WO2021225243A1 - 지중 무선 센서 네트워크 및 이를 이용한 열수송관 손상 감지 시스템 - Google Patents

지중 무선 센서 네트워크 및 이를 이용한 열수송관 손상 감지 시스템 Download PDF

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WO2021225243A1
WO2021225243A1 PCT/KR2020/017313 KR2020017313W WO2021225243A1 WO 2021225243 A1 WO2021225243 A1 WO 2021225243A1 KR 2020017313 W KR2020017313 W KR 2020017313W WO 2021225243 A1 WO2021225243 A1 WO 2021225243A1
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WO
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information
measurement line
soil
tdr
sensor nodes
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/017313
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English (en)
French (fr)
Inventor
김정환
박민철
Original Assignee
재단법인 서울특별시 서울기술연구원
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Publication date
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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/041—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/01—Protocols
    • H04L67/12—Protocols specially adapted for proprietary or special-purpose networking environments, e.g. medical networks, sensor networks, networks in vehicles or remote metering networks

Definitions

  • the present invention relates to an underground wireless sensor network including a sensor node using a Time Domain Reflectometry (TDR) measurement line and a heat transport pipe damage detection system using the same.
  • TDR Time Domain Reflectometry
  • TDR Time Domain Reflectometry
  • the TDR technology has been developed as a device for measuring the water content of the soil as the field of application has been expanded.
  • a system for monitoring information obtained from sensors by installing various sensors in a wide area, using these sensors as a plurality of nodes, and configuring a network including a gateway communicating with the plurality of nodes is used.
  • the conventional monitoring system In order to monitor in real time whether or not the entire heat transport pipeline buried in a wide area is damaged in real time, the conventional monitoring system is cost-effective because it requires expensive equipment to establish an individual communication network for each sensor installed in the pipeline and monitor information received through them. There is a problem with inefficiency in the aspect.
  • the underground wireless sensor network is to solve the above problems, and a plurality of sensor nodes electrically connected to a Time Domain Reflectometry (TDR) measurement line (hereinafter referred to as a TDR measurement line).
  • TDR Time Domain Reflectometry
  • at least one base station communicatively connected to a plurality of sensor nodes
  • a server communicatively connected to the at least one base station
  • each of the plurality of sensor nodes receives an electrical pulse signal applied to a TDR measurement line electrically connected
  • An electrical pulse generator that generates an electrical pulse signal
  • a signal detector that senses a reflected signal of the electrical pulse signal
  • a communication module and electrical pulse generator that provides a communication connection with at least one base station and at least a portion of a plurality of sensor nodes
  • an electrical pulse generator, signal detector, and communication module and a control unit operatively connected to the control unit, a two-dimensional electrical waveform used to determine whether or not the heat transport pipe in which the TDR measurement line is installed is damaged and
  • the temperature and/or water content of the soil in which the TDR measuring line is buried using the reflected signal value of the electric pulse applied to the TDR measuring line buried together along the heat transport pipe conduit is measured within the section where the TDR measuring line is installed. can be detected accurately. Accordingly, the location of damage to the heat transport pipe can be accurately identified.
  • damage to the heat transport pipe can be detected by a simple process of installing the TDR measuring line along the heat transport pipe.
  • an underground wireless sensor network that is composed of sensor nodes operating with low power and can use an existing wired/wireless communication network.
  • an underground wireless sensor network that can efficiently monitor the damage of the entire heat transport pipeline distributed over a wide area by disposing sensor nodes operating at low power in the form of a network or a linear network.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an underground wireless sensor network according to various embodiments of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a sensor node included in an underground wireless sensor network according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a block diagram of a base station included in an underground wireless sensor network according to various embodiments of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of a server included in an underground wireless sensor network according to various embodiments of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram of a heat transport pipe damage detection system using an underground wireless sensor network according to various embodiments of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a TDR measurement line included in a heat transport pipe damage detection system according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an underground wireless sensor network according to various embodiments of the present invention.
  • the underground wireless sensor network includes a plurality of sensor nodes 100 , a plurality of base stations 200 communicatively connected to the plurality of sensor nodes 100 , and a plurality of base stations 200 and It may include a server 300 to which communication is connected.
  • each of the plurality of sensor nodes 100 may be communicatively connected to each other to transmit/receive information.
  • Communication connections between the plurality of sensor nodes 100 may use various short-range communication methods.
  • a Bluetooth or Bluetooth Low Energy (BLE) communication method may be used.
  • various short-range communication methods such as ZigBee communication method, WiFi direct, Infrared data association (IrDA) communication, Ultra wide band (UWB) communication, etc. may be used.
  • the plurality of sensor nodes 100 may use a communication method capable of operating with low power to operate as a sensor node of a wireless sensor network.
  • the plurality of sensor nodes 100 may form a hierarchical structure through mutual communication connection.
  • the plurality of sensor nodes 100 may be interconnected by communication using a low power wide area network (LPWAN).
  • LPWAN low power wide area network
  • a plurality of base stations 200 may be communicatively connected to a plurality of sensor nodes 100 using a short-range communication method.
  • a Bluetooth or Bluetooth Low Energy (BLE) communication method may be used.
  • various short-range communication methods such as ZigBee communication method, Wi-Fi Direct, Infrared data association (IrDA) communication, Ultra wide band (UWB) communication, etc. may be used.
  • the base station 200 may be arranged to cover a specific area within the entire underground wireless sensor network.
  • the base station 200 may be arranged based on the number of connected sensor nodes 100 .
  • the plurality of base stations 200 may communicate with the server 300 through a network.
  • the plurality of base stations 200 may function as a gateway in the underground wireless sensor network, and may transmit information received from the plurality of sensor nodes 100 to the server 300 by communicating with the server 300 .
  • the network may be, for example, any one of various networks such as a local area network (LAN), a wide area network (WAN), and an Internet network.
  • the network may include, for example, a wireless communication network (LTE, NR).
  • the communication connection between the plurality of base stations 200 and the plurality of sensor nodes 100 may be connected using a low power wide area network (LPWAN).
  • LPWAN low power wide area network
  • it may be communication-connected in a dedicated network-based LoRa (long range internet of things) method, or may be communication-connected in a cellular-based NB-IoT (Narrow band internet of things) method.
  • LoRa long range internet of things
  • NB-IoT Narrow band internet of things
  • FIG. 2 is a block diagram of a sensor node included in an underground wireless sensor network according to various embodiments of the present disclosure.
  • the sensor node 100 includes a control unit 110 , an electric pulse generator 120 , a signal detector 130 , a communication module 140 , a power supply unit 150 , and an antenna 160 .
  • a control unit 110 may include
  • the sensor node 100 may include a configuration of a Time Domain Reflectometry (TDR) device (hereinafter, a TDR device). As shown in FIG. 2 , the sensor node 100 may have a built-in TDR device or a form electrically connected to an externally installed TDR device. In the case of being electrically connected to an externally installed TDR device, the electric pulse generator 120 and the signal detector 130 may not be included in the sensor node 100 .
  • TDR Time Domain Reflectometry
  • control unit 110 of the sensor node 100 is operatively connected to the electric pulse generator 120 , the signal detector 130 , the communication module 140 , and the power supply unit 150 , it is possible to control the operation of these components according to the control information received from the base station 200 .
  • the sensor node 100 may be electrically connected to the TDR measurement line ( 600 in FIGS. 5 and 6 ) using a coaxial cable (not shown).
  • One of the two-stranded conductors of the TDR measuring line 600 is electrically connected to an inner conductor (not shown) constituting the coaxial cable (not shown), and the other of the two-stranded conductors of the TDR measuring line 600 is coaxial It may be electrically connected to an external conductor (not shown) constituting a cable (not shown).
  • the sensor node 100 may be electrically connected to the TDR measurement line 600 via a coaxial cable (not shown), and a TDR measurement line ( 600) may be directly connected.
  • the electrical connection method between the TDR measurement line 600 and the sensor node 100 is not limited to a connection through a coaxial cable or a direct connection method, and any method may be used as long as an electrical connection is provided.
  • the TDR measurement line 600 may have a coaxial cable connected to both a start point and an end point.
  • both ends of the TDR measurement line 600 may be electrically connected to the sensor node 100 , and an electric pulse signal from the sensor node 100 may be applied in both directions and may be measured in both directions.
  • the length measurement of the TDR measurement line and precision for damage can be improved.
  • the electrical pulse generator 120 of the sensor node 100 may generate an electrical pulse in response to a pulse generation request received from the controller 110 .
  • the electric pulse generated by the electric pulse generator 120 is a pulse signal having a predetermined voltage
  • the sensor node 100 according to the present invention uses the electric pulse generator 120 to generate a pulse signal of a constant voltage at a predetermined time interval.
  • the predetermined voltage may be, for example, about 250 mV.
  • the predetermined time interval may be, for example, a value determined as a unit time for a roundtrip of a pulse signal along a TDR measurement line installed along a heat transport pipe to be detected as damage.
  • the round trip unit time of the pulse signal may be 1 ns (10 -9 sec).
  • a time of 1 ns may be required to measure the location of a defect with a resolution of 10 cm.
  • the voltage and time interval of the electric pulse may be set to various values.
  • the electric pulse signal applied through the TDR measurement line 600 is reflected back to the surrounding environment in which the TDR measurement line 600 is installed.
  • the reflected signal can be detected.
  • the signal detector 130 according to the present invention can measure the voltage and time of the reflected signal of the electric pulse. Accordingly, the control unit 110 of the sensor node 100 controls the voltage in the process of the electric pulse reciprocating the TDR measurement line. and how much time has changed.
  • the controller 110 of the sensor node 100 may be operatively connected to the electric pulse generator 120 and the signal detector 130 to control respective operations.
  • the controller 110 may control the electric pulse generator 120 to periodically apply an electric pulse signal of a predetermined voltage to the TDR measurement line 600 .
  • the controller 110 may receive the voltage and time of the reflected signal from the signal detector 130 to generate two-dimensional electrical waveform information.
  • the measured value of the reflected signal of the applied electric pulse for example, the voltage (or resistance) of the reflected signal of the electric pulse may be detected as a value over time. Accordingly, the controller 110 may generate information about a voltage change of the electric pulse reflected signal over time based on the measurement value received from the signal detector 130 as two-dimensional electric waveform information.
  • the time of the electrical pulse signal may be converted to a length value of the TDR metrology line 600 . Using the electrical resistance of the TDR measurement line 600 and the travel speed (speed of light) of the electrical pulse, the time of the electrical pulse signal can be converted into the length of the TDR measurement line 600 .
  • the controller 110 may adjust the time period of the applied electric pulse signal.
  • the control unit 110 of the sensor node 100 divides the entire specific TDR measurement line 600 into predetermined unit sections to detect whether damage has been achieved for each section.
  • the time period of the electric pulse signal applied to the TDR measurement line 600 may be variably designated by adjusting the time period.
  • the sensor node 100 may measure the moisture content and temperature of the soil around the TDR measurement line 600 based on the reflected signal of the electric pulse measured by the signal detector 130 .
  • the voltage of the reflected signal of the electric pulse propagated through the TDR measurement line 600 may change.
  • the permittivity of the soil may have a correlation with the water content and temperature of the soil, and accordingly, the reflected signal of the electric pulse may be changed according to the water content and temperature of the soil around which the TDR measurement line 600 is installed. Using this relationship, it is possible to measure the moisture content and temperature of the soil around the TDR measurement line 600 . For example, when a breakage occurs at a specific location of the heat transport pipe 500 as shown in FIG. 5 and the heat fluid (hot water) leaks, the water content and temperature of the soil near the breakage point may increase. .
  • Soil is composed of soil particles (or grains) and water in the gaps (or gaps) between soil particles, and the permittivity of water and soil particles has different values. difference will exist. In other words, a difference exists between the waveform (eg, a voltage value) of a reflected signal of an electric pulse reflected from soil having a high water content and a waveform of a reflected signal of an electric pulse reflected from soil having a low water content.
  • the waveform eg, a voltage value
  • a change in the permittivity of the soil may also occur when the temperature of the soil increases.
  • the dielectric constant of water in the interstices between the soil particles changes and the dielectric constant of the soil changes.
  • the dielectric constant of the soil can be changed by the change in the electrical resistance of the two-stranded metal wire of the TDR measurement line.
  • the electric pulse signal When an electric pulse signal of a predetermined voltage is applied to the TDR measurement line 600 , the electric pulse signal is propagated along the TDR measurement line 600 . Due to the propagation of the electric pulse signal, an electromagnetic field is generated around the TDR measurement line 600 . can be formed. Due to the difference in dielectric constant between water and soil particles, the electric pulse is changed at the point where the heat transport pipe 500 is damaged or leaked due to the difference in dielectric constant, and the voltage of this changed reflected signal is combined with the voltage of the reflected signal in the state without damage. By comparison, it can be confirmed whether the heat transport pipe 500 is damaged.
  • the waveform of the reflected signal may be converted into two-dimensional electric waveform information over time, and the time of the pulse signal is the distance of the TDR measurement line 600 .
  • the time of the pulse signal is the distance of the TDR measurement line 600 .
  • the sensor node 100 may measure the temperature around the TDR measurement line 600 based on the reflected signal of the electric pulse measured by the signal detector 130 .
  • the two conductors (or coaxial inner and outer conductors) of the TDR measurement line 600 may undergo thermal expansion to a certain degree.
  • the temperature of hot water flowing therein may be a high temperature of 90 degrees or more. If such high-temperature hot water leaks to the outside through the damaged part of the heat transport pipe, the temperature of the soil near the leaking part may increase.
  • heat may be applied to the TDR measurement line 600 . As shown in FIG.
  • the TDR measurement line 600 includes two conductor wires inside the covering member, and these conductor wires are usually formed of a conductor having high electrical conductivity and thermal conductivity.
  • these conductor wires are usually formed of a conductor having high electrical conductivity and thermal conductivity.
  • the conductor line is thermally expanded, and thus the electrical resistance of the conductor line may increase.
  • the electrical resistance of the conductor wire of the TDR measurement line 600 increases, a change in the dielectric constant of the soil around the TDR measurement line 600 may occur, and accordingly, a change in the voltage of the reflected signal of the electric pulse signal may occur.
  • the temperature around the TDR measurement line 600 may have a correlation with the voltage change of the reflected signal of the electric pulse.
  • the temperature of water (pore water) existing between soil particles increases, the viscosity of the soil may change, and accordingly, a change in the dielectric constant according to the temperature change may occur even for the same water. Since the temperature change around the TDR measurement line 600 has a correlation with the change in electrical resistance of the TDR measurement line 600 itself and the change in the stream constant of the surrounding soil particles and pore water, the temperature is measured using the TDR measurement line 600 . can be measured
  • the temperature of the soil near the breakage point may increase.
  • the waveform (eg voltage) of the reflected signal of the electric pulse detected through the TDR measuring line 600 which has an increased electrical resistance due to the high temperature hot water exposed through the damaged area, and the TDR located around the normal, undamaged heat transport pipe.
  • the controller 110 of the sensor node 100 may include an AD converter.
  • the analog two-dimensional electric waveform of the reflected signal of the electric pulse measured through the TDR measurement line 600 may be converted into a digital electric pulse signal using an AD converter (analog-to-digital converter, not shown).
  • the controller 110 may calculate the distance reference temperature and water content of the TDR measurement line 600 by performing a predetermined operation based on the converted digital electric pulse signal.
  • the electric pulse signal converted into a digital value in the AD converter may be calculated as temperature and water content according to distance through mathematical operations including, for example, a moving average method, a discrete Fourier transform, a Laplace transform, and a partial differential equation.
  • the mathematical operation uses the correlation between the temperature and water content measured by the TDR measurement line 600 and the electric pulse, and this correlation may use both a theoretical method and an experimental method.
  • Time information of the electric pulse reflection signal waveform sensed by the sensor node 100 according to an embodiment of the present invention may be converted into distance information through such a mathematical operation.
  • the controller 110 of the sensor node 100 may generate two-dimensional electrical waveform information based on a reflected signal of an electrical pulse measured through the TDR measurement line 600 , and generate Based on the two-dimensional electrical waveform information, it is possible to check whether the heat transport pipe is damaged and information on the location of the damage.
  • the controller 110 may receive reference value information of the soil in which the heat transport pipe is installed, stored in the storage 320 of the server 300 , through the base station 200 .
  • the control unit 110 may compare the two-dimensional electric waveform information generated based on the reflected signal of the electric pulse with the reference value information of the soil corresponding thereto to determine whether the heat transport pipe is damaged and damage location information.
  • the controller 110 may transmit the generated 2D electric waveform information to the base station 200 .
  • the base station 200 may transmit the two-dimensional electrical waveform information received from the sensor node 100 to the server 300 , and the control unit 310 of the server 300 may heat number based on the received two-dimensional electrical waveform information. It is possible to check whether the pipeline is damaged and the location of the damage.
  • the communication module 140 of the sensor node 100 may be a communication module supporting short-range communication.
  • it may include a Bluetooth or Bluetooth Low Energy (BLE) communication module.
  • BLE Bluetooth or Bluetooth Low Energy
  • it may include a ZigBee communication module, a Wi-Fi communication module, an Infrared data association (IrDA) communication module, and an Ultra wide band (UWB) communication module.
  • it may include a low-power wireless network module.
  • the control unit 110 When the control unit 110 receives the voltage and time of the reflected signal to generate 2D electrical waveform information, the control unit 110 controls the communication module 140 to transmit the generated 2D electrical waveform information to the base station 200 .
  • the communication module 140 can be transmitted
  • device identification information of the sensor node 100 may be transmitted as well as the two-dimensional electrical waveform information.
  • the sensor node 100 may further include a GPS module, and may store a device identification number and location information received through the GPS module.
  • the sensor node 100 may operate by receiving power from the power supply unit 150 .
  • the power supply unit 150 may be a secondary battery type battery.
  • the power supply unit 150 may include a form using solar energy, for example, one or more solar cell arrays.
  • FIG. 3 is a block diagram of a base station included in an underground wireless sensor network according to various embodiments of the present invention.
  • the base station 200 may include a control unit 210 , a communication module 220 , a power supply unit 230 , and an antenna 240 .
  • the controller 210 may be operatively connected to the communication module 220 and the power supply 230 to control the operation of these components.
  • the communication module 220 of the base station 200 may include a communication module supporting short-range communication.
  • a Bluetooth or Bluetooth Low Energy (BLE) communication module may include a ZigBee communication module, a Wi-Fi communication module, an Infrared data association (IrDA) communication module, and an Ultra wide band (UWB) communication module.
  • BLE Bluetooth or Bluetooth Low Energy
  • ZigBee ZigBee communication module
  • Wi-Fi Wireless Fidelity
  • IrDA Infrared data association
  • UWB Ultra wide band
  • it may include a low-power wireless network module.
  • the base station 200 may operate as a gateway of the underground wireless sensor network.
  • the communication module of the base station 200 may include a communication module that provides a wired/wireless communication connection with a network.
  • it may include a communication module capable of being communicatively connected to any one of various networks such as a local area network (LAN), a wide area network (WAN), and the Internet network.
  • LAN local area network
  • WAN wide area network
  • NR new radio
  • the base station 200 may operate by receiving power from the power supply unit 230 .
  • the power supply unit 230 may be a secondary battery type battery.
  • the power supply unit 230 may include, for example, one or more solar cell arrays using solar energy.
  • the control unit 210 of the base station 200 may receive two-dimensional electrical waveform information from a plurality of sensor nodes 100 that are communicatively connected to the base station 200 .
  • the two-dimensional electric waveform information may be transmitted to the server 300 by controlling the communication module 220 .
  • the device identification information of the plurality of sensor nodes 100 may be received together, and the device identification information and the two-dimensional electrical waveform information may be matched for each sensor node 100 and transmitted to the server 300 .
  • the controller 210 of the base station 200 may control the communication module 220 to receive control information transmitted from the server 300 .
  • the base station 200 may further include a GPS module, and may store location information received through the GPS module, and this location information may be provided to the server 300 . .
  • FIG. 4 is a block diagram of a server included in an underground wireless sensor network according to various embodiments of the present invention.
  • the server 300 may include a control unit 310 , a storage 320 , and a communication interface 330 .
  • the controller 310 may generate information related to operation control of the plurality of sensor nodes 100 and the base station 200 constituting the underground wireless sensor network.
  • the controller 310 may include one or more processors, and may be operatively connected to the storage 320 , the communication interface 330 , and the display (not shown).
  • the controller 310 may display measurement information of the plurality of sensor nodes 100 received from the base station 200 through a display (not shown). For example, the two-dimensional electrical waveform information generated by the plurality of sensor nodes 100 may be visually displayed through the display.
  • the controller 310 may display location information of the plurality of sensor nodes 100 and the plurality of base stations 200 in the form of a map on the display.
  • the controller 310 may determine whether the heat transport pipe is damaged based on the two-dimensional electrical waveform information of the plurality of sensor nodes 100 .
  • the underground wireless sensor network according to various embodiments of the present invention may be used as a heat transport pipe damage detection system. By analyzing it, it is possible to determine whether the heat transport pipe is damaged and the location of the damage.
  • the controller 310 may control the display to display whether the heat transport pipe is damaged and the location of the damage.
  • the server 300 may further include a sound output device (not shown) operatively connected to the controller 310 , and it is determined that the heat transport pipe is damaged and may output an alarm through the sound output device.
  • the control unit 310 may be operatively connected to an input device (not shown), and may receive a user input for monitoring a heat pipe damage detection system using an underground wireless network.
  • the controller 310 may receive a request for current state information of the specific sensor node 100 through an input device. Upon receiving the request for the current state information of the specific sensor node 100 , the controller 310 transmits the request for the current state information to the base station 200 communicatively connected to the corresponding sensor node 100 , and the base station 200 transmits the corresponding request. The request may be transmitted to the sensor node 100 . The sensor node 100 receiving the request may transmit its current state information to the server 300 via the base station 200 , and the server 300 receives the current state information from the corresponding sensor node 100 . This can be shown on the display.
  • the server 300 may include a storage 320 .
  • the storage 320 may store various pieces of information received by the server 300 .
  • the storage 320 may include a database 321 .
  • the database 321 may store device identification information and location information of the plurality of sensor nodes 100 and the plurality of base stations 200 in the form of a matching table.
  • the database 321 may match the two-dimensional electrical waveform information received in real time for each of the plurality of sensor nodes 100 with the device identification information of each sensor node 100 and store it in the form of a table.
  • the database 321 may store whether the heat transport pipe is damaged and the location of the damage, which is confirmed by analyzing the two-dimensional electrical waveform information.
  • the storage 320 may store reference value information of the soil in which the heat transport pipe is installed.
  • the reference value information of the soil in which the heat transport pipe is installed may be stored in association with location information of the plurality of sensor nodes 100 and location information of the base station 200 .
  • the control unit 310 of the server 300 compares the two-dimensional electrical waveform information received from the plurality of sensor nodes 100 with reference value information of the soil in which the heat transport pipe is installed corresponding thereto to determine whether the heat transport pipe is damaged and the location of the damage. can be checked.
  • control unit 310 may transmit the reference value information of the soil in which the heat transport pipe is installed stored in the storage 320 to the plurality of sensor nodes 100 via the base station 200 . have.
  • the storage 320 of the server 300 may store a program related to the operation of the heat pipe damage detection system using the underground wireless sensor network.
  • the server 300 may include a communication interface 330 that may provide various communication connections.
  • the communication interface 330 may include a communication module that provides a wired/wireless communication connection with the base station 200 .
  • it may include a communication module capable of being communicatively connected to any one of various networks such as a local area network (LAN), a wide area network (WAN), and the Internet network.
  • LAN local area network
  • WAN wide area network
  • NR new radio
  • FIG. 5 is a configuration diagram of a heat transport pipe damage detection system using an underground wireless sensor network according to various embodiments of the present invention
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a TDR measurement line included in the heat transport pipe damage detection system according to various embodiments of the present invention. am.
  • a heat transport pipe damage detection system using an underground wireless sensor network uses an underground wireless sensor network comprising a plurality of sensor nodes 100 , a plurality of base stations 200 , and a server 300 . It may include a TDR measurement line 600 attached to the heat transport pipe 500 or disposed around the heat transport pipe 500 .
  • the heat transport pipe damage detection system may detect whether the heat transport pipe 500 is damaged over a wide area.
  • the TDR measurement line 600 attached to the heat transport pipe 500 or buried around the heat transport pipe 500 may include, for example, a distribution type (Line type) measurement line.
  • Probe-type point-type sensors only measure data from one installed point, so there is a spatial limitation.
  • distributed measurement lines are attached to or around a measurement object such as a heat transport pipe to detect changes in the signal of the entire measurement line and continuously The data can be measured, and this can be used to accurately measure the point of damage in an underground pipeline, which is a long line.
  • the TDR measuring wire 600 according to the present invention may include two conductor wires and a covering member covering the same. Since both the two conductor wires and the covering member have flexible properties, they may be manufactured in a roll shape. Accordingly, the TDR measurement line 600 according to the present invention is easy to transport to the construction site and has the advantage of being easy to be buried together over the installation section of the heat transport pipe.
  • the TDR measurement line 600 may be installed on the heat transport pipe 500 to detect damage or installed around the heat transport pipe 500 , the entire section in which the heat transport pipe 500 is buried. can be installed on
  • a plurality of manholes 700 may be formed at predetermined length intervals of the heat transport pipe 500 .
  • the sensor node 100 according to various embodiments of the present invention may be installed in the manhole 700 .
  • the manhole 700 may include a movement path of a worker for maintenance of the sensor node 100 installed in the inner space.
  • a plurality of sensor nodes 100 may be installed in a manhole 700 , and a plurality of base stations 200 may be installed on the ground.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a TDR measuring line according to various embodiments of the present invention.
  • the cross-sectional shape of the TDR measuring line 600 may be a rectangle or a similar rectangular shape in which a short side is curved from a rectangle.
  • the shape of the cross-section of the TDR metrology line 600 may be circular or elliptical.
  • the TDR measuring line 600 may include two conductor lines 610a and 610b spaced apart from each other, and the cross-sectional shape of the conductor lines 610a and 610b may also be a rectangle or a similar rectangular form in which a short side is curved in a rectangle.
  • the cross-sectional shape of the conductor lines 610a and 610b of the TDR measurement line 600 may be circular or oval.
  • the conductor may be formed into a plate shape and used.
  • the number of conductor lines of the TDR measurement line 600 may be three or more.
  • the conductor wire of the TDR measurement line 600 may be a braided wire covering the outside of the wire or communication line.
  • the TDR measurement line 600 may have a coaxial cable form, and in this case, may include an inner circular conductor line and an external annular conductor line.
  • the material of the conductor wires 610a and 610b is a conductor through which an electric signal is transmitted, and may include stainless steel, and may include copper, steel, etc., but is not limited thereto and may include all metal materials.
  • the material of the insulating covering member 620 may be a non-conductive material having a dielectric constant smaller than that of soil, and may include plastic. More preferably, it may be a PVC (poly vinyl chloride) material, but it should be noted that the present invention is not limited thereto.
  • the underground wireless sensor network includes a plurality of sensor nodes electrically connected to a Time Domain Reflectometry (TDR) measurement line (hereinafter referred to as a TDR measurement line), and communication connection with a plurality of sensor nodes.
  • TDR Time Domain Reflectometry
  • an electrical pulse generator configured to generate an electrical pulse signal applied to a TDR measurement line electrically connected to each of the plurality of sensor nodes; a signal detector for sensing a reflected signal of the signal, a communication module providing a communication connection with at least one base station and at least a portion of the plurality of sensor nodes, and a control unit operatively connected to the electrical pulse generator, the signal detector, and the communication module; Including, the control unit, based on the reflected signal of the electric pulse signal sensed by the signal detector may generate two-dimensional electrical waveform information used to determine whether the damage and the location of the damage of the heat transport pipe in which the TDR measurement line is installed.
  • each of the controllers of the plurality of sensor nodes may determine whether or not the heat transport pipe in which the TDR measurement line is installed is damaged and the location of the damage based on the two-dimensional electrical waveform information.
  • the server receives the two-dimensional electrical waveform information generated by each of the controllers of the plurality of sensor nodes through at least one base station,
  • Reference value information of soil in which a heat transport pipe corresponding to each of the TDR measurement lines electrically connected to each of the plurality of sensor nodes is installed may be stored.
  • each of the plurality of sensor nodes receives reference value information of the soil in which the heat transport pipe is installed from the server, and the controller of each of the plurality of sensor nodes receives the two-dimensional electrical waveform information and the received reference value of the soil By comparing the information, it is possible to determine whether the heat transport pipe is damaged and the location of the damage.
  • the reference value information of the soil may be information obtained using both a theoretical method and an experimental and numerical analysis method.
  • the server receives two-dimensional electrical waveform information from each of a plurality of sensor nodes, and whether a heat transport pipe corresponding to each of the plurality of sensor nodes is damaged based on the received two-dimensional electric waveform information and the location of the damage.
  • control unit of each of the plurality of sensor nodes is based on the reflected signal of the electric pulse signal in the longitudinal position of the TDR measurement line and the soil at a position corresponding to the longitudinal position of the TDR measurement line in the vicinity of the heat transport pipe. of water content and temperature information can be obtained.
  • control unit of each of the plurality of sensor nodes converts time information at which the electric pulse signal propagates through the TDR measurement line into a longitudinal position of the TDR measurement line, and the voltage value of the reflected signal of the electric pulse signal can be converted into water content or temperature information of the soil around the TDR measurement line.

Abstract

본 발명의 다양한 실시예에 따른 지중 무선 센서 네트워크는, 시간 반사 영역법(Time Domain Reflectometry, TDR) 계측선(이하 TDR 계측선)과 전기적으로 연결되는 복수의 센서 노드, 복수의 센서 노드와 통신 연결되는 적어도 하나의 베이스 스테이션, 적어도 하나의 베이스 스테이션과 통신 연결되는 서버를 포함하며, 복수의 센서 노드 각각은, 전기적으로 연결되는 TDR 계측선에 인가되는 전기 펄스 신호를 생성하는 전기 펄스 생성기, 전기 펄스 신호의 반사 신호를 감지하는 신호 감지기, 적어도 하나의 베이스 스테이션 및 복수의 센서 노드 중 적어도 일부와 통신 연결을 제공하는 통신 모듈, 전기 펄스 생성기, 신호 감지기, 및 통신 모듈과 동작적으로 연결되는 제어부를 포함하며, 제어부는, 신호 감지기에서 감지한 전기 펄스 신호의 반사 신호를 기초로 TDR 계측선이 설치된 열수송관의 손상 여부 및 손상 위치를 확인하는 정보를 생성할 수 있다.

Description

지중 무선 센서 네트워크 및 이를 이용한 열수송관 손상 감지 시스템
본 발명은 시간 반사 영역법(Time Domain Reflectometry, TDR) 계측선을 이용한 센서 노드를 포함하는 지중 무선 센서 네트워크 및 이를 이용한 열수송관 손상 감지 시스템에 대한 것이다.
TDR(Time Domain Reflectometry)은 케이블의 불연속위치를 파악하는 센싱 장치로 사용되고 있는데, 통신 및 전기 공학 분야에서 신호를 전송하는 통신 및 전력 케이블의 불연속 위치를 파악하는 용도로 사용되고 있다.
한편, TDR 기술은 응용분야가 확대되어 토양의 함수비를 측정하는 장치로 개발되었다.
다양한 센서들을 광범위한 지역에 설치하고 이들 센서들을 복수의 노드로 하고, 복수의 노드와 통신 연결되는 게이트웨이를 포함하는 네트워크를 구성하여 센서들로부터 얻는 정보들을 모니터링하는 시스템이 사용되고 있다.
열수송관의 손상을 파악하기 위해 현재 사용되고 있는 방식으로는, 작업자가 지상에서 지표투과레이더(Ground Penetrating Radar, GPR)나 열화상카메라 등과 같은 고가의 장비를 이용해 일일이 열수송관을 점검하는 방식이 있다. 이러한 방식은 점검 시간이 길어지고 소용되는 비용이 많을 뿐 아니라, 지표면에서 측정하기 때문에 지표면으로부터 특정 거리, 예를 들어 1m 아래에 매설된 열수송관의 손상 여부를 감지하기 어렵다.
GPR이나 열화상카메라를 통해 열이 발생하는 지점을 확인할 수 있는 해상도는 높지 않기 때문에, 정확히 열수송관의 어디에서 손상이 발생하는지를 확인하기 어려운 문제점도 있다. 손상 탐지의 측정 정확도를 높이면서, 점검을 빠르고 효율적으로 할 수 있는 방안이 요구된다.
광역적으로 매설되는 열수송 관로 전체의 손상 여부를 실시간 모니터링 하기 위해서, 종래의 모니터링 시스템은 관로에 설치된 센서마다 개별 통신망을 구축하고 이들을 통해 수신되는 정보를 모니터링하는 고가의 장비가 필요하기 때문에 비용 효율적 측면에서 비효율적인 문제가 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 지중 무선 센서 네트워크는 위와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로, 시간 반사 영역법(Time Domain Reflectometry, TDR) 계측선(이하 TDR 계측선)과 전기적으로 연결되는 복수의 센서 노드, 복수의 센서 노드와 통신 연결되는 적어도 하나의 베이스 스테이션 및 적어도 하나의 베이스 스테이션과 통신 연결되는 서버를 포함하며, 복수의 센서 노드 각각은, 전기적으로 연결되는 TDR 계측선에 인가되는 전기 펄스 신호를 생성하는 전기 펄스 생성기, 전기 펄스 신호의 반사 신호를 감지하는 신호 감지기, 적어도 하나의 베이스 스테이션 및 복수의 센서 노드 중 적어도 일부와 통신 연결을 제공하는 통신 모듈 및 전기 펄스 생성기, 신호 감지기, 및 통신 모듈과 동작적으로 연결되는 제어부를 포함하며, 제어부는, 신호 감지기에서 감지한 전기 펄스 신호의 반사 신호를 기초로 TDR 계측선이 설치된 열수송관의 손상 여부 및 손상 위치를 확인하데 사용되는 2차원 전기 파형 정보를 생성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 열수송관 관로를 따라 함께 매설된 TDR계측선에 인가되는 전기 펄스의 반사 신호값을 이용하여 TDR 계측선이 매설된 흙의 온도 및/또는 함수비를 TDR 계측선이 설치된 구간 내에서 정확하게 감지할 수 있다. 이에 따라 열수송관의 손상 위치를 정확하게 확인할 수 있다.
본 발명에 따르면, 열수송관 관로를 따라 TDR 계측선을 설치하는 간단한 공정으로 열수송관의 손상 감지를 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 넓은 지역에 걸쳐 설치되는 열수송관들의 손상 여부를 실시간으로 모니터링할 수 있으며, 손상이 발생한 위치를 정확하게 확인할 수 있는 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 저전력으로 동작하는 센서 노드들로 구성되며, 기존의 유무선 통신망을 이용할 수 있는 지중 무선 센서 네트워크를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 저전력으로 동작하는 센서 노드를 망 또는 선형 망 형태로 배치하여, 광역적으로 분포된 열수송 관로 전체의 손상을 효율적으로 모니터링할 수 있는 지중 무선 센서 네트워크를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 지중 무선 센서 네트워크의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 지중 무선 센서 네트워크에 포함되는 센서 노드의 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 지중 무선 센서 네트워크에 포함되는 베이스스테이션의 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 지중 무선 센서 네트워크에 포함되는 서버의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 지중 무선 센서 네트워크를 이용한 열수송관 손상 감지 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열수송관 손상 감지 시스템에 포함되는 TDR 계측선의 단면도이다.
이하에서는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 지중 무선 센서 네트워크 및 이를 이용한 열수송관 손상 탐지 시스템에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 지중 무선 센서 네트워크의 구성도이다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 지중 무선 센서 네트워크는, 복수의 센서 노드(100), 복수의 센서 노드(100)와 통신 연결되는 복수의 베이스 스테이션(200), 및 복수의 베이스 스테이션(200)과 통신 연결되는 서버(300)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 복수의 센서 노드(100) 각각은 서로 통신 연결되어 정보를 송수신할 수 있다. 복수의 센서 노드(100) 사이의 통신 연결은 다양한 근거리 통신 방식을 사용할 수 있다. 예를 들어, 블루투스나 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy, BLE) 통신 방식을 사용할 수 있다. 다른 예로, 지그비(ZigBee) 통신 방식, 와이파이 다이렉트(WiFi direct), IrDA(Infrared data association) 통신, UWB(Ultra wide band) 통신 등의 다양한 근거리 통신 방식을 사용할 수 있다. 복수의 센서 노드(100)들은 무선 센서 네트워크의 센서 노드로 동작하기 위해 저전력으로 동작할 수 있는 통신 방식을 사용할 수 있다. 복수의 센서 노드(100)들은 상호 간의 통신 연결을 통해 계층 구조를 형성할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 복수의 센서 노들(100)들은 저전력 광대역 무선 네트워크(Low power wide area network, LPWAN)를 이용해 상호 통신 연결될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 복수의 베이스 스테이션(200)은 복수의 센서 노드(100)들과 근거리 통신 방식을 사용하여 통신 연결될 수 있다. 예를 들어, 블루투스나 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy, BLE) 통신 방식을 사용할 수 있다. 다른 예로, 지그비(ZigBee) 통신 방식, 와이파이 다이렉트, IrDA(Infrared data association) 통신, UWB(Ultra wide band) 통신 등의 다양한 근거리 통신 방식을 사용할 수 있다. 베이스 스테이션(200)은 전체 지중 무선 센서 네트워크 내의 특정 구역을 커버하도록 배치될 수 있다. 베이스 스테이션(200)은 접속하는 센서 노드(100)의 개수를 기준으로 배치될 수도 있다.
복수의 베이스 스테이션(200)은 네트워크를 통해 서버(300)와 통신 연결할 수 있다. 복수의 베이스 스테이션(200)은 지중 무선 센서 네트워크에서 게이트웨이로 기능할 수 있으며, 서버(300)와 통신 연결하여 복수의 센서 노드(100)로부터 수신하는 정보들을 서버(300)로 전송할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 네트워크는 예를 들어, LAN(Local Area Network), WAN(Wide Area Network), 인터넷 망 등의 다양한 네트워크 중 어느 하나의 네트워크가 될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 네트워크는 예를 들어 무선통신망(LTE, NR)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 복수의 베이스 스테이션(200)과 복수의 센서 노드(100) 간의 통신 연결은 저전력 광대역 무선 네트워크(Low power wide area network, LPWAN)를 이용해 통신 연결될 수 있다. 예를 들어, 전용망 기반의 LoRa(long range internet of things) 방식으로 통신 연결될 수도 있고, 셀룰러 기반인 NB-IoT(Narrow band internet of things) 방식으로 통신 연결될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 지중 무선 센서 네트워크에 포함되는 센서 노드의 블럭도이다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 센서 노드(100)는 제어부(110), 전기펄스생성기(120), 신호감지기(130), 통신모듈(140), 전원부(150), 및 안테나(160)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시되는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드(100)는 시간 반사 영역법 (Time Domain Reflectometry, TDR) 디바이스(이하 TDR 디바이스)의 구성을 포함할 수 있다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 센서 노드(100)는 TDR 디바이스가 내장된 형태일 수도 있고, 외부에 설치된 TDR 디바이스와 전기적 연결되는 형태가 될 수도 있다. 외부에 설치된 TDR 디바이스와 전기적으로 연결되는 형태일 경우 전기 펄스 생성기(120)와 신호 감지기(130)는 센서 노드(100)에 포함되지 않을 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 센서 노드(100)의 제어부(110)는 전기 펄스 생성기(120), 신호 감지기(130), 통신 모듈(140), 및 전원부(150)와 동작적으로 연결되며, 베이스 스테이션(200)으로부터 수신하는 제어 정보에 따라 이들 구성요소들의 동작을 제어할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 센서 노드(100)는 동축 케이블(미도시)을 이용하여 TDR 계측선(도 5 및 6의 600)과 전기적으로 연결될 수 있다. TDR 계측선(600)의 2가닥 도체 중 하나는 동축 케이블(미도시)을 구성하는 내부 도전체(미도시)와 전기적으로 연결되고, TDR 계측선(600)의 2가닥 도체 중 다른 하나는 동축 케이블(미도시)을 구성하는 외부 도전체(미도시)와 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 센서 노드(100)는 동축 케이블(미도시)을 거쳐 TDR 계측선(600)과 전기적으로 연결될 수도 있고, 센서 노드(100)의 전기적 연결 인터페이스에 TDR 계측선(600)이 직접 연결될 수도 있다. TDR 계측선(600)과 센서 노드(100)의 전기적 연결 방식은 동축 케이블을 통한 연결이나, 직접 연결 방식에 한정되는 것은 아니며, 전기적 연결을 제공하는 방식이라면 어떤 방식이든 사용 가능하다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, TDR 계측선(600)은 시작점과 끝점 모두에 동축 케이블이 연결될 수 있다. 이 경우, TDR 계측선(600)의 양단 모두 센서 노드(100)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 센서 노드(100)로부터의 전기 펄스 신호를 양방향으로 인가하고, 양방향에서 측정할 수도 있다. TDR 계측선(600)의 양단을 통해 양방향으로 측정할 경우 TDR 계측선의 길이 측정과 손상에 대한 정밀도를 개선시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 센서 노드(100)의 전기 펄스 생성기(120)는 제어부(110)로부터 수신하는 펄스 생성 요청에 대응하여 전기 펄스를 생성할 수 있다. 전기 펄스 생성기(120)에서 생성되는 전기 펄스는 소정의 전압을 가지는 펄스 신호로, 본 발명에 따른 센서 노드(100)는 소정 시간 간격으로 일정한 전압의 펄스 신호가 생성되도록 전기 펄스 생성기(120)를 제어할 수 있다. 소정의 전압은, 예를 들어 250mV 정도가 될 수 있다. 소정 시간 간격은, 예를 들면, 손상 감지 대상이 되는 열 수송관을 따라 설치된 TDR 계측선을 따라 펄스 신호가 왕복하는 시간(roundtrip)을 단위 시간으로 정한 값일 수 있다. 일 예로 펄스 신호의 왕복 단위 시간은 1ns (10-9sec)가 될 수 있다. 일 예로 광속의 67%인 동축 케이블을 측정하고자 할 때, 결함의 위치를 10㎝의 해상도로 측정하려면 1 ns　의 시간이 필요할 수 있다. 전기 펄스의 전압 및 시간 간격은 다양한 값으로 정해질 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 센서 노드(100)의 신호 감지기(130)는 TDR 계측선(600)을 통해 인가된 전기 펄스 신호가 TDR 계측선(600)이 설치된 주위 환경에 반사되어 돌아오는 반사 신호를 감지할 수 있다. 본 발명에 따른 신호 감지기(130)는 전기 펄스의 반사 신호의 전압과 시간을 계측할 수 있는데, 이에 따라 센서 노드(100)의 제어부(110)는 전기 펄스가 TDR 계측선을 왕복하는 과정에서 전압과 시간이 얼마나 변화 되었는지 감지할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 센서 노드(100)의 제어부(110)는, 전기 펄스 생성기(120) 및 신호 감지기(130)와 동작적으로 연결되어 각각의 동작을 제어할 수 있다. 제어부(110)는 전기 펄스 생성기(120)를 제어하여 소정 전압의 전기 펄스 신호를 주기적으로 TDR 계측선(600)에 인가하도록 할 수 있다.
제어부(110)는 신호 감지기(130)로부터 반사 신호의 전압과 시간을 수신하여 2차원 전기 파형 정보를 생성할 수 있다. 인가된 전기 펄스의 반사 신호의 측정값은, 예를 들어 전기 펄스의 반사 신호의 전압(또는 저항)은 시간의 경과에 따른 값으로 감지될 수 있다. 이에 따라 제어부(110)는 신호 감지기(130)로부터 수신하는 측정값을 기초로 시간의 경과에 따른 전기 펄스 반사 신호의 전압 변화에 대한 정보를 2차원 전기 파형 정보로 생성할 수 있다. 전기 펄스 신호의 시간은 TDR 계측선(600)의 길이 값으로 변환될 수 있다. TDR 계측선(600)의 전기 저항과 전기 펄스의 이동 속도(광속)를 이용하면 전기 펄스 신호의 시간은 TDR 계측선(600)의 길이로 변환될 수 있다.
제어부(110)는 인가하는 전기 펄스 신호의 시간 주기를 조정할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 센서 노드(100)의 제어부(110)는 특정 TDR 계측선(600) 전체를 소정의 단위 구간으로 나누어 구간별로 손상 여부를 감지할 수 있는데, 소정의 단위 구간은 TDR 계측선(600)에 인가되는 전기 펄스 신호의 시간 주기를 조절하여 가변적으로 지정할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 센서 노드(100)는 신호 감지기(130)가 계측한 전기 펄스의 반사 신호를 기반으로 TDR 계측선(600) 주변 토양의 함수비와 온도를 계측할 수 있다.
예를 들어, TDR 계측선(600)이 설치되는 주위 토양의 유전율이 변하게 되면, TDR 계측선(600)을 통해 전파되는 전기 펄스의 반사 신호의 전압에 변화가 발생할 수 있다. 토양의 유전율은 토양의 함수비와 온도에 상관 관계를 가질 수 있고, 이에 따라 TDR 계측선(600)이 설치되는 주위 토양의 함수비와 온도에 의한 전기펄스의 반사 신호가 변화가 발생할 수 있다. 이 관계를 이용하여, TDR 계측선(600) 주위 토양의 함수비와 온도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시되는 바와 같은 열수송관(500)의 특정 위치에 파손이 발생하여 열유체(온수)가 누수되는 경우, 파손이 발생한 지점 부근의 토양의 함수비와 온도가 증가될 수 있다.
토양은 흙 입자(또는 알갱이)와 흙 입자 사이의 간극(또는 틈)의 물로 구성되며, 물과 흙 입자의 유전율은 서로 다른 값을 가지고 있으므로, 함수비가 높은 토양과 함수비가 낮은 토양의 유전율 사이에는 차이가 존재하게 된다. 다시 말해, 함수비가 높아진 토양에서 반사된 전기 펄스의 반사 신호의 파형(예를 들어 전압값)과 함수비가 낮은 토양에서 반사된 전기 펄스의 반사 신호의 파형 간에는 차이가 존재하게 된다.
함수비의 증가에 따라 토양의 유전율에 변화가 발생하는 것과 마찬가지로 토양의 온도가 증가하는 경우에도 토양의 유전율에는 변화가 발생할 수 있다. 토양의 온도가 증가되면, 흙 입자 사이의 간극 속에 있는 물의 유전상수가 변화되어 토양의 유전율은 변하게 된다. 또한, TDR 계측선의 두 가닥 금속선의 전기저항 변화에 의해서도 토양의 유전율은 변할 수 있다.
TDR 계측선(600)에 소정 전압의 전기 펄스 신호가 인가되면, TDR 계측선(600)을 따라 전기 펄스 신호는 전파되는데, 이러한 전기 펄스 신호의 전파로 인해 TDR 계측선(600) 주위에는 전자기장이 형성될 수 있다. 물과 흙 입자의 유전 상수 차이로 인해 열수송관(500)이 파손, 손상되어 누수가 발생한 지점에서 전기 펄스가 변화하게 되고, 이 변화된 반사 신호의 전압을 파손이 없는 상태에서의 반사 신호의 전압과 비교하면 열수송관(500)의 손상 여부를 확인할 수 있다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 소정의 주기로 전기 펄스를 인가함에 따라 반사 신호의 파형은 시간의 경과에 따른 2차원 전기 파형 정보로 변환될 수 있고, 펄스 신호의 시간을 TDR 계측선(600)의 거리 정보로 변환하면, 열수송관(500)의 파손 위치를 정확하게 확인할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 센서 노드(100)는 신호 감지기(130)가 계측한 전기 펄스의 반사 신호를 기반으로 TDR 계측선(600) 주변의 온도를 계측할 수 있다.
TDR 계측선(600)의 주변에 열원이 위치하는 경우 TDR 계측선(600)의 2가닥의 도체(또는 동축 상의 내부 및 외부 도체)는 일정 정도 열팽창을 할 수 있다. 예를 들어, 지역 난방 등에 사용되는 열수송관의 경우 내부에 흐르는 온수의 온도는 90도 이상의 고온일 수 있다. 이러한 고온의 온수가 열수송관의 파손 부위를 통해 외부로 누출되는 경우 누출부위 근처 토양의 온도는 증가할 수 있다. 본 발명에 따른 TDR 계측선(600)이 이와 같은 온수 누출 부위 근처에 위치할 경우, TDR 계측선(600)에 열이 가해질 수 있다. 도 6에 도시되는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 TDR 계측선(600)은 피복부재 내부에 2가닥의 도체선을 포함하는데, 이러한 도체선은 통상 전기 전도성과 열전도성이 높은 도체로 형성될 수 있다. TDR 계측선(600)의 도체선에 열이 가해지면, 도체선은 열팽창을 하게 되고, 이에 따라 도체선의 전기 저항이 증가할 수 있다. TDR 계측선(600)의 도체선의 전기 저항이 증가하게 되면, TDR 계측선(600) 주변 토양의 유전율에 변화가 발생하고, 이에 따라 전기 펄스 신호의 반사 신호의 전압에 변화가 발생할 수 있다. 이와 같이 TDR 계측선(600) 주변의 온도는 전기 펄스의 반사 신호의 전압 변화와 연관 관계를 가질 수 있다. 또한, 흙 입자 사이에 존재하는 물 (간극수)의 온도가 높아지면 토양의 점성이 변할 수 있고, 이에 따라 동일한 물이라 하더라도 온도 변화에 따른 유전 상수의 변화가 발생할 수 있다. TDR 계측선(600) 주변의 온도 변화는 TDR 계측선(600) 자체의 전기 저항 변화와 주변 흙 입자와 간극수의 유선 상수 변화와 상관 관계를 가지고 있기 때문에, TDR 계측선(600)을 이용해 온도를 측정할 수 있다.
예를 들어, 열수송관(500)의 특정 위치에 파손이 발생하여 열유체(온수)가 누수되는 경우, 파손이 발생한 지점 부근의 토양의 온도는 증가할 수 있다. 파손 부위를 통해 노출되는 고온의 온수로 인해 전기 저항이 높아진 TDR 계측선(600)을 통해 감지되는 전기 펄스의 반사 신호의 파형(예를 들어 전압)과 파손되지 않은 정상적인 열수송관 주변에 위치하는 TDR 계측선(600)을 통해 감지되는 전기 펄스의 반사 신호의 파형 간에는 차이가 존재하게 된다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 센서 노드(100)의 제어부(110)는 AD 변환기를 포함할 수 있다. TDR 계측선(600)을 통해 계측한 전기 펄스의 반사 신호의 아날로그 2차원 전기 파형을 AD 변환기(아날로그-디지털 변환기, 미도시)를 이용하여 디지털 전기 펄스 신호로 변환할 수 있다. 제어부(110)는 변환된 디지털 전기 펄스 신호를 기반으로 소정의 연산을 수행하여 TDR 계측선(600)의 거리 기준 온도 및 함수비를 계산할 수 있다. AD 변환기에서 디지털값으로 변환된 전기 펄스 신호는, 예를 들어, 이동평균법, 이산 푸리에 변환, 라플라스 변환, 및 편미분 방정식 등을 포함하는 수학적 연산을 통해 거리에 따른 온도 및 함수비로 연산될 수 있다. 수학적 연산은 TDR 계측선(600)에서 측정된 온도 및 함수비와 전기펄스의 상관관계를 이용하며, 이 상관관계는 이론적 기방법과 실험적 방법 모두를 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드(100)가 감지하는 전기 펄스 반사 신호 파형의 시간 정보는 이와 같은 수학적 연산을 통해 거리 정보로 변환될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 센서 노드(100)의 제어부(110)는 TDR 계측선(600)을 통해 계측한 전기 펄스의 반사 신호를 기초로 2차원 전기 파형 정보를 생성할 수 있고, 생성된 2차원 전기 파형 정보를 기초로 열수송관의 손상 여부 및 손상 위치 정보를 확인할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 제어부(110)는 서버(300)의 스토리지(320)에 저장되어 있는 열수송관이 설치되는 토양의 기준값 정보를 베이스 스테이션(200)을 거쳐 수신할 수 있다. 제어부(110)는 전기 펄스의 반사 신호를 기초로 생성한 2차원 전기 파형 정보와 이에 대응되는 토양의 기준값 정보를 비교하여 열수송관의 손상 여부 및 손상 위치 정보를 확인할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 제어부(110)는 생성된 2차원 전기 파형 정보를 베이스 스테이션(200)으로 송신할 수 있다. 베이스 스테이션(200)은 센서 노드(100)로부터 수신한 2차원 전기 파형 정보를 서버(300)로 전송할 수 있고, 서버(300)의 제어부(310)는 수신한 2차원 전기 파형 정보를 기초로 열수송관의 손상 여부 및 손상 위치를 확인할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 센서 노드(100)의 통신 모듈(140)은 근거리 통신을 지원하는 통신 모듈일 수 있다. 예를 들어, 블루투스나 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy, BLE) 통신 모듈을 포함할 수 있다. 다른 예로, 지그비(ZigBee) 통신 모듈, 와이파이 통신 모듈, IrDA(Infrared data association) 통신 모듈, UWB(Ultra wide band) 통신 모듈을 포함할 수도 있다. 다른 예로, 저전력 무선 네트워크 모듈을 포함할 수도 있다.
제어부(110)에서 반사 신호의 전압과 시간을 수신하여 2차원 전기 파형 정보를 생성하면, 제어부(110)는 통신 모듈(140)을 제어하여 생성한 2차원 전기 파형 정보를 베이스 스테이션(200)으로 전송할 수 있다. 이 때 2차원 전기 파형 정보뿐 아니라 센서 노드(100)의 장치 식별 정보를 같이 전송할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 센서 노드(100)는 GPS 모듈을 더 포함할 수 있으며, 장치 식별 번호와 GPS 모듈을 통해 수신하는 위치 정보를 저장할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 센서 노드(100)는 전원부(150)로부터 전력을 공급받아 동작할 수 있다. 전원부(150)는 2차 전지 타입의 배터리가 사용될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 전원부(150)는 태양광 에너지를 이용한 형태, 예를 들어 하나 이상의 태양 전지 어레이를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 지중 무선 센서 네트워크에 포함되는 베이스스테이션의 블럭도이다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 베이스 스테이션(200)은 제어부(210), 통신모듈(220), 전원부(230) 및 안테나(240)를 포함할 수 있다.
제어부(210)는 통신 모듈(220), 전원부(230)와 동작적으로 연결되어, 이들 구성요소들의 동작을 제어할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 베이스 스테이션(200)의 통신 모듈(220)은 근거리 통신을 지원하는 통신 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 블루투스나 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy, BLE) 통신 모듈을 포함할 수 있다. 다른 예로, 지그비(ZigBee) 통신 모듈, 와이파이 통신 모듈, IrDA(Infrared data association) 통신 모듈, UWB(Ultra wide band) 통신 모듈을 포함할 수도 있다. 다른 예로, 저전력 무선 네트워크 모듈을 포함할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 베이스 스테이션(200)은 지중 무선 센서 네트워크의 게이트웨이로 동작할 수 있다. 베이스 스테이션(200)의 통신 모듈은 네트워크와의 유무선 통신 연결을 제공하는 통신 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, LAN(Local Area Network), WAN(Wide Area Network), 인터넷 망 등의 다양한 네트워크 중 어느 하나의 네트워크와 통신 연결될 수 있는 통신 모듈을 포함할 수 있다. 다른 예로, 무선통신망과 통신 연결될 수 있는 LTE 모듈이나 NR(new radio) 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 베이스 스테이션(200)는 전원부(230)로부터 전력을 공급받아 동작할 수 있다. 전원부(230)는 2차 전지 타입의 배터리가 사용될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 전원부(230)는 태양광 에너지를 이용한 형태, 예를 들어 하나 이상의 태양 전지 어레이를 포함할 수 있다.
베이스 스테이션(200)의 제어부(210)는 자신과 통신 연결되어 있는 복수의 센서 노드(100)들로부터 2차원 전기 파형 정보를 수신할 수 있다. 복수의 센서 노드(100)들로부터 2차원 전기 파형 정보를 수신하면, 통신 모듈(220)을 제어하여 서버(300)로 2차원 전기 파형 정보를 송신할 수 있다. 이 때 복수의 센서 노드(100)들의 장치 식별 정보를 같이 수신할 수 있으며, 각 센서 노드(100)별로 장치 식별 정보와 2차원 전기 파형 정보를 매칭하여 서버(300)로 송신할 수 있다.
베이스 스테이션(200)의 제어부(210)는 통신 모듈(220)을 제어하여 서버(300)로부터 전송되는 제어 정보를 수신할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 베이스 스테이션(200)는 GPS 모듈을 더 포함할 수 있으며, GPS 모듈을 통해 수신하는 위치 정보를 저장할 수 있으며, 이 위치 정보는 서버(300)에 제공될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 지중 무선 센서 네트워크에 포함되는 서버의 블록도이다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 서버(300)는 제어부(310), 스토리지(320) 및 통신 인터페이스(330)를 포함할 수 있다.
제어부(310)는 지중 무선 센서 네트워크를 구성하는 복수의 센서 노드(100) 및 베이스 스테이션(200)의 동작 제어와 관련한 정보를 생성할 수 있다. 제어부(310)는 하나 이상의 프로세서로 구성될 수 있으며, 스토리지(320), 통신 인터페이스(330) 및 디스플레이(미도시)와 동작적으로 연결될 수 있다.
제어부(310)는 베이스 스테이션(200)으로부터 수신한 복수의 센서 노드(100)들의 계측 정보들을 디스플레이(미도시)를 통해 표시할 수 있다. 예를 들어, 복수의 센서 노드(100)들이 생성한 2차원 전기 파형 정보를 디스플레이를 통해 시각적으로 표시할 수 있다. 제어부(310)는 복수의 센서 노드(100)들과 복수의 베이스 스테이션(200)들의 위치 정보를 맵 형태로 디스플레이에 표시할 수 있다.
제어부(310)는 복수의 센서 노드(100)들의 2차원 전기 파형 정보를 기초로 열수송관의 손상 여부를 판단할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따른 지중 무선 센서 네트워크는 열수송관 손상 감지 시스템으로 사용될 수 있는데, 서버(300)의 제어부(310)는 복수의 센서 노드(100)들로부터 수신되는 2차원 전기 파형 정보를 분석하여 열수송관의 손상 여부 및 손상 위치를 확인할 수 있다. 제어부(310)는 디스플레이를 제어하여 열수송관의 손상 여부 및 손상 위치를 표시할 수 있다. 서버(300)는 제어부(310)와 동작적으로 연결되는 사운드 출력 장치(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 열수송관이 손상된 것으로 판단되며 사운드 출력 장치를 통해 알람을 출력할 수 있다.
제어부(310)는 입력 장치(미도시)와 동작적으로 연결될 수 있으며, 지중 무선 네트워크를 이용한 열수송관 손상 감지 시스템의 모니터링을 위한 사용자 입력을 수신할 수 있다.
예를 들어, 제어부(310)는 입력장치를 통해 특정 센서 노드(100)의 현재 상태 정보 요청을 수신할 수 있다. 특정 센서 노드(100)의 현재 상태 정보 요청을 수신하면 제어부(310)는 해당 센서 노드(100)와 통신 연결되는 베이스 스테이션(200)에 현재 상태 정보 요청을 전송하고, 베이스 스테이션(200)은 해당 요청을 센서 노드(100)로 전송할 수 있다. 해당 요청을 수신한 센서 노드(100)는 자신의 현재 상태 정보를 베이스 스테이션(200)을 거쳐 서버(300)로 전송할 수 있고, 서버(300)는 해당 센서 노드(100)로부터 현재 상태 정보를 수신하면 이를 디스플레이에 표시할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 서버(300)는 스토리지(320)를 포함할 수 있다. 스토리지(320)는 서버(300)가 수신하는 다양한 정보들을 저장할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 스토리지(320)는 데이터베이스(321)를 포함할 수 있다. 데이터베이스(321)는 복수의 센서 노드(100) 및 복수의 베이스 스테이션(200)의 장치 식별 정보 및 위치 정보를 매칭 테이블 형태로 저장할 수 있다. 데이터베이스(321)는 복수의 센서 노드(100) 별로 실시간으로 수신되는 2차원 전기 파형 정보와 각 센서 노드(100)의 장치 식별 정보를 매칭시켜 테이블 형태로 저장할 수 있다. 데이터베이스(321)는 2차원 전기 파형 정보를 분석하여 확인되는 열수송관의 손상 여부 및 손상 위치를 저장할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 스토리지(320)는 열수송관이 설치되는 토양의 기준값 정보를 저장할 수 있다. 열수송관이 설치되는 토양의 기준값 정보는 복수의 센서 노드(100)의 위치 정보 및 베이스 스테이션(200)의 위치 정보와 연관되어 저장될 수 있다. 서버(300)의 제어부(310)는 복수의 센서 노드(100)로부터 수신하는 2차원 전기 파형 정보와, 이에 대응되는 열수송관이 설치되는 토양의 기준값 정보를 비교하여 열수송관의 손상 여부 및 손상 위치를 확인할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 제어부(310)는, 스토리지(320)에 저장되어 있는 열수송관이 설치되는 토양의 기준값 정보를 베이스 스테이션(200)을 거쳐 복수의 센서 노드(100)로 전송할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 서버(300)의 스토리지(320)는 지중 무선 센서 네트워크를 이용한 열수송관 손상 감지 시스템의 동작과 관련된 프로그램을 저장할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 서버(300)는 다양한 통신 연결을 제공할 수 있는 통신 인터페이스(330)를 포함할 수 있다. 통신 인터페이스(330)는 베이스 스테이션(200)과 유무선 통신 연결을 제공하는 통신 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, LAN(Local Area Network), WAN(Wide Area Network), 인터넷 망 등의 다양한 네트워크 중 어느 하나의 네트워크와 통신 연결될 수 있는 통신 모듈을 포함할 수 있다. 다른 예로, 무선통신망과 통신 연결될 수 있는 LTE 모듈이나 NR(new radio) 모듈을 포함할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 지중 무선 센서 네트워크를 이용한 열수송관 손상 감지 시스템의 구성도이고, 도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열수송관 손상 감지 시스템에 포함되는 TDR 계측선의 단면도이다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 지중 무선 센서 네트워크를 이용한 열수송관 손상 감지 시스템은 복수의 센서 노드(100), 복수의 베이스 스테이션(200), 서버(300)로 구성되는 지중 무선 센서 네트워크를 이용할 수 있으며, 열수송관(500)에 부착되거나 열수송관(500) 주변에 배설되는 TDR 계측선(600)을 포함할 수 있다.
도 5에 도시되는 바와 같이, 열수송관 손상 감지 시스템은 광범위한 구역에 걸쳐 매설되는 열수송관(500)의 손상 여부를 감지할 수 있다.
열수송관(500)에 부착되거나 열수송관(500) 주변에 매설되는 TDR 계측선(600)은 예를 들면 분포형 타입(Line 타입) 계측선을 포함할 수 있다. 프로브 타입의 지점형 센서는 설치된 한 지점에서의 데이터만 측정하므로 공간적 한계가 있지만, 분포형 계측선은 열수송관과 같은 측정 대상에 부착 또는 주변에 설치되어 계측선 전체의 신호 변화를 감지하여 연속적인 데이터를 측정할 수 있고, 이를 통해 긴 선 형태인 지하 관로의 손상 지점을 정확히 측정할 수 있다.
도 5 및 6에 도시되는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열수송관 손상 탐지 시스템의 TDR 계측선(600)은 플렉서블한 케이블 타입이기 때문에 다양한 형태로 변형이 가능하여 열수송관의 관로를 따라 설치하는 것이 용이할 수 있다. 본 발명에 따른 TDR 계측선(600)은 2가닥의 도체선과 이를 피복하는 피복부재를 포함할 수 있는데, 2가닥의 도체선 및 피복부재 모두 플렉서블한 성질을 가지고 있어 롤 형태로 제작될 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 TDR 계측선(600)은 시공 현장으로 운반하기 용이하며 열수송관의 설치 구간에 걸쳐 함께 매설하기에 용이한 장점이 있다.
도 5에 도시되는 바와 같이, TDR 계측선(600)은 손상을 탐지하고자 하는 열수송관(500) 위에 설치되거나 열수송관(500) 주변에 설치될 수 있는데, 열수송관(500)이 매설된 전 구간에 설치될 수 있다.
도 5에 도시되는 바와 같이, 열수송관(500)의 소정 길이 간격으로 복수의 맨홀(700)이 형성될 수 있다. 맨홀(700)에는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 센서 노드(100)가 설치될 수 있다. 맨홀(700)은 내부 공간에 설치되는 센서 노드(100)의 정비를 위한 작업자의 이동 통로를 포함할 수 있다.
도 5에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서 노드(100)들은 맨홀(700) 내에 설치될 수 있고, 복수의 베이스 스테이션(200)은 지상에 설치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 TDR계측선의 횡단면도이다.
도 6에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면 TDR계측선(600)의 횡단면 형상은 직사각형이거나 직사각형에서 단변이 곡선인 유사 직사각형 형태일 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, TDR 계측선(600)의 횡단면의 형상은 원형 또는 타원형일 수 있다. TDR계측선(600)은 이격된 두 개의 도체선(610a, 610b)을 포함할 수 있으며, 도체선(610a, 610b)의 횡단면 형상 또한 직사각형이거나 직사각형에서 단변이 곡선인 유사 직사각형 형태일 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, TDR 계측선(600)의 도체선(610a, 610b)의 횡단면 형상은 원형 또는 타원형일 수 있다. 일례로, 도체를 판상으로 형성해서 사용할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, TDR 계측선(600)의 도체선은 3 개 이상의 복수일 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, TDR 계측선(600)의 도체선은 전선이나 통신선의 외부를 피복하고 있는 편조선도 가능하다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, TDR 계측선(600)은 동축 케이블 형태를 가질 수 있으며, 이 경우 내부의 원형 도체선과 외부의 환형 도체선을 포함할 수 있다.
도체선(610a, 610b)의 재질은 전기신호가 전송되는 도체이며, 스테인레스강을 포함할 수 있으며, 구리, 강 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 금속 재질은 모두 포함할 수 있다. 절연 피복부재(620)의 재질은 부도체로 흙보다 유전상수가 작은 것을 사용할 수 있으며, 플라스틱을 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 PVC(poly vinyl chloride) 재질일 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아님에 유의해야 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 지중 무선 센서 네트워크는, 시간 반사 영역법(Time Domain Reflectometry, TDR) 계측선(이하 TDR 계측선)과 전기적으로 연결되는 복수의 센서 노드, 복수의 센서 노드와 통신 연결되는 적어도 하나의 베이스 스테이션 및 적어도 하나의 베이스 스테이션과 통신 연결되는 서버를 포함하며, 복수의 센서 노드 각각은, 전기적으로 연결되는 TDR 계측선에 인가되는 전기 펄스 신호를 생성하는 전기 펄스 생성기, 전기 펄스 신호의 반사 신호를 감지하는 신호 감지기, 적어도 하나의 베이스 스테이션 및 복수의 센서 노드 중 적어도 일부와 통신 연결을 제공하는 통신 모듈 및 전기 펄스 생성기, 신호 감지기, 및 통신 모듈과 동작적으로 연결되는 제어부를 포함하며, 제어부는, 신호 감지기에서 감지한 전기 펄스 신호의 반사 신호를 기초로 TDR 계측선이 설치된 열수송관의 손상 여부 및 손상 위치를 확인하데 사용되는 2차원 전기 파형 정보를 생성할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 복수의 센서 노드의 제어부 각각은 2차원 전기 파형 정보를 기초로 TDR 계측선이 설치된 열수송관의 손상 여부 및 손상 위치를 확인할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 서버는, 복수의 센서 노드의 제어부 각각이 생성한 2차원 전기 파형 정보를 적어도 하나의 베이스 스테이션을 거쳐 수신하고,
복수의 센서 노드 각각에 전기적으로 연결되는 TDR 계측선 각각에 대응하는 열수송관이 설치되는 토양의 기준값 정보를 저장할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 복수의 센서 노드 각각은, 서버로부터 열수송관이 설치되는 토양의 기준값 정보를 수신하고, 복수의 센서 노드 각각의 제어부는 2차원 전기 파형 정보와 수신한 토양의 기준값 정보를 비교하여 열수송관의 손상 여부 및 손상 위치를 확인할 수 있다. 토양의 기준값 정보는 이론적 방법과 실험적, 수치해석적 방법 모두를 사용하여 획득된 정보일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 서버는, 복수의 센서 노드 각각으로부터 2차원 전기 파형 정보를 수신하고, 수신한 2차원 전기 파형 정보를 기초로 복수의 센서 노드 각각에 대응하는 열수송관의 손상 여부 및 손상 위치를 확인할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 복수의 센서 노드 각각의 제어부는 전기 펄스 신호의 반사 신호를 기초로 TDR 계측선의 길이 방향 위치, 열수송관 주변 중 TDR 계측선의 길이 방향 위치에 대응되는 위치에서의 토양의 함수비 및 온도 정보를 획득할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 복수의 센서 노드 각각의 제어부는 전기 펄스 신호가 TDR 계측선을 통해 전파되는 시간 정보를 TDR 계측선의 길이 방향 위치로 변환하고, 전기 펄스 신호의 반사 신호의 전압값을 TDR 계측선 주변 토양의 함수비 또는 온도 정보로 변환하는 연산을 수행할 수 있다.
다양한 변형예가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 명세서에 기술되고 예시된 구성 및 방법으로 만들어질 수 있으므로, 상기 상세한 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 예시적인 실시예에 의해 제한되지 않으며, 이하의 청구범위 및 그 균등물에 따라서만 정해져야 한다.

Claims (8)

  1. 지중 무선 센서 네트워크에 있어서,
    시간 반사 영역법(Time Domain Reflectometry, TDR) 계측선(이하 TDR 계측선)과 전기적으로 연결되는 복수의 센서 노드;
    상기 복수의 센서 노드와 통신 연결되는 적어도 하나의 베이스 스테이션; 및
    상기 적어도 하나의 베이스 스테이션과 통신 연결되는 서버를 포함하며,
    상기 복수의 센서 노드 각각은,
    전기 펄스 생성기;
    신호 감지기;
    통신모듈; 및
    상기 전기 펄스 생성기, 신호 감지기, 및 통신 모듈과 동작적으로 연결되는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 전기 펄스 생성기를 통해 전기 펄스 신호를 생성하여 상기 TDR 계측선에 인가하고,
    상기 신호 감지기를 통해 전기 펄스 신호의 반사 신호를 감지하고,
    상기 감지한 전기 펄스 신호의 반사 신호를 기초로 2차원 전기 파형 정보를 생성하고,
    상기 통신 모듈을 통해 상기 베이스 스테이션으로 상기 2차원 전기 파형 정보를 전송하고,
    상기 베이스 스테이션은,
    상기 센서 노드로부터 수신한 2차원 전기 파형 정보를 상기 서버로 전송하고,
    상기 서버는,
    상기 베이스 스테이션으로부터 수신한 상기 2차원 전기 파형 정보를 기초로 상기 TDR 계측선의 길이 방향 위치, 열수송관 주변 중 상기 TDR 계측선의 길이 방향 위치에 대응되는 위치에서의 토양의 함수비 및 온도 정보를 획득하고,
    상기 TDR 계측선의 길이 방향 위치에 대응되는 위치에서의 토양의 기준값 정보와 상기 획득한 토양의 함수비 및 상기 온도 정보를 비교하여 상기 열수송관의 손상 여부 및 손상 위치를 확인하는, 지중 무선 센서 네트워크.
  2. 제1항에 있어서, 상기 센서 노드의 제어부는 상기 2차원 전기 파형 정보를 기초로 상기 TDR 계측선이 설치된 열수송관의 손상 여부 및 손상 위치를 확인하고,
    상기 통신 모듈을 통해 상기 손상 여부 및 손상 위치에 관한 정보를 상기 서버로 전송하는, 지중 무선 센서 네트워크.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 스테이션은,
    상기 서버로부터 상기 토양의 기준값 정보를 수신하고, 상기 수신한 토양의 기준값 정보를 상기 각 센서 노드로 전송하고,
    상기 복수의 센서 노드 각각으로부터 상기 복수의 센서 노드의 제어부 각각이 생성한 2차원 전기 파형 정보를 수신하고, 상기 수신한 2차원 전기 파형 정보를 상기 서버로 전송하는, 지중 무선 센서 네트워크.
  4. 제1항에 있어서, 상기 서버는, 상기 복수의 센서 노드 각각에 전기적으로 연결되는 TDR 계측선 각각에 대응하는 열수송관이 설치되는 토양의 기준값 정보를 저장하고,
    상기 토양의 기준값 정보는 상기 복수의 센서 노드 각각의 위치 정보와 연관되어 저장되는, 지중 무선 센서 네트워크.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 토양의 기준값 정보는,
    상기 TDR 계측선이 설치된 위치에 대응되는 위치의 토양에서 미리 측정된 전기 펄스의 반사 신호를 기초로 획득된 파형 정보, 토양의 온도 정보 및 토양의 함수량 정보를 포함하는, 지중 무선 센서 네트워크.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 센서 노드 각각의 제어부는 상기 전기 펄스 신호의 반사 신호를 기초로 상기 TDR 계측선의 길이 방향 위치, 상기 열수송관 주변 중 상기 TDR 계측선의 길이 방향 위치에 대응되는 위치에서의 토양의 함수비 및 온도 정보를 획득하는, 지중 무선 센서 네트워크.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 센서 노드 각각의 제어부는 상기 전기 펄스 신호가 상기 TDR 계측선을 통해 전파되는 시간 정보를 상기 TDR 계측선의 길이 방향 위치로 변환하고, 상기 전기 펄스 신호의 반사 신호의 전압값을 상기 TDR 계측선 주변 토양의 함수비 또는 온도 정보로 변환하는 연산을 수행하는, 지중 무선 센서 네트워크.
  8. 제1항 내지 7항 중 어느 한 항에 따른 지중 무선 센서 네트워크를 포함하는 열수송관 손상 감지 시스템.
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