精 報 技 術
大 韓 土 木 學 會 論 文 集第31卷 第2D 號·2011年 3月 pp. 295~302
철근콘크리트 구조물에 내제된 RF 무선송수신 모듈의 콘크리트 투과성 실험 연구
A Study on the Permeability through Concrete using RF Wireless Module for Reinforced Concrete Structure
조병완*·박정훈**·윤광원***·김헌*****
Jo, Byung-Wan·Park, Jung-Hoon·Yoon, Kwang-won·Kim, Heoun
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Abstract
Ubiquitous is an information communication environment which peoples could connect on network without being conscious of the network and computer condition at anytime and anywhere. Presently, advanced technology, digital cities and eco-friendly cities using Ubiquitous technology are being focused through out the world. As recent information industry and communi- cation technology have developed remarkably, studies on intelligent structures and structural maintenance methods by com- bining a general idea of connecting all objects on network by interpolating computers which is called Ubiquitous Computing, and USN(Ubiquitous Sensor Network) are being attempted. In this paper, a basic experiment on penetration of RF(Radio Fre- quency) sensor nodes using an experimental sample setting concrete and reinforcing bar as variables is studied to estimate the possibility of applying wireless sensor networks in structures. The spring of reinforcing bars, concrete thickness, intensity of radio frequency were set up as variables, transmitting and receiving distance were checked vertically and horizontally. More- over, Spectrum Analyzer was used for checking the magnitude of the frequency used in order to measure the reduction of radio wave exactly. The radio wave reduction was numerically analyzed, and the influence of the wavelength was analysed as well.
As a result, the penetration depth in concrete without reinforcing bars was 45cm, and in reinforced concretes which reinforcing bars placed at spacing of 5cm and 15cm, the penetration depth were 37cm and 45cm each. No influence on radio wave pen- etration depth were found when the spacing of reinforcing bars in the reinforced concrete structures becomes over 15cm.
Keywords : ubiquitous, concrete, permeability, wireless, sensor
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요 지
유비쿼터스(Ubiquitous)란 사용자가 네트워크나 컴퓨터에 의식하지 않고 장소, 공간, 시간에 상관없이 자유롭게 네트워크에 접속할 수 있는 정보통신 환경을 말하며, 현재 이러한 유비쿼터스 기술을 이용한 첨단도시 및 생태도시 구현이 전 세계적인 화두로 각광받고 있다. 최근 정보산업과 이동통신 기술이 발전함에 따라 주변에 있는 모든 물체에 컴퓨터를 내장하여 서로 네트워크로 연결하고 상호간에 협조와 타협을 해 가면서 인간의 삶에 보이지 않게 컴퓨팅을 제공한다는 유비쿼터스 컴퓨팅 (Ubiquitous Computing)을 개념(M. Weisre, 1993)으로 하여, 무선센서 네트워크 기술 USN (Ubiquitous Sensor Network) 을 토목, 건축 구조물 같은 사회기반인프라에 적용한 신개념 지능형 구조물과 유지관리기법에 대한 연구가 시도 되고 있다.
이에 본 연구에서는 유비쿼터스 무선센서 네트워크의 건설구조물 적용 가능성을 판단하기 위하여 건설구조물에 가장 많이 사 용되는 콘크리트와 철근을 변수로 실험체를 제작하여 센서노드의 전파투과성 실험에 대한 기초실험을 실시하였다. 이때 철근 의 배근 간격 및 콘크리트의 타설 두께, 송수신기의 RF신호 강도 세기를 변수로 하였으며, 내부에 무선통신 모듈이 장착되 었을 때 무근콘크리트의 송수신 가능 거리와 철근 배근 간격별 송수신 가능 거리를 수평, 수직 방향으로 각각 측정하였다.
또한, 변수별 전파의 감쇄를 정확히 측정하기 위하여 스펙트럼 아날라이저(Spectrum Analyzer)를 이용하여 사용주파수대의 전파의 크기를 측정하였다. 전파가 감쇄되는 현상을 수치적으로 분석하였으며, 주파수대역의 특성에 따른 주파수 파장의 영향 을 분석 하였다. 이를 통하여, 무선센서의 건설 구조물 적용 가능성을 검토한 그 결과 무근콘크리트의 경우 45cm의 투과 깊 이를 보였고, 5cm의 간격으로 배근한 철근콘크리트는 37cm, 15cm 간격은 45cm의 투과 깊이를 보였다. 철근 배근 15cm 이상이 되면 무선통신에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
핵심용어 : 유비쿼터스, 콘크리트, 투과성, 무선, 감지기
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*정회원·한양대학교 건설환경공학과 정교수 (E-mail : [email protected])
**교신저자·한양대학교 건설환경공학과 박사과정 (E-mail : [email protected])
***정회원·한양대학교 건설환경공학과 박사과정 (E-mail : [email protected])
****한양대학교 건설환경공학과 박사과정 (E-mail : [email protected])
1. 서 론
사회기반시설중 대형 토목, 건축구조물과 같이 공용 중 안전 이 최우선으로 고려되어야하는 구조물은 정확하고 정밀한 설 계, 시공과 함께 안전한 사용성 확보를 위해 지속적으로 세심 한 유지관리가 필요하다. 이에 대하여 최근 정보산업과 이동통 신 기술이 발전함에 따라 주변에 있는 모든 물체에 초소형 컴 퓨터를 내장하여, 서로 네트워크로 연결하고 상호간에 협조와 타협을 해 가면서 인간의 삶에 보이지 않게 정보를 제공하는 유비쿼터스 컴퓨팅(Ubiquitous Computing)을 개념(M. Weisre, 1993) 의 무선 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network)기술 이 정보통신 업계를 중심으로 시도되고 있다.
최근 교량분야에는 무선 계측센서에 의해 교량의 처짐, 균 열 등의 변화를 측정하고 교각하부의 유수에 의한 침식을 감 시하는 유비쿼터스 교량 시스템이 일부 적용되고 있으나 완 전한 유비쿼터스 기반의 환경을 구축한 것은 아니다. 또한, 터널에서는 무선 광섬유센서를 이용, 발파전후 터널작업량의 침하량 및 터널 내부의 변위를 측정하는 변위계측장치와 지 하매설물에 USN기능을 포함한 RFID태그를 부착시켜 지하매 설물을 탐색 및 관리하는 시스템이 있고, 실시간으로 수위를 감시하고 제어하는 수문자동제어시스템 등의 현장 적용이 시 도, 적용되고 있다(유지연 등, 2007).
이러한 노력에도 불구하고 구조물 내 및 지상시설물에는 유비쿼터스 환경 무선센서네트워크를 구축하기 어려운 실정 이다. 대부분의 토목 구조물은 콘크리트, 철근, 물, 흙으로 이루어져 있다. 이러한 구조물은 콘크리트, 물, 흙, 금속, 철 근 등의 통신 성능이 급격히 저하되는 문제점이 발생하여, 원활한 통신이 이루어 지지 않고 있다(장정희 등, 2008).
이에 본 연구에서는 새로운 유비쿼터스 컴퓨팅 기술 및 네트워킹 기술을 건설 산업에 활용하기 위한 기초실험으로 유비쿼터스 건설구조물을 위한 Active RF 무선송수신 모듈 을 콘크리트에 매입하여 주파수에 따른 콘크리트의 투과 깊 이와 철근 배근 간격의 영향을 검토하였다.
이를 위해, 건설구조물에 가장 많이 사용되는 콘크리트와 철근을 재료로 하여 공시체를 제작하고, 내부에 무선통신 모 듈이 장착되었을 때의 통신 가능거리와 두께별 전파의 세기 를 측정하였다. 주파수대역의 특성에 따른 주파수 파장의 영 향을 분석하였다. 이를 통해 사회간접시설물에 무선 센서를 매설하여 외부손상 뿐만 아니라 구조물 내부의 변위 및 손 상의 정도를 실시간 파악할 수 있는 유비쿼터스 개념의 사 회간접시설 구축을 위한 기초 자료를 제공하고자 하였다.
2. 연구 동향 및 실험 재료/장치
2.1 연구동향
콘크리트 내부에 센서을 매입시켜 센서의 성능을 실험하기 위한 투과성 실험은 많이 진행되어 있지 않은 것이 현 실정 이다. 건설현장 RTLS 활용을 위한 전파의 벽체 투과손실에 관한 실험적 연구가 진행(이종국 외, 2009)되었으며 이는 콘 트리트 구조물내부 에서 무선 전파를 보내 거리를 측정한 것이 아니라. 건설현장 벽체 투과 손실에 관한 실험적 연구 를 하였다. 또한 콘크리트 구조물의 내부 진단을 하기 위한
연구로는 지하투과레이더 탐사를 이용하여 콘크리트 슬래브 내부진단에 관한 기초적 연구(홍성욱 외, 2007)가 있다. 지 하투과레이더탐사는 관측용 레이더를 지하 탐사에 응용한 탐 사법으로 고주파의 전자기파를 지표와 접한 성신안테나를 통 해 주매질 내부로 방사시키고, 주매질 내부의 매설물에 부 ãH 혀 반사되는 전파를 수신안테나에 pulse 전압으로 바꿔 모니터상에 반응 이미지를 나타냄으로서 대상 구조물의 탐 사 내용을 해석할 수 있게 하는 물리탐사의 일종이다. 본 연구논문의 주는 유선 장비가 아닌 무선 장비를 이용하여 콘크리트 구조물 내부 에서의 송수신 상태를 검증하였다.
2.2 실험재료
건설구조물 무선센서네트워크 현장 적용을 위한 기초실험으 로, 건설구조물의 주재료인 철근과 콘크리트가 전파의 송수신 에 어떠한 영향을 미치는지 분석하였다. 콘크리트의 두께, 철 근간격, 전파의 방향, RF전원의 세기를 변수로 공시체를 600 ×600×100(mm) 등의 여러 가지 크기로 제작하였다. 제작 시 사용한 실험 재료 시멘트는 KS F 5201에 만족하는 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 OPC)로서 비중은 3.15, 분말도는 3,341cm
2/g 을 사용하였고, 굵은 골재는 비중 2.65, 조립률 2.9, 최대치수 13mm를 사용하였다. 잔골재 의 비중은 2.62이며, 표준사를 사용하였다. 철근은 D16의 이 형철근을 사용하여 배근하였다.
2.3 WSN(Wireless Sensor Network) System Flow 본 실험에 사용된 무선센서네트워크의 시스템 구성은 그림 1 과 같으며, 크게 소프트웨어와 하드웨어로 나뉘어져 있다(조 병완 외, 2008). 소프트웨어는 운영체제, 미들웨어, 어플리케 이션을 포함하고 있으며, 하드웨어에는 센서노드(Mote), 싱크 노드(Sink Node)가 있다. 본 실험에서 사용된 하드웨어와 소 프트웨어 기술은 표 1과 같다.
2.4 실험장치
본 논문에 사용된 실험 장치는 크게 모듈, 스펙트럼 아널 라이즈, 침 안테나를 사용하였으며 사항은 다음과 같다. 시 스템의 하드웨어는 크게는 센서노드와 싱크노드 되어있다.
즉, 송신하는 센서노드와 수신하는 싱크노드로 분류되어 있 고, 센서노드는 센서보드 와 센서모듈로 구성 되어 있다.
기초실험으로써 무선통신모듈의 송수신 상태만 보기 위함 이므로 온도, 조도, 습도센서가 부착 되어있는 Sensor를 사 용하였다. 센서모듈은 cc2420의 RF chip을 사용하였으며,
그림 1. WSN(Wireless Sensor Network) System Flow
주파수 대역은 2.4GHz이다. 2.4GHz는 대역폭이 매우 높아 2Mbs 에 달하는 일상적으로 사용하는 디바이스들의 수요를 만족 시키며, 동시에 2.4GHz의 송신기와 수신기는 연속적으 로 작동할 필요가 없기에 상대적으로 전력 소모량이 적다.
또한 여러 센서와 전송 모드를 지원하며, 쌍방향 전송 모드 가 가능하여 신호 강도가 끊기는 것을 막을 수 있는 특징이 있다. 센서의 자세한 구조는 그림 2와 같다.
센서모듈의 사양은 표 2와 같다. 대표적인 구성은 Microprocessor, RF chip, Chip Antenna 등으로 이루어져 있 으며, Processor는 16bit RISC 32MHz를 사용하며, RF Chip 은 cc2420, Operating System은 Tiny OS를 사용한다. 시스 템의 자세한 센서모듈의 시스템 기능은 아래와 같다.
사용된 스펙트럼 아날라이저는 신호 강도의 스펙트럼 또는 주파수 영역으로 측정하여 화면에 표시하여 주는 장비이며, 어느 주파수 성분의 신호 강도들이 어느 정도의 세기를 가 지고 있는지를 표시해 준다. 이때 수평축의 단위는 kHz/Div, MHz/Div 등으로 표시되며, 수평축 주파수 간격(Span/Div)으 로 부른다.
본 실험에서는 그림 3의 R3131A모델의 스펙트럼 아날라 이저를 사용하였고, 주파수는 2.4GHz, 수평축의 주파수 간격 은 50MHz, 결과 값은 dBM(전파의 세기)으로 나타내었다.
표 1. 무선 센서 네트워크 시스템 내부 기술
분류 기능
하드웨어 기술
센서노드(Mote)
센서 보드
(Sensor Board) • 진동 센서 부착 가능
센서 모듈 (Sensor Module)
• 마이크로프로세서-연산기능
• 초소형 MEMS-인지기능 (Microelecromechanical Systems)
- 입체적인 미세구조와 회로, 센서와 actuator를 실리콘 기판 위에 집적화 시킨 것 - 초소형이면서 복잡하고 고도의 동작을 수행
• 저 전력 트랜시버-전송가능
싱크노드(Sink node) • 센서 모듈로부터 데이터 수집-데이터 수집기능
• 외부 네트워크와 연결- 네트워크 연결기능
소프트웨어 기술
운영 체제 (Operating System)
• 이벤트 처리 기법을 이용한 센서네트워크
• 운영체제 - 컴포넌트 기반 - 저 전력 모드지원
- nesC 를 이용한 센서 응용프로그램 개발 nesC는 Tiny OS의 이벤트 기반의 동 시성을 지원하고, 공유된 데이터의 동시 액세스가 가능
- 멀티 홉 라우팅 기능 지원
(middleware) 미들웨어
• 속성 기반의 주소 지정 - ID 를 이용한 주소 지정 - 응용에 따른 새로운 질의 형태
• 협업적 네트워크 동작 제어 - 데이터 통합
- 주소해석/위치 인식
- 노드 이동성에 따른 적응적 라우팅 기법
• 통신량 감축
- 데이터 통합을 통한 트래픽 감소 - 이벤트 기반의 통신
그림 2. 무선통신 모듈 구조
표 2. Sensor module Specifications
변 Item Description
Processor 16bit RISC 32MHz (MSP430F1611) RF Chip TI (Chipcon) CC2420 Internal Memory 10KB RAM, 48KB Flash
External Memory 1MB
Operating System TinyOS Multi-channel Radio 2.4GHz
Data Rate 250Kbyte
Network Multi-hop and Ad hoc
Power 3.0~3.3V
Range 70m in lab
그림 3. 스펙트럼 아날라이저
사용된 모듈에 부착된 Chip의 방사패턴은 OMNI-DIREC TIONAL 방식이고, 그림 4와 같다. Chip는 실제사이즈가 8.0×
4.0×1.5mm 로 크기가 작고, 무게가 가벼우며, 광대역으로써 주 파수 분할 다중화 기법을 이용해 하나의 전송매체에 여러 개의 데이터 채널을 제공한다.
3. 실험방법
3.1 실험체 제작 및 수신거리 측정 방법
무근콘크리트, 철근콘크리트에서의 무선통신 능력을 실험 하기 위하여, 먼저 모듈을 놓을 수 있는 홈이 파여진 베이 스 판과, 다양한 두께의 무근콘크리트를 제작하였으며 5, 7, 10, 15cm 의 간격으로 철근을 배근하여 타설하였다. 이때의 콘크리트 배합은 KS 기준배합을 따랐으며, 타설시 실험체의 규격은 수직방향 투과실험의 경우 가로, 세로의 길이는 600(mm)×600(mm) 이며 두께별로 1, 3, 5, 10(cm) 각각 5 개를 제작하였다. 수평방향의 가로, 높이 길이는 600(mm)×
100(mm) 이며, 두께별로 1, 3, 5, 20(cm)을 각각 5개 제작
하였다.
수직방향 전파투과성 실험의 경우 바닥 면과 측면으로의 전 파투과의 영향을 차단하고, 수평방향의 전파투과성 실험의 경 우 바닥 면과 상향으로의 전파투과의 영향을 차단하기 위하여 알루미늄 포일과 특수 케이스를 이용하였다. 또한, 그림 6과 같이 Monitoring 을 이용하여 데이터 전송을 확인 하였다. 본 모니터링 시스템(그림 6)은 센서 노드의 ON/OFF 상태만을 확인 할 수 있는 프로그램이다. 송신하는 각 모듈마다 node번 호를 지정한 후 수신을 받을 수 있는 0번 node를 지정한다.
통신이 시작되면 그림 6과 같이 node끼리 서로 직선으로 연 결하여 node별 수신되고 있는 상태를 확인 할 수 있으며, 통 신이 끊길 경우 node번호의 색이 변하는 것으로 쉽게 확인할 수 있다. 또한, 각각의 node번호를 선택하면 선택된 node에 장착되어 있는 온도, 습도, 조도 센서들의 값의 확인이 가능하 다. 베이스 판을 기준으로 콘크리트의 두께를 변화시켜가면서 그림 6과 같은 직선 연결을 통하여, 콘크리트 내부에 장착된 모듈의 송신 상태를 확인 하였다.
본 프로그램에서는 송신 가능여부 확인만 가능하고, 전파 의 전송 크기는 측정되지 않으므로, 콘크리트 두께별 정확한 전파의 크기 및 손실을 알 수 없다. 이를 위해 스펙트럼 아 날라이저(Spectrum Analyzer)를 이용하여 콘크리트 두께별 전파의 크기 및 손실을 분석하였다.
3.2 자유공간 송수신 거리 Test 및 결과
실험에서는 먼저 모듈의 성능을 실험하고, 실험결과 값과 의 비교를 위하여 그림 7과 같이 자유공간에서 전송능력을 실험하였다. 실험은 H대학교 대운동장에서 하였으며, 실험은 외부환경의 영향을 최소화 하기위하여 공기 중의 습도가 낮 은 오후 2시경에 실시하였다.
출발점에 송신 모듈을 고정시키고, 수신모듈의 거리를 점 점 멀리하여 전송거리를 측정하였다.
실험결과 자유공간에서의 송수신은 300m의 운동장 끝까지 다다를 때까지 가능했다. 그 이상은 실험을 할 수 없었으므 로, 이에 본 실험에서는 자유공간에서 300m이상의 수신을 보인다고 보았다.
그림 8은 초당 1천개 센싱 데이터를 받았으며 120m 떨어 진 곳에서의 결과 값을 나타낸 것이다. 실험 결과 120m 떨 어진 곳에서 초당 860개의 데이터를 받았으며 데이터 결과 값을 바탕으로 %로 나타낸 것이다. 300m 떨어진 곳에서는 초당 560개의 데이터가 수집되었다. 이 결과 모두 통신 수신
그림 6. Monitoring 프로그램 그림 7. 자유공간 송수신 Test
그림 4. Chip Antenna
그림 5. 콘크리트 철근배근 및 콘크리트 타설
상태 50% 이상으로 건설 구조물에 적용하기 양호한 것으로 검토되었다. 50% 이하일 경우 센싱 불능 및 데이터 획들 불가 등 실제 구조물에 적용이 어려운 것으로 판단된다.
3.3 수직, 수평방향 투과성실험
수직 방향 투과성 실험은 그림 10의 그림과 같이 특수 제작된 케이스 안에 그림 11의 베이스 판을 가장 밑에 놓은 후 RF세기를 각각 31dB과 15dB로 다르게 한 R31과 R15 를 내장하여 실험을 실시하였다.
더욱더 정확한 실험을 위하여, 서로간의 통신만 가능하도 록 특수 제작된 송신모듈 S31을 하나 더 내장하여 실험을 실시하였다. 이는 컴퓨터로 전송되는 R31, R15와는 달리 송 신모듈이 신호 강도를 보내면 수신모듈 자체에 불이 들어와 송수신이 되고 있음을 표시한다. 또한, R31과 S31의 RF세 기를 31dB로 같게 실험하여, 컴퓨터 프로그램으로 수신하는
R31 과 특수 제작된 송수신 모듈 S31의 결과를 비교함으로 실험의 정확도를 높였다.
실험은 그림 13과 같이 콘크리트 판을 하나하나씩 쌓아 가면서 수신 가능 거리를 측정하였다. 실험방법은 수직방향 투과실험방법과 같은 방법으로, 그림 12과 같이 수평방향 투 과깊이를 측정하였다. 베이스 판을 오른쪽에 두고, 1, 3, 5, 20cm 의 다양한 두께로 제작한 콘크리트를 이용하여 왼쪽 수 평방향으로 쌓아가며 실험을 하여, 송수신 거리를 측정하였 다. 수직방향투과성 실험에서 사용한 R15, R31, S31 송수 신 모듈을 사용하여 실험하였다.
3.4 전파의 감쇄측정 Test
위에서 실시한 수직, 수평방향 투과 실험에서는 프로그램 을 통하여 무선 통신의 송신 가능여부만 확인 가능하고, 전 파의 전송 크기는 측정할 수 없었기 때문에 콘크리트 두께 그림 8. 120m에서의 측정 장면 및 결과
그림 9. 120m, 300m에서의 센서 송수신 상태 결과
그림 12. 수직방향 투과 실험
그림 11. base 판
그림 10. 특수 케이스
별 정확한 전파의 크기 및 손실을 알 수가 없었다. 이를 위 하여 스펙트럼 아날라이저(Spectrum Analyzer)를 이용하여 콘크리트 두께별 전파의 크기 및 손실을 그림 14와 같이 측정하여 분석하였다. 위 실험과 같은 방법으로 실험값을 비 교하기 위하여 자유공간에서의 스펙트럼을 측정하였으며, 무 근콘크리트의 경우 10cm 간격으로 측정하였고, 철근콘크리 트는 철근의 간격을 변화시켜 측정하였다.
4. 실험 결과 및 분석
4.1 투과성 실험 분석
수직방향 투과성 실험결과는 다음과 같다. R15의 경우 무 근콘크리트에서 39cm의 투과깊이를 보였으며, 철근콘크리트 는 5cm간격으로 배근한 D16@5는 31cm, 7cm간격으로 배 근한 D16@7은 34cm, 10cm간격으로 배근한 D16@10은 36cm, 15cm 로 배근한 D16@15는 38cm의 투과를 보였다.
R31 의 경우는 무근콘크리트에서 45cm, D16@5는 37cm, D16@7 은 40cm, D16@10은 42cm, D16@15는 45cm를 투과하였다. S31과 같은 결과를 보였다. 결과적으로 R15와 R31 을 비교하였을 때, RF세기가 클수록 더 많이 투과된다고 할 수 있다.
또한, R15, R31, S31 모두를 보았을 때 5cm로 철근을 배근했을 때보다, 15cm로 배근했을 때가 투과가 더 잘 되 었고, 무근콘크리트일 때 투과가 가장 잘되었다. 또한, 그림 13 에서 보는 바와 같이 철근의 배근 간격이 점점 커질수록 투과깊이가 선형적으로 증가하는 것을 보아, 무선 통신시 철 근의 배근간격에 영향을 받는 것으로 나타났다. 또한, 그림 15 에서 철근 간격이 15cm이상 되었을 때는 무근콘크리트와 같은 투과를 보인 것으로 보아, 철근 간격 15cm이상 되었 을 때는 철근의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
수평방향 투과성 실험결과는 표 3에서 보는 바와 같다.
R15 에서는 43cm R31, S31은 47cm로 측정되었으며, 수직방 향 투과실험에서와 같이 RF의 세기가 큰 R31, S31에서 더 큰 투과를 보였다. 또한, 수직 방향투과실험과 비교하였 을 때, 수평방향 투과실험의 투과가 더 깊게 나타났다. 이는 모듈에 부착되어있는 의 방사 pattern에 따른 방향성이 영향 을 미친 것으로, Chip는 그림 16에서 보는 바와 같이 전 방 향을 커버할 수 있는 모노폴 안테나와 유사한 방사 패턴을 그림 13. 수평방향 투과 실험
그림 14. 전파의 감쇄 측정 실험
표 3. 수평방향 투과성 실험결과(단위:cm)
구분 RF15 RF31 S31
투과깊이 43 47 47
그림 15. 수직방향 투과성 실험 결과
그림 16. Chip Antenna의 방사 pattern
보이며, 기존에 사용되고 있는 소형 안테나의 방사 패턴과도 유사하다. 실선으로 나타내어진 것이 정확한 방사 패턴으로, 이러한 방사패턴으로 보았을 때, 수직방향의 투과깊이보다 수 평방향의 투과깊이가 미세하게 크게 나온 것은 수평방향 투 과실험을 할 때 센서부를 우측으로 두고, 좌측으로 콘크리트 를 쌓아 가면서 실험을 하였기 때문인 것으로 그림 16의 방 사패턴에서 좌측 방향의 방사 패턴이 상향의 방사패턴과 비 교하였을 때, 5~8정도 차이나기 때문인 것으로 확인되었다.
4.2 주파수 파장 분석
본 실험에서 사용한 주파수 대역은 2.4GHz로 1초에 2.4 ×10
8번 진동한다. 즉, 1회 진동거리를 구하기 위해서는 1 초의 전파속도(빛의 속도)를 2.4GHz가 1초에 진동한 수로 나눈다. 2.4GHz가 1회 진동한 속도가 나오면 시간을 곱해 1 회 진동거리를 구한다. 1초간 전파의 속도는 3.0×10
8(m/s) 이고, 1초간 주파수의 진동수는 2.4×10
8이다. 즉, 1회 진동 속도는 0.125m/s이고 1회 진동거리는 0.125m/s로 12.5cm이 다. 또한, 칩 안테나의 전파의 흡수는 1파장(λ) 아래의 도체 에서 일어난다. 즉, 파장 12.5cm 보다 클 경우 전파의 흡수 가 일어난다. 이를 이용하여 실험결과를 분석한 결과, 그림 18 과 같이 철근의 간격이 직각 대각선 방향 모두 λ이내인 경우에는 전파가 통과 할 수 있는 최대 길이가 λ보다 짧게 되므로 도체인 철근에 전파가 흡수되게 된다.
결과적으로, λ인 12.5cm보다 짧게 배근된 5cm, 7cm간격의 철근콘크리트는 무선통신에 철근이 많은 전파를 흡수하여, 통 신장애가 일어나는 것으로 판단된다. 또한, 10cm간격의 철근 콘크리트는 직각 방향은 전파 흡수의 영향을 받지만, 대각선 방향의 경우 거리가 14.14cm로 λ인 12.5cm보다 길다. 그러 므로 영향을 받지 않는 것으로 판단된다. 15cm로 배근된 철 근콘크리트는 직각, 대각선 방향 모두 λ인 12.5cm 보다 작 으므로 무선 통신시 철근의 영향을 받지 않는 것으로 사료되 어진다.
4.3 Spectrum Analyzer 분석
Spectrum Analyzer 를 이용하여 전파의 감쇄를 측정한 결 과, 자유공간에서는 -27dBm을 보였다. 또한, 표 4에서 보는 바와 같이 무근 콘크리트의 경우 10cm두께에서는 -47dBm, 30cm 에서는 64dBm, 50cm에서 -71dBm으로 콘크리트의 두께가 증가할수록 전파의 손실 값이 확연하게 드러났다.
콘크리트 두께 60cm에서는 -75dBm으로써 거의 전파가 전송이 되지 않는 것으로 보았다. 실험결과로 보아 모듈의 무선통신은 45cm까지 가능한 것으로 나타났다.
또한, 철근콘크리트의 경우에는 표 5에서와 같이 철근간격 5cm 의 D16@5 경우 -60dBm, 철근간격 7cm의 D16@7은 -56dBm, 10cm 의 D16@10은 -51dBm을 15cm의 D16@15 는 -50dBm을 나타냈다. 이러한 결과는 철근 간격이 가까울 수록 전파의 감쇄가 많이 일어나는 것으로 나타났다. 또한, 철근간격 7cm와10cm 사이에는 전파가 -4dBm이 감소하였다.
결과적으로, 10cm까지는 약간의 철근의 영향을 받는 것으로 나타났으며, 15cm에서는 큰 변화가 없는 것으로 보아, 위의 투과성 실험에서와 마찬가지로 15cm의 철근간격은 전파투과 에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
표 4. 무근콘크리트의 전파 측정 (단위: dBm) 구분 10cm 20cm 30cm 40cm 50cm 60cm
R31 -47 -52 -64 -67 -71 -75 표 5. 철근콘크리트의 전파크기 측정 (단위: dBm) 구분 D16@5 D16@7 D16@10 D16@15
R31 -60 -56 -51 -50
그림 18. 콘크리트 두께 20cm의 스펙트럼
그림 17. 주파수 개념
5. 결 론
본 실험에서는 새로운 유비쿼터스 컴퓨팅 기술 및 네트워 킹 기술을 건설 산업에 활용하기 위하여 철근콘크리트 구조 물에 내제된 센서노드의 무선통신 성능시험을 하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
1. 무선 통신 모듈의 사용성을 검증하기 위하여, 자유공간에 서의 송수신 Test를 하였을 때, 300m이상의 통신 거리를 보였다. 이는 무선통신 모듈을 구조물의 외부에 부착하여 사용할 수 있다고 판단된다.
2. 무근 콘크리트의 수직·수평방향 무선통신 거리를 측정한 결과, 수직 방향의 경우 45cm의 깊이를 투과하였고, 수평 방향의 경우는 47cm를 투과 하였다. 이러한 결과는 무선 통신모듈을 건설구조물에 매입할 때 규준이 될 수 있을 것으로 보인다.
3. 무근 콘크리트의 수직·수평방향 투과실험에서 수평방향 의 투과깊이가 더 크게나온 것은 본 실험에서 사용된 모 듈의 안테나 패턴 방향성의 영향을 받은 것으로, 안테나 패턴이 수직방향보다, 수평방향으로 더 큰 값을 보이기 때 문에 투과가 더 잘 되는 것으로 판단된다.
4. 철근콘크리트의 스펙트럼을 통하여 무선통신시 전파의 감 쇄를 실험한 결과, 철근을 5cm의 간격으로 배근하였을 때 는 -60dBm을 나타냈고, 10cm의 배근간격에서는 -51dBm 을, 15cm로 배근하였을 때는 -50dBm의 전파크기를 나타 냈다. 15cm배근에서와 10cm배근 사이에서는 1dBm의 전 파감쇄를 보였고, 10cm에서 7cm는 4dBm, 7cm에서 5cm 사이는 4dBm의 전파 감쇄가 일어났다. 결과적으로, 철근 배근간격이 좁아질수록 전파의 감쇄는 증가하였으며, 이러한 결과는 철근이 무선통신에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
5. 철근배근 간격 10cm에서와 15cm간격에서는 -1dBm의 감 쇄를 보인 것은 미세한 차이로 감쇄현상이 일어나지 않는 것으로 보았다. 이러한 결과를 통하여 구조물 내에 무선센 서를 적용 할 때 철근간격을 15cm이상으로 하면, 철근의 영향을 받지 않는다.
6. 2.4GHz 의 주파수 칩 안테나의 전파의 흡수는 파장(λ) 12.5cm 보다 큰 도체에서 일어나므로, 철근배근간격 5cm, 7cm 의 철근콘크리트는 무선통신에 철근이 많은 전파를 흡 수하여, 통신장애가 일어나고 10cm는 대직각 방향은 전파
의 흡수가 일어나지만 대각선방향은 전화의 흡수가 있어 나지 않는다. 또한, 15cm의 철근콘크리트는 직각, 대각선 방향 모두 λ인 12.5cm 보다 크므로 무선 통신시 철근의 영향을 받지 않는 것으로 사료되어진다.
7. 위의 같은 결과를 종합하여 보면, 철근과 콘크리트로 이 루어진 건설구조물에 유비쿼터스 Active RF 무선 모듈의 적용 가능한 것으로 나타났다.
참고문헌
