WO2021172719A1 - Iot 기반 라이다 센서 기술을 이용한 지하수 모니터링 시스템 - Google Patents

Iot 기반 라이다 센서 기술을 이용한 지하수 모니터링 시스템 Download PDF

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WO2021172719A1
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lidar sensor
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윤필선
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    • G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
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Definitions

  • the present invention relates to a groundwater monitoring system using IoT-based lidar sensor technology, and more particularly, by installing a lidar sensor measuring device equipped with a lidar sensor and a GPS sensor on the upper side of a groundwater well, It is about an IoT-based groundwater monitoring system for storing and managing geographic information and real-time groundwater level change data.
  • groundwater level is the sum of the water head at the location of the groundwater in the aquifer and the water head due to pressure.
  • the state of change in physical properties that continuously changes according to the change is called groundwater level fluctuation.
  • Groundwater is a generic term for all water below the surface of the earth, and rainwater that falls on the surface flows to the surface or seeps into the soil and is injected into rivers.
  • Groundwater is very important as an underground water resource.
  • groundwater is water that exists between the soil (porous medium) and the insulated rock, and is a structural material that supports the structure of its properties.
  • the causes of such sinkholes include cavitation of the basement due to the outflow of tap water due to rupture of a water supply pipe, excessive use of groundwater, or large-scale underground construction.
  • Korean Patent No. 10-1177318 "automatic monitoring method for groundwater observation network” and “ground subsidence risk warning method based on groundwater level monitoring” of Korean Patent Publication No. 10-1989975 and An invention related to a ground subsidence hazard warning device has been proposed and published.
  • the length from the ground to the water table is measured with a tape measure that generates a sound when electricity is passed, and a sensor connected to a rope is connected to the ground through the entrance of the groundwater well.
  • the method is used to measure the pressure by reaching the bottom of the water surface, install another sensor in the atmosphere to measure atmospheric pressure, and then convert the pre-measured length to the water table using the pressure difference between the two measured pressures. is becoming
  • this method has a problem in that it is difficult to install one device in each of a plurality of groundwater wells because the price of the device for measuring the groundwater level is high, and the installation process is complicated and the calculation process is complicated at the same time. , there is also a problem in that a separate device for extracting the sensed value must be used after collecting the installed sensors.
  • the groundwater monitoring system using the IoT-based lidar sensor technology according to the present invention is a technology proposed to solve the problems of the prior inventions as described above,
  • the present invention is to realize the above object,
  • At least one lidar sensor measuring device installed on the upper side of the groundwater well to measure the level of groundwater and transmit data values including the measured level of groundwater to the outside, and the data value transmitted from the lidar sensor measuring device is configured, including a management device that receives, stores, and manages
  • the lidar sensor measuring device includes: a GPS sensor unit for recording location information based on a satellite signal; a measurement sensor unit generating water level information by emitting a laser to a target in a vertical downward direction to measure the level of groundwater; a memory unit for integrating and storing the generated location information and water level information into one data value; a communication unit for transmitting the stored data value to the outside; And, a power supply for supplying power for the operation of the lidar sensor measuring device;
  • a groundwater monitoring system using IoT-based LiDAR sensor technology characterized in that it includes a
  • lidar sensor measuring device configured to measure the groundwater level while installed on the upper side of the groundwater well
  • a device for storing and recording groundwater level data transmitted from the lidar sensor measuring device By comprising a lidar sensor measuring device configured to measure the groundwater level while installed on the upper side of the groundwater well, and a device for storing and recording groundwater level data transmitted from the lidar sensor measuring device
  • FIG. 1 is a block diagram of a groundwater monitoring system using IoT-based lidar sensor technology according to the present invention.
  • FIGS. 2a and 2b are exemplary views showing a state in which the lidar sensor measuring device of the present invention is installed in a groundwater well.
  • FIG. 3 is an exemplary diagram illustrating an operational relationship between a GPS sensor unit, a measurement sensor unit, a memory unit, a communication unit, and a power supply unit constituting the lidar sensor measuring device of the present invention.
  • 4a and 4b is a state diagram showing a state of using the protective case of the present invention.
  • Figure 4c is an exemplary view showing a state in which a lock is formed on the top of the protective case of the present invention.
  • the present invention relates to a groundwater monitoring system using IoT-based lidar sensor technology
  • one or more lidar sensor measuring devices 100 installed on the upper side of the groundwater well to measure the groundwater level and transmit data values including the measured groundwater level values to the outside; It characterized in that it comprises a management device 200 for receiving, storing, and managing the data value transmitted from the lidar sensor measuring device 100,
  • the lidar sensor measuring apparatus 100 using a satellite signal, a GPS sensor unit 110 for recording location information; a measurement sensor unit 120 for generating water level information by emitting a laser in a vertical downward direction to measure the level of groundwater; a memory unit 130 for integrating and storing the generated location information and water level information into one data value; a communication unit 140 for transmitting the stored data value to the outside; And, a power supply unit 150 for supplying power for the operation of the lidar sensor measuring device 100; It relates to a groundwater monitoring system using IoT-based lidar sensor technology, characterized in that it comprises a.
  • the lidar sensor measuring device 100 is a device installed on the upper side of the ground side of a groundwater well installed vertically from the ground to the basement by being composed of a vertical pipe. , characterized in that it is configured in the form of a cover that can close the upper end of the groundwater well that is exposed to the ground in order to ensure ease of installation and work efficiency.
  • the lidar sensor measuring device 100 removes the cover of the groundwater well, measures the length from the ground to the water table with a tape measure that generates a sound when electricity is passed, and then attaches the sensor connected to the rope to the groundwater well. Measure the pressure by reaching below the water table from the upper end, install another sensor in the atmosphere to measure atmospheric pressure, and then convert the pre-measured length to the water table using the pressure difference between the two measured pressures. Unlike the conventional groundwater level measuring device, it is easy to install for water level measurement, and the effect that the installed state can be maintained at all times occurs, and the contact with groundwater is blocked at the source to prevent corrosion or breakdown. do.
  • the lidar sensor measuring device 100 may be configured to include a cylindrical main body in which an insertion groove into which an upper part of a circular groundwater well is inserted is formed at the bottom, and a display panel is provided at the top, This configuration is shown in Figures 2a and 2b.
  • a GPS sensor unit 110 for recording location information using a satellite signal of the configuration shown in FIG. 3 inside the main body, and a memory for integrating location information and water level information into one data value
  • the unit 130, the communication unit 140 for transmitting the stored data value to the outside, and the power supply unit 150 for supplying power for the operation of the lidar sensor measurement apparatus 100 may be provided, and the lidar sensor measurement apparatus A leveler for maintaining a horizontally installed state 300 may be provided.
  • a measurement sensor unit 120 for generating water level information in a manner of measuring the level of groundwater by emitting a laser vertically downward among the lower positions of the main body may be provided, and for measuring the water level
  • a power button for starting or stopping the supply of power, a screen operation button for starting or stopping the supply of power for operation of the display panel, and one or more antennas related to the function of the communication unit 140 are provided in various external forms can be
  • the manager or the like who installed the lidar sensor measuring device 100 on the upper side of the groundwater well starts and always maintains the supply of power through the input of the power button, but the display panel by the screen operation button It is desirable in terms of energy saving that the operation occurs only when a manager, etc. is located in the field, and stops the operation after an inspection by the manager, etc.
  • the information displayed on the display panel may include water level information measured by the measurement sensor unit 120 , the remaining battery level of the power supply unit 150 , and a measurement value measured by the leveler, and the like, and a GPS sensor A problem occurs in one or more of the unit 110 , the measurement sensor unit 120 , the memory unit 130 , or the communication unit 140 , so that any one or more of the water level information or the location information is not generated or the data value cannot be stored In this case, when a problem occurs in the transmission of the stored data value, an error message according to each situation is configured to be displayed, so that an on-site response by an administrator can be facilitated.
  • the present invention is a protective case 300 that is configured such that the rotatable trapezoidal inclined surfaces 310 integrally with the lower end fixedly installed on the ground with the opening and closing ventilation holes provided as an axis can form a quadrangular truncated pyramid. It is characterized in that it comprises a.
  • the groundwater well in which the lidar sensor measuring device 100 is installed is a vertical pipe having a length from the ground surface to the depth through which the groundwater flows. In many cases, it is installed alone or installed together with a concrete structure in a form exposed to the ground.
  • the protective case 300 is installed on the ground in the form of a quadrangular truncated pyramid shape, thereby stealing the lidar sensor measuring device 100 and the groundwater well exposed to the ground. , can be protected from damage, etc., and can be ventilated through a ventilation hole that can be manually opened and closed, and the temperature of the interior can be controlled.
  • the protective case 300 having a quadrangular truncated shape may increase the angle between the inclined surfaces 310 and the ground to be greater than 60° in order to effectively respond to rain and snow and to reduce the installation area.
  • the protective case 300 has the advantage of requiring only a narrow installation area compared to the conventionally used hexahedral-shaped case or fence-type protective equipment, and is composed of a prefabricated type to reduce installation costs and installation time There is this.
  • each of the trapezoidal inclined surfaces 310 constituting the protective case 300 is adjacent to each other and the cover component 320 forming the entire upper surface of the protective case 300 forming a quadrangular truncated truncated surface is inclined. It may be formed in a bent form from 310, and each cover component 320 is inclined to easily drain rainwater laterally on the flat top surface of the protective case 300 forming a quadrangular truncated shape when adjacent to each other. grooves can be formed.
  • the inclined groove is formed in a shape that is inclined toward the side from the center of the upper surface of the protective case 300 so that rainwater that has fallen on the upper surface of the protective case 300 is immediately drained to the side.
  • the lidar sensor measuring device 100 in the installed state is protected from moisture.
  • each inclined surface 310 constituting the protective case 300 is configured to be rotatable about the lower end fixedly installed on the ground as an axis.
  • the lidar sensor measuring device 100 and the upper end of the groundwater well can be opened in the form of laying the .
  • a manager who wants to directly check the level of groundwater, check the remaining battery level of the power supply unit 150, replace the power supply unit 150, etc. rotates each inclined surface 310 of the protective case 300 and lays it on the ground. It is possible to open the lidar sensor measuring device 100 and the upper end of the groundwater well, and after achieving the purpose, by rotating it in the opposite direction, it can be locked to form a quadrangular truncated pyramid again.
  • the present invention may be configured such that a locking component is provided at the upper end of each of the cover components 320, and the locking component is shown in FIG. 4c when the protective case 300 forms a quadrangular truncated pyramid shape.
  • the locking part 330 having the same shape as the bar, locking by a lock or the like can occur.
  • the management device 200 is a device that collects and manages the level of groundwater measured in the groundwater well to which the present invention is applied, so as to receive the data value transmitted from each lidar sensor measuring device 100 . configured, configured to store the received data value, and configured to output the stored data value.
  • the management device 200 is configured to generate state information indicating the current water level and water level change of each groundwater well to be managed, based on location information and water level information included for each received one or more data values, and generating It is characterized in that it is configured to be able to output the state information.
  • the status information consists of data in which the current water level measured in each groundwater well to be managed is individually specified or a plurality of current water levels are synthesized and listed, and the water level change status of each groundwater well is listed. It may be converted into tables, charts, graphs, etc. by selection and displayed on the screen of a monitor device connected to the management device 200 by wire or wirelessly, and may be transmitted to a manager terminal carried by the manager.
  • a manager or the like who wants to use the present invention can check only the current water level of a specific groundwater well by using the management device 200, compare and check the current water level of a plurality of groundwater wells, and the water level of a specific groundwater well Changes can be confirmed by designating a period, and water level changes in a plurality of groundwater wells can be confirmed by designating a period.
  • the management device 200 is configured to specify a groundwater well in which a water level change exceeding a preset range has occurred by comparing and analyzing the previously received state information and the currently received state information, and the LiDAR sensor in which the problem occurred It is configured to specify the measurement device 100 , and is configured to output the specified position of the groundwater well and the specified position of the lidar sensor measurement device 100 .
  • the management device 200 is By specifying a groundwater well in which a water level change exceeding a preset range has occurred and outputting it to a screen of a monitor device, an administrator or the like can recognize the location.
  • the criteria for classifying the long-term and the short-term and the criteria for determining the significant water level change and the sudden water level change are initially set by the manager of the management device 200, etc.
  • the criteria can be set and changed automatically based on continuously accumulated status information.
  • the management device 200 continuously By analyzing the water level change in each groundwater well based on the accumulated state information, it is possible to set and change different criteria for judging significant water level changes and sudden water level changes for each groundwater well.
  • the management device 200 may include an analysis unit that analyzes a change in the water level of each groundwater well based on the state information.
  • the management device ( 200) specifies the cause of the problem, and outputs the specified cause to the screen of the monitor device, so that the administrator or the like can recognize the problem.
  • the management device 200 may check the integrity of the data value configured to include location information and water level information to specify a problematic part of the GPS sensor unit 110 or the measurement sensor unit 120, and , since the problem of the memory unit 130 or the communication unit 140 can be specified through the reception state of the data value, the problem occurred when the problem occurred when the lidar sensor measurement device 100 was specified and output to the screen of the monitor device, etc.
  • the management device 200 may check the integrity of the data value configured to include location information and water level information to specify a problematic part of the GPS sensor unit 110 or the measurement sensor unit 120, and , since the problem of the memory unit 130 or the communication unit 140 can be specified through the reception state of the data value, the problem occurred when the problem occurred when the lidar sensor measurement device 100 was specified and output to the screen of the monitor device, etc.
  • the management device 200 checks the reception state of the data value configured to be transmitted from the lidar sensor measuring device 100 to determine the occurrence and cause of the problem, and checks the integrity of the received data value. It may be configured to include an inspection unit that determines the occurrence and cause of the problem.
  • the present invention is configured to be able to communicate with the management device 200, and is configured to check the current water level and water level change of each groundwater well to be managed according to the needs of the manager, and the water level change exceeding the preset range It is characterized in that it is configured to include a manager terminal that displays a specified groundwater well and a LiDAR sensor measurement device specified by the occurrence of a problem on the screen.
  • the manager terminal is a terminal that can be communicated with a smart phone, a tablet PC, a dedicated terminal, etc., and is carried by the manager at all times to check the data on the data value stored in the management device 200, and the management device ( 200), that is, a change in water level exceeding a preset range occurs, so that the position of the specified groundwater well and the position of the specified lidar sensor measuring device 100 can be confirmed.
  • the present invention may be configured to include an intermediary device that receives the data value transmitted from one or more lidar sensor measuring device and transmits it to the management device.
  • the lidar sensor measuring device 100 is installed one by one on the upper side of the groundwater well installed in the whole country or each region, and the installation range is wide, so there is a possibility that an obstacle may occur in direct transmission from each measuring device to the management device Since this exists, the present invention can solve the above problems by presenting the configuration of an intermediary device installed in each region or each arbitrarily set region.

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Abstract

본 발명은 지하수 관정의 상부 측에 라이다 센서와 GPS 센서가 탑재된 라이다 센서 측정 장치를 설치하여, 그 위치에 관한 지리정보와 실시간 지하수 수위변동 자료를 저장, 관리하기 위한 IoT 기반 지하수 모니터링 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의한 수위 측정을 통한 지하수 모니터링 시스템은 위성 신호를 이용하여, 위치 정보를 기록하는 GPS 센서부, 수직 하방으로 레이저를 방출하여 지하수의 수위를 측정하는 방식으로 수위 정보를 생성하는 측정 센서부, 생성된 위치 정보와 수위 정보를 하나의 데이터 값으로 통합하여 저장하는 메모리부, 저장된 데이터 값을 외부로 전송하는 통신부 및, 라이다 센서 측정 장치의 작동을 위한 전원을 공급하는 전원 공급부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

IOT 기반 라이다 센서 기술을 이용한 지하수 모니터링 시스템
본 발명은 IoT 기반 라이다 센서 기술을 이용한 지하수 모니터링 시스템에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 지하수 관정의 상부 측에 라이다 센서와 GPS 센서가 탑재된 라이다 센서 측정 장치를 설치하여, 그 위치에 관한 지리정보와 실시간 지하수 수위변동 자료를 저장, 관리하기 위한 IoT 기반 지하수 모니터링 시스템에 관한 것이다.
지하수 수위는 대수층에서 지하수의 위치상의 수두와 압력에 의한 수두를 합한 값으로, 지하수면의 고도, 또는 지표면으로부터 지하수면까지의 거리로 표시하는 지하수위 변동은 계절적인 함양률, 기압, 조석 등의 변화에 따라 연속적으로 변하는 물리적 성질의 변화상태를 지하수 수위 변동이라고 한다.
지하수는 지표면 아래에 있는 모든 물의 총칭으로, 지표에 내린 빗물이 지표로 흐르기도 하고 토양 속에 스며들어 하천으로 주입되며 일부는 지하에 침투하여 지하에 포화된 상태로 들어 있는 물을 지하수라고 한다.
지하수는 지하의 수자원으로써, 매우 중요하다. 또한 지하수는 토양(다공질 매질)과 단열암반 틈 사이에 존재하는 물로써, 그 성질의 구조를 지탱하는 구조적 물질이다.
따라서 토양 및 단열암반 틈 사이에서 물이 빠져 나가게 되면, 지반침하가 발생하기도 하고, 약한 지반에서는 지면이 갑자기 붕괴하여 발생하는 싱크홀이 발생하게 된다.
우리나라에서는 매년 900건 이상의 싱크홀이 발생하고 있고, 특히, 도심에서의 발생빈도가 증가함에 따라 그에 따른 인명 및 재산 피해 또한 증가하고 있는 실정이다.
이러한 싱크홀의 발생 원인으로는 상수도관의 파열로 인한 수돗물의 유출에 따른 지하의 공동화, 지하수의 과도한 사용 또는 대규모의 지하 공사 등이 지목되고 있다.
또한, 최근에는 지하수의 갑작스런 수위 변화가 지진 발생의 전조 증상 중의 하나로 밝혀지고 있고, 기후 변화와 무분별한 지하수 사용으로 인한 지하수 고갈에 대한 국민적인 관심이 증가하고 있으며, 생수를 생산하는 기업과 지역주민들 간의 갈등이 발생하고 있는 등 지하수 수위 변동에 관한 장기적이고 지속적인 모니터링의 필요성이 더욱 증가하고 있는 실정이다.
한편, 지하수 수위 관측에 관련된 종래의 발명으로는 대한민국 등록특허공보 제10-1177318호의 "지하수 관측망 자동 모니터링 방법" 및 대한민국 등록특허공보 제10-1989975호의 "지하수 수위 모니터링에 기반한 지반침하 위험 경고방법 및 지반침하 위험 경고장치"에 관한 발명이 제안되어 공개된 바 있다.
상기 대한민국 등록특허공보 제10-1177318호의 "지하수 관측망 자동 모니터링 방법"에는 수온, 수위, 전기 전도도 등 지하수의 각종 상태를 측정하고 그 데이터를 중앙관제소로 전송하되, 전송되는 데이터를 암호화함으로써 제3자에의 유출을 방지할 수 있는 기술에 관한 발명이 제안되었고, 상기 대한민국 등록특허공보 제10-1989975호의 "지하수 수위 모니터링에 기반한 지반침하 위험 경고방법 및 지반침하 위험 경고장치"에는 굴착지 주변지반의 침하를 발생시키는 주된 원인이 되는 지하수의 수위변화를 모니터링하고, 그 모니터링 결과에 기초하여 굴착지 주변지반의 침하 발생 위험도를 평가함으로써 안전사고의 발생을 사전에 예방할 수 있도록 하는 기술에 관한 발명이 제안되었다.
상기와 같은 종래의 기술들에 사용되는 지하수 수위의 측정방식으로는 전기가 통할 때 소리가 발생하는 줄자로 지면으로부터 지하수면까지의 길이를 측정하고, 로프 등에 연결된 센서를 지하수 관정의 입구를 통해 지하수면 아래에 도달시켜 압력을 측정하도록 하며, 또 다른 센서를 대기 중에 설치하여 대기압을 측정하도록 한 후, 측정된 두 압력의 압력차를 이용하여 기측정된 지하수면까지의 길이를 환산하는 방식이 이용되고 있다.
그러나, 이와 같은 방식은 지하수 수위의 측정을 위한 장치의 가격이 고가로 형성되어 있으므로 다수의 지하수 관정 각각에 장치를 하나씩 설치하기 어려운 문제가 있고, 설치 과정이 복잡함과 동시에 계산 과정이 복잡한 문제가 있으며, 설치된 센서들을 회수한 후 센싱값을 추출하기 위한 별도의 장치를 이용하여야 하는 문제도 있다.
이는 곧, 다수의 지하수 관정에서의 지하수 수위 측정에 많은 시간이 소비됨을 의미함과 동시에 갑작스런 지하수 수위 변화에 즉시 대응하기 어려움을 의미하므로, 이러한 문제들을 모두 해결하여, 관리 대상이 되는 모든 지하수 관정의 수위를 신속하게 측정할 수 있고, 동시에 갑작스런 수위 변화에도 즉시 대응할 수 있도록 하는 기술에 관한 발명이 요구되는 실정이다.
본 발명에 의한 IoT 기반 라이다 센서 기술을 이용한 지하수 모니터링 시스템은 상기와 같은 종래 발명들의 문제점들을 해결하기 위해 제안된 기술로써,
종래의 발명들은 다수의 지하수 관정 각각에 고가의 장치를 하나씩 설치하기 어려운 비용상의 문제가 있고, 설치 과정이 복잡함과 동시에 계산 과정이 복잡한 문제가 있으며, 설치된 센서들을 회수한 후 센서에 저장된 값을 추출하기 위한 별도의 장치를 이용하여야 하는 등 여러 가지 문제가 있다.
이러한 이유로, 각 지역마다 설치된 지하수 관정에서의 지하수 수위 측정에 많은 시간, 인력, 비용 등이 소비됨과 동시에 갑작스런 수위 변화에 즉시 대응하기 어려운 문제가 발생하므로, 이에 대한 해결책을 제시하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 실현하고자,
지하수 관정의 상부 측에 설치되어 지하수의 수위를 측정하고, 측정된 지하수의 수위를 포함하는 데이터 값을 외부로 전송하는 하나 이상의 라이다 센서 측정 장치와, 상기 라이다 센서 측정 장치로부터 전송되는 데이터 값을 수신하여 저장, 관리하는 관리 장치를 포함하여 구성되고,
상기 라이다 센서 측정 장치는, 위성 신호를 기반으로 위치 정보를 기록하는 GPS 센서부; 수직 하방으로 레이저를 목표물에 방출하여 지하수의 수위를 측정하는 방식으로 수위 정보를 생성하는 측정 센서부; 생성된 위치 정보와 수위 정보를 하나의 데이터 값으로 통합하여 저장하는 메모리부; 저장된 데이터 값을 외부로 전송하는 통신부; 및, 상기 라이다 센서 측정 장치의 작동을 위한 전원을 공급하는 전원 공급부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 IoT 기반 라이다 센서 기술을 이용한 지하수 모니터링 시스템을 제시한다.
본 발명에 의한 IoT 기반 라이다 센서 기술을 이용한 지하수 모니터링 시스템은,
지하수 관정의 상부 측에 설치된 상태로 지하수 수위를 측정하도록 구성되는 라이다 센서 측정 장치와, 상기 라이다 센서 측정 장치로부터 전송되는 지하수 수위 자료들을 저장, 기록하는 장치를 포함하여 구성됨으로써,
관리 대상이 되는 모든 지하수 관정의 수위를 신속하게 측정할 수 있는 효과가 발생함과 동시에 갑작스런 지하수 수위 변화에도 즉시 대응하여, 예상되는 다양한 상황들에 대비할 수 있는 효과가 발생한다.
도 1은 본 발명에 의한 IoT 기반 라이다 센서 기술을 이용한 지하수 모니터링 시스템의 구성도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 라이다 센서 측정 장치가 지하수 관정에 설치되는 모습을 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명의 라이다 센서 측정 장치를 구성하는 GPS 센서부, 측정 센서부, 메모리부, 통신부 및 전원 공급부 간의 작동 관계를 나타낸 예시도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 보호 케이스를 사용하는 모습을 나타낸 사용 상태도.
도 4c는 본 발명의 보호 케이스 상단에 잠금부가 형성된 모습을 나타낸 예시도.
*도면의 주요부호에 대한 상세한 설명*
100 : 라이다 센서 측정 장치
110 : GPS 센서부
120 : 측정 센서부
130 : 메모리부
140 : 통신부
150 : 전원 공급부
200 : 관리 장치
300 : 보호 케이스
310 : 경사면
320 : 덮개 구성부
330 : 잠금부
A : 지하수 관정
본 발명은 IoT 기반 라이다 센서 기술을 이용한 지하수 모니터링 시스템에 관한 것으로써,
도 1에 도시된 바와 같이, 지하수 관정의 상부 측에 설치되어 지하수 수위를 측정하고, 측정된 지하수 수위 값들을 포함하는 데이터 값을 외부로 전송하는 하나 이상의 라이다 센서 측정 장치(100)와, 상기 라이다 센서 측정 장치(100)로부터 전송되는 데이터 값을 수신하여 저장, 관리하는 관리 장치(200)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하되,
상기 라이다 센서 측정 장치(100)는, 위성 신호를 이용하여, 위치 정보를 기록하는 GPS 센서부(110); 수직 하방으로 레이저를 방출하여 지하수의 수위를 측정하는 방식으로 수위 정보를 생성하는 측정 센서부(120); 생성된 위치 정보와 수위 정보를 하나의 데이터 값으로 통합하여 저장하는 메모리부(130); 저장된 데이터 값을 외부로 전송하는 통신부(140); 및, 상기 라이다 센서 측정 장치(100)의 작동을 위한 전원을 공급하는 전원 공급부(150); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 IoT 기반 라이다 센서 기술을 이용한 지하수 모니터링 시스템에 관한 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하고자 한다.
우선, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 라이다 센서 측정 장치(100)는 수직 형태의 파이프로 구성되어 지상으로부터 지하까지 수직하게 설치되는 지하수 관정의 지상측 상부 측에 설치되는 장치로써, 설치 용이성과 작업 효율성을 확보하기 위해 지면된 노출된 상태인 지하수 관정의 상부측 말단을 폐쇄할 수 있는 덮개 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기 라이다 센서 측정 장치(100)는 지하수 관정의 덮개를 분리하고, 전기가 통할 때 소리가 발생하는 줄자로 지면으로부터 지하수면까지의 길이를 측정한 후, 로프 등에 연결된 센서를 지하수 관정의 상단부부터 지하수면 아래에 도달시켜 압력을 측정하도록 하며, 또 다른 센서를 대기 중에 설치하여 대기압을 측정하도록 한 후, 측정된 두 압력의 압력차를 이용하여 기측정된 지하수면까지의 길이를 환산하도록 구성되는 종래의 지하수 수위 측정 장치와는 달리 수위 측정을 위한 설치가 간편하고, 설치된 상태를 항시 유지할 수 있는 효과가 발생하며, 지하수와의 접촉이 원천 차단되어 부식이나 고장을 예방할 수 있는 효과가 발생한다.
구체적으로, 상기 라이다 센서 측정 장치(100)는 원형으로 구성되는 지하수 관정의 상부가 삽입되는 삽입홈이 하단에 형성되고, 디스플레이패널이 상단에 구비되는 원통형의 본체부를 포함하여 구성될 수 있으며, 이러한 구성은 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있다.
또한, 상기 본체부의 내부에는 도 3에 도시된 바와 같은 구성의, 위성 신호를 이용하여 위치 정보를 기록하는 GPS 센서부(110), 위치 정보와 수위 정보를 하나의 데이터 값으로 통합하여 저장하는 메모리부(130), 저장된 데이터 값을 외부로 전송하는 통신부(140) 및 라이다 센서 측정 장치(100)의 작동을 위한 전원을 공급하는 전원 공급부(150)가 구비될 수 있고, 라이다 센서 측정 장치(300)가 설치된 상태를 수평으로 유지하기 위한 수평계가 구비될 수 있다.
또한, 상기 본체부의 하부 위치 중 상기 삽입홈의 내부에는 수직 하방으로 레이저를 방출하여 지하수의 수위를 측정하는 방식으로 수위 정보를 생성하는 측정 센서부(120)가 구비될 수 있으며, 수위 측정을 위한 전원의 공급을 개시하거나 중단하는 전원 버튼, 디스플레이패널의 작동을 위한 전원의 공급을 개시하거나 중단하는 화면 작동 버튼 및 상기 통신부(140)의 기능과 관계되는 하나 이상의 안테나 등이 외부에 다양한 형태로 구비될 수 있다.
따라서, 상기 라이다 센서 측정 장치(100)를 지하수 관정의 상부 측에 설치한 관리자 등은 전원 버튼의 입력을 통해 전원의 공급이 개시 및 항시 유지되도록 함이 바람직하나, 화면 작동 버튼에 의한 디스플레이패널의 작동은 관리자 등이 현장에 위치한 경우에만 발생하고, 관리자 등에 의한 점검 후에는 작동이 중지됨이 에너지 절약의 측면에서 바람직하다.
한편, 상기 디스플레이패널에 표시되는 정보는 상기 측정 센서부(120)의 측정에 의한 수위 정보와 상기 전원 공급부(150)의 배터리 잔량 그리고 상기 수평계에서 측정되는 측정값 등으로 구성될 수 있으며, GPS 센서부(110), 측정 센서부(120), 메모리부(130) 또는 통신부(140) 중 어느 하나 이상에 문제가 발생하여 수위 정보 또는 위치 정보 중 어느 하나 이상이 생성되지 않거나 데이터 값의 저장이 안되는 경우, 저장된 데이터 값의 전송에 문제가 발생하는 경우 등에는 각 상황에 따른 에러 메시지가 표시되도록 구성됨으로써 관리자에 의한 현장 대응이 용이하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 개폐 가능한 환기구가 각각 구비된 상태로 지상에 고정 설치되는 하단을 축으로 하여 회전 가능한 사다리꼴 형상의 경사면(310)들이 일체로 사각뿔대 형상을 이룰 수 있도록 구성되는 보호 케이스(300)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 라이다 센서 측정 장치(100)가 설치되는 지하수 관정은 지표면으로부터 지하수가 흐르는 깊이까지 길이가 형성되는 수직 형태의 파이프로써, 지하수와 접하는 부분에는 하나 이상의 빈틈이 형성되며, 상부측 말단부가 지상으로 노출되는 형태로 단독으로 설치되거나 콘크리트 구조물 등과 함께 설치되는 경우가 많다.
따라서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 보호 케이스(300)는 전체의 형상이 사각뿔대 형상을 이루는 형태로 지상에 설치됨으로써, 지상으로 노출되는 라이다 센서 측정 장치(100)와 지하수 관정을 도난, 훼손 등으로부터 보호할 수 있으며, 수동으로 개폐 가능한 환기구를 통해 내부를 환기하고, 내부의 온도가 조절되도록 할 수 있다.
이때, 사각뿔대 형상인 상기 보호 케이스(300)는 비와 눈 등에 효과적으로 대응하고 설치 면적을 줄이기 위하여 경사면(310)들이 지면과 이루는 각도를 60° 이상으로 크게할 수 있다.
또한, 상기 보호 케이스(300)는 종래에 사용되던 육면체 형상의 케이스 또는 펜스 형태의 보호 장비에 비해 협소한 설치 면적만을 필요로 하는 장점이 있으며, 조립식으로 구성되어 설치 비용 및 설치 시간이 감소하는 장점이 있다.
또한, 상기 보호 케이스(300)를 구성하는 사다리꼴 형상의 경사면(310) 각각의 상단에는 서로 인접하며 사각뿔대 형상을 이루는 보호 케이스(300)의 전체 상단면을 형성하는 덮개 구성부(320)가 경사면(310)으로부터 꺾인 형태로 형성될 수 있으며, 각각의 덮개 구성부(320)는 서로 인접할 때 사각뿔대 형상을 이루는 보호 케이스(300)의 편평한 상단면에 빗물을 측면으로 용이하게 배수하기 위한 경사홈을 형성할 수 있다.
즉, 상기 경사홈은 보호 케이스(300) 상단면의 중심으로부터 측방을 향하여 갈수록 경사가 형성되는 형태로 형성되어 보호 케이스(300)의 상단면에 떨어진 빗물 등이 즉시 측방으로 배수되도록 함으로써, 하방에 설치된 상태의 라이다 센서 측정 장치(100)를 수분으로부터 보호한다.
한편, 상기한 바와 같이, 상기 보호 케이스(300)를 구성하는 각각의 경사면(310)은 지상에 고정 설치된 하단을 축으로 하여 회전 가능하도록 구성되므로, 도 4b에 도시된 바와 같이 모든 경사면(310)을 지면에 눕히는 형태로 라이다 센서 측정 장치(100)와 지하수 관정의 상부측 말단부를 개방시킬 수 있고, 다시 사각뿔대 형상을 이루도록 할 수 있다.
따라서, 지하수의 수위를 직접 확인하거나 전원 공급부(150)의 배터리 잔량 확인, 전원 공급부(150)의 교체 등을 하고자 하는 관리자는 보호 케이스(300)의 각 경사면(310)을 회전시켜 지면에 눕힘으로써 라이다 센서 측정 장치(100)와 지하수 관정의 상부측 말단부를 개방시킬 수 있고, 목적의 달성 후에는 반대 방향으로 회전시킴으로써 다시 사각뿔대 형상을 이루도록 한 후 잠금할 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명은 상기 덮개 구성부(320) 각각의 상단에 잠금 구성부가 구비되도록 구성될 수 있으며, 상기 잠금 구성부는 상기 보호 케이스(300)가 사각뿔대 형상을 이룰 때 도 4c에 도시된 바와 같은 형상의 잠금부(330)를 형성함으로써, 자물쇠 등에 의한 잠금이 발생하도록 할 수 있다.
또한, 상기 관리 장치(200)는 본 발명이 적용된 지하수 관정에서 측정되는 지하수의 수위를 수집하여 통합 관리하는 장치로써, 각각의 라이다 센서 측정 장치(100)로부터 전송되는 데이터 값을 수신할 수 있도록 구성되고, 수신된 데이터 값을 저장할 수 있도록 구성되며, 저장된 데이터 값을 출력할 수 있도록 구성된다.
구체적으로, 상기 관리 장치(200)는 수신된 하나 이상의 데이터 값마다 포함된 위치 정보와 수위 정보를 기반으로, 관리 대상인 각 지하수 관정의 현재 수위와 수위 변화를 나타내는 상태 정보를 생성하도록 구성되고, 생성된 상태 정보를 출력 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 상태 정보는 관리 대상인 각 지하수 관정에서 측정된 현재 수위가 단독으로 특정되거나 복수 개의 현재 수위가 종합되어 나열된 자료, 각 지하수 관정의 수위 변화 상태가 나열된 자료 등으로 구성되는 것으로써, 관리자의 선택에 의하여 표, 도표, 그래프 등으로 변환되어 상기 관리 장치(200)와 유, 무선으로 연결되는 모니터 장치의 화면에 표시될 수 있고, 관리자가 휴대하는 관리자 단말기로 전송될 수 있다.
따라서, 본 발명을 이용하고자 하는 관리자 등은 상기 관리 장치(200)를 이용하여 특정 지하수 관정의 현재 수위만을 확인할 수 있고, 복수 개의 지하수 관정의 현재 수위를 비교하며 확인할 수 있으며, 특정 지하수 관정의 수위 변화를 기간을 지정하여 확인할 수 있고, 복수 개의 지하수 관정의 수위 변화를 기간을 지정하여 확인할 수 있다.
또한, 상기 관리 장치(200)는 이전에 수신된 상태 정보와 현재 수신된 상태 정보를 비교 분석하여, 기설정된 범위를 초과하는 수위 변화가 발생한 지하수 관정을 특정하도록 구성되고, 문제가 발생한 라이다 센서 측정 장치(100)를 특정하도록 구성되며, 특정된 지하수 관정의 위치와 특정된 라이다 센서 측정 장치(100)의 위치를 출력 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
즉, 장기간에 걸친 상당한 수위 변화가 감지되는 경우에는 그 주변에 싱크홀이 발생할 가능성이 높고, 특히, 지진의 발생 전에는 단기간 내에 갑작스런 수위 변화가 감지될 가능성이 높아지므로, 상기 관리 장치(200)는 기설정된 범위를 초과하는 수위 변화가 발생한 지하수 관정을 특정하고 모니터 장치의 화면 등에 출력함으로써, 관리자 등이 그 위치를 인지하도록 할 수 있다.
이때, 장기간 및 단기간을 분류하는 기준과 상당한 수위 변화 및 갑작스런 수위 변화를 판단하기 위한 기준은 상기 관리 장치(200)의 관리자 등에 의해 초기 설정되는 것이나, 이중 상당한 수위 변화 및 갑작스런 수위 변화를 판단하기 위한 기준은 지속적으로 축적되는 상태 정보를 기반으로 자동으로 설정 변경될 수 있다.
즉, 지진이나 대규모 건축공사 등의 특별한 원인이 없는 한, 특정 지역에서의 지하수 수위 변화는 강수량 등에 의해서만 영향을 받아 항상 일정한 범위 내에서 형성될 가능성이 상당하므로, 상기 관리 장치(200)는 지속적으로 축적되는 상태 정보를 기반으로 각 지하수 관정의 수위 변화를 분석하여, 각 지하수 관정마다 상당한 수위 변화 및 갑작스런 수위 변화를 판단하기 위한 기준을 다르게 설정 변경할 수 있다.
이와 같은 이유로, 상기 관리 장치(200)는 상기 상태 정보를 기반으로 각 지하수 관정의 수위 변화를 분석하는 분석부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 라이다 센서 측정 장치(100)의 내부에 구비되는 GPS 센서부(110)에 문제가 발생하는 경우에는 위치 정보의 수집이 불가하고, 측정 센서부(120)에 문제가 발생하는 경우에는 수위 정보의 수집이 불가하며, 메모리부(130) 또는 통신부(140) 중 어느 하나 이상에 문제가 발생하는 경우에는 데이터 값의 전송에 문제가 발생하는 등 다양한 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 관리 장치(200)는 문제가 발생한 원인을 특정하고, 특정된 원인을 모니터 장치의 화면 등에 출력함으로써, 관리자 등이 문제의 발생을 인지하도록 할 수 있다.
이에 더하여, 상기 관리 장치(200)는 위치 정보와 수위 정보를 포함하도록 구성되는 데이터 값의 완결성을 점검하여 GPS 센서부(110) 또는 측정 센서부(120) 중 문제가 발생한 부품을 특정할 수 있고, 데이터 값의 수신 상태를 통해 메모리부(130) 또는 통신부(140)의 문제를 특정할 수 있으므로, 문제가 발생한 라이다 센서 측정 장치(100)를 특정하고 모니터 장치의 화면 등에 출력할 때 발생한 문제의 종류를 함께 출력함으로써, 관리자 등에 의한 신속한 대응을 유도할 수 있다.
이와 같은 이유로, 상기 관리 장치(200)는 라이다 센서 측정 장치(100)로부터 전송되도록 구성되는 데이터 값의 수신 상태를 점검하여 문제의 발생과 원인을 판단하고, 수신된 데이터 값의 완결성을 점검하여 문제의 발생과 원인을 판단하는 점검부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 관리 장치(200)와 통신 가능하도록 구성되어, 관리자의 필요에 따라 관리 대상인 각 지하수 관정의 현재 수위와 수위 변화를 확인 가능하도록 구성되고, 기설정된 범위를 초과하는 수위 변화가 발생하여 특정된 지하수 관정과, 문제가 발생하여 특정된 라이다 센서 측정 장치를 화면에 표시하는 관리자 단말기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 관리자 단말기는 통신이 가능한 스마트폰, 테블릿 PC 및 전용 단말기 등으로 구성 가능한 단말기로써, 관리자가 항시 휴대하며 상기 관리 장치(200)에 저장된 데이터 값에 관한 자료를 확인할 수 있도록 하고, 관리 장치(200)로부터 자동으로 출력되는 자료, 즉, 기설정된 범위를 초과하는 수위 변화가 발생하여 특정된 지하수 관정의 위치와 특정된 라이다 센서 측정 장치(100)의 위치 등을 확인할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명은 하나 이상의 라이다 센서 측정 장치로부터 전송되는 데이터 값을 수신하여 상기 관리 장치로 전송하는 중개 장치를 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 상기 라이다 센서 측정 장치(100)는 전국 또는 각 지역에 설치된 지하수 관정의 상부 측마다 하나씩 설치되는 것으로써, 설치되는 범위가 광범위하여 각 측정 장치로부터 관리 장치로의 직접 전송에 장애가 발생할 가능성이 존재하므로, 본 발명은 각 지역 또는 임의로 설정된 각 구역마다 설치되는 중개 장치의 구성을 제시하여, 상기와 같은 문제를 해결할 수 있다.
위에서 소개된 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해, 예로써 제공되는 것이며, 본 발명은 위에서 설명된 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화 될 수도 있다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장 또는 축소되어 표현될 수 있다.
또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

Claims (5)

  1. 지하수 관정의 상부 측에 설치되어 지하수의 수위를 측정하고, 측정된 지하수의 수위를 포함하는 데이터 값을 외부로 전송하는 하나 이상의 라이다 센서 측정 장치(100)와, 상기 라이다 센서 측정 장치(100)로부터 전송되는 데이터 값을 수신하여 저장, 관리하는 관리 장치(200)로 구성되는 시스템에 있어서,
    상기 라이다 센서 측정 장치(100)는,
    위성 신호를 기반으로 위치 정보를 기록하는 GPS 센서부(110);
    수직 하방으로 레이저를 목표물에 방출하여 지하수 수위를 측정하는 방식으로 수위 정보를 생성하는 측정 센서부(120);
    생성된 위치 정보와 수위 정보를 하나의 데이터 값으로 통합하여 저장하는 메모리부(130);
    저장된 데이터 값을 외부로 전송하는 통신부(140); 및,
    상기 라이다 센서 측정 장치(100)의 작동을 위한 전원을 공급하는 전원 공급부(150); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 IoT 기반 라이다 센서 기술을 이용한 지하수 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 라이다 센서 측정 장치(100)는,
    지하수 관정의 상부가 삽입되는 삽입홈이 하단에 형성되고, 디스플레이패널이 상단에 구비되는 원통형의 본체부를 포함하여 구성되어, 지하수 관정의 상부 측에 덮개 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 IoT 기반 라이다 센서 기술을 이용한 지하수 모니터링 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 IoT 기반 라이다 센서 기술을 이용한 지하수 모니터링 시스템은,
    개폐 가능한 환기구가 각각 구비된 상태로, 지상에 고정 설치되는 하단을 축으로 하여 축 회전 가능한 사다리꼴 형상의 경사면(310)이 일체로 사각뿔대 형상을 이룰 수 있도록 구성되어,
    지상으로 노출되는 지하수 관정의 상부측 말단부와 상기 라이다 센서 측정 장치(100)를 동시에 보호하기 위한 용도로 설치되는 보호 케이스(300)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 IoT 기반 라이다 센서 기술을 이용한 지하수 모니터링 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 관리 장치(200)는,
    수신된 데이터 값마다 포함된 위치 정보와 수위 정보를 기반으로,
    관리 대상인 각 지하수 관정의 현재 수위와 수위 변화를 나타내는 상태 정보를 생성하도록 구성되고,
    생성된 상태 정보를 출력 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 IoT 기반 라이다 센서 기술을 이용한 지하수 모니터링 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 관리 장치(200)는,
    이전에 수신된 상태 정보와 현재 수신된 상태 정보를 비교 분석하여,
    기설정된 범위를 초과하는 수위 변화가 발생한 지하수 관정을 특정하도록 구성되고,
    문제가 발생한 라이다 센서 측정 장치(100)를 특정하도록 구성되며,
    특정된 지하수 관정의 위치와 특정된 라이다 센서 측정 장치(100)의 위치를 출력 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 IoT 기반 라이다 센서 기술을 이용한 지하수 모니터링 시스템.
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