Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 정선재 1 임재홍 2* Implementation of USN based Personal Safety Belt Monitoring System Seon-Jae Jeong 1 Jae-Hong Yim 2* 1 Department of Convergence Study on the Ocean Science and Technology, Korea Maritime and Ocean University, Busan 606-791, Korea 2* Department of Electronic and Communications, Korea Maritime and Ocean University, Busan 606-791, Korea 요약 각종산업현장의현장작업자들이안전벨트를제대로착용하지않아서발생하는안전사고는매년꾸준히증가하고있는추세이다. 본논문에서제안하는개인안전벨트모니터링시스템은작업자가안전벨트를착용하지않고작업을진행할경우알림음을울림으로써작업자가안전벨트를제대로착용하도록하였다. 또한그와동시에관리자가실시간으로작업자들의안전벨트착용여부를모니터링함으로써안전장비를제대로착용하지않아서발생하는안전사고를예방할수있도록하였다. ABSTRACT The safety-related accident in which the field operators of all sorts of industrial sites don't fasten the seat belt properly and which it generates is the tendency that it increases constantly every year. By sounding the announcement sound in case the operator did not fasten the seat belt and the person seat belt monitoring system proposed in this paper progressed the work the operator fastened the seat belt properly. In addition, at the same time with that, since the administrator monitored the seat belt wearing or no of the operators on a real time basis the safety-related accident which did not wear the safety equipment properly and which it generates was prevented. 키워드 : 안전벨트모니터링, Zigbee 통신, USN, RFID, Cortex-M3 Key word : Safety belt monitoring, Zigbee telecommunication, USN, RFID, Cortex-M3 접수일자 : 2014. 11. 18 심사완료일자 : 2014. 12. 11 게재확정일자 : 2014. 12. 26 * Corresponding Author Jae-Hong Yim(E-mail:jkyim@kmou.ac.kr, Tel:+82-51-410-4310) Department of Electronic and Communications, Korea Maritime and Ocean University, Busan 606-791, Korea Open Access http://dx.doi.org/10.6109/jkiice.2015.19.3.724 print ISSN: 2234-4772 online ISSN: 2288-4165 This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/li-censes/ by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Copyright C The Korea Institute of Information and Communication Engineering.
Ⅰ. 서론 통계청의자료에의하면조선업현장에서는복잡한작업특성상해마다 2,000여명의재해자가발생하고있으며, 사망자또한해마다 40~50명씩꾸준히발생하고있다. 그림 1은 2001년부터 2011년까지조선업에서의재해자현황을나타낸통계자료로써, 매년꾸준히재해자가발생하고있는것을확인할수있다. 따라서조선산업현장에서의안전사고및재해방지를위한시스템의개발이시급히요구되고있는실정이다 [1]. 안전사고를방지하기위하여산업현장의유해위험요인들을찾아제거및변경하는것도중요하지만, 작업자개인이보호장비를착용하는것이필수적이다. 하지만많은수의작업자들이불편함및번거로움등을이유로안전장비를착용하지않고있으며, 이를관리자가확인 감독하기위해서는육안으로검사하는방법만이존재한다. 하지만조선산업현장은다수의작업자가동시에넓은작업장지역범위내에서작업을진행하게되므로개개인이착용하는안전장비들을관리자에의해육안으로검사하는것은매우어렵고비효율적이며, 작업중간에착용을해제하더라도확인할수가없다. 또한대부분의기업체에서작업자들에게안전교육을실시함으로써이를해결하려는노력을보이고있지만효과는그리크지않은실정이다. 본논문에서는, 조선업현장에서작업자들의안전벨트의착용여부를실시간으로모니터링하고, 미착용시관리자에게알려줌으로써작업자들이의무적으로안전벨트륵착용하도록하는시스템을제안한다. 이시스템을통하여조선업현장에서작업자들이작업시안전벨 그림 2. 시스템구성 Fig. 2 System configuration 트를의무적으로착용함으로써안전사고를미리예방하여재해율을줄이고경제적인손실을방지할수있을것으로예상된다. 본연구를통해만들어지는시스템은크게 3가지부분으로나눌수있으며, 그림 2는이를그림으로써도식화하였다 [2]. 본논문의구성은다음과같다. 먼저 2장에서는본시스템의설계및구현에대해설명하였으며, 2-1절에서안전벨트의착용유무를판독할판독장치부분에대한 그림 1. 조선업의재해자현황 Fig. 1 Statistics of the number of sufferers in the shipbuilding industry 그림 3. 시스템동작순서도 Fig. 3 System flow chart 725
설계및구현에대하여설명하였다. 2-2절에서는송수신모듈의설계및구현에대하여설명하였으며, 2-3절에서는데이터를수집 표시하는 Coordinator에대해설명하였다. 3장에서는본시스템을실제산업현장에서활용하기위한성능테스트및시험인증결과에대해서서술하였으며, 4장은결론으로구성하였다. Ⅱ. 시스템의설계및구현본논문의시스템은크게안전벨트착용여부판독장치, 송수신모듈, Coordinator의세부분으로구성된다. 안전벨트착용여부판독장치는소형으로제작되어안전벨트허리부분에내장되며, 안전벨트각부분의센서와통신하며안전벨트가정상적으로착용되었는지에대한여부를판단하게된다. 송수신모듈은 Zigbee 모듈이내장되어 Coordinator로일정시간마다안전벨트착용상태를알려주게된다. Coordinator는관리자의컴퓨터또는태블릿 PC에 Software의형태로설치되며, USB 형태의 Zigbee 수신모듈을포함하게된다. Zigbee 통신은이론적으로최대 65,536개의노드를수용할수있으므로일반적인산업현장에서는문제없이활용이가능할것으로판단되며, 노드수가많아질경우에는현장중간에라우터를설치하여각라우터에서데이터를중계하는형태로개선할수있다. 2.1. 안전벨트착용여부판독장치설계및구현본논문의장치에서는 3개의센서를이용하여안전벨트착용유무를검사하게된다. 먼저 RFID READER 및 TAG를이용하여안전벨트를착용한작업자의허리부위의벨트착용유무를판단하게되고, 마그네틱센서와압력센서를이용하여안전벨트와연결되는고리의착용여부를확인하게된다. 그림 4에서도식화한것과같이내부로연결되는클립부에는 RFID TAG가삽입되며, 내부고리의연결부에는 RFID READER가삽입된다. 단순히센서로접촉여부를판별하는방식으로도설계할수있지만, 가혹조건에서주로사용되는안전벨트의특성상장기간사용할경우제대로접촉이이루어지지않는등내구성의문제로인해근거리접촉만으로도센서를인식할수있는 RFID를활용하기로하였다. 물론 RFID를활용할경우안전벨트가제대로착용되지않아도인식되는등의문제가발생할여지도있으나, 이는연결부의 RFID READER의인식거리를 2~3cm 이내로제어함으로써해결하도록하였다. 또한최소크기라고할수있는 60mm정도의크기의 RFID READER를사용함으로써작업자의편의를고려하였다 [3]. 안전벨트의착용여부와함께작업자의안전을보장하는데필수적인요소로안전벨트의고리를들수있다. 안전벨트의고리는작업현장의주상안전대에결합되어작업자의추락을직접적으로방지해주는역할을한다. 하지만이또한작업자들이불편함을이유로제대로결합하지않고작업하다가추락으로부상이나사망에이르는경우가빈번한실정이다. 따라서본연구에서는안전벨트의착용여부와함께마그네틱센서및압력센서를이용하여주상안전대에고리가제대로체결되었는지를확인하는알고리즘을추가하였다. 먼저마그네틱센서는그림 5와같이고리결합부에위치한자석과의접촉유무를판단함으로써고리가체결되었는지여부를확인하게된다. 원래안전벨트의고리는사용자가손으로압력을가하지않는이상자동으로고리가체결되는구조이므로불필요한기능이라고도볼수있겠으나, 안전벨트의노후화나주상안전대의굵기등여러가지내 외부적환경으로인해간혹안전고리가제대로체결되지않는경우가발생한다. 그림 4. 안전벨트연결부설계 Fig. 4 Design for safety belt connector 그림 5. 고리부마그네틱센서 Fig. 5 Magnetic sensor of carabiner 726
표 1. Zigbee, Bluetooth, Wi-Fi 비교표 Table. 1 Comparison table for Zigbee, Bluetooth, Wi-Fi Zigbee Bluetooth Wi-Fi 표준화 IEEE802.15.4 IEEE802.15.1 IEEE802.11 주파수대역 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 그림 6. 고리부압력센서 Fig. 6 Pressure sensor of carabiner 이런경우작업자는안전고리가제대로체결되었다고판단하고작업을진행하다가고리가풀려추락하는경우가발생할수있으므로, 센서를통하여확실하게안전고리의착용여부를판단할수있도록하였다. 일반적인안전벨트의경우무게상의이점을위하여스테인리스 (Stainless) 소재로제작되게된다. 따라서자석이별도로포함되지않을경우마그네틱센서가인식을하지못하는문제가발생하므로, 고리부에정밀가공을통하여별도의소형자석을삽입하였다. 하지만마그네틱센서만으로는안전고리의체결여부를정상적으로확인할수없다. 주상안전대에안전고리를체결하지않더라도마그네틱센서만으로는이미고리가체결되었다고판단하기때문이다. 이를보정하기위하여추가적으로압력센서를활용하게된다. 그림 6은압력센서의컨셉디자인이다. 압력센서는그림과같이주상안전대와접촉하여압력을견뎌야하는부분에부착된다. 따라서주상안전대에고리를결합하게되면중력으로인한압력에의해체결여부를판단하게된다. 전력소모량 (Active) 전력소모량 (Sleep) 50~60mW 60~70mW 300mW 2~10pW 20~30μW 1~3mW 전송거리 1~100m 1~10m 1~30m 전송속도 ( 데이터비 ) 20~250Kbps 1Mbps 54Mbps 본연구에서활용한압력센서의경우 10~10,000g의가압에의해저항값이 100~0.1kΩ까지변화하여마이크로프로세서로전달하도록하였다. 그림 7은본논문의시스템에서의인지하는압력에따른저항변화값그래프를나타내고있다. 이러한세가지방식으로써안전벨트의착용여부를판단하게되는데, 센서로부터값을수신하여실제로안전벨트의착용여부를판단하는것은안전벨트에삽입된송수신모듈의역할이다. 송수신모듈의경우 Cortex-M3사양의마이크로프로세서가삽입되며, 모니터링을위한 Coordinator 컴퓨터로데이터를전송하는역할을맡게된다. 이때각센서값의전송을처리할뿐만아니라종합적으로안전벨트가착용되었는지의여부를판단하여만약착용이일정시간이상제대로되지않았을경우내장된버저에서알림음을울림으로써작업자가제대로안전벨트를착용할수있도록하였다. 그림 7. 압력에따른저항값의변화그래프 Fig. 7 Graph of the resistance value corresponding to the pressure 2.2. 송수신모듈의설계및구현본논문에서의 송수신모듈 이란, 작업자의안전벨트에연결되어 Coordinator로센서값과안전벨트착용여부를실시간으로전송하는모듈을의미한다. 송수신모듈은각종센서및 RFID READER에서송수신되는데이터를처리하여서버와의통신을연결하는본기술개발의주요부품으로써, Zigbee 통신방식을사용함으로써주파수대역은 ISM 2.4GHz 대역을사용하게된다. 해당모듈은배터리를포함하는휴대용모듈임을고려하여, 저전력으로통신을하게되며일정 727
시간이상동일한데이터를전송하게되면데이터가변화할때까지전송을지연시킴으로써전력낭비를최소화하였다 [4]. 송수신데이터는 9600Baud로전송하게되며, 데이터가변화할경우최대 3초이내에데이터를전송함으로써실시간으로 Coordinator가안전벨트의착용현황을수집할수있도록하였다. Coordinator와모듈간의데이터통신은앞서언급하였듯이 Zigbee를이용하게된다. 이는 Zigbee 통신이 Wi-Fi나 Bluetooth 통신에비해전력과거리상에서충분한이점을가지고있기때문이다. 표 1에서는 Zigbee 와 Wi-Fi, Bluetooth에대해비교하였다 [5]. Bluetooth의경우전력소모량은우수하나전송거리가최대 10m 이내로써넓은작업공간범위를커버해야만하는본연구에부적합하며, Wi-Fi의경우큰전력소모량으로인해배터리를이용하여야하는본모듈에는적합하지않았기에 Zigbee를활용하도록하였다 [6]. 그림 8은본연구를통해개발된송수신모듈의시제품 PCB 모습이다. ARM사의 Cortex-M3 기반으로보드를설계함으로써각종센서와 RFID READER를동시에실시간으로처리하더라도부하가적게생기도록설계하였다. 송수신모듈은 대기 (Sleep), 전송 (Transmit), 수신 (Receive) 단계를반복하여수행한다. 전력소모량을줄이기위하여센서값들이일정시간동안변화가없을경우에는데이터전송을멈추고대기모드에서전력을소비하지않도록설계하였다. 데이터송신은 MaxStream 社의 XBee-Pro 모듈을활용하여그림 9와같은형태로시제품을제작하였다. 그림 9. 송수신모듈시제품모습 Fig. 9 Prototype for tranceiver module 2.3. Coordinator 설계및구현각작업자들로부터데이터를수신하여종합하는 Coordinator는 C# 으로프로그래밍되었다. Coordinator Software는안전벨트에장착된송수신모듈에서전송하는데이터들을실시간으로수집하여디스플레이하게되며, GUI 방식으로구현함으로써관리자가한눈에여러명의작업자를쉽게모니터링할수있도록구현하였다. 그림 10은관리자용소프트웨어작동모습사진이다. 미착용으로판단될경우, 붉은색의음영처리로써관리자가한눈에파악할수있도록구성하였다. 각작업자들의구분은내부적으로는구분코드를이용하여구분하게되지만, 관리자가임의적으로이름을변경하여표시할수있도록설계함으로써혼란을최소화하였다.[7] 그림 8. 송수신모듈시제품 PCB 모습 Fig. 8 Prototype PCB for tranceiver module 그림 10. Coordinator 동작모습 Fig. 10 Operation screen of the coordinator 728
Ⅲ. 시험및성능평가 성능테스트는시제품의통신거리테스트, 동작시간테스트, 환경시험 ( 고온, 저온 ), 전자파영향시험 4가지로나누어진행하였다. 이중통신거리테스트및동작시간테스트는실제사용환경과유사한환경에서직접테스트를진행하였으며, 환경시험및전자파영향시험의경우한국조선해양기자재연구원에위탁하여성능시험을진행하고성적서를발급받았다. 먼저통신거리테스트의경우약 30~40m 정도의범위에서는데이터손실률이 1% 미만으로나타났으며, 그이상의범위에서는손실이발생하였다. 이후 80m가넘어가기시작하자데이터가 70% 이상손실되는것으로나타났다. 이는 Zigbee 모듈자체에내장되어있는안테나의한계로인한문제로파악되며, 추후안테나를외장형으로교체하거나작업공간에별도의라우터 (Router) 를설치함으로써개선할수있을것으로기대된다. 그림 11은동작시간테스트결과를그래프형태로나타낸것이다. 해당시스템의동작가능전압범위는 6V ~ 24V이지만, 편의상시중에서판매하는 9V 200mA 배터리로써시험을진행하였다. Awake 모드를유지하며테스트를진행한결과, 대략 1시간 10분정도초과하자데이터전송이종료되었다. 하지만대기모드에서는약 5시간정도전력이유지되는것으로나타났으며, 배터리를시중에판매하는전해알카라인배터리가아닌고용량의리튬폴리머배터리로교체함으로써개선할수있을것으로판단된다. 고온 저온환경시험및전자파영향시험의경우공신력확보를위하여한국조선해양기자재연구원에의뢰하여진행하였다. 고온시험의경우그림 12와같이표준대기상태에서 55 가량까지분당 1 정도상승시 그림 12. 고온환경시험 Fig. 12 High temperature testing 켜, 55 가량에서약 16시간동안환경을유지하고동작상태를확인하고, 분당 1 씩하강시킨후다시동작상태를확인하는방식으로진행되었다. 저온시험의경우 20 환경에서동일하게진행되었으며추가적으로고온 저온시험간과전원공급시험도진행되었다. 과전원공급시험의경우약 30% 정도과전원을인가한후테스트를진행하였다. 환경시험결과전체적합판정을받았으며시험인증후에도제품에별다른문제점은발견되지않았다. 전자파시험은외함포트의발산방사시험과정전기방전에대한내성시험두가지로진행하였다. 외함포트의발산방사시험결과는그림 13과같은결과가나왔으며, 이는복사방출한계에적합한것으로인증되었다. 또한정전기방전에대한내성시험은적합성성능기준 A에적합한것으로평가되었다. 그림 13. 외함포트의발산방사시험결과 ( 좌측 : 150kHz~ 300MHz, 우측 : 30MHz~200GHz) Fig. 13 Divergent radiation test results of the enclosure port (Left : 150kHz~300MHz, Right : 300MHz~200GHz) 그림 11. 동작시간테스트 Fig. 11 Operation time testing 729
Ⅳ. 결론 REFERENCES 본논문에서는조선업현장에서의안전벨트착용여부를모니터링할수있는시스템을제안함으로써작업자의추락사고및안전사고를예방할수있도록하였다. 본연구를통해개발된시제품은기존고소작업용안전벨트와동일형태로제작함으로써작업자가전혀불편을느끼지않는범위에서착용할수있게개발하였으며, 산업현장에서작업자들이안전용구를착용하지않음으로인해발생하는안전사고를획기적으로줄일수있을것이라기대된다. 또한관리자는일일이육안으로일일이작업자들의개인안전장비를착용여부를관리 감독해야하는번거로움을줄일수있을것이다. 또한산업용안전장비와 IT기술이융합한기술개발은활발히이루어지고있으나, 상용제품이거의없는실정에서본기술개발을통해유사분야에서의다양한기술개발이이루어질것으로기대된다고할수있겠다. [1] Ministry of Employment and Labor, Current Status of Occupational Accidents, 2013. [2] Y. Choi, The Study of the characteristics of the Workers Related to Fall Accidents in the Shipping Industry, M.S. Theses, Hansung Univ., Seoul, Korea, 2011. [3] Y. S. Jeong, Near-Field RFID Reader Antenna Based on a Loop, Journal of Korean Institute of Information Technology, vol. 12, no. 8, pp. 25-32, Aug. 2014. [4] S. K. Yoon, The Low Power Algorithm of ZigBee Router for Non Beacon Enabled PAN, Proceedings of HCI Korea 2008, pp. 280-285, Feb. 2008. [5] B. I. Choi, A study on U-City Component Technology, M.S. Theses, Joongang Univ., Seoul, Korea, 2011. [6] IEEE Std. 802.15.4, IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, IEEE, New York, NY., 2011. [7] E. Y. Ha, Classroom Power Management System using USN technology, Proceedings of the 30 th KISS Fall Conference, vol 34, No. 2(D), pp. 500-504, Oct. 2007. 정선재 (Seon-Jae Jeong) 2013 년한국해양대학교공과대학전자통신공학과공학사 2013 년 ~ 현재한국해양대학교해양과학기술전문대학원해양안전 재해그룹석사과정 관심분야 : 모바일컴퓨팅, 유비쿼터스센서네트워크 임재홍 (Jae-Hong Yim) 1997 년 ~2000 년부산울산지방중소기업청기술자문위원 1997 년 ~2000 년부산광역시사이버해양박물관구축자문위원 2005 년 ~2007 년한국해양대학교정보전산원원장 2007 년 ~ 현재캐나다 Simon Fraser University 방문교수 1995 년 ~ 현재한국해양대학교공과대학전자통신공학과교수 관심분야 : 컴퓨터네트워크, 모바일컴퓨팅, 유비쿼터스센서네트워크 730