해상에 설치되는 브이는 선박의 안전항해 및 다양한 해양 데이터를 수집하기 위한 목적 등으로 운영되고 있다. 이러한 브이는 선박과의 충돌이나 해상 기상상태로 인한 브이의 피해가 자주 발생하면서 이러한 문제를 해결하기 위해 여러 분야에서 연구가 진행 중이다. 본 논문에서는 브이의 상태를 확인하기 위해 사용자가 사전에 정의한 데이터의 형식에 맞춰 브이의 상태를 모니터링 할 수 있게 실험을 하였다. 본 연구에서 설계한 무선 신호 처리 알고리즘을 적용한 무선 원격 제어 보드를 통하여 실험한 결과 육상에서 3분 간격으로 해상 브이에 상태를 모니터링 할 수 있다는 결과를 얻었다. 획득한 데이터의 종류는 브이가 적용되는 환경이나 목적에 따라 사전에 변경 할 수 있다. 이를 해상에 적용하기 위하여 데이터 전송 안정성을 실험하였고, 더불어 무선 통신망의 가용도에 영향을 미치는 것을 실험하였다. 전송된 데이터를 분석한 결과, 태양광, 풍력, 파력 발전에 대하여 각각 최대 50 W, 20 W, 40 W의 발전량을 보임을 확인할 수 있었다. 이러한 연구결과를 통하여 검증된 통신체계는 해상 브이뿐만 아니라 다른 해양구조물에도 적용 가능 할 것으로 예상된다.
해상에 설치되는 브이는 선박의 안전항해 및 다양한 해양 데이터를 수집하기 위한 목적 등으로 운영되고 있다. 이러한 브이는 선박과의 충돌이나 해상 기상상태로 인한 브이의 피해가 자주 발생하면서 이러한 문제를 해결하기 위해 여러 분야에서 연구가 진행 중이다. 본 논문에서는 브이의 상태를 확인하기 위해 사용자가 사전에 정의한 데이터의 형식에 맞춰 브이의 상태를 모니터링 할 수 있게 실험을 하였다. 본 연구에서 설계한 무선 신호 처리 알고리즘을 적용한 무선 원격 제어 보드를 통하여 실험한 결과 육상에서 3분 간격으로 해상 브이에 상태를 모니터링 할 수 있다는 결과를 얻었다. 획득한 데이터의 종류는 브이가 적용되는 환경이나 목적에 따라 사전에 변경 할 수 있다. 이를 해상에 적용하기 위하여 데이터 전송 안정성을 실험하였고, 더불어 무선 통신망의 가용도에 영향을 미치는 것을 실험하였다. 전송된 데이터를 분석한 결과, 태양광, 풍력, 파력 발전에 대하여 각각 최대 50 W, 20 W, 40 W의 발전량을 보임을 확인할 수 있었다. 이러한 연구결과를 통하여 검증된 통신체계는 해상 브이뿐만 아니라 다른 해양구조물에도 적용 가능 할 것으로 예상된다.
Ocean buoys are operated for safe navigation and collecting ocean data. Recently, to reducing marine buoy's damage by ocean weather's bad condition and collision with vessels has been conducted in several field research. This paper's experiment is buoy condition monitoring about predefined data form...
Ocean buoys are operated for safe navigation and collecting ocean data. Recently, to reducing marine buoy's damage by ocean weather's bad condition and collision with vessels has been conducted in several field research. This paper's experiment is buoy condition monitoring about predefined data form by users. As a result using Wireless remote control board applying a radio signal processing algorithms, it can observe buoy's state at an interval of three minutes on the land. Acquired data type is changeable according to ocean weather condition or buoy's purpose of using in advance. Also, this paper conducted an experiment such as data-transmission's stability and wireless communication's availability. As results of the analysis of the transmitted data, the solar, wind and wave power indicates the maximum amount of power, 50 W, 20 W and 40 W respectively. The communication system proven through this research can apply to buoy or other ocean facility.
Ocean buoys are operated for safe navigation and collecting ocean data. Recently, to reducing marine buoy's damage by ocean weather's bad condition and collision with vessels has been conducted in several field research. This paper's experiment is buoy condition monitoring about predefined data form by users. As a result using Wireless remote control board applying a radio signal processing algorithms, it can observe buoy's state at an interval of three minutes on the land. Acquired data type is changeable according to ocean weather condition or buoy's purpose of using in advance. Also, this paper conducted an experiment such as data-transmission's stability and wireless communication's availability. As results of the analysis of the transmitted data, the solar, wind and wave power indicates the maximum amount of power, 50 W, 20 W and 40 W respectively. The communication system proven through this research can apply to buoy or other ocean facility.
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문제 정의
본 논문은 해상 브이용 무선 통신체계를 설계 및 개발하고, 이에 적합한 신호처리 알고리즘을 구축하여 해상실험을 통하여 성능을 평가하였다. 그 결과 사용자가 지정한 정보를 모니터링 프로그램을 통해서 확인 할 수 있었고, 해상용 브이에 활용할 수 있는 성능을 갖추고 있음을 확인하였다.
본 논문은 해상용 브이 및 브이에 탑재된 하이브리드 전력생산시스템을 제어, 관리, 감시하기 위한 무선원격 제어시스템에 대한 연구이다. 원격 제어시스템은 항만에서 떨어진 해상에 위치하고 있으며, 그 통신 수단으로 는 800 MHz 대역의 CDMA모뎀을 사용하며 단문 메시지 서비스를 지원한다.
제안 방법
데이터 측정시스템의 신호처리는 4-20 mA로 하였고, 전력계통과는 CAN 통신기반으로 구축하였다. 데이터 측정시스템은 time-keeping 칩을 이용하여 현재 시간과 수집한 데이터를 기록하도록 하였다.
해상용 통신체계로 활용하기 위하여 구축한 실험용 무선통신체계 기반의 데이터 측정시스템은 그림 6과 같이 구축하였다. 데이터 측정시스템의 신호처리는 4-20 mA로 하였고, 전력계통과는 CAN 통신기반으로 구축하였다. 데이터 측정시스템은 time-keeping 칩을 이용하여 현재 시간과 수집한 데이터를 기록하도록 하였다.
데이터는 CDMA의 MO 명령어를 이용하여 메시지를 전송한다. 명령어 전송에 대한 결과 명령어로써 단문발신결과를 확인하여 정상 전송여부를 확인한다. 서버로부터 수신된 메시지는 SMS의 형태로 CDMA에 저장되어 있게 된다.
본 연구에서는 해상에서 운용되는 브이의 무선통신 체계를 다중 입출력신호처리시스템과 연동하여 운용하도록 구축하고, 이를 무선 신호처리 알고리즘으로 프로그램화하여 브이용 통신 운영시스템에 적용하였다. 연구대상 무선 통신체계는 해상실험을 통하여 성능실험을 수행하였고, 브이용으로 활용할 수 있는 성능을 확인하였다[5].
이렇게 수신된 SMS는 CDMA 사양서에 나와 있는 MTCNT(수신된 단문 갯수 조회) 명령어를 이용하여 수신된 단문의 갯수를 확인한다. 수신된 단문이 존재하는 경우에 READMT를 이용하여 SMS를 읽게 되며 정상적으로 SMS를 읽은 후에 읽은 메시지를 분석하여 처리 한다. SMS를 처리 후에는 메시지 번호와 DELMT 명령어를 이용하여 메시지를 삭제 한다.
본 연구에서는 해상에서 운용되는 브이의 무선통신 체계를 다중 입출력신호처리시스템과 연동하여 운용하도록 구축하고, 이를 무선 신호처리 알고리즘으로 프로그램화하여 브이용 통신 운영시스템에 적용하였다. 연구대상 무선 통신체계는 해상실험을 통하여 성능실험을 수행하였고, 브이용으로 활용할 수 있는 성능을 확인하였다[5].
이를 위해 무선 브이에 설치되는 원격 제어시스템의 구성 요소로는 제어보드의 전체 기능을 제어하고 CDMA 통신 데이터를 생성하며 GPS 수신을 통한 위치 데이터를 추출하는 메인제어보드와 CDMA 통신 기능을 담당하는 CDMA 모뎀, 그리고 제어 보드 및 CDMA 모뎀에 안정적인 전원을 공급하여 주는 +12 V DC-DC 컨버터로 구성되어 있다. 원격 제어시스템은 저전력의 8 bit 마이크로컨트롤러인 ATmega 2560으로 설계하였으며, 마이 크로 컨트롤러는 외부와 시리얼 인터페이스를 위한 4개의 UART 포트가 갖추어져 있으며, 내부에 4K 바이트의 프로그램 매개변수나 프로그램이 동작하는데 필요한 데이터를 저장할 수 있는 메모리(EEPROM)와 256K 바이트의 플래시 메모리 및 프로그램이 실행되는 내부 메모리(SRAM)로 구성되어 있다[3,7].
원격 제어시스템의 입출력 신호처리를 위한 ADC(Analog to Digital Converter) 회로는 OrCAD 프로그램을 이용하여 회로를 작성하였으며, OrCAD 프로그램에 내장된 시뮬레이션 툴을 이용하여 회로의 동작을 검토하여 보았다. 작성한 회로 및 결과는 그림 3 및 4와 같다[8].
이렇게 수신된 SMS는 CDMA 사양서에 나와 있는 MTCNT(수신된 단문 갯수 조회) 명령어를 이용하여 수신된 단문의 갯수를 확인한다. 수신된 단문이 존재하는 경우에 READMT를 이용하여 SMS를 읽게 되며 정상적으로 SMS를 읽은 후에 읽은 메시지를 분석하여 처리 한다.
원격서버에 브이에서 운영되고 있는 하이브리드 전력생산시스템의 상태 및 필요한 제어기능을 수행할 수 있도록 신호전송을 담당하는 것이 무선 체계이다. 이를 위해 무선 브이에 설치되는 원격 제어시스템의 구성 요소로는 제어보드의 전체 기능을 제어하고 CDMA 통신 데이터를 생성하며 GPS 수신을 통한 위치 데이터를 추출하는 메인제어보드와 CDMA 통신 기능을 담당하는 CDMA 모뎀, 그리고 제어 보드 및 CDMA 모뎀에 안정적인 전원을 공급하여 주는 +12 V DC-DC 컨버터로 구성되어 있다. 원격 제어시스템은 저전력의 8 bit 마이크로컨트롤러인 ATmega 2560으로 설계하였으며, 마이 크로 컨트롤러는 외부와 시리얼 인터페이스를 위한 4개의 UART 포트가 갖추어져 있으며, 내부에 4K 바이트의 프로그램 매개변수나 프로그램이 동작하는데 필요한 데이터를 저장할 수 있는 메모리(EEPROM)와 256K 바이트의 플래시 메모리 및 프로그램이 실행되는 내부 메모리(SRAM)로 구성되어 있다[3,7].
원격 제어시스템은 항만에서 떨어진 해상에 위치하고 있으며, 그 통신 수단으로 는 800 MHz 대역의 CDMA모뎀을 사용하며 단문 메시지 서비스를 지원한다. 이에 해상통신 거리 측정이 필요하며 통신 거리측정은 선박을 이용하여 부산항에서 장승포항까지 통신거리를 측정하였으며, GPS 위치 데이터를 수신하여 측정경로 및 통신거리 측정에 이용하였다. 또한 해상에서의 통신거리를 측정하기 위하여 함체 내부에는 CDMA 통신기능을 수행하는 CDMA 모뎀이 구비되어져 있고 외부에 CDMA 안테나 및 원격제어보드의 위치 정보를 확인 할 수 있는 GPS 안테나 및 모듈이 설치되어져 있다.
데이터 처리를 위한 제어화면은 Labview로 구축하여 그림 7과 같이 구성하였다. 해양시설물의 다양한 신호 중에서 가장 중요한 독립형 전력체계의 데이터를 처리하는 과정을 해상실험을 통하여 검증하였다. 데이터 처리용 제어화면에서는 태양광과 풍력 파력의 발전량과 배터리의 전압과 사용 전력 등이 표시된다.
대상 데이터
통신 모듈과 GPS 모듈과의 통신은 8 bits data, no parity, 1 stop bit, 9600 bps로 통신을 수행하며, GPS모듈에서 생성하는 NMEA 0183 Protocol의 $GPRMC sentence를 이용하여 데이터를 수집한다. 현재 사용 중 인 FGPMMOPA2 GPS모듈은 $GPGGA, $GPGSA, $GPGSV, $GPRMC, $GPVTG의 메시지를 출력하며 이중에서 통신모듈은 $GPRMC 메시지를 이용하여 위치정보를 취득하게 된다.
성능/효과
본 논문은 해상 브이용 무선 통신체계를 설계 및 개발하고, 이에 적합한 신호처리 알고리즘을 구축하여 해상실험을 통하여 성능을 평가하였다. 그 결과 사용자가 지정한 정보를 모니터링 프로그램을 통해서 확인 할 수 있었고, 해상용 브이에 활용할 수 있는 성능을 갖추고 있음을 확인하였다. 특히, 실험대상인 전력 데이터 수집, 전송, 처리 과정을 해상에서 무선통신체계로 처리하는 과정에서 통신거리, 해양시설물의 움직임, 통신시스템의 방향성에 따라 통신장애가 부분적으로 발생하는 것을 확인하였다.
입력된 아날로그 신호가 ADC 회로를 거쳐 8 bit의 디지털 출력 값으로 변환되어지는 것을 확인할 수가 있었다. 무선원격 제어시스템 설계에 사용된 마이크로컨트롤러 내부에는 10 bit의 출력 결과 값을 갖는 ADC 회로가 내장되어 있으며, 두 개의 포트에서 입력신호를 처리할 수 있다.
그 결과 사용자가 지정한 정보를 모니터링 프로그램을 통해서 확인 할 수 있었고, 해상용 브이에 활용할 수 있는 성능을 갖추고 있음을 확인하였다. 특히, 실험대상인 전력 데이터 수집, 전송, 처리 과정을 해상에서 무선통신체계로 처리하는 과정에서 통신거리, 해양시설물의 움직임, 통신시스템의 방향성에 따라 통신장애가 부분적으로 발생하는 것을 확인하였다.
후속연구
차후, 이와 같은 문제점을 해결할 수 있는 연구를 체계적으로 수행하여 통신거리, 구조물 운동에 따른 통신 성능 장애 등을 극복할 수 있을 것으로 보이며, 열악한 해상환경에 적용할 수 있는 통신시스템에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해상에 설치되는 브이의 운영 목적은 무엇인가?
해상에 설치되는 브이는 선박의 안전항해 및 다양한 해양 데이터를 수집하기 위한 목적 등으로 운영되고 있다. 이러한 브이는 선박과의 충돌이나 해상 기상상태로 인한 브이의 피해가 자주 발생하면서 이러한 문제를 해결하기 위해 여러 분야에서 연구가 진행 중이다.
브이의 상태를 제어 및 감시하는 통신시스템 에서 처리하는 대표적인 신호는 무엇인가?
브이용 하이브리드 전력생산시스템은 태양광, 파력, 풍력 등의 재생에너지를 브이에 필요한 전력으로 변환하여 활용 하고, 더불어 공급되는 전력을 이용하여 브이의 상태를 제어 및 감시하는 통신시스템을 운용한다. 통신시스템 에서 처리하는 대표적인 신호는 GPS에서 수신한 위치 정보, 하이브리드 전력생산시스템에서 검출한 전압 및 전류 신호, 그리고 등명기 제어를 수행하는 제어신호 등이다. 그림 1과 2는 브이 제어 및 감시에 필요한 신호를 처리하기 위해 수정한 다중 입출력 신호처리 모듈이다[3,6].
과거에 브이는 어떠한 통신 방식을 사용했는가?
과거에는 브이에서 발신하는 무선신호를 전파방향 탐지기로 알아내는 무선브이나, 전파반사판을 이용하여 반사된 전파로 위치를 알아내는 전파반사브이 등이 주로 사용되었으나, 이러한 브이는 운용 상태를 파악하 거나 위치를 추적하기에 어려움이 있다[1]. 이후 브이는 무선 통신 체계를 갖추게 되면서 브이의 운용상태, 기상 및 해양자료를 수집하는 메카니즘을 가지게 되었으 며, 통신 방식에는 RF 통신 등을 주로 사용하였다.
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K. Betke, The NMEA 0183 Protocol [Internet], Available: http://www.elisanet.fi/master.navigator/nmeadescription.pdf.
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