2.1 MANTiS 무선계측 시스템 구성

MANTiS(Multi Acquisition Networks Telemetry Intergartion System)는 가속도와 각속도 계측이 가능한 센서모듈과 32Bit 마이크로컨트롤러, GPS 모듈, 보조용 마이크로컨트롤러를 결합한 통신모듈로 구성하였다. 센서모듈은 MEMS 타입의 6축 센서로 자이로스코프(3축)과 가속도(3축)을 동시에 측정할 수 있는 InvenSense 사의 MPU-6050을 사용하였고, 통신모듈은 WiFi와 블루투스 무선통신이 가능하고 무선계측 시스템을 제어하기 위하여 Espressif Systems 사의 32bit 마이크로컨트롤인 ESP32-3C를 사용하였다. 다중 통신모듈을 사용할 때 각각의 통신모듈의 계측 시간을 동기화하기 위하여 NEO-6M GPS 수신모듈을 사용하였다. 또한, Microchip 사의 PIC16F15344를 센서모듈과 통신모듈에 내장하여 센서모듈에서는 통신모듈에서부터 전달되는 상태 설정, 동기신호에 맞추어서 센서모듈을 제어 수행하며, 통신모듈에서는 보조 CPU 역할을 담당하여 처리시간의 정확도가 중요한 동기신호 발생 및 RS485 양방향 통신, 센서신호 전달, GPS 수신모듈 제어 등 무선통신과 데이터 처리 외에 변수 제어 등을 담당하여 시스템의 과부화가 발생하는 것을 최소화하였다. 통신모듈은 AP(Acess Point)로 지정한 무선 중계기를 이용하여 각각의 통신모듈 IP 주소를 할당하고 Port 번호에 의해 구분된다. 데이터 획득 관련 제어는 계측 제어 프로그램에서 설정한 후 무선통신을 통하여 통신모듈에서 센서모듈을 제어하는 방식으로 획득 데이터의 채널(Channel) 수 및 샘플링율(sampling rate), 그리고 전송하는 패킷의 크기(Packet Size)를 설정할 수 있다. 데이터 획득 방식은 수동측정 방식(Manual Record)과 이벤트 측정 방식(Event Record), 특정 시간에 데이터를 획득하는 방식(Time Record) 중 하나를 선택하여 사용할 수 있도록 개발하였다. 개발한 MANTiS 무선계측 시스템의 시제품은 Fig. 1과 같이 센서모듈과 통신모듈로 구분하여 개발하였으며, Table 1에 보이는 바와 같이 해상도는 16bit, 센서모듈과 통신모듈의 사이지는 각각 42×42×16 mm과 62×62×33 mm로 경량화하여 개발하였다.

Fig. 1. The Prototype of MANTiS. (a) Sensor Module, (b) Communication Module

3.1 센서모듈 계측 성능 분석

센서모듈에서 획득한 데이터의 품질을 평가하기 위한 실험은 전자식 진동시험기를 이용하여 가진 조건(Excitation Condition)에 따른 계측 데이터 성능을 분석하였다. 센서모듈의 계측 성능은 3축 별 계측 성능과 3축 동시 계측 성능을 분석하고자 Sonic Dynamics 사의 전자식 진동시험기를 이용하여 Table 2와 같이 가진 조건을 설정하여 축별 계측 성능 분석 실험을 진행하였다. 가진 조건은 실 구조물에서 주요 가진 주파수가 확인되는 5~20 Hz 범위 내의 가진주파수와 0.1 g~2.0 g 사이의 진폭으로 설정하였다.

Fig. 2. Experimental of Response Signal Performance by 3-Axis

무선계측 시스템은 Fig. 2와 같이 진동시험기 측면에 통신모듈을 설치하였으며, 통신모듈로부터 6 m 떨어진 곳에 AP를 설치하고, 데이터 획득 PC는 AP로부터 4 m 떨어진 곳에 설치하였다. 샘플링율은 나이퀴스트 샘플링 이론에 근거하여 입력 신호 최고 주파수의 2배 이상이 되어야 한다. 따라서 스펙트럼의 해상도를 고려하여 입력 신호 최고 주파수인 20 Hz의 5배인 100 Hz로 설정하고 실시간으로 60초 동안 획득하였다.

계측 데이터를 확인하기 위하여 계측 결과와 가진 조건과의 오차율을 산정하였다. 분석 결과 Table 3과 같이 계측한 동적 범위와 가진 조건의 동적 범위와 비교하였을 때 평균 0.90 % 차이가 발생하였으며, 가진 주파수는 평균 0.40 %의 차이가 발생하였다. 따라서 측정 결과와 가진 조건을 비교하였을 때 유사한 계측 결과를 확인하여 구조물에 적용하는 데 문제가 없을 것으로 판단하였다.

3.2 통신거리별 데이터 송수신 실험

무선계측 시스템에서 데이터 송수신 거리와 샘플링율은 중요한 특징 중에 하나이다. 무선통신은 통신거리가 멀어짐에 따라 통신 강도가 약해지고, 샘플링율이 높아질수록 데이터 패킷의 전송 지연이나 손실이 심해진다. MANTiS는 최대 6개의 센서모듈을 한 개의 통신모듈에 연결하여 획득한 데이터를 무선 송신하기 때문에 샘플링율이 높아질수록 통신모듈에서 송수신되는 데이터가 비교적 많게 된다. 이에 따라 본 실험에서는 통신거리와 샘플링율에 따라 다중모듈에서 계측되는 데이터가 병목현상 없이 원활히 전송되는지를 확인하기 위하여 통신모듈과 데이터획득 PC의 사이에 가벽을 설치하고 장애물이 있는 조건에서 통신강도와 샘플링율에 따른 데이터 획득율을 확인하였다. 가진 조건은 진폭 0.1 g, 가진주파수 5.0 Hz의 정현파를 전자식 진동시험기를 이용하여 발생시켰다. 실험 결과는 Table 4와 같이 통신거리 80 m까지는 모든 샘플링 주파수 데이터의 손실 없이 모두 획득하였다. 그러나 80 m 이상에서는 통신강도가 20 % 이하로 저감되면서 연결 상태가 불안정하여 데이터 송수신이 이루어지지 않았다.

3.3 캔틸레버보를 이용한 다중계측 성능 실험

다중모듈 Multi-sensing 데이터 획득 성능을 분석하기 위하여 자체 제작한 길이 600 mm, 폭 60 mm, 두께 5 mm의 캔틸레버보를 이용하여 자유진동 신호의 획득 실험을 실시하였다. 실험은 Fig. 4에서 보여주는 바와 같이 강재로 제작한 캔틸레버보의 센서모듈 6개를 설치하였으며, 하단에 iOtech사의 650U 데이터로거와 연결된 Dytran사의 3055B3 단축 가속도계를 설치하고 샘플링율은 200 Hz, 계측 시간은 총 16초 동안 수행하였다.

계측한 캔틸레버보의 자유진동실험 결과는 Fig. 4(a)와 Fig. 5(a)에 보여주는 바와 같이 MANTiS와 상용 유선계측 시스템으로 계측한 가속도 응답을 이용하여 Fig. 4(b)와 Fig. 5(b)와 같이 스펙트럼 분석을 하였다. MANTiS에서 측정된 모드들은 8.69 Hz, 56.45 Hz이고, 상용 유선계측 시스템에서 측정된 모드는 8.75 Hz, 56.50 Hz이다. MANTiS를 사용하여 계측된 모드의 주파수들은 상용 유선계측 시스템을 사용하여 계측한 모드의 주파수를 기준으로 1차 모드, 0.69 %, 2차 모드 0.09 %의 차이를 보이며 매우 우수한 계측 성능을 보였다. 또한, 6개의 지점에서 계측한 데이터를 이용하여 모드형상을 비교하였다. 상용 유선계측 시스템으로 계측한 데이터는 상용 분석 프로그램인 MEscope를 이용하여 모드형상을 추출하였으며, MANTiS는 MATLAB을 이용하여 모드형상을 추출하였다. 비교 결과 1차 모드와 2차모드의 모드형상은 서로 일치하는 것을 확인하였다.

Fig. 3. Multi-Sensing Experimental Using Cantilever Beam

Fig. 4. Results of Free Vibration Experiment Using Commercial Wire Measurement System(iOtech). (a) Time Domain, (b) Frequency Domain

Fig. 5. Results of Free Vibration Experiment Using MANTiS. (a) Time Domain, (b) Frequency Domain

Fig. 6. Comparison of Mode Shape