[논문]해양환경모니터링을 위한 표류부이 개발

유영호; 강용수; 이원부

doi:10.5916/jkosme.2009.33.5.705

해양환경모니터링을 위한 표류부이 개발
Development of a Floating Buoy for Monitoring Ocean Environments 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.33 no.5, 2009년, pp.705 - 712

유영호 (한국해양대학교 IT공학부) , 강용수 (신동디지텍) , 이원부 (신동디지텍)

Abstract ▼ AI-Helper

The state changes of ocean covered over 70% of earth surface are one of the greatest factor of weather catastrophe. Recently weather extraordinary events are followed by steep increase of sea water temperature and scientists in various fields are studying and warning the weather changes. In this paper, floating buoy is developed to monitor ocean environments via Orbcomm satellite and a method is proposed to increase measurement accuracy of sea water temperature with common low price temperature sensor. Experimental results are presented to illustrate the usability and effectiveness of the developed system. A web-based real time monitoring system is built to monitor ocean environmental information such as sea and air temperature, salinity according to the position of buoy through the internet for user convenience.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

시스템의 신뢰성과 정도를 향상하기 위하여 보간법으로 센서의 굴곡도, 기울기 및 오프셋을 실시간으로 구하는 소프트웨어를 Matlab을 이용하여 개발하고 개발한 측정시스템에 활용하여 측정한 결과 우수한 정도를 가지는 해수온도 측정시스템을 개발하였다. 또한 측정한 해양환경을 웹사이트를 통하여 사용자가 쉽고 정보를 활용할 수 있도록 해양환경표시시스템을 개발하였다. 일차적으로 수온측정시스템만 개발하였으나 앞으로 추가적인 연구 및 개발을 통하여 염도측정시스템 및 기타 해양센서를 개발하고 개발된 임베디드 시스템에 통합하면 종합적인 해양환경모니터링 표류부이를 국산화 할 수 있을 것으로 사료 된다.
개발된 온도센서는 범용 온도 실험 챔버를 이용하여 외국의 우수한 제품과 비교 계측실험을 수행하고 이를 통하여 제안한 기법의 효율성과 활용성을 입증한다. 또한 표류부이의 항적과 해당위치에서의 다양한 해양환경 측정정보를 위성통신을 통하여 서버의 데이터베이스에 저장하고 사용자는 인터넷을 통하여 원하는 정보를 전자 해도 상에서 조회할 수 있는 시스템을 개발하여 실시간으로 해양환경정보를 감시할 수 있는 인터넷기반 실시간 해양환경모니터링시스템을 구축하고자 한다.
본 논문에서는 표류부이식 실시간 해양환경 모니터링시스템을 개발하기 위하여 해양환경연구 요소 중 가장 기본적으로 조사하고 있는 수온과 염분의 관측에 필요한 시스템을 개발하고, 측정데이터의 정밀도를 향상시키기 위하여 센서이득을 보정하는 방법을 제안한다. 개발된 온도센서는 범용 온도 실험 챔버를 이용하여 외국의 우수한 제품과 비교 계측실험을 수행하고 이를 통하여 제안한 기법의 효율성과 활용성을 입증한다.
본 논문에서는 해양환경모니터링을 위한 라그랑지법으로 운용되고 있는 표류부이 시스템(Lagrangian Drifter)을 효과적으로 구성하는 방법 및 최적화된 장치개발에 대하여 연구한다. 해수의 유동을 측정하는 표류부이의 선체는 바람의 영향을 최소화하고 해수의 에너지원에 의하여 이동이 가능하도록 현재까지 다양한 형태의 선체가 개발되어 왔다^[6-8].
본 연구에서는 저렴한 온도센서를 이용하여 고가의 고정도를 가진 온도센서와 유사한 정도를 가지는 온도계측시스템을 개발하고자 한다. 이를 위하여 저가의 온도센서 YSI사의 44203 NTC, Microchip사의 12bit SPI ADC MCP3202, 마이크로프로세서 PIC 16F873A를 이용하여 Fig.
본 연구에서는 해양환경모니터링 표류부이 개발을 위하여 임베디드 측정시스템과 온도측정시스템을 개발하였다. 기존의 고정도 염도측정센서를 개발된 임베디드 시스템에 부착하여 해양환경모니터링시스템의 기본 구조를 완성하였다.

제안 방법

6과 같은 온도계측시스템을 개발하였다. 개발한 시스템을 표준온도 챔버에 넣고 사용범위 내에서 실험계측을 행하여 식(1)에서 실측데이터 x와 표준 온도 y를 입력하면 A, B, C를 구하는 소프트웨어를 개발하였다. Fig.
공장에서 센서의 정밀도를 체크하는 공장출하 시험을 마친 후 직접 해수에 투하하여 위치 및 수온, 염분도 데이터가 정상적으로 생산됨을 검증하기 위하여 제주도 남단 동중국해(최초투하지점 N: 32.30.039 E: 125.53.048)에 표류부이를 직접 투하하여 시간에 따른 궤적 및 수온 염분 수치를 기록하였다.
일반적으로 해류 및 조류 측정에 사용되는 표류부이의 선체는 바람의 저항을 최소화 하고 전자 장비를 적재할 수 있는 공간을 확보하는 구조이다. 본 연구에서는 조류에 따라 움직일 수 있도록 Fig. 2와 같이 구의 구조와 Fig.3과 같은 홀리색(Holy Sack)를 설계하여 홀리색의 깊이를 조종함으로서 조류를 선택할 수 있도록 설계하였다.
기존의 고정도 염도측정센서를 개발된 임베디드 시스템에 부착하여 해양환경모니터링시스템의 기본 구조를 완성하였다. 시스템의 신뢰성과 정도를 향상하기 위하여 보간법으로 센서의 굴곡도, 기울기 및 오프셋을 실시간으로 구하는 소프트웨어를 Matlab을 이용하여 개발하고 개발한 측정시스템에 활용하여 측정한 결과 우수한 정도를 가지는 해수온도 측정시스템을 개발하였다. 또한 측정한 해양환경을 웹사이트를 통하여 사용자가 쉽고 정보를 활용할 수 있도록 해양환경표시시스템을 개발하였다.
해양환경관측의 중요한 센서는 염도측정센서와 온도측정센서이다. 염도측정센서는 Aanderaa사의 Conductivity Sensor 3919A 센서를 사용하였으며, 수온센서는 YSI사의 44203 NTC를 사용할 수 있도록 Fig. 6 과 같이 측정보드를 개발하였다. 측정정도검증을 위하여 정도가 높고 고가인 Vaisala사 HMP-45A 센서를 이용하여 비교 검증하였다.
본 연구에서는 저렴한 온도센서를 이용하여 고가의 고정도를 가진 온도센서와 유사한 정도를 가지는 온도계측시스템을 개발하고자 한다. 이를 위하여 저가의 온도센서 YSI사의 44203 NTC, Microchip사의 12bit SPI ADC MCP3202, 마이크로프로세서 PIC 16F873A를 이용하여 Fig. 6과 같은 온도계측시스템을 개발하였다. 개발한 시스템을 표준온도 챔버에 넣고 사용범위 내에서 실험계측을 행하여 식(1)에서 실측데이터 x와 표준 온도 y를 입력하면 A, B, C를 구하는 소프트웨어를 개발하였다.
전체 테스트 시스템은 0.1℃ 이내의 정밀도가 있는 기준센서가 장착된 온습도 챔버를 이용하여 -40℃ ~ 50℃까지의 구간에 10℃ 간격으로 관측하여 중간결과를 생성하였으며, 이 중 -40℃, 20℃, 50℃의 대푯값으로 각각의 Y, X 값을 식 (1)에 입력하여 결과를 얻었다. 이 실험에서의 대푯값으로 사용된 수치는 관측 포인트에서 챔버의 온도계 계측 값이 안정화 된 이후 기준센서 및 관측센서에서 계측된 수치 20점 중 최대의 수치 및 최소의 수치 각각 5점의 데이터를 버리고 중간값 10 점을 평균한 것을 대푯값으로 정하여 관측한 것이다.

대상 데이터

측정정도검증을 위하여 정도가 높고 고가인 Vaisala사 HMP-45A 센서를 이용하여 비교 검증하였다. ADC로서 Microchip사의 12bit SPI ADC MCP3202를, 마이크로프로세서는 PIC 16F873A를 사용하였다.
Orbcomm 위성모뎀은 생산된 자료를 위성을 통하여 관문지구국으로 발송하며, 이 자료는 인터넷을 통하여 E-mail 형태로 발송한다. 수신 계정에 전자메일 형태로 수집된 자료는 데이터베이스에 재사용이 가능한 형태로 저장되어야 하기 때문에 원시자료를 파싱 할 수 있는 수신 시스템이 구축되어야 자료의 접근성이 높아진다.
표류부이는 오일러의 기법을 따른 육상 또는 근거리 해안의 고정식 관측 장치와는 달리 해류의 움직임에 따라 자유롭게 이동하는 장비로, 그 관측목적에 따라 이동 범위가 매우 크므로 전송거리와 지역적인 제약이 있는 RF Data 전송방식이나 PCS와 같은 통신서비스로는 지속적인 데이터의 전송을 기대하기가 매우 어렵다. 본 연구에서 자료전송 매개체로는 지구 전역 통신이 가능한 Orbcomm위성 데이터통신을 이용하였으며, 단말기는 Orbcomm 위성 데이터통신모뎀 Modem ST2500 모델을 사용한다. Orbcomm위성통신망은 Fig.

데이터처리

6 과 같이 측정보드를 개발하였다. 측정정도검증을 위하여 정도가 높고 고가인 Vaisala사 HMP-45A 센서를 이용하여 비교 검증하였다. ADC로서 Microchip사의 12bit SPI ADC MCP3202를, 마이크로프로세서는 PIC 16F873A를 사용하였다.

성능/효과

본 연구에서는 해양환경모니터링 표류부이 개발을 위하여 임베디드 측정시스템과 온도측정시스템을 개발하였다. 기존의 고정도 염도측정센서를 개발된 임베디드 시스템에 부착하여 해양환경모니터링시스템의 기본 구조를 완성하였다. 시스템의 신뢰성과 정도를 향상하기 위하여 보간법으로 센서의 굴곡도, 기울기 및 오프셋을 실시간으로 구하는 소프트웨어를 Matlab을 이용하여 개발하고 개발한 측정시스템에 활용하여 측정한 결과 우수한 정도를 가지는 해수온도 측정시스템을 개발하였다.
일차적으로 수온측정시스템만 개발하였으나 앞으로 추가적인 연구 및 개발을 통하여 염도측정시스템 및 기타 해양센서를 개발하고 개발된 임베디드 시스템에 통합하면 종합적인 해양환경모니터링 표류부이를 국산화 할 수 있을 것으로 사료 된다. 사용된 센서나 프로세서, 데이터취득 장치는 저가임에도 불구하고 해외에서 도입해오는 고정밀 센서와 견주어 보아 크게 차이가 없는 높은 신뢰성과 정도를 얻을 수 있었다.

후속연구

본 논문에서는 표류부이식 실시간 해양환경 모니터링시스템을 개발하기 위하여 해양환경연구 요소 중 가장 기본적으로 조사하고 있는 수온과 염분의 관측에 필요한 시스템을 개발하고, 측정데이터의 정밀도를 향상시키기 위하여 센서이득을 보정하는 방법을 제안한다. 개발된 온도센서는 범용 온도 실험 챔버를 이용하여 외국의 우수한 제품과 비교 계측실험을 수행하고 이를 통하여 제안한 기법의 효율성과 활용성을 입증한다. 또한 표류부이의 항적과 해당위치에서의 다양한 해양환경 측정정보를 위성통신을 통하여 서버의 데이터베이스에 저장하고 사용자는 인터넷을 통하여 원하는 정보를 전자 해도 상에서 조회할 수 있는 시스템을 개발하여 실시간으로 해양환경정보를 감시할 수 있는 인터넷기반 실시간 해양환경모니터링시스템을 구축하고자 한다.
또한 측정한 해양환경을 웹사이트를 통하여 사용자가 쉽고 정보를 활용할 수 있도록 해양환경표시시스템을 개발하였다. 일차적으로 수온측정시스템만 개발하였으나 앞으로 추가적인 연구 및 개발을 통하여 염도측정시스템 및 기타 해양센서를 개발하고 개발된 임베디드 시스템에 통합하면 종합적인 해양환경모니터링 표류부이를 국산화 할 수 있을 것으로 사료 된다. 사용된 센서나 프로세서, 데이터취득 장치는 저가임에도 불구하고 해외에서 도입해오는 고정밀 센서와 견주어 보아 크게 차이가 없는 높은 신뢰성과 정도를 얻을 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해양환경모니터링시스템이 운용되는 센서 기지가 실제 해양에서의 관측이라고 보기 어려운 까닭은?	1과 같이 실시간 해양환경모니터링시스템을 개발하여 해양환경정보를 실시간으로 제공하고 있다[2]. 그러나 센서 기지는 해안이나 연안 도서에 설치되어 있어 실제 해양에서의 관측이라고는 보기 어렵다. 해양환경관측에 관한 연구와 사업은 한중 공동 황해 해양관측연구, 기상청과 국토해양부의 USN기반 기상·해양 통합 관측환경구축사업이 있으며, 기상청은 400톤급 해양기상관측 전용선박을 건조하여 2010년에 취항시킬 계획을 가지고 있다[3].
	해양환경관측에 관한 연구와 사업에는 무엇이 있는가?	그러나 센서 기지는 해안이나 연안 도서에 설치되어 있어 실제 해양에서의 관측이라고는 보기 어렵다. 해양환경관측에 관한 연구와 사업은 한중 공동 황해 해양관측연구, 기상청과 국토해양부의 USN기반 기상·해양 통합 관측환경구축사업이 있으며, 기상청은 400톤급 해양기상관측 전용선박을 건조하여 2010년에 취항시킬 계획을 가지고 있다[3]. 또한 국립기상연구원과 국립수산진흥원에서는 통신해양기상위성 기상자료 처리시스템, 전 지구 해양변화감시시스템구축, 한반도 지진관측환경 및 지진해일 예측연구, 해양기상관측 및 예측 연구, 해수면온도변화 등 다양한 연구를 수행하고 있다[4, 5].
	표류부이의 무선 데이터 전송을 위해서 위성통신서비스 방식을 이용해야 하는 이유는?	현재 무선 데이터 전송은 HF, UHF, VHF와 같은 RF Data 전송방식 또는 CDMA 및 W-CDMA와 같은 PCS 통신서비스 방식, Orbcomm, Iridium, GlobalStar, Inmarsat 등의 위성통신서비스를 이용하는 방식 등이 쓰이고 있다[8]. 표류부이는 오일러의 기법을 따른 육상 또는 근거리 해안의 고정식 관측 장치와는 달리 해류의 움직임에 따라 자유롭게 이동하는 장비로, 그 관측목적에 따라 이동 범위가 매우 크므로 전송거리와 지역적인 제약이 있는 RF Data 전송방식이나 PCS와 같은 통신서비스로는 지속적인 데이터의 전송을 기대하기가 매우 어렵다. 본 연구에서 자료전송 매개체로는 지구 전역 통신이 가능한 Orbcomm위성 데이터통신을 이용하였으며, 단말기는 Orbcomm 위성 데이터통신모뎀 Modem ST2500 모델을 사용한다.

참고문헌 (8)

안유환, "해양환경 관측 및 개선을 위한 기반기술 연구(III)", KORDI 2002 annual report
이동규, "실시간 해류모니터링 시스템 구축", NORI 2003.11 annual report
"해양기상관측선 2010년 띄운다", http://blog. joins.com/envirepo/9403367
서영상, "위성추적 표류부이를 이용한 동해 표면수온의 주야간 온도차에 대한 중규모 시공간변동", NFRDI 2001 Korean Journal of Remote Sensing Vol. 17, No. 3, 2001, pp. 219-230

원문보기 상세보기
국립기상연구소, http://kormex.metri.re.kr/ metri_home/Remote/uIndex.jsp
www.axystechnologies.com
www.jamestec.go.jp
www.tidelandsignal.com

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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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