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문제 정의
- 본 연구는 산지 유역의 기상, 수문 및 수질 관측자료를 이용하여 산원 수자원의 효과적이고 과학적인 보전 및 관리체계를 수립하기 위한 선행연구로서 지속적인 산지수문환경 모니터링이 가능한 원거리 자동관측 시스템을 개발하는데 그 목적이 있다.
- 수질 환경의 모니터링을 위해 온도, 풍향, 풍속, 강우량, 수위, 전기 전도도, pH 등올 마이크로 프로세서를 이용한 전동식 센서유니트를 사용하여 자동관측이 가능한 시스템을 개발하기 위하여 실시하였다.
- 제어 할 수 있는 장치를 개발하여 현재 실용화 단계에 있다(김승희 등, 1997; 정순주, 1996). 특히 온실의 원격제어 및 자동화 시스템의 개발에 관한 연구에서 .류순호(1998)는 정전용량형 토양수분측정 센서를 개발하여 수분함량-유전용량-수분 포텐셜의 상관관계를 구하였으며, 이성재 등(1998)은 온실환경제어 관리 네트워크 소프트웨어를 개발하였다.
제안 방법
- pH, EC 등의 수질인자에 대한 측정 및 제어기술은 양식장의 수질환경관측, 시설원예에서 온실 환경의 관측 및 양액 자동조제 시스템에서 pH 와 EC 등을 계측 . 제어 할 수 있는 장치를 개발하여 현재 실용화 단계에 있다(김승희 등, 1997; 정순주, 1996).
- 줄이도록 하였다. 계류수에서 측정 인자는 pH, EC, 수위, 수온 등으로 선정하였다. 무선데이터 통신부는 1200bps FSK(Frequency-shift keying) 방식으로 무선모뎀을 제작하였다.
- 관측시스템은 각 기능별로 별개의 CPU를 사용한 독립구조의 모듈형태로 구성하여, 측정 모듈의 수리, 교체, 추가 등의 변경이 가능하도록 하였다. 관측시스템의 성능시험을 실시한 결과 온도, EC, pH는 각각 최대 ±0.
- 관측시스템은 각종 기상센서, 강우량 센서 등의 신호를 처리하는 신호처리부, 원격데이터의 전송 및 제어를 위한 무선데이터 통신부, 태양전지 및 축전지 등의 전원제어부 그리고 계류수 관측을 위한 전동식 센서 등의 기기제어부로 각각 구성하였다.
- 관측시스템의 기상 관측 항목인 기온, 우량, 풍향, 풍속 신호는 디지털 입력이로 CPU보드에 내장하였으며, 전동식 함께 사용되는 온도, pH 그리고 EC센서는 거리 를 짧게 하기 위해 별도의 부분으로 제작하였다. 제작한 신호변환부의 사진을 Fig.
- 모터의 제어에는 AT89C2051 CPU를 사용하였으며, 모터의 소비전류를 측정하여 속도제어 및 오동작을 방지하고, 엔코더 (E6A2-CW3C : OMRON)# 사용하여 모터의 회전수 및 이동거리를 측정한다. 또한 모터 제어부는 RS-485 통신 포트를 사용하여 다른 측정부와 통신이 가능하도록 하였다.
- 그리고 태양전지와 축전지의 병행사용으로 오지 산림지에서도 시스템의 작동이 가능하도록 하였으며, 센서측정부의 센서 교체 도용 이하며, 동시에 데이터 형식 및 제어 형식의 표준화로 시스템의 확장 및 구성이 경제적이다. 또한 본 시스템은 동절기 및 하절기의 온도변화가 큰 국내의 기상환경에 적합하도록 제작하였다. 나아가 개발 시스템은 무선 모뎀으로 데이터를 전송하기 때문에 산림유역의 기상 및 수문상황을 실시간 모니터링이 가능하다.
- 이 방식은 안정적인 데이터의 전송에 유리하며 또한 간단하게 제작할 수 있는 장점이 있다. 무선 데이터 통신부를 통하여 제어국으로 전송된 데이터는 서버에 저장되며, 인터넷을 사용하여 데이터의 검색이나 기기의 제어가 가능하도록 하였다. Fig.
- 계류수에서 측정 인자는 pH, EC, 수위, 수온 등으로 선정하였다. 무선데이터 통신부는 1200bps FSK(Frequency-shift keying) 방식으로 무선모뎀을 제작하였다. 이 방식은 안정적인 데이터의 전송에 유리하며 또한 간단하게 제작할 수 있는 장점이 있다.
- 상대습도의 측정은 20~100%의 범위를 관측하도록 하였다. 본 연구에서는 Fig. 3에 표시한 습도 센서 (IDA-5001-1.; Heathkit)를 사용하였으며 , 내부에서 V-F컨버터 (Voltage-Frequency convertter)를 통하여 출력되므로 CPLD(Complex programmable logic device)의 내부 회로에서 일정 시간 동안 펄스의 개수를 세어서 습도를 관측하도록 하였다.
- 5顺 강우시마다 1개의 펄스를 출력하는 구조로 되어 있으므로, 이 펄스의 시간 간격을 기록하여 강우량을 측정한다. 본 연구에서는 자기우량계의 내부 리드스위치의 동작을 CPLD 를 통하여 CPU로 입력하도록 하였다. CPU에서는 1회 출력(0.
- 9에 나타낸 초음파 센서는 Nicera사의 초음파 송 . 수신 센서 (PT40-16)를 장착하였으며, 40kHz의 초음파를 송신하여 송신된 음파가 되돌아오는 시간의 측정으로 거리를 측정하도록 하였다.
- 신호처리부는 강우량, 기온, 습도, 풍향, 풍속, 계 류수의 온도 및 수질 등의 측정 에 사용하는 센서의 신호를 입력하는 센서입력부와 각기 다른 4 개의 센서입력부에서 처리한 아날로그 신호의 입력을 위한 주기판을 3개 사용하였으며, 주기판 상호 간의 통신에는 비동기 직렬통신 (RS485) 방식을 사용하였다. 이 주기판으로 산지의 기상 상태와 pH, EC 센서 등의 신호를 측정하고 저장한 다음 무선 데이터 통신부를 통하여 전송하도록 하였다.
- 이 주기판으로 산지의 기상 상태와 pH, EC 센서 등의 신호를 측정하고 저장한 다음 무선 데이터 통신부를 통하여 전송하도록 하였다. 전원공급부는 상용 전원의 공급이 불가능한 산림지에서도 작동이 가능하도록 태양전지와 축전지를 사용하여 제작하였다.
- 전동식 센서부는 센서어셈블리를 직류 모터를 사용하여 상하 이동시켜 초음파 센서에 의해 정확한 수위를 검출하며, 수위측정 후 pH, EC 등의 측정이 종료되면 센서어셈블리를 상부로 이동시켜서 물이끼나 부유물에 의한 센서의 파손이나 측정오차를 줄이도록 하였다. 계류수에서 측정 인자는 pH, EC, 수위, 수온 등으로 선정하였다.
- 있다. 전동식 센서유니트 제어부에 내장되어 있는 초음파 수위측정부는 전동식 센서유니트에 내장된 2개의 뜨게식 수위검출 센서와 함께 작동하여 측정 데이터를 보정하며, 전동식 센서유니트의 이동거리를 측정하여 수위를 측정한다. 모터는 Japan Servo사의 DC12V 15W급 회전수 3600rpm인 DME44SA와 동사의 1 : 15의 감속비를 가진 감속기어를 함께 사용하였으며, 엔코더는 Omron사의 1회전/:100펄스 출력이 가능한 E6A2-CW3C를 사용하였다.
- 주기판은 1개의 기판에 최대 8개(2ch*4port)의 아날로그 신호 입력과 12bit(4bitx3port) 디지털 입력이 가능하도록 설계하였다. 아날로그 신호는 Analog MUX(Multiplexer), Buffer amp, Sam-ple/Hold, A/D변환부를 통하여 디지털 신호로 변환하여 2Mbyte 램(RAM)에 저장된다.
- 어드레스 디코더 (address decoder)및 각종 출력 신호, 제어 신호는 대부분 Xilink사의 CPLD인 XC9572를 사용하여 제작하였으며, 입출력 제어신호는 Xi link 사의 CPLD인 XC9532로 제작하였다. 추가 확장을 고려하여 2개의 1Mbyte EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory) 를 추가하였으며, 그리고 RS485 통신을 위하여 NS 사의 DS75176을, 2개의 주소설정용 딥스위치(Dip SW), 1개의 보안용 키스위치 (Key SW), 8개의 상태표시용 LED, 노트북 등의 연결을 위한 1개의 RS-232 포트를 내장하였다. 전원에 의한 오동작을 방지하기 위해 Nemic-Lambda사의 DC-DC 컨버터(Converter)인 PP15T2-5를 사용하였다.
- 이 센서는 LEDQight-emitting diode)와 광 트랜지스터(Photo transistor), Encoder disc로 구성되어 있으며, 풍향 센서는 내부의 Encoder disk를 이용하여 16방위를 출력한다. 풍속센서는 풍속겨} (Wind cup)가 1회전 할 때마다 1개의 펄스를 출력하므로 CPLD의 내부 회로에서 일정시간 동안의 펄스의 회수를 세어서 풍속을 관측하도록 하였다.
대상 데이터
- 전동식 센서유니트 제어부에 내장되어 있는 초음파 수위측정부는 전동식 센서유니트에 내장된 2개의 뜨게식 수위검출 센서와 함께 작동하여 측정 데이터를 보정하며, 전동식 센서유니트의 이동거리를 측정하여 수위를 측정한다. 모터는 Japan Servo사의 DC12V 15W급 회전수 3600rpm인 DME44SA와 동사의 1 : 15의 감속비를 가진 감속기어를 함께 사용하였으며, 엔코더는 Omron사의 1회전/:100펄스 출력이 가능한 E6A2-CW3C를 사용하였다. 개발한 전동식 센서 부의 설계 사양을 Table 1에 나타내었다.
- 모터의 제어에는 AT89C2051 CPU를 사용하였으며, 모터의 소비전류를 측정하여 속도제어 및 오동작을 방지하고, 엔코더 (E6A2-CW3C : OMRON)# 사용하여 모터의 회전수 및 이동거리를 측정한다. 또한 모터 제어부는 RS-485 통신 포트를 사용하여 다른 측정부와 통신이 가능하도록 하였다.
- 본 연구는 팔공산 소재 한 개의 산지 소유역을 시험유역으로 선정한 후, 산림기상 및 수문 . 수질 환경의 모니터링을 위해 온도, 풍향, 풍속, 강우량, 수위, 전기 전도도, pH 등올 마이크로 프로세서를 이용한 전동식 센서유니트를 사용하여 자동관측이 가능한 시스템을 개발하기 위하여 실시하였다.
- 본 측정기의 설계에는 내부통신용으로 RS485를 사용하였다. 이 통신방법의 특징은 잡음에 강하며 또한 한 개의 통신선로로 송수신을 겸하고 있어 본 측정기와 같이 각 측정부가 유기적으로 통신을 하는 경우에 유리하다(William, 1997).
- 4에 제작한 pH 센서를 나타내었다. 센서입력부에는 C-R로 구성된 LPF(Low pass filter)를 구성하여 정전기나 기타 잡음에 의한 오동작이나 IC가 파손되는 것을 방지하고, 고입력 저항의 특성을 가진 FET (field effect transistor)입력형 OP-AMP(CA3160, Harris)를 비반전 중폭기 (Non inverting AMP) 로사용하였으며, 버퍼앰프는 LF421 OP-AMP(Op-erational amplifier)를 이용하였다.
- 프로그램 롬(ROM)은 총 5개가 있으며, 1개는 주프로그램 및 공용 서브루틴 (Sub-routine)을, 나머지는 각 센서 입력의 제어용프로그램을 저장하는데 사용한다. 어드레스 디코더 (address decoder)및 각종 출력 신호, 제어 신호는 대부분 Xilink사의 CPLD인 XC9572를 사용하여 제작하였으며, 입출력 제어신호는 Xi link 사의 CPLD인 XC9532로 제작하였다. 추가 확장을 고려하여 2개의 1Mbyte EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory) 를 추가하였으며, 그리고 RS485 통신을 위하여 NS 사의 DS75176을, 2개의 주소설정용 딥스위치(Dip SW), 1개의 보안용 키스위치 (Key SW), 8개의 상태표시용 LED, 노트북 등의 연결을 위한 1개의 RS-232 포트를 내장하였다.
- 전동식 센서부는 주요 부분에 알루미늄을 사용하여 모터의 부하를 줄이고, 금속 부분을 도금 처리하여 녹을 방지하였다. 외부 케이스는 스테인리스 소재를 사용하였으며, 강우에 의해 기계 . 전자부품이 손상되는 것을 방지하였다.
- 추가 확장을 고려하여 2개의 1Mbyte EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory) 를 추가하였으며, 그리고 RS485 통신을 위하여 NS 사의 DS75176을, 2개의 주소설정용 딥스위치(Dip SW), 1개의 보안용 키스위치 (Key SW), 8개의 상태표시용 LED, 노트북 등의 연결을 위한 1개의 RS-232 포트를 내장하였다. 전원에 의한 오동작을 방지하기 위해 Nemic-Lambda사의 DC-DC 컨버터(Converter)인 PP15T2-5를 사용하였다. Fig.
- AD574는 12비트의 분해능과 저 소비 전력형의 A/D컨버터이며, 입력방식은 단극(Unipolar)방식을 사용하였다. 전원에 의한 오동작을 방지하기 위해 별도의 DO DC 컨버터 PP10-12T 212(NEMIC-LAMBDA)를사용하였다. Fig.
- 측정보드의 CPU는 Atmel사의 89C51 을 사용하였다(Atmel Co., 1999). 램은 1Mbyte S-RAM 을 2개 사용하여 측정 데이터나 오프셋 값 등을 저장하도록 하였다.
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(3) 풍향, 풍속
풍향, 풍속 센서는 Heathkit에서 제작한 Advanced weather computer°)| 포함된 센서 (IDA-5001-4) 를 사용하였다. 이 센서는 LEDQight-emitting diode)와 광 트랜지스터(Photo transistor), Encoder disc로 구성되어 있으며, 풍향 센서는 내부의 Encoder disk를 이용하여 16방위를 출력한다.
이론/모형
- , 1986). AD574는 12비트의 분해능과 저 소비 전력형의 A/D컨버터이며, 입력방식은 단극(Unipolar)방식을 사용하였다. 전원에 의한 오동작을 방지하기 위해 별도의 DO DC 컨버터 PP10-12T 212(NEMIC-LAMBDA)를사용하였다.
- DC 모터는 일반적으로 사용하는 H-브릿지 (Bridge)방식을 사용하여 정, 역전 제어를 하도록 하였다. 모터의 제어에는 AT89C2051 CPU를 사용하였으며, 모터의 소비전류를 측정하여 속도제어 및 오동작을 방지하고, 엔코더 (E6A2-CW3C : OMRON)# 사용하여 모터의 회전수 및 이동거리를 측정한다.
- 각종 센서로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털로 변환하여 CPU로 입력하기 위해 Analog device의 AD574 A/D 컨버터 (Analog-Digital converter)를 사용하였다(The Engineering Staff of Analog Devices, Inc., 1986). AD574는 12비트의 분해능과 저 소비 전력형의 A/D컨버터이며, 입력방식은 단극(Unipolar)방식을 사용하였다.
성능/효과
- 개발한 관측시스템의 특징은 산림지의 수문, 수질 환경의 장기적인 무인자동관측이 가능하며, 입력신호의 분산 처리로 오동작에 의한 피해를 최소화할 수 있다. 그리고 태양전지와 축전지의 병행사용으로 오지 산림지에서도 시스템의 작동이 가능하도록 하였으며, 센서측정부의 센서 교체 도용 이하며, 동시에 데이터 형식 및 제어 형식의 표준화로 시스템의 확장 및 구성이 경제적이다.
- 관측시스템의 성능시험을 실시한 결과 온도, EC, pH는 각각 최대 ±0.2笆, ±1.0//S, ± O.lpH의 오차 범위 내에서 관측되었다.
후속연구
- 본 관측시스템의 개발로 원거리에 위치하는 산림지 계류수의 수문 및 수질변화에 대한 지속적인 자료 수집과 모니터링이 가능하게 되어, 다양한 산림 수문 연구에 크게 기여할 것으로 기대되며, 동시 에 산지유역의 수문 및 수질오염에 대한 감시 또는 예보시스템에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 하천 수질의 변화를 예측하였다. 이러한 GIS 및 데이터베이스 기술과 모니터링 기술을 접목한다면 산림지의 환경모니터링을 통한 산림 자원의 체계적인 관리가 효과적으로 이루어질 것이다.
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