KR20220156298A

KR20220156298A - 토양 센서

Info

Publication number: KR20220156298A
Application number: KR1020210064148A
Authority: KR
Inventors: 왕재용
Original assignee: (주)오토쏠
Priority date: 2021-05-18
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2022-11-25

Abstract

본 발명은 토양에 매립되어 토양의 수분, 온도, 전기전도도와 같은 물리성을 측정하는 토양 센서로서, 봉 형태의 한 쌍의 제 1 센서봉과 제 2 센서봉 및 이 제 1 센서봉과 제 2 센서봉의 기단을 형성하는 베이스를 포함하고, 이벤트 발생시 상기 제 1 센서봉과 제 2 센서봉의 작동 모드를 액티브 모드(active mode) 또는 슬립 모드(sleep mode)로 번갈아 가면서(alternatively) 전환하는 것을 특징으로 한다.

Description

토양 센서{A Soil Sensor}

본 발명은 토양 센서(Soil Sensor)에 관한 것으로서, 특히, 토양의 지하에 매설되어 토양의 수분, 전기전도도 등을 측정하는 토양 물리성 측정 센서에 관한 것이다.

토양 수분 센서란, 토양에 삽입되어 토양이 함유하고 있는 수분량을 감지하기 위한 장치이다. 토양 수분 센서는 식물의 생장에 대한 데이터를 수집할 필요가 있는 기술 분야에서 널리 이용된다. 이는, 식물의 생장에 있어 토양이 함유하고 있는 수분량이 중요한 인자이기 때문이다.

토양이 함유하는 수분량을 감지하기 위해, 일반적으로 전기적인 장치가 이용된다. 이러한 장치는, 토양 입자에 흡착된 수분을 장력을 이용하여 측정하는 장력 센서, 수분의 함유량에 따라 전기 저항이 달라지는 점을 이용하는 전기 저항 센서, 수분의 함유량에 따라 유전율이 달라지는 점을 이용하는 유전율 센서(TDR) 등의 복수 개의 센서를 포함한다.

이러한 종래의 장치는, 여러 가지 방법, 즉 장력, 전기 저항, 유전율 등을 이용하여 토양이 함유하는 수분량을 측정하므로, 측정의 정확도 측면에서 유리할 수 있다. 그러나, 종래의 장치는 토양에 삽입되는 탐침의 끝단에만 센서가 구비되므로, 탐침의 끝단이 위치하는 구역에서의 수분량만을 측정할 수 있다는 한계가 있다. 즉, 토양의 깊이에 따른 수분량을 측정하기 위해서는, 측정을 원하는 깊이에 따라 토양 수분 센서를 그 삽입 깊이를 달리하며 변경함으로써 수분량을 측정해야만 한다. 따라서, 동일한 시점에 토양의 깊이에 따른 수분량의 정확한 측정이 어렵다는 한계가 있다.

특허문헌 1(대한민국 등록특허공보 제 10-2121968 호)은 수분 감응부가 하우징의 상하 방향으로 복수 개가 구비되어, 토양 수분 센서가 토양 내에 삽입될 경우 토양 수분 센서의 끝단 뿐만 아니라, 하우징의 길이 방향을 따라 복수 개의 깊이에서의 토양의 수분량을 측정할 수 있는 토양 수분 센서를 제안한다.

한편, 토양의 수분량 뿐만 아니라 현장에서 신속하게 토양의 깊이별로 전기전도도, 함수율, 경도, 온도 등을 동시에 측정할 수 있는 휴대용 토양 물리성 측정장치가 제안된다.

특허문헌 2(대한민국 등록특허공보 제 10-1229398 호)는 토양에 관입하도록 봉 형태로 이루어지고 하단에 전극부가 체결되는 측정 센서부를 포함하여 현장에서 신속하게 토양의 깊이별로 전기전도도, 함수율, 경도, 온도 등을 동시에 측정할 수 있는 휴대용 토양 물리성 측정장치를 제안한다.

그러나, 상기 특허문헌 2의 측정장치는 토양 내 하나의 깊이에서만 측정할 수 있고 측정하는 항목도 압력이나 전기전도도 등으로 제한되어 있는 단점이 있어 측정장치의 활용도가 떨어진다.

이러한 단점을 개선하기 위하여 특허문헌 3(대한민국 공개특허공보 제 2017-0077437 호)은 탐침부에 소정 간격으로 복수개의 센서를 구비함으로써 토양에 한번 삽입하여 측정하는 것에 의해 토양의 깊이별로 수분, 전도도, 수압, 기울기 등 다양한 물리성을 측정할 수 있는 토양 측정기를 제공한다.

KR

10-2121968

B1

KR

10-1229398

B1

KR

2017-0077437

A

상기 특허문헌 1 내지 특허문헌 3의 토양 센서들은 토양의 길이 방향을 따라 복수 개의 깊이에서 토양의 수분량을 측정할 수 있다는 점에서 기존의 토양 센서에 비해 진일보되어 있다.

그러나, 토양의 지하에 매립된 토양 센서가 고장이나 파손 등에 의해 센싱 오류가 발생할 경우 센서를 교체하거나 센서를 수리해야 하고, 이렇게 센서를 교체하거나 수리하는 동안에는 센싱 자체가 불가능하다는 문제점을 갖는다.

따라서, 본 발명은 하나의 토양 센서내에 메인 센서 모듈 이외에 대체 가능한 스패어 센서를 구비함으로써 메인 센서 모듈의 고장이나 파손에도 토양의 수분, 전기전도도 등의 물리성에 대한 측정을 지속할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 양태에 따른 토양 센서는, 토양에 매립되어 토양의 수분, 온도, 전기전도도와 같은 물리성을 측정하는 장치로서, 봉 형태의 한 쌍의 제 1 센서봉과 제 2 센서봉; 및 이 제 1 센서봉과 제 2 센서봉의 기단을 형성하는 베이스;를 포함하고, 상기 제 1 센서봉과 제 2 센서봉은 서로 일정한 거리 이격된 상태로 상기 베이스로부터 평행하게 나란히 상방으로 연장되어 설치되며, 상기 제 1 센서봉과 제 2 센서봉은 각각 길이 방향으로 서로 다른 깊이에 위치하여 상기 물리성을 측정하기 위한 복수개의 센싱 모듈을 포함하고, 상기 센싱 모듈은 상기 제 1 센서봉과 상기 제 2 센서봉의 대응하는 동일 위치에 동일한 갯수로 배치되며, 상기 제 1 센서봉은 액티브 모드로 활성화되고, 상기 제 2 센서봉은 슬립 모드로 비활성화된 상태로 대기하며, 이벤트 발생시 상기 제 2 센서봉은 슬립 모드에서 액티브 모드로 전환되고, 상기 제 1 센서봉은 액티브 모드에서 슬립 모드로 전환되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 제 2 양태에 따른 토양 센서에 있어서, 상기 베이스는, 상기 토양 센서를 공용 네트워크와 연결하여 센서 네트워크를 형성하기 위한 게이트웨이장치와의 근거리 무선통신을 위한 통신 수단과; 상기 제 1 센서봉과 제 2 센서봉의 작동 모드를 액티브 모드(active mode) 또는 슬립 모드(sleep mode)로 제어하기 위한 제어 수단을 포함한다.

본 발명의 다른 제 3 양태에 따른 토양 센서에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 통신 수단을 통해 원격지의 관리 서버로부터 상기 작동 모드의 전환을 지시하는 제어신호를 수신함에 따라 상기 제 1 센서봉과 제 2 센서봉의 작동 모드를 액티브 모드(active mode) 또는 슬립 모드(sleep mode)로 교번적으로(alternatively) 전환 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 제 4 양태에 따른 토양 센서에 있어서, 상기 베이스는, 상부 바디와 하부 바디가 결합되어 내부에 일정한 수용공간을 형성하는 속이빈 케이스로서 이 수용공간내에 상기 통신 수단과 제어 수단을 위한 인쇄회로기판과 안테나를 수용한다.

본 발명의 다른 제 5 양태에 따른 토양 센서에 있어서, 상기 상부 바디에는 상기 제 1 센서봉과 제 2 센서봉을 상기 베이스에 착탈 가능하게 연결하기 위한 한쌍의 관통홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 제 6 양태에 따른 토양 센서에 있어서, 상기 제 1 센서봉과 제 2 센서봉은 제 1 오링을 매개로 상기 관통홀에 끼워져 밀봉 결합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 제 7 양태에 따른 토양 센서에 있어서, 상기 상부 바디와 상기 하부 바디는 제 2 오링을 매개로 결합됨으로써 토양의 외부 환경으로부터 베이스의 내부를 실링(sealing)하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 하나의 센서에 동일한 성능을 갖는 한 쌍의 센서봉을 설치하고, 한 쌍의 센서봉을 교번적으로 작동시킴으로써 토양의 지하에 묻혀서 교환이나 수리가 용이하지 않는 센서의 고장과 같은 이상 상태에 능동적으로 대응하는 것이 가능하다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 토양 센서(10)의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 토양 센서(10)의 분리 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 토양 센서(10)가 토양(1)에 묻혀 있는 상태도이다.
도 4는 본 발명에 따른 토양 센서(10)를 활용한 토양 모니터링 시스템에 대한 개괄적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 관리 서버(50)의 하드웨어 구성도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 관리 서버(50)의 내부 기능 블록도를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 토양센서(10)와 관리 서버(50) 사이에서 이루어지는 오류 감지 및 작동 모드 전환 프로세스에 대한 총괄 흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 관리 서버(50)에서 이루어지는 에러 판정 절차에 대한 순서도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 또한, 본 발명의 도면과 명세서에서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 첨부된 도면은 축척에 의하여 도시되지 않았으며, 각 도면의 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명에 따른 토양 센서의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 토양 센서의 분리 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 토양 센서가 토양에 묻혀 있는 상태도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 토양 센서(10)는 도 3과 같이 토양(1)에 일정한 깊이로 묻힌 상태로 토양의 수분, 전기전도도, 온도, PH, O₂, CO₂ 등의 토양의 물리성을 측정하는 장치이다.

본 발명에 따른 토양 센서(10)는 봉 형태의 한 쌍의 제 1 센서봉(12)과 제 2 센서봉(13) 및 이 제 1 센서봉(12)과 제 2 센서봉(13)의 기단을 형성하는 베이스(11)로 이루어진다.

상기 제 1 센서봉(12)과 제 2 센서봉(13)은 서로 일정한 거리 이격된 상태로 상기 베이스(11)로부터 평행하게 나란히 상방으로 연장되어 설치된다. 또한, 상기 제 1 센서봉(12)과 제 2 센서봉(13)은 길이 방향으로 서로 다른 깊이에 위치하고 있는 복수개의 센싱 모듈(14, 15)을 포함하는데, 이들 센싱 모듈(14, 15)은 제 1 센서봉(12)과 제 2 센서봉(13)의 대응하는 동일 위치에 동일한 갯수로 배치된다. 도 1의 경우 센서 모듈(14, 15)이 제 1 센서봉(12)과 제 2 센서봉(13)에 각각 3개씩 그 깊이를 달리하면서 대응하는 동일 위치에 배치되어 있다.

이 센서 모듈(14, 15)은 해당하는 위치의 토양으로부터 수분, 전기전도도, 온도, PH, O₂, CO₂ 등을 센싱하는 센서들의 복합체로 이루어진다.

상기 제 1 센서봉(12)과 제 2 센서봉(13)중 어느 하나는 메인(main) 센서봉으로 활동하고, 나머지 하나는 스패어(spare) 센서봉으로 대기(stand-by)한다. 즉, 제 1 센서봉(12)이 메인 센서봉으로 활성화된 상태(active mode)에서 제 2 센서봉(13)은 비활성화된 상태(sleep mode)로 대기한다. 따라서, 정상상태에서 토양의 수분, 전기전도도, 온도, PH, O₂, CO₂ 등의 물리성은 제 1 센서봉(12)의 센서모듈(14)을 통해서만 센싱되고, 나머지 제 2 센서봉(13)의 센서모듈(15)은 비활성화 상태로 센싱 대기한다. 그리고, 센서의 파손이나 고장 등의 이유로 인해 메인 센서인 제 1 센서봉(12)으로부터의 센싱 데이터에 누락이나 왜곡 등의 오류가 발생하는것과 같은 이벤트 발생시 sleep mode 상태에 있던 제 2 센서봉(13)이 active mode로 전환되고, active mode 상태의 제 1 센서봉(12)은 sleep mode 상태로 전환된다.

상기 베이스(11)는 상부 바디(18)와 하부 바디(17)가 결합되어 내부에 일정한 수용공간을 형성하는 속이빈 케이스로서 이 수용공간내에 인쇄회로기판(22)과 안테나(21)가 수용된다. 또한, 상기 상부 바디(18)와 상기 하부 바디(17)는 제 2 오링(20)을 매개로 연결됨으로써 토양의 외부 환경으로부터 실링(sealing)된다.

상기 상부 바디(18)에는 상기 제 1 센서봉(12)과 제 2 센서봉(13)을 베이스(11)에 착탈 가능하게 연결하기 위한 한쌍의 관통홀(19)이 형성되고, 제 1 오링(16)을 매개로 상기 제 1 센서봉(12)과 제 2 센서봉(13)이 상기 관통홀(19)에 끼워져 밀봉 결합된다.

상기 베이스(11)의 인쇄회로기판(22)에는 도 4의 게이트웨이장치(30)와의 근거리 무선통신을 위한 통신회로와 상기 제 1 센서봉(12)과 제 2 센서봉(13)의 작동 모드를 active mode 또는 sleep mode로 교번 제어하기 위한 제어회로가 포함된다. 따라서, 상기 통신회로는 상기 제 1 센서봉(12) 또는 제 2 센서봉(13)으로부터 측정된 토양의 물리성 데이터(수분, 전기전도도, 온도, PH, O₂, CO₂ 등)를 근거리 무선통신이 가능한 데이터 포맷으로 변환하여 상기 안테나(21)를 통해 상기 게이트웨이장치(30)로 송신하고, 원격지의 관리 서버(50)로부터 송신된 모드전환을 위한 제어신호를 게이트웨이장치(30)를 통해 수신한 후 상기 인쇄회로기판(22)의 제어회로로 전달한다. 또한, 상기 인쇄회로기판(22)의 제어회로는 상기 관리 서버(50)로부터의 모드전환을 위한 제어신호에 따라 active mode 상태의 제 1 센서봉(12)을 sleep mode로 전환하고, sleep mode 상태의 제 2 센서봉(13)을 active mode 상태로 변환한다.

도 4는 본 발명에 따른 토양 센서(10)를 활용한 토양 모니터링 시스템에 대한 개괄적인 구성도이다.

본 발명에 따른 토양 모니터링 시스템은 복수의 토양센서 그룹(10-1 내지 10-m)과 근거리 무선 통신(예를 들어, RF 통신, 지그비 등)을 통해서 토양의 물리성 데이터(수분, 전기전도도, 온도, PH, O₂, CO₂ 등)를 수집하는 복수의 게이트웨이장치(30)(게이트웨이장치 #1 내지 게이트웨이장치 #m)와 이 게이트웨이장치(30)와 공용 네트워크(40)를 통해서 접속되는 관리 서버(50) 및 관리자 단말(60)을 포함한다.

상기 게이트웨이장치(30)는 다수의 토양 센서(10)들과 근거리 무선통신을 통해 접속되어 토양 센서(10)로부터의 센싱 신호를 재생하여 다시 전달하는 중계장치로서의 기능과 프로토콜이 서로 다른 통신망인 무선 센서 네트워크와 공용 네트워크(40)간을 접속할 수 있게 해주는 프로토콜 변환기로서의 기능과 다수의 토양 센서(10)들로부터의 센싱 신호를 수집하여 관리 서버(50)로 전송할 통합 센싱신호를 생성하는 데이터 수집기로서의 기능을 수행한다.

상기 토양 센서(10)와 상기 게이트웨이장치(30)는 각종 센서에서 감지한 정보를 유, 무선으로 수집할 수 있도록 센서 네트워크를 형성하는데, 컴퓨팅 능력과 통신 능력을 갖춘 센서 노드들이 자율적인 네트워크를 형성하고 서로 간에 무선 네트워크로 획득한 센싱 정보를 송수신하며, 네트워크를 통해 원격지에서 감시 및 제어 용도로 활용되게 된다. 이러한 센서 네트워크에서는 센서 네트워크의 물리영역(Physical area)과 백본망(Backbone Network)의 인터넷 영역으로 분리되어 있음에 따라, 센서 네트워크와 백본망의 연동은 센서 네트워크에 있는 토양 센서(10)와 연동하는 게이트웨이장치(30)를 통해서만 이루어지게 되며, 사용자(또는 관리자)는 토양 센서(10)에서 측정된 센싱 데이터(물리성 데이터)를 게이트웨이장치(30)를 통해 원격적으로 이용할 수 있다.

하나의 게이트웨이장치(30)(예를 들어, 게이트웨이장치 #m)는 지역적으로 근접하는 복수의 토양센서들인 "토양 센서#1 ~ 토양 센서#n"이 모여서 이루어지는 토양센서 그룹(10-m)을 관리하는데, 해당 토양센서 그룹(10-m)에 속하는 토양센서들(토양 센서#1 ~ 토양 센서#n)로부터 전송되는 센싱 데이터를 통합하여 통합 센싱 데이터를 생성하고, 이 통합 센싱 데이터를 공용 네트워크(40)를 통해 원격지의 관리 서버(50)로 전송한다. 따라서, 본 발명의 경우 상기 토양센서 그룹(10-1 내지 10-m)이 적어도 하나 이상인 것이 바람직하고, 이 토양센서 그룹(10-1 내지 10-m)에 대응하는 게이트웨이장치(30)(게이트웨이장치 #1 내지 게이트웨이장치 #m) 역시 상기 토양센서 그룹(10-1 내지 10-m)에 대응되도록 적어도 하나 이상인 것이 바람직하다.

예를 들어, 특정 토양 센서(10)(예를 들어, 10-3 그룹의 토양 센서 #2)는 액티브 모드 상태의 센서봉(12)(예를 들어, 제 1 센서봉)의 센서 모듈(13)로부터 측정한 물리성 데이터와 센서 식별 정보(센서 위치정보)를 포함하는 센싱 데이터를 생성하고, 이를 센서 네트워크를 통해 대응하는 게이트웨이장치(30)(게이트웨이장치 #3)로 전송한다. 상기 게이트웨이장치 #3는 대응하는 토양센서 그룹 10-3의 모든 토양 센서들인 "토양 센서#1 ~ 토양 센서#n"으로부터 상기 센싱 데이터를 수신하고, 수신한 센싱 데이터를 통합하여 통합 센싱데이터를 생성한다. 그리고, 이 통합 센싱데이터를 공용 네트워크(40)를 거쳐 상기 관리 서버(50)로 전송한다.

따라서, 상기 관리 서버(50)는 각 토양 센서들(10)을 원격에서 모니터링하고, 그로부터 전송되는 센싱 데이터에 기초하여 센싱 목적에 따른 정보를 도출함과 아울러, 전체 센서 네트워크에 대한 운영 관리를 수행할 수 있다. 이러한 관리 서버(50)은 클라우드 기반으로 구축될 수 있다. 특히, 상기 관리 서버(50)는 상기 통합 센싱데이터로부터 특정 위치의 토양의 서로 다른 깊이의 물리성 데이터(수분, 전기전도도, 온도, PH, O₂, CO₂ 등)를 특정하여 모니터링하고, 제어하는 것이 가능해진다.

상기 네트워크(40)는 근거리 통신망(Local Area Network; LAN), 광역 통신망(Wide Area Network;WAN) 또는 부가가치 통신망(Value Added Network; VAN) 등과 같은 유선 네트워크로 구현될 수 있다. 또한, 상기 네트워크(40)는 이동 통신망(mobile radio communication network), 위성 통신망, 블루투스(Bluetooth), Wibro(Wireless Broadband Internet), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), LTE(Long Term Evolution) 등과 같은 모든 종류의 무선 네트워크로 구현될 수 있다. 필요에 따라서, 상기 네트워크(40)는 유선 및 무선이 혼용된 네트워크일 수 있다.

상기 관리 서버(50)는 네트워크(40)를 통해 상기 복수의 토양 센서(10)들로부터 센싱 데이터를 수신하고, 이 센싱 데이터를 분석하여 상기 토양 센서(10)의 에러 여부를 판별하고, 에러가 난 상기 토양 센서(10)의 작동 모드의 전환을 지시하는 제어신호를 생성하는 원격지의 모니터링 제어시스템이다.

상기 관리자 단말(60)은 네트워크(40)를 통해 상기 관리 서버(50)에 접속한 상태에서 상기 센싱 데이터를 확인하는 것에 의해 특정한 위치의 토양의 서로 다른 깊이에서의 물리성(수분, 전기전도도 등)을 모니터링할 수 있는 관리자 또는 사용자의 정보통신단말이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 관리 서버(50)의 하드웨어 구성도를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 관리 서버(50)는 복수의 게이트웨이장치(30)로부터 통합 센싱 데이터를 수신하고, 특정 토양 센서(10)의 메인 센서봉과 스패어 센서봉의 작동모드의 전환을 지시하는 제어신호를 게이트웨이장치(30)에 송신하는 송수신부(51)와, 상기 통합 센싱 데이터를 분석하여 모니터링하거나 센싱 데이터의 에러 여부를 감지하기 위한 프로그램이 저장된 메모리(53) 및 상기 프로그램을 실행시키는 프로세서(52)를 포함한다.

또한, 상기 관리 서버(50)는 마우스나 터치 스크린과 같이 사용자의 조작이나 터치를 인식할 수 있는 입력 장치와 발광다이오드(LED; Light Emitting Diode)나 액정표시장치(LCD; Liquid Crystal Display), 전자 잉크(e-ink)와 같이 문자나 이미지를 표시할 수 있는 디스플레이나 스피커와 같은 변환기(transducer)를 포함하는 출력장치를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 프로세서(52)는 상기 특정 토양 센서(10)로부터의 센싱 데이터에 에러(누락, 왜곡 등)가 발생하면, 상기 특정 토양 센서(10)의 작동모드를 전환하는 제어신호를 생성하는 것에 의해 로컬에 위치하는 상기 특정 토양 센서(10)의 제 1 센서봉(12)과 제 2 센서봉(13)의 작동모드를 원격에서 교번적으로 제어 관리한다.

상기 프로세서(52)는 상기 관리 서버(50)에 내장되어 전체적인 동작을 처리하는 기능을 수행하기 위하여 계산을 수행하기 위한 ALU(Arithmetic Logic Unit)와, 데이터 및 명령어의 일시적인 저장을 위한 레지스터 및 관리 서버(50)의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러로 이루어질 수 있다.

상기 메모리(53)는 일반적으로 RAM(Random Access Memory)과 ROM(Read Only Memory) 같은 저장 매체 형태인 고속의 메인 메모리와, 플래시 메모리 등의 보조 메모리 및 전기, 자기, 광학이나 그 밖의 저장 매체를 이용하여 데이터를 저장하는 장치를 포함할 수 있다. 또한, 메인 메모리는 출력 장치를 통하여 이미지를 디스플레이 하는 비디오 디스플레이 메모리를 포함할 수 있다. 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게는 상기 메모리(53)가 여러 가지 저장 성능을 구비하는 제품으로서, 여러 가지 형태를 가질 수 있다는 것이 자명할 것이다.

또한, 본 발명의 기술 분야에 있어서, 상기 관리 서버(50)은 OS(Operating System) 및 적어도 하나의 응용 프로그램을 포함할 수 있다. OS는 관리 서버(50)의 동작 및 리소스의 지정을 제어하는 소프트웨어 집합이다. 응용 프로그램은 OS를 통하여 이용 가능한 컴퓨터 리소스를 사용함으로써, 사용자가 요청한 업무를 수행하기 위한 소프트웨어 집합이다. 예를 들어, 본 발명에 따른 응용 프로그램으로는 상기 통합 센싱 데이터를 분석하고, 모니터링하는 슈퍼바이저 프로그램과, 센싱 데이터의 에러를 감지하는 에러감지 프로그램을 예로 들 수 있을 것이다. 상기 OS 및 응용 프로그램은 메모리(53)에 상주될 것이다. 컴퓨터 프로그래밍의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자의 경험에 따라, 다른 표현으로 기술되지 않으면, 본 발명은 관리 서버(50)에 의해 수행되는 동작 및 동작에 대한 표현 기호에 따라 기술될 것이다. 이러한 동작은 컴퓨터 기반으로 이루어지며, OS 또는 적당한 응용 프로그램에 의하여 수행될 것이다. 또한, 이러한 동작 및 기능은 전기 신호의 변환 또는 차단을 유발하는 데이터 비트 등의 전기 신호에 대한 프로세서(52)의 처리와, 관리 서버(50)의 동작을 변경할 뿐만 아니라 메모리(53) 영역에 저장된 데이터 비트 신호에 대한 관리를 포함한다. 데이터 비트 신호가 관리되는 메모리(53) 영역은 데이터 비트에 해당하는 전기, 자기 또는 광학 특성을 갖는 물리 영역이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 관리 서버(50)의 내부 기능 블록도를 나타낸다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 관리 서버(50)는 소프트웨어적으로 그 기능을 실행하는 기능 모듈로서 데이터 분석부(55), 통계값 계산부(56), 오류 판정부(57) 및 모드 변환부(58)를 포함한다.

상기 데이터 분석부(55)는 상기 게이트웨이장치(30)로부터 수신한 통합 센싱 데이터를 분석하여 토양센서 그룹(10-1 내지 10-m)의 물리성 데이터와 개별 토양 센서(10)의 물리성 데이터를 수집하는 소프트웨어 모듈이다. 즉, 상기 데이터 분석부(55)는 상기 게이트웨이장치(30)로부터 수신한 통합 센싱 데이터를 토양센서별 센싱 데이터로 분할한 후 토양센서 그룹별로 그리고 다시 개별 토양센서별로 저장하는 것에 의해 각 토양센서 그룹(10-1 내지 10-m)의 물리성 데이터와 각 토양센서 그룹에 속하는 개별 토양 센서들(10)의 물리성 데이터를 수집한다.

상기 통계값 계산부(56)는 상기 토양 센서(10)의 물리성 데이터로부터 제 1 산술평균값(제 1 평균, m1)과 표준편차(σ)를 계산하고, 상기 토양센서 그룹의 물리성 데이터로부터 제 2 산술평균값(m2)을 계산하는 소프트웨어 모듈이다. 즉, 상기 통계값 계산부(56)는 상기 토양 센서(10)의 물리성 데이터를 산술 평균하여 제 1 평균(m1)과 표준 편차(σ)를 계산하고, 상기 토양센서 그룹의 물리성 데이터를 산술 평균하여 제 2 평균(m2)을 계산한다.

상기 오류 판정부(57)는 상기 통계값 계산부(56)에 의해 계산된 제 1 평균(m1), 표준 편차(σ) 및 제 2 평균(m2)을 이용하여 토양 센서(10)의 고장이나 파손으로 인한 센싱 에러를 판정하기 위한 소프트웨어 모듈이다.

즉, 상기 오류 판정부(57)는 아래의 [수학식 1]에 따른 1차 에러 판정 절차와 아래의 [수학식 2]에 따른 2차 에러 판정 절차를 통해 토양 센서의 고장이나 파손으로 인한 센싱 오류를 판정한다. 즉, 상기 1차 에러 판정 절차와 상기 2차 에러 판정 절차를 모두 거침으로써 토양 환경의 변화로 인한 센싱 오류나 통신 에러로 인한 센싱 오류로부터 기기 자체의 센싱 오류를 선별하여 구분 판정할 수 있다.

(SD는 특정 토양 센서(10)의 물리성 데이터, m1은 제 1 평균, σ는 표준편차)

(SD는 특정 토양 센서(10)의 물리성 데이터, m2는 제 2 평균, R은 미리 설정된 기준값)

즉, 상기 오류 판정부(57)는 상기 특정 토양 센서(10)의 물리성 데이터가 상기 [수학식 1]과 [수학식 2]를 모두 만족하는 경우에만 토양 센서의 기기 자체의 오류로 인한 센싱 에러로 판정한다.

상기 모드 변환부(58)는 상기 오류 판정부(57)가 1차 에러 판정 절차와 2차 에러 판정 절차를 통해 특정 토양 센서의 물리데이터의 누락이나 왜곡이 최종적으로 토양 센서(10) 자체의 에러로 판정하면, 상기 특정 토양 센서(10)의 작동 모드 변환을 지시하는 제어신호를 생성하고, 이를 해당하는 게이트웨이장치(30)를 통해 상기 특정 토양 센서(10)로 전송한다.

도 7은 본 발명에 따른 토양센서(10)와 관리 서버(50) 사이에서 이루어지는 오류 감지 및 작동 모드 전환 프로세스에 대한 총괄 흐름도이고, 도 8은 본 발명에 따른 관리 서버(50)에서 이루어지는 에러 판정 절차에 대한 순서도이다.

관리자는 토양의 물리성을 측정하고자하는 복수의 위치에 도 3과 같이 토양 센서(10)를 설치하고, 인접하는 복수의 토양 센서(10)를 묶어서 토양센서 그룹(10-1 내지 10-m)을 형성함으로써 도 4와 같은 센서 네트워크를 구성한다.

그리고, 토양 센서(10)의 센서봉중 하나의 센서봉(제 1 센서봉 : 12)을 액티브 모드(active mode)로 나머지 다른 하나의 센서봉(제 2 센서봉 : 13)을 슬립 모드(sleep mode)로 설정한다(S110).

상기 액티브 모드 상태의 제 1 센서봉(12)의 서로 다른 깊이에 배치된 적어도 하나 이상의 센서모듈(14)로부터 센싱한 물리성 데이터(수분, 전기전도도, 온도, PH, O₂, CO₂ 등)를 수신한 제어회로는 해당 토양 센서(10)의 센서 식별정보와 상기 물리성 데이터를 포함하는 센싱 데이터를 생성하고(S112), 이를 안테나(21)를 통해서 해당하는 게이트웨이장치(30)로 전송한다(S114).

상기 게이트웨이장치(30)는 관리영역(특정 토양센서 그룹)내의 모든 토양센서들(10)로부터 상기 센싱 데이터를 수집하고(S116), 이렇게 수집한 센싱 데이터를 결합하여 통합 센싱 데이터를 생성하고(S118), 이 통합 센싱 데이터를 공용 네트워크(40)를 통해 관리 서버(50)로 전송한다(S120).

상기 게이트웨이장치(30)로부터 상기 통합 센싱 데이터를 수신한 관리 서버(50)의 데이터 분석부(55)는 상기 통합 센싱 데이터를 토양센서별 센싱 데이터로 분할한 후 토양센서 그룹별로 그리고 다시 개별 토양센서별로 저장한다(S122).

상기 S112 내지 S122의 과정을 적어도 한번 이상 반복하는 것에 의해 각 토양센서 그룹(10-1 내지 10-m)의 물리성 데이터와 각 그룹의 개별 토양 센서(10)의 물리성 데이터를 수집한다(S124).

이렇게 토양센서 그룹별 물리성 데이터와 토양 센서별 물리성 데이터의 수집이 이루어진 후, 상기 관리 서버(50)의 통계값 계산부(56)는 토양 센서별 물리성 데이터(수분, 전기전도도, 온도, PH, O₂, CO₂ 등)로부터 제 1 산술 평균값(m1)(이하, 제 1 평균)과 표준편차(σ)를 계산하고, 이를 토양 센서별로 대응되게 저장한다. 또한, 상기 통계값 계산부(56)는 상기 토양센서 그룹별 물리성 데이터로부터 제 2 산술 평균값(m2)(이하, 제 2 평균)을 계산하고, 이를 해당 토양센서 그룹에 대응되게 저장한다(S126).

상기 제 1 평균(m1), 표준편차(σ) 및 제 2 평균(m2)은 토양 센서들(10)로부터 새로운 센싱 데이터가 수신됨에 따라 지속적으로 갱신된다.

상기 관리 서버(50)의 오류 판정부(57)는 상기 특정 토양 센서(10)의 물리성 데이터(SD)를 메모리(53)로부터 불러들이고, 아래의 [수학식 1]에 따라 1차 에러 판정 절차를 진행한다(S127, S128).

[수학식 1]

〉σ

즉, 상기 특정 토양 센서(10)의 물리성 데이터(SD)와 상기 특정 토양 센서(10)의 제 1 평균(m1)(산술평균)을 비교하여 물리성 데이터(SD)가 제 1 평균(m1) 보다 표준편차(σ) 이상의 오차를 가진다면 물리성 데이터에 누락이나 오차범위 이상의 오류(왜곡)가 존재하는 것으로서 제 1 센서봉(12)에 고장 등의 기기 에러가 있을 수 있다고 판단하여 2차 에러 판정 절차로 진행한다(S130). 반면에, 특정 토양 센서(10)의 물리성 데이터와 특정 토양 센서(10)의 제 1 평균(m1)의 차이가 표준편차(σ) 이내인 경우에는 물리성 데이터에 누락이나 오류가 존재하지 않는 것으로 판단하여 상기 단계 S124로 리턴한다(S129).

상기 1차 에러 판정 절차는 센서의 고장 뿐만 아니라 센서가 위치하는 토양의 갑작스러운 환경변화로 인해서도 발생할 수 있기 때문에 상기 오류 판정부(57)는 1차 에러 판정 절차 후에 아래의 [수학식 2]에 따라 2차 에러 판정 절차를 진행한다(S131, S132).

[수학식 2]

〉R

즉, 상기 특정 토양 센서(10)의 물리성 데이터(SD)와 상기 특정 토양 센서(10)가 소속된 토양센서 그룹의 물리성 데이터의 산술 평균값(제 2 평균)(m2)을 비교하여 특정 토양 센서(10)의 물리성 데이터가 상기 특정 토양 센서(10)가 소속된 토양센서 그룹의 물리성 데이터의 산술 평균값(제 2 평균)(m2) 보다 미리 설정된 기준값(R) 이상의 오차를 가진다면 토양의 환경 변화가 아닌 제 1 센서봉(12)에 고장 등의 기기 에러가 있는 것으로 판단한다(S134). 반면에, 특정 토양 센서(10)의 물리성 데이터와 해당 특정 토양 센서(10)가 소속된 토양센서 그룹의 물리성 데이터의 산술 평균값(제 2 평균)(m2)의 차이가 기준값(R) 이내인 경우에는 제 1 센서봉(12)의 기기 에러가 아니라 일시적인 토양의 환경 변화로 인식하여 상기 단계 S124로 리턴한다(S133).

상기 오류 판정부(57)가 상기 1차 에러 판정 절차 및 2차 에러 판정 절차를 통해 특정 토양 센서의 물리데이터의 누락이나 왜곡이 최종적으로 토양 센서(10) 자체의 기기 에러로 판정하면, 모드 변환부(58)는 상기 특정 토양 센서(10)의 작동 모드 변환을 지시하는 제어신호를 생성하고, 이를 해당하는 게이트웨이장치(30)를 통해 상기 특정 토양 센서(10)로 전송한다(S136).

상기 관리 서버(50)의 모드 변환부(58)로부터 상기 작동 모드의 변환을 지시하는 제어신호를 수신한 상기 특정 토양 센서(10)의 제어회로는 내부 메모리의 모드 플래그("제 1 센서봉 : 1, 제 2 센서봉 : 0")를 확인하여 active mode 상태의 제 1 센서봉(12)을 sleep mode로 전환하고, sleep mode 상태의 제 2 센서봉(13)을 active mode 상태로 전환한 후 상기 모드 플래그를 "제 1 센서봉 : 0, 제 2 센서봉 : 1"로 갱신한다. 이에 따라, 상기 특정 토양 센서(10)의 메인 센서봉은 제 2 센서봉(13)으로, 그리고 스패어 센서봉은 제 2 센서봉(12)으로 전환된다(S142).

이와 같이, 본 발명은 하나의 센서에 동일한 성능을 갖는 한 쌍의 센서봉을 설치하고, 한 쌍의 센서봉을 교번적으로 작동시킴으로써 토양의 지하에 묻혀서 교환이나 수리가 용이하지 않는 센서의 고장과 같은 이상 상태에 능동적으로 대응하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명은 토양 센서의 결함을 2차에 걸친 에러 판정 절차를 통해서 확인함으로써 센서의 고장과 같은 기기 에러를 비교적 정확성 높게 판정하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명은 센서 자체의 기기 에러를 토양의 환경변화나 통신 에러로부터 명확하게 구분함으로써 오류의 명확한 원인 규명과 능동적인 후속 대처를 가능하게 한다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

1 : 토양, 10 : 토양 센서, 10-1~10-m : 토양센서 그룹, 11 : 베이스, 12 : 제 1 센서봉, 13 : 제 2 센서봉, 14,15 : 센서 모듈, 16 : 제 1 오링, 17 : 하부 바디, 18 : 상부 바디, 19 : 관통홀, 20 : 제 2 오링, 21 : 안테나, 22 : 인쇄회로기판, 30 : 게이트웨이장치, 40 : 네트워크, 50 : 관리 서버, 51 : 송수신부, 52 : 프로세서, 53 : 메모리, 55 : 데이터 분석부, 56 : 통계값 계산부, 57 : 오류 판정부, 58 : 모드 변환부, 60 : 관리자 단말,

Claims

토양에 매립되어 토양의 수분, 온도, 전기전도도와 같은 물리성을 측정하는 토양 센서로서,
봉 형태의 한 쌍의 제 1 센서봉과 제 2 센서봉; 및
이 제 1 센서봉과 제 2 센서봉의 기단을 형성하는 베이스;를 포함하고,
상기 제 1 센서봉과 제 2 센서봉은 서로 일정한 거리 이격된 상태로 상기 베이스로부터 평행하게 나란히 상방으로 연장되어 설치되며,
상기 제 1 센서봉과 제 2 센서봉은 각각 길이 방향으로 서로 다른 깊이에 위치하여 상기 물리성을 측정하기 위한 복수개의 센싱 모듈을 포함하고,
상기 센싱 모듈은 상기 제 1 센서봉과 상기 제 2 센서봉의 대응하는 동일 위치에 동일한 갯수로 배치되며,
상기 제 1 센서봉은 액티브 모드로 활성화되고, 상기 제 2 센서봉은 슬립 모드로 비활성화된 상태로 대기하며,
이벤트 발생시 상기 제 2 센서봉은 슬립 모드에서 액티브 모드로 전환되고, 상기 제 1 센서봉은 액티브 모드에서 슬립 모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 토양 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 베이스는
상기 토양 센서를 공용 네트워크와 연결하여 센서 네트워크를 형성하기 위한 게이트웨이장치와의 근거리 무선통신을 위한 통신 수단과;
상기 제 1 센서봉과 제 2 센서봉의 작동 모드를 액티브 모드(active mode) 또는 슬립 모드(sleep mode)로 제어하기 위한 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 토양 센서.
제 2 항에 있어서,
상기 제어 수단은 상기 통신 수단을 통해 원격지의 관리 서버로부터 상기 작동 모드의 전환을 지시하는 제어신호를 수신함에 따라 상기 제 1 센서봉과 제 2 센서봉의 작동 모드를 액티브 모드(active mode) 또는 슬립 모드(sleep mode)로 교번적으로(alternatively) 전환 제어하는 것을 특징으로 하는 토양 센서.
제 3 항에 있어서, 상기 베이스는,
상부 바디와 하부 바디가 결합되어 내부에 일정한 수용공간을 형성하는 속이빈 케이스로서 이 수용공간내에 상기 통신 수단과 상기 제어 수단을 위한 인쇄회로기판과 안테나를 수용하는 것을 특징으로 하는 토양 센서.
제 4 항에 있어서,
상기 상부 바디에는 상기 제 1 센서봉과 제 2 센서봉을 상기 베이스에 착탈 가능하게 연결하기 위한 한쌍의 관통홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 토양 센서.
제 5 항에 있어서,
상기 제 1 센서봉과 제 2 센서봉은 제 1 오링을 매개로 상기 관통홀에 끼워져 밀봉 결합되는 것을 특징으로 하는 토양 센서.
제 6 항에 있어서,
상기 상부 바디와 상기 하부 바디는 제 2 오링을 매개로 결합됨으로써 토양의 외부 환경으로부터 베이스의 내부를 실링(sealing)하는 것을 특징으로 하는 토양 센서.