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문제 정의
- 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서 온·습도 센서가 내장된 다수의 무선 센서 노드를 대상 공간의 특정 위치마다 배치시키고, 자율적으로 네트워크를 구성하도록 하여 실시간으로 대상 공간의 온·습도를 감지하는 실시간 온·습도 기록 및 모니터링 시스템을 제안한다.
- 본 장에서는 일정 공간의 온·습도 정보를 수집, 저장 및 분석하는 시스템을 구성하는 요소들 및 관련 기술들에 대하여 알아본다.
제안 방법
- 구성의 주요 요소들로는 정보 수집 및 전송의 근간을 이루는 유비쿼터스 센서 네트워크[1], 데이터 전송을 위한 무선 통신 방식인 지그비(Zigbee)를 들 수 있으며[2～4], 본 논문에서 소개하는 온·습도 기록 및 모니터링 시스템과 유사한 기능을 제공하는 Crossbow사의 MoteView라는 모니터링 프로그램에 대하여 소개한다[5].
- 본 논문에서는 먼저 본 시스템에 적용된 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)에 대해 알아보고, 데이터를 측정하는 무선 센서 노드, 각각의 무선 센서 노드에서 측정된 데이터를 서버로 전송하기 위한 라우팅 기법, 취합된 데이터를 모니터링 하는 서버의 응용프로그램 등 시스템의 각 구성에 대한 동작 및 기능을 설명한다. 또한, 제안 시스템의 실제 환경의 적용 결과를 기반으로 하여 본 시스템의 안정성을 분석하고 향후 보완해야 할 사항 들을 정리한다.
- 본 연구에서 개발한 시스템의 기본 구성도가 그림 4에 도식되어 있는데, 다수의 센서 노드의 집합인 센서 필드와 데이터를 저장 관리하는 서버 부분으로 구성되어 있다. 센서 필드는 온·습도를 감지하는 다수의 센서 노드들이 관리 대상 공간에 독립적으로 배치되어 각 센서가 감지한 데이터를 서버와 연결된 수집 노드로 전송하도록 센서 네트워크를 형성한다.
- 앞서 제시한 그림 4의 본 시스템의 구성도의 센서 노드는 목적에 맞는 어떠한 센서 노드도 적용이 가능하지만, 본 연구에서는 Zigbex∥ 모듈(한백전자, 대한민국)을 사용하였다. 다음 그림 5와 그림 6은 Zigbex∥의 외형 구성과 내부 블록도를 나타내고 있다.
- 이러한 프로그램들의 대부분은 센서 노드를 제작 및 판매하는 기업에서 센서 노드의 사용자에게 제공되는 것으로 상용 프로그램에 해당된다. 본 시스템의 응용프로그램은 앞서 언급한 상용 프로그램들이 제공하는 다양한 기능들을 바탕으로 온도 및 습도를 실시간으로 감지하고 저장 및 분석하는 목적과 사용자 요구에 적합하도록 설계를 하였다. 시스템의 응용 프로그램의 구성은 그림 8과 같이 센서필드의 수집 노드로부터 데이터를 수신하는 Serial 통신부분, Data의 Parsing 및 Logging 부분, 그리고 Graph View 및 Table View를 제공하는 Display 부분으로 나뉜다.
- 시스템을 구현하기 위하여, 센서 노드 3개와 수집 노드 하나로 센서 필드를 구성하고 각 노드에는 Tree 라우팅을 수행하는 프로그램을 Load하였다. 수집 노드는 시리얼 케이블을 통하여 서버와 연결되고 서버의 모니터링 프로그램을 통해 각 센서 노드에서 측정한 데이터를 확인 할 수 있다.
- 본 연구에서 개발한 시스템은 생화학 물질을 다루는 분야, 온도와 습도에 민감한 고가의 장비를 관리하는 곳, 온도와 습도가 심각한 영향을 미치는 실험실과 같은 곳에서 보다 안전하고 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있도록 해당 공간의 온·습도를 정밀하게 관리하는 수단을 제공한다.
- 응용프로그램 개발은 자바 플렛포옴, JavaFX, PHP, JavaScript 및 C/C++등을 이용하여 Web, 기업시스템, 데스크탑 컴퓨터 및 모바일 응용 등의 개발이 손쉽도록 하는 오픈소스 개발환경(IDE: Intergrated Development Environment) 및 응용 플렛포옴으로 구성된 NetBeans IDE 환경에서 이루어졌다. 또한 Protocol의 분석을 위하여 Serialtest (Frontline Test Equipment, Inc., Charlottesville, Virginia, 미국)를 사용하였고, 다양한 버전의 마이크로소프트 윈도우에서 유닉스 시스템과 유사하게 동작하도록 한 Cygwin 에뮬레이터를 활용하였으며, 아트멜 사에서 개발된 하버드 구조의 8비트 RISC 단일칩 마이크로컨트롤러인 Atmel AVR의 도구를 활용하였다. 데이터를 저장하고 필요에 따라 읽어내기 위한 Database 시스템은 MySQL을 사용하였다.
대상 데이터
- 이러한 SHT11 센서 모듈은 본 시스템을 구성하는 다수의 센서 노드에 개별적으로 장착이 되어 있다. 또한, Zigbex∥에 내장된 RF 통신 칩으로는 CC2420(Chipcon, 노르웨이)가 사용되었다. CC2420은 저전력 무선통신 칩으로 라디오 인터페이스의 전원을 off 시킬 수 있는 sleep기술을 제공함으로써 전력소모를 줄여주는 장점을 가지고 있다.
이론/모형
- 센서 네트워크에 적용하기에 적합한 대표적인 기법으로 AODV(Ad-hoc On-Demand Distance Vector) 라우팅 기법이 있지만, 이 기법에서는 데이터 전송이 요청 될 때마다 경로를 탐색하므로 불필요한 에너지가 소모된다[9]. 따라서 이러한 단점을 극복하기 위한 라우팅 기법으로 Tree 라우팅 방식을 본 시스템에 적용하였다 (그림 7).
성능/효과
- 각 무선 센서 노드에서 감지한 온·습도 데이터는 유비쿼터스 센서 네트워크(USN: Ubiquitos sensor network)를 통하여 서버로 전송되어 구축된 데이터베이스에 저장이 되며, 저장된 데이터는 동시에 서버의 화면을 통하여 모니터링 되고 추후 사용자가 다양한 분석을 통하여 이를 정보화 할 수 있다. 또한, 서버의 응용프로그램을 통해 사용자가 특정 공간에서 유지하고자 하는 적정 온도와 습도 값을 설정할 수 있으며, 실제 측정된 값이 사용자가 설정한 값의 범위를 일정 이상 이탈할 경우 이를 실시간으로 알림으로써 대상 공간의 환경을 효과적으로 관리 할 수 있다. 즉, 기존의 수동적인 시스템에서 자동적인 시스템으로 전환을 통해 사용자는 편리하고 안정적으로 대상 공간을 관리할 수 있으며, 저장된 데이터를 이용하여 온도와 습도가 일정하게 유지되지 못하여 발생한 문제점에 대한 사후 분석 및 개선에 필요한 정보를 얻을 수 있다.
- 실제 시스템을 동작시키면서 정밀 실험용 온·습도계의 값과 시스템에서 수집한 데이터를 비교한 결과, 온도는 약 ±2℃, 습도는 약 ±5%의 차이가 발생함을 관찰할 수 있었다.
후속연구
- 각 무선 센서 노드에서 감지한 온·습도 데이터는 유비쿼터스 센서 네트워크(USN: Ubiquitos sensor network)를 통하여 서버로 전송되어 구축된 데이터베이스에 저장이 되며, 저장된 데이터는 동시에 서버의 화면을 통하여 모니터링 되고 추후 사용자가 다양한 분석을 통하여 이를 정보화 할 수 있다.
- 본 논문에서는 먼저 본 시스템에 적용된 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)에 대해 알아보고, 데이터를 측정하는 무선 센서 노드, 각각의 무선 센서 노드에서 측정된 데이터를 서버로 전송하기 위한 라우팅 기법, 취합된 데이터를 모니터링 하는 서버의 응용프로그램 등 시스템의 각 구성에 대한 동작 및 기능을 설명한다. 또한, 제안 시스템의 실제 환경의 적용 결과를 기반으로 하여 본 시스템의 안정성을 분석하고 향후 보완해야 할 사항 들을 정리한다.
- 온도 및 습도 값이 그래프로 출력되는 부분에는 현재 센서 필드를 구성하는 센서 노드의 리스트를 각각 다른 색상으로 확인 할 수 있으며, x축은 시간을 y축은 온도와 습도의 값을 나타낸다. 또한 저장된 데이터를 이용하여 일정 기간에 대한 온도와 습도 변화를 표현할 수 있어 차후에 온도와 습도 변화 상황을 손쉽게 분석할 수 있다. 그림 10은 Graph 패널의 구현 결과를 나타내고 있다.
- 실제 시스템을 동작시키면서 정밀 실험용 온·습도계의 값과 시스템에서 수집한 데이터를 비교한 결과, 온도는 약 ±2℃, 습도는 약 ±5%의 차이가 발생함을 관찰할 수 있었다. 즉, 본 연구에서 사용한 SHT11 센서는 온도 및 습도 변화에 대한 반응 속도가 느리고 정밀도가 떨어지는 문제점이 있다. 따라서, 센서의 선택은 사용자의 목적과 기대에 부응할 수 있는 수준의 반응 속도 및 정밀도를 갖는 제품을 선택하여야 한다.
- 다만, 그림 13에 나타난 바와 같이 현실적으로 발생될 수 없는 온도 및 습도의 급격한 변화를 관찰할 수 있는데, 이는 해당 센서 노드의 전력이 방전되기 직전에 발생된 데이터이다. 본 시스템에 센서 노드들의 전력량을 관리할 수 있는 기능을 추가한다면 이와 같은 문제를 예방할 수 있을 것이며, 일반적으로 그림 13에서와 같은 급격한 온도 변화가 발생하지 않는 경우라면 이러한 데이터를 제외함으로서 간단히 해결이 가능하다.
- 사용자는 개발 시스템을 사용함으로써 대상 공간의 온도와 습도 관리 조건을 설정하고, 실시간으로 이상 여부를 파악할 수 있으며, 문제 발생 시 이에 즉각 대응이 가능할 수 있다. 또한, 사후에 온도 및 습도에 의한 원인 여부의 분석을 효과적으로 수행 할 수 있으며, 저장된 데이터를 구체적으로 분석하고 정보화하여 온도 및 습도 관리 공간의 개선에 대한 계획 수립과 기타 문제 발생을 사전에 예방 할 수 있을 것이다. 더불어, 무선 센서 노드는 탈착이 용이함으로 작업 공간 내에서의 장비 및 작업 위치의 재배치에 대한 관리 체계의 재구성 등에 있어 편리성, 비용절감, 미관 유지 등의 장점을 제공한다.
- 더불어, 무선 센서 노드는 탈착이 용이함으로 작업 공간 내에서의 장비 및 작업 위치의 재배치에 대한 관리 체계의 재구성 등에 있어 편리성, 비용절감, 미관 유지 등의 장점을 제공한다. 나아가, 본 연구에서 개발한 시스템을 확장하여 다양한 센서 정보 수집을 수행하는 시스템들과 궁극적 융합을 통해 방범, 방재, 환경, 제어 등 모든 응용 분야에 있어서 시간과 장소에 관계없이 다양한 관련 정보를 취득하여 적절한 제어를 통해 편리하고 안전한 환경을 보장함과 동시에, 각종 사고 발생 시 신속하게 대처하는 등의 효율적인 환경 관리 방법을 제공할 수 있다.
- 본 연구에서 사용하고 있는 하드웨어적 문제점은 센서 노드의 전력 관리가 어렵다는 것이다. 따라서 전자식 전력량계와 센서 노드 모듈을 결합하여 전력 소요량을 측정할 수 있다면 센서 노드의 전력 중단으로 발생할 수 있는 문제점을 보완 할 수 있을 것이다. 또한, 본 시스템의 모니터링 프로그램은 센서 노드의 위치를 확인 할 수 있는 기능이 결여되어 있는데, 많은 수의 센서 노드를 갖는 시스템을 구축해야 하는 곳에서의 활용성을 높이기 위해서는 이러한 기능이 추가되어야 할 것이다.
- 따라서 전자식 전력량계와 센서 노드 모듈을 결합하여 전력 소요량을 측정할 수 있다면 센서 노드의 전력 중단으로 발생할 수 있는 문제점을 보완 할 수 있을 것이다. 또한, 본 시스템의 모니터링 프로그램은 센서 노드의 위치를 확인 할 수 있는 기능이 결여되어 있는데, 많은 수의 센서 노드를 갖는 시스템을 구축해야 하는 곳에서의 활용성을 높이기 위해서는 이러한 기능이 추가되어야 할 것이다. 본 시스템을 적용할 환경에 따라 사용자 요구가 달라질 수 있으므로 요구에 따른 시스템 환경 설정이 용이하도록 기능을 확장 하거나, 모바일 기기 및 웹을 통한 적용으로 그 범위를 확장하는 것 또한 더 연구해 볼 필요가 있다.
- 또한, 본 시스템의 모니터링 프로그램은 센서 노드의 위치를 확인 할 수 있는 기능이 결여되어 있는데, 많은 수의 센서 노드를 갖는 시스템을 구축해야 하는 곳에서의 활용성을 높이기 위해서는 이러한 기능이 추가되어야 할 것이다. 본 시스템을 적용할 환경에 따라 사용자 요구가 달라질 수 있으므로 요구에 따른 시스템 환경 설정이 용이하도록 기능을 확장 하거나, 모바일 기기 및 웹을 통한 적용으로 그 범위를 확장하는 것 또한 더 연구해 볼 필요가 있다.
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