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문제 정의
- 시스템을 구현할 것이다. 또한 여러 센서들이 연결된무선 네트워크 환경에서의 효율적인 처리를 위한 라우팅기 법, 시 간동기 화, 에 너 지 효율에 관한 연구를 진행하고자 한다.
- 본 논문에서는 센서 네트워크를 이용한 교량 안전진단을 위한 시스템을 설계 및 구현하였다. 안전진단을 위해 일반적으로 눈으로 확인하거 나 유선 계측 장비를 이용하는 방법을 사용한다.
- 본 연구에서는 축소모형을 이용하여 하중의 측정값을 비교 및 분석함으로써 무선 센서 네트워크를 이용한구조물 안전 감시 시스템의 신뢰성을 검증하였다. 대상구조물은 그림 9와 같이 5층의 뼈 대구조물로 구조물의 전체높이는 2m이 고, 넓 이는 0.
가설 설정
- 하였다. 데이터의 비교평가 기준은 유선으로 수집 된 데 이 터 가 정 확하다고 가정 하고, 무선 센서로 수집된 데 이 터 와의 불일치 율을 비 교하는 것으로 하였다.
제안 방법
- 모트이다. Micaz 모트는 51핀 확장 커넥터에 MDA300CA를 연결하여 외부 센서로부터 데이터를 수신하는 모트로 구성하고, 호스트 PC와 프로그래밍 보드인 MIB510을 연결하여 게이트웨이를 구성하였다. Micaz 모트는 2.
- MultiHopAccele MTS310CA 센서 보드로부터 감지한 가속도 데이터를 샘플링하고, 샘플링 된 데이터를 패킷으로 만든다. 생성된 패킷은 통신 모트를 통해 이웃 노드들에 게 브로드케스트 방법을 사용하여 전송하게 된다.
- 002m인 강판으로 구성된다. 구조물에 대한 실험은구조물에 설치된 가진 장치를 이용하여 랜덤하게 진동을 발생시키고 2개의 LVDT 센서를 이용하여 유선으로 연결된 동적측정기와 무선으로 동작하는 싱크 노드에서 동일한 시간에 측정한 값을 비 교하였다.
- 또한 실내 구조물 하중 측정 실험과실제 교량에서의 가속도측정 실험을 통해 센서 네트워크 사용의 유효성을 확인하였다. 기존 유선 측정 시스템과 센서 네트워크를 이용한 측정 시스템을 이용하여 동시 에 구조물 및 교량의 하중과 가속도를 측정하여 결과값을 비교하는 실험을 수행하였다. 실험 결과에서 사용 센서의 민감도의 차이와무선 통신 및 시리얼 통신시 발생하는 데이터 손실로 인해 유선 측정값과 센서 네트워크를 이용한 측정 값의 차이가 발생하였다.
- 데이터 수집은 샘플링 주파수를 2(X)Hz, 측정시간을 10초로 하였다. 데이터의 비교평가 기준은 유선으로 수집 된 데 이 터 가 정 확하다고 가정 하고, 무선 센서로 수집된 데 이 터 와의 불일치 율을 비 교하는 것으로 하였다.
- 실험 결과에서 사용 센서의 민감도의 차이와무선 통신 및 시리얼 통신시 발생하는 데이터 손실로 인해 유선 측정값과 센서 네트워크를 이용한 측정 값의 차이가 발생하였다. 또한 구조물의 안전성 판별 및 상태를사전 예방하기 위하여 센서들로부터 전송되는 데이터들에 대한 데이터베이스를 구축하였고, 이를 웹을 통해 실시 간으로 확인 가능한 모니터링 시스템을 구축하였다.
- 메시지는 데이터 전송을 위한 메시지와 리셋 명령을 위한 메시 지로 나눌 수 있다. 또한 데 이 터 전송에 사용하는 메시지는 그림 6과7에서 보는 바와 같이 TinyOS의 기본메 시 지 타입 인 TOS_Msg, 감지 한 데 이 터 결과 확인 어 플리케이션을 위한 OscopeMsg, 멀티홉 전송을 위한 MultihopMsg 로 나누어 진다.
- 하지만 센서 네트워 크를 이용하여 유선 시스템을 사용할 경우에 발생할 수 있는 문제를 해결할 수 있다. 또한 실내 구조물 하중 측정 실험과실제 교량에서의 가속도측정 실험을 통해 센서 네트워크 사용의 유효성을 확인하였다. 기존 유선 측정 시스템과 센서 네트워크를 이용한 측정 시스템을 이용하여 동시 에 구조물 및 교량의 하중과 가속도를 측정하여 결과값을 비교하는 실험을 수행하였다.
- Wisden에서는 확실 한 데 이 터 전송을 위한 NACK 메 커 니 즘을 이용한 에 러 회 복기 법 을 사용한다. 또한 전송 데 이 터 의 양을 줄이 기 위하여 wavelet 기 반의 압축 기법을 사용하고, 네트워크 안에서 하나의 노드가 샘플링에 걸 리는 시간을 계산한 뒤, 싱 크 노드가 가지는 시간과의 차이를 통하여 시간 동기 화를 이 룬다.
- 또한 패킷을 수신한 노드는 패킷에 저장된 시간정보로 시간을 동기화하고, 패킷을 다시 이웃노드들에 브로드캐스팅 하도록 함으로써 네트워크내의 통신가능한 모든 노드들이 시간을 동기 화할 수 있도록 하였다.
- 이러한 패킷 손실률은 노드들 사이 의 무선 전송과 게이트웨 이와 호스트 PC 사이의 시리 얼 케이블을 이용한 전송에서 의 패킷 손실로 판단된다. 또한유무선 센서를 이용하여 대상교량에 대한 가속도를 측정하였다. 유무선 센서를 이용한 가속도 측정 결과를 그림 15와 16에 나타내었다.
- 본 논문에서는 유선으로 연결된 기존의 안전 감시 시스템의 문제점을 해결하기 위해 무선 센서 네트워크를 이용한 안전 감시 시스템을 구성하였으며, 일반적인 센서가 감지 할 수 있는 가속도, 온도, 습도, 강도, 위치 등의 정 보들 중 구조물 이 받는 하중과 가속도 정보를 바탕으로 Swisen (Structural health monitoring system of bridge based on Wireless SEnsor Network)을 설계 및 구현하였다 .
- 5mV, 권장인가전압은 2V 이하이고, 허용인가 전압은 5V 이다. 본 연구에서는 전압발생기를 이용하여 2V의 전압을 인가하였다.
- 진행하였다. 실내 실험 은 제작한 인공 구조물에 유무선 센서 와 진동을 발생하는 가진기를 장착하여 구조물이 받는 하중을유선 센서 와 무선 센서 를 통해 측정된 데 이 터 를 비 교하는 방식으로 실험하였다. 현장 실험은 실제 교량에 유무선 가속도 센서를 설치하여 구조물이 받는 가속도를 비교하였다.
- 실험은 보행자가 교량 구조물에 진동을 가하였고, 진동에 따른 가속도를 측정하였다. 실험에서의 데이터 샘플링 주기는 100Hz, 측정 시 간은 10초이다.
- 실험은 실내 실험과 현장 실험 두 가지로 진행하였다. 실내 실험 은 제작한 인공 구조물에 유무선 센서 와 진동을 발생하는 가진기를 장착하여 구조물이 받는 하중을유선 센서 와 무선 센서 를 통해 측정된 데 이 터 를 비 교하는 방식으로 실험하였다.
- 실험은 하나의 진동판에 LVDT 센서 2개를 부착하고, 센서 를 토목분야에서 사용되는 유선 계측기 와 Micaz 모트에 각각 연결하여 같은 진동에 대하여 변위 값을 측정하였다. 그림 10, 11은 시간에 따른 유.
- 위한 시스템이다. 유선 시스템에서 사용되는 LVDT 센서를 센서 노드에 연결하여 구축하였다.
- 이를 개선하여 멀티 홉 기능을 추가하여 멀리 있는 노드들에서도 시간동기 정보를 전송하도록 하기 위해 중간 노드에서도 Broadcast 라이브러 리를 사용하여 리셋 명 령 패킷을 브로드캐스팅 하도록 하였다.
- 실내 실험 은 제작한 인공 구조물에 유무선 센서 와 진동을 발생하는 가진기를 장착하여 구조물이 받는 하중을유선 센서 와 무선 센서 를 통해 측정된 데 이 터 를 비 교하는 방식으로 실험하였다. 현장 실험은 실제 교량에 유무선 가속도 센서를 설치하여 구조물이 받는 가속도를 비교하였다.
대상 데이터
- 교량의 길이가77m인 보도용 현수교이다. 그림 13 에서 보는 바와 같이 베이스 노드는 교량의 끝에서부터 21m지 점 에 설치 하고(D지 점), 무선 가속도계는 Om, 6m, 12m, 30m, 36m 지 점(A, B, C, E, F지 점)에 총 5개를 설치하였다. 또한 유선 가속도계는 그림 14에서 보는 바와 같이 동일한 환경 에서의 측정을 위해 무선 가속도계와 동일한 지점 인 12m, 30m의 두 지점(C, E지점)에 설치하였다.
- 대상구조물은 그림 9와 같이 5층의 뼈 대구조물로 구조물의 전체높이는 2m이 고, 넓 이는 0.5m, 폭은 0.1m 이 며, 두께가0.002m인 강판으로 구성된다. 구조물에 대한 실험은구조물에 설치된 가진 장치를 이용하여 랜덤하게 진동을 발생시키고 2개의 LVDT 센서를 이용하여 유선으로 연결된 동적측정기와 무선으로 동작하는 싱크 노드에서 동일한 시간에 측정한 값을 비 교하였다.
- 센서를 연결할 수 있는아날로그 채널 (A0~A13)과 디지털 채널 (D0-D5), 카운터 채널, 온도와 습도를 측정하는 내부 센서를 위한 내부 채널, 릴레이 채널이 있고, 이외에도 외부센서에 전원을 공급하는 External Sensors Excitation과 LEDs, VCC 로 구성된 센서 보드이다. 본 실험에서는 LVDT의 정격출력을 고려하여 허용인가 전압이 ±12.5mV 인 Differential Precision Analog Signals의 A7 채 널을 사용하였다.
- 시스템은 교량 및 노면의 하중을 감지하는LVDT 센서, 감지된 아날로그 신호를 센서 노드로 전달하는 MDA300CA 와 수신된 데 이 터 를 처리 하는 호스트 PC로 구성 되어 있다. 사용한 통신 모트는 UC Berkeley의 Micaz 모트이고, LVDT 센서를 모트에 연결하기 위한 데이터 수집 보드 (Data Acquisition Board) 로 MDA300CA 보드를 사용하 였 다.
- 시스템은 교량 및 노면의 하중을 감지하는LVDT 센서, 감지된 아날로그 신호를 센서 노드로 전달하는 MDA300CA 와 수신된 데 이 터 를 처리 하는 호스트 PC로 구성 되어 있다. 사용한 통신 모트는 UC Berkeley의 Micaz 모트이고, LVDT 센서를 모트에 연결하기 위한 데이터 수집 보드 (Data Acquisition Board) 로 MDA300CA 보드를 사용하 였 다.
- 실험은 보행자가 교량 구조물에 진동을 가하였고, 진동에 따른 가속도를 측정하였다. 실험에서의 데이터 샘플링 주기는 100Hz, 측정 시 간은 10초이다. 각 노드의 전송되어야하는 전체 패킷수당 손실 패킷의 수로 패킷 손실률을 나타내었다.
- 그림 12. 현장 실험 대상 교량.
- 현장 실험의 대상구조물은 그림 12의 강원도 화천에있는 교량의 길이가77m인 보도용 현수교이다. 그림 13 에서 보는 바와 같이 베이스 노드는 교량의 끝에서부터 21m지 점 에 설치 하고(D지 점), 무선 가속도계는 Om, 6m, 12m, 30m, 36m 지 점(A, B, C, E, F지 점)에 총 5개를 설치하였다.
이론/모형
- Wisden에서는 확실 한 데 이 터 전송을 위한 NACK 메 커 니 즘을 이용한 에 러 회 복기 법 을 사용한다. 또한 전송 데 이 터 의 양을 줄이 기 위하여 wavelet 기 반의 압축 기법을 사용하고, 네트워크 안에서 하나의 노드가 샘플링에 걸 리는 시간을 계산한 뒤, 싱 크 노드가 가지는 시간과의 차이를 통하여 시간 동기 화를 이 룬다.
- 만든다. 생성된 패킷은 통신 모트를 통해 이웃 노드들에 게 브로드케스트 방법을 사용하여 전송하게 된다. 단, 싱크 노드에서 전송을 받으면 연결된 호스트 PC 로 데이터를 전달하게 된다.
성능/효과
- 기존 유선 측정 시스템과 센서 네트워크를 이용한 측정 시스템을 이용하여 동시 에 구조물 및 교량의 하중과 가속도를 측정하여 결과값을 비교하는 실험을 수행하였다. 실험 결과에서 사용 센서의 민감도의 차이와무선 통신 및 시리얼 통신시 발생하는 데이터 손실로 인해 유선 측정값과 센서 네트워크를 이용한 측정 값의 차이가 발생하였다. 또한 구조물의 안전성 판별 및 상태를사전 예방하기 위하여 센서들로부터 전송되는 데이터들에 대한 데이터베이스를 구축하였고, 이를 웹을 통해 실시 간으로 확인 가능한 모니터링 시스템을 구축하였다.
후속연구
- 향후에는 감지 센서 가 수집 할 수 있는 온도, 습도, 가속도, 위치 등 여러 가지 정보를 다수의 센서 에서 수집 하는 시스템을 구현할 것이다. 또한 여러 센서들이 연결된무선 네트워크 환경에서의 효율적인 처리를 위한 라우팅기 법, 시 간동기 화, 에 너 지 효율에 관한 연구를 진행하고자 한다.
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