모바일 기기 및 휴대용 환경 측정기를 이용한 데이터 수집 및 관리용 모바일 앱 및 서버 시스템 구현

Ⅰ. 서 론

물은 중요한 천연자원 중 하나이고 오염된 물은 인간에게 해로울 뿐만 아니라 자연환경에도 악영향을 미친다. 지표수는 농업, 에너지 생산의 중요한 자원이며 우리의 건강에도 중요한 기여를 한다. 수질을 평가하는 가장 대표적인 항목으로 산도, 염도 그리고 탁도 등을 들 수 있다. 이 중에서 특히 탁도는 물의 혼탁을 정량적으로 나타내는 것으로 국제적으로 인정받는 수질 평가 기준이다. 또한 탁도는 홍수나 가뭄과 같은 기상 조건을 보여주는 척도이다. 탁한 물의 원인으로 토양의 입자, 입자의 유기물질, 미생물, 하수 및 폐수의 부유물질 등이 있다.

일반인이 탁도와 같은 수질을 쉽게 측정하기 위해서는 저렴하고 신뢰할 수 있는 수질 평가도구가 필요하나 시중에 나와 있는 상용 제품 중에는 찾아보기 힘들다. 따라서 10만원대 미만의 저렴한 비용으로 수질을 측정할 수 있는 제품의 개발이 요구되고 있다.

최근 몇 년 동안 저비용의 광전자 부품을 이용하여 광학식 탁도 측정 도구가 개발되었다. 산란된 빛의 가시 스펙트럼을 감지하여 탁도를 결정하는 스마트폰 기반의 탁도계가 제안되었으며[1], 포토다이오드 및 광원을 이용하여 탁도를 측정하고 초음파 센서를 이용하여 수위를 측정하는 시제품도 제안되었다[2]. 또한 상용 탁도계를 아두이노 보드와 결합하여 시각적인 도구와 통합된 제품도 제안되었다[3]. 또한 광통신에 사용되는 GRIN렌즈를 이용하여 성능을 높이려는 연구도 진행되었으며[4], 특히 Kelly 등은 혼탁한 입자들에 의한 산란정도를 측정하는 네펠로법(Nephelometry)을 이용하여 최초의 오픈 소스 기반의 탁도계를 제안하였으며, 상대적으로 저렴한 가격에 높은 정확도를 보였다[5]. 국내에서도 최근 포토 다이오드 등을 이용한 탁도 감지 시스템이 연구되었으며[6][7] 적외선 광원의 파장에 따른 분석도 이루어졌다[8].

본 연구진은 Kelly 등의 연구를 바탕으로 통신 기능이 개선된 탁도계를 제작하였다. 제작된 탁도계는 블루투스 통신을 사용하여 주위의 스마트 기기에 전송할 수 있도록 하였으며, 모바일 앱을 통해서 서버나 클라우드 플랫폼으로 수집되어 수질 감시, 지역별 수질 정보 공유 및 수집된 빅 데이터를 분석하여 수질 개선 정책에 사용할 수 있다.

본 논문에서는 탁도계를 사용하여 측정된 결과를 수집하고 서버로 전송할 뿐만 아니라 위치 정보를 이용하여 수집된 정보들을 시각적으로 표현 할 수 있는 모바일 앱을 개발하였으며, 수집된 정보들을 관리하는 데이터베이스 및 웹서버의 구현방법을 제시하였다. 2장에서는 탁도계의 원리 및 제시된 탁도계에 대해서 기술한다. 3장에서는 제안한 크로스 플랫폼용 모바일 앱 및 모바일 앱과 연동하여 데이터를 수집하고 관리하는 서버 구현에 대해서는 다루고 실험을 통해서 기능을 확인하였다. 마지막으로 4장에서 결론을 맺으며 앞으로의 개선 방법 등에 대해서 다룬다.

Ⅱ. 수질 측정 장치

2.1 네펠로 탁도계의 원리

수질 측정으로 많이 사용되는 네펠로 탁도계의 원리는 그림 1과 같이 광원과 광 검출기가 서로 90도에 위치하도록 한 후, 광 검출기가 샘플을 통해 산란된 빛의 세기를 측정함으로써 탁도를 계산하는 것이다[5]. 1μm~100μm의 크기를 가지는 혼합물인 콜로이드 입자의 분포에 따라 빛을 산란하게 되는데 이는 NTU라는 표준 탁도의 단위로 해석할 수 있다. 탁도는 계절이나 기상에 따라 달리 나타나며, 지표수가 맑은 경우에는 10NTU전후이며 우기 또는 호우가 발생하는 경우 수백NTU까지 증가한다.

Fig. 1.

Nephelometric principle with a photodetector and an LED

먹을 수 있는 물의 경우에는 1NTU 미만이며 육안으로 불투명해 보이는 경우에는 1000NTU까지 증가한다.

Ⅲ. 개발된 탁도 관리 시스템

II장에서 언급한 바와 기존 연구에서 제안된 탁도계는 휴대용으로 누구나 쉽게 제작하여 사용할 수 있게 개발되었으나, 독립적으로만 사용이 가능하므로 체계적인 수질 관리를 위한 체계적인 수질 정보의 수집 및 관리 기능은 미약하다.

본 논문에서는 많은 사람들이 사용함으로써 많은 수의 탁도계에서 수집한 수질에 관련된 빅 데이터를 수집하고 분석할 수 있으며, 이 결과를 이용하여 시간 및 지역적인 수질분석이 가능해지며 장기적으로 수질과 관련된 정책 결정에도 사용할 수 있는 수질 관리시스템을 제안하였다.

제안한 시스템의 구성도는 그림 2와 같다. Kelly등이 제안한 기본적인 탁도계에 블루투스 모듈을 추가하여 스마트폰과 같은 모바일 기기에 데이터를 전송할 수 있도록 하였고, 데이터의 수집 및 관리를 위하여 구축된 데이터베이스 서버에 데이터를 전송할 수 있는 모바일 앱을 개발하였다.

Fig. 2.

Modular structure of the proposed water quality collection and management system

수질 정보는 측정하는 여러 장소에서 측정한 값들을 전송하고 관리하여야 하므로 모바일 앱 및 서버는 다음의 항목들을 기준으로 구현하였다.

• • 신규 사용자의 가입, 로그인, 로그아웃 등의 사용자 관리 기능
• • 하나의 사용자가 사용하고 측정하는 수원이 여러 장소가 있을 수 있으므로, 각 사용자별로 여러 장소를 관리할 수 있는 기능
• • 시간에 따른 수질의 변화를 관찰하기 위하여 각 장소의 측정치들을 시각 정보를 포함하여 관리하는 기능
• • 각 측정 데이터들은 서버에 저장 및 관리되며 웹서비스를 통하여 위치 및 시간에 따른 기록을 지도를 이용하여 표현하는 기능

위의 기능들을 구현하기 위하여 사용자, 장소, 측정치 정보들을 저장하는 데이터베이스를 구성하고 모바일 앱과 정보 교환 및 탁도 정보를 웹 브라우저에서 전시할 수 있는 웹 서버를 구성하였다. 최근 소셜 네트워크 서비스의 성장으로 모바일 앱 및 백엔드를 구성하는 플랫폼의 발전이 급격하게 증가하였으며, 특히 신규 서비스들의 경우 물리적인 서버를 따로 구축하지 않고 클라우드 서비스를 이용하고 도커(Docker) 등의 가상 서버를 이용하는 경우가 많다. 그러나 본 논문에서는 개발된 탁도계와 모바일 앱의 시험 및 기초 데이터 구축 및 분석을 하기 위하여 기 구축된 서버를 활용하였으며, 리눅스 환경에서 기본적으로 설치되는 MySQL 및 PHP 언어를 사용하여 서버를 구현하였다. 다만 본격적인 서비스를 구축하는 경우를 대비하여 데이터베이스는 NoSQL로의 이전이 용이하도록 하였으며, 모바일 앱과의 인터페이스를 하기 위한 웹서버는 RESTful 기반[10]과 유사한 방식으로 접근하도록 구현하였다.

3.1 데이터베이스 구성

앞에서 설명한 정보들을 구성하기 위하여 데이터베이스를 그림 3과 같이 구성하였으며, 관계형 데이터베이스인 MySQL을 사용하였다. 추후 대량의 데이터가 축적된 후에 최근 사용이 증가되고 있는 NoSQL방식의 데이터베이스로의 이전을 고려하여 간단하고 직관적인 구조로 테이블을 구성하였다.

Fig. 3.

Database stucture for management of turbidity information

사용자 정보를 나타내는 user 테이블에서는 사용자의 이메일, 이름, 등록일시, 암호를 저장하였으며 스마트폰과 통신을 하는 경우 로그인 이후에 사용자의 인증정보로서 활용하는 API Key를 저장하는 필드로 구성하였다. 측정장소를 저장하는 location테이블에서는 주인이 되는 사용자 정보와 위도/경도 및 주소를 지정할 수 있는 addr 필드로 구성되어 있다. 개발된 스마트폰 앱에서 GPS 정보를 사용하여 구글의 Geocoding API[11]를 이용하여 주소를 저장한다. 마지막으로 탁도 정보를 저장하는 meas테이블은 사용자정보 및 위치 정보 외에 측정시각 및 탁도값을 저장할 수 있도록 하였다. 수질 정보는 탁도 외에도 질산염 등의 화학 물질 및 산성도 같은 다양한 형태로 표현이 될 수 있기 때문에 이를 위하여 type 필드를 이용하여 측정치의 종류를 저장하도록 하였다.

3.2 모바일 앱

탁도계에서 측정된 값은 블루투스 통신을 통하여 스마트폰에 전송하고, 전송된 값은 스마트폰에서 취합한 지리 정보를 포함하여 전체 데이터를 관리하는 서버로 전송하도록 개발하였으며 그 구성은 그림 4와 같다.

Fig. 4.

Modular structure of mobile app

모바일 앱을 사용하는 대표적인 기기인 스마트폰은 최근 십 수년 사이에 전 세계에 걸쳐 널리 퍼졌으며, 여기에서 사용되는 모바일 앱의 시장 또한 폭발적으로 증가하였다. 이에 따라 모바일 앱을 개발하는 개발 프레임워크도 다양하게 발전하고 있다. 모바일 앱을 개발하는 방법은 크게 네이티브 앱(Native App) 개발 방법과 하이브리드 앱(Hybrid App) 개발 방법으로 나누어진다. 네이티브 앱 개발 방법은 앱이 구동되는 플랫폼에 종속되는 방법으로 앱이 운용되는 플랫폼에 따라 개발 환경 및 개발 언어가 달라진다. 이런 단점을 극복하고자 서로 다른 플랫폼에서 동일한 소스코드를 사용하여 앱을 개발하는 방식이 개발되었으며 이것이 하이브리드 앱 개발 방법이다[12].

하이브리드 앱 개발 환경에는 앱이 구동되는 플랫폼에 상관없이 공통된 소스를 사용하나, 장치에 접근해서 제어하는 기능은 플랫폼 별로 별도로 제공되는 모듈을 사용하여야 하므로 개발 환경에 따라 지원되지 않는 경우도 존재한다. 본 논문에서는 GPS 및 블루투스 등과 같이 필요한 장치에 대한 안정적인 지원이 가능하고 상대적으로 학습 곡선(Learning curve)이 짧은 Ionic Framework를 개발 환경으로 선택하였다[13].

개발된 앱은 초기 화면, 사용자 관리 화면, 장치 화면, 지도 화면으로 크게 구성하였으며 전체 앱의 상태 다이어그램은 그림 5와 같다. 초기 화면에서는 현재 사용자의 간단한 정보 및 탁도계의 상태와 현재 위치를 표시하는 창으로 구성하였다. 사용자 관리 화면은 일반적인 앱에서 사용되는 기능으로서 새로운 사용자의 추가 및 로그인 화면으로 구성하였으며 그림 6과 같이 구현하였다.

Fig. 5.

State diagram of the mobile application

Fig. 6.

User management screen of the App

장치 화면에서는 그림 7(a)와 같이 주위의 블루투스 장치들을 검색하여 리스트를 보여주며, 검색된 탁도계에 접속한다.

Fig. 7.

Device and map screens of the app, (a) Device identification, (b) Measurement, (c) Map, (d) Location management

접속한 후에는 그림 7(b)와 같이 현재 블루투스 통신을 통해서 연결된 탁도계로부터 현재 탁도를 읽어오는 [MEASURE] 버튼 및 [SEND] 버튼을 통해서 측정된 정보를 서버로 전송하도록 하였다. 그 아래쪽에는 사용자의 편의를 위하여 GPS를 통해서 얻은 위도 및 경도를 이용하여 관리하고 있는 장소 중에서 현재 위치를 자동으로 탐지하여 보여준다. 아래쪽에는 사용자가 서버에 접속하는 경우 서버에서 과거에 측정한 탁도 측정치를 표시하여 수질의 변화를 한눈에 알아볼 수 있도록 하였다.

지도 화면은 그림 7(c)와 같이 구글의 MAP 서비스[14]를 통해서 현재 위치 주변의 지도를 보여주며, GPS를 통해서 읽은 현재 위치 및 사용자가 관리하는 장소들을 나타내도록 하였다. 지도상에서 터치 UI를 통해서 새로운 장소를 추가하는 기능을 구현하였으며 이때 구글의 Geocoding 서비스를 이용하여 우리가 사용하는 주소를 손쉽게 가지고 올 수 있도록 하였다. 그림 7(d)와 같이 각 장소의 정보는 쉽게 편집이 가능하도록 UI를 구성하였으며, 각 장소에서의 측정치의 이력을 쉽게 확인하도록 하였다.

3.3 웹 서버

각 탁도계들에서 측정된 탁도 데이터들은 연결된 스마트폰의 앱을 통하여 서버로 전송된다. 서버에서는 탁도 데이터들을 수집하여 관리하며, 측정된 탁도 데이터들을 사용자들에게 전송하여 사용자들이 자신이 위치한 곳의 주위의 수질 정보를 알 수 있다. 또한 저렴한 탁도계의 사용자가 늘어날수록 지역별 수질 정보 공유 및 수집된 빅 데이터의 분석을 통하여 수질 개선 정책에 사용할 수 있다. 이를 위하여 데이터의 수집 및 수집된 데이터를 전시할 수 있는 간단한 서버를 구현하였으며 그 구성은 그림 8과 같다.

Fig. 8.

Modular structure of data management server

서버는 3.1절에서 언급한 데이터베이스 부분과 웹서버로 구성되며, 웹서버는 모바일 앱과 연동하기 위한 웹서비스를 담당하는 부분, 그리고 데이터베이스의 정보들을 지도와 함께 일반 사용자들에게 알려주는 웹페이지를 제공하는 부분으로 크게 나누어진다.

웹서비스는 기 구축된 서버의 기능을 활용하고자 PHP를 이용하여 통신용 웹서비스와 웹페이지를 구현하였다. 사용자 정보로서 이메일 주소 및 이용하였으며, 앱에서 로그인 하는 시점에서 서버로부터 접근 키(Key)를 받아와서 모바일 앱에서 통신에 사용하도록 하였다. 웹페이지는 현재 관리하고 있는 탁도 정보들을 지도에 표시하도록 간단하게 구현하였으며 지도는 오픈소스 자바스크립트 라이브러이인 leftlet를 사용하였다[15].

3.4 실험

개발된 탁도계, 모바일 앱 및 서버의 동작을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 실시하였다. 미국 미주리주 Rolla시에서 실험이 이루어졌으며, 탁도계의 측정치에 대한 확인이 먼저 이루어졌으며, 블루투스를 통한 탁도계와 스마트폰과의 연결 및 계측 결과가 서버로 올바로 전송되는지 확인하였다. 그림 6, 7과 같이 개발된 모바일 앱에서 사용자 추가, 장치 연결 및 지역 관리가 정상적으로 이루어지는 것을 확인하였으며 그림 9와 같이 원격에서 데스크탑 등의 브라우저를 이용하여 접속한 서버의 웹페이지에서 측정값이 측정한 위치 정보가 지도와 더불어 나타나는 것을 확인하였다. 그림 9(a)에서와 같이 지도상에 사용자들이 추가한 위치 정보가 나타나고 있으며 최근 측정한 측정값이 측정 일시 및 장소 정보와 같이 나타남을 확인할 수 있었으며 그림 9(b)와 같이 하나의 장소를 선택하는 경우 시간에 따른 탁도 정보를 표현하여 해당 장소의 수질에 대한 이력을 쉽게 확인할 수 있었다.

Fig. 9.

Webpage screen, (a) Main homepage, (b) Measurement history of the selected location

Ⅳ. 결론 및 향후 과제

본 연구에서는 수질의 척도로 많이 사용되는 탁도를 측정할 수 있는 탁도계의 효과적인 활용을 위하여 탁도계와 연동하여 사용할 수 있는 스마트폰용 모바일 앱을 개발하였으며, 다양한 장소에서의 수질 정보를 저장하고, 관리할 수 있는 서버를 설계하고 실험을 통하여 그 기능들을 확인하였다. 개발된 시스템을 이용하여 장시간 수질 정보들을 수집하는 경우 수질 감시, 지역별 수질 정보의 공유 및 빅데이터 분석을 통하여 수질 개선 정책에 사용할 수 있을 것이다.

제안된 시스템을 사용이 확대되는 경우 많은 사람들에 의해서 수집되어진 데이터의 양이 증가할 것이다. 대량의 데이터를 처리하기에 적당한 데이터베이스의 구조에 대한 분석도 필요할 것이며, 개발된 모바일 앱의 기능도 단순한 탁도 정보의 전송뿐만 아니라 주위의 수질 정보를 이용한 자동 경보 기능 및 빅 데이터를 활용하는 다양한 요구가 발생할 수 있으므로, 이를 추후 과제로 남겨둔다.

Acknowledgments

이 논문은 2017학년도 위덕대학교 교원연구년 지원에 의한 논문임

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