KR20180067056A - Mems 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템 - Google Patents

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권기현
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Abstract

본 발명은 MEMS 공정으로 제조된 센서들을 이용하여 실내의 온도 및 기체 농도를 측정할 수 있고, 실내의 환경을 실시간으로 모니터링할 수 있는 MEMS 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 MEMS 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템은,
온도, 기체 농도를 감지하는 감지 모듈과, 상기 감지 모듈에서 측정된 측정 데이터를 전송하는 제어 모듈을 포함하는 복수의 센서 노드; 상기 복수의 센서 노드에서 전송된 상기 측정 데이터를 수신하여 전송하는 게이트웨이; 및, 상기 게이트웨이에서 전송된 측정 데이터를 이용하여 대기환경 정보를 출력하는 데이터서버를 포함하며, 상기 복수의 센서 노드는 각각의 센서 노드 간에 데이터 송수신 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

MEMS 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템 {Environmental monitoring system based on MEMS environment sensor}
본 발명은 MEMS 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 MEMS 공정으로 제조된 센서들을 이용하여 실내의 온도 및 기체 농도를 측정할 수 있고, 실내의 환경을 실시간으로 모니터링할 수 있는 MEMS 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 환경조건은 많은 물리적인 인자들의 상호 작용의 결과로 도출되며, 이러한 물리 인자에는 온도, 상대습도, 공기유동, 환기, 조명, 소음, 진동, 먼지, 전자기 현상, 공기 이온, 정전기 등이 있다.
이러한 물리 인자들이 환경 조건 형성에 영향을 미치게 되며, 특히 인간에 대한 삶의 질에 큰 영향을 미치게 된다. 이러한 물리 인자 중에 온도, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 먼지 등은 건강과 열적 편안함 및 공기질과 다양한 연관이 있다.
이산화탄소는 그 농도가 증가하면 인간의 호흡 운동이 증가하여 폐포 내 환기를 증대시킴으로써, 폐포 내의 이산화탄소량을 일정하게 유지한다. 공기 중의 이산화탄소 농도가 3%가 되면 호흡이 증가하고, 4%가 되면 폐포 내의 이산화탄소가 증가하기 시작하여 호흡곤란, 두통, 이명 등의 증상을 일으키게 된다.
따라서, 이산화탄소 농도는 실내 공기의 환기 상태를 평가하는 지표로 이용되고, 환기가 불량한 실내는 온도나 습도 상승으로 불쾌감을 유발할 수 있으며, 공기 중의 분진이나 세균 수의 증가 등으로 인하여 실내 공기질이 악화 되기 때문에 환기가 반드시 필요하다.
이에, 실내의 온도와 일산화탄소, 이산화탄소의 양을 모니터링할 수 있는 환경 모니터링 시스템의 개발이 필요한 실정이다.
한편, 도 1은 종래 기술에 따른 환경 모니터링 시스템이 도시된 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 환경 모니터링 시스템은, 온도 센서, 가스 센서(10) 등에서 측정된 측정 데이터는 AP(21, Acess Point)를 통해 메인 허브(22)를 거쳐 서버(30)로 전송되고, 서버(30)에서는 측정 데이터를 이용하여 실내의 온도나 일산화탄소, 이산화탄소의 양을 모니터링한다.
이때, 복수의 센서(10)에서 측정된 측정 데이터는 모두 AP(21)를 거치게 되어, AP(21)에 데이터 과부하가 생길 우려가 크고, 또한 하나의 AP에 해당 영역의 모든 센서(10)의 측정 데이터가 전송되므로, AP(21)의 고장 또는 오작동시에는, 결국 해당 영역의 측정 데이터가 서버(30)로 전송되지 못하는 문제가 있다.
본 발명은 MEMS 공정으로 제조된 센서들을 이용하여 실내의 온도 및 기체 농도를 측정할 수 있고, 센서 노드 간에 데이터 송수신 가능하도록 하여 보다 간단한 네트워크 구조로도 실내의 환경을 실시간으로 모니터링할 수 있는 MEMS 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 MEMS 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템은,
온도, 기체 농도를 감지하는 감지 모듈과, 상기 감지 모듈에서 측정된 측정 데이터를 전송하는 제어 모듈을 포함하는 복수의 센서 노드; 상기 복수의 센서 노드에서 전송된 상기 측정 데이터를 수신하여 전송하는 게이트웨이; 및, 상기 게이트웨이에서 전송된 측정 데이터를 이용하여 대기환경 정보를 출력하는 데이터서버를 포함하며, 상기 복수의 센서 노드는 각각의 센서 노드 간에 데이터 송수신 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 감지 모듈은, 실내의 온도를 감지하는 온도 센서와, 실내 공기 중의 이산화탄소 농도를 측정하는 이산화탄소 센서와, 실내 공기 중의 일산화탄소 농도를 측정하는 일산화탄소 센서를 포함하며, 상기의 온도 센서, 이산화탄소 센서, 일산화탄소 센서는 MEMS 공정으로 제조된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 센서 노드간의 데이터 송수신은 지그비 통신으로 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 데이터서버는, 서버의 전체 동작을 제어하는 제어부와, 상기 센서 노드로부터 수신된 측정데이터와 상기 센서 노드에 대한 정보를 저장 및 관리하는 데이터베이스와, 상기 게이트웨이와 통신하는 제1 통신 인터페이스부와, 외부의 컴퓨팅 디바이스와 통신을 수행하는 제2 통신 인터페이스부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 제어부는, 상기 제1 통신 인터페이스부를 통해 상기 게이트웨이로부터 데이터패킷을 실시간으로 수신하고, 수신된 데이터 패킷들을 분석하여 상기 센서 노드에 관한 정보, 측정 데이터들을 검출하는 데이터 관리 모듈과, 상기 데이터 관리 모듈에 의해 실시간으로 검출된 상기 센서 노드에 관한 정보, 측정 데이터들을 상기 제2 통신 인터페이스부를 이용하여 외부의 컴퓨팅 디바이스 또는 이동통신 단말기로 전송하는 분석/모니터링 모듈과, 상기 데이터 관리모듈을 통해 실시간으로 수신되는 측정 데이터들의 값을 확인하고, 확인된 측정 데이터 값이 기설정된 임계값 또는 임계 범위를 벗어나는 경우 알림 신호를 생성하는 알림 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, MEMS 공정으로 제조된 센서들을 이용하여 실내의 온도 및 기체 농도를 측정할 수 있고, 실내의 환경을 실시간으로 모니터링할 수 있다.
또한, 각각의 센서 노드 간에 데이터 송수신 가능하므로, 무선 센서 네트워크 구성의 단순화를 구현할 수 있어 실제로 무선 센서 네트워크 구축시 네트워크 오동작을 최소화 할 수 있는 효과를 기대할 수 있음은 물론, 네트워크의 구성 변경이 용이하고 무선 센서 네트워크 영역의 무한 확대가 가능하게 되는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 환경 모니터링 시스템이 도시된 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템이 도시된 개념도이다.
도 3은 센서노드의 구조가 도시된 블럭도이다.
도 4는 게이트웨이의 구조가 도시된 블럭도이다.
도 5는 데이터서버의 구조가 도시된 블럭도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 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 발명에서, '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. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템이 도시된 개념도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템(이하, ‘환경 모니터링 시스템’이라 함)은, 복수의 센서 노드(100), 게이트웨이(200), 데이터서버(300)를 포함한다. 여기서, 데이터서버(300)는 외부의 컴퓨팅 장치, 예를 들어 이동통신 단말기와 연동될 수 있다.
센서 노드(100)는 온도와 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 등의 기체 농도를 측정하여 게이트웨이(200)로 전송한다. 이때, 센서 노드(100)는 주기적으로 온도나 일산화탄소, 이산화탄소 등의 기체 농도를 측정하여 전송할 수도 있고, 데이터서버(300)의 측정 요구에 대응하여 온도나 일산화탄소, 이산화탄소 등의 기체 농도를 측정하여 전송할 수도 있다.
또한, 센서 노드(100)는 게이트웨이(200)와 데이터 패킷을 송수신하거나, 센서 노드(100) 들 사이에 호핑(hopping) 방식으로 데이터 패킷을 전송하여 최종적으로 게이트웨이(200)로 데이터 패킷이 전송되도록 할 수도 있다.
이때, 센서 노드(100)과 게이트웨이(200)는 지그비, RFID, 블루투스 등의 근거리 통신망을 이용하여 데이터를 송수신하며, 가장 바람직하게는 지그비 통신을 사용하여 데이터를 송수신한다.
지그비 통신은 전력소비가 적고 설치비용이 저렴한 근거리 무선통신으로, 다른 무선 통신 기술과 비교해 전력 소모가 적고 생산 비용이 저렴해 전력 소모가 적고, 10~20미터 안팎의 근거리 통신에서 간단한 신호를 주고 받는데 매우 유용한 기술이다.
특히, 지그비는 반경 30m 안에서 250kbps 속도로 데이터를 전송할 수 있고, 메쉬(mesh) 네트워크 구조를 이용하면 하나의 무선 네트워크에 약 255대의 기기를 연결할 수 있어 유비쿼터스 컴퓨팅을 구현하는 기반을 활용할 수 있다.
또한, 이러한 지그비 기술은, IEEE 802.15.4 소규모 무선 개인 영역 네트워크(Low-rate Wireless Personal Area Network, LR-WPAN'S)로서, 블루투스에 비해 송신 데이터 양은 적지만 하나의 배터리로 1년을 사용할 정도로 저전력 규격이며 소프트웨어, 관련 부품들을 최소화해 원가가 블루투스의 2분 1에 그치는 등 제어와 센서를 기본으로 하는 홈 네트워크에 적합한 무선 통신 기술이다.
게이트웨이(200)는 센서 노드(100)에서 온도와 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 등의 기체 농도를 데이터서버(300)로 전송한다.
데이터서버(300)는 센서 노드(100) 및 게이트웨이(200)로부터 전송받은 온도와 기체 농도를 이용하여 대기환경 정보를 출력하여 실내 환경을 모니터링한다.
도 3은 센서 노드의 구조가 도시된 블럭도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 센서 노드는 감지 모듈(110), 무선통신칩(120), 전원 모듈(130)을 구비하며, 무선통신칩(120)은 제어 모듈(121)과 통신 모듈(122)을 포함한다.
감지 모듈(110)은 센서 노드의 종류에 따라 다양하게 구성될 수 있으며, 일예로 온도 센서(111), 이산화탄소 센서(112), 일산화탄소 센서(113) 등을 포함할 수 있다.
온도 센서(111)는 실내의 온도를 감지하기 위한 것으로, 적외선 센서(IR Sensor)를 사용할 수 있다. 적외선 센서는 적외선을 이용하여 온도, 압력, 방사선의 세기 등의 물리량과 화학량을 감지, 신호처리가 가능한 전기로 변환하는 장치로 기계가 적외선을 발산하여 차단하는 것을 감지하는 방식과 주변의 적외선을 검출하는 방식이 있다.
물론, 온도 센서(111)는 반드시 적외선 센서에 한정되는 것은 아니며, 열전대(thermocouple)를 이용한 온도 센서, 저항온도계(RTD: resistence temperature detect)를 이용한 온도 센서 등을 사용할 수도 있다.
이산화탄소 센서(112)는 실내 공기 중의 이산화탄소 농도를 측정하여 출력하며, 예를 들어 NDIR(Non-dispersive Infrared) 방식을 채택하여 공기 중의 이산화탄소를 검출할 수 있다.
일산화탄소 센서(113)는 실내 공기 중의 일산화탄소 농도를 측정하여 출력하며, 예를 들어, 정전위 전해법과 적외선 흡수법, 광간섭법, 접촉 연소법, 반도체법, 가스 크로마토그래피법 등을 이용한 센서를 사용할 수 있다.
상기의 온도 센서(111), 이산화탄소 센서(112), 일산화탄소 센서(113)는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 공정으로 초소형으로 제조될 수 있다.
제어 모듈(121)은 센서 노드의 동작을 전체적으로 제어하는 것으로서, 감지 모듈(110)에 의해 감지된 측정 데이터를 수신하고, 수신된 측정 데이터를 디지털 데이터로 변화하고, 변환된 디지털 데이터를 기설정된 프로토콜에 따라 게이트웨이(200)로 송신한다.
또한, 제어 모듈(121)은 게이트웨이(200)로부터 데이터 패킷이 수신되는 경우, 수신된 데이터 패킷을 분석하여, 분석된 명령에 따라 응답 메시지를 게이트웨이(200)로 송신한다.
통신 모듈(122)은 제어 모듈(121)의 제어하에 기설정된 통신 프로토콜에 따라 게이트웨이(200)로 데이터를 전송하거나, 게이트웨이(200)로부터 데이터를 수신하며, 호핑시 다른 센서 노드들로 데이터를 송신하거나, 외부의 다른 센서 노드들로부터 데이터를 수신한다.
전원 모듈(130)은 센서 노드를 구성하는 각 모듈로 전원을 제공한다.
도 4는 게이트웨이의 구조가 도시된 블럭도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 게이트웨이(200)는 제어 모듈(210), 제1 통신 모듈(220), 제2 통신 모듈(230), 전원 모듈(240)을 구비한다.
제어 모듈(210)은 게이트웨이(200)의 전체 동작을 제어하는 것으로서, 제1 통신모듈(220)을 통해 센서 노드(100)와 데이터 패킷을 송수신하며, 제2 통신 모듈(230)을 통해 데이터서버(300)와 데이터 패킷을 송수신한다.
만약 제1 통신 모듈(220)을 통해 데이터 패킷이 수신되는 경우, 제어 모듈(210)은 제2 통신 모듈(230)을 통해 데이터서버(300)로 전송하며, 만약 제2 통신 모듈(230)을 통해 데이터 패킷이 수신되는 경우, 제어 모듈(210)은 데이터 패킷을 분석하여 목적지의 센서 노드(100)로 전송한다.
제1 통신 모듈(220)은 센서 노드(100)의 통신 모듈과 무선으로 데이터 패킷을 송수신할 수 있는 통신 모듈이다.
제2 통신 모듈(230)은 데이터서버(300)를 통해 데이터패킷을 송수신하기 위한 것으로서, 지그비와 같은 근거리 무선 통신 모듈이나, CDMA, WCDMA, HSDPA, Wibro 등과 같은 통신 모듈을 사용할 수 있다. 따라서, 게이트웨이(200)는 제2 통신 모듈(230)을 이용하여 무선망을 통해 데이터서버(300)로 또는 데이터서버(300)로부터 데이터 패킷을 송수신할 수 있게 된다.
전원 모듈(240)은 게이트웨이를 구성하는 각 모듈로 전원을 제공한다.
도 5는 데이터서버의 구조가 도시된 블럭도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 데이터서버(300)는 서버의 전체 동작을 제어하는 제어부(310), 센서 노드로부터 수신된 측정데이터와 센서 노드에 대한 정보를 저장 및 관리하는 데이터베이스(320), 게이트웨이와 통신하는 제1 통신 인터페이스부(330), 외부의 컴퓨팅 디바이스 등과 통신을 수행하는 제2 통신 인터페이스부(340)를 구비한다.
제어부(310)는 데이터 관리 모듈(311), 분석/모니터링 모듈(312), 알림 모듈(313)을 구비한다.
데이터서버(300)는 외부의 모니터링 컴퓨터, 또는 이동통신 단말기 등과 연동하여, 센서 노드들로부터 수신되는 정보들을 실시간으로 제공할 뿐만 아니라 센서 노드들의 동작을 직접 제어하여 구동시킴으로써, 센서 노드가 배치된 실내의 환경을 실시간으로 모니터링할 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템의 동작 과정을 설명한다.
먼저, 데이터서버(300)의 상기 데이터 관리 모듈(311)은 제1 통신 인터페이스부(330)를 통해 게이트웨이로부터 데이터패킷을 실시간으로 수신하고, 수신된 데이터 패킷들을 분석하여 센서 노드에 관한 정보, 측정 데이터들을 검출하며, 검출된 정보 및 데이터들을 데이터베이스(320)에 저장 및 관리한다.
상기 분석/모니터링 모듈(312)은 상기 데이터 관리 모듈(311)에 의해 실시간으로 검출된 센서 노드에 관한 정보, 측정 데이터들을 제2 통신 인터페이스부(340)를 이용하여 외부의 컴퓨팅 디바이스 또는 이동통신 단말기로 전송한다.
또한, 상기 분석/모니터링 모듈(312)은 관리자로부터의 요청에 따라 상기 데이터베이스(320)에 저장된 각 센서 노드들의 측정 데이터들을 판독하여 분석하고, 분석된 결과를 이용하여 막대 그래프나 챠트와 같이 다양한 형태의 보고서를 작성하거나 통계 결과 보고서를 작성하여 외부의 컴퓨팅 디바이스 또는 이동통신 단말기로 제공하여 화면에 디스플레이시킨다.
한편, 상기 데이터서버(300)와 연동되는 외부의 컴퓨팅 디바이스 또는 이동통신 단말기는 분석/모니터링 모듈(312)로부터 전송된 여러 센서 노드들의 측정 데이터들을 사전에 설정된 다양한 형태로 실시간으로 화면에 디스플레이시킴으로써, 관리자로하여금 실시간으로 각 센서 노드들의 정보를 모니터링할 수 있도록 한다.
알림 모듈(313)은 관리자에 의하여 각 센서 노드들로부터의 측정 데이터들에 대한 임계값 또는 임계범위를 사전에 설정되어 저장 및 관리한다. 또한 알림 모듈(313)은 데이터 관리모듈(311)을 통해 실시간으로 수신되는 측정 데이터들의 값을 확인하고, 확인된 측정 데이터 값이 기설정된 임계값 또는 임계 범위를 벗어나는 경우, 알림 신호를 생성한다. 예를 들어, 외부의 통신사의 SMS 서버(미도시)를 통해 관리자의 이동통신 단말기로 단문메시지 또는 멀티 미디어 메시지를 전송하여 실내 환경 모니터링 결과를 알린다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 : 센서 노드 200 : 게이트웨이
300 : 데이터서버

Claims (5)

  1. 온도, 기체 농도를 감지하는 감지 모듈과, 상기 감지 모듈에서 측정된 측정 데이터를 전송하는 제어 모듈을 포함하는 복수의 센서 노드;
    상기 복수의 센서 노드에서 전송된 상기 측정 데이터를 수신하여 전송하는 게이트웨이; 및,
    상기 게이트웨이에서 전송된 측정 데이터를 이용하여 대기환경 정보를 출력하는 데이터서버를 포함하며,
    상기 복수의 센서 노드는 각각의 센서 노드 간에 데이터 송수신 가능한 것을 특징으로 하는 MEMS 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 감지 모듈은,
    실내의 온도를 감지하는 온도 센서와, 실내 공기 중의 이산화탄소 농도를 측정하는 이산화탄소 센서와, 실내 공기 중의 일산화탄소 농도를 측정하는 일산화탄소 센서를 포함하며,
    상기의 온도 센서, 이산화탄소 센서, 일산화탄소 센서는 MEMS 공정으로 제조된 것을 특징으로 하는 MEMS 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서 노드간의 데이터 송수신은 지그비 통신으로 수행되는 것을 특징으로 하는 MEMS 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 데이터서버는,
    서버의 전체 동작을 제어하는 제어부와,
    상기 센서 노드로부터 수신된 측정데이터와 상기 센서 노드에 대한 정보를 저장 및 관리하는 데이터베이스와,
    상기 게이트웨이와 통신하는 제1 통신 인터페이스부와,
    외부의 컴퓨팅 디바이스와 통신을 수행하는 제2 통신 인터페이스부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제1 통신 인터페이스부를 통해 상기 게이트웨이로부터 데이터패킷을 실시간으로 수신하고, 수신된 데이터 패킷들을 분석하여 상기 센서 노드에 관한 정보, 측정 데이터들을 검출하는 데이터 관리 모듈과,
    상기 데이터 관리 모듈에 의해 실시간으로 검출된 상기 센서 노드에 관한 정보, 측정 데이터들을 상기 제2 통신 인터페이스부를 이용하여 외부의 컴퓨팅 디바이스 또는 이동통신 단말기로 전송하는 분석/모니터링 모듈과,
    상기 데이터 관리모듈을 통해 실시간으로 수신되는 측정 데이터들의 값을 확인하고, 확인된 측정 데이터 값이 기설정된 임계값 또는 임계 범위를 벗어나는 경우 알림 신호를 생성하는 알림 모듈
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 환경 센서 기반 환경 모니터링 시스템.
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