[국내논문]소형 선박 기관부 탑재 장비의 경량화 이더넷 인터페이스를 위한 게이트웨이 시스템의 개발 An Implementation of Gateway System for Light-weight Ethernet Interface of Engine-part's Equipments of Small Vessels원문보기
황훈규
(Division of Ocean ICT & Advanced Materials Technology Research, Research Institute of Medium & Small Shipbuilding)
,
김배성
(Division of Ocean ICT & Advanced Materials Technology Research, Research Institute of Medium & Small Shipbuilding)
,
김현우
(Division of Ocean ICT & Advanced Materials Technology Research, Research Institute of Medium & Small Shipbuilding)
,
신일식
(Division of Ocean ICT & Advanced Materials Technology Research, Research Institute of Medium & Small Shipbuilding)
,
이장세
(Division of Maritime IT Engineering, Korea Maritime and Ocean University)
최근에는 선박에 탑재되는 장비들이 다양화/ 첨단화되고 있는 추세이며, 이러한 변화와 함께 선박 네트워크는 데이터의 통합 관리를 위한 경량화 이더넷 기반의 구조로 전환되고 있다. 이러한 요구에 따라 본 논문에서는 추진/발전 계통의 각 장비로부터 데이터를 수집하여 각 장비가 발생하는 아날로그 혹은 NMEA 형식의 상태 데이터를 처리한 후, 경량화 이더넷 기반의 IEC 61162-450 메시지 형식으로 변환하기 위한 게이트웨이 시스템의 개발에 관한 내용을 다룬다. 이를 위해, 선박 장비의 표준화 요구 및 관련 연구를 분석하고, 필요성을 도출하였다. 또한, 기존의 문제를 해결하기 위해 추가적인 데이터 형식을 정의하고, 게이트웨이 시스템을 개발한 후, 그 유용성을 검증하였다. 이를 통해 기존 선박 탑재 장비들이 발생하는 데이터를 이더넷 기반으로 통합적으로 관리하고 활용하기 위한 밑거름이 될 수 있을 것으로 판단된다.
최근에는 선박에 탑재되는 장비들이 다양화/ 첨단화되고 있는 추세이며, 이러한 변화와 함께 선박 네트워크는 데이터의 통합 관리를 위한 경량화 이더넷 기반의 구조로 전환되고 있다. 이러한 요구에 따라 본 논문에서는 추진/발전 계통의 각 장비로부터 데이터를 수집하여 각 장비가 발생하는 아날로그 혹은 NMEA 형식의 상태 데이터를 처리한 후, 경량화 이더넷 기반의 IEC 61162-450 메시지 형식으로 변환하기 위한 게이트웨이 시스템의 개발에 관한 내용을 다룬다. 이를 위해, 선박 장비의 표준화 요구 및 관련 연구를 분석하고, 필요성을 도출하였다. 또한, 기존의 문제를 해결하기 위해 추가적인 데이터 형식을 정의하고, 게이트웨이 시스템을 개발한 후, 그 유용성을 검증하였다. 이를 통해 기존 선박 탑재 장비들이 발생하는 데이터를 이더넷 기반으로 통합적으로 관리하고 활용하기 위한 밑거름이 될 수 있을 것으로 판단된다.
Recently, the on-board equipments of vessels are getting diversifications with high technologies. With changing the trends, the shipboard network is turning to the light-weight ethernet architecture for integrated data management. For that necessity, this paper covers a development of the gateway sy...
Recently, the on-board equipments of vessels are getting diversifications with high technologies. With changing the trends, the shipboard network is turning to the light-weight ethernet architecture for integrated data management. For that necessity, this paper covers a development of the gateway system which gathers and processes the measured analog or NMEA data from loaded equipments to convert the messages based on IEC 61162-450 (standard for light-weight ethernet network of ships) in engine parts of small vessel. To do this, we analyzed the requirements for standardization of ship's equipments and related studies. To solve the problems of existing equipments, we defined the additional data formats (sentence formatter), developed the gateway system, and verified the utility of the developed system. Consequently, we established an interfacing framework for management and application of the generated data based on the ethernet in vessel.
Recently, the on-board equipments of vessels are getting diversifications with high technologies. With changing the trends, the shipboard network is turning to the light-weight ethernet architecture for integrated data management. For that necessity, this paper covers a development of the gateway system which gathers and processes the measured analog or NMEA data from loaded equipments to convert the messages based on IEC 61162-450 (standard for light-weight ethernet network of ships) in engine parts of small vessel. To do this, we analyzed the requirements for standardization of ship's equipments and related studies. To solve the problems of existing equipments, we defined the additional data formats (sentence formatter), developed the gateway system, and verified the utility of the developed system. Consequently, we established an interfacing framework for management and application of the generated data based on the ethernet in vessel.
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문제 정의
본 논문에서는 기관부를 구성하는 장비 중에서 추진/발전 계통 장비인 엔진, 연료탱크, 발전기, 배터리를 대상으로 IEC 61162-450 기반의 상호 인터페이스 및 데이터 교환을 위한 방법을 제안한다. 이를 위한 방법으로는 크게 두 가지 방법이 존재하는데, 첫 번째는 각 장비부에 변환을 위한 모듈을 설치하여 인터페이스를 변환한 후, 데이터를 전송하는 방법이고, 두 번째는 장비와 별도로 게이트웨이 시스템 등을 설치하여 인터페이스 변환과 같은 처리를 일괄적으로 수행하는 방법이다.
본 논문에서는 기존 선박 탑재 장비에 최근 요구되고 있는 IEC 61162-450 기반 이더넷 인터페이스를 제공하기 위한 방법을 제안하고, 이를 위한 게이트웨이 시스템의 개발에 관한 내용을 다루었다. 이를 위해, 선박 장비의 표준화 요구 및 관련 연구를 분석하고, 필요성을 도출하였다.
또한 통신 인터페이스 모듈은 데이터의 상호 교환을 위해서 수집 및 처리된 메시지를 이더넷 혹은 시리얼(RS-485) 형태로 인터페이스 하여 전송하는 기능을 한다. 이때, 시리얼 형태의 인터페이스는 테스트를 수행하기 위한 목적으로 추가하였다.
이러한 요구를 충족시키기 위한 목적으로 본 논문에서는 (1) 독립적으로 동작하는 기존 장비를 표준화 요구에 부합하도록 변환하기 위한 방법을 제안하고, (2) IEC 61162-450에서 다루고 있지 않은 선박 탑재 장비를 위한 인터페이스 메시지 형식을 정의한다. 또한, (3) 이러한 내용들을 적용하여 소형 선박의 추진/발전 계통의 상호 인터페이스 및 데이터 교환을 위한 IEC 61162-450기반의 임베디드 게이트웨이 시스템을 개발한 후, 실험을 통해 개발한 시스템의 유용성을 검증한다.
제안 방법
하지만 앞서 설명하였듯이 NMEA0183에는 RPM에 관한 정보 교환을 위한 데이터 형식만이 정의되어 있을 뿐, 엔진 냉각수 온도, 오일 상태, 연료 상태, 발전기, 배터리 상태 등과 관련한 데이터 형식은 정의되어 있지 않다. IEC 61162-450은 NMEA 0183을 차용하고 있기 때문에 본 논문에서는 엔진 오일 온도, 오일 상태, 연료 상태, 배터리 상태에 관한 데이터 형식을 표 1과 같은 메시지 형식을 추가 정의하였으며, 각 메시지 형식의 구조에 관한 명세는 그림 1~5에 나타내었다. 이때, NMEA 0183에서 제시하고 있는 엔진 관련 데이터 형식은 첫 문자가 'E'로 시작하기 때문에 이를 참고하였으며, 기존 정의된 데이터 형식과 중복이 되지 않도록 정의하였다.
프로세서의 ADC(analog to digital converter) 입력채널에 대한 보호와 입력신호의 임피던스 매칭을 위해 연산증폭기로 버퍼 회로를 구성하였다. 또한 시리얼 통신 인터페이스를 위해 Maxim MAX485를 사용하였으며, 이더넷 데이터 송수신을 위해 WIZnet W5100을 적용하여 해당 기능을 구현하였다.
이러한 요구를 충족시키기 위한 목적으로 본 논문에서는 (1) 독립적으로 동작하는 기존 장비를 표준화 요구에 부합하도록 변환하기 위한 방법을 제안하고, (2) IEC 61162-450에서 다루고 있지 않은 선박 탑재 장비를 위한 인터페이스 메시지 형식을 정의한다. 또한, (3) 이러한 내용들을 적용하여 소형 선박의 추진/발전 계통의 상호 인터페이스 및 데이터 교환을 위한 IEC 61162-450기반의 임베디드 게이트웨이 시스템을 개발한 후, 실험을 통해 개발한 시스템의 유용성을 검증한다. 개발 시스템을 활용하면 기존의 선박 탑재 장비들이 발생하는데이터에 대한 이더넷 기반 통합 관리 및 응용이 가능할 것으로 판단된다.
이를 위해, 선박 장비의 표준화 요구 및 관련 연구를 분석하고, 필요성을 도출하였다. 또한, 기존의 문제를 해결하기 위해 추가적인 데이터 형식을 정의하고, 게이트웨이 시스템을 개발한 후, 그 유용성을 검증하였다. 이를 통해 기존 선박탑재 장비들이 발생하는 데이터를 이더넷 기반으로 통합 관리하고 활용하기 위한 밑거름이 될 수 있을 것으로 판단된다.
본 논문에서 다루는 게이트웨이 시스템의 회로 및 PCB(printed-circuit board)를 설계하기 위한 도구는 Altium Designer 10을 활용하였고, 개발 도구는 AVR Studio 4, 개발 언어는 C 언어를 사용하였다. 시스템의 각 구성체계의 연동 및 기능 구현을 위해 Atmel ATmega 2560 마이크로프로세서를 사용하였고, 계통 부의 아날로그 신호를 계측하기 위한 아날로그-디지털 변환기는 MCU(micro controller unit)에 탑재된 10비트 변환기 5채널을 활용하여 구현하였으며, 이를 표 2에 정리하였다.
이를 위한 방법으로는 크게 두 가지 방법이 존재하는데, 첫 번째는 각 장비부에 변환을 위한 모듈을 설치하여 인터페이스를 변환한 후, 데이터를 전송하는 방법이고, 두 번째는 장비와 별도로 게이트웨이 시스템 등을 설치하여 인터페이스 변환과 같은 처리를 일괄적으로 수행하는 방법이다. 본 논문에서는 후자의 방법을 기반으로 하며, 게이트웨이 시스템 통해 추진/발전 계통의 각 장비로부터 데이터를 수집하고 처리한다. 즉, 게이트웨이 시스템이 각 장비가 발생하는 아날로그 혹은 NMEA 형식의 상태 데이터를 수집하여 처리한 후, 이더넷 기반의 IEC 61162-450 메시지 형식으로 변환하는 것이다.
본 논문에서 다루는 게이트웨이 시스템의 회로 및 PCB(printed-circuit board)를 설계하기 위한 도구는 Altium Designer 10을 활용하였고, 개발 도구는 AVR Studio 4, 개발 언어는 C 언어를 사용하였다. 시스템의 각 구성체계의 연동 및 기능 구현을 위해 Atmel ATmega 2560 마이크로프로세서를 사용하였고, 계통 부의 아날로그 신호를 계측하기 위한 아날로그-디지털 변환기는 MCU(micro controller unit)에 탑재된 10비트 변환기 5채널을 활용하여 구현하였으며, 이를 표 2에 정리하였다. 프로세서의 ADC(analog to digital converter) 입력채널에 대한 보호와 입력신호의 임피던스 매칭을 위해 연산증폭기로 버퍼 회로를 구성하였다.
형상은 그림 8~10과 같이 측정회로의 연결 상태를 확인하기 위한 LED 제어부와 시스템의 전체 전원을 공급하는 전력부, 게이트웨이 시스템의 IP주소/포트와 같은 네트워크 구성 설정 확인을 위한 LCD와 IP주소/포트에 대한 설정 및 변경을 위한 버튼으로 구성하였다. 시스템의 외형 형상은 선박의 추진/발전 계통 탑재 장비들과 인터페이스 및 연결시 작업자의 편의성을 고려하여 필요에 따라 쉽게 연결 및 분리가 가능하도록 설계하였다. 알루미늄 케이스 내부에 구성 보드 등을 탑재하여 계측 과정에서 예상치 못한 상황이 발생하더라도 일정 수준 감내가 가능하도록 제작하였다.
시스템의 외형 형상은 선박의 추진/발전 계통 탑재 장비들과 인터페이스 및 연결시 작업자의 편의성을 고려하여 필요에 따라 쉽게 연결 및 분리가 가능하도록 설계하였다. 알루미늄 케이스 내부에 구성 보드 등을 탑재하여 계측 과정에서 예상치 못한 상황이 발생하더라도 일정 수준 감내가 가능하도록 제작하였다.
앞서 설계한 내용을 기반으로 그림 7과 같이 게이트웨이 시스템을 구성하는 보드를 구현하였으며, 이때 Main-board와 Sub-board로 분리하여 개발하였다. 먼저,Main-board는 추진/발전 계통 장비의 데이터를 인터페이스 및 모니터링하기 위해 아날로그 신호 입력부와 신호 변환을 위한 A/D 컨버터부, 외부의 NMEA 형식으로 계측되는 데이터의 수집을 위한 RS-485 시리얼 통신 모듈부로 구성된다.
본 논문에서는 기존 선박 탑재 장비에 최근 요구되고 있는 IEC 61162-450 기반 이더넷 인터페이스를 제공하기 위한 방법을 제안하고, 이를 위한 게이트웨이 시스템의 개발에 관한 내용을 다루었다. 이를 위해, 선박 장비의 표준화 요구 및 관련 연구를 분석하고, 필요성을 도출하였다. 또한, 기존의 문제를 해결하기 위해 추가적인 데이터 형식을 정의하고, 게이트웨이 시스템을 개발한 후, 그 유용성을 검증하였다.
본 논문에서는 후자의 방법을 기반으로 하며, 게이트웨이 시스템 통해 추진/발전 계통의 각 장비로부터 데이터를 수집하고 처리한다. 즉, 게이트웨이 시스템이 각 장비가 발생하는 아날로그 혹은 NMEA 형식의 상태 데이터를 수집하여 처리한 후, 이더넷 기반의 IEC 61162-450 메시지 형식으로 변환하는 것이다.
추가적으로 온도 등 환경적 요인에 대하여 일정 수준 감내가 가능함을 검증하기 위해 항해 통신 장비의 시험 표준인 IEC 60945의 “8.2.2.2 휴대용 건조 고온 시험(55˚C ± 3˚C에서 12시간 유지)” 및 “8.4.2.2 휴대용 저온 시험(-20˚C ± 3˚C에서 12시간 유지)”을 실시하였고 시험 후에도 계속적으로 정상 동작하는 것을 확인 하였으며 이러한 결과에 대한 공인 시험 성적서를 획득하였다.
개발된 게이트웨이 시스템의 동작 검증을 위해 그림11과 같은 환경에서 테스트를 수행하였으며, 실험 시나리오는 다음과 같다. 추진/발전 계통의 장비 중, 배터리를 대상으로 하였으며, 배터리의 상태에 관한 계측정보가 수집되어 처리 및 변환되는지를 실험하였다. 이때, 개발한 게이트웨이 시스템의 멀티-캐스트(multi-casting)를 위한 IP/PORT는 USR8(user define transmission group)에 해당하는 239.
시스템의 각 구성체계의 연동 및 기능 구현을 위해 Atmel ATmega 2560 마이크로프로세서를 사용하였고, 계통 부의 아날로그 신호를 계측하기 위한 아날로그-디지털 변환기는 MCU(micro controller unit)에 탑재된 10비트 변환기 5채널을 활용하여 구현하였으며, 이를 표 2에 정리하였다. 프로세서의 ADC(analog to digital converter) 입력채널에 대한 보호와 입력신호의 임피던스 매칭을 위해 연산증폭기로 버퍼 회로를 구성하였다. 또한 시리얼 통신 인터페이스를 위해 Maxim MAX485를 사용하였으며, 이더넷 데이터 송수신을 위해 WIZnet W5100을 적용하여 해당 기능을 구현하였다.
성능/효과
수신된 데이터를 보면, 시작을 나타내는 문자인 ‘$’, 엔진 계통 모니터링 시스템(engine room monitoring system)을 나타내는 장비 식별자 ER, 엔진 배터리 상태를 표현하는 데이터 형식 EBS로 시작되는 메시지가 수신되고, 배터리 ID는 1, 계측된 값은 1020의 데이터가 계측되며, ‘*’ 및 체크섬 확인을 위한 16진수 2문자가 출력된 것을 볼 수 있다. 계측된 배터리 전압 값의 1020은 기존 아날로그 신호(0~5V)를 계측하여 10비트(0~210) 범위의 데이터로 나타낸 것이며, 최대값(1024)에 가깝기 때문에 배터리는 거의 완전 충전 상태인 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 개발한 게이트웨이 시스템이 정상적으로 동작함을 검증하였다.
계측된 배터리 전압 값의 1020은 기존 아날로그 신호(0~5V)를 계측하여 10비트(0~210) 범위의 데이터로 나타낸 것이며, 최대값(1024)에 가깝기 때문에 배터리는 거의 완전 충전 상태인 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 개발한 게이트웨이 시스템이 정상적으로 동작함을 검증하였다.
후속연구
또한, (3) 이러한 내용들을 적용하여 소형 선박의 추진/발전 계통의 상호 인터페이스 및 데이터 교환을 위한 IEC 61162-450기반의 임베디드 게이트웨이 시스템을 개발한 후, 실험을 통해 개발한 시스템의 유용성을 검증한다. 개발 시스템을 활용하면 기존의 선박 탑재 장비들이 발생하는데이터에 대한 이더넷 기반 통합 관리 및 응용이 가능할 것으로 판단된다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
향후에는 실험실 수준(laboratory-level)의 실험이 아닌 실선(field-level) 실험을 통한 게이트웨이 시스템의 유용성 검증 및 최적화에 관한 연구가 필요하며, 시스템의 범용성 확보와 제품화/사업화 방안에 대한 모색이 필요하다. 또한, 선박의 여러 탑재 장비로부터 발생되는 다양한 데이터(빅-데이터)를 통합 관리 및 활용하여선박의 효율적인 운용과 안전 항해를 지원하기 위한 여러 서비스를 개발하기 위한 연구가 필요하다. 특히, 유지보수성 향상을 위해 고장을 예측함으로써 큰 손실을미연에 방지하는 등 유지보수 및 관리의 효율성 향상을 위한 연구가 요구되고 있으며 이에 관한 연구를 진행 중이다.
또한, 기존의 문제를 해결하기 위해 추가적인 데이터 형식을 정의하고, 게이트웨이 시스템을 개발한 후, 그 유용성을 검증하였다. 이를 통해 기존 선박탑재 장비들이 발생하는 데이터를 이더넷 기반으로 통합 관리하고 활용하기 위한 밑거름이 될 수 있을 것으로 판단된다.
향후에는 실험실 수준(laboratory-level)의 실험이 아닌 실선(field-level) 실험을 통한 게이트웨이 시스템의 유용성 검증 및 최적화에 관한 연구가 필요하며, 시스템의 범용성 확보와 제품화/사업화 방안에 대한 모색이 필요하다. 또한, 선박의 여러 탑재 장비로부터 발생되는 다양한 데이터(빅-데이터)를 통합 관리 및 활용하여선박의 효율적인 운용과 안전 항해를 지원하기 위한 여러 서비스를 개발하기 위한 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박의 운용에 있어 각 탑재 장비들의 인터페이스의 역할은?
선박의 운용에 있어 각 탑재 장비들의 인터페이스를 통한 통합 데이터 관리나 상태 모니터링 등은 효율적인 선박 운용을 지원하고, 이상 징후를 파악하는 등 매우 중요한 역할을 담당한다. 그동안 선박 탑재 장비간의 인터페이스나 운용 상태를 모니터링하기 위한 여러 방법이 연구되었다.
소형 선박의 추진/발전 계통은 무엇으로 구성되는가?
소형 선박의 추진/발전 계통은 엔진, 발전기, 배터리 등으로 구성된다. 하지만 앞서 설명하였듯이 NMEA0183에는 RPM에 관한 정보 교환을 위한 데이터 형식만이 정의되어 있을 뿐, 엔진 냉각수 온도, 오일 상태, 연료 상태, 발전기, 배터리 상태 등과 관련한 데이터 형식은 정의되어 있지 않다.
선박 탑재 장비에 이더넷 기반의 인터페이스 표준인 IEC 61162-450이 등장하게 된 배경은?
이러한 문제를 해결하기 위하여 CAN 기반의 프로토콜인 NMEA 2000이 등장하게 되었으며, 이를 활용한 선박탑재 장비 간 데이터 상호 교환 및 상태 모니터링에 관한 연구가 진행되고 있다[5,6]. 최근에는 선박 탑재 장비들이 첨단화, 지능화되고 있는 상황이며, 이러한 변화와 함께 안전한 선박 운용에 필요한 여러 응용 서비스의 제공을 위해 선박 네트워크는 이더넷 기반으로 통합 및 관리를 위한 구조로 전환되고 있다. 이러한 흐름에 따라 이더넷 기반의 인터페이스 표준인 IEC 61162-450이 등장하게 되었고, 선박 장비 제조사에서도 최근 이러한 요구를 적극 반영하고 있는 상황이다.
참고문헌 (8)
H. G. Hwang, J. S. Yoon, S. D. Lee, J. M. Seo, K. W. Jang, J. S. Lee and H. C. Park, "A Development of MiTS Network Protocol based on Light-Weight Ethernet," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 34, no. 8, pp. 1172-1179, Nov. 2010.
H. G. Hwang, J. S. Yoon, J. M. Seo, S. D. Lee, J. S. Lee, H. C. Park and K. W. Jang, "A Development of MiTS Service Modules based on Light-Weight Ethernet," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 34, no. 8, pp. 1180-1187, Nov. 2010.
M. C. Chin, D. S. Go, K. K. Yoon, B. W. Ahn and Y. S. Kim, "A Study on the Development of an Engine Monitoring System for Small Vessel Using CSMA/CD," Journal of Maritime Information and Communication Engineering, vol. 3, no. 2, pp. 455-463, Jun. 1999.
B. H. Song, M. S. Choi, J. W. Kwon and S. R. Lee, "A Design and Implementation of Digital Vessel Context Diagnosis System Based on Context Aware," Journal of Korean Society of Communication Engineering, vol. 35, no. 6, pp. 859-866, Feb. 1999.
C. U. Lee, D. Y. Kim, Y. H. Yu and O. K. Shin, "Development of Embedded Vessel Monitoring System Using NMEA2000," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 33, no. 5, pp. 746-755, Jul. 2009.
J. T. Hong, D. H. Park and Y. H. Yu, "A Study of NMEA 2000 Protocol Application for Ship Electrical Power Converter Monitoring System," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 35, no. 2, pp. 288-294, Mar. 2011.
IEC Std., IEC 61162-450 Ed. 1.0 : Maritime Navigation and Radiocommunication Equipment and Systems - Digital Interfaces - Part 450: Multiple Talkers and Multiple Listeners - Ethernet Interconnection, IEC, 2011.
H. G. Hwang, S. D. Lee, J. S. Lee, K. W. Jang and H. C. Park, "Design and Implementation of Shipboard Integrated Information System based on IEC 61162-450," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 17, no. 1. pp. 101-109, Jan. 2013.
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