[논문]사물인터넷기반 미세먼지 측정 시스템 구현

노진호; 탁한호

doi:10.6109/jkiice.2017.21.4.829

사물인터넷기반 미세먼지 측정 시스템 구현
The Implementation of the Fine Dust Measuring System based on Internet of Things(IoT) 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.21 no.4, 2017년, pp.829 - 835

노진호 (Department of Electronic Engineering, Gyeongnam National University of Science and Technology) , 탁한호 (Department of Electronic Engineering, Gyeongnam National University of Science and Technology)

초록
AI-Helper

최근 미세먼지에 의해 건강이 나빠지는 문제가 빈번하게 발생하고 있다. 건강에 악영향을 끼치는 미세먼지는 실외뿐만 아니라 실내에서도 인체에 영향을 미치게 된다. 따라서 우리가 생활하고 있는 실내에서 미세먼지의 농도를 측정하여 건강에 해로운 미세먼지를 제어하는 시스템이 필요하다. 기존의 미세먼지 측정 시스템의 효율성을 상승시키기 위해서 사물인터넷(IoT) 기술을 적용하였다. 특히 양방향 통신이 가능한 환경을 위하여 무료 클라우드 서버 대신에 개별 서버를 직접 구축하여 시스템에 적용하였으며 이를 학교 실습실과 가정에서 직접 활용해 보았다. 본 논문에서 제안한 시스템을 학교 및 가정에 사용할 경우, 빠르게 실내 환경을 인지할 수 있고 이는 점진적으로 개인들의 건강에 도움이 될 것으로 판단되며, 외부에서도 서버 데이터를 확인하여 현재의 실내 상황에 대한 대처가 가능할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the health issues triggered by fine dust matters occurred in higher frequency. Having adverse effects on health, particulate matters affect the human body indoors as well as outdoors. There is thus a need for a system to measure the concentration of particulate matters and control harmful particulate matters for human health in the indoor spaces where people live. The present study applied Internet of Things(IoT) technologies in order to increase the efficiency of the conventional fine dust measurement system. Especially, for the bidirectional communication environment, directly construct a separate server and applied to the system instead of a free cloud server also we used it directly in the school lab and home. When the proposed system is used in schools and homes, it can recognize the indoor environment quickly and it is expected that this will gradually contribute to the health of the individual. Users can also check the server data outside and deal with the current indoor situations.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 미세먼지의 영향을 최소화하기 위하여 사물인터넷을 기반으로 먼지센서를 사용하여 데이터를 측정하고 먼지량을 줄일 수 있는 시스템을 설계,구현하였다. 와이파이 통신을 이용하여 개발된 서버와 접속하고 측정된 먼지량을 서버에 업로드 하도록 구성하였으며, 먼지량이 일정 이상(80㎍/㎥)이 되면 팬을 구동하여 먼지량을 줄일 수 있도록 설계하였다.
본 논문에서는 와이파이 모듈의 일종인 ESP8266과 개별 서버를 이용하여 먼지센서 데이터를 측정하고 제어할 수 있는 시스템을 구현하였다.
본 논문에서는 이러한 단점들을 해결하고자 개별 서버 구축을 통한 미세먼지 측정 시스템을 구현하였다
이러한 패러다임 및 환경의 변화가 급속도로 진행되고 있으나 아직 많은 사람들이 IoT를 일상생활에서 쉽게 접근하기 어려운 분야로 이해하는 경향이 있어 본 논문을 통하여 쉽게 IoT를 이해하고 적용시킬 수 있는 모델을 구현하였다.

제안 방법

구현된 시스템을 이용한 측정은 학교 실습실 및 개인 가정에서 각각 진행하였다.
제안된 시스템 상에서는 먼지센서에서 측정된 데이터가 정상적으로 서버를 통해 사용자의 PC 및 스마트폰으로 전송되는 것을 확인하였다. 데이터 측정 및 통신을 위한 과정도 PC에서 쉽게 조작이 가능하도록 제반 사항들을 모두 설계하여 간단한 클릭만으로도 센서선정부터 결과 측정까지 일련의 과정이 가능하도록 구현하였다. 특히 무료 서버 또는 소형PC 등을 이용하여먼지량을 측정하던 기존 연구들의 경우, 결과값을 확인하는데 보통 15초에서 40초 정도의 지연 시간을 보이는 것[9, 10]에 반해 본 시스템은 데이터 측정과 결과값이실시간으로 출력된다는 것을 알 수 있었다.
먼지센서(PM1001), 온·습도센서(SHT75)에서 전송되는 데이터를 메인컨트롤러(Arduion MEGA ADK)에서 처리한 후 시리얼 통신 Wi-Fi 모듈인 ESP8266으로 데이터를 전송하면 AP(공유기)를 통해 자체 개발된 서버와 접속하여 통신하게 된다. 또한 스마트폰으로 서버와 접속하여 현재 상황을 바로 확인하도록 구성하였다.
다음은 Wi-Fi 통신을 위한 초기 설정, 즉 설정된 AP의 SSID_name, SSID_password을 AP로 보내 ‘OK’를 받아 AP와 연결하면 센서 데이터를 측정하여 서버로 전송하고, 그렇지 않으면 ESP8266을 다시 리셋한다. 본 논문에 사용된 먼지센서는 초기 안정화가 필요하기 때문에 안정화를 위한 1분 정도의 시간이 필요하며, 센서가 안정화되면 서버로 데이터를 전송한다. 서버로 전송된 센서 데이터를 가지고 설정된 값 이상이 되면 팬을 구동한다.
즉, 사물로 대표되는 임베디드 시스템과 인터넷을 포함한 양방향 통신 환경, 데이터를 처리하는 능력 등이 필요한 것이다. 본 논문에서는 이들을 복합적으로 적용하여 기존의 소형 PC 등을 활용한 통신이 아닌 와이파이 모듈과 개별서버 시스템을 통한 데이터 측정 및 제어 시스템을 설계한다.
본 논문에서는 자체 개발된 서버를 이용하여 측정된 먼지센서(PM1001) 및 온·습도센서(SHT75) 데이터를 모니터링하고 트리거 기능을 이용하여 팬을 구동한 후 스마트폰에서 확인할 수 있는 시스템을 구현하였다.
그래프에는 시간대별 먼지량이 표시되고 있으며 로그값 확인을 통해 이전에 입력된 데이터를 확인할 수 있다. 본 시스템의 성능 검증을 위하여 그림 12와 같이 학교 실습실의 환기시스템을 구축하였다.
본 논문에서는 미세먼지의 영향을 최소화하기 위하여 사물인터넷을 기반으로 먼지센서를 사용하여 데이터를 측정하고 먼지량을 줄일 수 있는 시스템을 설계,구현하였다. 와이파이 통신을 이용하여 개발된 서버와 접속하고 측정된 먼지량을 서버에 업로드 하도록 구성하였으며, 먼지량이 일정 이상(80㎍/㎥)이 되면 팬을 구동하여 먼지량을 줄일 수 있도록 설계하였다.
표 2에서는 무료 클라우드 서버를 이용하여 미세먼지를 측정하는 시스템과 현재 구현된 시스템의 특징을 상호 비교하였다. 무료 클라우드 서버를 이용한 시스템은 무료 서버를 통해 데이터를 전송하므로 서버 유지비용이 발생하지 않고 어디에서나 데이터를 전송할 수 있는 장점이 있으나 데이터의 전송이 평균 15초에서 40초 정도 늦어지는 단점이 있는 반면에 자체 개발한 서버를 포함한 본 구현에서는 언제, 어디서나 데이터를실시간으로 확인할 수 있는 장점이 있다.
04 LTS로 MySQL 데이터베이스에서 PHP 웹언어를 통해 실 사용자 표출화면에 데이터를 표시하도록 제작하였다. 해당서버는 동시간대 최대 2천여명까지 접속할 수 있으며, 동 시간대가 아닐 경우에는 인원 제한 없이 접속 가능하도록 제작하였다. 그림8은 IoT서버의 전체구성을 나타낸다.

대상 데이터

본 논문에서 활용되는 서버는 리눅스 우분트 서버 14.04 LTS로 MySQL 데이터베이스에서 PHP 웹언어를 통해 실 사용자 표출화면에 데이터를 표시하도록 제작하였다. 해당서버는 동시간대 최대 2천여명까지 접속할 수 있으며, 동 시간대가 아닐 경우에는 인원 제한 없이 접속 가능하도록 제작하였다.

이론/모형

미세먼지를 제어하기 위한 효율적인 시스템을 구현하기 위하여 사물인터넷(IoT) 기술을 적용하였다. 정보통신 기술의 급속한 발전을 통해 모든 사물들이 모바일과 인터넷을 통해 연결되어 소통하는 사회, 즉 사물과 사람이 네트워크로 연결되는 초 연결사회로의 패러다임이 변화하고 있으며, 이에 따라 사물인터넷이 등장하였다[4].

성능/효과

표 2에서는 무료 클라우드 서버를 이용하여 미세먼지를 측정하는 시스템과 현재 구현된 시스템의 특징을 상호 비교하였다. 무료 클라우드 서버를 이용한 시스템은 무료 서버를 통해 데이터를 전송하므로 서버 유지비용이 발생하지 않고 어디에서나 데이터를 전송할 수 있는 장점이 있으나 데이터의 전송이 평균 15초에서 40초 정도 늦어지는 단점이 있는 반면에 자체 개발한 서버를 포함한 본 구현에서는 언제, 어디서나 데이터를실시간으로 확인할 수 있는 장점이 있다.
표 1에는 시간에 따른 미세먼지 농도 변화량을 표시하였다. 미세먼지의 농도가 81㎍/㎥ 에 도달한 이후 시점부터 팬이 동작하여 측정을 종료한 시점에서는 미세먼지 농도가 줄어든 것을 확인할 수 있다
본 논문에서 제안한 시스템을 학교 및 가정에 사용할 경우, 빠르게 실내 환경을 인지할 수 있고 이는 점진적으로 개인들의 건강에 도움이 될 것으로 판단되며 외부에서도 서버 데이터를 확인하여 현재의 실내 상황에 대한 대처가 가능할 수 있다.
제안된 시스템 상에서는 먼지센서에서 측정된 데이터가 정상적으로 서버를 통해 사용자의 PC 및 스마트폰으로 전송되는 것을 확인하였다. 데이터 측정 및 통신을 위한 과정도 PC에서 쉽게 조작이 가능하도록 제반 사항들을 모두 설계하여 간단한 클릭만으로도 센서선정부터 결과 측정까지 일련의 과정이 가능하도록 구현하였다.

후속연구

본 연구를 통해 사물인터넷 환경에서 외부 신호를 받을 수 있는 기본적인 시스템을 이해 할 수 있고 이는 향후 먼지센서 뿐만 아니라 가정용, 산업용, 농업용 등의 다양한 시스템과 접목을 통해 보다 편리하고 윤택한 환경구축에 이바지 할 수 있다. 또한 각 조직의 관리시스템과 더불어 교육 현장에서의 활용도 가능할 것으로 사료된다.
본 연구를 통해 사물인터넷 환경에서 외부 신호를 받을 수 있는 기본적인 시스템을 이해 할 수 있고 이는 향후 먼지센서 뿐만 아니라 가정용, 산업용, 농업용 등의 다양한 시스템과 접목을 통해 보다 편리하고 윤택한 환경구축에 이바지 할 수 있다. 또한 각 조직의 관리시스템과 더불어 교육 현장에서의 활용도 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미세먼지 측정 시스템에 사물인터넷 기술을 적용한 이유는?	따라서 우리가 생활하고 있는 실내에서 미세먼지의 농도를 측정하여 건강에 해로운 미세먼지를 제어하는 시스템이 필요하다. 기존의 미세먼지 측정 시스템의 효율성을 상승시키기 위해서 사물인터넷(IoT) 기술을 적용하였다. 특히 양방향 통신이 가능한 환경을 위하여 무료 클라우드 서버 대신에 개별 서버를 직접 구축하여 시스템에 적용하였으며 이를 학교 실습실과 가정에서 직접 활용해 보았다.
	미세먼지의 발생원인 중 인위적인 발생 원인은?	미세먼지의 발생원인은 자연적인 원인과 인위적인 원인으로 구분되나, 인위적인 발생이 대부분이다. 인위적인 발생원은 대부분 연료 연소에 의해 발생되며, 보일러나 자동차, 발전시설 등의 배출물질이 주요 발생원이다. 그 외 공사장, 도로 등에서 비산되는 먼지도 많은 양을 차지한다. 특히, 국내외적으로 난방용 연료사용이 증가하는 겨울철에는 오염물질 배출이 증가하여 고농도 현상 발생이 증가한다. 국내 뿐 아니라 국외에서 유입된 오염물질도 우리나라 대기에 영향을 미친다.
	미세먼지란?	미세먼지는 지름 10㎛ 이하인 먼지를 말하며 환경법령에서는 흔히 PM10으로 부른다. 사람의 폐포까지 깊숙하게 침투해 각종 호흡기 질환의 직접적인 원인이 되며 특히 연소 작용에 의해 발생하므로 황산염, 질산염,암모니아 등의 이온 성분과 금속화합물, 탄소화합물 등 유해물질로 이뤄져 있다.

참고문헌 (10)

Korea Environment Corporation(KECO). Dictionary of the airkorea [Internet]. Available: http://www.airkorea.or.kr/dictionary_3.
Korea Environment Corporation(KECO). The Airkorea Brochure of the Fine Dust [Internet]. Available: https://www.airkorea.or.kr/web/bbs/airpds/15830/?sch_key 0&sch_value.
J. H. Park, Y. I. Jun, and U. K. Lee, "IT convergence technology-based gas sensor technology for environmental monitoring," Information & Communications Magazine, vol.25, no.6, pp. 40-47, Jun. 2008.
H. B. Cho and M. H. Kim, "IoT technology and Status of development Domestic and Oversea Service," National IT Industry Promotion Agency, pp. 20-23, Nov. 2013.
B.C. Kim, "A Internet of Things(IoT) based exploration robot design for remote control and monitoring," Journal of Digital Convergence, vol. 13, no. 1. pp. 185-190, Jan. 2015
S. H. Ye and S. H. Han, "Indoor Environment Monitoring System Using Short-range Wireless Communication in Mobile Devices," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol.17, no.9, pp. 2167-2173, Sep. 2013.

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S. E. Park, C.G. Hwang, D. C. Park, "Internet of Things(IoT) ON system implementation with minimal Arduino based appliances standby power using a smartphone alarm in the environment," The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 10, no. 10, pp. 1175-1182, Oct. 2015.

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IDK Company, ESP8266 Technical reference manual [Internet]. Available: http://idktech.co.kr/index.php/ko/ download?pageid2&uid10&moddocument.
E. T. Kim, Y. C. Kim and S. Y. Kwak, "Iot based Indoor Air Quality Monitoring System," The Journal of the Korea Contents Association, vol. 16, no. 2. pp. 143-150, Feb. 2016.
C. S. Oh, M. S. Seo, J. H. Lee, S. H. Kim, Y. D. Kim and H. J. Park, "Indoor Air Quality Monitoring Systems in the IoT Environment," The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences '15-05, vol.40 no.05. pp.886-891, May 2015.

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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].

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