KR102555161B1 - An Ultra-Low-Power Strain Sensing and Visualization Module for Long-term Structural Health Monitoring - Google Patents

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KR102555161B1 KR1020210025817A KR20210025817A KR102555161B1 KR 102555161 B1 KR102555161 B1 KR 102555161B1 KR 1020210025817 A KR1020210025817 A KR 1020210025817A KR 20210025817 A KR20210025817 A KR 20210025817A KR 102555161 B1 KR102555161 B1 KR 102555161B1
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Abstract

본 발명은 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템 및 계측방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조물에 부착 또는 매립되어, 구조물 정보를 표출하는 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측시스템으로서, 구조물에 부착 또는 매립되어 상기 구조물의 변형률을 측정하는 변형률 계측부; 상기 변형률 계측부에서 측정된 변형데이터를 인코팅하는 제어부; 및 인코딩 데이터를 디스플레이하는 디스플레이부; 및 상기 디스플레이부에 디스플레이된 인코팅 데이터를 스캔하여 디코딩하는 모바일단말 디코딩부; 및 디코딩된 데이터를 전송받아 관리하는 데이터관리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to an ultra-low power strain measurement system and measurement method having an information display function, and more particularly, to an ultra-low power strain measurement system attached to or embedded in a structure and having an information display function for expressing structure information, a strain measurement unit that is attached or embedded to measure the strain of the structure; a control unit encoding the strain data measured by the strain measurement unit; and a display unit displaying the encoded data; and a mobile terminal decoding unit for scanning and decoding the encoded data displayed on the display unit. And a data management unit for receiving and managing the decoded data.

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Figure 112021023147723-pat00006

Description

정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템 및 계측방법{An Ultra-Low-Power Strain Sensing and Visualization Module for Long-term Structural Health Monitoring}Ultra-low-power strain measurement system and measurement method with information display function {An Ultra-Low-Power Strain Sensing and Visualization Module for Long-term Structural Health Monitoring}

본 발명은 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템 및 계측방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 장기 구조 상태 모니터링을 위한 초저전력 변형률 측정 및 시각화 모듈에 관한 것이다. The present invention relates to an ultra-low power strain measurement system and measurement method having an information display function. More specifically, it relates to an ultra-low-power strain measurement and visualization module for long-term structural health monitoring.

구조 상태 모니터링(SHM)은 피로, 좌굴 및 균열 전파 식별과 같은 구조 부재의 정량적 거동 분석에 중요하다. 그러나 이전에 개발된 접근 방식은 전력 비효율 성과 데이터 관리 문제로 인해 장기 인프라 모니터링에 효과적으로 구현할 수 없는 문제가 존재한다.Structural condition monitoring (SHM) is important for quantitative behavioral analysis of structural members, such as identification of fatigue, buckling and crack propagation. However, previously developed approaches cannot be effectively implemented for long-term infrastructure monitoring due to power inefficiency and data management issues.

프리팹 (prefab) 구조물은 미리 만들어진 모듈단위의 구조를 현장에서 바로 블록형태로 시공하여 시공의 품질 및 효율성 향상에 큰 도움이 된다.A prefab structure is a great help in improving the quality and efficiency of construction by constructing a pre-made module unit structure in the form of a block right on site.

이러한 프리팹 부재를 제작시부터 시공시, 그리고 생애주기 동안 변형을 모니터링하기 위해서는 초저전력으로 데이터를 계측하고 수집할 수 있는 장치가 필요하다. 장기 데이터를 통해 만약 제작 시 과도한 데이터가 계측된다면 제품의 이상유무를 신속하게 알 수 있어 전체적인 구조물의 품질향상에 큰 도움이 된다.A device capable of measuring and collecting data with ultra-low power is required to monitor the deformation of such a prefab member from the time of manufacturing, during construction, and throughout its life cycle. Through long-term data, if excessive data is measured during manufacturing, it is a great help in improving the quality of the overall structure as it can quickly know if there is an abnormality in the product.

기존에는 프리팹의 품질관리를 위해 3D 스캐닝 기술을 중심으로 발전해왔다. 특히 연결부를 정밀하게 스캐닝하여 형상관리를 수행한다. In the past, 3D scanning technology has been developed for quality control of prefab. In particular, shape management is performed by precisely scanning the connection part.

그러나 이러한 3D 스캐닝 장비가 비싸고, 사용이 어려워 모든 부재를 관리하기 어려웠으며, 또한 시공 직후 시공의 품질을 판단하기 어려운 문제점이 존재한다. However, such 3D scanning equipment is expensive, difficult to use, difficult to manage all members, and also difficult to determine the quality of construction immediately after construction.

지난 몇 년 동안의 토목 구조적 실패로 인해 미래의 손실을 방지하기 위한 현재 주요 관심사인 구조 상태 모니터링(SHM)의 수요가 증가하였다. 노후화된 토목 구조물은 환경적 요인, 부하 및 설계 오류로 인해 시간이 지남에 따라 성능 및 상태가 감소함에 따라 대부분 치명적인 변형이 존재하고 있다. Civil structural failures over the past few years have increased the demand for Structural Condition Monitoring (SHM), a current major concern to prevent future losses. Most of the aged civil structures have fatal deformations as their performance and condition decrease over time due to environmental factors, loads, and design errors.

SHM은 구조의 철거 또는 유지 여부에 관계없이 의사 결정을 위한 상태 평가를 용이하게 하는 정량적 세부 정보를 제공한다. 유지 보수에 대한 적절한 대책은 안전성과 함께 서비스 가능성을 높인다. 최근 몇 년 동안 첨단 센싱 기술을 통해 고신뢰도 데이터 수집을 위해 정밀 장치를 사용할 수 있게 되었다. SHM provides quantitative details that facilitate condition assessment for decision-making, whether a structure should be demolished or maintained. Appropriate measures for maintenance increase serviceability along with safety. In recent years, advanced sensing technologies have made it possible to use precision devices for highly reliable data collection.

변위와 변형은 구조적 상태 평가의 두드러진 속성 중 하나이다. 그러나 SHM에서 사용되는 시스템에 대한 전력 소비, 설치 비용 및 데이터 관리와 같은 요소는 여전히 고려 중이다. Displacement and deformation are one of the salient properties of structural condition assessment. However, factors such as power consumption, installation cost and data management for systems used in SHM are still under consideration.

또한 비용 절감을 위해 기존의 유선 센서가 무선 센서로 대체되었다. 무선 센서 네트워크(WSN)는 여러 노드로 구성되어 있으며 민간 인프라 모니터링을 위해 배치되었다. Also, for cost reduction, the existing wired sensor has been replaced with a wireless sensor. A wireless sensor network (WSN) consists of several nodes and is deployed for civil infrastructure monitoring.

그러나 이러한 WSN은 전력 소비 및 데이터 관리와 같은 특정 제한에 직면했습니다. 효율적인 전력 관리를 위해 그리고 배터리 수명을 늘리기 위해 하드웨어 기반 솔루션 및 태양 에너지 수집 등이 고려될 수 있으나 이러한 방법은 일광이 없는 상태에서 비효율적인 전력 재충전으로 인해 여전히 어려운 문제이다. However, these WSNs faced certain limitations such as power consumption and data management. Hardware-based solutions and solar energy harvesting can be considered for efficient power management and to extend battery life, but these methods remain challenging due to inefficient power recharging in the absence of daylight.

또한 WSN은 서버 또는 노드 장애로 인해 통신 장애가 발생할 가능성이 높아 데이터 처리 오류가 발생할 수 있는 단점이 존재한다.In addition, the WSN has a disadvantage in that a data processing error may occur due to a high possibility of communication failure due to a server or node failure.

그리고 변형 시각화는 SHM이 이러한 문제를 해결하기 위한 최근의 개념이며 구조의 효율적인 장기 관리를 위해 통신없이 현장에서 구조 상태의 시각화가 연구되고 있다. 과거에는 변형률 시각화를 위해 광범위한 ML(mechanoluminescence) 재료가 사용되었다. In addition, deformation visualization is a recent concept for SHM to solve this problem, and visualization of structural conditions in the field without communication is being studied for efficient long-term management of structures. In the past, a wide range of mechanoluminescence (ML) materials have been used for strain visualization.

모든 ML 재료 중에서 SrAl2O4 : Eu (SAOE), SrAl2O4 : Eu 및 Dy (SAOED)는 이러한 재료의 광 강도가 기계적 부하를 받을 때 볼 수 있기 때문에 가장 효과적인 것으로 밝혀져있다. 그러나 ML 재료는 방출된 빛의 강도가 응력이 아닌 적용된 응력 비율에 의존하기 때문에 정적 모니터링에 적합하지 않다. 최근 연구는 단색 EL (electro-luminance) 기술을 기반으로 변형 시각화 시스템을 개발했으나, EL 패널은 AC 소스 구동 디스플레이 장치이다. EL 패널을 사용한 변형 시각화는 ML 재료 사용에 비해 효과적이지만 연속 활성 디스플레이에는 전력이 비효율적인 단점이 존재한다. EL 패널은 또한 빛의 강도에서 변형 응답을 얻기 위해 고해상도 카메라, 계산 능력 및 복잡한 알고리즘이 필요하다. 이는 EL 패널을 사용하는 통합 변형률 감지 장치의 비용을 증가시키게 된다.Among all ML materials, SrAl2O4: Eu (SAOE), SrAl2O4: Eu and Dy (SAOED) are found to be the most effective because the optical intensities of these materials can be seen when subjected to mechanical loading. However, ML materials are not suitable for static monitoring because the intensity of the emitted light depends on the applied stress ratio and not on the stress. Recent research has developed a strain visualization system based on monochromatic EL (electro-luminance) technology, but the EL panel is an AC source driven display device. Transformation visualization using an EL panel is more effective than using ML materials, but the disadvantage of continuous active display is power inefficiency. EL panels also require high-resolution cameras, computational power, and complex algorithms to achieve deformation response in light intensity. This increases the cost of an integrated strain sensing device using an EL panel.

따라서 효과적인 데이터 관리 기술과 함께 고신뢰도 및 초저전력형 변형 감지 및 시각화 모듈(SSVM)의 개발이 요구되었다. Therefore, the development of a high-reliability and ultra-low-power strain detection and visualization module (SSVM) along with effective data management technology was required.

대한민국 등록특허 10-2035070Korean Registered Patent No. 10-2035070 대한민국 등록특허 10-2035069Korean Registered Patent No. 10-2035069 대한민국 등록특허 10-2057916Korean Registered Patent No. 10-2057916 대한민국 공개특허 10-2006-0017666Republic of Korea Patent Publication 10-2006-0017666

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 부착(매립)이 용이하고 다채널 변형률 계측이 가능한 시스템을 통해 프리팹 부재의 품질을 제작시부터 조립시, 그리고 생애주기동안 모니터링할 수 있으며, 이를 통해 시공품질 향상에 기여할 수 있는, 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템 및 계측방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Therefore, the present invention has been made to solve the above conventional problems, and according to an embodiment of the present invention, when manufacturing the quality of a prefab member through a system capable of easy attachment (embedding) and multi-channel strain measurement Its purpose is to provide an ultra-low-power strain measurement system and measurement method with an information display function that can be monitored from the time of assembly and throughout the life cycle, and can contribute to the improvement of construction quality through this.

본 발명의 실시예에 따르면, 매립된 센서는 일정주기마다 프리팹 내부의 변형률을 계측하여 초저전력 E-paper를 통해 변형률 정보를 QR코드 등으로 인코딩하여 외부에 표출하며, 표출된 변형률 정보를 사람이 스마트폰 혹은 드론을 통해 취득할 수 있고, 취득한 데이터는 서버에서 보관되며, 관리자는 축적된 변형률 데이터를 기반으로 상태판단을 수행할 수 있는, 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템 및 계측방법을 제공하는데 그 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, the embedded sensor measures the strain inside the prefab at regular intervals, encodes the strain information into a QR code, etc. through ultra-low power E-paper and displays it to the outside, and the strain information expressed to a human Ultra-low power strain measurement system and measurement method that can be acquired through this smartphone or drone, the acquired data is stored in the server, and the manager can perform state judgment based on the accumulated strain data, with information display function Its purpose is to provide

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical problems that are not mentioned will become clear to those skilled in the art from the description below. You will be able to understand.

본 발명의 제1목적은, 구조물에 부착 또는 매립되어, 구조물 정보를 표출하는 변형률 계측 시각화모듈에 있어서, 구조물에 부착 또는 매립되어 상기 구조물의 변형률을 측정하는 변형률 계측부; 상기 변형률 계측부에서 측정된 변형데이터를 인코팅하는 제어부; 및 인코딩 데이터를 디스플레이하는 디스플레이부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형률 계측 시각화모듈로서 달성될 수 있다. A first object of the present invention is a strain measurement visualization module attached to or embedded in a structure and displaying structure information, comprising: a strain measurement unit attached to or embedded in a structure to measure strain of the structure; a control unit encoding the strain data measured by the strain measurement unit; It can be achieved as a strain measurement visualization module comprising a; and a display unit for displaying the encoded data.

그리고 \상기 제어부는 상기 변형데이터와 함께, 구조식별코드, 타임스탬프를 인코팅하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the control unit may encode a structure identification code and a timestamp together with the modified data.

또한 상기 제어부는 인코팅 데이터를 QR코드로 생성시키고, 상기 디스플레이부는 E페이퍼 디스플레이부로서, QR코드 형식으로 시각화하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the control unit generates the encoding data as a QR code, and the display unit, as an E-paper display unit, may be characterized in that it is visualized in a QR code format.

그리고 배터리에서 상기 제어부로 공급되는 전력을 관리하는 전력관리부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. And it may be characterized in that it further comprises a power management unit for managing the power supplied from the battery to the control unit.

또한 전력관리부는 제어부를 절전모드로 유지시키고, 트리거신호가 생성될 때만 활성화되도록 관리하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the power management unit may be characterized in that it maintains the control unit in a power saving mode and manages to be activated only when a trigger signal is generated.

그리고 상기 변형률 계측부는 하브프리지 회로, 24비트 아날로그 디지털 변환기, 스트레인게이지를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The strain measuring unit may include a half-freeze circuit, a 24-bit analog-to-digital converter, and a strain gauge.

또한 상기 전력관리부는, 알람과 타임스탬프를 생성하는 알람발생부와, 알람발생부에서의 알람신호 또는 푸쉬버튼에 의한 알람신호가 인가된 경우 트리거신호를 생성하여 상기 제어부에 전송하는 트리거신호발생부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the power management unit includes an alarm generating unit generating an alarm and a timestamp, and a trigger signal generating unit generating a trigger signal when an alarm signal from the alarm generating unit or an alarm signal by a push button is applied and transmitting the trigger signal to the control unit. It can be characterized by including.

본 발명의 제2목적은 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템에 있어서, 앞서 언급한 제1목적에 따른 변형률 계측 시각화모듈; 상기 변형률 계측 시각화 모듈의 디스플레이부에 디스플레이된 인코팅 데이터를 스캔하여 디코딩하는 모바일단말 디코딩부; 및 디코딩된 데이터를 전송받아 관리하는 데이터관리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템으로서 달성될 수 있다. A second object of the present invention is an ultra-low power strain measurement system having an information display function, comprising: a strain measurement visualization module according to the first object mentioned above; a mobile terminal decoding unit that scans and decodes the encoded data displayed on the display unit of the strain measurement visualization module; And a data management unit for receiving and managing the decoded data; it can be achieved as an ultra-low power strain measurement system having an information expression function comprising a.

그리고 상기 데이터관리부는 클라우드 서버의 데이터베이스이고, 상기 모바일 단말 디코딩부는 스마트폰 애플리케이션 또는 드론이고, 코드가 디코딩되었을 때 상기 클라우드 서버의 데이터베이스(DB)에 저장되는 것을 특징으로 할 수 있다. The data management unit is a database of a cloud server, the mobile terminal decoding unit is a smartphone application or a drone, and when a code is decoded, it may be stored in the database (DB) of the cloud server.

또한 상기 저장, 축적된 데이터를 기반으로 상기 구조물의 상태를 판단하는 분석수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, it may be characterized in that it further comprises an analysis means for determining the state of the structure based on the stored and accumulated data.

본 발명의 제3목적은 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측방법에 있어서, 변형률계측부, 전력관리부, 제어부, 디스플레이부에 대한 시스템 초기화 단계 파라미터를 설정하는 단계; 전력관리부가 시스템이 절전모드가 진행되도록 전력을 제어하는 단계; 알람발생부 또는 푸쉬버튼에 의해 알리신호가 인가되어 트리거 신호가 생성되는 단계; 전력관리부가 제어부에 전력을 공급하여 시스템이 활성화되도록 하고, 변형률계측부에서 측정된 변형데이터가 제어부에 의해 인코딩되는 단계; 디스플레이부가 인코딩된 데이터를 시각화하여 디스플레이하는 단계; 및 디스플레이가 완료되면 전력관리부는 시스템이 절전모드로 진행되도록 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측방법으로서 달성될 수 있다. A third object of the present invention is an ultra-low power strain measurement method having an information display function, comprising: setting parameters for a system initialization step for a strain measurement unit, a power management unit, a control unit, and a display unit; Controlling power by a power management unit so that the system enters a power saving mode; generating a trigger signal by applying an alert signal by an alarm generating unit or a push button; The power management unit supplies power to the control unit so that the system is activated, and the transformation data measured by the strain measurement unit is encoded by the control unit; visualizing and displaying the encoded data by a display unit; It can be achieved as an ultra-low power strain measurement method having an information display function, characterized in that it includes; and controlling the power management unit to proceed to a power saving mode when the display is completed.

또한 모바일 단말 디코딩부를 통해 상기 디스플레이부에 디스플레이된 인코팅 데이터를 스캔하여 디코딩하고, 디코딩된 데이터를 데이터관리부에 저장하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, scanning and decoding the encoded data displayed on the display unit through the mobile terminal decoding unit, and storing the decoded data in the data management unit; may be characterized in that it further comprises.

그리고 상기 데이터관리부는 클라우드 서버의 데이터베이스이고,상기 모바일 단말 디코딩부는 스마트폰 애플리케이션 또는 드론이고, 코드가 디코딩되었을 때 상기 클라우드 서버의 데이터베이스(DB)에 저장되는 것을 특징으로 할 수 있다. The data management unit is a database of a cloud server, the mobile terminal decoding unit is a smartphone application or a drone, and when a code is decoded, it may be stored in the database (DB) of the cloud server.

또한 분석수단이 저장, 축적된 데이터를 기반으로 구조물의 상태를 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, it may be characterized in that it further includes; determining the state of the structure based on the data stored and accumulated by the analysis means.

본 발명의 제4목적은 컴퓨터에 의해, 실행되는 프로그램을 기록한 기록매체에 있어서, 앞서 언급한 제3목적에 따른 계측방법을 실행하는 것을 특징으로 하는 기록매체로서 달성될 수 있다. A fourth object of the present invention can be achieved as a recording medium characterized by executing the measurement method according to the third object mentioned above in a recording medium recording a program executed by a computer.

본 발명의 실시예에 따른 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템 및 계측방법에 따르면, 부착(매립)이 용이하고 다채널 변형률 계측이 가능한 시스템을 통해 프리팹 부재의 품질을 제작시부터 조립시, 그리고 생애주기동안 모니터링할 수 있으며, 이를 통해 시공품질 향상에 기여할 수 있는 장점을 갖는다. According to the ultra-low-power strain measurement system and measurement method having an information display function according to an embodiment of the present invention, the quality of prefab members can be measured from the time of manufacturing to assembly through a system that is easy to attach (embed) and can measure multi-channel strain. , and can be monitored throughout the life cycle, which has the advantage of contributing to the improvement of construction quality.

본 발명의 실시예에 따른 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템 및 계측방법에 따르면, 매립된 센서는 일정주기마다 프리팹 내부의 변형률을 계측하여 초저전력 E-paper를 통해 변형률 정보를 QR코드 등으로 인코딩하여 외부에 표출하며, 표출된 변형률 정보를 사람이 스마트폰 혹은 드론을 통해 취득할 수 있고, 취득한 데이터는 서버에서 보관되며, 관리자는 축적된 변형률 데이터를 기반으로 상태판단을 수행할 수 있는 장점이 있다. According to the ultra-low power strain measurement system and measurement method having an information display function according to an embodiment of the present invention, the embedded sensor measures the strain inside the prefab at regular intervals and transmits the strain information through the ultra-low power E-paper to the QR code. It is encoded and displayed externally, and the displayed strain information can be acquired by a person through a smartphone or drone, the acquired data is stored in the server, and the manager can perform state judgment based on the accumulated strain data. There are advantages to

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템의 구성도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 프로토 타입 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템의 사진,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템(SSVM)의 블록도,
도 4는 하프 브리지 기반 스트레인 센싱회로(변형률계측부),
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전력관리부의 기능 블록 다이어그램,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 EPD에 QR 코드를 처리하고 표시하는 흐름도,
도 7은 메모리 계산표,
도 8은 데이터 스토리지의 기본 프레임워크,
도 9a 내지 도 9c는 SSVM 프로토파입의 a) 트리거 장치, 전력관리부, ADC, MCU, 커넥터, b) 변형률 대 전압 변화부 c) 시각화 부분을 도시한 것이고,
도 10은 도 9a의 각 부분에 대한 구성명칭 표,
도 11은 도 9b의 스트레인 대 전압 변환 회로 부분의 각 구성 명칭 표,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 SSVM용 통합 소프트웨어 프레임워크의 전체 흐름도,
도 13은 본 발명의 실험예에 따른 SSVM의 검증을 위한 전체 랩 스케일 실험 설정 사진,
도 14는 SSVM 검증을 위해 증가하는 부하에서 두 감지 시스템이 캡처한 변형률 값을 비교한 표,
도 15는 비교의 변형률 그래프,
도 16a는 스마트폰 애플리케이션의 사용자 인터페이스(UI),
도 16b는 로컬 호스트를 사용하여 클라우드 서버에 액세스한 MySQL 워크벤치 인터페이스,
도 17은 절전 모드에서는 작동 중인 장치에서 SSVM의 전류 소비량 표,
도 18a 내지 도 18c는 본 발명의 실시예에 따른 SSVM의 기타활용예를 도시한 것이다. The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention serve to further understand the technical idea of the present invention, the present invention is limited only to those described in the drawings. and should not be interpreted.
1 is a configuration diagram of an ultra-low power strain measurement system having an information display function according to an embodiment of the present invention;
2a and 2b are photographs of an ultra-low power strain measurement system having a prototype information display function according to an embodiment of the present invention;
3 is a block diagram of an ultra-low power strain measurement system (SSVM) having an information display function according to an embodiment of the present invention;
4 is a half-bridge based strain sensing circuit (strain measuring unit);
5 is a functional block diagram of a power management unit according to an embodiment of the present invention;
6 is a flowchart for processing and displaying a QR code in an EPD according to an embodiment of the present invention;
7 is a memory calculation table;
8 is a basic framework of data storage;
9a to 9c show a) trigger device, power management unit, ADC, MCU, connector, b) strain vs. voltage change unit c) visualization part of SSVM prototype,
10 is a table of configuration names for each part of FIG. 9A;
11 is a table of names of components of the strain-to-voltage conversion circuit of FIG. 9B;
12 is an overall flowchart of an integrated software framework for SSVM according to an embodiment of the present invention;
13 is a picture of the entire lab-scale experiment setup for verification of SSVM according to an experimental example of the present invention;
14 is a table comparing strain values captured by two sensing systems at increasing load for SSVM verification;
15 is a comparative strain graph;
16A is a user interface (UI) of a smartphone application;
16B is a MySQL Workbench interface using a local host to access a cloud server;
17 is a table of current consumption of SSVM in an operating device in power saving mode;
18a to 18c show other utilization examples of SSVM according to an embodiment of the present invention.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when an element is referred to as being on another element, it means that it may be directly formed on the other element or a third element may be interposed therebetween. Also, in the drawings, the thickness of components is exaggerated for effective description of technical content.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described in this specification will be described with reference to cross-sectional views and/or plan views, which are ideal exemplary views of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content. Accordingly, the shape of the illustrated drawings may be modified due to manufacturing techniques and/or tolerances. Therefore, embodiments of the present invention are not limited to the specific shape shown, but also include changes in the shape generated according to the manufacturing process. For example, a region shown at right angles may be rounded or have a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have attributes, and the shapes of the regions illustrated in the drawings are intended to illustrate a specific shape of a region of a device and are not intended to limit the scope of the invention. Although terms such as first and second are used to describe various elements in various embodiments of the present specification, these elements should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. The terms 'comprises' and/or 'comprising' used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing the specific embodiments below, several specific contents are prepared to more specifically describe the invention and aid understanding. However, readers who have knowledge in this field to the extent that they can understand the present invention can recognize that it can be used without these various specific details. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known in describing the invention and are not greatly related to the invention are not described in order to prevent confusion for no particular reason in explaining the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템에 따르면, 하브 브리지 회로를 배치하여 효율적인 스트레인 측정이 가능하고, 저전력 마이크로 컨트롤러 장치(MCU)와 E 페이퍼 디스플레이(EPD)를 통합하여 장기간 사용이 가능한 특징을 갖는다. According to the ultra-low power strain measurement system having an information display function according to an embodiment of the present invention, it is possible to measure strain efficiently by arranging a half-bridge circuit, and by integrating a low-power microcontroller unit (MCU) and an E-paper display (EPD), It has a feature that can be used for a long time.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 변형 감지를 수행하고 E 페이퍼 디스플레이에서 시각화하기 위해 인코딩된 QR 코드를 통해 측정된 데이터를 시각화한다. 효율적인 전력 관리를 위해 다채널 변형률 계측유닛은 트리거 신호가 생성될 때만 활성화되고 각각 18mA 및 337.9μA를 소비하는 절전 모드를 유지한다.And according to an embodiment of the present invention, the measured data is visualized through an encoded QR code to perform deformation detection and visualize on the E-paper display. For efficient power management, the multi-channel strain measurement unit is activated only when a trigger signal is generated and remains in power-saving mode, consuming 18mA and 337.9μA, respectively.

이러한 트리거 신호는 타이머에 의해 주기적으로 생성되거나 푸시 버튼에 의해 의도적으로 생성될 수 있다. 또한 시스템은, 효율적인 데이터 수집 및 관리를 위해 스마트 폰 애플리케이션과 클라우드 데이터베이스가 연동된다. This trigger signal may be generated periodically by a timer or intentionally by a push button. In addition, the system is linked with a smart phone application and a cloud database for efficient data collection and management.

또한 본 발명에 따른 실험예에서, 팁에 가해지는 하중을 증가시켜 캔틸레버 빔에서 본 발명에 따른 시스템을 검증하기 위해 실험실 규모의 실험을 수행하고 그 결과를 참조와 비교하였다. 본 발명에 따른 시스템은 장기 정적 변형 측정에 대한 성능을 성공적으로 검증하였다.In addition, in the experimental example according to the present invention, a laboratory-scale experiment was performed to verify the system according to the present invention on a cantilever beam by increasing the load applied to the tip, and the results were compared with the reference. The system according to the present invention has successfully verified its performance for long-term static strain measurements.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템의 구성, 기능 및 계측, 관리방법에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, the configuration, function, measurement, and management method of the ultra-low power strain measurement system having an information display function according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 프로토 타입 다채널 변형율 계측유닛의 사진을 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템(100)의 블록도를 도시한 것이다. 1 shows a configuration diagram of an ultra-low power strain measurement system 100 having an information display function according to an embodiment of the present invention. 2a and 2b show pictures of a prototype multi-channel strain measurement unit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an ultra-low power strain measurement system (100) having an information display function according to an embodiment of the present invention. ) is shown as a block diagram.

본 발명의 실시예에 따른 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템(100)은 전체적으로 측정대상이 되는 구조물(1) 일측에 부착 또는 매립되는 변형률 계측 시각화 모듈(10)과, 데이터 관리부(60)를 포함하여 구성될 수 있다. The ultra-low power strain measurement system 100 having an information display function according to an embodiment of the present invention includes a strain measurement visualization module 10 attached to or buried at one side of a structure 1 to be measured as a whole, and a data management unit 60 It can be configured to include.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 변형률 계측 시각화모듈(10)은 변형률계측부(20), 전력관리부(30), 디스플레이부(50), 제어부(40)를 포함하여 구성될 수 있다. In addition, the strain measurement visualization module 10 according to an embodiment of the present invention may include a strain measurement unit 20, a power management unit 30, a display unit 50, and a control unit 40.

도 3에 도시된 바와 같이, 변형률 계측 시각화모듈(SSVM)(10)은 정적 스트레인 응답을 모니터링하고 이를 E 페이퍼 디스플레이(EPD)(50)에 QR 코드로 시각화하도록 구성된다. 변형데이터와 함께 구조 식별 코드(SID) 및 타임 스탬프(TS)와 같은 추가 정보도 QR 코드에 인코딩된다.As shown in FIG. 3 , a strain measurement visualization module (SSVM) 10 is configured to monitor the static strain response and visualize it as a QR code on an E-Paper Display (EPD) 50 . Along with the transformation data, additional information such as structure identification code (SID) and time stamp (TS) are also encoded in the QR code.

데이터 수집을 위해 스마트 폰 애플리케이션 또는 드론을 통해 QR 코드 이미지를 캡처 및 디코딩할 수 있으며 정보를 클라우드 서버 데이터 관리 시스템과 같은 데이터 관리부(60)에 업로드 할 수 있다.For data collection, a QR code image can be captured and decoded through a smartphone application or a drone, and the information can be uploaded to a data management unit 60 such as a cloud server data management system.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 제어부(40)는, 저전력 SRAM 마이크로 컨트롤러 장치(MCU)로 구성된다. MCU(NRF52840)는 여러 주변 장치(I2C / SPI), 데이터 처리를 위한 중간클럭속도(64MHz), QR 코드 인코딩을 위한 데이터 저장을 위한 충분한 램을 소유한다. 그리고 전력의 효율적 관리를 위해 전력 관리부를 포함한다. In addition, the control unit 40 according to an embodiment of the present invention is composed of a low-power SRAM microcontroller unit (MCU). The MCU (NRF52840) possesses several peripherals (I2C/SPI), medium clock speed (64MHz) for data processing, and enough RAM for data storage for QR code encoding. And it includes a power management unit for efficient power management.

전력 관리부(30)의 기능은 트리거 신호를 기반으로 MCU(40) 및 기타 장치(예 : ADC, EPD 등)에 전달되는 전력을 제어하도록 구성된다. A function of the power management unit 30 is configured to control power delivered to the MCU 40 and other devices (eg, ADC, EPD, etc.) based on a trigger signal.

또한 본 발명의 실시예에 따른 변형률계측부(스트레인 감지 블록)(20)는 24 비트 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함하여 고신뢰도 스트레인 측정을 수집하는데 사용된다. In addition, the strain measuring unit (strain sensing block) 20 according to an embodiment of the present invention includes a 24-bit analog-to-digital converter (ADC) and is used to collect high-reliability strain measurements.

도 4는 하프 브리지 기반 스트레인 센싱회로(변형률계측부)를 도시한 것이다. 스트레인 감지 회로는 고신뢰도 측정 표준을 고려하여 변형률 데이터를 수집하도록 설계되었다. 스트레인 응답의 드리프트를 피하기 위해 하프 브리지 스트레인 대 전압 변환 회로가 배치된다. 변형 응답의 드리프트는 변형 전압 변환에 사용되는 기존 휘트스톤 브리지 회로의 문제이다. 스트레인 게이지는 온도 변화와 초기 스트레인 가열 현상에 민감하기 때문에 저항 변화는 휘트스톤 브리지 균형을 방해하고 스트레인 응답의 드리프트를 초래할 수 있다. 저항 대신 다른 스트레인 게이지를 사용하면 스트레인 응답이 안정화될 수 있다. 온도의 영향이 두 스트레인 게이지에서 동일하기 때문에 브리지는 이 상태에서 정확하게 균형을 이룬다.4 shows a half-bridge based strain sensing circuit (strain measuring unit). The strain sensing circuit is designed to collect strain data considering high-reliability measurement standards. A half-bridge strain-to-voltage conversion circuit is placed to avoid drift in the strain response. Drift in the strain response is a problem in conventional Wheatstone bridge circuits used for strain voltage conversion. Because strain gages are sensitive to temperature changes and incipient strain heating, resistance changes can disrupt Wheatstone bridge balance and cause drift in the strain response. The strain response can be stabilized by using another strain gage instead of a resistor. The bridge is exactly balanced in this state because the effect of temperature is the same for both strain gages.

그리고 브리지 회로로부터의 차동 전압을 필터링하여 24비트 ADC로 공급하여 변형 반응을 얻는다. 도 4는 설계된 변형 감지 회로로서, R1 및 R2는 교량의 1/2 균형을 맞추기 위한 10KΩ 저항이다. 나머지 절반은 2개의 스트레인 게이지(강철 스트레인 게이지, 350Ω 저항)로 균형을 이루고 있다. R3, R4, C1,C2는 데이터의 RC 저역 통과 필터링에 사용되었으며, Texas Instruments의 24비트 고해상도 ADC, ADS1220은 스트레인 값의 작은 변화도 감지할 수 있는 교량의 차동 전압을 감지하기 위해 사용된다. 그리고 이 전압은 제어부 내에서 등가 변형 응답으로 변환된다.The differential voltage from the bridge circuit is then filtered and fed into a 24-bit ADC to obtain a transform response. Figure 4 is the designed strain sensing circuit, where R1 and R2 are 10KΩ resistors to balance 1/2 of the bridge. The other half is balanced by two strain gages (steel strain gages, 350Ω resistors). R3, R4, C1, C2 are used for RC low-pass filtering of the data, and Texas Instruments' 24-bit high-resolution ADC, ADS1220, is used to sense the differential voltage of the bridge, which can detect small changes in strain value. And this voltage is converted into an equivalent strain response within the controller.

ADS1220은 프로그래밍 가능한 기본 게인 앰프, 노이즈 필터(50-60Hz) 및 전압 기준(2.048V)을 제공하는 저전력 및 저비용 ADC이다. 작은 변형률 변화를 감지하기 위해 외부 증폭기가 필요하지 않다. 변형 감지를 위해 저항성 브리지 회로에 이상적이다. ADC의 유효 비트 수(ENOB)는 초당 20개의 샘플(SPS)에서 여러 번의 노이즈 테스트를 수행한 후 17.4로 밝혀졌다. 이 ENOB를 사용하는 ADC는 10㎛ 해상도를 제공한다. ADC에는 4개의 싱글 엔드 채널과 2개의 디퍼렌셜 채널이 있다. ADC는 데이터 변환을 위한 다중 모드를 지원하므로 연속 변환 모드를 선택하였고, 초당 20개의 샘플(SPS)에서 데이터를 획득하였다. ADC에 의한 전압 변환은 다음의 수학식 1과 같이 제공된다.The ADS1220 is a low-power and low-cost ADC with a programmable basic gain amplifier, noise filter (50-60Hz) and voltage reference (2.048V). No external amplifier is required to sense small strain changes. Ideal for resistive bridge circuits for strain sensing. The effective number of bits (ENOB) of the ADC was found to be 17.4 after performing several noise tests at 20 samples per second (SPS). An ADC using this ENOB provides 10 µm resolution. The ADC has four single-ended channels and two differential channels. Since the ADC supports multiple modes for data conversion, the continuous conversion mode was selected and data was acquired at 20 samples per second (SPS). Voltage conversion by the ADC is provided as in Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112021023147723-pat00001
Figure 112021023147723-pat00001

수학식 1에서 Vout은 브리지 회로의 디퍼렌셜 전압, ADC_data는 ADC의 출력 값, VFSR은 프로그래밍 가능한 게인 값에 대한 내부 기준 전압(2.048V), FSR은 ADC(224)의 풀 스케일 분해능이다. 그리고 다음의 수학식 2를 사용하여 전압을 각 변형률 값으로 변환할 수 있다. In Equation 1, Vout is the differential voltage of the bridge circuit, ADC_data is the output value of the ADC, VFSR is the internal reference voltage (2.048V) for the programmable gain value, and FSR is the full-scale resolution of the ADC 224. In addition, the voltage can be converted into each strain value using Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112021023147723-pat00002
Figure 112021023147723-pat00002

수학식 2에서, ε가 변형률 값일 경우, 오프셋은 교량이 균형 상태일 때의 전압값의 바이어스이고, CF는 전압을 변형으로 변환하는 보정계수이다. 변환에는 576의 CF 값이 사용되었다. 스트레인의 평균값은 10초 스트레인 센싱에서 계산한 후 QR코드로 인코딩되었다.In Equation 2, when ε is a strain value, offset is a bias of a voltage value when the bridge is in a balanced state, and CF is a correction coefficient for converting voltage into strain. A CF value of 576 was used for conversion. The average value of the strain was calculated in 10 seconds of strain sensing and then encoded as a QR code.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 전력관리부(Power Management Circuit)(30)에 대해 설명하도록 한다. 구조물(1)에 대한 장기적인 모니터링과 모듈 전력 효율화를 위해 전력관리부(30)가 설계되었다. 이 회로는 배터리로 제어부(MCU) 및 기타 장치에 공급되는 전원을 제어할 수 있다. 변형률 계측 시각화모듈에는 절전 모드라고도 하는 트리거 신호 기반 전원 공급 제어가 도입되었다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전원관리부의 기능 블록 다이어그램을 도시한 것이다. Hereinafter, the power management circuit 30 according to an embodiment of the present invention will be described. The power management unit 30 is designed for long-term monitoring of the structure 1 and efficiency of module power. This circuit can control the power supplied to the control unit (MCU) and other devices by the battery. In the strain measurement visualization module, a trigger signal-based power supply control, also called power saving mode, has been introduced. 5 is a functional block diagram of a power management unit according to an embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전력관리부는 푸시버튼, 디바운서 IC, MAX6816과 Maxim Integrated의 RTC, DS3231이 트리거 신호의 소스로 사용된다. As shown in FIG. 5, the power management unit according to an embodiment of the present invention uses a push button, a debouncer IC, a MAX6816, a Maxim Integrated RTC, and a DS3231 as sources of a trigger signal.

푸시 버튼을 누르거나 RTC 알람이 발생하면 변형률 계측 시각화모듈이 활성화된다. RTC는 알람 생성과 함께 타임스탬프 생성에도 사용된다. Texas Instruments의 범용 게이트 SN74AUP1G58을 사용하여 결합된 응답 신호를 생성했다. RTC와 푸시버튼이 모두 로우로 활성화되었기 때문에, 소스 신호 중 하나가 활성화될 때마다 낮은 출력 신호를 생성하도록 범용 게이트의 입력을 조정했다. 그런 다음 이 로우 신호는 NOT 게이트로 구성된 Nexperia의 NAND 게이트, 74AUP1G00를 사용하여 하이 신호로 반전된다. 그런 다음 감지 및 시각화 프로세스가 모두 완료될 때까지 높은 신호를 래칭하게 된다. The strain measurement visualization module is activated when a push button is pressed or an RTC alarm occurs. Along with alarm generation, RTC is also used for timestamp generation. The combined response signal was generated using the general-purpose gate SN74AUP1G58 from Texas Instruments. Since the RTC and pushbutton are both activated low, the input of the universal gate is adjusted to produce a low output signal whenever one of the source signals is activated. This low signal is then inverted to a high signal using Nexperia's NAND gate, 74AUP1G00 configured as a NOT gate. It then latches the signal high until both the sensing and visualization processes are complete.

텍사스 인스트루먼트의 SN74LVC1G373 및 TPS22860은 각각 전원 관리 회로에 사용되는 D형 래치 및 디지털 스위치이다. 디지털 스위치는 래치에서 생성된 트리거 신호를 기반으로 제어부 및 기타 장치에 공급되는 배터리 전원을 제어하는 데 사용된다. Texas Instruments' SN74LVC1G373 and TPS22860 are D-type latches and digital switches used in power management circuitry, respectively. Digital switches are used to control battery power supplied to controllers and other devices based on trigger signals generated by latches.

소스 신호가 래치되고 프로세스를 시작하기 위해 배터리 전원이 공급된다. E페이퍼 디스플레이에 QR 코드가 표시된 후 제어부에서 트리거 신호를 디코딩하고 배터리 공급을 차단하는 재설정 신호가 생성된다. 마이크로칩의 MCP1725라는 두 개의 3.3V 전압 조절기도 회로의 전압 강하를 방지하기 위해 사용된다. 전원 관리 회로 설계 시 고려되는 모든 장치는 전력 소비량이 낮다. 상세한 전력 소비 분석은 후에 실험데이터에서 언급하도록 한다. The source signal is latched and battery power is applied to start the process. After the QR code is displayed on the E-paper display, the control unit decodes the trigger signal and generates a reset signal that cuts off the battery supply. Two 3.3V voltage regulators, called Microchip's MCP1725, are also used to prevent voltage drop in the circuit. All devices considered when designing power management circuits have low power consumption. Detailed power consumption analysis will be mentioned later in the experimental data.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 제어부(MCU)에 대해 설명하도록 한다. MCU의 선정은 매우 중요하다. MCU 선택을 위한 두 가지 주요 고려 사항은 저전력 소비와 E 페이퍼 디스플레이에 QR 코드를 처리하고 표시하는 데 충분한 SRAM이어야 한다. Hereinafter, a control unit (MCU) according to an embodiment of the present invention will be described. Selection of the MCU is very important. The two main considerations for MCU selection are low power consumption and sufficient SRAM to process and display QR codes on E-Paper displays.

이 파라미터는 대형 SRAM과 저전력 소비로 인해 fruit nRF52840 블루프루트 깃털(Adafruit Industries, NYC, 미국)을 선택했다. MCU 프로세서는 32비트 ARM® Cortex™-M4 코어를 갖추고 있으며, 아두이노 IDE를 지원하며 64MHz 클럭 속도로 작동한다. 이를 통해 MCU는 실시간 처리를 빠르고 효율적으로 수행할 수 있습니다. MCU는 데이터를 QR 코드로 처리하고 표시하기 위해 256 kB SRAM과 1 MB의 플래시 램을 가지고 있다. MCU의 평균 전류 소비량은 20mA 미만이다. nRF52840은 SPI 및 I2C 통신 프로토콜을 모두 지원하며 7개의 디지털 및 6개의 아날로그 입출력(I/O) 핀이 있다. 아날로그 I/O 핀은 이 MCU에서도 디지털 I/O로 작동할 수 있다. The nRF52840 Bluefruit Feather (Adafruit Industries, NYC, USA) was selected for this parameter due to its large SRAM and low power consumption. The MCU processor features a 32-bit ARM® Cortex™-M4 core, supports Arduino IDE, and operates at a clock speed of 64 MHz. This allows the MCU to perform real-time processing quickly and efficiently. The MCU has 256 kB SRAM and 1 MB of Flash RAM to process and display data as a QR code. The MCU's average current consumption is less than 20mA. The nRF52840 supports both SPI and I2C communication protocols and has seven digital and six analog input/output (I/O) pins. Analog I/O pins can also act as digital I/O on this MCU.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 E페이퍼 디스플레이부에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 실시예에 따른 E페이퍼 디스플레이부(EPD)는 웨이브셰어 전자(중국 선전) 흑백 디스플레이 색상으로 7.5인치 HD 버전으로 해상도는 880x528 픽셀이었다. EPD의 작동 전압은 3.3V이고 MCU와의 통신에 4개의 와이어 SPI 인터페이스를 사용하였다. EPD는 시야각(>170°)이 크다. 스캔 범위가 1m인 EPD에는 해상도가 400x400픽셀인 버전 3의 QR코드가 표시됐다. 버전 3 QR 코드는 55바이트의 데이터를 인코딩할 수 있기 때문에 선택되었다. 날짜와 시간을 포함하는 변형률 응답, SID 및 TS는 이 버전의 QR 코드로 쉽게 인코딩되었다. MCU 내부에서 생성된 원시 QR 코드의 원래 크기는 29x29 모듈이었다. 모듈은 흑백 QR 코드를 만드는 정보 콘텐츠이다. 이 모듈들은 MCU 내부에 저장돼 400x400픽셀까지 올라갔으며, QR코드 최종 크기는 MCU의 SRAM 사용량을 고려할 때 QR코드를 업사이징해 EPD에 표시하는 전 과정을 거쳐 400x400픽셀은 400x400픽셀이었다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 EPD에 QR 코드를 처리하고 표시하는 흐름도를 도시한 것이다. Hereinafter, an E-paper display unit according to an embodiment of the present invention will be described. The E-paper display unit (EPD) according to the embodiment of the present invention was a 7.5-inch HD version with a black-and-white display color from Waveshare Electronics (Shenzhen, China) and had a resolution of 880x528 pixels. The operating voltage of the EPD is 3.3V and a 4-wire SPI interface is used to communicate with the MCU. EPD has a large viewing angle (>170°). An EPD with a scan range of 1m displayed a version 3 QR code with a resolution of 400x400 pixels. The version 3 QR code was chosen because it can encode 55 bytes of data. Strain response with date and time, SID and TS were easily encoded with this version of the QR code. The original size of the raw QR code generated inside the MCU was a 29x29 module. The module is an information content that creates a black and white QR code. These modules were stored inside the MCU and increased to 400x400 pixels, and the final size of the QR code was 400x400 pixels after the entire process of upsizing the QR code and displaying it on the EPD, considering the amount of SRAM used in the MCU. 6 shows a flowchart of processing and displaying a QR code in an EPD according to an embodiment of the present invention.

도 7에 도시된 표에 도시된 바와 같이,, raw_QR, padded_QR과 스케일업_QR은 2차원이고 데이터 유형은 Boolean, EPD_Format은 데이터 유형 문자의 단일차원 배열이었다. 가변 어레이가 QR 코드를 표시하기 위해 사용한 총 메모리(SRAM)는 MCU 총 SRAM의 69.53%인 178kB였다.As shown in the table shown in FIG. 7, raw_QR, padded_QR, and scaled-up_QR are two-dimensional, the data type is Boolean, and the EPD_Format is a single-dimensional array of data type characters. The total memory (SRAM) used by the variable array to display the QR code was 178kB, or 69.53% of the MCU's total SRAM.

QR 코드는 오픈 소스 아두이노 라이브러리를 사용하여 생성되었다. 변형 응답, SID와 TS는 문자열 포맷으로 변환되었고 QR 코드에서 완전한 데이터를 인코딩하기 위해 버전(3)이 지정되었다. 라이브러리의 출력은 29x29 모듈이었다. 0은 검은색 픽셀에 해당하고 1은 EPD의 흰색 픽셀에 해당하므로 이러한 모듈은 어레이 raw_QR에 픽셀 단위로 저장된다. 생성된 QR코드의 크기가 작기 때문에(29x29) 최대 400x400까지 확장하기 위한 추가 작업이 진행됐다.The QR code was created using an open source Arduino library. The variant response, SID and TS were converted to string format and version (3) was specified to encode the complete data in the QR code. The output of the library was a 29x29 module. 0 corresponds to a black pixel and 1 corresponds to a white pixel in the EPD, so these modules are stored pixel by pixel in the array raw_QR. Since the size of the generated QR code is small (29x29), additional work was done to expand it up to 400x400.

raw QR 코드를 스케일업했을 때 품질 저하 및 높은 앨리어싱으로 인해 보더 영역에서 출력이 흐트러졌다. 이러한 변형을 피하기 위해 raw QR 코드는 양쪽에 4픽셀을 붙여 패딩_QR(33x33)에 저장했다. 그런 다음 이 배열은 400x400픽셀까지 확장되었다.When the raw QR code was scaled up, the output was distorted in the border area due to quality degradation and high aliasing. To avoid this deformation, the raw QR code was stored in padding_QR (33x33) with 4 pixels on both sides. This array was then expanded to 400x400 pixels.

생성된 QR 코드는 이진 이미지이다. 가장 가까운 이웃 보간법은 이 기법에 픽셀의 평균이 필요하지 않기 때문에 스케일업하는 가장 좋고 간단한 접근법이었다. MCU 내에서 가장 가까운 인접 보간을 사용하여 33x33 이미지 어레이를 400x400으로 확장하는 알고리즘은 다음의 (3)과 같이 명시되어 있다.The generated QR code is a binary image. Nearest-neighbor interpolation was the best and simplest approach to scale up because this technique does not require pixel averaging. The algorithm to expand a 33x33 image array to 400x400 using nearest neighbor interpolation within the MCU is specified as (3) below.

Figure 112021023147723-pat00003
Figure 112021023147723-pat00003

(3)에서 0.0825는 스케일 팩터와 패딩 인덱스의 역수였다. QR은 33x33 배열을 400x400 배열로 업그레이드하기 위해 upgrade_QR로 반복되었다. 더 큰 사이즈는그런 다음 QR은 디스플레이를 위해 EPD 형식으로 변환되었다.In (3), 0.0825 was the reciprocal of the scale factor and padding index. QR was repeated with upgrade_QR to upgrade a 33x33 array to a 400x400 array. The larger size QR was then converted to EPD format for display.

EPD는 화면에 표시할 16진수 형식의 단일 차원 배열을 허용한다. 더 큰 사이즈 QR은 단차원 16진수 배열 EPD_Format으로 변환되어 EPD에 표시될 수 있었다. 또한, MCU는 SPI 통신 프로토콜을 사용하여 이 데이터를 EPD에 표시하도록 전송하였다.EPD accepts single-dimensional arrays in hexadecimal format to display on the screen. A larger size QR could be converted to a single-dimensional hexadecimal array EPD_Format and displayed in the EPD. In addition, the MCU used the SPI communication protocol to transmit this data to be displayed on the EPD.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 데이터관리부에 대해 설명하도록 한다. 데이터는 QR 코드가 디코딩되었을 때 클라우드 서버의 데이터베이스(DB)에 저장된다. 이 프로세스는 스마트폰 애플리케이션 및 사용자 정의 데이터베이스의 개발로 수행될 수 있다. QR코드를 디코딩하고 콘텐츠를 DB 내 테이블의 균일한 리소스로케이터(URL)에 업로드해 기록을 위해 스마트폰 애플리케이션을 채택했다. Hereinafter, a data management unit according to an embodiment of the present invention will be described. Data is stored in the database (DB) of the cloud server when the QR code is decoded. This process can be done with the development of smartphone applications and custom databases. A smartphone application was adopted for recording by decoding the QR code and uploading the content to the uniform resource locator (URL) of the table in the DB.

HTTP(Hypertext Transfer Protocol)를 기반으로 특정 URL을 할당하는 데 REST(Representational State Transfer) API(애플리케이션 프로그래밍 인터페이스)가 사용되었다. 그런 다음 데이터를 서버에 업로드하는 데 사후 작업이 사용되었다. QR 코드의 내용을 JSON 형식으로 변환하여 DB 테이블에 저장하였다. DB는 오픈 소스 데이터베이스 관리 서비스 MySQL을 사용하여 클라우드 서버에 작성되었니다. Amazon의 클라우드 컴퓨팅 플랫폼 탄력 컴퓨팅 클라우드(ec2) 서비스가 서버로 채택되었다. 도 8는 데이터 스토리지의 기본 프레임워크를 도시한 것이다. A Representational State Transfer (REST) application programming interface (API) was used to assign specific URLs based on the Hypertext Transfer Protocol (HTTP). A post-action was then used to upload the data to the server. The contents of the QR code were converted to JSON format and stored in the DB table. The DB is built on a cloud server using the open source database management service MySQL. Amazon's cloud computing platform Elastic Computing Cloud (ec2) service was adopted as the server. 8 illustrates the basic framework of data storage.

ubuntu 인스턴스(서버)는 Amazon ec2에서 처음 초기화되었다. 이 프로세스에서는 포트(액세스 및 수신)와 프로토콜(HTTP, SSH 및 TCP)이 데이터 전송을 위해 할당되었다. 서버는 초기화 프로세스 동안 얻은 IP와 키 파일을 사용하여 SSH(보안 셸) 클라이언트 MobaXterm을 통해 액세스한 다음 DB 설정에 필요한 모든 패키지를 설치하도록 업데이트되었다. 로컬 호스트에 DB의 액세스를 허용하기 위해 MySQL(처음 설치된 패키지) 바인드 주소가 0.0.0.0으로 수정되었다. 이후 MySQL의 액세스 포트가 서버 포트에 액세스하도록 수정되었다. MySQL을 설치하자 특정 사용자 이름과 암호를 사용하여 localhost에 액세스 권한이 부여되었다. 그런 다음 지정된 자격 증명에서 MySQL 워크벤치를 사용하여 서버의 MySQL에 액세스하는 데 localhost가 사용되었다. MySQL에서는 DB가 생성되었고 DB에서는 변수를 저장하는 테이블이 생성되었다. The ubuntu instance (server) was first initialized on Amazon ec2. In this process, ports (access and receive) and protocols (HTTP, SSH and TCP) were assigned for data transfer. The server has been updated to access it via the SSH (Secure Shell) client MobaXterm using the IP and key file obtained during the initialization process, then install all the packages needed to set up the DB. The MySQL (first installed package) bind address was modified to 0.0.0.0 to allow access to the DB on the local host. MySQL's access port was then modified to access the server port. Upon installing MySQL, I was granted access to localhost using a specific username and password. Then localhost was used to access MySQL on the server using MySQL workbench under the specified credentials. A DB was created in MySQL, and a table to store variables was created in the DB.

표는 변형 반응, SID 및 TS로 구성되었다. 생성 후 특정 URL이 DB에 할당되었다. 몇 가지 패키지가 더 설치되었고 서버에서 Node.js 스크립트를 실행하여 사후 요청 방법을 통해 수신 포트에서 JSON 데이터를 수락했다.The table consisted of transformation response, SID and TS. After creation, a specific URL was assigned to the DB. A few more packages were installed and I ran a Node.js script on the server to accept JSON data on the listening port via the post-request method.

안드로이드 스튜디오는 서버에 데이터를 업로드하기 위한 스마트폰 애플리케이션 개발에 사용되었다. 레이아웃이 설계되고 종속성이 포함되었으며 필요한 작업에 대한 사용 권한이 부여되었다. 허가에는 카메라와 응용 프로그램의 인터넷 액세스가 포함되었다. QR 코드를 디코딩하기 위해 유리부디예프의 오픈 소스 코드 스캐너 라이브러리가 배포되었다. 그런 다음 DB가 JSON 데이터를 받아들이도록 설계되었기 때문에 디코딩된 콘텐츠를 분할하고 JSON 개체 형식으로 변환했다. 그런 다음 데이터는 오픈 소스 HTTP 라이브러리인 bally에 의해 생성된 포스트 요청을 사용하여 DB에 있는 테이블의 URL로 전송되었다.Android Studio was used to develop a smartphone application for uploading data to a server. A layout was designed, dependencies were included, and permissions were granted for the required tasks. Permissions included camera and Internet access for applications. To decode QR codes, Yuri Budyev's open-source code scanner library has been released. Then, since the DB is designed to accept JSON data, I split the decoded content and converted it to a JSON object format. The data was then sent to the URL of the table in the DB using a post request generated by bally, an open source HTTP library.

이하에서는 앞서 언급한 프로토타입의 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템(SSVM)에 대해 설명하도록 한다. Veroboard에 조립된 SSVM의 프로토타입은 세 부분으로 구성된다. 첫 번째 부분에는 트리거 장치, 전원 관리부, ADC, MCU 및 커넥터가 포함된다. 두 번째 부분은 하프 브릿지 회로를 이용한 변형률 대 전압 변환을 위해 설계되었다. 마지막으로, 시각화 부분은 EPD와 디스플레이 드라이버 회로로 구성되었다.Hereinafter, an ultra-low power strain measurement system (SSVM) having the aforementioned prototype information display function will be described. The prototype of the SSVM assembled on Veroboard consists of three parts. The first part includes the trigger device, power management, ADC, MCU and connectors. The second part is designed for strain-to-voltage conversion using a half-bridge circuit. Finally, the visualization part consisted of EPD and display driver circuits.

도 9a 내지 도 9c는 SSVM 프로토파입의 a) 트리거 장치, 전력관리부, ADC, MCU, 커넥터, b) 변형률 대 전압 변화 부분 c) 시각화 부분을 도시한 것이고, 도 10은 도 9a의 각 부분에 대한 구성명칭 표를 도시한 것이다. 도 11은 도 9b의 스트레인 대 전압 변환 회로 부분의 각 구성 명칭 표를 도시한 것이다.9a to 9c show a) trigger device, power management unit, ADC, MCU, connector, b) strain versus voltage change part, and c) visualization part of the SSVM prototype, and FIG. 10 shows each part of FIG. 9a. It shows the composition name table. FIG. 11 shows a table of names of components of the strain-to-voltage conversion circuit of FIG. 9B.

각 구성 요소의 메커니즘은 앞서 설명한 바와 같다. 또한 측정 시 노이즈를 방지하는 데 사용되는 RC 필터는 ADC에 구성된 20 SPS의 데이터 수집 속도로 인해 차단 주파수가 15.9Hz(R3=R4=10KΩ, C3=C4=1μF)이다. 래치의 입력(D 핀)에 1초 지연(R = 1MΩ, C = 1μF)의 RC 지연 요소가 추가되었다. 래치에는 각각 래치 활성화(LE), 입력(D) 및 단일 출력(Q)인 두 개의 주 입력과 단일 출력이 있으므로 지연이 요구되었다. The mechanism of each component is as described above. Also, the RC filter used to prevent noise during measurement has a cutoff frequency of 15.9Hz (R3=R4=10KΩ, C3=C4=1μF) due to the data acquisition rate of 20 SPS configured in the ADC. An RC delay element with 1 second delay (R = 1 MΩ, C = 1 μF) is added to the input of the latch (D pin). The delay was required because the latch has two main inputs and a single output, latch enable (LE), input (D) and single output (Q).

Q는 LE와 D에 모두 의존하므로, LE가 높을 경우 D를 따르고, LE가 낮을 때 Q가 이전 D 상태를 유지한다. SSVM에서는 LE 및 D에서 동일한 신호(트리거 신호)를 사용하였다. RTC 또는 푸시버튼이 활성화되면 범용 게이트에서 낮은 출력이 생성되어 NOT 게이트로 구성된 NAND 게이트에 의해 하이로 변환된다. 하이 입력은 짧은 시간 동안 사용할 수 있으며 래치가 필요하다. LE에서 이 하이 신호는 Dit가 지연된 동안 트리거 신호가 다시 로우로 전환되도록 직접 연결된다. LE는 LE 이후 지연으로 인해 LE가 낮아지는 동안 즉시 LE가 Low 상태가 된다. 이 상태에서는 LE가 낮고 D가 높기 때문에 Q가 높다. 감지 및 시각화가 완료된 후 MCU에서 높은 신호가 생성되어 다른 구성 요소와 MCU에 대한 전원 공급을 차단하는 디래칭(det latching)과 MCU에 전압을 공급하기 위한 두 개의 전압 레귤레이터가 사용된다. 도 9c는 시각화 부분으로 EPD와 EPD 드라이버 회로이며, 드라이버 회로는 직렬 주변 인터페이스(SPI)를 사용하여 EPD와 MCU 간의 통신에 사용된다.Since Q depends on both LE and D, when LE is high, it follows D, and when LE is low, Q retains its previous D state. In SSVM, the same signal (trigger signal) was used in LE and D. When the RTC or pushbutton is activated, a low output is produced on the general purpose gate and converted high by a NAND gate configured as a NOT gate. A high input is available for a short time and requires a latch. At LE, this high signal is directly coupled so that the trigger signal goes low again during Dit's delay. LE goes low immediately while LE goes low due to the post-LE delay. In this state, Q is high because LE is low and D is high. After sensing and visualization is complete, a high signal is generated by the MCU, which uses two voltage regulators to supply voltage to the MCU and det latching to cut off power to other components and the MCU. 9C shows an EPD and an EPD driver circuit as a visualization part, and the driver circuit is used for communication between the EPD and the MCU using a serial peripheral interface (SPI).

통합 하드웨어 외에도, MCU를 통해 SSVM을 제어하는 소프트웨어 프레임워크를 포함한다. MCU는 일부 사용 가능한 오픈 소스 장치 드라이버 프로그램 때문에 소프트웨어 통합을 더 쉽게 하는 Arduino IDE 지원을 가지고 있다. 소프트웨어 통합은 세 단계를 포함했는데, 첫 번째 단계는 시작 후 시스템 초기화, 두 번째 단계는 활성화를 위한 트리거 감지, 세 번째 단계는 높은 충실도의 변형 감지 및 시각화이다. 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 SSVM용 통합 소프트웨어 프레임워크의 전체 흐름도를 도시한 것이다. In addition to the integrated hardware, it includes a software framework to control the SSVM through an MCU. The MCU has Arduino IDE support which makes software integration easier because of some available open source device driver programs. The software integration involved three steps: the first step is system initialization after startup, the second step is trigger detection for activation, and the third step is high-fidelity deformation detection and visualization. 12 shows an overall flowchart of an integrated software framework for SSVM according to an embodiment of the present invention.

첫째, RTC, EPD 및 ADC와 같은 장치에 대한 시스템 초기화 단계 파라미터가 설정된다. MCU에 대한 전원은 파라미터 설정 및 장치 구성을 포함하는 통합 프로그램을 MCU에서 작동될때까지 USB 케이블을 통해 제공된다. RTC는 시각화와 함께 TS 생성 및 주기적 감지에 대한 현재 시간, 날짜 및 경보 트리거 간격을 요구한다. First, system initialization phase parameters for devices such as RTC, EPD and ADC are set. Power to the MCU is provided through a USB cable until the integrated program including parameter setting and device configuration is run on the MCU. RTC requires current time, date and alarm trigger interval for TS generation and periodic detection with visualization.

EPD를 사용하려면 초기 픽셀 좌표(x = 240, y = 64(EPD의 중앙 집중식 QR 코드) 및 QR 코드 크기(400x400)가 표시되어야 한다. ADC는 스트레인 감지 회로에서 동등한 스트레인 응답으로 얻어진 전압을 변환하기 위해 오프셋 및 보정 계수가 필요하다. To use the EPD, the initial pixel coordinates (x = 240, y = 64 (the centralized QR code of the EPD) and the QR code size (400x400) must be displayed. The ADC converts the resulting voltage to the equivalent strain response from the strain sensing circuit. offsets and correction factors are required for

또한 ADC에는 데이터 수집 속도와 채널 구성도 필요하다. 이러한 모든 파라미터를 설정하고 MCU에서 USB 전원을 제거한 후 SSVM의 절전 모드가 활성화된다. 즉 두 번째 단계인 트리거 감지 기능은 RTC 알람 또는 누름 버튼 누름으로 트리거 신호가 생성될 때만 작동한다. ADCs also require data acquisition rates and channel configurations. After setting all these parameters and removing the USB power from the MCU, SSVM's sleep mode is activated. That is, the second step, trigger detection, works only when a trigger signal is generated by an RTC alarm or pushbutton press.

SSVM이 활성화되면 첫 번째 작업은 변형 감지를 초기화하는 감지 및 시각화 단계로 전환된다. 그런 다음 변형 반응은 EPD에 추가로 표시되는 QR 코드에 내장ㄷ된. 감지 및 시각화 단계가 완료되면 MCU가 GPIO 13에서 LE of Latch로 높은 신호를 전송하여 SSVM의 절전 모드를 재활성화한다. 이때 Q에서 전압 출력이 0이 되는 D 전원이 켜지지 않고 디지털 스위치가 꺼진다. 그런 다음 SSVM은 시스템이 다시 활성화될 수 있는 다음 트리거 신호를 기다리게 된다. 이 프로세스는 지속적이며 장기 모니터링 시스템을 개발하는 데 매우 효과적이다.When the SSVM is activated, the first task switches to the detection and visualization phase, which initiates deformation detection. The deformation response is then embedded in a QR code that is further displayed in the EPD. When the sensing and visualization steps are complete, the MCU sends a high signal from GPIO 13 to the LE of Latch to re-enable SSVM from sleep mode. At this time, the D power supply at which the voltage output becomes 0 at Q is not turned on and the digital switch is turned off. The SSVM then waits for the next trigger signal to enable the system to become active again. This process is continuous and highly effective in developing a long-term monitoring system.

이하에서는 앞서 언급한 프로토타입을 이용한 실험데이터에 대해 설명하도록 한다. 실험실 규모 실험은 SSVM의 검증을 위해 설계되었다. 실험 설정은 캔틸레버 빔, 테이블, 클램프, 적재 재료/중량(아크릴 플레이트 및 배터리) 및 강철 스트레인 게이지로 구성되었다. 보의 길이와 폭은 1000㎜, 폭은 100㎜로 한쪽 끝이 테이블 위에 고정되고 다른 쪽 끝이 자유롭게 움직일 수 있도록 클램프를 이용해 테이블에 장착했다. 자유단부에는 빔을 꺾고 변형 반응을 측정하기 위해 가중치가 적용되었다. 사용 가능한 실험실 자원이 빔을 로드하는 데 사용되었다. Hereinafter, experimental data using the aforementioned prototype will be described. A laboratory-scale experiment was designed for validation of the SSVM. The experimental setup consisted of a cantilever beam, table, clamps, loading material/weight (acrylic plate and battery) and a steel strain gauge. The length and width of the beam are 1000 mm and 100 mm, and one end is fixed on the table and the other end is mounted on the table using a clamp so that it can move freely. The free end was weighted to deflect the beam and measure the deformation response. Available laboratory resources were used to load the beam.

여기에는 두 가지 재료, 즉 아크릴 판과 배터리가 포함된다. 변형률 측정의 경우, 2개의 스트레인 게이지를 배치하는 하프 브리지 회로가 사용되었다. 두 쌍의 게이지가 빔에 부착되었으며, 하나는 SSVM용 게이지이고 다른 하나는 참조로 사용된 X노드용 게이지이니다. 2017년에 개발된 X노드는 24비트 ADC로 인해 높은 충실도의 변형률 측정을 제공한다. 더미 게이지는 빔의 고정된 끝에 부착되었고 실제 게이지는 처짐이 최대인 것으로 보이는 곳에 부착되었다. 도 13은 SSVM의 검증을 위한 전체 랩 스케일 실험 설정을 보여준다.It includes two materials: an acrylic plate and a battery. For strain measurement, a half-bridge circuit that places two strain gauges was used. Two pairs of gauges were attached to the beam, one for the SSVM and one for the Xnode used as a reference. Developed in 2017, the Xnode provides high-fidelity strain measurements due to its 24-bit ADC. A dummy gage was attached to the fixed end of the beam and a real gage was attached where deflection appeared to be maximum. Figure 13 shows a full lab scale experimental setup for verification of SSVM.

SSVM의 데이터 수집 속도는 20 SPS, X노드는 100 SPS였다. 두 감지 보드의 샘플링 시간은 10초였다. 빔의 정적 상태와 함께 하중을 증가시킨 후 매번 변형률이 감지되었다. 비교를 위해, 두 감지 시스템의 ADC에 대한 프로그램 가능한 이득은 1로 설정되었고, 강철 스트레인 게이지에는 576의 보정 계수가 사용되었다. 정확한 비교를 위해 측정에서도 전압 오프셋을 고려했다. SSVM과 X 노드를 모두 비교하기 위해 평균 10초 측정값이 계산되었다. SSVM이 EPD에 QR 코드로 표시하는 동안 X노드의 변형 반응은 메모리 카드에 저장되었다. 도 14는 SSVM 검증을 위해 증가하는 부하에서 두 감지 시스템이 캡처한 변형률 값을 비교한 표이다.The data collection speed of SSVM was 20 SPS and X node was 100 SPS. The sampling time of both sensing boards was 10 seconds. The strain was sensed each time after increasing the load with the beam in the static state. For comparison, the programmable gain for the ADCs of both sensing systems was set to 1, and a correction factor of 576 was used for the steel strain gages. For accurate comparison, the voltage offset was also considered in the measurement. Average 10-second measurements were calculated to compare both SSVM and X-nodes. While the SSVM displayed the EPD as a QR code, the deformation response of the X node was stored on a memory card. 14 is a table comparing strain values captured by the two sensing systems under increasing load for SSVM verification.

무부하 상태에서 변형률 반응은 0으로 보정되었다. X노드와 SSVM에 의해 측정된 변형률 반응의 RMSE(Root Mean Square Error)는 1.15μ²로 계산되었다. 비교의 변형률 그래프는 도 15에도 도시되었다. Under no load, the strain response was calibrated to zero. The root mean square error (RMSE) of the strain response measured by the X node and SSVM was calculated to be 1.15 μ². A comparative strain graph is also shown in FIG. 15 .

스트레인 감지와 함께 스마트폰 애플리케이션을 통한 데이터 수집 및 관리가 이뤄졌다. 데이터 관리의 첫 번째 단계는 QR코드를 스캔하여 변형응답, SID, TS 등이 포함된 콘텐츠를 추출하는 것이다. 다음 단계는 클라우드 DB에 콘텐츠를 업로드하는 것이다. 도 16a는 스마트폰 애플리케이션의 사용자 인터페이스(UI)이다. Along with strain detection, data collection and management were performed through a smartphone application. The first step of data management is to scan the QR code to extract the contents including the variant response, SID, and TS. The next step is to upload the content to the cloud DB. 16A is a user interface (UI) of a smartphone application.

개발된 스마트폰 애플리케이션은 도 16a에 도시된 바와 같이, "SSVM"이라는 이름으로 명명되었다. 응용 프로그램의 UI에는 검색 창, 텍스트 뷰어 및 버튼이 포함되어 있다. 상단 화면에는 두 개의 버튼이 있는데, 하나는 카메라 포커스 조정용이고 다른 하나는 모바일 손전등 작동용입니다. 스캔 창 아래에는 디스플레이 버튼을 누르면 QR 코드의 내용이 표시되는 텍스트 뷰어가 있다. 디스플레이 버튼 아래에는 QR코드에서 디코딩된 데이터를 클라우드 DB로 업로드하는 업로드 버튼이 있다. The developed smartphone application was named “SSVM” as shown in FIG. 16A. The application's UI includes a search bar, text viewer, and buttons. There are two buttons on the top screen, one for adjusting the camera focus and one for operating the mobile flashlight. Below the scan window is a text viewer that displays the content of the QR code when the display button is pressed. Below the display button is an upload button that uploads the data decoded from the QR code to the cloud DB.

도 16b는 로컬 호스트를 사용하여 클라우드 서버에 액세스한 MySQL 워크벤치 인터페이스를 보여준다. "SITL"이라는 이름의 DB가 클라우드 서버에 생성되었다. DB 내에서 "apptest" 테이블이 생성되었고 데이터 유형과 함께 변수가 데이터 스키마를 통해 정의되었다. 이 표의 URL에는 스마트폰 애플리케이션을 이용한 포스트 방식으로 QR코드 내용이 업로드되었다. 업로드된 콘텐츠에서 id는 업로드된 모든 콘텐츠에 대한 고유 식별자를 나타내고, sen_code는 SID, sen_date, sen_tm은 TS, sen_str_ch는 변형 응답을 나타낸다.Figure 16b shows the MySQL Workbench interface accessed to the cloud server using the local host. A DB named "SITL" was created on the cloud server. A table "apptest" has been created within the DB and variables along with data types have been defined via the data schema. In the URL of this table, the contents of the QR code were uploaded using a post method using a smartphone application. In uploaded content, id represents a unique identifier for all uploaded content, sen_code represents SID, sen_date, sen_tm represents TS, and sen_str_ch represents a modified response.

다음으로 SSVM의 전력 소비량 분석결과에 대해 설명하도록 한다. SSVM은 트리거 신호를 기반으로 감지 및 시각화를 수행한다. 이 상태에서 전류 소비량은 18mA이고 지속 시간은 35초이다. 절전 모드에서는 작동 중인 장치에서 SSVM의 전류 소비량을 계산할 수 있다(도 17 참조).Next, the power consumption analysis result of SSVM will be explained. SSVM performs detection and visualization based on a trigger signal. In this state, the current consumption is 18mA and the duration is 35 seconds. In sleep mode, the current consumption of the SSVM can be calculated in the operating device (see Fig. 17).

6개의 3500mAh(AA 셀) 배터리를 병렬로 배치하여 전체 용량을 21,000mAh로 증가시킨다. 배터리 수명은 다음의 수학식 4과 같이 계산할 수 있다.Six 3500mAh (AA cell) batteries are placed in parallel to increase the overall capacity to 21,000mAh. The battery life can be calculated as in Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112021023147723-pat00004
Figure 112021023147723-pat00004

수학식 4에서, 0.8은 배터리 수명에 영향을 미치는 외부 및 환경 조건의 보상 계수이다. IAVG는 평균 전류 소비량이며 수학식 5를 사용하여 표현할 수 있다.In Equation 4, 0.8 is a compensation factor for external and environmental conditions that affect battery life. IAVG is the average current consumption and can be expressed using Equation 5.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112021023147723-pat00005
Figure 112021023147723-pat00005

여기서 Ts는 감지 시간(35초)이고 ISSNSING은 감지 전류(18mA)이다. 월 1회 작동을 고려할 때 SSVM은 IAVG가 338.137μA, 배터리 수명은 49,684시간(5.75년)으로 변형률 측정을 위한 초저전력을 갖췄다.where Ts is the sensing time (35 seconds) and ISSNSING is the sensing current (18mA). Considering once-a-month operation, the SSVM has ultra-low power for strain measurement with an IAVG of 338.137 μA and a battery life of 49,684 hours (5.75 years).

도 18a 내지 도 18c는 본 발명의 실시예에 따른 SSVM의 기타활용예를 도시한 것으로, 교량의 스캐닝을 위한 영구 타겟으로 사용가능하다. SSVM에서 시각화되어 디스플레이되는 QR코드를 통해 드론이 본인의 위치정보를 알고, 이를 통해 정밀한 스캐닝이 가능하다. 앞서 언급한 바와 같이, QR코드는 변형률 데이터 뿐만아니라, 교량의 위치, 부재정보(부재식별 고유코드)를 포함하게 되므로 드론이 QR코드를 스캔하면 그 위치정보를 통대 드론 자진의 위치정보를 파악할 수 있다. 따라서 드론 스캐닝 후처리시에 참조 타켓으로 활용할 수 있게 된다. 이러한 영구 타겟의 설치위치는 지점부 받침중앙 상단, 중앙경간복부 중앙 등이 될 수 있다. 따라서 18a to 18c show other utilization examples of the SSVM according to the embodiment of the present invention, which can be used as a permanent target for bridge scanning. Through the QR code visualized and displayed in the SSVM, the drone knows its own location information, and through this, precise scanning is possible. As mentioned above, the QR code includes not only strain data, but also the position and member information of the bridge (unique code for member identification), so when a drone scans the QR code, the location information of the drone can be identified. there is. Therefore, it can be used as a reference target in post-processing of drone scanning. The installation position of such a permanent target may be the upper center of the supporting portion of the supporting part, the center of the central span of the abdomen, and the like. thus

앞서 언급한 본 발명의 실시예에 따른 SSVM은 민간 인프라의 장기적 상태 평가를 위해 배치할 수 있는 최첨단 변형 감지 및 시각화 도구이다. 스마트폰 애플리케이션과 클라우드 DB를 통해 데이터를 쉽게 관리할 수 있다. The SSVM according to the above-mentioned embodiment of the present invention is a state-of-the-art deformation detection and visualization tool that can be deployed for long-term health assessment of private infrastructure. Data can be easily managed through a smartphone application and cloud DB.

본 발명의 실시예에서는, 낮은 전력 소비량에서 높은 충실도의 변형 반응 측정을 가능하게 하는 효과적인 데이터 관리 시스템과 함께 변형 감지 및 시각화를 위한 프로토타입 개발 및 검증을 제시하였다. 감지 시스템은 전력 소비 없이 시각화된 정보를 보유하는 장기 SHM.EPD가 다음 업데이트 전에 QR 코드 및 스토리지로 변형 응답 시각화를 위해 사용되었다. In an embodiment of the present invention, a prototype development and validation for strain detection and visualization along with an effective data management system enabling high-fidelity strain response measurement at low power consumption is presented. The sensing system was used for deformation response visualization with QR code and storage before the next update before the long-term SHM.EPD holding the visualized information without consuming power.

SSVM은 효율적인 변형률 측정이 가능한 정확한 하프 브리지 회로와 24비트 ADC를 사용하였다. 이 시스템은 전원 관리 회로, 저전력 MCU 및 EPD로 인해 전력 소비량이 낮다. 전원 관리 회로에서는 SSVM이 트리거 신호를 수신하는 동안에만 활성화되는 절전 모드를 활성화할 수 있다. The SSVM used an accurate half-bridge circuit and 24-bit ADC capable of efficient strain measurement. The system has low power consumption due to power management circuitry, low power MCU and EPD. The power management circuitry can activate a power-saving mode that is activated only while the SSVM receives a trigger signal.

트리거링에는 RTC와 푸시 버튼 두 개의 소스가 사용되었다. 푸시 버튼을 누르거나 RTC 알람이 자극되면 SSVM이 스트레인 감지를 시작한다. 변형 감지 완료 후 SSVM은 QR 코드에 SID, TS와 함께 변형 데이터를 내장하고 QR 코드를 처리하여 400x400 해상도의 EPD에 표시한다. Two sources were used for triggering: RTC and push button. SSVM initiates strain sensing when a push button is pressed or an RTC alarm is stimulated. After deformation detection is completed, SSVM embeds deformation data along with SID and TS into the QR code, processes the QR code, and displays it on an EPD with 400x400 resolution.

감지 및 시각화 프로세스가 완료되면 다음 트리거 신호가 생성될 때까지 SSVM의 절전 모드가 다시 활성화된다. MCU는 감지 및 시각화 단계에서 최대 18mA 전류를 소비한다. When the detection and visualization process is complete, the SSVM wakes up again until the next trigger signal is generated. The MCU draws up to 18mA of current during the sensing and visualization phases.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, the device and method described above are not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, but all or part of each embodiment is selectively combined so that various modifications can be made. may be configured.

1:구조물
10:변형률 계측 시각화모듈
20;변형률계측부
30:전력관리부
40:제어부
50:E페이퍼 디스플레이부
60:데이터관리부
100:정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템1: Structure
10: Strain measurement visualization module
20; strain measuring unit
30: power management unit
40: control unit
50: E paper display unit
60: Data management department
100: Ultra-low power strain measurement system with information display function

Claims (15)

구조물에 부착 또는 매립되어, 구조물 정보를 표출하는 변형률 계측 시각화모듈에 있어서,
구조물에 부착 또는 매립되어 상기 구조물의 변형률을 측정하는 변형률 계측부;
상기 변형률 계측부에서 측정된 변형데이터를 인코팅하는 제어부;
인코딩 데이터를 디스플레이하는 디스플레이부; 및
배터리에서 상기 제어부로 공급되는 전력을 관리하는 전력관리부;를 포함하고,
상기 제어부는 상기 변형데이터와 함께, 구조식별코드와 타임스탬프를 인코팅하며,
상기 전력관리부는 제어부를 절전모드로 유지시키고, 트리거신호가 생성될 때만 활성화되도록 관리하고,
상기 전력관리부는, 알람과 타임스탬프를 생성하는 알람발생부와, 알람발생부에서의 알람신호 또는 푸쉬버튼에 의한 알람신호가 인가된 경우 트리거신호를 생성하여 상기 제어부에 전송하는 트리거신호발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형률 계측 시각화모듈.
In the strain measurement visualization module attached to or embedded in a structure to express structure information,
a strain measurement unit attached to or embedded in a structure to measure strain of the structure;
a control unit encoding the strain data measured by the strain measurement unit;
a display unit that displays encoded data; and
A power management unit for managing power supplied from a battery to the control unit; includes,
The control unit encodes a structure identification code and a timestamp together with the modified data,
The power management unit maintains the control unit in a power saving mode and manages to be activated only when a trigger signal is generated,
The power management unit includes an alarm generating unit generating an alarm and a timestamp, and a trigger signal generating unit generating a trigger signal and transmitting the trigger signal to the control unit when an alarm signal from the alarm generating unit or an alarm signal by a push button is applied. Strain measurement visualization module, characterized in that for.
 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 제어부는 인코팅 데이터를 QR코드로 생성시키고,
상기 디스플레이부는 E페이퍼 디스플레이부로서, QR코드 형식으로 시각화하는 것을 특징으로 하는 변형률 계측 시각화모듈.
According to claim 1,
The control unit generates the encoding data as a QR code,
The display unit is an E-paper display unit, and the strain measurement visualization module, characterized in that visualized in a QR code format.
 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 변형률 계측부는 하브프리지 회로, 24비트 아날로그 디지털 변환기, 스트레인게이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형률 계측 시각화모듈.
According to claim 1,
The strain measuring unit comprises a half-freeze circuit, a 24-bit analog-to-digital converter, and a strain gauge.
 삭제delete 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템에 있어서,
제 1항, 제 3항 또는 제 6항에 따른 변형률 계측 시각화모듈;
상기 변형률 계측 시각화 모듈의 디스플레이부에 디스플레이된 인코팅 데이터를 스캔하여 디코딩하는 모바일단말 디코딩부; 및
디코딩된 데이터를 전송받아 관리하는 데이터관리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템.
In the ultra-low power strain measurement system having an information display function,
A strain measurement visualization module according to claim 1, 3 or 6;
a mobile terminal decoding unit that scans and decodes the encoded data displayed on the display unit of the strain measurement visualization module; and
An ultra-low power strain measurement system having an information display function comprising a; data management unit for receiving and managing decoded data.
 제 8항에 있어서,
상기 데이터관리부는 클라우드 서버의 데이터베이스이고,
상기 모바일 단말 디코딩부는 스마트폰 애플리케이션 또는 드론이고,
코드가 디코딩되었을 때 상기 클라우드 서버의 데이터베이스(DB)에 저장되는 것을 특징으로 하는 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템.
According to claim 8,
The data management unit is a database of a cloud server,
The mobile terminal decoding unit is a smartphone application or drone,
When the code is decoded, it is stored in the database (DB) of the cloud server. Ultra-low power strain measurement system having an information expression function.
 제 9항에 있어서,
상기 저장, 축적된 데이터를 기반으로 상기 구조물의 상태를 판단하는 분석수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템.
According to claim 9,
An ultra-low power strain measurement system having an information display function, characterized in that it further comprises an analysis means for determining the state of the structure based on the stored and accumulated data.
 제 8항에 따른 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측 시스템을 이용한 초저전력 변형률 계측방법에 있어서,
변형률계측부, 전력관리부, 제어부, 디스플레이부에 대한 시스템 초기화 단계 파라미터를 설정하는 단계;
전력관리부가 시스템이 절전모드가 진행되도록 전력을 제어하는 단계;
알람발생부 또는 푸쉬버튼에 의해 알리신호가 인가되어 트리거 신호가 생성되는 단계;
전력관리부가 제어부에 전력을 공급하여 시스템이 활성화되도록 하고, 변형률계측부에서 측정된 변형데이터가 제어부에 의해 인코딩되는 단계;
디스플레이부가 인코딩된 데이터를 시각화하여 디스플레이하는 단계; 및
디스플레이가 완료되면 전력관리부는 시스템이 절전모드로 진행되도록 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측방법.
In the ultra-low power strain measurement method using the ultra-low power strain measurement system having the information display function according to claim 8,
Setting system initialization parameters for the strain measuring unit, power management unit, control unit, and display unit;
Controlling power by a power management unit so that the system enters a power saving mode;
generating a trigger signal by applying an alert signal by an alarm generating unit or a push button;
The power management unit supplies power to the control unit so that the system is activated, and the transformation data measured by the strain measurement unit is encoded by the control unit;
visualizing and displaying the encoded data by a display unit; and
When the display is completed, the power management unit controls the system to proceed to power saving mode; ultra-low power strain measurement method having an information display function, characterized in that it comprises.
 제 11항에 있어서,
모바일 단말 디코딩부를 통해 상기 디스플레이부에 디스플레이된 인코팅 데이터를 스캔하여 디코딩하고, 디코딩된 데이터를 데이터관리부에 저장하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측방법.
According to claim 11,
Scanning and decoding the encoded data displayed on the display unit through a mobile terminal decoding unit, and storing the decoded data in a data management unit; Ultra-low power strain measurement method having an information display function, characterized in that it further comprises.
 제 12항에 있어서,
상기 데이터관리부는 클라우드 서버의 데이터베이스이고,상기 모바일 단말 디코딩부는 스마트폰 애플리케이션 또는 드론이고, 코드가 디코딩되었을 때 상기 클라우드 서버의 데이터베이스(DB)에 저장되는 것을 특징으로 하는 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측방법.
According to claim 12,
The data management unit is a database of a cloud server, the mobile terminal decoding unit is a smartphone application or a drone, and when the code is decoded, it is stored in the database (DB) of the cloud server. measurement method.
 제 13항에 있어서,
분석수단이 저장, 축적된 데이터를 기반으로 구조물의 상태를 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정보표출기능을 갖는 초저전력 변형률 계측방법.





According to claim 13,
An ultra-low power strain measurement method with an information display function, characterized in that it further comprises; determining the state of the structure based on the data stored and accumulated by the analysis means.





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