스마트 쉬트를 측정하는 시스템은 크게 스마트 쉬트와 ADC(Analog to Digital Converter), 그리고 임베디드 보드로 구성된다.

스마트 쉬트는 일정 두께의 강력한 접착력을 갖는 쉬트 사이에 물결 모양으로 두 가닥의 도선을 삽입하여 통신선과 감지 테이프가 결합된 형태로 제작한다. 스마트 쉬트는 시설물의 파손과 동시에 감지 도선이 파손되도록 하여 파손감지, 누수 감지 등의 목적으로 사용된다[6-8]. 스마트 쉬트는 측정 범위가 광범위 적이며 빠르게 탐지 할 수 있다는 장점이 있다.

임베디드 보드는 특정 기능만 수행하도록 제작된 보드이다. 필요한 기능만을 제공하여 비교적 적은 비용으로 운용이 가능하다. 본 논문에서는 저가형 임베디드 보드를 활용한 시스템 개발을 주안점으로 두어 범용 임베디드 보드 중 아두이노 계열보드[9,10]를 이용하였다. 해당 임베디드 보드들을 이용하여 레지스터 단계에서 시스템을 개발하여 데이터 처리의 최소화와 시스템의 실행 속도를 ㎲ 단위에서 조절이 가능하였다[11].

ADC는 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환한다. 아두이노 우노의 내부 ADC의 경우 10Bit의 분해능을 지녔으나 외장형 ADC인 LTC2400은 24Bit의 분해능을 지녔다. 또한, 외부 ADC를 사용함으로써 일정 수치의 전압이 일정하게 공급되어 더 안정적인 전압 데이터를 얻을 수 있다[12]. 이처럼 외장형 ADC를 추가적으로 결합하여 사용 시 약간의 비용은 상승하나 효율성과 정확도 측면에서 신뢰할만한 모니터링이 가능하다는 장점이 있다.

시간이 지날수록 건물 내벽의 크랙은 지속적인 외부 힘에 의하여 발생한다. 특히 건물을 지탱하는 부위의 크랙은 치명적이나 육안으로 발견할 수 없는 위치에 발생하는 경우가 빈번하다.

크랙 감지를 통한 건물의 파손 수리 기법은 건축구조물 외벽체의 크랙 감시 시스템 [특허 10-1680615]을 통해 확인할 수 있다. 기존의 건물크랙 감지 시스템의 경우, 크랙 감지를 위해 적외선 카메라, 레이저 카메라 등 특정 장비들을 사용하며 내외부의 크랙을 감지하기 위해 필요한 각 장소마다 설치가 강제된다. 하지만 해당 장비들의 설치 비용이 많이 들고, 사각지대와 벽 내부에 대한 크랙의 감지는 불가능할 수도 있다는 문제가 있다.

건물 벽면에서 발생하는 크랙을 감지하기 위해서는 건물 내부에 구리 박막 필름으로 제작된 크랙 감지 테이프를 부착하여 크랙과 동시에 구리 박막이 파손되도록 설계하여야 한다. 그리고 데이터의 장거리 통신을 위해서 순도가 높은 구리 박막을 활용하였다.

크랙 감지 테이프 제작 시 구리 박막을 1cm 간격으로 제작하여 길이에 따른 충전 특성을 갖게 하고 충전된 전압값을 이용하여 방전 속도에 대한 데이터를 수집한다. 건물 내부에 크랙이 발생하였을 경우에는 크랙과 함께 구리 박막이 같이 파손되며, 동시에 충전 용량이 감소하게 되므로 크랙이 발생한 지점을 발견 할 수 있다. <그림 2>는 실험에 사용된 크랙 감지 테이프의 구조를 보여주고 있다. 크랙 감지 테이프는 <그림 2>와 같은 단면도로 두께 0.1mm, 너비 10mm의 구리 박막 두 라인을 10mm 간격을 두어 충전 특성이 나타나도록 설계하여 실제 벽면에 부착 후 테스트를 4장에서 진행한다.

크랙 감지 시스템은 임베디드 보드와 새로 설계한 크랙 감지 테이프로 구성된다. 임피던스 특성을 활용한 기존의 파손감지 시스템은 아두이노 우노 내부의 ADC를 이용하여 피복이 있는 구리 전선이 내장된 스마트 쉬트를 제작하여 측정하였다. 그러나 아두이노 우노는 싱글 코어 프로세서를 사용하기 때문에 임베디드 보드의 일반 프로시저와 ADC 모드 전환 시 지연시간이 존재하게 되는데 싱글 코어 프로세스에서는 피할 수 없이 발생하는 문제이다. 해당 문제는 저가형 임베디드 보드의 한계로 충전 후 지연시간 없이 방전 상태를 모니터링 하는 것은 불가능하다. 또한, 피복이 있는 두꺼운 구리 전선을 사용하다 보니 건물 내벽에 넣어서 사용 시 건물의 크랙과 함께 전선이 파손되지 않아 내부 크랙을 감지하지 못하는 단점이 있다.

아두이노 내부 전압을 사용한 펄스로 스마트 쉬트를 충전하기 때문에 측정된 전압값은 아두이노의 전원 전압값에 따른 충전량의 변화가 존재할 수 있다. 아두이노 자체에 내장된 ADC의 레퍼런스 전압이 아두이노의 전원 전압값에 따라 오차가 발생하기 때문에 주변 환경에 따라 오차 범위가 증가하는 경우가 발생하기도 한다. <그림 3>의 (a)는 기존의 파손감지 시스템을 보여준다.

<그림 3>의 (b)는 기존 시스템의 이러한 단점들을 해결하기 위해 외부 정밀 전압을 사용하여 크랙 감지 테이프를 충전하고 외부 ADC를 사용한 시스템을 보여주고 있다. 외부 ADC로는 ADS1015를 사용하기로 했다[14,15]. ADS1015의 스펙은 <표 1>과 같다.

기존의 임피던스 특성을 이용한 파손감지 시스템의 알고리즘은 아두이노 내부 ADC를 이용하여 전압을 측정한다. <그림 4>의 (a)는 기존의 측정 방식 플로우를 보여준다. 내부 ADC 사용 시 첫 동작까지의 특정 딜레이가 존재하기 때문에 기계식 릴레이를 통해 임베디드 보드가 발생하는 충방전 시그널과 실제 충방전 시간과의 차이를 유도하였다. 그러나 기계식 릴레이는 환경 변화에 따라 변화하는 물리적 딜레이를 지닌다. 따라서 측정마다 블라인드 스팟의 위치가 변화하여 오차가 발생하게 된다. 게다가 아두이노로 측정한 특정 시간 데이터가 언제나 일정하다는 보장이 없으므로 블라인드 스팟이 측정값에 끼치는 영향을 줄이기 위해 방전속도를 느리게 조정하였기 때문에 결과값의 산출까지 걸리는 시간도 오래 걸리게 된다.

<그림 4>의 (b)는 기존 측정 방식에서 개선하여 새로 제안한 측정 방식 플로우를 보여준다. 외부ADC 사용을 통해 릴레이의 물리적 딜레이 사이에 측정을 시작하여 방전 시작 시점을 특정하는 것이 가능하다. 이를 통해 특정한 방전 시작 시점부터 일정한 시점마다 방전 전압량을 측정한다.

제안한 크랙 감지 시스템과 측정 알고리즘을 적용하기 위해서는 전용 임베디드 보드의 설계가 필요하다. 그러나 설계 비용과 시간이 많이 필요한 단점이 있으므로 범용 임베디드 보드인 아두이노 우노 보드를 사용하였다.

<그림 5>는 본 논문에서 제안한 시스템에 사용된 외부 ADC 모듈인 ADS1015와 아두이노 우노 보드가 결합된 임베디드 보드의 사진과 회로도를 보여준다.

제안하는 시설물 내부 크랙 감지 시스템의 측정 순서는 다음과 같다.

① 측정 전 크랙 감지 테이프를 강제방전시킨다.

② 임베디드 보드를 통해 시그널을 발생시킨다.

③ 시그널을 통해 릴레이가 동작한다.

④ 릴레이 동작 직후 ADS1015로 측정한다

⑤ 방전 시점을 특정한다.

⑥ 방전 특성을 확인한다.

⑦ 정해진 시간마다 ① ~ ⑥을 반복 수행한다.

크랙 감지 시스템은 건물의 시공 시 함께 설치함으로써 카메라를 사용한 시스템의 단점인 사각지대에 대한 모니터링도 가능하게 한다. 또한, 적은 비용으로 건물의 외벽뿐만 아니라 내벽까지 크랙의 감지가 가능하다.

기존 측정 방법에서 발생하였던 오차범위 문제를 해결하기 위하여 크랙 감지 테이프의 충전시 외부 정밀 전원을 사용하였다. 외부 전원을 사용하지 않고 아두이노의 전압만을 사용하였을 경우에는 환경 변화에 따라 아두이노의 포트에서 출력되는 전압이 일정하지 않아 오차율이 증가할 수 있는 문제가 발생하기 때문이다. 그래서 크랙 감지 테이프를 외부 정밀 전원으로 충전함으로써 환경 변화에 따른 오차율을 줄일 수 있다.

측정은 기계식 릴레이의 딜레이로 인한 오차를 줄이기 위해 특정 방전 전압까지 도달하는데 걸리는 측정횟수를 이용한 위치 환산 알고리즘을 적용하였다. 또한, 충전은 외부 전원을 이용하고, 방전의 측정은 독립적인 ADS1015로 수행하여 전원 종속적인 오차율을 제거하였다.

<그림 6>은 위와 같은 측정 방식을 토대로 크랙 감지 테이프를 측정한 데이터를 보여준다. 측정된 데이터를 ‘Processing’이라는 프로그램을 이용하여 시각화한 방전 특성 그래프를 보여준다[16].

크랙 감지 테이프의 길이 측정에는 크랙 감지 테이프의 충전 특성이 갖는 시상수를 이용한다. 시상수는 크랙 감지 테이프의 충전 특성에 의해 길이마다 다른 값을 갖기 때문에 시상수를 이용하여 크랙 감지 테이프의 길이를 측정할 수 있다[17,18].

ADS1015를 통해 본 논문에서 제안한 형태와 구조를 지닌 크랙 감지 테이프의 방전 특성을 측정하여 측정 스텝 수에 대한 샘플 데이터를 추출하였다. 샘플데이터를 이용하여 크랙 감지 테이프의 파손 위치를 특정하는 데 사용한다.