구조물 건전성 모니터링을 위한 ZigBee기반의 무선데이터 전송장치
A ZigBee-Based Wireless Data Transmission Device for Structural Health Monitoring
안 수 홍*
Ahn, Soo-Hong
강 주 원**
Kang, Joo-Won
손 수 덕***
Shon, Su-Deok
1)
1. 서론
최근 지진을 포함한 다양한 재난으로 인한 연구 자들의 구조물 건전성 모니터링(Structural health monitoring)에 관한 관심은 국외는 물론 국내에서 도 높아지고 있다. 이러한 관심은 구조물이 거대하 거나 사회기반시설인 경우 또는 군중들이 많이 모 이는 곳에서는 그 영향이 매우 크며, 초기의 모니터 링은 항공기의 사고를 미연에 방지하고자 발전하기 시작하였다. 지진의 경우도 지진발생으로 인한 재 난은 그 피해가 매우 크기 때문에 과학적인 방법을 동원하여 지진이 발생하기 전에 정확한 예측과 지
*** 정회원 ․ (주)아크로비젼, 대표이사 Acrovision Inc, CEO
*** 정회원 ․ 영남대학교 건축학부, 교수
School of Architecture, Yeungnam University
*** 정회원 ․ 한국기술교육대학교 건축공학부, 연구교수 School of Architectural Engineering, Korea Univer- sity of Technology and Education
속적인 주요 건축토목 구조물들의 모니터링이 필요 했으며, 이들의 노력은 다양한 시설물들의 계측을 법제화하여 발생하는 지진에 대해서 방재시스템에 기록하는 것이 의무화하고 있고 또 실시간으로 전 송되고 있다(Park et al., 2013).
대공간 구조물에서도 건전성 모니터링은 매우 중 요한 의미를 가지는데 특히 개폐식 구조물의 경우 상시 모니터링을 통한 제어와 재난의 대비는 해외 구조물의 사례에서 많이 관찰할 수 있다. 강성 개폐 식 대공간의 경우 지붕의 개폐과정에서 발생하는 진동과 제어를 위한 시스템 및 영상정보의 전달과 알람은 매우 중요하며, 개폐의 시나리오에 따른 위 급한 상황의 알람과 기술자의 판단을 바르게 할 수 있도록 정보를 제공하는 것이 필요하였다.
구조물의 건전성 모니터링의 정의는 항공, 토목 또는 기계공학적 사회기반시설의 손상을 검출하는 과정에 관한 것이며(Farrar & Worden, 2007), 기
존의 구조물 건전성 모니터링에서 주로 활용되는 유선기반의 모니터링은 계측센서, 데이터로거(Data logger)와 케이블로 시스템을 구성된다(Park et al., 2013; Kim et al., 2015). 최근 구조물의 상태 를 진단, 평가하는 구조물 건전성 모니터링은 다양 한 기술이 접목되어 발전하고 있으며, 첨단 기술인 스마트센서 기술이 적용되어 소형화된 장치와 무선 전송이라는 특징을 가지게 되었다(Sohn et al, 2004; Lynch & Loh, 2006; Lee et al., 2013).
Straser et al.(1998)에 의해 처음으로 유선시스템 의 단점인 높은 초기설치비용의 케이블작업과 유지 관리 비용을 무선통신에 의한 계측 시스템으로 제 안하였고(Lynch, 2007), 이후 다양한 방식의 통신 방법으로 연구되어 관측된 데이터를 축적할 수 있 으며, 현재에도 많은 다양한 연구가 진행되고 있다 (Hong & Kim, 2010; Pieraccici & Mecatti, 2013;
Choi et al., 2014).
모니터링에 관해서는 여러 종류의 센서에 의해서 관찰할 필요가 있는데 이때 사용되는 데이터의 전 송에 필요한 다양한 방법의 적용은 모니터링의 질 적인 향상을 통해서 보다 정확하고 정밀하게 판단 할 수 있게 한다. 특히 무선전송과 영상전송에 대한 효율적인 시스템의 개발은 대공간 뿐 아니라 특수 구조물에 매우 유용하게 적용할 수 있다.
개폐식 대공간 구조물의 경우 다양한 센서 데이 터가 필요하며, 사용된 칩셋의 종류도 무척 다양하 기에 이를 하나로 묶어서 통일된 포맷으로 데이터 를 전송할 목적의 데이터 전송 장치가 필요하다. 이 를 위해 각각의 스마트 센서 장치의 데이터를 무선 으로 전송하기 위한 장치는 ZigBee 기반 무선통신 기능과 제품 크기의 소형화, 구동 전력의 최소화, 다양한 외부 센서 장치와의 효율적인 인터페이스에 중점을 두고 설계될 필요가 있으며, 최적화된 기기 와 펌웨어의 개발이 필요하다. 수입대체효과 및 기 술지원의 편의성을 위해 국내에서 양산 가능한 시 스템-온-칩(SoC)의 개발과 이들을 이용한 시스템 의 개발이 국내 기술력을 높일 수 있는 방안이다.
본 기사에서는 이러한 ZigBee 기반의 무선전송시스 템의 설계과정을 소개하고자 한다.
2. 무선 데이터(Wireless data) 전송장 치의 설계 및 제작
2.1 ZigBee-chip의 개발 동향
ZigBee-chip은 단순한 ZigBee 규격의 RF송수신 기능만을 지원하던 1세대에서, 8/16/32 MCU가 Single-chip으로 합쳐진 형태의 2세대를 지나, 소 형화, 저전력, 저비용 기능을 가지는 형태의 시스템 -온-칩(SoC)으로 진화한 3세대에 이르고 있다
<Fig. 1>.
<Fig. 1> Trend of ZigBee SoC
ZigBee-chip에 대한 Roadmap 형태에 대해서
<Fig. 2>에 나타내었고, 앞서 설명한 대로 현재 3세 대 SoC로 진화된 데이터구조와 시스템으로 정리된다.
<Fig. 2> Road map of ZigBee SoC
2.2 ZigBee-chip의 선정
현재 ZigBee-chip으로 많이 사용되고 있는 대표적 인 시스템-온-칩(SoC)은 RadioPulse사의 MG24xx Serise, TI사의 CC24xx Serise, Ember사의 EM2xx Serise, Jemic사의 JN51xx Serise로, 4개의 SoC를 비교하였다<Table 1>.
Features
Radio Pulse MG2450
TI CC2480
Ember EM250
Jennic JN5139
Frequency 2.4GHz
MCU 8051 8051 16-Bit 32-Bit
RISC Operation
voltage 1.5 2.0 1.8 1.8
Sensitivity
(dBm) -98 -92 -97 -97
Max Tx
power(dBm) +8 0 +5 +3
Rx
current(mA) 30 27 35.5 34
Tx current
(0dBm, mA) 31 27 35.5 34
Tx current
(+8dBm, mA) 45mA PA PA PA
Data rate (kbps)
250
500/1000 250 250 250
Embedded
flash (KB) 96 128 128
192 (External
ROM required) Data memory
(RAM, KB) 8 8 - 8~96
Package 5*5mm 72pin
7*7mm 48pin
7*7mm 48pin
8*8mm 56pin
<Table 1> Comparison of ZigBee Soc
이들을 비교하면서 Soc 반도체 크기의 소형화, 소비전력의 최소화, 경제성을 위한 Soc 개당 단가, 개발시간의 단축을 위한 개발지원의 편리성 등에 중점을 두고 비교 <Table 1> 분석한 결과, 소비전력 (1.5vs2.0vs1.8), Sensitivity(dBm) (-98vs-92vs- 97), Max Tx Power(dBm) (+8vs0vs+5vs+3), Data rate(kbps) (250, 500, 1000) 등에서 동급이거나 우수한 RadioPulse사의 MG24xx Serise를 선택하
게 되었다. 또한 국내 개발사이기에 수입대체효과 및 기술지원의 편의성도 고려되었다.
2.3 MG2470의 특성
본 연구에서 사용된 ZigBee-chip은 국내 개발사 인 RadioPluse사의 MG2470으로 IEEE802.15.4와 RF4CE 표준기반의 2.4GHz 시스템-온-칩(SoC)으 로 설계된 저전력, 저비용의 칩이다. 또한, 64KB Flash memory, 6KB SRAM을 내장하고 있는 8비 트 8051-MCU를 포함하고 있어서 펌웨어의 최적화 개발이 가능하다(RadioPulse, 2010).
칩의 기능은 <Table 2>와 같으며 칩의 구성은
<Fig. 3>과 같다.
2.4GHz RF SoC compliant to IEEE802.15.4
Low-power consumption 25mA RX / 25mA TX@+0dBm (MCU active)
Power management < 1μA in deep sleep mode Integrated 32KHz oscillator
Programmable transmit
output power up to +9.6dBm
Variable data-rate 31.25kbps~1Mbps with channel coding
Sensitivity -99dBm @250kbps Enhanced 8-bit 8051 MCU
Integrated 64-KB flash memory and 6-KB SRAM Peripheral interfaces UART, SPI, I2C, I2S, and GPIO
<Table 2> Function of MG2470
2.4 무선 데이터 전송 장치의 회로 설계
무선 데이터 전송 장치는 MG2470 chip을 기반으 로 설계하였으며, <Fig. 4>에서와 같이 Zigbee-통 신을 위한 MG2470 및 안테나 회로, <Fig. 5>에서 보는 바와 같은 배터리 및 저전력 전원회로, 그리고 외부 센서 장치와의 인터페이스 회로 등으로 설계 되었다.
<Fig. 3> Block diagram of MG2470
<Fig. 4> Circuit diagram of ZigBee
<Fig. 5> Circuit diagram of power
2.5 무선 데이터 전송 장치의 PCB 설계
무선 데이터 전송 장치의 회로도를 바탕으로 기 판크기의 최소화 및 안테나 회로의 임피턴스 매칭 (Impedance matching)을 위한 최적의 라우팅 (Routing)을 목적으로 PCB 설계를 하였고, 사용된
개발-툴(Tool)은 OrCAD Layout으로 작업하였다
<Fig. 6>.
<Fig. 6> PCB design view
(a) Top view (b) Bottom view
<Fig. 7> PCB gerber view
무선 데이터 전송 장치의 PCB 보드 사이즈는 61mm(가로)×63mm(세로)이며, 2층(Layer), 두께 1.6Tmm로 제작을 하기 위해 거버(Gerber) 파일을 생성하였다<Fig. 7>.
2.6 무선 데이터 전송 장치의 보드 제작
PCB 제작 후, 부품 실장을 통해 무선 데이터 전 송 장치의 프로토타입 보드(Proto-type board)를 제작하였다<Fig. 8>.
<Fig. 8> ZigBee sensor board-making
<Fig. 9> Firmware coding
<Fig. 10> Firmware down-load
보드의 기본적인 동작확인을 위한 펌웨어(Firm- ware)를 코딩(Coding)하였으며, <Fig. 9>에서 보는 바와 같이 컴파일(Comfile)하여 실행 파일(bin, hex) 을 생성하였다. 이어서 ISP포드를 이용하여 펌웨어 (Firmware)를 다운로딩(Down-loading)하여 기본 적인 보드의 동작 테스트를 진행하였다<Fig. 10>.
3. 결론
본 기사에서는 개폐식 대공간 구조물의 건전성 모니터링과 진단을 위한 무선 데이터전송을 위한 장치와 모듈에 대해서 다루었다. 전송하기 위한 각 센서의 데이터를 무선으로 전송하는 장치에 대해서 ZigBee 기반의 시스템에 대해서 다루었고, 프로토 타입의 보드를 설계하고 제작하는 과정을 설명하였 다. 전송하기 위한 데이터에 적합한 장치에 대해서 세부 설계화면을 소개하였고, 개발되어진 보드의 상태를 제시하였다. 제작된 보드를 기반으로 전송 거리에 대한 범위를 테스트하여 100m 이상을 소화 할 수 있는 성능의 개선과 최소 소비전력을 위한 전 송 데이터의 최적화된 용량, 비활성시간의 크기 등 을 테스트하여 최적의 펌웨어 개발의 과정을 통해 서 기기의 성능이 향상될 수 있다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 도시건축연구사업의 연구 비지원(16AUDP-B100343-02)에 의해 수행되었습 니다.
References
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