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KR-102961022-B1 - Wi-Fi HaLow-Based Sensor Fusion Monitoring System for Forest Disasters

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Abstract

본 발명에 따른 Wi-Fi HaLow 기반 센서 융합형 산림 재해 모니터링 시스템은, 산림 지역에 설치되어 온도, 습도 및 연기 입자 농도를 측정하는 온습도 센서 및 연기 입자 센서를 포함하는 센서부; 상기 센서부에서 측정된 센서값을 Wi-Fi HaLow(IEEE 802.11ah) 무선 통신을 통해 중앙관제서버로 전송하는 전송부; 및, 상기 전송부로부터 수신된 센서값을 분석하여 상기 산림의 산불 및 병충해 발생 중 적어도 어느 하나를 판단하는 중앙관제서버;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 Wi-Fi HaLow 기반 센서 융합형 산림 재해 모니터링 시스템에 의하면, 기존 무선 통신보다 장거리, 저전력 특성과 우수한 장애물 투과성을 통해 산림 재해를 더욱 안정적이고 신속하게 모니터링할 수 있는 효과를 제공한다.

Inventors

  • 오상록
  • 박동서

Assignees

  • 주식회사 비알인포텍

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20250623

Claims (7)

  1. Wi-Fi HaLow 기반 센서 융합형 산림 재해 모니터링 시스템으로서, 산림 지역에 설치되어 온도, 습도 및 연기 입자 농도를 측정하는 온습도 센서, 연기 입자 센서, 나무 내부의 미세 진동 및 균열에 의한 탄성파를 측정하는 탄성파 센서, 나무 표면과 내부의 열전도도를 측정하는 열전도도 센서 및, 나무의 엽록소 형광 세기를 측정하는 엽록소 형광 센서를 포함하는 센서부; 상기 센서부에서 측정된 센서값을 Wi-Fi HaLow(IEEE 802.11ah) 무선 통신을 통해 중앙관제서버로 전송하는 전송부; 및, 상기 온도, 습도 및 연기 입자 농도에 대한 센서값과, 상기 탄성파 센서에서 측정된 탄성파의 진폭 제곱과 주파수를 곱하여 산출한 탄성파 활성값 및, 상기 열전도도 센서에서 측정된 열전도도의 기준값 대비 변화율 및, 상기 엽록소 형광 센서에서 측정된 엽록소 형광 세기의 기준값 대비 감소율을 함께 분석하여 상기 산림의 산불 및 병충해 발생 중 적어도 어느 하나를 판단하는 중앙관제서버;를 포함하고, 상기 중앙관제서버는, 다음의 수학식 1에 의하여 산림재해 복합 위험지수를 산출하는 위험지수 산출 모듈과, 상기 산림재해 복합 위험지수가 미리 설정된 복합 위험 임계치를 초과하는 경우 경고 알람을 생성하여 관리자 장치로 전송하는 알람 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는, 산림 재해 모니터링 시스템. 수학식 1. (여기서, A는 탄성파 센서에서 측정된 탄성파의 진폭 제곱과 주파수를 곱하여 산출한 탄성파 활성값, B는 열전도도 센서에서 측정된 열전도도의 기준값 대비 변화율, C는 엽록소 형광 센서의 기준값 대비 감소율, D는 온도(℃), E는 습도(%), F는 연기 입자 농도(ppm), e는 자연로그의 밑수)
  2. 제 1항에 있어서, 상기 시스템은, 상기 산림 지역에 설치되어 상기 산림의 상태 영상을 촬영하고 상기 상태 영상에서 이벤트 영상 클립을 추출하는 CCTV;를 추가로 포함하고, 상기 중앙관제서버는, 상기 센서값의 분석 결과가 산림 재해의 발생 가능성을 나타내는 산림 재해 기준값을 초과 시에 상기 CCTV에 이벤트 영상 클립을 요청하여 상기 CCTV로부터 Wi-Fi HaLow 무선 통신을 통해 상기 이벤트 영상 클립을 수신하는 CCTV 연동 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 산림 재해 모니터링 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 중앙관제서버는, 상기 센서값과 상기 이벤트 영상 클립의 특징 데이터를 추출하고 정규화하여 다차원 융합 벡터로 변환하는 특징 벡터 변환부와, 상기 다차원 융합 벡터를 합성곱 신경망(Convolutional Neural Network, CNN) 기반의 분류 모델로 분석하여 산림 재해의 유형 및 위험도를 판단하는 융합 분석부를 포함하는 융합 판단 모듈;을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 산림 재해 모니터링 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 센서부는, 산림 지역에서 Wi-Fi HaLow 무선 통신의 송신 신호 세기와 수신 신호 세기를 측정하는 RSSI 센서(Received Signal Strength Indicator Sensor)를 추가로 포함하고, 상기 중앙관제서버는, 상기 RSSI 센서에서 측정된 송신 신호 세기 및 수신 신호 세기를 기반으로 다음의 수학식 2로 각 주파수 채널별로 신호 감쇠 지수를 산출하는 신호 감쇠 산출부와, 최근 24시간 동안의 신호 감쇠 지수를 학습하여 현재 시점에서 1 내지 6시간 이후의 미래 신호 감쇠 지수를 예측하는 신호 감쇠 예측부 및, 현재의 신호 감쇠 지수와 상기 미래 신호 감쇠 지수를 기반으로 각 주파수 채널별로 통신 품질 지수(CQI; Channel Quality Index)를 산출하고 상기 통신 품질 지수가 가장 높은 주파수 채널을 선정하는 채널 선정부를 포함하는 채널 선택 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 산림 재해 모니터링 시스템. 수학식 2. 신호 감쇠 지수(dB) = 송신 신호 세기(dBm) - 수신 신호 세기(dBm)
  7. 제 6항에 있어서, 상기 채널 선정부는, 다음의 수학식 3을 통해 상기 통신 품질 지수를 산출하는 것을 특징으로 하는, 산림 재해 모니터링 시스템. 수학식 3. (여기서, CQI은 통신 품질 지수(Channel Quality Index), X은 현재의 신호 감쇠 지수, Y은 미래 신호 감쇠 지수, max(x)는 둘 중 큰 값을 선택하는 최대값 함수)

Description

Wi-Fi HaLow 기반 센서 융합형 산림 재해 모니터링 시스템{ Wi-Fi HaLow-Based Sensor Fusion Monitoring System for Forest Disasters} 본 발명은 Wi-Fi HaLow 기반 센서 융합형 산림 재해 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 Wi-Fi HaLow 무선 통신을 활용하여 산림 지역의 센서부로부터 측정된 센서값을 장애물이나 지형 조건과 무관하게 장거리에서도 안정적으로 전송함으로써, 산불 및 병충해와 같은 산림 재해의 초기 징후를 빠르고 정확히 감지하고 효과적으로 대응할 수 있는 산림 재해 모니터링 시스템에 관한 것이다. 일반적으로 산림 지역은 산불 및 병충해와 같은 산림 재해로 인하여 산림 생태계 파괴와 재산 피해는 물론이고 인근 주민의 생명과 안전에도 심각한 위협을 초래할 수 있기 때문에, 이러한 재해의 발생 가능성을 초기에 탐지하고 지속적으로 모니터링하는 것이 매우 중요하다. 특히 산림 지역은 인가로부터 멀리 떨어져 있고 사람이 수시로 접근하기 어려운 지역이 많아, 초기 단계에서의 재해 탐지 및 신속한 대응이 이루어지지 않으면 피해가 급속히 확산될 위험이 높다. 이를 위해 종래의 산림 재해 모니터링 방식은 주로 사람이 정기적으로 산림 현장에 직접 방문하여 육안으로 주변을 점검하거나, 항공기 또는 드론 등을 활용하여 영상 기반으로 일부 지역을 선별적으로 점검하는 방식이 일반적이었다. 또한, 일부 지역에서는 제한된 개수의 유선 센서를 설치하여 매우 국지적인 범위 내에서만 데이터를 수집하고 이를 사후적으로 분석하여 대응하는 방식도 사용하고 있다. 그러나 이러한 기존의 점검 방식은 많은 인력과 시간 및 비용이 소요될 뿐만 아니라, 넓은 산림 지역을 효율적으로 커버하기 어렵고 점검 주기가 길어, 점검 주기 사이에 발생한 산림 재해를 실시간으로 감지하고 신속히 대응하는 것이 사실상 불가능하다는 치명적인 문제점이 있다. 특히 병충해의 경우 초기 징후가 미세하여 육안 점검으로는 탐지하기 어렵고, 산불 역시 초기에 조기에 발견하지 못하면 급속히 확산되어 큰 피해를 야기할 수 있다. 최근에는 이러한 문제점을 개선하기 위하여 일부 산림 지역에서 일반적인 무선 통신 방식인 Wi-Fi(IEEE 802.11a/b/g/n/ac), ZigBee, Bluetooth 등을 이용하여 센서값을 무선으로 전송하고자 시도한 바 있다. 그러나 이러한 일반적인 무선 통신 기술은 근거리에서만 안정적인 통신이 가능한 기술로서, 산림 지역의 넓은 면적과 험준한 지형을 안정적으로 커버하는 데 근본적인 한계가 있다. 또한 수목이 밀집된 산림 환경에서는 수목, 지형, 악천후 등으로 인해 신호의 장애물 투과성이 낮아 데이터 전송이 빈번히 끊기거나 불안정하여 산림 재해 데이터를 안정적으로 수집하는 것이 어렵다는 문제점이 있다. 특히 산림 지역은 계곡, 산악 지형, 울창한 나무 등 다양한 장애물로 인해 전파의 투과가 어렵고, 통신 노드를 설치하는 데도 어려움이 많아 일반 무선 기술로는 효과적인 실시간 모니터링이 어렵다. 더욱이 기존 무선 통신 기술은 높은 전력 소모로 인해 배터리 교체 주기가 짧아 원격으로 유지 관리하기 어려운 단점이 있다. 따라서 산림 재해의 초기 징후를 신속히 탐지하고, 장기간 안정적인 모니터링 및 신뢰성 높은 데이터 전송을 보장하기 위해서는 기존의 일반적인 무선 통신 방식보다 월등히 뛰어난 장거리 전송 능력과 낮은 전력 소모 특성, 높은 장애물 투과성을 제공하는 진보한 산림 재해 모니터링 시스템이 요구되는 상황이다. 도 1은 본 발명의 시스템의 구성을 도시한 블록도. 도 2는 도 1의 구성에 대한 흐름도. 도 3은 산림 지역에 설치된 센서부와 전송부를 도시한 개념도. 도 4는 센서부와 전송부가 설치된 산림 지역에 산불이 발생한 상태를 예시한 개념도. 도 5는 센서부와 전송부가 설치된 산림 지역에 병충해가 발생한 상태를 예시한 개념도. 도 6은 산림 지역에 설치된 센서부와 전송부 및 CCTV를 도시한 개념도. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 첨부된 도면은 축척에 의하여 도시되지 않았으며, 각 도면의 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 지칭한다. 도 1은 본 발명의 시스템의 구성을 도시한 블록도이고, 도 2는 도 1의 구성에 대한 흐름도이다. 도 1을 보아 알 수 있듯이, 본 발명의 시스템은 센서부(10), 전송부(20) 및 중앙관제서버(100)를 포함한 상태에서, 산림 지역에 설치된 복수의 센서로부터 측정된 센서값을 Wi-Fi HaLow(IEEE 802.11ah) 무선 통신을 통해 중앙관제서버(100)로 전송하고, 중앙관제서버(100)는 이러한 센서값을 기반으로 산림 지역에서의 산불 발생 여부 및 병충해 발생 여부를 분석 및 판단하는 것을 기본으로 한다. 즉, 본 발명의 시스템은 Wi-Fi HaLow 무선 통신을 도입하여, 산림 지역 내에서 장애물에 따른 신호 감쇠를 최소화하고 장거리 전송 거리 확보 및 전력 소모 최소화를 달성함으로써, 산림 재해 발생 가능성을 효율적이고 안정적으로 중앙에서 모니터링하는 특성을 가진다. Wi-Fi HaLow(IEEE 802.11ah)는 IEEE에서 규정한 국제 표준 통신 기술로서, 기존 Wi-Fi(2.4GHz, 5GHz 대역 등)와 달리 1GHz 미만의 서브기가헤르츠(sub-GHz) 주파수 대역을 사용하는 저전력 장거리 무선 통신 기술이다. IEEE 802.11ah는 일반적으로 750MHz 내지 950MHz 범위의 주파수 대역을 사용하는데, 한국의 경우 917MHz 내지 923.5MHz의 주파수 대역을 이용하도록 규정되어 있다. 이러한 Wi-Fi HaLow(IEEE 802.11ah)는 기존 Wi-Fi에 비해 통신 거리가 길고 투과성이 우수하며 전력 소비가 적은 특성을 가진다. 특히, 수백 미터에서 최대 1km 이상의 장거리 무선 데이터 전송이 가능하고, 산림 지역의 지형적 특성이나 밀집된 식생과 같은 장애물에 대한 우수한 투과성을 보유하여, 산림 지역 전반에 설치된 센서들로부터 측정된 데이터를 데이터 손실 없이 효율적이고 안정적으로 중앙관제서버(100)에 전송하는 것이 가능하다. 또한 IEEE 802.11ah 표준은 데이터 전송 속도가 낮더라도 저전력으로 오랜 기간 안정적인 데이터 전송을 보장하는 TWT(Target Wake Time), 그룹화된 통신(Grouping) 기능 등 IoT(사물인터넷) 환경에 특화된 기술을 포함하고 있다. 이에 따라 다수의 센서 장치(센서부(10))가 넓게 분포된 산림 환경에서도 전력 소모를 최소화하면서 효율적인 데이터 수집과 관리를 실현할 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 시스템은 이러한 Wi-Fi HaLow(IEEE 802.11ah)의 특성을 활용하여, 기존에 전송 거리의 한계, 높은 전력 소모, 산림 지형 및 밀집된 식생과 같은 장애물에 의한 데이터 손실 등의 이유로 장거리 무선 전송이 어려웠던 산림 지역의 다양한 센서값을 장거리로 안정적으로 전송함으로써, 효율적이고 신뢰성 높은 산림 재해 모니터링을 수행하는 것이다. 본 발명의 Wi-Fi HaLow(IEEE 802.11ah)의 구체적인 구현에 대한 일 실시예로서, 한국의 지역 규제에 따라 917MHz 내지 923.5MHz의 서브기가헤르츠(sub-GHz) 주파수 대역을 사용하고 최대 송신 전력 200mW로 제한된 무선 통신 환경에서, 시야 확보 시 1 내지 3km에 이르는 통신 범위를 제공하여, 산림 지역 내 복수의 센서에서 측정된 센서값(후술할 CCTV 영상 데이터 포함 가능)을 안정적으로 중앙관제서버(100)로 전송할 수 있다. 구체적으로, 센서값과 같이 비교적 낮은 데이터 속도를 요구하는 경우에는 1MHz의 채널 폭으로 1km 이상의 거리에서 약 150kbps 속도로 데이터를 안정적으로 전송하고, CCTV 영상과 같이 고대역폭을 요구하는 경우에는 4MHz의 채널 폭을 통해 약 500m의 거리에서 최대 10Mbps의 속도로 데이터를 효율적으로 전송할 수 있다. 더불어, 본 발명의 시스템은 WPA3 암호화 및 SAE(Simultaneous Authentication of Equals) 핸드셰이크를 통해 높은 수준의 데이터 보안을 유지함과 동시에 IEEE 802.11ah의 Target Wake Time(TWT) 기능을 활용하여 전력 공급이 제한적인 산림 지역에서 배터리 교체 없이 최대 3 내지 5년간 연속 동작할 수 있는 초저전력 운영을 실현한다. 도 3은 산림 지역에 설치된 센서부와 전송부를 도시한 개념도이다. 본 발명의 센서부(10)는 산림 지역에 설치되어 온도, 습도 및 연기 입자 농도를 측정하는 온습도 센서 및 연기 입자 센서를 포함하는바, 이를 통해 산림 재해 및 병충해 중 적어도 어느 하나의 발생 여부를 판단하기 위한 주요한 센서값을 측정하는 기능을 제공한다. 산림 지역에서는 산불 및 병충해와 같은 재해가 환경적 특성에 따라 발생할 수 있으므로, 산림 재해의 효과적인 모니터링을 위해 환경 변화와 재해 초기 징후를 신속하게 감지할 수 있는 센서가 요구된다. 이에 따라, 본 발명의 센서부(10)는 산불 및 병충해의 발생과 관련된 환경적 징후를 가장 명확하고 신속히 포착할 수 있는 온도, 습도를 측정하는 온습도 센서 및 연기 입자 농도를 측정하여 산불이나 병충해 발생 시 초기에 신속하게 탐지할 수 있도록 하는 연기 입자 센서를 기본적으로 포함한다. 즉, 산불의 경우, 온습도 센서는 산림 지역에서의 급격한 온도 상승 및 습도 감소와 같은 화재 발생 직전의 환경적 변화를 실시간으로 감지하여 화재 위험성을 사전에 평가하고 초기 대응이 가능하도록 한다. 연기 입자 센서는 산림 지역에서 화재 초기 단계에 발생하는 미세한 연기 입자 농도의 증가를 신속히 탐지하여 화재 발생을 초기 단계에서부터 정확히 파악할 수 있도록 한다. 또한, 병충해의 경우, 온습도 센서는 병충해가 확산되기 쉬운 특정 온도 및 습도 조건(고온다습 환경)을 실시간으로 모니터링하여 병충해 발생 가능성을 미리 예측할 수 있도록 하고, 연기 입자 센서는 병충해로 인해 나무와 잎이 손상되거나 고사할 때 공기 중에 증가하는 미세 입자 농도의 변화를 감지하여 병충해 피해의 초기 징후를 신속히 포착할 수 있다. 결과적