[독일] 본대학 연구팀, 강 수위 기록하는 저비용 센서 개발

수위 센서 - 태양 전지로 작동할 수 있으며 유지 보수 없이 완전히 독립적으로 작동 이 가능하다. [사진제공 = Makan Karegar/University of Bonn]

 

본대학(University of Bonn)의 연구원들은 비용 효율적으로 강의 수위를 24시간 모니터링할 수 있는 센서를 개발했으며, 이 센서는 지역 전체의 홍수 경고 시스템에 적합하다고 밝혔다. 이 연구는 『수자원 연구(Water Resources Research)』 저널에 게재됐다.

수로의 수위를 결정하는 방법에는 매우 간단한 방법(야드로 스틱 또는 스탭 게이지)부터 첨단 레이더 솔루션에 이르기까지 광범위하다. 그러나 대부분의 측정 장치는 높은 수위에 직접 노출되어 손상될 수 있고, 많은 장치가 지속적인 모니터링을 허용하지 않으며, 원격 판독이 어렵거나 너무 비싸다는 단점이 있다.

그러나 라인 강 하류 베셀(Wesel)에서는 이러한 단점이 없는 측정 장치가 이미 2년 동안 사용되고 있다. 비용 효율적이고 신뢰할 수 있으며, 모바일 통신을 통해 평가 센터로 지속적으로 수위를 전송할 수 있다. 이는 이러한 센서가 홍수 및 가뭄 경보 시스템을 위한 조밀하게 분산된 네트워크를 제공하는 데 적합하다는 것을 의미한다.

본 대학교의 지리정보연구소(Institute of Geodesy and Geoinformation)의 마칸 카레가르 박사(Dr. Makan Karegar)는  "우리 장치의 핵심은 저가형 GNSS 수신기와 안테나이다"며, "이것은 통상적으로 몇 미터의 정확도로 자신의 위치를 결정할 수있는 센서이다. 이것은 미국 GPS 위성과 러시아 대응 위성인 GLONASS를 사용하여 수행한다. 그러나 위성 신호는 강 표면 위에 있는 GNSS 안테나의 높이를 측정하는 데에도 사용될 수 있다"고 설명했다.

반사된 신호는 수위에 대한 정보를 제공한다.

이는 위성이 전달하는 전파가 안테나에 의해 부분적으로 직접 포착되기 때문이다. 나머지는 주변 환경(이 경우 수면)에서 반사되어 우회를 통해 수신기에 도달한다. 따라서 이 반사된 부분은 더 오래 이동한다. 직접 수신된 신호가 중첩될 때, 간섭이라는 특정 패턴을 형성한다. 이것은 안테나와 수위 사이의 거리를 계산하는 데 사용할 수 있다.

카레가르 박사는 "우리는 GNSS 안테나를 다리, 건물 또는 강 옆의 나무나 울타리 등 어떤 구조물에도 부착할 수 있다"며, "거기서부터 그것은 접촉 없이 24시간 내내 강의 수위를 평균 약 1.5cm 이내로 측정할 수 있다. 또한 극심한 홍수가 발생할 경우 손상될 가능성이 적다"고 설명했다. 카레가르 박사는 이어 "이 방법의 정확도는 레이더 기반 센서의 정확도와 일치하지 않는다. 그러나 용도에는 충분히 적합하며, 150유로 미만으로 다른 제품가 비교 시 상당히 저렴하다"고 덧붙였다.

GNSS 안테나는 라즈베리 파이(Raspberry Pi)라고 불리는 마이크로컴퓨터에 연결돼 있다. 지리정보연구소의 크리스틴 라슨( Dr. Kristine Larson) 교수는 "이 장치는 작은 스마트폰 크기에 불과하지만 원시 데이터에서 수위를 계산할 수 있는 충분한 성능을 갖추고 있다"고 설명했다. 유연성과 저전력 소모 덕분에 마이크로컴퓨터는 다양한 프로젝트를 실현하기 위해 마이크로컴퓨터를 사용하는 애호가들 사이에서 매우 인기가 있다. 그것은 태양 전지로 전력을 공급받을 수 있으며, 완전히 독립적으로 작동할 수 있다. 또한 모바일 네트워크를 통해 데이터를 전송할 수도 있다.

인터넷상의 복제 정보

라슨 교수는 "우리가 작성한 소프트웨어는 오픈 소스이다"며, "따라서 누구나 무료로 사용할 수 있다고" 말했다. 연구원들은 또한 그들의 프로젝트에 대한 모든 정보를 인터넷에서 사용할 수 있도록 했다. 따라서 이해 당사자는 측정 장치를 쉽게 재현할 수 있다.

그러나 이 과정에는 한 가지 단점이 있다. 폭이 40미터 이상인 강에만 적합하다. 카레가르 박사는 "이것은 안테나가 반사된 위성 신호를 수신할 수 있는 가장 작은 반경이다"라며, "만약 수로가 너무 좁으면 반사된 신호의 대부분이 육지에서 온다"고 말했다. 그러나 관련된 사람들은 평가 코드를 더욱 최적화할 계획이다. 그들은 이것이 2021년에 심각한 홍수를 경험한 독일의 아르강(Ahr)과 같은 더 작은 강에 대해 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있기를 희망한다.

[원문보기]

Low-cost sensor records the level of rivers

Measurement method developed at the University of Bonn could be suitable for flood warning systems

 

Researchers at the University of Bonn have developed a method that allows the water level of rivers to be monitored around the clock. The cost-effective sensor is for instance suitable for area-wide flood warning systems. The study has been published in the journal Water Resources Research.

There is a wide range of methods to determine the level of a watercourse - from very simple ones (by yardstick or staff gauge) to advanced radar solutions. But they all have a catch: Most measuring devices can be damaged due to direct exposure to the high water level, many do not allow continuous monitoring, remote reading is difficult or they are simply too expensive.

In Wesel on the Lower Rhine, however, a measuring device that does not have these disadvantages has already been in service for two years: It is cost-effective, reliable and capable of continuously transmitting the water level to an evaluation center via mobile communication. In principle, this means that such a sensor is suitable for providing a densely-distributed network for flood and drought warning systems.

"The core of our device is a low-cost GNSS receiver and antenna," explains Dr. Makan Karegar of the Institute of Geodesy and Geoinformation at the University of Bonn. This is a sensor that can conventionally determine the position of its location with several meter accuracy. It does this using the US GPS satellites and their Russian counterparts, GLONASS. "However, satellite signals can also be used to measure the height of the GNSS antenna above the river surface," Karegar says.

Reflected signals provide information on the water level

This is because the waves transmitted by the satellites are partially picked up directly by the antenna. The rest is reflected from the nearby environment (in this case the water surface) and reaches the receiver via detour. This reflected part therefore travels longer. When superimposed on the directly received signal, it forms certain patterns called interference. These can be used to calculate the distance between the antenna and the water level.

"We can attach the GNSS antenna to any structure, whether it's a bridge, a building, or a tree or fence next to the river," Karegar explains. "From there, it can measure the river level around the clock without contact - to within around 1.5 centimeters on average. And yet it is less likely to be damaged during extreme flooding events." The accuracy of the method does not match that of a radar-based sensor. However, it is completely sufficient for the intended use. At just under 150 euros, the device is also considerably cheaper than its advanced counterpart.

The GNSS antenna is connected to a microcomputer called a Raspberry Pi. "The device is about the size of a small smartphone; yet it has enough power to calculate water levels from raw data," reports Prof. Dr. Kristine Larson of the Institute of Geodesy and Geoinformation. Thanks to its flexibility and low-power consumption, the microcomputer is very popular among hobbyists, who use it to realize a wide variety of projects. It can be powered by solar cells and then works completely stand alone. It can also transmit its data via mobile network.

Reproduction information on the Internet

"The software we wrote is open source," Larson explains. "So it can be used by anyone for free." The researchers also make all the information about their project available on the Internet. Interested parties can therefore easily reproduce the measuring device.

However, the process has one disadvantage: It is only suitable for rivers with width of at least 40 meters. "This is the smallest radius from which the antenna can receive the reflected satellite signal," Karegar says. "If the watercourse is too narrow, most of the reflected signals come from the land." But those involved plan to further optimize their evaluation code. They hope that this will enable them to obtain reliable results for smaller rivers such as the Ahr in Germany, which experienced severe flooding in 2021.

[출처 = University of Bonn(https://www.uni-bonn.de/en/news/272-2022) / 2022년 11월 23일]