IoT 비화학 센서 완벽가이드: 가스누설 센서 외 설비·안전 모니터링 핵심

이 글의 목적은 가스누설 센서를 제외한 비화학 기반 IoT 센서군을 체계적으로 정리하고, 산업현장·건설현장·빌딩설비에서 바로 적용할 수 있는 선정·설치·운영·알고리즘 기준과 데이터 스키마, 유지보수 체계를 제공하는 것이다.

1. 범위와 분류

본 가이드는 화학적 반응을 이용하지 않는 비화학 센서를 다루며, 온도·습도·압력·유량·차압·레벨·진동·가속·소음·음향(초음파 포함)·전력·전류·전압·전력품질·광학·열화상·연기광산란형·화염 IR/UV·문열림·존재감지(PIR·밀리미터파)·위치·자기·각도·토양수분·기상(풍속·풍향·일사) 등의 센서를 포함한다.

주의 : 폭발위험구역에서 사용 시 센서 본체·게이트웨이·배터리는 방폭 인증(예: Ex i, Ex d 등)을 충족하는 제품을 사용해야 한다.

2. 센서별 핵심 사양과 적용 분야

센서군	주요 파라미터	권장 측정범위	정확도 기준	주요 적용
온도(T)	분해능, 응답시간(T90), drift	-40~125°C	±0.3~0.5°C	모터·배관·배전반 과열 감시
습도(RH)	히스테리시스, 응답시간	0~100%RH	±2~3%RH	실내 공조, 제습·건조공정
압력(P)	정압/게이지, 온도보상	-100~1000 kPa	FS의 ±0.25% 이내	공정라인 압력, 펌프 헌팅
차압(ΔP)	0 drift, 저유량 감도	0~2500 Pa	±1% of reading	클린룸, 필터 막힘
유량(Flow)	K-계수, 직관부 길이	배관규격별	±1~2% of rate	냉각수·압축공기 관리
레벨(Level)	초음파/레이더/부자식	탱크 높이	±5~10 mm	탱크 재고·누액 간접감지
진동(Vibration)	가속도/속도/변위, 대역폭	DC~10 kHz	±5% FS	베어링 결함, 불평형
음향·초음파	주파수대, 방향성	20 kHz~80 kHz	상대지표(dB)	압축공기 누설, 아크음 탐지
소음(음압)	A/C/Z 가중, 등가소음	30~130 dB	Class 2	작업환경 소음관리
전력	kW·kWh·PF·THD	계통전압별	Class 1	에너지관리, 과부하
열화상(IRT)	해상도, NETD	-20~650°C	±2°C	버스바·베어링 핫스팟
화염 IR/UV	스펙트럼대역, 오경보 억제	라인오브사이트	검지거리 명시	개방형 화염 조기감지
PIR/존재감지	감지각, 지연시간	3~12 m	환경보정	무인구역 침입·체류
문열림(리드)	접점형, 자석거리	5~25 mm	반복정확도	출입문·전기실 판넬

3. 통신과 전원 선택

3.1 무선 통신 선택

대지·장애물·배관 밀집 환경을 고려하여 NB-IoT·LTE-M은 광역 저전력에 유리하고, LoRaWAN은 사내망 독립성과 배터리 수명 최적화에 적합하며, Wi-Fi는 고주기 데이터·영상 전송에 적합하다. BLE는 근거리·저전력 게이트웨이 수집형에 적합하다.

통신	장점	제약	권장 사례
NB-IoT/LTE-M	광역, SIM 관리	월과금, 실내 감쇠	외곽저장탱크, 현장분산
LoRaWAN	저전력, 사설망	게이트웨이 구축 필요	공장단지 센서 집적
Wi-Fi	고대역폭	전력소모, 로밍	열화상·영상
BLE	초저전력	수집장치 필수	태그·웨어러블

3.2 전원·배터리 수명 산정

배터리 수명은 평균전류로 근사 산정한다.

배터리수명[h] ≈ 정격용량[mAh] / (평균전류[mA]) 평균전류 = (수면전류*수면시간 + 측정전류*측정시간 + 송신전류*송신시간) / 주기 예시) 2400 mAh, 수면 5 µA(59초), 측정 5 mA(800 ms), 송신 120 mA(200 ms), 주기 60 s 평균전류 ≈ (0.005*59 + 5*0.8 + 120*0.2)/60 ≈ 0.47 mA → 수명 ≈ 5100 h ≈ 212 일

주의 : 저온 환경에서는 유효용량이 급감하므로 리튬 1차전지 사용 시 -20°C 성능 곡선을 확인해야 한다.

4. 설치 설계 규칙

4.1 진동 센서

측정대역: 베어링 결함 예지는 1~10 kHz 대역을 확보한다.
샘플링: 나이퀴스트 기준으로 최대 주파수의 2.5배 이상을 권장한다.
부착: 나사 고정 또는 에폭시로 강체 결합하고 자석식은 임시점검에 한정한다.

4.2 열화상·온도

열화상은 시야각 내 가림이 없어야 하고 반사 고온체로 인한 오경보를 차단한다.
배전반 온도센서는 핫스팟 예상 지점(케이블 루그, 차단기 상) 근접 부착한다.

4.3 차압·유량

차압계는 필터 전후 5D·3D 직관부 확보를 원칙으로 한다.
기류 유량계는 유량계 제작사 권장 직관 길이를 따른다.

유해화학물질 취급 기준 총정리: 화관법 인허가부터 시설·운영·비상대응 체크리스트 →

4.4 음향·초음파

압축공기 누설 탐지는 30~60 kHz 대역 지향성 마이크 또는 어레이를 사용한다.
풍절음·기계음 오경보를 줄이기 위해 스펙트럼 피크·대역에너지 비율 기준을 함께 사용한다.

4.5 PIR·존재감지

열원·채광 변화 영역을 피하고 감지 각도 내 동선 중심에 배치한다.
무인구역 체류 경보는 다중센서 융합(PIR+문열림+BLE 태그)으로 신뢰도를 높인다.

5. 알림 임계값과 데이터 품질

5.1 임계값 설정 원칙

통계 기준: 베이스라인 μ, 표준편차 σ를 초기 14일로 산정하고 경보1=μ+3σ, 경보2=μ+6σ로 설정한다.
물리 기준: 장비 규격 최대 허용치의 80%를 예경보, 90%를 경보로 설정한다.
시간 규칙: 이동평균 윈도우를 적용하여 스파이크 오경보를 배제한다.

5.2 결측·이상치 처리

규칙 1) 연속 결측 > 3주기 → 통신/전원 점검 알림 2) 값 변화율 |Δx/Δt| > 물리상한 → 이상치로 격리 3) 센서 정비 태그가 ON인 구간은 학습/판정에서 제외

6. 네트워크·보안·토픽 스키마

6.1 MQTT 토픽·페이로드 표준안

토픽: site/{siteId}/area/{areaId}/asset/{assetId}/sensor/{sensorType}/{sensorId} 예: site/PLANT1/area/COMP/#3/asset/MOTOR/M12/sensor/vibration/VB01
페이로드(JSON):
{
"ts": "2025-11-01T13:00:00Z",
"value": 12.4,
"unit": "mm_s_rms",
"qos": 1,
"snr": 8.2,
"rssi": -102,
"bat_v": 3.41,
"fw": "1.2.3",
"ver": 1
}

6.2 보안·가용성 기준

TLS 적용 및 단말별 X.509 인증서를 사용한다.
브로커 이중화와 메시지 QoS1 이상을 사용한다.
오프라인 버퍼링과 재전송 백오프를 구현한다.

7. 엣지 분석과 예지보전

7.1 진동 특징량

RMS, 피크팩터, 크레스팩터, 엔벨로프 스펙트럼을 기본으로 산출한다.
베어링 결함주파수(BPFI/BPFO/BSF/FTF) 후보를 자산 스펙으로부터 계산한다.

오존 노출 위험 완전정복: 증상, 기준, 측정과 대응 방법 →

7.2 열화상 이벤트

ROI 평균온도, 주변 대비 ΔT, 고온 픽셀 비율 기준으로 단계화한다.
반사·태양광 영향 시간대를 마스크한다.

7.3 음향 누설 지수

대역에너지비(LEQ_40-60kHz/LEQ_20-30kHz)와 협대역 피크지수로 합성점수를 만든다.

8. 유지보수·교정·수명

센서군	권장 교정주기	현장 점검	예상수명
온습도	12개월	얼굴호흡 테스트 금지, 외기 비교	5~7년
압력/차압	12개월	제로·스팬 점검	8~10년
진동	24개월	부착상태 토크 확인	5~8년
열화상	24개월	블랙바디 점검	5~7년
전력	24개월	클램프 보정, 위상확인	8~10년
음향	12개월	배경소음 프로파일 재취득	5~7년

주의 : 교정주기는 사용환경·품질시스템 요구사항에 따라 단축될 수 있다.

9. 배치 기준 체크리스트

하우징: 최소 IP65, 외부 노출은 IP66/67을 권장한다.
케이블/커넥터: 진동구간은 M12 커넥터와 스트레인릴리프를 적용한다.
태그: 자산ID·센서ID·통신ID를 라벨로 일치시킨다.
간섭: 고전류·고주파 소스와 30 cm 이상 이격한다.
펌웨어: OTA 업데이트 정책과 롤백 절차를 준비한다.

화학물질 유해성 분류표 GHS 기준 완벽 가이드 →

10. 사례형 설계 템플릿

10.1 압축공기 누설 관리(비화학)

센서: 40~60 kHz 초음파 마이크, LoRaWAN, 배터리
배치: 매니폴드 상부 2 m, 10 m 간격
알고리즘: 스펙트럼 피크>기준 + 대역비>임계 동시 만족 시 경보
지표: 누설지수(0~100), 등가 누설량은 현장 계수로 보정

10.2 베어링 예지보전

센서: 10 kHz 대역 가속도계, 자산당 1~2점
주기: 1분 간격 스냅샷 2초, 이벤트 시 10초
경보: RMS 증가율 20%/주, 엔벨로프 피크 6σ 초과

10.3 배전반 과열 감시

센서: 열화상 또는 다점 온도
임계: ΔT>15°C 5분 지속 시 경보
대응: 부하재분배·접점 토크 점검

11. 데이터 모델·자산 계층

자산트리: SITE -> AREA -> LINE -> ASSET -> SENSOR 필드: assetId, assetType, criticality(1~5), mtbf, installDate 센서 메타: sensorId, type, range, unit, location(x,y,z), comm(rssi,snr), calibDate

12. KPI와 대시보드

알람정확도 = 진성경보/(진성경보+오경보)
MTTA/MTTR 추적 및 SLA 가시화
에너지 KPI: kWh/단위생산, 역률, 피크수요

13. 파일럿 운영 절차

요구정의: 리스크-자산 매트릭스로 우선순위를 산정한다.
PoC: 4~8주, 최소 3종 센서 교차검증
확대: 표준 BOM·배치도·펌웨어 버전 고정
운영: CMMS 연계로 작업지시 자동화

14. 표준 운영문서(SOP) 샘플

[SOP] 비화학 IoT 센서 월간점검 1) 배터리 전압 < 3.3 V → 교체 계획 등록 2) RSSI < -110 dBm → 게이트웨이 최적화 검토 3) 결측률 > 1% → 통신/전원 확인 4) 교정만료 30일 전 → 예방보전 티켓 발행

15. 비용·ROI 개략

CAPEX: 센서·게이트웨이·설치·네트워크 가입비
OPEX: 데이터플랜·배터리·교정·플랫폼 구독
ROI: 계획외정지 감소시간×시간당 손실로 절감액 산정

16. 리스크 매트릭스 예시

자산	고장모드	센서	탐지지표	리스크
팬모터	베어링 마모	진동	RMS, 엔벨로프	중
배전반	접점 열화	열화상/온도	ΔT	상
압축공기망	누설	초음파	대역비, 피크	중
클린룸	필터막힘	차압	ΔP 상승	상

17. 현장 배치 도면 표기 팁

센서ID는 기능코드-영역-순번 규칙을 적용한다(예: VB-AREA3-012).
게이트웨이는 고정좌표를 도면 범례에 기입한다.
배터리 교체 경로를 고려해 접근성을 확보한다.

18. 품질보증·검수 항목

공장수락(FAT): 기능·통신·암호화·OTA 테스트
현장수락(SAT): 수신 품질 지도화, 임계값 튜닝
시운전: 2주 베이스라인 확립 후 본운영 전환

19. 표준 데이터 보존정책

원시데이터: 6~12개월, 특성치·집계데이터: 3~5년
이벤트·알람 로그: 5년
교정·정비 이력: 설비 수명 + 2년

20. 체크리스트 종합

□ 자산리스트·리스크 우선순위 확정 □ 통신선택(NB/LTE-M, LoRaWAN, Wi-Fi, BLE) □ 배치도·직관부·시야·부착토크 검토 □ 토픽·JSON 스키마 표준 확정 □ 임계값(물리/통계)·학습기간 정의 □ OTA·보안·인증서 배포 절차 수립 □ SOP·교정·보전 티켓 연계 완료

FAQ

비화학 센서만으로 누출을 간접 감지할 수 있나?

가능하다. 초음파 센서는 누설음의 고주파 성분을, 차압·유량 센서는 비정상 유량 변화를 통해 간접적으로 누출을 탐지한다. 정확한 정량은 계통 보정이 필요하다.

배터리형 무선 센서의 최소 점검주기는?

월 1회가 일반적이다. 배터리 전압, RSSI, 결측률, 펌웨어 버전을 점검하고 필요 시 현장 방문을 계획한다.

진동 데이터는 얼마나 자주 샘플링해야 하나?

상태기반 모니터링은 1~5분 간격 스냅샷으로 충분하다. 크리티컬 자산은 이벤트 기반으로 고주기 스트리밍을 추가한다.

열화상 카메라와 온도센서 중 무엇을 선택해야 하나?

점 형태 과열은 온도센서가 비용효율적이며, 넓은 영역 핫스팟 탐지는 열화상이 유리하다. 혼용 설치가 이상적이다.

LoRaWAN과 NB-IoT 중 무엇이 적합한가?

사내 다량 센서와 자체망 운영이 가능하면 LoRaWAN이 유리하다. 분산 원거리 소수 센서는 NB-IoT/LTE-M이 단순하다.

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