Design of Wireless Underground Sensor System Using Magnetic Field Communication

논문 2012-49-11-11

자기장 통신을 이용한 무선 지중 센서 시스템 설계

( Design of Wireless Underground Sensor System Using Magnetic Field Communication )

김 선 희^*, 이 승 준^**, 황 규 성^****

( Sun-Hee Kim, Seungjun Lee, and Kyu-Sung Hwang )

요 약

최근 지중 시설물은 공간적 제약에 의하여 관리가 쉽지 않기 때문에 무선 통신 센서 네트워크를 도입하려는 시도가 이루어 지고 있다. 수백 MHz ∼ 수 GHz 대역의 전자기파를 이용한 통신을 사용할 경우 불균질한 물질에서의 통신 성능의 급격한 변 화로 인하여 원활한 통신이 어려운 상황이다. 본 연구에서는 이러한 단점을 극복하기 위하여 자기장을 이용한 통신 시스템을 구축하였다. 3m 토압 및 물의 침투를 막을 수 있는 시설물을 제작하여 무선 통신 센서 네트워크 시스템를 설치하였다. 3m 깊 이로 땅을 파서 시설물을 매립한 뒤 통신 성능 테스트를 진행하였다. 그 결과 흙, 돌, 물 등이 불균일하게 분포되어 있는 지중 에서도 무선 통신이 원활하게 이루어짐을 확인하였다. 따라서 자기장을 이용한 통신 시스템은 지중 시설물 및 연약 지반 관리, 환경 오염 관리 등에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract

Recently, a wireless sensor network system has been receiving great attention for management of underground facilities.

However, traditional wireless communication systems using microwaves in several hundred MHz ∼ several GHz experience significant performance degradation in the non-uniform underground environment. In this research, in order to make a robust communication for the underground facilities, we propose a wireless underground sensor system based on magnetic field communication. In 3 meters underground environment including rocks, soils, water, etc.,, our proposed sensor network system has proved fully functional and met its performance specification.

Keywords: Wireless underground sensor network, magnetic field communication

Ⅰ. 서 론

무선 센서 네트워크 (Wireless Sensor Network, WSN)의 연구가 활발해짐에 따라 이를 교량, 댐, 터널, 상수도관 등 기반 시설물에 적용하려는 연구 및 사례가

* 학생회원, ^** 평생회원, 이화여자대학교 전자공학과 (Department of Electronics Engineering, Ehwa Womans University)

*** 정회원, 경일대학교 컴퓨터공학과

(Department of Computer Engineering, Kyungil University)

※ 이 논문은 2011년도 경일대학교 신임교원 정착연구 비를 지원에 의하여 수행된 것임.

접수일자: 2012년10월19일, 수정완료일: 2012년10월29일

증가하고 있다^[1～3]. 특히, 지하에 매설되는 7대 Life Line(상수도, 하수도, 가스, 통신, 전기, 난방 및 송유관) 을 포함한 매설 시설물들은 공간적 제약에 의하여 매설 후 주기적이며 자동적인 상태 점검이 어렵기 때문에 무 선 센서 네트워크를 기반으로 하는 관리 시스템이 유용 할 것으로 기대된다. 그러나 무선 지중 센서 네트워크 (Wireless Underground Sensor Network, WUSN)를 매설 시설물 관리 시스템에 적용하는 것은 아직 제한적 이다. ZigBee, Bluetooth 등 수 GHz 대역 전자기파 (electromagnetic wave)를 이용하는 무선 통신은 흙, 돌, 물 등이 불균일하게 분포되어 있는 지중 환경에서 심각한 감쇄 및 반사 현상이 발생하여 원활한 통신이 어렵기 때문이다^[4～5]. 이러한 단점을 극복하기 위하여

자기장(magnetic field)을 이용한 무선 지중 통신이 연 구되고 있다.^{[3, 5]}

일반적으로 전자기파를 이용한 데이터 통신은 신호 의 원거리장 영역(far field, in which the field acts as normal electromagnetic radiation)^[6]에서 이용되며, 신 호 파장의 1/2～1/4 길이의 다이폴 안테나(dipole antenna)를 사용하여 신호를 송수신한다. 원거리장 영 역에서는 전기장(electric field)과 자기장(magnetic field)의 세기 비율이 매질의 고유 임피던스(intrinsic impedance)에 의하여 일정하게 유지되는데, 공기 중에 서는 전기장 세기가 자기장 세기에 비하여 약 370배 크 다.^[7] 즉, 원거리장 영역에서는 전기장의 세기가 우세하 며, 이 때 전기장은 매질의 유전율(ε, permittivity)에 영 향을 받는다.

주파수가 낮아지면 파장이 길어지기 때문에 이동 단말기에서 효율적인 다이폴 안테나 제작이 어려워진 다. 따라서 루프 안테나(loop antenna)를 이용하는데, 이렇게 생성된 신호의 근거리장 영역(near field, is commonly considered to be a distance of 1/2π times the wavelength)^[6]에서는 전기장보다 자기장이 우세하 며^[8], 자기장은 매질의 투자율(μ, magnetic permeability) 에 영향을 받는다.

표 1^[9]에서 보는 바와 같이 유전율은 공기, 물, 흙 등 에 따라 변화가 크다. 반면 투자율은 니켈, 코발드, 철 등 일부 물질을 제외하고 일상생활에 존재하는 대부분 의 물질이 공기와 거의 동일한 투자율을 갖는다. 따라 서 전자기파는 지상/지중의 경계 뿐 아니라 흙, 돌, 물

Material

Relative Permitti vity

Material

Relative Permeabi

lity

Air 1.0

ferro- magnetic

nickel 250

Bakelite 5.0 cobalt 600

Glass 4-10 Iron(pure) 4,000

Mica 6.0

para- magnetic

aluminum 1.000021

Oil 2.3 magnesium 1.000012

Rubber 2.3-4.0 palladium 1.00082 Soil (dry) 3-4

dia- magnetic

copper 0.99999 Water(distilled) 80 silver 0.9998

Seawater 72 gold 0.9996

표 1. 물질의 상대 유전율(εr) 및 상대 투자율(μr)^[9]

Table 1. Relative permittivity(εr) and relative permeability (μr) of various materials.^[9]

등 불균질한 매질에서 신호 반사와 세기의 변화가 두드 러진 반면 자기장은 신호 반사와 세기의 변화가 거의 나타나지 않기 때문에 무선 통신에서 문제가 되는 다중 경로 현상을 무시할 수 있다. 단, 자기장 통신에서는 저 주파 신호를 이용하기 때문에 상대적으로 데이터 전송 속도가 낮다는 단점이 있다. 하지만 이는 매설 시설물 관리에 있어서는 충분한 수준으로 판단된다.

본 논문에서는 자기장을 이용한 무선 지중 통신 센서 시스템을 설계하였다. 다음 장에서 자기장 통신 물리 계층과 이를 바탕으로 설계된 자기장 통신 센서 시스템 을 설명한다. 그리고 지중에서의 무선 통신 실험 방법 및 결과를 제시한 뒤 결론을 맺는다.

Ⅱ. 본 론

1. MFAN 물리계층

ISO/IEC 15149 Magnetic field Area Network (MFAN)는 으로 땅 속, 물 속, 콘크리트 속 등 아주 열 악한 환경에서도 양질의 양방향 무선통신을 제공하기 위하여 제안된 자기장 무선 통신 표준이다. 128KHz 주 파수를 사용하며, 저전력의 안정된 통신 시스템 구성을 위하여 BPSK 모듈레이션을 채택하였다. 통신 환경에 따라 Manchester 코딩을 적용할 수 있으며, 데이터 전 송 속도는 1 Kbps～8 Kbps 이다.

2. 무선 지중 통신 센서 시스템

가. 시스템 구성

무선 지중 통신 센서 시스템은 안테나, 통신 아날로 그 송수신 블록, 통신 디지털 송수신블록 및 컨트롤러, 그리고 센서 모듈로 구성된다(그림 1). 통신 송신부는 디지털 블록에서 MFAN 물리 계층 패킷을 구성한 뒤 128KHz Differential on/off 신호를 생성한다.

아날로그 differential amplifier에서 신호는 정형파로 증폭되어 안테나에 전달된다. 수신단은 LNA 및 128KHz LPF, 그리고 ADC로 구성된 아날로그 블록과 Carrier Recovery, Timing recovery, 그리고 MFAN 패 킷을 분석하는 디지털 블록으로 구성되어 있다. 센서 모듈은 지속적으로 센서 입력값을 모니터링하며, 미리 설정된 데이터 범위를 벗어나는 경우에 컨트롤러에 인 터럽트를 발생시킨다. 컨트롤러는 센서 모듈과 네트워

그림 1. MFAN 기반의 무선 지중 센서 네트워크를 위한 시스템 블록도

Fig. 1. System blockdiagram for WUSN based on MFAN.

(a) (b)

그림 2. 송신용 안테나 (a) MFAN-1과 (b) 이의 S11 측 정 그래프

Fig. 2. (a) an antenna MFAN-1 for transmitting and (b) a graph of its S11.

크 및 통신 모듈을 모두 관리하여, 센서 모듈로부터 인 터럽트가 발생되면 해당 데이터를 관리 시스템으로 무 선 전송한다.

앞선 연구에서^[10] 자기장 통신 시스템과 Zigbee의 매 질에 따른 신호 세기 특성을 비교하였다. 매질이 공기 20cm와 흙 50cm의 2층으로 구성되어 있을 때, 공기만 70cm일 때에 비하여 Zigbee는 35dBm 감소하는데 반하 여, 자기장 신호는 0.534dBm 감소함을 보였다. 또한 알 루미늄 호일로 씌워져 있는 상자에 Zigbee와 자기장 통 신 시스템을 각각 한 세트씩 넣은 뒤 65cm 떨어진 곳 에서 신호 세기를 측정하였을 때, 알루미늄 호일 상자 의 여부에 따라 Zigbee는 27dBm, 자기장 신호는 1dBm 차이가 있음을 확인하였다. 즉, 자기장 신호가 지중 환 경에서 안정적일 수 있음을 보였다.

지중 매설물들이 약 3m 깊이에 매설됨을 감안하였을

때 적절한 통신 거리를 확보할 필요가 있다. 일반적으 로 자기장 통신에서 거리 확장 방법으로는 1) 리피터를 이용하여 거리를 확장하는 방법과 2) 자기장 공진 (magnetic resonance)를 이용하는 방법이 있다. 본 연구 에서는 자기장 공진 효과를 극대화 할 수 있는 공진 안 테나 제작에 중점을 두었다.

나. 안테나

회로의 공진 주파수는 식(1)과 같이 인덕턴스 (inductance)와 캐패시턴스(capacitance) 성분에 의하여 결정된다.

  





(1)

그리고 루프 안테나의 인덕턴스는 코일 감은 횟수와 루 프의 단면적에 비례한다. 즉, 자기장 루프 안테나의 코 일 감는 횟수와 루프의 반지름 등에 의하여 송수신 자 기장 루프 안테나 간에 발생되는 자기장 변화량이 결정 된다. 따라서 안테나의 인덕턴스를 먼저 결정한 뒤 캐 패시터를 연결하여 회로의 공진 주파수를 조정하였다.

안테나의 공진 주파수에서의 S11 특성은 Quality factor(Q-factor)로 비교할 수 있는데, 식 (2)와 같이 인 덕턴스와 레지스턴스(resistance)에 의하여 그 값이 결

정된다.^[11] S11 특성은 Q-factor값이 높을수록 폭이 좁

고 크게 떨어진다.

    _ _



(2)

지중 통신 테스트를 위하여 그림 2, 그림 3과 같이 2 가지 형태의 안테나를 구성하였다. 안테나 MFAN-1는 지름 16cm의 원형 타입으로 12번 감은 루프 안테나이

그림 3. 송신용 안테나 (a) MFAN-2와 (b) 이의 S11 측 정 그래프

Fig. 3. (a) an antenna MFAN-B for transmitting and (b) a graph of its S11.

MFAN-1 MFAN-2

지름 16cm 6cm

감은 횟수 12 65

전선 Litz

(0.08X252)

Litz (0.08X252) 인덕턴스 41.70uH 102.86uH S11 (at 128KHz) -21.82 dB -32.14 dB

Q-Factor 268 246

표 2. 송신용 안테나 MFAN-1과 MFAN-2의 파라미터 Table 2. Parameters for transmitting antennas, MFAN-1

and MFAN-2.

다. 공진을 위하여 Capacitor를 직렬/병렬로 추가 연결 하였으며 그림 2(b)와 같이 S11 특성을 나타낸다. 안테 나 MFAN-1는 지름을 6cm로 축소하였다. 이는 실제 매립 환경을 고려한 설계로서 같은 부피라면 단면적이 크고 길이가 짧은 것보다 단면적이 작고 길이가 긴 것 이 매립하기 용이하기 때문이다. 그 외 두 안테나의 특 성을 맞추기 위하여 자기력선 통과 단면적이 작은 안테 나 MFAN-2에 대해서 코일 감는 횟수를 65번으로 증 가시켰다. 그 결과 MFAN-1과 MFAN-2의 Q-Factor는 각각 268과 246으로 근접한 값을 나타내었다. 각 안테 나의 주요 파라미터는 표 2에 비교 정리 하였다.

Ⅲ. 실험 및 결과

1. 지중 거리 실험 및 결과

무선 지중 센서 시스템의 매설을 위하여 그림 4와 같 은 시설물을 제작하였다. Acetal을 사용하였으며, 매설 후 토압에 의한 변형을 최소화하기 위하여 실린더 타입 으로 제작하였다. 시설물은 위/아래 덮개와 본체로 구 성하였다.(그림 4(b)) 위 덮개에는 안테나를, 그리고 아 래 덮개에는 무선 통신 모듈, 센서 모듈 및 배터리를 장 착한 뒤 본체에 조립하였다. 수분 침투에 의한 통신 센 서 시스템의 파손을 막기 위하여 본체 및 덮개는 각각 하나의 통을 깎아서 제작하였고, 덮개를 씌운 후에는 실리콘으로 마감하였다.

굴삭기를 이용하여 흙을 퍼내어 3m 깊이의 구덩이를 만들었다.(그림5) 그리고, MFAN-1 안테나와 MFAN-2 안테나를 각각 포함한 2개의 무선 센서 시스템 시설물 을 매설하였다. 그리고 그림5(b) 같이 30cm 간격으로 흙을 덮으면서 통신 테스트를 하였다. 매설지는 그림 5(a)와 같이 흙, 돌 등 다양한 물질로 구성되어 있었다.

그림 4. 매설 환경 테스트를 위하여 제작된 (a)시설물과 (b) 시설물의 구성도 (c)시설물 아래 덮개에 모 듈을 장착 (d) 시설물 위 덮개에 안테나 장착 Fig. 4. Undergound enviroment tests (a) packaging

product (b) image © test board. (d) antenna.

그림 5. 3m 지중 환경 조감도

Fig. 5. Illustration of 3m undergroud environment.

또한, 비가 그치고 12시간이 경과하기 전에 실험을 실 시하여 흙은 젖어 있었으며, 흙을 퍼낸 자리에 그림5(a) 와 같이 물 웅덩이가 형성되었다.

무선 센서 시스템을 테스트 모드로 설정하여, 일정 간격으로 센서 데이터를 지상에 있는 관리 시스템에 전 송하였다. 이 때 데이터 전송속도는 1Kbps로 고정하였 으며, Manchester Coding 을 적용하였다.

매설 후 지중에서의 통신 특성 비교를 위하여 매질이 공기인 지상에서도 실험을 진행하였다. 지상에서는 송 수신 안테나 사이의 거리가 5m일 때 패킷 에러율이 약 2%, 10m 일 때는 약 7%로 측정되었다. 본 연구에서 지 중 테스트는 실험 환경 여건 상 3m까지 측정하였기에

3m내에서의 결과만 비교하였다.

지상에서는 안테나 MFAN-1을 사용한 시스템과 MFAN-2를 사용한 시스템 모두 통신 거리 3m 까지 대 부분 3% 이하의 패킷 에러율을 보였다. 인위적으로 송 수신 안테나 간의 공진을 맞춤으로 인하여 실험 오차가 발생하였다. 3m 정도의 범위에서는 전송 거리에 따른 패킷 에러율 향상보다는 송수신 공진 안테나 배열 환경 에 따라 통신 성능에 영향을 미침을 확인할 수 있었다.

또한, 지중에서의 패킷 에러율이 약 10～20% 사이로 지 상 환경보다 많은 손실이 발생함을 확인할 수 있었다.

지상 환경에서와 유사하게 거리에 따른 전송율 저하 현 상보다는 실험 환경에 따른 일정한 손실을 보이고 있 다. 송신 안테나를 지중에 매립하는 특성상 정확한 송 신 안테나의 위치 파악이 어려워 송수신 안테나 간 최 적의 공진 조건을 찾기가 상대적으로 어렵기 때문으로 파악된다.

즉, 지상에서 테스트를 진행할 때는 송수신 안테나 간을 서로 마주보게 하여 자속 통과 면을 최대한 맞출 수 있었다. 반면 지중 테스트를 할 때는 시설물을 매립 한 후 흙으로 덮고 통신 테스트를 진행하였기 때문에 송수신 안테나를 나란히 맞추기 어려웠다. 또한 통신 시스템을 구성할 때, 지상에서는 안테나와 통신 시스템 을 수평적으로 나란히 배치하였었다. 그런데, 지중 테스 트를 위한 매설용 시설물을 만드는데 있어, 단면적을

거리 MFAN-1 MFAN-2

지상 지중 지상 지중

30cm 0.33 14 0.67 12

60cm 1.67 11 1.67 16

90cm 1 12 4.33 20

1.2m 0.67 6 1 12

1.5m 3.33 20 0.67 8

1.8m 4.67 14 0.67 20

2.1m 1.67 12 2.67 20

2.4m 0.33 12 1.67 12

2.7m 0.33 13 1 12

3.0m 0.67 12 5.33 20

표 3. 거리 변화에 따른 패킷 에러율 (%) Table 3. Packet error rate with different distances.

줄이기 위하여 안테나와 통신 시스템을 수직으로 쌓은 형태로 배치하게 되었다. 그 결과 안테나를 통과하는 자속이 통신 시스템에 그대로 전달되어 통신 시스템에 노이즈로 작용하게 되었다. 이러한 이유들로 본 실험에 서는 지상에 비하여 지중에서의 통신 성능이 낮게 측정 되었다.

2. 동결 실험 및 결과

지중에서의 온도 변화에 따른 자기장 통신 성능을 비교하기 위하여 자기장 통신 송수신 세트(타입B)를 챔버에 설치하여 테스트하였다. 챔버의 크기에 의하여 송수신 안테나 간의 거리는 2m로 고정하였다. 섭씨 20 도에서부터 5도씩 온도를 낮추며 영하 10도까지 진행 되었다.

섭씨 20도에서의 패킷 에러율을 기준으로 온도별 정 규화된 패킷 에러율을 표 4에 나타내었다. 지중에서의 온도 변화가 지상에 비하여 적음을 고려하였을 때, 계 절적 요인 등에 의한 지중에서의 온도 변화에 대하여 통신 성능은 2～3% 내외로 변화할 것으로 예상된다.

온도 (°C) 20°C 기준 정규화된 패킷 에러율

-10 2.0 %

-5 2.9 %

0 3.3 %

5 4.9 %

10 4.7 %

15 0.2 %

표 4. 온도 변화에 따른 정규화된 패킷 에러율 (%) Table 4. Normalized Packet error rate with different

temperatures.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 자기장 통신을 이용하여 무선 지중 센 서 시스템을 설계하고 지중 3m까지 통신 테스트를 하 였다. 그 결과 흙, 돌, 물 등이 불균일하게 분포되어 있 는 지중에서도 무선 통신이 원활하게 이루어짐을 확인 하였다. 따라서 자기장을 이용한 통신 시스템은 지중 시설물 및 연약 지반 관리, 환경 오염 관리 등에서 활용 될 수 있을 것으로 기대된다. 앞으로 자기장 통신 안테

나 특성에 의한 송수신 안테나 배치 및 안테나와 통신 모듈의 배치 문제를 해결해 나갈 예정이다.

참 고 문 헌

[1] Hoult, N. A., Bennett, P. J., Stoianov, I., Maksimovic, C., Middleton, C.R., Graam, N.H.G.

and Soga, K. “Wireless sensor networks:

creating ‘smart infrastructure’”, Proceedings of ICE, Civil Engineering, Vol. 162, pp. 136-143, 2009

[2] Bennett, P.J., Kobayashi, Y., Hoult, N.A., Fidler, P.R.A. and Soga, K. “Wireless sensor networks for underground railway applications: the light at the end of the tunnel”, 7th International Workshop on Structural Health Monitoring, 2009 [3] SAKATA DENKI Product, “Wireless Sensor

(Underground Wireless Communication System”

http://www.sakatadenki.co.jp/e/product/

[4] Zhi Sun, Ian F. Akyildiz, ¡Underground Wireless Communication using Magnetic Induction,¡ Communications, 2009. ICC '09.

IEEE International Conference, pp.1-5, 2009 [5] L. Li, M. C. Vuran and I. F. Akyildiz,

Characteristics of underground channel for wireless underground sensor networks,¡ in Proc.

Med-Hoc-Net ¡07, Corfu, Greece, June 2007 [6] “Near and far field”, http://en.wikipedia.org/

wiki/Near_and_far_field

[7] Klaus Finkenzeller, “RFID Handbook (Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification)”, 2nd, Wiley, 2004 [8] R. C. Hansen, Electrically small, superdirective,

and superconducting antennas, Wiley, 2006.

[9] David K. Chang, “Fundmentals of Engineering Electromagnetics”, Addison Wesley, pp.470-471, 1993.

[10] Sun-Hee Kim, Yun-JaeWon, Kyu-Sung Hwang, Yoon-Seuk Oh, Seung-Ok Lim, “A Study on the Characteristics of Magnetic Field for Wireless Sensor Network”, Information and Communication Technology Convergence (ICTC), 2010 International Conference on, pp.245-246, Jeju, Korea, Nov. 2010

[11] J. K. Harlow, Electric Power transfer engineering, CRC Press, 2000.

저 자 소 개 김 선 희(학생회원) 2000년 이화여자대학교

전자공학과 학사 졸업.

2002년 이화여자대학교 정보통신 학과 석사 졸업.

2009년∼현재 이화여자대학교 전자공학과 박사과정.

2002년∼2005년 한국전자통신연구원 연구원 2005년∼2012년 전자부품연구원 선임연구원

<주관심분야 : 무선에너지전송, 임플란터블 의료 기기>

이 승 준(평생회원)

1986년 서울대학교 전자공학과 학사 졸업.

1989년 U.C.Berkeley EECS 석사 졸업.

1993년 U.C.Berkeley EECS 박사 졸업.

1992년∼1998년 현대전자 책임연구원

1998년∼현재 이화여자대학교 전자공학과 교수

<주관심분야 : 인체 삽입형 의료기기, 유방암 검 진 의료기기, 간질 조절용 의료기기>

황 규 성(정회원)-교신저자 2004년 고려대학교 전기전자전파 공학과 학사 졸업.

2010년 고려대학교 전자컴퓨터 공학과 박사 졸업.

2010년∼2011년 전자부품연구원 선임연구원

2011년∼현재 경일대학교 컴퓨터공학과 조교수

<주관심분야 : 무선통신, 자기장통신>