[논문]IoT 응용을 위한 오픈 소스 기반의 BLE 센서 모듈 개발

류대현

doi:10.13067/jkiecs.2015.10.3.419

IoT 응용을 위한 오픈 소스 기반의 BLE 센서 모듈 개발
Development of BLE Sensor Module based on Open Source for IoT Applications 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.10 no.3, 2015년, pp.419 - 424

초록
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모든 사물이 지능화되고 인터넷과 연결되는 IoT의 시대가 열리고 있다. IoT 생태계 구축과 활성화를 위해서는 개방형 IoT 서비스 플랫폼이 무엇보다도 중요하다. 본 논문에서는 개방형 IoT 서비스 플랫폼의 한 요소로서 오픈 소스 하드웨어와 Blutooth4.0을 기반으로 하는 BLE 센서 모듈을 개발하여 그 도달거리와 사용가능시간과 같은 성능을 평가하고, 테스트베드를 구축하여 그 기능을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The era of IoT in which all objects are intelligent and are connected to the Internet has been started. In order to establish and activate an IoT eco system, open services platform is very important. In this paper, we developed a BLE sensor module as a component of the open service platform based on the IoT and the open source hardware Blutooth4.0. To verify the functionality and performance of the developed BLE sensor module was built to evaluate the performance of the test environment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 BLE를 기반으로 하는 스마트 센서 모듈을 개발하고, 라즈베리파이를 게이트웨이로 하여 온습도를 모니터링하는 IoT 테스트베드를 구성하였다. IoT 응용에서 무선 스마트 센서 모듈로서 활용에 있어서 중요한 성능이라 할 수 있는 도달거리와 배터리 사용 시간을 측정하였다.
본 논문에서는 Bluetooth Low Energy를 지원하는 초소형 아두이노 호환 모듈인 RFduino를 이용하여 BLE 센서 모듈을 개발하였다. Arm Cotex-M0 32bit Processor를 내장한 RFduino는 BT4.

제안 방법

BLE를 기반의 스마트 센서 모듈은 다양한 센서들을 인터페이스할 수 있고 아두이노 개발 환경을 그대로 이용할 수 있다는 장점을 갖도록 설계하였다. 본 연구에서 개발한 BLE를 기반의 스마트 센서 모듈은 아이폰이나 안드로이드를 기반으로 하는 스마트 디바이스들과도 쉽게 연동할 수 있다.
본 논문에서는 BLE를 기반으로 하는 스마트 센서 모듈을 개발하고, 라즈베리파이를 게이트웨이로 하여 온습도를 모니터링하는 IoT 테스트베드를 구성하였다. IoT 응용에서 무선 스마트 센서 모듈로서 활용에 있어서 중요한 성능이라 할 수 있는 도달거리와 배터리 사용 시간을 측정하였다.
다수의 BLE 온습도 센서 모듈에서 전송되는 센싱 데이터를 모아서 인터넷을 통해 서버로 전송하기 위한 게이트웨이로는 역시 오픈 소스 기반의 하드웨어인 라즈베리파이를 활용하였다. 라즈베리파이에는 Bluetooth 4.0을 지원하는 통신모듈이 탑재되어 있지 않으므로 본 연구에서 개발된 BLE 모듈을 시리얼로 라즈베리파이와 인터페이스하여 BLE 모뎀으로 활용하였다. 서버로는 Ubuntu 14.
본 연구에서 개발한 BLE 센서 모듈은 10 비트 ADC, I2C, SPI, UART와 GPIO 등 다양한 인터페이스를 갖도록 하여 아날로그와 디지털 출력을 갖는 다양한 센서를 인터페이스 할 수 있도록 하였다. 라즈베리파이에도 BLE 모듈을 BLE 모뎀으로 인터페이스하여 다수의 BLE 센서 모듈로부터 생성되는 데이터들을 서버 또는 클라우드로 전송되도록 하였다. 서버에서는 DB를 구성하여 전송되어오는 센싱 데이터를 관리하도록 하였고, 클라이언트에서는 웹브라우즈를 통해 데이터에 접근할 수 있도록 하였다.
4 시험 환경 구성본 연구에서 개발한 BLE 센서 모듈을 시험하기 위해 그림 4와 같이 테스트베드를 구축하였다. 먼저 본 논문에서 개발한 BLE 센서 모듈에 AM2302 온습도 센서를 Digital I/O로 연결하여 BLE 온습도 센서 모듈을 구성하였다. BLE 센서 모듈에 6개의 GPIO가 있어서 총 6개까지의 AM2302센서를 사용하는 것이 가능하다.
본 연구에서 개발한 BLE 센서 모듈의 중요한 장점 중의 하나는 배터리 사용 시간이라 할 수 있다. 배터리 사용 시간 예측을 위해 먼저 BLE 센서 모듈에 DC 3.0V 인가 후 Idle 상태, Sleep 상태 그리고 통신 상태의 소비전류를 측정하여 그 결과를 표 3에 나타내었다. 240 mAh 정도의 용량을 갖는 코인 밧데리인 CR2032을 사용한 경우, 하루 24시간 중에 활동시간 오전 10시부터 오후 6시까지는 Sleep 상태, 오후 6시부터 다음날 오전10시까지는 비 활동시간으로 Idle 상태로 설정하고 데이터 전송은 하루 중 10초만 이루어지는 상황을 가정할 때 약 204일(4,903시간) 정도 사용 가능한 것으로 계산된다.
본 연구에서 개발한 BLE 센서 모듈은 10 비트 ADC, I2C, SPI, UART와 GPIO 등 다양한 인터페이스를 갖도록 하여 아날로그와 디지털 출력을 갖는 다양한 센서를 인터페이스 할 수 있도록 하였다. 라즈베리파이에도 BLE 모듈을 BLE 모뎀으로 인터페이스하여 다수의 BLE 센서 모듈로부터 생성되는 데이터들을 서버 또는 클라우드로 전송되도록 하였다.
본 연구에서는 BLE를 기반으로 하는 스마트 센서 모듈을 개발하고, 오픈 소스 하드웨어인 라즈베리파이를 게이트웨이로 하는 IoT 플랫폼을 구성하여 전산실 내의 온습도를 모니터링 하는 시스템을 구성하였다.

이론/모형

다수의 BLE 온습도 센서 모듈에서 전송되는 센싱 데이터를 모아서 인터넷을 통해 서버로 전송하기 위한 게이트웨이로는 역시 오픈 소스 기반의 하드웨어인 라즈베리파이를 활용하였다. 라즈베리파이에는 Bluetooth 4.

성능/효과

BLE를 기반의 스마트 센서 모듈은 다양한 센서들을 인터페이스할 수 있고 아두이노 개발 환경을 그대로 이용할 수 있다는 장점을 갖도록 설계하였다. 본 연구에서 개발한 BLE를 기반의 스마트 센서 모듈은 아이폰이나 안드로이드를 기반으로 하는 스마트 디바이스들과도 쉽게 연동할 수 있다.
총 10회를 측정한 결과 약 20m 정도의 도달 거리를 확인할 수 있다. 이결과는 표 1에 나타난 RF 규격에 칩안테나를 사용한 경우이고 외장안테나를 적용하다면 도달거리는 증가할 것으로 예상된다.
본 연구에서는 BLE 센서 모듈 전송 거리를 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다. 총 10회를 측정한 결과 약 20m 정도의 도달 거리를 확인할 수 있다. 이결과는 표 1에 나타난 RF 규격에 칩안테나를 사용한 경우이고 외장안테나를 적용하다면 도달거리는 증가할 것으로 예상된다.

후속연구

본 연구가 향후 사물 인터넷의 종단 단말이나 신규 서비스로 발전하기 위해서는 이를 통합적인 차원에서 연결해줄 수 있는 플랫폼과 이를 통한 생태계 구축이 매우 중요할 것이다.
서버에서는 DB를 구성하여 전송되어오는 센싱 데이터를 관리하도록 하였고, 클라이언트에서는 웹브라우즈를 통해 데이터에 접근할 수 있도록 하였다. 향후 IoT 상용화를 위한 퍼블릭 클라우드 플랫폼 컨설팅 서비스인 Xively 등과도 연동할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IoT(Internet of Things : 사물 인터넷) 시대는 무엇인가?	센서, 프로세서, 통신 모듈 등 전자 부품이 초소형 화, 저전력화 되고, 빅데이터, 클라우드 등 플랫폼 기술과 LTE 등 네트워크 기술이 발전되면서 모든 사물이 지능화되고 인터넷과 연결되는 IoT(Internet of Things : 사물 인터넷) 시대가 열리고 있다[1-2]. 최근 IoT에 대한 관심은 가히 폭발적이라 할 수 있으며 주변의 모든 사물들이 연결되어 다양한 서비스를 제공하는 초연결 사회(Hyper Connected Society)에 대 한 기대감이 어느 때보다 커지고 있다[3].
	Bluetooth4.0이 가진 기존의 버전과 다른 주요 장점은 무엇인가?	2010년 6월 30일에 채택된 Bluetooth4.0은 기존의 버전과 다른 주요 특이점을 가지고 있는데 동전크기 만한 전지만으로 1 년 이상 사용할 수 있을 정도로 저전력이라는 장점을 가지고 있다. 또한 이전 블루투스 버전의 경우 슬레이 브(Slave) 기기가 7대 까지만 가능했으나 Bluetooth 4.
	IoT가 제대로 가치를 만들기 위해 필요한 능력 중 주변의 데이터를 수집할 수 있는 능력과 통신기능을 갖춘 기능은 무엇으로 실현이 가능한가?	이 중에서 사물은 주변의 데이터를 수집할 수 있는 능력과 통신 기능을 갖고 있어야 하는데, 기존에는 이러한 정도의 기능을 가진 사물을 제조할 수 있는 것은 대기업의 영역으로 간주되었다. 그러나 최근에 라즈베리 파이(Raspberry Pi)나 아두이노(Arduino)와 같은 오픈 소스 하드웨어가 소개되면서 다양한 분야의 사람들이 손쉽게 자신의 아이디어를 사물로 실현화 할 수 있게 되었다. 오픈 소스 하드웨어는 디자인이 공개된 하드웨어로써, 누구나 하드웨어를 배우고, 수정하고, 배포하고, 제조하고, 판매도 가능하다.

참고문헌 (7)

D. Bandyopadhyay and J. Sen, "Internet of things : applications and challenges in technology and standardization," Wireless Personal Communications, v. 58, no. 1, May 2011, pp. 49-69.

상세보기
H. Sundmaeker, P. Guillemin, P. Friess, and S. Woelffle, "Vision and challenges for realizing the internet of things," Future Generation Computer Systems archive, v. 29, no. 7, September, 2013, pp. 1645-1660.

상세보기
Y. Oh and S. Lee, "IoT and the open source development platform," J. of the Korean Institute of Information Scientists and Engineers, vol. 32, no. 6, June 2014, pp. 25-30.
K. Min, "Market policy trend analysis of Internet of Things (IoT)," Internet & Security Issues, KISA, Sep. 2012, pp. 3-33.
K. Nam, "A Study on the Office Management Service Platform based on M2M/IoT," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 9, no. 12, Dec. 2014, pp. 1405-1413.

원문보기 상세보기
K. Jeong and W. Kim, "The Implementation of Smart Raising Environment Management System based on Sensor Network and 3G Telecommunication," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 6, no. 4, Aug. 2011, pp. 595-601.
J. Kim, "A cluster head replacement based on threshold in the Internet of Things," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 9, no. 11, Nov. 2014, pp. 1241-1248.

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