KR20170127923A - IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 IoT 기반 원격 모니터링 장치 및 이를 이용한 에너지 융합형 통합 안전 관리 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 IoT 기반 원격 모니터링 장치에는 데이터 로거가 포함되며, 데이터 로거는 센서 인터페이스부와, 센서 인터페이스부, A/D 컨버터, 무선 통신부, 제어부 및 RTC부 및 전원 공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 데이터 로거에는 RTC부를 구비하여 각종 센서에서 측정된 데이터와 함께 측정 시간을 함께 송부하여 동기화 처리가 가능하며 또한 온도 및 압력을 센싱함으로써 측정 시각의 주변 환경에 대한 정보를 이용하여 측정 데이터를 적절하게 보정할 수 있게 되었다.
본 발명에 따른 데이터 로거에는 산업용 무선표준인 ISA100.11a 기반의 USN 및 LTE를 지원하는 M2M 단말기 형태의 통신 모드을 구비함으로써 무선 통신이 열악한 지역에서도 원활하게 사용할 수 있는 이점을 가질 수 있게 되었다.
본 발명에 따른 IoT 기반 원격 모니터링 장치에는 데이터 로거가 포함되며, 데이터 로거는 센서 인터페이스부와, 센서 인터페이스부, A/D 컨버터, 무선 통신부, 제어부 및 RTC부 및 전원 공급부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 데이터 로거에는 RTC부를 구비하여 각종 센서에서 측정된 데이터와 함께 측정 시간을 함께 송부하여 동기화 처리가 가능하며 또한 온도 및 압력을 센싱함으로써 측정 시각의 주변 환경에 대한 정보를 이용하여 측정 데이터를 적절하게 보정할 수 있게 되었다.
본 발명에 따른 데이터 로거에는 산업용 무선표준인 ISA100.11a 기반의 USN 및 LTE를 지원하는 M2M 단말기 형태의 통신 모드을 구비함으로써 무선 통신이 열악한 지역에서도 원활하게 사용할 수 있는 이점을 가질 수 있게 되었다.
Description
본 발명은 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 IoT 기반으로 가스 장치를 원격에서 모니터링 할 수 있는 비방폭형 데이터 로거를 구비하는 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템에 관한 것이다.
전통시장이나 지하상가 등은 좁은 지역 내에 여러 개 가스 장치나 전기 장치가 밀집되어 설치되는 에너지 밀집 지역으로 볼 수 있다. 이러한 에너지 밀집 지역에서는 하나의 장치에서 발생된 간단한 고장이 이종 장치에 심각한 문제점을 불러 일으켜서 사고로 이어지는 경우가 있다. 또한 어느 하나의 에너지 밀집 지역의 가스 장치가 심각한 사고로 이어지지 않을 정도의 고장이 발생할 경우, 해당 에너지 밀집 지역에서는 사고로까지 발생하지 않더라도 인접하는 에너지 밀집 지역에서는 사고로까지 이어지는 경우가 종종 발생된다.
예를 들어, 비교적 고지대라 할 수 있는 서울 종로구의 북촌 마을에 설치된 몇 개의 가스 장치에서 미세한 누출이 발생할 경우, 이러한 미세한 가스 누출이 북촌 마을에서는 별다른 문제를 발생시키지 않더라도, 인근의 비교적 저지대라 할 수 있는 통인 시장에 쌓이게 되었다고 가정하자. 이와 동시에 통인 시장에 설치된 하나의 변압기에서 간단한 고장이 발생하고, 해당 고장으로 인해 공기 중에 스파크가 간혹적으로 발생된다고 가정하기로 한다. 이러한 각각의 고장이 다른 시기에 발생할 경우에는 해당 에너지 밀집 지역 자체에서는 심각한 사고로 발생되지 않으나 전술한 바와 같이 북촌 지역으로부터 누출된 가스가 통인 시장에 쌓인 시점에 통인 시장의 변압기에 단순 고장이 발생될 경우 화염이 발생하게 되고 화재로까지 이어질 수 있는 것이다.
그런데 현재 실정으로는 이러한 에너지 밀집 지역에서 가스 장치나 전기 장치의 안전을 통합적으로 관리하는 장치 내지는 시스템이 구축되어 있지 않기 때문에 이러한 통합적인 안전 관리 장치 내지는 시스템이 필요하게 되었다. 물론 이러한 통합적인 안전관리 시스템이 원활하게 활용되도록 하기 위해서는 에너지 밀집 지역에 설치된 가스 장치의 가스 누출을 정확하게 센싱하고, 센싱된 데이터를 원격 시스템에 전송할 수 있는 가스 누출 검출 시스템이 필요하게 된다.
또한, 에너지 밀집 지역에 설치된 가스 장치 또는 전기 장치의 경우 정기적으로 예방 정비를 실시하여야 하며, 가스 및 화학물질이 유출될 경우 대형 화재 및 폭발사고를 유발할 수 있어 빠른 시간 내에 대응 조치를 해야만 한다.
무선 데이터 계측 시스템의 경우 기존 국내의 USN 무선 통신 기술은 대부분 Tiny OS 기반의 Zigbee 및 블루투스 통신 기술이 대부분을 이루었으나 기존의 USN 무선 통신 기술은 신뢰성 및 보안성이 취약하여 고에너지 밀집 지역과 같은 고위험 시설물의 환경에 적용하기 힘들어 고신뢰성 및 보안성의 산업용 표준 무선 통신기술의 적용이 필요한 실정이다.
가스 센서로부터 검출된 신호는 데이터 로거를 이용하여 원격지로 전송하게 된다. 그런데 종래 데이터 로거(data logger)는 다음과 같은 문제점을 가지고 있었다. 첫째 문제점에 대해서 설명하기로 한다. 종래 데이터 로그는 내부에 전지를 구비하고 이를 전력원으로 이용할 수도 있으나 협소한 밀접 지역에 설치되므로 내부 전지를 교체해야 하는 일도 쉬운 것은 아니다. 따라서 일반적으로 데이터 로거는 외부에서 전원을 공급받는데 통상적으로 외부 전원의 경우 전압 변동폭이 크고 노이즈가 많이 포함되어 있다. 또한, 외부에서 유기된 고압의 전류에 의해 데이터 로거의 전기적 회로가 버닝(burning)되는 일이 종종 있었다.
둘째로, 데이터 로거를 이용하여 데이터를 수집하여 정확한 분석을 위해서는 해당 데이터 로거가 설치된 지점의 온도와 압력에 대한 정보가 필요하나 종래 데이터 로거에는 이러한 기능을 제공하지 못하고 측정된 데이터만 전송해 주는 문제점이 있었다. 셋째로, 종래 데이터 로거에도 수집된 데이터를 블루투스 통신 방식과 같은 무선으로 전송하는 방식을 취하고 있으나, 해당 데이터 로거가 설치되는 지역의 열악한 통신 환경에서는 오동작을 발생시키는 경우가 발생되었다.
따라서 종래 데이터 로거가 가지는 상기 문제점들을 해결하는 개선된 데이터 로거 장치가 필요한 실정이다.
본 발명은 상기에서 기술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 에너지 사용 밀접 지역에서 발생할 수 있는 가스 사고를 예방하고 신속하게 대응하기 위하여 IoT 기반으로 센서 데이터를 수집하고 분석하는 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 가스 누출을 원활하게 검출하기 위해서 종래 데이터 로거의 문제점을 해결하여 개선된 데이터 로거를 갖는 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템을 제공하고자 하는 것으로서, 구체적으로는 외부 전원에 포함된 노이즈를 제거하고 입력되는 전원이 상당한 범위 내에서 변하더라도 안정적으로 내부 전원을 공급할 수 있으며, 데이터 로거가 설치된 지점의 온도 및 압력을 측정하여 데이터 전송시 측정된 온도값과 압력값을 함께 전송가능하고, 열악한 통신 환경에서도 사용할 수 있게 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 목적은 전통시장 또는 지하상가와 같은 에너지 밀집 지역에 설치되는 복수 개 가스 장치의 가스 누출을 모티터링하는 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템에 있어서, 가스 장치로부터 누출되는 가스량을 감지하고, 주변 온도를 센서를 통해 계측하는 센서부와, 센서부에서 계측한 가스량 및 온도 데이터를 디지털 데이터로 변환하고, 상기 변환된 디지털 데이터를 근거리 및 원거리에 전송하는 무선 통신부를 포함하며, 상기 센서부의 다수의 센서와 일대일 대응하는 수만큼 구비되는 다수의 데이터 로거와, 다수의 데이터 로거에서 계측한 데이터를 수집하고 상기 수집한 데이터를 상기 무선 통신부를 통해 전송하는 게이트웨이부와, 게이트웨이부에서 전송한 각각의 센서 데이터를 전송받아 데이터를 관리 기준치와 비교분석하여 관리 기준치를 초과할 경우 단계별로 경보음을 발생하는 데이터 서버부 및 데이터 서버부에서 전송받은 센서 데이터를 그래프와 수치로 디스플레이하여 관리자가 일정시간 간격으로 전송되는 측정 데이터를 확인할 수 있는 디스플레이부를 포함하고, 데이터 로거는 센서부의 센서를 통해 측정한 아날로그 데이터를 전압값으로 변환하여 계측한 아날로그 데이터를 증폭하고 노이즈 등의 신호와 관련없는 신호를 필터링하여 신호처리하는 센서 인터페이스부와, 센서 인터페이스부에서 전송받은 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 A/D 컨버터와, 센서부에서 측정한 계측 데이터를 저장하는 SD 메모리부와, 무선 통신부의 데이터 전송을 제어하고 계측한 센서 데이터를 상기 디스플레이 모듈에 디스플레이하며 상기 SD 메모리부에 계측한 데이터 저장을 제어하는 제어부와, 센서 데이터 측정 시 측정 시점을 파악하는 RTC부와, 센서 인터페이스부, 상기 A/D 컨버터, 상기 무선 통신부, 상기 제어부 및 상기 RTC부에 배터리 또는 상용전원으로 전원을 공급하기 위한 전원 공급부를 포함하고, 센서부, 센서 인터페이스부, A/D 컨버터, 무선 통신부, 제어부, RTC부 및 전원 공급부는 하우징 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템에 의해서 달성 가능하다.
본 발명에 따른 데이터 로거를 갖는 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템은 외부 전원에 포함된 노이즈를 제거하고 입력되는 전원이 상당한 범위 내에서 변하더라도 안정적으로 내부 전원을 공급받을 수 있으므로 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 되었다. 또한, 데이터 로거가 설치된 지점의 온도 및 압력을 측정할 수 있으므로 해당 측정된 값을 데이터와 함께 전송받을 수 있으므로 주위 환경에 따라 계측값이 변하는 것을 보정할 수 있게 되었다. 따라서 보다 정밀한 계측이 가능하게 되었다.
본 발명에 따른 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템은 산업용 무선표준인 ISA100.11a 기반의 USN 및 LTE를 지원하는 M2M 단말기 형태의 통신 모드을 구비함으로써 무선 통신이 열악한 지역에서도 원활하게 사용할 수 있는 이점을 가질 수 있게 되었다.
본 발명에서 제안하는 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템을 적용하여 에너지 융합형 통합 안전관리 시스템을 구축할 수 있다. 에너지 융합형 통합 안전관리 시스템은 계층적으로 센싱 데이터를 수집 및 분석하는 기능을 두어 단위별로 자율 제어하는 메카니즘을 수행한다. 수집한 데이터를 상위 시스템이나 서버 시스템으로 전달하여 통합적 데이터 분석을 통해 계층적 안전제어가 가능하게 된다. 또한 데이터 수집을 위한 가장 기본 요구사항은 시스템 간의 상호운용성이므로 XML(Extensible Markup Language) 기반의 표준 데이터 프로파일 및 공통 정보모델 기술을 사용하였으며, 데이터 상호운용성을 제공하여 빅 데이터 분석을 위한 기본 기능을 수행하여 에너지 통합 안전관리 서비스를 제공할 수 있도록 적용할 수 있다.
도 1은 가스 및 전기 장치가 복합적으로 설치되어 있는 에너지 사용 밀집 지역용 안전 관리의 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템을 적용하여 구축 가능한 에너지 융합형 통합 안전 관리 시스템의 전체 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로서 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템을 구성하는 데이터 로거의 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 데이터 로거를 구성하는 A/D 컨버터(220) 입력회로 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템에 적용되는 증폭기 회로의 일 례.
도 7은 본 발명에 따른 데이터 로거에 사용되는 RTC 회로의 일 례.
도 8은 본 발명에 따른 데이터 로거를 챔버에 넣은 후, -20 ~ 80℃ 사이의 온도를 변화시키고, 온도 변화에 따른 성능 변화를 관찰한 그래프 파형.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템을 적용하여 구축 가능한 에너지 융합형 통합 안전 관리 시스템의 전체 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로서 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템을 구성하는 데이터 로거의 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 데이터 로거를 구성하는 A/D 컨버터(220) 입력회로 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템에 적용되는 증폭기 회로의 일 례.
도 7은 본 발명에 따른 데이터 로거에 사용되는 RTC 회로의 일 례.
도 8은 본 발명에 따른 데이터 로거를 챔버에 넣은 후, -20 ~ 80℃ 사이의 온도를 변화시키고, 온도 변화에 따른 성능 변화를 관찰한 그래프 파형.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 1은 가스 및 전기 장치가 복합적으로 설치되어 있는 에너지 사용 밀집 지역용 안전 관리의 개념도이다. 전통시장이나 상가지역과 같은 에너지 사용 밀집 지역에 IoT 기반의 센서를 가스 장치(설비) 또는 전기 장치(설비)에 설치하고, 각 지역마다 IoT 기반의 BAN(Business Network)을 설치함과 더불어 이를 관리하는 지역별 에너지 융합형 안전 관리 시스템을 구비하고, 각 지역을 통합하여 모니터링하고 제어하기 위한 에너지 융합형 안전 관리 통합 시스템을 구비하는 것이다.
에너지 융합형 안전관리 시스템은 전통시장이나 지하상가와 같은 에너지 사용 밀집 지역 단위별로 지역 내부에 설치되어 있는 가스, 전기 설비의 안전 관련 정보를 수집하고, 두 에너지원의 연관성에 의한 융합 안전 알고리즘을 수행하여 안전 제어를 수행한다. 지역별 에너지 융합형 안전관리 시스템에서 수집한 안전관리 데이터는 통합 에너지 융합형 안전관리 시스템으로 전달되어 다수의 에너지 사용 밀집지역들을 통합하여 관리할 수 있도록 구성하였다. 지역 단위의 에너지 사용 밀집지역에는 가스 또는 전기 안전 장치(센서 또는 제어기 등)들을 시스템에 접속시키기 위하여 다수의 안전관리 접속장치가 설치된다. 안전관리 접속장치는 마이크로 단위로 데이터를 수집 분석 제어하는 기능을 수행하고 수집된 안전관리 데이터를 상위 시스템으로 전달하는 기능을 수행하게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템을 적용하여 구축 가능한 에너지 융합형 통합 안전 관리 시스템의 전체 구성도이다. 에너지가 밀집 설치되는 각 지역별로는 에너지 융합형 지역별 안전관리 시스템이 구비되며, 복수 개 지역의 에너지 융합형 지역별 안전관리 시스템을 제어 및 관리하는 서버 시스템으로서 에너지 융합형 통합 안전관리 시스템이 구비된다. 에너지 융합형 지역별 안전관리 시스템에는 복수 개 안전관리 접속 장치가 연결되며, 각각의 안전관리 접속 장치는 인터페이스를 통해 전기 장치와 가스 장치가 연결된다. 안전관리 접속장치는 복수 개 전기 장치, 가스 장치 및 IoT 기반의 장치로부터 센싱 자료를 입력받은 후, 이를 데이터 수집 처리 장치를 통해 분석한 후, 마이크로 안전 제어 장치를 통해 전기 장치, 가스 장치 및 IoT 장치를 제어하게 된다. 에너지 융합형 지역별 안전관리 시스템은 복수 개 안전관리 접속 장치로부터 데이터를 수집하고, 에너지 융합 안전 알고리듬을 통해 각 지역별 이종 장치간의 안전 여부를 분석하고, 융합 안전 제어를 통해 안전관리 접속장치에 제어신호를 송신한다. 에너지 융합형 통합 안전관리 시스템은 복수 개 에너지 융합형 지역별 안전관리 시스템으로부터 빅 데이터를 수집하고, 내부에 미리 규정된 안전 판단 정책과 외부로부터 입력되는 환경 변수를 참조하면서 통합 에너지 융합 안전 알고리듬을 이용하여 모든 지역별 이종 장치 간의 안전 여부를 분석하고, 통합 안전 제어를 통해 에너지 융합형 지역별 안전관리 시스템에 제어신호를 송신하는 계층적 구조로 구현할 수 있다.
물론 도 2에서 에너지 융합 안전 알고리듬과 통합 에너지 융합 안전 알고리듬은 각 시스템에 구비되는 메모리에 저장되며, 안전 판단 정책 및 환경 변수도 엔너지 융합형 통합 안전관리 시스템에 구비되는 메모리에 저장된다.
에너지 융합형 안전관리 플랫폼은 계층적으로 센싱 데이터를 수집 및 분석하는 기능을 두어 단위별로 자율 제어하는 메카니즘을 수행한다. 수집한 데이터를 상위 시스템이나 서버 시스템으로 전달하여 통합적 데이터 분석을 통해 계층적 안전제어가 가능하게 하였다. 또한 데이터 수집을 위한 가장 기본 요구사항은 시스템 간의 상호 운용성이므로 XML(Extensible Markup Language) 기반의 표준 데이터 프로파일 및 공통 정보모델 기술을 사용하였으며, 데이터 상호운용성을 제공하여 빅 데이터 분석을 위한 기본 기능을 수행하여 에너지 통합 안전관리 서비스를 제공할 수 있게 하였다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템의 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로서 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템을 구성하는 데이터 로거의 구성도이다.
본 발명에 따른 일 실시예의 IoT 기반 원격 모니터링 장치는 도 3에 도시된 바와 같이 가스 장치로 누출되는 가스 성분을 검출하는 가스 센서와, 가스 장치가 설치된 지역의 온도를 감지하는 온도 센서로 구성되는 센서부(100)와, 센서부(100)의 각 센서들과 일대일 대응되도록 구성하여 가스 종류별 누출량과 온도를 디지털 신호로 변환하고, 계측 데이터를 USN 통신을 통해 게이트웨이부(300)에 전송하는 데이터 로거(200)와, 데이터 로거(200)에서 센서로부터 계측한 데이터를 USN 통신 모듈을 통해 수집하고 수집한 데이터를 무선 통신 모듈을 통해 원격지의 데이터 서버부(400)에 전송하는 게이트웨이부(300)와, 게이트웨이부(300)에서 전송한 각각의 센서 데이터를 전송받아 데이터를 관리 기준치와 비교분석하여 관리 기준치를 초과할 경우 단계별로 경보음을 발생하는 데이터 서버부(400)와, 데이터 서버부(400)에서 전송받은 센서 데이터를 그래프와 수치로 디스플레이하여 관리자가 일정시간 간격으로 전송되는 측정 데이터를 확인할 수 있는 디스플레이부(500)로 구성된다.
센서부(100)는 에너지 밀집 지역에 구비되는 가스 장치에 설치되며, 가스 센서와, 온도 센서로 구성되며 각각의 센서들은 데이터 로거(200)와 일대일 대응하도록 구성하고 필요에 따라 데이터 로거(200)에 내장하거나 별도로 외부에 설치하도록 구성한다.
또한, 데이터 로거(200)는 도 4에 도시된 바와 같이 가스 장치에 설치하여, 하우징의 내부에 내장하여 센서부(100)의 센싱을 통해 측정한 아날로그 데이터를 전압값으로 변환하여 계측한 아날로그 데이터를 증폭하고 노이즈 등의 신호와 관련없는 신호를 필터링하여 신호처리하는 센서 인터페이스부(210)와, 센서 인터페이스부(210)에서 전송받은 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 A/D 컨버터(220)와, A/D 컨버터(220)에서 변환된 디지털 신호를 근거리에 위치한 게이트웨이 또는 원거리에 위치한 원격지 서버에 전송하는 무선 통신부(270)와, 센서부(100)에서 측정한 계측 데이터를 저장하는 SD 메모리부(240)와, 무선 통신부(270)의 데이터 전송을 제어하고 계측한 센서 데이터를 LCD 모듈(260)에 디스플레이하며 SD 메모리부(240)에 계측한 데이터 저장을 제어하는 제어부(230)와, 센서부(100)와 센서 인터페이스부(210), A/D 컨버터(220), 무선 통신부(270), 제어부(230)에 배터리 또는 상용전원으로 전원을 공급하기 위한 전원 공급부(250) 및 시각 동기화를 위한 RTC부(280, Real Time Clock부)로 구성된다.
무선 통신부(270)는 Zigbee, ISA100.11a 등을 사용하여 근거리에 설치된 게이트웨이부(300)와 통신하기 위한 근거리 통신 모듈(273)과, USN 통신 모듈을 통해 수집한 데이터는 와이파이(Wi-fi), 와이브로(Wibro), 3G 통신망, 또는 LTE 등을 사용하여 원격지에 위치하는 데이터 서버부(400)와, 계측 데이터를 전송하는 원거리 통신 모듈(275)로 구성된다.
도 5는 본 발명에 따른 데이터 로거를 구성하는 A/D 컨버터(220) 입력회로 구성도이다. 본 발명에 따른 A/D의 성능은 51KHz 대역폭은 109dB SNR이며, DC Accuracy는 1.8uV/ Offset Drift, 2ppm/ Gain Drift 이며, ADC SAR 엔진 타입을 사용하여 고밀도 에너지 지역에 적용 가능한 고사양의 A/D 컨버터를 구성하였다.
도 6은 본 발명에 따른 데이터 로거를 구성하는 A/D 컨버터(220) 회로 구성도이다. 본 발명에 따른 A/D는 Analog-to-Digital Converter IC를 이용하여 종래 ADC보다 센서 입력 신호에 대한 분해능을 향상시켰으며, ADC 변환률(Conversion Rate)은 최대 64Ksps로 고속 가속도 측정을 위한 최상의 샘플링 조건을 만족시키도록 하였다. ADC 성능은 51KHz 대역폭은 109dB SNR이며, DC Accuracy는 1.8uV/ Offset Drift, 2ppm/ Gain Drift 이며, ADC SAR 엔진 타입을 사용하였다.
센서부(100)의 출력단과 A/D 컨버터(220) 사이에는 센서부(100)로부터 출력된 계측된 아날로그 신호를 증폭하는 증폭 회로가 구비된다. 도 6은 본 발명에 따른 증폭기 회로의 일 례이다. 고성능의 계측을 위한 시그널 컨디셔너를 구현하기 위해서 증폭부는 완전(Fully) 차동증폭기(Differential Amplifier)를 사용하여 데이터 측정 시 노이즈 성분 제거와 Low-Power Differential Signal Conditioning 회로를 구성하여 배터리 소비전력을 최소화하였다.
도 7은 본 발명에 따른 데이터 로거에 사용되는 RTC 회로의 일 례이다. 시각 동시화를 위한 RTC부는 정밀 RTC(Real Time Clock) IC를 사용하여 센서 Data 측정 시 측정 시점의 시간과 데이터를 함께 전송하여 전송 시 발생할 시간 딜레이를 제거하고, 다른 센서와 동시 분석 시 동기화 문제를 해결할 수 있도록 설계하였다.
본 발명에 따른 데이터 로거에 대해서 다양한 작동 온도에서 신뢰성 테스트를 진행하였다. 챔버에 데이터 로거 회로를 넣은 후, -20 ~ 80℃의 온도를 변화시키고, 온도 변화에 따른 그래프 파형 변화를 측정함으로써 데이터 로거의 데이터 신뢰성 및 성능 검증을 수행하였다. 도 8에 제시된 바와 같이 온도 변화에 따른 회로 특성이 변하는 것을 나타내는 그래프 파형 변화는 없음을 알 수 있으므로 온도 변화에 따른 성능의 변화가 없음을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 데이터 로거에 함수발생기를 연결하여 기능적(functional) 테스트 검사를 수행함으로써 계측 성능 및 무선통신 성능에 대해서 자체 검증을 실시하였다. 기능적 테스트 검사 결과, 설정 샘플링(1024Hz)과 동일하게 데이터가 수신 및 저장됨을 확인함으로써 정상적으로 동작함을 확인할 수 있었다.
공정이 동작 중인 상태에서 모니터링을 위한 온도 및 압력 감지 계측 기능을 구현하였으며, 완전 차동 연산 증폭기(FDA) 회로 설계를 통해 온도 및 압력 감지 계측 기능 구현하였다. 또한, K, T, R 타입의 온도 센서 인터페이스 구현하여 다양한 형태로 출력이 가능하도록 구현하였으며, 게인(gain)이 50인 완전 차동 연산 증폭기를 사용하였다.
본 명세서의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 명세서의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한 본 발명의 실시예에 나타나는 구성부들은 서로 다른 특징적인 기능들을 나타내기 위해 독립적으로 도시되는 것으로, 각 구성부들이 분리된 하드웨어나 하나의 소프트웨어 구성단위로 이루어짐을 의미하지 않는다. 즉, 각 구성부는 설명의 편의상 각각의 구성부로 나열하여 포함한 것으로 각 구성부 중 적어도 두 개의 구성부가 합쳐져 하나의 구성부로 이루어지거나, 하나의 구성부가 복수 개의 구성부로 나뉘어져 기능을 수행할 수 있고 이러한 각 구성부의 통합된 실시예 및 분리된 실시예도 본 발명의 본질에서 벗어나지 않는 한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
100: 센서부
200: 데이터 로거
210: 센서 인터페이스부 220: A/D 컨버터
230: 제어부 240: SD 메모리부
250: 전원공급부 260: LCD 모듈
270: 무선 통신부 273: 근거리 통신 모듈
275: 원거리 통신 모듈 280: RTC부
300: 게이트웨어부 400: 데이터 서버부
500: 디스플레이부
210: 센서 인터페이스부 220: A/D 컨버터
230: 제어부 240: SD 메모리부
250: 전원공급부 260: LCD 모듈
270: 무선 통신부 273: 근거리 통신 모듈
275: 원거리 통신 모듈 280: RTC부
300: 게이트웨어부 400: 데이터 서버부
500: 디스플레이부
Claims (3)
- 전통시장 또는 지하상가와 같은 에너지 밀집 지역에 설치되는 복수 개 가스 장치의 가스 누출을 모티터링하는 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템에 있어서,
상기 가스 장치로부터 누출되는 가스량을 감지하고, 주변 온도를 센서를 통해 계측하는 센서부와,
상기 센서부에서 계측한 가스량 및 온도 데이터를 디지털 데이터로 변환하고, 상기 변환된 디지털 데이터를 근거리 및 원거리에 전송하는 무선 통신부를 포함하며, 상기 센서부의 다수의 센서와 일대일 대응하는 수만큼 구비되는 다수의 데이터 로거와,
상기 다수의 데이터 로거에서 계측한 데이터를 수집하고 상기 수집한 데이터를 상기 무선 통신부를 통해 전송하는 게이트웨이부와,
상기 게이트웨이부에서 전송한 각각의 센서 데이터를 전송받아 데이터를 관리 기준치와 비교분석하여 관리 기준치를 초과할 경우 단계별로 경보음을 발생하는 데이터 서버부 및
상기 데이터 서버부에서 전송받은 센서 데이터를 그래프와 수치로 디스플레이하여 관리자가 일정시간 간격으로 전송되는 측정 데이터를 확인할 수 있는 디스플레이부를 포함하고,
상기 데이터 로거는
상기 센서부의 센서를 통해 측정한 아날로그 데이터를 전압값으로 변환하여 계측한 아날로그 데이터를 증폭하고 노이즈 등의 신호와 관련없는 신호를 필터링하여 신호처리하는 센서 인터페이스부와,
상기 센서 인터페이스부에서 전송받은 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 A/D 컨버터와,
상기 센서부에서 측정한 계측 데이터를 저장하는 SD 메모리부와,
상기 무선 통신부의 데이터 전송을 제어하고 계측한 센서 데이터를 상기 디스플레이 모듈에 디스플레이하며 상기 SD 메모리부에 계측한 데이터 저장을 제어하는 제어부와,
센서 데이터 측정 시 측정 시점을 파악하는 RTC부와,
상기 센서 인터페이스부, 상기 A/D 컨버터, 상기 무선 통신부, 상기 제어부 및 상기 RTC부에 배터리 또는 상용전원으로 전원을 공급하기 위한 전원 공급부를 포함하고,
상기 센서부, 상기 센서 인터페이스부, 상기 A/D 컨버터, 상기 무선 통신부, 상기 제어부, 상기 RTC부 및 상기 전원 공급부는 하우징 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 센서부의 출력단과 상기 A/D 컨버터 사이에는 상기 센서부로부터 출력된 아날로그 신호를 증폭하며, 완전 차동증폭기를 포함하는 증폭 회로가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 무선 통신부에는 ISA100.11a 기반의 근거리 통신 모듈과 LTE 모델을 이용한 원거리 통신 모듈이 구비되는 것을 특징으로 하는 IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160058812A KR20170127923A (ko) | 2016-05-13 | 2016-05-13 | IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160058812A KR20170127923A (ko) | 2016-05-13 | 2016-05-13 | IoT 기반 가스 누출 원격 모니터링 시스템 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20170127923A true KR20170127923A (ko) | 2017-11-22 |
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ID=60809938
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| Country | Link |
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| KR (1) | KR20170127923A (ko) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2016
- 2016-05-13 KR KR1020160058812A patent/KR20170127923A/ko not_active Application Discontinuation
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