[논문]LoRa IoT 기반의 교량 무선 자동계측 시스템 개발

박진오; 박상헌; 안승주; 박원주; 김종훈

doi:10.11112/jksmi.2019.23.7.164

LoRa IoT 기반의 교량 무선 자동계측 시스템 개발
Bridge Wireless Measurement System Development based on LoRa IoT 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.7, 2019년, pp.164 - 171

박진오 ((주)동일기술공사) , 박상헌 ((주)동일기술공사) , 안승주 ((주)동일기술공사) , 박원주 (한국시설안전공단) , 김종훈 (한국시설안전공단)

초록
AI-Helper

국내 SOC 공공시설물 중에 가장 많은 비율을 차지하는 교량시설물을 중심으로, 기존에 운영되고 있는 유선 계측시스템 또는 국내 통신사에서 자체 개발된 무선계측 시스템 대비 비용 절감이 가능하고, 기술적인 완성도를 높여 많은 교량에 적용될 수 있는 교량 무선 계측 시스템 개발하였다. 비면허 LPWAN 기술 중에 하나인 LoRa를 이용하여 국내 ISM 대역을 고려한 최적화된 MEMS기반 LoRa 스마트 센서노드와 기존 유선 센서도 LoRa 네트워크 통신이 가능한 LoRa DAQ 센서노드를 개발하였으며, 개발된 센서노드의 Test Bed 성능 검증과 효율적인 관리를 위해 어플리케이션 서버를 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Focusing on the bridge facilities, which occupy the largest proportion among SOC public facilities in Korea, it is possible to reduce the cost compared to existing wired measurement systems or wireless measurement systems developed by domestic telecommunications companies, and to increase the technical perfection to be applied to many bridges. We developed a wireless measurement system for bridges. Using LoRa, one of the unlicensed LPWAN technologies, we have developed an optimized MEMS-based LoRa smart sensor node considering the domestic ISM band and the existing wired sensor LoRa DAQ sensor node that can communicate with the LoRa network. Application server was developed for the test bed performance verification and efficient management of the developed sensor node.

주제어

표/그림 (26)

표 Table 1 Korean SOC Facility Aging Trend Forecast
그림 Fig. 1 World Cup Bridge Wired Measurement System Application Case
그림 Fig. 2 Tank Level Monitoring Concept
그림 Fig. 3 Flood Prediction Monitoring System
그림 Fig. 4 LPWAN Sensor Node
표 Table 2 LPWAN Technology Comparison
그림 Fig. 5 Existing wired measuring system sensor and automatic measuring system
그림 Fig. 6 PCB sensor board
그림 Fig. 7 PCB Sensor Node
그림 Fig. 8 PCB sensor board layer design
그림 Fig. 9 LoRa Smart Sensor Node
표 Table 3 PCB Sensor Board Main Module Contents
표 Table 4 PCB Sensor Node Main Module Contents
그림 Fig. 10 LoRa DAQ Board
그림 Fig. 11 Input signal distribution circuit
그림 Fig. 13 PGA281 Analog Input Stage Design Schematic
그림 Fig. 14 Input lightning and noise prevention circuit
그림 Fig. 12 Current source of the sensor (voltage source)
그림 Fig. 15 LoRa DAQ Board Layer Design
그림 Fig. 16 LoRa DAQ Board
그림 Fig. 17 Tektelic KONA Macro IoT Gateway
그림 Fig. 18 Wireless Bridge Maintenance System User Interface GUI
그림 Fig. 19 Yeonggwang Bridge site with test bed
표 Table 5 LoRa network and application server configuration and content
표 Table 6 KR920-923 Central Frequency, bandwidth, maximum EIRP Output
표 Table 7 LoRa KR920-923 Tx Data Rate

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 교량의 노후화에 따른 갑작스런 붕괴로 대형 인적/물적피해를 방지하기 위한 사전 안전성 검토를 목적으로 시설물 유지관리 공공기관, 지자체는 다양한 교량 모니터링 시스템을 구축하고 있다.
본 연구에서는 광범위한 SOC 공공시설물을 고려한 통합시스템 구축을 위해서는 많은 시간과 비용이 소요되기 때문에 공공시설물에 대표적인 교량을 중심으로 기존에 운영되고 있는 유선 계측시스템 또는 국내 통신사에서 자체 개발된 무선 계측 시스템 대비 비용 절감이 가능하고, 기술적인 완성도를 갖춘 시스템 개발을 목적으로 수행하였다.
본 연구에서는 기존 국내에 상용화된 유선계측기반 교량 유지관리 시스템과 무선계측 시스템의 경제성 및 확장성을 고려하여 LoRa LPWAN을 이용한 무선통신 교량 모니터링 시스템 구현을 목적으로 아래와 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

1) LoRa기반 무선계측 모니터링 시스템 구축을 위해 저전력 및 제작의 최적화가 가능하도록 RTOS 운영체제를 기반으로 외부환경, 내구성능, 유지관리 편의성을 고려하여PCB보드 및 외부 하우징을 개발하였다. 또한 MEMS기반으로 구현가능한 3축가속도계 모듈을 적용하여 자체 센서로 가속도 결과값을 계측할 수 있도록 개발하였다.
2) 대용량 Data전송이 어려운 LoRa 통신의 단점을 해결하기 위해 FFT분석을 통하여 가공된 저용량 Data를 송신할 수 있도록 H/W개선(MPU , CPU 탑재)를 개선하여 분산처리가 가능한 LoRa 스마트 센서노드 개발하였다.
3) MEMS기반으로 구현이 어려운 기존 센서들의 LoRa 무선 유지관리 시스템 구축을 위해 LoRa DAQ 보드 개발을 통하여 다양한 Data타입(아날로그, 저항, 전류방식), 다채널(6개), 후처리가공(FFT)을 고려하여 LoRa 통신이 가능하도록 개발하였다.
4) 어플리케이션 서버는 오픈소스 기반의 LoRa WAN Network 서버를 이용하여, 게이트웨이 및 각 센서노드의 실시간 확인이 가능한 웹기반 모니터링 시스템을 구축하였다.
LoRa DAQ 보드는 주로 기존센서의 LoRa 통신구현을 위해 입력신호를 LoRa 통신으로 변환하여 송신하는 목적으로 설계하였다. 기존 센서는 Data 형태가 대표적으로 디지털(RS-232, RS-485)과 아날로그(전원 Type, 전압 Type, 저항 Type) 신호로 구성되어 있기 때문에 다양한 기존센서들이 DAQ보드에 동시에 연결되어 송신 할 수 있도록 총 6개의 포트 (RS-232 : 2Port, RS-485 : 1Port, 아날로그 : 4Port)로 구성하여 제작하였다.
LoRa 스마트 센서노드는 센서보드와 스마트센서노드로 구성되며, Fig. 6에 보이는 3축 가속도 센서와 온도계에서 나오는 수집데이터의 변환 및 결과분석을 External I/O를 통하여 송수신 PCB 보드로 데이터 전송을 목적으로 보드를 제작하였다.
LoRa 스마트 센서노드는 장기적으로 옥외에 설치되는 구조로 외부환경에 대한 상당한 내구성능이 요구되므로, 방수 및 방진(IP67) 성능을 갖도록 제품 하우징을 커스텀 가공하였으며, 최종 개발된 LoRa스마트 센서노드 제품은 Fig. 9와 같이 개발하였다.
LoRa스마트 센서노드의 PCB보드는 총 4 Layer 로 구성되어 있으며, 커스텀 제작한 하우징을 고려하여 설계하였다. 또한 LoRa통신과 같은 미세한 신호를 다루기 위해 신호 수신율에 영향을 줄 수 있는 안테나 수신부가 Impedance Matching을 고려하여 LoRa Module로 연결이 되도록 회로를 구성하였다.
LoRa DAQ 보드는 주로 기존센서의 LoRa 통신구현을 위해 입력신호를 LoRa 통신으로 변환하여 송신하는 목적으로 설계하였다. 기존 센서는 Data 형태가 대표적으로 디지털(RS-232, RS-485)과 아날로그(전원 Type, 전압 Type, 저항 Type) 신호로 구성되어 있기 때문에 다양한 기존센서들이 DAQ보드에 동시에 연결되어 송신 할 수 있도록 총 6개의 포트 (RS-232 : 2Port, RS-485 : 1Port, 아날로그 : 4Port)로 구성하여 제작하였다.
기존 유선계측을 통한 교량의 건전성 평가를 위해 다양한 계측센서(가속도계, 경사계, 처짐계, 신축변위계, 온도계, 변형률계 등)가 사용되고 있어, 2.2절과 같이 MEMS기반으로 구현 가능한 계측센서에 대해서 LoRa스마트 센서노드를 개발하여 LoRa 센서 네트워크가 구현이 가능하도록 개발하였다.
또한 LoRa통신과 같은 미세한 신호를 다루기 위해 신호 수신율에 영향을 줄 수 있는 안테나 수신부가 Impedance Matching을 고려하여 LoRa Module로 연결이 되도록 회로를 구성하였다.
1) LoRa기반 무선계측 모니터링 시스템 구축을 위해 저전력 및 제작의 최적화가 가능하도록 RTOS 운영체제를 기반으로 외부환경, 내구성능, 유지관리 편의성을 고려하여PCB보드 및 외부 하우징을 개발하였다. 또한 MEMS기반으로 구현가능한 3축가속도계 모듈을 적용하여 자체 센서로 가속도 결과값을 계측할 수 있도록 개발하였다.
7과 같이 연산처리를 목적으로 탑재된 CPU를 통하여 FFT분석을 통한 결과값을 LoRa Module의 안테나를 통하여 무선으로 발신하고 게이트웨이에서 수신하는 형태로 설계되어 있다. 스마트 센서노드의 CPU모듈은 TI AM3358 1GH Arm Coretex와 LoRa모듈은 Wisol LOM 202A를 적용하였고, 운영체제는 Linux OS와 같은 상시가동에 따른 많은 전력 소모방지 및 LoRa 네트워크 구현 최적화를 위해 FreeRTOS기반으로 적용하였다.
아날로그 입력신호는 센서에 따라 전류원(Current Source) 또는 전압원 (Voltage Source)이 필요한 경우가 있기 때문에, 입력부분에 전류원 또는 전압원을 공급할 수 있도록 설계하였다. 본 DAQ보드에 사용한 OPAMP는 TI사의 PGA281AIP이며, PGA281은 Fig.
게이트웨이는 이더넷(Ethernet)을 통해서 LoRa 네트워크 서버로 연결되며, LoRa 네트워크 서버로 전달된 계측 데이터들은 MQTT 메시징 서버를 통해 모니터링을 위한 어플리케이션 서버로 전달된다. 웹기반 모니터링 시스템은 Fig. 18과 같이 MQTT 클라이언트와 MySQL 데이터베이스 기반으로 개발하였으며, 실시간으로 게이트웨이 및 각 센서노드의 상태, 그리고 각 센서노드의 계측된 값을 모니터링 할 수 있도록 하였다.
이러한 개발을 위해 비면허 대역 LPWA 기술 중에 하나인 LoRa 통신을 이용하여 교량 분야 유지관리 시스템에 적용 가능한 MEMS 기반 센서보드, 분산처리를 위한 LoRa 스마트 센서노드 및 기존 유선 센서 계측 데이터 수집이 가능한 DAQ 보드를 개발하여, LoRa 센서 네트워크 기반의 무선자동계측 플랫폼을 개발하였다.
디지털 신호입력은 국내에서 사용되고 있는 일반적인 시리얼 통신방식으로 설계되었으며 아날로그 입력신호는 종류에 따라 증폭도를 조절하기 위해, 입력분배회로와, Programmable OPAMP가 탑재되어, 미세 신호입력부터 고준위 신호를 모두 수용할 수 있도록 설계되었다. 입력신호 분배회로는 Fig. 11~12와 같이 OPAMP의 정격 입력 (-5V ~ +5V)에 신호레벨을 맞추기 위한 회로도이며, OPAMP가 받아들일 수 있는 신호레벨보다 높은 신호를 적정하게낮출 수 있도록 설계하였다.
하지만 MEMS기반으로 구현이 어려운 기존 계측센서(신축 변위계, 온도계 등)들에 대해서 LoRa기반 센서네트워크가 가능하도록 Fig. 10과 같이 LoRa 스마트 센서노드를 위한 DAQ(Data Acquisition) 보드를 개발하였다.
하지만 기존 유선 센서와 데이터로거를 통한 데이터 수집 및 평가는 센서 설치-데이터 수집-결과분석에 상당한 시간과 인력이 요구되기 때문에 이러한 후처리 결과 과정 및 자동계측 시스템 설비의 간소화를 위하여 LoRa 기반 무선 자동 계측 시스템을 개발하였다.

대상 데이터

19의 전라남도 영광군에 위치한 영광대교(사장교)에 개발된 LoRa 스마트 센서노드 및 LoRa DAQ 보드를 적용하였다. 또한 계측 단말로부터의 LoRa 무선 신호 수집을 위한 LoRa 게이트웨이와 게이트웨이로부터 서버까지 데이터 전송을 위한 LTE 라우터는 전라남도 영광군에 위치한 영광대교(사장교 L=590m) 계측동에 설치하였다.
무선 자동 계측을 위해 LoRa 스마트 센서노드를 이용하여 케이블 장력 측정 목적으로 2개소, 보강거더 고유진동수 해석을 위한 가속도계 1개소를 설치하였으며 LoRa DAQ 보드를 이용하여 온도계 2개소, 신축변위계 2개소가 설치되어 장기 모니터링을 추진하고 있다. Test Bed 적용에 따라 설치시점부터 실시간 Data 및 개발된 통신상태를 모니터링 하고 있으며, 현재 기준으로 (2019.
아날로그 입력신호는 센서에 따라 전류원(Current Source) 또는 전압원 (Voltage Source)이 필요한 경우가 있기 때문에, 입력부분에 전류원 또는 전압원을 공급할 수 있도록 설계하였다. 본 DAQ보드에 사용한 OPAMP는 TI사의 PGA281AIP이며, PGA281은 Fig. 13과 같이 MPU에서 증폭도를 소프트웨어적으로 제어 할 수 있는 Porgrammable OPAMP로서 안정성 있는 동작을 보장할 수 있도록 적용하였다.
이러한 본 개발기술의 검증을 위해 Fig. 19의 전라남도 영광군에 위치한 영광대교(사장교)에 개발된 LoRa 스마트 센서노드 및 LoRa DAQ 보드를 적용하였다. 또한 계측 단말로부터의 LoRa 무선 신호 수집을 위한 LoRa 게이트웨이와 게이트웨이로부터 서버까지 데이터 전송을 위한 LTE 라우터는 전라남도 영광군에 위치한 영광대교(사장교 L=590m) 계측동에 설치하였다.

성능/효과

기존의 3축 가속도계 센서의 경우, 단순히 원시데이터(Raw Data)를 수집하여 관리자가 후처리 가공(직접 계산)으로 결과값을 도출하였으나, 본 기술은 원시데이터를 자체 내장된 FFT 분석을 통하여 결과값을 송신하도록 개발되어 LoRa 통신의 단점 중 하나인 대용량 데이터 전송 어려움을 해결하였다.

후속연구

비면허대역 기반 LPWAN LoRa 무선 네트워크 시스템은 이미 국외에서는 공공시설, 환경, 농업 등 다양한 산업분야에 적용되고 있는 핵심기술이다. 아직 국내에서는 대형 통신사가 추진하고 있는 Business Model을 제외하고 다양한 LPWAN 기반 통신기술개발이 활발하게 진행되고 있지 않지만 경제성과 확장성을 갖고 있는 본 개발기술을 통하여 국외와의 기술격차를 줄이고, 다양한 공공시설물에 노후로 인한 급격한 인적/물적 피해를 최소화 할 수 있는 무선기반 사전 모니터링 시스템의 핵심기술로 적용되길 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다양한 교량 모니터링 시스템이 구축되는 이유는 무엇인가?	국내 공공시설물에 하나인 교량은 5년마다 정밀안전진단을통하여 교량의 상태 등급에 따른 유지보수 및 신설을 계획하고 있으나, 지자체 및 특광역시 한정된 유지보수 예산으로 많은 교량을 유지보수를 하기에는 현실적으로 어려운 실정이다. 따라서 교량의 노후화에 따른 갑작스런 붕괴로 대형 인적/물적피해를 방지하기 위한 사전 안전성 검토를 목적으로 시설물 유지관리 공공기관, 지자체는 다양한 교량 모니터링 시스템을 구축하고 있다.
	사물인터넷의 통신 기술은 무엇인가?	사물인터넷의 통신 기술은 일반적으로 LPWAN(Low Power Wide Area Network:저전력 광역 통신) 기술 기반으로 4G/5G 기반의 상용통신망을 기반으로 하는 Cellular LPWAN기술과 비면허 ISM 대역을 사용하는 De-facto Standard 기술로 구분(Park, T.J.
	SOC 시설물의 노후화에 따라 예상되는 문제는 무엇인가?	위와 같이 공공시설물의 노후화가 급속도로 증가됨에 따라 시설물 유지보수비용은 역시 증가될 것이라 예상되며, 공공 시설물에서 가장 큰 비중을 차지하는 교량구조물도 마찬가지로 많은 유지관리 비용이 발생 될 것으로 예상된다.

참고문헌 (6)

Ministry of Land, Infrastructure and Transport.(2017), Master Plan for Safety and Maintenance of the 4th Facility (2018-2022), 3-4
Park, T.J., Lee, K.S., Jeong, W.C., Choi, B.C., Bang, H.C.(2017), LPWA-based IoT Dedicated Network Technology Trend, 2017 Electornics and Telecommunications Trends, 47
SEMTECH.(2018), LoLa Technology:Flood Sensor Monitoring with Real-tiime Data, 1-4
Cho, S.J., Park, J.W., Jang, S.A., Jo, H.K., Jung, H.J., Yun, C.B., Billie F.Spencer, Jr. (2011), Structural Health Monitoring Using Wireless Smart Sensor Networks for a Cable-stayed Bridge, 2011 Computational Stochastic Mechanics, 174-177
Kim, J.T., Sim, S.H., Cho, S.J., Yun, C.B., Min, J.Y. (2016), RecentR&D activities on structural health monitoring in Korea 2016, Structural Monitoring and Maintenance, Vol. 3, No. 1 (2016), 94-98
Ho, D.D., Lee, P.Y., Lee, S.Y., Kim, J.T., Vibration-based Structural Health Monitoring of Full-Scale Cable-Stayed Bridges Using Wireless Smart Sensors 2012, Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 12, No. 1 (2012), 77-80

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증