[논문]CDMA기반 전자부자 흐름 패턴 시스템 설계 및 구현

김동현; 이채석; 김종덕

doi:10.6109/jkiice.2012.16.12.2619

CDMA기반 전자부자 흐름 패턴 시스템 설계 및 구현
A Design and Implementation of CDMA based Electronic Float Flow Pattern System 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.16 no.12, 2012년, pp.2619 - 2627

김동현 (부산대학교 컴퓨터공학과) , 이채석 (부산대학교 컴퓨터공학과) , 김종덕 (부산대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

전자 부자 흐름 패턴 시스템은 위치 측위 기술과 여러 가지 통신 기술을 이용하여 원격에서 부자의 위치를 모니터링 함으로써 하천의 유량을 예측할 수 있다. 현재 자연하천의 흐름 패턴을 분석하기 위해 여러 형태의 수동 부자들이 사용되고 있다. 수동 부자를 이용한 유량 측정은 유량을 측정하기위해 거리와 시간을 직접 측정한 후 이것을 이용한다. 이러한 방법은 측정방법과 정확한 유량 측정 측면에서 효율적이지 못하다. 이러한 문제를 극복하기 위해 본 연구진은 CDMA, GPS 그리고 2.4GHz기반의 RF모듈을 이용하여 전자부자를 설계 및 구현했다. 그리고 전자부자의 위치정보와 흐름 패턴 정보를 알기 위한 모니터링 시스템을 설계 및 구현하였다. 더불어 배터리로 동작하는 전자부자에서 짧은 life cycle은 전자부자를 이용한 흐름 패턴 시스템에서의 효용성을 떨어뜨린다. 이를 극복하기 위해 전자부자 흐름 패턴 시스템의 전자부자를 위한 전원 절약 기법을 설계하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The electronic float flow pattern system can predict a rate of flow of river by monitoring a location of float in remote with location measurement technology and a variety of communication technology. Now, to analyze the flow pattern of the natural streams, we use the manual floats in many forms. The measurement of a rate of flow using a manual float measures the distance and time of the manual float directly and uses it. It is inefficient for measurement method and exact a rate of flow of river. To overcome this problems, we designed and implemented the electronic float using CDMA, GPS, and RF module. Then, to get the location information and a rate of flow information, we designed and implemented the monitoring system for the electronic float flow pattern. The short life cycle of electronic float using the battery decreases the utility of the electronic float flow pattern system. Then, we design the power saving method to reduce the power of the electronic float in electronic float flow pattern system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그리고 전자부자의 설계 및 구현과 별개로 효율적인 유량 예측을 위해 전자 부자를 기반으로한 흐름 패턴 시스템을 설계 및 구현하였다. 구현된 시스템은 실험을 통해 성능과 편의성을 확인하고자 한다.
본 논문에서는 현재 사용하고 있는 봉부자를 대체할 전자부자를 이용한 흐름 패턴 시스템을 설계하고 구현한 후 실험을 통해 성능을 검증하였다.
본 연구는봉 부자에서 제공하지 못했던 실시간성, 편의성과 전자부자에서 요구되는 저전력성을 중요 지표로 설계하였다.
우리는 유속의 특징을 보다 편리하면서 정확하게 얻기 위해 CDMA, GPS, RF모듈을 이용한 전자부자 흐름 패턴 시스템을 설계하고자 한다.

제안 방법

그림4는 미들웨어에서 전달되는 정보를 이용하여 사용자가 확인하는 과정을 나타내고 있다. Web기반 모니터시스템은 지도를 기반으로 실시간으로 시스템의 현재 상황을 파악할 수 있도록 설계하였다. 미들웨어의 DB로부터 전달받은 전자부자의 정보는 Map Engine을 통해 지도와 매칭을 한다.
이러한 수동 봉부자 유량측정법의 제한사항을 극복하기 위해, 본 연구진은 CDMA(Code Division Multiple Access), GPS(Global Positioning System), 센서네트워크 기능을 활용한 전자부자를 설계 및 구현하였다. 그리고 전자부자의 설계 및 구현과 별개로 효율적인 유량 예측을 위해 전자 부자를 기반으로한 흐름 패턴 시스템을 설계 및 구현하였다. 구현된 시스템은 실험을 통해 성능과 편의성을 확인하고자 한다.
미들웨어는 크게 Application과 연결을 하기 위한 Interface와 데이터베이스, 데이터베이스를 조절하기위한 데이터베이스 Manager 그리고 단말로부터 들어오는 정보를 DB로 입력하기위한 Gateway로 이루어진다. 단말의 정보는 Application까지 단방향으로 동작하면 되지만 특정 메시지들은 Application에서 단말까지 전달되어야하기 때문에 양 방향성을 고려하여 구현하였다.
전자 부자 흐름 패턴 시스템에서 전자부자의 효과적인 전원관리를 위해 전자부자와 상황실 간을 조절 채널과 데이터 채널로 구성하였다. 데이터 채널은 GPS로 부터 수집된 위치정보, 방향정보 등을 상황실로 전송하기위해 사용하고 Control 채널은 상황실의 Control message에 따라 전자부자의 수신 주기를 조절하기 위해 사용한다.
모니터링 시스템은 웹기반으로 구현되었으며 실시간성을 보장하기위해 Quick Response 기능과, 전원 조절 메시지 등을 생성 전달하도록 하였다. 예를 들어 GPS의 위치 정보 갱신 주기와 CDMA정보 전송 주기를 설정하고 Message를 전달하면 전자부자가 갱신주기를 변경하여 작동하도록 하였다.
그림은 실제 테스트를 위한 모니터링 시스템의 GUI를 보여준다. 모니터링 시스템의 구성은 지도, 전자부자의 현재속도, 평균속도 등을 위한 차트와 로그로 구성하였다.
그리고 5개 부자의 현재 속도, 누적 속도 등을 통해 유량을 계산할 수 있었다. 모니터링 주기를 변경하여 유속이 빠른 곳에서는 1초 주기로 유속이 늦은 지역에서는 최대 1분 주기로 모니터링을 실시하여 화면의 표기를 확인하였다. 실험 후 실험주기를 계산하여 배터리 소모를 확인하였다.
전자부자의 경우 배터리로 동작을 하기 때문에 전원을 효율적으로 사용하기 위한 방안이 필요했다. 물론 CDMA와 GPS만 사용하는 시스템을 위해 통제실에서 전자부자의 정보 전달주기를 변경하도록 설계 및 구현했으며 배터리 소모가 많은 CDMA모듈을 사용하지 않고 Sensor 모듈을 이용한 전원 절약 방법을 설계하였다.
미들웨어는 전자 부자의 정보를 수집하기 위한 Gateway와 수집된 정보를 DataBase에 저장하여 관리하기 위한 DB Manager, 저장된 DB를 모니터링 하기 위한 모니터링 시스템 연동 Engine으로 나누어 설계하였다. 그림3은 미들웨어의 구성도를 단말기정보에서부터 웹 어플리케이션까지 경로를 이용하여 묘사하고 있다.
본 연구에서 구현한 전자부자 흐름패턴 시스템의 성능을 확인하기 위해 전자부자를 표면부자에 설치할 수 있도록 표면부자를 제작하였다. 표면부자 제작은 내부의 무게와 수평유지 능력에 따라 수면으로 전자부자가 잠길 수도 있기 때문에 전자부자의 수평높이가 수면과 일치할 수 있도록 표면부자를 제작하였다.
전자부자는 배터리로 동작되기 때문에 잦은 통신주기에 따른 빠른 전원사용문제가 발생한다. 본 연구진은 전자부자의 배터리를 조절하기 위해 상황실과 전자부자간 쌍방향 통신을 통해 GPS 및 전자부자의 전원 소비패턴을 조절할 수 있도록 설계하였다. 특히 센서모듈을 이용한 위치 정보의 전달방법은 더욱더 전력소비를 줄일 수 있을 것으로 판단하나 통신거리의 제한으로 실제 실험을 통한 검증은 하지 못했고 기법 설계만을 논문에 포함한다.
GPS는 Maritex사의 GTPA010을 사용하였다. 센서모듈은 트랜시버로 TI사의 CC 2530을 장착하였으며 이 모듈은 Zigbee프로토콜을 사용할 수 있으며 펌웨어 레벨의 RFID 리더와 태그를 제작할 수 있기 때문에 기술의 확장성을 고려하여 설계하였다[5][6][7]. CDMA모듈은 AnyDATA사의 DTL-1800K를 이용하였다[8].
모니터링 주기를 변경하여 유속이 빠른 곳에서는 1초 주기로 유속이 늦은 지역에서는 최대 1분 주기로 모니터링을 실시하여 화면의 표기를 확인하였다. 실험 후 실험주기를 계산하여 배터리 소모를 확인하였다. 하드웨어적인 결함은 특별히 발견되지 않았다.
우리는 또 다른 전원 절약 기법으로 CDMA모듈의 전원절약을 위해 센서네트워크 기법을 활용한 전원절약 방법을 사용하려 한다.
그러나 이러한 방법을 실제 적용하기 위해서는 Coordinator의 역할을 어떤 부자가 수행해야 하는지 결정해야 하는 문제가 발생한다. 우리는 문제점을 해결하기 위하여 배터리 잔량정보를 사용한 Coordinator결정 방법을 개발하여 사용하였다.
이러한 문제를 해결하고자 CDMA, GPS, 센서모듈을 이용한 전자부자를 설계 및 구현하였다.
이러한 수동 봉부자 유량측정법의 제한사항을 극복하기 위해, 본 연구진은 CDMA(Code Division Multiple Access), GPS(Global Positioning System), 센서네트워크 기능을 활용한 전자부자를 설계 및 구현하였다. 그리고 전자부자의 설계 및 구현과 별개로 효율적인 유량 예측을 위해 전자 부자를 기반으로한 흐름 패턴 시스템을 설계 및 구현하였다.
전자부자를 이용한 유량 측정은 부자와 연동할 수 있는 Firmware, Middleware, 모니터링 시스템까지 AllInOne시스템이 아니면 데이터를 확인하기 어렵다. 이에 따라 우리는 세 가지 요소로 나누어 설계 및 구현했으며, 실험을 통해 정확도를 확인하였다.
전자 부자 흐름 패턴 시스템에서 전자부자의 효과적인 전원관리를 위해 전자부자와 상황실 간을 조절 채널과 데이터 채널로 구성하였다. 데이터 채널은 GPS로 부터 수집된 위치정보, 방향정보 등을 상황실로 전송하기위해 사용하고 Control 채널은 상황실의 Control message에 따라 전자부자의 수신 주기를 조절하기 위해 사용한다.
전자부자 흐름 패턴 시스템은 전자부자, 미들웨어, GUI 3가지로 나누어 설계되었다. 기본적으로 전자부자는 GPS를 이용하여 위치정보를 갱신하면서 CDMA를 통해 통제실로 정보를 전달하면 통제실에서는 각 전자부자의 위치를알 수있고, 전자부자의 흐름 패턴을 이용하여 유량을 계산한다.
전자부자는 크게 위치정보를 수집하기위한 GPS모듈과 수집된 위치정보를 전송하는 CDMA, 센서네트워크모듈로 구성된다. 전자부자는 위치정보를 전달하는 위치 정보 전달 기능과 전자부자의 기능을 조절할 수 있는 조절기능을 수행하도록 설계하였다. 주요 특징으로는 저전력MCU를 사용했으며 전력소모 및 관리를 제어할 수 있도록 설계하였다.
전자부자는 위치정보를 전달하는 위치 정보 전달 기능과 전자부자의 기능을 조절할 수 있는 조절기능을 수행하도록 설계하였다. 주요 특징으로는 저전력MCU를 사용했으며 전력소모 및 관리를 제어할 수 있도록 설계하였다. 그리고 센서네트워크 기능을 이용할 수 있는 모듈을 함께 탑재하였다.
이 기능을 통해 주변 사용자의 모니터링 정보등도 확인할 수 있다. 특히 Web Application은 현재 정보를 현재시간, 현재 속도, 구간별 평균속도 등으로 나타내었으며 전자 부자의 정보를 위치, 방향, 속도, 고도, 시간 등으로 나타낼 수 있도록 설계하였다.
본 연구에서 구현한 전자부자 흐름패턴 시스템의 성능을 확인하기 위해 전자부자를 표면부자에 설치할 수 있도록 표면부자를 제작하였다. 표면부자 제작은 내부의 무게와 수평유지 능력에 따라 수면으로 전자부자가 잠길 수도 있기 때문에 전자부자의 수평높이가 수면과 일치할 수 있도록 표면부자를 제작하였다.

대상 데이터

센서모듈은 트랜시버로 TI사의 CC 2530을 장착하였으며 이 모듈은 Zigbee프로토콜을 사용할 수 있으며 펌웨어 레벨의 RFID 리더와 태그를 제작할 수 있기 때문에 기술의 확장성을 고려하여 설계하였다[5][6][7]. CDMA모듈은 AnyDATA사의 DTL-1800K를 이용하였다[8].
5v에서 동작한다. GPS는 Maritex사의 GTPA010을 사용하였다. 센서모듈은 트랜시버로 TI사의 CC 2530을 장착하였으며 이 모듈은 Zigbee프로토콜을 사용할 수 있으며 펌웨어 레벨의 RFID 리더와 태그를 제작할 수 있기 때문에 기술의 확장성을 고려하여 설계하였다[5][6][7].
그림11은 전자부자의 구성품을 보여주고 있다. 구성품은 전자부자를 넣기 위한 표면부자, 전자부자, 배터리, GPS수신기로 구성된다.
실험은 충북 영동군 양강면 금강의 죽청교에서 2시간동안 진행했으며, 전자부자는 5대를 이용하였다. 그림은 실제 테스트를 위한 모니터링 시스템의 GUI를 보여준다.
우리는 전자부자를 위해 2200mA용량의 배터리를 4개 연결하여 사용하였다. 이론적으로 총 8800mA의 용량을 사용할 수 있는 것이다.

성능/효과

기지국과 연결 후 매초 자신의 정보를 전달하면 약 19시간정도의 전원지속시간을 가지는 것을 확인할 수 있다. 만약 이 주기를 30초로 하면 543시간, 1분으로 하면 1085시간동안 전자부자를 사용할 수 있다.
그림12는 실제 실험 수행 시 모니터링 시스템을 통해 확인한 웹 어플리케이션 화면을 보여준다. 실험을 통해 부자의 현재위치와 모니터링 시스템 지도에서의 위치가 거의 근접함을 확인할 수 있었다. 그리고 5개 부자의 현재 속도, 누적 속도 등을 통해 유량을 계산할 수 있었다.

후속연구

향후 Sensor 모듈을 통한 전자부자의 위치를 전달하는 구체적인 방안에 대하여 논의해야할 것이며 충전판을 이용한 전원 활용방안 등은 지속적으로 연구되어야 할 분야이다. 더불어 강 바닥의 지형 등을 모니터링 할 수 있다면 유량 계산을 한 번에 할 수 있을 것으로 생각된다.
향후 Sensor 모듈을 통한 전자부자의 위치를 전달하는 구체적인 방안에 대하여 논의해야할 것이며 충전판을 이용한 전원 활용방안 등은 지속적으로 연구되어야 할 분야이다. 더불어 강 바닥의 지형 등을 모니터링 할 수 있다면 유량 계산을 한 번에 할 수 있을 것으로 생각된다.
향후 본 연구진은 전자부자의 유속DB 구축을 할 예정이며, 이 데이터를 분석하여 유속에 따라 전달 주기를 자동으로 조절하는 방법을 개발할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	거리와 시간을 직접 측정한 후 이것을 이용한 유량측정 방법의 단점은?	수동 부자를 이용한 유량 측정은 유량을 측정하기위해 거리와 시간을 직접 측정한 후 이것을 이용한다. 이러한 방법은 측정방법과 정확한 유량 측정 측면에서 효율적이지 못하다. 이러한 문제를 극복하기 위해 본 연구진은 CDMA, GPS 그리고 2.
	전자 부자 흐름 패턴 시스템으로 무엇을 할 수 있는가?	전자 부자 흐름 패턴 시스템은 위치 측위 기술과 여러 가지 통신 기술을 이용하여 원격에서 부자의 위치를 모니터링 함으로써 하천의 유량을 예측할 수 있다. 현재 자연하천의 흐름 패턴을 분석하기 위해 여러 형태의 수동 부자들이 사용되고 있다.
	유량을 측정하기위해 수동 부자를 이용한 유량 측정은 무엇을 이용하는가?	현재 자연하천의 흐름 패턴을 분석하기 위해 여러 형태의 수동 부자들이 사용되고 있다. 수동 부자를 이용한 유량 측정은 유량을 측정하기위해 거리와 시간을 직접 측정한 후 이것을 이용한다. 이러한 방법은 측정방법과 정확한 유량 측정 측면에서 효율적이지 못하다.

참고문헌 (11)

이찬주, 김원, 김치영, 김동구, "전자부자 시스템을 활용한 자연하천의 유속과 유량 측정", 대한토목학회, 대한토목학회논문집 B, 제29권 제4B호, pp.329-337. 2009년 7월.
이찬주, 이혜은, 김원, 김용전, "전자부자를 활용한 자연하천의 흐름 패턴 표현", 대한토목학회, 제35회 대한토목학회정기 학술대회, pp, 731-734. 2009년 10월.
ANSI J-STD-008, Personal Station-Base Station Compatibility Requirements for 1.8 to 2.0 GHz Code Division Multiple Access(CDMA) Personal Communication System, 1996.
민무홍, 방성우, 최돈정, 김재광,"GPS 손실 데이터에 대한 경로 예측 연구", 한국지능시스템학회, 한국지능시스템학회 2010년도 춘계학술대회 학술발표논문집, 제20권 제1호, pp.199-200. 2010년 4월.
http://www2.atmel.com/
http://www.maritex.com.pl/
http://www.ti.com/
http://www.anydata.co.kr/
W. B. Heinzelman, A. P. Chandrakasan and H. Balakrishnan, "An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks," IEEE Transactions on Wireless Communicastions, 1(4) : 660-670, October, 2002.

상세보기
V. Raghunathan, C. Schurgers, S. Park and M. Srivastava, "Energy Aware Wireless Microsensor Network," IEEE Signal Processing Magazine, 19(2) : 40-50, March, 2002.

상세보기
D. Nam and H. Min, "An Energy-Efficient Clustering Using a Round-Robin Method in a Wireless Sensor Network," Proc. of the 5th SERA, pp.54-60, October, 2007.

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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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