최근 선박용 전자, 통신 장비들이 다양하고 복잡해짐에 따라 새로운 통신 프로토콜을 적용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 그중에서도 CAN(Controller Area Network)통신 프로토콜을 기반으로 하는 NMEA(National Marine Electronics Association)2000 프로토콜은 대표적인 차세대 선박용 프로토콜로 표준화와 더불어 선박에 적용되고 있다. NMEA2000은 선박에서 사용되는 다양한 데이터들을 다른 전자장비로 통신하기 위한 표준으로 네트워크 관리를 위한 서버가 필요 없는 멀티마스터의 실시간 제어 네트워크이다. 본 연구에서는 NMEA 2000 기반의 선박 센서용 프로토콜 변환 알고리즘의 구현과 NMEA2000/CAN/Ethernet/RS232 등의 데이터 포맷 변환 및 NMEA2000 기반 전용 케이블을 고려한 아날로그 데이터 모듈의 개발을 목표로 한다. 본 연구에서 NMEA2000 핵심 기술의 개발과 적용으로 다양한 통신 프로토콜을 지원함으로써 사용자 기반의 데이터 모니터링 시스템을 설계하고 구현하였다.
최근 선박용 전자, 통신 장비들이 다양하고 복잡해짐에 따라 새로운 통신 프로토콜을 적용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 그중에서도 CAN(Controller Area Network)통신 프로토콜을 기반으로 하는 NMEA(National Marine Electronics Association)2000 프로토콜은 대표적인 차세대 선박용 프로토콜로 표준화와 더불어 선박에 적용되고 있다. NMEA2000은 선박에서 사용되는 다양한 데이터들을 다른 전자장비로 통신하기 위한 표준으로 네트워크 관리를 위한 서버가 필요 없는 멀티마스터의 실시간 제어 네트워크이다. 본 연구에서는 NMEA 2000 기반의 선박 센서용 프로토콜 변환 알고리즘의 구현과 NMEA2000/CAN/Ethernet/RS232 등의 데이터 포맷 변환 및 NMEA2000 기반 전용 케이블을 고려한 아날로그 데이터 모듈의 개발을 목표로 한다. 본 연구에서 NMEA2000 핵심 기술의 개발과 적용으로 다양한 통신 프로토콜을 지원함으로써 사용자 기반의 데이터 모니터링 시스템을 설계하고 구현하였다.
Recently, due to the variety and complexity of marine electronics communication devices, much research has been done to adopt the novel communication protocol. Among them, NMEA2000 protocol, is adopted as standardized protocol to the next generation ship. In this paper, we design and implement the c...
Recently, due to the variety and complexity of marine electronics communication devices, much research has been done to adopt the novel communication protocol. Among them, NMEA2000 protocol, is adopted as standardized protocol to the next generation ship. In this paper, we design and implement the conversion algorithm for sensor protocol based on NMEA2000, and analog data module which convert data format between NMEA2000, CAN, Ethernet, RS232. The present study was designed to implement user-based data monitoring system by supporting various communication protocols through the development and application of key technologies through NMEA2000.
Recently, due to the variety and complexity of marine electronics communication devices, much research has been done to adopt the novel communication protocol. Among them, NMEA2000 protocol, is adopted as standardized protocol to the next generation ship. In this paper, we design and implement the conversion algorithm for sensor protocol based on NMEA2000, and analog data module which convert data format between NMEA2000, CAN, Ethernet, RS232. The present study was designed to implement user-based data monitoring system by supporting various communication protocols through the development and application of key technologies through NMEA2000.
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문제 정의
NMEA 2000에서 Engine Parameters는 Rapid Update(PGN 127488)와 Dynamic(PGN 127489) 및 Static(PGN 127498)등이 있다[11,12]. 본 논문에서는 Engine Parameters를 Dynamic으로 우선 구현하였다. Dynamic은 500ms 주기로 데이터를 전송하는 방식을 사용하고 있다.
본 논문에서는 차세대 선박 네트워크의 표준 통신 규격인 NMEA 2000 네트워크의 특징 및 구성과 이를 적용한 엔진 센서 모니터링을 위한 컨버터 및 게이트웨이를 설계 및 구현하고 이들 데이터의 효율적 변환을 위한 알고리즘의 구현을 통해 사용자 기반의 모니터링 시스템을 구성하여 그 성능을 테스트하였다.
제안 방법
0b 소프트웨어 아날라이저로 분석한 결과를 나타내었다. 게이트웨이는 CAN ID를 수신하여 특정 PGN을 프로세싱 할 수 있도록 ID 필터링 알고리즘을 구성하였다. 또한 그림 7은 개별 프레임에 대한 Data는 프레임을 구분하는 카운터 값을 수신하여 특정 모듈의 아날로그 데이터를 구별할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 차세대 선박 네트워크의 표준인 NMEA 2000 프로토콜의 특징 및 구성과 이 표준을 적용한 아날로그 데이터 모듈 및 게이트웨이를 설계 및 구현하고 실험을 통해 실제 PGN # 127489의 CAN ID, CAN Data, CAN Update Timing을 분석하였다. 또한 N2000-DP 소프트웨어 모듈을 개발하여 실시간 CAN Raw데이터와 엔진의 상태를 모니터링 할 수 있는 모니터링 시스템을 개발하였다.
본 논문에서는 NMEA 2000 규격의 케이블과 단자대를 사용하여 네트워크 통신 실험을 하였다.
본 논문에서는 차세대 선박 네트워크의 표준인 NMEA 2000 프로토콜의 특징 및 구성과 이 표준을 적용한 아날로그 데이터 모듈 및 게이트웨이를 설계 및 구현하고 실험을 통해 실제 PGN # 127489의 CAN ID, CAN Data, CAN Update Timing을 분석하였다. 또한 N2000-DP 소프트웨어 모듈을 개발하여 실시간 CAN Raw데이터와 엔진의 상태를 모니터링 할 수 있는 모니터링 시스템을 개발하였다.
선박 엔진을 모니터링 할 수 있는 N2000-DP 소프트웨어 모듈을 개발하여 실시간 CAN Raw데이터와 엔진의 상태를 모니터링 할 수 있도록 Labview 2013 소프트웨어로 제작하였다. 본 소프트웨어는 확장이 용이한 플랫폼으로 주기적인 엔진 데이터 뿐만 아니라, 향후 탱크 및 배터리, 제너레이터 등의 데이터를 모니터링 할 수 있도록 설계 되어 있다.
선박 엔진 모니터링 시스템 구현을 위하여 4개의 아날로그 데이터 모듈(PT100, mA[2EA], mV)와 1개의 게이트웨이(CAN to Ethernet)로 구성하고 PC 서버 기반 모니터링 시스템을 구현하였으며 그림 5는 시스템 구축 및 테스트 환경을 보여주고 있다.
선박 엔진을 모니터링 할 수 있는 N2000-DP 소프트웨어 모듈을 개발하여 실시간 CAN Raw데이터와 엔진의 상태를 모니터링 할 수 있도록 Labview 2013 소프트웨어로 제작하였다. 본 소프트웨어는 확장이 용이한 플랫폼으로 주기적인 엔진 데이터 뿐만 아니라, 향후 탱크 및 배터리, 제너레이터 등의 데이터를 모니터링 할 수 있도록 설계 되어 있다.
시스템 테스트를 위한 통신방식은 TCP/IP로 하였으며 통신속도는 10~100Mbps로, 전송주기는 500 msec로 테스트를 실시하였다. 그림9는 N2000-DP Engine Monitoring System의 CAN Raw Data의 디스플레이 화면이고, 그림10은 2000-DP Engine Monitoring System 의 온도, 압력 등의 실제 데이터 값들의 보여주는 메인화면이다.
대상 데이터
또한 외부의 영향 등에 강인성을 가져 통신 에러율을 최소화 하여 높은 신뢰성을 가지고 있다. 이론상으로는 2032 개의 서로 다른 디바이스를 하나의 네트워크 상에 연결하여 통신을 수행할 수 있으나 CAN Transceiver의 한계로 인해 110개까지의 Node를 연결하여 사용할 수 있도록 설계되었다. 통신 속도는 실시간 제어가 가능한 1Mbps의 고속 통신을 제공하고 심각한 노이즈 환경에 적합하도록 에러 검출 및 에러 보정 기능이 있다.
성능/효과
0B를 채택하여 확장 ID포맷을 사용한다. 두 형식의 큰 차이점은 중재필드(Arbitration field)의 크기 차이로 확장 포맷이 32비트로 기본 포맷보다 18비트가 더 크다. CAN 메시지 프레임의 중재 필드 32비트 중에서 29비트를 NMEA 식별자(Identifier)로 사용하며, 이중 18비트를 PGN으로 사용한다[9].
후속연구
이 연구에 이어서 추가적으로 진행하여야할 내용으로는 PGN# 127488 Engine Parameters(Rapid update)의 추가 스택 개발과 실험을 계획하고 있으며, 탱크 및 배터리, 제너레이터 모듈 설계와 PGN 스택을 추가 구성하여 시스템을 구축해 나갈 예정이다. 또한 엔진 모니터링 뿐만 아니라 다양한 장치로부터 올라오는 데이터를 실시간으로 처리할 수 있도록 알고리즘을 확장해 나갈 예정이다.
이 연구에 이어서 추가적으로 진행하여야할 내용으로는 PGN# 127488 Engine Parameters(Rapid update)의 추가 스택 개발과 실험을 계획하고 있으며, 탱크 및 배터리, 제너레이터 모듈 설계와 PGN 스택을 추가 구성하여 시스템을 구축해 나갈 예정이다. 또한 엔진 모니터링 뿐만 아니라 다양한 장치로부터 올라오는 데이터를 실시간으로 처리할 수 있도록 알고리즘을 확장해 나갈 예정이다.
게이트웨이는 32bit Cortex M3를 사용하여 서버측으로 고속 데이터를 실시간 멀티 태스크 처리가 가능하며, 이더넷 W5100 칩을 사용하여 최대 25Mbps 네트워크 성능을 낼 수 있다. 향후 Wi-Fi 및 Bluetooth 칩을 사용하여 무선 네트워크에 대한 실험을 할 수 있도록 인터페이스 설계를 완료하였다. 엔진 모니터링을 위한 아날로그 데이터 모듈은 저가형 32bit Cortex M3를 사용하여 아날로그 입력 mA, mV, PT100을 12bit A/D 변환하여 디지털 데이터를 게이트웨이로 전송한다.
Dynamic은 500ms 주기로 데이터를 전송하는 방식을 사용하고 있다. 향후 과제로는 PGN# 127488 Engine Parameters(Rapid update)와 Protocol PGNs 스택을 구현하여 엔진 모니터링 시스템을 구축할 예정이다. 그림 3은 본 논문에서 제안하는 NMEA 2000 기반의 엔진 모니터링 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CAN 통신이란 무엇인가?
CAN 통신은 초기에 자동차 산업분야에 적용하기 위해 고안된 시리얼 통신 네트워크로서, 근래에 와서는 선박 등 산업 전반에 걸쳐 폭 넓게 적용되고 있다.
선박내의 전자장비의 수요가 증가하면서 새로운 프로토콜의 필요성이 대두되고 있는 이유는 무엇인가?
현재 선박의 대형화와 자동화의 도입에 따라 선박내의 전자장비의 수요가 크게 증가하고 있다[1]. 특히 이들 선박의 전자장비들은 상호 인터페이스의 증가로 기존 통신에 주로 사용되는 NMEA0183 프로토콜 등으로는 증가하는 데이터와 물리적인 케이블의 복잡성 등의 문제를 해결하기에는 역부족이어서 새로운 프로토콜의 필요성이 대두 되었다[2].
NMEA 2000 프로토콜의 장점은 무엇인가?
전송속도가 4,800bps인 기존의 NMEA 0183에 비해 NMEA 2000은 250kbps를 유지하기 때문에 높은 전송속도를 보장하며 양방향 다중 송수신이 가능하기 때문에 데이터 충돌을 회피할 수 있다. 또한 정상적으로 동작하는 네트워크에 연결되어 있는 한 장비가 고장이 나도 전체 네트워크가 멈추지 않는 특징 때문에 많은 선박 기자재 분야에서 NMEA 2000을 채택하고 이를 이용한 제품이 상용화 되고 있다[8].
참고문헌 (12)
C.Y. Kim, S. M. Lee, I.G.Lee, " A Study of NMEA 2000 Protocol Application for Marine Engine Monitoring System", KIICE Conference. Vol. 18, pp. 553-556, May, 2014.
IMO Maritime Safety Committee 78th session: 12-21 May 2004.
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