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문제 정의
- 건설구조물 무선센서네트워크 현장 적용을 위한 기초실험으로, 건설구조물의 주재료인 철근과 콘크리트가 전파의 송수신에 어떠한 영향을 미치는지 분석하였다. 콘크리트의 두께, 철근간격, 전파의 방향, RF전원의 세기를 변수로 공시체를 600×600×100(mm) 등의 여러 가지 크기로 제작하였다.
- 건설현장 RTLS 활용을 위한 전파의 벽체 투과손실에 관한 실험적 연구가 진행(이종국 외, 2009)되었으며 이는 콘트리트 구조물 내부 에서 무선 전파를 보내 거리를 측정한 것이 아니라. 건설현장 벽체 투과 손실에 관한 실험적 연구를 하였다. 또한 콘크리트 구조물의 내부 진단을 하기 위한 연구로는 지하투과레이더 탐사를 이용하여 콘크리트 슬래브 내부진단에 관한 기초적 연구(홍성욱 외, 2007)가 있다.
- 본 실험에서는 새로운 유비쿼터스 컴퓨팅 기술 및 네트워킹 기술을 건설 산업에 활용하기 위하여 철근콘크리트 구조물에 내제된 센서노드의 무선통신 성능시험을 하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 주파수대역의 특성에 따른 주파수 파장의 영향을 분석하였다. 이를 통해 사회간접시설물에 무선 센서를 매설하여 외부손상 뿐만 아니라 구조물 내부의 변위 및 손상의 정도를 실시간 파악할 수 있는 유비쿼터스 개념의 사회간접시설 구축을 위한 기초 자료를 제공하고자 하였다.
- 이러한 구조물은 콘크리트, 물, 흙, 금속, 철근 등의 통신 성능이 급격히 저하되는 문제점이 발생하여, 원활한 통신이 이루어 지지 않고 있다(장정희 등, 2008). 이에 본 연구에서는 새로운 유비쿼터스 컴퓨팅 기술 및 네트워킹 기술을 건설 산업에 활용하기 위한 기초실험으로 유비쿼터스 건설구조물을 위한 Active RF 무선송수신 모듈을 콘크리트에 매입하여 주파수에 따른 콘크리트의 투과 깊이와 철근 배근 간격의 영향을 검토하였다.
제안 방법
- 기초실험으로써 무선통신모듈의 송수신 상태만 보기 위함이므로 온도, 조도, 습도센서가 부착 되어있는 Sensor를 사용하였다. 센서모듈은 cc2420의 RF chip을 사용하였으며, 주파수 대역은 2.
- 이는 컴퓨터로 전송되는 R31, R15와는 달리 송신모듈이 신호 강도를 보내면 수신모듈 자체에 불이 들어와 송수신이 되고 있음을 표시한다. 또한, R31과 S31의 RF세기를 31dB로 같게 실험하여, 컴퓨터 프로그램으로 수신하는 R31과 특수 제작된 송수신 모듈 S31의 결과를 비교함으로 실험의 정확도를 높였다.
- 무근콘크리트, 철근콘크리트에서의 무선통신 능력을 실험 하기 위하여, 먼저 모듈을 놓을 수 있는 홈이 파여진 베이스 판과, 다양한 두께의 무근콘크리트를 제작하였으며 5, 7, 10, 15cm의 간격으로 철근을 배근하여 타설하였다. 이때의 콘크리트 배합은 KS 기준배합을 따랐으며, 타설시 실험체의 규격은 수직방향 투과실험의 경우 가로, 세로의 길이는 600(mm)×600(mm)이며 두께별로 1, 3, 5, 10(cm) 각각 5개를 제작하였다.
- 또한, 각각의 node번호를 선택하면 선택된 node에 장착되어 있는 온도, 습도, 조도 센서들의 값의 확인이 가능하다. 베이스 판을 기준으로 콘크리트의 두께를 변화시켜가면서 그림 6과 같은 직선 연결을 통하여, 콘크리트 내부에 장착된 모듈의 송신 상태를 확인 하였다.
- 실험방법은 수직방향 투과실험방법과 같은 방법으로, 그림 12과 같이 수평방향 투과깊이를 측정하였다. 베이스 판을 오른쪽에 두고, 1, 3, 5, 20cm의 다양한 두께로 제작한 콘크리트를 이용하여 왼쪽 수평방향으로 쌓아가며 실험을 하여, 송수신 거리를 측정하였다. 수직방향투과성 실험에서 사용한 R15, R31, S31 송수신 모듈을 사용하여 실험하였다.
- 지하투과레이더탐사는 관측용 레이더를 지하 탐사에 응용한 탐사법으로 고주파의 전자기파를 지표와 접한 성신안테나를 통해 주매질 내부로 방사시키고, 주매질 내부의 매설물에 부ãH혀 반사되는 전파를 수신안테나에 pulse 전압으로 바꿔 모니터상에 반응 이미지를 나타냄으로서 대상 구조물의 탐사 내용을 해석할 수 있게 하는 물리탐사의 일종이다. 본 연구논문의 주는 유선 장비가 아닌 무선 장비를 이용하여 콘크리트 구조물 내부 에서의 송수신 상태를 검증하였다.
- 수직방향 전파투과성 실험의 경우 바닥 면과 측면으로의 전파투과의 영향을 차단하고, 수평방향의 전파투과성 실험의 경우 바닥 면과 상향으로의 전파투과의 영향을 차단하기 위하여 알루미늄 포일과 특수 케이스를 이용하였다. 또한, 그림 6과같이 Monitoring 을 이용하여 데이터 전송을 확인 하였다.
- 실험은 그림 13과 같이 콘크리트 판을 하나하나씩 쌓아 가면서 수신 가능 거리를 측정하였다. 실험방법은 수직방향 투과실험방법과 같은 방법으로, 그림 12과 같이 수평방향 투과깊이를 측정하였다. 베이스 판을 오른쪽에 두고, 1, 3, 5, 20cm의 다양한 두께로 제작한 콘크리트를 이용하여 왼쪽 수평방향으로 쌓아가며 실험을 하여, 송수신 거리를 측정하였다.
- 실험에서는 먼저 모듈의 성능을 실험하고, 실험결과 값과의 비교를 위하여 그림 7과 같이 자유공간에서 전송능력을 실험하였다. 실험은 H대학교 대운동장에서 하였으며, 실험은 외부환경의 영향을 최소화 하기위하여 공기 중의 습도가 낮은 오후 2시경에 실시하였다.
- 실험은 그림 13과 같이 콘크리트 판을 하나하나씩 쌓아 가면서 수신 가능 거리를 측정하였다. 실험방법은 수직방향 투과실험방법과 같은 방법으로, 그림 12과 같이 수평방향 투과깊이를 측정하였다.
- 이를 위하여 스펙트럼 아날라이저(Spectrum Analyzer)를 이용하여 콘크리트 두께별 전파의 크기 및 손실을 그림 14와 같이 측정하여 분석하였다. 위 실험과 같은 방법으로 실험값을 비교하기 위하여 자유공간에서의 스펙트럼을 측정하였으며, 무근콘크리트의 경우 10cm 간격으로 측정하였고, 철근콘크리트는 철근의 간격을 변화시켜 측정하였다.
- 이때의 콘크리트 배합은 KS 기준배합을 따랐으며, 타설시 실험체의 규격은 수직방향 투과실험의 경우 가로, 세로의 길이는 600(mm)×600(mm)이며 두께별로 1, 3, 5, 10(cm) 각각 5개를 제작하였다.
- 위에서 실시한 수직, 수평방향 투과 실험에서는 프로그램을 통하여 무선 통신의 송신 가능여부만 확인 가능하고, 전파의 전송 크기는 측정할 수 없었기 때문에 콘크리트 두께 별 정확한 전파의 크기 및 손실을 알 수가 없었다. 이를 위하여 스펙트럼 아날라이저(Spectrum Analyzer)를 이용하여 콘크리트 두께별 전파의 크기 및 손실을 그림 14와 같이 측정하여 분석하였다. 위 실험과 같은 방법으로 실험값을 비교하기 위하여 자유공간에서의 스펙트럼을 측정하였으며, 무근콘크리트의 경우 10cm 간격으로 측정하였고, 철근콘크리트는 철근의 간격을 변화시켜 측정하였다.
- 본 프로그램에서는 송신 가능여부 확인만 가능하고, 전파의 전송 크기는 측정되지 않으므로, 콘크리트 두께별 정확한 전파의 크기 및 손실을 알 수 없다. 이를 위해 스펙트럼 아 날라이저(Spectrum Analyzer)를 이용하여 콘크리트 두께별 전파의 크기 및 손실을 분석하였다.
- 이를 위해, 건설구조물에 가장 많이 사용되는 콘크리트와 철근을 재료로 하여 공시체를 제작하고, 내부에 무선통신 모듈이 장착되었을 때의 통신 가능거리와 두께별 전파의 세기를 측정하였다. 주파수대역의 특성에 따른 주파수 파장의 영향을 분석하였다.
- 이를 위해, 건설구조물에 가장 많이 사용되는 콘크리트와 철근을 재료로 하여 공시체를 제작하고, 내부에 무선통신 모듈이 장착되었을 때의 통신 가능거리와 두께별 전파의 세기를 측정하였다. 주파수대역의 특성에 따른 주파수 파장의 영향을 분석하였다. 이를 통해 사회간접시설물에 무선 센서를 매설하여 외부손상 뿐만 아니라 구조물 내부의 변위 및 손상의 정도를 실시간 파악할 수 있는 유비쿼터스 개념의 사회간접시설 구축을 위한 기초 자료를 제공하고자 하였다.
- 출발점에 송신 모듈을 고정시키고, 수신모듈의 거리를 점점 멀리하여 전송거리를 측정하였다.
- 콘크리트의 두께, 철근간격, 전파의 방향, RF전원의 세기를 변수로 공시체를 600×600×100(mm) 등의 여러 가지 크기로 제작하였다.
대상 데이터
- 실험 결과 120m 떨어진 곳에서 초당 860개의 데이터를 받았으며 데이터 결과 값을 바탕으로 %로 나타낸 것이다. 300m 떨어진 곳에서는 초당 560개의 데이터가 수집되었다. 이 결과 모두 통신 수신 상태 50% 이상으로 건설 구조물에 적용하기 양호한 것으로 검토되었다.
- 실험결과 자유공간에서의 송수신은 300m의 운동장 끝까지 다다를 때까지 가능했다. 그 이상은 실험을 할 수 없었으므로, 이에 본 실험에서는 자유공간에서 300m이상의 수신을 보인다고 보았다.
- 더욱더 정확한 실험을 위하여, 서로간의 통신만 가능하도록 특수 제작된 송신모듈 S31을 하나 더 내장하여 실험을 실시하였다. 이는 컴퓨터로 전송되는 R31, R15와는 달리 송신모듈이 신호 강도를 보내면 수신모듈 자체에 불이 들어와 송수신이 되고 있음을 표시한다.
- 본 논문에 사용된 실험 장치는 크게 모듈, 스펙트럼 아널라이즈, 침 안테나를 사용하였으며 사항은 다음과 같다. 시스템의 하드웨어는 크게는 센서노드와 싱크노드 되어있다.
- 본 실험에서 사용한 주파수 대역은 2.4GHz로 1초에 2.4×108번 진동한다.
- 본 실험에서는 그림 3의 R3131A모델의 스펙트럼 아날라이저를 사용하였고, 주파수는 2.4GHz, 수평축의 주파수 간격은 50MHz, 결과 값은 dBM(전파의 세기)으로 나타내었다.
- 기초실험으로써 무선통신모듈의 송수신 상태만 보기 위함이므로 온도, 조도, 습도센서가 부착 되어있는 Sensor를 사용하였다. 센서모듈은 cc2420의 RF chip을 사용하였으며, 주파수 대역은 2.4GHz이다. 2.
- 수직 방향 투과성 실험은 그림 10의 그림과 같이 특수 제작된 케이스 안에 그림 11의 베이스 판을 가장 밑에 놓은후 RF세기를 각각 31dB과 15dB로 다르게 한 R31과 R15를 내장하여 실험을 실시하였다.
- 베이스 판을 오른쪽에 두고, 1, 3, 5, 20cm의 다양한 두께로 제작한 콘크리트를 이용하여 왼쪽 수평방향으로 쌓아가며 실험을 하여, 송수신 거리를 측정하였다. 수직방향투과성 실험에서 사용한 R15, R31, S31 송수신 모듈을 사용하여 실험하였다.
- 수평방향의 가로, 높이 길이는 600(mm)×100(mm)이며, 두께별로 1, 3, 5, 20(cm)을 각각 5개 제작 하였다.
- 실험에서는 먼저 모듈의 성능을 실험하고, 실험결과 값과의 비교를 위하여 그림 7과 같이 자유공간에서 전송능력을 실험하였다. 실험은 H대학교 대운동장에서 하였으며, 실험은 외부환경의 영향을 최소화 하기위하여 공기 중의 습도가 낮은 오후 2시경에 실시하였다.
- 9, 최대치수 13mm를 사용하였다. 잔골재의 비중은 2.62이며, 표준사를 사용하였다. 철근은 D16의 이형철근을 사용하여 배근하였다.
- 콘크리트의 두께, 철근간격, 전파의 방향, RF전원의 세기를 변수로 공시체를 600×600×100(mm) 등의 여러 가지 크기로 제작하였다. 제작시 사용한 실험 재료 시멘트는 KSF 5201에 만족하는 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 OPC)로서 비중은 3.15, 분말도는 3,341cm2/g을 사용하였고, 굵은 골재는 비중 2.65, 조립률 2.9, 최대치수 13mm를 사용하였다. 잔골재의 비중은 2.
성능/효과
- 1. 무선 통신 모듈의 사용성을 검증하기 위하여, 자유공간에서의 송수신 Test를 하였을 때, 300m이상의 통신 거리를 보였다. 이는 무선통신 모듈을 구조물의 외부에 부착하여 사용할 수 있다고 판단된다.
- 2. 무근 콘크리트의 수직·수평방향 무선통신 거리를 측정한 결과, 수직 방향의 경우 45cm의 깊이를 투과하였고, 수평 방향의 경우는 47cm를 투과 하였다.
- 3. 무근 콘크리트의 수직·수평방향 투과실험에서 수평방향의 투과깊이가 더 크게나온 것은 본 실험에서 사용된 모듈의 안테나 패턴 방향성의 영향을 받은 것으로, 안테나 패턴이 수직방향보다, 수평방향으로 더 큰 값을 보이기 때문에 투과가 더 잘 되는 것으로 판단된다.
- 4. 철근콘크리트의 스펙트럼을 통하여 무선통신시 전파의 감쇄를 실험한 결과, 철근을 5cm의 간격으로 배근하였을 때는 -60dBm을 나타냈고, 10cm의 배근간격에서는 -51dBm 을, 15cm로 배근하였을 때는 -50dBm의 전파크기를 나타냈다. 15cm배근에서와 10cm배근 사이에서는 1dBm의 전파감쇄를 보였고, 10cm에서 7cm는 4dBm, 7cm에서 5cm 사이는 4dBm의 전파 감쇄가 일어났다.
- 5. 철근배근 간격 10cm에서와 15cm간격에서는 -1dBm의 감쇄를 보인 것은 미세한 차이로 감쇄현상이 일어나지 않는 것으로 보았다. 이러한 결과를 통하여 구조물 내에 무선센서를 적용 할 때 철근간격을 15cm이상으로 하면, 철근의 영향을 받지 않는다.
- 6. 2.4GHz의 주파수 칩 안테나의 전파의 흡수는 파장(λ) 12.5cm 보다 큰 도체에서 일어나므로, 철근배근간격 5cm, 7cm의 철근콘크리트는 무선통신에 철근이 많은 전파를 흡수하여, 통신장애가 일어나고 10cm는 대직각 방향은 전파의 흡수가 일어나지만 대각선방향은 전화의 흡수가 있어 나지 않는다.
- 7. 위의 같은 결과를 종합하여 보면, 철근과 콘크리트로 이루어진 건설구조물에 유비쿼터스 Active RF 무선 모듈의 적용 가능한 것으로 나타났다.
- Spectrum Analyzer를 이용하여 전파의 감쇄를 측정한 결과, 자유공간에서는 -27dBm을 보였다. 또한, 표 4에서 보는 바와 같이 무근 콘크리트의 경우 10cm두께에서는 -47dBm, 30cm 에서는 64dBm, 50cm에서 -71dBm으로 콘크리트의 두께가 증가할수록 전파의 손실 값이 확연하게 드러났다.
- S31과 같은 결과를 보였다. 결과적으로 R15와 R31을 비교하였을 때, RF세기가 클수록 더 많이 투과된다고할 수 있다.
- 결과적으로, λ인 12.5cm보다 짧게 배근된 5cm, 7cm간격의 철근콘크리트는 무선통신에 철근이 많은 전파를 흡수하여, 통신장애가 일어나는 것으로 판단된다.
- 또한, 철근간격 7cm와10cm 사이에는 전파가 -4dBm이 감소하였다. 결과적으로, 10cm까지는 약간의 철근의 영향을 받는 것으로 나타났으며, 15cm에서는 큰 변화가 없는 것으로 보아, 위의 투과성 실험에서와 마찬가지로 15cm의 철근간격은 전파투과에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 15cm배근에서와 10cm배근 사이에서는 1dBm의 전파감쇄를 보였고, 10cm에서 7cm는 4dBm, 7cm에서 5cm 사이는 4dBm의 전파 감쇄가 일어났다. 결과적으로, 철근 배근간격이 좁아질수록 전파의 감쇄는 증가하였으며, 이러한 결과는 철근이 무선통신에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 또한, R15, R31, S31 모두를 보았을 때 5cm로 철근을 배근했을 때보다, 15cm로 배근했을 때가 투과가 더 잘 되 었고, 무근콘크리트일 때 투과가 가장 잘되었다. 또한, 그림 13에서 보는 바와 같이 철근의 배근 간격이 점점 커질수록 투과깊이가 선형적으로 증가하는 것을 보아, 무선 통신시 철근의 배근간격에 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 또한, R15, R31, S31 모두를 보았을 때 5cm로 철근을 배근했을 때보다, 15cm로 배근했을 때가 투과가 더 잘 되 었고, 무근콘크리트일 때 투과가 가장 잘되었다. 또한, 그림 13에서 보는 바와 같이 철근의 배근 간격이 점점 커질수록 투과깊이가 선형적으로 증가하는 것을 보아, 무선 통신시 철근의 배근간격에 영향을 받는 것으로 나타났다. 또한, 그림 15에서 철근 간격이 15cm이상 되었을 때는 무근콘크리트와 같은 투과를 보인 것으로 보아, 철근 간격 15cm이상 되었을 때는 철근의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
- 본 프로그램에서는 송신 가능여부 확인만 가능하고, 전파의 전송 크기는 측정되지 않으므로, 콘크리트 두께별 정확한 전파의 크기 및 손실을 알 수 없다. 이를 위해 스펙트럼 아 날라이저(Spectrum Analyzer)를 이용하여 콘크리트 두께별 전파의 크기 및 손실을 분석하였다.
- 그림 8은 초당 1천개 센싱 데이터를 받았으며 120m 떨어진 곳에서의 결과 값을 나타낸 것이다. 실험 결과 120m 떨어진 곳에서 초당 860개의 데이터를 받았으며 데이터 결과 값을 바탕으로 %로 나타낸 것이다. 300m 떨어진 곳에서는 초당 560개의 데이터가 수집되었다.
- 실험결과 자유공간에서의 송수신은 300m의 운동장 끝까지 다다를 때까지 가능했다. 그 이상은 실험을 할 수 없었으므로, 이에 본 실험에서는 자유공간에서 300m이상의 수신을 보인다고 보았다.
- 콘크리트 두께 60cm에서는 -75dBm으로써 거의 전파가 전송이 되지 않는 것으로 보았다. 실험결과로 보아 모듈의 무선통신은 45cm까지 가능한 것으로 나타났다.
- 300m 떨어진 곳에서는 초당 560개의 데이터가 수집되었다. 이 결과 모두 통신 수신 상태 50% 이상으로 건설 구조물에 적용하기 양호한 것으로 검토되었다. 50% 이하일 경우 센싱 불능 및 데이터 획들 불가 등 실제 구조물에 적용이 어려운 것으로 판단된다.
- 이를 이용하여 실험결과를 분석한 결과, 그림 18과 같이 철근의 간격이 직각 대각선 방향 모두 λ이내인 경우에는 전파가 통과 할 수 있는 최대 길이가 λ보다 짧게 되므로 도체인 철근에 전파가 흡수되게 된다.
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