KR102653632B1 - 다양한 센서를 적용하기 위한 IoT 복합센서 모듈 - Google Patents

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KR102653632B1 KR1020230125669A KR20230125669A KR102653632B1 KR 102653632 B1 KR102653632 B1 KR 102653632B1 KR 1020230125669 A KR1020230125669 A KR 1020230125669A KR 20230125669 A KR20230125669 A KR 20230125669A KR 102653632 B1 KR102653632 B1 KR 102653632B1
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Abstract

본 발명은 다양한 종류의 센서를 탈착 방식으로 쉽게 연결하여 사용할 수 있는 다양한 센서를 적용하기 위한 IoT 복합센서 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 기본적인 내장 센서(10)와는 별도로 다양한 종류의 외장 센서를 내장 인터페이스부(20) 및 슬롯(30)을 통해 쉽게 연결하여 사용하게 하고, 다양한 종류의 센서를 사용함에 있어 외부 전원이 연결되지 아니할 시에 센서의 전원 차단 및 슬립모드로 절전 동작함으로써, 장기간 안정적으로 동작할 수 있게 한다.

Description

다양한 센서를 적용하기 위한 IoT 복합센서 모듈{IoT complex sensor module for applying various sensors}
본 발명은 다양한 종류의 센서를 탈착 방식으로 쉽게 연결하여 사용할 수 있는 다양한 센서를 적용하기 위한 IoT 복합센서 모듈에 관한 것이다.
최근 IoT(Internet of Things, 사물인터넷) 기술을 활용하여 특히 노후 건축물과 같은 시설물의 상황을 실시간으로 원격 감시하는 안전 관리 시스템의 구축을 위해서 많은 기술적 시도가 있어왔다.
이러한 안전 관리 시스템의 구축을 위해서, 시설물에 설치하여 시설물 상황을 감지 및 원격 전송하는 IoT 복합센서 모듈을 사용하여야 한다.
여기서 IoT 복합센서 모듈은 온도 센서, 습도 센서, 기울기 또는 가속도 센서, 균열감지 센서, 진동 센서, 변형률계, 변위계, 로드셀, 풍속 센서, 풍향 센서, 강우 센서, 수위 센서, 침수 감지용 센서, 각종 공기질 센서, 미세먼지 농도 센서 등과 같은 다양한 종류의 센서 중에 안전 관리할 시설물에서 감지할 정보의 종류에 필요한 센서를 장착할 수 있다.
이를 위해서, 등록특허 제10-2128676호에 개시된 바와 같이 다양한 종류의 센서를 착탈식으로 설치하는 복수개의 슬롯과, 슬롯을 통해 전달한 신호를 디지털 신호로 변환하는 기능을 갖춘 제어부를 사용하여 IoT 복합센서 모듈을 구성할 수 있다.
하지만, 센서에서 측정값으로 출력하는 신호는 센서의 종류 또는 제조사에 따라 디지털 신호, HART 통신 신호, SDI-12 통신 신호, 전압 신호, 전류 신호, 접점 신호 등으로 매우 다양하므로, 이러한 신호로 입력되는 측정값을 처리하도록 제어부를 구성하기란 어렵고, 슬롯 또한, 다양한 이기종의 센서를 모두 연결하게 구성하기도 어렵다.
아니면, 등록특허 제10-2231915호에 개시된 바와 같이 센서를 연결할 복수의 센서 인터페이스를 교체 가능하게 IoT 복합센서 모듈에 장착하여 센서의 종류에 맞춰 센서 인터페이스를 교체하게 할 수도 있다.
하지만, 이 경우에는 센서 인터페이스를 설치 현장에서 교체하기란 어려워서 센서 종류에 맞게 미리 장착한 후 현장에 설치하여야만 하므로, 설치 위치에 따라 상이한 센서를 연결하여야 하는 IoT 복합센서 모듈로 사용할 수 없는 한계가 있다.
한편, IoT 복합센서 모듈에서 전반 동작을 제어하는 마이크로컨트롤러는 잘 알려진 바와 같이 액티브 모드(Active Mode)와 슬립 모드(Sleep Mode)가 가능한 것으로 구성하여서, 센싱 동작 또는 통신 동작을 하지 않는 동안 슬립 모드로 전환하여 절전하게 할 수 있다.
그런데, 사용하는 센서의 종류에 따라 센싱 주기가 상이할 수 있어서, 실제로는 슬립 모드로 전환할 수 있는 시간이 많지 않게 되고, 더욱이, 센싱 주기와는 별도로 상황에 따라 원격으로 제어하여 측정값을 받을 수 있도록 상시적으로 액티브 모드 상태로 IoT 복합센서 모듈을 운영하여야 하는 시간대도 있어서, 마이크로컨트롤러를 슬립 모드로 전환하는 시간이 그만큼 줄어들게 된다.
또한, 잘 알려진 바와 같이 각각의 센서 인터페이스를 슬립 모드로 제어할 수 있으나, 슬립 모드에서도 여전히 전력을 소모한다.
이와 같은 현실에 의해서, 외부 전원으로 전력 공급받지 못하는 상황에 놓이게 된 IoT 복합센서 모듈은 장기간 사용하기 어렵게 된다. 또한, 외부 전원을 연결한 경우라도 현장 상황의 변화에 따라 외부 전원으로부터의 전력 공급이 중단되는 상황에 놓일 수 있으므로, 제 기능을 제대로 수행하지 못하게 될 수도 있는 문제점이 있다.
KR 10-2128676 B1 2020.06.24. KR 10-2231915 B1 2021.03.19.
본 발명의 목적은 기본적으로 장착하는 내장 센서와는 별도로 다양한 이기종의 외장 센서를 쉽게 연결하여 사용하며, 전원의 상태에 따라 슬립 모드를 운용하되 센싱 및 전송 기능을 지연 없이 수행할 수 있는 상태를 유지하며 동작하는 새로운 방식으로 절전할 수 있는 다양한 센서를 적용하기 위한 IoT 복합센서 모듈을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 IoT 복합센서 모듈에 있어서, 내장 센서(11)와, 내장 센서(11)를 통해 측정값을 얻는 내장 센서 보드(12)로 구성한 내부 센서부(10); RS-232C 및 RS-485를 포함하는 통신 방식으로 연결된 외장 센서의 측정값을 얻는 내장 인터페이스부(20); HART 통신 신호, SDI-12 통신 신호, 전압 신호, 전류 신호 및 접점 신호를 포함하는 신호 중에 어느 하나의 신호로 외장 센서의 측정값을 얻는 인터페이스 카드(40); 상기 인터페이스 카드(40)를 삽탈하게 한 슬롯(30); 2차 전지(51)와, 외부 전원에 연결될 시에 2차 전지(51)를 충전하며 2차 전지(51)의 잔량을 측정하는 충방전부(52)와, 상기 내장 센서 보드(12), 상기 내장 인터페이스부(20) 및 상기 인터페이스 카드(40)의 전력 공급을 단속하기 위한 전원 단속부(53)를 포함하는 전원부(50); 센서 측정값을 저장할 저장부(60); 외부와 통신 연결되어 센서 측정값을 전송할 수 있게 한 통신부(70); 및 상기 내장 센서 보드(12) 및 내장 인터페이스부(20)로부터 입력되고 상기 슬롯(30)을 통해 인터페이스 카드(40)로부터 입력되는 각 센서의 측정값을 취합하여 상기 통신부(70)를 통해 전송하는 제어부(80);를 포함한다.
상기 제어부(80)는 각 센서별로 설정된 센싱 시간 사이의 시간차, 전원 투입 후 가동하는데 소요되는 재가동 시간 및 슬립모드에서 액티브모드로 전환하는데 소요되는 웨이크 업 시간에 따라 전력 공급 중단 시간 아니면 슬립모드 시간을 센싱 시간 사이의 비센싱 기간에 선택적으로 갖게 하되, 전력 공급 중단 시간 및 슬립모드 시간에 대해서 각각 재가동 빈도 및 웨이크업 빈도를 제한하기 위해 설정한 최소 시간 이상의 값으로 적용할 수 있는 경우에만 갖게 하고 전력 공급 중단 시간을 슬립모드 시간보다 우선시하여 갖게 한 센싱동작 스케줄을 각 센서별로 작성하는 스케줄 작성부(81); 외부 전원이 연결된 경우에 각 센서의 센싱 시간에 맞춰 측정값을 얻고, 외부 전원이 연결되지 않은 경우에는 상기 내장 센서 보드(12), 내장 인터페이스부(20) 및 인터페이스 카드(40)의 전력 공급 중단 시간 및 슬립모드 시간을 갖는 상기 센싱동작 스케줄을 적용하며 각 센서의 측정값을 얻는 센싱동작 제어부(82); 각 센서의 측정값을 상기 저장부(60)에 저장하는 데이터 처리부(83); 상기 저장부(60)에 저장한 측정값을 설정 전송 주기에 따라 취합한 후 상기 통신부(70)를 통해 전송하는 데이터 전송부(84);를 포함한다.
상기 스케줄 작성부(81)는 상기 2차 전지(51)의 잔량이 기설정 하한 잔량 미만인 경우에 적용할 센싱동작 스케줄과, 상기 전력 공급 중단 시간을 상대적으로 줄여 하한 잔량 이상인 경우에 적용할 센싱동작 스케줄로 구분하여 작성하고, 상기 센싱동작 제어부(82)는 2가지의 센싱동작 스케줄을 2차 전지(51)의 잔량에 따라 선택적으로 적용하고, 이후 외부 전원이 연결되면 2차 전지(51)의 잔량이 기설정 상한 잔량에 도달하는 시점까지 센싱동작 스케줄을 사용한 후 센싱동작 스케줄을 적용하지 않는다.
상기 인터페이스 카드(40)는 연결된 외장 센서를 통해 측정값을 얻기 위한 인터페이스부(41)와, 측정값 전달 및 제어 신호 입력을 위한 신호 핀(42a) 및 전력 수급을 위한 전원 핀(42b)을 포함하는 커넥터(42)와, 전력을 수급한 직후 한시적으로 동작하여 신호 핀(42a)들이 쌍을 이루며 도통되게 하는 스위치부(43)를 구비하고, 상기 슬롯(30)은 상기 커넥터(42)의 각 핀(42a, 42b)을 삽입할 복수의 홈 단자(31)를 구비하고, 상기 인터페이스 카드(40)에 전력이 공급된 직후 한시적으로 가동하여 신호 핀(42a)이 삽입된 홈 단자(31) 중에 상기 스위치부(43)에 의해 전기적으로 도통되지 않는 홈 단자(31) 사이만 도통시켜 신호 핀(42a)을 통해 전기적으로 직렬 연결되게 한 후 홈 단자(31)들을 연결하는 직렬 회로 양단 사이에 대해 도통 시험하여 상기 인터페이스 카드(40)와의 접속 상태를 검사하는 도통 시험부(32)가 설치되며, 상기 인터페이스 카드(40)에 대한 센싱동작 스케줄은 상기 도통 시험부(32)에 의해 한시적으로 수행하는 접속 상태 검사 시간을 소정 주기로 나타나는 인터페이스 카드(40)의 재가동 시간 내에 포함시켜서, 접속 상태 검사를 간헐적으로 수행하게 한다.
상기 인터페이스 카드(40)는 상기 내장 센서 보드(12) 및 내장 인터페이스부(20)에서 제어부(80)로 전달하는 측정값의 사전 정의된 정형 데이터 포맷으로 측정값을 변환하는 측정값 정형화부(41a)를 구비한다.
본 발명은 내장 센서와는 별도로 전용의 수신 처리 방식이 필요한 외장 센서를 전용 인터페이스 보드의 삽탈 방식으로 연결할 수 있게 하고, 내부적으로 프로토콜 변환으로 수신 처리할 수 있는 디지털 센서를 연결한 인터페이스 보드를 구비하여, 기본적으로 운용할 센서들과, 현장에 따라 상이하지만 간편하여 연결하는 외장 센서를 사용할 수 있으므로, 구조 변경 없이 다양한 시설물 및 다양한 상황의 현장에서 활용할 수 있는 장점을 갖는다.
또한, 본 발명은 각 센서별 센싱 시간 및 동작 특성과, 운용 상황에 따라 지연 시간을 없게 하거나 최소화하는 시간에 센서의 전원 투입 중단 또는 슬립모드 전환으로 절전할 수 있는 스케줄을 작성한 후, 전원 상황에 따라 탄력적으로 스케줄을 적용하여 운영함으로써, 절전량을 늘려 지속 운영할 시간을 확보함은 물론이고, 외장의 이벤트에 신속하게 대응할 수 있는 상태를 유지할 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명은 삽탈 가능한 인터페이스 카드와의 접속 상태를 간헐적으로 검사함으로써, 진동 또는 먼지와 같은 외부 상황에 의해 접속 상태가 불량하더라도 원격으로 모니터링하여 관리할 수 있는 장점도 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 IoT 복합센서 모듈의 블록구성도.
도 2는 슬롯(30)과 인터페이스 카드(40) 사이의 접속 상태를 검사하기 위한 구성을 보여주는 블록구성도.
도 3은 센싱동작 스케줄의 타임 차트 예시도.
이하, 본 발명의 실시 예들에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 구체적이고 다양한 예시들을 보여주며 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 범위 내에서 다양한 변경이나 수정을 통해 실시될 수 있음도 분명하므로, 설명하는 실시 예들에 한정되지는 않는다. 그리고, 본 발명의 실시 예들은 잘 알려진 부품, 회로, 기능, 방법, 전형적인 상세한 내용에 대해서는 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 추가하여 실시할 수 있으므로, 자세히 기술하지 않기로 한다.
본 발명의 실시 예는 소프트웨어와 하드웨어가 결합된 형태로 구현될 수 있고, 소프트웨어와 하드웨어 형태는 '부'로 기술될 수 있고, 기록매체에 구현된 컴퓨터에서 읽을 수 있는 프로그램 코드의 형태로 구현될 수 있다.
구성요소 사이의 연결은 데이터, 신호, 정보 등을 전달하기 위해 유선 연결 또는 무선 연결일 수 있고, 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 간접 연결되어 있는 경우도 포함할 수 있다.
어떤 구성요소를 ‘포함’한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1의 블록구성도를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 IoT 복합센서 모듈은 내부 센서부(10), 내장 인터페이스부(20), 슬롯(30), 인터페이스 카드(40), 전원부(50), 저장부(60), 통신부(70) 및 제어부(80)를 포함한다.
상기 내부 센서부(10)는 시설물 안전 관리를 위해서 설치하는 위치에 상관없이 기본적으로 사용되는 내장 센서(11)와, 내장 센서(11)를 실장 또는 연결하여 내장 센서(11)를 통해 측정값을 얻는 내장 센서 보드(12)를 포함하며, 내장 센서(11)와 내장 센서 보드(12)의 조합으로 구성되는 상기 내부 센서부(10)는 복수 개로 구비될 수 있다.
여기서, 내장 센서 보드(12)는 내장 센서(11)를 통해 얻는 측정값을 사전 정의된 정형 데이터 포맷의 디지털 데이터로 변환하여 상기 제어부(80)로 전달하게 구성되며, 본 발명의 실시 예에서는 측정값을 얻기 위해 액티브 모드(Active Mode)로 동작하고 상기 제어부(80)에 의해 제어되어 슬립 모드(Sleep Mode)로 전환되게 할 수 있다. 슬립 모드는 잘 알려진 바와 같이 깊이에 따라 상이하지만 액티브 모드에 비해 저전력으로 대기하는 동작 모드로서, 이를 위한 구성 또한 잘 알려진 기술이므로 상세 설명을 생략한다.
상기 내장 인터페이스부(20)는 측정값을 디지털 신호로 전달하는 외장 센서에 연결하는 보드로서, 물론, 외장 센서와 연결하기 위한 커넥터를 구비한다.
예를 들어, RS-232C 또는 RS-485 통신으로 측정값을 전달하는 외장 센서에 연결하는 인터페이스를 적용할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니면, I2C, UART, GPIO, LAN, USB 등과 같은 다양한 통신 인터페이스를 적용할 수 있다. 이러한 다양한 인터페이스를 적용하기 위해서 어느 한 종류의 커넥터를 갖게 구성하고, 시리얼 컨버터를 이용하여 변환된 신호로 입력받게 할 수도 있다. 또한, 외장 센서에서 사용하는 프로토콜을 변환하여 정형 데이터 포맷의 측정값을 얻은 후 상기 제어부(80)에 전달하게 구성한다.
본 발명에서는 상기 내장 센서 보드(12)와 같이 상기 내장 인터페이스부(20)를 액티브 모드와 슬립 모드로 제어할 수 있게 구성한다.
상기 슬롯(30)은 외장 센서 전용의 인터페이스 카드(40)를 삽탈할 수 있게 하여 외장 센서의 종류에 맞는 인터페이스 카드(40)를 삽입 장착하게 하고, 삽입 장착한 인터페이스 카드(40)에서 얻는 외장 센서 측정값을 상기 제어부(80)에 전달하게 한다.
이와 같이 상기 인터페이스 카드(40)는 전용의 인터페이스를 사용하여 측정값을 얻을 수 있는 외장 센서를 연결하기 위한 것이다.
예를 들어 HART 통신 신호, SDI-12 통신 신호, 전압 신호, 전류 신호 및 접점 신호 중에 어느 하나의 신호로 측정값을 생성하여 전달하는 외장 센서가 연결된다. 이러한 외장 센서가 전달하는 신호는 외장 센서의 종류에 따라 전용의 인터페이스를 필요로 하다. 이에, 사용할 외장 센서의 종류에 맞는 인터페이스 카드(40)에 외장 센서를 연결한 후 상기 슬롯(30)에 삽입 장착함으로써 외장 센서의 측정값을 상기 제어부(80)에 전달하게 한다.
구체적인 실시 예에 따르면 상기 인터페이스 카드(40)와 슬롯(30) 사이의 접속 상태 검사 기능과, 측정값의 정형 데이터 포맷 기능을 갖추게 구성된다.
도 2를 참조하면, 상기 인터페이스 카드(40)는 연결된 외장 센서로부터 측정값을 얻기 위한 인터페이스부(41)와, 상기 슬롯(30)에 삽입되는 복수 개의 핀(42a, 42b)을 구비한 커넥터(42)와, 복수 개의 핀(42a, 42b) 중에 일부를 상호 도통시키는 스위치부(43)를 구비한다.
여기서도, 상기 인터페이스부(41)는 액티브 모드와 슬립 모드로 제어할 수 있게 구성하고, 측정값을 상기에서 언급한 정형 데이터 포맷의 디지털 데이터로 변환하여 커넥터(42) 및 슬롯(40)을 통해 상기 제어부(80)에 전달하는 측정값 정형화부(41a)를 포함한다.
상기 커넥터(42)의 핀(42a, 42b)은 측정값 전달 및 제어 신호 입력을 위한 신호 핀(42a)과, 전력 수급을 위한 전원 핀(42b)을 포함한다.
상기 스위치부(43)는 전원 핀(42b)를 통해 전력을 수급한 직후 한시적으로 동작하여 복수개의 신호 핀(42a)들이 미리 정한 쌍을 이루게 정한 것들끼리 도통되게 한다.
예를 들어, 2개의 측정값 전달용 핀끼리 쌍을 이루어 상호 도통되게 하는 스위치(43a)와, 나머지 2개의 제어 신호 입력용 핀끼리 쌍을 이루어 상호 도통되게 하는 스위치(43b)와, 2개의 스위치를 동시에 순시 동작시킨 후 타이머 회로로 미리 정한 시간이 경과한 시점에서 원상태로 복원시키는 가동 회로(43c)로 구성할 수 있다. 여기서, 스위치(43a, 43b)의 원상태는 신호 핀(42a)들을 인터페이스부(41)에 연결하는 상태이고, 가동 회로(43c)는 전원 핀(42b)을 통해 전력을 공급받을 시에 동작하도록 회로 구성할 수 있고, 스위치(43a, 43b) 및 가동 회로(43c)는 전자회로로 구성할 수 있으나 이에 한정하지 않고 제 기능을 수행하게 구성하면 만족한다.
다음으로, 도 2에서 상기 슬롯(30)을 살펴보면, 상기 커넥터(42)의 각 핀(42a, 42b)을 일대일로 삽입할 복수의 홈 단자(31)를 구비하고, 홈 단자(31)에 연결된 도통 시험부(32)도 설치되어 있다.
상기 도통 시험부(32)는 상기 인터페이스 카드(40)에 전력을 공급한 직후 한시적으로 가동하여 홈 단자(31) 중에 신호 핀(42a)이 삽입된 홈 단자(31)를 신호 핀(42a)들을 통해 전기적으로 직렬 연결되게 하는 스위치(32a)와, 홈 단자(31)들을 연결하는 직렬 회로의 양단을 제어부(80)로부터 회로 분리하는 스위치(32b, 32c)와, 회로 분리된 직렬 회로의 양단 사이에 대해 도통 시험을 수행하여 상기 인터페이스부(40)와 슬롯(30) 사이의 전기적 접속 상태를 검사하는 도통 시험회로(32e), 전력 공급될 시에 스위치(32a, 32b, 32c)를 한시적으로 가동시키고 도통 시험회로(32e)로 검사하게 하는 가동 회로(32d)를 포함한다.
예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이 도통시킨 2개의 측정값 전달용 핀이 삽입된 2개 홈 단자(31) 중 어느 하나의 홈 단자(31)와, 도통시킨 2개의 제어 신호 입력용 핀이 삽입된 2개 홈 단자(31) 중 어느 하나의 홈 단자(31)는 전기적으로 도통되지 않으므로 스위치부(32a)를 이용하여 서로 전기적으로 도통시킨다. 이에 따라, 복수의 신호 핀(42a)이 삽입된 복수의 홈 단자(31)들은 전기적으로 직렬 연결된 회로를 구성하고, 도통 시험회로(32e)는 그 직렬 연결 회로의 양단에 놓인 홈 단자(31) 사이를 도통 시험하여서 신호 핀(42a)과 신호 핀(42a)이 삽입된 홈 단자(31) 사이의 전기적 연결 상태를 검사할 수 있다. 아울러 전원 핀(42b)의 전기적 접속 상태가 불량인 경우에도 스위치부(43)가 동작하지 아니하여서, 전기적으로 단절된 상태의 도통 시험 결과가 나타나므로, 접속 상태를 불량으로 판정할 수 있다.
물론, 홈 단자(31) 중에 신호 핀(42a)이 삽입된 것은 제어부(80)에 연결되고, 전원 핀(42b)이 삽입된 것은 전원부(50)에 연결되며, 도통 시험할 시에는 신호 핀(42a)이 삽입된 홈 단자(31) 중에 적어도 도통 시험할 양 홈 단자를 제어부(80)로부터 전기적으로 분리하는 스위치(32b, 32c)를 사용하는 것이 좋다.
상기 전원부(50)는 반복 충전이 가능한 2차 전지(51), 충전 기능과 2차 전지(51)의 잔량 측정 기능을 갖는 충전부(52) 및 전력을 단속하며 공급할 수 있게 한 전원 단속부(53)를 포함한다.
여기서, 상기 충방전부(52)는 전력 공급할 구성요소에서 필요로 하는 전압의 전력을 공급하는 회로를 포함하며, 상용 전원, 태양광 발전기, 풍력 발전기 등의 외부 전원에 연결하게 하여서, 외부 전원에 연결될 시에 외부 전원에서 공급하는 전력으로 상기 2차 전지(51)를 충전하며 각 구성요소에 전력 공급하고, 외부 전원이 연결되지 않은 경우에는 상기 2차 전지(51)에 충전된 전력으로 각 구성요소에 전력 공급한다.
상기 전원 단속부(53)는 충전부(52)에서 공급하는 전력을 상기 내장 센서 보드(12), 내장 인터페이스부(20) 및 슬롯(30)에 대해 개별적으로 단속하기 위한 것이다. 이에, 슬롯(30)을 통해 인터페이스 카드(40)의 전원 단속도 이루어진다. 한편, 상기 도통 시험부(32)에 대해서도 상기 전원 단속부(53)로 전력 공급을 단속하게 하여서, 후술하는 센싱동작 스케줄에 따라 도통 시험할 경우에만 가동되게 하였다.
상기 저장부(60), 통신부(70) 및 제어부(80)에는 항시적으로 전력 공급되게 한다.
상기 저장부(60)는 각 센서의 측정값을 저장하여 두기 위한 메모리 수단이다.
상기 통신부(70)는 센서의 측정값을 이용하여 원격 감시할 외부의 감시 시스템과 통신 연결하여 센서 측정값을 전송할 수 있게 한 것으로서, LoRa 모듈, LTE-M 모듈, NB-IoT 모듈 등과 같은 IoT 통신모듈로 구성할 수 있다.
상기 제어부(80)는 상기 내장 센서 보드(12), 내장 인터페이스부(20) 및 인터페이스 카드(40)를 통해 입력되는 각 센서의 측정값을 취합하여 상기 통신부(70)를 통해 전송하는 기능을 수행하되, 상기 전원부(50)의 전력 상황에 따라 절전을 위한 센싱동작 스케줄을 적용하며 기능 수행하고, 간헐적으로 인터페이스 카드(40)의 접속 상태를 검사하며, 이를 위해서 스케줄 작성부(81), 센싱동작 제어부(82), 데이터 처리부(83) 및 데이터 전송부(84)를 예를 들어 MCU(Micro Controller Unit)에 프로그램적 구성요소로 갖추게 하는 방식으로 구성할 수 있다.
상기 스케줄 작성부(81)는 센싱 시간과, 센싱 시간 사이의 비센싱 기간에 대한 절전 동작 시간을 포함하는 센싱동작 스케줄을 각 센서별로 작성한다. 여기서 센싱 시간은 센서를 통해 측정값을 얻는 시간이고, 각 센서별로 미리 설정되어 있거나 또는 통신부(70)를 통해 외부로부터 전달받아 가변되게 센싱 시점에 의해서 가변적으로 설정될 수도 있으며, 각 센서별로 상이할 수도 있고, 동일 센서에 대해서도 주기적이거나 아니면 비주기적일 수도 있다. 이러한 센싱 시간에 의해서 센싱 시간 사이의 비센싱 기간도 정해진다.
그리고, 비센싱 기간 중의 절전 동작 시간은 전력 공급 중단 시간 및 슬립모드 시간 중에 어느 하나로 되도록 선택적으로 결정한다. 여기서, 전력 공급 중간 시간은 상기 내장 센서 보드(12), 내장 인터페이스부(20) 및 인터페이스 카드(40) 중에 해당되는 센서에 대응되는 것에 대해 상기 전원 단속부(53)로 전력 공급되지 않게 하는 시간이고, 슬립모드 시간은 자체 기능으로 갖는 액티브모드 및 슬립모드 중에 활성화모드로 동작하던 것을 슬립모드로 전환하여 동작시키는 시간이다.
절전 동작 시간을 갖게 할 것인지와, 전력 공급 중단 시간 및 슬립모드 시간 중에 어느 것으로 선택할지에 대해서는 해당되는 센서의 비센싱 기간(센싱 시간 사이의 시간차), 전원 투입 후 가동하는데 소요되는 재가동 시간, 슬립모드에서 액티브모드로 전환하는데 소요되는 웨이크 업 시간, 및 재가동/웨이크업 빈도에 따른 효율성에 따라 결정된다. 여기서, 전력 공급 중단하는 과정의 소요 시간과 액티브모드에서 슬립모드로 전환하는데 소요되는 시간은 상대적으로 매우 짧으므로 무시하고 설명한다.
구체적으로 설명하면, 재가동 빈도를 제한하기 위해서 전력 공급 중단 시간에 대해 설정한 전력 공급 중단 최소 시간을 충족하여야 하는 제1 조건과, 전력 공급을 중단하는 것이 슬립모드로 하는 것보다 전력 소모가 적은 점을 반영하여 전력 공급 중단 시간을 슬립모드 시간보다 우선적으로 선택하는 제2 조건을 적용한다.
추가로, 슬립모드로의 전환 빈도를 제한하기 위해서 슬립모드 시간에 대해 설정한 슬립모드 최소 시간을 충족하여야 하는 제3 조건을 적용할 수도 있다.
여기서 제1 조건의 근거에 대해 부연 설명하면, 센싱 간격이 짧아서 전력 공급 중단 시간이 짧은 시간 간격으로 반복하게 되면 정지 및 재가동의 빈도가 커져서 실질적으로 효율성이 떨어진다. 예를 들어 정지시킬 시의 과도기 상태와 재가동할 시의 과도기 상태가 누적되어 회로의 피로도 또는 내구성 저하를 유발할 수 있고, 그러한 과도기에서의 전력 소모를 고려하면, 전원 차단하여 얻는 효과가 없을수도 있다. 이에 따라 본 발명에서는 각 회로의 특성에 따른 효율성을 고려하여 전력 공급 중단 시간에 대해 최소 시간을 미리 설정하여 둔다. 효율성의 차이는 있지만 마찬가지의 이유로 슬립모드 시간에 대해 최소 시간을 미리 설정하여 둔다.
상기 제1 조건, 제2 조건 및 제3 조건을 적용한 사례를 보여주는 도 3의 타임 차트를 참조하며 설명한다.
도 3(a)에 예시한 사례와 같이, 센싱 시간 사이의 비센싱 기간에서 재가동 시간을 제외하고 남는 잔여 시간이 전력 공급 중단 최소 시간 이상이면, 잔여 시간을 전력 공급 중단 시간으로 결정한다.
하지만, 도 3(b)에 예시한 사례와 같이, 비센싱 기간이 짧아서, 잔여 시간이 전력 공급 중단 최소 시간 미만이면, 슬립모드 시간을 선택적으로 결정한다. 즉, 비센싱 기간에서 웨이크업 시간을 제외하고 남는 잔여 시간이 슬립모드 최소 시간 이상이면, 잔여 시간을 슬립모드 시간으로 결정한다.
반면에, 이때의 잔여 시간이 슬립모드 최소 시간 미만이면, 도 3(c)에 예시한 사례와 같이, 전력 공급 중단 시간 및 슬립모드 시간 중에 어느 것도 잔여 시간에 사용하지 아니하고, 센싱 대기 시간으로 둔다. 물론, 센싱 대기 시간만 갖는 스케줄은 외부 전원이 연결되지 아니할 때의 운용 스케줄과 동일하나, 잘 알려진 바와 같이 제어부(80)를 구성하는 MCU 자체의 슬립모드를 사용하는 스케줄로 작성할 수도 있다.
이와 같은 센싱동작 스케줄은 외부 전원이 연결되지 아니하여 2차 전지(51)의 전력을 사용할 때에 활용하기 위한 스케줄로서, 외부 전원이 연결되지 아니한 상태에서 동작 시작하는 경우에 즉시 적용할 제1 센싱동작 스케줄과, 2차 전지(51)의 잔량(잔여 충전 전력량)이 점차 소진되어 기설정 하한 잔량 미만으로 된 경우에 적용할 제2 센싱동작 스케줄로 구분하여 각 센서별로 작성한다.
여기서, 제2 센싱동작 스케줄은 도 3(a)에 예시한 바와 같이 비센싱 기간에 허용되는 한 최대한으로 전력 공급 중단 시간을 갖게 하는 것이고, 제1 센싱동작 스케줄은 전력 공급 중단 시간을 제2 센싱동작 스케줄에 따른 값보다 짧게 한다. 즉, 제1 센싱동작 스케줄은 기설정 하한 잔량 이상인 경우에 외부의 요청에 따른 센싱 동작을 보다 신속하게 수행할 수 있는 가능성을 높게 하는 스케줄로서, 언제 요청할지 모르는 상황에 대해 보다 신속하게 대응하게 한다. 어느정도 짧게 할지는 비율로서 미리 정해둘 수 있다.
한편, 상기 도 2를 참조하며 설명한 바와 같이, 상기 인터페이스 카드(40)와 슬롯(30) 사이의 접속 상태 검사는 전력 공급이 시작된 직후 한시적으로 수행할 수 있으므로, 센싱동작 스케줄 중에 전력 공급 중간 시간 이후 재가동하는 시간의 초기에 수행할 수 있고, 접속 상태 검사를 수행할 도통 시험부(32)는 상기 전원부(50)의 전원 단속부(53)에 의해서 전력 수급할 시에만 가동한다.
이에, 도 3(a)에서 표현한 바와 같이 재가동 시간의 초기에 한시적으로 정한 접속 상태 검사 시간에 상기 도통 시험부(32)를 가동시켜서 접속 상태를 검사한다.
그런데, 접속 상태 검사는 재가동할 때만 수행하지 아니하고, 수시간 간격, 1일 간격 등과 같은 소정 주기로 한번씩 수행하여도 충분하다.
이에, 센싱동작 스케줄에서 기설정하여 둔 소정 주기로 나타나는 인터페이스 카드(40)의 재가동 시간에 대해서만 해당 재가동 시간의 초기에 접속 상태 검사 시간을 갖게 작성한다. 물론, 재가동 시간을 갖지 않을 정도로 센싱 시간의 간격이 짧은 경우에는, 소정 주기로 센싱 시간의 간격을 늘려서 전력 공급 중단에 따른 재가동 시간을 갖는 스케줄을 작성하게 함으로써, 소정 주기로 접속 상태 검사를 수행하게 할 수 있다.
상기 센싱동작 제어부(82)는 외부 전원의 연결 여부 및 2차 전지(51)의 잔량에 따라 상기 제1,2 센싱동작 스케줄을 선택적으로 적용하며 각 센서의 측정값을 얻는다.
즉, 외부 전원이 연결된 경우에는 상기 내부 센서부(10), 내장 인터페이스부(20) 및 상기 인터페이스 카드(40)를 통해 센서별 센싱 시간에 맞춰 측정값을 얻는다. 이때에는 전력 공급 중단 및 슬립모드 전환 중에 어느 하나도 센싱 시간 사이의 비센싱 시간에 수행하지 않는다.
외부 전원이 연결되지 않은 상황에 놓이면, 우선적으로 제1 센싱동작 스케줄을 적용하여 각 센서의 측정값을 얻는다. 이후, 2차 전지(51)의 잔량이 기설정 하한 잔량 미만으로 감소하면 제2 센싱동작 스케줄을 적용하여 각 센서의 측정값을 얻는다. 즉, 상기 전원부(50)의 전원 단속부(53)를 제어하여 수행하는 전력 공급 중단과 동작 모드의 전환기능을 이용하여 수행하는 슬립모드를 각각의 스케줄에 따라 선택적으로 수행한다.
한편, 상기 센싱동작 제어부(82)는 제1 센싱동작 스케줄 또는 제2 센싱동작 스케줄을 적용하며 측정값을 얻는 중에, 외부 전원이 연결되면 2차 전지(51)의 잔량이 기설정 상한 잔량에 도달하는 시점까지 제1 센싱동작 스케줄 또는 제2 센싱동작 스케줄을 적용하고, 기설정 상한 잔량 이상으로 충전되면 제1 센싱동작 스케줄 및 제2 센싱동작 스케줄 중에 어느 스케줄도 사용하지 않아서 전원 공급 중단 및 슬립모드 전환 없이 측정값을 얻는다.
여기서, 기설정 상한 잔량은 상기한 기설정 하한 잔량보다 상대적으로 크게 하여서, 제2 센싱동작 스케줄로 제어하는 중에 외부 전원이 연결되면 제2 센싱동작 스케줄 및 제1 센싱동작 스케줄을 순차적으로 적용하고, 제1 센싱동작 스케줄로 제어하는 중에 외부 전원이 연결되면 제1 센싱동작 스케줄만 적용한 후 스케줄을 사용하지 않게 한다.
또한, 상기 인터페이스 카드(40)에 대한 센싱동작 스케줄에 따라 측정값을 얻는 중에 스케줄 상에 나타나는 상기 인터페이스 카드(40)와 슬롯(30) 사이의 접속 상태 검사 시간에는 상기 인터페이스 카드(40)의 재가동 시간 초기에 상기 도통 시험부(32)를 가동시켜서, 접속 상태 검사 결과를 얻는다.
상기 데이터 처리부(83)는 상기 센싱동작 제어부(82)에 의한 제어동작으로 얻는 각 센서의 측정값과, 간헐적으로 얻는 접속 상태 검사 결과를 저장부(60)에 저장하여 두고, 상기 데이터 전송부(84)는 상기 저장부(70)에 저장한 측정값을 설정된 전송 주기에 따라 취합한 후 상기 통신부(70)를 통해 외부로 전송하여서, 데이터 로거 기능을 수행한다. 물론, 접속 상태 검사 결과가 접속 상태 불량인 경우에는 즉시 외부에 알리게 할 수 있다.
10 : 내부 센서부
11 : 내장 센서 12 : 내장 센서 보드
20 : 내장 인터페이스부
30 : 슬롯
31 : 홈 단자 32 : 도통 시험부
32a,32b,32c : 스위치 32d : 가동 회로
32e : 도통 시험회로
40 : 인터페이스 카드
41 : 인터페이스부 41a : 측정값 정형화부
42 : 커넥터 42a : 신호 핀
42b : 전원 핀 43 : 스위치부
43a,43b : 스위치 43c : 가동 회로
50 : 전원부
51 : 2차 전지 52 : 충방전부
53 : 전원 단속부
60 : 저장부
70 : 통신부
80 : 제어부
81 : 스케줄 작성부 82 : 센싱동작 제어부
83 : 데이터 처리부 84 : 데이터 전송부

Claims (4)

  1. 내장 센서(11)와, 내장 센서(11)를 통해 측정값을 얻는 내장 센서 보드(12)로 구성한 내부 센서부(10);
    RS-232C 및 RS-485를 포함하는 통신 방식으로 연결된 외장 센서의 측정값을 얻는 내장 인터페이스부(20);
    HART 통신 신호, SDI-12 통신 신호, 전압 신호, 전류 신호 및 접점 신호를 포함하는 신호 중에 어느 하나의 신호로 외장 센서의 측정값을 얻는 인터페이스 카드(40);
    상기 인터페이스 카드(40)를 삽탈하게 한 슬롯(30);
    2차 전지(51)와, 외부 전원에 연결될 시에 2차 전지(51)를 충전하며 2차 전지(51)의 잔량을 측정하는 충방전부(52)와, 상기 내장 센서 보드(12), 상기 내장 인터페이스부(20) 및 상기 인터페이스 카드(40)의 전력 공급을 단속하기 위한 전원 단속부(53)를 포함하는 전원부(50);
    센서 측정값을 저장할 저장부(60);
    외부와 통신 연결되어 센서 측정값을 전송할 수 있게 한 통신부(70); 및
    상기 내장 센서 보드(12) 및 내장 인터페이스부(20)로부터 입력되고 상기 슬롯(30)을 통해 인터페이스 카드(40)로부터 입력되는 각 센서의 측정값을 취합하여 상기 통신부(70)를 통해 전송하는 제어부(80);
    를 포함하며,
    상기 제어부(80)는
    각 센서별로 설정된 센싱 시간 사이의 시간차, 전원 투입 후 가동하는데 소요되는 재가동 시간 및 슬립모드에서 액티브모드로 전환하는데 소요되는 웨이크 업 시간에 따라 전력 공급 중단 시간 아니면 슬립모드 시간을 센싱 시간 사이의 비센싱 기간에 선택적으로 갖게 하되, 전력 공급 중단 시간 및 슬립모드 시간에 대해서 각각 재가동 빈도 및 웨이크업 빈도를 제한하기 위해 설정한 최소 시간 이상의 값으로 적용할 수 있는 경우에만 갖게 하고 전력 공급 중단 시간을 슬립모드 시간보다 우선시하여 갖게 한 센싱동작 스케줄을 각 센서별로 작성하는 스케줄 작성부(81);
    외부 전원이 연결된 경우에 각 센서의 센싱 시간에 맞춰 측정값을 얻고, 외부 전원이 연결되지 않은 경우에는 상기 내장 센서 보드(12), 내장 인터페이스부(20) 및 인터페이스 카드(40)의 전력 공급 중단 시간 및 슬립모드 시간을 갖는 상기 센싱동작 스케줄을 적용하며 각 센서의 측정값을 얻는 센싱동작 제어부(82);
    각 센서의 측정값을 상기 저장부(60)에 저장하는 데이터 처리부(83);
    상기 저장부(60)에 저장한 측정값을 설정 전송 주기에 따라 취합한 후 상기 통신부(70)를 통해 전송하는 데이터 전송부(84);
    를 포함하는 IoT 복합센서 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스케줄 작성부(81)는
    상기 2차 전지(51)의 잔량이 기설정 하한 잔량 미만인 경우에 적용할 센싱동작 스케줄과, 상기 전력 공급 중단 시간을 상대적으로 줄여 하한 잔량 이상인 경우에 적용할 센싱동작 스케줄로 구분하여 작성하고,
    상기 센싱동작 제어부(82)는
    2가지의 센싱동작 스케줄을 2차 전지(51)의 잔량에 따라 선택적으로 적용하고, 이후 외부 전원이 연결되면 2차 전지(51)의 잔량이 기설정 상한 잔량에 도달하는 시점까지 센싱동작 스케줄을 사용한 후 센싱동작 스케줄을 적용하지 않는
    IoT 복합센서 모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 인터페이스 카드(40)는
    연결된 외장 센서를 통해 측정값을 얻기 위한 인터페이스부(41)와, 측정값 전달 및 제어 신호 입력을 위한 신호 핀(42a) 및 전력 수급을 위한 전원 핀(42b)을 포함하는 커넥터(42)와, 전력을 수급한 직후 한시적으로 동작하여 신호 핀(42a)들이 쌍을 이루며 도통되게 하는 스위치부(43)를 구비하고,
    상기 슬롯(30)은
    상기 커넥터(42)의 각 핀(42a, 42b)을 삽입할 복수의 홈 단자(31)를 구비하고, 상기 인터페이스 카드(40)에 전력이 공급된 직후 한시적으로 가동하여 신호 핀(42a)이 삽입된 홈 단자(31) 중에 상기 스위치부(43)에 의해 전기적으로 도통되지 않는 홈 단자(31) 사이만 도통시켜 신호 핀(42a)을 통해 전기적으로 직렬 연결되게 한 후 홈 단자(31)들을 연결하는 직렬 회로 양단 사이에 대해 도통 시험하여 상기 인터페이스 카드(40)와의 접속 상태를 검사하는 도통 시험부(32)가 설치되며,
    상기 인터페이스 카드(40)에 대한 센싱동작 스케줄은
    상기 도통 시험부(32)에 의해 한시적으로 수행하는 접속 상태 검사 시간을 소정 주기로 나타나는 인터페이스 카드(40)의 재가동 시간 내에 포함시켜서, 접속 상태 검사를 간헐적으로 수행하게 하는
    IoT 복합센서 모듈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 인터페이스 카드(40)는
    상기 내장 센서 보드(12) 및 내장 인터페이스부(20)에서 제어부(80)로 전달하는 측정값의 사전 정의된 정형 데이터 포맷으로 측정값을 변환하는 측정값 정형화부(41a)를 구비하는
    IoT 복합센서 모듈.
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