[논문]개방형 하드웨어 플랫폼 기반의 확장 용이한 스마트 홈 IoT 시스템

이진해; 박광일; 신종하; 유성은

doi:10.14372/iemek.2016.11.6.369

개방형 하드웨어 플랫폼 기반의 확장 용이한 스마트 홈 IoT 시스템
An Extensible Smart Home IoT System Based on Open Hardware Platforms 원문보기

대한임베디드공학회논문지 = IEMEK Journal of embedded systems and applications, v.11 no.6, 2016년, pp.369 - 377

이진해 (Daegu University) , 박광일 (Daegu University) , 신종하 (Daegu University) , 유성은 (Daegu University)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, many changes have been made to people's life patterns as the technological advances in the ICT industry. The fusion of smart phones and various IT technologies has brought people convenience and welfare. A typical example of such fusion is the smart home. However, the existing smart home systems are difficult to be changed or extended. So we design a new smart home system with extensibility that can easily adopt legacy appliances and be scaled up. Among a variety of smart home features, this paper deals with IoT Devices that are responsible for controlling power or transmitting and receiving sensing values, IoT Gateway that connects users and consumer electronics via Internet, and Smart Home Manager that monitors and controls these components in the proposed smart home system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

따라서 본 논문에서는 앞서 언급한 기존 스마트 홈 시스템의 제한 요소들을 최소화하기 위해 Open Hardware Platform 기반의 스마트 홈 아키텍처를 제안한다. 먼저 콘센트에 손쉽게 꽂을 수 있는 Plug-in & Play 형태의 Power Device를 설계하여 어떤 가전제품이든 Power Device에 연결된 콘센트를 통하여 스마트 홈 시스템에 손쉽게 연결될 수 있다.
사용자가 게이트웨이 없이 직접 IoT Device들을 제어할 수 있지만, 이 방법은 모든 IoT Device에게 IP를 할당해서 사용해야 되기 때문에 확장성 측면에서 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 확장 가능성을 고려하여 각 사이트를 IoT Gateway가 관리하도록 설계한다.
본 논문에서는 기존 스마트 홈 시스템의 문제를 해결하고자 확장 용이성과 환경 정보를 연동한 스마트 기능을 고려하여 새로운 스마트 홈 시스템의 구조를 설계하고 구현한 결과를 제시하였다. 본 논문에서 제안하는 스마트 홈은 Smart Home Manager, IoT Gateway, Power Device 그리고 Sensor Device로 구성된다.
그림 2는 전체 시스템 구성도를 나타낸 것이다. 본 논문은 bottom-up 방식으로 IoT Device (Power Device와 Sensor Device)를 살펴보고, IoT Gateway 및 Smart Home Manager에 대한 설계 및 구현 내용을 기술한다.
이와 같은 사물인터넷 (Internet of Things) 기술은 사물들을 서로 연결함으로써 기존 응용분야들을 지능화하여 응용분야의 효율성 및 편의성을 증대시키고 있다. 사물인터넷의 응용분야는 스마트 헬스 케어 [1], 스마트 홈, 스마트 팜[2], 스마트 시티 등과 같은 일상생활과 밀접한 관련이 있는 모든 응용으로까지 확대될 수 있으나, 본 논문에서는 스마트 환경 분야 [3] 중 스마트 오피스나 스마트 빌딩 분야로 확장되기 쉬운 스마트 홈 분야에 그 관심을 집중하고자 한다. 스마트 홈이란 주거 환경에 ICT를 융합하여 사람들의 편익과 복지 증진, 안전한 생활이 가능하도록 하는 인간 중심적인 스마트 라이프 환경을 뜻 한다 [4, 5].

제안 방법

Power Device의 센싱 정확도를 측정하기 위해서 표 2의 세 가지 가전제품에 대해 20번에 걸쳐 측정한 전류 측정값과 멀티미터 (FLUKE117) [13]로 측정한 전류 값을 비교하였다. 그 결과 90% 이상의 정확도를 가지는 것을 확인하였다.
사용자는 Smart Home Manager에서 IoT Gateway를 통해서 IoT Device를 제어할 수 있고 DB 서버에 저장된 데이터를 확인할 수 있다. 가전제품의 원격 제어와 전력 소비량을 확인하기 위한 Power Device는 손쉽게 가전제품과 연결할 수 있도록 Plug-in & Play 형태로 설계하였다. 사용자가 원하는 제품들을 브랜드에 상관없이 추가하고 제어할 수 있기 때문에 본 논문에서 제안하는 스마트 홈 시스템은 기존의 스마트 홈 시스템보다 제품의 범위에서 확장이 매우 용이하다.
이러한 방법은 연결 가능한 가전제품이 정해져 있는 기존의 스마트 홈보다 높은 확장성을 제공한다. 그리고 다양한 환경정보를 사용자에게 제공하고 사용자의 선호도에 따라 자동으로 쾌적한 집안 환경을 유지하도록 하는 스마트 기능의 기반이 되는 Sensor Device를 설계한다. 이러한 IoT Device (Power Device 및 Sensor Device)와 IoT Gateway 및 Smart Home Manager로 구성된 스마트 홈 시스템의 가능성을 프로토타입 시스템 구현을 통해 평가한다.
그림 10의 Smart Home Manager의 시작 화면에서는 사용자가 서버에 등록되어 있는 아이디와 비밀번호로 로그인할 수 있다. 또한 본 논문에서는 확장 가능성을 고려하여 각 아이디 별로 IoT 게이트웨이를 5개까지 추가할 수 있도록 설계 및 구현하였다 (그림 10의 오른쪽).
본 장에서는 먼저 I 장 연구의 필요성에서 제기한 기존 스마트 홈 시스템들의 문제점들을 고려하여 Open Hardware Platform 기반의 스마트 홈 아키텍처를 소개한다. 그림 2는 전체 시스템 구성도를 나타낸 것이다.
우리는 각종 가전제품이 소모하는 전류의 양을 측정하고 전원을 제어하기 위해 Power Device를 구상하였다. Power Device는 하드웨어 플랫폼의 개방성이 좋고 공간의 효율성이 높은 Arduino Pro Mini를 메인보드로 사용한다.
그리고 다양한 환경정보를 사용자에게 제공하고 사용자의 선호도에 따라 자동으로 쾌적한 집안 환경을 유지하도록 하는 스마트 기능의 기반이 되는 Sensor Device를 설계한다. 이러한 IoT Device (Power Device 및 Sensor Device)와 IoT Gateway 및 Smart Home Manager로 구성된 스마트 홈 시스템의 가능성을 프로토타입 시스템 구현을 통해 평가한다.
그래서 ZigBee는 저전력을 필요로 하는 다양한 무선센서 네트워크 응용들에 적합하다 [23]. 이런 점 때문에 원격으로 가정에서 낭비되는 전력 소모의 양을 줄이는 것에 목표를 한 본 논문에서는 IoT Device들과 IoT Gateway의 통신 기술로 ZigBee 호환 모듈 중 하나인 XBee를 이용하였다.

대상 데이터

IoT Gateway의 플랫폼을 소프트웨어와 하드웨어 측면에서 확장이 용이한 개방형 하드웨어 중 갈릴레오 보드를 사용하였다. 개방형 하드웨어는 다양한 무선 인터페이스를 지원하고 리눅스 커널 기반의 운영체제를 사용하여 MySQL과 같은 데이터베이스를 탑재하고 웹 서버를 통하여 외부에서 접속이 가능하다 [21].
본 논문에서는 기존 스마트 홈 시스템의 문제를 해결하고자 확장 용이성과 환경 정보를 연동한 스마트 기능을 고려하여 새로운 스마트 홈 시스템의 구조를 설계하고 구현한 결과를 제시하였다. 본 논문에서 제안하는 스마트 홈은 Smart Home Manager, IoT Gateway, Power Device 그리고 Sensor Device로 구성된다. Smart Home Manager는 모바일 앱으로서 사용자에게 스마트 홈 시스템에 대한 모니터링 및 제어 인터페이스를 제공한다.

이론/모형

3V와 5V를 동시에 지원한다. 센서 중에서는 3.3V에서 동작하는 센서와 5V에서 동작하는 센서가 있기 때문에 본 논문에서는 Sensor Device의 확장성을 위하여 Arduino UNO를 사용하였다.

성능/효과

Power Device의 센싱 정확도를 측정하기 위해서 표 2의 세 가지 가전제품에 대해 20번에 걸쳐 측정한 전류 측정값과 멀티미터 (FLUKE117) [13]로 측정한 전류 값을 비교하였다. 그 결과 90% 이상의 정확도를 가지는 것을 확인하였다. 또한 전원제어 기능의 동작 여부 및 응답 속도를 평가하기 위하여 Ⅱ-4 절의 Smart Home Manager (모바일앱)를 이용한 가전제품의 전원을 원격으로 10회에 걸쳐 제어한 결과 10회 모두 성공하였고 평균 응답속도는 약 1.
그 결과 90% 이상의 정확도를 가지는 것을 확인하였다. 또한 전원제어 기능의 동작 여부 및 응답 속도를 평가하기 위하여 Ⅱ-4 절의 Smart Home Manager (모바일앱)를 이용한 가전제품의 전원을 원격으로 10회에 걸쳐 제어한 결과 10회 모두 성공하였고 평균 응답속도는 약 1.4초로 확인되었다.
가전제품의 원격 제어와 전력 소비량을 확인하기 위한 Power Device는 손쉽게 가전제품과 연결할 수 있도록 Plug-in & Play 형태로 설계하였다. 사용자가 원하는 제품들을 브랜드에 상관없이 추가하고 제어할 수 있기 때문에 본 논문에서 제안하는 스마트 홈 시스템은 기존의 스마트 홈 시스템보다 제품의 범위에서 확장이 매우 용이하다. Sensor Device는 가정 내의 환경 정보를 측정하며 IoT Gateway는 측정된 환경 정보를 바탕으로 연결된 가전제품들을 자동으로 제어할 수 있는 스마트 기능을 제공한다.

후속연구

Sensor Device는 가정 내의 환경 정보를 측정하며 IoT Gateway는 측정된 환경 정보를 바탕으로 연결된 가전제품들을 자동으로 제어할 수 있는 스마트 기능을 제공한다. 이 스마트 기능은 기존의 모니터링과 제어만을 하는 스마트 홈 시스템에서 좀 더 지능적이고 사용자에게 편의를 제공할 수 있는 진보된 스마트 홈 시스템을 구현하기 위한 기반이 될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트 홈이란 무엇을 뜻하는가?	사물인터넷의 응용분야는 스마트 헬스 케어 [1], 스마트 홈, 스마트 팜[2], 스마트 시티 등과 같은 일상생활과 밀접한 관련이 있는 모든 응용으로까지 확대될 수 있으나, 본 논문에서는 스마트 환경 분야 [3] 중 스마트 오피스나 스마트 빌딩 분야로 확장되기 쉬운 스마트 홈 분야에 그 관심을 집중하고자 한다. 스마트 홈이란 주거 환경에 ICT를 융합하여 사람들의 편익과 복지 증진, 안전한 생활이 가능하도록 하는 인간 중심적인 스마트 라이프 환경을 뜻 한다 [4, 5].
	기존의 홈 네트워크 기반의 스마트 홈 시스템이 일반 가정집에 채택되지 못하고 있는 이유는 무엇인가?	스마트 홈 시스템은 언제, 어디서나 다양한 서비스와 편의를 제공하지만 기존의 스마트 홈 시스템은 몇 가지 제한적인 요소들이 있다. 우선 많은 경우 built-in 방식이기 때문에 건물의 설계 과정에서부터 스마트 홈 시스템에 대한 고려가 필요하다[7]. 그렇기 때문에 기존의 홈 네트워크 기반의 스마트 홈 시스템은 현재 대기업 아파트, 고급빌라 등에만 주로 설치가 되고, 일반 가정집에서는 거의 채택되지 못하고 있으며 새로이 건물을 짓거나 리모델링을 하는 경우에 스마트 홈 시스템을 이용할 수 있다 [8].
	전력 측정은 어떤 기능인가?	전력 측정은 사용자가 가전제품의 전력 사용량을 파악할 수 있고 전기료를 예측할 수 있도록 도와준다. 전력 측정 과정은 Power Device에 있는 전류 측정 센서(그림 6의 점선의 삼각형)를 통해 콘센트로 흐르는 전류 값을 측정하는 것으로 시작된다.

참고문헌 (23)

S. Heo, D. Noh, C. Moon, D. Kim, "Trend of IoT-based healthcare service," IEMEK J. Embed. Sys. Appl., Vol. 10, No. 4, 2015 (in Korean)
Y. Park, J. Moon, "Smart dairy management system development using biometric/environmental sensors and farm control gateway," IEMEK J. Embed. Sys. Appl., Vol. 11, No. 1, 2016 (in Korean)
L. Atzori, A. Iera, G. Morabito. "The internet of things: a survey," Computer networks, Vol. 54, No. 15, 2015.
G. Kim, "Smart home power management system using wireless," Ph. D. Dissertation, Hoseo University, pp. 15-20, 2014 (in Korean).
S. Pack, "A policy direction for promotion of smart home industry," Journal of the Korea Institute of Communication Sciences Conference, Vol. 2012, No. 6, pp. 627-630, 2012 (in Korean).
Y. Hong, "Internet of things (IoT/M2M) standardization trend," OSIA Standards & Technology Review, Vol. 26, No. 2, pp. 8-17, 2013 (in Korean).
I. Lee, M. Cho, "Arduino based smart home system for the elderly living alone," IEMEK J. Embed. Sys. Appl., Vol. 5, No. 5, pp. 307-315, 2015 (in Korean).
Y. Park, "Energy-saving smart management system implementation through smart devices and smart home works," Ph. D. Dissertation, Dongshin University, pp. 1-17, 2014 (in Korean).
IoT home, LG U Plus IoT Home, http://www.uplushome.com/
S. Lee, J. Yu, K. Sim, "Real-time streaming and remote control for the smart door-lock system based on internet of things" Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 25, No. 6, 2015 (in Korean).
XBee Module, xb24-awi-001 http://www.digi.com/pdf/ds_xbeemultipointmodules.pdf
Korea Electric Power corporation, Electric Cost Calculation Methods, http://cyber.kepco.co.kr/ckepco/front/jsp/CY/E/ E/CYEEHP00101.jsp
FLUKE 117, FLUKE 117 MULTIMETER, http://www.fluke.com/fluke/krko/digital-multimeter/fluke-117.htm?PID55996
Arduino, Arduino Pro Mini and Arduino UNO, https://www.arduino.cc/en/Main/Products
LM 35, TEXAS INSTRUMENTS, http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf
LDR sensor, SUNROM TECHNOLOGIES, http://kennarar.vma.is/thor/v2011/vgr402/ldr.pdf
GP2Y1010AU0F, Sharp, http://www.sharpsma.com/webfm_send/1488
D. Kim, "Fine dust that threatens the health, the causes and countermeasures," Gyeonggi Research Institute, No. 121, pp. 1-25, 2013 (in Korean).
RaspberryPi2, RaspberryPi2 Model B, https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-2-model-b/
BeagleBone, BeagleBone Black(Rev3), https://beagleboard.org/black
D. Ryu, "Development of IoT Gateway based on Open Source H/W." The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, Vol. 10, pp. 1065-1070, 2015 (in Korean).

원문보기 상세보기
R. Matt, "Galileo is the first time Intel started," Hanbiy Media, pp. 178-183. 2014.
Z. Chen, E. Choi, J. Huh, S. Kang, "Audio Data Transmission Based on The Wavelet Transform for ZigBee Applications," IEMEK J. Embed. Sys. Appl., Vol. 2, No. 1, 2007 (in Korean).

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증