[논문]지중 시설물 관리를 위한 스마트 맨홀 디바이스

김종덕; 한승헌; 김영길

doi:10.6109/jkiice.2019.23.8.996

지중 시설물 관리를 위한 스마트 맨홀 디바이스
Smart Manhole Device for Underground Facility Management 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.23 no.8, 2019년, pp.996 - 1003

김종덕 (Department of Bio Medical Engineering, Ajou University) , 한승헌 (Department of Electrical Engineering, Myongji College) , 김영길 (Department of Electronic Engineering, Ajou University)

초록
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지상의 각종 시설물들의 지중화가 이루어지며 상수도 및 오수의 악취, 전봇대 쓰러짐, 전자파 영향 및 선로작업에 의한 단선 등의 문제들은 줄어들었다. 그러나, 맨홀 뚜껑 개방에 의한 추락, 가연성 가스 폭발, 인체 유해 가스 및 산소농도 부족에 질식, 고압선 발열에 의한 화재 및 맨홀 침수 등 새로운 문제점들이 발생하고 있다. 또한, 이러한 문제들이 시민 사회의 피해를 주고 공공안전에 불안요소로 작용하고 있다. 이에 본 논문을 통해 맨홀 내 외부의 안정적인 통신환경을 확보하고, 맨홀 내 시설물을 관리하기 위한 다양한 디바이스들과의 무선 통신이 가능한 스마트 맨홀 디바이스에 중점을 두어 연구를 진행하고 향후 지중 시설물 관리의 방향성을 제시하고 공공 안전에 기여 하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The undergrounding of diverse ground facilities has led to a decrease in issues, such as foul smell of water supply systems and wastewater, a fall of telephone poles, electromagnetic waves and breaking of wires caused by a railway work. On the other hand, there are new issues, including a fall accident, explosion affected by flammable gas, a choking accident by harmful gas and a lack of oxygen concentration, a fire coming from high-tension wire heating and flooding in the manhole. Besides, these issues damage the civil society and are an anxiety to public safety. Therefore, this paper is focused on a smart manhole device for stable communication environments inside and outside the manhole and wireless communication with various devices for managing facilities in the manhole, and aims to make a contribution to public safety by suggesting a direction of future underground facility management.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1 BLE GATT Structure
그림 Fig. 2 BLE Frequency Hopping
그림 Fig. 3 BLE Advertising Format
그림 Fig. 4 BLE Central Scan Mode
그림 Fig. 5 LoRaWan Topology
그림 Fig. 6 Data Communication of LoRa Classes
그림 Fig. 7 SKT LoRa Communication Service
그림 Fig. 8 Smart Manhole System Organization
그림 Fig. 9 Smart Manhole Service Scenario
그림 Fig. 10 Smart Manhole Device Organization
그림 Fig. 11 Smart Manhole Device Firmware Flow
그림 Fig. 12 Smart Manhole Device
그림 Fig. 13 Smart Manhole Cover
표 Table. 1 Smart Manhole Device Battery Consumption
표 Table. 2 Battery Consumption with Sleep Period
그림 Fig. 14 Smart Manhole Monitoring Web

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 맨홀을 중심으로 지하 지중시설물을 관리 하여 지중화로 인해 발생하는 위험 상황을 사전에 인지하고 대처함으로서 공공 안전에 기여 하고자 하였다. 구현을 위해 지중시설물에 대한 사전 연구가 필요하였다.
이에 본 논문에서는 맨홀 내 지중 시설물을 모니터링 하고 원격관리가 가능한 단말을 설계하고 구현하여 이를 통해 공공 안전에 기여하고자 한다. 이를 위해 BLE 및 LoRa 통신을 활용하여 통신의 안정성을 확보하고 맨홀 내 시설물을 관리하기 위한 다양한 디바이스들과 무선 통신이 가능하도록 하는데 중점을 두어 연구를 진행 한다.

제안 방법

Main MCU는 부팅 후 서비스 시나리오와 같이 동작하도록 설계하였다. BLE를 Function 형태로 호출하여 제어할 수 있도록 하였고, BLE의 Central 모드에서 무한 스캔을 방지하고자 타이머를 두어 일정 시간동안만 스캔하도록 하였다. 또한 BLE와 MCU는 상호 Wake-up할 수 있도록 하였다.
스마트 맨홀 디바이스의 구현은 설계를 바탕으로 구현하였다. LoRa 통신을 위해 별도의 원형 안테나를 제작하였다. 또한 스마트 맨홀 디바이스 설치를 위해 맨홀 덮개를 신규 제작하였다.
LoRa 통신을 위해 별도의 원형 안테나를 제작하였다. 또한 스마트 맨홀 디바이스 설치를 위해 맨홀 덮개를 신규 제작하였다.
스마트 맨홀 디바이스의 구현은 설계를 바탕으로 구현하였다. LoRa 통신을 위해 별도의 원형 안테나를 제작하였다.
실험을 통해 맨홀 내 온습도 및 개방 등 위험 상황을 관제를 통해 검증하였다.
이에 본 논문에서는 맨홀 내 지중 시설물을 모니터링 하고 원격관리가 가능한 단말을 설계하고 구현하여 이를 통해 공공 안전에 기여하고자 한다. 이를 위해 BLE 및 LoRa 통신을 활용하여 통신의 안정성을 확보하고 맨홀 내 시설물을 관리하기 위한 다양한 디바이스들과 무선 통신이 가능하도록 하는데 중점을 두어 연구를 진행 한다.
이후 맨홀 디바이스의 자체 센서인 온도, 습도 정보를 수집하고, BLE Central 모드를 통해 지중 시설물을 관리하는 센서 디바이스들의 데이터를 수집한다. 이후 LoRa 망을 통해 데이터를 사용자 서버로 전달하고, 저전력을 위해 Sleep 주기를 설정하고 Sleep 모드로 진입한다. Sleep 모드에서는 맨홀의 BLE를 Peripheral 모드 설정하고, Advertising을 시작한다.
펌웨어는 Main과 BLE를 분리하여 설계하였다. Main MCU는 부팅 후 서비스 시나리오와 같이 동작하도록 설계하였다.
하드웨어 플랫폼 설계는 사용 특성상 저전력을 기반에 두고 설계하였다. 맨홀의 Main 펌웨어를 구동하는 MCU, BLE 전용 칩과 LoRa 모듈, 온습도 센서, 배터리 ADC로 구성하였다.

대상 데이터

Central 모드를 통해 지중 시설물을 관리하는 센서 디바이스들의 Advertising 데이터를 수집하고, 이를 주기 보고에 사용한다. Peripheral 모드를 통해 센서 디바이스들의 위험 상황을 위한 긴급 메시지를 처리한다.
하드웨어 플랫폼 설계는 사용 특성상 저전력을 기반에 두고 설계하였다. 맨홀의 Main 펌웨어를 구동하는 MCU, BLE 전용 칩과 LoRa 모듈, 온습도 센서, 배터리 ADC로 구성하였다. Main MCU와 BLE를 별도로 분리한 이유는 대부분의 BLE 칩셋들이 외부 인터페이스의 여유가 없기 때문이다.
배터리 성능을 측정하기 위해 3.6V 19,000mAh 배터리를 사용하였고, 안정적인 가용성을 위해 70%인 13,300mAh를 기준으로 하였다.
디바이스는 부팅 후 LoRa 통신망에 접속하고, 시간 동기화를 진행한다. 이후 맨홀 디바이스의 자체 센서인 온도, 습도 정보를 수집하고, BLE Central 모드를 통해 지중 시설물을 관리하는 센서 디바이스들의 데이터를 수집한다. 이후 LoRa 망을 통해 데이터를 사용자 서버로 전달하고, 저전력을 위해 Sleep 주기를 설정하고 Sleep 모드로 진입한다.

이론/모형

BLE는 2402Mhz부터 2480Mhz까지 사용한다. 이는 WiFi 주파수 대역이며, 주파수 간섭을 피하기 위해 Hopping 기술을 사용한다. 또한, 3개의 Advertising 전용 채널을 두고, Advertising 채널도 Hopping을 한다.
스마트 맨홀 디바이스는 서론의 언급과 같이 지중 시설물 관리를 위하기 위한 목적으로 통신 가능한 맨홀을 통해 위험 상황을 모니터링하고 관리하는 것이다. 이를 위해 맨홀 내부 통신은 BLE의 Central 모드와 Peripheral 모드를 사용하였고, 외부망 통신을 위해 LoRa를 사용하였다.

성능/효과

구현을 위해 지중시설물에 대한 사전 연구가 필요하였다. 구현과 실험을 통해 BLE와 LoRa를 활용해 지중 시설물 관제가 가능한 것을 알게 되었다. 현재 일부지역에 POC(Proof Of Concept) 가 진행 중인데, 향후 POC를 확대하여 문제점과 추가 필요사항을 찾아 개선하여 상용으로 확대하고, 공공안전에 기여할 수 있는 시스템으로 발전시켜야 하겠다.
현재 부산과 경기도 일부 지역에 POC를 진행 중이다. 실험을 통해 관제 설치된 맨홀 디바이스의 상태를 모니터링 할 수 있었고, 주기보고와 위험 상황 이벤트 보고가 정상적으로 업데이트 되는 것을 관제 웹을 통해 확인 할 수 있었다. 관제 웹은 지역별 현황, 장애발생 통계와 장애 발생 시 알람을 보여준다.

후속연구

구현과 실험을 통해 BLE와 LoRa를 활용해 지중 시설물 관제가 가능한 것을 알게 되었다. 현재 일부지역에 POC(Proof Of Concept) 가 진행 중인데, 향후 POC를 확대하여 문제점과 추가 필요사항을 찾아 개선하여 상용으로 확대하고, 공공안전에 기여할 수 있는 시스템으로 발전시켜야 하겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Bluetooth Low Energy는 무엇인가?	Bluetooth Low Energy는 저전력 무선통신을 위한 Bluetooth SIG에 의해 재정된 기술이다. BLE는 Bluetooth Smart라고 하며, Classic을 지원하는 BLE의 경우 Bluetooth Smart Ready라고 한다.
	BLE Peripheral에서 Advertising 과 GATT의 역할은 무엇인가?	BLE Peripheral장치는 Advertising 과 GATT 서버역할을 담당한다. Advertising을 통해 장치가 원하는 데이터를 Broadcasting 할 수 있으며, GATT 서버 역할을 통해 Client의 접속요청을 처리하고, 데이터 상호교환이 가능하다. BLE Advertising의 최대 Packet 크기는 Payload 6Bytes와 가변 데이터 31Bytes이며, Scan Request에 의 해 최대 62Bytes의 가변 데이터를 Broadcasting 할 수 있다.
	BLE의 특징은 무엇인가?	BLE는 Bluetooth Smart라고 하며, Classic을 지원하는 BLE의 경우 Bluetooth Smart Ready라고 한다. BLE는 저전력, 저용량의 데이터를 보내는데 효율적이며, IoT 디바이스들에 사용이 적합한 구조적 특징을 가지고 있다. BLE는 서비스로 Advertising과 Scanning으로 분류하고, Central과 Peripheral 장치로 나눈다.

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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