[논문]저전력 네트워크 기반의 확장 용이한 스마트 홈 IoT 시스템

이준영; 유성은

doi:10.14372/iemek.2018.13.3.133

저전력 네트워크 기반의 확장 용이한 스마트 홈 IoT 시스템
An Extensible Smart Home IoT System Based on Low-power Networks 원문보기

대한임베디드공학회논문지 = IEMEK Journal of embedded systems and applications, v.13 no.3, 2018년, pp.133 - 141

이준영 (Daegu University) , 유성은 (Daegu University)

Abstract ▼ AI-Helper

There are increasing interests on smart home systems. However, most of the existing works focus on the functionality itself. In this paper, we propose an extensible smart home system based on low power networking such as CoAP, 6LoWPAN, and Zigbee. The proposed home IoT system consists of Home APP, Home Server, Home Broker, and Power Devices. Each component of the system is connected by the low-power network technologies aforementioned. As the end device, Power Device senses the current consumption of the attached appliance and controls the power to it. Power Device reports the sensing data to Home Server via Home Broker. The Home Broker enhances the scalability of the system. Home Broker extends the service area and the user's services, and it manages the connection of the underlying devices and processes, and transmits data to Home Server from Power Devices. Through the experimental evaluation, we show that the proposed system achieves the design goals such as extensibility and low power networking.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

관련 연구에서는 본 논문에 사용한 주요 기술인 CoAP과 6LoWPAN에 대해 기술한다. 그리고 기존 홈 IoT 연구에 대해 설명한다.
따라서 본 논문에서는 저전력을 고려한 네트워크로 구성된 확장 용이한 스마트 홈 IoT 시스템을 제안한다. 제안된 홈 IoT 시스템은 Home APP, Home Server, Home Broker, Power Device로 구성되고 이들은 저전력 네트워크로 연결된다.
제안된 시스템은 Home APP, Home Server, Home Broker, Power Device로 구성되어 있다. 본 논문에서는 Top-Down 방식으로 시스템 설계 및 구성을 기술한다.
본 논문에서는 기존 홈 IoT 시스템 [8]을 저전력 및 확장성 측면에서 보완하였다. 제안된 Home Broker는 기존의 IEEE 802.

가설 설정

예로 Home APP에서 2018년 월별 사용량의 데이터가 필요하면 다음과 같이 리소스를 조합한다. CoAP Server는 주소가 10.0.1.1이고 포트 번호는 5683을 사용한다고 가정한다. Home APP은 사용자가 월별 사용량에 대한 버튼을 클릭하면 Schema가 coap://이고 Home Server의 IP 주소, Path가 data/month, Query를 2018로 하는 coap://10.

제안 방법

기존 스마트 홈 IoT 시스템 [8]의 연구에서는 개방형 하드웨어를 기반으로 한 스마트 홈 아키텍처를 제시한다. 갈릴레오 보드 (Galileo gen1)와 Zigbee 기술을 사용하여 저전력 시스템을 구성하였다. 서버는 디바이스로부터 센서 정보를 수집하고 제어한다.
기존 시스템 [8]에서는 HTTP 통신으로 사용자의 요청을 수행한다. 기존 시스템과 성능을 비교하기 위하여 HTTP 통신과 CoAP 통신의 에너지 효율성을 비교하였다. 에너지 효율성에 직접적인 영향이 있는 패킷과 바이트 수를 측정하기 위하여 네트워크 통계 유틸리티인 IPTraf를 사용하였다.
4가 우수한 성능을 보였다. 다만, 6LoWPAN/IEEE 802.15.4에서 패킷 손실이 발생한 원인을 분석하기 위하여 IEEE 802.15.4 통신의 거리와 Tx_Power를 변경하면서 추가적인 테스트를 진행하였다. 최고 출력인 4dBm에서 두디바이스간 거리가 10cm일 때 손실률이 없었으나 1m의 거리에서 평균 6%의 손실이 발생하였다.
다음으로 Network Interface의 Home Server와 Home Broker 간의 단일 Hop에서의 패킷 전송 딜레이를 분석하였다. 연결에 따른 통신 성능을 비교하기 위해서 ping 어플리케이션을 사용하여 홉 대 홉으로 100개의 패킷을 전송하여 딜레이와 패킷 손실률을 테스트하였다.
디바이스는 Relay를 사용하여 쉽게 가전제품과 연결이 가능한 Plug-in & Play 방식으로 설계되었다.
Home Broker로부터 Message를 통해 특정 Power Device의 Relay를 제어할 수 있다. 또한 각종 전자 제품이 소모하는 전류량을 1초 주기로 측정하고 Home Broker로 전송하는 기능을 수행한다.
Power Device를 통해 받은 값에 대해 처리를 하고 Home Server로 전달한다. 또한 하위의 Power Device에 연결된 Relay의 동작을 제어하는 메시지를 전송하고 상태를 저장하고 주기적으로 연결 상태를 확인하도록 한다. Home Broker는 Power Device와는 Zigbee로 통신을 한다.
제안된 스마트 홈 IoT 시스템에서는 대기 중인 네트워크의 전류 소모도 고려하였다. 라즈베리파이에서 Wi-Fi와 Zigbee 그리고 6LoWPAN의Network Interface 사용 시 대기 전력 소모를 비교하였다. 전류 측정은 오차율은 5% 내외로 50mA에서 5A의 전류를 측정할 수 있는 MV212 Coms USB를 사용하였다.
본 논문에서는 기존 시스템의 확장성을 유지하며 CoAP, 6LoWPAN, Zigbee 통신 기술을 사용하여 저전력 네트워크를 고려한 스마트 홈 IoT 시스템을 설계하였다. 그림 4는 전체 시스템 구성도를 나타낸 것이다.
본 논문에서는 저전력 네트워크 기술인 응용 계층의 CoAP과 WPAN (Wireless Personal Area Network)에서 IPv6를 지원하도록 하는 적응 계층의 6LoWPAN, WPAN 기술인 Zigbee를 사용하여 시스템을 구성한다. Home APP은 기존 HTTP 대신 패킷의 사이즈가 작은 CoAP으로 Home Server에 데이터를 송수신한다.
다음으로 Network Interface의 Home Server와 Home Broker 간의 단일 Hop에서의 패킷 전송 딜레이를 분석하였다. 연결에 따른 통신 성능을 비교하기 위해서 ping 어플리케이션을 사용하여 홉 대 홉으로 100개의 패킷을 전송하여 딜레이와 패킷 손실률을 테스트하였다. 그림 13은 딜레이의 테스트 결과를 나타낸다.
위 문제들을 해결하기 위하여 Open Hardware Platform 기반으로 Plug-in & Play 방식의 Power Device를 설계하였으며 사이트의 중앙관리자인 IoT Gateway로 Power Device를 추가 및 제어할 수 있으므로 높은 확장성을 제공한다.
그리고 기존의 홈 IoT 시스템은 저전력을 고려하지 않은 HTTP를 사용했다는 문제점을 가지고 있었다. 이를 해결하기 위해 HTTP보다 메시지 크기가 작고 저사양 하드웨어에서 전력 효율적인 CoAP을 사용하여 시스템을 구성하였다. Home Broker는 Home Server로의 잦은 센서 값의 전달을 위해 CoAP Observer 기능으로 동작함으로 요청 메시지가 없어도 값을 전달한다.
그림 4는 전체 시스템 구성도를 나타낸 것이다. 제안된 시스템은 Home APP, Home Server, Home Broker, Power Device로 구성되어 있다. 본 논문에서는 Top-Down 방식으로 시스템 설계 및 구성을 기술한다.
따라서 본 논문에서는 저전력을 고려한 네트워크로 구성된 확장 용이한 스마트 홈 IoT 시스템을 제안한다. 제안된 홈 IoT 시스템은 Home APP, Home Server, Home Broker, Power Device로 구성되고 이들은 저전력 네트워크로 연결된다. 스마트 폰에서 동작하는 Home APP은 Power Device를 제어할 수 있고 Home Server에 저장된 각 센서의 전류 값을 그래프로 출력할 수 있다.
에너지 효율성에 직접적인 영향이 있는 패킷과 바이트 수를 측정하기 위하여 네트워크 통계 유틸리티인 IPTraf를 사용하였다. 테스트는 클라이언트에서 동일한 Network Interface로 HTTP과 CoAP으로 센서 값을 서버에 요청한 경우 서버에서 사용된 모든 패킷과 바이트 수를 분석하였다. HTTP의 경우 총 34개의 패킷에 3,602Byte를 사용하였고 CoAP은 단 2개의 패킷에 117Byte를 사용하여 사용자에게 센서 값을 전달하였다.
전류 측정은 오차율은 5% 내외로 50mA에서 5A의 전류를 측정할 수 있는 MV212 Coms USB를 사용하였다. 테스트에서 라즈베리파이의 Network Interface는 ifdown 명령어로 중지하고 XBee 모듈은 연결하지 않은 상태에서 측정하였다.

대상 데이터

IETF에서 2010년 3월에 CoRE 워킹 그룹을 결성하였다. 이후 RFC 7252 [10]를 2014년 6월에 제정하였다.
4 radio를 사용한다 [19]. 또한 Home Broker와 Power Device 간의 통신은 Zigbee 호환 모듈인 XBee S1 모듈이 사용되었다.
IETF에서 2010년 3월에 CoRE 워킹 그룹을 결성하였다. 이후 RFC 7252 [10]를 2014년 6월에 제정하였다. CoAP은 인터넷의 제한된 노드 및 환경에서의 운영을 위한 웹 전송 프로토콜로 M2M(Machine-to-Machine) 애플리케이션을 위해 디자인되었다.
라즈베리파이에서 Wi-Fi와 Zigbee 그리고 6LoWPAN의Network Interface 사용 시 대기 전력 소모를 비교하였다. 전류 측정은 오차율은 5% 내외로 50mA에서 5A의 전류를 측정할 수 있는 MV212 Coms USB를 사용하였다. 테스트에서 라즈베리파이의 Network Interface는 ifdown 명령어로 중지하고 XBee 모듈은 연결하지 않은 상태에서 측정하였다.
제안된 스마트 홈 IoT 시스템에서 Home APP과Home Server, Home Broker간에는 CoAP으로 통신한다. 제안된 시스템은 이클립스 재단에서 관리하는 자바 기반의 오픈 소스 라이브러리인 Californium CoAP 라이브러리 [18]를 사용하여 구현되었다. 그림 10은 Home APP을 구현한 결과이다.

이론/모형

기존 시스템과 성능을 비교하기 위하여 HTTP 통신과 CoAP 통신의 에너지 효율성을 비교하였다. 에너지 효율성에 직접적인 영향이 있는 패킷과 바이트 수를 측정하기 위하여 네트워크 통계 유틸리티인 IPTraf를 사용하였다. 테스트는 클라이언트에서 동일한 Network Interface로 HTTP과 CoAP으로 센서 값을 서버에 요청한 경우 서버에서 사용된 모든 패킷과 바이트 수를 분석하였다.

성능/효과

사용자는 스마트 폰의 Home APP으로 Power Device를 제어할 수 있고 전류 값을 효율적으로 확인할 수 있다. Home APP과 Home Server간에는 CoAP으로 통신한다.
BLE 네트워크에서 사물인터넷 서비스를 위한 CoAP과 6LoWPAN을 구현한 연구에서는 HTTP 통신과 6LoWPAN을 활용한 CoAP의 성능을 분석하였다 [15]. 성능을 분석한 결과는 HTTP보다 CoAP의 처리량이 2배가 상승하였고 평균 전송시간이 21% 감소하였고 패킷 전송량도 22% 적음을 확인하였다. 즉 저사양 하드웨어에서 HTTP에 비해 2배 이상의 높은 효율을 보인다 [16].
Home Broker는 Home Server로의 잦은 센서 값의 전달을 위해 CoAP Observer 기능으로 동작함으로 요청 메시지가 없어도 값을 전달한다. 시스템의 모든 구성 요소들은 저전력 네트워크 기술인 6LoWPAN과 Zigbee를 사용하여 매우 에너지 효율적이다. 추후 연구에서는 전력 소모가 큰 XBee 모듈을 대체할 IEEE 802.
HTTP의 경우 총 34개의 패킷에 3,602Byte를 사용하였고 CoAP은 단 2개의 패킷에 117Byte를 사용하여 사용자에게 센서 값을 전달하였다. 즉, HTTP에 비해 CoAP이 데이터 송수신 시 전송량이 매우 적기 때문에 기존 시스템보다 CoAP을 사용하는 본 시스템이 에너지 효율적임을 알 수 있다.
4에서 4%의 패킷의 손실과 평균 13ms의 딜레이가 발생하였다. 즉, 딜레이 측면에서는 Wi-Fi와 6LowPAN/IEEE 802.15.4가 우수한 성능을 보였다. 다만, 6LoWPAN/IEEE 802.
4 통신의 거리와 Tx_Power를 변경하면서 추가적인 테스트를 진행하였다. 최고 출력인 4dBm에서 두디바이스간 거리가 10cm일 때 손실률이 없었으나 1m의 거리에서 평균 6%의 손실이 발생하였다. 동일한 거리에서 –4dBm 출력에서는 평균 12%의 패킷 손실을 보였다.

후속연구

시스템의 모든 구성 요소들은 저전력 네트워크 기술인 6LoWPAN과 Zigbee를 사용하여 매우 에너지 효율적이다. 추후 연구에서는 전력 소모가 큰 XBee 모듈을 대체할 IEEE 802.15.4 모듈과 저전력 Hardware Platform에서 6LoWPAN을 적용하여 모든 디바이스에서 CoAP을 통한 메시지 교환을 테스트할 예정이다.

참고문헌 (22)

J. Gubbi, R. Buyya, S. Marusic, M. Palaniswami, "Internet of Things (IoT): A Vision, Architectural Elements, and Future Directions," Future Generation Computer Systems, Vol. 29, No. 7, pp. 1645-1660, 2013.

상세보기
M. Kong, H. Chae, B. You, "Trend and prospects of Internet of Things(IoT)," Journal of Korea Design Knowledge, Vol. 56, No. 2, pp. 32-36, 2016 (in Korean).
D.G. Nam, "The Development of Internet of Intelligent Things and Future Service Model," Journal of the Korean Institute of Communication Sciences, Vol. 27, No. 7, pp.3-9, 2010 (in Korean).
https://www.gartner.com/newsroom/id/3598917
T.M. Lee, J.H. Lee, J.H. Yoo, J.H. Wang, S.E. Yoo, "AND-OLSR: Adaptive OLSR Protocol Based on Average Node Distance in Dispersion Falling Mobility Model," under review (in Korean).
S. Min, Y. Oh, "G-eye: Route Guide System Based on Obstacle Map for Blind people," Proceedings of HCI Society of Korea, pp. 703-705, 2017 (in Korean).
S.E. Yoo, A.M. Cheng, P.K. Chong, T.S. Lopez, T.H. Kim, "Technological Advances in Wireless Sensor Networks Enabling Diverse Internet of Things Applications," International Journal of Distributed Sensor Networks, Vol. 14, No. 3, 2018.

상세보기
J.H. Lee, G.I. Park, J.H. Shin, S.E. Yoo, "An Extensible Smart Home IoT System Based on Open Hardware Platforms," IEMEK J. Embed. Sys. Appl., Vol. 11, No. 6, pp. 369-377, 2016 (in Korean).
G. Montenegro, N. Kushalnagar, J. Hui, D. Culler, "Transmission of IPv6 Packets Over IEEE 802.15.4 Networks," No. RFC 4944, 2007.
Z. Shelby, B. Frank, D. Sturek, "Constrained Application Protocol (CoAP)", No. RFC 7252, 2014.
S.K. Ko, S.C. Soon, S.H. Oh, B.T. Lee, "The Latest Standard Technology of IETF CoAP," OSIA Standards & Technology Review, Vol. 28, No. 4, pp. 74-86, 2015 (in Korean).
W.Q. Jin, D.H. Kim. "Implementation and Experiment of CoAP Protocol Based on IoT for Verification of Interoperability," Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol. 14, No. 4, pp. 7-12, 2014 (in Korean).
K.H. Kim, S.W. Yoo, K.M. Kim, C.S. Rim, J.S. Park, "Low-Power Sensor Network (6lowpan) Technology Based on IEEE 802.15.4," Communications of the Korean Institute of Information Scientists and Engineers, Vol. 25, No. 12, pp. 60-65, 2007 (in Korean).
D.S. Moon, G.J. Park, Y.H. Lee, B.K. Lee, E.H. Jeong, "Design and Implementation of Home Network System Based on CoAP/6LoWPAN," Proceedings of Korea Software Congress, pp. 1340-1342, 2017 (in Korean).
C.M. Kim, H.W. Kang, S.I. Choi, S.J. Koh, "Implementation of CoAP/6LoWPAN Over BLE Networks for IoT Services," Journal of Broadcast Engineering, Vol. 21, No. 3, pp. 298-306, 2016 (in Korean).

원문보기 상세보기
S.J. Lee, D.M. Kim, Y.C. Choi, J.G. Hong, J.I. Kim, S.J. Koh, "Analyze the Differences in per Second of Transfer Processing Amount Between the HTTP Protocol and CoAP Protocol", Proceedings of Korean Institute of Information Scientists and Engineers, pp. 1838-1840, 2015 (in Korean).
K. Hartke, "Observing Resources in the Constrained Application Protocol (CoAP)," No. RFC 7641, 2015.
https://github.com/eclipse/californium.
http://openlabs.co/OSHW/Raspberry-Pi-802.15.4-radio
MCU Wireless AT86RF233 Datasheet, Ateml
CYW43143 Datasheet, Cypress
Digi XBee S1 802.15.4 RF Modules datasheet, Digi

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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