KR20210024790A - 원격 수질분석 시료 채수장치 및 이를 이용한 수질모니터링 시스템 - Google Patents

원격 수질분석 시료 채수장치 및 이를 이용한 수질모니터링 시스템 Download PDF

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KR20210024790A
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이근헌
우화제
김병렬
이종관
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(주) 휴마스
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Abstract

본 발명은 원격 수질분석 시료 채수장치 및 이를 이용하는 수질모니터링 시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는 하천, 호소 등에서 수질 분석할 시료를 드론을 이용하여 원격으로 채수하고 현장에서 바로 분석을 하며, 분석한 수질분석 결과를 즉시 전송하여 원격지에서 수질 데이터를 확인할 수 있어 수질모니터링시의 인력을 절감하면서 안전성을 높이고 수질 모니터링의 신속성과 효율성을 높인 수질분석 시료 채수장치 및 이를 이용한 수질모니터링 시스템을 제공하는데 있다.

Description

원격 수질분석 시료 채수장치 및 이를 이용한 수질모니터링 시스템 {Remote water sampling apparatus and water quality monitoring system by using the same}
본 발명은 하천 수, 호소 수 등의 수질을 분석하기 위하여, 수질분석에 사용될 시료를 원격으로 채수하는 원격 수질분석 시료 채수장치에 관한 것이며, 또한 원격 수질분석 시료 채수장치를 이용한 수질모니터링 시스템에 관한 것이다.
환경보존, 물관리, 물이용 등의 여러 가지 이유로 하천, 호소, 댐, 저수지 등의 수질은 지속적으로 분석되고 있는 상황이다. 대표적인 하천수의 수질분석은 환경부에서 시행하는 하천수질자동측정망으로 하천, 호소 등에 수질측정소를 설치하여 실시간으로 총질소, 총인, 총유기탄소, pH 등의 수질을 측정하여 인터넷을 통해 측정결과를 공지하고 있다.
이러한 수질측정소가 없는 경우는 인력에 의하여 수질 시료를 채수하여 실험실에서 분석하고 있다. 수질측정소의 경우 고정식 채수시설이나 부유식 채수시설을 활용하여 시료를 채수하고 있으나 이러한 채수시설은 그 설치에 많은 비용이 소요되는 관계로 수질측정소의 설치 개소수를 확대하지 못하고 있다.
따라서 대부분의 수질 측정은 인력에 의한 채수로 이루어지고 형편이다. 통상 인력을 이용하여 채수를 할 경우 배를 타고 채수지점까지 이동하여 채수를 하거나 방수복을 입고 사람이 직접 입수하여 채수하는 방법이 사용되고 있다.
배를 이용한 채수의 경우 배의 육상이동 및 관리가 어려워 극히 일부의 댐에서만 시행되고 있는 상황이고, 사람이 직접 입수하여 채수하는 경우 하천의 둔치나 호소, 댐 등의 주변에서 채수지점까지 사람이 직접 이동해야 하는 어려움이 있을 뿐 아니라 입수하는 사람의 안전 문제가 발생하는 형편이다.
대한민국 등록특허 10-1469611호 “무인 선박을 이용한 수상 이동형 하천 퇴적물 채집 및 채수 멀티플 장치”는 선박을 이용하는 채수기술로서 선박의 육상 이동이 어려운 단점으로 인하여 널리 사용되지 못하고 있다.
대한민국 등록특허 10-1953551호 “ 휴대가 용이한 소형 채수장치”는 휴대용이기는 하지만 육상주변의 시료만 채수할 수 있는 기술로서 본 발명과는 많은 차이가 있다.
대한민국 등록특허 10-0059081호 “해양 모니터링용 드론”은 드론을 수상에 착륙시킨 후 채수장치를 이용하여 채수하는 기술로서, 이와 달리 공중에서 부상되어 있는 상태에서 채수하는 본 발명과는 많은 차이가 있다.
이에, 본 발명자들은 하천, 호소 등에서 시료를 채수할 때 간편하고 안전성이 확보되는 채수방법을 다년간 연구한 결과, 간편하고 안전성이 크면서도 사용이 용이할 뿐 아니라 무엇보다도 효율성이 매우 높은 원격 수질분석 시료 채수장치를 개발하게 되었고 이에 더하여 이를 이용한 수질모니터링 시스템을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.
(특허문헌1) 대한민국등록특허공보 제10-1469611호 (특허문헌2) 대한민국등록특허공보 제10-1953551호 (특허문헌2) 대한민국등록특허공보 제10-0059081호
본 발명의 주된 목적은 하천, 호소 등에서 수질 시료를 채수할 때 원격으로 시료를 채수함으로써 사람이 인력으로 채수하는 채수과정 대비 인력 및 시간이 절감되고 안전성이 높은 원격 수질분석 시료 채수장치 및 이 장치를 활용하여 현장에서 즉시 수질분석을 한 후 무선통신을 통해 데이터를 전송할 수 있는 수질모니터링 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 드론을 활용하여 원격 수질분석 시료 채수장치를 개발하였다.
또한, 상업용 드론의 하부에 채수장치를 설치하여 드론을 채수지점까지 이동시킨 후에 모터를 구동시켜 채수모듈을 수면 아래로 하강시키고 펌프를 구동시켜 채수하면 직접 입수하지 않고 물 주변까지 걸어갈 필요도 없이 원거리에서 시료를 채수 할 수 있게 하였다.
또한, 본 발명에서는 이동형 수질분석실험실을 활용하였다. 이동형 수질분석실험실은 탑차형태의 트럭에 수질분석기를 설치한 것으로서 채수한 시료를 즉시 분석할 수 있는 기능을 구비한 것이다.
또한, 이동형 수질분석실험실에서 채수한 시료를 분석한 결과는 분석 후 즉시 무선통신을 이용하여 원격지에 데이터를 송신할 수 있으며, 원격지에서 데이터 수신장치에 의하여 수신된 데이터는 모니터링 PC나 스마트폰을 통해 확인할 수 있게 하였다.
본 발명의 원격 수질분석 시료 채수장치는 채수에 필요한 장치들을 탑재하는 드론(1), 시료를 이송하는 채수펌프(2), 시료를 저장하는 샘플링 수조(3), 샘플링 수조(3)의 상부에 부찰되어 있는 월류관(4), 샘플링 수조(3) 하부에 부착되어 있는 채수밸브(5), 채수펌프(2)와 채수배관(15)을 연결하는 연결배관(17) 및 커플링(18), 채수배관(15) 끝에 장착되어 모래와 같은 협잡물로부터 장치를 보호하는 여과보호모듈(6), 채수배관(15)을 감고 있는 릴(14), 릴(14)을 회전 구동시키는 구동모터(16), 원격으로 신호를 받아 릴(14)을 구동하는 구동모터(16) 및 채수펌프(2)의 구동을 제어하는 MCU모듈(7)로 구성된다.
또한, 원격 수질 모니터링 시스템은 이동형 수질분석실험실(8), 원격 수질분석 시료 채수장치(9), 무선통신 장치(10), 데이터 수신장치(11), 모니터링 PC(12)또는 스마트폰(13)로 구성된다.
여과보호모듈(6)은 하부캡(20), 여과필터(21), 여과모듈본체(22), 상부캡(23), 클램프(24)로 구성된다. 여과보호모듈(6)은 시료의 성상에 따라 기공 크기(Pore size)가 상이한 여과망 선택하여 교체할 수 있는 착탈식으로 구성됨으로써 과도하게 큰 부유물이나 협잡물이 펌프로 흡입되어 배관을 막는 현상을 방지할 수 있다.
이때, 상기 여과망은, 30 내지 200메쉬인 것이 바람직하며, 50 내지 150메쉬인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 샘플링 수조(3)는 월류관(4)이 상부에 장착되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 릴(14)에 채수배관(15)이 감길 수 있도록 구성되어 있으며 구동모터(16)를 정의 방향으로 회전시킴에 따라 채수배관(15)이 릴(14)에서 풀리면서 여과보호모듈(6)이 하강하고, 구동모터(16)를 역 방향으로 회전시킴에 따라 채수배관이(15)이 릴(14)에 감기면서 여과보호모듈(6)이 상승하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 연결배관(17)은 채수펌프(2)와 채수배관(15)을 연결하는 배관이다. 릴(14)의 중심에 커플링(18)이 장착되어 있어 커플링(18)의 양쪽에 연결배관(17)과 채수배관(15)이 연결되도록 구성되어 있다. 커플링은 회전하는 형태로 릴(14)이 회전하여도 연결배관(17)은 회전하지 않도록 하여 연결배관(17)이 꼬이지 않도록 한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 원격 채수방법은 채수지점에서 위치적으로 떨어진 원격지점에서 원격 수질분석 시료 채수장치(9)와 본 장치에 장착된 카메라로부터 전송되는 화면을 PC로 보면서 수동으로 채수지점까지 비행시킨 후 수면위로 하강시키고 채수펌프(2)를 가동시켜 채수한 후 다시 귀환시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 또다른 원격 채수방법은 채수지점에서 떨어진 원격지점에서 원격 수질분석 시료 채수장치(9)를 GPS와 연계된 자동운전을 통해 채수지점까지 비행시킨 후 수동으로 수면 위로 하강시고 채수펌프(2)를 가동시켜 채수한 후 귀환시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 채수된 시료는 샘플링 수조(3)의 하부에 부착되어 있는 채수밸브(5)를 열어 시료를 다른 용기로 이송할 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 수질모니터링 시스템은 원격 수질분석 시료 채수장치(9)를 이용하여 시료를 채수한 후, 이동형 수질분석실험실(8)에 설치되어 있는 수질분석기를 이용하여 시료를 분석하고, 분석한 결과가 이동형 수질분석실험실(8)에 장착되어 있는 무선통신 장치(10)를 통해 자동으로 데이터가 전송되며, 원격지에 있는 데이터 수신장치(11)에 의하여 데이터가 수신되고 이들 데이터를 모니터링 PC나 스마트폰을 통해 확인할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 원격 수질분석 시료 채수장치 및 이를 이용한 수질모니터링 시스템을 활용하면 하천, 호소 등에서 수질 시료를 채수할 때 간편하고 안전성이 크면서도 사용이 용이할 뿐 아니라 무엇보다도 효율성이 매우 높게 채수할 수 있다.
또한, 현장에서 즉시 분석하여 데이터를 원격지에 전송할 수 있어 수질검사의 신속성이 높아진다.
또한, 시료 채수 후 이동형 수질분석실험실에서 채수한 시료를 수질분석기로 분석하면서 다음 채수장소로 이동하는 방식을 이용할 수 있으므로 많은 지점의 데이터를 짧은 시간에 확보할 수 있으며, 수질 오염 등의 사고 발생 시에는 신속한 대응을 할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 수질모니터링 시스템의 개요를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 원격 수질분석 시료 채수장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 여과보호모듈 외형도를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 따른 원격 수질분석 시료 채수장치 및 이를 이용한 수질모니터링 시스템을 도 1 내지 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
원격 수질분석 시료 채수장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 상업용 드론(1)의 하부에 채수펌프(2), 샘플링 수조(3), 릴(14), 연결배관(17), 채수배관(15), 여과보호모듈(6), MCU모듈(7), 구동모터(16)을 부착시켰다. 드론의 안전한 체공비행 높이가 2~3M인 점을 고려하여 채수펌프는 3M 내지 15M의 흡입 양정(흡입 수면으로부터 펌프 중심까지의 높이)을 가지고 있는 것이 바람직하며, 채수펌프, 채수배관, 연결배관의 중량 등을 고려할 때 3M 내지 10M가 더욱 바람직하며, 3M 내지 7M가 가장 바람직하다.
샘플링 수조는 물이 채워진 상태에서 드론이 일반 비행 시나 체공 비행 시에 균형 유지에 방해가 되지 않도록 하여야 한다. 따라서 본 발명자들은 드론을 위에서 볼 때 중심점으로부터 균등한 거리가 되도록 샘플링 수조(3)를 제작하였다. 또한 심플링 수조(3)는 높이가 낮고 넓게 제작하여 최대한 드론에 밀착되게 하였다. 시료가 샘플링 수조(3)에 가득차지 않을 경우 출렁거림으로 인해 비행시 드론이 균형을 잃을 가능성이 있다. 따라서 샘플링 수조(3)의 상부에 월류관(4)을 설치하여 시료가 샘플링 수조(3)에 가득차면 월류관(4)을 통해 시료가 배출되도록 하여 채수시 후에는 항상 샘플링 수조(3)에 시료가 가득 찰 수 있도록 하였다.
본 발명의 원격 수질분석 시료 채수장치를 이용하여 시료를 채수하기 위해서는 원격으로 드론에 장착된 채수모듈(3)의 릴(14)과 채수펌프(2)를 구동하여야 한다. 도2에 원격 수질분석 시료 채수장치의 모식도를 나타내었다. 본 발명에서는 MCU를 포함한 인터페이스 회로, 드론 조종 장치 무선 신호 수진 회로, 엑츄에이터 드라이버 회로, BLDC 모터 드라이버 회로로 구성된 PCB의 단자대에 릴(14) 구동 모터(16)와 채수펌프(2)에 연결하고 지상의 드론(1) 조종 장치의 채수 모듈 제어 무선 신호를 수신하여 수신된 신호에 따라 채수펌프(2)의 흡입/토출 제어와 릴(14)에 감겨 있는 채수배관(15) 상승/하강 제어가 가능하도록 하는 제어 프로그램을 설계한 후 MCU에 제어 프로그램을 내장하였다.
채수배관(15)은 릴(14)이 회전하면서 상승 및 하강하게 되는데 적정한 무게를 가지고 있어야 원활하게 수면아래로 하강하고 또한 상승될때 채수배관(15)이 릴(14)에 엉키지 않고 감기게 된다. 또한 적정한 무게를 부여하여야 느슨하게 감기는 현상을 방지할 수 있다. 본 발명자들은 여과보호모듈을 스테인레스 재질로 제작하여 채수배관(15)의 끝에 부착함으로써 채수배관(15)이 원활하게 상승 및 하강하고 릴(14)에 잘 감기도록 하였다.
도 1은 수질모니터링 시스템의 개요도이다. 이동형 수질분석실험실(8)에는 수질분석기와 원격 수질분석 시료 채수장치 및 충전배터리시스템이 장착되어 있다. 원격 수질분석 시료 채수장치 또는 일반적인 채수 방법을 사용해 수집된 시료는 이동형 수질 분석 실험실(8) 내부에 장착되어 있는 자동 분석기의 시료 도입부에 연결되어 수질 항목별로 자동으로 시료 측정을 한 후 측정된 데이터는 데이터 수신장치(11)와 무선통신장치(10)를 통해 모바일 기기(13)나 PC(12)에서 확인할 수 있도록 하였다.
자동분석기에서 측정된 데이터는 디지털 형태로 출력되어 데이터 로거로 입력되도록 하였다. 데이터 로거는 자동분석기의 디지털 출력 형태에 따라 유연하게 대응할 수 있도록 4개의 RS-232C 포트와 1개의 RS-485 포트로 구성하여 제작하였다. 또한 자동분석기의 디지털 신호는 국가 수질 자동측정망 전송 표준 규격과 사용자 정의 전송 규격으로 변환되어 데이터 로거에 주기적으로 전송하고 전송된 데이터는 LTE 또는 5G 통신이 가능한 무선통신장치(10)를 통해 클라우드 서버로 전송되어 수질 측정 데이터 베이스를 구축하였다.
데이터 로거와 무선통신장치(10)간 인터페이스 프로그램과 서버 운영 프로그램, 모바일 및 PC 모니터링 프로그램을 제작하여 클라우드 서버에 저장된 수질 측정 데이터를 원격지에서 모바일 기기(13) 또는 PC(12)에서 실시간 모니터링, 저장 데이터 조회, 추세 분석, 경보 전송 등을 할 수 있도록 하였다.
본 발명의 원격 수질분석 시료 채수장치 및 이를 이용한 수질모니터링 시스템의 사용예를 설명하면 다음과 같다.
드론(1)과 채수부는 분리가능하여 이동시에는 분리한 상태에서 이동형 수질분석 실험실에 탑재한다. 즉 이동형 수질분석실험실(8)에는 수질분석기와 원격 수질분석 시료 채수장치, 무선통신장치가 탑재되어 있다.
이동형 수질분석실험실(8)은 탑차 형태의 트럭을 이용한 것으로 측정하고자 하는 하천, 호소 등 주변의 주차장이나 공터에 주차한다. 이동형 수질분석 실험실의 전력은 충전배터리로의 전력을 사용하거나 장시간 소요될 경우 이동식 자가발전기를 가동시킨다. 충전배터리는 이동형 수질분석실험실(8) 외부에 장착된 태양광발전기와 차량에서 이동시 발생하는 전력을 이용하여 충전하거나 외부 220V전원을 연결하여 충전할 수 있다. 드론(1)은 다리를 접은 상태로 탑재되어 있어 현장에 도착하면 이동형 수질분석 실험실(8) 밖으로 꺼내어 다리를 펴서 안작시킨다. 이후 채수부를 드론에 연결하여 원격 수질분석 시료 채수장치(9)를 조립 한다.
원격 수질분석 시료 채수장치(9)를 비행시키는 방법은 육안으로 보면서 수동운전하여 채수지점까지 비행시키는 방법과 드론 조정기에 채수지점의 GPS좌표를 입력하여 채수지점까지 이동시키는 방법이 사용될 수 있다. 채수지점까지 이동되면 모니터를 보면서 수동으로 원격 수질분석 시료 채수장치(9)를 수면가까이 하강 시킨다. 체공비행시키면서 채수부의 릴(14) 구동모터(16)를 구동시켜 여과보호모듈(6)이 하강하여 수면아래로 잠기게 한다. 채수펌프(2)를 구동시켜 시료를 채수한다. 샘플링수조(3) 용량의 약 1.5배 정도의 시료량을 채수하여 시료가 샘플링 수조(3)를 넘치도록 하여 샘플링 수조(3)에 시료가 가득 차도록 한다. 채수가 끝나면 릴(14) 구동모터(16)를 구동시켜 여과보호모듈(6)을 상승시킨다. 드론(1)을 수동운전으로 상승시킨 후 채수지점까지 이동하던 방법과 동일한 방법으로 이동형 수질분석 실험실(8)이 있는 지점까지 회귀시킨다. 샘플링 수조(3)의 하부에 부착된 채수밸브(5)를 열어 시료를 다른 용기에 담아 이동한다. 이 시료를 이용하여 수질분석을 실시한다. 분석이 끝나면 수질분석 결과는 자동으로 무선통신장치(10)를 통하여 전송되고 데이터 수신장치(11)를 통해 수신되며 모너터링 PC(12)에 표시된다. 또한 스마트폰(13)으로도 데이터를 확인 할 수 있다.
원격 수질분석 시료 채수장치(9)를 채수지점까지 이동시킨 후 수동운전으로 수면 위로 하강시킬 때 날씨 여건에 따라 모니터로 상황을 확인하기 어려울 때는 채수지점까지 이동시킨 상태에서 먼저 릴(14) 구동모터(16)를 구동시켜 여과보호모듈(6)을 최대로 하강시켜 놓고 이후에 수동운전으로 원격 수질분석 시료 채수장치(9)를 하강시키는 방법을 사용한다.
하부캡(20)과 여과모듈본체(22) 사이에 여과필터(21)를 장착하게 되어 있으며 상부캡(23)의 연결부에 채수배관(15)을 삽입한 후 클램프(24)로 고정하도록 되어 있다. 필터는 시료의 특성에 따라 30 메쉬 내지 200 메쉬의 여과망을 장착할 수 있도록 되어 있다.
1 : 드론
2 : 채수펌프
3 : 샘플링 수조
4 : 월류관
5 : 채수밸브
6 : 여과보호모듈
7 : MCU모듈
8 : 이동형 수질분석실험실
9 : 원격 수질분석 시료 채수장치
10 : 무선통신 장치
11 : 데이터 수신장치
12 : 모니터링 PC
13 : 스마트폰
14 : 릴
15 : 채수배관
16 : 구동모터
17 : 연결배관
18 : 커플링
20 : 하부캡
21 : 여과필터
22 : 여과모듈 본체
23 : 상부캡
24 : 클램프

Claims (10)

  1. 원격 수질분석 시료 채수장치(9), 무선통신 장치(10), 데이터 수신장치(11), 모니터링 PC(12) 또는 스마트폰(13)으로 구성되는 원격 수질 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 원격 수질분석 시료 채수장치는, 채수에 필요한 장치들을 탑재하는 드론(1), 시료를 이송하는 채수펌프(2), 시료를 저장하는 샘플링 수조(3), 샘플링 수조(3)의 상부에 마련되어 있는 월류관(4), 샘플링 수조(3) 하부에 마련되어 있는 채수밸브(5), 채수펌프(2)와 채수배관(15)을 연결하는 연결배관(17) 및 커플링(18), 채수배관(15) 끝에 장착되어 모래와 같은 협잡물로부터 장치를 보호하는 여과보호모듈(6), 채수배관(15)을 감고 있는 릴(14), 릴(14)을 회전 구동시키는 구동모터(16), 원격으로 신호를 받아 구동모터(16) 및 채수펌프(2)의 구동을 제어하는 MCU모듈(7)로 구성되는, 드론을 이용한 원격 수질분석 시료 채수장치인 것을 특징으로 하는 원격 수질 모니터링 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 샘플링 수조(3)의 하부에 형성되어 있는 채수밸브(5)를 열어 채수된 시료를 다른 용기로 이송시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원격 수질 모니터링 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 여과보호모듈(6)은, 하부캡(20), 여과필터(21), 여과모듈본체(22), 상부캡(23), 클램프(24)로 구성되는 것을 특징으로 하는 원격 수질 모니터링 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 여과보호모듈(6)은, 시료의 성상에 따라 기공 크기(Pore size)가 상이한 여과필터(21)를 선택하여 교체할 수 있는 착탈식인 것을 특징으로 하는 원격 수질 모니터링 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 여과필터(21)는, 30 내지 200메쉬의 여과망인 것을 특징으로 하는 원격 수질 모니터링 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 여과필터(21)는, 50 내지 150메쉬의 여과망인 것을 특징으로 하는 원격 수질 모니터링 시스템.
  8. 제2항에 있어서, 상기 릴(14)은 채수배관(15)이 감길 수 있도록 구성되어 있는 것으로서, 구동모터(16)를 정 방향으로 회전시킴에 따라 채수배관이(15)이 릴(14)에서 풀리면서 여과보호모듈(6)이 하강하고, 구동모터(16)를 역 방향으로 회전시킴에 따라 채수배관이(15)이 릴(14)에 감기면서 여과보호모듈(6)이 상승하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 원격 수질 모니터링 시스템.
  9. 제2항에 있어서, 상기 채수펌프는 3M 내지 15M의 흡입 양정을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 원격 수질 모니터링 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 채수펌프는 3M 내지 10M의 흡입 양정을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 원격 수질 모니터링 시스템.


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