서 론
우리나라 연안 바다는 수산자원의 남획 심화로 자원 의 지속적인 유지가 곤란한 상태이며, 배타적 경제 수역 (EEZ) 설정 및 연안국 간 어업협정 등에 따라 수산업 위축이 이루어지고 있다(Kim et al., 2019). 이로 인해 수산물 공급이 저하되어 국민의 수산물 수요를 충족하 지 못해 수입 의존도가 심화되고 있다. 이와 같은 문제를 극복하려는 방안으로 연근해 자원을 효율적으로 관리하 며, 생산력 증대를 위해 정부에서는 1970년대부터 수산 자원조성사업을 시행하고 있다. 국내 수산자원조성사업 으로는 인공 어초, 수산 종자 방류, 바다목장, 바다숲 및 산란·서식장등을 시행하였다(Kang et al., 2021).
현재 국·내외적으로 공공사업에 대한 평가가 중요시 되고 강화되는 시점에서 수산자원조성사업에 대해서도 효율적인 사업추진과 사후관리를 위한 사업평가의 필요 성이 높아지고 있다. 그런데 아직 우리나라에서는 수산 자원조성사업에 대한 객관적이고 과학적이며 종합적인 평가시스템이 확립되어 있지 않다(Kim et al., 2010). 특 히 수산자원조성사업 중에서도 바다목장 사업은 연안 어장에 대한 어업 생물 자원을 효과적으로 보호, 관리할 목적으로, 또한, 어업 생산성을 지속해서 유지하려는 방 안으로 추진하고 있다(Lee, 2013).
그러나 이러한 노력에도 불구하고 인공 어초 해역의 자원조성 효과에 대한 정량적인 조사가 이루어지지 않 고 있어 실효성에 대한 의문이 제기되고 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 인공 어초 주변의 자원조성 연구 는 현재까지도 진행되고 있으며 그중에서도 잠수관찰을 통한 통영 영운리 연안의 어류 종조성 및 계절변동(Lee et al., 2018), 수중촬영조사법과 음향자원조사법을 활용 한 울주군 연안 소규모 바다목장 해역의 어류 군집 조사 (Hwang et al., 2015), 수중 음향 기법을 이용한 인공어초 에 서식하는 어류의 행동 특성(Yoon et al., 2014) 등에 대한 연구가 진행되었다. 수산 자원 조사를 위한 방법에 는 잠수관찰, 원격 무인잠수정(ROV), 과학 어탐조사, 고 정 수중 카메라 등의 방법과 어구를 이용한 방법이 있다. 그러나 이러한 조사방법에는 문제점을 가지고 있는데 잠수관찰조사방법의 경우 조사해역에 따라 수심의 제약 이 있다는 점을 들 수 있으며 어구를 이용한 조사방법으 로는 많은 인력과 시간이 필요하다. 이외에 과학어군탐 지기 조사방법의 경우 과학어군탐지기 자체가 고가의 장비이며 조사 선박을 이용하여 정선에 따라 항주해야 함으로써 많은 인력과 경제적 비용이 소요된다. 수중카 메라 조사방법의 경우는 수심의 제약 및 해수의 탁도 등 외적인 영향이 발생하는데 이러한 문제점들을 해결 하기 위해서 부이형 어군탐지 시스템을 적극적으로 활 용해야 하는 이유이기도 하다(Hwang et al., 2004).
해상 부이는 과거로부터 항해 안전을 위한 항로표지, 기상관측, 해양환경 모니터링, 국방 감시 등 다양한 목적 으로 운영되고 있으나(Hwang et., 2018), 해상 부이를 이용한 어류의 생태 습성 및 분포에 대한 모니터링 시스 템에 관한 연구 사례는 현저히 부족하다. 특히 해상 부이 형 어군탐지기의 경우 상대적으로 다른 조사방법보다 저가이며 설치 후에 유지보수가 간단하고 원하고자 하 는 해역에 정보를 지속적으로 수집할 수 있으며 조사해 역 이동이 편리하다.
따라서, 본 연구에서는 LTE 통신을 이용한 부표형 어군탐지기를 이용한 수산자원 모니터링 기술을 개발하 여 인공 어초 주변의 어군분포를 추정하고 해상에서 무 선 통신을 이용하여 육상으로 어군탐지기 데이터를 보 내 사용자가 직접 감시할 수 있는 시스템을 개발하고자 한다. 또한, 본 연구를 통하여 부표형 어군탐지기의 효율 성과 활용성을 입증하고 인적·경제적 손실을 최소화할 수 있는 기반을 마련하고자 한다.
재료 및 방법
본 연구에서 인공 어초 주변의 어류의 생태 특성 및 분포에 대해 모니터링을 하기 위해 LTE 통신을 이용한 부이형 어군탐지기와 데이터 로그식 어군탐지기를 이용 하였다. 이는 LTE 어군탐지기의 신뢰성과 정확성을 파 악하기 위하여 대조구역할인 데이터 로그식 어군탐지기 를 이용하여 비교 분석하기 위해 진행되었다(Fig. 1).
부이형 어군탐지기 시스템 구조는 해상부와 육상부로 나뉘며 LTE 통신을 이용하여 어군탐지기의 데이터를 전송받는 방식은 해상 부이에 장착되어있는 LTE 모듈 을 통해 육상의 KT 기지국을 거쳐 데이터 서버로 전송 되며 전체적인 개념도는 Fig. 2에 나타내었다.
해상부의 구성은 크게 3가지로 해상 부이에 탑재할 수 있는 시스템인 어군탐지기, 데이터 전송 시스템, 전원 부로 이루어졌으며 동작 프로세스는 Fig. 3에 나타냈다. 해양 라우터의 경우 LTE 라우터(Sixfab, Suncom, Korea) 를 내장한 데이터 컨트롤러(Rasberry-PI-4, Suncom, Korea), 2개의 LTE 통신용 외장 안테나(800~900 MHz, 10dB 이득, 무지향성), 2주파(50 kHz, 200 kHz) 어군탐 지기(NF 560, Samyung, Korea), 디지털 타이머(280 W 까지 ON/OFF 가능한 릴레이 1개, SRD-12VDC-SD-C, Ningbo Songle, China), DC-DC 컨버터(12 V to 5 V, 15 W) 및 리튬배터리(12 VDC, 120 Ah)로 구성하였다 (Fig. 3). 시스템 동작 순서는 디지털 릴레이 타이머의 어군탐지기 전원 및 DC-DC 컨버터의 전원을 ON/OFF 함으로써 데이터 컨트롤러의 전원과 어군탐지기의 전원 을 연동시켰다. 데이터 컨트롤러는 LTE 통신을 연결하 는 작업을 수행하며, 어군탐지기로부터 RS-232C 포트 를 통하여 출력하도록 구성하였다.
해양 부이는 형태, 기능, 수심 등에 따라 여러 종류로 나뉜다. 해양 부이 중에서 해표면 계류형 부이가 많이 사용되고 있는데 이 부이도 본체의 형상에 따라 원반형, 원주형, 선박형 등의 여러 종류로 나뉜다. 원반형 부이의 경우 부체가 안정적이라 관측이 쉽고 장기간의 관측 부 이로서 적절하고 내부 공간이 크며 운용성 면에서 보수 가 용이하고 이동, 취급이 쉽다. 원통형 부이의 경우 부 체가 상하운동이 커서 악천후 시 관측 및 전파 송수신이 좋지 않고 기상 센서가 잠길 수 있으며 보수 작업이 쉽지 못하지만, 형상이 단순하여 제작 시 용이하고 제작 비용 이 저렴하다. 선박형 부이 경우 부체가 조류에는 강하나 상하운동이 커서 악천후 시 전파 송수신이 좋지 않을 수 있으며 내부 공간이 작아 공간 활용이 좋지 못하다. 또한, 형상이 복잡하여 제작이 어렵고, 비용이 많이 든다 (Park and Shin, 2003).
본 연구에 사용한 부이는 태풍이나 해류로 인해 파손 되어 내부에 있는 관측 장비를 잃어버리거나 파손을 줄 이기 위해 설치하고자 하는 연근해 해역의 수심과 시스 템의 용도, 탑재물의 중량 및 크기, 운용시간, 기상 조건 을 고려하여 제작하였다(Table 1).
본 실험에 사용된 어군탐지기(NF560, SAMYUNG, Korea)는 총 2대를 운영하였고(Fig. 4), 동일한 어군탐지 기 50 kHz와 200 kHz의 듀얼방식 진동자로 외장형 GPS (SN-60, SAMYUNG, Korea)로 구성되었다(Table 2). 전 원은 외부에서 배터리(12 V, 120 Ah)를 통해 공급되고 데이터 출력은 무선 통신이 가능한 어군탐지기 경우 RS-232C 포트를 통해 data 컨트롤러에 전달되며 데이터 로그식 어군탐지기는 내장되어 있는 SD CARD에 에코 데이터가 저장된다.
데이터 전송 처리 시스템의 경우 디지털 타이머(280 W까지 ON/OFF 가능한 릴레이 1개, SRD-12VDC- D-C, Ningbo Songle, China)를 이용하여 일정한 시간 간격으 로 전원을 ON (ex. 10 min), OFF (ex. 10 min)를 사용자 가 조정할 수 있게 하였고 데이터 컨트롤러에서의 어군 탐지기 데이터 입력 및 전송 처리 시스템에 대한 흐름도 는 Fig. 5에 나타내었다. 데이터 컨트롤러에서의 동작 프로세스 경우 LTE 컨트롤러에서 전원이 ON 되면 LTE 통신이 연결되어 데이터를 입력, 저장 및 전송을 시작한 다.
어군탐지기로부터 RS-232C 포트를 통하여 어군탐지 기 데이터가 입력되면 데이터 컨트롤러에서 1 KB씩 데 이터를 잘라 육상 LTE 기지국을 거쳐 육상 서버로 전송 하게 된다. 육상 서버에서 데이터 수신이 정상적으로 이루어지면 ‘1’, 실패하면 ‘0’을 표시하여 해상에 있는 서버에 알려 주고 LTE 컨트롤러에서는 1 KB씩 자른 데이터를 차례로 쌓아 하나의 파일로 만든다.
즉, RS-232C 포트를 통하여 어군탐지기 데이터를 입 력하여 저장하기 시작한 직후부터 242초를 지나면 1 KB씩 쌓아서 만들어 둔 데이터 파일 1개를 육상 서버국 의 포트로 전송하는데 전송이 되면 “1” 그렇지 않으면 “0” 표시하도록 한다. 파일명은 파일 전송 시의 날짜(월, 일) 및 시간(시, 분, 초)이 생성되도록 하였으며 데이터 컨트롤러에서의 데이터 전송 처리에 관한 타임 차트는 Fig. 6에 나타냈다.
육상으로부터 데이터 수신이 확인되면 전송한 데이터 를 백업용 폴더에 저장하고 만약 육상 서버가 작동하지 않을 경우, 서버가 작동하고 LTE 통신이 연결되었을 때 밀려 있던 어군탐지기 데이터 파일을 모두 수신하도록 하였다. 데이터 컨트롤러에서는 5,000개의 데이터 백업 파일이 쌓이면 그 후부터는 가장 오래된 데이터 파일부 터 덮어쓰기를 하도록 구성을 하였고 LTE 통신 연결에 실패하면 다음 시간에 저장한 데이터 파일을 차례로 전 송한다. LTE 통신 연결 후 ‘0’으로 표시된 파일이 없을 때는 어군탐지기로부터 에코 데이터를 입력받는다.
242초의 어군탐지기 데이터를 전송한 후 어군탐지기 및 데이터 컨트롤러의 전원이 OFF가 될 때까지 약 33초 간 수신한 데이터는 전송 실패로 ‘0’으로 표시되며, 1시 간 후 LTE 통신이 연결되었을 때 약 33초간의 데이터를 전송하고 이후 모든 과정을 반복 수행하는 시스템으로 구성되었다.
해상부의 전원 경우 부이 내부에 설치한 배터리(리튬, 12 V, 120 Ah)를 통해 공급했으며 전원부에서는 디지털 릴레이 타이머(12 VDC)를 사용하여 어군탐지기(12 VDC) 및 데이터 컨트롤러(5 VDC)의 전원을 ON, OFF 로 조정하고 데이터 컨트롤러용 전원은 DC-DC 컨버터 (12 V to 5 V, 15 W)를 사용하여 배터리로부터 디지털 릴레이 타이머를 거쳐 공급되게 하였다. 현장 실험 전 시험 제작한 부이형 어군탐지기의 전원 공급에 대하여 배터리 사용 시간 측정에 관한 실험을 진행하였다.
육상부의 구성은 데이터 서버(OS: Linux)와 모니터 로 구성하였고 해상부와 인터넷 연결을 기다리다가 접 속이 되면 인터넷을 통해 KT 기지국으로부터 수신한 1 KB 에코 데이터를 차례대로 결합하여 1개의 파일로 서버의 하드디스크에 저장하게 된다. 저장하는 파일은 날짜와 시간을 파일명으로 사용하여 저장하고 예를 들 어 20200717_132059.DAT라는 어군탐지기 데이터 파 일이 저장되었다고 과정했을 시 파일 이름의 의미는 2020년 7월 17일 13시 20분 56초에 어군탐지기 데이터 수신이 시작되었으며, 약 3초 뒤인 2020년 7월 17일 13 시 20분 59초에 에코 데이터를 전송하기 시작했음을 의 미한다. 에코 데이터 표시는 별도의 PC에서 수행하게 되고 서버에 저장된 파일을 PC로 옮긴 후 에코 데이터 를 읽어 들여 50 kHz 및 200 kHz 에코 데이터를 각각 디스플레이에 표시한다. 에코 데이터는 하드디스크 등 에 저장하여 원하는 시간대에 확인할 수 있도록 하였다.
현장 실험은 2021년 7월 16일부터 2021년 7월 17일 부산광역시 기장에 소재하는 월내항 부근 해역의 인공 어초 사이에 닻으로 연결한 상태에서 주·야간으로 실험 을 진행하였고 설치된 개략도와 설치 장소는 Fig. 7, Fig. 8에 나타내었다. 두 어군탐지기의 주파수 대역이 겹치는 현상을 줄이기 위하여 거리를 약 5 m의 간격을 두고 설치하였고 부이형 원격어군탐지기를 ON/OFF 하는 디 지털 타이머는 10분 OFF, 10분 ON을 반복하도록 설정 을 하고 데이터 로그식 어군탐지기는 모든 데이터를 저 장하도록 설정하여 실험을 진행하였다.
결과 및 고찰
본 연구에서 몇 일간 해상 어군탐지기의 데이터 전송 의 안정성을 확인하기 위하여 1차 테스트로 2020년 10 월 20일부터 2020년 10월 28일까지 부경대학교 실험실 에서 시험 제작한 원격어군탐지기의 배터리(리튬, 12 V, 120 Ah)의 사용 가능 시간을 추정하기 위한 실험을 하였 다. 경과 시간에 따른 배터리의 전압 변화결과와 원격어 군탐지기를 ON/OFF 하는 디지털 타이머는 10분 OFF, 10분 ON을 반복하도록 하였고 실험 결과는 Table 3, Fig. 9에 나타내었다. Table 3에서 “-”는 측정하지 않음 을 나타낸 것이다.
디지털 타이머를 10분 OFF, 10분 ON을 반복하도록 설정하였을 경우, 경과 시간 x (hour)와 배터리 전압 y (V) 사이의 회귀 식은 식 (1)에 나타냈다.
식 (1)을 사용하여 배터리 전압이 10.0 V가 될 때까지 의 시간을 추정하면 약 273시간이었다. 디지털 타이머 를 10분 OFF, 10분 ON을 반복하도록 하면 원격 어군탐 지기의 어탐 데이터를 LTE 통신으로 전송할 수 있는 기대 사용 시간은 약 34.1일로 추정됐다.
2차 테스트로 2020년 11월 09일부터 2020년 11월 18 일까지 부경대학교 실험실에서 시험 제작한 원격어군탐 지기의 배터리(리튬, 12 V, 120 Ah)의 사용 가능 시간을 추정하기 위한 실험을 실시하였다. 경과 시간에 따른 배터리의 전압 변화 결과와 원격어군탐지기를 ON/OFF 하는 디지털 타이머는 30분 OFF, 10분 ON을 반복하도 록 하였고 실험 결과는 Table 4, Fig. 10에 나타내었다. Table 4에서 “-”는 측정하지 않음을 나타낸 것이다.
디지털 타이머를 30분 OFF, 10분 ON 반복하도록 설 정하였을 경우, 경과 시간 x (hour)와 배터리 전압 y (V) 사이의 회귀 식은 식 2에 나타냈다.
식 (2)를 사용하여 배터리 전압이 10.0 V가 될 때까지 의 시간을 추정하면 약 520시간(약 21.7일)이었다. 디지 털 타이머를 30분 OFF, 10분 ON을 반복하도록 하면 원격 어군탐지기의 어탐 데이터를 LTE 통신으로 전송 할 수 있는 기대 사용 시간은 약 36.2일로 추정됐다. 1차 측정 때와 2차 측정 때의 차이는 2.1일로 OFF 시간 증가 시에 배터리 사용량도 증가하였다.
현장 실험에서 실험구인 부이형 원격어군탐지기를 ON/OFF 하는 디지털 타이머는 10분 OFF, 10분 ON을 반복하도록 설정한 후 동작시켜 육상 서버에 저장 여부 를 확인하였다. 모든 시간대를 저장하는 대조구인 데이 터 로그식 어군탐지기 데이터와 LTE로 전송된 데이터 를 비교 분석한 결과를 Fig. 11에 나타내었다. 실험구의 경우 디지털 타이머로 10분 OFF, 10분 ON을 설정한 상태라 대조구와는 다르게 OFF시에는 부이 내부의 전 원이 10분간 차단됨으로써 전송된 데이터가 없어 대조 구의 저장된 시간과 실험구의 저장된 시간이 최대한 일 치하는 시간을 찾아서 비교 분석하였다. 실험구의 경우 서버의 저장된 데이터 코드가 20210716-17:12이면 데이 터의 정확한 전송 시간 및 저장된 시간은 10분 ON/OFF 설정을 하였으므로 서버측으로 전송이 된 시간은 20210716-17-02이며 저장된 시간은 20210716-17:12이 된다. 2021년 2021년 07월 16일 오후 10시부터 2021년 07월 17일 오전 6시까지의 야간 데이터는 실험구와 대 조구의 비교결과 어군으로 보이는 데이터는 나타나지 않았으나 플랑크톤으로 추정되는 데이터가 확인이 되었 고 대조구와 실험구의 비슷한 결과값이 나타났다. 시간 대별로 확인한 결과 오전 12시 자정에는 점차적으로 플 랑크톤의 분포가 나타났으며 오전 3시에는 수많은 플랑 크톤의 분포가 나타났다. 오전 6시에는 노이즈가 발생되 었고 표층에서 3미터 이내의 높은 파도가 발생하였던 점을 고려했을 시 이는 선박 운항으로 인하여 발생하였 던 것으로 보인다.
현장 실험의 주간 데이터 비교결과는 Fig. 12에 나타 냈다. 오전 8시부터 오후 2시까지 어군으로 파악되는 에코 데이터를 얻을 수 있었고 오전 8시부터 오후 1시까 지는 대조구에서는 나타나는 어군 데이터가 실험구에서 는 나타나지 않는 결과로 나왔다. 오후 2시의 에코 데이 터는 동일 시간의 동일한 어군 형태로 보이는 데이터 결과 값이 나왔다.
데이터 로그식 어군탐지기 전체 데이터를 확인한 결 과 어군이 가장 많이 나타났을 때의 시간은 2021년 7월 17일 오후 1시로 나타났으며 이를 바탕으로 대조구인 데이터 로그식 어군탐지기에 저장된 데이터와 실험구인 LTE 통신을 이용한 부표형 어군탐지기의 데이터 비교 결과를 Fig. 13에 나타냈다. 확인해본 결과 동일 시간대 의 어군이 함께 나타난 결과를 얻을 수 있었고 부표형 어군탐지기에서의 10분 OFF 시에는 데이터 저장이 되 지 않아 어군이 있는 데이터를 얻지 못하는 결과를 얻었 다. 이러한 결과는 무선 통신을 이용하여 해상에서의 배터리 소모로 인한 10분 ON, 10분 OFF가 되도록 설정 을 하여 동일 시간대의 어군 데이터를 획득하지 못한 것으로 확인되었다. 이를 해결하기 위해서는 배터리의 성능 및 개선이 필요할 것으로 보이며 또한 배터리 소모 로 인한 OFF 시간의 저장된 데이터가 없이 실시간으로 데이터를 받기 위해서는 외부적인 전원 공급책인 신재 생 에너지 및 추가적인 전원 공급에 대한 개선이 필요할 것으로 보인다.
결 론
본 연구에서는 LTE 통신을 이용한 부표형 어군탐지 기 개발에 관한 연구를 하였다. LTE 통신이 가능한 부표 형 어군탐지기 시스템은 유지보수 및 관리가 쉬워지고 조사해역의 수집된 데이터는 육상의 서버에 전송할 수 있어 이용하고자 하는 사용자는 육상에서 데이터를 확 인하고 관리할 수 있는 유용한 시스템이다.
본 연구를 통해 LTE 통신 환경을 이용하여 인공 어초 주변에서의 모니터링 기반 기술도 논하는 계기가 되었 고 스마트 수산자원모니터링의 기초 연구와 서버로부터 저장된 데이터를 통해 빅데이터로의 활용 방법도 모색 해 볼 수 있다. 또한, 인공 어초 주변뿐만 아니라 다른 해역에서의 수산자원 모니터링도 가능할 것으로 보이며 기존 조사방법보다 간소화되어 비용 절감 및 조사 인력 감소가 될 것으로 보인다. 또한, 모든 장비가 국산화할 수 있어 장비에 대한 비용 절감 또한 감소할 것이다. 앞으로 해상 LTE를 이용하여 더 넓은 해역에 적용함으 로써 조사영역을 확장할 수 있을 것이고 수산자원조성 사업의 자원조성 효과 평가에도 이를 활용하는데 극대 화하는 큰 효과를 보일 것으로 기대한다.
