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무선센서 네트워크를 이용한 가축생육환경정보 실시간 모니터링 시스템 구현
Implementation of Real-Time Monitoring System for Livestock Growth Environment Information using Wireless Sensor Network 원문보기

대한임베디드공학회논문지 = IEMEK Journal of embedded systems and applications, v.7 no.6, 2012년, pp.301 - 309  

김영웅 (Kyoungpook National Univ.) ,  백승현 (Kyoungpook National Univ.) ,  전용준 (ACROEM Co.) ,  이대기 (ACROEM Co.) ,  박홍배 (Kyoungpook National Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, a real-time monitoring system based on WSN is designed and implemented to monitor livestock growth environment information which includes the temperature, humidity and harmful gases such as $CO_{2},\;CO,\;NH_{3},\;H_{2}S$ and so on. The proposed system consists of the wirel...

주제어

#WSN   #Growth environment monitoring   #Wireless gas sensor node   #Remote monitoring  

AI 본문요약
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제안 방법

  • PC기반 사용자 운용프로그램은 관리서버의 데이터베이스에 축적된 환경정보 데이터를 기간별/시간별로 실시간 축사환경데이터를 모니터링하기에 적합하도록 Adove Flex를 이용하여 웹 방식으로 구성하고, 관리서버와 데이터 교환은 HTTP (Hypertext Transfer Protocol) 기반의 SOAP (Simple Object Access Protocol)을 이용하여 개발한다. 그림 12는 개발한 운용프로그램의 사용자인터페이스에 대한 Flex UI구성을 보여준다.
  • 가죽생육에 영향을 주는 환경요소 및 유해가스 정보를 주기적으로 수집하여 사용자가 다양한 플랫폼에서 축사환경 상태를 감시하고, 축적된 환경요인데이터를 통하여 생산품의 질적 향상과 생산량의 증대를 가지며, 각 환경요소의 위험범위를 지정하여 범위초과시 신속하게 대응하기 위해 사용자에게 SMS, 경고등, 부저 등을 이용하여 시청각적으로 위험을 알리는 실시간 모니터링 시스템을 구현하였다. 시스템은 온도, 습도, CO, CO2를 측정하기 위한 무선센서노드와 암모니아, 황화수소 가스를 식별하고 농도추정을 하는 무선가스센서노드, 그리고 이러한 센서노드에서 수집된 정보를 수집, 분석하여 관리 서버에 저장하고 위험상황을 알려주는 모니터링 관리 장치를 연구개발 구성하였다.
  • 각종센서 디바이스드라이버를 설계하기 위해 IAR 사의 컴파일러, 디버거, MSP-FET430 에뮬레이터 등을 이용하여 개발환경을 구축하고, 인 서킷 프로그램방식을 사용하여 모든 센서 디바이스 구동프로그램을 작성하고 테스트한다. 제작한 센서 보드를 ZigBee보드와 결합하고 이렇게 구현한 최종 무선센서 노드에 작성한 모든 디바이스 구동 프로그램과 제어 프로그램을 내장하여 보드 상호간에 하드웨어적인 문제가 발생하지 않는지 확인하고 수정한다.
  • 시스템은 온도, 습도, CO, CO2를 측정하기 위한 무선센서노드와 암모니아, 황화수소 가스를 식별하고 농도추정을 하는 무선가스센서노드, 그리고 이러한 센서노드에서 수집된 정보를 수집, 분석하여 관리 서버에 저장하고 위험상황을 알려주는 모니터링 관리 장치를 연구개발 구성하였다. 그리고 사육환경정보 이력 관리 및 웹서비스를 지원하는 관리서버, 실시간 원격모니터링을 위한 PC/스마트폰기반 사용자 운용프로그램을 구현하여 사용자중심의 시스템이 되도록 구현하였다.
  • 본 논문에서는 환경정보를 측정하여 모니터링 장치로 전송하는 무선센서노드, 센서노드로부터 수집한 데이터를 취합하고 디스플레이 및 서버로 환경정보를 전송하는 모니터링관리장치, 사육 환경 정보 이력 관리를 위한 관리서버, 원격 모니터링을 위한 PC/스마트폰 기반 사용자 운용프로그램으로 구성하여, 가축 생장환경지표 기본요소인 온도, 습도, 사육환경에서 발생하는 유해가스 CO2, CO, NH3, H2S, 혼합(NH3+H2S) 가스를 측정하고, 모니터링하는 무선센서 네트워크(WSN: Wireless Sensor Network)기반의 실시간 모니터링 시스템을 설계하고 구현한다.
  • 개발이 중요하다. 본 장에서는 제안하는 시스템의 측정요소인 온도와 습도 그리고 CO2, CO, NH3, h2s 가스를 측정하고, 수집장치로 데이터를 전송하는 ZigBee기반의 무선센서노드를 설계한다. 그림 1 은 무선센서노드의 전체 시스템구성을 보여준다.
  • 구현하였다. 시스템은 온도, 습도, CO, CO2를 측정하기 위한 무선센서노드와 암모니아, 황화수소 가스를 식별하고 농도추정을 하는 무선가스센서노드, 그리고 이러한 센서노드에서 수집된 정보를 수집, 분석하여 관리 서버에 저장하고 위험상황을 알려주는 모니터링 관리 장치를 연구개발 구성하였다. 그리고 사육환경정보 이력 관리 및 웹서비스를 지원하는 관리서버, 실시간 원격모니터링을 위한 PC/스마트폰기반 사용자 운용프로그램을 구현하여 사용자중심의 시스템이 되도록 구현하였다.
  • 디스플레이블록은 통신이 정상적으로 이루어진 각 센서노드의 현재상태와 위험상황경고 등을 표시하는 부분이다. 이러한 모든 기능을 수행하기 위해 ATMEL사의 ATmega128 마이크로컨트롤러에 제안하는 시스템목적에 적합한 미들웨어 소프트웨어를 프로그래밍하고, 모든 관련디바이스에 대한 구동회로를 설계하여 그림 8과 같이 구현한다. 그림 9는 개발한 가축 생육환경정보 실시간 모니터링 시스템의 전체 하드웨어 구성과 II 장에서 언급한 무선센서노드와 제작한 모니터링관리장치 간의 연동시험 중의 사진이다.
  • 작성하고 테스트한다. 제작한 센서 보드를 ZigBee보드와 결합하고 이렇게 구현한 최종 무선센서 노드에 작성한 모든 디바이스 구동 프로그램과 제어 프로그램을 내장하여 보드 상호간에 하드웨어적인 문제가 발생하지 않는지 확인하고 수정한다. 그림 3은 온도, 습도, CO, CO2를 측정하기 위해 구현한 통합무선센서노드이며, 그림 4는 암모니아, 황화수소 가스를 측정하기 위해 구현한 무선 가스 센서 노드이다.

이론/모형

  • 무선가스센서노드 시스템의 저장용량과 복잡성 그리고 연산시간을 고려하여 가스인식알고리즘은 연산 과정이 간단한 퍼지 최소-최대 신경망 기반의 가스식별 알고리즘[14]을 이용하며, 농도추정 부분에서는 뉴로-퍼지 기반의 농도추정 알고리즘[13]을 적용한다.
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참고문헌 (15)

  1. E.Y. Lee, J.S. Lim, "Current Status and Perspectives of Livestock Environment Improving Agents for the Characteristics and Control of Swine Manure Odor," Journal of Microbiology and Biotechnology, Vol. 38, No. 3, pp.244-254, 2010 (in Korean). 

  2. G.H. Park, G.Y. Oh, K.H. Jung, S.Y. Jung, G.S. Cha, "The Odor Characteristics of Livestock Raising Facility," Journal of Odor Research and Engineering, Vol. 4, No. 4, pp.207-215, 2005(in Korean). 

  3. Dublin City University, "Ireland National botanic garden Eco-Sensor Network System," http://www.ecosensorweb.dcu.ie. 

  4. Israel Phytech Ltd, "Environment Monitoring System of Crop Cultivation," http://www.phytech.com/ 

  5. M.H. Lee, K.E. Eom, H.J. Kang, C.S. Shin, H. Yoe, "Design and Implementation of Wireless Sensor Network for Ubiquitous Glass Houses," Proceedings on Seventh IEEE/ACIS International Conference on Computer and Information Science, pp.397-400, 2008. 

  6. B. Stojkoska, D. Davcev, "Web Interface for Habitat Monitoring Using Wireless Sensor Network," Proceedings on 2009 Fifth International Conference on Wireless and Mobile Communications, pp.157-162, 2009. 

  7. C. Ma, Y. Wang, G. Ying, "The Pig Breeding Management System Based on RFID and WSN," Proceedings on 2011 Fourth International Conference on Information and Computing, pp.30-33, 2011. 

  8. Brandt Tracks Its Beef, RFID Journal, http://www.rfidjournal.com/article/articleview229/1/1/, 2009. 

  9. D.H. Kwak, T.H. Kim, J.W. Han, Y.S. K, J.N. Choi, "Implementation of Remote Piggery Management System using Wireless Sensor Network," 2011 Summer Conference on Korea Institute of Information Technology, pp.550-552, 2011 (in Korean). 

  10. J.H. Hwang, M.H. Lee, H.D. Ju, H.C. Lee, H.J. Kang, H. Yoe, "Implementation of Swinery Integrated Management System in Ubiquitous Agricultural Environments," Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, Vol. 35, No. 2, pp.252-262, 2010 (in Korean). 

  11. Jeju Livestock FCG Management System, http://pigfarm.kr 

  12. D.D. Lee, "Chemical Sensors Technology," Journal of Sensor Science and Technology, Vol. 18, No. 1, pp.1-21, 2009(in Korean). 

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  13. Y.W. Kim, S.J. Lee, K.H. Kim, I.S. Lee, "An Implementation of a Wireless Gas Automatic Measurement and Identification System for Monitoring of Crop Growth Environment," Journal of Korea Institute of Information Technology, Vol. 9, No. 1, pp.11-23, 2011 (in Korean). 

  14. J.H. Seo, Y.W. Kim, S.H. Paik, S.H. Yang, I.S. Lee, H.B. Park, "Classification System of Gas Mixture using Fuzzy Min-Max," Summer Conference on Institute of Electronics Engineers of Korea, Vol. 34, No. 1, pp.1037-1038, 2011 (in Korean). 

  15. J.H. Cho, Y.W. Kim, K.J. Na, G.J. Jeon, "Wireless electronic nose system for real-time quantitative analysis of gas mixtures using micro-gas sensor array and neuro-fuzzy network," Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 134, No. 1, pp.104-111, 2008. 

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