[논문]원격검침을 위한 저 전력 무선 디지털 수도계량기

이영우; 오승엽

doi:10.6109/jkiice.2008.12.5.963

원격검침을 위한 저 전력 무선 디지털 수도계량기
Wireless Digital Water Meter with Low Power Consumption for Automatic Meter Reading 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.12 no.5, 2008년, pp.963 - 970

이영우 (충남대학교 전자공학과) , 오승엽 (충남대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

RFID/USN 기술을 이용하여 각종 계량기를 원격으로 검침하려는 시도가 계속되고 있다. 수도 검침의 경우 아직 무선으로 원격 검침하는 체계가 발표되었거나 상용화되지 못하였다. 본 논문에서는 원격검침을 위한 디지털 수도 계량기의 설계 및 구현을 기술한다. 자기장을 감지하는 홀 센서를 사용하여 검침하고 그 결과를 ZigBee 무선으로 게이트웨이에 전송한다. 배터리만으로 계량기의 내구연한을 견뎌야 하므로 저전력 설계가 필수적이다. 구현된 계량기의 전력 소모량을 분석하여 3V, 3000mAh 용량 배터리, 2개로 8년의 내구연한을 견딜 수 있음을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, several papers for reading meters remotely using RFID/USN technologies have been presented. In the case of water meter, there has been neither commercial product nor paper. In this paper, we describe the design and implementation of wireless digital water meter with low power consumption. We use magnetic hole sensors to compute the amount of water consumption. The meter of water consumption is transferred via ZigBee wireless protocol to a gateway. Low power consumption design is essential since a battery should last till the life time of water meter. We present that dual batteries haying 3V, 3000mAh, would last 8 years by analyzing the real power consumption of our water meter.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

못하는 단점들을 갖는다. 본 논문에서는 검침 결과를 무선으로 게이트웨 이에 전송하고 그 결과가 인터넷으로 원격 검침되는 체계를 목표로 한다, 이를 위하여 전자식으로 계 량하고 그 결과를 무선으로 전송하면서 8 년 이상의 내구연한을 갖는 디지털 계량기를 설계하고 구현한다.
본 논문에서는 디지털 수도계량기의 설계 및 구현을 기술한다. 설계 시 주요 이슈는 배터리만으로 8~9년 사용이 가능해야 한다는 점 이다.
본 논문에서는 원격 검침을 위한 디지털 수도 계량기의 설계 및 구현을 기 술하였다. 자기 장을 감지 하는 홀 센서를 사용하였고 그 결과를 ZigBee 무선으로 게이트웨이에 전송하도록 설계하였다.

가설 설정

1) MCU의 동작 모드는 sleep 모드와 인터 럽트 모드의 2가지 이다. sleep모드에서는 MCU와 다른 소자의 전력 소모를 포함하여 8uA가 소모되는 것으로 측정되었다.
2) LCD는 검침원의 버튼에 의해서 만 동작하므로 제외한다.
3) RF 전송은 매 1시 간마다 발생 하며 严 시간 동안 동작한다. 따라서 전력소모량은 40mA * O.
4) LCD는 버튼이 눌렸을 때에만 전원이 공급되도록 스위치를 단다.
5) RF도 동작 시에만 전원이 공급되도록 회로를 구성한다.
6mm 나 7nnn의 경우, 약간의 오차가 발생하였다. 본 논문에서는 홀센서 이격거리로 5mm가 적절하다고 결정하였다.
이때 tIDLE 은 5, tINT 은 0.1ms, 摩 가 1ms, R 이 0.1 로 가정한다.

제안 방법

2) MCU가 deep sleep으로 동작할 수 있도록 타이 머 칩 을별 도로 두었다. 타이 머 칩은 동작시 에 4uA 정도만 전력 을 소모한다.
3가지 관점에서 성능을 평가하였다. 첫째는 홀센서에의 한 사용량 검 침 시 에 홀센서 가 중앙에서 얼마나 이 격 됐을 때 적절한 결과를 얻을 수 있는지에 대한성능평가이다, 두 번째는 계량기의 각 구성 모듈의 실제 전력 소모량이며 세 번째는 예상 배터리 수명이다.
수조에 적당량의 물(100L)을 붓고 직렬로 연결된 3개의 디지털 수도 미터값과 검증된 수도미터값을 비교, 분석하였다. 3개의 수도가 직렬로 연결됐으며 각각 우리의 계량기와 검증된 계량기의 검침 값을 비교하였다. 표4에서 볼 수 있는 것처럼 5nnn 이격의 경우9번의 실험에서 검증된 계량기와 일치된 결과를 보였다.
저전력 소모를 위하여 LCD는 버튼을 누를 때에만 전원이 공급되 고 계 량 값을 표시 하도록 설계 하였다. RF 트 랜 시버는 MCU가 필요시에만 전원을 공급하도록 설계하였다.
SW 알고리 즘은 저 전 력 소모가 주안점 이다. 계량기의 동작 상태를 정지상태, 정회전 동작상태, 역회전 동작 상태로 나누고 상태 전이 조건을 기술하였다. 내부타이머는 홀센서 인터럽트가tIDLE초 이상 발생하지 않는지를 판단하기 위하여 사용한다.
SW 알고리 즘은 저 전 력 소모가 주안점 이다. 계량기의 동작 상태를 정지상태, 정회전 동작상태, 역회전 동작 상태로 나누고 상태 전이 조건을 기술하였다. 내부타이머는 홀센서 인터럽트가tIDLE초 이상 발생하지 않는지를 판단하기 위하여 사용한다.
배터리만으로 계량기의 내구연한을 견뎌 야 하므로 저 전력 설계가 필수적 이다. 구현된 디지털 계량기의 실제 전력 소모를 기반으로 수명 보장을 위한 배터리 용량을 제시한다.
홀센서를 3개 장착하면 회 전의 방향도 감지 할 수 있다. 본 논문에서는 물의 역류를 감지할 수 있도록 홀센서를 3개 사용한다. 각각의 홀센서를 정회전 방향에 따라。, 1, 2번 홀센서로 지 정 한다.
이 방식은 계 량의 오차가 크다는 단점이 있다. 세 번째는 배터리를 사용하여 전자식 으로 처리 하는 방식 으로서 본 논문의 방식이 이에 해당한다. 대부분의 계량기들이 밀폐된 구조를 가지므로 배터리를 교환하기 어려우므로 저전력 설계가 필수적이다.
평가하였다. 수조에 적당량의 물(100L)을 붓고 직렬로 연결된 3개의 디지털 수도 미터값과 검증된 수도미터값을 비교, 분석하였다. 3개의 수도가 직렬로 연결됐으며 각각 우리의 계량기와 검증된 계량기의 검침 값을 비교하였다.
설계 및 구현을 기 술하였다. 자기 장을 감지 하는 홀 센서를 사용하였고 그 결과를 ZigBee 무선으로 게이트웨이에 전송하도록 설계하였다. 계량기의 동작 상태를 정지상태, 정회전 동작상태, 역회전 동작상태로 나누고 상태 전이 조건을 기 술하였다.
MCU의 하단에는 LCD 디스플레 이와 RF 트랜시 버를 보여준다. 저전력 소모를 위하여 LCD는 버튼을 누를 때에만 전원이 공급되 고 계 량 값을 표시 하도록 설계 하였다. RF 트 랜 시버는 MCU가 필요시에만 전원을 공급하도록 설계하였다.
정지상태에서는 홀센서를 1개만 ON 시켜서 전력 소모를 줄이려 하였다. 물이 역류할 때에 수도 미터 값을 감소시킬 수 있어야 하며 이를위하여 정회 전시에는 수도미터 값을 1 증가시키고, 역회전 시에는 수도미터 값을 1 감소시킨다.
홀IC 는 자기장의 변화를 측정하여 계 량기안 임펠러의 회 전수를 측정 한다. 홀 IC를 3개 장착하여 역 회 전도 검출하도록 하였다.
홀센서 이격 성능평가를 위하여 실험실 환경에서 성능을 평가하였다. 수조에 적당량의 물(100L)을 붓고 직렬로 연결된 3개의 디지털 수도 미터값과 검증된 수도미터값을 비교, 분석하였다.
홀센서가 중앙에서 얼마나 이격돼야 하는지 실험을 통하여 결정하였다. 중심에서 5mm 이격시켰을 때 가장 좋은 결과를 얻었다.

대상 데이터

1) MOW MSP430을 선택하였다. MSP430은 16비 트 프로세 서 이 나 ATmega 계 열 이 나 8051 등보다 전 력 소모가 훨씬 작다는 장점을 갖는다.
그림 에서 MCU 왼쪽은 전원부이다. 3V 리튬이온 충전식 배터리를 채용하였으며 배터리 잔량이 부족할 때를 대비하여 충전 기능을 포함하였다. MCU의 상부는 JTAG 프로그램 다운로드 포트를 나타낸다.
준다. MCU로서 저 전력 소모 특성이 우수한 MSP43이기을 선정하였다. MSP430은 기가 생산하는 프로세서로서 Active 상태 일 때도 600uA 정도만을 소모하며 Sleep 상태 에서 는 8uA 만을 소모한다.
문제는 원의 중앙에서 얼마나 떨어져서 장착돼야 하는지를 결정하는 것이다. 본 논문에서 는 5mm, 6mm, 7mm 의 3가지 이 격 거 리를 실제 실험을 통하여 측정, 결정 한다.
전 력 소모가 40m厶로 가장 큰 점 이 문제 점이 라고 할 수 있다. 본 논문에서 는 JN₅₁21[8]을 선 정 하였다.
임펠러의 한부부에는 영구자석이 부착돼 있어서 임펠러가 회전할 때 자석 이 만드는 자기장의 변화를 홀센서가 감지하여 임펠러의 회전을 감지한다. 본 논문에서 선택한 홀센서는 Allegro Micrsystems 사의 AH₇₄I9] 이 匸}.
측정 장비는 nA 까지 측정 가능한 Fluke 사의 8845A 모델을 사용하였다. 표 5에서 RF 모듈의 전력 소모가 39mA 로 가장 큰 것을 알 수 있다.

성능/효과

(4)

(4)식으로부터 6000mAh 정도이면 되므로 3V, 3000mAh, 전지, 2개를 병 렬로 연결하여 공급하면 된다는 것을 알 수 있다.
그 결과MCU의 1시간당 전력소모량은 8uA*3600 +(1) * SLyOOuA 이다.
중심에서 5mm 이격시켰을 때 가장 좋은 결과를 얻었다. 또한, 구현된 계량기의 전력소모량을 분석하여 3V, 3000mAh, 전지, 2개를 병 렬로 연결하여 8년의 내구연한을 견딜 수 있음을 보였다.

후속연구

본 논문의 결과는 디지털 수도미터의 상용화에 활용될 것이다. 향후연구방향으로는 배터리의 용량을 줄일 수 있도록 알고리즘을 개선하는 것이다.
것이다. 향후연구방향으로는 배터리의 용량을 줄일 수 있도록 알고리즘을 개선하는 것이다.

참고문헌 (9)

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원문보기 상세보기
이재기, 정성혁, 정경진, '무선 원격 검침에 의한 자동화 시스템 개발,' 산업과학기술연구소 논문집, 제17권, 제1호, 2003년 6월, pp.121-126
정원창, 'RF 트랜시버 모듈을 이용한 자동원격검침 시스템의 설계,' 한국 컴퓨터 정보학회 논문지, 제9권, 제4호, 2004년 12월, pp.179-184
김희식, O. Ayurzana, 박용만, 권종원, '디지털 원격 검침용 데이터 USN 시스템 개발,' 한국인터넷정보학회, 제7권, 제2호, 2006년 6월, pp.67-71
김영억, 김진철, 김연수, 우희곤, '센서네트워크를 이용한 표준형 전력량계 원격검침 및 부가서비스에 관한 연구,' 2007년도 대한전자공학회 하계종합학술대회, 제30권, 제1호, pp.1055-1056
Product Manual, CZAMN026, ver2.0, http://www.contazara.com
MSP430FG4x, Mixed Signal Micrcontroller, Texas Instruments, 2007
Adavanced Data Sheet-JN513x, Jennic Ltd., 2007
A1174 Conceptual v1.2 NK, Allegro Micrsystems, Inc

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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