1.1 개 요

최근 신규 SOC 사업에 대한 건설공사비는 지속적으로 감소되고 있으나, 공공시설물에 대한 유지관리 대상은 점점 증가되고 있다. 시설물의 안전 및 유지관리 기본계획(Ministry of Land., 2017)에 따르면 국내 SOC 시설물은 Table 1과 같이 전체 26,930 개소에서 30년 이상 경과한 시설물은 2,774개소로 약 10.3%에 해당되고 10년 후에는 21.4%, 20년 후에는 44.4%로 증가될 것이라 예상하고 있다.

위와 같이 공공시설물의 노후화가 급속도로 증가됨에 따라 시설물 유지보수비용은 역시 증가될 것이라 예상되며, 공공시설물에서 가장 큰 비중을 차지하는 교량구조물도 마찬가지로 많은 유지관리 비용이 발생 될 것으로 예상된다.

국내 공공시설물에 하나인 교량은 5년마다 정밀안전진단을 통하여 교량의 상태 등급에 따른 유지보수 및 신설을 계획하고 있으나, 지자체 및 특광역시 한정된 유지보수 예산으로 많은 교량을 유지보수를 하기에는 현실적으로 어려운 실정이다.

따라서 교량의 노후화에 따른 갑작스런 붕괴로 대형 인적/물적피해를 방지하기 위한 사전 안전성 검토를 목적으로 시설물 유지관리 공공기관, 지자체는 다양한 교량 모니터링 시스템을 구축하고 있다.

대표적으로 서울시에서는 건설 중인 월드컵 대교를 비롯하여 총 12개 교량에 대해 Fig. 1과 같이 유선계측 기반 모니터링 시스템이 구축하여 운영 중에 있다. 하지만 유선계측기반 시스템 구축비용(자동연동설비 등)이 상당하여 일부 국가중요시설 교량(특수교 등) 위주로 설치/운영되고 있으며, 많은 노후 교량에는 재정적인 한계로 인하여 적용이 어려운 실정이다.

따라서 이러한 어려움을 해결하기 위해 국내외적으로 저렴한 통신 단말과 비용을 갖는 사물인터넷 (IoT)기술을 바탕으로 노후 공공시설물의 하나인 교량에서도 저비용으로 사전 모니터링이 가능한 무선계측기반 유지관리 시스템 개발이 이루어지고 있으며 다양한 Test Bed를 통한 개발기술의 검증연구를 수행하고 있다. (Cho, S.J. et al., 2011 외)

사물인터넷의 통신 기술은 일반적으로 LPWAN(Low Power Wide Area Network:저전력 광역 통신) 기술 기반으로 4G/5G 기반의 상용통신망을 기반으로 하는 Cellular LPWAN기술과 비면허 ISM 대역을 사용하는 De-facto Standard 기술로 구분(Park, T.J. et al., 2014)되고 있으며 LPWAN의 종류와 주요특징은 Table 2와 같다.

LPWAN기술은 다양한 응용 분야에 대한 수요와 및 상업적, 정책적인 필요에 의해 다양한 사물인터넷 프로토콜 개발 (LoRa, SigFox, Ingenu 등)이 개발되고 5G 통신과 함께3GPP release 13 등의 표준화로 진행되고 있으며, 국외에서는다양한 어플리케이션 개발 및 보급이 확대되고 있다.

대표적으로 스페인의 Libelium은 17개 이상의 통신 프로토콜을 지원하고 120여개 이상의 센서 인터페이스를 지원할 수 있는 Waspmote 무선 통신 플랫폼 개발하였고, 프랑스의 Nonolike는 Nanosensors라는 브랜드로 Fig. 4와 같이 LoRa 기반의 센서들을 개발하여 다양한 분야에 상용화를 추진하고 있다.

또한 미국의 Polysense는 LoRa기반 SHM (Structure Health Monitoring) 시스템의 상용서비스를 시작하였으며(Park, T.J. et al., 2014), Fig. 2, 3과 같이 LoRa기반의 SHM(Structure Health Monitoring) 상용화 서비스를 하고 있다(SEMTECH., 2018).

1.2 LoRa기반 유지관리 시스템 도입의 필요성

노후된 공공시설물의 급격한 증가와 더불어 늘어나는 시설물의 안전 및 유지관리 모니터링의 수요에 대응하기 위해서는 자가망 구축이 가능하고 별도의 무선 통신비가 소요되지 않는 비면허 대역 기반의 LPWA(Low Power Wide Area) 기술 적용이 필요하다.

이러한 비면허대역 LPWA 중에서 대표적인 기술의 하나인 LoRa를 적용한다면 급속도로 증가되는 노후 SOC 시설물에 경제적이고 효율적인 무선 자동계측 통신기술로 많은 관리수요를 대응하기 위해 기술로 적용이 가능하다.

LPWA 기술은 이미 국내 대형 통신사를 중심으로 LoRa, LTE-M, NB-IoT, 5G 통신 등 사물인터넷 통신을 시장에 출시하여 전국망을 구축하고, 다양한 어플리케이션 및 사업모델을 추진하고 있다. 하지만 각 통신단말 단위로 과금을 하는 통신사의 사업모델로 시설별로 수십개 또는 국가적으로는 수백만개의 통신단말 설치가 요구되기 때문에 많은 공공시설물에 대한 적용을 위해서는 지자체 또는 특광역시가 부담해야할 유지관리 비용이 크기 때문에 상용화가 어려운 실정이다.

따라서 국가적인 차원에서 무선 자동계측 기반의 안전/유지관리 시스템이 보급화를 위해서는 무선기반 시스템 적용이 필요하지만, 많은 Data 발생에 따른 수요자의 비용 최소화 할 수 있는 유지관리(자가망 구축 등) 적용 및 개발이 요구된다.

2.1 개 요

본 연구에서는 광범위한 SOC 공공시설물을 고려한 통합시스템 구축을 위해서는 많은 시간과 비용이 소요되기 때문에 공공시설물에 대표적인 교량을 중심으로 기존에 운영되고 있는 유선 계측시스템 또는 국내 통신사에서 자체 개발된 무선계측 시스템 대비 비용 절감이 가능하고, 기술적인 완성도를 갖춘 시스템 개발을 목적으로 수행하였다.

이러한 개발을 위해 비면허 대역 LPWA 기술 중에 하나인 LoRa 통신을 이용하여 교량 분야 유지관리 시스템에 적용 가능한 MEMS 기반 센서보드, 분산처리를 위한 LoRa 스마트 센서노드 및 기존 유선 센서 계측 데이터 수집이 가능한 DAQ 보드를 개발하여, LoRa 센서 네트워크 기반의 무선자동계측 플랫폼을 개발하였다.

2.2 LoRa 스마트 센서노드 개발내용

2.2.1 개발목적

기존 교량 케이블 장력 및 거더의 안전성을 검토하기 위해서는 Fig. 5와 같이 유선기반 가속도계를 이용하여 가속도 원시데이터(Raw Data)는 Data Logger를 통하여 PC에 수집하고 FFT분석을 통하여 케이블 장력 및 고유진동수를 평가한다.

하지만 기존 유선 센서와 데이터로거를 통한 데이터 수집 및 평가는 센서 설치-데이터 수집-결과분석에 상당한 시간과 인력이 요구되기 때문에 이러한 후처리 결과 과정 및 자동계측 시스템 설비의 간소화를 위하여 LoRa 기반 무선 자동 계측 시스템을 개발하였다.

2.2.2 개발 주요내용

기존의 3축 가속도계 센서의 경우, 단순히 원시데이터(Raw Data)를 수집하여 관리자가 후처리 가공(직접 계산)으로 결과값을 도출하였으나, 본 기술은 원시데이터를 자체 내장된 FFT분석을 통하여 결과값을 송신하도록 개발되어 LoRa 통신의 단점 중 하나인 대용량 데이터 전송 어려움을 해결하였다.

LoRa 스마트 센서노드는 센서보드와 스마트센서노드로 구성되며, Fig. 6에 보이는 3축 가속도 센서와 온도계에서 나오는 수집데이터의 변환 및 결과분석을 External I/O를 통하여 송수신 PCB 보드로 데이터 전송을 목적으로 보드를 제작하였다.

이러한 원시데이터(Raw Data)는 Fig. 7과 같이 연산처리를 목적으로 탑재된 CPU를 통하여 FFT분석을 통한 결과값을 LoRa Module의 안테나를 통하여 무선으로 발신하고 게이트웨이에서 수신하는 형태로 설계되어 있다. 스마트 센서노드의 CPU모듈은 TI AM3358 1GH Arm Coretex와 LoRa모듈은 Wisol LOM 202A를 적용하였고, 운영체제는 Linux OS와 같은 상시가동에 따른 많은 전력 소모방지 및 LoRa 네트워크 구현 최적화를 위해 FreeRTOS기반으로 적용하였다.

위와 같이 FreeRTOS 기반으로 제작된 PCB센서보드 및 센서노드에 내장된 주요 Module의 세부적인 구성 및 기능은 Table 3~4와 같다.

LoRa스마트 센서노드의 PCB보드는 총 4 Layer 로 구성되어 있으며, 커스텀 제작한 하우징을 고려하여 설계하였다. 또한 LoRa통신과 같은 미세한 신호를 다루기 위해 신호 수신율에 영향을 줄 수 있는 안테나 수신부가 Impedance Matching을 고려하여 LoRa Module로 연결이 되도록 회로를 구성하였다. PCB보드의 각 Layer에 대한 세부 설계도면은 Fig. 8(a)~(d)와 같다.

LoRa 스마트 센서노드는 장기적으로 옥외에 설치되는 구조로 외부환경에 대한 상당한 내구성능이 요구되므로, 방수 및 방진(IP67) 성능을 갖도록 제품 하우징을 커스텀 가공하였으며, 최종 개발된 LoRa스마트 센서노드 제품은 Fig. 9와 같이 개발하였다.

2.3. LoRa DAQ 보드 개발내용

2.3.1 개발목적

기존 유선계측을 통한 교량의 건전성 평가를 위해 다양한 계측센서(가속도계, 경사계, 처짐계, 신축변위계, 온도계, 변형률계 등)가 사용되고 있어, 2.2절과 같이 MEMS기반으로 구현 가능한 계측센서에 대해서 LoRa스마트 센서노드를 개발하여 LoRa 센서 네트워크가 구현이 가능하도록 개발하였다.

하지만 MEMS기반으로 구현이 어려운 기존 계측센서(신축변위계, 온도계 등)들에 대해서 LoRa기반 센서네트워크가 가능하도록 Fig. 10과 같이 LoRa 스마트 센서노드를 위한 DAQ (Data Acquisition) 보드를 개발하였다.

2.3.2 개발 주요내용

LoRa DAQ 보드는 주로 기존센서의 LoRa 통신구현을 위해 입력신호를 LoRa 통신으로 변환하여 송신하는 목적으로 설계하였다. 기존 센서는 Data 형태가 대표적으로 디지털 (RS-232, RS-485)과 아날로그(전원 Type, 전압 Type, 저항 Type) 신호로 구성되어 있기 때문에 다양한 기존센서들이 DAQ보드에 동시에 연결되어 송신 할 수 있도록 총 6개의 포트 (RS-232 : 2Port, RS-485 : 1Port, 아날로그 : 4Port)로 구성하여 제작하였다.

디지털 신호입력은 국내에서 사용되고 있는 일반적인 시리얼 통신방식으로 설계되었으며 아날로그 입력신호는 종류에 따라 증폭도를 조절하기 위해, 입력분배 회로와, Programmable OPAMP가 탑재되어, 미세 신호 입력부터 고준위 신호를 모두 수용할 수 있도록 설계되었다. 입력신호 분배회로는 Fig. 11~12와 같이 OPAMP의 정격 입력 (-5V ~ +5V)에 신호레벨을 맞추기 위한 회로도이며, OPAMP가 받아들일 수 있는 신호레벨보다 높은 신호를 적정하게 낮출 수 있도록 설계하였다.

아날로그 입력신호는 센서에 따라 전류원(Current Source) 또는 전압원 (Voltage Source)이 필요한 경우가 있기 때문에, 입력부분에 전류원 또는 전압원을 공급할 수 있도록 설계하였다. 본 DAQ보드에 사용한 OPAMP는 TI사의 PGA281AIP이며, PGA281은 Fig. 13과 같이 MPU에서 증폭도를 소프트웨어적으로 제어 할 수 있는 Porgrammable OPAMP로서 안정성 있는 동작을 보장할 수 있도록 적용하였다.

위와 같은 디지털 및 아날로그 입력신호를 무선 통신을 위한 회로설계를 바탕으로 PCB 설계는 LoRa 스마트 센서노드와 동일한 4 Layer 형태로 제작되었으며 Fig. 15(a)~(d)와 같이 설계되어 제작을 수행하였다. 그리고 LoRa DAQ 보드도 옥외에 설치되기 때문에 방수 및 방진 기능을 갖는 하우징을 고려하여 Fig. 16과 같이 개발하였다.

2.4 LoRa 네트워크 및 어플리케이션 서버

2.4.1 개 요

본 연구를 통해 개발된 LoRa 스마트 센서노드 및 LoRa DAQ는 수신된 원시데이터(Raw Data)를 후처리 가공(Post Processing)으로 결과값을 송신하도록 분산처리하는 스마트센서노드 이며, 송신된 데이터는 Fig. 17과 같이 LoRa 게이트웨이를 통해 전송된다.

게이트웨이는 이더넷(Ethernet)을 통해서 LoRa 네트워크 서버로 연결되며, LoRa 네트워크 서버로 전달된 계측 데이터들은 MQTT 메시징 서버를 통해 모니터링을 위한 어플리케이션 서버로 전달된다. 웹기반 모니터링 시스템은 Fig. 18과 같이 MQTT 클라이언트와 MySQL 데이터베이스 기반으로 개발하였으며, 실시간으로 게이트웨이 및 각 센서노드의 상태, 그리고 각 센서노드의 계측된 값을 모니터링 할 수 있도록 하였다.

2.4.2 주요내용

LoRa 네트워크 및 어플리케이션 서버는, 오픈소스 기반의 ChirpStack Open Source LoRaWAN Network 서버를 기반으로 하였으며, Gateway Bridge, Network Server, Application Server로 구성되어 있으며, 주요 시스템 주요기능은 Table 5와 같다.

비면허 ISM(Industrial Scientific and Medical Band) 대역을 사용하는 LoRa는 국내의 경우 920~923 MHz 대역을 사용하며, 사용하는 채널, 대역폭 및 최대 출력은 LoRa Alliance 의 KR920-923 Regional Parameter에 따라 Table 6~7과 같이 규정되며, 2017년 7월 26일 시행된 과학기술정보통신부 무선설비규칙을 고려하여 설계되었다.

이러한 본 개발기술의 검증을 위해 Fig. 19의 전라남도 영광군에 위치한 영광대교(사장교)에 개발된 LoRa 스마트 센서노드 및 LoRa DAQ 보드를 적용하였다. 또한 계측 단말로부터의 LoRa 무선 신호 수집을 위한 LoRa 게이트웨이와 게이트웨이로부터 서버까지 데이터 전송을 위한 LTE 라우터는 전라남도 영광군에 위치한 영광대교(사장교 L=590m) 계측동에 설치하였다.

무선 자동 계측을 위해 LoRa 스마트 센서노드를 이용하여 케이블 장력 측정 목적으로 2개소, 보강거더 고유진동수 해석을 위한 가속도계 1개소를 설치하였으며 LoRa DAQ 보드를 이용하여 온도계 2개소, 신축변위계 2개소가 설치되어 장기 모니터링을 추진하고 있다. Test Bed 적용에 따라 설치시점부터 실시간 Data 및 개발된 통신상태를 모니터링 하고 있으며, 현재 기준으로 (2019.09 ~ 2019.11) 센서노드의 내구성 및 데이터 송수신은 문제없이 운영되고 있음을 파악하였다.