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문제 정의
- 본 연구에서는 지하수 모니터링을 위한 다중센서 기반의 센서 디바이스의 제작 및 성능에 대한 결과를 제시하였다. 제안한 직렬형 구조의 센서의 성능(온도, 수소이온농도, 전기전도도)을 관측하기 위하여 세 가지 항목에 대하여 실내시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 지하에 보유된 지하수의 전기전도도, 온도, 산성도 등을 감지하는 시스템을 통하여 실시간으로 감지/모니터링하고 경보함으로써, 광범위한 지하수 피해에 따른 천문학적인 복원비용을 사전에 최소화하고, 관리자가 주기적으로 지하수 상태의 계측자료를 수집 및 모니터링 함으로써 지하수의 경시적 변화 양상을 분석 가능케 하고 해당지역의 수질관리대상 시설 관리, 또는 지하수오염방지 대책 수립 등에 활용할 수 있는 시스템을 설계 및 제작하였다.
제안 방법
- 게이트웨이 전송 모듈은 데이터로거 및 센서로부터의 데이터 수집부분, LoRA 무선망에 접속하여 자료를 발송하는 데이터 송출부분, 데이터 저장부분, 전원 제어부분으로 구성하였다. LoRa 통신망 기술은 다른 Zigbee 등 무선 프로토콜 보다 훨씬 긴 범위(가시거리가 확보된 환경에서 최대 21km)를 가지므로 많은 리피터 및 AP 가 필요 없어 인프라 구축 비용을 낮출 수 있으며, 3/4G 셀룰러 네트워크에 비해 임베디드 애플리케이션을 위한 보다 높은 확장 가능성과 비용 효율성을 극대화 할 수 있는 인터 페이스로 구현하였다.
- 게이트웨이 모듈은 이동통신망(CDMA, LTE)에 접속하여 중앙서버의 수신 장치로 데이터를 송신하는 Radio Data Processor(이하 RDP) 무선 단말장치 시스템이다. 게이트웨이 전송 모듈은 데이터로거 및 센서로부터의 데이터 수집부분, LoRA 무선망에 접속하여 자료를 발송하는 데이터 송출부분, 데이터 저장부분, 전원 제어부분으로 구성하였다. LoRa 통신망 기술은 다른 Zigbee 등 무선 프로토콜 보다 훨씬 긴 범위(가시거리가 확보된 환경에서 최대 21km)를 가지므로 많은 리피터 및 AP 가 필요 없어 인프라 구축 비용을 낮출 수 있으며, 3/4G 셀룰러 네트워크에 비해 임베디드 애플리케이션을 위한 보다 높은 확장 가능성과 비용 효율성을 극대화 할 수 있는 인터 페이스로 구현하였다.
- 수소이온농도 변화의 감지 여부를 파악하기 위하여 3개 시점에서 1N HCl, 1N NaOH를 사용하여 수소이온 농도를 변화 시키고 시간에 따른 농도를 관측하였다. 그리고 수소이온농도 변화의 감지 여부 이외에 외부 자극이 없는 상황에서 안정적으로 유지되는지 파악하기 위해서 3일간 산/염기를 가하지 않고 관측하였다.
- 제안한 직렬형 구조의 센서의 성능(온도, 수소이온농도, 전기전도도)을 관측하기 위하여 세 가지 항목에 대하여 실내시험을 수행하였다. 기존 병렬형 구조의 수질측정 센서 모두 외부의 자극에 대해 감지 시스템으로 적용 가능할 수 있게 반응하였으며, 자극이 없는 구간에서 시변화에 대해 안정적인 값을 보여주어 사용화 할 수 있는 수준의 성능을 제시하였다.
- 다양한 방식의 센서 또는 데이터로거와의 통신을 위해 RS-232, RS-485 및 적외선 통신방식의 장비도 데이터 수집이 가능하도록 설계하였다. 본 감지 시스템에서는 디지털 방식의 다항목 수질 측정센서를 지하수 오염 물질 측정에 응용하기 위하여 그림 4와 같이 송수신 프로토콜 해석을 통해 변환 모듈을 개발 및 적용을 통해서 데이터로거를 연결하지 않고도 직접 데이터 전송시스템에 연결할 수 있도록 설계 및 제작하였다.
- 그림 3에서 제시된 시스템 구성도는 CAN, RS-232C, RS-485 프로토콜 등 다양한 방식을 이용하여 PC 또는 다른 외부장치와 연결하여 사용할 수 있게 설계되어 있으며 내장된 LoRA Module은 800~900MHz의 주파수 대역과 10kbps 이하의 속도로 Data 전송을 지원한다. 또한 본 기기는 태양광을 이용한 저전력 회로 설계를 통해 상용전원과 병행하여 사용이 가능하도록 설계 및 제작하였다. 또한, 저전력 및 고신뢰성을 요구하는 IoT 서비스를 위하여, 중장거리 무선통신 기술인 LoRa (Long-Range Sub-Ghz Module)[3] 기반의 스마트 IoT 디바이스와 스마트폰 앱을 활용하는 수질모니터링 및원격제어 시스템을 설계 및 구현하였다.
- 시스템 성능평가에 따른 기존 상용화 제품들의 직렬 센서구조 제품 특성으로는 지하수의 깊이에 따른 정확한 측정이 가능하고 병렬형 구조에 따른 센서간의 간섭현상을 최소화 할 수 있는 장점이 있다. 또한 장기적으로는 오염을 방지, 유지관리를 최소화 할 수 있는 성능을 제시하였다.
- 또한 본 기기는 태양광을 이용한 저전력 회로 설계를 통해 상용전원과 병행하여 사용이 가능하도록 설계 및 제작하였다. 또한, 저전력 및 고신뢰성을 요구하는 IoT 서비스를 위하여, 중장거리 무선통신 기술인 LoRa (Long-Range Sub-Ghz Module)[3] 기반의 스마트 IoT 디바이스와 스마트폰 앱을 활용하는 수질모니터링 및원격제어 시스템을 설계 및 구현하였다.
- 다양한 방식의 센서 또는 데이터로거와의 통신을 위해 RS-232, RS-485 및 적외선 통신방식의 장비도 데이터 수집이 가능하도록 설계하였다. 본 감지 시스템에서는 디지털 방식의 다항목 수질 측정센서를 지하수 오염 물질 측정에 응용하기 위하여 그림 4와 같이 송수신 프로토콜 해석을 통해 변환 모듈을 개발 및 적용을 통해서 데이터로거를 연결하지 않고도 직접 데이터 전송시스템에 연결할 수 있도록 설계 및 제작하였다. 또한, 몇몇 지하수 측정 장비는 연결 부위의 부식방지를 위해 적외선 통신 방식을 허용하는 경우도 있어, 이를 고려하여 가능하도록 하였다[7].
- 본 실내시험에서는 관측망의 특성상 필요한 안정적인 데이터 생산, 급격한 수질변동의 관측 여부, 장기관 측과 데이터 통신에 적합한 최적의 센서로 활용하기 위한 테스트로 2종류의 제품에 대하여 온도, 수소이온농도, 전기전도도 세 가지 항목에 대해서 30분 간격으로 5일 동안 데이터를 수집하였다.
- 그림 5는 완성된 다중센서 디바이스를 보여주고 있다. 센서의 왼쪽 부분에 수소이온농도 측정을 위한 pH 센서를 장착하여 지하수 수량이 감소하더라도 관측될 수 있도록 끝단 부분에 장착하였고 중간부분에 지하수의 오염물질 관측을 위하여 전기전도도(EC) 측정 센서를 장착하였다. 그림 5에서 보는 것과 같이 센서들은 외경(40mm이하)이 작고 직렬형 센서 구조로 인하여 지하 삽입에 따른 착공비용이 적게 되고 모듈별 교체가 가능하여 유지보수의 장점을 가질 수 있게 되었다[9].
- 수소이온농도 변화의 감지 여부를 파악하기 위하여 3개 시점에서 1N HCl, 1N NaOH를 사용하여 수소이온 농도를 변화 시키고 시간에 따른 농도를 관측하였다. 그리고 수소이온농도 변화의 감지 여부 이외에 외부 자극이 없는 상황에서 안정적으로 유지되는지 파악하기 위해서 3일간 산/염기를 가하지 않고 관측하였다.
- 온도 변화를 관찰하기 위해서 일별 온도차가 발생하는 곳에 수조를 설치하여 온도변화를 모니터링 하였고 센서의 정확도를 평가하기 위하여 수은 온도계와 측정값을 3회/일 비교하였다.
- 국내에서 실시하고 있는 지하수 모니터링을 위한 관리 운영으로는 “보조지하수 관측망 설치 및 관리지침(2002, 국토해양부, 한국수자원공사)”에 따른 보조 지하수 관측망은 국가지하수관측망과 연계하여 국가 지하수관측망을 보완하기 위한 기능으로서, 지역별로 주요 관측 대상 지점에 관측관정과 모니터링 시스템을 설치하여 지하수 수위(수질) 특성 자료를 획득 및 관리하고 있다. 이러한 지하수 모니터링 시스템은 지역 지하수의 자원고갈 방지를 위한 수위관측, 시스템 내부 수문 요소에 따른 지하수 수지균형 산출, 지역 지하수 생성요인 및 순환과정 규명, 오염이 잔존 가능한 지역에 있어 지층 내 수문지질학적 특성 파악할 수 있는 신규 센서시스템 개발과 신뢰성 테스트를 수행하였다[1].
- 전기전도도 변화의 감지 여부를 파악하기 위하여 별도의 용액을 가하지는 않았으며, 다만, 강산/강염기 투하 시 전기전도도 변화 여부와 외부 자극이 없는 상황에서의 안정성 여부를 시험하였다.
- 동일한 수조에 지하수용 수돗물을 채우고 1Litter/h. 정도의 수돗물 유입에 따른 세 종류의 센서 측정을 시도하였다. 이 때, 동일 심도에 수소이온농도, 전기전도도 감지 부위가 위치하도록 세팅하였고 온도 센서는 수조에 센서 전체가 잠기도록 하였다.
- 본 연구에서는 지하수 모니터링을 위한 다중센서 기반의 센서 디바이스의 제작 및 성능에 대한 결과를 제시하였다. 제안한 직렬형 구조의 센서의 성능(온도, 수소이온농도, 전기전도도)을 관측하기 위하여 세 가지 항목에 대하여 실내시험을 수행하였다. 기존 병렬형 구조의 수질측정 센서 모두 외부의 자극에 대해 감지 시스템으로 적용 가능할 수 있게 반응하였으며, 자극이 없는 구간에서 시변화에 대해 안정적인 값을 보여주어 사용화 할 수 있는 수준의 성능을 제시하였다.
- 중앙 서버에서 순차적으로 원격의 측정망을 호출하여 접속하는 RS-232 패킷통신 방식이 아닌, 정해진 시간에 현장에서 중앙으로 데이터를 송출하는 SMS 데이터 송신방식으로 설계 하였다[8]. 지하수 센싱 및 모니터링을 통해 이러한 정보를 지하수모니터링시스템의 제어판넬과 무선통신 인터페이스 방식으로 상시 정보 공유를 통해 펌프 작동 여부의 판단하도록 하였다.
- 중앙 서버에서 순차적으로 원격의 측정망을 호출하여 접속하는 RS-232 패킷통신 방식이 아닌, 정해진 시간에 현장에서 중앙으로 데이터를 송출하는 SMS 데이터 송신방식으로 설계 하였다[8]. 지하수 센싱 및 모니터링을 통해 이러한 정보를 지하수모니터링시스템의 제어판넬과 무선통신 인터페이스 방식으로 상시 정보 공유를 통해 펌프 작동 여부의 판단하도록 하였다. 무선통신에는 남미의 대규모 농장에 적용할 수 있도록 기본적으로 5km 이상 되는 통신 거리를 만족하고 RF 통신은 Open Field에서 10km 이상을 만족하는 LPWA 방식의 LoRA 기술을 적용하였다.
- 수중펌프가 설치된 배관의 구경이 40mm이하로 제한되어 있음으로 인하여 배관에 센서를 삽입 및 유지관리의 어려움과 센서봉에 의한 지하수의 흐름을 방해하는 문제가 야기되어 왔다. 펌프의 배관에 집어넣을 때 공간이 협소하고 작아서 높이도 기존 외국제품에 비해 작게 구현될 수 있는 수요자의 요구에 의해서 기존 병렬형태의 센서 배열에서 선택적으로 직렬형 또는 개별형으로 구현될 수 있도록 그림 2와 같은 개념도로 제작 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 적용된 데이터 전송(통신) 모듈은 LoRA 통신 기술을 적용하여 국부 지역의 각 제어판넬과 무선기반의 센서데이터를 게이트웨이 모듈과 연계하여 전체 수집하게 된다. 게이트웨이 모듈은 이동통신망(CDMA, LTE)에 접속하여 중앙서버의 수신 장치로 데이터를 송신하는 Radio Data Processor(이하 RDP) 무선 단말장치 시스템이다.
이론/모형
- 지하수 센싱 및 모니터링을 통해 이러한 정보를 지하수모니터링시스템의 제어판넬과 무선통신 인터페이스 방식으로 상시 정보 공유를 통해 펌프 작동 여부의 판단하도록 하였다. 무선통신에는 남미의 대규모 농장에 적용할 수 있도록 기본적으로 5km 이상 되는 통신 거리를 만족하고 RF 통신은 Open Field에서 10km 이상을 만족하는 LPWA 방식의 LoRA 기술을 적용하였다.
성능/효과
- 계측기간 값의 차이는 발생하였지만, 변화의 양상과 시간에 따른 안정성을 볼 때 세 계측기간 최대 오차 0.85 unit 이내에서 안정적인 측정값을 가질 수 있었다. 그리고 그림7에서와 같이 외부에서 강산과 강염기를 투여했을 때 (Time: 0~20, 45~120, 140~200 지점), 센서 역시도 즉각적으로 반응하여 수소이온농도에 영향을 주는 오염물질의 누출을 감지하는 기능으로써 문제가 없을 것으로 판단된다.
- 일반 정류한 수돗물을 이용한 시험결과에서도 전기 전도도 값이 낮은 범위 (< 1 mS/cm)와 중간 범위 (약 4mS/cm) 모두에서 외부에서 오염물질이 투여되지 않았을 때 지극히 안정적으로 측정되는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 그림 8에서와 같이 일정 흐르는 정류 수돗물에서 수소이온농도 변화를 위해 염산(HCl)과 수산화나트륨 (NaOH)을 가한 구간에서는 순간적으로 12~14mS/cm 정도 측정되었지만 50시간정도에서 급격히 감소하여 정상상태로 동작됨을 알 수 있었다. 지하수의 무기 오염물질의 투입이나 증가로 인한 오염물질 누출을 감지할 수 있는 지표로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
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