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문제 정의
- 본 연구에서 수행하는 글로벌스타 위성 모뎀을 이용한 무선 원격제어 및 감시 시스템은 글로벌 스타 위성 모뎀과의 데이터 통신을 위한 인터페이스를 구현하였고, 이를 이용하여 제어 대상 시스템과 접속하여 이를 제어 및 상태 정보 확인이 가능하다. 글로벌 스타 시스템과 저궤도 위성 통신망을 이용하여 시스템을 구축하여 이를 실제 적용하여 그 성능을 확인하고자 한다.
- 본 논문에서는 글로벌스타 위성 모뎀을 이용한 무선 원격제어 및 감시 시스템을 저궤도 통신망을 이용하여 시스템을 구축하고 이를 실제 적용하여 그 성능을 확인하고자 한다.
제안 방법
- 글로벌스타 위성시스템에서 제공하는 인터페이스의 특징 및 환경 데이터를 수집하여 이를 분석하고 분석된 자료를 통해서 데이터 통신을 위한 최적의 인터페이스를 구축하였고, 이를 토대로 사용자 프로그램과 원할한 데이터 통신을 할 수 있었다. 사용자 부분에서는 전송 받은 데이터를 사용자에게 정보를 제공하며 단말장비의 제어를 쉽게 할 수 있도록 하는데 중점을 두고 구현 하였다.
- 세계 여러 나라들이 많은 위성통신 시스템을 제공하고 있으며, 본 논문에서는 저 궤도 위성인 글로벌 스타 위성을 이용하여 무선 원격 및 감시 시스템을 개발하였다. 글로벌스타 위성은 통화 시 최소 2개 이상의 위성과 동시에 연결되므로 통화중 하나의 위성 커버리지를 벗어나더라도 동시에 타 위성과 연결되기 때문에 끊어짐이 없고, 저궤도위성을 사용하므로 정지궤도위성을 이용한 위성전화의 음성지연현상을 글로벌스타위성 시스템에서는 느낄 수 없는 장점을 가지고 있어 선택하여 사용하였다.
- 그림 4 는 전체적인 소프트웨어 블록도이다. 단말 장비를 크게 FIRMWARE, PPP 그리고 TCP/IP로 3파트로 분류 하여 구현하였다. 이를 이용하여 단말장비는 원격의 사용자와 통신을 할 수 있도록 구현하였다.
- 단말장비와 사용자의 데이터 인터페이스 동작을 확인하기 위해서 위성 모뎀과 단말장비 사이의 PPP 패킷을 모니터링 하였다. 표 5 및 표 6은 PPP의 NCP 연결 설정 몇 데이터 전송시 캡쳐된 패킷 데이터이다.
- 마이크로프로세서를 이용한 단말장비는 각 센서 들과 입출력 장치(GPS, A/D, D/A, D/I, D/O 그리고 온도 센서 등)를 제어하고 데이터를 수집하여 사용자에게로 전송하도록 하였다. 데이터 통신을 위한 Firmware(1계층), PPP 프로토콜(2계층) 그리고 TCP/IP(3,4 계층) 프로토콜을 구현하여 사용자 프로그램과 데이터 통신을 하도록 하였다. 사용자를 위한 프로그램은 Control 및 Main 다이얼로그로 구현하여 손쉽게 단말장비와 정보를 공유 할 수 있으며 사용자 프로그램을 통화여 단말장비를 제어, 감시 및 상태 확인 할 수 있도록 프로그램 하였다.
- MapObject는 응용프로그램에서 동적인 Mapping 기능이나 GIS 기능을 구현할 수 있도록 제공되는 컴포넌트 도구이다. 동적인 Mapping과 GIS기능을 포함한 응용프로그램을 구현하고자 MapObject를 사용하였다. 기존 응용프로그램에 맵 컴포넌트를 추가하거나 간단한 데이터 조회 프로그램을 구현할 수 있도록 해주고 특정한 작업과 요구사항을 만족시킨 수 있는 사용자 정의 Mapping과 GIS프로그램을 생성할 수 있도록 제공하고 있다[9].
- 또한 본 논문에서는 글로벌스타 위성 모뎀을 위한 PPP 프로토콜, 단말장비 설계/제작 과정, 글로벌스타 시스템 그리고 사용자 응용 프로그램의 제작과정을 이해하고 이를 이용한 시스템을 구현하였다. 이를 통해 해양에서 운항하는 선박 등 통신이 불가한 지역에서도 위성 시스템을 이용하여 정보를 수집, 확인 및 감시 할 수 있고, 이를 이용한 더욱더 다양한 시스템이 개발될 것으로 기대 된다.
- 따라서 이를 이용하여 데이터 통신 링크를 구성하고, 글로벌스타 위성을 이용한 다양한 제어 대상 시스템에 응용할 수 있다. 또한 시스템 내부 제어 프로토콜을 정의하여 사용자 프로그램과 단말장비 사이에 정보 교환이 원활하도록 하였다.
- 마이크로프로세서를 이용한 단말장비는 각 센서 들과 입출력 장치(GPS, A/D, D/A, D/I, D/O 그리고 온도 센서 등)를 제어하고 데이터를 수집하여 사용자에게로 전송하도록 하였다. 데이터 통신을 위한 Firmware(1계층), PPP 프로토콜(2계층) 그리고 TCP/IP(3,4 계층) 프로토콜을 구현하여 사용자 프로그램과 데이터 통신을 하도록 하였다.
- 글로벌스타 위성시스템에서 제공하는 인터페이스의 특징 및 환경 데이터를 수집하여 이를 분석하고 분석된 자료를 통해서 데이터 통신을 위한 최적의 인터페이스를 구축하였고, 이를 토대로 사용자 프로그램과 원할한 데이터 통신을 할 수 있었다. 사용자 부분에서는 전송 받은 데이터를 사용자에게 정보를 제공하며 단말장비의 제어를 쉽게 할 수 있도록 하는데 중점을 두고 구현 하였다.
- 사용자 부분은 그림 8과 같이 Control 다이얼로그와 Main 다이얼로그로 분류하여 구현하였다. Control 다이얼로그는 TCP/IP 인터넷 통신 프로토콜을 사용하여 단말장비와 통신을 할 수 있고, 이를 통해서 사용자는 단말장비를 제어 할 수 있다[7].
- 데이터 통신을 위한 Firmware(1계층), PPP 프로토콜(2계층) 그리고 TCP/IP(3,4 계층) 프로토콜을 구현하여 사용자 프로그램과 데이터 통신을 하도록 하였다. 사용자를 위한 프로그램은 Control 및 Main 다이얼로그로 구현하여 손쉽게 단말장비와 정보를 공유 할 수 있으며 사용자 프로그램을 통화여 단말장비를 제어, 감시 및 상태 확인 할 수 있도록 프로그램 하였다.
- 세계 여러 나라들이 많은 위성통신 시스템을 제공하고 있으며, 본 논문에서는 저 궤도 위성인 글로벌 스타 위성을 이용하여 무선 원격 및 감시 시스템을 개발하였다. 글로벌스타 위성은 통화 시 최소 2개 이상의 위성과 동시에 연결되므로 통화중 하나의 위성 커버리지를 벗어나더라도 동시에 타 위성과 연결되기 때문에 끊어짐이 없고, 저궤도위성을 사용하므로 정지궤도위성을 이용한 위성전화의 음성지연현상을 글로벌스타위성 시스템에서는 느낄 수 없는 장점을 가지고 있어 선택하여 사용하였다.
- 시스템 구축을 위해 크게 단말장비 그리고 사용자 부분으로 나누어 구축하였다.
- 회선 구성이 용이하고, 지진 및 태풍 등에도 강인한 내재해성을 갖고 있으며, 우리나라 전 지역은 물론 전 세계에서 광역성 및 동보성을 확보하고 있다. 위성 시스템을 이용하여 통신망을 구축하고, 단말장비에 대한 위치 정보는 물론 상태 정보를 인터넷을 통하여 사용자에게 직접 전송하는 시스템을 구축 하였고, 또한 사용자는 단말장비의 여러 정보를 확인하고, 여러 정보를 처리하여 단말장비에 제어 정보를 전송하여 제어할 수 있도록 구현하였다.
- 위와 같이 글로벌 스타 위성 모뎀을 이용한 무선 원격제어 및 감시 시스템에 적합한 PPP 프로토콜 구현에 있어서 임베디드 시스템에 적합하도록 프로그램 크기 최소화에 중점을 두었다.
- 특히 ArcMap은 데이터 디스플레이, 질의, 분석 기능을 제공하며, ArcCatalog는 지리정보 데이터 및 테이블 데이터의 관리, 구축, 구성 기능을 제공하고, ArcToolbox는 기본적인 데이터 변환 기능을 제공한다. 위의 세가지 어플리케이션을 사용하여 맵핑, 데이터 관리, 지리정보 분석, 데이터 편집, 지오프로세싱 등의 모든 GIS 작업을 하였다.
- 단말 장비를 크게 FIRMWARE, PPP 그리고 TCP/IP로 3파트로 분류 하여 구현하였다. 이를 이용하여 단말장비는 원격의 사용자와 통신을 할 수 있도록 구현하였다.
- 채실험 및 측정에서는 본 논문에서 구현한 글로벌 스타 위성 모뎀을 이용한 무선 원격제어 및 감시 시스템을 구축하고 시스템의 동작과 성능을 확인하였다. 그림 11은 본 논문에서 사용한 글로벌스타 위성 모뎀 및 안테나이다.
대상 데이터
- 표 2는 단말장비 사양이며 8051Core를 사용하는 C8051F023 프로세서를 사용하였다. 그림 3에서 알 수 있듯이 ADC, DAC, DUART0,1을 내장하고 있고, GPS, RTC, LCD, D/I 그리고 D/O를 외부에 구성 하였다. 위와 같은 여러 디바이스를 통하여 데이터를 수집 및 처리를 하며, 최대 25MIPS 속도로 동작하므로 처리속도가 빠르며 프로그램 내부에 64k Bytes의 프로그램 및 데이터 메모리를 내장하고 있다.
- 그림 16의 (가)영역안의 위치 좌표가 한국기술교육대학교 제1공학관의 위치를 나타내고 있다. 단말장비로부터 전송된 GPS 데이터는 “36:45:55:04:N”, “127:16:48:43:E” 이다.
- 단말장비의 FIRMWARE 부분은 KEIL사의 컴파일러를 사용하였다. 2계층에서는 PPP 프로토콜을 사용하였으며 동적 IP주소 자동 할당, 에러 감지 및 인증 허용이 사용된다.
- 본 논문에서 사용하는 글로벌스타 저궤도 통신 위성의 전체 구성도는 그림 1과 같으며, 위성부문, 지상부문 그리고 단말기부문으로 구성되어 있으며, 표 1은 본 논문에서 사용하는 글로벌스타 위성모뎀의 사양이다.
- 본 논문에서 제작하는 단말장비의 여러 종류의 디바이스들은 C8051F023 메인프로세서가 제어 하도록 하였다[5].
- 표 2는 단말장비 사양이며 8051Core를 사용하는 C8051F023 프로세서를 사용하였다. 그림 3에서 알 수 있듯이 ADC, DAC, DUART0,1을 내장하고 있고, GPS, RTC, LCD, D/I 그리고 D/O를 외부에 구성 하였다.
이론/모형
- 인증 과정을 수행하는 프로토콜로서 PAP(Password Authentication Protocol)과 CHAP(ChallengeHandshake Authentication Protocol)을 사용한다. 본 논문에서 사용한 서비스 공급업체에서는 인증 과정을 요구하지 않으므로 사용하지 않았다[2]-[4].
성능/효과
- 그림 14는 Control 다이얼로그의 LCD 전송 메시지를 단말장비로 전송한 결과이다. Control 다이얼로그에서 "test program"이라는 문자 메시지를 전송하여 단말장비의 LCD에 나타남을 통하여 동작함을 확인하였다.
- 그리고 단말장비와 사용자 간의 흐름제어는 전송 받은 세그먼트에 대해서 바로 확인 세그먼트를 전송하는 방식으로 구현하여 데이터의 오류 및 전송 효율을 높일 수 있었다.
- 무선 원격 제어는 웹상에서 사용자가 설정한 명령을 단말장비의 Device에서 데이터를 전송 하였을 때 사용자의 명령이 정확히 단말장비의 Device에서 동작하는 것을 확인할 수 있다. 그림 12와 같이 사용자 Control 다이얼로그의 A/D Convert Bring버튼을 누르면 그림 13과 같이 단말장비의 A/D Convert Device 데이터를 처리하여 사용자 프로그램에 전송하였다.
- 본 연구에서 수행하는 글로벌스타 위성 모뎀을 이용한 무선 원격제어 및 감시 시스템은 글로벌 스타 위성 모뎀과의 데이터 통신을 위한 인터페이스를 구현하였고, 이를 이용하여 제어 대상 시스템과 접속하여 이를 제어 및 상태 정보 확인이 가능하다. 글로벌 스타 시스템과 저궤도 위성 통신망을 이용하여 시스템을 구축하여 이를 실제 적용하여 그 성능을 확인하고자 한다.
후속연구
- 본 논문에서 구현한 글로벌스타 위성 모뎀을 이용한 무선 원격제어 및 감시 시스템은 범용 마이크로컨트롤로 구현하였으며, 임베디드 시스템에서 사용가능한 PPP 프로토콜을 자체 개발함으로 여러 인터페이스 환경을 제공 할 수 있다. 따라서 이를 이용하여 데이터 통신 링크를 구성하고, 글로벌스타 위성을 이용한 다양한 제어 대상 시스템에 응용할 수 있다.
- 본 연구의 구현으로 글로벌스타 위성 모뎀을 이용한 시스템 구축 기술, PPP 프로토콜 및 프로그램 기술, TCP/IP 프로토콜 및 프로그램 기술, 위성 접속 기술, GPS 응용 기술, 인터넷 서비스 기술, WGIS 등을 확보하여 원격 측정 및 원제 제어 등 다양한 응용 분야에 사용될 수 있다.
- 또한 본 논문에서는 글로벌스타 위성 모뎀을 위한 PPP 프로토콜, 단말장비 설계/제작 과정, 글로벌스타 시스템 그리고 사용자 응용 프로그램의 제작과정을 이해하고 이를 이용한 시스템을 구현하였다. 이를 통해 해양에서 운항하는 선박 등 통신이 불가한 지역에서도 위성 시스템을 이용하여 정보를 수집, 확인 및 감시 할 수 있고, 이를 이용한 더욱더 다양한 시스템이 개발될 것으로 기대 된다.
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