[논문]기울기 센서를 이용한 산사태 감지 USN 모니터링 시스템 모델 개발

김정섭; 박영직; 천동진; 정도영

doi:10.5762/kais.2012.13.8.3628

기울기 센서를 이용한 산사태 감지 USN 모니터링 시스템 모델 개발
Development of the Monitoring System Model Based on USN for Landslide Detection Using Tilting Sensor 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.13 no.8, 2012년, pp.3628 - 3633

김정섭 (강원대학교 방재전문대학원) , 박영직 ((주)서광이에스) , 천동진 (삼척시청) , 정도영 (강원대학교 방재전문대학원)

초록
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본 논문은 산사태 감지 및 붕괴예측을 위하여 USN(Ubiquitous Sensor Network)을 적용한 실시간 모니터링 시스템 모델을 제안하였다. 이 시스템의 성능을 검증하기 위해 기울기 센서를 이용한 USN기반의 모니터링시스템 모델을 제작하고 실험적 평가를 수행하였다. 성능평가는 기울기 센서모듈 동작특성 실험적 평가와 USN의 데이터 수집 전송 효율 실험적 평가, 개발한 상시 감시모니터링 프로그램(S/W) 동작성능 실험적 평가 등을 수행하였다. 모델의 전체 성능검증은 기울기센서를 $0^{\circ}$, $-10^{\circ}$, $-20^{\circ}$ 및 $0{\sim}-30^{\circ}$ 주고 USN 모니터링시스템에서 100[msec] 주기로 샘플링하였을 때, 기울기센서의 각도와 모니터링 표출 그래프의 출력이 잘 일치하였다. 이 실험으로 제안한 모델의 각 기능요소별 성능이 검증되었고, USN 데이터전송도 오류 없이 전송됨이 확인되었다. 따라서 기울기 센서를 이용한 산사태 감지 예측을 위한 USN기반 실시간 모니터링시스템 제안모델이 산사태 위험성 노출지역에 원격 실시간 모니터링 시스템으로 널리 사용될 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a model of the real time monitoring system based on Ubiquitous Sensor Network (USN) for the detection and prediction of landslides. For this purpose, the real time monitoring system with tilting sensor and USN was set up and the performance was conducted. The performance was accomplished by conducting both field examinations and the experimental evaluation of the monitoring system. The results of this study show that the angle $0^{\circ}$, $-10^{\circ}$, $-20^{\circ}$ and $0{\sim}-30^{\circ}$ of sensor position detected by the sensor module coincide with the data measured from USN monitoring system by giving a sampling time 100[msec]. Consequently, the proposed model of the real time monitoring system with tilting sensor based on USN will be widely used as a monitoring system in the exposure to dangerous landslide regions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 산사태 붕괴위험 감지 및 관제에 요구되고 있는 기술적 방법 중 구축비용이 낮고 넓은 지역감시에 효율적인 USN 기반 실시간 모니터링시스템 모델을 제안하였다. 제안된 모니터링 모델의 기능 및 성능을 확인하기 위하여 기울기 센서노드와 USN 모니터링 시스템 모의실험 장치를 제작하고, 기울기센서의 측정범위 0°∼-30°에서 각도별 실험을 통하여 실시간 모니터링 되는 출력결과로 성능검증을 수행하였다.
본 연구는 넓은 지역의 산사태 감시 및 붕괴예측에 필요한 USN기반 계측 및 모니터링시스템 모델을 개발하고 각 기능들의 성능을 실험하였을 때 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 산사태 감시를 위한 USN기반 모니터링 시스템 각 부분 개발 모델의 타당성 실증을 위해 산사태 모의 실험장치를 그림 8과 같이 제작하고 각 기능 및 동작성능을 실험고찰 하였다.

제안 방법

USN은 기울기 측정과 정보전송기능을 갖는 End device 센서노드와 전송거리 연장 및 경로변경 기능을 갖는 Router device 센서노드, 현장센서노드에서 개별 수집된 정보를 집중화 처리를 담당하는 Coordinator로 구성하여 구축하였다. 센서노드 구조는 모두 동일하며 각 센서노드별 기능변경 값에 의해 조정이 될 수 있도록 하였다.
기울기측정 처리는 기울기 센서로부터 측정된 전압 값을 센서의 측정 범위 값으로 교정 처리하는 부분과 처리된 값을 모니터링시스템에 전송을 위한 USN 규격에 적합하도록 사용자 프로토콜 알고리즘을 처리하는 부분이다. 그리고 모니터링 시스템의 Data 전송에 있어서 오류를 방지 목적으로 오류처리 알고리즘도 구현하였다. 알고리즘 개발언어는 C언어를 사용하였다.
Gateway와 모니터링 시스템 사이에는 인터넷 통신망으로 구성하여 인터넷을 사용하는 모든 지역에서 상시모니터링이 될 수 있도록 하였다. 그리고 인터넷 장애대비 모바일(WCDMA) 통신망을 이중화로 구성하였다.
USN은 사물에 대한 상태 감지를 위한 센서부분과 무선네트워크 부분이 상존하기 때문에 소형이고 전력소모도 매우 낮으며, 어떤 장소라도 설치에 어려움이 없다. 본 연구에서는 그림 5와 같이 제작한 센서노드를 사용하여 USN망을 구축하였다.
기울기 센서는 기울기 변위에 비례하여 전압 0～5V가 출력된다. 본 연구에서는 단일 방향의 기울기 센서를 사용하였으며, 동작특성은 표 1과 같다. 측정된 기울기 값은 제작한 USN 센서노드에 의해서 정보를 전달한다.
시스템 구성은 지표 변위측정을 위한 감지센서노드모듈(End-device node)과 계측데이터 전송 USN 네트워크, 중앙관제실 변위상시모니터링 시스템 등으로 구성하였다.
실험장치는 산사태발생 모형 실험장치와 기울기센서, USN 센서노드, 상시모니터링 및 관리 프로그램으로 구성하고 실험하였다. 기울기 계측실험은 기울기센서의 위치가 0°, -10°, -20°, 0° ~ -30°를 변위를 주고 실험한 결과 그림 9 및 그림 10과 같이 나타났다.
제안된 모니터링 모델의 기능 및 성능을 확인하기 위하여 기울기 센서노드와 USN 모니터링 시스템 모의실험 장치를 제작하고, 기울기센서의 측정범위 0°∼-30°에서 각도별 실험을 통하여 실시간 모니터링 되는 출력결과로 성능검증을 수행하였다.
중앙관제 모니터링 시스템은 현장계측정보를 그래프 실시간 출력, 위험경보 임계값 처리, 현장 영상 출력, 위험상황 알람 SMS서비스, 현장계측모듈 원격제어 등의 기능을 Labview S/W개발 도구로 제작하였다.

대상 데이터

통신모듈 ①은 Mesh 네트워크 구축에 필요한 Zigbee Protocol를 적용하였다. Micro Controller ②는 TI사 MSP430/F1611로 제작하였다. 이것은 최소전력사용으로 장시간 운영되는 곳에 효율적이다.

이론/모형

센서노드는 통신모듈(RF) 부분과 제어 · 데이터처리를 담당하는 마이크로 컨트롤러로 구성한다. 통신모듈 ①은 Mesh 네트워크 구축에 필요한 Zigbee Protocol를 적용하였다. Micro Controller ②는 TI사 MSP430/F1611로 제작하였다.

성능/효과

(1) 개발한 산사태 징후 감지용 기울기 USN 센서노드를 모의 실험한 결과 넓은 지역에 걸쳐 100[msec]주기로 샘플링한 결과 오류 없이 원격정보 수집에 빠른 응답성능을 보였다.
(2) 실험에서 기울기센서 측정범위 0° ~ -30°의 위치 정보를 무선USN을 통하여 모니터링시스템에서 실시간 모니터링 한 결과 기울기센서의 위치각도와 일치하였으므로 무선 USN Data 전송선로의 정확성과 신뢰성이 확인되었다.
(3) 개발한 모니터링 시스템 프로그램의 모니터링 표출기능, 기울기임계 알람서비스 동작, SMS 서비스 동작과 같은 모의실험들은 기울기센서의 원격측정 실험에서 표출값의 일치와 알람동작 실험에서 임계 기준값에 의한 SMS 전송기능동작의 우수성이 입증되었다.
실험결과는 기울기센서의 위치각에 따라 제안모델의 모니터링 출력 값이 일치하였다. 따라서 USN기반의 산사태감지 모니터링 제안모델로 성능측면에서 우수성을 확인하였다.
따라서 본 연구에서 개발한 산사태감시 및 예측정보 확보를 위한 USN기반 모니터링 시스템이 산악지역과 같이 넓은 범위 조건에 효율적인 모니터링 기술로 가장 적합 한 것으로 판단된다.
출력 값은 기울기센서 각도 0°에서 -30°까지 실시간 이동 범위에 따라 일치하고 있다. 실험 결과는 센서노드 기울기센서의 위치에 따라 측정된 데이터가 USN 네트워크를 이용하여 정보전달의 손실 없이 실시간 모니터링시스템의 샘플링 출력 값으로 정확히 정보수집 동작이 이루어짐을 확인되었다.
제안된 모니터링 모델의 기능 및 성능을 확인하기 위하여 기울기 센서노드와 USN 모니터링 시스템 모의실험 장치를 제작하고, 기울기센서의 측정범위 0°∼-30°에서 각도별 실험을 통하여 실시간 모니터링 되는 출력결과로 성능검증을 수행하였다. 실험결과는 기울기센서의 위치각에 따라 제안모델의 모니터링 출력 값이 일치하였다. 따라서 USN기반의 산사태감지 모니터링 제안모델로 성능측면에서 우수성을 확인하였다.
실험한 결과와 같이 본 연구에서 제안한 USN기반모니터링 시스템 제안모델의 각 기능 들이 신뢰성 있게 동작하고 있음을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	USN기반 실시간 모니터링시스템은 무엇으로 구성되어 있는가	시스템 구성은 지표 변위측정을 위한 감지센서노드모듈(End-device node)과 계측데이터 전송 USN 네트워크, 중앙관제실 변위상시모니터링 시스템 등으로 구성하였다.
	본 연구에서 제작한 USN용 센서노드는 무엇으로 구성되어 있는가	센서노드는 통신모듈(RF) 부분과 제어 · 데이터처리를 담당하는 마이크로 컨트롤러로 구성한다. 통신모듈 ①은 Mesh 네트워크 구축에 필요한 Zigbee Protocol를 적용하였다.
	무엇으로 인하여 지반이 약한 지역의 절토한 사면 등에서 붕괴사고가 빈번이 발생되는가?	지구온난화와 이상기후로 호우 형태가 짧은 시간에 많은 강우량이 발생되는 국지성 폭우로 변화되고 있다[1]. 이로 인하여 지반이 약한 지역의 절토한 사면 등에서 붕괴사고가 빈번히 발생되고 있다[2].

참고문헌 (8)

IPCC, "Climate Change 2007 : Impacts, Adaptation and Vulnerability", IPCC Fourth Assessment Report, 2007.
S. W. Kim et al., "Characteristics of Heavy Rainfall for Landslide-triggering", Journal of Korean Forest Society, pp. 28-35, Vol. 101, No,1, 2011.
S. B. Jin, "A study on the Improvement of Disaster Prevention system in Domestic Steep Slopes", Seoul National University Science & Technology, Master's Thesis, 2009.
D. J. Cheon, et al., "A Study on the Implementation of Zigbee Sensor Node for Building USN Using only Transmission of Fire Sensing Data", Journal of Korea Institute of Fire Sci. & Eng., pp. 75-81, Vol. 23, No. 6, 2009.
D. G. Park, "A Study on the Early Warning System for Damage Mitigation of Geotechnical Disasters", National Disaster Management Institute, Research Paper, 2007.
J. U. Han, "Development of the Standard Model for Ubiquitous Disaster Prevention City", National Disaster Management Institute, Research Paper, 2008.
S. U. Moon, "USN-based Real-Time Monitoring System for a Temporary Structure of Concrete Formwork", Korean Society of Civil Engineers, Vol.32, No.2, 159p -166p, 2012.

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J. U. Sung, "Grouping Algorithms of Zigbee Nodes for Efficient Data Transmission to Long Range", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, vol. 6, No. 4, pp. 632 -638, 2012

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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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