KR102388194B1 - The Self-sensing data monitoring system using carbon nanotube composite and method thereof - Google Patents
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Abstract
실시예는 구조물을 구성하는 복수의 구조 부재 표면에 코팅 방식에 의해 부착되어 있는 복수의 탄소나노튜브 센서로부터 저항값을 읽어 변형률을 분석하는 복수의 센싱 모듈; 상기 복수의 센싱 모듈에서 분석된 복수의 변형률을 유선통신을 통해 수신 후 무선으로 데이터베이스 서버로 전송하는 데이터로거; 상기 데이터로거에서 무선통신을 통해 전송 받은 변형률을 데이터베이스에 저장하는 데이터베이스 서버; 및 상기 데이터베이스 서버로부터 변형률을 조회하고 사용자에게 가시화하여 제공하는 단말을 포함하는 탄소나노튜브 센서를 활용한 셀프센싱 데이터 모니터링 시스템을 제공한다. 따라서, 기존 방식의 센서가 필요 없는 새로운 개념의 구조물 건전성 모니터링 시스템을 구축하여 유지관리 업무 효율을 증진시키고 비용을 최소화할 수 있다.The embodiment includes: a plurality of sensing modules for analyzing strain by reading resistance values from a plurality of carbon nanotube sensors attached to the surfaces of a plurality of structural members constituting a structure by a coating method; a data logger that receives a plurality of strain rates analyzed by the plurality of sensing modules through wired communication and wirelessly transmits them to a database server; a database server that stores the strain received from the data logger through wireless communication in a database; And it provides a self-sensing data monitoring system using a carbon nanotube sensor including a terminal that inquires the strain rate from the database server and provides the visualization to the user. Therefore, it is possible to improve maintenance work efficiency and minimize costs by establishing a new concept structure health monitoring system that does not require a conventional sensor.
Description
본 발명은 건축물의 셀프센싱 데이터 모니터링 시스템 및 그 방법에 대한 것이다.The present invention relates to a self-sensing data monitoring system for a building and a method therefor.
더욱 상세하게는 구조물에 대하여, 탄소나노튜브 센서를 활용한 셀프센싱 데이터 모니터링 시스템 및 그 방법에 대한 것이다.More specifically, it relates to a self-sensing data monitoring system and method using a carbon nanotube sensor for a structure.
한국은 급속한 경제발전과 함께 대형건설공사가 급증하여 왔으나 이러한 시설물의 노후화 등으로 인한 안전성 문제가 대두되면서 기존 시설물에 대한 유지관리의 필요성이 가속화되고 있다.In Korea, the number of large-scale construction projects has increased rapidly along with rapid economic development. However, as safety issues arise due to deterioration of these facilities, the need for maintenance of existing facilities is accelerating.
일반적으로 구조물의 건전성 모니터링은 구조물의 취약 부분을 구조 실험 및 시뮬레이션 기법을 통하여 예측한 뒤 취약 부분을 중심으로 하여 수많은 종류의 센서를 부착하여 그로부터 나오는 신호 변화를 감지하여 구조물의 상태를 평가하는 유선 기반의 데이터 계측방식을 사용해 왔다.In general, the health monitoring of a structure is a wired-based method that predicts the weak part of the structure through structural experiments and simulation techniques and then attaches numerous types of sensors around the weak part to detect the signal change from the weak part and evaluate the state of the structure. of data measurement method has been used.
그러나, 구조물 전체에 적용되는 많은 센서, 케이블, 장비 등은 유지관리 비용의 막대한 증가로 이어지고, 구조물의 위치에 따라 센서 부착, 측정 및 관리의 어려움이 발생하고, 다양한 환경 하에서의 수많은 센서 및 케이블 손실에 따른 신호 단절에 의해 효과적인 구조물 모니터링이 이루어지는데 한계가 있다.However, many sensors, cables, and equipment applied to the entire structure lead to a huge increase in maintenance costs, and depending on the location of the structure, difficulties in sensor attachment, measurement and management occur, and loss of numerous sensors and cables under various environments. There is a limit to effective structure monitoring due to signal cutoff.
한편, 최근 나노 재료를 통한 신개념 건설 재료에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.On the other hand, recently, research on new concept construction materials through nanomaterials is being actively conducted.
특히, 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube)를 이용하는 다기능성 건설 재료는 하중에 따라 다른 전기적 신호를 가지게 되어 구조물 손상 및 내구성 변화에 따른 구조물의 건전성 상태를 평가하는데 획기적인 방법으로 제안되고 있다.In particular, multi-functional construction materials using carbon nanotubes (CNTs) have different electrical signals depending on the load, and thus have been proposed as an innovative method for evaluating the soundness of structures according to structural damage and changes in durability.
또한, 주기적으로 인력에 의해 구조물을 관리하던 기존의 방식은 센서, 통신, IT 기술의 발전과 함께 무선통신이나 첨단 센서들을 활용하는 첨단 기술이 융합된 원격 모니터링 시스템으로 전환되고 있는 추세이다.In addition, the existing method of periodically managing structures by manpower is being converted to a remote monitoring system that combines advanced technologies using wireless communication or advanced sensors along with the development of sensors, communication, and IT technologies.
이에, 4차산업혁명과 함께 사물인터넷 기술을 통해 다양한 사물, 데이터, 프로세스를 유기적으로 연결하여 지능화된 융합 서비스를 자율적으로 제공하는 인프라가 구축되고 있고, 특히 재난·안전 등의 분야에서도 적용 시도가 늘고 있다.Accordingly, along with the 4th industrial revolution, an infrastructure is being built to autonomously provide intelligent convergence services by organically connecting various objects, data, and processes through IoT technology. is increasing
본 발명은 탄소나노튜브 셀프센싱 데이터 모니터링을 위한 방법을 개발하며, IT 기술 및 시스템 기술 등을 융합하여 IoT 기반의 탄소나노튜브 셀프센싱 모니터링 시스템을 제공하고자 한다.The present invention develops a method for monitoring carbon nanotube self-sensing data, and aims to provide an IoT-based carbon nanotube self-sensing monitoring system by converging IT technology and system technology.
실시예는 구조물에 배치되며, 상기구조물을 구성하는 복수의 구조물 표면에 부착되어 있는 복수의 탄소나노튜브 센서로부터 저항값을 읽어 변형률을 분석하는 센싱모듈; 상기 센싱모듈에서 분석된 복수의 변형률정보를 유선통신을 통해 메인 데이터베이스서버로 전송하는 데이터로거 모듈; 데이터로거에서 무선통신을 통해 전송 받은 변형률을 데이터베이스에 저장하는 메인데이터베이스 서버; 상기 메인데이터베이스 서버로부터 변형률을 조회하여 사용자에게 가시화하고 센싱모듈의 관리속성값을 설정하는 웹대쉬보드; 상기 센싱모듈과 블루투스 통신을 통해 센싱모듈의 설정값을 조회 및 관리하고 변형률을 조회하는 사용자 단말을 포함하는 탄소나노튜브 센서를 활용한 셀프센싱 데이터 모니터링 시스템을 제공한다.Embodiments include: a sensing module disposed in a structure and analyzing the strain by reading resistance values from a plurality of carbon nanotube sensors attached to the surfaces of a plurality of structures constituting the structure; a data logger module for transmitting a plurality of strain information analyzed by the sensing module to a main database server through wired communication; a main database server that stores the strain received from the data logger through wireless communication in a database; a web dashboard for inquiring the strain rate from the main database server, making it visible to the user, and setting management attribute values of the sensing module; Provided is a self-sensing data monitoring system using a carbon nanotube sensor including a user terminal that inquires and manages the setting value of the sensing module through Bluetooth communication with the sensing module and inquires a strain rate.
상기 사용자 단말은 상기 센싱모듈의 설정값을 조회 및 관리하고 변형률을 조회할 수 있는 안드로이드기반 어플리케이션이 실행될 수 있다.The user terminal may execute an Android-based application capable of inquiring and managing the setting value of the sensing module and inquiring the strain rate.
상기 센싱모듈은 상기 구조물에 배치되는 복수의 탄소나노튜브 센서로부터 주기적으로 전기저항값을 수신하며, 이를 유선통신을 통해 데이터로거로 전송할 수 있다.The sensing module may periodically receive electrical resistance values from a plurality of carbon nanotube sensors disposed in the structure, and transmit them to a data logger through wired communication.
상기 데이터로거는 상기 센싱모듈에서 유선통신을 통해 받은 복수의 변형률 정보를 무선통신을 통해 데이터베이스 서버로 전송할 수 있다.The data logger may transmit a plurality of strain information received from the sensing module through wired communication to the database server through wireless communication.
상기 데이터베이스 서버는 상기 데이터로거에서 유선으로 전송받은 변형률값을 저장할 수 있다.The database server may store the strain value transmitted from the data logger by wire.
상기 어플리케이션은 블루투스 통신을 통해 상기 센싱모듈의 관리속성값을 설정하고 상기 데이터베이스서버의 변형률정보를 조회하여 디스플레이에 정보를 표시할 수 있다.The application may set the management attribute value of the sensing module through Bluetooth communication and display the information on the display by inquiring the strain information of the database server.
상기 웹대쉬보드는 상기 메인데이터베이스 서버로부터 변형률을 조회하여 사용자에게 가시화하고 센싱모듈의 관리속성값을 설정할 수 있다.The web dashboard may inquire the strain rate from the main database server, make it visible to the user, and set the management attribute value of the sensing module.
실시예는 기존의 센서가 필요 없는 새로운 개념의 구조물 건전성 모니터링 시스템을 구축하여 유지관리 업무 효율을 증진시키고 비용을 최소화할 수 있다. 그리고, 사물인터넷 기반의 연결 지능 인프라를 활용하여 재난이나 사고의 징후를 나타내는 다양한 결함 및 위험요인 등을 조기에 감지할 수 있도록 하는 등 재난, 사고 등에 대한 안전 관련 기술을 비약적으로 발전시킬 수 있다.The embodiment may build a new concept structure health monitoring system that does not require an existing sensor to improve maintenance work efficiency and minimize costs. In addition, it is possible to dramatically develop safety-related technologies for disasters and accidents, such as enabling early detection of various defects and risk factors that indicate signs of a disaster or accident by using IoT-based connected intelligence infrastructure.
또한, 구조물의 유지관리뿐만 아니라 앞으로 스마트 시티 구현을 위해 다양하게 적용될 수 있는 기반 기술에 적용 가능하다.In addition, it is applicable not only to the maintenance of structures, but also to the base technology that can be applied variously for the realization of a smart city in the future.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 센서를 이용한 셀프센싱 데이터 모니터링 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 구조물에 적용되는 탄소나노튜브 센서의 일 예를 도시한 것이다.도 3은 도 1의 구조물에 적용되는 센싱 모듈을 나타내는 일 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 계층도를 도시한 것이다.
도 5는 도 1의 모니터링 시스템의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 6은 분산제에 따른 탄소나노튜브-폴리머 복합체의 전기전도도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 인장율에 따른 저항 변화율을 나타내는 그래프이다.1 is a block diagram of a self-sensing data monitoring system using a carbon nanotube sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows an example of a carbon nanotube sensor applied to the structure of FIG. 1. FIG. 3 shows an example of a sensing module applied to the structure of FIG. 1 .
4 shows a hierarchical diagram according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating an operation of the monitoring system of FIG. 1 .
6 is a graph showing a comparison of the electrical conductivity of the carbon nanotube-polymer composite according to the dispersant.
7 is a graph illustrating a resistance change rate according to a tensile rate.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component. and/or includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When an element is referred to as being “connected” or “connected” to another element, it is understood that it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 센서를 이용한 셀프센싱 데이터 모니터링 시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1의 구조물에 적용되는 탄소나노튜브 센서의 일 예를 도시한 것이고, 도 3은 도 1의 구조물에 적용되는 센싱 모듈을 나타내는 일 예를 도시한 것이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 계층도를 도시한 것이다. 1 is a block diagram of a self-sensing data monitoring system using a carbon nanotube sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 shows an example of a carbon nanotube sensor applied to the structure of FIG. 1, FIG. 3 1 shows an example of a sensing module applied to the structure of FIG. 1, and FIG. 4 shows a hierarchical diagram according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 센서(1)를 이용한 셀프센싱 데이터 모니터링 시스템은 구조물(100)에 배치되어 있는 복수의 탄소나노튜브 센서(1) 및 상기 탄소나노튜브 센서(1)와 연결되어 구조물(100)을 이루는 구조 부재(17)에 각각 배치되며, 구조 부재(17)의 변형률을 연산하는 센싱 모듈(10), 각 구조물(100)에 대응하며, 센싱 모듈(10)로부터 유선통신을 통해 계산된 변형률을 수신하고 이를 데이터베이스 서버(200)에 전송하는 데이터로거(20), 상기 데이터로거(20)에서 무선통신을 통해 전송된 변형률을 데이터베이스에 저장하는 데이터베이스 서버(200), 그리고 상기 데이터베이스 서버(200)와 무선통신을 수행하면서 원하는 데이터를 요청하고 수신하여 디스플레이하는 사용자 단말(300)을 포함한다.Referring to FIG. 1 , a self-sensing data monitoring system using a
사용자 단말(300)은 데이터베이스 서버(200)로부터 분석한 변형률 및 그에 대한 알람 및 보완 내용 등에 대하여 정보를 수신하고, 이를 사용자에게 가시화하여 보여주며, 센싱 모듈(10)의 관리속성 값을 설정할 수 있는 웹 기반 프로세서로서, 웹 대쉬보드, PC, 태블릿 등을 포함할 수 있다.The
한편, 사용자 단말(300)은 안드로이드 기반 어플리케이션을 설치하여 상기 데이터베이스 서버(200)로부터의 데이터를 가공하여 디스플레이하며, 상기 센싱 모듈(10)로 상기 어플리케이션을 통해 직접 설정값을 전송하여 상기 센싱 모듈(10)과 통신 가능한 스마트폰(310), 태블릿 등일 수 있다. On the other hand, the
본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 센서(1)는, 센서의 한 종류로 볼 수 있으며, 구조물(100)의 구조 부재(17)에 부착되어 건설 단계에서부터 설치가능하다.The
일 예로, 구조물(100)을 형성하기 위한 콘크리트 부재(17) 등의 표면에 부착될 수 있으며, 표면 코팅 방식에 의해 바 타입 등의 형태로 형성될 수 있다.For example, it may be attached to the surface of the
이러한 탄소나노튜브 센서(1)의 일 예는 도 2에 도시되어 있다.An example of such a
즉, 도 2와 같이, 콘크리트 부재(17)를 이루는 6면체의 구조 부재(17)에 대하여, 필요한 면에 탄소나노튜브(12)가 분산되어 있는 센서(15, 16)가 형성될 수 있다That is, as shown in FIG. 2 , with respect to the hexahedral
이와 같은 센서(15, 16)는 도 2와 같이, 폴리머(11) 내에 탄소나노튜브(12)를 분산시켜 표면 코팅 방식으로 형성될 수 있다. 도 6을 참조하면, 탄소나노튜브(12)는 아세톤, 클로로폼 등과 같은 화합물로 분산시킬수록 전기전도도가 높아지는 것을 알 수 있다.
이때, 탄소나노튜브(12)가 폴리머(11) 내에서 균일하게 분산될 수 있도록 분산제를 사용할 수 있고, 폴리머(11)와 탄소나노튜브(12)의 복합체가 센서(15, 16)를 형성하며, 상기 센서(15, 16)의 양 단에 기준 전압 및 감지값을 인가하거나 읽어들이기 위한 전극(13)이 형성될 수 있다.At this time, a dispersing agent can be used so that the
이와 같은 탄소나노튜브 센서(15, 16)는 각 구조 부재(17)의 일 면 또는 여러면에 각각 배치되어 각 방향에 따른 변화량을 감지하여 감지 신호로서 센싱 모듈(10)에 전송할 수 있다. 즉, 탄소나노튜브 센서(15, 16)는 구조 부재(17)의 각 축에 따른 구조 변형에 의하여 각 축을 따라 설치된 탄소나노튜브 센서(15, 16)의 전달된 기준전압에 대한 저항값이 가변하게 된다. 따라서, 이와 같이 각 축 방향에 설치된 탄소나노튜브 센서(15, 16)의 변화된 저항값을 기초로 해당 구조 부재의 변형률이 연산 가능하다.Such
따라서, 각 구조 부재(17)에 대하여 각 축 방향마다의 탄소나노튜브 센서(15, 16)가 요구되며, 바람직하게는 x, y, z 방향 또는 각 면에 대하여 탄소나노튜브 센서(15, 16)가 필요한 방향으로 각각 설치 가능하다.Accordingly, the
이와 같은 각 구조블록(17)에 대한 탄소나노튜브 센서(15, 16)의 감지 신호를 수신하도록 각 구조 부재(17)마다 센싱 모듈(10)이 대응하여 배치될 수 있다.A
이때, 각 센싱 모듈(10)은 각 구조블록(17)에 탄소나노튜브 센서(15, 16)와 유선 연결되어 탄소나노튜브 센서(15, 16)로부터 각 감지 신호를 읽어들인다.At this time, each
각 구조물(100)은 건설이 완료된 단독 구조물(100)일 수 있으며, 건설이 완료된 도로, 철도, 교량, 항만, 댐 등의 사회기반시설 뿐만 아니라, 주택, 상가 등의 건축 구조물(100)이 이에 해당될 수 있다.Each
이와 같은 각 단위의 구조물(100)에 대하여 복수의 센싱 모듈(10)이 배치되어 있을 수 있다.A plurality of
앞서 설명한 바와 같이, 각 구조물(100)을 이루는 구조 부재(17) 마다 센싱 모듈(10)이 대응하도록 배치될 수 있으며, 각 센싱 모듈(10)은 연결된 복수의 탄소나노튜브 센서(1)로부터의 저항값을 감지 신호로서 수신하고, 이를 기초로 해당 구조 부재(17)의 변형률을 연산한다.As described above, the
이와 같은 센싱 모듈(10)은 온도 및 습도 환경정보와 같이 계산된 변형률 값을 유선으로 연결된 데이터로거(20)로 전송한다. 센싱 모듈(10)은 계측 속성값(한계값)이 기 설정되어 있을 수 있으나, 이와 달리, 사용자 단말(300)에서 직접 무선 통신을 통해 계측 속성값(한계값)을 설정받고, 이를 수신하고, 이에 따라 감지 가능하다. The
데이터로거(20)는 해당 구조물(100)의 전반적인 제어를 수행하는 구조물(100) 메인 컨트롤 시스템 내에 포함될 수 있으며, 이와 같은 센싱 모듈(10)도 3에 도시되어 있다.The
도 3을 참고하면, 센싱 모듈(10)은 해당 구조물(100)에 적용된 복수의 탄소나노튜브 센서(1)로부터 설정된 주기에 따라 주기적으로 저항값을 감지신호로 수신하여 실시간으로 해당 구조블록(17)의 변형률을 계산하는 제어부와 데이터로거(20)로 계산된 변형률을 전송하는 전송부(22)를 포함한다.Referring to FIG. 3 , the
상기 전송부(22)는 무선 통신 또는 유선 통신을 통해 데이터로거(20)로 상기 변형률을 전송할 수 있다.The
데이터로거(20)가 해당 구조물(100)에 설치되어 있는 경우 유선 통신을 통해 데이터 전송 가능하나, 이에 한정되지 않는다.When the
즉, 데이터로거(20)가 구조물(100) 내에 설치된다 하더라도 구조 부재(17)와의 유선 연결 난이도에 따라 무선 통신 가능하다.That is, even if the
이때, 무선 통신으로는 와이파이, 블루투스 등의 통신 방식이 적용 가능하다.In this case, as the wireless communication, a communication method such as Wi-Fi or Bluetooth may be applied.
또한, 전송부(22)는 무선 통신을 통해 사용자 단말(300)과 직접 데이터 송수신 가능하며, 이를 통해 센서별 설정값을 직접 수신가능하고, 그에 따라 설정 변경 가능하다.In addition, the
센싱 모듈(10)은 주기적인 구동을 위한 전원제공을 위해 배터리(21)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 상용 전원을 수신할 수 있다.The
이러한 센싱 모듈(10)은 일 예로 아두이노(ARDUINO) 장치와 같이 간단한 연산 가능한 프로세서 모듈일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. The
한편, 데이터로거(20)는 각 구조물(100)에 대응하여 설치되어 있으며, 복수의 센싱 모듈(10)로부터 각각의 변형률 정보를 유/무선 통신을 통해 수신하고, 무선 통신, 일 예로 와이파이, 블루투스 등과 같은 무선 통신 방식을 통해 데이터베이스 서버(200)로 전송한다.Meanwhile, the
데이터로거(20)는 수신한 변형률을 주기에 따라 데이터베이스 서버(200)로 전송하는 역할을 수행하고, 데이터베이스 서버(200)로부터의 제어 명령을 수신하면, 이를 구조물(100) 메인 컨트롤 시스템으로 전달하는 역할을 선택적으로 수행할 수 있다.The
도 4를 다시 도 1과 함께 참고하면, 데이터베이스 서버(200)는 구조물(100)의 외부에 배치되며, 복수의 구조물(100)에 대한 변형률, 일 예로 탄소나노튜브 센서(1)로부터의 저항값에 대한 정보를 수신하고, 이를 분석하여 각 구조물(100)의 현재 상태에 대한 판단을 수행할 수 있으며, 각 구조물(100)에서 발생할 수 있는 위험 및 발생한 위험에 대한 경고 및 대책을 생성할 수 있다.Referring back to FIG. 4 together with FIG. 1 , the
이러한 경고 및 대책에 대하여 제어 명령으로 데이터로거(20)로 전송가능하며, 데이터로거(20)가 구조물(100)의 메인 제어 시스템에 전달하여 구조물(100)에 대한 변형률 보상이 가능해진다.With respect to these warnings and countermeasures, it is possible to transmit a control command to the
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 셀프센싱 데이터 모니터링 시스템은 하나의 구조물(100)에 대하여 각 구조물(100)을 이루는 구조 부재(17)를 각각의 센서 노드로 정의할 때, 각 센서 노드에 축방향을 따라 설치되는 복수의 탄소나노튜브 센서(1), 각 센서 노드마다 배치되는 센싱 모듈(10), 각 구조물에 대응하여 배치되는 데이터 로거(20) 및 데이터 로거(20)로부터 변형률을 수신하는 외부의 데이터베이스 서버(200)가 각 계층을 이루어 복수의 구조물에 대한 센서 단위의 데이터 모니터링이 진행될 수 있다. As such, in the self-sensing data monitoring system according to an embodiment of the present invention, when defining the
한편, 해당 경고 및 대책에 대하여 사용자 단말(300)에 다양한 인터페이스를 통해 정보를 제공할 수 있으며, 이를 위한 알고리즘 등의 실행이 가능하다.Meanwhile, information about the corresponding warning and countermeasures may be provided to the
이와 같은 데이터베이스 서버(200)는 사용자 단말(300)과 통신하면서 통합 요청 항목으로 탄소나노튜브 센서(1)가 부착되는 구조물의 강도/손상 모니터링, 탄소나노튜브 센서(1)의 손상 모니터링 또는 콘크리트 구조물(100)의 건전성 모니터링 등에 대한 요청 및 요청에 대한 분석이 가능하다.Such a
한편, 메타 데이터 관리로서, 데이터베이스 서버(200)는 외부에 배치되는 데이터베이스에 각 주기의 저항값, 즉 감지값을 로 데이터(raw data)로 저장할 수 있으며, 각 분석값, 즉 구조 부재의 변형률 및 위험성 판단 결과 등 또한 저장 가능하다.On the other hand, as metadata management, the
또한, 저장되는 데이터로서, 탄소나노튜브 센서(1)의 저항 계측값, 온도 및 습도 계측값, 분석 알고리즘 자체를 저장 가능하고, 사용자 단말(300)로의 데이터 제공을 위한 가독성 향상 알고리즘, 데이터 흐름 기록, 및 콘크리트 구조물(100) 건전성 모니터링 관련 문서를 저장할 수 있다.In addition, as the data to be stored, it is possible to store the resistance measurement value, temperature and humidity measurement value, and the analysis algorithm itself of the
또한, 데이터베이스 서버(200)는 각 사용자 단말(300)에 제공 가능한 구조물(100) 모니터링 시스템의 어플리케이션 프로그램을 생성하고 배포할 수 있는 기능을 수행할 수 있으며, 업로드 및 다운로드 가능하도록 제공할 수 있다. 데이터베이스 서버(200)는 가독성 향상 알고리즘을 통해 분석된 계측값 또는 분석값을 해당 어플리케이션 프로그램에 맞추어 수정하여 제공할 수 있다.In addition, the
데이터베이스 서버(200)는 SQL 데이터 서버를 사용할 수 있다. The
데이터베이스 서버(200)는 관리자 단말(320)의 프로세서로 구현될 수 있으나, 복수의 구조물(100)에 대한 관리를 동시에 진행하는 경우, 별도의 데이터베이스 서버(200)가 단독으로 기능하며, 복수의 사용자 단말(300)에 위험 관리 정보를 제공할 수 있다.The
데이터베이스 서버(200)는 무선 네트워크를 통해 복수의 데이터로거(20)로부터 변형률을 수신하고, 이러한 무선 네트워크에 의해 수신되는 신호를 디코딩하여 센서 정보를 추출한다.The
상기 변형률 정보는 각 구조물(100)값에 대한 임계값과 비교하고, 상기 센서 정보 및 비교값에 대한 정보를 데이터베이스에 저장한다.The strain information is compared with a threshold value for each
이러한 데이터베이스 서버(200)는 비교값에 따라 이상이 있는 경우, 해당 시간 PMIS 정보 등을 읽어 들여 구조물(100)과 이상이 있다고 판단되는 구조 부재(17)의 계측 이상 신호 사이의 상관 관계를 분석하여 원인을 파악하고, 그에 대한 대책을 생성한다.If there is an abnormality according to the comparison value, the
이하에서는 도 5 및 도 7을 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 센서(1)를 이용한 셀프센싱 데이터 모니터링 시스템의 전체 동작을 설명한다.Hereinafter, the overall operation of the self-sensing data monitoring system using the
도 5는 도 1의 모니터링 시스템의 동작을 나타내는 순서도이고, 도 7은 인장율에 따른 저항 변화율을 나타내는 그래프이다.5 is a flowchart illustrating an operation of the monitoring system of FIG. 1 , and FIG. 7 is a graph illustrating a resistance change rate according to a tensile rate.
먼저, 각각의 센싱 모듈(10)은 복수의 탄소나노튜브 센서(1)로부터 현재 주기에 복수의 감지값을 수신하고, 이를 기초로 변형률을 연산하여 데이터로거(20)로 전달한다. 데이터 로거(20)는 수신한 변형률을 해당 주기에 따라 데이터베이스 서버(200)로 전송한다(S10).First, each
데이터로거(20)은 현재 주기에 수신된 복수의 감지값 또한 신호처리하지 않은 상태의 로 데이터(raw data)로 무선 통신을 통해 데이터베이스 서버(200)로 전송할 수 있다(S20).The
데이터베이스 서버(200)는 이와 같은 감지값을 취합하고, 일 예로 탄소나노튜브 센서(1)로부터의 변형률을 수신할 수 있다.The
이때, 데이터베이스 서버(200)는 이와 같은 감지값을 다양한 알고리즘을 통해 분석을 수행할 수 있다. 일 예로 도 7과 같이 변형율에 따른 저항값 변화를 분석하여 크랙 여부를 판단할 수 있으며, 크랙이 있는 경우의 각 데이터를 기초로 현재 나타나는 그래프와의 근사성을 판단하여 현재 구조물(100)에 대한 크랙 여부를 판단할 수 있다(S30).In this case, the
다음으로, 데이터베이스 서버(200)는 해당 분석 값을 데이터베이스(400)에 저장할 수 있으며, 수신한 로 데이터 역시 해당 주기의 데이터로 함께 저장할 수 있다(S40).Next, the
이때, 데이터베이스 서버(200)는 분석 값에 의해 구조물(100)에서 발생할 수 있는 위험 또는 이와 같은 위험을 방지하기 위한 보상 값들을 연산할 수 있다.In this case, the
데이터베이스 서버(200)는 해당 위험 경고 또는 보상 값을 데이터로거(20)로 무선 통신을 통해 전송할 수 있다(S50).The
다음으로, 데이터베이스 서버(200)는 이와 같은 제어 명령에 대하여 사용자 단말(300)로 알람을 진행할 수 있다(S60).Next, the
이와 같은 보상 명령을 수신한 데이터로거(20)는 구조물(100)의 메인 컨트롤 시스템에 해당 보상 명령을 전달할 수 있으며, 메인 컨트롤 시스템을 통해 해당 구조물(100)의 온습도를 제어하여 저항값을 도 7b와 같이 균일하게 분석될 수 있도록 제어가능하다(S70).The
이와 같은 알람은 단말(300)의 어플리케이션에 맞추어 가공되어 표시될 수 있으며 어플리케이션 상에서 시각적 또는 청각적으로 알람이 진행될 수 있다.Such an alarm may be processed and displayed according to the application of the terminal 300 , and the alarm may be displayed visually or audibly on the application.
한편, 도 5와 같이, 사용자 단말(300)로부터 데이터베이스 서버(200)에 특정 데이터에 대한 요청 데이터가 수신될 수 있다(S80).Meanwhile, as shown in FIG. 5 , request data for specific data may be received from the
일 예로 특정 구조물(100)에 대한 저항값의 분석 요청이 수신되는 경우, 데이터베이스 서버(200)는 요청된 데이터에 따른 로 데이터를 분석하고, 분석 결과를 도출할 수 있다(S90).For example, when a request for analysis of the resistance value of the
다음으로, 데이터베이스 서버(200)는 분석 결과에 대하여 사용자 단말(300)에 제공하기 전, 사용자 단말(300)의 형태, 즉 pc 인지, 태블릿인지, 스마트폰인지 등에 따라 해당 어플리케이션에 최적화된 분석값의 형태로 가공한다(S110).Next, before providing the analysis result to the
이와 같은 데이터 가공은 사용자 단말(300)에서의 가독성을 향상시켜줄 수 있다.Such data processing may improve readability in the
데이터베이스 서버(200)는 가공된 데이터를 사용자 단말(300)에 전송하고(S120), 사용자 단말(300)은 수신한 데이터를 해당 어플리케이션의 인터페이스에 따라 디스플레이 할 수 있다(S140).The
데이터베이스 서버(200)는 전송한 데이터를 데이터베이스(400)에 저장하고 해당 데이터 요청에 대한 동작을 종료할 수 있다(S130).The
이와 같이, 데이터베이스 서버(200)에서 무선 통신을 통해 복수의 구조물(100)에 설치되어 있는 각 데이터로거(20)로부터 복수의 탄소나노튜브 센서(1)로부터의 감지값을 전송받아 해당 구조물(100)에 대한 분석, 예를 들어 강도/손상 모니터링, 건전성 모니터링 등을 진행할 수 있으며, 이를 가공하여 사용자 단말(300)에 제공할 수 있다.In this way, the
이상, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나 이는 예시에 불과한 것이다.Above, preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings, but these are merely examples.
해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various modifications and changes can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims.
1: 탄소나노튜브 센서 10: 센싱 모듈
20: 데이터로거 100: 구조물
200: 서버 300: 사용자 단말
310: 스마트폰 320: 관리자 단말1: carbon nanotube sensor 10: sensing module
20: data logger 100: structure
200: server 300: user terminal
310: smartphone 320: manager terminal
Claims (6)
상기 복수의 센싱 모듈에서 분석된 복수의 변형률을 유선통신을 통해 데이터베이스 서버로 전송하는 데이터로거;
상기 데이터로거에서 무선통신을 통해 전송받은 변형률을 데이터베이스에 저장하고, 상기 데이터베이스에 저장된 변형률을 기초로 각 계층을 이루어 상기 구조물에 대한 센서 단위의 건전성 모니터링을 수행하되, 상기 구조물에 상응하는 변형률에 따른 저항값 변화를 분석하여 상기 구조물의 크랙 발생 여부를 판단한 후 상기 구조물에서 발생 가능한 위험을 방지하기 위한 보상값을 연산한 후 상기 보상값에 기초하여 상기 구조물의 온습도를 제어하는 데이터베이스 서버; 및
상기 데이터베이스 서버로부터 변형률을 조회하고 가공하여 디스플레이를 제공하는 단말을 포함하되,
상기 복수의 탄소나노튜브 센서는 구조 부재 표면의 X축, Y축 및 Z축 방향에 대해 각각 설치되되,
상기 센싱 모듈은,
사용자 단말에 의해 설정된 상기 구조물의 계측 한계값에 따라 상기 구조 부재 표면의 X축, Y축 및 Z축 방향에 설치된 복수의 탄소나노튜브 센서에 의해 감지된 가변된 저항값을 이용하여 상기 구조 부재의 변형률을 계산하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 센서를 활용한 셀프센싱 데이터 모니터링 시스템.
A plurality of carbon nanotubes sensors formed in a bar type by a surface coating method are provided on each axis of the surfaces of a plurality of structural members constituting the structure, and the carbon nanotubes are installed along each axis by structural deformation along each axis of the structural member. A plurality of sensing modules for detecting a change in resistance value according to the reference voltage transmitted to the tube sensor to change the strain rate of the structural member, and for sensing the temperature and humidity of the structure-The carbon nanotube sensor includes each axis of the structure in the structure construction step Alternatively, carbon nanotubes are dispersed in a polymer on each side to form a surface coating method, and the carbon nanotubes are dispersed in the polymer including acetone and a fluoroform compound to increase electrical conductivity, uniformly in the polymer. a dispersing agent is used so as to be evenly dispersed, and electrodes for applying or reading a reference voltage and a sensed value are formed at both ends of the carbon nanotube sensor;
a data logger for transmitting a plurality of strain rates analyzed by the plurality of sensing modules to a database server through wired communication;
The data logger stores the strain received through wireless communication in a database, and performs sensor unit health monitoring for the structure by forming each layer based on the strain stored in the database, but according to the strain corresponding to the structure a database server that determines whether cracks occur in the structure by analyzing the resistance value change, calculates a compensation value for preventing a risk that may occur in the structure, and then controls the temperature and humidity of the structure based on the compensation value; and
Including a terminal that provides a display by inquiring and processing the strain rate from the database server,
The plurality of carbon nanotube sensors are respectively installed in the X-axis, Y-axis and Z-axis directions of the surface of the structural member,
The sensing module,
Using the variable resistance values detected by a plurality of carbon nanotube sensors installed in the X-axis, Y-axis and Z-axis directions of the surface of the structural member according to the measurement limit value of the structure set by the user terminal, A self-sensing data monitoring system using a carbon nanotube sensor, characterized in that the strain is calculated.
상기 사용자 단말은,
상기 데이터베이스 서버로부터 상기 변형률을 수신하여 분석하고, 상기 센싱 모듈의 관리속성값을 설정하고, 상기 센싱 모듈과 무선통신을 통해 상기 센싱모듈의 설정값을 조회 및 관리하고 변형률을 조회하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 센서를 활용한 셀프센싱 데이터 모니터링 시스템.
The method of claim 1,
The user terminal is
Receives and analyzes the strain rate from the database server, sets the management attribute value of the sensing module, inquires and manages the set value of the sensing module through wireless communication with the sensing module, and inquires the strain rate A self-sensing data monitoring system using carbon nanotube sensors.
상기 사용자 단말은 상기 센싱 모듈의 설정값을 조회 및 관리하고 변형률을 조회할 수 있는 안드로이드기반 어플리케이션이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 센서를 활용한 셀프센싱 데이터 모니터링 시스템.The method of claim 1,
The user terminal is a self-sensing data monitoring system using a carbon nanotube sensor, characterized in that an Android-based application capable of inquiring and managing the setting value of the sensing module and inquiring the strain is installed.
상기 센싱 모듈은 상기 구조물에 배치되는 복수의 탄소나노튜브 센서로부터 주기적으로 저항값을 수신하며, 변형률을 생성하여 이를 유선통신을 통해 상기 데이터로거로 전송하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 센서를 활용한 셀프센싱 데이터 모니터링 시스템.The method of claim 1,
The sensing module periodically receives resistance values from a plurality of carbon nanotube sensors disposed in the structure, generates a strain, and transmits it to the data logger through wired communication. Self-sensing data monitoring system.
상기 사용자 단말은 어플리케이션을 실행하여 블루투스 통신을 통해 상기 센싱 모듈의 관리속성값을 설정하고 상기 데이터베이스 서버의 변형률을 조회하여 디스플레이에 표시하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 센서를 활용한 셀프센싱 데이터 모니터링 시스템.5. The method of claim 4,
Self-sensing data monitoring system using a carbon nanotube sensor, characterized in that the user terminal executes an application, sets the management attribute value of the sensing module through Bluetooth communication, inquires the strain rate of the database server, and displays it on a display .
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KR102036150B1 (en) | 2019-01-16 | 2019-10-24 | 문형민 | The System for Sensing a Soil Settlement in Civil Engineering and Building Structures Constructed on the Ground in a Specific Area and Controlling Method for the Same |
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