TCP/IP프로세서를 이용한 다중 사용자 인터페이스 지원 인터넷 전원 콘센트의 설계 및 구현 The Design and Implementation of Internet Outlet with Multiple User Interface Using TCP/IP Processor원문보기
최근 인터넷에 접근할 수 있는 기반시설이 풍부하게 제공 되면서 전기전자 제품들을 인터넷에 연결하여 원격으로 감시하고 제어하려는 욕구가 증대 되고 있다. 그러나 기존의 제품들은 대부분 네트워크 인터페이스 미비로 인터넷 접속이 불가능하여 불편함이 많았다. 따라서 본 논문에서는 하드웨어 TCP/IP 프로세서를 사용하여 인터넷을 통하여 전원을 원격으로 제어할 수 있는 실시간 스케줄링 가능한 인터넷 전원콘센트를 설계하고 구현하였다. 구현된 제품은 하드웨어 TCP/IP 프로세서와 8비트의 소형 마이크로프로세서를 사용하여 구현이 가능하기 때문에 제작비용이 저렴하다. 또한, 환경설정 기능을 갖는 전용 제어프로그램과 웹페이지를 외부 플래시 메모리에 저장이 가능한 임베디드 웹서버, 안드로이드 스마트폰 애플리케이션, OpenCV컴퓨터비전 라이브러리를 이용한 모션인식 제어환경 등 다양한 사용자 인터페이스를 구현하여 유무선 인터넷 환경에서 폭넓게 활용할 수 있다.
최근 인터넷에 접근할 수 있는 기반시설이 풍부하게 제공 되면서 전기전자 제품들을 인터넷에 연결하여 원격으로 감시하고 제어하려는 욕구가 증대 되고 있다. 그러나 기존의 제품들은 대부분 네트워크 인터페이스 미비로 인터넷 접속이 불가능하여 불편함이 많았다. 따라서 본 논문에서는 하드웨어 TCP/IP 프로세서를 사용하여 인터넷을 통하여 전원을 원격으로 제어할 수 있는 실시간 스케줄링 가능한 인터넷 전원콘센트를 설계하고 구현하였다. 구현된 제품은 하드웨어 TCP/IP 프로세서와 8비트의 소형 마이크로프로세서를 사용하여 구현이 가능하기 때문에 제작비용이 저렴하다. 또한, 환경설정 기능을 갖는 전용 제어프로그램과 웹페이지를 외부 플래시 메모리에 저장이 가능한 임베디드 웹서버, 안드로이드 스마트폰 애플리케이션, OpenCV 컴퓨터비전 라이브러리를 이용한 모션인식 제어환경 등 다양한 사용자 인터페이스를 구현하여 유무선 인터넷 환경에서 폭넓게 활용할 수 있다.
Recently, the infrastructure to be connected to the internet is much provided, there is more and more need to connect electric or electronic products to the internet to monitor or control them remotely. However, most of the existing products lack the network interface, so it was very inconvenient to...
Recently, the infrastructure to be connected to the internet is much provided, there is more and more need to connect electric or electronic products to the internet to monitor or control them remotely. However, most of the existing products lack the network interface, so it was very inconvenient to be connected to the internet. Therefore, this article designs and realizes the internet outlet allowing real-time scheduling that can control the power remotely on the internet by using the hardware TCP/IP processor. The realized product consumes low production cost because it can be realized by using the hardware TCP/IP processor and the 8-bit small microprocessor. In addition, the product can be used widely in both wired and wireless environments with a variety of user interface, including the dedicated control program which provides the environment configuration functions; embedded web service that enables the webpage to be saved on the external flash memory; Android smartphone application; motion recognition control environment that uses the OpenCV computer vision library, etc.
Recently, the infrastructure to be connected to the internet is much provided, there is more and more need to connect electric or electronic products to the internet to monitor or control them remotely. However, most of the existing products lack the network interface, so it was very inconvenient to be connected to the internet. Therefore, this article designs and realizes the internet outlet allowing real-time scheduling that can control the power remotely on the internet by using the hardware TCP/IP processor. The realized product consumes low production cost because it can be realized by using the hardware TCP/IP processor and the 8-bit small microprocessor. In addition, the product can be used widely in both wired and wireless environments with a variety of user interface, including the dedicated control program which provides the environment configuration functions; embedded web service that enables the webpage to be saved on the external flash memory; Android smartphone application; motion recognition control environment that uses the OpenCV computer vision library, etc.
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문제 정의
그러나 기존의 제품들은 대부분 인터넷 인터페이스가 없기 때문에 네트워크에 접속할 수 없어 불편함이 많았다. 따라서 본문에서는 주변의 가전제품 및 전기용품들을 인터넷에 접속하여 다양한 사용자 인터페이스를 통하여 감시하고 제어할 수 있는 인터넷 전원 콘센트를 설계하고 구현하였다.
본 논문에서는 사용자의 움직임을 인식하여 인터넷 전원콘센트를 제어할 수 있도록 윈도우즈 환경에서 OpenCV 컴퓨터비전 라이브러리를 이용한 제어환경을 구축하여 다양한 용도로 응용할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 영상처리를 통한 제어의 신뢰성을 높이기 위하여 사용자의지가 확고할 때만 전원을 제어할 수 있도록 고려하였다. 즉, 그림 7과 같이 전원제어를 위한 사용자 인터페이스가 표시된 컴퓨터화면을 상하로 8등분하여 동작 아이콘을 배치하여 기준영상으로 한다.
제안 방법
펌웨어 프로그램에는 W5300을 초기화하여 내장된 TCP/IP, DHCP, UDP, HTTP 등을 이용할 수 있도록 다양한 프로토콜을 지원하는 API를 포함하고 있다. 따라서 인터넷 전원콘센트의 하드웨어 구동과 출력제어를 위한 통신 프로토콜 처리기를 구현하여 추가하였다.
또한 응용계층의 소프트웨어들로서 임베디드 웹페이지를 작성하여 시리얼 플래시메모리에 탑재하고, OpenCV 컴퓨터 비전 라이브러리와 C#을 이용하여 윈도우즈 기반 모션인식 제어환경을 구현하였으며, 네트워크 환경설정과 릴레이 출력의 스케줄링 설정기능을 갖는 제어프로그램은 비주얼베이직으로 구현하였다. 그 외의 주요 구현내용은 표 3과 같다.
또한, 만년달력 기능을 갖는 실시간 클럭 소자인 DS1307을 내장하여 4개의 전원 콘센트를 날짜와 요일 및 시간을 이용하여 스케쥴링 할 수 있도록 하였다. 이러한 기능을 이용하면 전등과 냉난방 기기들을 최적의 상태로 동작시켜 절전효과를 극대화하고 대기전력을 줄일 수도 있다.
따라서 본 논문에서 제안한 인터넷 전원콘센트는 이러한 점을 고려하여 설계에서 제작 까지 수차례의 회로 수정과 검증을 통하여 PCB를 제작하였고, 운영 소프트웨어 개발과 디버깅 까지 1년 정도 기간이 소요되었다. 또한, 제품의 무결성과 안전성 검증을 위하여 1년 정도의 현장 동작 시험을 거쳤다.
본 논문에서 구현한 스마트폰을 위한 안드로이드 애플리케이션은 IP주소와 포트번호로 접속 인증을 통과하면 실시간 제어를 위한 상태감시와 출력제어 화면이 나타난다. 또한, 화면 하단의 메뉴를 선택하여 각 전원콘센트의 동작을 스케줄링 할 수 있는 예약 설정과 각 콘센트의 예약내용을 확인하고 보드의 DS1307 리얼타임 클럭의 시간을 설정할 수 있는 메뉴가 안드로이드의 인텐트 기능을 이용하여 구현되었다.
본 논문에서 개발한 인터넷 전원 콘센트는 이러한 문제점들을 극복할 수 있도록 AVR 마이크로프로세서와 메모리 확장 인터페이스를 가지고 있어서 소규모 단일칩 MCU로 구동 가능한 위즈넷사의 W5300 하드웨어 TCP/IP 프로세서를 이용하여 설계함으로서 비용이 저렴하고 소형화할 수 있도록 구현하였다.
펌웨어의 중요한 기능은 인터넷 전원콘센트의 동작 프로토콜을 처리하는 것이다. 본 논문에서 정의한 응용 프로토콜은 보드의 IP 검색과 설정을 위하여 UDP 프로토콜과 48713번 포트를 사용하며, 출력제어와 스케줄링은 TCP 프로토콜과 250번 포트를 사용하여 구현하였다. 설계된 프로토콜은 전원 콘센트 릴레이제어, 스케줄링 시간등록과 삭제, 부저제어, IP 검색과 설정 프로토콜로 구성된다.
본 논문에서는 윈도우즈 환경의 전용제어 프로그램과 임베디드 웹 서버, 안드로이드 스마트폰 애플리케이션, 웹캠을 이용한 모션인식 제어 환경 등 다양한 사용자 인터페이스를 지원하는 인터넷 전원콘센트를 설계하고 구현하였다.
본 연구에서는 PC 환경에서 인터넷 전원콘센트의 네트워크 환경설정과 실시간 감시제어 및 동작 스케줄링을 위한 윈도우즈 운영체제기반의 응용소프트웨어를 비주얼베이직을 이용하여 구현하였다.
이 장에서는 본 연구를 수행하면서 참조한 인터넷 전원콘센트 개발 관련연구 결과들의 주요 특징을 본 논문에서 연구한 결과와 비교 하였다. 비교대상은 참고문헌에서 인용된 순서대로 연구[1]에서 연구[4]까지 제시 하였으며 맨 우측에는 본 논문의 연구결과를 기술하여 기존 연구들과의 차이점을 파악할 수 있도록 하였다.
본 논문에서 정의한 응용 프로토콜은 보드의 IP 검색과 설정을 위하여 UDP 프로토콜과 48713번 포트를 사용하며, 출력제어와 스케줄링은 TCP 프로토콜과 250번 포트를 사용하여 구현하였다. 설계된 프로토콜은 전원 콘센트 릴레이제어, 스케줄링 시간등록과 삭제, 부저제어, IP 검색과 설정 프로토콜로 구성된다.
두 번째는 uC/OS-II와 같은 상용 소프트웨어 TCP/IP 스택이 포함된 RTOS를 구입하여 사용하는 방법이다[6]. 세 번째 방법은 RTOS 솔루션이 내장된 상용 MCU 솔루션을 사용하는 것이다. 마지막으로 네 번째 방법은 하드웨어 TCP/IP 솔루션을 이용하는 방법이 있다[7].
그림 6은 안드로이드 애플리케이션에서 인터넷 전원콘센트의 동작 스케줄링을 설정하고 설정된 스케줄링을 확인하는 과정을 보여준다. 스케줄링 설정은 안드로이드 애플리케이션의 캘린더 위젯을 이용하여 구현하였으며 스케줄링 과정에도 보드의 출력용 전원릴레이 상태의 모니터링은 가능하도록 배려하였다.
완성된 보드는 그림 9와 같으며, 그림10과 같이 4개의 콘센트에 220V 전원을 접속한 전열기, 선풍기, 라디오, 백열전구를 부하로 연결하여 네트워크 연결의 안정성과 사용자 인터페이스의 기능 시험 중심으로 현장 테스트를 수행하였다.
이장에서는 마이크로프로세서를 내장하거나 컴퓨터로 제어하여 대기전력을 절감하는 전원콘센트와 인터넷에 접속하여 제어하는 인터넷 전원콘센트와 관련된 연구들에 대하여 다룬다.
인터넷 전원 콘센트는 OrCAD를 이용하여 회로를 설계하고 2 Layer의 에폭시 PCB 기판을 제작하여 조립 하였으며, 전원공급을 위하여 DC 5V/2A와 DC 12V/0.5A출력을 갖는 2채널 SMPS 정전압 전원 공급기를 사용하였다.
인터넷 전원콘센트 제어기보드를 구동하는 펌웨어 프로그램은 위즈넷사에서 제공하는 W5300 하드웨어 TCP/IP 프로세서의 드라이버 프로그램을 기반으로 설계하였다. 펌웨어 프로그램에는 W5300을 초기화하여 내장된 TCP/IP, DHCP, UDP, HTTP 등을 이용할 수 있도록 다양한 프로토콜을 지원하는 API를 포함하고 있다.
인터넷 전원콘센트는 Atmega128 AVR 프로세서를 탑재하고 W5300 TCP/IP 네트워크 프로세서를 장착하여 설계하였다[7]. MCU의 플래시메모리에 적재되는 펌웨어 소프트웨어는 W5300 제작사인 위즈넷사에서 제공하는 기본 드라이버 소프트웨어를 기반으로 인터넷 전원 콘센트의 기능을 수행할 수 있도록 확장하였다.
인터넷 전원콘센트 펌웨어는 웹서비스와 출력제어를 위하여 기본적으로 TCP 서버모드로 동작한다. 즉, 웹페이지의 업로드와 웹브라우저나 전원콘센트 제어프로그램의 접속을 통하여 전송된 명령어를 실행하여 결과를 돌려준다.
대상 데이터
인터넷 전원 콘센트의 TCP/IP 프로세서는 위즈넷사의 W5300을 사용하였다. W5300은 100핀의 LQFP 패키지로 출시되며, MAC과 100BASE-T PHY를 포함한다.
데이터처리
이 장에서는 본 연구를 수행하면서 참조한 인터넷 전원콘센트 개발 관련연구 결과들의 주요 특징을 본 논문에서 연구한 결과와 비교 하였다. 비교대상은 참고문헌에서 인용된 순서대로 연구[1]에서 연구[4]까지 제시 하였으며 맨 우측에는 본 논문의 연구결과를 기술하여 기존 연구들과의 차이점을 파악할 수 있도록 하였다.
성능/효과
인터넷 전원콘센트는 일반 가전제품과 달리 220V의 고압 전원을 제어하고 10A이상의 많은 전류가 PCB 기판에 흐르기 때문에 오동작이 발생하면 콘센트에 접속된 제품들의 손상과 화재와 같은 재난의 원인이 된다. 따라서 본 논문에서 제안한 인터넷 전원콘센트는 이러한 점을 고려하여 설계에서 제작 까지 수차례의 회로 수정과 검증을 통하여 PCB를 제작하였고, 운영 소프트웨어 개발과 디버깅 까지 1년 정도 기간이 소요되었다. 또한, 제품의 무결성과 안전성 검증을 위하여 1년 정도의 현장 동작 시험을 거쳤다.
또한, 참고문헌[2]에서는 감시기능을 갖는 인터넷 제어형 전원 멀티탭을 제안하였고, 참고문헌[3]은 원격제어 가능한 절전형 전원콘센트를 제안하였다. 이 제안에서 감시기능을 갖는 인터넷 제어형 전원 멀티탭의 특징은 웹 카메라를 부착하여 전원 멀티탭에 연결된 전기전자 기기들의 동작 상태를 모니터링 할 수 있고, 절전형 콘센트는 대기전력을 절감할 수 있다.
후속연구
그러나 인터넷에 연결된 다수의 전원콘센트를 통합하여 감시하고 제어할 수 있는 운영소프트웨어의 미비와 고전압 과전류의 위험성 때문에 제어기 기판에 전원콘센트를 설치하지 못하여 사용상의 불편함이 존재하며, 이러한 점은 향후 보완해야할 과제로 남아 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
임베디드 네트워크 제어기의 구현 방법은 어떻게 나눌 수 있는가?
기존의 임베디드 시스템에 인터넷 통신 기능을 추가한 임베디드 네트워크 제어기의 구현 방법은 크게 4가지로 나누어 볼 수 있다[4]. 첫째는 자체적으로 8비트 혹은 32비트 마이크로프로세서를 사용하여 TCP/IP 프로토콜스택을 구현하는 것이다[5]. 두 번째는 uC/OS-II와 같은 상용 소프트웨어 TCP/IP 스택이 포함된 RTOS를 구입하여 사용하는 방법이다[6]. 세 번째 방법은 RTOS 솔루션이 내장된 상용 MCU 솔루션을 사용하는 것이다. 마지막으로 네 번째 방법은 하드웨어 TCP/IP 솔루션을 이용하는 방법이 있다[7].
인터넷 전원콘센트가 오동작이 발생했을 때 제품들의 손상이나 화재의 원인이 되는 이유는 무엇인가?
인터넷 전원콘센트는 일반 가전제품과 달리 220V의 고압 전원을 제어하고 10A이상의 많은 전류가 PCB 기판에 흐르기 때문에 오동작이 발생하면 콘센트에 접속된 제품들의 손상과 화재와 같은 재난의 원인이 된다. 따라서 본 논문에서 제안한 인터넷 전원콘센트는 이러한 점을 고려하여 설계에서 제작 까지 수차례의 회로 수정과 검증을 통하여 PCB를 제작하였고, 운영 소프트웨어 개발과 디버깅 까지 1년 정도 기간이 소요되었다.
홈오토메이션 시스템의 문제점은 무엇인가?
인터넷을 통하여 가전제품을 제어할 수 있는 기능은 요즘 보편화되고 있는 홈오토메이션 시스템을 이용할 수 있다. 그러나 홈오토메이션 시스템은 시스템의 규모가 방대하고, 가격이 고가이며, 인터넷 인터페이스를 가지고 있는 제품들을 주로 연결할 수 있으므로 신규 아파트를 중심으로 보급되고 있다.
참고문헌 (13)
Hyun-yeob Lee, "Remotely Controllable Internet Multi-tapped Power Outlet", Korean Intellectual Property Office, Registration number(date) 2003178360000(20030614), pp. 1-8, 2003.
Hee-Young Lee, "Electric power source multi-tap of the internet control type having a monitoring function", Korean Intellectual Property Office, Registration number(date) 1006551940000(20061201), pp. 1-7, 2006.
In-Hong Lee, "Power saving outlet device capable of remote power control", Korean Intellectual Property Office, Registration number(date) 10100351270000(20110509), pp. 1-17, 2011.
Jeong-Hyun. Baek, "The Design and Implementation of Intelligent Internet Outlet for Real-Time Scheduling Control," Journal of The Korea Society of Computer and Information, Vol. 15, No. 10, pp. 191-200, October 2010.
Jan Axelson, "EMEBDDED ETHERNET AND INTERNET COMPLETE - DESIGNING AND PROGRAMMING SMALL DEVICE FOR NETWORKING", Acorn publishing company, pp. 91-132, 2005.
Dae-Hee Kim, Joong-Soo Chung, Hee-Jung Park, Kwang-Wook Jung, "Design and Implementation of Educationnal Embedded Network System", Journal of the Korea Society of Computer and Information, Vol. 14, No. 10, pp. 23-29, October 2009.
"High-Performance Internet Connectivity Solution W5300", WIZnet Co., Inc., pp. 90-117, 2008.
Jeong-Hyun. Baek, "A Study on Design and Implementation of Embedded Network Controller for PON Network Diagnostic", Proceedings of the Korea Society of Computer and Information Summer Conference 2011, Vol. 19, No. 2, pp. 367-368, June 2011.
Charles M. Kozierok, "The TCP/IP GUIDE", Acorn publishing company, pp. 971-1053, 2006.
Jeremy Bentham, "TCP/IP LEAN: Web Servers for Embedded Systems", Acorn publishing company, pp. 269-290, 2002.
Won Joo Lee, "A Implementation and Performance Analysis of Emotion Messenger Based on Dynamic Gesture Recognitions using WebCam", Journal of the Korea Society of Computer and Information, Vol. 15, No. 7, pp. 75-81, July 2010.
Seong-hwan Chung, Mun-Ho Lee, "Practical Computer Vision Programming using VC++ and OpenCV", HongRung Publishing Company, pp. 369-468, 2007.
SunKyoo Hwang, "Image Processing Programming by Visual C++", Hanbit Media, Inc., pp. 824-851, 2007.
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