최근 지중 시설물은 공간적 제약에 의하여 관리가 쉽지 않기 때문에 무선 통신 센서 네트워크를 도입하려는 시도가 이루어지고 있다. 수백 MHz ~ 수 GHz 대역의 전자기파를 이용한 통신을 사용할 경우 불균질한 물질에서의 통신 성능의 급격한 변화로 인하여 원활한 통신이 어려운 상황이다. 본 연구에서는 이러한 단점을 극복하기 위하여 자기장을 이용한 통신 시스템을 구축하였다. 3m 토압 및 물의 침투를 막을 수 있는 시설물을 제작하여 무선 통신 센서 네트워크 시스템를 설치하였다. 3m 깊이로 땅을 파서 시설물을 매립한 뒤 통신 성능 테스트를 진행하였다. 그 결과 흙, 돌, 물 등이 불균일하게 분포되어 있는 지중에서도 무선 통신이 원활하게 이루어짐을 확인하였다. 따라서 자기장을 이용한 통신 시스템은 지중 시설물 및 연약 지반 관리, 환경 오염 관리 등에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
최근 지중 시설물은 공간적 제약에 의하여 관리가 쉽지 않기 때문에 무선 통신 센서 네트워크를 도입하려는 시도가 이루어지고 있다. 수백 MHz ~ 수 GHz 대역의 전자기파를 이용한 통신을 사용할 경우 불균질한 물질에서의 통신 성능의 급격한 변화로 인하여 원활한 통신이 어려운 상황이다. 본 연구에서는 이러한 단점을 극복하기 위하여 자기장을 이용한 통신 시스템을 구축하였다. 3m 토압 및 물의 침투를 막을 수 있는 시설물을 제작하여 무선 통신 센서 네트워크 시스템를 설치하였다. 3m 깊이로 땅을 파서 시설물을 매립한 뒤 통신 성능 테스트를 진행하였다. 그 결과 흙, 돌, 물 등이 불균일하게 분포되어 있는 지중에서도 무선 통신이 원활하게 이루어짐을 확인하였다. 따라서 자기장을 이용한 통신 시스템은 지중 시설물 및 연약 지반 관리, 환경 오염 관리 등에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
Recently, a wireless sensor network system has been receiving great attention for management of underground facilities. However, traditional wireless communication systems using microwaves in several hundred MHz ~ several GHz experience significant performance degradation in the non-uniform undergro...
Recently, a wireless sensor network system has been receiving great attention for management of underground facilities. However, traditional wireless communication systems using microwaves in several hundred MHz ~ several GHz experience significant performance degradation in the non-uniform underground environment. In this research, in order to make a robust communication for the underground facilities, we propose a wireless underground sensor system based on magnetic field communication. In 3 meters underground environment including rocks, soils, water, etc.,, our proposed sensor network system has proved fully functional and met its performance specification.
Recently, a wireless sensor network system has been receiving great attention for management of underground facilities. However, traditional wireless communication systems using microwaves in several hundred MHz ~ several GHz experience significant performance degradation in the non-uniform underground environment. In this research, in order to make a robust communication for the underground facilities, we propose a wireless underground sensor system based on magnetic field communication. In 3 meters underground environment including rocks, soils, water, etc.,, our proposed sensor network system has proved fully functional and met its performance specification.
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문제 정의
본 논문에서는 자기장을 이용한 무선 지중 통신 센서 시스템을 설계하였다. 다음 장에서 자기장 통신 물리 계층과 이를 바탕으로 설계된 자기장 통신 센서 시스템을 설명한다.
일반적으로 자기장 통신에서 거리 확장 방법으로는 1) 리피터를 이용하여 거리를 확장하는 방법과 2) 자기장 공진 (magnetic resonance)를 이용하는 방법이 있다. 본 연구에서는 자기장 공진 효과를 극대화 할 수 있는 공진 안테나 제작에 중점을 두었다.
제안 방법
ISO/IEC 15149 Magnetic field Area Network (MFAN)는 으로 땅 속, 물 속, 콘크리트 속 등 아주 열악한 환경에서도 양질의 양방향 무선통신을 제공하기 위하여 제안된 자기장 무선 통신 표준이다. 128KHz 주파수를 사용하며, 저전력의 안정된 통신 시스템 구성을 위하여 BPSK 모듈레이션을 채택하였다. 통신 환경에 따라 Manchester 코딩을 적용할 수 있으며, 데이터 전송 속도는 1 Kbps～8 Kbps 이다.
무선 지중 센서 시스템의 매설을 위하여 그림 4와 같은 시설물을 제작하였다. Acetal을 사용하였으며, 매설후 토압에 의한 변형을 최소화하기 위하여 실린더 타입으로 제작하였다. 시설물은 위/아래 덮개와 본체로 구성하였다.
즉, 자기장 루프 안테나의 코일 감는 횟수와 루프의 반지름 등에 의하여 송수신 자기장 루프 안테나 간에 발생되는 자기장 변화량이 결정된다. 따라서 안테나의 인덕턴스를 먼저 결정한 뒤 캐패시터를 연결하여 회로의 공진 주파수를 조정하였다.
무선 센서 시스템을 테스트 모드로 설정하여, 일정 간격으로 센서 데이터를 지상에 있는 관리 시스템에 전송하였다. 이 때 데이터 전송속도는 1Kbps로 고정하였으며, Manchester Coding 을 적용하였다.
본 논문에서는 자기장 통신을 이용하여 무선 지중 센서 시스템을 설계하고 지중 3m까지 통신 테스트를 하였다. 그 결과 흙, 돌, 물 등이 불균일하게 분포되어 있는 지중에서도 무선 통신이 원활하게 이루어짐을 확인 하였다.
지상에서는 송수신 안테나 사이의 거리가 5m일 때 패킷 에러율이 약 2%, 10m 일 때는 약 7%로 측정되었다. 본 연구에서 지중 테스트는 실험 환경 여건 상 3m까지 측정하였기에 3m내에서의 결과만 비교하였다.
챔버의 크기에 의하여 송수신 안테나 간의 거리는 2m로 고정하였다. 섭씨 20도에서부터 5도씩 온도를 낮추며 영하 10도까지 진행되었다.
(그림 4(b)) 위 덮개에는 안테나를, 그리고 아래 덮개에는 무선 통신 모듈, 센서 모듈 및 배터리를 장착한 뒤 본체에 조립하였다. 수분 침투에 의한 통신 센서 시스템의 파손을 막기 위하여 본체 및 덮개는 각각 하나의 통을 깎아서 제작하였고, 덮개를 씌운 후에는 실리콘으로 마감하였다.
앞선 연구에서[10] 자기장 통신 시스템과 Zigbee의 매질에 따른 신호 세기 특성을 비교하였다. 매질이 공기 20cm와 흙 50cm의 2층으로 구성되어 있을 때, 공기만 70cm일 때에 비하여 Zigbee는 35dBm 감소하는데 반하여, 자기장 신호는 0.
지중에서의 온도 변화에 따른 자기장 통신 성능을 비교하기 위하여 자기장 통신 송수신 세트(타입B)를 챔버에 설치하여 테스트하였다. 챔버의 크기에 의하여 송수신 안테나 간의 거리는 2m로 고정하였다.
대상 데이터
굴삭기를 이용하여 흙을 퍼내어 3m 깊이의 구덩이를 만들었다.(그림5) 그리고, MFAN-1 안테나와 MFAN-2안테나를 각각 포함한 2개의 무선 센서 시스템 시설물을 매설하였다. 그리고 그림5(b) 같이 30cm 간격으로 흙을 덮으면서 통신 테스트를 하였다.
매설 후 지중에서의 통신 특성 비교를 위하여 매질이 공기인 지상에서도 실험을 진행하였다. 지상에서는 송수신 안테나 사이의 거리가 5m일 때 패킷 에러율이 약 2%, 10m 일 때는 약 7%로 측정되었다.
성능/효과
인위적으로 송수신 안테나 간의 공진을 맞춤으로 인하여 실험 오차가 발생하였다. 3m 정도의 범위에서는 전송 거리에 따른 패킷 에러율 향상보다는 송수신 공진 안테나 배열 환경에 따라 통신 성능에 영향을 미침을 확인할 수 있었다. 또한, 지중에서의 패킷 에러율이 약 10～20% 사이로 지상 환경보다 많은 손실이 발생함을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 자기장 통신을 이용하여 무선 지중 센서 시스템을 설계하고 지중 3m까지 통신 테스트를 하였다. 그 결과 흙, 돌, 물 등이 불균일하게 분포되어 있는 지중에서도 무선 통신이 원활하게 이루어짐을 확인 하였다. 따라서 자기장을 이용한 통신 시스템은 지중 시설물 및 연약 지반 관리, 환경 오염 관리 등에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이는 실제 매립 환경을 고려한 설계로서 같은 부피라면 단면적이 크고 길이가 짧은 것보다 단면적이 작고 길이가 긴 것이 매립하기 용이하기 때문이다. 그 외 두 안테나의 특성을 맞추기 위하여 자기력선 통과 단면적이 작은 안테나 MFAN-2에 대해서 코일 감는 횟수를 65번으로 증가시켰다. 그 결과 MFAN-1과 MFAN-2의 Q-Factor는 각각 268과 246으로 근접한 값을 나타내었다.
534dBm 감소함을 보였다. 또한 알루미늄 호일로 씌워져 있는 상자에 Zigbee와 자기장 통신 시스템을 각각 한 세트씩 넣은 뒤 65cm 떨어진 곳에서 신호 세기를 측정하였을 때, 알루미늄 호일 상자의 여부에 따라 Zigbee는 27dBm, 자기장 신호는 1dBm 차이가 있음을 확인하였다. 즉, 자기장 신호가 지중 환경에서 안정적일 수 있음을 보였다.
3m 정도의 범위에서는 전송 거리에 따른 패킷 에러율 향상보다는 송수신 공진 안테나 배열 환경에 따라 통신 성능에 영향을 미침을 확인할 수 있었다. 또한, 지중에서의 패킷 에러율이 약 10～20% 사이로 지상 환경보다 많은 손실이 발생함을 확인할 수 있었다. 지상 환경에서와 유사하게 거리에 따른 전송율 저하 현상보다는 실험 환경에 따른 일정한 손실을 보이고 있다.
앞선 연구에서[10] 자기장 통신 시스템과 Zigbee의 매질에 따른 신호 세기 특성을 비교하였다. 매질이 공기 20cm와 흙 50cm의 2층으로 구성되어 있을 때, 공기만 70cm일 때에 비하여 Zigbee는 35dBm 감소하는데 반하여, 자기장 신호는 0.534dBm 감소함을 보였다. 또한 알루미늄 호일로 씌워져 있는 상자에 Zigbee와 자기장 통신 시스템을 각각 한 세트씩 넣은 뒤 65cm 떨어진 곳에서 신호 세기를 측정하였을 때, 알루미늄 호일 상자의 여부에 따라 Zigbee는 27dBm, 자기장 신호는 1dBm 차이가 있음을 확인하였다.
또한 알루미늄 호일로 씌워져 있는 상자에 Zigbee와 자기장 통신 시스템을 각각 한 세트씩 넣은 뒤 65cm 떨어진 곳에서 신호 세기를 측정하였을 때, 알루미늄 호일 상자의 여부에 따라 Zigbee는 27dBm, 자기장 신호는 1dBm 차이가 있음을 확인하였다. 즉, 자기장 신호가 지중 환경에서 안정적일 수 있음을 보였다.
즉, 지상에서 테스트를 진행할 때는 송수신 안테나 간을 서로 마주보게 하여 자속 통과 면을 최대한 맞출수 있었다. 반면 지중 테스트를 할 때는 시설물을 매립한 후 흙으로 덮고 통신 테스트를 진행하였기 때문에 송수신 안테나를 나란히 맞추기 어려웠다.
후속연구
그 결과 흙, 돌, 물 등이 불균일하게 분포되어 있는 지중에서도 무선 통신이 원활하게 이루어짐을 확인 하였다. 따라서 자기장을 이용한 통신 시스템은 지중 시설물 및 연약 지반 관리, 환경 오염 관리 등에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 앞으로 자기장 통신 안테나 특성에 의한 송수신 안테나 배치 및 안테나와 통신모듈의 배치 문제를 해결해 나갈 예정이다.
따라서 자기장을 이용한 통신 시스템은 지중 시설물 및 연약 지반 관리, 환경 오염 관리 등에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 앞으로 자기장 통신 안테나 특성에 의한 송수신 안테나 배치 및 안테나와 통신모듈의 배치 문제를 해결해 나갈 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유전율과는 다른 투자율의 특징은?
표 1[9]에서 보는 바와 같이 유전율은 공기, 물, 흙 등에 따라 변화가 크다. 반면 투자율은 니켈, 코발드, 철등 일부 물질을 제외하고 일상생활에 존재하는 대부분의 물질이 공기와 거의 동일한 투자율을 갖는다. 따라서 전자기파는 지상/지중의 경계 뿐 아니라 흙, 돌, 물등 불균질한 매질에서 신호 반사와 세기의 변화가 두드러진 반면 자기장은 신호 반사와 세기의 변화가 거의 나타나지 않기 때문에 무선 통신에서 문제가 되는 다중 경로 현상을 무시할 수 있다.
무선통신에서 나타나는 지중 환경에서 심각한 감쇄 및 반사 현상 문제를 극복하기 위해 어떤 연구가 진행되고 있는가?
ZigBee, Bluetooth 등 수 GHz 대역 전자기파 (electromagnetic wave)를 이용하는 무선 통신은 흙, 돌, 물 등이 불균일하게 분포되어 있는 지중 환경에서 심각한 감쇄 및 반사 현상이 발생하여 원활한 통신이 어렵기 때문이다[4～5]. 이러한 단점을 극복하기 위하여 자기장(magnetic field)을 이용한 무선 지중 통신이 연구되고 있다.[3, 5]
무선 지중 센서 네트워크를 매설 시설물 관리 시스템에 적용하는 것이 아직 제한적인 이유는?
그러나 무선 지중 센서 네트워크 (Wireless Underground Sensor Network, WUSN)를 매설 시설물 관리 시스템에 적용하는 것은 아직 제한적이다. ZigBee, Bluetooth 등 수 GHz 대역 전자기파 (electromagnetic wave)를 이용하는 무선 통신은 흙, 돌, 물 등이 불균일하게 분포되어 있는 지중 환경에서 심각한 감쇄 및 반사 현상이 발생하여 원활한 통신이 어렵기 때문이다[4～5]. 이러한 단점을 극복하기 위하여 자기장(magnetic field)을 이용한 무선 지중 통신이 연구되고 있다.
참고문헌 (11)
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Bennett, P.J., Kobayashi, Y., Hoult, N.A., Fidler, P.R.A. and Soga, K. "Wireless sensor networks for underground railway applications: the light at the end of the tunnel", 7th International Workshop on Structural Health Monitoring, 2009
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David K. Chang, "Fundmentals of Engineering Electromagnetics", Addison Wesley, pp.470-471, 1993.
Sun-Hee Kim, Yun-JaeWon, Kyu-Sung Hwang, Yoon-Seuk Oh, Seung-Ok Lim, "A Study on the Characteristics of Magnetic Field for Wireless Sensor Network", Information and Communication Technology Convergence (ICTC), 2010 International Conference on, pp.245-246, Jeju, Korea, Nov. 2010
J. K. Harlow, Electric Power transfer engineering, CRC Press, 2000.
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