Development of optical dual-sensors for submersion monitoring using zigbee-based wireless sensor networks

지그비 기반 센서 네트워크를 이용한 침수감지용 광 이중센서 개발

계광현·김형표

*

^†

Development of optical dual-sensors for submersion monitoring using zigbee-based wireless sensor networks

Kwang-Hyun Key, Hyung-Pyo Kim ^* , and Kyung-Rak Sohn ^†

Abstract

In this paper, a remote submersion warning system based on multi-mode optical fiber(MMF) sensors and a wireless sensor network(WSN) are proposed. To improve the reliability and stability of the sensors, the dual optical fiber sensors combined to the optical coupler are demonstrated. A slave zigbee as a wireless sensor module was used as a platform to monitor and record the signal from the MMF sensors and then transmits these information to a master zigbee wirelessly.

The monitoring system running the LabVIEW

software was connected to the internet to support the short message service(SMS) through extensible markup language(XML) web service. No matter where the managers are, they can always receive the real-time remote-monitoring data for safety check.

Key Words : optical fiber sensor, immersion sensors, zigbee, wireless sensor network

1. 서 론

수위측정시스템의 경우 상습 홍수지역이나 홍수로 인한 피해가 예상되는 지역에서는 조기에 수위 정보를 수집하여 초동조치로서 상황에 대비하는 것이 요구된 다 ^[1] . 또한 조선분야에서는 선박의 침수에 대한 유무를 판별하거나 연료탱크의 레벨을 측정하여 누수, 누유, 또는 연료부족에 따른 문제에 대비 할 수 있는 시스템 이 요구된다 ^[2-4] . 그러므로 많은 산업에서 침수센서 시 스템 및 신뢰성 확보에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 다양한 센서와 상호 동작하여 모니터링 할 수 있는 최적 시스템을 개발하고자 한다. 기존에 응용되고 있는 침수센서의 경우 2개의 전극을 침수 봉으로 활용 하여 전극이 물에 잠길 때 전기적인 단락으로 인한 폐 루프가 형성되어 침수를 감지하고 있다. 하지만 이와

같은 경우 센서 끝단에 항상 일정한 전력공급이 필요 하므로 전기적인 영향을 고려해야 될 뿐만 아니라 유 선에 따른 단선문제나 외부 환경적인 문제로 오작동을 일으킬 수 있다. 오작동에 대비한 신뢰성 확보는 추가 적인 센서를 설치해야 하는 문제가 있으며, 이는 기존 의 유선망에 링크를 추가해야 하는 것으로 시스템이 복잡해지거나 많은 경비가 소요된다.

시스템의 신뢰성을 높이기 위해서는 침수센서가 전 자기적 간섭에 영향을 받지 않아야하며, 센서 신호처리 부와 센서헤드가 전기적으로 분리되어 원거리에 설치 될 수 있다면 데이터의 신뢰성과 설치의 유연성을 동 시에 확보할 수 있다. 광섬유의 경우 재료가 실리콘 다 이옥사이드로 절연체이므로 전기적인 영향을 받지 않 고 스파크나 화염을 일으킬 염려가 없으므로 침수센서 로서의 적용에 용이하고 원거리에 설치할 시 설치가 쉽고 가벼우며, 센서헤드에 센서동작을 위한 전력공급 이 필요하지 않기 때문에 구조물의 복잡성에 관계없이 유연하게 시스템을 구현할 수 있는 장점이 있다.

참고문헌 [5]에서 광섬유 센서를 이용하여 침수를 감 지할 수 있는 연구결과를 이미 발표하였다 ^[5] . 그러나 센 서부가 한 개의 광섬유로 구성되어 있으므로 이물질이

한국해양대학교전자통신공학과

(Dept. of Electronics and Communications Eng., Korea Maritime University)

*

(School of Electronics and Electrical Eng., Kyungpook National University)

†

Corresponding author : [email protected]

(Received : January 18, 2010, Revised : March 2, March 12, 2010

Accepted : March 15, 2010)

도를 측정하고 이를 신호 처리하여 침수 발생 유무를 진단하도록 하여 오작동에 의한 시간적 경제적 손실을 최소화할 수 있도록 하였다 . 또한 차세대 무선 센서 네

트워크로 주목받고 있는 IEEE 802.15.4 ^{기반 지그비를}

적용하여 유선에 따른 복잡한 배선 문제에 대한 효과적 인 시스템 적용의 솔루션을 제공하고자 하였다 ^[6] . 확장 성 생성 언어 (extensible markup language: XML) ^기반

웹 서비스를 이용하여 인터넷망과 이동통신망을 통한 단문문자서비스 (short message service: SMS) 를 모니터 링 프로그램에서 구현을 하여 침수에 대한 정보를 관리 자에게 장소에 구애받지 않고 전송할 수 있게 하였다 .

2. 동작원리 및 센서 구조

Fig. 1 (a) ^{와 같이 굴절률이 다른 두 매질이} 이루는

경계면을 빛이 통과할 때 반사와 굴절 현상이 일어나 며 반사각과 투과각은 두 매질의 굴절률에 관계되는 스넬의 법칙에 의해 식 (1) ^{로 나타난다 [7]} .

(1)

여기서 n 1 과 n 2 는 각각 입사 매질의 굴절률과 투과 매질의 굴절률을 나타내며 θ i 와 θ t 는 경계면에서 입사 각과 투과각을 나타낸다 . ^{굴절률의 차이가 있다면 두}

매질의 경계면에서 반사계수와 투과계수는 횡 전계 입 사파 (s- 편광 ) 에 대하여 식 (2) 로 정의되고 횡 자계 입사 파 (p- ^편광 ) ^{에 대하여 식} (3) ^{으로 정의된다} .

(2)

(3)

식 (2) 와 (3) 의 관계에서 알 수 있듯이 광섬유 끝단에 서 반사되는 광 전력은 반사계수 r s 와 r p 에 비례하므로 광섬유를 둘러싸고 있는 매질의 굴절률 n 2 의 변화를 통 해 침수를 판단할 수 있는 센서로 응용이 가능하다 .

제안된 센서의 동작원리를 설명하기 위한 개략도는

Fig. 1 (b) 이다 . 센서헤드는 두 개의 다중모드 광섬유로

구성되어져 있고 2 × 2 광 결합기 (50:50 coupling ratio

@1550 nm, fiberpia) ^{로 연결된다} . ^{광 결합기의 입력포}

트로 입사된 광 (P in ) 은 광 결합기에서 p i1 과 p i2 로 절반 씩 분배되어 광섬유 끝단으로 진행된다 . 두 광섬유 끝 단의 경계면에서 반사계수에 비례하는 광 전력의 반사 가 일어나면 반사광 p r1 과 p r1 는 다시 2 × 2 광 결합기를 통해 출력 단으로 향한다 . 광섬유를 둘러싸고 있는 물 질의 굴절률 ( n 2 ) 이 광섬유 코어의 굴절률 ( n 1 ) 보다 작은

sin θ

sin θ

--- ⁿ _n

----

=

r

n

cos ^θ

– ⁿ

cos ^θ

n

cos θ

+ n

cos θ

---

=

t

2 ⁿ

cos ^θ

n

cos θ

+ n

cos θ

---

=

r

n

cos ^θ

– ⁿ

cos ^θ

n

cos θ

+ n

cos θ

---

=

t

2 n

cos θ

n

cos θ

+ n

cos θ

---

=

Fig. 1. (a) Reflection and refraction of plane wave at a

boundary between two dielectric media, (b)

schematic of optical fiber dual sensor.

굴절률을 가는 범위 내에서 n 2 가 변하게 되면 반사계 수가 달라져 출력단의 광 전력 변화가 발생한다. 만약 n 2 의 굴절률이 n 1 의 굴절률과 같거나 크다면 입사파의 대부분은 투과되어 반사파의 광 전력(P out )은 거의 없 다. 본 논문에 적용한 이중 광섬유 센서의 원리는 침수 유무를 판별하는 원리로 n 2 의 변화를 반사 광 전력으 로 측정하며 이에 따른 에너지 손실을 전기적인 신호 로 처리하는 것이다.

Fig. 2는 제작된 센서의 실제 사진이다. 광섬유 끝단 의 평편도를 유지하기 위하여 전용 클리브로 절단하였 으며 절단된 광섬유는 끝 단면을 보호하기 위하여 플 라스틱 재질로 된 페룰로 조립하였다. 다중모드 광섬유 는 완충 튜브로 보호되어져 있고 유연성을 보장하므로 원거리 설치가 가능하다.

Fig. 3은 이중 광섬유 센서를 이용하여 설계한 침수 경보 시스템의 전체적인 개략도이다. 2 × 2 광섬유형 결 합기를 이용하여 레이저 다이오드 광원을 두 개의 광 섬유 센서로 입사시키면 센서 끝 단면에서 입사광 전 력의 일부가 반사되어 광 검출기로 되돌아오게 된다.

광 검출기에서는 입사된 광량을 이에 비례하는 전류로 변환하여 외부 부하로 전달한다. 변환된 전기적인 신호 는 증폭단을 거치면서 일전 수준으로 증폭된다. 한 개 또는 두 개의 광섬유 센서 끝단이 시료에 침수되었을 때 각각의 센서에 광 전력 손실이 발생하고 이에 해당 하는 광전력의 출력전압은 비교기에서 기준전압과 비 교한다. 기준전압보다 높을 때는 High 신호를, 낮을 때 는 Low 신호를 출력포트로 보내게 된다. 이 신호는 마 이크로프로세서의 인터럽트 포트에 연결하여 이벤트 발생시 인터럽트가 수행될 수 있도록 한다. 여기서는 입터럽터가 발생하면 침수 정보를 지그비 기반의 무선 슬레이브 모듈을 이용하여 PC와 연결된 마스터 지그 비로 전송하게 된다. 광섬유 센서 #1과 광섬유 센서

#2의 침수정보는 LabVIEW ^® 로 구현된 모니터링 프로

그램에서 침수에 관한 데이터 정보를 표시하고 인터넷 망과 이동통신망을 이용하여 SMS 서비스로 사용자의 휴대단말기에 침수에 대한 상세 정보를 알려준다. 경보 수준은 한 개의 센서만 침수된 경우와 두 개의 센서가 동시에 침수된 경우를 구분하여 알려주게 된다.

Fig. 4는 시스템의 전체 동작에 대한 알고리즘을 순 서도로 나타내었다. 슬레이브 지그비에서 마스터 지그 비로 전송된 데이터는 직렬통신을 통하여 PC와 연결 된 포트로 데이터를 전송한다. 모니터링 프로그램에서 Fig. 2. Photograph of fiber-optic sensor.

Fig. 3. Schematic diagram of the proposed wireless fiber- optic sensor system.

Fig. 4. Flowchart showing the system algorithm.

SMS ^{서비스를 보낼 수 있도록 설정을 하였다} . ^{본 논문}

에서 시스템은 간편한 설치를 위해서 건전지로 구동을 시킬 수 있도록 제작되었기 때문에 전원에 대한 이상 유무를 판단하고 그에 따른 모니터링에 대한 부분도 설정되어야 한다 . 따라서 시스템의 동작 전원인 5.5 V

에서 약 2 V 이하로 떨어지게 되면 전원교체에 대한

정보를 마스터로 전송을 하여 모니터링 하게 된다 . 3. 실험결과 및 고찰

제안된 센서의 동작원리는 광섬유 끝단을 둘러싸고 있는 액체 시료의 굴절률에 따라 입사단면 방향으로 반사되는 광 전력 손실의 변화를 이용하여 침수여부를 판단하는 것이다 . 먼저 실험에 사용된 시료는 물

( ⁿ 2 = 1.3318@633 nm), ^에탄올 ( ⁿ 2 = 1.3604@633 nm), 바닷 물 ( n 2 = 1.35 − 1.4), 글리세린 ( n 2 = 1.4725@633 nm) 등의

4 종류이다 ^[8] . Fig. 5 는 센서 끝단에 접촉된 물질의 종 류에 따른 반사 스펙트럼을 광 스펙트럼 분석기로 측 정한 결과를 보여준다 . 여기서 사용한 입사광원은 어븀 첨가 광섬유에 의해 자발방출 되는 광대역 광원이며 파장대역은 1520 nm ~ 1620 nm ^정도이다 . 광섬유센서

#1 만 침수된 경우 측정된 반사스펙트럼은 Fig. 5(a) 와 같다 . 굴절률 n 2 의 변화에도 불구하고 광 손실은 크게 일어나지 않는다 . ^{광섬유센서} #2 ^{는 침수되지 않고 공}

기 중에 노출된 상태이므로 반사되는 광 전력 P r2 는 일 정하며 , 광섬유센서 #1 에서 반사되는 광 전력 P r1 의 변 화만 존재한다 . 센서 #2 의 반사광에 비하여 센서 #1 에 서 굴절률 변화에 대한 투과 광 전력 변화는 크지 않음 을 알 수 있다 . Fig. 5(b) ^{는 두 센서부가 동시에} 침수되 었을 때의 반사 스펙트럼이다 . Fig. 5(a) 와 비교하였을 때 확연한 차이를 보인다 . 굴절률이 증가함에 따라 상 당량의 광 손실이 발생하고 있으며 n 2 가 공기에서 바

닷물로 바뀌었을 경우에도 10 dB 이상의 광 전력 손실

을 나타낸다 . 특히 글리세린 시료에 두 센서가 동시에

침수된 경우에는 40 dB ^{이상 반사스펙트럼 차이가 나}

는 것을 확인할 수 있다 . 이것은 n 2 의 굴절률이 광섬유

코어의 굴절률 n 1 에 가까워질수록 입사광이 경계면에 서 느끼는 굴절률 차가 작아지므로 반사되는 광량이

감소하고 대부분의 광 전력은 n 2 로 투과되기 때문이다 .

에탄올과 바닷물의 경우 두 시료의 굴절률이 비슷하기 때문에 센서의 침수에 따른 광 전력 손실 변화는 미미 하게 나타난다 .

Fig. 6 ^은 1550 nm ^{파장의 레이저 다이오드 광원을}

이용하여 측정한 굴절률 n 2 와 출력 광 전력의 관계를 보여준다 . 광섬유센서 #1 만 침수된 경우 굴절률 n 2 변

화에 대한 민감도는 3.15 dB/RIU ^{로 거의 선형적인 관}

계를 가진다 . 그러나 두 개의 센서가 동시에 침수된 경 우에는 n 2 가 광섬유 코어의 굴절률에 근접하면서 반사 광 전력 손실이 급격하게 일어난다 . 전체적인 반사광 Fig. 5. Transmission spectrum for showing the spectral

responses of two sensors.

전력 손실은 센서가 공기 중에 노출되었을 때와 비교해 볼 때 상대적인 광 전력 손실은 Table 1과 같다. 두 개 의 센서가 동시에 침수되면 물은 −10.57 dB, 에탄올은

−11.07 dB, 바닷물은 −11.63 dB, 글리세린은 −26.8 dB로 나타났다. 이러한 현상은 센서의 신뢰도를 높일 수 있 는 방법으로 적용된다. 만약 두 센서중 하나가 오염되 거나 고장이 발생하더라도 오작동이 일어날 확률이 줄 어들 수 있다. 한 개의 센서에 의한 광 전력 변화는 크 지 않으므로 일정 수준이상의 문턱전압을 설정해 놓으 면 된다. 즉, 광섬유센서 #1이 침수되거나 오염되면 1 차 경고를 알려주게 되고 센서의 이상 유무를 점검할 수 있게 한다. 만약 두 센서가 동시에 침수되면 광 전 력 손실이 크게 발생하므로 2차 경보가 울리고 실제 심각한 침수 현상이 진행되고 있음을 알려주게 된다.

그러므로 좀 더 개선된 신뢰성 있는 센서 시스템 구성 을 지원할 수 있다.

Fig. 7은 광 검출기에서 변환된 전기적인 신호를 증 폭 단을 거친 후 출력된 전압레벨을 측정한 결과이다.

광섬유 센서 #1이 물에 침수되었을 경우 약 0.16 V의 전압강하가 발생하였고 2개가 동시에 침수되었을 경우

약 0.7 V의 전압강하가 발생되는 것을 확인할 수 있다.

광섬유 코어와 유사한굴절률을 가지는 글리세린을 이 용한 경우에는 광섬유 센서 #1이 침수되었을 경우 약 0.3 V의 전압강하가 발생하였지만 2개의 센서가 동시 에 침수되었을 경우에는 약 1.8 V의 전압강하가 발생 하여 다른 시료에 대해서 2배 이상의 전압강하가 발생 함을 확인하였다. 센서 경계면에서 두 매질의 굴절률 차이가 작을수록 또는 2개의 광섬유 센서가 동시에 침 수되는 경우에 비교기를 통한 A/D 컨버터에서 나오는 신호 변환이 충분히 크므로 마이크로프로세서의 인터 럽트를 이용한 시스템 설계가 가능해진다. 실험을 통하 여 4개의 액체시료에 대해서 시스템을 동작시켜본 결 과 한 개의 센서만 침수된 경우 정확도가 다소 떨어짐 을 확인하였다. 그러나 두 개의 센서가 동시에 침수된 경우에는 정확한 경보신호를 보내주었다. 한 개의 센서 만 침수된 경우에 대한 응답 신뢰성을 높이기 위하여 결합기의 광 분배비 조절이나 광섬유 센서의 끝단의 민감도를 변화시키는 연구가 필요하다.

Fig. 8은 제작된 센서 시스템과 이와 연동되는 Lab- VIEW ^® 기반 모니터링 화면을 보여준다. Fig. 8(a)와 같 이 실험을 위하여 플라스틱 관에 구멍을 뚫어 두 개의 광센서를 각각 다른 위치에 설치를 하였다. 광섬유센서

#2를 높은 위치에 설치하여 상위 레벨로 하고, 광섬유 센서 #1은 낮은 위치에 설치하여 하위 레벨로 구성 하 였다. 플라스틱 관에 물을 일정간격으로 채워 넣었을 때 낮은 수위에 있는 광섬유 센서가 물에 침수되면 하 나의 센서만 침수되었음을 알리는 정보를 지그비를 통 해 무선으로 전송하며, 높은 위치에 설치된 광섬유센서 까지 침수되면 두 센서의 동시침수 정보를 전송하게 된 Fig. 6. Optical output power versus refractive index ⁿ

.

Table 1. Relative optical power loss when the sensors are submersed into different liquids

시료 센서 #1 만 침수 시

광 손실 [dBm] ^{두 시 센서 광 손실 동시} [dBm] ^침수

물 -2.49 -10.57

에탄올 -2.52 -11.07

바다물 -2.89 -11.63

글리세린 -3.15 -26.80

Fig. 7. Temporal responses for showing the voltage levels

at the 1st and 2nd warning situations.

다. 모니터링 프로그램에서는 수위에 대한 정보를 인터 넷의 XML 웹서비스와 이동통신망을 통해 Fig. 8(b)와 같이 관리자의 휴대폰으로 자동으로 문자를 전송한다.

관리자의 경우 침수센서의 상태를 주기적으로 확인하 는데 따르는 시간과 비용을 절감할 수 있으며 이벤트 발생 시에 신속하게 대응할 수 있는 장점이 있다.

5. 결 론

본 연구에서는 침수감지센서로 두개의 광섬유 센서 가 광 결합기에 의해 물리적으로 결합된 이중 광센서를 구현하였다. 센서는 광섬유 끝단의 반사도가 외부 물질 의 굴절률에 의존함을 이용하였으며 액체 접촉 유무를 반사광 전력 변화로 판단할 수 있도록 하였다. 또한 지 그비기반의 무선센서네트워크를 구성하고 LabVIEW

능할 뿐만 아니라 저지대 침수, 지하 시설물 침수, 선 박엔진룸 침수에 따른 모니터링 시스템으로 응용될 수 있다. 특히 선박의 경우 각종 펌프나 모터 등으로 인한 임펄스 노이즈 또는 고조파로 센서의 전자파 간섭이 우려가 되지만 광섬유 센서의 재료적인 장점과 두 개 의 센서헤드가 동시에 작동하는 특성으로 신뢰도를 향 상시킬 수 있으므로 경제성을 고려한 액체 모니터링 시스템으로 적극 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

감사의 글

본 연구는 한국해양대학교 2009학년도 학술연구지 원사업의 일부지원으로 수행되었습니다.

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Fig. 8. (a) Experimental setup for zigbee-based wireless

optical fiber sensor system (b) real-time submersion

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계 광 현

• 2009년 2월 한국해양대학교 전자통신공 학과 졸업(공학사)

• 2009년 ~ 2010년 현재 한국해양대학교 대학원 전자통신공학과 석사과정

• 주관심분야: LED 통신, 광섬유 센서, 센서 모니터링시스템

손 경 락

• 센서학회지 제18권, 제3호 p. 66, 참조

• 현재 한국해양대학교 전자통신공학과 부교수

김 형 표

• 센서학회지 제18권, 제3호 p. 66, 참조

• 현재 경북대학교 산업전자전기공학부 교수