KR102598339B1 - Pentane gas sensor device, signal processing circuit, sensor platform and monitoring system using it - Google Patents
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Abstract
본 발명은 펜탄가스 센서 디바이스, 센서플렛폼 및 이를 이용한 모니터링 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 특정한 작업환경 하에서 20%LEL (LEL: Low Explosive Limitation) 수준의 고감도, 저농도 미세측정할 수 있도록 바륨 등 이종 원소 도핑을 통한 YSZ계 고체전해질 및 이온 전도도와, 촉매전극 물질에 니켈 산화물(NiO), 카본블랙 (Carbon black) 등의 물질을 혼합하여 복합체 제조를 통한 펜탄 가스 반응성 및 촉매 물질 복합체, 고체 전해질층의 두께 조정을 통한 펜탄가스 검출하는 펜탄가스 센서 디바이스를 제공하고, 센서 출력에 가장 효율적인 센서 신호처리용 반도체를 이용하여 미세변화량에 대한 센서 출력 정보를 유지하도록 하고, 유/무선 송수신 기능을 포함하여 IoT접목이 가능한 센서플랫폼을 구성하여 작업현장의 펜탄가스를 측정하며, 측정된 폭발가스인 펜탄가스(C2H12)를 측정 및 모니터링하는 모니터링시스템을 제공하여 유해폭발가스인 펜탄가스의 누출 등의 사고에 대비한 높은 수준의 관리가 이루어질 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a pentane gas sensor device, a sensor -fledged system, and a monitoring system using the same, and in particular, the high sensitivity of 20% LEL (LEL (LEL) LEL (LEL) LEL (LEL) in a specific working environment, bacterial elements such as barium to measure low concentrations of low concentrations. YSZ-based solid electrolyte and ionic conductivity through doping, and pentane gas reactivity and catalyst material composite through manufacturing a composite by mixing materials such as nickel oxide (NiO) and carbon black with the catalyst electrode material, and the solid electrolyte layer. We provide a pentane gas sensor device that detects pentane gas through thickness adjustment, maintain sensor output information on minute changes by using the most efficient sensor signal processing semiconductor for sensor output, and include wired/wireless transmission and reception functions for IoT. A sensor platform that can be grafted is configured to measure pentane gas at the work site, and a monitoring system is provided to measure and monitor pentane gas (C 2 H 12 ), an explosive gas, to prevent leakage of pentane gas, a hazardous explosive gas. This has the effect of enabling high-level management in preparation for accidents.
Description
본 발명은 펜탄가스 센서 디바이스, 신호처리회로, 센서플랫폼 및 이를 이용한 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 펜탄가스는 자동차 전장제품 개발에 많이 사용되는 폴리우레탄(PU) 제조에 필수적으로 활용되고, 폴리우레탄을 사용하는 산업용 제품 개발과 제품 수송에서 발생되는 폭발성이 높은 펜탄가스(C2H12)를 측정 및 모니터링 할 수 있도록 한 펜탄가스 센서 디바이스, 신호처리회로, 센서플랫폼 및 이를 이용한 모니터링 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a pentane gas sensor device, a signal processing circuit, a sensor platform, and a monitoring system using the same. More specifically, pentane gas is essentially used in the manufacture of polyurethane (PU), which is widely used in the development of automotive electronic products. Pentane gas sensor device, signal processing circuit, sensor platform, and monitoring system using the same to measure and monitor highly explosive pentane gas (C 2 H 12 ) generated during the development of industrial products using polyurethane and the transportation of products. It's about.
환경센서는 대기나 수질 등의 환경 변화를 감지하는 센서를 지칭하며, 환경분야에 많은 활용이 되는 가스센서는 대기오염, 자동차 배기, 토양 진단, 수질관리 등과 같은 분야에 적용되고 있다. Environmental sensors refer to sensors that detect environmental changes such as air or water quality, and gas sensors, which are widely used in the environmental field, are applied to fields such as air pollution, automobile exhaust, soil diagnosis, and water quality management.
환경센서 중 대기오염이나 자동차 배기 등의 공기질 관리를 위한 가스센서는 다양한 기술적 형태로 고안되고 활용되고 있으며, 센서가 활용되는 목표에 따라서 여러 가지 기술을 이용하여 개발되고 사용된다. 가스센서는 주로 전기화학식, 반도체식, 고체전해질 방식, 접촉연소식, 광학방식등의 기술이 적용되고 있으며, 각 기술마다 기술적 장단점, 차이점, 제조방법, 가격등의 차이를 보이고 있다. 가스센서에 적용되는 기술은 전기화학식이 주류를 이루고, IoT환경의 발전으로 말미암아 반도체 방식이 나노기술 발전으로 인한 양산성 해결과 선택성 향상 기술등 개선을 거듭하며 빠르게 적용되고 있는 실정이다. Among environmental sensors, gas sensors for air quality management such as air pollution or automobile exhaust are designed and utilized in various technological forms, and are developed and used using various technologies depending on the goal for which the sensor is utilized. Gas sensors mainly use electrochemical, semiconductor, solid electrolyte, contact combustion, and optical technologies, and each technology has its own technical advantages and disadvantages, differences, manufacturing methods, and prices. The technology applied to gas sensors is predominantly electrochemical, and due to the development of the IoT environment, the semiconductor method is rapidly being applied with improvements such as solutions for mass production and selectivity improvement technology due to the development of nanotechnology.
가장 많은 시장을 가지고 있고, 넓은 응용이 가능한 전기화학식 가스센서과 반도체식은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 공정, 나노와 마이크로히터일체형 센서 구조와 나노 감지소재를 이용한 고감도는 빠른 반응시간, 안정성 및 수명 등 많은 장점이 있고, 펜탄가스를 목표로 한 가스감지에 다른 기술적 방식에 비하여 높은 장점이 있다.The electrochemical gas sensor, which has the largest market and can be applied widely, and the semiconductor type use the MEMS (Micro Electro Mechanical System) process, nano and microheater integrated sensor structure, and high sensitivity using nano sensing materials have many advantages such as fast response time, stability, and lifespan. It has advantages and has high advantages over other technological methods for gas detection targeting pentane gas.
그리고 반도체식 가스센서의 경우, 복합가스 환경인 PU제조 현장이나 수송현장에서 목표가스의 낮은 선택성으로 말미암아 펜탄가스 감지에 다소 부적절한 반면, 센서의 안정성은 갖고 있지만 감지 가스 범위가 넓어 목표가스를 정확하게 감지하는 데에는 부적절하다. In the case of semiconductor gas sensors, they are somewhat unsuitable for detecting pentane gas due to low selectivity of the target gas in complex gas environments such as PU manufacturing sites or transportation sites. However, although the sensor has stability, the detection gas range is wide and the target gas can be accurately detected. It is inappropriate to do so.
나노물질 기반 가스 센서 기술은 최근 금속 산화물 나노선, 탄소 나노튜브 및 그래핀을 보톰-업(bottom-up) 방식으로 합성하여 기판에 집적한 형태의 가스 센서가 국가 출연 연구소 및 대학에서 활발하게 진행되고 있으나, 산업화에 필수적인 양산성 및 균일성을 상용화 수준으로 달성한 기술 개발은 이루어지고 있지 않다.Nanomaterial-based gas sensor technology has recently been actively developed in state-funded research institutes and universities by synthesizing metal oxide nanowires, carbon nanotubes, and graphene in a bottom-up manner and integrating them on a substrate. However, technology development that has achieved mass production and uniformity, which are essential for industrialization, to a commercial level has not been achieved.
최근에 환경오염에 대한 규제가 강화되고, 가스폭발로 인한 사고의 발생이 빈번하고 대형화되면서 각종 환경 유해성 가스를 측정하기 위한 계측 시스템의 필요성에 따라 가장 효율적인 기술 방식이 적용되고 활용된다. Recently, as regulations on environmental pollution have been strengthened and accidents due to gas explosions have become more frequent and larger, the most efficient technological methods are applied and utilized in accordance with the need for measurement systems to measure various environmentally harmful gases.
전기화학식 센서는 감지전극, 기준전극 및 반대 전극으로 구성되며, 전해질로 채워져 있다. CO, SO2, NO2, CO2 등의 유해가스를 선택적으로 측정할 수 있다. 이 센서의 작동원리는 감지전극에 도달한 가스는 전극 물질에 따라 특정 가스에 활성화된 산화 혹은 환원 반응을 일으킨다. 이 때 발생되는 전류 또는 전압을 반대전극으로 감지하여 센서 신호로 검출한다. 이 센서는 온도와 압력에 민감하여 일정 조건을 유지하는 것이 필요하다. 산소의 경우 탁월한 선택성과 안정성을 가지나 측정 가스의 종류에 따라 다른 가스에 의한 영향이 존재하여 필터가 필요한 단점이 있다. An electrochemical sensor consists of a sensing electrode, a reference electrode, and a counter electrode, and is filled with electrolyte. Harmful gases such as CO, SO 2 , NO 2 , and CO 2 can be selectively measured. The operating principle of this sensor is that the gas that reaches the sensing electrode causes an activated oxidation or reduction reaction in the specific gas depending on the electrode material. The current or voltage generated at this time is sensed by the opposite electrode and detected as a sensor signal. This sensor is sensitive to temperature and pressure, so it is necessary to maintain certain conditions. In the case of oxygen, it has excellent selectivity and stability, but has the disadvantage of requiring a filter because it is affected by other gases depending on the type of gas being measured.
반도체식 센서(semiconductor) 센서는 ZnO, SnO2 등 금속산화물 반도체 센서가 있으며, 반도체 표면의 화학반응에 따른 두 전극 사이의 저항 변화로 가스의 농도를 관측한다. 이 방식은 연소성 가스, NO2, CO에 대해 감도가 좋고, 반응이 빠른 특성이 있으며, 부식성 가스나 습도에 대해 안정적이고 생산비가 저렴한 것이 장점이다. 반면 선택성이 취약하고, 높은 동작 온도가 필요한 단점이 있다. 반도체식 센서의 한 종류인 MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor)센서는 화학반응에 의해 FET (field effect transistor)의 변화를 이용하는 센서로서 MOS 센서에 얇은 금속촉매나 가스에 반응하는 고분자 박막을 추가한다. 이 센서는 대량으로 신뢰도가 높은 센서를 제작할 수 있는 장점이 있다. Semiconductor sensors include metal oxide semiconductor sensors such as ZnO and SnO2, and they monitor gas concentration through changes in resistance between two electrodes due to chemical reactions on the surface of the semiconductor. The advantage of this method is that it has good sensitivity to combustible gases, NO2, and CO, has fast response characteristics, is stable to corrosive gases and humidity, and has low production costs. On the other hand, it has the disadvantage of poor selectivity and the need for a high operating temperature. The MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) sensor, a type of semiconductor sensor, is a sensor that uses changes in the FET (field effect transistor) due to a chemical reaction. A thin metal catalyst or a polymer thin film that reacts to gas is added to the MOS sensor. . This sensor has the advantage of being able to produce highly reliable sensors in large quantities.
센서와 센서 성능을 극대화하고, 다양한 기술 방식의 센서을 위한 신호처리기술이 필수적이다. 센서의 출력은 기술적 방식에 따라서, 저항, 전류, 전압의 다양한 방식으로 출력을 구성하고, 저항값은 수 오옴(ohm)에서 메가오옴, 전류도 pA(pico ampere)수준에서 uA(micro ampere)등의 매우 높은 편차의 출력을 발생하여, 이에 대한 대응 및 처리를 고민하지 않을 수 없다. 이를 대응하기 위한 주요 이슈는 센서와 회로, 시스템 기술을 개발하여 적용할 수 밖에 없다. 회로 기술은 센서로부터 수신된 신호를 명확하고, 다양한 변화량의 추이에 대한 정보를 유지하기 위해 잡음을 제거하는 기능, 소형 및 고성능 기능, 저전력 처리기능, 고감도의 정보를 디지털하는 기능, 다양한 응용분야에 적용하기 위한 지능화 방안등이 주요 기술 이슈이며, 회로의 최소화와 다양한 기능을 위하여 신호처리 회로를 ADC(analog to digital) 회로 블록을 내장한 ROIC(Read Out IC)로 구현하고 있다. 신호처리회로를 담당하는 ROIC는 저전력을 지원하고, 고성능으로 신호처리를 위한 방법을 포함하고, 향후 여러 가지 중요한 소프트웨어와 인공지능 알고리즘등을 처리하기 위해 MCU까지 통합되는 형태로 발전할 전망이다.Signal processing technology is essential to maximize sensors and sensor performance, and for sensors of various technology types. Depending on the technological method, the output of the sensor consists of various types of resistance, current, and voltage. Resistance values range from several ohms to megaohms, and currents range from pA (pico ampere) to uA (micro ampere), etc. generates output with very high deviation, so we cannot help but worry about how to respond and deal with it. The main issue to respond to this is the development and application of sensor, circuit, and system technologies. Circuit technology provides clear signals received from sensors, the ability to remove noise to maintain information on the trend of various changes, compact and high-performance functions, low-power processing functions, the function to digitize high-sensitivity information, and various application fields. The main technical issue is how to apply intelligence, and the signal processing circuit is implemented as an ROIC (Read Out IC) with a built-in ADC (analog to digital) circuit block to minimize the circuit and provide various functions. ROIC, which is responsible for the signal processing circuit, supports low power, includes methods for high-performance signal processing, and is expected to develop into an integrated MCU to process various important software and artificial intelligence algorithms in the future.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로, 유해폭발가스인 펜탄가스에 대한 선제적이고 자동화된 대응이 가능하도록, 특정한 작업환경 하에서 20%LEL (LEL: Low Explosive Limitation) 수준의 고감도, 저농도 미세측정이 가능한 펜탄가스 센서 디바이스와 신호처리회로인 센서용반도체를 고안하는데 목적이 있다. The present invention was designed to solve the above problems, and to enable preemptive and automated response to pentane gas, a hazardous explosive gas, high sensitivity, low concentration, and fine emissions at the level of 20% LEL (LEL: Low Explosive Limitation) under a specific work environment. The purpose is to design a pentane gas sensor device capable of measurement and a sensor semiconductor that is a signal processing circuit.
또한, 본 발명은 펜탄가스외에 메탄, 에탄올, 벤젠 등 제조사업장, 공장, 산업단지에서 발생하는 유해가스 감지하기 위하여 센서 + 센서용반도체 + 통신기능 + 인공지능기능을 포함한 센서 플랫폼 구조로써 PU제조에 적용하고, 폭발 가스감지가 가능한 센서시스템을 제공하는 데 목적이 있다. In addition, the present invention is a sensor platform structure including a sensor + sensor semiconductor + communication function + artificial intelligence function to detect harmful gases generated in manufacturing plants, factories, and industrial complexes such as methane, ethanol, and benzene in addition to pentane gas, and is used in PU manufacturing. The purpose is to provide a sensor system capable of detecting explosive gases.
또한, 본 발명은 기존의 반도체 방식과 구별되고, 펜탄(Pentane) 가스에 특화된 센서 방식인 고체전해질과 촉매를 이용한 전기화학식 센서 기술을 사용하며, 전기화학식 센서에 적용되는 최적의 센서 신호처리용 반도체와의 융합으로, 실시간으로 펜탄 센서의 출력 Data를 수집하여 자동으로 분석하고 예측하여 유해가스 폭발사고에 선제적으로 대응하는 통합 모니터링 시스템을 제공하는 데 목적이 있다. In addition, the present invention is different from the existing semiconductor method and uses electrochemical sensor technology using solid electrolyte and catalyst, which is a sensor method specialized for pentane gas, and is the optimal semiconductor for sensor signal processing applied to electrochemical sensors. The purpose is to provide an integrated monitoring system that proactively responds to harmful gas explosion accidents by collecting output data from the pentane sensor in real time, automatically analyzing and predicting it.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, The present invention is a means to achieve the above object,
특정한 작업환경에서 20%LEL (LEL: Low Explosive Limitation) 수준의 고감도, 저농도 미세측정할 수 있도록 바륨과 같은 이종 원소 도핑을 통한 YSZ계 고체전해질 및 이온 전도도와, 촉매전극 물질에 니켈 산화물(NiO), 카본블랙 (Carbon black)을 혼합하여 복합체 제조를 통한 펜탄 가스 반응성 및 촉매 물질 복합체, 고체 전해질층의 두께 조정을 통한 펜탄가스 검출할 수 있도록 하우징, 히터, 기체유입구, 전하수집기, 감지전극, 고체전해질, 니켈메쉬, 워터찬넬, 히터와이어, 전극와이어를 포함하는 펜탄센서인 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스를 제공한다.YSZ-based solid electrolyte and ionic conductivity through doping of heterogeneous elements such as barium and nickel oxide (NiO) as catalyst electrode material to enable high-sensitivity, low-concentration micromeasurement at the 20% LEL (Low Explosive Limitation) level in a specific working environment. Housing, heater, gas inlet, charge collector, detection electrode, solid to detect pentane gas by adjusting the thickness of the solid electrolyte layer, pentane gas reactivity and catalyst material complex by mixing carbon black to produce a composite. Provides a pentane gas sensor device characterized as a pentane sensor including an electrolyte, nickel mesh, water channel, heater wire, and electrode wire.
본 발명의 상기 히터는, 감지전극 및 전해질에 열에너지를 공급하여 작업전극에서 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 촉진시키거나, 고체 전해질에서의 케리어 이동도를 증가시켜 센서의 감지도를 증대하는 것을 특징으로 한다.The heater of the present invention supplies heat energy to the sensing electrode and electrolyte to perform an oxidative dehydrogenation reaction of pentane (C 5 H 12 + O 2- → C 5 H 10 + H) for detecting pentane gas at the working electrode. 2 O + 2e - ) and oxidation reaction (C 5 H 12 + 16O 2- → 5CO 2 + 6H 2 O + 32e - ), or by increasing the carrier mobility in the solid electrolyte for detection by the sensor. It is characterized by increasing the degree.
본 발명의 기체유입구는, 검지 가스의 출입구이며, 팬을 설치하여 유입하고, 필터를 설치하여 검지를 방해하는 물질인 먼지, 습기를 걸러내어 펜탄센서의 내구성을 증대하는 것을 특징으로 한다.The gas inlet of the present invention is an entrance for detection gas, and is characterized by installing a fan to introduce the gas, and installing a filter to filter out dust and moisture, which are substances that interfere with detection, to increase the durability of the pentane sensor.
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본 발명의 전하수집기는, 검지 가스의 출입구이며, 팬을 설치하여 유입하고, 필터를 설치하여 검지를 방해하는 물질인 먼지, 습기를 걸러내어 펜탄센서의 내구성을 증대하는 것을 특징으로 한다.The charge collector of the present invention is an inlet for the detection gas, and is characterized by installing a fan to introduce the gas, and installing a filter to filter out dust and moisture, which are substances that interfere with detection, to increase the durability of the pentane sensor.
본 발명의 감지전극은, 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 통해 전위차를 생성하는 것을 특징으로 한다.The sensing electrode of the present invention is an oxidative dehydrogenation reaction (C 5 H 12 + O 2- → C 5 H 10 + H 2 O + 2e - ) and oxidation reaction of pentane for detecting pentane gas. It is characterized by generating a potential difference through (C 5 H 12 + 16O 2- → 5CO 2 + 6H 2 O + 32e - ).
본 발명의 고체전해질은, 산화탈수소화와 산화의 두 반응 및 상대전극에서 일어나는 반응들에 의해 생성된 이온의 전도가 일어나는 부분으로 전위차를 생성하여 전극와이어 및 센서용 신호처리반도체에 전류를 발생시키는 것을 특징으로 한다.The solid electrolyte of the present invention is a part where conduction of ions generated by the two reactions of oxidation dehydrogenation and oxidation and reactions occurring at the counter electrode occurs, and generates a potential difference to generate current in the electrode wire and signal processing semiconductor for the sensor. It is characterized by
본 발명의 니켈메쉬는, 상기 감지전극의 상대전극 (Counter electrode)로서 펜탄의 산화반응에 대한 산화-환원 짝반응인 물의 환원반응 (H2O + 2e- → H2 + O2-)을 일으켜 활성산소이온 (O2-)을 소자에 공급하여 산화반응을 촉진하는 것을 특징으로 한다. The nickel mesh of the present invention serves as a counter electrode of the sensing electrode and causes a reduction reaction of water (H 2 O + 2e - → H 2 + O 2 - ), which is an oxidation-reduction partner reaction for the oxidation reaction of pentane. It is characterized by promoting the oxidation reaction by supplying active oxygen ions (O 2- ) to the device.
본 발명의 워터찬넬은 니켈메쉬에서 일어나는 물의 환원반응을 일으키기 위한 수분을 공급하는 통로이며 액상 혹은 기상의 물을 공급하는 것을 특징으로 한다.The water channel of the present invention is a passage that supplies moisture to cause the water reduction reaction that occurs in the nickel mesh and is characterized by supplying liquid or gaseous water.
본 발명의 히터와이어는, 저항 부하로 열에너지를 발산하는 히터(112)에의 전력을 공급하는 것을 특징으로 한다.The heater wire of the present invention is characterized by supplying power to the heater 112, which radiates heat energy through a resistive load.
본 발명의 전극와이어는, 검지가스가 노출된 펜탄센서에 축적된 이온에 의한 전위차를 센서신호로서 전달하는 것을 특징으로 한다.The electrode wire of the present invention is characterized in that it transmits the potential difference due to ions accumulated in the pentane sensor exposed to the detection gas as a sensor signal.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로,
펜탄가스를 측정하는 펜탄센서와; 온도와 습도를 측정하는 온습도센서와; 센서마다 상이한 센서신호 센싱(전압, 전류, 저항변화량) 블럭, 증폭기, 필터, ADC (Analog-to-Digital Converter), 제어기 신호처리, 저전력 및 고해상도 이중모드를 지원하면서 다종의 센서를 지원할 수 있는 다채널 통합 신호처리 프로세스 및 전류소모를 감지하는 신호감지부 및 ADC 사용없이 디지털 신호변환 할 수 있는 XDC(X-to-Digital Converter), 저전력모드를 유지하면서 해상도를 향상시키는 저잡음 신호감지부, 고해상도 ADC의 ppm 또는 ppb 단위의 가스검출이 가능한 고해상도모드를 지원하는 센서용 신호처리반도체와; 센서용 신호처리반도체를 컨트롤하면서 데이터를 얻고, 무선통신모듈을 통해 데이터를 송신을 제어하는 MCU와; MCU의 제어를 받아 데이터를 송신하는 무선통신모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서플랫폼을 제공한다.The present invention is another means to achieve the above object,
A pentane sensor that measures pentane gas; A temperature and humidity sensor that measures temperature and humidity; Different sensor signal sensing (voltage, current, resistance change amount) blocks for each sensor, amplifier, filter, ADC (Analog-to-Digital Converter), controller signal processing, low-power and high-resolution dual mode that can support various types of sensors. A signal detection unit that detects the channel integrated signal processing process and current consumption, and an A signal processing semiconductor for a sensor that supports a high-resolution mode capable of detecting gas in ppm or ppb units; An MCU that obtains data while controlling the signal processing semiconductor for the sensor and controls data transmission through a wireless communication module; It provides a sensor platform that includes a wireless communication module that transmits data under the control of an MCU.
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본 발명의 센서용 신호처리반도체는, 입력신호를 디지털화하여 저장하고, 모드에 따라서, 저해상도(8bit ADC회로 블럭)와 저전력(XDC기능), 고해상도(16bit ADC회로 블럭) 기능의 수행이 가능하는 것을 특징으로 한다.The signal processing semiconductor for sensors of the present invention digitizes and stores input signals and, depending on the mode, is capable of performing low-resolution (8-bit ADC circuit block), low-power (XDC function), and high-resolution (16-bit ADC circuit block) functions. It is characterized by
본 발명의 센서용 신호처리반도체인 ROIC는 전력과 해상도에 대해 조절 가능한 모드의 수를 측정하고, IoT환경의 센서 동작은 소정 개월 또는 년간의 센서가 동작할 수 있도록 하며, 센서가 저전력으로 동작이 이루어지도록 하고, 센서의 정확도를 높이기 위한 고성능(해상도 높은)기능을 제공하는 것을 특징으로 한다.ROIC, a signal processing semiconductor for a sensor of the present invention, measures the number of modes that can be adjusted for power and resolution, and sensor operation in an IoT environment allows the sensor to operate for a predetermined period of months or years, and allows the sensor to operate at low power. It is characterized by providing high-performance (high-resolution) functions to increase the accuracy of the sensor.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 또 다른 수단으로,
펜탄가스를 측정하는 펜탄센서와 온도와 습도를 측정하는 온습도센서와 센서마다 상이한 센서신호 센싱(전압, 전류, 저항변화량) 블럭, 증폭기, 필터, ADC (Analog-to-Digital Converter), 제어기 신호처리, 저전력과 고해상도 이중모드를 지원하면서 다종의 센서를 지원할 수 있는 다채널 통합 신호처리 프로세스 및 전류소모를 감지하는 신호감지부 및 ADC 사용없이 디지털 신호변환 할 수 있는 XDC(X-to-Digital Converter), 저전력모드를 유지하면서 해상도를 향상시키는 저잡음 신호감지부, 고해상도 ADC의 ppm 또는 ppb 단위의 가스검출이 가능한 고해상도모드를 지원하는 센서용 신호처리반도체와 센서용 신호처리반도체를 컨트롤하면서 데이터를 얻고, 무선통신모듈을 통해 데이터를 송신을 제어하는 MCU와 MCU의 제어를 받아 데이터를 송신하는 무선통신모듈을 포함하는 센서플랫폼; 및 펜탄센서, 온습도센서 및 실내·외 환경정보 데이터를 수집하는 데이터수집부, 데이터의 기술적 통계분석, 시계열 분석 및 M/L, D/L 알고리즘 기반 예측 데이터 분석부와 연산처리, 분석, 스트리밍, 저장을 단계적으로 수행하여 통계분석 결과 및 모델의 예측 결과를 디스플레이하는 데이터운영부로 이루어지는 서버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모니터링 시스템을 제공한다. The present invention is another means to achieve the above object,
A pentane sensor that measures pentane gas, a temperature and humidity sensor that measures temperature and humidity, and different sensor signal sensing (voltage, current, resistance change amount) blocks for each sensor, amplifier, filter, ADC (Analog-to-Digital Converter), and controller signal processing. , a multi-channel integrated signal processing process that can support a variety of sensors while supporting low-power and high-resolution dual modes, a signal detection unit that detects current consumption, and an XDC (X-to-Digital Converter) that can convert digital signals without using an ADC. , a low-noise signal detection unit that improves resolution while maintaining a low-power mode, and a signal processing semiconductor for a sensor that supports a high-resolution mode capable of gas detection in ppm or ppb units of a high-resolution ADC, and data is obtained by controlling the signal processing semiconductor for the sensor, A sensor platform including an MCU that controls data transmission through a wireless communication module and a wireless communication module that transmits data under the control of the MCU; and a data collection unit that collects pentane sensor, temperature and humidity sensor, and indoor/outdoor environmental information data, technical statistical analysis of data, time series analysis and M/L, D/L algorithm-based predictive data analysis unit and calculation processing, analysis, streaming, A server consisting of a data operation unit that performs storage in stages and displays statistical analysis results and model prediction results; provides a monitoring system comprising a.
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본 발명의 연산처리는, 입력되는 데이터의 저장처리 체계구축(연도, 월, 일, 시, 분 단위 분리 저장) 로우데이타(rowdata)를 텍스트(text) 형태로 받아서 정규화 작업을 거쳐 연산, 분석에서 사용할 수 있도록 전처리하는 과정과, 분석을 위한 csv형식으로 파일을 저장하고 웹(Web)이나 기타 프로그램에서 사용할 수 있는 rdbms로 저장하는 처리과정을 수행하고, 처리과정이 진행 된 후 5분 단위, 10분 단위, 1시간 단위 평균, 최대치, 최소치 등 통계 연산 후 각 통계 위치에 저장하는 연산과정이 이루어지는 것을 특징으로 한다. The calculation processing of the present invention establishes a storage processing system for input data (separate storage in units of year, month, day, hour, and minute), receives raw data in text form, normalizes it, and performs calculation and analysis. Preprocessing so that it can be used, saving the file in csv format for analysis, and saving it as rdbms that can be used on the web or other programs are performed. After the processing process is completed, 5 minutes, 10 minutes. It is characterized by a calculation process that performs statistical calculations such as average, maximum value, minimum value, etc. on a minute or hour basis and then stores them in each statistical location.
본 발명의 분석은, 연산처리를 거친 각 데이터간의 상관분석 함수를 통해 온도, 습도, 기압과 펜탄가스의 분류별 상관분석 그래프와 다중상관분석으로 축적한 데이터를 기반으로 유사 환경의 예측도를 분석하는 것을 특징으로 한다.The analysis of the present invention analyzes the predictability of similar environments based on data accumulated through correlation analysis graphs and multiple correlation analysis for each category of temperature, humidity, atmospheric pressure, and pentane gas through a correlation analysis function between each data that has undergone computational processing. It is characterized by
본 발명의 센서 및 온도, 습도, 기압의 데이터가 시간의 흐름에 따라 주변 환경에 의해 값이 변하는 시계열 데이터의 속성을 가지고 있으므로, 기간(예. 30분, 1시간, 5시간 동안)의 데이터를 시간의 간격(예. 1분, 5분, 30분 간격)을 두고 윈도윙(windowing)하면서, 모델이 학습할 수 데이터 set를 구성한 후 파일(Pile)의 형태로 저장(또는 매트릭스(matrix)로 분리, 적재되어 cube 형태의 3차원 (dimensional) 데이터로 개조(reshape)되어 저장됨))하는 것을 특징으로 한다.Since the sensor and temperature, humidity, and atmospheric pressure data of the present invention have the property of time series data whose values change depending on the surrounding environment over time, data for a period (e.g., 30 minutes, 1 hour, 5 hours) By windowing at time intervals (e.g. 1 minute, 5 minutes, 30 minute intervals), a data set for the model to learn is formed and then saved in the form of a file (or as a matrix). It is characterized by being separated, loaded, reshaped and stored as cube-shaped three-dimensional data.
본 발명은 지구온난화 규제 및 방지에 관한 국제 협약인 교토의정서의 일정에 따라, 폴리우레탄폼 제조에 광범위하게 사용되던 HFC가스(Hydroflourocarbon gas)는 사용이 금지되며 GWP(Global warming potential)가 낮고 경제성이 높은 펜탄가스로 대체되는 추세를 보임에 따라, 유해폭발가스인 펜탄가스의 누출 등의 사고에 대비한 높은 수준의 관리가 이루어질 수 있는 효과가 있다. In accordance with the schedule of the Kyoto Protocol, an international agreement on the regulation and prevention of global warming, the present invention prohibits the use of HFC gas (Hydroflourocarbon gas), which has been widely used in the production of polyurethane foam, and has a low GWP (global warming potential) and is economical. As there is a trend of being replaced by high pentane gas, there is an effect of achieving a high level of management in preparation for accidents such as leakage of pentane gas, a hazardous explosive gas.
또한, 본 발명은 펜탄가스외에 메탄, 에탄올, 벤젠 등 제조사업장, 공장, 산업단지에서 발생하는 유해가스 감지하기 위하여 센서 + 센서용반도체 + 통신기능 + 인공지능을 포함한 센서 구조로써 적용에 따른 가스감지가 가능함으로써 환경오염에 대한 규제가 강화되면서 각종 환경 유해성 가스를 측정이 용이한 효과가 있다.In addition, the present invention is a sensor structure including a sensor + sensor semiconductor + communication function + artificial intelligence to detect harmful gases generated in manufacturing plants, factories, and industrial complexes such as methane, ethanol, and benzene in addition to pentane gas, and gas detection according to application. This has the effect of making it easier to measure various environmentally harmful gases as regulations on environmental pollution are strengthened.
본 발명의 모니터링 시스템이 저전력 모드 동작 시 센서부로부터 전송된 저해상도 센서 데이터의 품질 향상을 위한 압축센싱 기반 신호처리가 용이한 효과가 있다. When the monitoring system of the present invention operates in a low-power mode, compressed sensing-based signal processing to improve the quality of low-resolution sensor data transmitted from the sensor unit is facilitated.
또한, 본 발명의 모니터링 시스템은 저전력 상태에서는 다양한 종류의 센서 신호가 적응적으로 샘플링되어 원본 데이터량에 비해 매우 적은 크기의 데이터가 서버로 전송되고, 전송된 샘플링 데이터로부터 원본 신호에 근접한 고해상도 신호를 복원하기 위하여 센서들의 공간적 근접성과 시간적 일관성 및 샘플링 순서를 고려하여 신호의 연속성을 극대화할 수 있는 효과가 있다. In addition, in the monitoring system of the present invention, various types of sensor signals are adaptively sampled in a low power state, and data of a very small size compared to the amount of original data is transmitted to the server, and a high-resolution signal close to the original signal is generated from the transmitted sampling data. To restore the signal, the continuity of the signal can be maximized by considering the spatial proximity, temporal consistency, and sampling order of the sensors.
또한, 본 발명의 모니터링 시스템은 기존의 광학방식, 반도체 방식과 구별되고, 펜탄(Pentane) 가스에 특화된 센서 방식인 고체전해질과 촉매를 이용한 전기화학식 센서 기술을 사용하며, metal-oxides와의 촉매작용을 통해 실시간으로 펜탄 센서의 출력 Data를 수집하여 자동으로 분석/예측하여 유해가스 사고에 선제적으로 대응하는 할 수 있는 효과가 있다. In addition, the monitoring system of the present invention is different from the existing optical and semiconductor methods, and uses electrochemical sensor technology using a solid electrolyte and catalyst, which is a sensor method specialized for pentane gas, and catalyzes the reaction with metal-oxides. It is effective in preemptively responding to harmful gas accidents by collecting the output data of the pentane sensor in real time and automatically analyzing/predicting it.
도 1은 본 발명에 따른 펜탄가스 센서 디바이스의 구성을 도시한 도면이고,
도 2는 도 1의 펜탄가스 센서 디바이스에서 촉매전극의 전도성을 나타낸 도면이며,
도 3은 도 1의 펜탄가스 센서 디바이스에서 고체전해질의 이온전도성을 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 펜탄가스 센서 디바이스를 포함하여 구성되는 센서플랫폼의 구성을 도시한 블록도이며,
도 5은 도 4에 도시된 센서플랫폼의 센서용 신호처리반도체 내부 RDC와 XDC는 저해상도, ADC는 고해상도용 블록을 도시한 도면이고,
도 6은 도 4에 도시된 ROIC, MCU 블럭을 상세하게 도시한 블록도이며,
도 7은 본 발명의 센서플랫폼을 이용하여 데이터의 파악, 분석하는 모니터링 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
1 is a diagram showing the configuration of a pentane gas sensor device according to the present invention,
Figure 2 is a diagram showing the conductivity of the catalyst electrode in the pentane gas sensor device of Figure 1;
Figure 3 is a diagram showing the ionic conductivity of the solid electrolyte in the pentane gas sensor device of Figure 1;
Figure 4 is a block diagram showing the configuration of a sensor platform including the pentane gas sensor device of the present invention;
FIG. 5 is a diagram showing blocks inside the signal processing semiconductor for sensors of the sensor platform shown in FIG. 4, where RDC and
Figure 6 is a block diagram showing the ROIC and MCU blocks shown in Figure 4 in detail;
Figure 7 is a diagram showing the configuration of a monitoring system that identifies and analyzes data using the sensor platform of the present invention.
이하, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 하고, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. Hereinafter, it should be noted that the technical terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention, and the technical terms used in the present invention have a specially different meaning in the present invention. Unless defined, it should be interpreted in the sense commonly understood by those skilled in the art to which the present invention pertains, and should not be interpreted in an overly comprehensive sense or in an excessively reduced sense.
또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.Additionally, if the technical term used in the present invention is an incorrect technical term that does not accurately express the idea of the present invention, it should be replaced with a technical term that can be correctly understood by a person skilled in the art. In addition, general terms used in the present invention should be interpreted according to the definition in the dictionary or according to the context, and should not be interpreted in an excessively reduced sense.
아울러, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는데, 예를 들어 "구성된다" 또는 "포함한 다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.In addition, the singular expression used in the present invention includes plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. For example, terms such as “consists of” or “comprises” refer to various constituent elements described in the invention, or It should not be interpreted as necessarily including all of the steps, and some components or steps may not be included, or additional components or steps may be included.
이하, 본 발명에 따른 펜탄가스 센서 디바이스, 센서플랫폼 및 이를 이용한 모니터링 시스템을 설명한다.Hereinafter, a pentane gas sensor device, a sensor platform, and a monitoring system using the same according to the present invention will be described.
본 발명에 따른 펜탄가스 센서 디바이스를 도 1 내지 3을 참조하여 상세하게 설명한다. The pentane gas sensor device according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3.
도 1은 본 발명에 따른 펜탄가스 센서 디바이스의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 펜탄가스 센서 디바이스에서 촉매전극의 전도성을 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1의 펜탄가스 센서 디바이스에서 고체전해질의 이온전도성을 나타낸 도면이다. Figure 1 is a diagram showing the configuration of the pentane gas sensor device according to the present invention, Figure 2 is a diagram showing the conductivity of the catalyst electrode in the pentane gas sensor device of Figure 1, and Figure 3 is a diagram showing the configuration of the pentane gas sensor device of Figure 1. This is a diagram showing the ionic conductivity of the solid electrolyte.
본 발명에 따른 펜탄가스 센서 디바이스(100)는 하우징(111), 히터(heater)(112), 기체유입구(gas inlet)(113), 전하수집기(charge collector)(114), 감지전극(sensing electrode)(115), 고체전해질(solid electorlyte)(116), 니켈메쉬(Ni mesh)(117), 워터찬넬(Water channel)(118), 히터와이어(Wire for heater)(119a), 전극와이어(Wire for electrode)(119b)를 포함하는 펜탄센서(110) 인 것을 특징으로 한다. The pentane gas sensor device 100 according to the present invention includes a housing 111, a heater 112, a gas inlet 113, a charge collector 114, and a sensing electrode. ) (115), solid electrolyte (116), nickel mesh (Ni mesh) (117), water channel (118), heater wire (Wire for heater) (119a), electrode wire (Wire) It is characterized in that it is a pentane sensor (110) including a (for electrode) (119b).
상기 하우징(111)은 내측에 공간이 형성되어 기체유입구가 상부에 형성되도록 하며, 히터(112), 전하수집기(114), 감지전극(115), 고체전해질(116), 니켈메쉬(117), 워터찬넬(118)이 내부에 설치되며, 히터와이어(119a), 전극와이어(119b)의 결선이 이루어진다.The housing 111 has a space formed on the inside so that a gas inlet is formed at the top, and includes a heater 112, a charge collector 114, a sensing electrode 115, a solid electrolyte 116, a nickel mesh 117, A water channel 118 is installed inside, and the heater wire 119a and electrode wire 119b are connected.
상기 히터(112)는 감지전극 및 전해질에 충분한 열에너지를 공급하여 작업전극에서 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 촉진시키거나, 고체 전해질에서의 케리어 이동도를 증가시켜 센서의 감지도를 증대한다.The heater 112 supplies sufficient heat energy to the sensing electrode and electrolyte to cause an oxidative dehydrogenation reaction of pentane (C 5 H 12 + O 2- → C 5 H 10 + H) to detect pentane gas at the working electrode. 2 O + 2e - ) and oxidation reaction (C 5 H 12 + 16O 2- → 5CO 2 + 6H 2 O + 32e - ), or by increasing the carrier mobility in the solid electrolyte for detection by the sensor. increase the degree
상기 기체유입구(113)는 검지 가스의 출입구이며, 팬을 설치하여 유입을 원활히 하고, 필터 등을 설치하여 먼지, 습기 등 검지를 방해하는 물질을 걸러내어 센서의 내구성을 증대한다.The gas inlet 113 is an entrance for detection gas, and a fan is installed to facilitate the inflow, and a filter is installed to filter out substances that interfere with detection, such as dust and moisture, to increase the durability of the sensor.
상기 전하수집기(114)는 전해질 및 감지전극 상단부에 위치하여 상대전극(니켈메쉬)과 감지전극 사이의 전위차를 측정한다.The charge collector 114 is located at the top of the electrolyte and the sensing electrode and measures the potential difference between the counter electrode (nickel mesh) and the sensing electrode.
상기 감지전극(115)은 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 통해 전위차를 생성한다.The sensing electrode 115 uses oxidative dehydrogenation reaction (C 5 H 12 + O 2 - → C 5 H 10 + H 2 O + 2e - ) and oxidation reaction of pentane to detect pentane gas. A potential difference is created through (C 5 H 12 + 16O 2- → 5CO 2 + 6H 2 O + 32e - ).
상기 고체전해질(116)은 두 반응 및 상대전극에서 일어나는 반응들에 의해 생성된 이온의 전도가 일어나는 부분으로 전위차를 생성하여 전극와이어 및 센서용 신호처리반도체에 전류를 일으킨다.The solid electrolyte 116 is a part where conduction of ions generated by the two reactions and the reactions occurring at the counter electrode occurs, and generates a potential difference to generate a current in the electrode wire and the signal processing semiconductor for the sensor.
상기 니켈메쉬(117)는 상기 감지전극(115)의 상대전극 (Counter electrode)로서 펜탄의 산화반응에 대한 산화-환원 짝반응인 물의 환원반응 (H2O + 2e- → H2 + O2-)을 일으켜 활성산소이온 (O2-)을 소자에 공급하여 산화반응을 촉진한다.The nickel mesh 117 is a counter electrode of the sensing electrode 115 and is used for the reduction reaction of water, which is an oxidation-reduction partner reaction for the oxidation reaction of pentane (H 2 O + 2e - → H 2 + O 2- ) and supplies active oxygen ions (O 2- ) to the device to promote the oxidation reaction.
상기 워터찬넬(118)은 니켈메쉬에서 일어나는 물의 환원반응을 일으키기 위한 수분을 공급하는 통로이며 액상 혹은 기상의 물을 공급한다. The water channel 118 is a passage that supplies moisture to cause a water reduction reaction occurring in the nickel mesh and supplies liquid or gaseous water.
상기 히터와이어(119a)는 저항 부하로 열에너지를 발산하는 히터(112)에의 전력공급을 공급한다. The heater wire 119a supplies power to the heater 112, which radiates heat energy through a resistive load.
상기 전극와이어(119b)은 검지가스가 노출된 펜탄센서에 축적된 이온에 의한 전위차를 센서신호로서 전달한다.The electrode wire 119b transmits the potential difference due to ions accumulated in the pentane sensor exposed to the detection gas as a sensor signal.
또한, 상기 펜탄센서(110)는 특정한 작업환경 하에서 20%LEL (LEL: Low Explosive Limitation) 수준의 고감도, 저농도 미세측정할 수 있도록 바륨 등 이종 원소 도핑을 통한 YSZ계 고체전해질 및 이온 전도도와, 촉매전극 물질에 니켈 산화물(NiO), 카본블랙 (Carbon black) 등의 물질을 혼합하여 복합체 제조를 통한 펜탄 가스 반응성 및 촉매 물질 복합체, 고체 전해질층의 두께 조정을 통한 펜탄가스 검출한다. In addition, the pentane sensor 110 uses a YSZ-based solid electrolyte and ionic conductivity and catalyst through doping of heterogeneous elements such as barium to enable high sensitivity and low concentration micromeasurement at the 20% LEL (Low Explosive Limitation) level under a specific working environment. Pentane gas is detected by mixing electrode materials with materials such as nickel oxide (NiO) and carbon black to produce a composite, catalytic material composite, and adjusting the thickness of the solid electrolyte layer.
그리고 이트리아 안정화 지르코니아 (Yttria Stabilized Zirconia, YSZ (ZrO2/Y2O3)) 기반의 고체전해질 소재 정보 수집 및 이온전도도 향상되고, 닥터블레이드 공정 (Doctor blade casting)을 통한 박막 형성 및 고온 소결되며, 페로브스카이트 구조 (La1.6Sr0.4NiO4, La2NiO4, Ce0.9Gd0.1O2 등) 기반 촉매 소재 선정 및 볼밀링 등을 통한 입자 제조가 용이하다.In addition, information on solid electrolyte materials based on Yttria Stabilized Zirconia (YSZ (ZrO 2 /Y 2 O 3 )) is collected and ion conductivity is improved, and thin films are formed and sintered at high temperatures through the doctor blade casting process. , it is easy to select a catalyst material based on perovskite structure (La 1.6 Sr 0.4 NiO 4 , La 2 NiO 4 , Ce 0.9 Gd 0.1 O 2 , etc.) and manufacture particles through ball milling, etc.
또한, 스크린인쇄 (Screen printing)를 통한 전극 제작할 수 있으며, 양방향 이온(H+, O2-) 전도성을 갖는 펜탄 전기화학센서로 사용이 가능하다. In addition, electrodes can be manufactured through screen printing, and pentane can be used as an electrochemical sensor with bidirectional ion (H + , O 2 - ) conductivity.
그리고 임피던스 분석법을 통한 고체 전해질 내 이온들의 전도도 특성 및 가스 크로마토그래피 분석을 통한 촉매 전극의 가스 반응성이 향상되는 이점이 있다.Additionally, there is an advantage of improving the conductivity characteristics of ions in the solid electrolyte through impedance analysis and the gas reactivity of the catalyst electrode through gas chromatography analysis.
또한, 바륨 등 이종 원소 도핑을 통한 YSZ 계 고체전해질 제조 및 이온 전도도가 향상되고, 촉매전극 물질에 니켈 산화물(NiO), 카본블랙 (Carbon black)등의 물질을 혼합하여 복합체 제조를 통한 펜탄 가스 반응성이 좋으며, 촉매 물질 복합체와 고체 전해질층의 두께 조정을 통한 펜탄가스 검출 특성 증대되는 효과를 가진다. In addition, YSZ-based solid electrolyte production and ionic conductivity are improved through doping of heterogeneous elements such as barium, and pentane gas reactivity is improved through composite production by mixing materials such as nickel oxide (NiO) and carbon black with the catalyst electrode material. This is good and has the effect of increasing the pentane gas detection characteristics by adjusting the thickness of the catalyst material complex and solid electrolyte layer.
본 발명에 따른 펜탄가스 센서 디바이스(100)를 이용하는 센서플랫폼(200)의 구성을 도 4, 5 및 6을 참조하여 상세하게 설명한다. The configuration of the sensor platform 200 using the pentane gas sensor device 100 according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 4, 5, and 6.
도 4는 본 발명의 펜탄가스 센서 디바이스를 포함하여 구성되는 센서플랫폼의 구성을 도시한 블록도이며, 도 5은 도 4에 도시된센서플랫폼의 센서용 신호처리반도체 내부 RDC와 XDC는 저해상도, ADC는 고해상도용 블록을 도시한 도면이고, 도 6은 도 4에 도시된 ROIC, MCU 블럭을 상세하게 도시한 블록도이다.Figure 4 is a block diagram showing the configuration of a sensor platform including the pentane gas sensor device of the present invention, and Figure 5 is a signal processing semiconductor for a sensor of the sensor platform shown in Figure 4. RDC and XDC are low resolution, ADC is a diagram showing a high-resolution block, and FIG. 6 is a block diagram showing the ROIC and MCU blocks shown in FIG. 4 in detail.
본 발명에 따른 센서플랫폼은 펜탄가스를 측정하는 펜탄센서(110), 온도와 습도를 측정하는 온습도센서(210), 센서용 신호처리반도체(220), MCU(230)와; MCU(230)의 제어를 받아 데이터를 송신하는 무선통신모듈(Wireless connectivity midule)(240)을 포함하는 것을 특징으로 한다. The sensor platform according to the present invention includes a pentane sensor 110 for measuring pentane gas, a temperature and humidity sensor 210 for measuring temperature and humidity, a signal processing semiconductor for a sensor 220, and an MCU 230; It is characterized by including a wireless communication module (Wireless connectivity module) 240 that transmits data under the control of the MCU (230).
상기 펜탄센서(110)는 바륨 등 이종 원소 도핑을 통한 YSZ계 고체전해질 및 이온 전도도와, 촉매전극 물질에 니켈 산화물(NiO), 카본블랙 (Carbon black) 등의 물질을 혼합하여 복합체 제조를 통한 펜탄 가스 반응성 및 촉매 물질 복합체, 고체 전해질층의 두께 조정을 통한 펜탄가스 검출한다.The pentane sensor 110 uses YSZ-based solid electrolyte and ionic conductivity through doping of heterogeneous elements such as barium, and pentane through composite production by mixing materials such as nickel oxide (NiO) and carbon black with catalyst electrode materials. Pentane gas is detected through gas reactivity, catalyst material complex, and adjustment of the thickness of the solid electrolyte layer.
상기 펜탄센서(110)는 히터(112), 기체유입구(113), 전하수집기(114), 감지전극(115), 고체전해질(116), 니켈메쉬(117), 워터찬넬(118), 히터와이어(119a), 전극와이어(119b)를 포함한다. The pentane sensor 110 includes a heater 112, a gas inlet 113, a charge collector 114, a sensing electrode 115, a solid electrolyte 116, a nickel mesh 117, a water channel 118, and a heater wire. (119a), including an electrode wire (119b).
상기 히터(112)는 감지전극 및 전해질에 충분한 열에너지를 공급하여 작업전극에서 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 촉진시키거나, 고체 전해질에서의 케리어 이동도를 증가시켜 센서의 감지도를 증대한다.The heater 112 supplies sufficient heat energy to the sensing electrode and electrolyte to cause an oxidative dehydrogenation reaction of pentane (C 5 H 12 + O 2- → C 5 H 10 + H) to detect pentane gas at the working electrode. 2 O + 2e - ) and oxidation reaction (C 5 H 12 + 16O 2- → 5CO 2 + 6H 2 O + 32e - ), or by increasing the carrier mobility in the solid electrolyte for detection by the sensor. increase the degree
상기 기체유입구(113)는 검지 가스의 출입구이며, 팬을 설치하여 유입을 원활히 하고, 필터 등을 설치하여 먼지, 습기 등 검지를 방해하는 물질을 걸러내어 센서의 내구성을 증대한다.The gas inlet 113 is an entrance for detection gas, and a fan is installed to facilitate the inflow, and a filter is installed to filter out substances that interfere with detection, such as dust and moisture, to increase the durability of the sensor.
상기 전하수집기(114)는 전해질 및 감지전극 상단부에 위치하여 상대전극(니켈메쉬)과 감지전극 사이의 전위차를 측정한다.The charge collector 114 is located at the top of the electrolyte and the sensing electrode and measures the potential difference between the counter electrode (nickel mesh) and the sensing electrode.
상기 감지전극(115)은 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 통해 전위차를 생성한다.The sensing electrode 115 uses oxidative dehydrogenation reaction (C 5 H 12 + O 2 - → C 5 H 10 + H 2 O + 2e - ) and oxidation reaction of pentane to detect pentane gas. A potential difference is created through (C 5 H 12 + 16O 2- → 5CO 2 + 6H 2 O + 32e - ).
상기 고체전해질(116)은 두 반응 및 상대전극에서 일어나는 반응들에 의해 생성된 이온의 전도가 일어나는 부분으로 전위차를 생성하여 전극와이어 및 센서용 신호처리반도체에 전류를 일으킨다.The solid electrolyte 116 is a part where conduction of ions generated by the two reactions and the reactions occurring at the counter electrode occurs, and generates a potential difference to generate a current in the electrode wire and the signal processing semiconductor for the sensor.
상기 니켈메쉬(117)는 상기 감지전극(115)의 상대전극 (Counter electrode)로서 펜탄의 산화반응에 대한 산화-환원 짝반응인 물의 환원반응 (H2O + 2e- → H2 + O2-)을 일으켜 활성산소이온 (O2-)을 소자에 공급하여 산화반응을 촉진한다.The nickel mesh 117 is a counter electrode of the sensing electrode 115 and is used for the reduction reaction of water, which is an oxidation-reduction partner reaction for the oxidation reaction of pentane (H 2 O + 2e - → H 2 + O 2- ) and supplies active oxygen ions (O 2- ) to the device to promote the oxidation reaction.
상기 워터찬넬(118)은 니켈메쉬에서 일어나는 물의 환원반응을 일으키기 위한 수분을 공급하는 통로이며 액상 혹은 기상의 물을 공급한다. The water channel 118 is a passage that supplies moisture to cause a water reduction reaction occurring in the nickel mesh and supplies liquid or gaseous water.
상기 히터와이어(119a)는 저항 부하로 열에너지를 발산하는 히터(112)에의 전력공급을 공급한다. The heater wire 119a supplies power to the heater 112, which radiates heat energy through a resistive load.
상기 전극와이어(119b)은 검지가스가 노출된 펜탄센서에 축적된 이온에 의한 전위차를 센서신호로서 전달한다.The electrode wire 119b transmits the potential difference due to ions accumulated in the pentane sensor exposed to the detection gas as a sensor signal.
상기 온습도센서(210)는 온도와 습도를 측정하여 센서용 신호처리반도체(220)로 인가한다.The temperature and humidity sensor 210 measures temperature and humidity and applies them to the signal processing semiconductor 220 for the sensor.
상기 센서용 신호처리반도체(220)는 전력/고해상도 이중모드 동작을 위한 신호처리칩으로 펜탄센서로부터 인가되는 신호를 취득하고, 취득한 신호를 증폭한 후 필터링하여 신호의 변화 및 제어하여 MCU(230)로 인가한다.The signal processing semiconductor 220 for the sensor is a signal processing chip for power/high-resolution dual mode operation, and acquires the signal applied from the pentane sensor, amplifies the acquired signal, filters it, changes the signal, and controls the MCU 230. Authorized as.
상기 센서용 신호처리반도체(220)는 센서마다 상이한 센서신호 센싱(전압, 전류, 저항변화량) 블럭, 증폭기, 필터, ADC (Analog-to-Digital Converter), 제어기 등 신호처리, 저전력/고해상도 이중모드를 지원하면서 다종의 센서를 지원할 수 있는 다채널 통합 신호처리 프로세스 및 전류소모를 최소화할 수 있는 신호감지부 및 ADC 사용없이 디지털 신호변환 할 수 있는 XDC(X-to-Digital Converter) 등 저전력모드를 유지하면서 해상도를 향상시키는 저잡음 신호감지부, 고해상도 ADC 등 ppm 또는 ppb 단위의 가스검출이 가능한 고해상도모드를 지원한다. The signal processing semiconductor 220 for the sensor is a different sensor signal sensing (voltage, current, resistance change amount) block for each sensor, amplifier, filter, ADC (Analog-to-Digital Converter), controller, etc. signal processing, low power/high resolution dual mode. low-power modes such as a multi-channel integrated signal processing process that can support various types of sensors, a signal detection unit that can minimize current consumption, and an XDC (X-to-Digital Converter) that can convert digital signals without using an ADC. It supports a high-resolution mode that can detect gas in ppm or ppb units, including a low-noise signal detection unit that improves resolution while maintaining high-resolution ADC.
특히, 센서용 신호처리반도체(220)는 입력신호를 디지털화하여 저장하는 것이 주 임무이고, 모드에 따라서, 저해상도(8bit ADC 기능)와 저전력, 고해상도(16bit ADC 기능)의 기능을 수행의 수행이 가능하다. In particular, the main task of the sensor signal processing semiconductor 220 is to digitize and store the input signal, and depending on the mode, it can perform low-resolution (8-bit ADC function) and low-power, high-resolution (16-bit ADC function) functions. do.
상기 센서용 신호처리반도체(220)는 ROIC 동작 모드, 즉 ROIC가 전력과 해상도에 대해 조절 가능한 모드의 수를 측정하고, IoT환경의 센서 동작은 소정 개월 또는 년간의 센서가 동작할 수 있도록 하며, 이에 대응하기 위한 저전력으로 동작이 이루어지도록 하고, 또한 센서의 정확도를 높이기 위한 고성능(해상도 높은)기능를 제공한다. The signal processing semiconductor 220 for the sensor measures the number of ROIC operation modes, that is, the number of modes in which the ROIC can adjust power and resolution, and the sensor operation in the IoT environment allows the sensor to operate for a predetermined period of months or years, To cope with this, it operates with low power and also provides high-performance (high-resolution) functions to increase sensor accuracy.
그리고 센서용 신호처리반도체(220)는 저전력모드와 고성능모드를 제공하며, 논리 분석기를 이용하여 ROIC의 디지털 코드를 획득하고 스펙트럼 분석을 통한 해상도를 파악하고, 해상도는 펜탄센서의 결과 데이터를 분석을 정밀하게 하기위하여 비트수에 비례하여 해상도가 고해상도이므로 소모전력과 연산시간을 단축시켜 빠른 계산이 효율적으로 ROIC 해상도 형성한다. And the signal processing semiconductor 220 for the sensor provides a low-power mode and a high-performance mode, and uses a logic analyzer to obtain the digital code of the ROIC and determine the resolution through spectrum analysis. The resolution is determined by analyzing the resulting data from the pentane sensor. In order to be precise, the resolution is high-resolution in proportion to the number of bits, so power consumption and calculation time are reduced, and quick calculations efficiently form ROIC resolution.
또한, 멀티 미터로 전류를 직접 측정하여 동작별 소모 전류를 측정하며, 전류량은 소모전력과 비례하여, 전류(mA)의 최소화한다. In addition, the current is directly measured with a multimeter to measure the current consumption for each operation, and the amount of current is proportional to the power consumption to minimize the current (mA).
상기 MCU(230)는 센서용 신호처리반도체(220)를 컨트롤하면서 데이터를 얻고, 무선통신모듈(240)을 통해 데이터를 송신을 제어한다.The MCU 230 obtains data by controlling the signal processing semiconductor 220 for a sensor, and controls transmission of data through the wireless communication module 240.
상기 MCU(230)는 센서 신호가 디지털화(digitized)된 센서 신호값를 받아서 메모리 저장, 저장된 디지털화(digitized)된 값을 RF를 통하여 송신, ADC모드의 제어와 digitized값의 센서값 저장, 센서모듈과 모듈내부의 칩 초기화 및 동작 제어한다.The MCU 230 receives the digitized sensor signal value, stores it in memory, transmits the stored digitized value through RF, controls the ADC mode, stores the digitized sensor value, and performs sensor module and module operation. Controls internal chip initialization and operation.
상기 무선통신모듈(240)은 MCU(230)의 제어를 받아 데이터를 송신한다. 상기 무선통신모듈은 드라이버 회로, 무선 통신 하드웨어로 구성되며, Wi-Fi, ZigBee 또는 Bluetooth 중 최소 한가지 기능을 가진다. 소형, 신뢰성, 저전력, 쉬운 통합성 특성을 구현한다.The wireless communication module 240 transmits data under the control of the MCU 230. The wireless communication module consists of a driver circuit and wireless communication hardware, and has at least one function among Wi-Fi, ZigBee, or Bluetooth. It is compact, reliable, low-power, and easy to integrate.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 펜탄센서(110)는 전력소모를 최소화하기 위해서는 시스템의 동작을 저전력과 고해상도의 이중모드를 지원하게 하는 차별성이 있다. The pentane sensor 110 of the present invention configured as described above has the distinction of supporting dual modes of low-power and high-resolution operation of the system in order to minimize power consumption.
그리고 전체 센서플랫폼의 전력소모를 최소화하기 위해서는 시스템의 동작을 저전력과 고해상도의 이중모드로 차별성을 있게 지원하게 한다.And in order to minimize the power consumption of the entire sensor platform, the system operation is differentiated in dual modes of low power and high resolution.
또한, 저전력 모드에서는 센서 어레이 중 한 개 또는 선택적으로만 동작시키고 ROIC와 모듈 또한 전력소모를 최소화하는 가운데 압축센싱 기법을 통해 실시간 모니터링시 시스템이 켜져있는 시간을 최소화하며, 저전력 모드에서 유해가스가 검출되는 경우에는 시스템이 고해상 모드로 전환하여 모든 가스센서 어레이를 동작시키고 ROIC 또한 고해상도 출력을 만들고 패턴인식을 통해 정확한 가스 종류와 양을 검출하여 선택도와 감도가 극대화될 수 있도록 한다.In addition, in low-power mode, only one or only one of the sensor arrays is operated selectively, ROIC and module also minimize power consumption, and the time the system is on during real-time monitoring is minimized through compressed sensing techniques, and harmful gases are detected in low-power mode. In this case, the system switches to high-resolution mode to operate all gas sensor arrays, ROIC also produces high-resolution output, and detects the exact type and amount of gas through pattern recognition to maximize selectivity and sensitivity.
상기 센서플랫폼(200)은 생산공장의 각 디바이스 들과의 통신을 유지/확보하고, 각 디바이스로부터 데이타(DATA)를 수집하여 분석하는 단계를 거치고, 메시지 DATA들로 변환하고 추출하고 처리하여 소요된 에너지 데이타와 센서데이타의 기록들을 인공지능 툴에 필요한 개발환경을 제공할 수 있다.The sensor platform 200 maintains/secures communication with each device in the production plant, collects and analyzes data from each device, converts it into message DATA, extracts, and processes it, Records of energy data and sensor data can provide the development environment necessary for artificial intelligence tools.
상기 센서플랫폼(200)은 두가지 형태의 플랫폼 기반의 제공할 수 있으며, 1. 생산공간의 고정형으로 설치하여 유해가스 감지와 대응을 폴리우레탄 생산위치에 장착하여 활용되는 형태의 고정플랫폼과, 2. IoT기반의 센서 모듈을 포함한여 스마트폰, 구글 글래스 등과 연동되는 이동형 플랫폼의 두가지 방식으로 제공할 수 있다. The sensor platform 200 can be provided in two types of platform-based forms: 1. a fixed platform that is installed as a fixed type in the production space and used to detect and respond to harmful gases by installing it at the polyurethane production location; and 2. It can be provided in two ways: a mobile platform that includes IoT-based sensor modules and is linked to smartphones, Google Glass, etc.
상기 두 가지 플랫폼은 공통 플랫폼을 공유할 수 있는 방식으로 이루어지며,생산원가와 제품화 기간을 단축하고, 각각의 경우에 따라 센서 모듈 및 통신 인터페이스 방법을 선택적으로 사용 가능하도록 하는 것이 바람직하다. The above two platforms are configured in such a way that they can share a common platform, and it is desirable to shorten the production cost and production period, and to allow the sensor module and communication interface method to be selectively used depending on each case.
즉, 모바일 플랫폼의 경우, 스마트폰에 직접 결합하여 사용할 경우는 통신 인터페이스 중에서 블루투스형식만 있으면 됨. 고정형 플랫폼의 경우, 무선 AP(Access Point)를 통해 광대역에 접속하는 경우는 무선 통신 모듈만 탑재되면 됨. 기본적으로 공통플랫폼은 공유하면서, 해당 설치 및 운용 특성에 맞도록 인터페이스를 선택하게 되며, 센서 제어용 칩은 이러한 모든 인터페이스를 지원하도록한다.In other words, in the case of a mobile platform, when using it directly connected to a smartphone, only the Bluetooth format is required as a communication interface. In the case of a fixed platform, only a wireless communication module needs to be installed to access broadband through a wireless AP (Access Point). Basically, while sharing a common platform, interfaces are selected to suit the installation and operation characteristics, and the sensor control chip supports all of these interfaces.
본 발명에 따르는 모니터링 시스템은 펜탄가스를 측정하는 펜탄센서와 온도와 습도를 측정하는 온습도센서와 센서마다 상이한 센서신호 센싱(전압, 전류, 저항변화량) 블럭, 증폭기, 필터, ADC (Analog-to-Digital Converter), 제어기 신호처리, 저전력/고해상도 이중모드를 지원하면서 다종의 센서를 지원할 수 있는 다채널 통합 신호처리 프로세스 및 전류소모를 감지하는 신호감지부 및 ADC 사용없이 디지털 신호변환 할 수 있는 XDC(X-to-Digital Converter), 저전력모드를 유지하면서 해상도를 향상시키는 저잡음 신호감지부, 고해상도 ADC 등 ppm 또는 ppb 단위의 가스검출이 가능한 고해상도모드를 지원하는 센서용 신호처리반도체를 컨트롤하면서 데이터를 얻고, 무선통신모듈을 통해 데이터를 송신을 제어하는 MCU와 MCU의 제어를 받아 데이터를 송신하는 무선통신모듈을 포함하는 센서플랫폼; 및 펜탄센서, 온습도센서 및 실내·외 환경정보 등 데이터의 원활한 수집하는 데이터수집부, 데이터의 기술적 통계분석, 시계열 분석 및 M/L, D/L 알고리즘 기반 예측하는 데이터 분석부와 연산터리, 분석, 스트리밍, 저장을 단계적으로 수행하여 통계분석 결과 및 모델의 예측 결과를 디스플레이하는 데이터운영부로 이루어지는 서버;를 포함하는 것을 특징으로 하는데, 첨부된 도 7을 참고하여 설명한다.The monitoring system according to the present invention includes a pentane sensor that measures pentane gas, a temperature and humidity sensor that measures temperature and humidity, a sensor signal sensing (voltage, current, resistance change amount) block, amplifier, filter, and ADC (Analog-to-ADC) that are different for each sensor. Digital Converter), controller signal processing, multi-channel integrated signal processing process that supports various types of sensors while supporting low power/high resolution dual mode, and XDC (XDC) that can convert digital signals without using a signal detection unit and ADC that detects current consumption. X-to-Digital Converter), a low-noise signal detection unit that improves resolution while maintaining low power mode, and a high-resolution ADC, which control the signal processing semiconductor for sensors that support high-resolution modes capable of detecting gas in ppm or ppb units, and obtain data. , a sensor platform including an MCU that controls data transmission through a wireless communication module and a wireless communication module that transmits data under the control of the MCU; and a data collection unit that smoothly collects data such as pentane sensors, temperature and humidity sensors, and indoor/outdoor environmental information, and a data analysis unit and computational analysis unit that makes predictions based on technical statistical analysis of data, time series analysis, and M/L and D/L algorithms. , a server consisting of a data operation unit that performs streaming and storage in stages to display statistical analysis results and model prediction results, which will be described with reference to the attached FIG. 7.
도 7은 본 발명의 센서플랫폼을 이용하여 데이터의 파악, 분석하는 모니터링 시스템의 구성을 도시한 도면이다.Figure 7 is a diagram showing the configuration of a monitoring system that identifies and analyzes data using the sensor platform of the present invention.
본 발명의 센서플랫폼을 이용한 모니터링 시스템은 센서플랫폼(200) 및 서버(300)를 포함한다.The monitoring system using the sensor platform of the present invention includes a sensor platform 200 and a server 300.
상기 센서플랫폼은 펜탄가스를 측정하는 펜탄센서(110), 온도와 습도를 측정하는 온습도센서(210), 센서용 신호처리반도체(220), MCU(230)와; MCU(230)의 제어를 받아 데이터를 송신하는 무선통신모듈(Wireless connectivity midule)(240)을 포함하는 것을 특징으로 한다. The sensor platform includes a pentane sensor 110 for measuring pentane gas, a temperature and humidity sensor 210 for measuring temperature and humidity, a signal processing semiconductor 220 for a sensor, and an MCU 230; It is characterized by including a wireless communication module (Wireless connectivity module) 240 that transmits data under the control of the MCU (230).
상기 펜탄센서(110)는 바륨 등 이종 원소 도핑을 통한 YSZ계 고체전해질 및 이온 전도도와, 촉매전극 물질에 니켈 산화물(NiO), 카본블랙 (Carbon black) 등의 물질을 혼합하여 복합체 제조를 통한 펜탄 가스 반응성 및 촉매 물질 복합체, 고체 전해질층의 두께 조정을 통한 펜탄가스 검출한다.The pentane sensor 110 uses YSZ-based solid electrolyte and ionic conductivity through doping of heterogeneous elements such as barium, and pentane through composite production by mixing materials such as nickel oxide (NiO) and carbon black with catalyst electrode materials. Pentane gas is detected through gas reactivity, catalyst material complex, and adjustment of the thickness of the solid electrolyte layer.
상기 펜탄센서는 히터(112), 기체유입구(113), 전하수집기(114), 감지전극(115), 고체전해질(116), 니켈메쉬(117), 워터찬넬(118), 히터와이어(119a), 전극와이어(119b)를 포함한다. The pentane sensor includes a heater 112, a gas inlet 113, a charge collector 114, a sensing electrode 115, a solid electrolyte 116, a nickel mesh 117, a water channel 118, and a heater wire 119a. , including an electrode wire (119b).
상기 히터(112)는 감지전극 및 전해질에 충분한 열에너지를 공급하여 작업전극에서 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 촉진시키거나, 고체 전해질에서의 케리어 이동도를 증가시켜 센서의 감지도를 증대한다.The heater 112 supplies sufficient heat energy to the sensing electrode and electrolyte to cause an oxidative dehydrogenation reaction of pentane (C 5 H 12 + O 2- → C 5 H 10 + H) to detect pentane gas at the working electrode. 2 O + 2e - ) and oxidation reaction (C 5 H 12 + 16O 2- → 5CO 2 + 6H 2 O + 32e - ), or by increasing the carrier mobility in the solid electrolyte for detection by the sensor. increase the degree
상기 기체유입구(113)는 검지 가스의 출입구이며, 팬을 설치하여 유입을 원활히 하고, 필터 등을 설치하여 먼지, 습기 등 검지를 방해하는 물질을 걸러내어 센서의 내구성을 증대한다.The gas inlet 113 is an entrance for detection gas, and a fan is installed to facilitate the inflow, and a filter is installed to filter out substances that interfere with detection, such as dust and moisture, to increase the durability of the sensor.
상기 전하수집기(114)는 전해질 및 감지전극 상단부에 위치하여 상대전극(니켈메쉬)과 감지전극 사이의 전위차를 측정한다.The charge collector 114 is located at the top of the electrolyte and the sensing electrode and measures the potential difference between the counter electrode (nickel mesh) and the sensing electrode.
상기 감지전극(115)은 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 통해 전위차를 생성한다.The sensing electrode 115 uses oxidative dehydrogenation reaction (C 5 H 12 + O 2 - → C 5 H 10 + H 2 O + 2e - ) and oxidation reaction of pentane to detect pentane gas. A potential difference is created through (C 5 H 12 + 16O 2- → 5CO 2 + 6H 2 O + 32e - ).
상기 고체전해질(116)은 두 반응 및 상대전극에서 일어나는 반응들에 의해 생성된 이온의 전도가 일어나는 부분으로 전위차를 생성하여 전극와이어 및 센서용 신호처리반도체에 전류를 일으킨다.The solid electrolyte 116 is a part where conduction of ions generated by the two reactions and the reactions occurring at the counter electrode occurs, and generates a potential difference to generate a current in the electrode wire and the signal processing semiconductor for the sensor.
상기 니켈메쉬(117)는 상기 감지전극(115)의 상대전극 (Counter electrode)로서 펜탄의 산화반응에 대한 산화-환원 짝반응인 물의 환원반응 (H2O + 2e- → H2 + O2-)을 일으켜 활성산소이온 (O2-)을 소자에 공급하여 산화반응을 촉진한다.The nickel mesh 117 is a counter electrode of the sensing electrode 115 and is used for the reduction reaction of water, which is an oxidation-reduction partner reaction for the oxidation reaction of pentane (H 2 O + 2e - → H 2 + O 2- ) and supplies active oxygen ions (O 2- ) to the device to promote the oxidation reaction.
상기 워터찬넬(118)은 니켈메쉬에서 일어나는 물의 환원반응을 일으키기 위한 수분을 공급하는 통로이며 액상 혹은 기상의 물을 공급한다. The water channel 118 is a passage that supplies moisture to cause a water reduction reaction occurring in the nickel mesh and supplies liquid or gaseous water.
상기 히터와이어(119a)는 저항 부하로 열에너지를 발산하는 히터(112)에의 전력공급을 공급한다. The heater wire 119a supplies power to the heater 112, which radiates heat energy through a resistive load.
상기 전극와이어(119b)은 검지가스가 노출된 펜탄센서에 축적된 이온에 의한 전위차를 센서신호로서 전달한다.The electrode wire 119b transmits the potential difference due to ions accumulated in the pentane sensor exposed to the detection gas as a sensor signal.
상기 온습도센서(210)는 온도와 습도를 측정하여 센서용 신호처리반도체(220)로 인가한다.The temperature and humidity sensor 210 measures temperature and humidity and applies them to the signal processing semiconductor 220 for the sensor.
상기 센서용 신호처리반도체(220)는 전력/고해상도 이중모드 동작을 위한 신호처리칩으로 펜탄센서로부터 인가되는 신호를 취득하고, 취득한 신호를 증폭한 후 필터링하여 신호의 변화 및 제어하여 MCU(230)로 인가한다.The signal processing semiconductor 220 for the sensor is a signal processing chip for power/high-resolution dual mode operation, and acquires the signal applied from the pentane sensor, amplifies the acquired signal, filters it, changes the signal, and controls the MCU 230. Authorized as.
상기 센서용 신호처리반도체(220)는 센서마다 상이한 센서신호 센싱(전압, 전류, 저항변화량) 블럭, 증폭기, 필터, ADC (Analog-to-Digital Converter), 제어기 등 신호처리, 저전력/고해상도 이중모드를 지원하면서 다종의 센서를 지원할 수 있는 다채널 통합 신호처리 프로세스 및 전류소모를 최소화할 수 있는 신호감지부 및 ADC 사용없이 디지털 신호변환 할 수 있는 XDC(X-to-Digital Converter) 등 저전력모드를 유지하면서 해상도를 향상시키는 저잡음 신호감지부, 고해상도 ADC 등 ppm 또는 ppb 단위의 가스검출이 가능한 고해상도모드를 지원한다. The signal processing semiconductor 220 for the sensor is a different sensor signal sensing (voltage, current, resistance change amount) block for each sensor, amplifier, filter, ADC (Analog-to-Digital Converter), controller, etc. signal processing, low power/high resolution dual mode. low-power modes such as a multi-channel integrated signal processing process that can support various types of sensors, a signal detection unit that can minimize current consumption, and an XDC (X-to-Digital Converter) that can convert digital signals without using an ADC. It supports a high-resolution mode that can detect gas in ppm or ppb units, including a low-noise signal detection unit that improves resolution while maintaining high-resolution ADC.
특히, 센서용 신호처리반도체(220)는 입력신호를 디지털화하여 저장하는 것이 주 임무이고, 모드에 따라서, 저해상도(8bit ADC 기능)와 저전력, 고해상도(16bit ADC 기능)의 기능을 수행의 수행이 가능하다.In particular, the main task of the sensor signal processing semiconductor 220 is to digitize and store the input signal, and depending on the mode, it can perform low-resolution (8-bit ADC function) and low-power, high-resolution (16-bit ADC function) functions. do.
상기 서버(300)는 데이터수집부(310), 데이터 분석부(320), 데이터운영부(330)를 포함한다. The server 300 includes a data collection unit 310, a data analysis unit 320, and a data operation unit 330.
상기 데이터수집부(310)는 펜탄센서(110), 온습도센서(210) 및 실내·외 환경정보 등 데이터의 원활한 수집을 담당하며, 상기 데이터 분석부(320)는 데이터의 기술적 통계분석, 시계열 분석 및 M/L, D/L 알고리즘 기반 예측을 지원하고, 상기 데이터운영부(330)는 통계분석 결과 및 모델의 예측 결과를 디스플레이 한다. The data collection unit 310 is responsible for the smooth collection of data such as the pentane sensor 110, temperature and humidity sensor 210, and indoor and outdoor environmental information, and the data analysis unit 320 performs technical statistical analysis and time series analysis of the data. and M/L, D/L algorithm-based prediction, and the data operation unit 330 displays statistical analysis results and model prediction results.
그리고 데이터운영부(330)는 연산처리, 분석, 스트리밍, 저장을 단계적으로 수행한다. And the data operation unit 330 performs calculation processing, analysis, streaming, and storage step by step.
상기 연산처리는 입력되는 데이터의 저장처리 체계구축(연도, 월, 일, 시, 분 단위 분리 저장) 로우데이타(rowdata)를 텍스트(text) 형태로 받아서 정규화 작업을 거쳐 연산, 분석 등에서 사용할 수 있도록 전처리하는 과정과 분석을 위한 csv형식으로 파일을 저장하고 웹(Web)이나 기타 프로그램에서 사용할 수 있는 rdbms로 저장하는 처리과정을 수행하고, 처리과정이 진행 된 후 5분 단위, 10분 단위, 1시간 단위 평균, 최대치, 최소치 등 통계 연산 후 각 통계 위치에 저장하는 연산과정이 이루어진다. The above calculation process establishes a storage processing system for input data (separate storage in units of year, month, day, hour, and minute), receives raw data in text form, and normalizes it so that it can be used in calculations, analysis, etc. The file is saved in csv format for pre-processing and analysis, and the processing process is performed to save the file as rdbms that can be used on the web or other programs. After the processing process is completed, the file is saved in 5-minute, 10-minute, 1-minute increments. After statistical calculations such as time unit average, maximum value, minimum value, etc., the calculation process is performed to store them in each statistical location.
상기 분석은 연산처리를 거친 각 데이터간의 상관분석 함수를 통해 온도, 습도, 기압 등과 펜탄가스의 분류별 상관분석 그래프와 다중상관분석으로 축적한 데이터를 기반으로 유사 환경의 예측도를 분석한다. The above analysis analyzes the prediction of similar environments based on data accumulated through correlation analysis graphs and multiple correlation analysis for each category of temperature, humidity, atmospheric pressure, etc., and pentane gas through a correlation analysis function between each data that has undergone computational processing.
상기 스트리밍은 분석과정을 거친 데이터를 실시간으로 데이터가 저장이 이루어지도록 전송한다. The streaming transmits data that has undergone an analysis process so that the data can be stored in real time.
상기 저장은 센서 및 온도, 습도, 기압 등의 데이터가 시간의 흐름에 따라 주변 환경에 의해 값이 변하는 시계열 데이터의 속성을 가지고 있으므로, 기간(예. 30분, 1시간, 5시간 동안)의 데이터를 시간의 간격(예. 1분, 5분, 30분 간격 등)을 두고 윈도윙(windowing)하면서, 모델이 학습할 수 데이터 세트(set)를 구성한 후 파일(Pile)의 형태로 저장(또는 매트릭스(matrix)로 분리, 적재되어 cube 형태의 3차원 (dimensional) 데이터로 개조(reshape)되어 저장됨))한다. Since the above storage has the property of time series data whose values change depending on the surrounding environment over time, data such as sensors, temperature, humidity, and atmospheric pressure, data for a period (e.g. 30 minutes, 1 hour, 5 hours) By windowing at intervals of time (e.g. 1 minute, 5 minutes, 30 minutes, etc.), a data set for the model to learn is created and saved in the form of a file (or It is separated and loaded into a matrix, reshaped and stored as cube-shaped three-dimensional data.
상기와 같이 구성되는 모니터링 시스템은 저전력 모드에서는 센서 어레이 중 한 개 또는 선택적으로만 동작시키고 ROIC와 모듈 또한 전력소모를 최소화하는 가운데 압축센싱 기법을 통해 실시간 모니터링시 시스템이 켜져 있는 시간을 최소화한다. The monitoring system configured as above operates only one or selectively of the sensor array in low-power mode, ROIC and modules also minimize power consumption, and minimizes the time the system is on during real-time monitoring through compressed sensing techniques.
그리고 저전력 모드에서 유해가스가 검출되는 경우에는 모니터링 시스템이 고해상 모드로 전환하여 모든 가스센서 어레이를 동작시키고, 로직(ROIC) 또한 고해상도 출력을 만들고 패턴인식을 통해 정확한 가스 종류와 양을 검출하여 선택도와 감도가 극대화된다. And when harmful gas is detected in low-power mode, the monitoring system switches to high-resolution mode to operate all gas sensor arrays, logic (ROIC) also creates high-resolution output, and detects the exact type and amount of gas through pattern recognition to determine selectivity and Sensitivity is maximized.
또한, 상기 모니터링 시스템은 펜탄센서(110), 온습도센서(210)가 설치된 환경의 특성을 반영하여 다양한 형태의 학습 데이터를 구축하고, 머신 러닝(Machine Learning), 딥 러닝(Deep Learning) 알고리즘을 이용한 ‘예측 모델’ 개발이 가능한 분석 환경 지원하여 이상치, 결측치 제거 등 데이터 필터링(filtering)을 진행하고, 데이터 가공을 통한 학습용 데이터 구축하여 원본(raw) 데이터로부터 수집한 다양한 실내/외 환경인자(온도, 습도 기압 등)를 수집하고, 이를 시간 순서로 정렬하여 2-dimensional 데이터(2차원 tensor 또는 matrix 형태)로 구성한다.In addition, the monitoring system constructs various types of learning data by reflecting the characteristics of the environment in which the pentane sensor 110 and the temperature and humidity sensor 210 are installed, and uses machine learning and deep learning algorithms. By supporting an analysis environment that can develop a 'prediction model', we perform data filtering such as removing outliers and missing values, and construct learning data through data processing to measure various indoor/outdoor environmental factors (temperature, Humidity, atmospheric pressure, etc.) are collected and arranged in time order to form 2-dimensional data (in the form of a 2-dimensional tensor or matrix).
또한, 온습도센서(210)에 의한 온도, 습도, 기압 등의 데이터는 시간의 흐름에 따라 주변 환경에 의해 값이 변하는 시계열 데이터의 속성을 가지고 있으므로, 기간 (예. 30분, 1시간, 5시간 동안)의 데이터를, 특정한 시간의 간격을 두고 (예. 1분, 5분, 30분 간격 등) 윈도윙(windowing)하면서, 모델이 학습할 수 데이터 세트(세트(set))를 구성한 후 파일(Pile)형태로 저장(또는 매트릭스(matrix)로 분리, 적재되어 cube 형태의 3차원 (dimensional) 데이터로 개조(reshape)되어 저장됨))한다.In addition, data such as temperature, humidity, and atmospheric pressure from the temperature and humidity sensor 210 have the property of time series data whose values change depending on the surrounding environment over time, so they can be used for a period (e.g. 30 minutes, 1 hour, 5 hours) After constructing a data set (set) that the model can learn by windowing the data at specific time intervals (e.g. 1 minute, 5 minutes, 30 minute intervals, etc.), file It is stored in (Pile) form (or separated and loaded into a matrix and reshaped and stored as cube-shaped 3-dimensional data).
또한, 압축센싱기반 저해상도 센서 데이터 신호품질 향상 알고리즘을 다양한 응용분야의 접목이 가능하고, 펜탄가스의 거치형외에 수송 시 가스 감지 및 로그가능하다.In addition, the compression sensing-based low-resolution sensor data signal quality improvement algorithm can be applied to various application fields, and gas detection and logging is possible during transportation in addition to the stationary type of pentane gas.
또한, 모니터링 시스템이 저전력 모드 동작 시 센서부로부터 전송된 저해상도 센서 데이터의 품질 향상을 위한 압축센싱 기반 신호처리가 용이하고, 저전력 상태에서는 다양한 종류의 센서 신호가 적응적으로 샘플링되어 원본 데이터량에 비해 매우 적은 크기의 데이터가 서버로 전송되며, 전송된 샘플링 데이터로부터 원본 신호에 근접한 고해상도 신호를 복원하기 위하여 센서들의 공간적 근접성과 시간적 일관성 및 샘플링 순서를 고려하여 신호의 연속성을 극대화할 수 있다. In addition, when the monitoring system operates in low-power mode, it is easy to process signals based on compressed sensing to improve the quality of low-resolution sensor data transmitted from the sensor unit, and in low-power states, various types of sensor signals are adaptively sampled and compared to the amount of original data. A very small amount of data is transmitted to the server, and in order to restore a high-resolution signal close to the original signal from the transmitted sampling data, signal continuity can be maximized by considering the spatial proximity, temporal consistency, and sampling order of the sensors.
또한, 본 발명의 모니터링 시스템은 기존의 광학방식, 반도체 방식과 구별되고, 펜탄(Pentane) 가스에 특화된 센서 방식인 고체전해질과 촉매를 이용한 전기화학식 센서 기술을 사용하며, metal-oxides와의 촉매작용을 통해 실시간으로 펜탄 센서의 출력 Data를 수집하여 자동으로 분석/예측하여 유해가스 사고에 선제적으로 대응하는 할 수 있다.In addition, the monitoring system of the present invention is different from the existing optical and semiconductor methods, and uses electrochemical sensor technology using a solid electrolyte and catalyst, which is a sensor method specialized for pentane gas, and catalyzes the reaction with metal-oxides. Through this, the output data of the pentane sensor can be collected in real time and automatically analyzed/predicted to preemptively respond to harmful gas accidents.
본 명세서는 다수의 특정한 구현물의 세부사항들을 포함하지만, 이들은 어떠한 발명이나 청구 가능한 것의 범위에 대해서도 제한적인 것으로서 이해되어서는 안되며, 오히려 특정한 발명의 특정한 실시형태에 특유할 수 있는 특징들에 대한 설명으로서 이해되어야 한다. Although this specification contains details of numerous specific implementations, these should not be construed as limitations on the scope of any invention or what may be claimed, but rather as descriptions of features that may be unique to particular embodiments of particular inventions. It must be understood.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.Meanwhile, the embodiments of the present invention disclosed in the specification and drawings are merely provided as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is obvious to those skilled in the art that in addition to the embodiments disclosed herein, other modifications based on the technical idea of the present invention can be implemented.
100: 펜탄가스 센서 디바이스 110: 펜탄센서
111: 하우징 112: 히터
113: 기체유입구 114: 전하수집기
115: 감지전극 116: 고체전해질
117: 니켈메쉬 118: 워터찬넬
119a: 히터와이어 119b: 전극와이어
200: 센서플랫폼 210: 온습도센서
220: 센서용 신호처리반도체 230: MCU
240: 무선통신모듈 300: 서버
310: 데이터수집부 320: 데이터 분석부
330: 데이터운영부100: Pentane gas sensor device 110: Pentane sensor
111: housing 112: heater
113: gas inlet 114: charge collector
115: sensing electrode 116: solid electrolyte
117: Nickel mesh 118: Water channel
119a: heater wire 119b: electrode wire
200: Sensor platform 210: Temperature and humidity sensor
220: Signal processing semiconductor for sensor 230: MCU
240: wireless communication module 300: server
310: Data collection department 320: Data analysis department
330: Data operation department
Claims (17)
YSZ-based solid electrolyte and ionic conductivity through heterogeneous doping to enable high-sensitivity, low-concentration micromeasurement at the 20% LEL (Low Explosive Limitation) level in a specific working environment, and nickel oxide (NiO) and carbon black as catalyst electrode materials. Housing, heater, gas inlet, charge collector, sensing electrode, solid electrolyte, nickel to detect pentane gas by adjusting the thickness of the solid electrolyte layer, pentane gas reactivity and catalyst material complex by mixing carbon black. A pentane gas sensor device characterized as a pentane sensor including a mesh, water channel, heater wire, and electrode wire.
상기 히터는,
감지전극 및 전해질에 열에너지를 공급하여 작업전극에서 펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 촉진시키거나, 고체 전해질에서의 케리어 이동도를 증가시켜 센서의 감지도를 증대하는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to paragraph 1,
The heater is,
Oxidative dehydrogenation reaction of pentane to detect pentane gas at the working electrode by supplying heat energy to the sensing electrode and electrolyte (C 5 H 12 + O 2- → C 5 H 10 + H 2 O + 2e - ) and Characterized by promoting the oxidation reaction (C 5 H 12 + 16O 2- → 5CO 2 + 6H 2 O + 32e - ) or increasing the carrier mobility in the solid electrolyte to increase the detection sensitivity of the sensor. Pentane gas sensor device.
상기 기체유입구는,
검지 가스의 출입구이며, 팬을 설치하여 유입하고, 필터를 설치하여 검지를 방해하는 물질인 먼지, 습기를 걸러내어 펜탄센서의 내구성을 증대하는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to paragraph 1,
The gas inlet is,
A pentane gas sensor device that is an entrance to the detection gas, installs a fan to introduce it, and installs a filter to filter out dust and moisture, which are substances that interfere with detection, to increase the durability of the pentane sensor.
상기 전하수집기(114)는,
전해질 및 감지전극 상단부에 위치하여 상대전극(니켈메쉬)과 감지전극 사이의 전위차를 측정하는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to paragraph 1,
The charge collector 114 is,
A pentane gas sensor device located at the top of the electrolyte and sensing electrode and measuring the potential difference between the counter electrode (nickel mesh) and the sensing electrode.
상기 감지전극(115)은,
펜탄가스 검지를 위한 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응 (C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e-) 및 산화 (Oxidation) 반응 (C5H12 + 16O2- → 5CO2 + 6H2O + 32e-)을 통해 전위차를 생성하는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to paragraph 1,
The sensing electrode 115 is,
Oxidative dehydrogenation reaction of pentane for detection of pentane gas (C 5 H 12 + O 2- → C 5 H 10 + H 2 O + 2e - ) and oxidation reaction (C 5 H 12 + 16O A pentane gas sensor device characterized in that it generates a potential difference through 2- → 5CO 2 + 6H 2 O + 32e - ).
상기 고체전해질(116)은,
산화탈수소화와 산화의 두 반응 및 상대전극에서 일어나는 반응들에 의해 생성된 이온의 전도가 일어나는 부분으로 전위차를 생성하여 전극와이어 및 센서용 신호처리반도체에 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to paragraph 1,
The solid electrolyte 116 is,
A pentane gas sensor characterized by generating a current in the electrode wire and signal processing semiconductor for the sensor by generating a potential difference at the part where conduction of ions generated by the two reactions of oxidation dehydrogenation and oxidation and the reactions occurring at the counter electrode occurs. device.
상기 니켈메쉬(117)는,
상기 감지전극(115)의 상대전극(Counter electrode)으로서 펜탄의 산화반응에 대한 산화-환원 짝반응인 물의 환원반응 (H2O + 2e- → H2 + O2-)을 일으켜 활성산소이온 (O2-)을 소자에 공급하여 산화반응을 촉진하는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to paragraph 1,
The nickel mesh 117 is,
As a counter electrode of the sensing electrode 115, a reduction reaction of water (H 2 O + 2e - → H 2 + O 2 - ), which is an oxidation-reduction partner reaction for the oxidation reaction of pentane, occurs, producing active oxygen ions ( A pentane gas sensor device characterized in that it promotes an oxidation reaction by supplying O 2- ) to the device.
상기 워터찬넬(118)은 니켈메쉬에서 일어나는 물의 환원반응을 일으키기 위한 수분을 공급하는 통로이며 액상 혹은 기상의 물을 공급하는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to paragraph 1,
The water channel 118 is a passage that supplies moisture to cause the water reduction reaction that occurs in the nickel mesh, and is a pentane gas sensor device characterized in that it supplies liquid or gaseous water.
상기 히터와이어는,
저항 부하로 열에너지를 발산하는 히터(112)에의 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to paragraph 1,
The heater wire is,
A pentane gas sensor device characterized in that it supplies power to a heater (112) that radiates heat energy through a resistive load.
상기 전극와이어는,
검지가스가 노출된 펜탄센서에 축적된 이온에 의한 전위차를 센서신호로서 전달하는 것을 특징으로 하는 펜탄가스 센서 디바이스.
According to paragraph 1,
The electrode wire is,
A pentane gas sensor device characterized in that it transmits the potential difference caused by ions accumulated in the pentane sensor exposed to the detection gas as a sensor signal.
온도와 습도를 측정하는 온습도센서와;
센서마다 상이한 센서신호 센싱(전압, 전류, 저항변화량) 블럭, 증폭기, 필터, ADC (Analog-to-Digital Converter), 제어기 신호처리, 저전력 및 고해상도 이중모드를 지원하면서 다종의 센서를 지원할 수 있는 다채널 통합 신호처리 프로세스 및 전류소모를 감지하는 신호감지부 및 ADC 사용없이 디지털 신호변환 할 수 있는 XDC(X-to-Digital Converter), 저전력모드를 유지하면서 해상도를 향상시키는 저잡음 신호감지부, 고해상도 ADC의 ppm 또는 ppb 단위의 가스검출이 가능한 고해상도모드를 지원하는 센서용 신호처리반도체와;
센서용 신호처리반도체를 컨트롤하면서 데이터를 얻고, 무선통신모듈을 통해 데이터를 송신을 제어하는 MCU와;
MCU의 제어를 받아 데이터를 송신하는 무선통신모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서플랫폼.
A pentane sensor that measures pentane gas;
A temperature and humidity sensor that measures temperature and humidity;
Different sensor signal sensing (voltage, current, resistance change amount) blocks for each sensor, amplifier, filter, ADC (Analog-to-Digital Converter), controller signal processing, low-power and high-resolution dual mode that can support various types of sensors. A signal detection unit that detects the channel integrated signal processing process and current consumption, and an A signal processing semiconductor for a sensor that supports a high-resolution mode capable of detecting gas in ppm or ppb units;
An MCU that obtains data while controlling the signal processing semiconductor for the sensor and controls data transmission through a wireless communication module;
A sensor platform characterized by including a wireless communication module that transmits data under the control of an MCU.
상기 센서용 신호처리반도체는,
입력신호를 디지털화하여 저장하고, 모드에 따라서, 저해상도(8bit ADC 기능)와 저전력, 고해상도(16bit ADC 기능) 기능의 수행이 가능하는 것을 특징으로 하는 센서플랫폼.
According to clause 11,
The signal processing semiconductor for the sensor is,
A sensor platform that digitizes and stores input signals and, depending on the mode, is capable of performing low-resolution (8-bit ADC function) and low-power, high-resolution (16-bit ADC function) functions.
상기 센서용 신호처리반도체는,
ROIC가 전력과 해상도에 대해 조절 가능한 모드의 수를 측정하고,
IoT환경의 센서 동작은 소정 개월 또는 년간 센서가 동작할 수 있도록 하며,
센서가 저전력으로 동작이 이루어지도록 하고,
센서의 정확도를 높이기 위한 고성능(해상도 높은)기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 센서플랫폼.
According to clause 11,
The signal processing semiconductor for the sensor is,
Measures the number of modes an ROIC can adjust for power and resolution,
Sensor operation in the IoT environment allows the sensor to operate for a certain period of months or years.
Ensure that the sensor operates at low power,
A sensor platform characterized by providing high-performance (high-resolution) functions to increase sensor accuracy.
펜탄센서, 온습도센서 및 실내·외 환경정보 데이터를 수집하는 데이터수집부, 데이터의 기술적 통계분석, 시계열 분석 및 M/L, D/L 알고리즘 기반 예측 데이터 분석부와 연산처리, 분석, 스트리밍, 저장을 단계적으로 수행하여 통계분석 결과 및 모델의 예측 결과를 디스플레이하는 데이터운영부로 이루어지는 서버;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 모니터링 시스템.
A pentane sensor that measures pentane gas, a temperature and humidity sensor that measures temperature and humidity, and different sensor signal sensing (voltage, current, resistance change amount) blocks for each sensor, amplifier, filter, ADC (Analog-to-Digital Converter), and controller signal processing. , a multi-channel integrated signal processing process that can support a variety of sensors while supporting low-power and high-resolution dual modes, a signal detection unit that detects current consumption, and an XDC (X-to-Digital Converter) that can convert digital signals without using an ADC. , a low-noise signal detection unit that improves resolution while maintaining a low-power mode, and a signal processing semiconductor for a sensor that supports a high-resolution mode capable of gas detection in ppm or ppb units of a high-resolution ADC, and data is obtained by controlling the signal processing semiconductor for the sensor, A sensor platform including an MCU that controls data transmission through a wireless communication module and a wireless communication module that transmits data under the control of the MCU; and
A data collection unit that collects pentane sensor, temperature and humidity sensor, and indoor/outdoor environmental information data, technical statistical analysis of data, time series analysis, and M/L, D/L algorithm-based predictive data analysis unit and calculation processing, analysis, streaming, and storage. A server consisting of a data operation unit that performs step by step and displays statistical analysis results and model prediction results;
A monitoring system comprising:
상기 연산처리는,
입력되는 데이터의 저장처리 체계구축(연도, 월, 일, 시, 분 단위 분리 저장) 로우데이타(rowdata)를 텍스트(text) 형태로 받아서 정규화 작업을 거쳐 연산, 분석에서 사용할 수 있도록 전처리하는 과정과,
분석을 위한 csv형식으로 파일을 저장하고 웹(Web)이나 기타 프로그램에서 사용할 수 있는 rdbms로 저장하는 처리과정을 수행하고,
처리과정이 진행 된 후 5분 단위, 10분 단위, 1시간 단위 평균, 최대치, 최소치의 통계 연산 후 각 통계 위치에 저장하는 연산과정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 모니터링 시스템.
According to clause 14,
The above calculation processing is,
Establishing a storage and processing system for input data (separate storage in units of year, month, day, hour, and minute). Process of receiving raw data in text form and normalizing it so that it can be used in calculations and analysis. ,
Perform the processing process of saving the file in csv format for analysis and saving it as rdbms that can be used on the web or other programs.
A monitoring system characterized in that after the processing process is completed, statistical calculations are performed on averages, maximum values, and minimum values in 5-minute, 10-minute, and 1-hour increments and then stored in each statistical location.
상기 분석은,
연산처리를 거친 각 데이터간의 상관분석 함수를 통해 온도, 습도, 기압과 펜탄가스의 분류별 상관분석 그래프와 다중상관분석으로 축적한 데이터를 기반으로 유사 환경의 예측도를 분석하는 것을 특징으로 하는 모니터링 시스템.According to clause 14,
The above analysis is,
A monitoring system that analyzes the predictability of similar environments based on data accumulated through correlation analysis graphs and multiple correlation analysis for each category of temperature, humidity, atmospheric pressure, and pentane gas through a correlation analysis function between each processed data. .
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