[논문]무선센서네트워크 기반 온실환경 모니터링 시스템 구현

이영동

doi:10.6109/jkiice.2013.17.11.2686

무선센서네트워크 기반 온실환경 모니터링 시스템 구현
Implementation of Greenhouse Environment Monitoring System based on Wireless Sensor Networks 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.17 no.11, 2013년, pp.2686 - 2692

이영동 (Department of Mobile Communication Engineering, Changshin University)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 무선센서네트워크 기술을 활용하여 각종 생장환경 정보들을 수집하고 모니터링 할 수 있는 무선센서네트워크 기반의 온실환경 모니터링 시스템을 설계하고 구현하였다. 또한, 원격지에서 온실 시설내 내부 환경 및 시설제어시스템을 통합 제어 관리하기 위한 시스템을 제안한다. 본 논문에서 제안한 시스템은 넓은 온실 내부의 환경 데이터 수집 및 온실 시설 제어 서비스를 제공함은 물론 무선센서네트워크 기반 온실환경 모니터링 시스템 및 온실시설 제어를 통하여 실시간 원격 온실 통합 서비스 제공이 가능하다. 통합관리시스템을 위한 GUI 구현은 HMI기반의 시스템 모니터링부로 설계하였으며, 센서정보들은 실시간으로 통합관리시스템의 모니터링 화면을 통해 센서 결과값을 출력할 수 있음을 결과로 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, various growth environment data collecting and monitoring based on wireless sensor network for greenhouse environmental monitoring system is designed and implemented. In addition, greenhouse control system is proposed to integrated control and management in internal environment and greenhouse facilities. The system provides real-time remote greenhouse integrated management service which collects greenhouse environment information and controls greenhouse facilities based on wireless sensor network. Graphical user interface for an integrated management system is designed based on the HMI and the experimental results show that the sensor data were collected by integrated management in real-time.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 논문에서는 상기의 문제점들을 개선하고자 무선센서네트워크[4,5] 기술을 적용하여 각종 생장 환경 정보들을 수집하고 이를 모니터링 함과 동시에 원격 자동제어 및 알람 등의 서비스를 제공하고, 온실시설 내 내부 환경 및 보조 시설제어시스템을 통합 제어 • 관리하기 위한 시스템을 구현하였다.
본 논문에서는 온실 환경 수집 시스템을 위한 온실 환경수집, 온실 시설제어, 모니터링 및 관리부를 구현 하여 온실 내 다양한 환경 정보를 실시간으로 원격지로 전송이 가능한 무선센서네트워크 기반의 온실 환경 수집 시스템을 구현하였다. 무선센서네트워크 기술을 적용하여 각종 생장환경 정보들을 수집하고 이를 모니터링 함과 동시에 HMI기반으로 구현된 시설모니터링 및 제어 화면을 통해 사용자에게 원격 자동제어 및 알람 등의 서비스를 제공하고, 온실 시설 내 내부 환경 및 보조 시설제어시스템의 통합 제어 • 관리가 가능하였다.

제안 방법

그림 7은 설계한 회로도를 토대로 PCB 레이아웃을 마친 모습을 보여준다. 140*110mm 크기로 설계, 제작하였으며, 센서인터페이스부는 케이스 외부에 장착하여 온실 내 센서 정보들이 정확하게 감지가 될 수 있도록 하였다. 실제 제작된 온실 환경수집 시스템의 모습은 그림 8과 같다.
온실 시설제어 시스템은 전기 신호를 통한 제어 방식, 인터넷 등 통신 인터페이스를 통한 원격 제어 방식으로 적용이 가능하도록 설계하며, 온실 환경수집 시스템에 미리 설정된 온실 시설제어 환경의 적정범위를 벗어나 센서 데이터가 입력되었을 경우에는 현재 시설 작동 제어 상태 조회를 통해 실시간 시설제어가 가능하다. 기존 유선 시스템 방식에서 진보된 무선센서네트워크 기술을 통해 다양한 센싱값을 분석하여 보다 정밀한 제어가 가능하도록 구축할 뿐만 아니라 효율적인 시설 제어가 가능하도록 설계하였다.
온실 시스템 모니터링 제어부는 그림 9와 같이 구현하였으며, HMI기반으로 화면을 구성함으로써 사용자가 쉽게 모니터링 및 제어가 가능하다는 장점을 가질 수 있다. 디렉토리 화면에서는 모니터링화면, 센서 이력화면, 수동화면, 알람 이력화면 등으로 이동이 가능하며, 센서인터페이스부에 장착된 온도, 습도, 조도 센서에 대한 센서정보들은 실시간으로 모니터링 화면을 통해 센서 정보 출력이 가능하도록 구현하였다. 또한, 센서이력화면에서는 측정시간에 따라 시스템에 저장된 온도, 습도, 조도 값을 실시간으로 모니터링이 가능하다.
본 논문에서는 사용자 친화형 GUI 구현을 위해 HMI 기반의 시스템 모니터링부를 설계하고, 디렉토리 구조를 이용하여 모든 화면으로의 전환을 원활하게 할뿐만 아니라 수동/자동/시험 모드를 이용하여 자동난방시스템에 접목시 상호 인터페이스를 용이하게 사용할 수 있도록 설계하였다. 또한, 메뉴바 구조를 이용하여 모든 화면으로의 전환 및 상호 인터페이스를 용이하도록 설계하였으며, 메뉴 화면의 구성은 메인화면, 디렉토리 화면, 모니터링 화면, 수동 화면, 센서 이력 화면, 알람이력화면으로 구성하였다.
본 논문에서 설계한 온실 환경 모니터링 시스템은 온실 환경수집, 온실 시설제어, 모니터링 및 관리부로 구성하고, 무선센서네트워크 기술을 적용하여 실시간으로 원격지로 센서 정보들을 전송하여 사용자가 편리하게 관리할 수 있도록 구현하였다. 그림 6은 온실 환경수집 시스템의 설계 회로도를 나타낸다.
온실 환경수집 시스템 내부에는 무선통신부를 두어 각 노드들 간에 근거리 무선통신이 가능하며, 이는 온실 내부 곳곳에 이들을 배치하여 무선으로 원격지까지 주변 환경 정보들을 전달하도록 하는 역할을 수행한다. 본 논문에서는 다양한 무선통신 방식 중 저전력, 저비용의 특성을 갖춘 지그비를 무선통신부에 적용하여 시스템을 설계하였으며, 온실 환경 시스템에 적합하도록 RF 송신부 특성 및 전력소모를 고려하였다.
본 논문에서는 사용자 친화형 GUI 구현을 위해 HMI 기반의 시스템 모니터링부를 설계하고, 디렉토리 구조를 이용하여 모든 화면으로의 전환을 원활하게 할뿐만 아니라 수동/자동/시험 모드를 이용하여 자동난방시스템에 접목시 상호 인터페이스를 용이하게 사용할 수 있도록 설계하였다. 또한, 메뉴바 구조를 이용하여 모든 화면으로의 전환 및 상호 인터페이스를 용이하도록 설계하였으며, 메뉴 화면의 구성은 메인화면, 디렉토리 화면, 모니터링 화면, 수동 화면, 센서 이력 화면, 알람이력화면으로 구성하였다.
온실 환경수집 시스템은 센서들이 연결되는 센서노드와 센서노드에서 유무선(ZigBee[6], 무선랜[7], IP-USN 등)으로 전달된 데이터를 DB나 관리서버로 전달하는 게이트웨이 노드로 구성한다. 센서노드와 게이트웨이노드는 동일한 회로로 설계하였으며, 센서 노드에는 외부 센서연결부를 통해 센서인터페이스를 장착할 수 있도록 설계하였다. 온실 환경수집 시스템의 센서노드의 모든 기능 제어 및 센서 환경 수집은 MCU 제어부를 통해 가능하며, 동작 상태에 대한 정보는 센서노드 동작 상태를 LED로 표시하여 사용자가 동작 유무 파악이 용이하도록 하였다.
시스템에서 실시간으로 모니터링 하는 모든 정보들은 즉각적으로 DB에 저장되게 되며, 사용자가 언제, 어디서나 유 • 무선네트워크를 통해 모니터링이 가능하도록 모니터링 시스템을 설계한다.
온실 환경수집 시스템은 MCU제어부, 센서인터페이스부, 무선통신부로 구현하였으며, MCU제어부와 무선통신부는 원보드로 구성하였다. 온실 내 각종 환경 정보 수집에 사용할 센서들은 센서인터페이스부에 설계하였으며, MCU제어부와는 외부센서연결부를 통해 상호 연결 가능하도록 구현하였다.
온실 시설제어 시스템은 온실 환경수집 시스템에서 구현한 센서노드를 게이트웨이로 상호 호환하여 사용이 가능하도록 설계함에 따라 한 개의 센서노드를 게이트웨이로 활용하여 RS-232를 통해 PLC와 상호 연동하도록 하였다. 일반적으로 온실 시설에 포함되어 있는 개폐기 제어, 보일러 제어, 환풍기 제어, 관수 제어 등은 본 논문에서는 PLC를 통해 제어가 가능하였으며, 온실 시설제어 동작은 온실 환경수집 시스템에서 수집된 센서정보들을 기반으로 자동/수동 모드로 동작이 가능하도록 구현하였다.
온실 환경수집 시스템 구현을 위해 저전력 마이크로프로세서인 Atmel사의 ATmega128L을 주 MCU로 사용하여 MCU 제어부를 구현하였으며, 센서인터페이스 부는 온도, 습도, 조도센서를 장착하여 온실 내 환경 수집이 가능하도록 구현하였다. 그림 7은 설계한 회로도를 토대로 PCB 레이아웃을 마친 모습을 보여준다.
그림 6은 온실 환경수집 시스템의 설계 회로도를 나타낸다. 온실 환경수집 시스템은 MCU제어부, 센서인터페이스부, 무선통신부로 구현하였으며, MCU제어부와 무선통신부는 원보드로 구성하였다. 온실 내 각종 환경 정보 수집에 사용할 센서들은 센서인터페이스부에 설계하였으며, MCU제어부와는 외부센서연결부를 통해 상호 연결 가능하도록 구현하였다.
온실 시설제어 시스템은 온실 환경수집 시스템에서 구현한 센서노드를 게이트웨이로 상호 호환하여 사용이 가능하도록 설계함에 따라 한 개의 센서노드를 게이트웨이로 활용하여 RS-232를 통해 PLC와 상호 연동하도록 하였다. 일반적으로 온실 시설에 포함되어 있는 개폐기 제어, 보일러 제어, 환풍기 제어, 관수 제어 등은 본 논문에서는 PLC를 통해 제어가 가능하였으며, 온실 시설제어 동작은 온실 환경수집 시스템에서 수집된 센서정보들을 기반으로 자동/수동 모드로 동작이 가능하도록 구현하였다.

성능/효과

무선센서네트워크 기술을 적용하여 각종 생장환경 정보들을 수집하고 이를 모니터링 함과 동시에 HMI기반으로 구현된 시설모니터링 및 제어 화면을 통해 사용자에게 원격 자동제어 및 알람 등의 서비스를 제공하고, 온실 시설 내 내부 환경 및 보조 시설제어시스템의 통합 제어 • 관리가 가능하였다.

후속연구

무선센서네트워크 기술을 적용하여 각종 생장환경 정보들을 수집하고 이를 모니터링 함과 동시에 HMI기반으로 구현된 시설모니터링 및 제어 화면을 통해 사용자에게 원격 자동제어 및 알람 등의 서비스를 제공하고, 온실 시설 내 내부 환경 및 보조 시설제어시스템의 통합 제어 • 관리가 가능하였다. 이러한 무선센서네트워크 기반 온실 환경수집 시스템을 이용하여 폭염, 한파, 폭우 등 이상기상에 의한 피해를 최소화 할 뿐만 아니라 온실 운영 측면에서의 최적의 환경상태 유지 및 관리가 가능하다는 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	온실 시스템 모니터링 제어부의 디렉토리 화면에서는 어떤 것이 가능한가?	온실 시스템 모니터링 제어부는 그림 9와 같이 구현하였으며, HMI기반으로 화면을 구성함으로써 사용자가 쉽게 모니터링 및 제어가 가능하다는 장점을 가질수 있다. 디렉토리 화면에서는 모니터링화면, 센서 이력화면, 수동화면, 알람 이력화면 등으로 이동이 가능하며, 센서인터페이스부에 장착된 온도, 습도, 조도 센서에 대한 센서정보들은 실시간으로 모니터링 화면을 통해 센서 정보 출력이 가능하도록 구현하였다. 또한, 센서이력화면에서는 측정시간에 따라 시스템에 저장된 온도, 습도, 조도 값을 실시간으로 모니터링이 가능하다.
	온실 환경수집 시스템은 어떤 역할을 수행하는가?	온실 환경수집 시스템은 온실 내 환경을 수집하기 위한 용도로 시스템에 내장된 센서들은 실내 환경 상태 (온도, 습도, 조도)를 측정하고, 측정한 값을 DB에 저장, 온실 내 시설제어 시스템과 상호 연계하는 역할을 수행한다. 온실 환경수집 시스템은 센서들이 연결되는 센서노드와 센서노드에서 유무선(ZigBee[6], 무선랜[7], IP-USN 등)으로 전달된 데이터를 DB나 관리서버로 전달하는 게이트웨이 노드로 구성한다.
	온실 시설제어 시스템란?	온실 시설제어 시스템은 온실내의 각종 센서로부터 수집된 환경정보를 통해 작물의 생장에 최적의 조건을 유지하기 위해 온실내 각종 시설들을 제어하는 것을 의미하며, 온실 환경수집 시스템을 통해 수집된 센서 정보들을 기반으로 최적의 온실 시설제어 시스템을 설계한다. 온실 시설제어 시스템은 전기 신호를 통한 제어 방식, 인터넷 등 통신 인터페이스를 통한 원격 제어 방식으로 적용이 가능하도록 설계하며, 온실 환경수집 시스템에 미리 설정된 온실 시설제어 환경의 적정범위를 벗어나 센서 데이터가 입력되었을 경우에는 현재 시설 작동 제어 상태 조회를 통해 실시간 시설제어가 가능하다.

참고문헌 (7)

World Agricultural Supply and Demand Estimates, WASDE-487, USDA, 2010.
N. Wang, N. Zhang and M. Wang, "Wireless sensors in agriculture and food industry -Recent development and future perspective," Computers and Electronics in Agriculture, vol. 50, no. 1, pp. 1-14, Jan. 2006.

상세보기
S. S. Kang, S. H. Kim, J. W. Lee and H. J Kang, "USN based agricultural IT convergence technology trends," Electronics and Telecommunications Trends, vol. 26, no. 6, Dec. 2011.
I. F. Akyildiz and W. Xudong, "A Survey on Wireless Mesh Networks," IEEE Communication Magazine, vol. 43, pp. S23-S30, 2005.

상세보기
M. Sveda, P. Benes, R. Vrba, & F. Zezulka, Introduction to Industrial Sensor Networking, Handbook of Sensor Networks: Compact Wireless and Wired Sensing Systems, 2005.
IEEE Standard 802.15.4, Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), IEEE, 345 East 47th Street, New York, USA, 2003.
IEEE Standard 802.11b, Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band, IEEE, 345 East 47th Street, New York, USA, 1999.

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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