[논문]센서 네트워크를 이용한 교량 안전진단 시스템 구현

박총명; 허난숙; 김동국; 서동만; 이좌형; 김윤; 정인범

센서 네트워크를 이용한 교량 안전진단 시스템 구현
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박총명 (강원대학교) , 허난숙 (강원대학교) , 김동국 (강원대학교 컴퓨터정보통신공학과) , 서동만 (강원대학교 컴퓨터정보통신공학과) , 이좌형 (강원대학교 컴퓨터정보통신공학과) , 김윤 (강원대학교) , 정인범 (강원대학교)

무선 센서 네트워크는 교량 안전진단(Structural Health Monitoring, SHM)을 위한 효율성, 신뢰성 등의 특징들을 제공한다. 그러나 현재 교량 안전진단은 아날로그 센서를 이용하여 데이터를 수집하고, 유선망을 사용하여 관리프로그램으로 전송하고 있다. 본 논문에서는 무선망에서 동작하는 센서 네트워크를 이용하여 교량 및 노면을 모니터링하기 위한 안전진단 시스템을 구현하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 센서 네트워크를 이용한 교량 안전진단을 위한 시스템을 구현하였다. 안전진단을 위해 일반적으로 눈으로 확인하거나 유선 계측 장비를 이용하는 방법을 사용한다.
무선 센서 네트워크를 이용하면 그림 1 에서 보는 바와 같이 WEB을 통하여 원격으로 각 부분의 문제점을 실시간으로 파악하고 신속하게 대처할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 시스템을 구축 하기 위해 LVDT 센서와 Micaz 모트를 이용하여 교량에 전해지는 진동을 측정할 수 있는 교량 안전진단시스템을 구현하였다.

제안 방법

사용하였다. Micaz 모트는 51핀 확장 커넥터에 센서를 연결하여 사용할 수 있어, MDA300CA 를 커넥터에 연결하여 외부 센서로부터 데이터를 수신하도록 하였다. 또한, MDA300CA로부터 데이터를 샘플링하는 프로그램을 프로그래밍보드(MIB510)를 이용하여 호스트 PC에서 Micaz 모트로 포팅하였다[4][5].
Micaz 모트는 51핀 확장 커넥터에 센서를 연결하여 사용할 수 있어, MDA300CA 를 커넥터에 연결하여 외부 센서로부터 데이터를 수신하도록 하였다. 또한, MDA300CA로부터 데이터를 샘플링하는 프로그램을 프로그래밍보드(MIB510)를 이용하여 호스트 PC에서 Micaz 모트로 포팅하였다[4][5].
Active Message란 패킷 내에 메시지 타입을 포함하고 있어, 수신 측에서 타입에 따라 명령을 수행하는 방법이다. 본 논문에서는 TinyOS의 Active Message 구조체인 TUSLMm 패킷의 데이터 영역에 호스트 PC의 모니터링툴인 오실로 스코프의 메시지 패킷(Osc零eM&)을 포함시켜 패킷을 구성하였다.
실험은 하나의 진동판에 LVDT 센서 2개를 부착하고, 센서를 토목분야에서 사용되는 유선 계측기와 Micaz 모트에 각각 연결하여 같은 진동에 대하여 변위값을 측정하였다. 그림 7, 8은 시간에 따른 변위 측정 그래프이다.
데이터 샘플링이 완료되면 이벤트가 발생하며 이벤트 처리 루틴에서 패킷에 데이터를 적재하고 데이터 버퍼를 채운 후베이스 스테이션으로 전송한다. 전송 과정에서 패킷 전송이 완료되었는가를 검사하여 패킷 전송 실패시 재전송하여 데이터 전송 오류를 줄였다.

대상 데이터

MDA300CA는 그림 4와 같이 아날로그 채널(A0~A13), 디지털 채널(D0~D5), 인터널 채널(Internal Channel) 등을 가지고 있다. 그림 4의 핀 할당표는 각 핀과 대응되는 채널을 나타내며, 본 논문에서는 LVDT 센서의 출력 전압인 2.5mV±0.2% 에 대응되는 아날로그 채널 7 (채널 범위 : ±12mV)을 사용하였다.
시스템은 교량 및 노면의 진동을 감지하는 LVDT 센서, 감지된 아날로그 신호를 센서 노드로 전달하는 MDA300CA와 수신된 데이터를 처리하는 호스트 PC로 구성되어 있다. 사용한 센서 노드는 버클리 대학의 Micaz 모트이고, LVDT 센서를 모트에 연결하기 위한 데이터 수집 보드(Data Acquisition Board)로 MDA300CA 보드를 사용하였다.
시스템은 교량 및 노면의 진동을 감지하는 LVDT 센서, 감지된 아날로그 신호를 센서 노드로 전달하는 MDA300CA와 수신된 데이터를 처리하는 호스트 PC로 구성되어 있다. 사용한 센서 노드는 버클리 대학의 Micaz 모트이고, LVDT 센서를 모트에 연결하기 위한 데이터 수집 보드(Data Acquisition Board)로 MDA300CA 보드를 사용하였다.

성능/효과

토목분야에서 사용되는 기존의 유선 측정기는 LVDT센서에서 발생하는 전압을 mm 단위로 환산하여 결과를 출력하지만 센서 네트워크를 이용한 방법에서는 결과 값이 mm 단위가 아닌 ADC에서 변환된 디지털화 한 값을 나타내기 때문에 값의 차이가 발생한다. 데이터가 다르더라도 결과 값의 변화율이 같게 나타난다면, RF를 이용해 측정한 값이 유효하다고 할 수 있다. 표 1은 그림 7, 8의 구간 A-B에서 시간에 따른 변위 데이터를 분석한 표이며, 유선 계측기와 센서 모트를 이용해 측정한 변위값, 값의 증감(X, Y), 증감 비율⑴과증감 비율의 오차율(E)을 나타내었다.
안전진단을 위해 일반적으로 눈으로 확인하거나 유선 계측 장비를 이용하는 방법을 사용한다. 하지만 센서 네트워크를 이용하여 유선에서의 신속성 및 신뢰성의 문제를 해결할 수 있으며, 실험을 통해 센서 네트워크 사용의 유효성을 확인하였다. 하지만 앞서 제기된 측정값의 mm로의 환산 문제를 해결해야 하며, 실제로 필드에 많은 노드들이 있을 경우에 멀티 홉 라우팅 프로토콜과 노드들 간의 시간 동기화에 관한 연구가 있어야 한다[6][7].

후속연구

하지만 앞서 제기된 측정값의 mm로의 환산 문제를 해결해야 하며, 실제로 필드에 많은 노드들이 있을 경우에 멀티 홉 라우팅 프로토콜과 노드들 간의 시간 동기화에 관한 연구가 있어야 한다[6][7]. 또한, 앞으로 본 시스템을 웹을 통한 실시간 모니터링 시스템과 연동시켜 신속하고 편리한 교량 및 도로의 안전진단 환경을 구축해야 한다.

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