[논문]다중센서를 이용한 무선센서네트워크시스템에서의 효율적인 측정데이터 신뢰성 향상 방법

이상신; 송민환; 원광호; 김중환

문제 정의

본 연구에서는 2008년 10월부터 약 1년간 진행된 실험에서 얻어진 정보를 이용하여 다중센서를 이용한 무선센서네트워크 시스템에서 센싱 정보의 신뢰성 향상에 대한 검증을 수행하였다. 축적된 데이터베이스에 질의와 질의 결과에 대한 전수 검사를 통한 검증을 수행한 결과, 총 360일중 안개센서 측정값이 정상범위를 벗어난 경우는 총 129일에서 발생하였으며 이 경우 112회에서 안개 센서 값이 정상임을 확인하였고 남은 17회의 경우에서 12번은 센서의 오동작임을 확인하였고 5 번은 실제 이상동작인 경우였지만 확인에 실패하였다.
본 연구에서는 무선센서네트워크를 통해 도로 상태를 모니터링하기 위한 지능형 도로 모니터링시스템에서 측정된 데이터의 유효성을 판단하고 비정상적인 측정값에 대하여 서로 다른 종류의 다중 센서를 이용하여 검증함으로써 측정된 데이터의 신뢰도를 향상 시키는 방법을 제안하고 강원도 대관령 일대에 설치된 지능형 모니터링 시스템을 이용하여 제안된 방법의 유효성을 검증하였다.

제안 방법

센서 (S)를 기본으로 사용한다. 그리고 가시거리 센서의 오작동 및 신뢰성 향상을 위하여 안개와 밀접한 관계를 가지는 온도(&), 조도(S3), 및 습도(&) 센서를 이용한다.
본 논문에서 제안한 다중센서를 이용한 무선센서 네트워크 시스템에서의 센싱 정보의 신뢰성을 높이는 방법은 센서네트워크상에서 발생할 수 있는 센서의 동장 환경 및 상황에 따른 오동작을 검지하는 역할을 수행한다. 이러한 기능은 산불모니터링, 도로상태 모니터링과 같이 원격에서 상황을 모니터링하여 상황에 따라 특정한 조치를 취하는 시스템에서 신뢰도가 떨어지는 데이터에 의해 불필요한 조치가 취해지는 것을 방지하는데 도움을 줄 수 있다.
본 연구에서는 취득한 데이터를 노드 자체 연산을 통해, 이 벤트의 발생 여부를 추출하고 무선 센서네트워크를 통해 전송하는 방법을 사용하였다. 이러한 방법은 센서 네트워크 전체에서 전송해야 하는 데이터량을 감소시켜 센서 네트워크의 라이프타임을 극대화하는 효과를 유발한다.
시스템으로 구성되어 있다. 센서 노드는 그림 3과 같이 야외에 설치되기 때문에 다양한 온도에서 동작할 수 있도록 3.6V의 Li-SOC₁₂ 배터리를 사용하였으며 sleep시 luA 미만의 대기 전류만을 소모하도록 저전력으로 설계하여 동작 가능 시간을 비약적으로 늘림으로써 야외에서의 배터리 교환에 대한 부담을 덜 수 있도록 하였다.

대상 데이터

상황에 대한 정보를 나타낸다. 데이터는 2008 년 12월 18일 24시간 동안 취득된 정보를 보여준다. 조도 센서의 값은 일출과 동시에 급격한 상승을 보이며 안개에 맞추어 떨어지는 패턴을 보인다.
그림 7은 맑은 겨울 날씨의 도로 상황에 대한 정보를 나타낸다. 데이터는 2008년 12월 14일 24 시간 동안 취득된 정보를 보여준다. 조도 센서의 값은 일출과 동시에 급격한 상승을 보이며 일몰에 맞추어 급격히 떨어지는 패턴을 보인다.
본 연구에서 사용한 가시거리 센서는 Opticalsensors 사의 miniOFS로 고가의 장비가 사용되었다. 그러나 이러한 고가의 장비를 이용하여 정보를 취득하더라도 사용하는 환경 및 상황에 따라 잘못된 정보를 획득하는 경우가 발생할 수 있다.

데이터처리

이 경우는 본 연구에서 제안한 다중 센서 기반의 데이터 유효성 검사 모델에 등록된 안개 센서의 이상 동작범위에 포함되어 온도, 습도, 및 조도 센서의 측정 값을 이용하여 상호검증을 실시하였다. 실시한 결과 온도, 조도, 및 습도 센서들의 상호 상관관계가 정상으로 판단되어 안개센서의 동작이 오류를 보였음을 확인할 수 있었다.

이론/모형

&, - , &)를 정의한다. 각 정의된 센서가 가지는 측정값이 특정한 범위에 속해 특별한 특성 (attribute)을 가지는 경우 그 측정 값의 신뢰도를 향상시키기 위해 다른 센서를 적용한 상호검사(cross-check) 규칙을 적용한다. 위의 그림 2 에서와 같이 특징 尸1을 위해 사용된 센서 Si의 측정값이 특별한 특성(attribute)인 瓦也의 결과를 나타낼 경우 추가적인 상호검사가 필요하며 이를 위해 센서 &와 S3를 사용함으로써 Si의 측정 결과의 신뢰도를 향상 시킬 수 있다.
다중센서를 이용한 데이터의 유효성 검사는 그림 2와 같은 다중센서기반의 데이터 유효성 검사모델을 이용하여 수행한다.

성능/효과

온도 상승에 따라 상대적으로 상대 습도의 곡선이 하강하는 반비례 현상을 볼 수 있다. 겨울철 맑은 날씨에 해당하는 데이터의 확인을 위해 사용한 안개(가시거리)센서의 값은 센서가 측정 가능한 최대 거리인 4000m로 나타났으며 변화가 감지되지는 않았다. 또한 각 센서들의 측정된 정보 및 이를 이용한 상황 정보 label 의 결과를 검증하기 위해 사용한 이미지 센서의 결과를 통해 맑은 날씨에 해당하는 영상 정보를 확인할 수 있었다.
축적된 데이터베이스에 질의와 질의 결과에 대한 전수 검사를 통한 검증을 수행한 결과, 총 360일중 안개센서 측정값이 정상범위를 벗어난 경우는 총 129일에서 발생하였으며 이 경우 112회에서 안개 센서 값이 정상임을 확인하였고 남은 17회의 경우에서 12번은 센서의 오동작임을 확인하였고 5 번은 실제 이상동작인 경우였지만 확인에 실패하였다. 따라서 70.5%의 비 정상동작을 정정하는 결과를 얻었다.
겨울철 맑은 날씨에 해당하는 데이터의 확인을 위해 사용한 안개(가시거리)센서의 값은 센서가 측정 가능한 최대 거리인 4000m로 나타났으며 변화가 감지되지는 않았다. 또한 각 센서들의 측정된 정보 및 이를 이용한 상황 정보 label 의 결과를 검증하기 위해 사용한 이미지 센서의 결과를 통해 맑은 날씨에 해당하는 영상 정보를 확인할 수 있었다.
실시한 결과 온도, 조도, 및 습도 센서들의 상호 상관관계가 정상으로 판단되어 안개센서의 동작이 오류를 보였음을 확인할 수 있었다. 이와 반대로 위의 그림 9에 표시된 B에 해당하는 구간에서는 안개센서의 값이 이상 동작범위에 포함되어 상호 검증을 실시한 결과 온도, 조도, 및 습도의 상관관계가 안개 발생 상황을 지지하는 결과를 나타내었다.
축적된 데이터베이스에 질의와 질의 결과에 대한 전수 검사를 통한 검증을 수행한 결과, 총 360일중 안개센서 측정값이 정상범위를 벗어난 경우는 총 129일에서 발생하였으며 이 경우 112회에서 안개 센서 값이 정상임을 확인하였고 남은 17회의 경우에서 12번은 센서의 오동작임을 확인하였고 5 번은 실제 이상동작인 경우였지만 확인에 실패하였다. 따라서 70.

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