본 논문에서는 PC를 통해서만 접근 및 통제가 가능한 기존 모니터링 시스템에 N스크린 기술을 적용하여 태양광 발전 모니터링 시스템을 N-스크린 기반으로 설계 및 구현하였다. 이 시스템의 하드웨어는 태양광 발전 모듈과 인버터 및 중계 서버로 이루어져있으며, 소프트웨어는 다음과 같은 세 가지를 고려하여 구현하였다. 첫째, 다양한 스마트 기기를 지원할 수 있도록 N스크린 기술을 적용하였다. 둘째, 서버에 다수의 단말기가 동시 접속 가능하도록 1:N 통신을 고려하였다. 셋째, 서버와 단말기 사이의 보안 문제도 고려하였다. 최종 구현된 시스템은 작동 운영 평가를 통해서 기술적, 경제적 관점에서 좋은 평가를 받았다. 이 기술은 향후 스마트 홈, 스마트 빌딩, 스마트 시티, 스마트 산업, 스마트 농업 등 다양한 분야에서 기존 모니터링 시스템을 대체하게 될 것으로 기대한다.
본 논문에서는 PC를 통해서만 접근 및 통제가 가능한 기존 모니터링 시스템에 N스크린 기술을 적용하여 태양광 발전 모니터링 시스템을 N-스크린 기반으로 설계 및 구현하였다. 이 시스템의 하드웨어는 태양광 발전 모듈과 인버터 및 중계 서버로 이루어져있으며, 소프트웨어는 다음과 같은 세 가지를 고려하여 구현하였다. 첫째, 다양한 스마트 기기를 지원할 수 있도록 N스크린 기술을 적용하였다. 둘째, 서버에 다수의 단말기가 동시 접속 가능하도록 1:N 통신을 고려하였다. 셋째, 서버와 단말기 사이의 보안 문제도 고려하였다. 최종 구현된 시스템은 작동 운영 평가를 통해서 기술적, 경제적 관점에서 좋은 평가를 받았다. 이 기술은 향후 스마트 홈, 스마트 빌딩, 스마트 시티, 스마트 산업, 스마트 농업 등 다양한 분야에서 기존 모니터링 시스템을 대체하게 될 것으로 기대한다.
In this paper, we have designed and implemented the 'N-screen based solar power monitoring system' using N-screen technology by improving the existing monitoring system that can only be accessed or controlled by PC. The HW of the system is consists of solar power modules, inverter, and relay server....
In this paper, we have designed and implemented the 'N-screen based solar power monitoring system' using N-screen technology by improving the existing monitoring system that can only be accessed or controlled by PC. The HW of the system is consists of solar power modules, inverter, and relay server. And SW is implemented in consideration of the following three points. First, we applied the N-screen technology in order to support various devices. Second, we applied 1:N communication technology that multiple devices can be connected simultaneously to the relay server. Third, we also considered the security problems between server and devices. The final system has been evaluated through the operational test and received good reviews from the technical and economic point. In the future, we are expecting that this technology will replace the existing monitoring systems in various fields, like smart home, smart building, smart city, smart industry, and smart agriculture, etc.
In this paper, we have designed and implemented the 'N-screen based solar power monitoring system' using N-screen technology by improving the existing monitoring system that can only be accessed or controlled by PC. The HW of the system is consists of solar power modules, inverter, and relay server. And SW is implemented in consideration of the following three points. First, we applied the N-screen technology in order to support various devices. Second, we applied 1:N communication technology that multiple devices can be connected simultaneously to the relay server. Third, we also considered the security problems between server and devices. The final system has been evaluated through the operational test and received good reviews from the technical and economic point. In the future, we are expecting that this technology will replace the existing monitoring systems in various fields, like smart home, smart building, smart city, smart industry, and smart agriculture, etc.
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문제 정의
본 구현을 통하여 N스크린 기반 모니터링 시스템 구현에 필요한 요소에 어떤 것이 있고, 어떻게 설계해 나아가야 하는지 전개하였다. PC만 지원되었던 시스템이 다중 OS와 다양한 단말기 지원이 가능한 시스템으로 도약하였으며, 본 연구를 통하여 시스템 접속 시 사용자 인증 로그인, 태양광 발전 데이터를 실시간 보여주는 메인화면, 태양광 발전 데이터를 이력을 확인할 수 있는 트랜드 화면(그래프 포함)이 N스크린 지원 단말기에서 동일하게 표시하는 것에 성공하였다.
그리고 연구의 범위는 ‘시스템 구성과 어떤 기술 및 어떤 개발 언어를 사용하여 설계 및 구현할 것 인지’, ‘단말기에 대한 사용자 인증을 어떻게 하여 보안 문제를 해결할 것인지’, ‘다양한 N스크린용 단말기와 태양광 제어반과의 N:1 통신을 해야 하는데, 이 통신 문제를 해결하기 위한 H/W 및 S/W에 대한 설계 및 구현’로 요청 받고 이를 해결하고 논문으로 전개하였다. 본 논문은 II에서 관련 연구에 관하여 기술하였고, III에서 본 연구의 목적인 애로 기술을 기술하고, 1:1 직접 연결 시스템을 N 스크린 기반의 모니터링 시스템으로 전환하기 위한 시스템의 설계 및 구현을 기술하고 다양한 모니터링 환경에서도 문제가 없도록 보안 환경의 구현을 기술하고, 태양광 발전 제어반과 N:1통신 구현을 기술하고, 완성된 구현 결과를 기술 하였다. 그리고 IV에서 결론을 기술하였다.
본 연구에서는 위에서 언급된 바와 같이 중소기업에서 겪는 애로 중 태양광 발전 모니터링 환경의 다중화를 해결하기 위한 연구를 수행하였다. 연구 시작 당시의 기존 태양광 모니터링 시스템은 태양광 모듈을 태양광 모듈 제어반을 통해 PC 기반 단말 모니터링 시스템에 직접 연결한 형태인 1:1 형태의 모니터링 시스템이었다.
제안 방법
PC기반의 모니터링 시스템에서는 OS상의 사용자 계정을 통하여 인증하였지만, N스크린 기반의 다양한 모니터링 단말기가 시스템에 접속할 수 있도록 해야 하기 때문에 사용자 인증관련 계정관리가 간단하면서도 보안성이 우수하고, 웹 기반의 시스템에 주로 사용하는 로그인 방식을 통하여 시스템 접속에 대한 사용자 인증을 하였다. 또한 보안을 위해서 사용자 등록 및 삭제, 권한 수정은 서버에서만 가능하도록 설계하였다.
즉 중계서버 상에 운영되는 인버터 중계 프로그램을 제작함으로써 N:1 통신 문제를 해결 하도록 설계하였고, 인버터 중계 프로그램은 태양광 발전 제어반과 통신하여 수신한 발전 정보를 DB에 실시간으로 저장하도록 했다. 각 N스크린 단말기가 LAN/WAN을 통해 웹 응용서버프로그램 접속하면 웹 응용서버 프로그램이 발전정보를 DB로부터 읽어와 각 N스크린 단말기에 전송하도록 설계했다.
그리고 연구의 범위는 ‘시스템 구성과 어떤 기술 및 어떤 개발 언어를 사용하여 설계 및 구현할 것 인지’, ‘단말기에 대한 사용자 인증을 어떻게 하여 보안 문제를 해결할 것인지’, ‘다양한 N스크린용 단말기와 태양광 제어반과의 N:1 통신을 해야 하는데, 이 통신 문제를 해결하기 위한 H/W 및 S/W에 대한 설계 및 구현’로 요청 받고 이를 해결하고 논문으로 전개하였다.
또한 실시간 발전 데이터 DB 쿼리 결과를 HTML5 형식으로 응답하도록 하였다. 동적인 graph 표시를 위하여 Javascript를 사용하였고, 이에 사용된 graph 모듈은 확장성과 사용이 용이한 오픈소스 기반의 graph 라이브러리를 사용하였다.
OS 환경 단에서 OS환경에 종속적이지 않은 모니터링 시스템을 설계하는 것은 현실적으로 많은 어려움이 있다. 따라서 OS 보다 상위단에서 단말기마다 공통적인 적용할 수 있는 기술을 검토하였고, 서로 다른 단말기 서로 다른 OS 환경에서도 웹브라우저를 탑재하고 있음에 초점을 맞추어 N 스크린 기반의 모니터링 시스템을 구현에는 웹기반의 기술을 이용하였다. 세계 웹표준을 제정하는 표준기구인 W3C에서 진행하고 있는 웹 표준인 HTML5 기반의 웹 기술을 사용하여 구현하게 되면, 모든 웹브라우저 상에서 동일한 모니터링 결과를 얻을 수 있다[9].
인버터통신중계프로그램은 주기적으로 약30초 마다 태양광 인버터와 통신하여 태양광 발전 데이터를 MySQL DB에 저장한다. 또한 데이터 통신 및 DB 접속 상태를 UI 상에서 확인이 가능하도록 설계하였고, 전송하는 패킷과 수신한 패킷을 로깅 창에 표시하여 통신 상태를 직관적으로 확인 할 수 있도록 구현했다. 통신설정은 내부의 설정파일로 저장하도록 했고, 프로그램 재시작시 설정을 자동으로 읽어와 통신, DB 자동 설정하도록 구현했다.
PC기반의 모니터링 시스템에서는 OS상의 사용자 계정을 통하여 인증하였지만, N스크린 기반의 다양한 모니터링 단말기가 시스템에 접속할 수 있도록 해야 하기 때문에 사용자 인증관련 계정관리가 간단하면서도 보안성이 우수하고, 웹 기반의 시스템에 주로 사용하는 로그인 방식을 통하여 시스템 접속에 대한 사용자 인증을 하였다. 또한 보안을 위해서 사용자 등록 및 삭제, 권한 수정은 서버에서만 가능하도록 설계하였다. 로그인 모듈은 Node.
따라서, 세계에서는 LG스마트TV까지 50% 정도의 지원율을 보이는데, 국내 점유율로 본다면 대부분 지원한다고 볼 수 있다. 또한 본 연구에서는 웹서버프로그램 구현에 사용한 기술은 최근 급격히 각광받고 있는 Node.js 라는 기술을 사용하여 구현 성공하였다. 기존의 웹서버프로그램은 JSP, ASP, PHP 등으로 구현이 되어있는데, Node.
서버 프로그램 구현은 단말기 상에 보이는 View 모듈과 웹브라우저의 요청에 응답하는 Logic 모듈을 분리하여 설계하여, View 모듈의 웹디자인을 변경을 해도 Logic 모듈까지 수정하지 않도록 하여 유지보수가 수월하게 하였다. 또한 실시간 발전 데이터 DB 쿼리 결과를 HTML5 형식으로 응답하도록 하였다. 동적인 graph 표시를 위하여 Javascript를 사용하였고, 이에 사용된 graph 모듈은 확장성과 사용이 용이한 오픈소스 기반의 graph 라이브러리를 사용하였다.
오진석은 선박의 안전 운항을 위한 해상 브이용의 움직임 모니터링 시스템을 구성하였다. 브이에 설치한 RF(Radio Frequency) 통신 시스템을 활용하여 신호를 육상으로 전송하고, 전송된 신호를 PC로 받아 자연의 영향과 인위적인 충돌 등의 영향으로 구분 사고 정보를 모니터링 하는 시스템을 구축하였다[7].
서버 프로그램 구현은 단말기 상에 보이는 View 모듈과 웹브라우저의 요청에 응답하는 Logic 모듈을 분리하여 설계하여, View 모듈의 웹디자인을 변경을 해도 Logic 모듈까지 수정하지 않도록 하여 유지보수가 수월하게 하였다. 또한 실시간 발전 데이터 DB 쿼리 결과를 HTML5 형식으로 응답하도록 하였다.
로그인 모듈의 암호화는 패스워드에 대하여 128bit 암호화 처리하여 구현하였다. 암호화 로직은 https://github.com/ visionmedia/node-pwd의 암호화 모듈을 사용하여 구현하였다.
웹 응용서버 프로그램 설계 및 구현을 할 수 있는 서버 프로그램 기술을 선택하기 위하여 조사 분석하였으며 그 결과는 표 1과 같다. JSP, ASP, PHP는 프로그램 언어 습득에 부담이 있어 인적 자원이 빈약한 중소기업에 적합하지 않다고 판단하였고, 최근 기술이라 당장 참고할 만한 사이트와 문서가 상대적으로 적어서 관련 기술을 습득하여 설계 및 구현에는 어려움은 있으나 웹 표준을 잘 지원하면서 javascript 정도만 배우면 구현이 가능한 Node.
웹 응용서버프로그램과 인버터중계통신프로그램 사이에 태양광 발전 데이터를 서로 공유하기 위해서는 DB를 사용하도록 하였다. DBMS는 태양광 모니터링 시스템의 특성상 접속자수가 많지 않고 대규모의 데이터를 다루지 않기 때문에, Freeware이면서 성능 또한 우수한 MySQL DBMS를 사용하였다[11].
이런 이유로 중계 서버를 구축하였고, 최종 구성에서는 데이터베이스 서버는 별도로 구축하지 않고 중계서버 안에 DBMS를 운영하도록 했다. 즉 중계서버 상에 운영되는 인버터 중계 프로그램을 제작함으로써 N:1 통신 문제를 해결 하도록 설계하였고, 인버터 중계 프로그램은 태양광 발전 제어반과 통신하여 수신한 발전 정보를 DB에 실시간으로 저장하도록 했다.
이런 이유로 중계 서버를 구축하였고, 최종 구성에서는 데이터베이스 서버는 별도로 구축하지 않고 중계서버 안에 DBMS를 운영하도록 했다. 즉 중계서버 상에 운영되는 인버터 중계 프로그램을 제작함으로써 N:1 통신 문제를 해결 하도록 설계하였고, 인버터 중계 프로그램은 태양광 발전 제어반과 통신하여 수신한 발전 정보를 DB에 실시간으로 저장하도록 했다. 각 N스크린 단말기가 LAN/WAN을 통해 웹 응용서버프로그램 접속하면 웹 응용서버 프로그램이 발전정보를 DB로부터 읽어와 각 N스크린 단말기에 전송하도록 설계했다.
또한 데이터 통신 및 DB 접속 상태를 UI 상에서 확인이 가능하도록 설계하였고, 전송하는 패킷과 수신한 패킷을 로깅 창에 표시하여 통신 상태를 직관적으로 확인 할 수 있도록 구현했다. 통신설정은 내부의 설정파일로 저장하도록 했고, 프로그램 재시작시 설정을 자동으로 읽어와 통신, DB 자동 설정하도록 구현했다.
대상 데이터
웹 응용서버프로그램과 인버터중계통신프로그램 사이에 태양광 발전 데이터를 서로 공유하기 위해서는 DB를 사용하도록 하였다. DBMS는 태양광 모니터링 시스템의 특성상 접속자수가 많지 않고 대규모의 데이터를 다루지 않기 때문에, Freeware이면서 성능 또한 우수한 MySQL DBMS를 사용하였다[11]. 모니터링 시스템에서 사용할 DB Table을 아래와 같이 설계하여 구축하였다.
성능/효과
세계 웹표준을 제정하는 표준기구인 W3C에서 진행하고 있는 웹 표준인 HTML5 기반의 웹 기술을 사용하여 구현하게 되면, 모든 웹브라우저 상에서 동일한 모니터링 결과를 얻을 수 있다[9]. 2014년 하반기 중에 HTML5의 표준이 완료가 될 예정이지만 본 연구에서 목표로 한 태양광 발전 모니터링 시스템에서는 이미 표준화가 진행된 HTML5 기술을 가지고도 충분히 구현 할 수 있다.
태양광 발전 모니터링 시스템의 종전의 구조는 ‘태양광 모듈 – 태양광 모듈 제어반 – PC 기반 단일 모니터링 시스템’의 1:1:1 구조였으나 ‘태양광 모듈 – 태양광 모듈 제어반 – PC, 스마트 폰, 스마트 패드, 스마트 TV’의 1:1:N으로 전환하기를 요구되었다. 본 연구의 관점으로 확정된 애로 현황은1) PC기반의 단일 모니터링 시스템을 N스크린 기반의 모니터링 시스템으로 전환하기 위한 시스템 구성과 어떤 기술 및 어떤 개발 언어를 사용하여 설계 및 구현해야 할 것 인지에 대한 기술적인 검토 및 구현 기술 선정에 대한 문제와2) 종전 PC 기반 모니터링 시스템은 모니터링 PC에 직접 접근하여 OS상의 사용자 인증 시스템으로 보안 문제를 해결했지만, N스크린 기반 모니터링 시스템에서는 원격의 여러 단말기가 접속할 수 있도록 해야 하는데 이 과정에서 접속하는 단말기에 대한 사용자 인증을 어떻게 하여 보안 문제를 해결할 것인가에 대한 문제, 3) 기존의 PC기반의 모니터링 시스템은 모니터링 PC와 태양광 발전 제어반과 1:1로 시리얼 통신을 하게 되어있었는데, N스크린 기반의 모니터링 시스템에서는 다양한 N 스크린용 단말기와 태양광 제어반과의 N:1 통신을 해야 한다. 이 통신 문제를 해결하기 위한 H/W 및 S/W에 대한 설계 및 구현을 어떻게 해야 하는지에 대한 문제가 제기되었다.
또한 비웹표준 방식 개발이 아닌 웹표준 방식 개발을 하여 많은 비용을 절감하였다. COCOMO 모델에 근거하여 산출한 개발 비용은 아래와 같으며, 기간에서 81%, 비용에서 54%의 절감을 하였다.
본 구현을 통하여 N스크린 기반 모니터링 시스템 구현에 필요한 요소에 어떤 것이 있고, 어떻게 설계해 나아가야 하는지 전개하였다. PC만 지원되었던 시스템이 다중 OS와 다양한 단말기 지원이 가능한 시스템으로 도약하였으며, 본 연구를 통하여 시스템 접속 시 사용자 인증 로그인, 태양광 발전 데이터를 실시간 보여주는 메인화면, 태양광 발전 데이터를 이력을 확인할 수 있는 트랜드 화면(그래프 포함)이 N스크린 지원 단말기에서 동일하게 표시하는 것에 성공하였다.
본 연구에서는 이를 ‘N스크린 기반의 모니터링 시스템으로 전환하기 위한 시스템 설계 및 구현 문제’, ‘N스크린 시스템의 다양한 단말기 접속 시 보안 문제’, ‘N스크린 단말기와 태양광 발전제어반과의 N:1 통신 문제’로 명명하고 해결한다.
본 연구의 결과는 국내 점유율 순으로 최대 84.2% 점유율을 차지하고 있는 스마트폰에서 이번 과제에서 구현한 N스크린 기반의 모니터링 화면이 성공적으로 표시됨을 확인하였고, 스마트 TV에서는 세계 24%를 점유하고 있는 삼성 스마트 TV에서 마찬가지로 모니터링 화면이 성공적으로 표시됨을 확인하였다. 비록, LG 스마트 TV에서 확인하지는 못했지만 LG스마트 TV에 탑재된 웹브라우저(크로니움)의 지원 Spec.
비록, LG 스마트 TV에서 확인하지는 못했지만 LG스마트 TV에 탑재된 웹브라우저(크로니움)의 지원 Spec.을 검토한 결과 본 과제에서 구현한 모니터링 화면이 충분히 표시될 것으로 예측된다. 따라서, 세계에서는 LG스마트TV까지 50% 정도의 지원율을 보이는데, 국내 점유율로 본다면 대부분 지원한다고 볼 수 있다.
후속연구
js는 성능도 우수할 뿐만 아니라 javascript를 언어만 배우기 하면 되는 장점이 있다. 이번에 구현된 기술을 통하여 유사한 응용에 많은 적용을 할 수 있을 것이라 예상한다. 기존 모니터링 시스템은 PC기반의 응용프로그램으로 만들어져 있는데, 웹기반 기술로 구현하게 되었고 특히 웹표준 기술로 자리매김할 HTML5, CSS3 등의 기술로 개발 능력을 한층 높일 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
모니터링의 의미는?
모니터링이란 어떤 종류의 작업을 감시 혹은 경계하는 것을 의미한다[4]. 직무에서 감시자의 기능은 어떤 행동이나 반응을 요하는 상황이나 사건을 식별하기 위해서 작업이나 공정에 주의를 기울이는 것이다.
웹서버프로그램 구현에 사용된 Node.js의 장점은?
기존의 웹서버프로그램은 JSP, ASP, PHP 등으로 구현이 되어있는데, Node.js는 성능도 우수할 뿐만 아니라 javascript를 언어만 배우기 하면 되는 장점이 있다. 이번에 구현된 기술을 통하여 유사한 응용에 많은 적용을 할 수 있을 것이라 예상한다.
N스크린이란?
N스크린은 하나의 멀티미디어 콘텐츠를 스마트폰ㆍPCㆍ 스마트TVㆍ태블릿PCㆍ자동차 등 다양한 디지털 정보기기에서 공유할 수 있는 컴퓨팅ㆍ네트워크 서비스를 말한다[1,2,3].
참고문헌 (12)
J. W. Yun, S. H. Jyun, H. Y. Lee, K. W. Heo, H. W. Lee, W. Ryu, "Classification of N-Screen Service and Standardization", Communications of the Korean Institute of Information Scientists and Engineers, Vol. 29, No. 7, pp. 23-31. Jul. 2011.
B. H. Jung, "Trends of N-screen service development", Communications of Broadcast Engineering, Vol. 17, No. 1, pp. 8-19. Jan. 2012.
W. Ryu, S. K. Cho, H. W. Lee, H. J. Lee, "Next-generation N-screen service technology", Communications of Broadcast Engineering, Vol. 17, No. 1, pp. 69-77. Jan. 2012.
S. U. Heo, S. I. Kang, O. H. Kwon, S. W. Choi. A. S. Oh, "A Study on Health Management System Based on Smart TV for Wellness Service", Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 17, No. 11, pp. 2615-2620, Nov. 2013.
D. S. Moon, S. H. Kim, "Development of Wireless Remote Monitoring System for Small Wind Turbine System", Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 22, No. 4, pp. 460-467, Aug. 2012.
J. S. Oh, "Movement Monitoring System for Marine Buoy", Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 18, No. 2, pp. 311-317, Feb. 2014.
S. J. Lee, H. J. Sim, A. R. Lee, T. R. Lee, "The Design of Maternity Monitoring System Using USN in Maternity Hospital", The Journal of Digital Policy & Management, Vol.11, No.5, pp. 347-354, May 2013.
HTML5-World Wide Web Consortium, http://www.w3.org/TR/html5/.
Node.js-Software platformfor scalable server-side and networking applications, http://www.nodejs.org.
MySQL-open source relational database management system (RDBMS), http://www.mysql.com.
K. Koh, C. S. Wu, "A study on Cost and Schedule Estimate for Software System", Journal of KIISE, Vol 11. No. 3, pp. 182-188, Aug. 1984.
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