KR20130043969A - Ｓａｎ을 이용한 지능형 선박의 재난대피 시스템 및 설계 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박의 재난을 감지하는 센서 노드 및 선박의 승객을 대피로로 안내하는 안내 노드를 포함하는 센싱 노드; 수집된 정보를 처리하는 중간 수집 노드; 및 상기 정보를 실시간 모니터링하고 상기 중간 수집 노드를 제어하는 메인 노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 의 따른 재난 대피 시스템으로 선박의 재난을 감지하는 센서 노드, 승객을 대피로로 안내하는 안내 노드, 주변 노드의 정보를 수집하는 중간 수집 노드, 및 주변 노드 정보를 실시간 모니터링하고 중간 수집노드를 제어하는 메인 노드를 이용하여 선박의 재난 상황시 최적의 대피로를 신속하게 찾을 수 있다.

Description

ＳＡＮ을 이용한 지능형 선박의 재난대피 시스템 및 설계 방법 {Design and Implementation of the emergency evacuation system for a smart ship using ship area network}

본 발명은 선박의 재난대피 시스템 및 설계 방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 SAN(Ship Area Network)을 이용한 지능형 선박의 재난대피 시스템 방식 및 설계 방법에 관한 것이다.

센서 네트워크는 광범위하게 설치되어 있는 유무선 네트워크 인프라에 상황인지를 위한 다양한 센싱 디바이스를 통합하여 감지된 환경데이터를 응용서비스 서버와 연동하는 기술이다. 본 발명에서는 이러한 센서 네트워크를 선박에 적용한 SAN(Ship Area Network)를 이용하여 대형 선박 내에서의 가스누출 혹은 화재 발생 등의 재난을 초기에 감지하고, 선박 내의 사람들에게 빠른 경로로 안내할 수 있는 재난대피 시스템을 설계하고 임베디드 시스템을 이용하여 개발한다.

근거리 무선통신 기술은 비교적 짧은 거리(10～50m)에서 무선 인프라 구축을 목표로 하며 IEEE 802.15 TG에서 WPAN 관련 표준화를 진행하고 있다. 대표적인 기술로는 Bluetooth, UWB(Ultra-WideBand), ZigBee등이 있다. Bluetooth는 대역폭, 전송거리, 가격 면에서 우수한 반면 확장성이 떨어지고 많은 전력을 소모하는 단점이 있다. UWB는 대역폭, 전력, 출력 면에서 우수한 반면 전송거리가 짧은 것이 특징이 있다. ZigBee는 대역폭, 전송거리, 전력, 가격 면에서 우수한 반면 타 근거리 무선통신 기술에 비해 전송속도가 느리다는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 선박에서 재난이 발생한 경우 승객들이 안전하게 비상 대피로로 대피할 수 있도록 선박의 재난을 감지하고 승객을 최적의 대피로로 신속하게 안내할 수 있는 선박의 재난 대피 시스템 및 설계 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 따른 재난 대피 시스템은 선박의 재난을 감지하는 센서 노드 및 선박의 승객을 대피로로 안내하는 안내 노드를 포함하는 센싱 노드; 수집된 정보를 처리하는 중간 수집 노드; 및 상기 정보를 실시간 모니터링하고 상기 중간 수집 노드를 제어하는 메인 노드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 선박의 재난을 감지하는 센서 노드, 승객을 대피로로 안내하는 안내 노드, 주변 노드의 정보를 수집하는 중간 수집 노드 및 주변 노드 정보를 실시간 모니터링하고 중간 수집노드를 제어하는 메인 노드를 이용하여 선박의 재난 상황시 최적의 대피로를 신속하게 찾을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시에 따른 시스템 네트워크 구성도.
도 2는 본 발명의 실시에 따른 건물 평면도 상에 노드 배치를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시에 따른 센서 노드의 구성도.
도 4는 본 발명의 실시에 따른 (a) 메인모듈 (b) 센서 모듈을 장착한 센서 노드를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 실시에 따른 대피로 안내 노드 구성도.
도 6은 본 발명의 실시에 따른 (a) 방향표시 방법 (b) 방향 표시 노드를 표시한 도면.
도 7은 본 발명의 실시에 따른 상황 판단 프로세스를 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 실시에 따른 방향 표시 프로세스를 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 실시에 따른 재난 모니터링 프로그램을 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 실시에 따른 (a) 정상적인 상황 (b) 15번 노드의 고장 (c) 주변 노드 탐색 (d) 새로운 ID 요청을 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 실시에 따른 노드와 노드 사이의 가중치 값을 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 실시에 따른 출구 탐색 알고리즘 순서도.
도 13은 본 발명의 실시에 따른 데이터 블록의 구성도.
도 14는 본 발명의 실시에 따른 방향 표시 노드의 주변 노드 정보를 도시한 도면.
도 15는 본 발명의 실시에 따른 재난대피 시스템 성능 검증 요약을 도시한 도면.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

센서 노드는 선박 내의 환경정보를 감지하여 중간 수집 노드로 전송하는 기능을 수행하며 도 3과 같이 크게 MCU(Micro Controller Unit)와 RF(Radio Frequency) 모듈로 구성된 메인 모듈, 여러 가지 센서로 환경정보를 수집할 수 있는 센서 모듈과 재난에 의한 전원 차단 시에도 정상적으로 동작할 수 있도록 전원을 공급하는 보조 전원으로 구성되어 있다. 메인 모듈의 경우 센서 노드와 대피로 안내 노드에 공통적으로 사용되며 목적에 따라 센서 모듈, 대피로 안내모듈을 장착하여 사용 가능하도록 개발한다.

센서 모듈은 재난을 감지하기 위해 다양한 센서로 구성되어 있으며 온도 센서와 CO(일산화탄소) 센서는 화재를 감지하기 위한 용도로, 가스 센서는 가스누출을 감지하기 위한 용도로 사용된다. 그리고 조도 센서와 인체감지 센서는 선박 내 인원/통제구역 관리 및 보안을 위한 부가적인 목적으로 사용될 수 있다. 도 4는 PCB(Printed Circuit Board)로 제작한 센서 노드의 회로로써 (a)는 센서 노드의 메인 모듈을 나타내며, (b)는 (a)의 메인 모듈에 센서 모듈을 장착한 센서 노드를 나타낸다. 메인모듈은 방향표시 노드에도 동일하게 사용되며 모듈에 부착된 스위치를 조작하여 동작 모드를 구분한다.

방향표시 노드는 재난이 발생한 경우 건물 내의 사람들에게 안전한 대피로의 방향을 표시하는 기능을 하며 센서 노드와 유사하게 MCU와 RF모듈로 구성된 메인 모듈, 방향을 표시할 수 있는 방향 표시 모듈과 전원 차단 시에도 정상적으로 동작할 수 있도록 전원을 공급하는 보조 전원으로 구성되어 있다. 도 5는 대피로 안내 노드의 구성도를 나타낸다. 방향표시 모듈은 연기, 전원 차단 등 재난에 따른 비정상적인 실내 환경에서 사용자의 시야를 확보해야 한다. 또한 통로 바닥이 열, 연기, 가스 등이 비교적 적다는 점에 착안하여 통로 바닥에 부착하는 형태로 설치되어야 할 필요가 있고, 재난의 진척상황에 따라 표시하는 방향이 실시간으로 바뀌기 때문에 이 모든 점을 고려해야 한다. 따라서 본 발명에서 설계한 방향표시 모듈은 위의 고려사항을 모두 만족시키도록 설계되어 대피 방향을 좀 더 효율적으로 표시할 수 있으며 도 6의 (a)는 오른쪽 방향을 표시하는 경우를 나타낸다. 그리고 (b)는 방향표시 노드의 동작 사진으로 도 4의 메인모듈에 방향표시 모듈을 장착한 것이다.

중간 수집 노드는 센서 노드들로부터 수신한 정보를 기반으로 재난의 발생 여부를 판단하고, 대피로 안내 노드를 제어한다. 중간 수집 노드는 기능에 따라 메인 프로세스, 무선 패킷의 송ㆍ수신 프로세스, 재난 상황 판단 프로세스, 그리고 방향 표시 프로세스로 구분할 수 있다. 이 프로세스들 중 상황 판단 프로세스와 방향 표시 프로세스는 중간 수집 노드의 주요 프로세스로써 도 7과 도 8에서 각각의 프로세스 동작에 대한 순서도를 도시하였다.

도 7은 상황 판단 프로세스를 나타내며 무선통신을 통해 수신한 패킷의 정보를 센서 노드 구조체에 저장한다. 센서 노드들은 고유의 ID값을 가지고 있어 수신한 정보와 일치하는 ID값의 구조체에 저장하게 된다. 또한 수신한 데이터들로부터 재난 상황이 일어났는지 판단하여 재난 상황에 따른 정보도 저장한다. 재난 판단은 센싱된 열이 threshold 값 이상인 경우 또는 가스가 검출된 경우이다. 도 8은 방향 표시 프로세스를 나타내며 도 7에서 저장된 재난 상황에 대한 데이터를 주기적으로 이용하여 출구 탐색 알고리즘에 적용하고 대피로 안내 노드가 표시할 방향을 출력한다.

메인 노드에서는 센서들의 상태와 재난 발생 여부를 PC 프로그램으로 모니터링이 가능하다. 메인 노드는 복수의 중간 수집 노드와의 통신을 위해 TCP/IP 프로토콜을 사용하며, 센서 노드의 센서 값과 대피로 안내 노드의 방향 표시 값을 전송받는다. 재난이 발생하였을 때는 도면상에 시각적으로 재난 상황을 알리고 재난 발생 위치를 표시한다.

재난이 발생하지 않은 평상시에는 무선 패킷의 전송이 거의 없지만 재난 상황이 발생하면 다수의 센서가 센싱 정보와 제어 정보를 동시에 전송하므로 동일 채널상의 패킷이 증가하게 되고 상호 간섭에 의한 패킷 손실이 발생 될 수 있다. 따라서 패킷 전송률과 신뢰도를 높이기 위해서 링크 계층에서의 에러 컨트롤이 필요하다. 링크 계층 에러 컨트롤은 수신 측에서 패킷수신이 완료되었을 때 그에 대한 응답 패킷을 보내주도록 되어 있으며, 송신 측에서는 응답 패킷을 받지 못한 경우 패킷의 손실로 간주하여 재전송을 한다.

시스템 내의 일부 무선 노드가 손실되는 경우 센서 노드의 계측적 구조로 인해 손실된 노드의 자손 노드들이 모두 통신이 불가능한 상황이 발생할 수 있다. 특히 재난이 발생하였을 경우, 무선 노드가 손상되어 통신을 하지 못하는 상황이 비일비재할 것으로 예상되므로 네트워크 복구에 대한 대비책이 필요하다.

중간 수집 노드에서 무선 노드들의 ID를 관리하므로 자손 노드는 주변 노드 중에서 중간 수집 노드와 통신이 가능한 노드를 찾아내어 새로운 ID를 발급받는 방식으로 네트워크 복구가 가능하다. 네트워크를 복구하는 과정을 도 10을 통해 설명하도록 한다.

도 10 (a)와 같은 무선 네트워크가 구성되었을 때, 15 번 노드가 고장으로 통신이 불가능하면 15 번 노드의 자손 노드인 20 번 노드는 (b)와 같이 주변 노드들에게 브로드 캐스팅 방식으로 패킷을 전송하여 중간수집 노드인 1 번 노드와 통신이 가능한 노드로부터 응답을 받는다. 20 번 노드에서는 응답을 보낸 노드들의 ID값을 오름차순으로 정렬하여 가장 낮은 값을 갖는 순서로 노드에게 (c)와 같이 자신의 새로운 ID를 중간수집 노드로부터 대신 발급받도록 요청한다. 요청을 받은 30 번 노드는 중간수집 노드로부터 20번 노드의 새로운 ID값을 받아서 20번 노드에게 전송함으로써 (d)와 같이 네트워크를 복구한다.

본 발명이 적용될 선박 내부의 통로 교차 지점을 중심으로 센서 노드를 설치할 위치를 설정하고 출구 주변의 노드에 노드 ID를 도 11과 같이 지정하였다. 데이터의 초기화란 출구 탐색 알고리즘에 적용할 수 있도록 가상의 노드와 가중치 값에 대한 데이터들을 구조화하는 것을 의미한다. 이때 가중치 값은 통로의 넓이, 통행량 등에 따라 대피로에 대한 우선순위가 정해지므로 이러한 특성을 고려하여 주어진 값으로 본 논문에서는 임의의 값으로 설정하였다.

먼저 대피로 안내 노드로부터 모든 출구로 향하는 최단 경로를 구한 후, 경로들의 노드 사이 가중치 값의 합을 구하여 가중치 합의 값이 작은 순서대로 오름차순 정렬한다. 이와 같은 데이터는 모든 방향 표시 노드들에 대해 표 1과 같은 구조로 중간수집 노드에 저장된다. 표 1에서 음영처리된 부분은 대피로 안내노드 바로 다음에 오는 노드의 ID 값으로써 경로에 들어가는 데이터는 방향 표시 노드에서 출구 노드까지 가는데 포함되는 노드 ID들이다. 데이터 블록의 값들은 중간 수집 노드에서 미리 저장된 파일로부터 읽어 온다.

또한 중간수집 노드에서 대피로 안내 노드가 표시해야 할 방향을 인지하기 위해서는 주변 노드에 대한 정보를 알아야 한다. 이를 위해 중간 수집 노드는 주변 노드에 대한 정보를 가지고 있으며 이를 도 14에 나타내었다.

센서 노드들은 주기적으로 환경 정보를 중간 수집 노드로 송신한다. 이 때 중간 수집 노드는 수신 값을 이용하여 재난상황이 발생한 노드가 있는지 검사한다. 일정 시간의 주기를 두고 반복적으로 센싱 정보를 수신하면서 재난상황이 발생할 경우 해당 노드 ID를 재난 상황 블록에 저장한다.

출구 탐색 알고리즘은 데이터 블록과 재난 상황 블록의 데이터를 이용하여 출구를 탐색하는 기능을 하며, 알고리즘의 순서도는 도 12 에 나타내었다. 먼저 데이터 블록에서 가중치 합의 값이 제일 작은 경로를 검색하여 재난 상황 검사를 위한 경로로 선택한다. 그리고 선택된 경로에 포함되는 노드 중에 재난이 발생한 노드가 있는지 검사한다. 만약 선택된 경로 중 재난이 발생한 노드가 있을 경우, 검사 할 경로는 가중치 합의 값이 그 다음으로 큰 경로로 바뀐다. 반면 재난이 발생한 노드가 없는 경우, 해당 경로는 대피로 안내 노드가 표시할 방향을 찾기 위해 선택된다.

선택된 경로에서 방향 표시 노드의 인근에 위치한 노드 ID의 값을 도 13에 의해 찾아내고 그 값을 도 14의 정보와 비교해 대피로 안내 노드가 실제로 표시할 방향을 찾는다. 예를 들어 도 13에서 마지막 경로가 선택되었다면, 중간 수집 노드는 22 번 방향 표시 노드 다음에 위치한 노드가 5 번 노드란 정보를 얻을 수 있다. 이 정보를 도 14의 데이터와 비교하여 22 번 노드는 북쪽을 가리켜야 한다는 것을 알아낸다. 이와 같은 과정은 중간 수집 노드에서 계산되며, 최종적으로 센서 노드가 출력해야 할 방향이 대피로 안내 노드로 전송된다.

본 발명에 따르면, 선박의 재난을 감지하는 센서 노드, 승객을 대피로로 안내하는 안내 노드, 주변 노드의 정보를 수집하는 중간 수집 노드, 및 주변 노드 정보를 실시간 모니터링하고 중간 수집노드를 제어하는 메인 노드를 이용하여 선박의 재난 상황시 최적의 대피로를 신속하게 찾을 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (2)

1. 선박의 재난을 감지하는 센서 노드 및 선박의 승객을 대피로로 안내하는 안내 노드를 포함하는 센싱 노드;
   수집된 정보를 처리하는 중간 수집 노드; 및
   상기 정보를 실시간 모니터링하고 상기 중간 수집 노드를 제어하는 메인 노드
   를 포함하는 선박의 재난 대피 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 센서 노드는 온도 센서, 가스 센서, CO센서, 조도 센서, 인체 감지 센서를 구비한 센서 모듈, RF 모듈, ADC, UART, MCU를 구비한 메인모듈, 총전회로, 충전지를 구비한 보조 전원을 포함하고
   상기 안내 노드는 LED1, LED2, LED3, LED4를 구비한 방향 표시 모듈, RF 모듈, ADC, UART, MCU를 구비한 메인모듈, 총전회로, 충전지를 구비한 보조 전원을 포함하는 것
   을 특징으로 하는 선박의 재난 대피 시스템.
   

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