[논문]구조물 건전성 모니터링을 위한 IoT 센서 개발 동향 및 전망

박종웅

구조물 건전성 모니터링을 위한 IoT 센서 개발 동향 및 전망
Overview of IoT Sensors for Structural Health Monitoring 원문보기

전산 구조 공학 = Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea, v.33 no.3, 2020년, pp.7 - 15

박종웅 (중앙대학교 사회기반시스템공학부)

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문제 정의

p>본 기사에서 필자는 사회기반 시설물의 건전성 모니터링을 위한 사물인터넷 (IoT, Internet of Things) 기술의 역사와 발전방향에 대해 정리해 보고자 한다. 참고로 사물인터넷이란 센서통신기능을 내장한 각종 사물을 인터넷을 통해 서로 연결하여 이를 응용서비스에 활용하기 위한 기술을 뜻한다.
2003년 MIT 선정 10대 유망기술에도 선정된 바 있던 사물인터넷 기술은 이제 구조물의 모니터링에 적용되어 노후화되어 가는 구조물들을 낮은 비용, 높은 정확도로 조기에 진단하고 유지보수 관련 의사결정에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대감을 주고 있다. 본 기사에서는 사회기반 시설물의 모니터링을 위한 사물인터넷 기술의 요구사항, 발전 현황 및 전망에 대해 고찰하기로 한다.

제안 방법

이러한 단점을 극복하고자 일리노이주립대학교 연구팀은 RAM을 32MB까지 갖는 인텔에서 개발된 iMote2를 기반으로 구조물 모니터링을 위한 센서를 개발하였다. iMote2를 실제 구조물 모니터링에 사용하기 위하여 가속도 센서보드, 변형률 센서보드 등을 개발하였으며, 장기간 모니터링을 위하여 오픈소스로 데이터처리 알고리즘, 저전력 운영모드, 트리거 기능 등을 개발하였다. 이러한 노력을 토대로 한국의 제2진도대교에 111개의 iMote를 설치하여 2년간 운영하며 IoT 센서의 적용 가능성을 평가하였다.
버클리대학교에서는 처음으로 상용화 플랫폼 MicaZ를 사용한 구조물 건전성 평가 센서를 개발하였다. 개발에는 소형 IoT 센서 프로그래밍에 적합한 오픈소스 TinyOS를 사용하여 소프트웨어를 설계하였으며, 또한 실제로 금문교에 설치하여 IoT 센서의 성능을 평가하였다.
이러한 어려움을 극복하기 위하여 통신의 안정성을 높이고, 교량 모니터링에 필요한 다양한 센서와 연결가능한 인터페이스 개발, 장기 운영을 위한 전원 관리 기법에 많은 연구가 수행되었으며 드디어 2010년 일리노이대학교, 카이스트 그리고 일본의 동경대학교의 공동연구를 통해 iMote2 IoT 센서를 한국의 제2진도대교에 설치하는 프로젝트가 수행되었다. 당시 총 111개의 센서(669채널)를 교량의 보강형, 케이블, 주탑에 골고루 설치하여 약 2년간의 거동을 분석하는 연구를 수행하였다. 그림 4는 교량의 케이블, 주탑, 보강형, 그리고 풍속계에서 수집된 데이터를 도식화한 것이며, 그림 5는 교량에 설치된 센서 패키지를 보여준다.
최근 스탠퍼드대학교에서는 클라우드 기반의 센서 데이터 관리 및 빅데이터 처리 체계에 대한 연구를 발표하였다. 연구팀은 교량의 유지관리를 위하여 센싱을 통해 수집된 데이터와 OpenBrim 데이터베이스, 그리고 데이터 처리를 위한 클라우드 컴퓨팅을 통합 관리할 수 있는 데이터 관리 체계를 구축하였다(그림 11). OpenBrim은 구조물의 설계, 시공, 유지보수에 관항 이력을 기록, 모델링하기 위한 교량 산업 표준으로 미국 연방도로국(US Federal Highway Administration)에서 개발되었다.
iMote2를 실제 구조물 모니터링에 사용하기 위하여 가속도 센서보드, 변형률 센서보드 등을 개발하였으며, 장기간 모니터링을 위하여 오픈소스로 데이터처리 알고리즘, 저전력 운영모드, 트리거 기능 등을 개발하였다. 이러한 노력을 토대로 한국의 제2진도대교에 111개의 iMote를 설치하여 2년간 운영하며 IoT 센서의 적용 가능성을 평가하였다.
일반적으로 가속도를 이중적분하게 되면 센서 잡음을 적분하면서 발생되는 드리프트로 인해 변위가 발산하게 된다. 이러한 문제를 극복하기 위해 제안된 방법이 저주파의 드리프트 성분을 필터링하여 동적변위만을 추정하는 기법이다. 계측된 가속도에 간단한 연산만을 통해서도 적용이 되므로 실제 구조물의 동적변위를 추정하는데 있어 매우 유용하다.
필자는 본 기사를 통해 IoT 센서의 발전 흐름에 대해 조망하고, 앞으로의 방향에 대해 간략히 제시하였다. 최근 아두이노, 라즈베리와 같은 다양한 하드웨어의 상용화, 오픈소스의 보급으로 인해 센서의 기능적인 성능을 많이 향상되었으나, 장기간 모니터링을 위해서는 다양한 현장 적용을 통해 안정성을 높이는 연구가 필요하다고 생각된다.

성능/효과

스탠퍼드대학교에서 개발된 WiMMS는 동적 계측 및 실시간 전송이 가능한 센서로 처음 개발되어 향후 개발될 IoT 센서들의 발전방향을 제시하였다. WiMMS를 모태로 하여 미시간대학교에서 WiMMS2, NARADA가 개발되었으며, 개발 시 연산속도 향상 및 데이터 송수신 안전화, 소모전력 최소화를 위한 설계에 많은 노력을 기울였다. 센서들의 성능 비교를 위하여 주요한 성능 지표들을 표 1, 그림 2에 정리하였다.
이러한 방법을 통해 케이블의 장력 혹은 교량의 고유진동수를 별도의 후처리 과정없이도 센서 자체에서 처리하여 얻을 수 있다. 또한 데이터 전송량을 기하급수적으로 줄일 수 있어 IoT 센서의 데이터 전송 안정성을 높이고 전력 소모를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
이전에 개발되었던 센서들은 단기간 실험용으로 사용되었으나 버클리대학교팀은 총 64개의 MicaZ 센서노드 패키지(그림 3)를 3개월 이상 금문교에 설치하여 실제 IoT 센서의 교량 모니터링 활용 가능성을 검증하였다. 이당시 연구팀은 총 80초 데이터(샘플주파수는 1,000 Hz)를 서버로 전송하는데 10시간이 소모되었으며, IoT 센서를 실제 교량 모니터링에 사용할 수는 있지만 전송속도와 통신 안정성, 그리고 장기간 운영시 전원 관리가 가장 큰 문제로 대두되었다.

후속연구

구조물 모니터링에 있어서는 데이터의 품질이 매우 중요하므로 센서로부터 손실없이 모든 데이터를 받을 수 있도록 안정성을 높이는 방안이 매우 중요하다. 이는 유선과 무선을 결합한 통신 구조로 개발하거나, 최근 개발되는 LTE 망을 이용하여 데이터를 전송하는 기법을 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
BLESEIS는 저자가 최근에 개발한 센서로 오픈소스 하드웨어 NRF52840과 오픈소스 소프트웨어를 사용하여 센서의 비용을 낮추고 성능을 극대화하기 위해 제작한 가속도계측용 IoT 센서다. 최근 비약적인 기술발전으로 오픈소스 하드웨어와 소프트웨어의 접근이 매우 용이해졌으며, 향후에는 더욱 효율적으로 IoT 센서 개발이 가능할 것으로 예상된다.
IoT 센서의 장점은 무엇보다도 다양한 센서 인터페이스를 통해 다물리량 수집이 가능하다는 것과 선 연결이 어려운 곳에서 데이터를 수집할 수 있다는 점이다. 향후 IoT 센서가 유/무선을 모두 호환하는 형태로 개발되어 안정성이 높아질 뿐만 아니라, 다물리량 취득까지 가능해진다면 현장 적용성이 매우 높아질 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Zigbee의 장점은 무엇인가?	4GHz 대역에서는 각각 40kbps, 250kbps의 속도로 데이터를 전송가능한 Zigbee가 가장 널리 사용되고 있다. Zigbee의 장점은 저전력으로 AA 배터리 2개로 몇 년을 작동할 정도로 전력소모가 적기 때문에 실내외에 대규모 무선센서망을 구성하는데 적합하다. 구조물 모니터링의 경우 장거리 실외환경에 적용되므로, 통신거리의 확장, 데이터 손실을 최소화, 통신에 소모되는 전력량의 최소화가 가장 큰 관심사이다.
	IoT 센서의 기본 구성 중 하나인 센서인터페이스는 어떤 역할을 수행하는가?	그림 2에서 보는 바와 같이 IoT 센서의 기본 구성은 센서 인터페이스, 연상장치, 통신장치 그리고 경우에 따라 제어 인터페이스로 구성된다. 센서 인터페이스는 계측하는 전기 아날로그 신호를 연산 장치에서 읽어들일 수 있는 디지털형태로 변환하는 장치로 Analog to Digital Converter(ADC)를 통해 변환을 수행한다. 구조물 모니터링에서는 가속도 신호와 같은 정밀한 동적 계측이 요구되므로 일반적으로 16-bit 이상의 해상도 그리고 500HZ 이하의 샘플링이 요구된다.
	Xnode의 특징은 무엇인가?	G-link-200은 Microstrain사에서 개발한 상용 IoT 센서로 3축 가속도를 측정하기 위한 상용모듈로 계측의 안정성, 편의성이 매우 높다는 장점이 있지만 개발용도로 사용은 불가능하다는 단점이 있다. Xnode는 일리노이주립대학교에서 iMote2의 후속 모델로 개발한 IoT 센서로 iMote의 모든 기능을 갖추었으며, 24-bit의 높은 ADC해상도를 통해 8채널 가속도 변형률 계측이 가능하다. BLESEIS는 저자가 최근에 개발한 센서로 오픈소스 하드웨어 NRF52840과 오픈소스 소프트웨어를 사용하여 센서의 비용을 낮추고 성능을 극대화하기 위해 제작한 가속도계측용 IoT 센서다.

참고문헌 (12)

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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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