[논문]웹 환경에서 임베디드 시스템을 이용한 VOC센서 원격 신호 모니터링 시스템 개발

박진관; 임해진; 남시병

doi:10.5762/kais.2011.12.1.375

웹 환경에서 임베디드 시스템을 이용한 VOC센서 원격 신호 모니터링 시스템 개발
Developing of VOC sensor Signal Processing System using Embedded System on the Web Environment 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.12 no.1, 2011년, pp.375 - 383

박진관 ((주)센코) , 임해진 (강원대학교 전자정보통신공학부) , 남시병 (강원대학교 전자정보통신공학부)

초록
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디지털 기술의 눈부신 발전과 인터넷 서비스의 다양화로 인하여 USN 시스템에서 임베디드 웹서버를 이용한 모니터링 시스템에 관한 연구가 활성화 되고 있는 추세이다. USN 시스템 구성 시 무선센서 모듈들을 사용할 경우 센서를 정상적으로 동작시키기 위해 히팅 전력이 필요한 센서에서는 과도한 전력 소모에 의해 효율적이지 못하다. 본 연구에서는 웹 환경에서 임베디드 시스템을 이용한 VOC 센서 신호 원격 모니터링 시스템개발을 목적으로 USN 시스템에서 센서 모듈들로부터 직렬버스 방식으로 오염 데이터 스트림을 처리하는 방법을 제안하였다. 센서 모듈의 전력을 직렬버스 라인과 함께 전력을 공급하도록 반연구적으로 실시간 적인 오염 감시를 할 수 있는 장점을 보유하고 있다. 오염 검출 대상은 페인트와 같은 화학물질에서 다량 검출되는 Toluene가스를 대상으로 하였으며 센서 모듈은 FIGARO사의 TGS-2602 VOC(Volatile Organic Compounds)센서로 구성하고 검출된 신호는 직렬버스 방식인 RS-485를 이용하여 임베디드 웹서버로 전송하였다. 검출된 신호는 사용자가 웹상에서 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 하기위하여 VOC 센서 모듈과 임베디드 웹서버(EMPOS-II)를 연동하여 인터넷이 연결되어 있는 어느 곳에서나 유해 물질 검출 여부를 모니터링하고 감시할 수 있는 원격 VOC 센서 신호 모니터링 시스템을 구성하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recent advances in digital technology and diversified internet services have resulted in a rapid growth of research on monitering systems using embedded web servers in USN systems. In designing USN systems equipped with wireless sensor modules requiring extra power for heating sensors for their appropriate operations, excessive power consumption introduces inefficiency to the entire system. In this paper, using embedded systems in web environment, we develop a remote-monitoring system with VOC (Volatile Organic Compounds) sensor signal, and propose a real time method of processing sensor-data streams by way of the serial bus from the sensor module in the USN system. The proposed system has an advantage of monitering the harmful gases on real-time basis and can be used semi-permanently by providing the sensor module with power through the serial bus. The harmful gas to be detected by the VOC sensor module is Toluene and the sensor module is composed of TGS-2602 VOC(Volatile Organic Compounds) sensors of FIGARO. The detected signal is transferred to the embedded web server using the RS-485 serial communication device. The proposed remote VOC monitering system is designed to coordinate in such a way that the VOC sensor module and embedded web server (EMPOS-II) work together effectively for real time monitering of harmful gases on the web at any places where the internet is connected.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그림에서 X축은 가스 농도(ppm)이고 Y축은 센서 저항비(sensor resistance ratio)이며, 본 연구에서는 Toluene 검출을 목적으로 하였으며 Toluene 5ppm 의 저항비는 0.03 ∼ 0.14 사이에서 나타나며 저항비는 식 (1)과 같이 정의 된다[6].
본 논문에서는 직렬버스를 이용하여 한 개 그룹에 32개의 센서 모듈을 연결하고 Toluene 가스량을 검출하여 실시간적으로 모니터링 하는 USN 구성을 목적으로 하고 있다. 먼저 VOC센서의 성능 평가를 위하여 그림 13과 같이 밀폐된 항온항습 챔버 안에 센서 모듈을 넣은 후 Air 100PPM과 Toluene 5ppm을 주입하였다.
본 연구에서는 온도에 따른 센서 출력 값을 보상하기 위하여 마이크로프로세서 내에 펌웨어에 그림 7과 같이 온도 보상테이블을 값을 저장하고 측정된 주변 온도에 따라 센서 출력 값을 보상하였다.
본 연구에서는 웹 환경에서 임베디드 시스템을 이용한 VOC 센서 신호 원격 모니터링 시스템을 개발하여 웹에서 실시간 적인 센서 데이터 모니터링 방법을 제안하였다. USN시스템을 구성할 때 일반적으로 무선 센서 모듈을 이용한다.
본 연구에서는 직렬버스통신(serial bus communication) 방식을 이용하여 소규모 센서 네트워크로부터 수집된 다량의 센서데이터 스트림들을 인터넷 상에서 실시간적으로 모니터링할 수 있는 시스템의 구성 방법을 제안한다.

제안 방법

대기 오염도 감시를 위해 센서 모듈은 Toluene가스를 검출대상으로 하여 VOC(Volatile Organic Compounds)센서 및 기타 유독가스 검출 센서들로 구성한다[5,6]. 각 센서 모듈들은 센서데이터를 수집하고 수집된 데이터 스트림을 직렬버스를 통하여 웹서버로 전송하며 게이트역할을 하는 웹서버는 임베디드 리눅스 운영체제를 기반으로한 임베디드 시스템을 이용하여 실시간으로 VOC 센서 신호를 처리하여 웹상에서 서비스를 제공한다.
2VDC이다. 그리고 본 연구에서는 로드저항 R_L을 6,000Ω으로 설계하였다.
그림에서 VOC 센서 모듈은 단독 건물 내에서 발생하는 Toluene을 검출하기 위하여 32개의 모듈들로 구성하였으며 모듈에서 검출된 센서 신호는 RS-485 통신으로 임베디드 웹서버(EMPOS-II)로 전송하였다. 전송된 데이터는 인터넷으로 사용자에게 실시간적으로 모니터링 서비스를 제공하였다.
따라서 본 연구에서 제안한 방법은 소규모 USN 시스템에서 센서 모듈들을 직렬 버스 방식으로 구성하여 버스선과 함께 전원을 공급함으로서 효율적으로 시스템을 운영할 수 있다.
본 논문에서는 직렬버스를 이용하여 한 개 그룹에 32개의 센서 모듈을 연결하고 Toluene 가스량을 검출하여 실시간적으로 모니터링 하는 USN 구성을 목적으로 하고 있다. 먼저 VOC센서의 성능 평가를 위하여 그림 13과 같이 밀폐된 항온항습 챔버 안에 센서 모듈을 넣은 후 Air 100PPM과 Toluene 5ppm을 주입하였다. 실험을 하기위해 제작된 센서 모듈은 그림 14와 같다.
본 연구에서 제안한 USN의 통신방식은 센서모듈의 출력단에 연결된 RS-485로부터 직렬 버스선 RXD, TXD 에 공유하여 연결하였다. 웹서버는 임베디드 시스템인 EMPOS-II(PXA255 Embedded CPU로 구성된 임베디드 시스템)을 사용하였으며 센서 모듈과 직렬버스 통신을 하기위하여 RS-485 변환기를 연결하였다.
웹서버는 임베디드 시스템인 EMPOS-II(PXA255 Embedded CPU로 구성된 임베디드 시스템)을 사용하였으며 센서 모듈과 직렬버스 통신을 하기위하여 RS-485 변환기를 연결하였다. 본 연구에서는 EMPOS-II에서 그림 10과 같이 프로토콜을 설계하여 센서 모듈들과 송수신 하였다. 그림에서 EMPOS-II에서 센서 모듈로 전송하는 데이터는 기본적으로 시작 문자와 센서 모듈 ID, 제어 데이터, 종료문자들로 구성되어 있으며 센서 모듈 ID는 센서 모듈 각각의 고유번지를 지정하게 되며 본 연구에서는 01부터 32까지 설정하였다.
웹서버는 EMPOS-II 임베디드 보드의 메모리 공간에서 무리 없이 동작시키기 위하여 Goahead 웹서버와 QT/E를 이용하여 시스템을 구현하였다[11-13].
본 연구에서 제안한 USN의 통신방식은 센서모듈의 출력단에 연결된 RS-485로부터 직렬 버스선 RXD, TXD 에 공유하여 연결하였다. 웹서버는 임베디드 시스템인 EMPOS-II(PXA255 Embedded CPU로 구성된 임베디드 시스템)을 사용하였으며 센서 모듈과 직렬버스 통신을 하기위하여 RS-485 변환기를 연결하였다. 본 연구에서는 EMPOS-II에서 그림 10과 같이 프로토콜을 설계하여 센서 모듈들과 송수신 하였다.
검출된 신호는 마이크로프로세서의 펌웨어에서 소프트웨어적으로 온도에 따른 보상과정을 거쳐서 직렬버스 방식인 RS-485로 전달하였다. 임베디드 시스템은 PAX255 CPU를 탑재한 HBE-EMPOSII를 이용하였으며 GOAHEAD 웹서버를 탑재하여 인터넷이 연결되어 있는 어느 곳에서나 사용이 가능 하도록 하였다.
센서 데이터 스트림을 웹서버로 전송하기 위하여 마이크로프로세서 내부에 포함된 RS-232 통신을 사용하였다. 직렬버스방식으로 다자간 통신이 가능 하고 최대 송신거리가 1.2 Km의 원거리 전송이 가능한 RS-485통신 방식을 사용하여 마이크로프로세서에 받은 데이터들을 임베디드 웹서버로 전송한다.

대상 데이터

1V로 나타났다. 250초부터 Toluene 5ppm을 주입하였다.
본 연구에서는 EMPOS-II에서 그림 10과 같이 프로토콜을 설계하여 센서 모듈들과 송수신 하였다. 그림에서 EMPOS-II에서 센서 모듈로 전송하는 데이터는 기본적으로 시작 문자와 센서 모듈 ID, 제어 데이터, 종료문자들로 구성되어 있으며 센서 모듈 ID는 센서 모듈 각각의 고유번지를 지정하게 되며 본 연구에서는 01부터 32까지 설정하였다. 센서 모듈의 마이크로프로세서 펌웨어는 EMPOS-II에서 전송된 센서 모듈 ID값이 해당 센서 모듈 ID와 같으면 해당 센서 모듈의 펌웨어는 시작 문자, 해당 센서 모듈 ID, 센서들로부터 변환된 Toluene가스센서 값, 종료문자를 생성하여 EMPOS-II로 전송한다.
본 연구에 사용된 마이크로프로세서는 Atmega-8L을 사용하였다. 마이크로프로세서에 저장되어 있는 펨 웨어(Firmware)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 다음 RS-485 통신 채널로 전송해 주며, AD변환기, 통신 프로토콜, 센서 보상 등의 전반적인 시스템 제어를 위한 프로그램이다.
본 연구에서는 환경오염 감시를 목적으로 한 센서 모듈을 구성하였으며, 감시 대상 오염물은Toluene가스로 하였다. Toluene가스는 페인트 등에서 방출되며 인체에 흡입되면 중추신경 계통 기능이 저하되고, 간 기능 장애를 초래하는 것으로 알려져 있다[7-9].
Toluene가스는 페인트 등에서 방출되며 인체에 흡입되면 중추신경 계통 기능이 저하되고, 간 기능 장애를 초래하는 것으로 알려져 있다[7-9]. 사용된 센서는 반도체식 가스 센서로서 FIGARO사의 TGS-2602 센서를 사용하였다. TGS-2602는 VOC센서로서 악취 및 향기에 민감하며 실내에서 발생되는 담배 연기, 암모니아, 음식물 조리 시 발생하는 냄새, 특히 페인트에서 발생하는 Toluene등 여러 가지 가스에 의한 공기 오염도를 검출하는데 높은 감도를 가지고 있다.
센서 데이터 스트림을 웹서버로 전송하기 위하여 마이크로프로세서 내부에 포함된 RS-232 통신을 사용하였다. 직렬버스방식으로 다자간 통신이 가능 하고 최대 송신거리가 1.
따라서 본 연구에서 제안한 방법은 소규모 USN 시스템에서 센서 모듈들을 직렬 버스 방식으로 구성하여 버스선과 함께 전원을 공급함으로서 효율적으로 시스템을 운영할 수 있다. 오염검출 대상은 Toluene 가스를 대상으로 하였으며 연구에 사용된 센서 모듈은 VOC 센서를 장착한 센서 모듈로서 저항비(R_s/R_L)에 의해 오염도를 검출하였다. 검출된 신호는 마이크로프로세서의 펌웨어에서 소프트웨어적으로 온도에 따른 보상과정을 거쳐서 직렬버스 방식인 RS-485로 전달하였다.

성능/효과

최종 값의 90%를 정상도달 응답속도로 본다면 TGS-2602 VOC센서 응답 속도는 약 100초로 나타났다. 1250초에서 가스를 차단하고 신선한 공기하였을 때 2000초에 센서가 안정화 되는 것을 보였다. 그림 16은 검출된 Vout로부터 센서 저항 값을 구한 그림이다.
오염검출 대상은 Toluene 가스를 대상으로 하였으며 연구에 사용된 센서 모듈은 VOC 센서를 장착한 센서 모듈로서 저항비(R_s/R_L)에 의해 오염도를 검출하였다. 검출된 신호는 마이크로프로세서의 펌웨어에서 소프트웨어적으로 온도에 따른 보상과정을 거쳐서 직렬버스 방식인 RS-485로 전달하였다. 임베디드 시스템은 PAX255 CPU를 탑재한 HBE-EMPOSII를 이용하였으며 GOAHEAD 웹서버를 탑재하여 인터넷이 연결되어 있는 어느 곳에서나 사용이 가능 하도록 하였다.
소규모 그룹 USN 시스템에서 전력소모가 많은 센서모듈들로 구성된 경우 배터리에 의존하여 동작하는 기존의 무선 센서 모듈은 전력공급에 제한이 있다. 그러나 본연구에서 제안한 직렬버스 방식으로 USN을 구성할 경우 전력공급 및 고속 데이터 스트림 처리 등의 안정된 모니터링 시스템을 구성할 수 있다는 장점이 있음을 알 수 있다.
제안된 방법으로 USN 시스템을 구성할 때 전력 소모가 큰 센서 모듈을 대상으로 시스템을 구성하는데 효과적인 방법이라고 판단된다. 뿐만 아니라 고속으로 다량의 센서 데이터 스트림을 수집하는데 효과적이다.
2V의 정상 값이 추출되었다. 최종 값의 90%를 정상도달 응답속도로 본다면 TGS-2602 VOC센서 응답 속도는 약 100초로 나타났다. 1250초에서 가스를 차단하고 신선한 공기하였을 때 2000초에 센서가 안정화 되는 것을 보였다.

후속연구

향후 본 연구 결과물을 이용하여 소규모 UNN시스템을 구성하였을 때 무선 모듈과 같이 전원 배터리 교체 없이 반 연구적으로 사용 가능할 것으로 보이며 홈네트워크, 한방, 의료, 실내 공기 질 측정 등 많은 서비스 분야로 사용 될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TGS-2602의 특징은?	사용된 센서는 반도체식 가스 센서로서 FIGARO사의 TGS-2602 센서를 사용하였다. TGS-2602는 VOC센서로서 악취 및 향기에 민감하며 실내에서 발생되는 담배 연기, 암모니아, 음식물 조리 시 발생하는 냄새, 특히 페인트에서 발생하는 Toluene등 여러 가지 가스에 의한 공기 오염도를 검출하는데 높은 감도를 가지고 있다.
	Toluene가스의 문제점은?	본 연구에서는 환경오염 감시를 목적으로 한 센서 모듈을 구성하였으며, 감시 대상 오염물은Toluene가스로 하였다. Toluene가스는 페인트 등에서 방출되며 인체에 흡입되면 중추신경 계통 기능이 저하되고, 간 기능 장애를 초래하는 것으로 알려져 있다[7-9]. 사용된 센서는 반도체식 가스 센서로서 FIGARO사의 TGS-2602 센서를 사용하였다.
	일반적으로 제한된 공간에서 소규모 센서 네트워크를 구성할 때 사용하는 방법인 무선 센서 노드 모듈들로 네트워크를 구성하여 데이터를 수집하고, 수집된 데이터들은 게이트웨이나 웹서버를 통하여 인터넷 망에 서비스를 제공하는 방법의 문제점은?	수집된 데이터들은 게이트웨이나 웹서버를 통하여 인터넷 망에 서비스를 제공한다[3,4]. 이러한 시스템의 문제점은 고가의 무선 센서 모듈 (wireless sensor module)들의 하드웨어와 실시간적으로 전송할 수 있는 무선 데이터 스트림 크기의 제한성 및 모듈 구동을 위한 전원공급의 한계점 등의 문제점이 나타나고 있다. 특히 실시간적으로 다량의 센서 데이터 스트림들을 처리하는 소규모 네트워크분야에서는 무선 센서 노드에만 의존할 경우 한계점을 나타나고 있다.

참고문헌 (14)

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Emil Jovanov, Dejan Raskovic, John Price, John Chapman, Anthony Moore, Abhishek, Krishnamurthy, "Patient Monitoring Using Personal Area Networks of Wireless Intelligent Sensors", Biomed Sci Instrum. vol 37, pp. 373-381, 2001.

상세보기
Tokihiro FUKATSU, and Masayuki HIRAFUJI, "Field Monitoring Using Sensor-Nodes with a Web Server", Journal of Robotics and Mechatronics, Vol. 17 No. 2, pp. 164-172, 2005.

상세보기
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유창영 외, "리눅스 디바이스 드라이버", 한빛미디어, 2004.
"Getting Started with HBE-EMPOS II" (주)한백전자
http://www.maxim-ic.com

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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