[논문]스마트 에너지 IoT를 위한 CoAP 기반 Lightweight OpenADR2.0b 프로토콜의 구현 및 분석

박헌일; 김세영; 강성철; 박현진; 김일연; 최진식

doi:10.7840/kics.2017.42.4.904

스마트 에너지 IoT를 위한 CoAP 기반 Lightweight OpenADR2.0b 프로토콜의 구현 및 분석
Implementation and Analysis of CoAP-Based Lightweight OpenADR2.0b protocol for Smart Energy IoT Environment 원문보기

한국통신학회논문지 = The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, v.42 no.4, 2017년, pp.904 - 914

박헌일 (Hanyang University Department of Computer Science) , 김세영 (Hanyang University Department of Computer Science) , 강성철 (Hanyang University Department of Computer Science) , 박현진 (Hanyang University Department of Computer Science) , 김일연 (Korea Smart Grid Association) , 최진식 (Hanyang University Department of Computer Science)

초록
AI-Helper

효율적인 에너지의 사용을 위해 수요반응이라는 개념이 등장하였고 지능화 된 수요반응 서비스를 제공하기 위한 Open Automated Demand Response(OpenADR) 표준 프로토콜이 개발되었다. 최근 스마트 홈 중심의 에너지 Internet of Things (IoT) 분야에서도 사물인터넷 기술을 이용하여 다수의 스마트 홈 기기들에 수요반응 및 에너지 관리 서비스를 제공하려는 시도가 늘어나고 있다. 그러나 스마트 홈 에너지 IoT 환경에서는 많은 수의 초경량 디바이스들이 연결되기 때문에 기존의 HTTP/XML 기반의 OpenADR 수요반응 프로토콜보다 경량의 메시지를 이용한 수요반응 프로토콜이 필요하다. 본 논문에서는 Smart Energy IoT 환경에서 수요반응 서비스를 제공하기 위한 경량의 CoAP/JSON 프로토콜에 기반 한 경량화된 OpenADR 프로토콜을 제안하고 기존의 HTTP/XML 형식의 프로토콜과 성능을 비교 및 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

For efficient energy usage, the concept of demand response has been emerged and thereby Open Automated D emand Response(OpenADR) protocol is developed as a standard protocol to provide automated demand response. There have been emerging trends on the demand response services using the Internet of Things(IoT) for smart h ome energy management. In this smart home energy IoT environment, a lightweight protocol is needed rather tha n the existing HTTP/ XML based OpenADR protocol for demand response services since many small devices wi ll be interconnected. In this paper, we propose a lightweight OpenADR protocol based on CoAP protocol for pro viding demand response service in Smart Energy IoT environment, implement the proposed CoAP-based protocol, and analyzed the performance compared to existing HTTP/ XML-based OpenADR 2.0b protocol.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 에너지 IoT 환경에서 에너지의 효율적이 사용 및 에너지 최적화를 위한 경량화된 수요반응 프로토콜의 개발 및 성능분석에 있다. 특히 에너지 수요반응 서비스를 제공함에 있어서 널리 이용되는 OpenADR2.
본 논문의 목적은 기존의 HTTP 프로토콜 위에 XML 방식으로 구현 되어 있는 OpenADR의 문제점을 분석하고 이를 IoT 프로토콜인 CoAP 프로토콜 방식으로 경량화 된 OpenADR 프로토콜을 제안하고자 한다.
이러한 한계점을 극복하고자 본 논문에서는 국제 인터넷 표준화 기구(Internet Engineering Task Force; IETF)는 RFC7252를 통해 소형의 네트워크 장비에서도 원활한 통신이 가능한 경량 메시지를 위한 Constrained Application Protocol(CoAP)[6][7]를 이용하여 에너지 IoT 환경에 알맞은 경량의 수요반응 프로토콜을 제안하고 구현하고자 한다.

제안 방법

(b)에서 보이는 것과 같이 첫 번째 VEN이 VTN에 연결되어 Init Processing을 시작하는 순간부터 polling 과정과 event 발생을 포함한 40초 동안 패킷을 캡쳐 한 후 각 포맷에 따른 초당 데이터양을 측정하여 비교하였다.
본 논문의 목적은 기존의 HTTP 프로토콜 위에 XML 방식으로 구현 되어 있는 OpenADR의 문제점을 분석하고 이를 IoT 프로토콜인 CoAP 프로토콜 방식으로 경량화 된 OpenADR 프로토콜을 제안하고자 한다. 또한 본 연구에서 개발한 경량화된 수요반응 프로토콜을 에너지 IoT 환경처럼 제한된 스마트 홈 환경에서 원활한 수요반응 서비스를 제공할 수 있는지 테스트 베드를 통해 총 세 가지 방법으로 성능을 분석한다. 각 포맷별로 일정 시간 동안의 총 데이터양을 비교하고 상태 메시지에 대한 응답 시간의 분석 및 특정 이벤트에 대한 메시지 응답 시간에 대한 분석을 통해 기존 HTTP/XML 기반의 OpenADR 프로토콜의 수백 ms에 비해 제안된 프로토콜은 수 ms 내에 수요반응 서비스를 제공할 수 있고 더 적은 양의 리소스를 이용하여 동일한 서비스를 제공할 수 있음을 증명하였다.
또한 스마트 홈들에 대하여 에너지 IoT 환경을 제공하고 실시간 수요반응 서비스의 가능성을 검증하였다.
본 논문에서 사용하는 OpenADR 2.0b 프로토콜은 대용량의 데이터를 이용하지 않고 제한 된 네트워크에서 가볍고 빠른 통신을 목적으로 하므로 기존 프로토콜의 XML 데이터를 JSON 방식으로 매핑하여 구현하였다.
본 실험에서 VEN은 250ms마다 VTN에게 Polling 메시지를 보내고 VTN은 Polling 메시지에 대한 응답으로 Response 형식의 ACK를 보낸다.
본 실험에서 VTN은 VTN에게 연결된 VEN들이 주기적으로 Polling 메시지를 보내던 중간에 하나의 VEN에게 이벤트 메시지를 내려준다.
본 실험의 제한 사항으로는 OpenADR2.0b 표준에서 정의하고 있는 Pull방식(Request&Response)의 통신메카니즘만을 실험하고 비교한다.
본 연구에서 구현 한 CoAP 기반의 JSON 형식의 OpenADR2.0b의 검증 및 기존 방식과의 비교를 위해 세 가지의 데이터를 비교 분석 하였다.
각 프로토콜에 따른 VEN은 해당 프로토콜을 지원하는 VTN에 연결되며 VTN과 VEN의 연결은 일대다의 연결을 갖는다. 실험은 VTN에 접속하는 VEN의 개수를 1개, 3개, 9개, 20개로 늘리며 반복한다. 각 VEN은 VTN에게 접속 한 뒤 초기 등록 과정 후 일종의 KEEP ALIVE 메시지로 Poll 메시지를 주기적으로 전송한다.
연구의 분석을 위해 HTTP/XML 포맷의 OpenADR2.0b 프로토콜과 CoAP/JSON 포맷의 OpenADR2.0b 프로토콜은 표 4와 같이 Data traffic, Polling response time, Event response time 세 가지 항목에서 비교 및 분석한다.
전력 설비에서 애그리게이터로 OpenADR을 이용하여 에너지 절약에 대한 DR 이벤트를 내려준다.
본 논문에서는 에너지 IoT 환경에서 에너지의 효율적이 사용 및 에너지 최적화를 위한 경량화된 수요반응 프로토콜의 개발 및 성능분석에 있다. 특히 에너지 수요반응 서비스를 제공함에 있어서 널리 이용되는 OpenADR2.0b 프로토콜을 에너지 IoT 네트워크 환경에서 원활한 통신이 가능하도록 IoT 용 CoAP 프로토콜에 JSON 포맷으로 구현하고 기존의 HTTP/XML 기반의 OpenADR 프로토콜과 비교 분석하였다. 분석결과 본 연구에서 제안하였던 CoAP/JSON 포맷의 OpenADR2.

대상 데이터

비교를 위하여 HTTP/XML을 사용하는 OpenADR2.0b 프로토콜은 EPRI사에서 공개하고 있는 오픈 소스를 이용하여 실험 하였다.

데이터처리

본 비교를 위해서 그림 9에서 보이는 것과 같이 각 포맷별로 모든 VEN에 대한 Polling 메시지와 Polling 메시지에 대한 응답시간을 측정한 후 그 평균값을 이용하여 비교하였다.

이론/모형

데이터 매핑의 예시는 표 2와 같다. 메시지의 흐름은 OpenADR2.0b 표준을 따랐다.

성능/효과

HTTP/XML 포맷은 Response Time 자체도 CoAP/JSON 포맷에 비해 약 7배 더 큰 값을 가지고 VEN 개수에 따른 증가 폭 역시도 3개에서 20개로의 증가에서 CoAP/JSON 포맷은 0.003sec, HTTP/XML 포맷은 0.112sec로 HTTP/XML 포맷이 CoAP/JSON 포맷에 비해 약 34배 큰 것을 확인 할 수 있다.
각 포맷별로 일정 시간 동안의 총 데이터양을 비교하고 상태 메시지에 대한 응답 시간의 분석 및 특정 이벤트에 대한 메시지 응답 시간에 대한 분석을 통해 기존 HTTP/XML 기반의 OpenADR 프로토콜의 수백 ms에 비해 제안된 프로토콜은 수 ms 내에 수요반응 서비스를 제공할 수 있고 더 적은 양의 리소스를 이용하여 동일한 서비스를 제공할 수 있음을 증명하였다.
또한 스마트 홈들에 대하여 에너지 IoT 환경을 제공하고 실시간 수요반응 서비스의 가능성을 검증하였다. 나아가 스마트그리드 에너지관리시스템과 수요반응 서비스를 연계한 유틸리티와 스마트 홈이 결합된 통합 수요반응 솔루션을 제공할 수 있다는 것을 증명하였다.
두 포맷 모두 VEN의 개수에 따라 증가하는 추세를 보이지만 HTTP/XML 포맷이 VEN의 개수에 따라 1개 일 때 0.5381sec, 3개 일 때 0.5223sec, 9개 일 때 0.6556sec, 20개 일 때 0.7569sec로 CoAP/JSON 포맷의 VEN 개수에 따른 응답시간이 각각 0.0219sec, 0.0239sec, 0.0370sec, 0.0553sec에 비해 기본적인 응답시간은 약 19배로 모두 크게 나타나는 것을 확인 할 수 있으며 VEN의 개수가 3개에서 20개로의 증가를 볼 때 그 증가폭이 CoAP/JSON 포맷은 0.0313sec, HTTP/XML 포맷은 0.235sec로 약 7.5배의 차이를 보임을 확인 할 수 있다.
두 포맷은 모두 비슷한 증가 양상을 보였지만 HTTP/XML 포맷의 데이터양이 VEN의 개수가 1개일 때는 평균 8340.197byte/sec, 3개 일 때는 평균 21130.510byte/s, 9개 일 때는 평균 50062.597byte/s, 20개 일 때는 105051.262byte/s로 CoAP/JSON 포맷이 VEN의 개수가 1개일 때는 평균 877.392byte/sec, 3개 일 때는 평균 2592.325byte/s, 9개 일 때는 평균 7368.251byte/s, 20개 일 때는 160522.44byte/s과 비교하여 약 7배 더 큰 것을 볼 수 있다.
113byte/s로 HTTP/XML 포맷이 CoAP/JSON 포맷에 비해 약 7배 더 큰 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 에너지 IoT 환경에서 기기의 수가 증가하게 될 경우 기존 HTTP/XML 기반의 OpenADR 프로토콜은 데이터의 트래픽이 급격하게 늘어날 수 있는 반면 제안한 프로토콜은 그 증가폭이 낮고 거의 일정하게 유지할 수 있기 때문에 대량의 기기들을 수용할 수 있다.
5배의 차이를 보임을 확인 할 수 있다. 따라서 에너지 IoT 환경에서 기기의 수가 증가하게 될 경우 기존 HTTP/XML 기반의 OpenADR 프로토콜은 수요반응 반응 속도가 급격히 늘어날 수 있는 반면 제안한 프로토콜은 그 증가폭이 낮고 거의 일정하게 유지할 수 있기 때문에 대량의 기기들을 수용할 수 있다.
5배의 차이를 보임을 확인 할 수 있다. 따라서 에너지 IoT 환경에서 기기의 수가 증가하게 될 경우 기존 HTTP/XML 기반의 OpenADR 프로토콜은 수요반응 반응 속도가 급격히 늘어날 수 있는 반면 제안한 프로토콜은 그 증가폭이 낮고 거의 일정하게 유지할 수 있기 때문에 대량의 기기들을 수용할 수 있다.
44byte/s과 비교하여 약 7배 더 큰 것을 볼 수 있다. 또한 VEN 개수에 따른 증가폭 역시도 HTTP/XML 포맷이 VEN의 개수가 3개에서 20개로 증가함에 있어서 약 83920.751byte/s, CoAP/JSON 포맷에서는 1340.113byte/s로 HTTP/XML 포맷이 CoAP/JSON 포맷에 비해 약 7배 더 큰 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 에너지 IoT 환경에서 기기의 수가 증가하게 될 경우 기존 HTTP/XML 기반의 OpenADR 프로토콜은 데이터의 트래픽이 급격하게 늘어날 수 있는 반면 제안한 프로토콜은 그 증가폭이 낮고 거의 일정하게 유지할 수 있기 때문에 대량의 기기들을 수용할 수 있다.
0b 프로토콜을 에너지 IoT 네트워크 환경에서 원활한 통신이 가능하도록 IoT 용 CoAP 프로토콜에 JSON 포맷으로 구현하고 기존의 HTTP/XML 기반의 OpenADR 프로토콜과 비교 분석하였다. 분석결과 본 연구에서 제안하였던 CoAP/JSON 포맷의 OpenADR2.0b 프로토콜이 기존의 HTTP/XML 포맷의 OpenADR2.0b 프로토콜에 비해 1/7 수준의 더 적은 데이터 트래픽을 갖고 약 7배 더 빠른 응답시간을 갖는 것을 확인 할 수 있었다. 전력 및 에너지 환경의 소형 네트워크 기기에서 데이터 트래픽과 응답시간은 다양한 제어 서비스로 확장되어가고 있는 에너지 IoT 서비스에서 중요한 요소가 된다.
이 과정에서 XML의 메타데이터가 상실되며 그 결과 데이터의 스키마를 알 수 없게 되는 부작용이 발생하나 본 통신에서는 VTN과 VEN 간의 속성 값과 그 요소 값의 전달만을 통해서도 원활한 통신이 가능하다.

후속연구

전력 및 에너지 환경의 소형 네트워크 기기에서 데이터 트래픽과 응답시간은 다양한 제어 서비스로 확장되어가고 있는 에너지 IoT 서비스에서 중요한 요소가 된다. 따라서 본 논문에서 제안한 경량 프로토콜과 데이터 포맷을 이용하면 소형 네트워크 기기를 갖는 에너지 IoT 환경에서 원활한 수요반응 자동화 서비스가 널리 활용될 것으로 기대된다. 향후 실제 IoT 기기들과 연결하여 경량 프로토콜을 이용한 실시간 수요반응 서비스의 효율에 대한 연구가 필요 할 것으로 보인다.
따라서 본 논문에서 제안한 경량 프로토콜과 데이터 포맷을 이용하면 소형 네트워크 기기를 갖는 에너지 IoT 환경에서 원활한 수요반응 자동화 서비스가 널리 활용될 것으로 기대된다. 향후 실제 IoT 기기들과 연결하여 경량 프로토콜을 이용한 실시간 수요반응 서비스의 효율에 대한 연구가 필요 할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트그리드는 무엇을 의미하는가?	스마트그리드는 기존의 전력 시스템에 정보통신기술(Information and Communication Technology; ICT)을 접목하여 기존의 단방향 전력망에서 소비자가 양방향으로 전력 생산 및 사용에 대한 정보를 교환함으로써 효율적인 에너지 생산 및 사용이 가능하도록 하는 차세대 지능형 전력망을 의미한다. 에너지 IoT망에서 수요반응이란 그림 1에서 보는 바와 같이 스마트그리드와 연결된 스마트 홈 IoT 환경에서 소비자들의 최대 전기 사용량의 차이를 완화시키고, 전기 공급과 수요의 균형을 맞추기 위하여 일시적으로 전기 사용량을 축소시키기 위해 소비자의 전력 사용 패턴의 변화를 유도하는 에너지 최적 사용 기술을 말한다[8].
	수요반응제도는 어떻게 나뉘는가?	에너지 IoT망에서 수요반응이란 그림 1에서 보는 바와 같이 스마트그리드와 연결된 스마트 홈 IoT 환경에서 소비자들의 최대 전기 사용량의 차이를 완화시키고, 전기 공급과 수요의 균형을 맞추기 위하여 일시적으로 전기 사용량을 축소시키기 위해 소비자의 전력 사용 패턴의 변화를 유도하는 에너지 최적 사용 기술을 말한다[8]. 수요반응제도는 소비자가 지불하는 전력 가격을 시간별로 차등 적용하여 소비자가 이에 반응하여 전력 사용패턴을 변화시키는 방식인 요금 기반 수요반응과 전력 공급자 또는 전력 시스템 운영자에 의해 운영되는 전력 사용을 줄이게 하여 이에 대한 인센티브를 지급하는 인센티브 기반 수요반응으로 나누어진다.
	OpenADR2.0b가 지원하는 서비스로는 어떤 것들이 있는가?	0b는 그림 4(a)-(d)와 같이 총 네 가지의 서비스를 지원한다. (a) VTN과 VEN이 서로의 정보를 교환하고 ID값을 발급하여 연결을 수립하는 Registration 서비스, (b) VTN과 VEN의 보고능력을 알려주고 구독을 신청하는 Report 서비스, (c)수요자원의 사용 패턴 변화를 유도하기 위한 신호 메시지를 보내는 Event서비스, (d)이벤트 스케줄에 대한 수용 가능여부를 정의하는 Opt 서비스가 있다. 그림 4는 각 서비스의 동작 과정을 보여준다.

참고문헌 (10)

http://www.openadr.org/
O. Alliance, The OpenADR primer, ed: Technical report, 2012.
D. Delphine, B. W. Jang, Y. S. Shin, S. T. Kang, and J. S. Choi, "Design and implementation of building energy management system with quality of experience power scheduling model to prevent the blackout in smart grid network," 16th Int. Conf. Advanced Commun. Technol., pp. 208-211, Pyeongchang, Feb. 2014.
Information technology - Interconnection of information technology equipment - Home Electronic System - Application models - Part 3-3: Model of a system of interacting Energy Management Agents (EMAs) for demand response energy management, ISO/IEC 15067-3-3: CD N1857, 2017
H. Lee, S. Oh, S. Ko, B. Lee, J. Nam, Y. Kim, and S. Lee, "Research on standard of internet of things for power and energy sectors," J. KICS, vol. 33, no. 12, pp. 12-21, Nov. 2016.
http://coap.technology/
Z. Shelby, K. Hartke, and C. Bormann, The constrained application protocol (CoAP), IETF, Jun. 2014.
M. H. Albadi and E. F. El-Saadany, "A summary of demand response in electricity markets," Electric Power Syst. Res., vol. 78, no. 11, pp. 1989-1996, 2008.

상세보기
S. C. Kang and J. S. Choi, "Design and implementation of realtime demand and response gateway in smart home based on MQTT," in KICS Int. Conf. Commun., pp. 60-61, Jeju lsland Korea, Jun 2016.
S. Y. Kim, B. W. Jang, and J. S. Choi, "Design and implementation of real time demand response protocol based on OpenADR," JCCI, Sokcho, Korea, Apr 2016.

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].

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