의 좌표를
Figure 112021095618747-pat00003
,
Figure 112021095618747-pat00004
를 통해 획득하는 위치추적모듈(220); 입출력부(300)인 모니터에 출력되는 값을 실시간으로 전달받을 수 있는 엑셀의 매크로 기능을 사용하되, 데이터 전달을 위해 소스 코드에 라벨 출력 코드를 추가하여 생성되며, 엑셀의 그래프 기능을 이용해 전달받은 값을 실시간으로 그래프로 출력하는 보안제공모듈(230); 충격 감지 범위 제한 및 반복 실행이 가능하도록 하되, x,y 값을 획득하기 위해 작성한 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)의 소스 코드를 보안 시스템에 활용하기 위해서는 정해진 범위 내의 충격만 인식해야 하고 타격을 여러 번 인식하되, 시간차를 두고 반복적으로 타격을 인식할 수 있도록 소스 코드를 추가 함으로써 생성되며, 엑셀로 시각화한 연동한 그래프에 실시간으로 타격 지점을 출력하는 설정모듈(240); 지오폰 4개를 이용하여 충격을 가한 위치의 좌표를 계산하여 그래프에 출력하는 시각화모듈(250); 및 터치스크린을 위한 정사각형을 4개로 분할하는 버튼 모양의 PPT 화면의 각각의 버튼에서 위치가 감지될 경우 그 버튼이 클릭되었음을 보여주는 화면을 재생하고, 여백의 위치가 감지될 경우 경고 메시지를 출력하는 추적모듈(260);을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
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본 발명의 실시예에 따른 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템은, 지오폰의 개수를 최소한으로 배치하여 효율을 높이되, 정확한 위치 측정이 가능하도록 하고, 충격이 발생한 지점에 대한 위치 측정을 위한 오차값이 낮은 지오폰의 배치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템은, 지오폰의 정밀한 배치를 통해 보안 시스템, 재난 경보 시스템, 농촌에서의 야생 동물 감지 시스템 등 다방면으로 활용될 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)에 사용되는 지오폰(geophone)(100)의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)의 설계에 사용되는 중선정리의 원리에 대해서 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)에서의 지오폰의 배치 성능을 살펴보기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1), 그리고 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)의 아두이노 보드(200)의 구조를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)에 설치된 PLX-DAQ 프로그램을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)에 의해 생성된 엑셀 그래프를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1) 상에서 콘솔(400) 상의 Visual Studio에서 아두이노 보드(200)로부터 값을 받을 수 있도록 하는 C 소스 코드 생성과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명에 따른 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1) 상에서 입출력부(300) 상에 출력되는 유저인터페이스(User Interface, 'UI') 화면을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 명세서에 있어서는 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송'하는 경우에는 구성요소는 다른 구성요소로 직접 상기 데이터 또는 신호를 전송할 수 있고, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 데이터 또는 신호를 다른 구성요소로 전송할 수 있음을 의미한다.
먼저, 본 발명에 따른 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)에 사용되는 도 1의 지오폰(geophone)(100)에 대해서 살펴보도록 한다. 지오폰(100)은 탄성파 파동을 감지하는 기기로, 지오폰(100)은 도 1b와 같이 틀에 고정된 코일과 스프링에 매달린 자석으로 구성된다. 따라서 지면이 진동하면 틀에 고정된 코일은 진동하고, 스프링은 관성에 의하여 거의 고정된 위치를 유지하며 이때 전자기 유도에 의해 기전력이 발생한다. 기전력의 크기가 지면과 수직인 방향의 진동속도에 비례하도록 설계하여 지진파의 수직속도를 측정할 수 있다. 지오폰(100)은 탄성파의 특성 연구, 구조물의 근입 깊이 조사, 막장 전파 예측 등에 사용될 수 있다.
다음으로, 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)에서 사용되는 중선정리(Apollonius’Theorem)에 대해서 살펴보도록 한다.
먼저, 중선정리에 대한 "명제"로 도 2의
Figure 112020031477941-pat00005
에서
Figure 112020031477941-pat00006
중점을 D라 하면 하기의 수학식 1이 성립한다.
Figure 112020031477941-pat00007
이를 증명하기 위해서 점 C에서
Figure 112020031477941-pat00008
에 내린 수선의 발을 점 M이라 한다.
피타고라스 정리로부터 하기의 수학식 2와 수학식 3을 얻을 수 있다.
Figure 112020031477941-pat00009
Figure 112020031477941-pat00010
상기 수학식 2와 수학식 3을 더하면 하기의 수학식 4을 통해 최종적으로 상술한 수학식 1을 획득할 수 있다.
Figure 112020031477941-pat00011
다음으로, 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1) 상에서 위치 감지를 위한 수학적 계산 및 코드 작성에 대해서 살펴보도록 한다.
먼저, 본 발명에서 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)은 새로운 보안 시스템 및 터치스크린을 개발하기 위해서는 정확하고 효율적인 위치 감지 시스템을 제공하며, 지오폰의 개수를 최소한으로 하는 배치를 찾아 효율을 높이되 정확한 위치 측정이 가능하도록 하는 수학적 배경을 마련하되, 이것을 컴퓨터가 이해할 수 있는 아두이노 소스 코드로도 제공하는 것이 바람직하다.
이러한 효율적인 위치 감지 시스템을 위한 설계에 있어서, 여러 가지 지오폰의 배치를 생각해보고, 각각 충격이 가해진 위치의 계산 가능 여부를 파악하되, 수학적 계산이 간단할수록 컴퓨터의 계산 과정 중 오차도 줄어들기 때문에 계산이 가능한 지오폰 배치들 중 수학적 계산이 용이한 지오폰 배치들을 선택하여 이를 기반으로 각각에 대한 코드를 작성한다.
이를 위한 실험 과정에 있어서, (가) 여러 가지 지오폰(100)의 배치를 구상하고, (나) 구상한 배치들에서 충격이 가해진 위치를 이론적으로 계산하며, (나) 배치들 중 계산에 용이한 배치들을 선택하며, (다) 선택된 배치들 각각에 대한 위치 계산 코드를 작성하는 것이 바람직하다.
이에 따른 실험 결과, 도 3과 같이 1차원 상으로 지오폰을 배치하되, 일직선상에 등간격으로 놓인 4개의 지오폰(A 지오폰(100a), D 지오폰(100d), B 지오폰(100b), 제 E 지오폰(100e))을 배치하는 것이 바람직하다.
즉 도 3과 같이 등간격으로 지오폰 4개(A 지오폰(100a), D 지오폰(100d), B 지오폰(100b), 제 E 지오폰(100e))를 설치한다.
(1) 여기서, 지오폰 4개에서 충격을 감지하는 시각을, A 지오폰(100a): t1, D 지오폰(100d): t2 , B 지오폰(100b): t3, 제 E 지오폰(100e): t4, 지진파의 속도를 v라고 한다.
(2)
Figure 112020031477941-pat00012
라 한다.(d는 실험자가 이미 알고 있는 상수 값이다.)
(3) t1, t2, t3중에 가장 작은 값을 tmin1, t2, t3, t4중에 가장 작은 값을 tmin2이라 한다.
(4) t1-tmin1, t2-tmin1, t3-tmin1의 값을 각각 ft1, ft2, ft3(모두 상수)이라 한다.
(5) t2-tmin2, t3-tmin2, t4-tmin2의 값을 각각 st2, st3, st4(모두 상수)이라 한다.
(6)
Figure 112020031477941-pat00013
에서 중선정리를 적용하면
Figure 112020031477941-pat00014
이다.
(7)
Figure 112020031477941-pat00015
에서 중선정리를 적용하면
Figure 112020031477941-pat00016
이다.
(8) 계산의 편의를 위해
Figure 112020031477941-pat00017
,
Figure 112020031477941-pat00018
,
Figure 112020031477941-pat00019
,
Figure 112020031477941-pat00020
,
Figure 112020031477941-pat00021
,
Figure 112020031477941-pat00022
로 설정한다. A,B,C,D값은 측정값으로 모두 상수라는 점에 유의한다.
(9) 앞에서 설정한 변수를 간단하게 표현하면
Figure 112020031477941-pat00023
이다.
(10)
Figure 112020031477941-pat00024
라는 관계식에서 v를 양변에 나누어 주면
Figure 112020031477941-pat00025
라는 식을 얻을 수 있다.
(11) tr1, tr2에 (9)에서 구한 식을 대입하고 p에 대해 정리하면
Figure 112020031477941-pat00026
이다.
즉 p를 속도에 관계없는 상수 값으로 구하였다.
(12) tr1, tr2에 (11)에서 구한 p를 대입하면 tr1, tr2를 상수 값으로 구하였다.
(13)
Figure 112020031477941-pat00027
에서
Figure 112020031477941-pat00028
이므로 v를 상수 값으로 구하였다.
(14)
Figure 112020031477941-pat00029
,
Figure 112020031477941-pat00030
,
Figure 112020031477941-pat00031
라 하면,
Figure 112020031477941-pat00032
,
Figure 112020031477941-pat00033
,
Figure 112020031477941-pat00034
이므로, 모두 상수 값으로 구하였다
(15) D 지오폰(100d)를 원점으로,
Figure 112020031477941-pat00035
를 축의 양의 방향으로 하는 가상의 좌표계를 설정하고 점 C의 좌표를 (x,y)라 한다.
(16) (x,y)는 반지름이
Figure 112020031477941-pat00036
이고 중심이 D인 원과, 반지름이
Figure 112020031477941-pat00037
이고 중심이 B인 원의 교점이다.
(17) 교점을 계산해보면
Figure 112020031477941-pat00038
,
Figure 112020031477941-pat00039
이다. (x를 먼저 상수 값으로 구한 뒤, y를 계산하면 x,y 모두 상수 값이다.)
(18) 즉, 점 C의 좌표를 모두 측정값으로 표현할 수 있다.
이를 코드로 작성하면 하기의 표 1과 같다.
Figure 112020031477941-pat00040
다음으로, 지오폰에 대한 2차원 상의 배치에 대해서 살펴보도록 한다.
먼저, (가) 도 4와 같이 凸 모양으로 등간격에 놓인 4개의 지오폰에 대해서 살펴보도록 한다. 먼저 (A 지오폰(100a), C 지오폰(100c), D 지오폰(100d))에서 제 2 cos법칙, (B 지오폰(100b), A 지오폰(100a), D 지오폰(100d))에서 중선 정리를 사용한 식을 연립하면 t0(진동을 준 시각)에 관한 3차 방정식을 얻을 수 있다. 3차 방정식의 해를 구하기 힘들고, 해를 구하는 과정에서 소수점 이하의 손실이 매우 크다고 생각하여 코드로 구현하지 않았다.
또한, (나) 도 5와 같이 ㄴ 모양으로 등간격에 놓인 4개의 지오폰에 대해서 살펴보도록 한다. A 지오폰(100a), C 지오폰(100c), D 지오폰(100d)에서 중선정리, (B 지오폰(100b), A 지오폰(100a), C 지오폰(100c))에서 제 2 cos법칙을 사용한 식을 연립하면 (진동을 준 시각)에 관한 3차 방정식을 얻을 수 있다. 마찬가지로 코드로 구현하지 않았다.
또한, (다) 도 6과 같이 정사각형의 꼭짓점 네 곳에 놓인 4개의 지오폰에 대해서 살펴보도록 한다. 충격발생 지점(P)의 주변에 형성시킨 정사각형의 네 꼭짓점에 지오폰 4개[A 지오폰(100a), 제B 지오폰(100b), C 지오폰(100c), D 지오폰(100d)]를 설치한다.
여기서, 아두이노 보드(200)의 정보수집모듈(210)은
(1) 지오폰 4개에서 충격을 감지하는 시각을
A 지오폰(100a): T1 , B 지오폰(100b): T2, 지오폰(C): T3, D 지오폰(100d): T4 , 진동이 발생한 시각을 t0로 설정한 상태에서 각 설정된 정보를 A 지오폰(100a), 제B 지오폰(100b), C 지오폰(100c), D 지오폰(100d)로부터 수집을 수행할 수 있으며, 이때, 지진파의 속도를 v라고 설정할 수 있다.
(2) 이후, 아두이노 보드(200)의 정보수집모듈(210)은 정사각형의 한 변의 길이를 d로 설정할 있으며, d는 실험자가 이미 알고 있는 상수 값일 수 있다.
(3) 아두이노 보드(200)의 위치추적모듈(220)은
Figure 112020031477941-pat00041
,
Figure 112020031477941-pat00042
,
Figure 112020031477941-pat00043
,
Figure 112020031477941-pat00044
로 표현할 수 있다.
③ 아두이노 보드(200)의 위치추적모듈(220)은 피타고라스 정리에 의해
Figure 112020031477941-pat00045
이므로, v를 소거하면
Figure 112020031477941-pat00046
를 획득할 수 있으며, t0를 측정값으로 표현할 수 있다.
② 아두이노 보드(200)의 위치추적모듈(220)은 P의 좌표를 (x,y)로 하고,
Figure 112020031477941-pat00047
로 설정할 수 있다. ti는 모두 측정값임에 유의한다.
(4) 아두이노 보드(200)의 위치추적모듈(220)은 피타고라스 정리에 의해
Figure 112020031477941-pat00048
과
Figure 112020031477941-pat00049
이고, 이 두 식을 연립하면
Figure 112020031477941-pat00050
을 연산할 수 있다.
(5) 같은 방법으로 아두이노 보드(200)의 위치추적모듈(220)은
Figure 112020031477941-pat00051
을 획득할 수 있다.
(6) 아두이노 보드(200)의 위치추적모듈(220)은 x,y를 v에 대해 표현한 식을 다시
Figure 112020031477941-pat00052
에 대입함으로써, v2에 대한 이차방정식
Figure 112020031477941-pat00053
을 획득할 수 있다.
⑥ 아두이노 보드(200)의 위치추적모듈(220)은 이 이차방정식의 계수를 순서대로 A,B,C로 치환하으로써,
Figure 112020031477941-pat00054
을 획득할 수 있으며, 역연산을 통해서 ±중 －로 제한할 수 있다.
(10) 따라서 아두이노 보드(200)의 위치추적모듈(220)은
Figure 112020031477941-pat00055
을 획득함으로써, 측정값으로 표현할 수 있다.
(11) 결론적으로 아두이노 보드(200)의 위치추적모듈(220)은
Figure 112020031477941-pat00056
,
Figure 112020031477941-pat00057
에 측정값을 대입함으로써, 진앙의 좌표를 구할 수 있다.
이를 코드로 작성하면 하기의 표 2와 같다.
Figure 112020031477941-pat00058
결론적으로 아두이노 보드(200)의 위치추적모듈(220)은 일직선상에 등간격으로 놓인 4개의 지오폰과 정사각형의 꼭짓점 네 곳에 놓인 4개의 지오폰 배치에서 충격의 위치가 이론적으로 계산 가능할 수 있으며, 두 가지 경우에 대해 수학적 계산을 아두이노 소스 코드로 번역하여 작성할 수 있다.
다음으로, 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)에서 위치 감지를 위한 최종 지오폰 배치에 대해서 살펴보도록 한다.
실험 목적으로 상술한 좌표 정보로 연산된 지오폰의 배치 방법 각각에 대한 정확도를 실험으로 비교하여 가장 적합한 배치를 찾도록 한다.
이를 위한 실험 설계로, 상술한 2가지의 지오폰 배치들의 정확도를 실험을 통해 비교한 후 두 개의 배치 가운데 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)에 적합한 배치를 찾도록 한다.
이를 위해, (가) 60㎝×60㎝ 크기의 아크릴 평면의 한 모서리에 도 7a와 같이 지오폰 4개를 일직선으로 배치하고, (나) 좌표를 아는 점(파란 점)에 충격을 가하고 출력된 좌표와 거리의 차를 구하고, (다) 위 과정을 13번 반복한다.
다음으로, (라) 도 7b와 같이 지오폰 4개를 꼭짓점에 재배치하여 동일한 13개의 점에 대해 거리의 차를 구하고, (마) 평균적으로 더 작은 오차가 나타나는 지오폰의 배치를 택한다.
실험 결과
(1) 일직선상의 지오폰 배치에 대한 오차는 하기의 표 3과 같았다.
구분 1차 2차 3차 4차 5차 6차 7차
실제 좌표 (10, 10) (10, 30) (10, 50) (20, 20) (20, 40) (30, 10) (30, 30)
출력 좌표 (10, 17) (10, 24) (7, 38) (20, 30) (18, 22) (32, 19) (32, 23)
오차(cm) 7.0 6.0 12.4 10.0 18.1 9.2 7.3
구분 8차 9차 10차 11차 12차 13차 평균
실제 좌표 (30, 50) (40, 20) (40, 40) (50, 10) (50, 30) (50, 50)
출력 좌표 (25, 37) (43, 13) (40, 29) (45, 10) (48, 18) (52, 42)
오차(cm) 13.9 7.6 11.0 5.0 12.2 8.2 9.8
(2) 정사각형 모양의 지오폰 배치에 대한 오차는 하기의 표 4와 같았다.
구분 1차 2차 3차 4차 5차 6차 7차
실제 좌표 (10, 10) (10, 30) (10, 50) (20, 20) (20, 40) (30, 10) (30, 30)
출력 좌표 (15, 14) (12, 27) (13, 45) (23, 22) (19, 44) (32, 9) (31, 29)
오차(cm) 6.4 3.6 5.8 3.6 4.1 2.2 1.4
구분 8차 9차 10차 11차 12차 13차 평균
실제 좌표 (30, 50) (40, 20) (40, 40) (50, 10) (50, 30) (50, 50)
출력 좌표 (34, 47) (45, 20) (45, 40) (50, 8) (51, 28) (47, 47)
오차(cm) 5.0 5.0 5.0 2.0 2.2 4.2 3.9
(3) 결과적으로, 오차를 비교한 결과 정사각형 모양의 지오폰 배치가 일직선상의 지오폰 배치보다 정확하다는 결론을 얻었다. 이에 따라 본 발명에 따른 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)에서는 도 8a과 같은 A 지오폰(100a), B 지오폰(100b), C 지오폰(100c), D 지오폰(100D)의 정사각형 모양의 지오폰 배치, 그리고 아두이노 보드(200), 입출력부(300), 콘솔(400)을 포함하여 형성될 수 있다.
한편, 도 8b와 같이 아두이노 보드(200)는 상술한 정보수집모듈(210), 위치추적모듈(220), 보안제공모듈(230), 설정모듈(240), 시각화모듈(250), 추적모듈(260)을 포함하여 형성될 수 있다.
상술한 정사각형 모양의 지오폰 배치가 된 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1) 기반의 새로운 "보안 시스템"에 대해서 살펴보도록 한다.
이를 위해 시각화를 위해 엑셀과 연동 가능한 코드 작성하는 것이 바람직하며, 상술한 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)의 소스 코드를 보안 시스템에 활용하기 위해서는 시각화가 필수적이다.
이에 따라 아두이노 보드(200) 상에 보안제공모듈(230)에 해당하는 입출력부(300)에 해당하는 모니터에 출력된 좌표를 엑셀로 연동하여, 그래프에 점으로 표시되도록 소스 코드를 추가하는 것이 바람직하다.
이러한 추가를 위한 설계로 보안제공모듈(230)은 아두이노 보드(200)와 연동하여 입출력부(300)인 모니터에 출력되는 값을 실시간으로 전달받을 수 있는 엑셀의 매크로 기능을 사용할 수 있다. 즉, 보안제공모듈(230)에 의해 수행되는 데이터 전달을 위해 소스 코드에 라벨 출력 코드를 추가하는 것이 바람직하며, 엑셀의 그래프 기능을 이용해 전달받은 값을 실시간으로 그래프에 나타내도록 한다.
이를 위한 과정으로 (가) 보안제공모듈(230)에서 제공되는 입출력부(300)인 모니터에 출력된 아두이노 값을 받을 수 있는 엑셀의 매크로 기능을 입출력부(300)와 연결된 콘솔(Console)(400)에 설치하는 것이 바람직하고, (나) 보안제공모듈(230)에 해당하는 아두이노 소스 코드에 라벨을 추가하여 엑셀이 출력값을 인식할 수 있도록 하고, (다) 엑셀의 그래프 기능을 이용하여 입력받은 x, y 값을 그래프에 표시하도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 콘솔(400)에는 도 9와 같은 PLX-DAQ를 설치하되, PLX-DAQ는 엑셀의 매크로 기능을 기반으로 만들어진 프로그램으로, PLX-DAQ에 아두이노 보드(200)가 연결된 포트와 보드레이트를 알맞게 입력하면 입출력부(300) 상에서 연동이 가능할 수 있다.
이를 위해 아두이노 보드(200) 상의 아두이노 코드를 하기의 표 4와 같이 수정하도록 함으로써, 보안제공모듈(230)을 제공할 수 있다.
Figure 112020031477941-pat00059
즉, setup() 부분에 표 5의 하단과 같은 두 줄을 추가하되, CLEARDATA는 아두이노가 업로드될 때마다 정보를 초기화하는 기능, LABEL은 엑셀의 가로축 이름을 설정하는 역할을 수행할 수 있다.
Figure 112020031477941-pat00060
또한, 표 6과 같이 x,y 출력부에 두 줄을 추가함으로써, 위에서 설정한 엑셀의 가로축 이름 아래에 차례로 x,y 값이 전달되도록 할 수 있다.
이와 같은 추가를 통해 생성된 엑셀 그래프는 도 10과 같을 수 있다.
즉, 도 10은 아두이노 데이터를 엑셀로 전달한 예시로, 엑셀의 그래프 기능을 이용해 x, y값을 그래프로 시각화한 것이다. 결론적으로 상술한 x,y값을 엑셀로 시각화함으로써, 네개의 지오폰을 이용하여 충격이 감지된 곳을 검지하는 보안시스템이 제공될 수 있도록 할 수 있다.
상술한 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1) 기반으로 범위 제한 및 반복 실행이 가능하도록 하는 아두이노 보드(200) 상의 설정모듈(240)을 위한 코드 수정에 대해서 살펴보도록 한다.
이를 위해 x,y 값을 획득하기 위해 작성한 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)의 소스 코드를 보안 시스템에 활용하기 위해서는 아두이노 보드(200)의 설정모듈(240)은 정해진 범위 내의 충격만 인식(건물 내부의 이동)해야 하고 타격을 여러 번 인식(경로 추적)할 수 있어야 한다.
이에 따라 아두이노 보드(200) 상의 설정모듈(240)은 시간차를 두고 반복적으로 타격을 인식할 수 있도록 소스 코드를 추가 함으로써 생성되며, 상술한 엑셀로 시각화한 연동한 그래프에 실시간으로 타격 지점을 출력할 수 있도록 한다.
즉, 아두이노 보드(200) 상의 설정모듈(240)은 x,y 값을 획득하기 위해 작성한 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)의 소스 코드에 범위에 제한을 주어 그 범위 내의 진동만 좌표가 출력되도록 코드를 추가하여 생성되며, 또한 좌표를 출력하는 조건문이 반복 실행될 수 있도록 코드를 수정하는 생성되는 것이 바람직하다.
이를 위해 (가) 아두이노 보드(200) 상의 설정모듈(240)은 계산한 좌표값에 제한을 주어 지정된 범위 밖에서 좌표가 입력되면 그래프에 출력하지 않도록 하며, (나) 아두이노 보드(200)의 시각화모듈(250)은 좌표를 그래프에 출력하고 10초가 지난 뒤 새로운 좌표를 구하도록 코드 수정을 통해 생성될 수 있다.
이에 따라 먼저, (1) 아두이노 보드(200)의 아두이노 코드를 하기의 표 7과 같이 수정함으로써, 아두이노 보드(200) 상의 설정모듈(240)을 생성하는 것이 바람직하다.
Figure 112020031477941-pat00061
즉, x,y 출력부에 도표 7과 같은 조건문을 추가함으로써, 아두이노 보드(200) 상의 설정모듈(240)이 생성되고 아두이노 보드(200) 상의 설정모듈(240)은 진동이 설정한 공간 내부에서 발생했을 경우에만 엑셀에 좌표값을 전달하도록 할 수 있다.
Figure 112020031477941-pat00062
또한, 아두이노 보드(200) 상의 설정모듈(240)은 x,y 출력부 이후에 상술한 표 8과 같은 다섯줄을 소스 코드로 추가하여 생성되는 것이 바람직하다. 아두이노 보드(200)의 시각화모듈(250)은 a,b,c,d를 0으로 초기화하여 if문이 다시 실행될 수 있도록 작동하며, 10초의 지연을 주어 진동이 중복되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
최종적으로 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)에 아두이노 보드(200) 상의 설정모듈(240)에 의해 시각화·범위 제한·반복실행을 추가함으로써, 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)을 보안 시스템으로 활용할 수 있도록 할 수 있다.
마지막으로, 상술한 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1) 기반으로 터치스크린 제공방식에 대해서 살펴보도록 한다.
즉, 여기서는 출력된 좌표값을 마우스 클릭으로 대신하는 코드를 제공하도록 함으로써, 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)에 대해서 터치스크린으로 하여 활용하기 위해 입출력부(300)에 출력한 좌표값을 마우스 클릭으로 사용할 수 있도록 하는 장치를 준비하고 소스 코드를 추가함으로써, 시각화모듈(250)을 생성하도록 할 수 있다.
다시 말해 아두이노 보드(200)의 시각화모듈(250)은 지오폰 4개를 이용하여 충격을 가한 위치의 좌표를 계산하므로, 컴퓨터에서 계산된 좌표에 해당하는 지점에 마우스 커서를 옮기고 클릭하도록 하는 소스 코드를 추가하여 생성되고, 추가로 상술한 설정모듈(240)을 위해 추가된 반복 실행 코드도 아두이노 보드(200)의 시각화모듈(250)에 함께 적용하는 것이 바람직하다.
이를 위해 (가) 아두이노 보드(200)의 시각화모듈(250)은 아두이노 보드(200)의 출력값을 Visual Studio 2019로 전달할 수 있는 코드를 추가되고, (나) 아두이노 보드(200)와 연동되는 콘솔(400) 범위 밖에서 마우스를 제어할 수 있는 C 코드가 콘솔(400) 상에 추가하는 것이 바람직하다.
이에 따른 (1) 아두이노 보드(200)의 시각화모듈(250)을 위한 아두이노 코드 수정은 하기의 표 9와 같을 수 있다.
Figure 112020031477941-pat00063
즉, x,y 출력부에 표 9와 같은 세 줄을 추가한다. 위의 두 줄은 Visual Studio에서 입력받는 값의 이름을 전달하기 위한 것이고, 마지막에 e를 출력하는 것은 전달의 종료(end)를 의미한다.
다음으로, (2) 콘솔(400) 상의 Visual Studio에서 아두이노 보드(200)로부터 값을 받을 수 있도록 C 소스 코드를 생성하는 것이 바람직하다.
상술한 엑셀로 아두이노의 값을 받았던 것처럼, Visual Studio에서도 아두이노의 값을 받을 수 있다. 그러나 Visual Studio에는 PLX-DAQ와 같은 매크로 프로그램이 마련되어 있지 않기 때문에, 여러 소스 파일을 조합하여 값을 전달하는 것이 바람직하다.
즉, 도 11과 같이, 5개의 소스 파일을 조합하기 때문에 코드가 길고 복잡하여 소스 코드 자체는 싣지 않으며, 원리는 PLX-DAQ와 마찬가지로 연결된 포트와 보드레이트를 맞추어 형식에 맞게 값을 전달하는 것이 바람직하다.
다음으로, (3) 콘솔(400) 상의 Visual Studio에서 마우스 제어용 소스 코드 추가에 대해서 살펴보도록 한다.
Figure 112020031477941-pat00064
한편, 헤더라인에 #include<windows.h>을 추가하면 마우스를 제어하는 함수를 사용할 수 있으며, SetCursorPos는 모니터의 왼쪽 위를 (0, 0)으로 하여 위치로 마우스를 (x, y)로 이동시키는 함수이다.
mouse_event는 마우스에 특정 행동을 지시하는 함수로, 뒤에 MOUSEEVENTF_LEFTDOWN을 입력할 경우 마우스 왼쪽 버튼이 내려간 효과를, MOUSEEVENTF_LEFTUP을 입력할 경우 마우스 왼쪽 버튼이 올라간 효과를 적용하므로 두 개를 연속으로 입력하면 마우스 왼쪽 버튼 클릭 기능을 사용할 수 있다.
한편, 터치스크린을 이용해 도 12와 같이 버튼 4개를 작동시킬 것이다. 그러나 아두이노 보드(200)에서 전달한 x, y 값은 왼쪽 아래를 (0, 0)으로 하였고, 모니터와 비율도 다르기 때문에 값의 보정이 필요하다. 도 12에서 왼쪽 공백의 폭이 335, 전체 높이가 865임을 실험적으로 측정하여 위의 소스 코드에 보정하는 것이 바람직하다.
결론적으로 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)에서 Visual Studio 연동 기능과 마우스 제어 기능을 추가함으로써, 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)을 터치스크린으로 활용할 수 있다.
다음으로, 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1) 기반으로 한 "터치스크린 상으로 파워포인트 화면 작동 구현"을 수행하는 아두이노 보드(200)의 추적모듈(260)에 대해서 살펴보도록 한다.
즉, 아두이노 보드(200)의 추적모듈(260)의 기능을 수행하기 위해 입출력부(300)에 해당하는 터치스크린을 콘솔(400)에 해당하는 컴퓨터에 연결, PPT 화면을 준비한다. 터치스크린 화면에 간단한 버튼을 부착하여 터치스크린 화면을 작동하도록 할 수 있다.
이를 위해 터치스크린을 위한 정사각형을 4개로 분할하는 버튼 모양의 PPT 화면을 제작하되, "출력된 좌표값을 마우스 클릭으로 대신하는 코드 작성" 과정에서 보완한 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)의 아두이노 보드(200)를 콘솔(400)에 해당하는 컴퓨터에 연결하여 아두이노 보드(200)의 추적모듈(260)에 의해 각각의 버튼마다 다른 화면이 재생되도록 할 수 있다.
즉, (가) 화면의 가운데에 정사각형을 4개로 분할하는 버튼 모양의 PPT를 제작하며, (나) 아두이노 보드(200)의 추적모듈(260)은 각각의 버튼에서 위치가 감지될 경우 그 버튼이 클릭되었음을 보여주는 화면을 재생하고, 여백의 위치가 감지될 경우 경고 메시지를 출력하도록 한다.
도 13을 참조하여 제작된 PPT 화면을 살펴보면, 가장 위의 메인 화면에서 각 버튼이 클릭될 경우 오른쪽 아래와 같이 그 버튼이 클릭되었음을 알려주는 화면이 재생되도록 하이퍼링크를 설정하였다. 여백이 클릭될 경우 왼쪽 아래와 같이 경고 메시지가 재생되도록 하이퍼링크를 설정하였다. 추가로 오른쪽 위의 BACK 버튼을 누를 경우 메인 화면으로 돌아가도록 설정하여 반복 실행 코드를 추가한 것에 의미를 더했다.
결론적으로, 실제로 터치스크린을 실험해본 결과, 높은 정확도로 알맞은 버튼이 클릭되었다. 현재보다 더 정확도를 개선한다면 버튼을 더 세분화하여 실제로 터치스크린에 활용할 수 있을 것이다.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.
또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
1 : 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템
100a : A 지오폰
100b : B 지오폰
100c : C 지오폰
100d : D 지오폰
200 : 아두이노 보드
210 : 정보수집모듈
220 : 위치추적모듈
230 : 보안제공모듈
240 : 설정모듈
250 : 시각화모듈
260 : 추적모듈
300 : 입출력부
400 : 콘솔

Claims (5)

  1. A 지오폰(100a), B 지오폰(100b), C 지오폰(100c), D 지오폰(100D)이 충격발생 지점(P)의 주변에 정사각형 모양으로 배치되며, 그리고 아두이노 보드(200), 입출력부(300), 콘솔(400)을 포함하고, 각 지오폰과 아두이노 보드(200)가 신호 및 데이터 송수신을 위해 연결된 구조의 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)에 있어서,
    상기 아두이노 보드(200)는,
    지오폰 4개에서 충격을 감지하는 시각으로, A 지오폰(100a): T1 , B 지오폰(100b): T2, 지오폰(C): T3, D 지오폰(100d): T4 , 진동이 발생한 시각을 t0로 설정한 상태에서 각 설정된 정보를 A 지오폰(100a), B 지오폰(100b), C 지오폰(100c), D 지오폰(100d)로부터 수집을 수행하고, 지진파의 속도는 v, 정사각형의 한 변의 길이를 d로 설정하는 정보수집모듈(210);
    Figure 112021095618747-pat00065
    ,
    Figure 112021095618747-pat00066
    로 설정하여 진앙의 좌표를
    Figure 112021095618747-pat00067
    ,
    Figure 112021095618747-pat00068
    를 통해 획득하는 위치추적모듈(220);
    입출력부(300)인 모니터에 출력되는 값을 실시간으로 전달받을 수 있는 엑셀의 매크로 기능을 사용하되, 데이터 전달을 위해 소스 코드에 라벨 출력 코드를 추가하여 생성되며, 엑셀의 그래프 기능을 이용해 전달받은 값을 실시간으로 그래프로 출력하는 보안제공모듈(230);
    충격 감지 범위 제한 및 반복 실행이 가능하도록 하되, x,y 값을 획득하기 위해 작성한 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템(1)의 소스 코드를 보안 시스템에 활용하기 위해서는 정해진 범위 내의 충격만 인식해야 하고 타격을 여러 번 인식하되, 시간차를 두고 반복적으로 타격을 인식할 수 있도록 소스 코드를 추가 함으로써 생성되며, 엑셀로 시각화한 연동한 그래프에 실시간으로 타격 지점을 출력하는 설정모듈(240);
    지오폰 4개를 이용하여 충격을 가한 위치의 좌표를 계산하여 그래프에 출력하는 시각화모듈(250); 및
    네개의 지오폰을 활용하여 획득한 x,y값을 엑셀로 시각화되도록 생성시킨 엑셀 그래프를 이용하여 상기 입출력부(300)에서 출력한 좌표값을 마우스 클릭으로 사용할 수 있도록 터치스크린을 위한 정사각형을 4개로 분할하는 버튼 모양의 PPT 화면을 각각의 버튼마다 다른 화면이 재생되도록 하고,
    상기 PPT 화면의 메인 화면에서 각 버튼이 클릭될 경우 그 버튼이 클릭되었음을 알려주는 화면이 재생되도록 하이퍼링크를 설정하고, 여백이 클릭될 경우 경고 메시지가 재생되도록 하이퍼링크를 설정하며, 추가로 BACK 버튼을 누를 경우 메인 화면으로 돌아가도록 설정하여 반복 실행하는 추적모듈(260);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 지오폰을 활용한 진앙지의 위치 감지 시스템.
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