[논문]무선네트워크기반 공기질 실시간 모니터링 시스템

백승현; 이준영; 정상우; 박홍배

doi:10.14372/iemek.2016.11.3.143

무선네트워크기반 공기질 실시간 모니터링 시스템
Real-time Air Quality Monitoring System Based on Wireless Network 원문보기

대한임베디드공학회논문지 = IEMEK Journal of embedded systems and applications, v.11 no.3, 2016년, pp.143 - 151

백승현 (Kyoungpook National University) , 이준영 (Kyoungpook National University) , 정상우 (Kyoungpook National University) , 박홍배 (Kyoungpook National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a real-time air quality monitoring system based on wireless network is designed and implemented for industrial park or multiuse facilities. The existing gas detector is high price and hard to apply the remote monitoring system. On the other hand, demand for air quality monitoring is increasing because of industrial gas accident, air pollution, and so on. In Korea, indoor air regulation was established by law. According to indoor air regulation, CO2, CO, and NO2 are important gases as the air quality standard. So we study the gas detector for indoor air quality and the wireless network system. The wireless network consist of sensor network and WCDMA to apply various place. To verify the performance of the implemented gas detector, the gas measurement experiment is performed in laboratory environment by using the realized gas detecting wireless sensor node. And we evaluate the experiment results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 다양한 환경에 적용 가능한 실시간 공기질 모니터링시스템을 제안하였다. 무선센서 네트워크와 WCDMA 통신을 결합한
제안 방법
- 후)가스 측정기의">가스측정기의 가스센서 중 MICS-2710과 GSET11 센서는 가스측정이 히팅방식으로 열을 발생시켜 가스를 측정한다. NDIR방식 이산화탄소 가스센서인 T-100에서 MICS-2710과 GSET11에서발생하는 온도로 인한 후)가스 측정기의">가스측정기의 구성을 그림 3과 같이 센서노드로 사용할 수 있도록 저전력소자를 사용하고 센서 구동회로들 또한 저전력구동이 가능하도록 설계한다. 그림 7과 같이 유리챔버내에 가스를 유량조절기를 사용하여 측정가스농도를 투입하여, 농도가 안정화시키기 위해 30분후 각 농도를 30분간 측정한다. 항온수조를 사용하여 온도를 25℃로 후)모니터링 시스템을">모니터링시스템을 제안하였다. 무선센서 네트워크와 WCDMA 통신을 결합한 무선네트워크 기반 모니터링 시스템을 제안하여, 센서네트워크를 통해 다양한 환경에 설치할 수 있고 WCDMA기반의 이동통신시스템과 연동하여 관리자와 이용자에게 실시간으로 공기질 정보를 전달할 수 있도록 설계하였다. 그리고 공기질의 본 논문에서는 무선네트워크기반 유해가스 실시간 모니터링 시스템을 제안하며, 무선네트워크 모니터링 시스템은 각 지역별로 데이터를 수집할 수 있는 센서네트워크 그룹과 네트워크 그룹들을 통합관리하는 WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 네트워크로 설계하고, 가스측정기는 실내공기질 관리기준에 맞는 측정범위에 적합하도록 설계⦁구현하고, 가스측정실험을 한다.
- 후)통신 형식에">통신형식에 맞게 동작하며, 코디네이터로부터 수집된 정보를 데이터베이스에 저장할 수 있도록 한다. 수집된 데이터의 정보로는 센서모듈의 macaddress, parent macaddress, panid(채널 및 Application ID), lqi(신호세기), state(정상, 가스누출, 고장), usim number(전화번호) 등을 실시간으로 데이터베이스에 업데이트한다. 기본적인 WCDMA 데이터 전송에 대한 관리서버는 아래 그림 2와 같이 동작한다.
- 후)유지관리 기준(제">유지관리기준(제 3조)을 참고하여 가스농도를 측정하였다. 이산화탄소는 400ppm에서 200ppm단위로 증가시켜 2000ppm까지 실험하였고, 일산화탄소는 0ppm, 5ppm, 그리고 10ppm부터 10ppm 단위로 300ppm까지 측정하였고 350ppm부터 1000ppm까지 50ppm단위로 측정하였다. 그리고 이산화질소는 0ppm에서 1ppm까지 0.
- 후)가스선택성과">가스 선택성과 내구성이 접촉식 가스센서들보다 우수하다. 이산화탄소는 공기질을 나타내는 가장 중요한 요소로 접촉식 가스센서에 비해 측정오차가 작고 내구성이 뛰어난 비분산적외선방식 가스센서를 선택하였다.
- 표 11의 다중이용시설 등의 실내공기질관리법 유지관리기준(제 3조)을 참고하여 가스농도를 측정하였다. 이산화탄소는 400ppm에서 항온수조를 사용하여 온도를 25oC로 유지시켜온도변화를 최소화하였다.
대상 데이터
- 후)가스 측정기는">가스측정기는 3개의 가스를 측정할 수 있는 3종의 센서를 사용하여 구현한다. CO2 NDIR방식 가스센서, 반도체식 CO 가스센서, 반도체식 NO2 가스센서 3종류의 가스센서를 사용하고 각 센서별 특성과 성능은 아래 표 7, 8, 9와 같다. ELT사의 T-100은 기본적인 WCDMA 데이터 전송에 대한 관리서버는 아래 그림 2와 같이 동작한다. 데이터베이스는 MySQL로 구현하였으며 데이터베이스 테이블은 nUser, nZigbee, nErrorHistory, nZigbeeData로 구성한다. 후)사용 소자는">사용소자는 Nuvoton사의 M0516LDN를 MCU로 ADC, UART 통신, I2C 통신의 3가지 인터페이스를 사용한다. 후)유지시켜온도 변화를">유지시켜온도변화를 최소화하였다. 실험가스는 0.5% 농도오차율을 가지는 이산화탄소, 일산화탄소, 이산화질소 농도표준가스들을 사용하여 실험하였다. 측정신호는 ZigBee를 통해 모니터링 PC로 전송하여 데이터를 수집하였으며, 수집된 데이터는 PC에서 매트랩 7.
데이터처리
- 후)농도 표준가스들을">농도표준가스들을 사용하여 실험하였다. 측정신호는 ZigBee를 통해 모니터링 PC로 전송하여 데이터를 수집하였으며, 수집된 데이터는 PC에서 매트랩 7.10.0을 사용하여 분석하였다.
이론/모형
- MiCS-2710 이산화질소센서는 식(1)과 같이 출력전압(V_s), 로드저항(R_L), 인가전압(V_cc)에 따라 계산되는 출력저항(R_s)은 농도와 상관관계를 가지므로, 각 농도에서 측정된 값을 하나의 데이터세트로 하여 각 농도를 추정할 수 있도록 Fuzzy Min-Max기법을 사용하여 농도를 추정하였다.

성능/효과

OGAM사의 GSET11 일산화탄소센서의 전압출력별 가스농도특성곡선과 실험결과를 비교한 결과 그림 9와 같이 100ppm 이하의 저농도 구간에서는±5%로 오차가 작았으나 100ppm을 넘어서는 큰 오차를 보였다.
그리고 각 가스센서의 특성에 맞게 가스측정실험의 분석을 진행하였으며 각 실험결과 이산화탄소는 ±50ppm 오차범위,일산화탄소는 100ppm 이하에서 ±5% 오차율, 이산화질소도 10% 이하의 오차율로 실내공기질관리법 유지관리기준 농도에서 적합한 성능을 보였다.
연산증폭기는 TI사의 TLC271로 저전력 구동에 적합하며, 온도센서는 Sensirion사의 SHT30을 사용하여 실험환경에서 유지되는 온도를 확인한다.
후)구간에서는 ±5%로">구간에서는±5%로 오차가 작았으나 100ppm을 넘어서는 큰 오차를 보였다. 이는 센서특성에 기인하는 것으로 본 연구에서 실내공기질관리법 유지관리기준 농도인 10ppm근처의 저농도로 본 시스템에 적용하기에 유용한 것으로 분석할 수 있다.

후속연구

그리고">[4]. 그리고 대기오염과 공기질에 관한 일반인의 관심이 급증함에 따라 이러한 요구를 만족시킬 수 있는 공기질 모니터링 시스템이 필요하다.
후)유지관리 기준">유지관리기준 농도에서 적합한 성능을 보였다. 따라서 개발한 가스측정기는 공기질 실시간 모니터링 시스템에 적용가능하며, 제안한 시스템은 산업체와 다중이용시설 등 다양한 시설에 적용 가능할 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 산업용 가스측정기가 가진 단점은 무엇인가?	특히 밀폐된 공간에서 장시간 활동은 작업자의 안전과 밀접한 관계를 가지며, 이는 주로 이산화탄소 농도로 평가되는 실내 공기질과 질식과 중독을 유발하는 유독가스로 작업환경을 평가관리 할 수 있다 [1-3]. 기존의 산업용 가스측정기는 고가의 계측장비로 작업공간의 다양성에 맞게 활용하기 어렵고, 사용자가 직접 다양한 가스의 농도를 확인해야 하는 등의 단점이 있다. 다양한 산업체 작업환경에 적용가능하고 작업자와 관리자 모두 정보를 제공받기 위한 무선네트워크기반의 시스템이 갖춰질 필요성이 있다.
	가스측정기를 구현하는데 사용한 3종류의 가스센서는 무엇인가?	가스측정기는 3개의 가스를 측정할 수 있는 3종의 센서를 사용하여 구현한다. CO2 NDIR방식 가스센서, 반도체식 CO 가스센서, 반도체식 NO2 가스센서 3종류의 가스센서를 사용하고 각 센서별 특성과 성능은 아래 표 7, 8, 9와 같다. ELT사의 T-100은 비분산적외선방식(NDIR) 가스센서로 이산화탄소를 측정한다.
	Ogam사의 GSET11 일산화탄소센서가 일산화탄소 측정에 유리한 이유는 무엇인가?	Ogam사의 GSET11 일산화탄소센서는 100ppm 이하의 농도에서 정확도가 우수하므로 저농도에서도 장시간 노출시 인체에 치명적인 일산화탄소 측정에 유리하다. 그리고 MICS Sensor사의 MICS-2710은 측정하고자하는 농도대역에 따라 감도를 조절할 수 있도록 설계되었다.

참고문헌 (14)

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J. Kwon, D. Lee, G. Ahn, G. Kim, H. Kim, J. Kim, "Development of Remote Controller for Air Quality Monitoring and Control using Wall-pad in Underground Tunnel," Information and control symposium, pp. 171-172, 2010.
IEEE Standard, IEEE Standard for Information technology Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks Specific requirements, 2003.
Y.W. Kim, S.H. Paik, H.B. Park, "Modified Multi-Gas Classification System Based on Fuzzy Min-Max," ICEEE, pp. 1-4, 2013.

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