[논문]LPWA 기반 산업현장의 무선 데이터 전송 시스템 개발

권혁; 조경우; 오창헌

doi:10.12673/jant.2018.22.1.37

LPWA 기반 산업현장의 무선 데이터 전송 시스템 개발
Development of Wireless Data Transmission System for LPWA-based Industrial Sites 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.22 no.1 = no.88, 2018년, pp.37 - 42

권혁 (한국기술교육대학교 메카트로닉스공학과) , 조경우 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학과) , 오창헌 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학과)

초록
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최근 장비에 부착된 센서들이 네트워크를 통해 실시간으로 현장 정보를 전송하고 처리하여 장비를 제어하는 과정을 자동으로 수행하는 IoT 환경에 대한 연구가 다방면으로 진행되고 있다. 이러한 시스템의 핵심은 데이터 송수신을 위한 네트워크가 필수적인데 넓은 전송 거리를 가진 유선 네트워크가 우선 선택이 된다. 하지만 유선 네트워크의 경우 통신을 구성하기위해 소모되는 시간과 비용이 무선 보다 높은 문제가 존재한다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 LPWA와 BLE 통신을 이용한 LPWA 기반 산업현장의 무선 데이터 전송 시스템을 제안한다. 제안하는 시스템은 BLE를 통해 장비로부터 데이터를 수집하고 LPWA를 이용하여 서버로 데이터를 전송하는 시스템이다. 실험결과 LPWA로 전송할 수 있는 최대 길이의 확산인자(Spreading Factor)는 8인 것을 확인하였으며, 최소 길이에 대한 Spreading Factor는 9인 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, there have been many studies on the IoT environment in which the sensors attached to the equipment automatically transmit and process the site information in real time through the network to control the equipment. The core of such a system is a network for data transmission and reception, and a wired network with wide transmission distance is a priority. However, in the case of a wired network, there is a problem that the time and cost consumed to configure the communication is higher than that of the wireless. In this paper, we propose LPWA - based wireless data transmission system using LPWA and BLE communication to solve this problem. The proposed system collects data from equipment through BLE and transmits data to the server using LPWA. Experimental results show that the spreading factor of maximum length of LPWA is 8, and the minimum length is 9.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 공장생산관리 서비스를 적용시키기 위해 공장에 네트워크를 설치하고 유지하는 부분에서 장비의 이동성 및 빠른 생산 가동을 위해 유선 네트워크 통신 대신 무선으로 데이터를 전송할 수 있도록 저 전력 광역 통신을 이용하여 무선 네트워크를 구축하고 데이터를 서버로 전송하는 LPWA 기반 산업현장의 무선 데이터 전송 시스템을 제안하였다.
본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 저 전력 광역 통신 (LPWA; low power wide area) 을 이용하여 무선 네트워크를 구축하고 데이터를 서버로 전송하는 시스템을 제안한다.

제안 방법

본 논문에서 제안하는 LPWA 기반 무선 데이터 전송 시스템에서 다수의 장비로부터 데이터를 수집하는 역할은 BLE를 통해 수행하게 된다. BLE 기술은 기존의 Classic Bluetooth 기술인 BR(basic rate), EDR(enhanced data rate), 2.0+EDR, 3.0HS(high speed) 등과 비교하여 상대적으로 저속 전송 속도로 동작하며 버튼 셀 배터리를 채용할 경우 1년 이상 동작이 가능할 정도로 전력소모가 적고 저가격으로 생산이 가능하도록 설계되었다. 표 1은 Classic Bluetooth와 BLE의 주요 기술적 특징을 비교한 것이다.
LPWA 기반 산업현장의 무선 데이터 전송 시스템은 각 장비로부터 BLE의 advertising 모드를 통해 전송되는 Beacon Packet에 장비에서 수집된 데이터를 실어 Access Gateway로 전송시키며, 전송된 Access Gateway에서 데이터를 취합하여 서버로 전송시키는 시스템으로 IoT의 각 계층에 대한 아키텍쳐와 산업 현장의 서비스 계층구조를 토대로 시스템 구조를 설계하였으며, 각 해당 기능을 개발하여 구현하였다.
BLE 패킷은 최대 패킷으로 센서 데이터를 20 byte로 설정하여 데이터를 생성하였다. 그리고 LPWA 송신 출력은 10 mW로 설정하였으며, 주파수는 921.1 MHz, 대역폭은 125 KHz, 부호화율은 4/5, 확산인자는 7로 설정하였으며, 각 실험마다 수집 데이터 노드의 개수와 확산인자를 변화시키며 실험을 진행하였다.
그림 8은 노드 개수별 확산인자에 따른 Access Gateway까지의 데이터 전송 시간을 나타낸 것이다. 데이터 수집이 완료된 후 데이터를 전송하게 하였으며, 전송되었을 때와 수신되었을 때의 시간차이를 통해 전송시간을 출력하였다. 실험결과 노드 개수가 8개일 때는 확산인자가 8일 때 정상동작을 하였으며, 확산인자가 9일 때는 8개에 대해 지연이 발생한 것을 알 수 있으며, 확산인자가 증가될수록 데이터 지연이 심각한 것을 알 수 있다.
본 논문에서 제안하는 LPWA 기반 무선 데이터 전송 시스템에서 다수의 장비로부터 데이터를 수집하는 역할은 BLE를 통해 수행하게 된다. BLE 기술은 기존의 Classic Bluetooth 기술인 BR(basic rate), EDR(enhanced data rate), 2.
본 논문에서 제안한 시스템의 우수성을 검증하기 위해 BLE 데이터를 수집하고 LPWA로 전송하는 실험을 진행하였다. LPWA 기반 Access Gateway를 중심으로 2~30 m간격에 BLE 데이터 전송 모듈을 배치하였으며, 500 m 지점에 서버를 설치하여 실험 환경을 구축하였다.

대상 데이터

본 논문에서 제안한 시스템의 우수성을 검증하기 위해 BLE 데이터를 수집하고 LPWA로 전송하는 실험을 진행하였다. LPWA 기반 Access Gateway를 중심으로 2~30 m간격에 BLE 데이터 전송 모듈을 배치하였으며, 500 m 지점에 서버를 설치하여 실험 환경을 구축하였다. 그림 7은 실험 환경에 대한 배치를 나타낸 그림이다.
그림 5는 각 존에 배치 될 Access Gateway의 회로 및 사진이다. MCU와 BLE는 nordic사의 nRF52832 chip을 이용하였으며, LPWA 통신은 semtech사의 sx1276을 이용하였다.
특히 본 논문에서 제안하는 LPWA 기반 무선 데이터 전송 시스템의 데이터 수집은 BLE에 할당된 40개의 채널 중 광고(advertising)라고 부리는 3개의 채널을 이용하게 된다. 사용되는 채널은 다른 장치를 찾거나 연결을 원하는 다른 장치에 자신의 존재를 알리는데 사용되며, 다른 장치의 존재를 스캔하는데 0.

성능/효과

또한 본 논문에서는 센서에서 초당 1회의 데이터를 수집하는 경우를 토대로 실험하였으나, 수집되는 시간이 1초 이상일 경우에도 LPWA를 기준으로 데이터가 전송되는 시간을 고려하여 확산인자를 설정하여 적용 가능하다.
데이터 수집이 완료된 후 데이터를 전송하게 하였으며, 전송되었을 때와 수신되었을 때의 시간차이를 통해 전송시간을 출력하였다. 실험결과 노드 개수가 8개일 때는 확산인자가 8일 때 정상동작을 하였으며, 확산인자가 9일 때는 8개에 대해 지연이 발생한 것을 알 수 있으며, 확산인자가 증가될수록 데이터 지연이 심각한 것을 알 수 있다. 그림 9는 BLE패킷의 센서 데이터를 5Byte로 생성하여 실험한 결과이다.
구현된 시스템의 성능을 검증하기 위해 수집된 데이터가 서버까지의 도달되는 실험을 진행하다. 실험결과 확산인자에 따라 통신에 걸리는 시간이 최소 1초에서부터 최대 약 8초 까지 소모가 되며, 수집되는 데이터의 길이에 따라 약 4초에서 8초까지의 시간이 소모되는 것을 확인하였다. 이를 토대로 각 장비에서 데이터가 생성되는 시간과 길이를 토대로 적용할 수 있는 확산인자 기준을 설정할 수 있으며 전력 소모가 낮은 무선 통신 기술을 이용하여 산업현장에 적용할 수 있음을 확인하였다.
실험결과 확산인자에 따라 통신에 걸리는 시간이 최소 1초에서부터 최대 약 8초 까지 소모가 되며, 수집되는 데이터의 길이에 따라 약 4초에서 8초까지의 시간이 소모되는 것을 확인하였다. 이를 토대로 각 장비에서 데이터가 생성되는 시간과 길이를 토대로 적용할 수 있는 확산인자 기준을 설정할 수 있으며 전력 소모가 낮은 무선 통신 기술을 이용하여 산업현장에 적용할 수 있음을 확인하였다. 향후 개발된 시스템의 통신 거리에 따라 발생되는 데이터 오류율에 대한 실험과 다수의 채널에 의한 데이터 전송 시스템에 대한 연구를 진행할 것이다.
제안하는 시스템은 LPWA를 이용하여 데이터를 장비로부터 서버로 전송하는 시스템으로 LPWA의 단점인 협대역 전송의 단점을 보안하기 위해 BLE(bluetooth low energy)를 이용하여 32 byte의 데이터를 장비로 수신하여 8개의 장비의 데이터를 모아 256 byte의 데이터를 서버로 전송하는 시스템으로 LPWA 1개가 8개 장비의 데이터를 얻은 다음 전송 할 수 있어 LPWA의 대역폭의 효율을 극대화 하고 네트워크 구성을 간소화 할 수 있다.
확산인자가 12일 때는 BLE 패킷이 최대일 경우와 최소일 경우 데이터가 생성되는 시간보다 전송시간이 오래 걸려 사용할 수 없음을 알 수 있으며, 데이터 개수가 적고, 관리하는 노드의 개수가 2개 이하일 때 확산인자가 11로 데이터를 전송할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 실험결과를 토대로 산업현장에서 사용할 수 있는 적정 확산인자는 7 ~ 9 이며, 데이터 길이가 지속적으로 변하여 고려할 수 없는 경우 확산인자를 8로 적용하여 사용할 때 전송데이터 오류를 최소화 하여 사용할 수 있다.

후속연구

이를 토대로 각 장비에서 데이터가 생성되는 시간과 길이를 토대로 적용할 수 있는 확산인자 기준을 설정할 수 있으며 전력 소모가 낮은 무선 통신 기술을 이용하여 산업현장에 적용할 수 있음을 확인하였다. 향후 개발된 시스템의 통신 거리에 따라 발생되는 데이터 오류율에 대한 실험과 다수의 채널에 의한 데이터 전송 시스템에 대한 연구를 진행할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유선 통신을 이용한 네트워크 연결의 문제점은?	현재 가장 많이 사용되고 있는 것은 유선통신을 이용한 네트워크로 통신 거리 및 데이터 용량에 제한이 없으며, 신뢰성이 높은 장점이 존재한다. 하지만 유선 통신을 이용한 네트워크 연결은 장비에 들어가는 선을 더욱 많게 하여 장비의 이동을 힘들게 하며, 장비를 제조하여 판매하는 회사에서는 이러한 네트워크 연결을 위해 새로 판매되는 제품마다 네트워크 환경을 꾸미는 행위를 추가로 해야 하며, 공장의 범위가 넓고 장비의 수가 많을 경우 인터넷 선 연결이 어려워 장비의 빠른 생산 가동이 어려운 문제가 존재한다[4].
	본 논문에서 제안한 LPWA 기반 산업현장의 무선 데이터 전송 시스템이란?	LPWA 기반 산업현장의 무선 데이터 전송 시스템은 각 장비로부터 BLE의 advertising 모드를 통해 전송되는 Beacon Packet에 장비에서 수집된 데이터를 실어 Access Gateway로 전송시키며, 전송된 Access Gateway에서 데이터를 취합하여 서버로 전송시키는 시스템으로 IoT의 각 계층에 대한 아키텍쳐와 산업 현장의 서비스 계층구조를 토대로 시스템 구조를 설계하였으며, 각 해당 기능을 개발하여 구현하였다.
	LPWA 주파수로 921.9 ~ 923.3 MHz를 사용할 때 문제점은?	9 ~ 923.3 MHz이지만 현재 SK Telecom의 LoRaWAN의 전용 주파수로 같은 지역에서 사용할 경우 충돌이 발생할 확률이 높은 단점이 존재한다.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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