KR20190045538A - It기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템 및 그 통신방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템에 있어서, 복수개의 수질측정센서(41)로 구성되고 수질측정센서(41)가 측정한 수질데이터가 송신되고 제어신호가 수신되는 수질측정센서부(40); 수질측정센서부(40)로부터 수신받은 상기 수질데이터를 근거리통신으로 송수신하는 근거리 통신유닛(10,20); 근거리 통신유닛(10,20)로부터 근거리통신을 통하여 수신받은 수질데이터를 원거리통신으로 송수신하는 원거리 통신유닛(30); 원거리 통신유닛(30)로부터 수신받은 수질데이터를 원격에서 모니터링하여 수질측정센서부(40)를 제어하는 통합관리서버(60);를 포함하여 구성된다.
본 발명은 지하수의 수질을 복수개의 관측정에서 순환식으로 측정하기 위하여 통신유닛 내부에 수질측정센서를 장착하여 무선 네트워크의 통합관리서버에 수질데이터를 전송하는 것이 가능하고, 무선 네트워크를 구성하는 노드의 슬립 구간을 조정하고 슬립 구간에서 액티브 구간으로 절환되는 시점을 조정하여 노드의 전력소모를 절감함으로 인해 장시간 운영가능한 효과가 있다.

Description

IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템 및 그 통신방법 {System for water quality measurement to manage water quality based on IT and transmission method thereof}

본 발명은 수질측정 시스템 및 그 통신방법에 관한 것으로， 더욱 상세하게는 원격에서 모니터링 및 제어하여 복수의 관측정 및 집수정의 수질을 장시간 측정하고 관리하기 위해서 무선 네트워크를 구성하는 노드의 슬립 구간을 조정하고, 슬립 구간에서 액티브 구간으로 절환되는 시점을 조정하여 노드의 전력소모를 절감한 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템 및 그 통신방법에 관한 것이다.

구제역과 AI로 인해 대량의 가축이 매몰되고 있으며(2011년까지 전국 총 4,234개 매몰지 분포), 이러한 가축의 매몰로 인한 매몰지가 증가 추세에 있다. 우선 가축의 매몰 과정은 체계적인 연구로 확립되는 것이 불가능하고, 매몰지는 상수원으로 이용되는 하천이나 집단거주지역내 지하수 관정 인근에 분포하지만 방치되는 관정으로 인해 지하수가 오염되고 있다. 이러한 지하수 오염은 확산되고 있으며 이로 인한 공동우물이나 간이상수도의 오염도 우려되고 있다.

이러한 이유로 지하수 수질 모니터링 기술이 필요하며 간이상수도 원격통합관리시스템이 필요하다. 이는 용수로 사용되는 청정자원으로서의 지하수 오염을 방지하고 지하수와 연계된 생태계 위협 및 파괴를 방지하는 것이 필요하며, 지하수 오염상태를 확인하기 위한 지속적인 지하수 수질의 관측 및 관리 기술이 필요하기 때문이다.

특히, 매몰지 적지선정 등의 체계적 분석이 없이 축사 인근지역에 대량의 가축이 매몰되고 있지만 하천 근접지, 과거 침수지역, 지하수위 높은 지역 등에 다수의 매몰지가 위치하고 있으므로 상수도 보급률이 낮은 면단위 이하는 지하수 오염시 피해의 증가가 예상된다.

이로 인해 지하수 수질을 원격에서 측정하고 수질을 분석하여 거동을 예측하여 위기발생시 경보가 가능한 지하수 수질 관리를 위한 원격통합관리시스템의 개발이 필요한 시점이다. 즉, 오염원과 간이상수도 사이에 지하수의 수질을 감시하는 관측정을 설치하여, 지하수 수질의 주기적 관측, 송신, 저장을 통한 원격 모니터링을 하는 지하수 오염 측정기술을 기반으로 한 원격통합관리시스템의 개발이 필요하다.

우리나라는 산업의 발달과 인구 증가로 인해 용수 수요량이 급증하고 있으며, 기후변화로 인한 가뭄과 홍수, 돌발적인 수질사고로부터 안정적인 취수원을 확보하기 위해 많은 노력을 기울이고 있는 실정이다. 이에 따라, 정부에서는 취수원 다변화 정책을 추진하고 있으며, 실질적인 사업으로 대형 지하수 개발이 급속도로 진행 중에 있다.

지하수 개발에서 대량의 취수를 목적으로 시공되는 방사형집수정은 집수정의 몸체인 우물통을 주대수층 구간까지 설치를 한 후, 주대수층 구간에서 수평방향으로 복수의 수평집수관을 방사형으로 설치하여 복수의 수평집수관 각각으로부터 집수정 내부로 지하수를 저장하는 장치이다.

여기에서, 수평집수관 각각의 길이는 대략 30m 에서 80m 사이의 길이를 갖는다. 대수층에 존재하는 지하수는 수두 차이 및 압력 차이에 따라 수평집수관으로 흘러 들어가게 되고 이들이 모여 집수정을 채우게 된다.

이렇게 모인 지하수의 수질을 측정하기 위한 방법으로 펌프를 이용해 집수정에 모인 지하수를 끌어올려 수질을 측정하는 방법을 사용하고 있는데, 이는 지하수의 오염이 측정되었을 경우, 복수의 수평집수관 중 어느 수평집수관에서 흘러들어 온 지하수가 오염되었는지 확인할 수 있는 방법이 마땅하지 않다.

이처럼 방사형 집수정을 이용하여 넓은 범위의 지하수의 수질을 측정하기 위해서는 다수의 지역에 수질관측정이 설치되어야 하고 다수의 수질관측정의 수질센서에서 측정한 정보가 주기적으로 서버에 전송되어한다. 이러한 수질관측정은 눈 또는 비와 같은 기후적 요소로부터 통신장비가 보호되어야 하므로 통신함체 내에 장착되게 된다.

수질관측정의 통신장비는 상호 통신이 가능한 무선 센서 네트워크(WIRELESS SENSOR NETWORK, WSN)와 같은 무선 네트워크에 접속된다.

이러한 무선 네트워크는 물리적 또는 환경적 조건을 모니터링하기 위해 센서 노드를 사용하는 독자적인 장치들로 구성된 네트워크이며 센서 노드들은 빛，온도 및 습도 등과 같은 물리적 데이터를 수집하여 통신하는 기능을 구비한다. 센서 노드들은 접근이 어려운 지역에 설치되기 때문에 배터리의 교체나 충전이 어려워서 한정된 에너지로 얼마나 오랫동안 네트워크를 유지하는지가 무선 센서 네트워크의 주된 관심사이다. 이러한 이유로 센서 노드들은 배터리의 장시간 사용을 보장하기 위한 저전력 설계가 요구되어 왔다.

일반적으로 센서 노드에서 가장 많은 전력 소비기 일어나는 것은 대기시에 무선신호를 기다리고 있는 경우이다(idle radio listening). 이를 해결하기 위해 종래에는 액티브 타임과 슬립 타임으로 나누어 센서 노드의 무선 통신부，프로세서，센서 등을 온/오프하는 것이 있었다. 이러한 노력에도 불구하고 여전히 센서 노드에서의 효과적인 절전을 위해 다양한 기술의 개발이 요구되는 실정이다.

예를 들어 좀 더 설명 하면, 도 8은 통신 구조가 스타 구조인 무선 네트워크를 도시한 것이다. 이러한 무선 네트워크를 형성하는 노드들 중 어느 하나는 원거리 통신노드(1000) 이고 나머지는 제 1 내지 제 6 근거리 통신노드(1020 ，1040 ，1060 ，1080 ，1100 ，1120) 이다.

전술한 스타 구조의 무선 네트워크에서의 통신 과정은 도 9에 도시한 바와 같이 조인 구간과 통신 구간과 슬립 구간으로 구성된다.

이러한 조인 구간은 제 1 내지 제 6 근거리 통신노드(1020 ，1040 ，1060 ，1080 ，1100 ，1120) 가 원거리 통신노드에 조인하는 구간으로， 제 l 내지 제 6 근거리 통신노드(1020，1040，1060，1080，1100，1120) 는 조인이 요구되면， 대기 상태로 진입하여 원거리 통신노드(1000)이 제공하는 동기화 신호를 제공받아 동기화를 이행한다.

이와 같이 동기화가 이루어진 후에 통신 구간이 개시되며, 원거리 통신노드(1000)와 제 l 내지 제 6 근거리 통신노드(1020, 1040, 1060, 1080, 1100, 1120) 각각은 미리 정의된 시간에 1 : 1 통신을 순차적으로 이행한다. 이러한 통신이 완료되면， 원거리 통신노드(1000)와 제 l 내지 제 6 근거리 통신노드(1020, 1040, 1060, 1080, 1100, 1120) 는 슬립 구간으로 진입한다.

이러한 슬립 구간에서 원거리 통신노드(1000)와 제 l 내지 제 6 근거리 통신노드(1020, 1040, 1060, 1080, 1100, 1120)는 미리 정해둔 슬립 시간동안 무선통신부 등을 오프하여 절전 상태를 유지하였다가，슬립 시간이 만료되면 통신 구간으로 진입한다.

이러한 통신 과정 중 조인 구간에서 근거리 통신노드들은 원거리 통신노드로부터 동기화 신호를 제공받기 위해 무선 통신부 등을 계속하여 구동하는 대기 상태를 유지하므로，원거리 통신노드와의 통신이 원활하지 않은 경우에는 전력 소모가 많은 문제가 있다.

그리고 이러한 통신 과정 중 통신 구간에서, 원거리 통신노드와 센서 노드 사이의 통신이 불능 상태가 되면，수차례 통신을 다시 시도하며, 그러함에도 불구하고 통신 실패가 일어나면 조인 구간부터 다시 반복한다. 이는 통신 환경이 빠르게 복구되지 않는 한， 조인 구간을 반복하더라도 원거리 통신노드로부터의 동기화 신호를 받을 수 없으므로 불필요하게 전력 소모를 가중시키는 원인이 되었다.

더욱이, 조인이나 통신 실패가 일어나는 경우에, 노드는 최소한 한 주기 동안 동기화 신호를 받기 위해 수신 대기하여야 한다. 이는 저전력 센서 네트워크에서 매우 심각한 문제이다.

대한민국 특허공개 제 1020090090461호 대한민국 특허공개 제 1020140132237호 대한민국 특허공개 제 1020120006794호 대한민국 특허공개 제 1020100128606호

본 발명은 지하수의 수질을 다수개의 관측정에서 순환식으로 측정하기 위하여 통신유닛 내부에 수질측정센서를 장착하여 무선 네트워크의 통합관리서버에 수질데이터를 전송하는 시스템에서 수질측정을 위한 시스템의 전력 소모량이 많아 배터리 수명이 줄게 되고 배터리의 잦은 점검과 교체로 인한 경제적 손실을 최소화하여 장시간 운영가능하도록 무선 네트워크를 구성하는 노드의 슬립 구간을 조정하고 슬립 구간에서 액티브 구간으로 절환되는 시점을 조정하여 노드의 전력소모를 절감한 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템 및 그 통신방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템은, IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템에 있어서, 복수개의 수질측정센서로 구성되고 상기 수질측정센서가 측정한 수질데이터가 송신되고 제어신호가 수신되는 수질측정센서부; 상기 수질측정센서부로부터 수신받은 상기 수질데이터를 근거리통신으로 송수신하는 근거리 통신유닛; 상기 근거리 통신유닛로부터 근거리통신을 통하여 수신받은 상기 수질데이터를 원거리통신으로 송수신하는 원거리 통신유닛; 상기 원거리 통신유닛로부터 수신받은 상기 수질데이터를 원격에서 모니터링하여 상기 수질측정센서부를 제어하는 통합관리서버;를 포함하여 구성된다.

바람직하게는 상기 근거리 통신유닛의 보호공몸체는 가이드봉이 제1 플랜지상에 수직하게 장착된 가이드부, 모뎀고정판과 배터리케이스가 제2 플랜지상에 수직하게 장착된 모뎀-배터리 지지대로 구성된 원통형 상부보호공; 상기 상부보호공의 하측에 형성되고 상부 단면의 지름이 하부 단면의 지름보다 크며 내측에 지지고리가 형성된 상부-하부 연결부; 및 상기 상부-하부 연결부의 하측에 형성되고 상기 수질측정센서부가 장착되는 공간부가 형성되며 상기 상부보호공의 단면의 지름보다 작은 단면의 지름을 구비한 하부보호공;을 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 근거리 통신유닛의 보호공몸체는 가이드봉과, 모뎀고정판과, 배터리케이스와, 제1 플랜지와, 제2 플랜지와, 잠금장치로 구성된 원통형 상부보호공; 상기 상부보호공의 하측에 구비되고 내부에 복수개의 고정용 고리가 형성되며 상부 단면의 지름이 하부 단면의 지름보다 큰 상부-하부 연결부; 및 상기 상부-하부 연결부의 하부에 형성되고 상기 수질측정센서부가 안착되는 공간부가 내측에 구비되며 상기 상부보호공의 단면의 지름보다 작은 단면의 지름을 구비한 하부보호공;을 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게는 상기 원거리 통신유닛은 세 개의 일직선의 봉으로 구성된 가이드봉과 상기 가이드봉이 수직으로 장착되고 내부에 공간부가 구비된 원판형 제1 플렌지로 구성된 가이드부와, 상기 가이드부의 내측에 안장되고 하부에는 상기 가이드봉에 대응되는 위치에 홈이 구비되고 일측에 두 개의 홈이 구비된 원판형 제2 플렌지가 구비되고 상기 제2 플렌지 상부 중앙에 수직하게 고정된 평판형 모뎀고정판이 구비되고 상기 모뎀고정판 양측에 상부가 개방되고 양측면에 홈이 구비된 직육면체의 배터리케이스가 구비된 모뎀-배터리 지지대로 구성되는 원통형 보호공몸체; 중앙에 두 개의 안테나가이드홈이 구비된 하부덮개와 상기 하부덮개 상부에 결합되고 상기 하부덮개의 일측에 형성된 힌지에 의해 투명한 재질로 구성된 원뿔형 상부덮개가 회동하여 개폐되는 덮개부; 근거리 통신을 위한 USN(RF) 통신모뎀과 원거리 통신을 위한 WCDMA 통신모뎀이 구비된 모뎀통신부; 및 배터리 구동 시스템과 태양광 충전 모듈을 이용한 태양광 충전 시스템이 호환되는 전원공급부;를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템의 통신 방법은，원거리 통신노드와 다수의 근거리 통신노드로 구성되는 무선 네트워크에서 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템의 통신 방법에 있어서，상기 근거리 통신노드가 조인 구간에 진입하여 상기 원거리 통신노드가 송신하는 동기화 신호를 수신하기 위해 미리 정해둔 시간동안 수신 상태를 유지하는 단계; 상기 수신 상태를 유지하는 동안에 상기 통기화 신호가 수신되지 않으면， 수신 불가 카운트를 증가하고，그 수신 불가 카운트가 미리 정해둔 수 이상인지를 체크하는 단계，및 상기 수신 불가 카운트가 미리 정해둔 수 이상이면 미리 정해둔 장시간동안 슬립 구간으로 동작하는 단계;를 포함하여 구성된다.

바람직하게는 상기 근거리 통신노드가 상기 원거리 통신노드로부터 동기화 신호를 수신할 때마다，저속 클럭 생성기를 상기 동기화 신호에 따라 동기시키는 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게는 상기 근거리 통신노드가 상기 원거리 통신노드로부터 동기화 신호를 수신하면， 슬립 구간에서의 클럭 생성을 담당하는 저속 클럭 생성기를 상기 동기화 신호에 따라 동기시키는 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게는 상기 근거리 통신노드는 슬립 구간모드로 진입하는 경우에 상기 근거리 통신노드의 주 동작을 위한 고속 클럭 생성기의 구동을 정지하고，상기 저속 클럭 생성기에 의해 계수된 시각이 상기 미리 정해둔 장시간이 경과되며 상기 원거리 통신노드의 동기화 신호 송신 구간을 지시하면，웨이크 업하여 상기 고속 클럭 생성기를 구동할 수 있다.

바람직하게는 상기 근거리 통신노드가 상기 원거리 통신노드와의 통신 구간에서 상기 원거리 통신노드와의 통신불능이 발생되면，상기 근거리 통신노드가 상기 통신 구간에서 다시 상기 원거리 통신노드로부터의 신호를 수신받기 위해 대기하는 단계; 상기 통신 구간에서 상기 원거리 통신노드로부터의 신호가 수신되지 않으면 상기 근거리 통신노드는 수신 실패 카운트를 증가하고，그 수신 실패 키운트가 미리 정해둔 수 이상이면 통신을 해제하고，상기 무선 네트워크에 대한 조인을 시도하는 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게는 상기 수신 불가 카운트가 미리 정해둔 수 이상이면 미리 정해둔 장시간동안 슬립 구간으로 동작하는 단계는 상기 근거리 통신노드와 상기 원거리 통신노드의 전원부가 배터리 구동 시스템에서 태양광 모듈 구동 시스템으로 전환되는 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다.

기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.

본 발명은 지하수의 수질을 복수개의 관측정에서 순환식으로 측정하기 위하여 통신유닛 내부에 수질측정센서를 장착하여 무선 네트워크의 통합관리서버에 수질데이터를 전송하는 것이 가능하고, 무선 네트워크를 구성하는 노드의 슬립 구간을 조정하고 슬립 구간에서 액티브 구간으로 절환되는 시점을 조정하여 노드의 전력소모를 절감함으로 인해 장시간 운영가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 관측정의 모식도이다.
도 3은 도 2의 관측정의 제1 근거리 통신유닛을 도시한 단면도이다.
도 4는 도 2의 관측정의 제2 근거리 통신유닛을 도시한 단면도이다.
도 5는 도 2의 관측정의 제2 근거리 통신유닛을 도시한 사시도이다.
도 6은 도 2의 관측정의 제2 근거리 통신유닛을 도시한 분해사시도이다.
도 7은 도 2의 관측정의 원거리 통신유닛을 도시한 단면도이다.
도 8은 일반적인 무선 네트워크의 구성도이다.
도 9는 일반적인 무선 네트워크의 노드의 동작과정을 도시한 작동도이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 네트워크의 구성도이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 통신 과정 중 조인 구간의 처리 흐름도이다.
도 12는 도 11에 따른 동작예를 예시한 작동도이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 통신 과정 중 액티브 구간의 처리 흐름도이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고속 및 저속 클럭 생성기의 제어방법의 흐름도이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저속 클럭에 따른 전력소모 과정을 예시한 작동도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.

반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.

마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.

더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.

본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템을 도시한 개략도이다.

도 2는 도 1의 관측정의 모식도이다.

도 3은 도 2의 관측정의 제1 근거리 통신유닛을 도시한 단면도이다.

도 4는 도 2의 관측정의 제2 근거리 통신유닛을 도시한 단면도이다.

도 5는 도 2의 관측정의 제2 근거리 통신유닛을 도시한 사시도이다.

도 6은 도 2의 관측정의 제2 근거리 통신유닛을 도시한 분해사시도이다.

도 7은 도 2의 관측정의 원거리 통신유닛을 도시한 단면도이다.

본 발명의 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템은, IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템에 있어서, 복수개의 수질측정센서(41)로 구성되고 상기 수질측정센서(41)가 측정한 수질데이터가 송신되고 제어신호가 수신되는 수질측정센서부(40); 상기 수질측정센서부(40)로부터 수신받은 상기 수질데이터를 근거리통신으로 송수신하는 근거리 통신유닛(10,20); 상기 근거리 통신유닛(10,20)로부터 근거리통신을 통하여 수신받은 상기 수질데이터를 원거리통신으로 송수신하는 원거리 통신유닛(30); 상기 원거리 통신유닛(30)로부터 수신받은 상기 수질데이터를 원격에서 모니터링하여 상기 수질측정센서부(40)를 제어하는 통합관리서버(60);를 포함하여 구성된다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 근거리 통신유닛(10,20)은 집수정(1), 수평집수관(11), 관측정(5) 근처에 설치되고, 근거리 통신유닛(10,20)의 하부는 지하수가 흐르는 심도(h)에 이르는 공벽(8)이 형성되고 그 내측에 스크린(9)이 형성되어 수질측정센서가 지하수가 흐르는 심도(h)까지 안내된다. 수질측정센서에서 측정된 수질데이터는 통합관리서버(60)에 전송되어 원격에서 지하수의 수질을 관리하고 제어한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 근거리 통신유닛(10)은 원통형 보호공몸체(100), 덮개부(200), 모뎀통신부(300), 전원공급부(500)로 구성되고, 수질측정센서부(40)가 탑재된다.

원통형 보호공몸체(100)는 가이드부(101)과 모뎀-배터리 지지대(102)로 구성된다.

가이드부(101)은 세 개의 일직선의 봉으로 구성된 가이드봉(111)과, 가이드봉(111)이 수직으로 장착되고 내부에 공간부가 구비된 원판형 제1 플렌지(115)로 구성된다.

모뎀-배터리 지지대(102)는 가이드부(101)의 내측에 안장되고 하부에는 가이드봉(111)에 대응되는 위치에 홈이 구비되고 일측에 두 개의 홈이 구비된 원판형 제2 플렌지(116)가 구비된다.

제2 플렌지(116) 상부 중앙에 수직하게 고정된 평판형 모뎀고정판(113)이 구비된다.

모뎀고정판(113) 양측에 상부가 개방되고 양측면에 홈이 구비된 직육면체의 배터리케이스(114)가 구비된다.

제1 플렌지(115)는 원통형 보호공 몸체(100) 내부에 고정되어 설치된 삼각지지대 상에 위치할 수 있다.

받침부(150)는 각각의 변이 라운드되게 형성된 삼각형 형상으로 원통형 보호공몸체(100) 일단에 원통형 보호공몸체(100)의 길이방향과 수직하게 형성된다. 받침부(150)은 지상에 설치되거나 지하에 매설되어 근거리 통신유닛(10,20)의 하중을 지지한다.

덮개부(200)는 하부덮개(210)와 상부덮개(220)로 구성된다. 하부덮개(210)과 상부덮개(220)은 연결링(211)이나 힌지(215)에 의하여 결합된다.

하부덮개(210)는 중앙에 하나 또는 복수개의 안테나가이드홈(201)이 구비된 다.

안테나가이드홈(201)은 원통형 보호공몸체(100) 내부에 장착된 모뎀통신부(300)의 근거리 통신을 위한 USN(RF) 통신모뎀(310)의 안테나가 안테나가이드홈(201)을 통해 덮개부(200) 내부로 진입하게 한다.

상부덮개(220)는 원뿔형이고 투명한 재질로 구성된다.

하부덮개(210)는 상부덮개(220)와 스크류가 형성된 연결링(211)에 의하여 착탈식으로 결합되거나 힌지(215)가 형성되어 상부덮개(220)가 회동하여 개폐된다.

모뎀통신부(300)는 근거리 통신을 위한 USN(RF) 통신모뎀(310)을 구비한다.

모뎀통신부(300)는 데이터 통합 포맷을 이용하며 프레임은 Sync Word는 4바이트로 패킷 식별코드 1바이트를 포함하고 Data는 12비트 내지 60비트로 종류에 따라서 길이가 가변적으로 변한다.

전원공급부(500)는 배터리 구동 시스템과 태양광 모듈 구동 시스템이 상호 호환될 수 있다.

전원공급부(500)는 배터리 구동 시스템일 경우 배터리가 배터리 케이스(114) 내부에 착탈식으로 구비되며, 태양광 모듈 구동 시스템일 경우는 근거리 통신 유닛(10,20) 외부에 설치된 태양광 모듈과 연결된다.

전원공급부(500)가 태양광 모듈 구동 시스템일 경우는 태양광 발전 시스템이 이용되고, 여기에 사용되는 태양광 컨트롤러는 11.5V 내지 32V를 입력하고 8.4V 2A 가 출력된다. 태양광 컨트롤러에는 리튬이온 건전지가 장착되는데 8.4V 24000mAh 이다.

이러한 전원공급부(500)는 제1 근거리 통신유닛(10)과 제2 근거리 통신유닛(20), 원거리 통신유닛(30)의 모뎀통신부(300)와 수질측정센서부(40)에 전원을 공급한다.

수질측정센서부(40)는 복수개의 수질측정센서(41)로 구성되고, 원통형 보호공몸체(100)의 내측에 형성된 지지고리(118)에 의해 연장이 가능한 연결부(45)에 의해 지지된다. 수질측정센서(41)는 Depth Sensor, Temperature Sensor, Acidity/PH Sensor, Dissolved Oxygen Sensor, Ammonia Sensor, Nitrate Sensor, Conductance Sensor, Chloride Sensor로 8종으로 구성된다.

수질측정센서(41)는 수위, 수온, 수소이온, 용존 산소, 암모니아성 질소, 질산성 질소, 전기전도도, 염소이온을 측정한다. Depth Sensor는 수위의 표시범위는 0~25m, 이고 오차는 0.05m 이며 단위는 0.01m 이다. Temperature Sensor는 수온의 표시범위는 -5~50℃이고 오차는 0.10℃ 이며 단위는 0.01℃이다.

Acidity/PH Sensor의 수소이온의 표시범위는 0~14유닛이고 오차는 0.2 유닛이며 단위는 0.01 유닛이다.

Dissolved Oxygen Sensor의 용존 산소의 표시범위는 0~30mg/L 이고 오차는 0.01 mg/L 이며 단위는 0.01 또는 0.1 mg/L이다.

Ammonia Sensor의 암모니아성 질소의 표시범위는 0~100mg/L-N 이고, 오차는 0.02mg/L 이고 단위는 0.01 mg/L-N 이다.

Nitrate Sensor의 질산성 질소의 표시범위는 0~100 mg/L-N 이고 오차는 5% 이거나 2mg/L-N 이고, 단위는 0.01 mg/L-N 이다.

Conductance Sensor의 전기전도도 표시범위는 0~100 mS/cm 이고, 오차는 측정치의 1% 이거나 0.001 mS/cm 이고 단위는 0.0001 단위이다.

Chloride Sensor의 염소이온 표시범위는 0.5~18,000 mg/L 이고 오차는 측정값의 5% 이거나 2mg/L 이고 단위는 0.01 mg/L 이다.

측정된 수질데이터는 압축되어 전송되는데 수위, 수온, 수소이온, 용존산소, 암모니아성질소, 질산성질소, 전기전도도, 염소이온은 각각 4바이트의 센서데이터와 2바이트의 통신데이터로 구성되고 8개의 측정된 수질데이터의 크기는 센서데이터가 총 32바이트이고 통신데이터가 총 18바이트이며 압축률은 수위, 수온, 수소이온, 용존산소, 암모니아성질소, 질산성질소, 전기전도도는 50%이지만 염소이온은 0%여서 총 56.25%로 데이터가 압축되어 전송된다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 근거리 통신유닛(20)은 원통형 보호공몸체(100), 덮개부(200), 모뎀통신부(300), 전원공급부(500)의 구성은 근거리 통신유닛(10)의 구성과 동일하고, 보호공몸체(100)는 상부보호공(110), 상부-하부 연결부(120), 하부보호공(130)으로 구성되며, 수질측정센서부(40)가 탑재된다.

근거리 통신유닛(20)의 보호공몸체(100)의 상부보호공(110)은 원통형상이고, 가이드봉(111)과, 모뎀고정판(113)과, 배터리케이스(114)와, 제1 플랜지(115)와, 제2 플랜지(116)와, 잠금장치(117)로 구성된다.

상부-하부 연결부(120)는 상부보호공(110)의 하측에 구비되고 내부에 복수개의 지지고리(121)가 형성되며 상부 단면의 지름이 하부 단면의 지름보다 큰 구조체이다.

상부-하부 연결부(120) 내측에 형성된 복수개의 지지고리(121)는 연장이 가능한 연장지지부(45)로 연결되어 수질측정센서부(40)를 지지한다.

연장지지부(45)는 탄성이 있는 줄이거나 절첩식 와이어로 구성되어 수질측정센서부(40)가 지하수가 흐르는 심도(h)가 깊은 곳까지 공벽(8)의 스크린(9) 내부에서 가이드될 수 있게 연장된다.

하부보호공(130)은 상부보호공(110)의 단면의 지름보다 작은 단면의 지름을 구비한 원통형상이고 상부-하부 연결부(120)의 하부에 형성되고, 내측 공간부에 수질측정센서부(40)가 장착될 수 있다.

도 7을 참조하면, 원거리 통신유닛(Gateway, 30)은 도 3에 도시된 근거리 통신유닛(10)의 구성인 원통형 보호공몸체(100), 덮개부(200), 전원공급부(500)와 모뎀통신부(300a)로 구성된다.

원거리 통신유닛(30)의 모뎀통신부(300a)는 근거리 통신을 위한 USN(RF) 통신모뎀(310)과 원거리 통신을 위한 WCDMA 통신모뎀(320)으로 구성된다.

원거리 통신유닛(30)의 모뎀통신부(300a)는 447MHz 원거리 통신노드를 동시에 수행하며 배터리 구동 시스템과 태양광 충전 모듈을 이용한 태양광 충전 시스템의 호환이 가능하며, USN(RF) 통신모뎀(310)으로 근거리 통신유닛(10,20)과 데이터를 송수신하게 되고 WCDMA모뎀(320)을 이용하여 원거리의 무선 네트워크와 통신을 한다..

원거리 통신유닛(30)이 전송하는 수질센서 인터페이스의 통신 프로토콜은 Mod Bus 프로토콜을 이용하며, 기능코드(Function) 3는 출력 데이터 값을 읽는 기능을 수행하고, READ Holding Register는 데이터를 기록한다. 데이터 사이즈는 16비트(bit)이고, 시작 번지(adress)와 개수로 입력되며, 응답으로는 해당번지로부터 요구한 개수만큼 출력된다.

원거리 통신유닛(30)이 전송하는 모든 데이터의 값은 4비트(bit)의 부동소수점 포맷으로 전달되고, 각각의 데이터는 첫 번째 전송되는 값이 하위 갑을 가지는 16비트 두 개의 워드로 전달되는데, 예를 들면 부동소수점 값 1.56 = 0x3FC7AE14 는 0xAE 0x14 0x3F 0xC7 와 같은 형태로 전송된다.

통합관리서버(60)는 토양 및 지하수 특성 분석부, 시나리오별 지하수 오염확산 예측부, 현장 모니터링부로 구성되고, 근거리통신부(10,20)와 원거리통신부(30)와 무선 네트워크로 연결되어 관측공(5)의 수질측정센서부(40)에서 측정한 수질데이터를 수신하고 신호를 전송하여 관측공(5)의 수질측정센서부(40)를 제어한다.

주변 토양 및 지하수 특성 분석부는 수질오염공정시험법, 이온크로마토그래피법, 수질측정센서사용법을 통해 주변 토양 및 지하수의 특성을 분석한다.

시나리오별 지하수 오염확산 예측부는 주변 토양 및 지하수 특성부에서 분석한 자료를 기반으로 지화학적 오염확산 예측기술을 이용하여 지하수가 오염되었을 경우 예상되는 오염확산과 예상되는 피해규모를 가축매몰지 주변에 대한 GIS를 구축하여, 오염발생원에 대한 지형 및 지질 특성화 작업을 수행하고 오염원 확산에 대한 영역화 작업 수행을 위한 구글 어스를 연계하여 작업을 수행하며, 가축매몰지 침출수 유입영향 분석을 위한 하천 및 지하수 모델링 작업을 수행한다.

현장 모니터링부는 현장의 상황을 모니터링하고 이를 통해 수질 예측경보 기준을 수립한다.

이하, 본 발명의 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템의 작동을 일실시예를 통해 상세히 설명한다.

본 발명의 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템의 일실시예에서는 매몰지 관측정의 선정조건과 현장의 여건을 고려하여 매몰지 100m 이내이며, 하류방향에 관측정 설치가 가능한 지역이며, 차량 및 사람의 통행, 경작 등의 외부 환경 변화가 없는 지역을 연구부지로 선정하였다.

참고로, 환경부의 가축매몰지역 환경조사 지침(2013년)에 의하면 매몰지 관측정은 매몰지 주변 300m 이내, 매몰지 필지 및 이와 경계한 필지 내, 상수원 이용하천 등에 인접하거나 주민이 집단적으로 거주하는 지역, 매몰지 주변 지하수 조사결과의 대표성이 확보될 수 있는 위치, 침출수 영향 및 지하수 흐름 등을 고려한 위치에 선정된다.

이러한 본 발명의 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템의 일실시예에서는 연구지역 후보부지로 경기도 양평군 개군면 계전리(후보지1)와 경기도 양평군 양동면 계정리(후보지2)를 대상으로 검토한 결과, 후보지1은 매몰지가 7개소이고, 매몰가축은 소 4단위, 돼지 1단위, 젖소 2단위이고, 매몰시기는 2011년 1월이고, 후보지2는 매몰지가 12개소이고 매몰가축은 돼지 12단위이고, 매몰시기는 2011년 1월부터 2월까지였다.

본 발명의 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템의 설치를 위한 연구지역 부지로는 민원발생, 지주동의 여부 등을 고려하여 최종적으로 후보지2가 선정되었다.

본 발명의 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템의 연구지역 선정부지의 상세현황은 양평군 양동면 계정리 양평양돈단지 내 위치한 3단지이며, 연구지역 인근에 매몰지 8개소가 집중 분포되어 있고, 매몰지는 야산 하단부에 위치하며, 30m 거리에 소하천이 통과하고 있다.

이렇게 선정된 연구지역에 본 발명의 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템을 위한 수질 관측정(5)이 설치되었다. 이때 관측정(5) 위치를 선정하기 위해 MODFLOW-MT3D 프로그램을 이용하여 오염확산 모델링을 실시하여, 모델영역을 선정하고 격자망을 설치하였으며, 지하수 흐름방향을 분석하였다. 모델영역의 넓이는 300m x 300m 이고 격자망을 설치한 전체영역은 4m 이고 매몰지는 1m 였다. 지하수의 주 흐름방향은 북,북서에서 남,남동 방향이였으며, 북서 또는 남동 지류를 통해 남동쪽 소하천으로 합류되었다.

다음으로 오염물질 확산 경향을 분석하였는데, 오염물질은 매몰지에서 남남동 방향으로 주로 이동하며 지하수 흐름방향과 일치하였다.

오염물 도달시간은 250mg/L 기준으로 A(10m)는 9일이 걸렸으며, B(30m)는 57일이 걸렸으며, C(50m)는 140일이 걸렸다.

관측정(5)은 지하 10m 깊이의 토사층에 설치되는 토사관측정과, 지하 20m 깊이의 기반암에 설치되는 토사 암반 동시관측정과 지하 100m깊이의 기반암에 설치되는 암반 관측정이 이용되었다.

환경부의 가축매몰지역 환경조사 지침(2013년)에 의하면 매몰지 관측정 선정을 위해서는 현장측정단계, 1차조사단계, 2차조사단계, 정밀분석 단계가 실시되고, 현장측정단계에서는 수온, pH, 전기전도도(EC), 용존산소(DO)를 측정하며, 1차조사단계에서는 Cl-, NH4-N,NO3-N, 총대장균군을 측정하고, 2차조사단계에서는 1차조사항목에 필요시 총질소, 총유기탄소의 추가항목을 측정하고, 정밀분석단계에서는 아미노산 등을 필요시에 조사하게 된다.

이러한 환경부 지침을 고려하여 수질측정항목을 선정하면, 현장측정 4개항목 및 1차조사 3개항목을 기본 측정항목으로 선정하고 총대장균군은 제외하였다. 본 발명의 일실시예에서 사용된 수질측정센서(41)로는 HYDROLAB DS 5X 가 사용되었으며 관측정(5) 기본자료인 수위 자료를 포함하여 총 8개 항목을 측정하였는데, 선정항목은 수위, 수온, pH, EC, DO, Cl-, NH4-N, NO3-N 이다. 수질측정센서(41)는 가축매몰지 침출수 환경영향조사의 항목 중 총대장균군을 제외한 암모니아성 질소, 질산성 질소, 염소이온 및 전기전도도를 동시에 측정할 수 있고, 필요시에 측정이 요구되는 pH, 수온, DO 또한 동시에 측정이 가능하며, 수위를 측정하는 것도 가능하다.

주변 토양 및 지하수의 특성을 분석하는 방법은 수질오염공정시험법, 이온크로마토그래피법, 수질측정센서사용법 등이 있다. 이러한 다양한 분석법을 비교하여 수질측정센서(41)의 성능을 평가할 수 있다.

암모니아성 질소 및 질산성 질소의 경우, 수질오염공정시험법 및 수질측정센서사용법을 병행 측정시, 각각의 농도가 증가함에 따라 EC가 증가하는 경향을 나타내나 pH의 변화는 없다.

이러한 방법을 이용하여 지화학적 오염확산 예측기술을 이용하게 되는데 본 지하수는 미량의 망간을 제외한 다른 금속이 존재하지 않았다. 그리고, 금속이온이 존재하지 않음에 따라 암모니아성 질소, 염소이온, 질산성 질소는 pH 2 내지 pH 11까지 대부분 자체 이온상태로 존재하였다.

가축매몰지 주변에 대한 GIS 가 구축될 수 있는데 오염발생원에 대한 지형 및 지질 특성화 작업을 수행하고, 오염원 확산에 대한 영역화 작업 수행을 위한 구글 어스를 연계하여 작업을 수행하였으며, 가축매몰지 침출수 유입영향 분석을 위한 하천 및 지하수 모델링 작업을 수행하였다.

이러한 수질측정센서사용법과 수질오염공정시험법을 병행하여 비교한 결과, 암모니아성 질소의 경우 비교적 수질오염공정시험법 결과에 부합하였다. 먹는물 수질기준(0.5mg/L)이 매우 낮음에 따라 오염경보는 20mg/L로 설정하였다.

수질오염공정시험법을 이용하여 분석한 결과 질산성 질소의 경우, 결과값에 차이를 보였는데, 두 달간의 모니터링 결과, 센서로부터 비교적 안정한 결과값을 나타냄에 따라 정성적인 분석에 문제가 없을 것으로 판단되고, 오염경보기준은 지하수 수질기준 생활용수(20mg/L) 보다 상향된 지하수 수질기준 공업용수(40mg/L)로 설정되었다.

수질오염공정시험법을 이용하여 분석한 결과 염소이온의 경우, 결과값에 차이를 보였는데, 센서로부터 비교적 안정한 결과값을 나타내고 있으며, 수질기준 농도가 높음에 따라 정성적인 분석에는 문제가 없을 것으로 판단되고, 오염경보기준은 지하수 수질 기준 생활용수(20mg/L) 보다 상향된 지하수 수질기준 공업용수(500mg/L)로 설정되었다.

현장 모니터링 결과 수질 예측경보 기준을 수립하였는데 암모니아성 질소는 먹는물 수질기준 0.5mg/L 보다 상향된 20mg/L로 설정되었고, 염소이온은 먹는물 수질기준 250mg/L 보다 상향된 지하수 수질기준(공업용수) 500mg/L로 설정되었고, 질산성 질소는 지하수 수질기준 20mg/L 보다 상향된 지하수 수질기준인 40mg/L로 설정되었다.

본 발명의 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템은 8종 수질센서의 전력소비를 고려하여 안정적으로 관측환경을 유지하기 위하여 저전력 관측시스템으로 설계된다. 수질측정센서(41)와 근거리 통신유닛(10,20)와 원거리 통신유닛(30)가 연동되어 전원이 공급되어야 하므로 최적의 전력패턴이 설계된다.

본 발명의 IT 기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템은 배터리 구동시스템을 이용하여 배터리를 1회 교체시에 1200mA를 2개 교체할 수 있으며 최대 10개월 사용이 가능하다.

본 발명의 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템은 태양광 발전 시스템이 이용될 수 있는데, 태양광 컨트롤러는 11.5V 내지 32V를 입력하고 8.4V 2A 가 출력된다. 여기에 리튬이온 건전지가 장착되는데 8.4V 24000mAh 이다.

이러한 전원부(500)는 제1 근거리 통신유닛(10)과 제2 근거리 통신유닛(20), 원거리 통신유닛(30)의 모뎀통신부(300)와 수질측정센서부(40)에 전원을 공급하기 위하여 배터리 구동 시스템과 태양광 모듈 구동 시스템이 상호 호환될 수 있다.

본 발명의 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템의 전력소비를 고려하고 안정적인 관측환경을 유지하기 위하여 다음과 같은 통신방법으로 설계된다.

도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 네트워크의 구성도이다.

도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 통신 과정 중 조인 구간의 처리 흐름도이다.

도 12는 도 11에 따른 동작예를 예시한 작동도이다.

도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 통신 과정 중 액티브 구간의 처리 흐름도이다.

도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고속 및 저속 클럭 생성기의 제어방법의 흐름도이다.

도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저속 클럭에 따른 전력소모 과정을 예시한 작동도이다

본 발명의 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템의 통신 방법은，원거리 통신노드와 다수의 근거리 통신노드로 구성되는 무선 네트워크에서 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템의 통신 방법에 있어서，근거리 통신노드가 조인 구간에 진입하여 상기 원거리 통신노드가 송신하는 동기화 신호를 수신하기 위해 미리 정해둔 시간동안 수신 상태를 유지하는 단계; 상기 수신 상태를 유지하는 동안에 상기 통기화 신호가 수신되지 않으면， 수신 불가 카운트를 증가하고，그 수신 불가 카운트가 미리 정해둔 수 이상인지를 체크하는 단계，및 상기 수신 불가 카운트가 미리 정해둔 수 이상이면 미리 정해둔 장시간동안 슬립 구간으로 동작하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 네트워크의 구성을 도 10을 참조하여 설명한다.

무선 네트워크는 원거리 통신노드(2000)와 다수의 근거리 통신노드(2021-202N) 로 구성된다.

원거리 통신노드(2000)는 미리 정해둔 [조인 구간]에서 동기화 신호를 전송하고 그 동기화 신호를 수신받은 다수의 근거리 통신노드(2021-202N)는 동기화 신호에 따라 동기화한다. 이후 원거리 통신노드(2000)는 [액티브 구간]에 진입하여 다수의 근거리 통신노드(2021-202N) 각각에 대해 부여된 송수신 구간을 통해 다수의 근거리 통신노드(2021-202N) 각각과 통신하고，통신이 완료되면 미리 정해둔 시간 동안 슬립하는 [슬립 구간]으로 진입한다. 미리 정해둔 시간 동안이 경과하면， 원거리 통신노드(2000)는 다시 [액티브 구간]에 진입하여 다수의 근거리 통신노드(2021-202N)와의 통신을 개시한다.

다수의 근거리 통신노드(2021- 202N) 각각은 고속 클럭 생성기와 저속 클럭 타이머를 구비한다. 고속 클럭 생성기는 7.3728MHz로서 시스템 프로그램 전체를 위한 주 타이머이다. 그리고 저속 클럭 생성기는 32. 768MHz로서， 소비전력을 줄이기 위하여 [슬립 구간]에서만 동작하는 부 타이머이다. 또한 다수의 근거리 통신노드(2021-202N) 각각은 [액티브 구간]에서 수신한 동기화 신호에 따라 고속 클럭 타이머 및 저속 클럭 타이머를 동기시킨다.

또한 다수의 근거리 통신노드(2021-202N) 각각은 [조인 구간]에서 원거리 통신노드로부터의 싱크 신호를 수신받지 못하는 경우가 미리 정해둔 횟수 이상 반복되면，미리 정해둔 장시간동안 슬립한 후에 다시 [조인 구간]으로 진입하여，통신불능 상태에서 계속하여 조인을 시도하면서 전력을 소모하는 시간을 감소시킨다.

또한 다수의 근거리 통신노드(2021-202N) 각각은 [액티브 구간]에서 원거리 통신노드와의 통신 불능으로 판단된 상태에서, 미리 정해둔 횟수만큼 원거리 통신노드로부터 원거리 통신노드로부터의 신호를 수신받지 못하면 통신을 해제하고 다시 [조인구간]을 반복한다.

〈전력 소모 감소를 위한 [조인 구간]에서의 처리 과정〉

이러한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 근거리 통신노드의 동작을 도 11을 참조하여 상세히 설명한다.

다수의 근거리 통신노드(2021-202N) 중 어느 한 근거리 통신노드는 [조인 구간]으로 진입하면(3000단계), 원거리 통신노드(2000)로부터의 동기화 신호를 수신하기 위해 미리 정해진 조인구간 동안 수신 모드로 동작한다(3040，3100 단계). 이와 같이 동기화 신호가 수신될 때까지 대기하던 근거리 통신노드는 동기화 신호가 수신되면 조인 과정에 따른 처리 프로세스를 수행한다. 특히 근거리 통신노드는 동기화 신호에 따라 저속 및 고속 클럭 생성기의 동기를 맞춘다(3080 단계).

이와 달리 미리 정해진 시간 동안 동기화 신호가 수신되지 않으면， 근거리 통신노드는 동기화 신호 수신 불가 카운트를 증가하고(3120 단계), 그 동기화 신호 수신 불가 카운트가 미리 정해둔 횟수인지를 체크한다(3140단계). 동기화 신호 수신 불가 카운트가 미리 정해둔 횟수가 아니면，근거리 통신노드는 동기화 신호의 수신을 위해 3040단계로 복귀한다.

이와 달리 동기화 신호 수신 불가 카운트가 미리 정해둔 횟수이면，근거리 통신노드는 현재의 통신환경이 신속하게 복구될 수 없는 상황으로 판단하여 미리 정해둔 장시간 동안 슬립구간으로 진입한다(3160 단계). 이 슬립구간동안 근거리 통신노드는 고속 클럭 생성기의 구동은 중지하고，저속 클럭 생성기만을 구동하여 시간을 계수한다.

미리 정해둔 장시간의 슬립구간이 종료되면(3180단계), 근거리 통신노드는 조인 구간으로 진입한다. 특히 근거리 통신노드는 저속 클럭 타이머가 계수한 시각을 토대로 원거리 통신노드(2000)의 송신구간에 대응되는 시각에 고속 클럭 타이머를 구동하면서 수신 모드로 동작한다.

도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원거리 통신노드와 근거리 통신노드 사이의 조인 과정을 도시한 것이다. 도 14의 (a)는 일반적인 조인 과정을 나타낸 것이며, 도 14의 (b)는 동기화 신호를 미리 정해둔 횟수 이상 수신하지 못하는 경우에 미리 정해둔 장시간 동안 슬립하는 과정을 나타낸 것이다. 이와 같이 본 발명은 원거리 통신노드로부터의 동기화 신호를 미리 정해둔 횟수 이상 수신하지 못하는 경우에，근거리 통신노드는 미리 정해둔 장시간동안 슬립모드로 구동하여 전력 소비를 감소시킨다.

<전력 소모 감소를 위한 [액티브 구간]에서의 처리 과정>

그리고 전력 소모 감소를 위한 액티브 구간에서의 처리 과정을 도 13을 참조하여 설명한다.

다수의 근거리 통신노드(2021-202N) 중 어느 한 근거리 통신노드는 [액티브 구간]으로 진입한 상태에서 원거리 통신노드(2000)의 통신이 불능한 상태로 판단될 수 있다. 여기서，통신 불능은 원거리 통신노드(2000)와의 신호 송수신이 미리 정해둔 횟수만큼 이루어지지 않을 때로 정해질 수 있다.

이와 같이 [액티브 구간]에서 원거리 통신노드(2000) 와의 통신이 불능한 상태이면(4040단계), 근거리 통신노드는 미리 정해진 자신의 수신 구간에서 원거리 통신노드로부터의 신호를 수신하기 위한 수신 대기를 위해 수신모드를 유지한다(4060단계). 이러한 수신 모드의 유지시에 원거리 통신노드로부터 신호가 수신되면，근거리 통신노드는 4000단계로 복귀하여 다시 정상적인 [액티브 구간]으로 동작한다.

이와 달리 상기 수신 모드를 유지하고 있음에도 불구하고, 원거리 통신노드(2000)로 부터의 신호가 수신되지 않으면，근거리 통신노드는 수신 실패 카운트를 증가하고(4100단계), 수신 실패 카운트가 미리 정해둔 수 이상인지를 체크한다(4120단계).

이후 근거리 통신노드는 수신 실패 카운트가 미리 정해둔 수 이상이면 ，통신을 해제한 후에 조인 구간으로 진입한다(4140，4160 단계). 그리고 수신 실패 카운트가 미리 정해둔 수 미만이면 4000 단계로 복귀하여 다시 정상적인 [액티브 구간]으로 동작한다.

<고속 클럭 생성기와 저속 클럭 생성기를 구동하는 과정>

본 발명의 근거리 통신노드는 고속 클럭 생성기와 저속 클럭 생성기를 구비하며，이 고속 클럭 생성기와 저속 클럭 생성기를 구동하는 과정을 도 14를 참조하여 설명한다.

근거리 통신노드는 동기화 신호가 수신될 때마다 저속 및 고속 클럭 생성기의 동기를 맞춘다(5000，5040 단계). 이후 근거리 통신노드는 슬립 구간으로 진입되면， 고속 클럭 생성기의 구동을 정지함과 아울러 저속 클럭 생성기가 생성한 저속 클럭으로 슬립 시간을 계수한다(5060，5080단계).

이후 근거리 통신노드는 저속 클럭으로 계수한 시각이 미리 정해진 슬립시간이 만료된 후 원거리 통신노드의 송신 구간이 도래한 것을 나타내면，원거리 통신노드의 송신 구간에 대응되는 시각에 맞추어 고속 클럭 생성기를 구동함과 아울러 수신 모드로 절환한다(5100，5120 단계).

도 15는 본 발명에 따르는 수신 구간의 변화를 예시한 것으로， 도 15의 (a) 는 일반적인 원거리 통신노드의 송신 구간과 근거리 통신노드의 수신 구간을 도시한 것으로， 저속 클럭이 동기되지 않았으므로 임의의 시기에 웨이크업이 이루어진다. 그리고 도 17 의 (b)는 본 발명에 따르는 원거리 통신노드의 송신 구간과 근거리 통신노드의 수신 구간을 도시한 것으로， 저속 클럭이 원거리 통신노드와 동기되므로 원거리 통신노드의 송신 구간에 대응되는 시기에 웨이크업이 이루어진다.

이러한 방법으로 본 발명의 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템의 통신방법을 이용하면 IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템에서 지하수의 수질을 안정적으로 측정할 수 있게 된다.

이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.

또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.

1 : 집수정
5 : 관측정
8 : 공벽
9 : 스크린
10, 20 : 근거리 통신유닛
11: 수평집수관
30 : 원거리 통신유닛(게이트웨이)
40 : 수질측정센서부
41 : 수질측정센서
45 : 연장지지부
100 : 보호공몸체
101 : 가이드부
102 : 모뎀-배터리 지지대
110 : 상부 보호공
111 : 가이드봉
114 : 배터리케이스
115 : 제1 플랜지
116 : 제2 플랜지
117 : 잠금장치
118,121 : 지지고리
120 : 상부-하부 연결부
130 : 하부보호공
150 : 받침부
200 : 덮개부
210 : 하부덮개
201 : 안테나가이드홈
211 : 연결링
220 : 상부덮개
300, 300a : 모뎀통신부
310 : USN(RF) 통신모뎀
320 : WCDMA 통신모뎀
1000, 2000 : 원거리 통신노드
1020,1040,1060,1080,1100,1120,2021-202N : 근거리 통신노드

Claims (10)

1. IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템에 있어서,
   복수개의 수질측정센서(41)로 구성되고 상기 수질측정센서(41)가 측정한 수질데이터가 송신되고 제어신호가 수신되는 수질측정센서부(40);
   상기 수질측정센서부(40)로부터 수신받은 상기 수질데이터가 근거리통신으로 송신되고 제어신호가 수신되는 근거리 통신유닛(10,20);
   상기 근거리 통신유닛(10,20)로부터 근거리통신을 통하여 수신받은 상기 수질데이터가 원거리통신으로 송신되고 제어신호가 수신되는 원거리 통신유닛(30); 및
   상기 원거리 통신유닛(30)로부터 수신받은 상기 수질데이터를 원격에서 모니터링하여 상기 수질측정센서부(40)를 제어하는 통합관리서버(60);를 포함하여 구성되는,
   IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 근거리 통신유닛(10,20)은
   세 개의 일직선의 봉으로 구성된 가이드봉(111)과 상기 가이드봉(111)이 수직으로 장착되고 내부에 공간부가 구비된 원판형 제1 플렌지(115)로 구성된 가이드부(101)와, 상기 가이드부(101)의 내측에 안장되고 하부에는 상기 가이드봉(111)에 대응되는 위치에 홈이 구비되고 일측에 두 개의 홈이 구비된 원판형 제2 플렌지(116)가 구비되고 상기 제2 플렌지(116) 상부 중앙에 수직하게 고정된 평판형 모뎀고정판(113)이 구비되고 상기 모뎀고정판(113) 양측에 상부가 개방되고 양측면에 홈이 구비된 직육면체의 배터리케이스(114)가 구비된 모뎀-배터리 지지대(102)로 구성되는 원통형 보호공몸체(100);
   중앙에 하나의 안테나가이드홈(201)이 구비된 하부덮개(210)와 상기 하부덮개(210) 상부에 결합되고 투명한 재질로 구성된 원뿔형 상부덮개(220)가 스크류가 형성된 연결링(211)에 의하여 착탈식으로 결합되는 덮개부(200);
   근거리 통신을 위한 USN(RF) 통신모뎀(310)을 구비한 모뎀통신부(300); 및
   상기 배터리 케이스(114) 내부에 착탈식으로 구비되는 전원공급부(500); 를 포함하여 구성되는,
   IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 근거리 통신유닛(10,20)의 보호공몸체(100)는
   가이드봉(111)이 제1 플랜지(115)상에 수직하게 장착된 가이드부(101), 모뎀고정판(113)과 배터리케이스(114)가 제2 플랜지(116)상에 수직하게 장착된 모뎀-배터리 지지대(102)로 구성된 원통형 상부보호공(110);
   상기 상부보호공(110)의 하측에 형성되고 상부 단면의 지름이 하부 단면의 지름보다 크며 내측에 지지고리(12)가 형성된 상부-하부 연결부(120); 및
   상기 상부-하부 연결부(120)의 하측에 형성되고 상기 수질측정센서부(40)가 장착되는 공간부가 형성되며 상기 상부보호공(110)의 단면의 지름보다 작은 단면의 지름을 구비한 하부보호공(130);을 포함하여 구성되는,
   IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 원거리 통신유닛(30)은
   세 개의 일직선의 봉으로 구성된 가이드봉(111)과 상기 가이드봉(111)이 수직으로 장착되고 내부에 공간부가 구비된 원판형 제1 플렌지(115)로 구성된 가이드부(101)와, 상기 가이드부(101)의 내측에 안장되고 하부에는 상기 가이드봉(111)에 대응되는 위치에 홈이 구비되고 일측에 두 개의 홈이 구비된 원판형 제2 플렌지(116)가 구비되고 상기 제2 플렌지(116) 상부 중앙에 수직하게 고정된 평판형 모뎀고정판(113)이 구비되고 상기 모뎀고정판(113) 양측에 상부가 개방되고 양측면에 홈이 구비된 직육면체의 배터리케이스(114)가 구비된 모뎀-배터리 지지대(102)로 구성되는 원통형 보호공몸체(100);
   중앙에 두 개의 안테나가이드홈(201)이 구비된 하부덮개(210)와 상기 하부덮개(210) 상부에 결합되고 상기 하부덮개(210)의 일측에 형성된 힌지(215)에 의해 투명한 재질로 구성된 원뿔형 상부덮개(220)가 회동하여 개폐되는 덮개부(200);
   근거리 통신을 위한 USN(RF) 통신모뎀(310)과 원거리 통신을 위한 WCDMA 통신모뎀(320)이 구비된 모뎀통신부(300a); 및
   배터리 구동 시스템과 태양광 충전 모듈을 이용한 태양광 충전 시스템이 호환되는 전원공급부(500); 를 포함하여 구성되는,
   IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템.
   
5. 원거리 통신노드(2000)와 다수의 근거리 통신노드(2021~202N)로 구성되는 무선 네트워크에서의 절전방법에 있어서,
   상기 근거리 통신노드(2021~202N)가 조인 구간에 진입하여 상기 원거리 통신노드(2000)가 송신하는 동기화신호를 수신하기 위해 미리 정해둔 시간동안 수신 상태를 유지하는 단계;
   상기 수신 상태를 유지하는 동안에 상기 동기화 신호가 수신되지 않으면， 수신 불가 카운트를 증가하고， 그 수신 불가 카운트가 미리 정해둔 수 이상인지를 체크하는 단계; 및
   상기 수신 불가 카운트가 미리 정해둔 수 이상이면 미리 정해둔 장시간동안 슬립 구간으로 동작하는 단계;를 포함하여 구성되는,
   IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템의 통신방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 근거리 통신노드(2021~202N)가 상기 원거리 통신노드(2000)로부터 동기화 신호를 수신할 때마다，저속 클럭 생성기를 상기 동기화 신호에 따라 동기시키는 단계;를 더 포함하여 구성되는,
   IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템의 통신방법.
   
7. 제5항에 있어서，
   상기 근거리 통신노드(2021~202N)가 상기 원거리 통신노드(2000)로부터 동기화 신호를 수신하면， 슬립 구간에서의 클럭 생성을 담당하는 저속 클럭 생성기를 상기 동기화 신호에 따라 동기시키는 단계;를 더 포함하여 구성되는,
   IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템의 통신방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 근거리 통신노드(2021~202N)는 슬립 구간모드로 진입하는 경우에 상기 근거리 통신노드(2021~202N)의 주 동작을 위한 고속 클럭 생성기의 구동을 정지하고，상기 저속 클럭 생성기에 의해 계수된 시각이 상기 미리 정해둔 장시간이 경과되며 상기 원거리 통신노드(2000)의 동기화 신호 송신 구간을 지시하면，웨이크 업하여 상기 고속 클럭 생성기를 구동함을 특징으로 하는,
   IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템의 통신방법.
   
9. 제 5항에 있어서，
   상기 근거리 통신노드(2021~202N)가 상기 원거리 통신노드(2000)와의 통신 구간에서 상기 원거리 통신노드(2000)와의 통신불능이 발생되면，
   상기 근거리 통신노드(2021~202N)가 상기 통신 구간에서 다시 상기 원거리 통신노드(2000)로부터의 신호를 수신받기 위해 대기하는 단계;
   상기 통신 구간에서 상기 원거리 통신노드(2000)로부터의 신호가 수신되지 않으면 상기 근거리 통신노드(2021~202N)는 수신 실패 카운트를 증가하고，그 수신 실패 키운트가 미리 정해둔 수 이상이면 통신을 해제하고，상기 무선 네트워크에 대한 조인을 시도하는 단계;를 더 포함하여 구성되는,
   IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템의 통신방법.
   
10. 제 5항에 있어서,
    상기 수신 불가 카운트가 미리 정해둔 수 이상이면 미리 정해둔 장시간동안 슬립 구간으로 동작하는 단계는
    상기 근거리 통신노드(2021~202N)와 상기 원거리 통신노드(2000)의 전원부(500)가 배터리 구동 시스템에서 태양광 모듈 구동 시스템으로 전환되는 단계;를 더 포함하여 구성되는,
    IT기반의 지하수 수질관리를 위한 수질측정 시스템의 통신방법.

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