KR20180023210A - 스마트 안전관리 모니터링 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스마트 안전관리 모니터링 시스템(1)에 관한 것이다. 그러한 스마트 안전관리 모니터링 시스템(1)은 대상물(3)에 장착되어 X축, Y축, Z축의 3축방향의 균열 등을 감지하는 센서부(2)와; 센서부(2)로부터 신호를 수신하여 저전력 장거리 통신신호로 변환하여 송신하는 중계부(8)와; 그리고 중계부(8)로부터 저전력 통신신호를 수신하여 데이터를 분석하고 단말기에 전송함으로써 원격지에서도 균열 상태를 파악할 수 있도록 하는 서버(S)를 포함한다.

Description

스마트 안전관리 모니터링 시스템{Smart monitoring safety system}
본 발명은 스마트 안전관리 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 센서에 자이로센서, 가속도센서, 온습도 센서 등을 장착하여 X,Y,Z축의 3축방향 균열, 침하, 온습도, 미세먼지, 가스등을 감지하고, 측정된 결과를 브릿지를 통하여 저전력 원거리 통신방식으로 외부 단말에 전송하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 건축물이나 교량 등은 시간이 경과함에 따라 균열이 발생될 수 있어서 안전진단을 실시하여야 한다.
특히, 최근 지진의 위험이 증가하고 있는 바, 이러한 지진발생시 건축물이나 교량의 안전점검은 매우 중요하다.
따라서, 이러한 안전점검은 다양한 방식에 의하여 수행될 수 있는 바, 육안에 의한 점검방식이나, 초음파에 의한 방식이나, 자성분말을 살포하고 자력세기를 측정함으로써 균열의 발생여부를 파악하는 방식 등 다양한 방식이 가능하다.
그러나, 이러한 종래의 점검방식은 균열을 감지하기 위한 장치의 크기가 커서 휴대하기 곤란하고, 특히 좁은 공간에서는 균열을 효율적으로 감지하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 균열의 점검이 연속적으로 이루어지는 것이 아니라, 필요시에만 장치를 휴대하여 균열을 측정하는 일시적인 방식이므로 위험에 대비하는 것이 어려운 문제점이 있다.
1) 특허공개 제10-2012-7356호(명칭:볼트와 너트간의 체결상태 풀림을 감지할 수 있는 체결풀림 감지 시스템) 2) 특허 등록 제1548490호(명칭:체결부재의 풀림감지장치)
따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 센서에 자이로센서, 가속도센서, 온습도 센서 등을 장착하여 X,Y,Z축의 3축방향 균열, 침하, 온습도, 미세먼지, 가스 등을 감지하고, 측정된 결과를 브릿지를 통하여 저전력 원거리 통신방식으로 외부 단말에 전송하는 감지 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는,
대상물에 장착되어 X축, Y축, Z축의 3축방향의 균열 등을 감지하는 센서부와;
센서부로부터 신호를 수신하여 저전력 장거리 통신신호로 변환하여 송신하는 중계부와; 그리고
중계부로부터 저전력 통신신호를 수신하여 데이터를 분석하고 단말기에 전송함으로써 원격지에서도 균열 상태를 파악할 수 있도록 하는 서버를 포함하는 스마트 안전관리 모니터링 시스템을 제공한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 안전관리 모니터링 시스템은 센서에 자이로센서, 가속도센서, 온습도 센서 등을 장착하여 X,Y,Z축의 3축방향 균열을 감지하고, 측정된 결과를 브릿지를 통하여 저전력 원거리 통신방식으로 외부 단말에 전송할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모니터링 센서가 건물의 균열을 감지하는 상태를 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 모니터링 센서와, 브릿지와, 저전력 통신망과, 네트워크와, 서버간의 연결관계를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 모니터링 센서의 내부 구조를 보여주는 구조도이다.
도 4는 도 1에 도시된 중계기의 내부 구조를 보여주는 구조도이다.
도 5는 도 1에 도시된 서버의 구조를 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 스마트 안전관리 모니터링 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예가 제안하는 스마트 안전관리 모니터링 시스템(1)은 건물이나 교량(3) 등에 설치되어 균열이나, 온습도, 기울어짐 등을 감지하여 외부에 알림으로써 안전사고를 방지하게 된다.
이러한 스마트 안전관리 모니터링 시스템(1)은 대상물(3)에 장착되어 X축, Y축, Z축의 3축방향의 균열 등을 감지하는 센서부(2)와; 센서부(2)로부터 신호를 수신하여 저전력 장거리 통신신호로 변환하여 송신하는 중계부(8)와; 중계부(8)로부터 저전력 통신신호를 수신하여 데이터를 분석하고 단말기에 전송함으로써 원격지에서도 균열 상태를 파악할 수 있도록 하는 서버(S)를 포함한다.
이러한 구조를 갖는 스마트 안전관리 모니터링 시스템(1)에 있어서,
대상물(3)은 건물이나 교량(3) 등을 의미하며, 센서부(2)가 장착될 수 있는 대상을 모두 포함한다.
그리고, 센서부(2)는 건물이나 교량(3)의 적절한 위치에 장착되어 주변의 균열이나, 침하와, 경사와, 온습도와, 가스 누출여부와, 미세먼지 농도 등을 측정하게 된다.
이러한 센서부(2)는 케이스(4)와; 케이스(4)에 장착되어 X축, Y축, Z축방향의 기울어짐을 감지함으로써 균열이나 경사, 침하를 감지하는 자이로 센서(Gyro Sensor;11)와; 자력을 측정하는 지자기 센서(geomagnetic sensor;13)와; 온도 및 습도를 측정하는 온습도 센서(temperature and humidity sensor;14)와; 움직임을 감지하는 가속도 센서(acceleration sensor;15)와; 미세먼지를 측정하는 센서(17)와; 감스를 감지하는 센서(19)와; 상기 센서들로부터 측정된 데이터를 수신하여 처리하는 MCU(21)와; 제 1저전력 통신모듈(LPWAN;27)과; 전원부(23) 및 안테나(25)를 포함한다.
자이로 센서(11)는 물체의 회전속도인 각속도의 값을 이용하여 방위 변화를 측정하는 센서이며, 물체가 회전 운동할 때 생기는 코리올리 힘(Coriolis Force)을 전기적 신호로 변환하여 각속도를 연산하는 방식이 주로 사용된다.
아울러, 이러한 자이로 센서(11)는 회전하는 물체의 회전각과 기울기 등을 알 수 있기 때문에 물체의 가속도나 충격의 세기를 측정하는 가속도 센서(15)와 함께 사용되어 건물이나 교량(3)의 기울기, 침하 등과 같은 움직임을 인식할 수 있다.
이러한 가속도 센서(15)는 속도의 변화인 가속도를 측정하는 센서로서, 전자식방식이나 전압식 방식이 주로 사용된다. 예를 들면, 전자식 가속도 센서(15)는 적당한 질량을 가진 가동(可動) 부분이 움직인 양을 자석과 코일의 기전력(起電力)에 의하여 측정하는 것이고, 전압식 가속도 센서(15)는 압력을 가하면 전압을 발생하는 압전(壓電) 소자를 사용하여, 가해진 압력으로써 가속도를 측정하는 방식이다.
지자기 센서(13)는 홀 효과(Hall Effect)에 의하여 지자기를 감지하는 센서로서, 직교하는 전도체 내의 전류와 자기장에 의해 전자가 편향되면서 도체 양단에 전압이 발생하는데 이것은 선형 값이므로 저 전압(홀전압이라고 한다)을 측정하면 현재 입사된 자기장의 크기를 알 수 있게 되는 방식이다. 주로 3축 지자기 센서(13)가 사용된다.
온습도 센서(14)는 온도 센서와 습도센서가 일체로 구비되는 바, 온도센서는 소자가 온도에 따라 전기 특성이 변하는 성질을 이용하여 온도를 감지하는 방식이다. 이러한 온도센서는 열전쌍, 온도측정 저항체, 서미스터(NTC), 금속식 온도계, 서미스터(NTC, PTC, CTR) 감온 페라이트 방식의 온도센서가 주로 사용된다.
서미스터 방식의 온도센서에 있어서, NTC(Positive Thermal Coefficient) 타입과, PTC Positive Thremal Coefficient) 타입으로 구분되는 바,NTC 는 온도가 올라가면 저항이 적어지는 방식이고, PTC는 온도가 올라감에 따라 저항이 증가하는 방식이다.
습도센서는 다공질 세라믹스나 고분자막으로 흡수됨으로써 일어나는 전기저항이나 정전용량의 변화를 이용하는 방식과, 진동자에 설치한 흡수 물질의 중량변화에 의한 진동자의 공진주파수의 변화를 이용하는 방식 등 다양한 종류의 습도센서가 사용될 수 있다.
구체적으로는 염화 리튬 습도센서, 전해 습도센서 (P2O5 습도센서), 고분자막 습도 센서, 수정진동식 습도센서, 산화알루미늄 습도센서, 세라믹 습도센서, 서미스터 습도센서, 마이크로파 습도센서, 결로센서, 노점센서 등을 포함한다.
미세먼지 센서는 대기중의 공기 투명도를 측정하는 방식이며, 발광부와 수광부로 구성된다. 발광부에서 빛을 발생하면 수광부에서 빛을 검출하게 되고, 이 과정에서 미세먼지를 검출하게 되는 원리이다. 참고로, 미세먼지는 지름 10㎛ 이하(머리카락 굵기의 최대 7분의 1)의 작은 먼지를 의미한다.
가스감지 센서는 공기중의 각종가스를 검지, 정량 하는데 사용되는 센서로서, 반도체식 가스센서, 전기화학식 가스센서로 구분된다.
반도체식 가스센서는 전기저항 방식을 의미하며, 기체성분이 반도체 표면에 흡착하여 화학반응을 일으킴으로써 전기저항이 변화하는 것을 감지하는 방식이다.
전기화학식 가스센서는 대상가스를 전기화학적으로 산화 또는 환원하여 그 때 외부회로에 흐르는 전류를 측정하는 방식이다.
이와 같이 복수의 센서로부터 출력된 데이터는 MCU(21)로 전송되며, MCU(21)는 이 데이터를 처리, 분석함으로써 건물 등의 균열, 침하와, 경사와, 온습도와, 가스 누출여부와, 미세먼지 농도 등을 측정하거나 판단하게 된다.
이때, MCU(21)는 마이크로 프로세서와 같이 데이터를 입력받고 이를 처리하여 출력하는 유닛을 의미한다. 예를 들면, 각 측정된 값을 m, mm, 섭시, 화시등 으로 변환한다.
이와 같이, MCU(21)는 수신된 데이터를 처리하고, 그 결과를 제 1저전력 통신모듈(LPWAN;low-power wide area network;27)에서 LPWAN신호로 변환하여 중계기(8)로 송출한다.
상기 중계기(8)는 센서부(2)로부터 LPWAN 신호를 수신하고, 이더넷 혹은 Wifi신호로 변환한다. 즉, 중계기(8)는 게이트 웨이(Gateway;7) 및 제 2저전력 통신모듈(LPWAN;low-power wide area network;9)을 구비함으로써 센서부(2)로부터 수신된 WAN 신호를 이더넷 혹은 Wifi로 변환하여 서버(S)로 전송한다.
상기한 바와 같이, 본 출원에서는 센서와 중계기(8)간에 LPWAN신호에 의하여 데이터를 전송하는 바, 지그비나 비콘 등 스마트 홈, 스마트 빌딩 등에 사용하는 근거리 무선 통신방식은 스마트 홈 게이트웨이(7), 스마트 폰 등의 복잡한 과정을 거쳐야 사물인터넷 디바이스에 접근할 수 있다.
그러나, 저전력 장거리 통신망(LPWAN)은 사용자 영역의 번거로운 과정을 거치지 않고 직접 연결할 수가 있어서, 주로 다수의 디바이스들이 필요한 옥외 응용 분야에 적용된다.
이러한 저전력 장거리 통신방식은 서비스 범위가 10 km 이상의 광역으로 매우 넓고, 초당 최대 수백 킬로비트(kbps) 이하의 통신 속도를 제공하는 전력 소모가 적은 무선 광역 통신망을 의미한다. 주로 사물 인터넷(IoT) 전용 네트워크로 사용된다.
그리고, 저전력 장거리 통신방식은 로라(LoRaWAN), 시그폭스(SIGFOX), 엘티이-엠티시(LTE-MTC:LTE Machine-Type Communications), 협대역 사물 인터넷(NB-IoT) 방식 등으로 구분된다.
또한, 상기 저전력 장거리 통신방식은 하나의 BLE 디바이스가 다른 BLE 디바이스의 정보를 전달하는 메쉬 네트워크 기능도 가능하다.
상기 서버(S)는 중계기(8)로부터 수신한 데이터를 수신하고, 이 데이터를 분류 및 분석하여 데이터베이스(47)에 저장한다.
즉, 서버(S)는 신호 입력부(31)와, 입력된 신호를 분석하여 건물의 침하여부를 판단하는 침하 판단부(33)와; 균열을 판단하는 균열 판단부(35)와; 온습도의 기준치 초과여부를 판단하는 온습도 판단부(37)와; 가스검출 여부를 판단하는 가스 검출 판단부(39)와; 미세먼지 여부를 판단하는 먼지 판단부와; 데이터 베이스(47)를 포함한다.
상기 침하 판단부(33)는 센서부(2)의 MCU(21)를 통하여 수신된 자이로센서(11) 혹은 가속도 센서(15)를 분석하여 위치값 혹은 가속도값이 기준치 이상이면 침하로 판단한다. 이러한 침하 여부 판단은 센서가 1개 경우 측정이 가능하다.
균열 판단부(35)는 건물 혹은 교량의 균열을 판단하는 바, 이는 2개의 센서로부터 수신된 데이터를 분석함으로써 판단할 수 있다.
즉, 센서와 이웃한 센서(2,2a)를 운용하는 경우, 2개의 센서(2,2a)로부터 전송된 위치정보 혹은 가속도 정보 등을 분석하여 균열을 파악할 수 있다.
예를 들면, 2개의 센서(2,2a)가 균열된 부분(5)을 중심으로 양측에 각각 부착된 경우, 균열이 발생하게 되면 각각의 센서로부터 송신되는 위상값이 다르게 되므로 서버(S)는 이러한 2개의 신호를 수신하여 분석함으로써 해당 구역에 균열이 발생하였음을 파악할 수 있다.
온습도 판단부(37)는 수신된 온도 혹은 습도 데이터를 분석하여 기준치 이상 혹은 이하이면 온도 및 습도가 기준범위를 넘어서 변동하는 것으로 판단한다.
가스검출 판단부는 수신된 가스 데이터를 분석하여 검침된 수치가 기준치 이상이면 가스가 누출된 것으로 판단한다.
또한, 미세먼지 판단부(41)는 수신된 먼지 데이터를 분석하여 검침된 수치가 기준치 이상이면 미세먼지가 발생한 것으로 판단한다.
상기에서는 균열, 침하, 온습도 등을 각 판단부에서 개별적으로 판단하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 이들 위험요소들을 종합적으로 분석하여 건물이나 교량의 안전여부를 판단할 수도 있다.
즉, 이상여부 판단부(45)는 침하 판단부(33)와, 균열 판단부(35)와, 온습도 판단부(37)와, 가스 검출 판단부(39)와, 미세먼지 판단부(41)와 유기적으로 연결됨으로써 각 판단부로부터 입력된 데이터를 분석하여 전체적인 건물 혹은 교량의 위험도를 판단하게 된다.
예를 들면, 침하 판단부(33)의 결과값 비중은 30, 균열 판단부(35)로부터 출력된 결과값의 비중은 40, 온습도 판단부(37)의 결과값의 비중은 5, 가스검출이나 미세먼지 판단부(41)의 결과값 비중은 1의 비율로 연산한다.
이를 수식으로 나타내면 아래와 같다.
전체 위험도=(균열값*0.4)+(침하값*0.3)+(온습도값*0.05)+(가스검출값*0.001) +(미세먼지값*0.01)
따라서, 침하 및 균열 판단부(35)의 결과값을 온습도나 가스검출 결과값 보다 더 높은 비중을 설정함으로써 전체적인 위험도 연산이 이를 반영한다.
결국, 건물이나 교량의 전체적인 위험도를 연산할 때 침하 및 균열 정도를 보다 높게 고려하게 된다.
상기 데이터 베이스(47)는 서버에서 처리된 데이터를 저장하여 보관하는 바, 예를 들면, 건물이나 교량(3) 등에 장착된 다수의 센서의 ID, MAC, Name, 종류, X좌표, Y좌표에 대한 데이터를 수신하여 저장한다.
그리고, 서버(S)에 의하여 처리된 데이터는 모니터 등의 디스플레이어(C)를 통하여 표, 그래프 등으로 표시됨으로써 사용자는 시각적으로 현재의 상태를 확인할 수 있다.
그리고, 사용자는 스마트폰(A)에 관련 앱(App.)을 탑재하고, 이 앱을 활성화하여 서버(S)에 접속함으로써 건물이나 교량(3)의 균열, 침하, 온습도, 가스누출, 미세먼지 상태를 모니터링할 수 있다.

Claims (5)

  1. 대상물(3)에 장착되어 X축, Y축, Z축의 3축방향의 위치, 가속도, 온습도, 미세먼지, 가스누출을 감지하는 센서부(2)와;
    센서부(2)로부터 신호를 수신하여 저전력 장거리 통신신호로 변환하여 송신하는 중계부(8)와; 그리고
    중계부(8)로부터 저전력 통신신호를 수신하여 데이터를 분석하여 대상물(3)의 침하 및 균열여부를 판단하고, 단말기에 전송함으로써 원격지에서도 균열 상태를 파악할 수 있도록 하는 서버(S)를 포함하는 스마트 안전관리 모니터링 시스템(1).
  2. 제 1항에 있어서,
    센서부(2)는 케이스(4)와; 케이스(4)에 장착되어 X축, Y축, Z축방향의 기울어짐을 감지함으로써 균열이나 경사, 침하를 감지하는 자이로 센서(11)(Gyro Sensor)와; 자력을 측정하는 지자기 센서(13)(geomagnetic sensor)와; 온도 및 습도를 측정하는 온습도 센서(temperature and humidity sensor)와; 움직임을 감지하는 가속도 센서(15)(acceleration sensor)와; 미세먼지를 측정하는 센서와; 감스를 감지하는 센서와; 상기 센서들로부터 측정된 데이터를 수신하여 처리하는 MCU(21)와; 제 1저전력 통신모듈(27)과, 전원부(23)를 포함하는 스마트 안전관리 모니터링 시스템(1).
  3. 제 2항에 있어서,
    서버(S)는 신호 입력부(31)와, 입력된 신호를 분석하여 건물의 침하여부를 판단하는 침하 판단부(33)와; 균열을 판단하는 균열 판단부(35)와; 온습도의 기준치 초과여부를 판단하는 온습도 판단부(37)와; 가스검출 여부를 판단하는 가스 검출 판단부(39)와; 미세먼지 여부를 판단하는 먼지 판단부(41)와; 데이터 베이스(47)를 포함하는 스마트 안전관리 모니터링 시스템(1).
  4. 제 3항에 있어서,
    서버(S)는 이상여부 판단부(45)를 추가로 포함하며,
    이상여부 판단부(45)는 침하 판단부(33)와, 균열 판단부(35)와, 온습도 판단부(37)와, 가스 검출 판단부(39)와, 미세먼지 판단부(41)와 유기적으로 연결됨으로써 각 판단부로부터 입력된 데이터를 분석하여 아래 수식에 의하여 전체적인 건물 혹은 교량의 위험도를 판단하는 스마트 안전관리 모니터링 시스템.
    전체 위험도=(균열값*0.4)+(침하값*0.3)+(온습도값*0.05)+(가스검출값*0.01)+(미세먼지값*0.01)
  5. 제 1항에 있어서,
    중계기(8)는 게이트 웨이(7)(Gateway)와; 제 2저전력 통신모듈(9)을 포함함으로써 저전력 장거리 통신신호를 와이파이 신호 혹은 이너넷 신호로 변환하여 서버(S)로 전송하는 것을 특징으로 하는 스마트 안전관리 모니터링 시스템(1).
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