최근 들어 센서 네트워크에 대한 관심이 증가됨에 따라서 다양한 분야에서 이를 활용한 연구가 이루어지고 있다. 본 논문에서는 센서 네트워크 기반 강의실 제어 시스템을 제안하고 구현한다. 강사의 강의 이력 정보를 센서 네트워크를 통하여 수집하고, 이 정보를 활용하여 강사가 강의실에 들어갈 때 강의실 내 PC, 빔 프로젝터, 전등 등을 강의에 적합한 형태로 제어해 주면 효과적인 강의 진행이 가능하다. 본 논문에서 제안한 강의실 제어 시스템이 효과적으로 동작할 수 있도록 센서 네트워크를 구축하고 성능 실험을 한다. 이를 통하여 강의실에 설치한 센서 노드의 메시지 발생 주기와, 센서 노드 간 통신이 원활하게 이루어질 수 있도록 강의실 내 배치된 센서 노드의 수를 최적화할 수 있는 값을 구하였다.
최근 들어 센서 네트워크에 대한 관심이 증가됨에 따라서 다양한 분야에서 이를 활용한 연구가 이루어지고 있다. 본 논문에서는 센서 네트워크 기반 강의실 제어 시스템을 제안하고 구현한다. 강사의 강의 이력 정보를 센서 네트워크를 통하여 수집하고, 이 정보를 활용하여 강사가 강의실에 들어갈 때 강의실 내 PC, 빔 프로젝터, 전등 등을 강의에 적합한 형태로 제어해 주면 효과적인 강의 진행이 가능하다. 본 논문에서 제안한 강의실 제어 시스템이 효과적으로 동작할 수 있도록 센서 네트워크를 구축하고 성능 실험을 한다. 이를 통하여 강의실에 설치한 센서 노드의 메시지 발생 주기와, 센서 노드 간 통신이 원활하게 이루어질 수 있도록 강의실 내 배치된 센서 노드의 수를 최적화할 수 있는 값을 구하였다.
As the interest in sensor networks has been increased recently, researches have been performed in many areas using sensor networks. In this paper, we propose and implement a lecture room control system based on a sensor network. It is possible to give an efficient lecture by collecting lecturers' le...
As the interest in sensor networks has been increased recently, researches have been performed in many areas using sensor networks. In this paper, we propose and implement a lecture room control system based on a sensor network. It is possible to give an efficient lecture by collecting lecturers' lecture history information through the sensor network and controlling a PC, a beam projector, lights, etc. in a lecture room appropriately using the information. We construct a sensor network and perform experiments so that the proposed lecture room control system performs efficiently. Through the experiments, we obtained the optimal message generation period of the sensor node in a lecture room and the optimal number of sensor nodes deployed in a lecture room to communicate without any trouble between sensor nodes.
As the interest in sensor networks has been increased recently, researches have been performed in many areas using sensor networks. In this paper, we propose and implement a lecture room control system based on a sensor network. It is possible to give an efficient lecture by collecting lecturers' lecture history information through the sensor network and controlling a PC, a beam projector, lights, etc. in a lecture room appropriately using the information. We construct a sensor network and perform experiments so that the proposed lecture room control system performs efficiently. Through the experiments, we obtained the optimal message generation period of the sensor node in a lecture room and the optimal number of sensor nodes deployed in a lecture room to communicate without any trouble between sensor nodes.
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문제 정의
본 논문에서는 강사에 대한 강의 이력 정보를 관리하고 이 정보를 활용하여 강의실 장비를 강의 시간에 맞추어 원격으로 제어할 수 있는 센서 네트워크 기반강의실 제어 시스템을 제안하고 구현하였다. 강의실제어 시스템을 구현하기 위하여 센서 노드는 하이버스(주) Hmote2420을 사용하였으며, 센서 노드 운영체제는 Contiki를 사용하였다.
제어 서버를 설치하여 구축한다. 본 논문에서는 그림 4의 RS ADV 메시지의 발생 주기(妃.)를 최적으로 설정하기 위한 실험을 수행하였으며, 두 개의 강의실에 각각 한 개의 강의실 센서와 여러 개의 더미 센서를 설치하여 획득한 강사 센서 정보를 강의실 센서로부터 제어 서버로 잘 전달해 줄 수 있는 지여부를 실험하였다.
본 논문에서는 이를 위하여 깅사에 대한 강의 이력을 관리하고 강의실 장비를 강의시간에 맞추어 원격으로 제어할 수 있는 센서 네트워크 기반 강의실제어 시스템을 제안하고 구현한다. 강의실 제어 시스템을 구현하기 위하여 하이버스(주) Hmote2420[3] 과 Contiki 운영 체제(4)를 사용하여 센서 네트워크를 구축한다.
본 절에서는 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드 하드웨어 플랫폼과 센서 노드 운영체제에 대하여 기술한다.
가설 설정
강의실 제어 시스템을 구성하기 위한 센서의 종류는 크게 강의실 센서 (RS : Room Sensor), 강사 센서 (LS : Lecturer Sensor), 더 미 센서 (DS : Dummy Sensor)로 나누어진다. 특정 강의실에서 강사의 존재 여부를 파악하기 위하여 강의실마다 하나의 강의실 센서 (RS)가 있고, 강사는 각자 자신의 강사 센서 (LS)를 가지고 다닌다고 가정한다. 강의실 제어 시스템은 크게 특정 강의실 센서에서 강사 센서의 존재 여부를 파악하는 단계와 강의실 센서에서 획득한 강사 정보를 제어 서버로 전송하여 강의 이력과 관련된 정보를 관리하는 단계가 있다.
제안 방법
강의실 센서(RS)에서 강사 센서 정보를 찾기 위해서 주기적으로 RS ADV 메시지를 이웃 노드로 방송하고, 강사 센서(LS)는 RS ADV 메시지를 수신하면 강사 정보를 알려주는 LS RESP 메시지를 해당 강의실 센서로 전송한다. 이를 의사 코드로 표현하면 그림 4와 같다.
강의실 센서, 강사 센서, 더미 센서와 같은 센서 모듈에는 Contild 운영체제[4]를 사용하였고 제어 서버용 프로그램은 Qt 라이브러리를 사용하여 개발하였다. 제어 서버용 프로그램은 크게 각 강의실의 상황을 볼 수 있는 모니터링 화면과 임의의 강사。에 대한 강의 이력을 관리하고 강의실을 제어하는 관리 화면으로 구성된다.
LS INFO 메시지 도착률은 강의실 센서에서 일정 시간 동안 발생한 LS INFO 메시지와 제어 서버에 도착한 LS INFO 메시지의 비율로 정의한다. 강의실 센서에서 제어 서버로 전송하는 LS INFO 메시지가 센서 네트워크 내에서 전달되어지는 도중 유실되지 않도록 한 강의실 내에서 직접적으로 강의실 센서와 제어 서버가 통신 가능하도록 테스트 환경을 구축하였다. 그림 10은 妃, 에 따른 LS INFO 메시지 평균 도착률을 보여준다.
강의실 센서와 강사 센서 간 통신 프로토콜 구현은 이웃 노드 간 통신을 필요로 하므로 Con tiki에서 지원하는 통신 스택 인 Rime 프로토콜의 abc(anony- mous best-effort communication) API를 사용하여 구현한다. 강의실 센서와 강사 센서 간 통신을 위하여 사용된 자료 구조는 그림 3과 같다.
시스템을 제안하고 구현한다. 강의실 제어 시스템을 구현하기 위하여 하이버스(주) Hmote2420[3] 과 Contiki 운영 체제(4)를 사용하여 센서 네트워크를 구축한다. Hmote2420은 TI MSP430 마이크로 컨트롤러를 사용히, 며, EEE 802.
제어 서버용 프로그램은 Qt를 사용하여 리눅스, 윈도우즈와 같은 다른 운영체제에서도 사용할 수 있도록 개발하였다. 강의실 제어 시스템이 효과적으로 동작할 수 있도록 테스트 환경을 구축하여 실험함으로써 최적의 강의실 센서 메시지 발생 주기를 구하였으며, 또한 강의실 센서와 제어 서버 간 통신이 원활하게 이루어지도록 강의 실 내 더미 센서의 적절한 수를 실험을 통하여 구하였다.
따른 성능 실험을 한다. 강의실에 설치된 센서 노드의 메시지 최적 발생 주기를 찾기 위한 실험과 강의실 내 센서 노드의 수를 최적화하기 위한 실험을 수행하여 강의실 제어 시스템 내 센서 노드 간 통신이 원활히 잘 이루어질 수 있도록 한다.
다음으로는 그림 2와 같이 두 개의 강의실에 강의실 센서를 설치하고 다른 강의실에 제어 서버를 설치하여 테스트 환경을 구축하였다. 강의실 센서의 RS ADV 메시지 발생 주기는 5초로 설정하였다.
먼저 강의실 센서의 적절한 RS ADV 메시지 발생 주기 , 를 설정하기 위하여 그림 9와 같이 妃를 변화 시켜 LS INFO 메시지 도착률을 측정하였다. LS INFO 메시지 도착률은 강의실 센서에서 일정 시간 동안 발생한 LS INFO 메시지와 제어 서버에 도착한 LS INFO 메시지의 비율로 정의한다.
본 논문에서 제안한 강의실 제어 시스템이 효과적으로 동작할 수 있도록 센서 네트워크를 구축하고 그에 따른 성능 실험을 한다. 강의실에 설치된 센서 노드의 메시지 최적 발생 주기를 찾기 위한 실험과 강의실 내 센서 노드의 수를 최적화하기 위한 실험을 수행하여 강의실 제어 시스템 내 센서 노드 간 통신이 원활히 잘 이루어질 수 있도록 한다.
예를 들어, 월요일 1교시, 화요일 3교시는 각각 頌3으로 표현한다. 임의의 강의실 센서에서 전송하는 LS INFO 메시지를 제어 서버에서 수신하자마자 메시지의 정보를 사용하여 (강의실, 강사, 순차 번호)를 강의 이력 집합 3에 추가하고, 해당 강의실과 강사를 각각 강의실 집합 /?과 강사 집합 Z에 추가한다. 타이머가 종료되면 매 타임 슬롯의 끝에서 특정강의실에서 특정 강사 센서를 임계값 7奸보다 더 많이 탐지하였는지 판단해서 그 타임 슬롯에 강의가 진행되었는지 여부를 판단한디' 이때 특정 강의실에서 특정 강사가 강의를 진행한 것으로 판단되면 추후 관리자가 해당 강의실 내 각종 장비를 제어하여 강의 진행을 도울 수 있도록 할 수 있다.
Contiki 운영체제는 초소형 임베디드 운영체제로서 센서 네트워크 통신을 위 한 Rime 프로토콜과 TCP/UDP 통신을 위한 uIP 프로토콜을 지원하며, 이를 각각 강의실 센서와 강사 센서 간 통신, 강의실 센서와 제어 서버 간 통신 구현에 사용하였다. 제어 서버용 프로그램은 Qt를 사용하여 리눅스, 윈도우즈와 같은 다른 운영체제에서도 사용할 수 있도록 개발하였다. 강의실 제어 시스템이 효과적으로 동작할 수 있도록 테스트 환경을 구축하여 실험함으로써 최적의 강의실 센서 메시지 발생 주기를 구하였으며, 또한 강의실 센서와 제어 서버 간 통신이 원활하게 이루어지도록 강의 실 내 더미 센서의 적절한 수를 실험을 통하여 구하였다.
凡: 임시 강의이력 집합. 타임 슬롯 如동안 여러 강의실로부터 수신한 LS INFO 메시지로부터 (강의실, 강사 정보, 순차번호)를 저장하여 강사의 강의 이력 정보를 모은다.
대상 데이터
등이 현재 많이 사용되고 있다. Mica 시리즈는 4~8 MIPs 성능의 8비트 RISC 마이크로컨트롤러인 Atmel의 ATMega 시리즈를 사용하며, 메모리는 4KB SRAM과 128KB 플래시 메모리를 사용한다. [51.
강의 실 제어 시스템은 동의대학교 정보공학관 9 층에 시스템을 설치하여 성능 실험을 하였다. 강의실 센서, 강사 센서, 더미 센서와 같은 센서 모듈에는 Contild 운영체제[4]를 사용하였고 제어 서버용 프로그램은 Qt 라이브러리를 사용하여 개발하였다.
강의실제어 시스템을 구현하기 위하여 센서 노드는 하이버스(주) Hmote2420을 사용하였으며, 센서 노드 운영체제는 Contiki를 사용하였다. Contiki 운영체제는 초소형 임베디드 운영체제로서 센서 네트워크 통신을 위 한 Rime 프로토콜과 TCP/UDP 통신을 위한 uIP 프로토콜을 지원하며, 이를 각각 강의실 센서와 강사 센서 간 통신, 강의실 센서와 제어 서버 간 통신 구현에 사용하였다.
본 논문에서 제안하는 시스템 구현시 사용하는 하이버스(주) Hmote2420은 Telos 플랫폼[6]으로, TI MSP430 마이크로 컨트롤러와 CC2420 RF칩을 사용하여 저전력으로 장기간 사용 가능하다. 그림 1은 본 논문에서 사용된 Hmote2420 센서 노드를 보여준다.
본 논문에서 제안하는 시스템 구현에 사용하는 Contiki 운영체제는 거의 대부분 C언어로 기술되어있으며, 이식성이 높고, 멀티태스킹과 효율적인 메모리 관리가 가능한 임베디드 운영체제이다[4]. 2 킬로바이트의 램(RAM)과 40 킬로바이트의 롬(ROM)으로 운영되고, 두 개의 통신 스택인 uIP와 Rime을 지원한다.
이론/모형
두 개 이상의 강의실 센서에서 방송되는 광고 메시지를 수신하는 경우에는 이 중 수신 감도가 큰 강의실 센서에게만 응답함으로써 특정 시간에 한 강의실에만 있음을 보장할 수 있도록 한다. 강사 센서는 강의실 센서와의 통신을 위하여 Rime 통신 프로토콜을 사용한다.
강사 센서에 대한 정보를 획득한 강의실 센서는 현재 강의실 온도와 습도 정보 등을 같이 제어 서버로 전송한다. 강의실 센서는 강사 센서와의 통신을 위하여 Rime 통신 프로토콜을 사용하고, 제어 서버 와의 통신을 위하여 uIP 통신 프로토콜을 사용한다.
성능/효과
12MHz의 클록으로 기존 Mica Mote보다 빠른 성능을 보이며, 메모리 측면에서도 Mica보다 큰 512KB의 플래쉬 메모리와 64KB SRAM을 사용한다. RF 모듈은 Zeevo사의 2.
Contiki 에서 인터넷 프로토콜을 지원하는 uIP 통신 스택을 사용하여 본 논문에서 구현하는 강의실 제어 시스템을 사설망(private network)으로 구성하면 쉽게 인터넷에 연결 가능하다. 즉, 센서 네트워크에서 외부네트워크로 연결하기 위하여 통신 프로토콜을 변환할 필요가 없으므로 보다 효율적인 통신이 가능하다.
각 강의실마다 더미 센서를 추가적으로 배치하면서 강의실 센서에서 제어 서버로 전송되는 LS INFO 메시지 평균 도착률을 측정하였다 DSi (i=l~4)는 각 강의실에 배치된 더미 센서의 수를 의미한다. 각 강의실에 배치된 더미 센서가 1개일 경우 약 76% 정도의 LS INFO 메시지가 제어 서버로 전달되었으며, 강의실 별 더미 센서의 수가 1개씩 추가될 때마다 LS INFO 메시지 도착률은 증가함을 알 수 있다. 강의실 별 더미 센서의 수가 3개 이상일 경우 평균 90% 이상의 LS INFO 메시지 도착률을 보이고 있어 강사의 강의 진행 여부를 판단하는데 무리가 없을 것으로 판단된다.
본 논문에서 제안한 강의실 제어 시스템을 활용하면 강사의 강의 이력 정보를 수집하여 강의실 내 PC, 빔 프로젝터, 전등 등의 장비를 강의에 맞게 효과적으로 운용할 수 있으며, 이는 강사가 장비의 ON, OFF에 작동에 구에 받지 않고 강의에만 전념하여 효과적인 강의가 이루어질 수 있다. 또한, 강의 후 강의 관련 장비를 OFF하지 않고 강의실을 퇴실하는 일이 종종 일어난다.
후속연구
본 논문에서 구현한 강의실 제어 시스템은 장비의 자동 제어로 관리되어 이러한 문제점을 해결하여 경비 절감 효과가 기대되고, 장비의 수명연장이 기대된다. 강의실 제어 시스템을 구현하기 위하여 사용된 센서 네트워크는 위치 추적과 같은 다른 응용 분야로도 연구를 확장할 수 있을 것으로 기대된다.
그러나 이러한 멀티미디어 시스템을 강사가 강의를 진행하면서 동시에 효과적으로 제어하는 것이 쉽지 않다. 따라서 센서 네트워크를 통하여 강사의 강의 이력 정보를 수집하고, 이를 활용하여 강사가 강의실에 들어갈 때 강의실 멀티미디어 시스템을 강의에 적합한 형태로 제어해 주면 효과적인 강의 진행이 가능할 것으로 기대된다.
이는 강의실에 강의가 없는 상황에서도 빔프로젝트, 전등 냉난방기가 계속 가동되고 있음을 의미하며, 전기 등 불필요한 경비지출이 많이 소요된다. 본 논문에서 구현한 강의실 제어 시스템은 장비의 자동 제어로 관리되어 이러한 문제점을 해결하여 경비 절감 효과가 기대되고, 장비의 수명연장이 기대된다. 강의실 제어 시스템을 구현하기 위하여 사용된 센서 네트워크는 위치 추적과 같은 다른 응용 분야로도 연구를 확장할 수 있을 것으로 기대된다.
참고문헌 (11)
Healthcare and Life Sciences, http://www.ibm.com/healthcare.
A. Dunkels, B, Gronvall, and T. Voigt, "Contiki - a lightweight and flexible operating system for tiny networked sensors," In the 29th Annual IEEE Int'l Conference on Local Computer Networks, pp. 455-462, 2004.
Crossbow Inc., http://www.xbow.com.
J. Polastre, R. Szewczyk, and D. Culler, "Telos: Enabling Ultra-Low Power Wireless Research," In The Fourth International Conference on Information Processing in Sensor Networks, Apr. 2005.
J. Hill, R. Szewczyk, A. Woo, S. Hollar, D. Culler, and K. Pister, "System Architecture Directions for Networked Sensors," In the Proceedings of Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems, Apr. 27, 2000.
FreeRTos: http://www.freertos.org.
A. Dunkels, "Full TCP/IP for 8 Bit Architectures," In Proceedings of the First International Conference on Mobile Systems, Applications and Services, May 2003.
A. Dunkels, "Rime - A Lightweight Layered Communication Stack for Sensor Networks," In the 4th European Conference on Wireless Sensor Networks, Apr. 2007.
A. Dunkels, "Protothreads: Simplifying Even-Driven Programming of Memory-Constralned Embedded System," In the 4th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems, Nov. 2006.
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