3.2 무인 수상선의 해양관측시스템
3.2.1 해양관측시스템 구성
태양광 발전 시험결과 Fig 3.18과 같이 교류전류계를 이용하여 실제 발전용량 값을 측정하였으며, 발전량은 최대 484.8W가 측정되어 태양광 패널 효율 15.8%
에 따른 시험에서 얻은 401.78W 보다 큰 용량이 발전됨을 확인하였다.
Fig 3.18. Solar power Generation test 2
- 해양/기상관측시스템(Marine/Weather Data Acquisition, DAQ) 설계
현재상태 조회 명령과 시각 신호, 기능 정지 명령, 기능 복구 명령 등의 제어 기능과 관측 주기의 변경, 최근 작동개시/작동휴지 시간 등의 원격 감시 기능이 포함되도록 다중 입출력 신호처리를 위한 DAQ시스템을 Fig 3.19와 같이 설계 하였으며, Fig 3.20과 같이 시스템을 제작하였다.
모든 센서류의 화학적 분석신호는 전류신호로 전환된 후 낮은 드리프트, 고정 밀, 고감도의 증폭소자를 이용 전압신호를 증폭한 후 내부적으로 AD converter 회로에 의하여 전환된 디지털 신호는 RS232 변환기를 통하여 신호처리용 데이 터 처리부로 입력하여 처리도록 설계하였다.
본 시스템에서 측정하는 해양 및 기상센서로부터 발생된 전기량을 IC 모듈을 사용하여 구성된 증폭회로를 통해 A/D 변환기 입력전압 범위 (1∼5V)로 증폭되 며, 증폭된 아날로그양은 A/D 변환기에 입력되어 약 수십 msec의 변환시간을 거쳐 디지털로 변환되고 이 값은 문자열의 형태로 재 변환되어 메모리부에 저 장토록 구성하였다.
디지털의 형태로 변환된 값을 스트링의 형태로 변환하는 이유는 무선통신을 사 용할 때 발생할 수 있는 외부잡음과의 간섭을 피하고 최대한 압축하여 전송할 수 있도록 하였다.
입력된 센서의 측정자료는 센서의 감응 정도에 따라 smoothing filtering을 적용 하여 단위시간당 평균자료를 제공하며 획득 간격은 GPS time에 맞추어 1 초∼
수 분 간격으로 구성할 수 있도록 하였다.
실제 운용시에는 소프트웨어에서 자료저장을 일정시간마다 가변적으로 지정할 수 있도록 설계하고, 또한 전력소모를 최소화하기 위하여 sleep mode를 적용, 연속 사용시에도 최소한의 전력을 소모하도록 신호처리 회로를 최적화하였다.
Fig 3.19. DAQ(Data acquisition) system Diagram
Fig 3.20. DAQ(Data acquisition) system controller
- 해양/기상관측 센서
관측센서는 기본적인 해양/기상정보를 관측하고 수집하고 수요자에게 전송하 여 필요에 따라 관측자료를 활용할 수 있도록 설치하며 무인 관측선의 목적에 맞도록 관측센서 요소를 추가하거나 제외 할 수 있다. 센서는 Fig 3.21과 같이 다양한 해양/기상 센서를 선정하고, 소형 무인 수상선에 적용 용도에 맞게 탈부 착이 가능하도록 Fig 3.24와 같이 제작하고 설치하였다.
해양환경 CTD 센서는 표층의 수온, 염분, 용존산소, 탁도, 클로로필 관측이 가능한 YSI EXO3 모델이며, 유속(향) 센서는 이동체에서 관측되므로, 이동체의 속도와 방향 자동 보정 가능한 DVL 관측장비를 적용 층별 유속/유향 관측이 수행되도록 DVL Pathfinder 모델 (최대 수심47M까지 관측이 가능하며, 대지선 속을 제외한 유향/유속 프로토콜이 적용되어 있으며, Cell단위 층별(0.1~4m) 관 측 가능)을 선정하였다.
파고관측 센서는 AXYS Naxt Wave II sensor를 적용하여 파고를 관측할 수 있도록 선정하고, 기상관측 센서는 해양에서 운영 가능한 통합형 센서로 기온, 습도, 기압, 풍향(속) 등을 관측할 수 있는 WXT536 모델로 구성하였다.
센서 관측시스템은 Fig 3.22와 같이 각각 센서 데이터를 수집하도록 구성하 고 데이터로거에서 수집된 데이터는 무선 송수신 시스템을 통해 원격지 서버로 전송하고 DB에 저장하도록 설계 적용하고, 통신시스템을 연계하여 테스트 하였다.
LTE모뎀과 위성모뎀을 이용하여 수집된 데이터는 Fig 3.23과 같이 나타내었다.
다목적 해양관측장비 YSI EXO3
층별 유속/유향관측장비
DVL Pathfinder
통합형 기상관측장비
Vaisala WXT536 파고센서
Fig 3.21. Sensor review selection
센서 연계 시험 (해양) 통합컨트롤러 연계시험
센서 연계 시험 (기상) 센서수집 통신 시험 Fig 3.22. DAQ control and sensor communication test
Fig 3.23. Monitoring data check rate
Fig 3.24. USV sensor and frame assemble
- 관측자료 수집 및 운영 S/W 구성
a.해양관측자료 수집 가시화 및 DB 모듈 설계
관측 정보는 무선통신 모뎀을 통하여 자료 수집 서버로 전송되며, 수집자료는 분석을 위한 기반 자료로 사용자에게 GIS 기반 정보로 제공되도록 설계하였다.
또한, DB에 자료처리 테이블을 작성하고 이를 기반으로 작동하게 하며, 통계 기법을 적용한 시간단위 자료 필터 및 자료 지연 모드 등을 운영 할 수 있도록 하고, DB 테이블에 저장된 각 센서의 자료는 2D 그래프 형식으로 시계열정보 를 제공하여 일정 시간동안 해양환경의 변화양상을 파악할 수 있도록 구성하였 다.
b.원격관리 운영프로그램 설계
원격관리 운영프로그램은 관측센서의 기본정보, 통신설정, 시스템의 제어 관리, 각종 기상/해양센서 자료수신에 대한 시각적 가시화 및 경보기능 등을 포함하 도록 설계하였다.
무인 수상선에서 관측된 실시간 자료는 Fig 3.25와 같이 CTD데이터 Fig 3.26 과 같이 수집 및 모니터링 프로그램에서 확인하도록 하였으며, 수집자료는 DB 에 저장하고 Fig 3.27 ADCP 데이터와 같이 자료상태를 가시화하여 운영자가
확인할 수 있도록 하였다. 해양에서 무인 수상선과 자료 수집 서버 사이의 통 신 방법은 TCP 프로토콜을 사용, 서버에서 다중 관측 지점들의 자료를 수신할 수 있도록 공통된 통신 프로토콜 규격으로 설계하여 적용하였다.
수신된 자료들의 유효성 검증을 위해 기준 값을 설정할 수 있도록 각 관측 요소별 항목에 대한 1차 QC 유효성을 확인할 수 있도록 하고, 관측데이터는 사 용자 UI를 통해 모니터링하고 필요시 다운로드 받아 추가 활용 할 수 있도록 하였다.
Fig 3.25. Monitoring data server program 1
Fig 3.26. Monitoring data server program 2
Fig 3.27. Monitoring data server program 3