최근 최첨단 IT 기술을 선도하는 USN은 사회 전반에 걸쳐 활용되고 있다. u-City, u-Home, u-Education, u-Farming 과 같은 다양한 USN 응용 서비스가 진행되고 있으며 도시를 지나 농촌에서도 유비쿼터스 기술이 '제 2의 농업 혁명'을 불러 오고 있다. 유비쿼터스 농업은 가축이나, 농작물 등의 생산 단계에서 USN 기술을 적용해 기온, 습도, 조도와 같은 생육 환경을 최적으로 조성하여 생산성과 안전성을 높이는데 있으며 기존 농업 환경에 많은 변화를 줄 수 있다. 본 논문에서 제안하는 이식형 소형 센서 노드는 센서 네트워크용 SoC(System-on-Chip)을 이용하여 설계하였으며 닭의 흉부에 이식하여 몸체의 체온을 직접적으로 모니터링 할 수 있도록 하였다. 또한 이를 이용한 여러 활용 방안 및 추가적인 고려사항에 대하여 논하였다.
최근 최첨단 IT 기술을 선도하는 USN은 사회 전반에 걸쳐 활용되고 있다. u-City, u-Home, u-Education, u-Farming 과 같은 다양한 USN 응용 서비스가 진행되고 있으며 도시를 지나 농촌에서도 유비쿼터스 기술이 '제 2의 농업 혁명'을 불러 오고 있다. 유비쿼터스 농업은 가축이나, 농작물 등의 생산 단계에서 USN 기술을 적용해 기온, 습도, 조도와 같은 생육 환경을 최적으로 조성하여 생산성과 안전성을 높이는데 있으며 기존 농업 환경에 많은 변화를 줄 수 있다. 본 논문에서 제안하는 이식형 소형 센서 노드는 센서 네트워크용 SoC(System-on-Chip)을 이용하여 설계하였으며 닭의 흉부에 이식하여 몸체의 체온을 직접적으로 모니터링 할 수 있도록 하였다. 또한 이를 이용한 여러 활용 방안 및 추가적인 고려사항에 대하여 논하였다.
Recently, USN technology has been spreaded to all areas of application systems. In addition to urban application systems such as u-City, u-Home and u-Education, u-Farming(ubiquitous farming) technology supports agricultural innovations in the farm. In the u-farming environment for livestock or plant...
Recently, USN technology has been spreaded to all areas of application systems. In addition to urban application systems such as u-City, u-Home and u-Education, u-Farming(ubiquitous farming) technology supports agricultural innovations in the farm. In the u-farming environment for livestock or plant production, key environmental factors i.e. temperature, humidity and luminosity are to be set optimally to increase productivity and safety by applying USN technology. This approach could change agricultural environment. In this paper, we proposed an implantable micro sensor node to be implanted into laying hen to monitor deep body temperature. This sensor node uses SoC(System-on-Chip) designed for USN. In addition to that, we discussed about further considerations on the practical use of proposed sensor node.
Recently, USN technology has been spreaded to all areas of application systems. In addition to urban application systems such as u-City, u-Home and u-Education, u-Farming(ubiquitous farming) technology supports agricultural innovations in the farm. In the u-farming environment for livestock or plant production, key environmental factors i.e. temperature, humidity and luminosity are to be set optimally to increase productivity and safety by applying USN technology. This approach could change agricultural environment. In this paper, we proposed an implantable micro sensor node to be implanted into laying hen to monitor deep body temperature. This sensor node uses SoC(System-on-Chip) designed for USN. In addition to that, we discussed about further considerations on the practical use of proposed sensor node.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
도시뿐 아니라 농촌에서도 첨단의 IT 기술이 접목되며 유비쿼터스 농업(u-Farming)이 ‘제2의 농업혁명’을 불러 오고 있다[1]. u-Farming은 식량작물, 화훼작물, 축산물 등의 생산단계에서 USN 기술을 적용해 생산성을 높이면서 유통, 소비 등을 체계적으로 관리해 안전성을 검증하고 투명화 하는 것을 목적으로 한다.
본 논문에서는 대표적인 센서 네트워크용 SoC인 CC2430을 이용하여 산란계의 체온 감시를 위한 이식형 소형 센서 노드를 설계 하였다.
본 논문에서는 산란계의 흉부에 이식하여 직접적으로 체온을 측정할 수 있는 소형의 무선 센서 노드 설계를 목표로 하며 설계의 주요 요구조건은 다음과 같다.
이에 본 논문에서는 산란계의 몸체에 이식하여 체온을 실시간으로 측정하고 호스트 PC로 전송할 수 있는 이식형 무선 센서 노드의 설계를 제안한다. 이를 위해 프로 세서, RF 모듈, 센서, 메모리 등을 하나의 칩으로 통합한 SoC(System on Chip)를 이용하여 소형 센서 노도를 설계하였으며 운영체제로 TinyOS를 탑재하여 센서 노드의 온도 센서 제어 및 무선 통신을 가능하게 하였다.
제안 방법
설계된 센서 노드의 정확한 온도 측정 실험을 위하여 그림 7과 같이 센서 노드를 라텍스로 포장한 후 저온 순환 수조(Refrigerating Bath Circulator, JEIO TECH, Korea)에 1cm 깊이에 넣고 35℃~40℃까지 1시간 간격으로 1℃ 씩 변화 시키며 측정하였다.
(2) 전력을 공급하는 배터리의 경우, 크기에 따라 용량이 비례하기 때문에 소형의 배터리를 장착하고 센서 노드를 운영하기 위해서는 저전력 설계여야 한다. 센서 노드는 온도 값의 송수신 활동이 필요한 경우에만 동작하고 나머지 시간에는 Sleep 모드로 전환되어 전력소모를 극소화 할 수 있도록 하였다.
설계된 센서 노드를 구동하기위한 운영체제로 Tiny OS를 탑재하였다. 응용프로그램은 NesC로 작성되었으며 CC2430의 온도 센서 제어를 위한 ADC 컴포넌트와 RF 통신 컴포넌트를 연결하여 최종적으로 지정된 주기마다 측정된 온도를 싱크 노드로 전송하도록 하였다. 주요 프로그래밍 소스는 다음과 같다.
이에 본 논문에서는 산란계의 몸체에 이식하여 체온을 실시간으로 측정하고 호스트 PC로 전송할 수 있는 이식형 무선 센서 노드의 설계를 제안한다. 이를 위해 프로 세서, RF 모듈, 센서, 메모리 등을 하나의 칩으로 통합한 SoC(System on Chip)를 이용하여 소형 센서 노도를 설계하였으며 운영체제로 TinyOS를 탑재하여 센서 노드의 온도 센서 제어 및 무선 통신을 가능하게 하였다. 2장에서는 관련 연구로써 SoC 기술 동향과 소형 센서 노드 개발 사례 및 가축을 위한 USN 응용 사례에 대해 기술하고 3장에서는 제안하는 센서 노드의 설계 과정 및 실험에 대해 기술하였다.
대상 데이터
본 논문에서 설계된 소형 무선 센서 노드는 범용으로 사용되는 IEEE 802.15.4/ZigBee 지원 SoC인 TI사의 CC2430을 사용하였다[11]. CC2430은 기존의 CC2420기반에 8Bit 저전력의 8051 MCU 코어, 8KB RAM, Flash 메모리(32/64/128KB), 온도센서를 단일 칩으로 제공하여 설계에 있어서 최적의 환경을 제공하였다.
센서 노드 설계에 필요한 회로도, PCB, 소자의 용량은, TI에서 제공하는 CC2430EM 레퍼런스 디자인 노트를[13] 참고하였으며, 작성 툴로는 Altium 디자이너를 이용하였다. 작성된 회로도와 PCB 설계도는 그림 4와같다.
센서 노드로부터 송신된 온도 값을 수집하고 호스트 PC로 전송하는 싱크 노드는 그림 6의 (1)과 같이 하이버스사의 Hmote2430mini를 사용하였다. 그림 6의 (2)에 나타낸 디버그 보드와 결합되며 RS-232 인터페이스를 이용하여 PC와 통신하게 된다.
이론/모형
통신 프로그램은 윈도우에서 기본적으로 제공하는 하이퍼터미널을 이용하였다. 패킷 수신 화면은 그림 8과같다.
성능/효과
전체적으로는 35~40℃까지 온도 변화에 따라 출력전압이 일정하게 증가하는 것을 볼 수 있다. 그러나 측정된 샘플들에서 편차가 보이며 이는 CC2430의 내부 온도 센서의 특성으로 보인다.
후속연구
그러나 측정된 샘플들에서 편차가 보이며 이는 CC2430의 내부 온도 센서의 특성으로 보인다. 따라서 실제 환경에서 산란계의 체온 측정을 위해서는 이러한 오차를 줄이는 방안이 추가적으로 고려되어야 할 것이다.
이에 비슷한 환경인 수조에서의 실험 결과로 온도 변화에 따른 출력 전압의 증가를 확인할 수 있었으나 내부 온도 센서의 특성에 따른 오차가 포함되어 실제 닭의 몸체에 이식하기 위해서는 보다 성능이 좋은 외부 온도센서를 장착하고 데이터의 보정이나 체내의 전파 특성에 맞는 내부 안테나 설계가 필요하다. 또한 측정된 데이터를 활용하여 닭의 체온 변화에 따른 환기, 조명, 난방 등의 조치를 취할 수 있는 응용 시스템에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
닭의 체내는 근육과 지방, 수분들과 같이 통신을 방해 하는 수많은 매질로 구성되어 있기 때문에 자유 공간의 전파 특성과 달리 신호가 감쇄되어 닭의 크기, 체중, 움직임에 따라서도 신호가 변화할 수 있다. 이에 비슷한 환경인 수조에서의 실험 결과로 온도 변화에 따른 출력 전압의 증가를 확인할 수 있었으나 내부 온도 센서의 특성에 따른 오차가 포함되어 실제 닭의 몸체에 이식하기 위해서는 보다 성능이 좋은 외부 온도센서를 장착하고 데이터의 보정이나 체내의 전파 특성에 맞는 내부 안테나 설계가 필요하다. 또한 측정된 데이터를 활용하여 닭의 체온 변화에 따른 환기, 조명, 난방 등의 조치를 취할 수 있는 응용 시스템에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
u-Farming의 목적은?
도시뿐 아니라 농촌에서도 첨단의 IT 기술이 접목되며 유비쿼터스 농업(u-Farming)이 ‘제2의 농업혁명’을불러 오고 있다[1]. u-Farming은 식량작물, 화훼작물, 축산물 등의 생산단계에서 USN 기술을 적용해 생산성을 높이면서 유통, 소비 등을 체계적으로 관리해 안전성을 검증하고 투명화 하는 것을 목적으로 한다.
SoC와같은 원칩화의 기대효과는?
일반적으로 SoC와같이 원칩화가 이뤄지면 보드의 사용 면적이 줄어들어 시스템의 소형화 설계뿐만 아니라 전력 소모 절감도 기대할 수 있다. 또한 소형화 설계에 따라 이식형이나, 웨어러블 컴퓨팅 등 다양하게 활용될 수 있기 때문에 SoC를 이용한 소형 무선 센서 노드의 연구가 국내외로 활발히 진행되고 있다[4].
소형의 무선 센서 노드 설계 주요 요구 조건은?
(1) 산란계의 몸체에 이식하기 위해서는 센서 노드의 크기가 매우 작아야 하며 이를 위해서는 설계에 필요한 소자들의 크기가 소형이어야 하고, 필요 이상의 부품을 줄여야 한다. 이를 위해 MCU와 RF 모듈, 센서 등을 원칩 화한 SoC와 기타 소자들은 표면실장소자(SMD : Surface Mounted Device)를 사용하였다.
(2) 전력을 공급하는 배터리의 경우, 크기에 따라 용량이 비례하기 때문에 소형의 배터리를 장착하고 센서 노드를 운영하기 위해서는 저전력 설계여야 한다. 센서 노드는 온도 값의 송수신 활동이 필요한 경우에만 동작 하고 나머지 시간에는 Sleep 모드로 전환되어 전력소모를 극소화 할 수 있도록 하였다.
(3) USN 환경을 위한 무선 통신 프로토콜로는 2.4GHz ISM 대역의 IEEE 802.15.4를 사용하며, 센서 노드의 운영체제로는 TinyOS를 탑재하여 네트워크 형성, 체온 측정 및 송수신, 그리고 기타 응용을 할 수 있도록 한다.
Valdastri. P, Menciassi. A, "Transmission Power Requirements for Novel ZigBee Implants in the Gastrointestinal Tract", IEEE Trans. vol. 55, pp. 1705-1710, 2008.
Kyung Jun Choi, Jong In Song, "A Miniaturized Mote for Wireless Sensor Networks" Advanced Communication Technology(ICACT. 08), vol. 1, pp. 514-516, 2008.
Klapproth. A, Bissing. S, Venetz. M, "Design of a versatile lowcost IEEE802.15.4 module for long term battery operation", 1st EuZDC, 2007
Chulsung Park, Chou. P.H, "Eco: ultra-wearable and expandable wireless sensor platform", BSN 2006, pp. -165, 2006.
부경양돈농협, "부경양돈 21", 통권 제 115호, 2009.
서정택 외 4명, "USN을 이용한 암소 발정감지 시스템" 한국정보과학회, 제36권, 제2호, pp. 181-186,2009.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.