상시 교량 모니터링을 위한 저전력 IoT 센서 및 클라우드 기반 데이터 융합 변위 측정 기법 개발
Development of Low-Power IoT Sensor and Cloud-Based Data Fusion Displacement Estimation Method for Ambient Bridge Monitoring
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초록
사회기반 시설물의 노후화에 대응해 이상 징후를 파악하고 유지보수를 위한 최적의 의사결정을 내리기 위해선 디지털 기반 SOC시설물 유지관리 시스템의 개발이 필수적인데, 디지털 SOC 시스템은 장기간 구조물 계측을 위한 IoT 센서 시스템과 축적 데이터 처리를 위한 클라우드 컴퓨팅 기술을 요구한다. 본 연구에서는 구조물의 다물리량을 장기간 측정할 수 있는 IoT센서와 클라우드 컴퓨팅을 위한 서버 시스템을 개발하였다. 개발 IoT센서는 총 3축 가속도 및 3채널의 변형률 측정이 가능하고 24비트의 높은 해상도로 정밀한 데이터 수집을 수행한다. 또한 저전력 LTE-CAT M1 통신을 통해 데이터를 실시간으로 서버에 전송하여 별도의 중계기가 필요 없는 장점이 있다. 개발된 클라우드 서버는 센서로부터 다물리량 데이터를 수신하고 가속도, 변형률 기반 변위 융합 알고리즘을 내장하여 센서에서의 연산 없이 고성능 연산을 수행한다. 제안 방법의 검증은 2개소의 실제 교량에서 변위계와의 계측 결과 비교, 장기간 운영 테스트를 통해 이뤄졌다.
Abstract
It is important to develop a digital SOC (Social Overhead Capital) maintenance system for preemptive maintenance in response to the rapidaging of social infrastructures. Abnormal signals induced from structures can be detected quickly and optimal decisions can be made promptlyusing IoT sensors deployed on the structures. In this study, a digital SOC monitoring system incorporating a multimetric IoT sensor wasdeveloped for long-term monitoring, for use in cloud-computing server for automated and powerful data analysis, and for establishing databasesto perform : (1) multimetric sensing, (2) long-term operation, and (3) LTE-based direct communication. The developed sensor had three axesof acceleration, and five axes of strain sensing channels for multimetric sensing, and had an event-driven power management system thatactivated the sensors only when vibration exceeded a predetermined limit, or the timer was triggered. The power management system couldreduce power consumption, and an additional solar panel charging could enable long-term operation. Data from the sensors were transmitted tothe server in real-time via low-power LTE-CAT M1 communication, which does not require an additional gateway device. Furthermore, thecloud server was developed to receive multi-variable data from the sensor, and perform a displacement fusion algorithm to obtainreference-free structural displacement for ambient structural assessment. The proposed digital SOC system was experimentally validated on asteel railroad and concrete girder bridge.
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