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문제 정의
- 또한, 해양 환경 모니터링 시스템 모형과 측정 결과를 통해 해양 환경의 분석 결과를 도출하고 해수면에서 노드 설치를 위한 기술을 확보하는데 목적이 있다. 경포호 환경의 수질환경 모니터링은 해양 환경 모니터링 시스템의 기반기술 및 응용방향을 제시한다.
- 본 논문에서는 해양 환경을 모니터링 하기 위한 센서 네트워크를 설계하고 구성하는 과정을 설명하였다. 수집된 해양 환경 데이터들을 DB화하여 해양환경을 분석하는 유용한 자료가 됨을 보여주는 실험이다.
제안 방법
- 각 통신 장비들은 기본적으로 폭우에 대비하여 반투명한 케이스의 방수 제품으로 구성을 하였으며, 내부에는 CDMA와 IEEE 802.15.4 [9] 기반의 게이트웨이 와 애드혹 기반 구조(Ad~hoc Infrastructure)를 지원하는 MMO(Multiple Input Multiple Output) 기반의 AP(Access Point)와 WLAN과 이더넷 모두를 지원 할 수 있는 웹 카메라 그리고 xDSL 모뎀으로 구성되었다. 게이트웨이는 경포호에 설치되어 있는 해수면 노드로부터 측정된 값을 전달 받기 위해 IEEE 802.
- 4 [9] 기반의 게이트웨이 와 애드혹 기반 구조(Ad~hoc Infrastructure)를 지원하는 MMO(Multiple Input Multiple Output) 기반의 AP(Access Point)와 WLAN과 이더넷 모두를 지원 할 수 있는 웹 카메라 그리고 xDSL 모뎀으로 구성되었다. 게이트웨이는 경포호에 설치되어 있는 해수면 노드로부터 측정된 값을 전달 받기 위해 IEEE 802.15.4 기반으로 구성을 한 반면 서버로의 데이터 전송을 위해서 CDMA방식으로 전송할 수 있도록 구성하였다. CDMA 방식을 채택한 이유는 지역적 특성으로 인해 xDSL로의 전송이 매우 불안정한 모습을 보였기 때문이다.
- 경포호에서 해양 환경 모니터링 시스템을 갖추기 위해 2007년 5월 8일 부터 수질 데이터를 측정할 수 있는 센서들을 설치하는 작업을 진행하여 그림 2와 같은 네트워크 구조를 구성하였다. 경포호 환경 모니터링 시스템의 네트워크 구조는 크게 측정 구역과 백본(Backbone) 망으로 구분되고, 각각 2가지로 세분화 할 수 있다.
- 해수면 센서 노드는 염도와 온도를 즉정할 수 있는 EC-250 해양 센서 모듈과 용존산소량과 온도를 측정할 수 있는 DOTOO이라는 모델이 장착된 노드로 구분 되어 있다. 또한 서버 부분에서는 웹 서버(Web Server)기능과 데이터베이스 기능을 사용하여 실시간 데이터분석이 가능하도록 하였으며 60일 동안 POSTGRE DB에 측정 데이터 값을 저장하였다. 그리고 웹 서버를 통하여 수집된 해양 환경 데이터는 그래프를 통하여 실시간으로 관측 가능하며 이를 통하여 해양 환경의 분석이 가능하게 하였다.
- 실시간 측정 데이터인 염도, 용존산소량, 온도를 모니터링 할 수 있도록 화면 우측에 그래프로 표현하였으며 웹 카메라에 비춰진 실제 경포호의 모습을 사용자가 볼 수 있도록 좌측화면에 배치하였다. 이러한 환경 모니터링 시스템을 사용자 및 관리자가 원격클라이언트에서 관측하고 분석할 수 있도록 하는 것이 모니터링 시스템의 본질적인 의도이다.
- 실시간 감시를 통해 센서의 이동성 및 전복 현상을 감지하여 빠른 시간 내 복구가 가능하도록 하는 유용한 장비이다. 웹 카메라는 이더넷 망에 접속되어 실시간으로 경포호의 화면을 사용자에게 보여주며 투명 방수 케이스에 밀봉되어 우천시와 같은 악천후에도 실시간 감시가 지속되도록 구성하였다.
- 4GHz의 주파수 범위에서 동작한다. 전 세계에서 공동으로 사용하는 24GHz 주파수 대 역을 사용하였으며 맥 부계층(MAC Sub-Layer) 에서 정의한 CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 메 커 니 즘을 사용하여 무선 채널을 액세스 한다.
- 네트워크로 구성되었다. 해수면에 설치된 노드는 트리 (Tree) 기반의 라우팅 (Routing)이면서 멀티 홉 라우팅이 가능하디: 그리고 전송 환경을 분석하여 에너지 상태가 가장 좋은 이웃 노드(Neighborhood Node)를 통하여 데이터를 전달하도록 구성되었다. 해수면에서 멀티 홉 라우팅 방식의 채택은 소모되는 에너지양의 최소화를 통해 무선 센서 네트워크에서 가장 중요한 부분 중의 하나인 배터리 한계를 극복하는 중요한 부분이다.
대상 데이터
- 데이터 전송 거리는 안테나의 성능에 의해 좌우된다. 경포호 환경 모니터링시스템에 설치된 안테나는 WLAN -Bluetootli 4 dBi Dipole Antenna (WE- 2405TO)로서 블루투스 기반의 다이폴(Dipole) 안테나는 일반적으로 사용되는 안테나이다' 경포호 환경 모니터링에 사용된 안테나의 데이터 전송 거리를 고려하여 150M 내외의 노드 배치를 구성하였다. 조수간만시의 해수면 반사 파가 무선 센서 통신의 전파 환경에 많은 영향을 미치고 있기 때문에 안테나의 높이도 고려하여야 한다.
- 또한 바다 미생물에 의한 노드의 파괴와 해수에 포함된 염소이온에 의한 센서 노드의 부식도 해양 환경에서의 고려 사항이다. 따라서 경포호의 염도에 적합하며 내약품성과 내식성이 우수한 316 스테인레스 강 (Stainless Steel)으로 제작된 센서를 사용하였다. 수중온도 및 염도를 측정하기 위해 Stevens Water Monitoring System사의 EC-250 센서를 사용하였으며 온도 및 용존산소량을 측정하기 위해 Stevens Water Monitoring Sy stems 사의 DO-100 센서를 사용하였다 [W.
- 있다. 또한 온도, 염도, 용존산소량 등 수질 환경을 측정할 수 있는 센서 9개를 경포호에 설치하였다. 해수면 센서 노드는 염도와 온도를 즉정할 수 있는 EC-250 해양 센서 모듈과 용존산소량과 온도를 측정할 수 있는 DOTOO이라는 모델이 장착된 노드로 구분 되어 있다.
- 센서 노드 설치 화면을 실시간으로 사용자에게 보여주기 위하여 D-LINK사의 DCS-5300 무선 인터넷 카페라(Wireless Internet C&mera)를 설치하였다. 실시간 감시를 통해 센서의 이동성 및 전복 현상을 감지하여 빠른 시간 내 복구가 가능하도록 하는 유용한 장비이다.
이론/모형
- 4G田 대 역폭에 250kbps 전송속도를 보장한다. 각 디바이스 노드간의 통신은 멀티 홉 애드혹 네트워크 프로토콜(Multi-hop Ad-hoc Network Protocol) 을 사용한다. 멀티 홉 네트워크는 수명이 제한된 배터리에 의해 구동되는 센서 노드로 구성됨으로, 전체 네트워크에서 소모되는 에너지를 최소화하여 시스템 성능을 개선할 수 있다는 점에서 해양 센서 네트워크에서도 필수적인 방식이다.
- 따라서 경포호의 염도에 적합하며 내약품성과 내식성이 우수한 316 스테인레스 강 (Stainless Steel)으로 제작된 센서를 사용하였다. 수중온도 및 염도를 측정하기 위해 Stevens Water Monitoring System사의 EC-250 센서를 사용하였으며 온도 및 용존산소량을 측정하기 위해 Stevens Water Monitoring Sy stems 사의 DO-100 센서를 사용하였다 [W.
성능/효과
- 판단된다. 경포호 환경에서 호수 안쪽의 경우 용존산소량과 온도의 상관관계는 반대로 나타난다는 것을 알 수 있었으며, 용존산소량의 경우 00시를 기준으로 7.5ppm(Parts Per Million)까지 감소하다가 06 시를 기준으로 14시까지 15ppm 증가하는 것으로 나타났으며 14시 이후에는 용존산소량이 감소하는 것으로 나타났다. 일반적으로 20°C의 상온에서 lOppm 정도의 용존산소량을 보유하는 것이 평균으로 보았을 때, 호수 안쪽의 경우 20~22.
- 둘째, 경포호 환경 분석 결과를 통해 경포호에 바닷물의 유입은 경포호 환경에 많은 이로움을 주는 것으로 판단된다. 경포호 환경에서 호수 안쪽의 경우 용존산소량과 온도의 상관관계는 반대로 나타난다는 것을 알 수 있었으며, 용존산소량의 경우 00시를 기준으로 7.
- 또한 더 먼 거리의 전송을 위해서 안테나의 출력을 높이는 것보다 안테나의 위치를 높게 설치하는 것이 전송 거리에 있어서 더 높은 이득을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다. 둘째, 해양 설치 노드는 파고에 매우 민감하다는 것을 알게 되었다. 경포호 환경 모니터 링 시스템에 설치된 부표의 경우 356kg이 넘는 무게를 견디는 제품이고, 고정을 위해서 170姑에 가까운 앵커를 설치하였지만, 파고에 의해서 중심이 흔들리면서 센서 및 부표에 영향을 주며 최악의 경우 센서 및 부표가 뒤집혀 해수면 아래로 침수되는 경우도 발생하였다.
- 즉, 기후 및 주변 환경에 의해 지상 환경보다 더 민감한 영향을 받는다. 또한 더 먼 거리의 전송을 위해서 안테나의 출력을 높이는 것보다 안테나의 위치를 높게 설치하는 것이 전송 거리에 있어서 더 높은 이득을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다. 둘째, 해양 설치 노드는 파고에 매우 민감하다는 것을 알게 되었다.
- 즉, 호수 안쪽의 경우 14 시를 기준으로 높은 온도를 나타내고 05시에 가장 낮은 온도를 나타내고 있지만, 바닷물과 밀물이 만나는 지점의 관측 정보의 경우 조석간만의 차이로 인해 생기는 온도의 차가 더 크다는 것을 보여 주었다. 셋째, 수심이 낮은 경포호의 경우 계절에 매우 민감한 요소를 나타내고 있다. 경포호의 경우 Im~2m 내외의 낮은 해수면과 2m~4m의 깊은 벌로 구성된 호수이다.
- 경포호 환경 모니터 링 시스템에 설치된 부표의 경우 356kg이 넘는 무게를 견디는 제품이고, 고정을 위해서 170姑에 가까운 앵커를 설치하였지만, 파고에 의해서 중심이 흔들리면서 센서 및 부표에 영향을 주며 최악의 경우 센서 및 부표가 뒤집혀 해수면 아래로 침수되는 경우도 발생하였다. 셋째, 수증 환경 모니터링 시스템에서는 에너지 기반의 멀티 홉 라우팅 기법이 매우 유용함을 알 수 있다. 시연에서 사용된 라우팅기법은 트리 라우팅을 이용한 에너지 기반의 멀티 홉 라우팅 알고리즘이다.
- 수질 환경을 측정할 수 있는 센서에는 온도, 염도, 용존산소량을 측정하는 센서 등이 있으며 이를 활용하여 60일 동안 해양 환경의 측정 결과를 토대로 경포호의 특성을 파악 할 수 있었다. 그림 15와 16은 경포호에서 실제 측정된 온도, 염도, 용존산소량 데이터 값들을 보여주는 그래프이다.
- 또한 밀물과 썰물현상이 발생하는 곳의 경우 5월 초에는 15°C~22笆사이를 나타내고, 6월에는 20°C~25°C의 분포를 보여주고 있다. 즉 바닷물과 만나는 지역의 온도가 호수 안쪽에 있는 지역보다 상대적으로 낮은 것으로 알 수 있으며, 조수간만의 차이로 온도가 크게 변화되는 시간을 제외하고는 일정한 분포의 그래프를 보여주고 있다는 것을 알 수 있다. 하지만 두 지 역모두 수심이 얕아 5월에 비해서 7월의 경우가 TC에서 최대 7*C 까지 더 높은 온도를 나타내고 있었다.
- 5월 16~19일, 6월 13~15일, 28- 30일 모두 경포호 수질 환경이 악화되는 것을 알 수 있었다. 즉 비로 인하여 수질 환경이 좋아지는 것이 아니라 경포호의 용존산소량이 낮아지면서 수질이 더 안 좋아지는 결과를 보여주고 있으며, 호수 내부에는 이러한 차이가 바닷물이 만나는 지점에 비해서 5ppm이상의 차이를 보여주는 것으로 나타났다. 또한 온도 측면에서도 호수 안쪽에서는 비가 오는 기간 동안 3°C이상의 온도 감소가 있었지만, 밀물과 썰물 현상이 발생하는 지점의 경우 rc안팎의 낮은 감소가 발생하였4.
- 온도변화의 중심이 호수 안쪽의 경우 하루의 주기를 기준으로 대기의 온도의 영향을 많이 받는 반면에, 바닷물이 만나는 경우에는 조수 간만의 차에 의해서 온도의 변화가 발생한다는 것이다. 즉, 호수 안쪽의 경우 14 시를 기준으로 높은 온도를 나타내고 05시에 가장 낮은 온도를 나타내고 있지만, 바닷물과 밀물이 만나는 지점의 관측 정보의 경우 조석간만의 차이로 인해 생기는 온도의 차가 더 크다는 것을 보여 주었다. 셋째, 수심이 낮은 경포호의 경우 계절에 매우 민감한 요소를 나타내고 있다.
- 첫째, 경포호 환경은 기존에 알려져 있던, 담수로 구성된 호수가 아니라는 점이다. 세계 평균 염도가 34.
- 첫째, 환경 부분에서 해수면의 경우 파도가 없는 환경에서도 지상 환경보다 더 많은 변화를 가질 수 있다. 해양 환경에서 해수면 노드의 경우 먼 거리의 데이터 전송은 최적의 상태에서는 지상 환경과 마찬가지로 2(X)m 가량의 데이터 전송이 가능하지만, 해수면 환경이 나쁠 경우 근거리 (70m) 밖에 전송을 하지 못한다.
후속연구
- 6장에서는 실제 관측된 데이터를 통해 경포호의 환경을 분석하였다. 결론에서는 현재의 경포호 환경 분석과 미래의 해양 환경 시스템에 적용하기 위한 응용 방안을 제시한다.
- 수집된 해양 환경 데이터들을 DB화하여 해양환경을 분석하는 유용한 자료가 됨을 보여주는 실험이다. 또한 시스템을 갖추기 위한 기반 여건들을 분석하고 해결함으로써 획득한 지식들을 통해 향후 응용 연구 과제에 필요한 기반기술로 이용될 것이다.
- 이러한 기본적인 수질 환경 분석을 위하여 경포호에서 진행된 실험은 해양 환경 분석과 환경 모니터링 기술의 기반연구 자료로 활용될 것이다’ 따라서 본 논문에서는 수질환경 모니터링을 위해 해양 환경과 유사한 경포호에서 실제 실험에 의한 데이터의 수집 및 데이터의 전송 기법 등을 통해 해양 환경 모니터링 시스템의 기반기술 및 응용방향을 제시한다.
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