KR20170122872A - 무선 네트워크 기반 실시간 공기질 모니터링 시스템 - Google Patents

무선 네트워크 기반 실시간 공기질 모니터링 시스템 Download PDF

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KR20170122872A
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gas
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air quality
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박홍배
백승현
김영웅
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 공기질 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 무선 네트워크를 기반으로 하여 실시간으로 공기질을 모니터링하는 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 공기질 모니터링 시스템은, 가스 농도를 측정하고, 측정된 가스 농도에 기초한 데이터를 무선으로 전송하는 적어도 하나의 가스 측정기; 상기 가스 측정기로부터 전송된 데이터를 수신하고, 수신된 데이터를 무선으로 관리 서버에 전송하는 코디네이터; 및 상기 코디네이터로부터 수신된 데이터를 저장하는 관리 서버를 포함할 수 있다.

Description

무선 네트워크 기반 실시간 공기질 모니터링 시스템{SYSTEM FOR MONITORING AIR QUALITY IN REAL-TIME BASED ON WIRELESS NETWORK}
본 발명은 공기질 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 무선 네트워크를 기반으로 하여 실시간으로 공기질을 모니터링하는 시스템에 관한 것이다.
산업체에서 유해가스로 인한 피해가 지속적으로 발생하고 있다. 특히, 공기질은 밀폐된 공간에서 장시간 활동하는 작업자의 안전과 밀접한 관련을 갖는다. 비단 산업현장에서만 공기질 관리의 필요성이 대두되는 것이 아니라, 현재 다중이용시설에 대한 실내공기질관리법은 보육시설, 노인전문병원, 찜질방, 터미널 등 여러 시설에 대한 공기질 유지관리기준을 책정하여 시설 내 공기질을 공고하도록 의무화하고 있다. 이와 같이 대기오염과 공기질에 관한 일반인의 관심이 급증함에 따라 공기질 관리에 대한 요구를 만족시킬 수 있는 공기질 모니터링 시스템이 필요하다.
그러나, 기존의 가스 측정기는 고가의 계측 장비로서 작업 공간의 다양성에 맞게 활용하기 어려웠으며, 사용자가 직접 다양한 가스의 농도를 확인하여 정상 또는 이상 여부를 판별해야 하는 불편함이 있었다.
본 발명의 실시예는 다양한 장소에 쉽게 설치 가능하며 작업자와 관리자 모두가 공기질 정보를 확인할 수 있는 공기질 모니터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기질 모니터링 시스템은, 가스 농도를 측정하고, 측정된 가스 농도에 기초한 데이터를 무선으로 전송하는 적어도 하나의 가스 측정기; 상기 가스 측정기로부터 전송된 데이터를 수신하고, 수신된 데이터를 무선으로 관리 서버에 전송하는 코디네이터; 및 상기 코디네이터로부터 수신된 데이터를 저장하는 관리 서버를 포함할 수 있다.
상기 가스 측정기는: 이산화탄소, 일산화탄소 및 이산화질소 중 적어도 하나의 농도를 측정할 수 있다.
상기 가스 측정기는: 비-분산 적외선(Non-Dispersive InfraRed, NDIR)을 이용하여 이산화탄소의 농도를 측정하는 이산화탄소 센서; 반도체 소자를 이용하여 일산화탄소의 농도를 측정하는 일산화탄소 센서; 및 반도체 소자를 이용하여 이산화질소의 농도를 측정하는 이산화질소 센서; 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 가스 측정기는: 상기 이산화탄소 센서를 상기 일산화탄소 센서 및 상기 이산화질소 센서로부터 이격시켜 구비할 수 있다.
상기 가스 측정기는: 상기 이산화탄소 센서를 상기 일산화탄소 센서 및 상기 이산화질소 센서가 구비된 기판과 분리된 별개의 기판에 구비할 수 있다.
상기 가스 측정기는: 온도를 측정하는 온도 센서 및 습도를 측정하는 습도 센서 중 적어도 하나를 더 포함하고, 온도 및 습도 중 적어도 하나를 측정한 뒤, 이산화탄소, 일산화탄소 및 이산화질소 순으로 가스 농도를 측정할 수 있다.
상기 가스 측정기는: 상기 측정된 가스 농도를 기 설정된 임계 농도와 비교하여, 상기 측정된 가스 농도가 상기 임계 농도보다 작거나 같은 경우, 해당 가스 농도가 정상 상태임을 나타내는 정상 상태 데이터를 전송하고, 상기 측정된 가스 농도가 상기 임계 농도보다 큰 경우, 해당 가스 농도가 비정상 상태임을 나타내는 비정상 상태 데이터를 전송할 수 있다.
상기 가스 측정기는 상기 코디네이터로 근거리 통신 프로토콜을 기반으로 데이터를 전송하고, 상기 코디네이터는 상기 관리 서버로 이동 통신 프로토콜을 기반으로 데이터를 전송할 수 있다.
상기 공기질 모니터링 시스템은: 복수의 가스 측정기 및 상기 복수의 가스 측정기에 무선으로 연결된 하나의 코디네이터를 포함하는 네트워크 그룹을 포함하며, 상기 복수의 가스 측정기와 상기 하나의 코디네이터는 트리 토폴로지를 구성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 공기질 관리가 필요한 다양한 환경에 쉽게 적용할 수 있으며, 해당 장소에서 작업하는 작업자와 공기질을 관리하는 관리자 모두가 실시간으로 공기질 정보를 전달받을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기질 모니터링 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 측정기의 예시적인 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 측정기의 동작을 설명하는 예시적인 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 가스 측정기가 측정된 가스 농도를 기초로 해당 가스 농도의 상태를 판별하는 과정을 예시적으로 설명하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 복수의 가스 측정기와 하나의 코디네이터가 구성하는 네트워크 토폴로지를 예시적으로 나타내는 구조도이다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기질 모니터링 시스템(10)의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 상기 공기질 모니터링 시스템(10)은 적어도 하나의 가스 측정기(110), 코디네이터(120) 및 관리 서버(130)를 포함한다.
상기 가스 측정기(110)는 가스 농도를 측정하고, 측정된 가스 농도에 기초한 데이터를 무선으로 전송한다. 상기 코디네이터(120)는 상기 가스 측정기(110)로부터 전송된 데이터를 수신하고, 수신된 데이터를 무선으로 관리 서버(130)에 전송한다. 상기 관리 서버(130)는 상기 코디네이터(120)로부터 수신된 데이터를 저장한다.
상기 가스 측정기(110)는 정해진 장소에 배치되어 각종 가스의 농도를 측정한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 가스 측정기(110)는 이산화탄소, 일산화탄소 및 이산화질소 중 적어도 하나의 농도를 측정할 수 있다.
이산화탄소의 농도는 주로 실내 공기질을 평가하기 위해 사용되는 척도이다. 일산화탄소 및 이산화질소는 질식이나 중독을 유발하는 가스로서, 특히 일산화탄소는 저농도에서도 사람이 장시간 노출되면 신체에 치명적인 위험을 불러일으킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스 측정기(110)는 이산화탄소, 일산화탄소 및 이산화질소 중 어느 하나 또는 둘 이상의 농도를 측정하여 실내 또는 실외에 위치한 특정 장소의 공기질을 지속적으로 수집할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 가스 측정기(110)는 이산화탄소의 농도를 측정하기 위해 비-분산 적외선(Non-Dispersive InfraRed, NDIR)을 이용하는 이산화탄소 센서를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 가스 측정기(110)는 ELT 사의 T-100을 이산화탄소 센서로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 가스 측정기(110)는 일산화탄소 및 이산화질소의 농도를 측정하기 위해 반도체 소자를 이용하는 일산화탄소 센서 및 이산화질소 센서를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 가스 측정기(110)는 Ogma 사의 GSET11을 일산화탄소 센서로 사용할 수 있으며, MICS Sensor 사의 MICS-2710을 이산화질소 센서로 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 측정기(110)의 예시적인 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 가스 측정기는 이산화탄소 센서(1121), 일산화탄소 센서(1113) 및 이산화질소 센서(1114) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 상기 일산화탄소 센서(1113) 및 상기 이산화질소 센서(1114)는 반도체 소자를 이용하는 센서로서, 상기 일산화탄소 센서(1113) 및 상기 이산화질소 센서(1114)로부터 출력되는 아날로그 신호들을 각각 제 1 증폭기(1115) 및 제 2 증폭기(1116)를 통해 증폭시킨 후, 증폭된 신호들을 각각 제 1 아날로그-디지털 변환기(1117) 및 제 2 아날로그-디지털 변환기(1118)를 통해 디지털 신호로 변환할 수 있다.
변환된 디지털 신호는 프로세서 코어(1120)에 입력되어 소정의 알고리즘에 따라 처리됨으로써 일산화탄소 및 이산화질소에 관한 데이터가 획득될 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 센서(1121)는 비-분산 적외선을 이용하는 센서로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 가스 측정기(110)에서 상기 이산화탄소 센서(1121)는 상기 일산화탄소 센서(1113) 및 상기 이산화질소 센서(1114)로부터 이격시켜 구비될 수 있다.
구체적으로, 도 2를 참조하면, 상기 이산화탄소 센서(1121)는 상기 일산화탄소 센서(1113) 및 상기 이산화질소 센서(1114)가 구비된 기판, 예컨대 제 1 보드(111)와 분리된 별개의 기판, 예컨대 제 2 보드(112)에 구비될 수 있다.
반도체 소자를 이용하는 일산화탄소 센서(1113) 및 이산화질소 센서(1114)는 가스 농도 측정 과정에서 열을 발생시키며, 비-분산 적외선을 이용하는 이산화탄소 센서(1121)는 측정 결과 데이터가 열에 민감할 수 있으므로, 본 발명의 실시예는 이산화탄소 센서(1121)와 일산화탄소 센서 및 이산화질소 센서(1113, 1114)를 서로 분리시켜 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
이와 같이 상기 이산화탄소 센서(1121)를 상기 일산화탄소 센서(1113) 및 상기 이산화질소 센서(1114)가 설치된 제 1 보드(111)와 구분되는 제 2 보드(112)에 설치하는 경우, 상기 이산화탄소 센서(1121)로 공급되는 전원 및 상기 이산화탄소 센서(1121)로부터 출력되는 가스 농도와 관련된 데이터는 점프 케이블 등을 이용하여 제 1 보드(111)와 제 2 보드(112) 간에 전달될 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 가스 측정기(110)는 온도를 측정하는 온도 센서(1119) 및 습도를 측정하는 습도 센서(1119) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 측정기(110)의 동작을 설명하는 예시적인 흐름도이다.
상기 가스 측정기(110)는 공기질 측정 시, 온도/습도 센서(1119)를 이용하여 온도 및 습도 중 적어도 하나를 측정한 뒤, 이산화탄소, 일산화탄소 및 이산화질소 순으로 가스 농도를 측정할 수 있다.
즉, 도 3을 참조하면, 상기 가스 측정기(110)는 온도 및 습도를 가장 먼저 측정하고(S210), 이산화탄소를 두 번째로 측정하고(S220), 일산화탄소를 세 번째로 측정하고(S240), 마지막으로 이산화질소를 측정한다(S260).
추가적으로, 상기 가스 측정기(110)는 제 1 DC-DC 컨버터(1111)와 제 2 DC-DC 컨버터(1112)를 더 포함하여, 상기 가스 측정기(110)로 공급되는 전압 V1의 전원 신호를 각각 전압 V2 및 V3로 강압시켜 센서들 및 프로세서 코어(1120)를 비롯한 각종 모듈로 공급할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 온도/습도 센서(1119)와 상기 프로세서 코어(1120)는 I2C(Inter Integrated Circuit)(1123) 기반으로 데이터를 주고 받으며, 상기 이산화탄소 센서(1121)와 상기 프로세서 코어(1120)는 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)(1122)를 이용하여 데이터를 주고 받을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 가스 측정기(110)는 가스 센서(1121, 1113, 1114)에서 측정된 가스 농도를 처리하여 그에 기초한 상태 데이터를 획득할 수 있다.
예를 들어, 도 3을 참조하면, 상기 가스 측정기(110)는 이산화탄소 농도를 측정한 뒤 그 농도를 기초로 이산화탄소 농도의 상태를 판별하여 상태 데이터를 획득하고(S230), 일산화탄소 농도를 측정한 뒤 그 농도를 기초로 일산화탄소 농도의 상태를 판별하여 상태 데이터를 획득하고(S250), 이산화질소 농도를 측정한 뒤 그 농도를 기초로 이산화질소 농도의 상태를 판별하여 상태 데이터를 획득할 수 있다(S270).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 가스 측정기(110)가 측정된 가스 농도를 기초로 해당 가스 농도의 상태를 판별하는 과정을 예시적으로 설명하는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 상기 가스 측정기(110)는 이산화탄소, 일산화탄소 및 이산화질소 중 적어도 하나의 가스 농도를 측정한 뒤(S310), 측정된 가스 농도를 기 설정된 임계 농도와 비교할 수 있다(S320).
그 결과, 상기 가스 측정기(110)는 상기 측정된 가스 농도가 상기 임계 농도보다 작거나 같은 경우(S320에서 예), 해당 가스 농도가 정상 상태인 것으로 판별하고(S330), 상기 측정된 가스 농도가 상기 임계 농도보다 큰 경우(S320에서 아니오), 해당 가스 농도가 비정상 상태인 것으로 판별할 수 있다(S340).
이와 같은 가스 농도 처리 및 상태 데이터 획득은 상기 가스 측정기(110)에 구비된 프로세서 코어(1120), 예컨대 GPU, CPU, AP 등에서 수행될 수 있으며, 이러한 처리를 실시하기 위한 프로그램은 사전에 작성되어 상기 프로세서 코어(1120)에 저장될 수 있다.
상기 가스 측정기(110)는 가스 농도를 측정하고 측정된 가스 농도에 기초하여 얻은 데이터를 무선으로 전송한다(S280). 상기 가스 측정기(110)로부터 무선으로 전송된 데이터는 상기 코디네이터(120)가 수신하고, 상기 코디네이터(120)는 수신된 데이터를 다시 무선으로 상기 관리 서버(130)에 전송한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 가스 측정기(110)는 상기 코디네이터(120)로 근거리 통신 프로토콜을 기반으로 데이터를 전송할 수 있다. 일 예로, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 가스 측정기(110)는 Zigbee 모듈(1125)을 포함하여, 상기 프로세서 코어(1120)로부터 출력된 가스 농도에 관한 데이터를 Zigbee 통신으로 브로드캐스팅할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코디네이터(120)는 상기 관리 서버(130)로 이동 통신 프로토콜을 기반으로 데이터를 전송할 수 있다. 일 예로, 상기 코디네이터(120)는 WCDMA 모듈을 포함하여, 상기 가스 측정기(110)로부터 수신된 데이터를 WCDMA 통신으로 상기 관리 서버(130)에 송신할 수 있다.
따라서, 상기 코디네이터(120)는 상기 가스 측정기(110)와 데이터를 통신하기 위한 ZigBee 모듈을 포함하여 상기 가스 측정기(110)와 주기적으로 신호를 주고 받아 데이터를 수집한다. 그리고, 상기 코디네이터(120)는 상기 관리 서버(130)와 데이터를 통신하기 위한 WCDMA 모듈을 포함하여 상기 상기 가스 측정기(110)로부터 수신된 데이터를 상기 관리 서버(130)로 사용되는 소켓 서버로 전송할 수 있다.
상기 관리 서버(130)는 상기 코디네이터(120)로부터 수신된 데이터를 저장 장치에 저장하여 데이터베이스를 구축할 수 있다. 또한, 상기 관리 서버(130)는 WCDMA 모듈을 이용하여 측정된 가스 농도에 기초한 데이터, 예컨대 정상 상태 또는 비정상 상태를 알리는 상태 데이터를 관리자뿐만 아니라 측정 장소에 위치하는 작업자에게도 문자 메시지를 통해 전달할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 공기질 모니터링 시스템(10)은 복수의 가스 측정기(110) 및 상기 복수의 가스 측정기에 무선으로 연결된 하나의 코디네이터(120)를 포함하는 네트워크 그룹을 포함할 수 있다. 즉, 상기 복수의 가스 측정기(110)와 그에 무선으로 연결된 코디네이터(120)는 하나의 네트워크 그룹을 형성하여 센서 네트워크를 구성할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 공기질 모니터링 시스템(10)은 복수의 가스 측정기(110) 및 하나의 코디네이터(120)로 구성되는 네트워크 그룹을 여러 개 포함할 수 있으며, 각각의 네트워크 그룹으로부터 전송되는 데이터는 상기 관리 서버(130)에 저장되어 데이터베이스를 구축할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 복수의 가스 측정기(110)와 하나의 코디네이터(120)가 구성하는 네트워크 토폴로지를 예시적으로 나타내는 구조도이다.
도 5를 참조하면, 상기 네트워크 그룹을 형성하는 복수의 가스 측정기(110) 및 하나의 코디네이터(120)는 트리 토폴로지(tree topology)를 구성할 수 있다. 즉, 각각의 가스 측정기(110)는 센서 네트워크에서 말단 또는 중간 노드를 구성하며, 상기 노드는 직접적으로 또는 다른 노드를 경유하여 코디네이터(120)에 해당하는 노드로 연결될 수 있다.
도 5에서는 네트워크 그룹을 형성하는 복수의 가스 측정기(110)가 모두 말단 노드를 구성하나, 실시예에 따라 상기 말단 노드에 해당하는 가스 측정기(110) 중 적어도 일부는 다른 가스 측정기(110)를 경유하여 코디네이터(120)로 데이터를 전송함으로써 트리 토폴로지의 깊이 또는 레벨은 2보다 클 수도 있다.
이상에서 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 위 실시예는 단지 본 발명의 사상을 설명하기 위한 것으로 이에 한정되지 않는다. 통상의 기술자는 전술한 실시예에 다양한 변형이 가해질 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위의 해석을 통해서만 정해진다.
10: 공기질 모니터링 시스템
110: 가스 측정기
111: 제 1 보드
112: 제 2 보드
120: 코디네이터
130: 관리 서버
1113: 일산화탄소 센서
1114: 이산화질소 센서
1119: 온도/습도 센서
1120: 프로세서 코어
1121: 이산화탄소 센서
1125: Zigbee 모듈

Claims (9)

  1. 가스 농도를 측정하고, 측정된 가스 농도에 기초한 데이터를 무선으로 전송하는 적어도 하나의 가스 측정기;
    상기 가스 측정기로부터 전송된 데이터를 수신하고, 수신된 데이터를 무선으로 관리 서버에 전송하는 코디네이터; 및
    상기 코디네이터로부터 수신된 데이터를 저장하는 관리 서버를 포함하는 공기질 모니터링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 측정기는:
    이산화탄소, 일산화탄소 및 이산화질소 중 적어도 하나의 농도를 측정하는 공기질 모니터링 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가스 측정기는:
    비-분산 적외선(Non-Dispersive InfraRed, NDIR)을 이용하여 이산화탄소의 농도를 측정하는 이산화탄소 센서;
    반도체 소자를 이용하여 일산화탄소의 농도를 측정하는 일산화탄소 센서; 및
    반도체 소자를 이용하여 이산화질소의 농도를 측정하는 이산화질소 센서;
    중 적어도 하나를 포함하는 공기질 모니터링 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가스 측정기는:
    상기 이산화탄소 센서를 상기 일산화탄소 센서 및 상기 이산화질소 센서로부터 이격시켜 구비하는 공기질 모니터링 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가스 측정기는:
    상기 이산화탄소 센서를 상기 일산화탄소 센서 및 상기 이산화질소 센서가 구비된 기판과 분리된 별개의 기판에 구비하는 공기질 모니터링 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 가스 측정기는:
    온도를 측정하는 온도 센서 및 습도를 측정하는 습도 센서 중 적어도 하나를 더 포함하고,
    온도 및 습도 중 적어도 하나를 측정한 뒤, 이산화탄소, 일산화탄소 및 이산화질소 순으로 가스 농도를 측정하는 공기질 모니터링 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 측정기는:
    상기 측정된 가스 농도를 기 설정된 임계 농도와 비교하여,
    상기 측정된 가스 농도가 상기 임계 농도보다 작거나 같은 경우, 해당 가스 농도가 정상 상태임을 나타내는 정상 상태 데이터를 전송하고,
    상기 측정된 가스 농도가 상기 임계 농도보다 큰 경우, 해당 가스 농도가 비정상 상태임을 나타내는 비정상 상태 데이터를 전송하는 공기질 모니터링 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 측정기는 상기 코디네이터로 근거리 통신 프로토콜을 기반으로 데이터를 전송하고,
    상기 코디네이터는 상기 관리 서버로 이동 통신 프로토콜을 기반으로 데이터를 전송하는 공기질 모니터링 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 공기질 모니터링 시스템은:
    복수의 가스 측정기 및 상기 복수의 가스 측정기에 무선으로 연결된 하나의 코디네이터를 포함하는 네트워크 그룹을 포함하며,
    상기 복수의 가스 측정기와 상기 하나의 코디네이터는 트리 토폴로지를 구성하는 공기질 모니터링 시스템.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200095269A (ko) * 2019-01-31 2020-08-10 한국전자통신연구원 밀폐공간 가스 모니터링 시스템 및 이의 동작 동작방법
CN111781302A (zh) * 2019-04-03 2020-10-16 上海霍亨环保科技有限公司 一种用于检测大气污染的吊舱及其监测方法
KR102442411B1 (ko) 2021-12-02 2022-09-14 한국과학기술연구원 다중이용시설의 실내 공기질 실시간 측정 및 모니터링을 위한 다중센서 플랫폼, 이를 이용한 다중이용시설의 실내 공기질 관리 시스템 및 방법

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