[논문]건물 용도별 무선계측 최적 전파강도 산정을 위한 실험적 연구

이정재; 최석용; 조수

건물 용도별 무선계측 최적 전파강도 산정을 위한 실험적 연구
An Experimental Study for Optimal RF Output Power Estimation of Wireless Sensor Network 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.21 no.8, 2009년, pp.462 - 467

이정재 (동아대학교 건축학부) , 최석용 ((주)그린테크) , 조수 (한국에너지기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Researches and developments on BEMS are performed world-widely through sustainable management in various conditions. However, there are many obstacles to adapt the system in existing buildings because it needs highly expensive equipments, which are designed for newly built buildings, to install. Therefore, there are numerous limits exist when applying the BEMS in established buildings. The purpose of this study estimates the optimization of RF output power in WSN(Wireless Sensor Networks), which is the essential technology to develop PEMS. The results of this study is as follows ; 1) Applying WSN technique in buildings was possible. 2) As RF output power increases, the number of relay node reduced, therefore, the WSN showed more stability. 3) When estimating optimal RF output power in school, it should be considered between the number of relay node and RF output power. 4) Considering battery consumption and possibility of reception, the best suited RF output power is -20dbm in apartment house.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

PEMS의 목적은 기존 BEMS와는 달리 건물의 운영단계에서 낭비되는 에너지를 절약하기 위해 거주자에게 환경 및 에너지정보를 제공하여 스스로가 에너지절약을 실천하는 것으로 WSN기술을이 용하여 기 존건물 및 신축건물 등 설치장소에 제약 없이 보다 쉽게 적용 가능한 장점이 있다. 현재 WSN기술은 미국과 일본을 중심으로 급속도로 발전하고 있으며, 여러분야에 적용되고 있다.
건물 용도별 WSN의 무선계측 최적화를 위한 최적 전파강도 산정 및 그에 따른 중계노드 적용과 네트워크 경로설정상태를 확인하기 위해 실험을 실시하였다.
건물 용도별 WSN의 무선계측 최적화를 위한 최적 전파강도 산정 및 그에 따른 중계노드 적용과 네트워크 경로설정상태를 확인하기 위해 실험을 실시하였다.
본 연구에서는 PEMS 제안 및 개발방안에 관한 연구(3)와 시작품 구축 및 기초실험(4)을 통해 산출된 결과를 토대로 PEMS의 건물 용도별 최적 적용을 위한 무선계측 최적 전파강도 산정을 위한 실험을 진행하였으며, 향후 PEMS 모니터링시스템 구축을 통해 PEMS 적용에 따른 에너지 절약 가능성을 실험을 통해 검증하고자 한다.
본 연구에서는 PEMS의 핵심 요소기술인 WSN 의 기초실험 및 현장적용을 통해 PEMS 구축을 위한 무선 계측기술의 최적화에 관한 실험을 진행하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
다. 본 연구에서는 요소기술 및 사용자 정책이 건물 에너지 절감에 미치는 기여도 분석을 위한 연구⑸를 바탕으로 사용자의 자발적 참여를 높이기 위해 사용자에게 실시간으로 에너지정보를 제공하는 직접적 피드백방식을 이용하여 PEMS을 구축 하고자 한다. 따라서 PEMS는 WSN기술을 기반으로 무선 센서모듈 및 웹 기반 데이터베이스 그리고 직접적 피드백 방식을 위한 실시간 에너지 모니터링시스템으로 구성된다.
통해 수집 . 전송하고, 서버컴퓨터를 통해 전달된 정보를 시각화 등의 처리를 통해 사용자가 보다 편리하고 안정적인 생활을 도모할 수 있도록 서비스를 제공하는 것에 목적이 있다. 전체적인 시스템은 사용자가 원하는 정보를 측정하는 센서 관련 기술, 정보전달을 위한 네트워크기술, 전달된 정보를 사용자에게 서비스하기 위한 응용기술로 크게 3가지로 구성된다.

제안 방법

WSNe 센서의 기능을 가진 노드들이 무선중계기 (AP, Access Point) 없이 자율적으로 망을 구성하여 환경정보를 수집하며, 이러한 정보를 미들웨어를 통해 수집 . 전송하고, 서버컴퓨터를 통해 전달된 정보를 시각화 등의 처리를 통해 사용자가 보다 편리하고 안정적인 생활을 도모할 수 있도록 서비스를 제공하는 것에 목적이 있다.
센서구성은 온열환경 측면에서 온도 및 습도 센서 이외 에 공기질 측면에서 실내의 필요 환기량을 결정하기 위한 주요 환경인자인 이산화탄소센서를, 건물의 전력에너지 소비량의 40% 차지하는 조명설비를 효과적으로 운영하기 위해 조도센서를 추가로 선정하여 센서조합을 구성하였다. 중계 노드의 경우 단순히 정보를 전달하는 역할만을 수행하도록 구성하였으며, 중계노드에 사용된 무선 모듈 부는 센서노드에 사용된 것과 동일하다.
시작품 적용을 통한 WSN의 무선계측을 위한 최적 전파강도를 확인하기 위해 monitoring room 에 모니 터 시스템을 설치 하고 센서노드는 201번부터, 중계노드는 301번부터 노드번호를 부여하여각 실에 하나의 센서노드를 설치한 후 수신 여부를 확인한다. 수신이 불가능한 경우 중계 노드를 설치하며, 중계노드 최소사용을 위해 중계 노드 수를 순차적으로 늘여가며 건물 내 모든 센서 노드를 수신가능상태로 설정한다.
단순히 각 실에 센서노드만을 설치한 경우 201, 202 노드를 제외한 나머지 센서 노드의 수신은 불가능 하였다. 이를 극복하고 모든 실에 설치되어 있는 센서노드의 무선센서 네트워크가 가능하도록 중계노드를 배치하였다. 동시에 중계 노드의 최소 사용을 위해 중계노드 설치 위치를 수차례 이동시켜 최적의 위치에 배치한 결과 각 실에 배치되어 있는 모든 센서노드간의 무선네트워크를 가능하게 하기 위해서는 Fig.
전송하고, 서버컴퓨터를 통해 전달된 정보를 시각화 등의 처리를 통해 사용자가 보다 편리하고 안정적인 생활을 도모할 수 있도록 서비스를 제공하는 것에 목적이 있다. 전체적인 시스템은 사용자가 원하는 정보를 측정하는 센서 관련 기술, 정보전달을 위한 네트워크기술, 전달된 정보를 사용자에게 서비스하기 위한 응용기술로 크게 3가지로 구성된다.

대상 데이터

2(a)에 나타난 바와 같이 학교건물은 D 대학으로 총 22개의 실로 구성되어 있으며 건물 중앙에 중정이 위치하고 있다. 공동주택은 부산시에 위치한 W아파트 건물로 단위세대의 바닥면적은 89.1 rrf이며, 총 4개의 실로 구성되어 있다.
수신이 불가능한 경우 중계 노드를 설치하며, 중계노드 최소사용을 위해 중계 노드 수를 순차적으로 늘여가며 건물 내 모든 센서 노드를 수신가능상태로 설정한다. 전파강도 범위는 건축 재료별 수신거리 실험에 의해 산출된 결과를 토대로 0~ -25dbm 중 건물에서 적용가능성이 높은 0~ -15dbm 선정하여 실험을 진행한다. 무선 센서 네트워크 데이터 수신간격은 3초로 설정하였으며 수신가능 여부는 10분간 데이터가 연속적으로 수신될 경우 수신가능으로 판단한다.

성능/효과

1) 실내에 위치하는 모든 센서노드에서 획득한 데이터가 중계노드를 거처 모니터링시스템에 원활히 전달되는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 PEMS의 중요기술인 WSNe건물 내 적용이 가능한 것으로 판단된다.
2) 전파강도가 증가할수록 중계노드의 수는 감소하며, 센서노드간 데이터 송수신 증가는 전체 무선센서 네트워크에서 단일 센서 노드에 대한 의존도가 높아짐을 의미한다. 따라서 전파강도가 증가할수록 무선센서 네트워크가 안정적일 것으로 판단된다.
3) 학교건물의 최적 전파강도의 경우 중계 노드사용개수와 배터리 소모량의 관계를 고려하여선 정할 필요가 있다.
4) 공동주택의 경우 중계노드의 사용은 불필요하며, 배터리 소모량과 수신 가능성을 고려한 결과 최적 전파강도는 -20dbm으로 나타났다.
4에 주목하면 전파강도의 범위가 Odbm~-20dbm 일때 센서노드의 수신은 중계노드의 사용 없이도 가능한 것으로 나타났지만 -25dbm의 경우에는 중계 노드를 사용하여도 센서노드 수신은 불가능하였다. 따라서 배터리 소모량과 수신 가능성을 고려한 결과 공동주택의 경우 최적 전파강도는 -20dbm으로 나타났다.
중계노드의 수는 감소한다. 또한, 전파강도가 증가할수록 정보전달시 센서노드 간의 중계보다는 센서노드와 중계노드 간의 중계에 의존하는 것을 확인할 수 있다.
상기결과를 토대로 분석하면 전파강도가 증가할수록 중계노드의 수는 감소한다. 또한, 전파강도가 증가할수록 정보전달시 센서노드 간의 중계보다는 센서노드와 중계노드 간의 중계에 의존하는 것을 확인할 수 있다.
전파강도별 중계노드의 위치를 조정함으로써 실내에 위치하는 모든 센서노드에서 획득한 데이터가 중계 노드를 거처 모니터링시스템에 원활히 전달되는 것을 확인할 수 있어, PEMS의 핵심 요소기술인 WSN의 건물 내로의 적용이 가능한 것으로 판단된다.

참고문헌 (9)

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Kolokotsa, D., Kolokotsa, K., 2005, Implementation of an integrated indoor environment and energy management system, energy and buildings

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Wang An-Ping, Hsu Pau-Lo, 2008, The network-based energy management system, Energy and Buildings Vol. 40, pp. 1437-1445

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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