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문제 정의
- 본 논문에서는 BLE 상의 IPv6에 기반한 실시간 모니터링 시스템을 구현하였다. 먼저 블루투스 4.
제안 방법
- 먼저 경계 라우터 역할을 하는 라즈베리파이와 BLE 센서 장치를 연동하고 네트워크 성능을 검증하였다. 2번째는 MQTT 브로커와 클라이언트 간의 MQTT 통신을 테스트하였다. 마지막으로 MQTT 통신과 HTTP 서버 및 클라이언트를 통한 실시간 모니터링 시스템을 구현하였다.
- 다음은 BLE 센서 장치와 클라이언트 간의 MQTT 통신을 테스트하였다. BLE 센서 장치는 DHT 온습도 센서로부터 감지한 데이터를 5초에 한 번씩 발행하였다. 발행한 MQTT 메시지는 json 형식을 따르며, 예를 들어 온도가 25.
- 웹 클라이언트로 센서 데이터를 전송하고 장치 제어 신호를 수신하기 위해 라즈베리파이 서버에서는 파이썬 HTTP 서버를 구현하였다. HTTP 서버는 파이썬 Bottle 웹 응용 모듈과 Gevents 비동기 다중 처리 모듈을 활용하였으며, 내부적으로 클라이언트의 실시간 센서 모니터링을 위해 Hicharts 자바 스크립트 그래프 라이브러리를 활용하였다.
- 다음은 BLE 센서 장치와 클라이언트 간의 MQTT 통신을 테스트하였다. BLE 센서 장치는 DHT 온습도 센서로부터 감지한 데이터를 5초에 한 번씩 발행하였다.
- 마지막으로 BLE 상의 IPv6에 기반한 실시간 모니터링 시스템을 구현하였다. 웹 클라이언트로 센서 데이터를 전송하고 장치 제어 신호를 수신하기 위해 라즈베리파이 서버에서는 파이썬 HTTP 서버를 구현하였다.
- 2번째는 MQTT 브로커와 클라이언트 간의 MQTT 통신을 테스트하였다. 마지막으로 MQTT 통신과 HTTP 서버 및 클라이언트를 통한 실시간 모니터링 시스템을 구현하였다.
- 본 논문에서는 3가지 실험을 수행하였다. 먼저 경계 라우터 역할을 하는 라즈베리파이와 BLE 센서 장치를 연동하고 네트워크 성능을 검증하였다. 2번째는 MQTT 브로커와 클라이언트 간의 MQTT 통신을 테스트하였다.
- 본 논문에서는 BLE 상의 IPv6에 기반한 실시간 모니터링 시스템을 구현하였다. 먼저 블루투스 4.2의 IPSP와 6LoWPAN 기술을 활용하여 BLE 장치들 간에 IPv6 네트워크를 구성하고 TCP 통신의 대역 성능을 측정하여 분석하였다. 센서 데이터의 실시간 모니터링을 위해 HTTP 서버와 MQTT 통신 방식으로 구현하여 별도의 프록시나 데이터 변환이 필요없는 구조를 가지도록 하였다.
- 본 논문에서 제안하는 시스템은 온도, 습도 센서, 제어 장치 등을 통해 환경 정보를 생성하고 제어하는 BLE 장치, 센서 및 제어 데이터를 중계하는 브로커 서버, 웹으로 실시간 센서 데이터를 제공하거나 장치를 제어하기 위한 웹 서버, 센서 모니터링 및 제어 클라이언트로 구성된다. 추가로 브로커 또는 웹 서버에서는 주기적으로 DB 서버에 데이터를 저장하고 클라이언트에서 이를 요청하여 특정한 시간 동안의 데이터를 요청할 수도 있다.
- 본 논문에서는 BLE 상에서 IPv6 네트워크를 구축하고 MQTT 기술 등을 활용하여 실시간 모니터링 시스템을 구현하였다. 본 시스템은 기존의 블루투스 PAN(Personal Area Network) 프로파일 대신 BLE IPSP를 통해 저전력으로 구동되며 6LoWPAN 및 MQTT 프로토콜을 통해 별도의 프록시 서버 또는 데이터 변환 없이 IPv6는 물론 IPv4 등의 인터넷 망을 그대로 연동시킬 수 있다.
- 2의 IPSP와 6LoWPAN 기술을 활용하여 BLE 장치들 간에 IPv6 네트워크를 구성하고 TCP 통신의 대역 성능을 측정하여 분석하였다. 센서 데이터의 실시간 모니터링을 위해 HTTP 서버와 MQTT 통신 방식으로 구현하여 별도의 프록시나 데이터 변환이 필요없는 구조를 가지도록 하였다. 따라서 본 시스템은 홈 네트워크, 의료, 산업용 모니터링 시스템 등 다양한 이기종 장치가 사용되는 사물 인터넷에 유용하게 활용될 수 있다.
대상 데이터
- 그림 9는 본 논문에서 구현한 시스템의 구성을 보여준다. BLE 센서 장치는 DHT22 온습도 센서와 Nordic nRF51822 MCU를 장착한 Waveshare 사의 nRF51822 Eval Kit로 구성된다. 라우터는 WiFi 및 BLE 모듈이 내장된 라즈베리파이 3 단일보드 컴퓨터를 사용하였다.
- 라즈베리파이에서 BLE 상의 IPv6 네트워크 구성을 위해 리눅스 커널에서 6LoWPAN 프로토콜을 구현한 bluetooth_6lowpan 커널 모듈을 탑재하고 IPv6에서 라우터 광고를 하도록 radvd 데몬 프로그램을 구동하여 장치들의 글로벌 IPv6 주소가 자동으로 생성하도록 해야 한다. BLE 센서 장치에서 블루투스 4.2 IPSP 프로파일을 포함한 펌웨어를 탑재하기 위해 Nordic 사의 nRF51 IoT SDK 패키지를 활용하였다. nRF51 IoT SDK에는 블루투스 4.
- BLE 센서 장치는 DHT22 온습도 센서와 Nordic nRF51822 MCU를 장착한 Waveshare 사의 nRF51822 Eval Kit로 구성된다. 라우터는 WiFi 및 BLE 모듈이 내장된 라즈베리파이 3 단일보드 컴퓨터를 사용하였다. 실시간 모니터링을 위한 클라이언트는 라즈베리파이와 같은 서브넷에 연결된 PC를 활용하였다.
- 라우터는 WiFi 및 BLE 모듈이 내장된 라즈베리파이 3 단일보드 컴퓨터를 사용하였다. 실시간 모니터링을 위한 클라이언트는 라즈베리파이와 같은 서브넷에 연결된 PC를 활용하였다.
이론/모형
- IPSP는 기존의 저전력 무선 센서 네트워크 장치를 위한 IPv6 사용을 위해 개발된 IEEE 802.15.4 표준인 6LoWPAN 프로토콜 기술을 적용하였다. 따라서 이런 장치들은 개별적인 6LoWPAN 노드로 사용되거나 라우터 또는 다른 IPv6 네트워크와 연동하는 경계 라우터(Border Router)로 사용될 수 있다.
- 기존의 연구에서는 BLE 상의 IPv6 네트워크에서 사물인터넷 서비스를 위한 CoAP 프로토콜을 사용하였다[3, 4].
- 다음은 네트워크 전송 성능을 검증하기 위해 리눅스 네트워크 성능 측정 프로그램인 IPerf를 활용하였다. TCP 통신에 대한 대역 성능 측정을 위해 BLE 센서 장치에는 간단한 IPerf 서버 프로그램을 구현하여 탑재하였다.
성능/효과
- 다음 그림 11은 전송 버퍼의 크기가 각각 100, 200, 300, 400, 500 바이트에 대해 10~30KB의 데이터를 10회 전송한 시간을 측정한 TCP 네트워크 대역 측정 결과를 보여준다. 버퍼 크기에 따라 조금 차이가 있지만 평균적으로 15~16 Kbps, 최대 30Kbps의 대역을 가져 저속으로 소량의 IoT 데이터를 전송할 수 있음을 검증하였다.
- 그림 12는 구현한 시스템에서 5초에 한 번씩 전송되는 온습도 데이터를 실시간으로 모니터링하고 있는 화면을 보여준다. 본 시스템은 MQTT와 더불어 HTTP REST와 웹소켓의 두 가지 통신 방식으로 구현하였는데 두 방식 모두 잘 동작하는 것을 확인하였다.
- 본 논문에서는 BLE 상에서 IPv6 네트워크를 구축하고 MQTT 기술 등을 활용하여 실시간 모니터링 시스템을 구현하였다. 본 시스템은 기존의 블루투스 PAN(Personal Area Network) 프로파일 대신 BLE IPSP를 통해 저전력으로 구동되며 6LoWPAN 및 MQTT 프로토콜을 통해 별도의 프록시 서버 또는 데이터 변환 없이 IPv6는 물론 IPv4 등의 인터넷 망을 그대로 연동시킬 수 있다.
- 본 시스템의 주요 기능으로는 BLE 장치로부터 실시간 온도, 습도 센서 데이터 수집 기능, 웹 서버의 센서 데이터 저장 및 전달 기능, 웹 클라이언트의 센서 모니터링 및 장치 제어 기능 등이 있다. 클라이언트가 웹 서버를 통해 MQTT 브로커로부터 센서 데이터를 받아오는 방식은 다음과 같은 2가지 방식을 고려할 수 있다.
후속연구
- 센서 데이터의 실시간 모니터링을 위해 HTTP 서버와 MQTT 통신 방식으로 구현하여 별도의 프록시나 데이터 변환이 필요없는 구조를 가지도록 하였다. 따라서 본 시스템은 홈 네트워크, 의료, 산업용 모니터링 시스템 등 다양한 이기종 장치가 사용되는 사물 인터넷에 유용하게 활용될 수 있다.
- 0 표준에서는 메쉬 프로토콜을 채택할 예정이다. 이러한 개발 현황에 맞추어 본 연구에서도 향후 메쉬 프로토콜과 보안을 비롯한 다양한 기술을 적용하고 성능을 향상시켜 나갈 계획이다.
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