KR102591050B1 - 스마트팜에 이용되는 센서 시스템 - Google Patents

스마트팜에 이용되는 센서 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스마트팜에 이용되는 센서시스템에 있어서, 각각 적어도 1개의 센서가 접속되어 있는 복수의 파장분할소자들을 포함하고, 상기 센서는 광도파로에 적어도 하나의 브래그 격자를 포함하는 광도파로 센서이며, 복수의 파장분할소자들은 복수의 물리량을 한꺼번에 측정할 수 있도록 파장분할 대역폭이 조정되는 센서시스템을 제공한다.

Description

스마트팜에 이용되는 센서 시스템 {Sensor System for using in Smartfarm}
본 발명은 스마트팜에 이용되는 센서 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 복수의 파장분할소자들과, 브래그 격자를 포함하는 광도파로 센서를 이용하여 구현되는 센서 시스템이다.
스마트팜은 정보통신기술을 이용하여 온실, 과수원 등 농업 시설을 모니터링하고 원격 및 자동으로 유지 관리하는 농장으로, 농가의 편의를 돕고 있다. 이러한 스마트팜에는 센서 시스템이 널리 이용되고 있다.
기존 스마트팜 센서 들은 전기식으로 구성되어 물리량에 따른 저항 변화를 감지하여 물리량으로 환산되는 형태이며, 하나의 모듈에 한 개의 물리량을 측정하거나 여러 기능을 갖는 센서들을 통합한 구성으로 일부 상용화되어 있었다.
한편, 전기식 센서는 스마트팜환경(온실) 내에서 고온, 고습으로 장시간 노출될 수 밖에 없기 때문에 잦은 고장과 통신 오류 및 전선 케이블의 내구성 감소 등으로 주기적인 교체가 필요하며, 유지비가 많이 드는 단점이 있어서 스마트팜 내 여러 지점을 모니터링하기에는 투자비가 상승하는 요인으로 작용하는 문제점이 있었다. 또한 통신 방해 요인(온도, 습도, 작물 등)으로 인하여 와이파이와 같은 무선 통신 설치가 힘들고 통신 오류가 많이 발생하는 문제점도 있었다.
한국등록특허 10-1935750
본 발명의 목적은 스마트팜 환경에서고온/고습에서 견딜수 있는 무전원 방식의 센서를 채용하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 통신 방해 요인에 대하여 영향을 받지 않는 스마트팜 센서 시스템을 구축하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 광도파로 방식으로 소형화된 센서 모듈화가 가능한 스마트팜 센서 시스템을 구축하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일측면은 스마트팜에 이용되는 센서시스템에 있어서, 각각 적어도 1개의 센서가 접속되어 있는 복수의 파장분할소자들을 포함하고, 상기 센서는 광도파로에 적어도 하나의 브래그 격자를 포함하는 광도파로 센서이며, 상기 복수의 파장분할소자들은 복수의 물리량을 한꺼번에 측정할 수 있도록 파장분할 대역폭이 조정되는 스마트팜에 이용되는 센서시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 복수의 물리량은 온도, 습도, CO2 함유량, 광량 중 적어도 2개를 포함한다.
바람직하게는, 상기 복수의 파장분할소자들에는 센서노드를 통하여 스마트팜 관리서버가 접속된다..
바람직하게는, 상기 광도파로 센서는, 적어도 온도와 습도를 동시에 측정하되, 온도의 측정인 경우 광도파로 브래그 격자 센서를 그대로 이용하고, 습도의 측정인 경우 적어도 코어와 브래그 격자의 상부에 습도민감성 물질을 코팅한다.
바람직하게는, 상기 광도파로 센서로 전달되는 광신호의 일부를 광스플리터를 이용하여 분리하여 CO2가스를 모니터링하기 위한 NDIR 센서를 더 포함한다.
바람직하게는, 스마트팜 관리서버와 제어장치를 더 포함하고, 상기 스마트팜 관리서버에서 출력된 센서제어신호는 센서노드를 통해서 상기 복수의 파장분할소자들로 전달되고, 상기 제어장치는 상기 스마트팜 관리서버로부터의 광도파로센서의 제어신호를 전달한다.
본 발명에 의하면, 네트워크 구성시 센서지점에는 전원이 필요가 없는 무전원 센서부를 구성하여 스마트팜의 고온 다습 환경에 내구성을 갖는 센서 네트워크를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트팜에 이용되는 센서시스템의 개략적인 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 파장분할소자들과 광도파로센서의 배치 예를 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 광도파로센서 모듈의 일예들을 도시한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광도파로센서 모듈들을 통해 투과되고 반사되는 광신호의 세기를 도시한 도면이다.
본 명세서에 개시된 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 명세서가 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 명세서의 개시가 완전하도록 하고, 본 명세서가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자(이하 '당업자')에게 본 명세서의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 명세서의 권리 범위는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트팜에 이용되는 센서시스템의 개략적인 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 스마트팜 센서 시스템은 스마트팜 관리서버(150), 제어장비(160), 센서노드(140), 파장분할소자들(180a1,180a2, …, 180an)들을 구비하고, 파장분할 소자들 (180a1,180a2, …, 180an) 각각은 적어도 1개의 센서들이 접속되어 있다. 예를 들어, 파장분할소자(180an)에는 광도파로 센서들이 2개 또는 3개 접속되어 있을 수 있고 각 광도파로 센서에는 하나 이상의 브래그 격자를 포함한다. 이에 대해서는 상세히 후술한다.
한편, 스마트팜 관리서버(150)에서 출력된 센서제어신호는 센서노드(140)를 통해서 상기 복수의 파장분할소자들(180a1,180a2, …, 180an)로 전달되고, 제어장비(160)는 상기 스마트팜 관리서버(150)로부터의 광도파로 센서들의 제어신호를 전달하여 제어를 수행하도록 한다.
복수의 파장분할소자들(180a1,180a2, …, 180an)은 복수의 물리량을 한꺼번에 측정할 수 있도록 파장분할 대역폭이 조정된다. 복수의 물리량들은 온도, 습도, CO2 함유량, 광량 중 적어도 2개이다. 즉, 하나의 광도파로센서는 적어도 온도와 습도를 동시에 측정하되, 온도의 측정인 경우 광도파로 브래그 격자 센서를 그대로 이용하고, 습도의 측정인 경우 적어도 코어와 브래그 격자의 상부에 습도민감성 물질을 코팅한 광도파로 브래그 센서를 이용할 수 있다. 또한, 상기 광도파로 센서로 전달되는 광신호의 일부를 광스플리터를 이용하여 분리하여 CO2가스를 모니터링하기 위한 NDIR 센서를 더 포함할 수 있고, 추가적으로 물리량별로 광융합 센서를 추가 배정하여 다중 센서부를 구성하는 것도 가능하다.
예를 들어 복수의 파장분할소자들(180a1,180a2, …, 180an) 각각은 서로 다른 파장, 즉 영역 1520nm에서 10nm 간격으로 다른 파장영역을 할당하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로 할당된 파장영역은 각각 다른 물리량을 측정한 정보를 전달하거나 스마트팜내에 각각 서로 다른 지역에서 측정된 정보를 전달하는 것으로 이용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 파장분할소자들과 광도파로센서의 배치 예를 도시한 도면이다.
파장분할소자 WDM0은 파장별로 광신호를 분류하여 전송하여 제1 파장분할소자(1N)부터 제n 파장분할소자(nN)로 각각 전송한다. 이하, 제2 파장분할소자(2N)으로 전송된 광신호만 예를 들어 설명한다. 도 2의 도시에서도 제2 파장분할소자(2N)로 연결된 파장분할소자들(W21,W22,...,W2N)로 분류되어 있지만 다른 파장분할소자들도 동일한 구성이 존재할 수 있음을 도시의 편의상 생략하였다.
파장분할소자들(W21,W22,...,W2N) 각각은 도 2와 같이 광도파로 센서 모듈과 접속되어 있다. 파장분할소자들(W21)은 자신의 파장 영역에 대한 광신호는 광도파로센서모듈(21)에 전달하고 나머지 신호는 다음 파장분할소자들(W22)로 전송한다. 파장분할소자들(W22)도 자신의 파장 영역에 대한 광신호는 광도파로센서모듈(22)에 전달하고 나머지 신호는 다음 파장분할소자들(W23)로 전송한다.
또한, 광도파로센서모듈 각각은 적어도 2개의 물리량을 측정할 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 광도파로센서모듈(21)은 온도와 습도, 광도파로센서모듈(22)은 온도와 습도와 CO2 함량 등을 측정할 수 있도록 구성되어 있다. 이러한 방식으로 광량을 측정하는 센서도 광도파로 센서모듈에 추가하는 것도 가능하다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 광도파로센서 모듈의 일예들을 도시한 도면들이다.
먼저, 도 3a는 광도파로에 브래그 격자가 삽입된 광도파로 브래그격자 센서를 도시하고 있는데, 온도의 측정인 경우 이와 같은 광도파로 브래그 격자 센서를 그대로 이용하는 것이 가능하다.
도 3b는 코어도파로와 브래그 격자의 상부와 측면에 습도민감성 물질인 폴리이미드를 코팅한 광도파로 브래그 센서를 도시하고 있고, 도 3b는 코어도파로와 브래그 격자의 상부에만 습도민감성 물질인 폴리이미드를 코팅한 광도파로 브래그 센서 모듈을 도시하고 있다. 도 3b와 도 3c의 구성을 가지는 광도파로 브래그 격자 센서에 의하면, 습도를 측정할 수 있다.
한편, 온도와 습도 측정을 하나의 집적화된 광도파로 브래그 격자 센서에 구현하는 것이 가능하다. 광도파로 브래그 격자의 일영역에는 브래그센서를 도입하고 다른 영역에는 도 3b와 도 3c와 같은 습도민감성 물질을 코팅할 수 있다.
이러한 광도파로 브레그 센서는 위상마스크의 pitch 가 결정되면 광도파로를 사용하여 동일한 중심파장의 브래그 격자를 제공할 수 있고, 웨이퍼 상태로 직선 광도파로를 제작하여 동일한 브래그 격자를 대량으로 생산하여 성능과 가격경쟁력을 높일 수 있는 장점이 있다. 한편, 도 3a에서는 온도의 측정에서는 별도의 물질을 추가로 코팅하는 단계를 기재하지 않았으나 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 광도파로 광도파로 격자 표면에 물리인자(온도, 습도 등)에 민감한 코팅 물질을 적용하여 해당 물리인자별 민감성을 높일 수 있게 된다.
또한, 상기 광도파로 센서로 전달되는 광신호의 일부를 광스플리터를 이용하여 분리하여 CO2가스를 모니터링하기 위한 NDIR 센서를 추가하는 것도 가능함은 도 2에 도시한 바와 같다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광도파로센서 모듈들을 통해 투과되고 반사되는 광신호의 세기를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 한 지점에 여러 개의 센서 설치시 해당 센서들에 할당되는 파장범위만큼만 활용하고, 나머지 파장범위의 광은 거의 손실없이 통과할 수 있는 파장분할 소자를 추가함으로써 여러 지점을 통과하더라도 할당된 파장 영역 이외의 광은 손실 없이 센서에 전달될 수 있다. 이러한 구성에 의하면 광파워의 손실을 최소화하면서도 신호대잡음비가 우수한 센서 네트워크를 구성할 수 있게 되는 효과가 있다.
이러한 구성과 대비하여, 광섬유격자(FBG) 센서를 본 스마트팜 센서시스템에 채용할 수 있다. 이러한 광섬유 타입의 경우 다른 파장의 격자 제작시 다른 파장의 위상마스크와 광섬유 정렬장치(장력 변화)로 인하여 제작할 때 마다 중심파장의 변화가 있을 수 있는 문제점이 있다. 또한, 각 센서부를 지날 때 마다 광파워의 손실이 발생하여 다중화 개수의 제한이 따르고, 한 위치에 여러 개의 센서가 필요한 경우에는 한 개의 광섬유를 따라 연결되므로 설치시 광섬유 연결처리에 복잡성이 따른다.
본 발명의 의한 광도파로 브래그 격자 센서를 이용하는 스마트팜 센서 네트워크에서는 기존에 대부분 전기식 센서를 무선으로 연결하면서 각 센서 위치별로 전원이 공급되어야 하는 문제점과는 달리 광도파로 격자 센서로 네트워크 구성시 센서지점에는 전원이 필요가 없는 무전원 센서부를 구성하여 스마트팜의 고온 다습 환경에 내구성을 갖는 센서 네트워크를 제공할 수 있게 된다.
전술한 본 발명에 따른 에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

Claims (6)

  1. 스마트팜에 이용되는 센서시스템에 있어서,
    각각 적어도 1개의 센서가 접속되어 있는 복수의 파장분할소자들을 포함하고,
    상기 센서는 광도파로에 적어도 하나의 브래그 격자를 포함하는 광도파로 센서이며,
    상기 복수의 파장분할소자들은 복수의 물리량을 한꺼번에 측정할 수 있도록 파장분할 대역폭이 조정되며,
    상기 광도파로 센서로 전달되는 광신호의 일부를 광스플리터를 이용하여 분리하여 CO2가스를 모니터링하기 위한 NDIR 센서를 더 포함하는 스마트팜에 이용되는 센서시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 물리량은 온도, 습도, CO2 함유량, 광량 중 적어도 2개를 포함하는 스마트팜에 이용되는 센서시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 파장분할소자들에는 센서노드를 통하여 스마트팜 관리서버가 접속된 스마트팜에 이용되는 센서시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 광도파로 센서는, 적어도 온도와 습도를 동시에 측정하되, 온도의 측정인 경우 광도파로 브래그 격자 센서를 그대로 이용하고, 습도의 측정인 경우 적어도 코어와 브래그 격자의 상부에 습도민감성 물질을 코팅한 광도파로 브래그 센서를 이용하는 스마트팜에 이용되는 센서시스템.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    스마트팜 관리서버와 제어장치를 더 포함하고,
    상기 스마트팜 관리서버에서 출력된 센서제어신호는 센서노드를 통해서 상기 복수의 파장분할소자들로 전달되고,
    상기 제어장치는 상기 스마트팜 관리서버로부터의 광도파로센서의 제어신호를 전달하는 스마트팜에 이용되는 센서시스템.
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