WO2014129727A1 - Ｌｏｃ를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템 및 이를 이용하는 휴대용 통합 수질측정기 - Google Patents

Ｌｏｃ를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템 및 이를 이용하는 휴대용 통합 수질측정기 Download PDF

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loc
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김현욱
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서울시립대학교 산학협력단
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
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    • Y02A20/20—Controlling water pollution; Waste water treatment

Definitions

  • the present invention is a lab-on-a-chip (LOC) -based water quality measurement network system for organic matter, total phosphorus, and total nitrogen, which are the core water quality data of streams (including lakes), early stormwater, and sewage treatment plants.
  • LOC lab-on-a-chip
  • Including an integrated water quality meter more specifically, the absorbance of the sample by measuring the absorbance of the sample to determine the water quality, pH, EC, DO, turbidity, water temperature, DOC, Nitrate, Nitrite, Phosphate, Ammonia, etc.
  • Efficient water quality by analyzing and controlling various measured water quality data through a network through a monitoring unit equipped with LOC technology-based sensor unit that measures all items and software sensors of TN, TP, and BOD.
  • Water quality measurement network system based on LOC which can be managed and equipped with a compact water quality meter using the network system, which is easy for the administrator to carry. System and a portable integrated water quality meter including the same.
  • water quality sensors are installed to measure organic matter, total phosphorus, and total nitrogen, which are the core water quality data, to manage streams (including lakes), initial stormwater, and sewage treatment plant effluents.
  • water quality sensors are provided and installed according to the information. Therefore, as the size of the measuring device including the water quality sensor increases as a variety of water quality sensors are provided to measure water quality, it is difficult for the administrator to carry and difficult to move, as well as the information measured by the water quality sensors itself. There is a difficulty in place and time by outputting each.
  • the prior art is a measurement unit having a plurality of measurement sensors to measure the water quality-related information of the water and is connected to the plurality of measurement sensors individually to receive information about the water quality-related information of the water to process the received information
  • the data receiver unit and the data collector unit for collecting and simultaneously processing the water quality-related information of the water processed from the data receiver unit to control the operation of the data collector and the measurement unit and the information collector, the information processed from the data collector
  • the controller unit transmits the control unit through data communication with an external device, and performs communication with the controller unit, and transmits a control command through the PLC to the measurement unit, the data collection unit, and the controller unit using the transmitted information.
  • Displaying information transmitted through the automation control unit and the controller unit Multi-item multi water quality measurement system including a data display unit,
  • the water quality information of the water hydrogen ion concentration (pH), redox potential (ORP), dissolved oxygen (DO), electrical conductivity (Conductivity), active sludge suspended solids concentration (MLSS), suspended solids concentration (SS), At least one of turbidity, sodium, and silica
  • the data receiving unit collects water quality related information of the water set by a switch unit for turning on and off a power supply and the controller unit.
  • a sensor connection rack including a period display unit for displaying a period, a transmission / reception display unit for displaying whether data is transmitted or received with the data collection unit, and a sensor connection terminal directly connected to the plurality of measurement sensors.
  • a cycle display section for displaying a collection cycle of water quality-related information of the water that is set in advance
  • the prior art can measure a variety of water quality data with a complex water quality sensor, the size of the monitoring device is increased according to the diversification of the water quality sensor, and thus there is a problem that the mobility and portability of the device is significantly reduced.
  • the prior art relates to an integrated water quality remote monitoring device that can be reduced in size and easy to manage the inlet pipe and the drain pipe without being constrained by the installation location and save power.
  • the integrated water quality remote monitoring apparatus for receiving the sewage and remotely monitoring the water quality, the integrated water quality remote by controlling whether or not the sewage in the circulation passage and the circulation passage providing a flow path through which the obtained sewage can move. And a control unit for controlling an internal temperature of the monitoring device, wherein the circulation passage is configured to perform heat exchange with internal air of the integrated water quality remote monitoring device. Presenting.
  • the prior art has a problem that it is not possible to measure a variety of water quality data due to the small size, the complex configuration of the water quality sensor is not possible.
  • the prior art is a measurement unit having a plurality of measurement sensors to measure the water quality-related information of the water and is connected to the plurality of measurement sensors individually to receive information about the water quality-related information of the water to process the received information
  • the measurement unit and the data collection unit to collect and simultaneously process the water quality related information of the water processed by the data receiving unit and the data receiving unit, and the information processed from the data collection unit It is composed of a controller unit for transmitting the data through an external device,
  • a multi-item multi-water quality measurement system including a data display unit, and the water quality information of the water includes hydrogen ion concentration (pH), redox potential (ORP), dissolved oxygen (DO), electrical conductivity (Conductivity), and active sludge flotation.
  • a sensor connection rack including a sensor connection terminal directly connected to a plurality of measurement sensors, wherein the controller unit displays a collection period of water quality related information of the water set in advance and a switch unit for turning on and off a power supply.
  • a transmission / reception display unit which displays whether data is transmitted / received with the period display unit and the data collection unit; And a signal receiving terminal for receiving the water quality related information of the water received from the data receiving unit or the data collecting unit through an analog terminal of 4 to 20 mA if the analog signal is received, and receiving the digital terminal of RS232 or RS485 if the digital signal is received.
  • a data communication rack, and the data display unit is a multi-item multi water quality measurement system, characterized in that it comprises a calibration unit for each of the transmitted information can be calibrated independently.
  • Patent No. 10-1039004 ⁇ Automatic recognition function multi-item water quality measurement device and water treatment system using the same '',
  • the prior art relates to a multi-item water quality measurement apparatus, and more specifically, to measure all water quality (pH, ORP, electrical conductivity, dissolved oxygen, chlorine, turbidity, etc.) such as rivers, lakes, and tap water to transmit measured values.
  • a multi-item water quality measuring device based on water quality (pH, ORP, electrical conductivity, dissolved oxygen, chlorine, turbidity, etc.) such as rivers, lakes, and tap water to transmit measured values.
  • the present invention relates to a water quality measurement system that can select one or more items that require water quality measurement items in rivers, appeals, waterworks, etc. that require multiple water quality measurements.
  • Single-item water quality collection unit to which one or more water quality sensors are connected, an external case having a structure capable of attaching and detaching a plurality of single-item water quality collection units, and the single-item water quality collection unit automatically recognized
  • a measurement item automatic recognition unit is added, and the water quality data integrated collection unit for the measured water quality of each item, and the automatic control function for the water quality items by the control unit of the single item water quality collection unit in conjunction with the water quality data integrated collection unit
  • the above two conventional techniques can measure a variety of water quality data by combining a water quality sensor, but in transmitting the measured water quality data and outputting the measured water quality data directly in the field, in analyzing and controlling the water quality data.
  • the present invention has been made to solve the above problems, in the water-based measurement network system based on the LOC and a portable integrated water quality meter using the same,
  • the water quality sensor is composed of LOC technology based sensor and absorbing measurement member and monitoring part based on LOC technology based sensor part, and LOC technology based sensor part pH, EC, DO, turbidity, water temperature, DOC, Nitrate, Nitrite, Phosphate It is possible to grasp the accurate water quality by analyzing various water quality data by configuring all of actual measurement such as, Ammonia and software sensors of TN, TP, and BOD, and by minimizing the sensor part by configuring LOC technology based sensor part Easy to move and carry,
  • the absorbance measuring member is composed of a light emitting part and a light receiving part, and the light receiving part is composed of a detector and a calculation unit for measuring a wavelength, and directly mounts the detector to the calculation unit to prevent noise generated during absorbance measurement.
  • the monitoring unit includes backwashing means for continuously filtering and backwashing the samples to reduce errors in the water quality data due to contamination of the samples.
  • the wireless communication unit is composed of a communication server, a DB server and a web server, each of which configures one or more auxiliary servers to replace and operate each auxiliary server when one or more of the communication server, DB server and web server are stopped. To prevent the radio from stopping
  • the portable integrated water quality meter is composed of a single PCB, small in size, easy to carry and easy to move,
  • It aims to provide a LOC-based water quality measurement network system that can transmit water quality data directly to a manager's mobile device, including a Bluetooth module, and a portable integrated water quality meter using the same.
  • the wireless communication unit transmitting and receiving the water quality data measured by the absorbance measuring member and the monitoring unit, and the water quality data transmitted through the wireless communication unit.
  • the absorbance measuring member includes a sampling tank, a reagent storage tank, a sample line and a dosage line into which a sample and a reagent of a reagent storage tank are provided, and the sample and the color developing reagent are moved and stored, and the sample and the color of the sample are provided.
  • An injection absorbance measuring member including a reaction module for mixing the reagents to measure absorbance, and a display for outputting data measured by the reaction module.
  • LOC technology-based sensor part of the monitoring unit is composed of all of the pH, EC, DO, turbidity, water temperature DOC, Nitrate, Nitrite, Phosphate, Ammonia, and software sensors of TN, TP, BOD, the sensors are in contact with the sample It is characterized in that the multi-item integrated measurement complex LOC sensor unit for measuring, the integrated control unit for analyzing and processing the water quality data received through the wireless communication unit, the control to control the monitoring unit; To build a network system,
  • LOC technology-based sensor unit of the monitoring unit is composed of a multi-item integrated measurement complex LOC sensor unit is built in one housing to configure the monitoring unit as a portable integrated water quality meter,
  • the water quality measurement network system based on the LOC according to the present invention and a portable integrated water quality meter using the same,
  • a monitoring unit based on an absorbance measuring member and a sensor based on LOC technology is configured to measure absorbance of a sample through the absorbance measuring member, and the sensor based on the LOC technology based sensor unit measures pH, EC, DO, turbidity, and water temperature. It consists of two or more of them to analyze the water quality data in various ways, and by miniaturizing the sensor by configuring the sensor unit based on LOC technology, easy to carry and move,
  • the light receiving unit provided in the absorbance measuring member includes a detector and a calculation unit.
  • the detector is directly mounted to the calculation unit to prevent noise from occurring, thereby preventing occurrence of errors in absorbance data.
  • Equipped with backwashing means to backwash the sample to prevent contamination of the sample reducing the error of water quality data due to contamination
  • the integrated control unit that receives the water quality data from the wireless communication unit further includes a transceiver for transmitting the water quality data transmitted to the manager's mobile device is not restricted by time and place,
  • the portable integrated water quality meter is easy to carry and move by configuring a single PCB, and can transmit water quality data directly to the manager's mobile device including a Bluetooth module, thereby solving the problem of measuring and outputting water quality data in the field. can do.
  • FIG. 1 is a structural diagram of a water quality measurement network system based on LOC according to the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view of an absorbance measuring member according to the present invention.
  • Figure 3 is a cross-sectional view of the reaction module according to the present invention
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the backwashing means according to the present invention.
  • FIG. 6 is a structural diagram of a wireless communication unit according to the present invention.
  • FIG. 9 is a front view of the PCB of the portable integrated water quality meter according to the present invention.
  • FIG. 10 is a perspective view of a multiprobe of a portable integrated water meter according to the present invention.
  • 16 is a structural diagram showing a CDMA transmission algorithm
  • the same reference numerals in particular, the tens and ones digits, or the same digits, tens, ones, and alphabets refer to members having the same or similar functions, and unless otherwise specified, each member in the figures The member referred to by the reference numeral may be regarded as a member conforming to these criteria.
  • organic matter, nitrogen, and phosphorus are major pollutants that cause pollution such as eutrophication in rivers and lakes, and major pollutants that discharge the pollutants in rivers can be largely divided into point sources and nonpoint sources.
  • the government has established and operated a total pollution management system.However, in order to establish an effective pollution total management system, the discharge of water from the current water quality of the water body and the main sources of riversides It should be possible to constantly monitor the water quality of water and to analyze the amount of pollutants released quickly and to control the emissions of major point sources based on these calculations.
  • the water quality measurement network system based on the lab-on-a-chip (LOC) according to the present invention LOC technology-based sensor for measuring the absorbance measuring member 10 and the water quality Analyzing the water quality data received through the wireless communication unit 30 and the wireless communication unit for transmitting and receiving the water quality data measured from the monitoring unit 20 and the absorbance measurement member 10 and the monitoring unit 20 based on the unit and It is composed of an integrated control unit 40 to control the monitoring unit 20 by processing.
  • LOC technology-based sensor for measuring the absorbance measuring member 10 and the water quality Analyzing the water quality data received through the wireless communication unit 30 and the wireless communication unit for transmitting and receiving the water quality data measured from the monitoring unit 20 and the absorbance measurement member 10 and the monitoring unit 20 based on the unit and It is composed of an integrated control unit 40 to control the monitoring unit 20 by processing.
  • LOC means that a lab is placed on a chip that is as large as a fingernail such as semiconductor technology, nanotechnology, and biotechnology of ultra-fine circuits, and is a kind of biochip. Also known as a microfluidics chip. 'Biochip' refers to a biological microchip capable of obtaining various necessary information by reacting DNA, proteins, other chemicals and biological samples on a glass, silicon, or plastic substrate.
  • LOC uses materials such as plastic, glass, and silicon (silicon) to make microchannels of less than one nanometer (1 billion) liters, which allows experiments or research processes that can be performed in traditional laboratories with only trace amounts of samples or samples. It is a chip that can be replaced quickly. In addition, various materials such as glass, quartz, plastic, and silicon are used to create narrow microchannels of hair thickness inside the chip for various experiments and diagnosis.
  • the chip is a process in which when a small amount of laboratory liquid enters the microchannel of the chip, the liquid is delivered to the reaction chamber by an electric signal or a micro compressor, and the liquid reacts with a chemical that generates a fluorescent signal in the reaction chamber. Use the principles of computer analysis.
  • LOC is attracting attention as a next-generation diagnostic device.
  • this chip Even a drop of fatigue can diagnose various cancers or measure the number of red blood cells and white blood cells. It is also a high value-added product that can be applied to various fields such as livestock and environment. Since 2000, biotechnology has rapidly developed and attracts attention. As such, only a very small amount of samples or samples can be used to rapidly conduct an experimental research process. Therefore, it is developed as a car sedan diagnosis and analysis device in various fields such as medicine, biotechnology, and environment.
  • BOD Biochemical Oxygen Demand
  • the biochemical oxygen demand is measured by aerobic organic nutrients that use organic substances for metabolism and reproductive action. It means the amount reduced for 5 days.
  • the BOD also represents the indicators of organic pollutants in most aquatic systems and the concentrations of biodegradable organics. However, measuring the BOD requires five days of testing, so it is not suitable for process control or real-time monitoring where fast feedback is essential. And because BOD tests are based on biodegradability tests that depend on the presence of growing microorganisms, it is difficult to consistently make accurate measurements.
  • the presence of toxic substances in the heavy metal liver inhibits the oxidation of organic substances by bacteria, causing errors in the measurement results of BOD, and generally BOD has an uncertainty of 15 to 20%.
  • Measurement methods being studied to replace BOD include biosensor measurement, UV (ultraviolet) spectrum measurement, and fluorescence measurement.
  • Biosensors consist of oxygen probes and attached microorganisms and measure biodegradable organic substances using respiration.
  • Organic matter is biochemically oxidized in the biofilm, and oxygen consumption measures the steady state change.
  • the measurement time has the advantage of fast analysis in minutes or hours.
  • the use of infectious microorganisms also poses a risk to the environment and users.
  • UV spectroscopy is based on the principle that the dissolved organic material of aromatic structure is strongly absorbed by UV radiation, and especially correlates with absorbance of 254nm wavelength and dissolved organic material or dissolved organic carbon. This method is used as an indirect indicator of BOD because it is more related to TOC (Total Organic Carbon) and COD (Chemical Oxygen Demand) than to BOD. This is a factor that causes uncertainty. Anions such as nitrates also interfere with absorbance measurements.
  • Fluorescence assays are determined by the presence of organic and humic substances in natural surface water such as TOC and DOC. Research into the emission wavelength and excitation wavelength of each of the fluorescent particles related to BOD for BOD measurement is ongoing. BOD is highly correlated with tryptophan-based fluorescent substances associated with microorganisms and BOD because they are based on the calculation of pollutant load by microorganisms. In particular, the synchronous fluorescence spectral peak of the excitation short wavelength of 200 nm to 300 nm shows the same fluorescence characteristics when the fluorescent material of amino acid and protein is present.
  • Optical sensors use UV spectroscopy and fluorescence spectra. This has the advantages of rapidity, applicability, low maintenance costs, negligence and no sample preparation. However, there is an analysis limit on samples with high suspended solids.
  • BOD accuracy should be verified by using fluorescence spectrum analysis for BOD prediction of sewage and stream, correlation analysis between BOD and organic material factor and optical factor, and multiple regression analysis using organic material and optical factor.
  • a BOD calculation algorithm is obtained by using DOC (Dissolved Organic Carbon).
  • DOC Dissolved Organic Carbon
  • the stream samples are obtained from 23 streams at 1 hour intervals in the Gyeongan stream of the main inlet of Paldang Lake. Samples were taken. Sewage samples were taken from Hwado sewage treatment plant in Namyangju at 20 hourly intervals. The BOD of the stream sample shows a constant and low concentration, and the BOD of the sewage sample has a large variability and a wide range.
  • the collected samples were stored at 4 ° C. refrigeration temperature and transported to the laboratory and analyzed immediately after delivery.
  • the slits for adjusting the excitation wavelength and the emission wavelength were adjusted to 5 nm and 5 nm.
  • the fluorescence measurement value of each sample was subtracted and corrected.
  • UV 254 nm absorbance measurement was performed using a UV spectrometer (SHIMADZU, UV-1800). The resolution was set to 2 nm, the reaction rate was 0.5 seconds, and the scan rate was set to 60 nm / min.
  • BOD is oxidative mineral, carbohydrate, biodegradable organic substance
  • COD is oxidative inorganic, carbohydrate, biodegradable organic substance, humic substance
  • TOC is carbohydrate, biodegradable organic substance
  • UV absorbances are biodegradable organic substances, humic substances, aromatic hydrocarbons, UV absorbing minerals and the like.
  • the factors used to predict BOD are accompanied by errors because some of the organic substances related to BOD are identified.
  • the specific factors used to predict BOD in this study are BOD, DOC, UV 254nm absorbance, 270 ⁇ 300nm area, 310 ⁇ 370nm area, 310 ⁇ 370nm area, 370 ⁇ 400nm area, 400 ⁇ Measurement values corresponding to each factor with an area of 530 nm are shown in FIG. 11. For river samples, the measured values range from BOD 1.3 to 1.9 mg / L, DOC 1.6 to 2.5 mg / L, UV 254 nm absorbance 0.036 to 0.64, and 270 to 300 nm in synchronous fluorescence spectra, 28252 to84575 and 310 to 370 nm.
  • the measured values range from BOD 6.5 to 139.9 mg / L, DOC 3.5 to 55.2 mg / L, UV 254 nm absorbance 0.090 to 0.310, 270 to 300 nm in synchronous fluorescence spectrum, 114609 to 755 116, and 310 to 370 nm 1629452 ⁇ 9233331, area of 370 ⁇ 400nm 350192 ⁇ 748122, area of 400 ⁇ 530nm 549098 ⁇ 1272352.
  • the factors that have a high correlation with BOD are DOC (0.91)> UV 254 nm absorbance (0.81)> 310-370 nm area in synchronous fluorescence spectrum (0.42)> 270-300 nm area in synchronous fluorescence spectrum (0.36)> synchronous In the fluorescence spectrum, the area of 400-530 nm (0.27)> synchronous fluorescence spectrum of the area of 370-400 nm (0.24)>.
  • the water quality measurement network system N based on a lab-on-a-chip (LOC) according to the present invention according to the present invention includes an absorbance measuring member 10.
  • the absorbance measuring member 10 includes a sampling line (not shown), a reagent storage tank (not shown), and a sample line into which a sample and a color reagent of the reagent storage tank are respectively provided. 11) and the dosing line 131, the input sample and the color development reagent are moved and stored, the reaction module 15 for measuring the absorbance by mixing the sample and the color development reagent, and measured in the reaction module 15 It refers to an injection absorbance measuring member 10 including a display 17 for outputting data.
  • the sample provided through the collection tank is injected through the sample line 11, and the injected sample reaches the reaction module through the first induction line (not shown).
  • the injection amount of the sample is controlled by the solenoid valve 111.
  • the ON / OFF method of the power source continuously passes the solenoid valve 111 in the ON state of the power source and then the reaction module. After reaching the chamber 155 in 15, it flows out through the outlet line 19, and when the solenoid valve 111 is temporarily turned off during the continuous sample outflow process, the sample stops in the reaction module 15, and the sample Is discharged through the discharge line 113.
  • the coloring reagent provided through the reagent reservoir is injected through the dosing line 131, the reaction module 15 is reached through the second induction line, and the injection amount of the coloring reagent is controlled by the tube interlocking pump 13. .
  • the tube interlocking pump 13 As a control method of the tube interlocking pump 13, it is kept OFF by the ON / OFF system of a power supply, and it drives by instructing the tube interlocking pump 13 to an ON command.
  • the color reagent is transferred to the reaction module 15, and the color reagent after the reaction is completed is discharged through the outlet line 19, and this reaction is a continuous reaction method. Is determined.
  • the color reagent and the sample are mixed in the reaction module 15 to measure absorbance.
  • the reaction module 15 includes a light emitting unit 151 and a light receiving unit 153, and the light receiving unit 153 includes a detector (not shown) and an operation unit (not shown) for measuring a wavelength.
  • the noise is cut off by directly mounting the detector to the PC which constitutes the calculation unit.
  • the reaction module 15 is composed of a reaction chamber 155, an optical device, and a mixing system.
  • the reaction chamber 155 is formed in a circular shape having a diameter of 13 mm and a height of 10 mm. In the case of the bromide glass reaction vessel is inserted therein.
  • the glass reaction tank 157 of brorosilicate material is designed to be easily replaced, and is characterized by excellent light transmittance and stronger external shock than general glass.
  • the optical device includes a light emitting unit 151 and a light receiving unit 153.
  • the detector is mounted directly on the PBC attached to the operation unit to block noise from the separation between the detector and the operation unit. It is characterized by one.
  • the reaction module 15 may be composed of one or more, it is also possible to vary the information to be measured according to the color reagent to be added to the reaction module (15). 4, the reaction module 15 is composed of four, respectively configured to measure NO2, NO3, NH3, PO4, can be measured within 5 minutes until the reaction, color development, absorbance measurement, washing, measured value 95 % Shows NO2, NO3, NH3, PO4 analysis systems for reliable TN, TP analysis.
  • the LOC technology-based sensor unit 51 of the monitoring unit 20 may measure pH, EC, DO, turbidity, water temperature, DOC, Nitrate, Nitrite, Phosphate, Ammonia, and TN, It consists of a software sensor of TP, BOD, the sensor is characterized in that the multi-item integrated measurement complex LOC technology-based sensor unit 51 to measure the water quality by contacting the sample.
  • the LOC technology-based sensor unit 51 is smaller than the conventional sensor based on the LOC, so that the size does not increase even if composed of two or more of sensors for pH, EC, DO, turbidity, and water temperature measurement. In addition, it is possible to measure water quality data through the sensors.
  • the LOC technology-based sensor unit 51 further includes a backwashing means 21 capable of continuously filtering samples and performing backwashing.
  • the backwashing means 21 is coarse.
  • the inflow water passing through the filter 211 is filtered inside the filter by the internal pressure of the sealed filter pack 215 while the water level is filled outside the pleated filter 213 of the drum type.
  • the filtered water is introduced into the filter pack 215 of the next stage and designed to be filtered step by step in the same manner, and the adsorbed particles and the settled particles of the filter outer wall are disposed at the bottom of each filter at regular time intervals.
  • Through the outlet valve 212 to be removed at the same time when drained.
  • Each air injection line connected to the compact compressor 217 for backwashing of the backwashing means 21 is connected to the backwashing means 21 of each stage to control the particles adsorbed on the outside of the filter at predetermined time intervals by aeration inside the filter.
  • the check valve 217a is connected to the connected air inlet line so that the internal filtrate of the filter does not flow back.
  • the drain valve is closed during air aeration so that the compressor 217 is not forced due to the internal pressure in each filter.
  • water from the multi-stage filter was transferred to each stage to be discharged, thereby preventing the small compressor 217 from becoming excessive.
  • the wireless communication unit 30 stores a communication server 31 for transmitting water quality data and a DB (Database: database) server 33 for storing water quality data transmitted from the communication server 31. ) And a web server 35 for transmitting the water quality data stored in the DB server 33 through the transmitter 36B, and receiving and outputting the transmitted water quality data through the receiver 36A.
  • DB Database: database
  • the communication server 31, the DB server 33 and the web server 35 further comprises at least one auxiliary server, respectively, the main communication server 31a, the main DB server 33a and the main web server 35a.
  • the sub-communication server (30b) is operated by substituting each of the auxiliary servers (31b, 33b, 35b).
  • the wireless communication unit 30 uses a code-division multiple access (CDMA) scheme.
  • CDMA code-division multiple access
  • the CDMA is one of 'multiple access' schemes in which a plurality of users share time and frequency at the same time in mobile communication. Since mobile communication uses a limited resource called frequency, multiple access is an essential technology in mobile communication, which allows multiple people to effectively share a limited amount of available frequency resources, and FDMA (Frequency Division Multiple Access) : Frequency division multiple access (TDMA), time division multiple access (TDMA), and CDMA.
  • FDMA Frequency Division Multiple Access
  • TDMA Frequency division multiple access
  • TDMA time division multiple access
  • CDMA Code Division Multiple Access
  • the CDMA method is a technique of spreading the spectrum to a mobile communication, and spreads the signal to be spread over a frequency band wider than that of the signal. You can think of everyone in the same space (frequency band) talking in different languages (code) at the same time. This can greatly increase the number of people you can talk to at the same time.
  • the capacity increase of TDMA is about 3 times and CDMA is about 11 times.
  • the existing methods disconnect from the old base station and then connect with the new base station, whereas in CDMA, a soft 'handoff' technique is used to connect with the new base station. After connecting, disconnect the existing base station.
  • the CDMA method receives the radio waves from different directions and adds the strengths, so the quality of the received signal is clean. In addition, it consumes less power, which leads to longer battery life, and each user uses a different code, which is advantageous for protecting communication secrets.
  • the conventional method is restricted to use different frequencies for neighboring base stations, whereas in CDMA, neighboring base stations can use the same frequency, which makes it possible to utilize the frequency efficiently.
  • the wireless communication unit 30 is configured with a duplex having a secondary server
  • the secondary server is configured in the DB server 33
  • the communication server 31, the web server 35 each constructed in the primary business
  • WAS Web Application Server
  • the server 37 was newly installed. Therefore, when one or more of the DB server 33, the communication server 31, and the web server 35 is stopped, each of the secondary server configured to operate can be made to operate the wireless communication unit 30 smoothly.
  • the integrated control unit 40 automatically controls the monitoring unit 20 through the water quality data received from the wireless communication unit 30 to integrally manage the water quality of the basin.
  • the integrated control unit 40 constitutes a monitoring unit for managing water quality.
  • the main page is composed of an overview of the integrated management system such as the background and purpose of the study, the target system, and the system construction status.
  • the measurement data inquiry function makes the water quality measured in real time and outputs the result according to the user's desired inquiry condition.
  • the selection of measurement point, selection of measurement item, non-period of measurement unit, and It consists of main functions such as graph display selection and display of selected measurement inquiry conditions.
  • Figure 7 is one of the configuration screen of the monitoring unit of the integrated management unit, it is configured to look up the measurement data of the water quality to manage by item and time, Figure 8 is configured to query in real time the water quality state of the area to manage will be.
  • the integrated control unit 40 The integrated control unit 40
  • a water quality transmission and reception response unit 41 for transmitting the water quality data transmitted through the wireless communication unit 30 to the portable device of the manager, and to control the monitoring unit 20 through the portable device.
  • the water quality data can be transmitted, received and analyzed regardless of time and place.
  • the LOC sensor unit 51 of the monitoring unit 20 is a multi-item integrated measurement complex LOC technology-based sensor unit 51 Built in a housing to configure the monitoring unit 20 as a portable integrated water quality meter 50,
  • the portable integrated water quality meter 50 is a multi-item integrated measurement complex LOC technology-based sensor unit 51 is a sensor for measuring pH, EC, DO, turbidity, water temperature (51a) (51b) (51c) (51d) ( It is composed of two or more of the (not shown) is characterized in that the sensors to measure the water quality by contacting the sample,
  • each probe of the pH, EC, DO, and turbidity measurement sensors 51a, 51b, 51c, and 51d of the complex LOC technology-based sensor unit 51 is a sample. It is characterized in that the multi-probe module is built in one case so as to contact with.
  • FIG. 10 illustrates to configure all of the sensors, it is also possible to include two or more of the sensors, and the multi-probe module 53 may be configured in another shape instead of a cylindrical shape.
  • the portable integrated water quality meter 50 is composed of a single PCB 55, which is to solve the problem that the size increases as the conventional PCB is divided, one PCB 55 It is characterized in that the portable integrated water quality measuring instrument 50 can be reduced in size, thereby making it easy to carry and move.
  • the portable integrated water quality meter 50 further includes a Bluetooth module (not shown) to directly transmit the water quality data measured by the manager's mobile device, thereby allowing the manager to directly receive the measured water quality data in real time.
  • the Bluetooth module is connected to the PC constituting the multi-probe module 53,
  • the power is supplied from the power supply for the multi-probe module 53, the power supply of the Bluetooth module and the LOC technology-based sensor unit separately supplied to the problem of inconvenience in portability and LOC technology-based sensor unit cable Because of the disconnected method, it has eliminated the unsuitable aspects of commercialization.
  • the mobile device is a screen output to the mobile device in order to check the water quality data transmitted through the Bluetooth module and the transmission and reception corresponding unit 41, login, location confirmation, equipment connection and connection error, measurement and measurement completion, memo input, It consists of transmission and transmission error, configuration server, configuration Bluetooth and configuration correction.
  • the login screen is a screen for entering an administrator's ID and password as the main screen.
  • the current location is displayed as an icon on the map, and latitude and longitude, and a measurement point are shown together, which is a screen for selecting an area to be measured.
  • the device connection and connection error screen is a screen that shows the notification window to connect the equipment after selecting the desired measurement point, and moves to the measurement step when the connection is complete.
  • the water quality measurement and measurement completion screen is a screen for inputting stabilization data to stabilize the water quality in the item-specific measurement data
  • the memo input is a screen for recording a memo specific items
  • the transmission and transmission error screen is the input data Indicates to send.
  • the setting server and the setting Bluetooth screen can check the setting state of the server and Bluetooth, respectively, and the setting correction screen is composed of a screen for calibrating the LOC technology-based sensor unit.
  • reaction module 151 light emitting unit 153: light receiving unit
  • filter pack 217 compressor 217a: non-return check valve
  • wireless communication unit 31 communication server 31a: main communication server
  • auxiliary communication server 33 DB server 33a: main DB server
  • WAS server 40 integrated control unit 41: transmission and reception corresponding unit

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Abstract

본 발명은 하천(호소 포함), 초기우수 월류수, 하수처리장 방류수의 핵심 수질자료인 유기물량, 총인, 총질소를 랩온어칩(Lab-on-a-chip: LOC) 기반 수질측정 네트워크 시스템과 이를 포함하는 통합형 수질측정기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 흡광도 측정부재를 통하여 시료의 흡광도를 측정하여 수질상태를 파악하고, pH, EC, DO, 탁도, 수온, DOC, Nitrate, Nitrite, Phosphate, Ammonia 등의 실측 및 TN, TP, BOD의 소프트웨어 센서 모두로 구성되어 다항목을 통합측정하는 LOC센서부를 구비한 모니터링부를 통하여, 다양하게 측정된 수질자료를 네트워크를 통하여 분석 및 제어함으로써, 효율적인 수질관리를 할 수 있고, 상기 네트워크 시스템을 이용하는 소형화된 수질측정기를 구비하여 관리자가 휴대하기 용이한 LOC를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템 및 이를 포함하는 휴대용 통합 수질측정기에 관한 것이다.

Description

ＬＯＣ를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템 및 이를 이용하는 휴대용 통합 수질측정기
본 발명은 하천(호소 포함), 초기우수 월류수, 하수처리장 방류수의 핵심 수질자료인 유기물량, 총인, 총질소를 랩온어칩(Lab-on-a-chip: LOC) 기반 수질측정 네트워크 시스템과 이를 포함하는 통합형 수질측정기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 흡광도 측정부재를 통하여 시료의 흡광도를 측정하여 수질상태를 파악하고, pH, EC, DO, 탁도, 수온, DOC, Nitrate, Nitrite, Phosphate, Ammonia 등의 실측 및 TN, TP, BOD의 소프트웨어 센서들 모두로 구성되어 다항목을 통합측정하는 LOC 기술기반 센서부를 구비한 모니터링부를 통하여, 다양하게 측정된 수질자료를 네트워크를 통하여 분석 및 제어함으로써, 효율적인 수질관리를 할 수 있고, 상기 네트워크 시스템을 이용하는 소형화된 수질측정기를 구비하여 관리자가 휴대하기 용이한 LOC를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템 및 이를 포함하는 휴대용 통합 수질측정기에 관한 것이다.
일반적으로 하천(호소 포함), 초기우수 월류수, 하수처리장 방류수를 관리하기 위하여 핵심 수질자료인 유기물량, 총인, 총질소를 측정하는 수질측정센서가 설치된다.
상기 다양한 수질자료를 측정하기 위해 수질센서는 상기 정보에 따라 각각 구비되어 설치된다. 따라서 수질을 측정하기 위해 다양하게 수질센서가 구비됨에 따라 상기 수질센서를 포함하는 측정장치의 크기가 커짐으로써, 관리자가 휴대하기 어렵고, 이동이 어려울 뿐만 아니라, 상기 수질센서들이 측정한 정보를 센서 자체에서 각각 출력함으로써 장소 및 시간적인 어려움이 있다.
따라서 수질상태를 감지하기 위해 수질센서를 복합적으로 구성하여 다양한 수질자료를 단일의 장치에서 수집하는 방식이 있다.
종래의 복합적으로 수질센서를 구성한 종래기술로는 공개특허 제 10-2007-0081461호 『일체형 수질 원격감시장치』가 있다.
상기 종래기술은 용수의 수질 관련 정보를 측정하도록 다수개의 측정센서를 구비하는 측정부와 상기 다수개의 측정센서에 개별적으로 연결되어 상기 용수의 수질 관련 정보에 관한 정보를 수신하여 수신된 정보를 연산처리하는 데이터수신부와 상기 데이터수신부로부터 연산처리된 상기 용수의 수질 관련 정보를 통합적으로 수집하여 동시에 처리하는 데이터수집부 및 상기 측정부 및 상기 데이터수집부의 동작을 제어하고, 상기 데이터수집부로부터 처리된 정보를 외부기기와의 데이터통신을 통하여 전송하는 컨트롤러부 상기 컨트롤러부와의 통신을 수행하고, 상기 전송된 정보를 이용하여 상기 측정부, 상기 데이터수집부 및 상기 컨트롤러부로 PLC를 통한 제어명령을 전송하는 자동화제어부 및 상기 컨트롤러부를 통하여 전송된 정보를 표시하는 데이터표시부를 포함하는 다항목 멀티 수질측정시스템이고,
상기 용수의 수질 관련정보는, 수소이온농도(pH), 산화환원전위(ORP), 용존산소(DO), 전기전도도(Conductivity), 활성오니부유물질농도(MLSS), 부유물질농도(SS), 탁도(Turbidity), 나트륨(Sodium), 실리카(Silica) 중 적어도 어느 하나 이상이며, 상기 데이터수신부는, 전원공급을 온오프하는 스위치부와 상기 컨트롤러부에 의하여 설정되는 상기 용수의 수질 관련 정보의 수집주기를 표시하는 주기표시부와 상기 데이터수집부와의 데이터 송수신여부를 표시하는 송수신표시부 및 상기 다수개의 측정센서에 직접연결되는 센서연결단자를 포함하는 센서연결용 렉을 구비하고, 상기 컨트롤러부는, 전원공급을 온오프하는 스위치부와 미리 설정되는 상기 용수의 수질 관련 정보의 수집주기를 표시하는 주기표시부로 구성되고,
상기 데이터수집부와의 데이터 송수신여부를 표시하는 송수신표시부 및 상기 데이터수신부 또는 상기 데이터수집부로부터 수신된 상기 용수의 수질 관련 정보가 아날로그신호이면 4~20mA의 아날로그 단자로 수신되고, 디지털신호이면 RS232 또는 RS485의 디지털 단자로 수신되도록 하는 신호수신단자를 구비하는 데이터통신용 렉을 구비하고, 상기 데이터표시부는, 상기 전송된 정보가 각각 독립적으로 교정될 수 있는 교정부를 구비하는 일체형 수질 원격 감시장치를 제시하고 있다.
그러나 상기 종래기술은 복합적으로 수질센서를 구비하여 다양한 수질자료를 측정할 수 있으나, 수질센서의 다양화에 따른 감시장치의 규모가 커지고, 따라서 장치의 이동성 및 휴대성이 현저히 떨어지는 문제점이 있다.
또한 종래기술로는 공개특허 제 10-2009-0012031호 『일체형 수질원격감시장치』가 있는데
상기 종래기술은 크기가 작아서 설치장소에 제약을 받지 않고 입수관과 배수관의 관리가 용이하며 전력을 절감할 수 있는 일체형 수질원격감시장치에 관한 것이다.
즉, 하수를 입수하여 수질을 원격으로 감시하는 일체형 수질원격감시장치에 있어서, 입수한 상기 하수가 이동할수 있는 유로를 제공하는 순환로 및 상기 순환로에서의 상기 하수의 이동 여부를 제어함으로써 상기 일체형 수질원격감시장치의 내부 온도를 조절하는 제어부를 포함하며, 상기 순환로는, 상기 순환로를 통해서 이동하는 하수가 상기 일체형 수질원격감시장치의 내부 공기와 열 교환이 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 하는 일체형 수질원격감시장치를 제시하고 있다.
그러나 상기 종래기술은 크기가 작음으로서 수질센서의 복합적인 구성이 가능하지 않아 다양한 수질자료를 측정하지 못하는 문제점이 있다.
그리고 종래기술로 등록특허 제 10-0995677호 『다항목 멀티 수질측정시스템』이 있는데,
상기 종래기술은 용수의 수질 관련 정보를 측정하도록 다수개의 측정센서를 구비하는 측정부와 상기 다수개의 측정센서에 개별적으로 연결되어 상기 용수의 수질 관련 정보에 관한 정보를 수신하여 수신된 정보를 연산처리하는 데이터수신부와 상기 데이터수신부로부터 연산처리된 상기 용수의 수질 관련 정보를 통합적으로 수집하여 동시에 처리하는 데이터수집부와 상기 측정부 및 상기 데이터수집부의 동작을 제어하고, 상기 데이터수집부로부터 처리된 정보를 외부기기와의 데이터통신을 통하여 전송하는 컨트롤러부로 구성되고,
상기 컨트롤러부와의 통신을 수행하고, 상기 전송된 정보를 이용하여 상기 측정부, 상기 데이터수집부 및 상기 컨트롤러부로 PLC를 통한 제어명령을 전송하는 자동화제어부 및 상기 컨트롤러부를 통하여 전송된 정보를 표시하는 데이터표시부를 포함하는 다항목 멀티 수질측정시스템이고, 상기 용수의 수질 관련정보는, 수소이온농도(pH), 산화환원전위(ORP), 용존산소(DO), 전기전도도(Conductivity), 활성오니부유물질농도(MLSS), 부유물질농도(SS), 탁도(Turbidity), 나트륨(Sodium), 실리카(Silica) 중 적어도 어느 하나 이상이며, 상기 데이터수신부는, 전원공급을 온오프하는 스위치부와 상기 컨트롤러부에 의하여 설정되는 상기 용수의 수질 관련 정보의 수집주기를 표시하는 주기표시부와 상기 데이터수집부와의 데이터 송수신여부를 표시하는 송수신표시부 및 상기 다수개의 측정센서에 직접연결되는 센서연결단자를 포함하는 센서연결용 렉을 구비하고, 상기 컨트롤러부는, 전원공급을 온오프하는 스위치부와 미리 설정되는 상기 용수의 수질 관련 정보의 수집주기를 표시하는 주기표시부 및 상기 데이터수집부와의 데이터 송수신여부를 표시하는 송수신표시부; 및 상기 데이터수신부 또는 상기 데이터수집부로부터 수신된 상기 용수의 수질 관련 정보가 아날로그신호이면 4~20mA의 아날로그 단자로 수신되고, 디지털신호이면 RS232 또는 RS485의 디지털 단자로 수신되도록 하는 신호수신단자를 구비하는 데이터통신용 렉을 구비하고, 상기 데이터 표시부는, 상기 전송된 정보가 각각 독립적으로 교정될 수 있는 교정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 다항목 멀티 수질측정시스템을 제시하고 있다.
종래기술로 등록특허 제 10-1039004호 『자동인식 기능 다항목 수질측정장치 및 이를 이용한 수처리 시스템』이 있는데,
상기 종래기술은 다항목 수질측정장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 하천, 호소, 상수도 등 모든 수질(pH, ORP, 전기전도도, 용존산소, Chlorine, 탁도 등)을 측정하여 측정된 값을 전송하도록 한 다항목 수질측정장치에 관한 것이다.
보다 구체적으로는 다수의 수질측정이 필요한 하천, 호소, 상수도 등에서 수질 측정항목이 필요한 사항을 하나 또는 둘 이상을 사용자의 필요에 맞게 선택하여 사용할 수 있는 수질측정시스템에 관한 것이다. 하나 또는 다수의 수질을 측정하는 센서 등이 연결되는 단일항목 수질 수집부와, 상기의 단일항목 수질수집부를 다수로 탈부착할 수 있는 구조를 갖는 외부케이스와, 상기의 단일항목 수질수집부를 자동으로 인식하는 측정항목 자동인식부가 부가되고, 상기 측정된 항목별 수질에 대한 수질데이터통합수집부와, 상기의 수질데이터통합수집부와 연동되어 단일항목 수질수집부의 제어부에 의하여 그 수질항목에 대한 자동제어기능을 하고, 상기의 제어부에의하여 센서 등을 자동으로 청소하는 기능을 구비하며, 하나 또는 다수의 항목의 수집된 수질데이터를 보여주는 디스플레이부를 포함하는 것을 특징으로 하여 선택형 다항목 수질측정시스템 및 그 측정방법을 제공하고 있다.
그러나 상기 두 종래기술은 수질센서를 복합적으로 구성하여 다양한 수질자료를 측정할 수는 있으나, 측정된 수질자료를 전송함에 있어 현장에서 직접 측정된 수질자료를 출력하여, 수질자료를 분석하고 제어하는데 있어서, 거리상의 제약이 있다는 문제점이 있다.
또한 상기 수질센서들은 LOC를 기반으로 구성되어 있지 않아 센서 및 네트워크의 규모를 소형화 시키지 못하여 장치의 이동편의나 휴대의 용이성을 갖지 못하는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로서, ＬＯＣ를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템 및 이를 이용하는 휴대용 통합 수질측정기에 있어서,
수질센서를 LOC 기술기반 센서로 구성하는 것으로 흡광도 측정부재와 LOC 기술기반 센서부를 기반으로 하는 모니터링부를 구성하되, LOC 기술기반 센서부를 pH, EC, DO, 탁도, 수온, DOC, Nitrate, Nitrite, Phosphate, Ammonia 등의 실측 및 TN, TP, BOD의 소프트웨어 센서들 모두로 구성하여 다양한 수질자료를 분석함으로써 정확한 수질상태를 파악할 수 있고, 상기 센서들을 LOC 기술기반 센서부로 구성함으로써, 기존의 센서부보다 소형화하여 이동 및 휴대가 용이하고,
흡광도 측정부재는 발광부와 수광부로 구성하고, 상기 수광부는 검출기와 파장을 측정하는 연산부로 구성되되, 상기 검출기를 연산부에 직접 실장함으로써 흡광도 측정시 발생하는 노이즈발생을 방지하고,
모니터링부는 시료들을 연속적으로 여과하고 역세척하는 역세수단을 구비하여 시료의 오염으로 인한 수질자료의 오차를 감소시키고,
무선통신부는 통신서버와 DB서버 및 웹서버로 구성되되 한 개 이상의 보조서버를 각각 더 구성하여 상기 통신서버와 DB서버 및 웹서버 중 한 개 이상의 서버가 정지하였을 경우 각각의 보조서버를 대체 가동하여, 무선통신부가 정지되는 것을 방지하고,
무선통신부로부터 수질자료를 수신하는 통합제어부에 수질자료 송수신대응부를 더 포함하여, 수신된 정보를 관리자의 휴대기기로 전송함으로써 시간과 장소에 영향을 받지 않고 수질자료를 분석할 수 있는 LOC를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템을 제공하고,
상기 네트워크 시스템을 구축하기 위해 휴대용 통합 수질측정기를 구비하고,
상기 휴대용 통합 수질측정기는 단일 피씨비로 구성됨으로써 크기가 작아 휴대가 간편하고 이동이 용이하며,
블루투스 모듈을 포함하여 직접 관리자의 휴대기기로 수질자료를 전송할 수 있는 LOC를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템 및 이를 이용한 휴대용 통합 수질측정기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 LOC를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템 및 이를 이용한 휴대용 통합 수질측정기는
흡광도 측정부재와 수질을 측정하는 LOC 기술기반 센서부를 기반으로 하는 모니터링부와 상기 흡광도 측정부재 및 상기 모니터링부로부터 측정된 수질자료를 송수신하는 무선통신부 및 상기 무선통신부를 통해 전송받은 수질자료를 분석하고, 가공하여 상기 모니터링부를 제어하는 통합제어부로 구성되고,
상기 흡광도 측정부재는 채수조와, 시약저장조와, 상기 채수조에 구비되는 시료와 시약저장조의 발색시약이 각각 투입되는 샘플라인 및 투약라인과, 상기 투입된 시료와 발색시약이 이동되어 저장되고 상기 시료와 발색시약을 혼화반응시켜 흡광도를 측정하는 반응모듈, 및 상기 반응모듈에서 측정된 자료를 출력하는 디스플레이를 포함하여 구성된 인젝션(Injection) 흡광도 측정부재이고,
상기 모니터링부의 LOC 기술기반 센서부는 pH, EC, DO, 탁도, 수온 DOC, Nitrate, Nitrite, Phosphate, Ammonia 등의 실측 및 TN, TP, BOD의 소프트웨어 센서 모두로 구성되어 상기 센서들이 시료에 접촉함으로써 수질을 측정하는 다항목 통합측정 복합 LOC센서부인 것을 특징으로 하며, 상기 무선통신부를 통해 전송받은 수질자료를 분석하고, 가공하여 상기 모니터링부를 제어하는 통합제어부;를 포함하여 이루어진 ＬＯＣ를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템을 구축하기 위한 것으로,
상기 모니터링부의 LOC 기술기반 센서부는 다항목 통합측정 복합 LOC센서부가 하나의 하우징에 내장하여 구성하여 상기 모니터링부를 휴대용 통합 수질측정기로 구성하되,
다항목 통합측정 복합 LOC 기술기반 센서부는
pH, EC, DO, 탁도, 수온 DOC, Nitrate, Nitrite, Phosphate, Ammonia 등의 실측 및 TN, TP, BOD의 소프트웨어 센서 모두로 구성되어 상기 센서들이 시료에 접촉함으로써 수질을 측정하도록 되어 있는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 ＬＯＣ를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템 및 이를 이용하는 휴대용 통합 수질측정기는
흡광도 측정부재와 LOC 기술기반 센서부를 기반으로 하는 모니터링부를 구성하여, 상기 흡광도 측정부재를 통해 시료의 흡광도를 측정하며, 상기 LOC 기술기반 센서부는 pH, EC, DO, 탁도, 수온 측정을 위한 센서들 중 둘 이상으로 구성하여 수질자료를 다양하게 분석할 뿐만 아니라, 상기 센서들을 LOC 기술기반 센서부로 구성함으로써 소형화하여, 휴대 및 이동이 용이하고,
상기 흡광도 측정부재에 구비되는 수광부는 검출기와 연산부로 구성되며, 상기 검출기를 연산부에 직접 실장함으로써 노이즈발생을 방지하여 흡광도 데이터의 오차발생을 방지하고,
시료를 역세척하는 역세수단을 구비하여 시료의 오염을 방지하여 오염으로 인한 수질자료의 오차를 감소시키고,
무선통신부에 보조서버를 구비함으로써 응급상황시 보조서버의 가동으로 인하여 무선통신부의 작동이 중단되는 문제를 해결하고,
또한 무선통신부로부터 수질자료를 전송받는 통합제어부에 관리자의 휴대기기로 전송받은 수질자료를 송신하는 송수신대응부를 더 포함하여 시간과 장소의 제약을 받지 않으며,
나아가 상기 네트워크 시스템을 구축하기 위해 휴대용 통합 수질측정기를 구비하되,
상기 휴대용 통합 수질측정기는 단일 피씨비로 구성하여 휴대 및 이동이 용이하고, 블루투스 모듈을 포함하여 직접 관리자의 휴대기기로 수질자료를 전송 할 수 있어, 현장에서 수질자료를 측정하고 출력해야 했던 문제점을 해결 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 LOC를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템의 구조도
도 2는 본 발명에 따른 흡광도 측정부재의 사시도
도 3은 본 발명에 따른 반응모듈의 단면도
도 4는 본 발명에 따른 흡광도 측정부재의 실시예
도 5는 본 발명에 따른 역세수단의 단면도
도 6는 본 발명에 따른 무선통신부의 구조도
도 7 및 도 8 은 본 발명에 따른 통합제어부의 표시화면
도 9는 본 발명에 따른 휴대용 통합 수질측정기의 피씨비의 정면도
도 10는 본 발명에 따른 휴대용 통합 수질측정기의 멀티프로브의 사시도
도 11 은 시료를 분석한 정보를 나타낸 표
도 12 및 13은 하천에서의 BOD(mg/L)와 주요 인자들의 상관성을 나타낸 그래프
도 14 및 15는 하수에서의 BOD(mg/L)와 주요 인자들의 상관성을 나타낸 그래프
도 16은 CDMA 전송 알고리즘을 나타낸 구조도
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면에서 동일한 참조부호, 특히 십의 자리 및 일의 자리 수, 또는 십의 자리, 일의 자리 및 알파벳이 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 기능을 갖는 부재를 나타내고, 특별한 언급이 없을 경우 도면의 각 참조부호가 지칭하는 부재는 이러한 기준에 준하는 부재로 파악하면 된다.
또 각 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께를 과장되게 크거나(또는 두껍게) 작게(또는 얇게) 표현하거나, 단순화하여 표현하고 있으나 이에 의하여 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
일반적으로 유기물, 질소, 인은 하천 및 호소에 부영양화 등의 오염을 유발하는 주요오염물질이고, 하천에 상기 오염물질들을 배출하는 주요 오염원은 크게 점오염원과 비점오염원으로 나누어질 수 있다. 상기 오염원들에 의한 하천의 오염을 최소화하고 통합적으로 관리하기 위해서 정부는 오염총량관리체계를 구축하여 운영 중에 있으나, 효과적인 오염총량관리 체계를 구축하기 위해서는 수체의 현재 수질과 하천변 주요 배출원에서 기인하는 배출수의 수질을 항시 모니터링하고, 배출되는 오염물의 양을 신속하게 분석할 수 있어야 하며, 이러한 계산을 바탕으로 주요 점오염원의 배출량을 제어하여야 한다.
따라서 도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 LOC(Lab-On-a-chip)를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템(N)은 흡광도 측정부재(10)와 수질을 측정하는 LOC 기술기반 센서부를 기반으로 하는 모니터링부(20)와 상기 흡광도 측정부재(10) 및 상기 모니터링부(20)로부터 측정된 수질자료를 송수신하는 무선통신부(30) 및 상기 무선통신부를 통해 전송받은 수질자료를 분석하고, 가공하여 상기 모니터링부(20)를 제어하는 통합제어부(40)로 구성된다.
상기 LOC는 단어 그대로 초미세 회로의 반도체 기술과 나노기술, 생명공학기술 등의 집적으로 손톱만한 크기의 칩 하나에 실험실을 올려놓았다는 것을 의미하며, 바이오칩(Biochip)의 일종이다. '마이크로플루이딕 칩(microfluidics chip:미세유체칩)'이라고도 한다. '바이오칩'은 유리, 실리콘, 플라스틱 재질로 된 기판 위에서 DNA, 단백질 기타 화학, 생물학적 시료를 반응시켜 여러 가지 필요한 정보를 획득할 수 있는 생물학적 마이크로 칩을 말한다.
LOC는 플라스틱ㅇ유리ㅇ규소(실리콘) 등의 소재를 사용해 나노(10억분의 1) 리터 이하의 미세 채널을 만들고, 이를 통해 극미량의 샘플이나 시료만으로 기존의 실험실에서 할 수 있는 실험이나 연구 과정을 신속하게 대체할 수 있도록 만든 칩이다. 또 유리와 석영, 플라스틱, 실리콘 등의 다양한 소재를 이용해 칩 내부에는 머리카락 두께의 좁은 미세 채널을 만들어 각종 실험과 진단을 할 수 있게 구성됐다. 이 칩은 극소량의 실험용 액체가 칩의 미세채널로 들어오면 전기신호나 미세 압축기를 동력으로 이 액체가 반응실로 전달되고 액체가 다시 상기 반응실에서 형광 신호를 발생시키는 화학물질과 반응을 일으키는 과정을 컴퓨터로 분석하는 원리를 사용한다.
또한 LOC는 차세대 진단장치로 주목받고 있는데, 이 칩을 이용하면 한 방울의 피로도 각종 암 진단이나 적혈구ㅇ백혈구의 세포 수 측정이 가능하다. 또 축산이나 환경 등 다양한 분야로까지 응용 분야를 확장할 수 있는 고부가가치 상품으로, 2000년 이후 바이오 기술이 급속도로 발달하면서 주목받기 시작하였다. 이렇게 극미량의 시료나 샘플만으로도 실험 연구과정을 신속하게 진행할 수 있어 의학, 생명공학, 환경 등 다양한 분야에서 차세단 진단ㆍ분석장치로 개발된다.
또한 일반적으로 상기 LOC를 기반으로 BOD(Biochemical Oxygen Demand : 생물화학적 산소요구량)을 측정하는데, 생물화학적 산소요구량은 신진 대사 및 생식 작용을 위해 유기물질을 사용하는 호기성 유기 영양 박테리아에 의해 물속의 산소가 5일간 감소되는 양을 의미한다. 또한 BOD는 대부분의 수중계의 유기 오염물질의 지표와 생분해성 유기물질의 농도를 대표한다. 그러나 BOD를 측정하기 위해서는 5일간의 실험기간이 필요하기 때문에 빠른 피드백이 필수적인 프로세스 제어나 실시간 모니터링에는 적합하지 않다. 그리고 BOD 시험은 성장하는 미생물의 존재에 의존하는 생물 분해성 시험을 기반으로 하기 때문에 지속적으로 정확한 측정을 수행하기가 어렵다. 또한 중금속 간은 독성물질의 존재는 박테리아에 의한 유기물질 산화를 저해하기 때문에 BOD 측정 결과의 오차를 유발하여, 대체적으로 BOD는 15~20%의 불확성도를 갖는다.
이러한 BOD 측정의 단점으로 인해 BOD 측정을 대체할 수 있는 방법이 지속적으로 연구되고 있다. BOD를 대체하기 위해 연구되고 있는 측정법에는 바이오센서를 이용한 측정, UV(Ultraviolet : 자외선) 스펙트럼 측정, 형광 측정등이 있다.
바이오센서는 산소 프로브와 부착된 미생물로 이루어져 있고 호흡 작용을 이용한 생분해성 유기물질을 측정한다. 유기물질은 바이오필름 안에서 생화학적으로 산화되고 산소 소비량은 안정된 상태의 변화량을 측정한다. 측정시간은 수 분 혹은 수시간으로 분석이 빠르다는 장점이 있다. 그러나 고농도의 영양염, 온도, pH의 방해효과로 인해 오차가 발생하고 수명이 짧다. 또한 전염성 있는 미생물을 사용함으로써 환경과 사용자에게 위험이 수반된다.
UV 분광 스펙트럼법은 방향족 구조로 되어 있는 용존 유기물질은 UV 방사선을 강하게 흡수하는 원리에 기반을 두고 있고 특히 254nm 파장의 흡광도와 용존유기물질 혹은 용존유기탄소와 상관성이 있다는 연구결과를 이용한다. 즉 이 방식은 BOD 보다는 TOC(Total Organic Carbon : 총유기탄소), COD(Chemical Oxygen Demand : 화학적 산소요구량)와 더 관련이 있기 때문에 BOD의 간접적인 지표로 사용되고 BOD 측정값 산정을 위해 BOD 추정 인수를 사용하는데 이는 불확성도를 유발하는 요인이 된다. 또한 질산염 같은 음이온은 흡광도측정의 방해요소이다.
형광 분석법은 TOC, DOC와 같은 자연 지표수에 있는 유기물질과 휴믹물질의 존재에 의해 결정된다. BOD 측정을 위해 BOD와 관련 있는 형광 입자들의 각각의 방출 파장과 여기 파장을 규명하는 연구가 지속되고 있다. BOD는 미생물에 의한 오염물 부하량 산정에 근거하기 때문에 미생물과 연관이 있는 트립토판계 형광물질과 BOD는 상관성이 높다. 특히 200nm~300nm의 여기 단파장의 Synchronous 형광 스펙트럼 피크는 아미노산과 단백질의 형광물질이 존재할 때 동일한 형광 특징을 보인다. 하지만 아직은 연구초기단계이고 형광 스펙트럼과 BOD와의 상관성이 시료 채취 장소마다 선택성을 지니기 때문에 측정하고자 하는 시료의 사전연구가 필수로 요구된다. 또한 형광 스펙트럼은 pH와 온도에 영향을 받기 때문에 측정하기 전 시료의 전처리가 필요하고 넓은 범위의 농도를 갖는 폐수의 BOD 측정에 한계를 갖는다.
광학 센서는 UV 분광 스펙트럼과 형광 스펙트럼을 사용한다. 그래서 신속성, 적용성, 낮은 유지 관리비, 무시약, 시료 전처리 불필요 등의 장점을 갖는다. 하지만 높은 부유물질을 지닌 시료에서는 분석한계가 있다.
따라서 하수, 하천의 BOD 예측을 위한 형광스펙트럼분석 및 BOD와 유기물인자, 광학인자의 상관성 분석 및 유기물, 광학 인자를 적용한 다중회귀분석을 사용하여 BOD 정확성 향상을 검증하여야 한다.
상기 검증방법을 구체적으로 설명하면, 먼저 DOC(Dissolved Organic Carbon : 용존유기탄소)를 이용하여 BOD 산출 알고리즘을 확보하는데, 이를 위한 방법으로 하천 시료는 팔당호 주요 유입 하천의 경안천에서 1시간 간격으로 23개의 시료를 채취하였다. 하수 시료는 남양주의 화도 하수처리장에서 1시간 간격으로 20개의 시료를 채취하였다. 하천 시료의 BOD는 일정하면서 저농도를 나타내고, 하수 시료의 BOD는 변동성이 크고 넓은 범위를 갖는다. 채취된 시료는 4℃ 냉장 온도로 저장되서 실험실로 운반하였으며 운반 직후 분석하였다.
UV 254nm 흡광도 측정시 산란 효과 방지와 형광 스펙트럼의 방해 효과를 최소화하기 위해 GF/F 여과지(Whatman, pore size~0.7μm)로 시료의 부유물질을 여과하였다. 여과된 동일한 시료로 용존유기탄소를 측정하였다. BOD는 'Standard of Method 5210'에 따라 5일 동안 용존산소 감소량을 계산하였다. DOC는 TOC 측정장치(SHIMADZU, TOC-V-CPH)로 분석하고, DOC는 용존 탄소-용존 무기탄소로 계산하였다. 용존 탄소는 시료를 백금 산화 알루미늄 촉매제와 함께 680℃에서 연소시키고 연소시키면서 발생되는 이산화탄소를 측정한다. 용존 무기 탄소는 인산을 주입한 후 산화시켜 발생된 이산화탄소를 측정한다. 형광 분석은 형광 분석기(SCINCO, FS-2)를 사용하여 측정하였다. Synchronous 형광 스펙트럼은 방출파장과 여기파장의 차이를 30nm(Δλ= 30 nm)로 고정시키고 여기 파장을 200nm~600nm까지 측정하였다.
여기 파장과 방출 파장을 조절하는 슬릿을 5nm, 5nm로 조정하였다. 라만 스펙트럼 영향을 제거하기 위해 각 시료의 형광 측정값에서 증류수 형광 측정값을 감해서 보정하였다. UV 254nm 흡광도 측정은 UV 스펙트로미터(SHIMADZU, UV-1800)를 사용하였다. 해상도는 2nm, 반응속도는 0.5초, 스켄 속도는 60nm/min로 설정하였다.
또한 BOD와 유기물질, 광학 인자들간의 상관성을 분석해보면 BOD 예측에 관한 기존 연구에서는 BOD 예측을 위해 UV 스펙트럼, 형광 스펙트럼, UV 280nm 흡광도, COD등을 사용하였다. 이 인자들은 유기물 인자(COD, TOC 등)와 광학 인자로 구분할 수 있는데 단일 인자들은 BOD를 대표할 수 없다는 단점이 있다. O.Thomas et al은 분석항목에 따른 유기 물질을 분류하였는데 BOD는 산화성 무기질, 탄수화물, 생분해성 유기물질, COD는 산화성 무기질, 탄수화물, 생분해성 유기물질, 휴믹 물질, TOC는 탄수화물, 생분해성 유기물질, 휴믹 물질, 방향족 탄화수소, 지방족 탄화수소, UV 흡광도는 생분해성 유기물질, 휴믹 물질, 방향족 탄화수소, UV 흡수성 무기질 등이다. 즉 BOD 예측을 위해 사용되는 인자들은 BOD와 관련된 유기물질 중 일부를 규명하기 때문에 오차가 수반된다.
따라서 본 연구에서는 BOD 예측의 정확성을 높이기 위해 유기물 인자와 광학 인자(UV 254nm 흡광도, 형광 스펙트럼)를 모두 사용하였다.
본 연구에서 BOD 예측을 위해 사용된 구체적 인자들은 BOD, DOC, UV 254nm 흡광도, synchronous 형광 스펙트럼 중 270~300nm의 면적, 310~370nm의 면적, 310~370nm의 면적, 370~400nm의 면적, 400~530nm의 면적으로 각 인자에 해당하는 측정값들을 하기 [도11]에 제시하였다. 하천 시료의 경우 측정값의 범위는 BOD 1.3~1.9mg/L, DOC 1.6~2.5mg/L, UV 254nm 흡광도 0.036~0.64, synchronous 형광 스펙트럼 중 270~300nm의 면적 28252~84575, 310~370nm의 면적 381099~595808, 370~400nm의 면적 158019~254822, 400~530nm의 면적 188096~461216이다. 하수 시료의 경우 측정값의 범위는 BOD 6.5~139.9mg/L, DOC 3.5~55.2mg/L, UV 254nm 흡광도 0.090~0.310, synchronous 형광 스펙트럼 중 270~300nm의 면적 114609~755116, 310~370nm의 면적 1629452~9233331, 370~400nm의 면적 350192~748122, 400~530nm의 면적 549098~1272352이다.
그리고 하천시료와 하수시료를 구분하여 BOD 와 각 인자들의 측정값을 시료채취시간 기준으로 나열하여 경향성을 조사하였으며 분석 BOD와 각 인자들의 상관성을 분석하였다. 하천 시료의 경우 시료 채취 시 강수가 있었고 강수로 인한 비점오염원 유입으로 BOD의 6번째 시료에서 최대값을 보이다 감소하기 시작하였다. 다른 인자들에서도 같은 경향성을 보이고 있는데 synchronous 형광 스펙트럼 중 270~300nm의 면적값을 보면 20번째 시료에서 측정값이 높아지면서 다른 인자들과는 반대의 경향성을 보이고 있다. 이는 2차적으로 단백질계 오염원이 유입됐을 가능성을 보인다. 하수시료의 경우는 일정한 경향성을 보이지 않고 농도 변동이 크다. BOD와의 경향성에 가장 근접한 인자는 DOC이고, 각 인자의 상관계수를 분석한 결과를 하기 [도12], [도13] 내지 [도14],[도15]에 제시하였다. 하천 시료의 경우 BOD와 상관성이 높은 인자는 UV 254nm 흡광도(0.80) > DOC(0.72) > synchronous 형광 스펙트럼 중 370~400nm의 면적(0.62) > synchronous 형광 스펙트럼 중 400~530nm의 면적(0.50) > synchronous 형광 스펙트럼 중 310~370nm의 면적(0.38) > synchronous 형광 스펙트럼 중 270~300nm의 면적(0.32) 순으로 나타났다. 하수시료의 경우 BOD와 상관성이 높은 인자는 DOC(0.91) > UV 254nm 흡광도 (0.81) > synchronous 형광 스펙트럼 중 310~370nm의 면적(0.42) > synchronous 형광 스펙트럼 중 270~300nm의 면적(0.36) > synchronous 형광 스펙트럼 중400~530nm의 면적(0.27) > synchronous 형광 스펙트럼 중 370~400nm의 면적(0.24) > 순으로 나타났다.
또한 본 발명에 따른 본 발명에 따른 LOC(Lab-On-a-chip)를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템(N)은 흡광도 측정부재(10)를 포함하는데,
상기 흡광도 측정부재(10)는 도 2 에 도시된 바와 같이, 채수조(미도시)와, 시약저장조(미도시)와, 상기 채수조에 구비되는 시료와 시약저장조의 발색시약이 각각 투입되는 샘플라인(11) 및 투약라인(131)과, 상기 투입된 시료와 발색시약이 이동되어 저장되고 상기 시료와 발색시약을 혼화반응시켜 흡광도를 측정하는 반응모듈(15), 및 상기 반응모듈(15)에서 측정된 자료를 출력하는 디스플레이(17)를 포함하여 구성된 인젝션(Injection) 흡광도 측정부재(10)를 말한다.
보다 상세하게는 채수조를 통해 구비되는 시료는 샘플라인(11)을 통해 주입되고, 주입된 시료는 제1유도라인(미도시)을 통해 반응모듈에 도달한다. 시료의 주입량은 솔레노이드밸브(111)에 의해 제어되는데, 상기 솔레노이드밸브(111)의 제어 방식으로는 전원의 ON/OFF 방식으로 상기 전원의 ON상태에서 지속적으로 솔레노이드밸브(111)를 통과 후 반응모듈(15)내의 챔버(155)에 도달 후 유출라인(19)을 통해 유출되며, 지속적 시료 유출과정에서 일시적으로 솔레노이드밸브(111)를 OFF시키면 시료가 반응모듈(15) 내에 정지하게 되고, 상기 시료는 배출라인(113)을 통하여 나오게 된다.
또한 시약저장조를 통해 구비되는 발색시약은 투약라인(131)을 통해 주입되고, 제2유도라인을 통해 반응모듈(15)에 도달되며, 발색시약의 주입량은 튜브연동펌프(13)에 의해 제어된다. 튜브연동펌프(13)의 제어방식으로는 전원의 ON/OFF방식으로 OFF 상태로 유지되며, 튜브연동펌프(13)에 ON 명령을 지시함으로써 구동이 된다. 구동이 시작됨과 동시에 발색시약을 반응모듈(15)에 이송하게 되며, 반응이 완료된 발색시약은 유출라인(19)을 통해 유출되며, 이러한 반응은 연속반응 방식으로, 제어 명령에 의해 발색 시약 주입량이 결정된다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 상기 발색시약과 시료는 반응모듈(15)에서 혼화되어 흡광도를 측정하는데,
상기 반응모듈(15)은 발광부(151)와 수광부(153)를 구비하고 상기 수광부(153)는 검출기(미도시)와 파장을 측정하는 연산부(미도시)로 구성되되,
상기 검출기를 연산부를 구성하는 피씨비에 직접 실장함으로써 노이즈 발생을 차단한다.
보다 상세하게는 상기 반응모듈(15)은 반응 챔버(155), 광학장치, 혼화 시스템으로 구성되어 있고, 상기 반응 챔버(155)의 경우 직경 13 mm, 높이 10 mm의 원형으로 구성되어 있으며, 내부의 경우 브로질리케이트 재질의 유리의 반응조가 내부에 삽입되어 있다.
브로질리케이트 재질의 유리 반응조(157)의 경우 교체가 용이하도록 설계되어 있으며, 일반적인 유리보다 빛 투과도가 우수하며, 외부 충격에 강한 것이 특징이다.
광학장치의 경우 발광부(151)와 수광부(153)로 구성되어 있고, 특히, 수광부(153)의 경우 검출기를 연산부가 부착되는 피비씨에 직접 실장함으로써 검출기와 연산부의 이격에서 오는 노이즈현상을 차단한 것이 특징이다.
상기 반응모듈(15)은 한 개 이상으로 구성될 수 있고, 반응모듈(15)에 투입되는 발색시약에 따라 측정하는 정보가 달라지는 것도 가능하다. 도 4 는 상기 반응모듈(15)이 4개로 구성되고, 각각 NO2, NO3, NH3, PO4를 측정하도록 구성되며, 반응, 발색, 흡광도 측정, 세척까지 5분 이내에 측정이 가능하고, 측정값을 95% 신뢰할 수 있는 T-N, T-P 분석을 위한 NO2, NO3, NH3, PO4 분석 시스템을 도시한 것이다.
다시 도 1 에 도시된 바와 같이, 상기 모니터링부(20)의 LOC 기술기반 센서부(51)는 pH, EC, DO, 탁도, 수온, DOC, Nitrate, Nitrite, Phosphate, Ammonia 등의 실측 및 TN, TP, BOD의 소프트웨어 센서 모두로 구성되어 상기 센서들이 시료에 접촉함으로써 수질을 측정하는 다항목 통합측정 복합 LOC 기술기반 센서부(51)인 것을 특징으로 한다.
보다 상세하게는 상기 LOC 기술기반 센서부(51)는 종래의 센서보다 LOC를 기반으로 하여 소형화되어, pH, EC, DO, 탁도, 수온 측정을 위한 센서들 중 둘 이상으로 구성되어도 크기가 커지지 않을 뿐만 아니라 상기 센서들을 통하여 복합적으로 수질자료를 측정할 수 있다.
또한 상기 LOC 기술기반 센서부(51)는 시료들을 연속적으로 여과하고 역세척을 수행할 수 있는 역세수단(21)을 더 포함하는데, 도 5 에 도시된 바와 같이, 상기 역세수단(21)은 조대필터(211)를 거친 유입수가 드럼형태의 주름형필터(213)외부에서 수위가 차면서 밀폐된 필터팩(215)의 내부 압력에 의해 필터 내부로 여과되어 통과된다. 통과된 여과 수는 다음 단계의 필터팩(215)에 유입되어 동일한 방법으로 단계별로 여과될 수 있도록 도안되었고, 필터 외벽의 흡착 입자들과 침강된 입자는 각 단 필터 내부에 일정한 시간 간격으로 하단의 배출구밸브(212)를 통해 일정한 간격으로 배수 시 같이 제거 될 수 있도록 하였다.
역세수단(21)의 역세를 위해 소형의 컴프레서(217)에 연결된 각 공기 주입라인을 각 단의 역세수단(21)에 연결하여 필터 내부에서 폭기 되어 필터 외부에 흡착된 입자들을 일정 시간 간격으로 제어하여 제거 할 수 있도록 하였다. 연결된 공기 주입라인에 필터의 내부 여과수가 역류 되지 않도록 역류방지체크밸브(217a)를 연결하였고, 공기 폭기 시 배수구 밸브가 닫혀 있으므로 각 필터에서의 내부 압력으로 인해 컴프레서(217)에 무리가 가지 않도록 마지막 10 μm 여과장치에 폭기 되는 동안 다단필터 외부에서의 물이 각 단으로 이송되어 배출되도록 하여 소형 컴프레서(217)가 무리가 가지 않도록 하였다.
또한 도 6 에 도시된 바와 같이, 상기 무선통신부(30)는 수질자료를 전송하는 통신서버(31)와 상기 통신서버(31)로부터 전송되는 수질자료를 저장하는 DB(Database : 데이터베이스)서버(33) 및 상기 DB서버(33)에 저장된 수질자료를 송신기(36B)를 통하여 전송하고, 전송된 수질자료를 수신기(36A)를 통하여 수신하여 출력하는 웹서버(35)로 구성되고,
상기 통신서버(31)와 DB서버(33) 및 웹서버(35)는 적어도 한 개이상의 보조서버를 각각 더 구성하여, 상기 주통신서버(31a)와 주DB서버(33a) 및 주웹서버(35a) 중 한 개 이상의 서버가 정지하였을 경우, 각각의 보조서버(31b)(33b)(35b)를 대체 가동하여 무선통신부(30)가 운영되는 것을 특징으로 한다.
보다 상세하게는 상기 무선통신부(30)는 CDMA(Code-Division Multiple Access : 코드 분할 다중 접속)의 방식을 사용하는데,
상기 CDMA는이동통신에서 다수의 사용자들이 동시에 시간과 주파수를 공유하며 접속이 가능한 '다중접속(Multiple Access)' 방식의 하나이다. 이동통신은 주파수라는 한정된 자원을 이용하기 때문에 쓸 수 있는 분량이 제한된 주파수 자원을 여러 사람이 효율적으로 함께 쓸 수 있도록 해주는 다중접속이 이동통신에서는 필수적인 기술이며, 다중접속 기술에는 FDMA(Frequency Division Multiple Access : 주파수분할다중접속), TDMA(Time Division Multiple Access : 시분할다중접속), CDMA 등의 방식이 있다. 이 중 CDMA 방식은 대역확산이라는 기술을 이동통신에 적용한 것으로서 보내고자 하는 신호를 그 신호의 주파수 대역 보다 아주 넓은 주파수 대역으로 확산시켜 전송하는 방식이다. 같은 공간(주파수 대역)에서 모든 사람들이 동시에 다른 언어(코드)로 대화를 한다고 생각하면 된다. 따라서 동시에 대화할 수 있는 사람 수를 크게 늘릴 수 있다. FDMA와 비교할 때 TDMA는 약 3배, CDMA는 약 11배정도의 용량증가 효과가 있다.
통화자가 한 기지국의 서비스 영역을 넘어 다른 기지국 영역으로 들어가는 통화절환시 기존의 방식들은 이전 기지국과의 연결을 끊은 후 새로운 기지국과 연결하는 반면 CDMA에서는 소프트 '핸드오프' 라는 기술을 이용해 새로운 기지국과 먼저 연결시킨 뒤 기존 기지국과의 연결을 끊는다. 이에 따라 통화품질이 우수하고 통화 절단율도 훨씬 줄어들게 된다. 이밖에 CDMA 방식은 여러 방향에서 오는 전파들을 각각 수신해 그 세기를 더할 수 있어 수신 신호의 품질이 깨끗하다. 또한 전력소모도 적어 배터리의 수명이 길어지고 각각의 사용자가 서로 다른 코드를 이용하므로 통신 비밀보호에 유리한 특성을 갖는다. 시스템 차원에서는 기존 방식이 주변 기지국마다 다른 주파수를 사용해야 하는 제약을 받는 반면 CDMA에서는 인접 기지국들이 동일한 주파수를 사용할 수 있어 주파수를 효율적으로 활용할 수 있는 장점이 있다.
또한 상기 무선통신부(30)는 보조서버를 구비하는 이중화를 구성하였는데, 1차 사업에서 구축된 DB서버(33), 통신서버(31), 웹서버(35)에 각각 보조서버를 구성하고, WAS(Web Application Server)서버(37)를 신규로 설치하였다. 따라서 상기 DB서버(33), 통신서버(31), 웹서버(35) 중 한 개 이상이 정지 할 경우 각각 구성된 보조서버가 가동하여 무선통신부(30)의 작동을 원활하게 이루어지게 할 수 있다.
또한 통합제어부(40)는 무선통신부(30)로부터 수신된 수질자료를 통하여 모니터링부(20)를 자동제어하여 유역의 수질을 통합관리하게 된다.
상기 통합제어부(40)는 수질을 관리하기 위하여 감시부를 구성하는데 메인페이지는 연구의 배경 및 목적, 목표시스템, 시스템 구축현황 등의 통합관리시스템의 개요적 내용으로 구성되었다.
또한 측정자료 조회기능은 실시간으로 측정한 수질 현황을 데이터화 하여, 사용자가 원하는 조회조건에 따라 결과를 출력하는 것으로 측정지점 선택, 측정항목 선택, 측정단위 미 기간 선택, 선택한 조회항목에 대한 측정값의 그래프 표시선택, 선택한 측정 조회 조건의 디스플레이 등의 주요기능으로 구성되어있다.
도 7 은 상기 통합관리부의 감시부의 구성화면의 하나로써, 관리하는 수질의 측정자료를 항목과 시간별로 조회할 수 있게 구성하였고, 도 8 은 관리하는 지역의 수질상태를 실시간으로 조회 할 수 있도록 구성한 것이다.
상기 통합제어부(40)는
상기 무선통신부(30)를 통해서 전송된 수질자료를 관리자의 휴대기기에 전송하고, 상기 휴대기기를 통하여 상기 모니터링부(20)를 제어할 수 있도록 하는 수질자료 송수신대응부(41)를 더 포함하여, 시간과 장소의 구애를 받지 않고 상기 수질자료를 송수신하여 분석하고 이에 따라 대응할 수 있도록 하였다.
또한 상기 ＬＯＣ를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템(N)을 구축하기 위한 것으로, 상기 모니터링부(20)의 LOC센서부(51)는 다항목 통합측정 복합 LOC 기술기반 센서부(51)가 하나의 하우징에 내장하여 구성하여 상기 모니터링부(20)를 휴대용 통합 수질측정기(50)로 구성하되,
상기 휴대용 통합 수질측정기(50)는 다항목 통합측정 복합 LOC 기술기반 센서부(51)는 pH, EC, DO, 탁도, 수온 측정을 위한 센서들(51a)(51b)(51c)(51d)(미도시) 중 둘 이상으로 구성되어 상기 센서들이 시료에 접촉함으로써 수질을 측정하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는데,
보다 상세하게는 도 10 에 도시된 바와 같이, 상기 복합 LOC 기술기반 센서부(51) 중 pH, EC, DO, 탁도 측정 센서들(51a)(51b)(51c)(51d)의 각 프로브는 시료와 동시에 접촉하도록 하나의 케이스에 내장되어 멀티 프로브모듈을 구성하는 것을 특징으로 하고 있다. 또한 도 10 은 상기 센서를 모두 구성하도록 도시하였으나, 상기 센서들 중 둘 이상의 센서를 구비하는 것도 가능하며, 상기 멀티 프로브모듈(53)도 원통형이 아니라 다른 형상으로 구성될 수 있다.
또한 도 9 에 도시된 바와 같이, 상기 휴대용 통합 수질측정기(50)는 단일 피씨비(55)로 구성되는데, 이는 종래의 피씨비가 나뉘어짐에 따라 크기가 커지는 문제점을 해결하고자, 하나의 피씨비(55)에 구성함으로써 상기 휴대용 통합 수질측정기(50)의 크기를 소형화함으로써 휴대 및 이동이 용이한 특징을 가지고 있다.
나아가 도면에는 도시되지 않았지만 상기 휴대용 통합 수질측정기(50)는 블루투스 모듈(미도시)을 더 포함하여 관리자의 휴대기기로 측정된 수질자료를 직접 전송하여 관리자가 실시간으로 측정된 수질자료를 직접 수신할 수 있고, 또한 상기 블루투스 모듈은 멀티 프로브모듈(53)을 구성하는 피씨비에 연결되고,
상기 멀티 프로브모듈(53)을 위한 전원에서 전력을 공급받는 것을 특징으로 하여 블루투스 모듈의 전원과 LOC 기술기반 센서부의 전원을 따로 공급하여 휴대성에서 불편함이 생기는 문제점과 LOC 기술기반 센서부의 케이블을 단절한 방식이라 제품화하는데 부적합한 면을 해소하였다.
또한 상기 휴대기기는 블루투스 모듈 및 송수신대응부(41)를 통하여 전송된 수질자료를 확인하기 위하여 휴대기기에 출력되는 화면으로 로그인, 위치확인, 장비연결 및 연결에러, 측정 및 측정완료, 메모입력, 전송 및 전송오류, 설정서버, 설정블루투스, 설정보정 으로 구성된다.
구체적으로 설명하면 로그인화면은 메인화면으로서 관리자의 아이디와 비밀번호를 입력하는 화면이고,
상기 위치확인화면은 현재 위치가 지도위에 아이콘으로 표시되며, 위도와 경도, 측정 지점이 같이 보여지게 되는데, 측정하고자 하는 지역을 선택할 수 있는 화면이다. 또한 상기 장비 연결 및 연결에러 화면은 원하는 측정지점을 선정하고 나면 장비를 연결하라는 알림창이 보이고, 연결이 완료되면 측정단계로 이동하는 화면이다.
상기 수질측정과 측정완료 화면은 항목별 측정 데이터에 수질을 안정화시키도록 안정화 데이터를 입력하는 화면이고, 상기 메모입력은 특이사항을 메모하여 기록하는 화면이고, 상기 전송 및 전송오류화면은 입력된 데이터를 전송하는 것을 표시한다.
또한 상기 설정 서버와 설정 블루투스 화면은 각각 서버와 블루투스의 설정상태를 확인할 수 있고, 상기 설정보정 화면은 LOC 기술기반 센서부를 보정할 수 있는 화면으로 구성되어 있다.
또 이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조 및 구성을 갖는 ＬＯＣ를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템 및 이를 이용하는 휴대용 통합 수질측정기를 위주로 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능하고, 이러한 수정, 변경 및 치환은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
<부호의 설명>
N : LOC를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템
10 : 흡광도 측정부재 11 : 샘플라인 113 : 배출라인
111 : 솔레노이드밸브 13 : 튜브연동펌프 131 : 투약라인
15 : 반응모듈 151 : 발광부 153 : 수광부
155 : 챔버 157 : 반응조 17 : 디스플레이
19 : 유출라인 20 : 모니터링부 21 : 역세수단
211 : 조대필터 212 : 배출구밸브 213 : 주름형필터
215 : 필터팩 217 : 컴프레서 217a : 역류방지체크밸브
30 : 무선통신부 31 : 통신서버 31a : 주통신서버
31b : 보조통신서버 33 : DB서버 33a : 주DB서버
33b : 보조DB서버 35 : 웹서버 35a : 주웹서버
35b : 보조웹서버 36A : 수신기 36B : 송신기
37 : WAS서버 40 : 통합제어부 41 : 송수신대응부
50 : 휴대용 통합 수질측정기 51 : 센서부 51a : pH센서
51b : EC센서 51c : DO센서 51d : 탁도센서
53 : 멀티프로브 모듈 55 : 피씨비

Claims (10)

  1. 흡광도 측정부재;
    수질을 측정하는 LOC 기술기반 센서부를 기반으로 하는 모니터링부;
    상기 흡광도 측정부재 및 상기 모니터링부로부터 측정된 수질자료를 송수신하는 무선통신부; 및
    상기 무선통신부를 통해 전송받은 수질자료를 분석하고, 가공하여 상기 모니터링부를 제어하는 통합제어부;로 구성되고,
    상기 흡광도 측정부재는
    채수조와, 시약저장조와, 상기 채수조에 구비되는 시료와 시약저장조의 발색시약이 각각 투입되는 샘플라인 및 투약라인과, 상기 투입된 시료와 발색시약이 이동되어 저장되고 상기 시료와 발색시약을 혼화반응시켜 흡광도를 측정하는 반응모듈, 및 상기 반응모듈에서 측정된 자료를 출력하는 디스플레이를 포함하여 구성된 인젝션(Injection) 흡광도 측정부재이고,
    상기 모니터링부의 LOC 기술기반 센서부는
    pH, EC, DO, 탁도, 수온, DOC, Nitrate, Nitrite, Phosphate, Ammonia 등의 실측 및 TN, TP, BOD의 소프트웨어 센서 모두로 구성되어 상기 센서들이 시료에 접촉함으로써 수질을 측정하는 다항목 통합측정 복합 LOC센서부인 것을 특징으로 하는 ＬＯＣ를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서
    상기 인젝션(Injection) 흡광도 측정부재의 반응모듈은 발광부와 수광부를 구비하고 상기 수광부는 검출기와 파장을 측정하는 연산부로 구성되되,
    상기 검출기를 연산부를 구성하는 피씨비에 직접 실장함으로써 노이즈 발생을 차단하는 것을 특징으로 하는 ＬＯＣ를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 모니터링부의 LOC 기술기반 센서부는
    시료들을 연속적으로 여과하고 역세척을 수행할 수 있는 역세수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ＬＯＣ를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선통신부는 수질자료를 전송하는 통신서버와 상기 통신서버로부터 전송되는 수질자료를 저장하는 DB서버 및 상기 DB서버에 저장된 수질자료를 출력하는 웹서버로 구성되고,
    상기 통신서버와 DB서버 및 웹서버는 적어도 한 개이상의 보조서버를 각각 더 구성하여, 상기 통신서버와 DB서버 및 웹서버 중 한 개 이상의 서버가 정지하였을 경우, 각각의 보조서버를 대체 가동하여 무선통신부가 운영되는 것을 특징으로 하는 LOC를 기반으로 한 네트워크 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 통합제어부는
    상기 무선통신부를 통해서 전송된 수질자료를 관리자의 휴대기기에 전송하고, 상기 휴대기기를 통하여 상기 모니터링부를 제어할 수 있도록 하는 수질자료 송수신 대응부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LOC를 기반으로 한 네트워크 시스템.
  6. 흡광도 측정부재;
    수질을 측정하는 LOC 기술기반 센서부를 기반으로 하는 모니터링부;
    상기 흡광도 측정부재 및 상기 모니터링부로부터 측정된 수질자료를 송수신하는 무선통신부; 및
    상기 무선통신부를 통해 전송받은 수질자료를 분석하고, 가공하여 상기 모니터링부를 제어하는 통합제어부;를 포함하여 이루어진 ＬＯＣ를 기반으로 한 수질측정 네트워크 시스템을 구축하기 위한 것으로,
    상기 모니터링부의 LOC 기술기반 센서부는 다항목 통합측정 복합 LOC센서부가 하나의 하우징에 내장하여 구성하여 상기 모니터링부를 휴대용 통합 수질측정기로 구성하되,
    다항목 통합측정 복합 LOC 기술기반 센서부는
    pH, EC, DO, 탁도, 수온, DOC, Nitrate, Nitrite, Phosphate, Ammonia 등의 실측 및 TN, TP, BOD의 소프트웨어 센서 모두로 구성되어 상기 센서들이 시료에 접촉함으로써 수질을 측정하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 통합 수질측정기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복합 LOC 기술기반 센서부 중 pH, EC, DO, 탁도 측정 센서들의 각 프로브(probe)는 시료와 동시에 접촉하도록 하나의 케이스에 내장되어 멀티 프로브모듈을 구성하는 것을 특징으로 하는 휴대용 통합 수질측정기
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 휴대용 통합 수질측정기는 단일 피씨비로 구성된 것을 특징으로 하는 휴대용 통합 수질측정기
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 블루투스 모듈을 더 포함하여 관리자의 휴대기기로 측정된 수질자료를 직접 전송하는 것을 특징으로 하는 휴대용 통합 수질측정기
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 블루투스 모듈은 멀티 프로브모듈을 구성하는 피씨비에 연결되고,
    상기 멀티 프로브모듈을 위한 전원에서 전력을 공급받는 것을 특징으로 하는 휴대용 통합 수질측정기
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