선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 장에서는 2018년 02월 01일 전라남도 목포시 목포해양대학교에서 수행되었던 부이 LoRa 통신거리 및 단위 기능 시험에 대한 세부 내용을 기술함으로써 본 논문에서 설계하고 제작한 LoRa 기반 어구 자동식별 장치가 해양수산부가 실행하고자 하는 전자어구실명제의 기술적 솔루션임을 증명하도록 한다.
- 이에 본 논문에서는 어구의 위치 및 유실 여부를 판단할 수 있는 부이(buoy) 장착 단말 장치와 어선에 설치되어 이들 단말과 통신하고 관제 센터로 정보를 전송할 수 있는 게이트웨이를 LoRa 기반으로 설계 제작한 결과와 실험 결과를 보여 전자어구실명제를 실행할 수 있는 기술적 방법을 제안하고자 한다.
제안 방법
- LoRa 통신거리 시험은 그림 8에서 보는 바와 같이 목포해양대학교가 보이는 달리도의 선착장인근에서 수행되었다. 측정 위치에 도착한 후 게이트웨이와 부이를 동작시켜 게이트웨이와의 통신 여부를 확인하였다.
- 게이트웨이는 200대 이상의 부이를 관찰하기 위하여 4채널 방식의 구조로 개발하고, 국내 무선설비규칙 제 30조에 준하여 제작하였고, 소유자의 어구식별 부이 신호만을 검출하는 기능과 어구식별 부이에서 송출하는 정보를 모두 검출하는 기능 등이 구현되도록 그림 6과 같이 제작하였다.
- 그림 7은 1대의 게이트웨이가 200대의 부이와 통신할 수 있는 MAC 프레임 구조를 나타낸 것으로, 국내 전파법 상의 LBT (listen before talk) 방식을 기반으로 구성하였고, 게이트웨이에서 송신되는 frame control slot 을 기반으로 TDD star network을 형성하고, PHY header 필드에 각 data slot의 SF가 설정(네트워크 상태에 따른 data rate 가변)되도록 하였고, SE-alloc 필드에 서는 상향/하향 링크가 가변되도록 설계하였다.
- 또한 LoRa 통신 모듈과 GPS 모듈을 하나의 하드웨어에, 마그네틱 센서를 이용한 어구 유실 여부 판단 모듈을 다른 하드웨어로 구성하여 복층으로 제작하였다.
- 부이 시료의 높이와 시험 거리를 바탕으로 예측치와 실제 측정값과의 차이를 비교 분석하였다. 즉 시험에서 측정거리에 따른 link budget을 계산한 값과 실제 측정한 값을 비교하여 정량적 목표인 10 km에서의 통신 가능성에 대해서 검토하였다.
- 부이의 어구 식별 센서의 단위 기능을 확인하기 위해 1 kg과 500 g의 추를 단 부이 1 ~ 2의 어구 식별 데이터 수신 값을 확인하였다. 실험 결과, 무게 추 500 g을 단 부이는 '0' 값을 전송하였으며, 무게 추 1 kg을 단 부이는 '1을' 값을 전송하는 것을 확인하였다.
- 어선용 게이트웨이나 부이 내장 IoT 모듈 개발에 있어 현재 가격 대 성능비가 비교적 우수한 SEMTECH사의 SX1276 LoRa chip을 대상으로 전자 어구 식별 서비 스를 위한 주파수 대역과 채널 할당 방식을 설계하였다. SEMTECH사가 제공하는 data sheet를 살펴보면 SX1276가 사용할 수 있는 주파수 대역은 137-1,020 MHz이고 대역폭은 125 kHz이다.
- 부이 시료의 높이와 시험 거리를 바탕으로 예측치와 실제 측정값과의 차이를 비교 분석하였다. 즉 시험에서 측정거리에 따른 link budget을 계산한 값과 실제 측정한 값을 비교하여 정량적 목표인 10 km에서의 통신 가능성에 대해서 검토하였다.
- LoRa 통신거리 시험은 그림 8에서 보는 바와 같이 목포해양대학교가 보이는 달리도의 선착장인근에서 수행되었다. 측정 위치에 도착한 후 게이트웨이와 부이를 동작시켜 게이트웨이와의 통신 여부를 확인하였다.
- 통신거리 시험을 육상과 해상으로 나누어 수행하였다. 육상 통신거리 시험 결과, 지상에 있는 게이트웨이와 약 3.
대상 데이터
- 게이트웨이는 목포해양대학교의 대학본부 옥상에 설치를 하였으며, RS232 케이블을 통해 5층 로비의 노트북과 연결하여 데이터 수신을 확인하였다. GUI의 ListView 기능을 통해 수신된 데이터를 표시하였고, 최신 데이터를 맨 위로 올라오며, 접속된 부이만 ListView에 표시되도록 관리하였다.
- 원활한 통신을 위해 지상으로부터 최대한 높은 위치에 설치하였으며, 게이트웨이와 PC는 RS232를 이용하여 데이터 통신을 하도록 구성하였다. 시험에 사용된 어구식별 부이 모듈은 총 4대로, 모듈에 각각 TNI00001 ~ TNI00004의 식별 ID를 부여하였다.
- 즉 어구 식별 부이와 통신할 게이트웨이 및 PC는 전라남도 목포시 목포해양대학교 “대학본관” 옥상에 설치되었다. 원활한 통신을 위해 지상으로부터 최대한 높은 위치에 설치하였으며, 게이트웨이와 PC는 RS232를 이용하여 데이터 통신을 하도록 구성하였다. 시험에 사용된 어구식별 부이 모듈은 총 4대로, 모듈에 각각 TNI00001 ~ TNI00004의 식별 ID를 부여하였다.
- 즉 어구 식별 부이와 통신할 게이트웨이 및 PC는 전라남도 목포시 목포해양대학교 “대학본관” 옥상에 설치되었다.
데이터처리
- 그림 9는 link budget을 계산하기 위하여 필요한 변수들을 나타낸 것이며, 표 1은 시험에 사용된 게이트웨이와 단말의 사양을 정리한 것이다. 그리고 표 2에 3.6 km에서의 이론적 계산 값과 결과 값을 비교하였으며, 정량적 목표인 10 km에서의 이론적인 link budget을 계산하였다. 표 2에서 거리는 부이와 게이트웨이 사이의 직선 거리이며, 높이는 이 두 장치 간의 안테나 높이 차이를 의미한다.
성능/효과
- 3.6 km에서의 시험 결과를 보면 단말의 높이에 따른 이론적 계산과 측정값이 거의 일치함을 알 수 있다. 본과제에서의 목표인 10 km에서의 link budget에 따른 수신신호가 이론적으로 -127 dBm이며, 현재 제작된 부이의 최저수신감도(MDS)는 -132 dBm임을 감안하면 10 km 통신에도 문제가 없을 것으로 판단한다.
- 우선, 제안한 ISM 대역의 주파수를 5개 채널로 할당하고 이를 바탕으로 1:N 통신이 가능하도록 설계한 MAC 기술에 의해 최대 1:200 통신이 기술적으로 큰 문제없이 가능함을 확인하였다. 또한 시험을 통해 비록 시험 환경이 부이와 게이트웨이 간 거리가 3.6 km로 제한은 되어 있었지만 측정값과 이론값의 비교를 통해 전자어구실명제를 유효하게 운용할 수 있는 거리인 10 km에서도 큰 장애 없이 통신이 가능함을 확인하였다.
- 본 논문에서는 어구 자동식별 시스템 구축에 필요한 어구 장착 단말과 어선용 게이트웨이 장치를 900 MHz 주파수 대역을 사용하는 LoRa 기반으로 설계하고 제작한 결과를 확인하였고, 제안한 기술과 장치들이 본 연구의 목적인 해양수산부가 실행하고자 하는 전자어구실명제의 기술적 솔루션임을 시험을 통해 증명하였다.
- 6 km에서의 시험 결과를 보면 단말의 높이에 따른 이론적 계산과 측정값이 거의 일치함을 알 수 있다. 본과제에서의 목표인 10 km에서의 link budget에 따른 수신신호가 이론적으로 -127 dBm이며, 현재 제작된 부이의 최저수신감도(MDS)는 -132 dBm임을 감안하면 10 km 통신에도 문제가 없을 것으로 판단한다.
- 실험 결과, 무게 추 500 g을 단 부이는 '0' 값을 전송하였으며, 무게 추 1 kg을 단 부이는 '1을' 값을 전송하는 것을 확인하였다.
- 우선, 제안한 ISM 대역의 주파수를 5개 채널로 할당하고 이를 바탕으로 1:N 통신이 가능하도록 설계한 MAC 기술에 의해 최대 1:200 통신이 기술적으로 큰 문제없이 가능함을 확인하였다. 또한 시험을 통해 비록 시험 환경이 부이와 게이트웨이 간 거리가 3.
- 통신거리 시험을 육상과 해상으로 나누어 수행하였다. 육상 통신거리 시험 결과, 지상에 있는 게이트웨이와 약 3.6 km 거리의 육지에서 1 ~ 3번 부이 모듈이 정상적으로 통신하는 것을 확인하였으며, 측정된 부이의 신호 수신 세기는 -95 ~ -105 dBm로 측정되었다.
- 해상 통신거리 시험 결과, 해상에 있는 게이트웨이와 약 3.6 km 거리의 해상에서 1 ~ 2번 부이 모듈이 정상적으로 통신하는 것을 확인하였으며, 측정된 부이의 신호 수신 세기는 -98 ~ -119 dBm로 측정되었다.
후속연구
- 따라서 본 논문을 통해 제안한 기술과 장치들이 LoRa 기반의 어구 장동식별 기술 외에 일반적인 해상 IoT 통신 시스템과 인명 구조 등의 해상 안전 시스템 분야 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대한다.
- 어구 식별 센서의 단위 기능은 '0' 또는 '1'의 값이 어구에 달린 무게 추에 따라 각각 들어옴을 확인함으로써 정상 수행동작이 되는 것을 확인할 수 있으며, 향후 데이터 분석을 위해 저장하는 기능을 추가적으로 삽입함으로써 어구 식별 알고리즘의 밑바탕으로 사용해야 할 것이다.
- 통신거리 시험을 육상과 해상으로 나누어 수행하였다. 육상 통신거리 시험 결과, 지상에 있는 게이트웨이와 통신거리 및 단위 기능 시험 결과, 통신 거리 시험은 3.6 km 지점에서 수신 전력이 120 dBm 이내로 들어옴에 따라 3.6 km 이상의 거리에서도 원활하게 통신이 가능할 것으로 판단되며, 향후 5 km, 8 km, 10 km 지점 등점차 거리를 늘리는 시험을 진행해야 한다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.