KR20090065694A - 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 구조물의 진동, 습도, 온도, 소음 및 포토 특성을 검출하기 위한 가속도, 습도, 온도, 소음 및 포토 센서를 포함하는 센서 모듈; 상기 센서 모듈의 각 센서들로부터 출력되는 동적 데이터의 획득 및 처리, 저장을 수행하고, 모니터링 장치로부터 제공되는 제어신호에 따라 구조물의 계측상황을 결정하는 제어 모듈; 상기 모니터링 장치와 연동된 무선 모뎀을 포함하여 상기 모니터링 장치와 무선 통신을 수행하고, 상기 제어 모듈로부터 출력되는 상기 각 센서의 동적 데이터를 상기 모니터링 장치에 전송하며, 상기 모니터링 장치로부터 전송되는 제어신호를 상기 제어 모듈에 제공하는 무선 통신 모듈을 포함하여 구성되되, 상기 센서 모듈, 제어 모듈 및 무선 통신 모듈을 하나의 장치 내에서 일체화하여 하나의 센서 장치로부터 다중의 정보를 획득할 수 있으며, 계측항목간의 상관관계나 보정관계을 이용하여 획득되는 계측 데이터의 질적 향상이나 새로운 정보를 분석 및 획득할 수 있는 효과를 가진다.

구조물의 모니터링, 구조물의 무선 계측

Description

구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 방법 및 그 장치{Apparatus and Method of Wireless Measurement for Structural Monitoring}

본 발명은 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 다중의 센서와 로거를 일체화하여 획득한 데이터를 무선 통신 장치를 이용하여 전송하는 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로 건설 구조물은 시간이 지남에 따라 발생하게 되는 노화되거나, 바람, 지진, 차량 등과 같이 시간에 따라 불특정하게 발생되는 하중을 받게 되고, 구조물의 거동 역시 시간 및 작용하는 하중에 따라 변화하게 된다.

하지만, 구조물의 상태가 일정하게 유지되면 구조물의 동적 거동 특성으로 나타나는 대상 구조물의 고유 진동수와 감쇠계수, 모드 형상 등은 일정하게 유지되고, 이러한 구조물을 원형 구조물(Integrity Structure)이라고 한다.

그러나, 노후화나 기타의 손상은 구조물의 특성을 반영하는 질량, 강성 등의 요소에 변화를 나타나게 하고, 이러한 변화는 원형 구조물의 동적 특성치의 변화를 야기 시킨다.

따라서, 구조물의 동적 특성을 상시로 모니터링할 수 있는 시스템이 구축된다면 실시간으로 구조물의 상태를 평가하고, 안전성을 확보할 수 있게 된다. 이러한 점에서 상기 모니터링 시스템을 구현하고자 하는 많은 연구가 시도되고 있다.

다시 말해서, 모니터링 기술은 건물, 교량 등과 같은 구조물의 동적 거동 상황을 측정, 분석 및 진단함으로써 구조물의 안전성을 극대화하고 향상시킬 수 있는 구조물 안전진단 기술이다.

현재 이러한 모니터링 기술에 사용되는 센서로는 경사계, 가속도계 및 변위계가 있으며, 이들 센서는 신뢰성 있고 반영구적인 것으로 통상적인 구조물에 부착 가능한 것이다. 또한 일반적인 모니터링 기술에 사용되는 스트레인 게이지는 금속 또는 반도체의 저항체에 변형이 가해지는 경우에 그 저항 값이 변화하는 압력저항효과를 이용하는 것으로 구조물의 실응력을 측정하는데 사용되고 있다.

상기와 같은 센서들을 이용한 교량의 안전진단을 유사시 발생할 수 있는 교량구조물의 붕괴에 대비하여 교량의 현장계측 데이터를 실시간으로 직접 받아서 유선으로 접속된 자료분석장치에 기록하고, 교량관리통제소의 교량관리자가 이렇게 기록된 데이터를 토대로 교량의 안전상태를 점검함으로써 사전에 교량의 안전상태를 판단할 수 있다.

따라서, 이러한 교량안전진단 시스템을 이용하여 감시 모니터링하여 안전이 우려되는 교량으로의 교통량을 통제하는 등 각각의 상황에 맞는 대책을 세움으로써 인명사고의 발생등과 같은 문제점을 미연에 방지할 수 있다.

그러데, 현재의 구조물 안전진단 시스템에서는 토목 구조물에 부착된 다수의 센서들로부터 계측된 신호를 근거리 통신망 또는 전용회선이나 통신회사의 일반 공용회선과 같은 유선을 통하여 자료분석장치에 전송시키고 있다.

이와 같이 모니터링 기술에서 유선에 의한 계측 시스템을 사용하는 경우, 높은 초기 설치비용이 필요할 뿐만 아니라, 계측 시스템의 변경과 추가에 있어서 많은 비용과 시간이 소요되고, 주변환경에 의한 잡음이 문제점으로 지적되고 있다.

또한, 현재의 모니터링 기술에서 계측 시스템은 획득한 데이터의 온도 보정을 위해 별도의 더미(dummy) 게이지를 부착하여 사용하고 있어, 온도 보정에 따른 시스템 설계 및 설치 비용이 높은 문제점을 가진다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 무선 계측 장치의 설치비용 및 설치시간을 감소시키기 위한 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명의 일 측면에 따른 구조물로부터 발생되는 데이터를 획득하여 이를 분석하는 모니터링 장치로 제공하는 무선 계측 장치는, 구조물의 진동, 습도, 온도, 소음 및 포토 특성을 검출하기 위한 가속도, 습도, 온도, 소음 및 포토 센서를 포함하는 센서 모듈; 상기 센서 모듈의 각 센서들로부터 출력되는 동적 데이터의 획득 및 처리, 저장을 수행하고, 상기 모니터링 장치로부터 제공되는 제어신호에 따라 구조물의 계측상황을 결정하는 제어 모듈; 상기 모니터링 장치와 연동된 무선 모뎀을 포함하여 상기 모니터링 장치와 무선 통신을 수행하고, 상기 제어 모듈로부터 출력되는 상기 각 센서의 동적 데이터를 상기 모니터링 장치에 전송하며, 상기 모니터링 장치로부터 전송되는 제어신호를 상기 제어 모듈에 제공하는 무선 통신 모듈을 포함하되, 상기 센서 모듈, 제어 모듈 및 무선 통신 모듈을 하나의 장치 내에서 일체화하는 것을 특징으로 한다.

상기 각 센서들은, MEMS(Micro Electro Mechanical System)인 것을 특징으로 한다.

상기 모니터링 장치는, 상기 무선 계측 장치의 각 센서들로부터 획득되는 다중의 데이터간 상호관계 또는 보정관계를 이용하여 상기 구조물의 상태를 진단하는 것을 특징으로 한다.

상기 무선 모뎀은, RF(Radio Frequency), 블루투스(Bluetooth) 또는 지그비(Zigbee)인 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명의 다른 측면에 따른 구조물로부터 발생되는 데이터를 획득하여 이를 분석하는 모니터링 장치로 제공하는 무선 계측 방법은, 구조물의 진동, 습도, 온도, 소음 및 포토 특성을 검출하기 위한 가속도, 습도, 온도, 소음 및 포토 센서를 포함하는 센서 모듈과, 상기 각 센서들로부터 출력되는 동적 데이터를 획득, 처리 및 저장하는 로거 시스템과, 상기 모니터링 장치와 연동된 무선 모뎀을 하나의 장치 내에서 일체화하는 단계; 상기 센서 모듈의 각 센서들로부터 구조물 계측에 따른 동적 데이터를 획득하는 단계; 상기 획득된 동적 데이터를 처리 및 저장한 후 무선 통신을 통해 상기 모니터링 장치로 전송하는 단계를 포함한다.

바람직하게 상기 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 방법은, 상기 모니터링 장치가 상기 무선 계측 장치로부터 전송되는 상기 각 센서로부터의 동적 데이터간 상호관계 또는 보정관계를 이용하여 상기 구조물의 상태를 진단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 방 법 및 그 장치는, 하나의 장치 내에 다양한 센서들을 일체화시켜 독립적이고 자립적(Stand-alone)인 다중 센서 기능을 수행함과 더불어, 하나의 센서 장치로부터 획득되는 다중의 계측항목간의 상관관계나 보정관계을 이용하여 계측 데이터의 질적 향상이나 새로운 정보를 분석 및 획득할 수 있는 효과를 가진다.

또한, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 방법 및 그 장치는, 다양한 센서들로부터 획득되는 데이터를 무선 통신 모듈을 통해 모니터링 장치로 전송함에 따라, 무선 계측 장치의 설치비용 및 설치시간을 절감할 수 있는 효과를 가진다.

그리고, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 방법 및 그 장치는, 온도센서를 내장하여 구조물로부터 획득한 데이터의 온도 보정을 위해 별도의 더미(dummy) 게이지를 부착할 필요가 없는 효과를 가진다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 장치를 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 무선 계측 장치(100)는 센서 모듈(Sensor Module)(10), 제어 모듈(Control Module)(20) 및 무선 통신 모듈(30)을 포함하도록 구성될 수 있다.

무선 계측 장치(100)에서 센서 모듈(10)은 구조물에서 진동신호를 검출하기 위한 가속도 센서(11), 구조물의 습도를 검출하기 위한 습도센서(12), 구조물의 온도를 검출하기 위한 온도센서(13), 구조물의 소음을 검출하기 위한 소음센서(14) 및 포토센서(15)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 센서들은 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 형식이다.

제어 모듈(20)은 아날로그 신호를 디지털 신호를 변환하는 ADC(Analog to Digital Converter)(21), 무선 계측 장치(100)를 전체적으로 제어하고 센서들로부터 획득되어지는 데이터들로부터 계측상황을 결정하는 CPU(22) 및 메모리(23)를 포함할 수 있다. 여기서, CPU(22)는 상기 세서들로부터 획득되어지는 데이터의 수집과 샘플링률, 획득시간, 획득방법을 조절하며, 획득된 데이터가 실시간으로 무선 모뎀(31) 모듈을 통해 전송되도록 한다.

무선 통신 모듈(30)은 무선 통신을 수행하는 무선 모뎀(31)(또는 블루투스(Bluetooth)나 지그비(Zigbee))와 안테나(32)를 포함할 수 있다.

이와 같은 구성을 갖는 무선 계측 장치(100)는 센서 모듈(10), 제어 모듈(20) 및 무선 통신 모듈(30)을 일체화하여 독립적이고 자립적(Stand-alone)인 다중 센서 기능을 수행할 수 있다.

즉, 무선 계측 장치(100)는 가속도, 온도, 습도, 소음 및 포토센서(11~15)를 하나의 장치안에 포함함으로써, 구조물에 대한 진동, 온도, 습도, 소음 등의 데이터가 하나의 장치로부터 획득되어지도록 할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 무선 계측 장치(100)는 기존 계측시스템이 센서로부터 획득된 데이터의 온도 보정을 위해 별도의 더미(dummy) 게이지를 부착하여 사용하던 것과는 달리, 온도센서(13)가 하나의 장치에 내장하여 장치내에서 자체적인 온도 보상을 수행할 수 있게 되었다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무선 계측 장치의 구조를 삼차원으로 나타낸 도면이며, 도 3은 무선 계측 장치의 설계 형태를 나타낸 도면이다.

도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선 계측 장치(100)는 다양한 센서들을 하나의 장치로 통합하여, 통합된 독립적인 장치로부터 다중의 계측 항목이 획득되도록 할 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무선 계측 시스템을 나타낸 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이 무선 계측 장치(100)가 교량의 다수 위치에 설치되는 경우, 근거리 통신망 또는 전용회선이나 통신회사의 일반 공사회선과 같은 유선에 의한 복잡한 설치없이, 다양한 센서들로부터 획득된 데이터를 무선 통신만을 통해 간단히 원거리의 모니터링 장치(200)로 전송할 수 있다.

이에, 모니터링 장치(200)는 무선 계측 장치(100)의 무선 통신 모듈(30)과 연동하는 컨트롤 박스(210)를 통해 무선 계측 장치(100)로부터 전송되는 데이터를 수신한 후, 이를 분석하게 된다.

다음으로, 무선 계측 장치(100) 및 모니터링 장치(200)의 동작 방법에 대해 살펴보도록 한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무선 계측 시스템의 동작을 나타낸 순서 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 무선 계측 시스템은 먼저 무선 계측 장치(100)의 습도센서(12)와 온도센서(13)로부터 획득되는 데이터(S101)를 A/D 변환하고(S102), 변환된 신호를 구조물의 응답신호로 연산한다(S103).

이에, 모니터링 장치(200)는 상기 연산을 통해 구조물의 습도와 온도 값을 검출하고(S104), 검출된 습도와 온도 값으로부터 이슬점 온도를 획득하게 된다(S105).

한편, 무선 계측 시스템의 데이터 획득 방법에는 실시간 모드와 준 실시간 모드가 있으며, 실시간 모드에서는 데이터의 획득이 완료가 되고 메모리(23)에 저장되면 데이터 로거 즉, 제어 모듈(20)에 축척된 데이터를 송신하고, 준 실시간 모드에서는 메모리(23)의 용량에 따라 한번에 획득할 수 있는 데이터 프레임의 크기가 제한된다.

그러나, 샘플링률에는 거의 제한이 없으며, 본 무선 계측 장치(100)에서는 외부 메모리(23)를 장착하여 준 실시간 모드에서의 프레임 크기의 제한을 개선하다.

이에, 무선 계측 장치(100)를 실시간 시스템으로 사용하기 위해서는 데이터를 전송하는데 걸리는 시간들을 모두 고려하여 최적의 샘플링률과 한번에 전송하는 데이터량을 결정하여 프로그램을 하여야 하며, 본 발명에 따른 무선 계측 장치(100)의 최대 실시간 샘플랭률은 일대일 통신인 경우 1000Hz로 나타났다.

따라서, 무선 계측 시스템은 무선 계측 장치(100)가 입력전압의 범위에서 샘플링률을 결정하도록 한 후(S106), 가속도 센서(11)로부터 획득되는 데이터를 A/D 변환하고(S107, S108), 변환된 신호를 구조물의 응답신호로 연산한다(S109).

여기서, 무선 계측 시스템은 상기 S104 단계에서 검출된 온도 값을 보상하여 가속도 센서(11)의 감도로 사용함으로(S110, S108, S109), 구조물의 가속도 진단에 적용할 수 있다.

이와 같은 무선 계측 시스템은 연산 값의 결과에 따라(S111), 구조물에 대한 가속(Acceleration) 또는 슬로프(Slope)를 확인할 수 있다(S112, S113).

전술된 바와 같이 본 발명에 따른 무선 계측 장치(100)는 하나의 장치 내에 다양한 센서를 포함시킴으로, 하나의 센서 장치로부터 다중의 정보를 획득할 수 있으며, 계측항목간의 상관관계나 보정관계을 이용하여 획득되는 계측 데이터의 질적 향상이나 새로운 정보를 분석 및 획득할 수 있다.

이에, 도 5에서는 일예로 습도센서(12), 온도센서(13) 및 가속도 센서(11)를 이용한 보정관계를 기술하였으나, 가속도 센서(11), 습도센서(12), 온도센서(13), 소음센서(14) 및 포토센서(15)를 이용한 상관관계 또는 보정관계를 통해 구조물의 상태를 진단할 수 있다.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 모니터링 시스템으로부터 확인할 수 있는 데이터 로거 프로그램을 나타낸 도면이다.

즉, 무선 계측 장치(100)의 다양의 센서들로부터 획득되는 데이터 및 상기 도 5의 방법으로부터 획득되는 데이터를 일예로 도 6에 도시된 바와 같은 데이터 로그 프로그램을 통해 확인할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 장치를 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무선 계측 장치의 구조를 삼차원으로 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무선 계측 장치의 설계 형태를 나타낸 도면,

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무선 계측 시스템을 나타낸 도면,

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무선 계측 시스템의 동작을 나타낸 순서 흐름도, 그리고

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 모니터링 시스템으로부터 확인할 수 있는 데이터 로거 프로그램을 나타낸 도면이다.

Claims (7)

1. 구조물로부터 발생되는 데이터를 획득하여 이를 분석하는 모니터링 장치로 제공하는 무선 계측 장치에 있어서,

   구조물의 진동, 습도, 온도, 소음 및 포토 특성을 검출하기 위한 가속도, 습도, 온도, 소음 및 포토 센서를 포함하는 센서 모듈;

   상기 센서 모듈의 각 센서들로부터 출력되는 동적 데이터의 획득 및 처리, 저장을 수행하고, 상기 모니터링 장치로부터 제공되는 제어신호에 따라 구조물의 계측상황을 결정하는 제어 모듈; 및

   상기 모니터링 장치와 연동된 무선 모뎀을 포함하여 상기 모니터링 장치와 무선 통신을 수행하고, 상기 제어 모듈로부터 출력되는 상기 각 센서의 동적 데이터를 상기 모니터링 장치에 전송하며, 상기 모니터링 장치로부터 전송되는 제어신호를 상기 제어 모듈에 제공하는 무선 통신 모듈을 포함하되,

   상기 센서 모듈, 제어 모듈 및 무선 통신 모듈을 하나의 장치 내에서 일체화하는 것을 특징으로 하는 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 각 센서들은,

   MEMS(Micro Electro Mechanical System)인 것을 특징으로 하는 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 모니터링 장치는,

   상기 무선 계측 장치의 각 센서들로부터 획득되는 다중의 데이터간 상호관계 또는 보정관계를 이용하여 상기 구조물의 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 무선 모뎀은,

   RF(Radio Frequency), 블루투스(Bluetooth) 또는 지그비(Zigbee)인 것을 특징으로 하는 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 장치.
5. 구조물로부터 발생되는 데이터를 획득하여 이를 분석하는 모니터링 장치로 제공하는 무선 계측 방법에 있어서,

   구조물의 진동, 습도, 온도, 소음 및 포토 특성을 검출하기 위한 가속도, 습도, 온도, 소음 및 포토 센서를 포함하는 센서 모듈과, 상기 각 센서들로부터 출력되는 동적 데이터를 획득, 처리 및 저장하는 로거 시스템과, 상기 모니터링 장치와 연동된 무선 모뎀을 하나의 장치 내에서 일체화하는 단계;

   상기 센서 모듈의 각 센서들로부터 구조물 계측에 따른 동적 데이터를 획득하는 단계; 및

   상기 획득된 동적 데이터를 처리 및 저장한 후 무선 통신을 통해 상기 모니터링 장치로 전송하는 단계를 포함하는 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 각 센서들을 하나의 장치 내에 일체화하는 단계는,

   MEMS(Micro Electro Mechanical System)의 센서로 일체화하는 것을 특징으로 하는 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 방법.
7. 제5항에 있어서,

   상기 모니터링 장치가 상기 무선 계측 장치로부터 전송되는 상기 각 센서로부터의 동적 데이터간 상호관계 또는 보정관계를 이용하여 상기 구조물의 상태를 진단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 모니터링을 위한 무선 계측 방법.

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