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문제 정의
- 본 논문에서는 IoT 카스토퍼 기반의 시공이 용이하고 사용이 편리한 스마트 주차 안내 시스템을 제안하고 구현 하였다. 센서와 통신 모듈을 내장한 IoT 카스토퍼의 순차적 점대점 통신을 통해 취합된 주차상태 배열 데이터는 IoT 게이트웨이를 통해 웹서버로 전송된다.
- 현재 상용화된 시스템들은 대부분 바닥을 파서 감지 센서를 매립하기 때문에 시공이 복잡한 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 본 논문에서는 IoT 센서모듈이 내장된 카스토퍼(car-stopper) 기반의 시공이 용이한 주차안내 시스템을 제안하였다. 그림 1은 제안된 카스토퍼 기반의 스마트 주차안내 시스템의 개요도 이다.
제안 방법
- 20kohm의 외부저항을 연결해 워치독 타이머의 주기(tIP)를 50초로 세팅하였다.
- net 패키지를 이용해 서버와 소켓 통신을 구현 하였다. ActionBar 기능을 이용해 UI의 일관성을 높여 탐색과 뷰전환을 용이하게 하였다. 그림 9와 같이 차량의 유무에 따라 해당 구역의 색깔이 다르게 표시된다.
- 7V/2800mAh 용량의 리튬이온 충전지(ICR-18650, Samsung)를 사용하였다[16]. DC-DC 컨버터와 레귤레이터(LM1117, Linear Technology)를 이용해 배터리의 출력 전압을 5V와 3.3V로 변환 후 각각 MCU와 XBee 모듈에 공급하였다[17].
- IoT 센서모듈의 각 부품을 고정하기 위하여 3D 프린터를 이용해 플라스틱 케이스를 제작하였다. 그림 7은 케이스에 고정된 IoT 센서모듈을 보여준다.
- 스마트기기는 서버에서 전달된 데이터를 안드로이드 앱을 통해 주차상태 데이터를 디스플레이 해준다. XML을 이용해 클래스나 오브젝트를 위한 레이아웃을 형성하고 JAVA를 이용해 함수를 작성하였다. 안드로이드 개발환경은 Android 4 (API level 14)을 지원하며, JAVA.
- 슬립모드와 액티브 모드에서 카스토퍼의 소모 전력은 각각 80mW와 25mW로 측정 되었다. 또한 구현된 시스템에서 항상 액티브 모드로 동작하는 XBee 모듈에 의해 발생하는 전력 소모 문제를 해결할 수 있는 초전력 IoT 카스토퍼 구조를 제안하였다. 구현된 주차안내 시스템은 빅데이터 및 인공지능 기술과 연계되어 효율적인 주차관리 시스템의 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다[26,27].
- UART 통신을 이용해 라디오 모듈과 통신한다. 라디오는 ZigBee 통신 기반의 저전력 XBee 모듈을 사용했으며, 설정 프로그램인 X-CTU를 이용해 XBee 모듈의 세팅을 진행하였다. XBee 모듈은 UART 통신으로 ATmega8과 송수신 한다.
- 주차장에서 실험을 통해 개발된 안드로이드 앱을 이용해 웹서버에 저장된 주차공간 정보를 확인할 수 있었다. 소모 전력 감소를 위해 MCU와 센서를 워치독 타이머을 이용해 액티브/슬립 싸이클 방식으로 구동하였다. 슬립모드와 액티브 모드에서 카스토퍼의 소모 전력은 각각 80mW와 25mW로 측정 되었다.
- XML을 이용해 클래스나 오브젝트를 위한 레이아웃을 형성하고 JAVA를 이용해 함수를 작성하였다. 안드로이드 개발환경은 Android 4 (API level 14)을 지원하며, JAVA.io와 JAVA.net 패키지를 이용해 서버와 소켓 통신을 구현 하였다. ActionBar 기능을 이용해 UI의 일관성을 높여 탐색과 뷰전환을 용이하게 하였다.
- 안드로이드 스튜디오(Android Studio)를 이용해 주차 안내 앱(App)을 제작 하였다[24]. 스마트기기는 서버에서 전달된 데이터를 안드로이드 앱을 통해 주차상태 데이터를 디스플레이 해준다.
- 사용자의 스마트기기에서 요청을 받으면 웹 서버는 Wi-Fi를 통해 저장된 데이터를 전달한다. 우분투(Ubuntu) 기반의 Appache2 웹 서버를 사용했으며, 리눅스(Linux) 웹서버의 기본 언어인 PHP를 이용해 웹개발을 수행하였다[21,22]. MYSQL를 이용해 주차상태 데이터를 DB(database)로 구성하고 PHP 프로그래밍을 통해 데이터를 추출해 웹페이지로 출력하였다[23].
- 제안된 시스템은 라우터의 개수를 줄이기 위해 점대점(point-to-point) 통신방식을 확장한 엔드디바이스에서 이웃한 엔드디바이스로 직접 데이터를 전송하는 순차적 점대점(sequential point-to-point) 통신 방식으로 구현되었다(그림 4). 특히 주차장의 경우 카스토퍼가 가까이 배치된 경우가 많아 엔드디바이스 사이의 원활한 통신이 가능하다.
- IoT 게이트웨이는 카스토퍼로 부터 주차상태 데이터를 수신하여 웹서버로 전송하는 역할을 한다. 초소형 싱글보드 컴퓨터인 라즈베리 파이(Raspberry Pi)를 이용해 IoT 게이트웨이를 구현하였다[18]. 수신된 주차상태 데이터는 라즈베리파이에서 데이터 전송 라이브러리인 libcurl을 통해 웹서버로 전송된다[19].
- 퍼블릭 클라우드 서비스인 AWS(Amazon Web Services)에서 제공하는 EC2(Elastic Compute Cloud) 툴을 이용해 웹서버를 제작 하였다[20]. AWS 기반의 웹서버를 이용하면 어디서나 IoT 주차 안내 시스템의 이용이 가능한 장점이 있다.
대상 데이터
- XBee 모듈은 UART 통신으로 ATmega8과 송수신 한다. 배터리는 3.7V/2800mAh 용량의 리튬이온 충전지(ICR-18650, Samsung)를 사용하였다[16]. DC-DC 컨버터와 레귤레이터(LM1117, Linear Technology)를 이용해 배터리의 출력 전압을 5V와 3.
- 그림 1은 제안된 카스토퍼 기반의 스마트 주차안내 시스템의 개요도 이다. 시스템은 크게 IoT 카스토퍼, IoT 게이트웨이(gateway), 웹서버(web server), 안드로이드앱(Android app)으로 구성된다. 카스토퍼에 내장된 IoT 센서모듈에서 얻어진 주차 데이터는 순차적 점대점(sequential point-to-point) 통신을 통해 카스토퍼에서 카스토퍼로 전달된다.
- 차량의 유무에 따라 변하는 IR센서의 출력신호를 MCU가 감지해 이웃한 카스토퍼의 IoT 센서모듈로 주차 데이터를 전송한다. 신호는 소모전력을 줄이기 위해 작은 MCU와 라디오로 ATmega8 과 ZigBee 방식의 XBee 모듈을 각각 사용하였다[13,14]. 센서는 배터리에 직접 연결 되어 있지 않고 MCU로부터 전원을 공급받는 구조로 MCU가 활성화된 동안만 전력을 소모하게 된다.
- 제작한 스마트 주차시스템의 평가를 위해 건물 지하 주차장에서 실험을 진행 하였다(그림 10). IoT 게이트웨이는 주차장 기둥의 2.
- 그림 7은 케이스에 고정된 IoT 센서모듈을 보여준다. 종이를 이용해 그림 8과 같이 카스토퍼 모형(730x140x115mm3)을 제작하고 내부에 IoT 센서모듈을 장착하였다. 윈도우(window) 안쪽에 방수를 위해 유리 커버를 설치하고 센서를 배치하였다.
- 차량감지를 위한 센서는 IR 근접센서(GP2Y0A21YK, Sharp)를 사용하였다[15]. 두개의 적외선 센서를 사용한 이중감지로 검출의 정확도를 높였다.
- 첫 번째 카스토퍼(CS#1)에 웨이크 신호를 전송하는 워치독 타이머는 Texas Instruments사의 초저전력 타이머인 TPL5010을 사용하였다[18]. 펄스의 주기(tIP)는 외부저항 값을 조정해 1초에서 최대 2시간 사이의 값으로 세팅할 수 있다.
이론/모형
- 센서 신호 처리를 위해 저전력 MCU인 ATmega8을 사용하였다[13]. ATmega8은 시스템의 구현에 필요한 프로그램 메모리, ADC, UART 통신 등의 기능을 제공한다.
성능/효과
- 1m 높이 위치에 설치되었으며, 이때 전송거리는 주변환경과 장애물의 상황에 따라 20-30m의 범위로 측정되었다. 카스토퍼는 차량의 유무를 정상적으로 감지하였고, IoT 게이트웨이와 웹 서버를 통해 전송된 주차상태 데이터를 안드로이드 앱을 통해 확인 할 수 있었다. 주차장 주변 반경 2km 이내의 다양한 위치에서 업데이트에 걸리는 지연시간을 측정한 결과 11초 이내로 측정 되었다.
후속연구
- 또한 구현된 시스템에서 항상 액티브 모드로 동작하는 XBee 모듈에 의해 발생하는 전력 소모 문제를 해결할 수 있는 초전력 IoT 카스토퍼 구조를 제안하였다. 구현된 주차안내 시스템은 빅데이터 및 인공지능 기술과 연계되어 효율적인 주차관리 시스템의 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다[26,27].
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