[논문]캡스톤디자인으로 구현한 MS Azure 기반 IoT 시스템

최대우; 최문근; 김종우

doi:10.18108/jeer.2019.22.1.55

캡스톤디자인으로 구현한 MS Azure 기반 IoT 시스템
MS Azure based IoT system for a Capstone Design Project 원문보기

공학교육연구 = Journal of engineering education research, v.22 no.1, 2019년, pp.55 - 60

최대우 (동명대학교 공과대학 전자및의용공학부) , 최문근 (동명대학교 공과대학 전자공학과) , 김종우 (동명대학교 공과대학 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with the process and requirements of a capstone design project performed by undergraduate students. We discuss about the preliminary study for the capstone design, the derivation of a subject, the level descriptor of the subject, and the system requirements. And then, we summarize the results of the capstone design project entitled as Microsoft Azure based IoT (Internet of Things) system which is performed by 4 undergraduate students during 10 months. This system is composed of a Zigbee sensor network, the TCP/IP Internet, an IoT server, and a smartphone application program, with which we can gather the sensor data and control actuators at the far away area.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 전자공학 전공 학생들로 구성된 팀의 캡스톤디자인 과제로서 마이크로소프트의 클라우드 서비스인 Azure와 Zigbee 센서망과 스마트폰을 활용하여 IoT 테스트 베드를 구축한 결과에 관한 것이다.
본 연구에서는 캡스톤디자인(종합설계)의 주제로서 4차 산업 혁명 시대의 주요 기술인 IoT (Internet of Things, 사물인터넷)를 선정하고 테스트베드의 구현을 목표로 진행한 과정과 결과에 대하여 기술하였다.

제안 방법

4학년 1학기에 진행되는 종합설계를 위해 동명대학교 전자공학 심화 프로그램에서는 3학년 1학기 말에 학생들의 캡스톤디자인 지도교수를 배정한다. 본 연구팀 학생 4명은 한 학기동안 프로그래밍 스킬 향상, 기술문서작성과 발표력 향상을 위한 교육과 아이디어 창출을 위한 디자인씽킹 훈련을 하고 마이크로소프트의 클라우드 서비스인 Azure를 활용하기 위한 기초교육을 수료하였다.
센서노드는 상용 Zigbee 모듈인 FZ750BC와 아두이노 우노를 이용하여 구성하고 싱크노드는 센서노드에 라즈베리파이3을 이용하여 TCP/IP와 연동 할 수 있도록 하였다. 센서망에서 수집된 데이터는 싱크노드와 TCP/IP 망을 통해 마이크로소프트의 클라우드 서비스인 Azure를 이용하여 구축한 IoT 서버로 전송된다.
센서망은 풀메쉬 토폴로지로 동작이 가능한 Zigbee 망으로 구축하였다. Sensor node에서 수집된 정보는 멀티홉 루팅을 거쳐 sink node로 전송되고 TCP/IP 인터넷을 통하여 IoT server로 전송된다.
사용자는 Azure의 Power BI를 활용하여 수집되고 있는 정보를 실시간으로 그래픽화 하여 관찰할 수 있다. 액츄에이터로는 DC 모터와 모바일 로봇을 사용하고 스마트폰 앱을 이용하여 TCP/IP망과 Zigbee 센서망을 통하여 제어되도록 하였다.

대상 데이터

IoT 테스트 베드는 Zigbee 센서망, TCP/IP 망, IoT 서버 그리고 스마트폰 앱으로 구현되었다. 센서망은 mesh network으로 구축하였는데 이렇게 함으로써 센서망 내에서 자유롭게 움직이는 액츄에이터인 로봇으로 명령을 항상 전송할 수 있게 된다.
5는 Microsoft Azure의 기능을 이용하여 구축한 IoT 서버의 모습이다. 본 연구에서는 클라우드 서비스 중 IoTHub, Stream Analytics, Blob Storage와 Power BI를 사용하였다. 센서노드에서 수집한 정보는 싱크노드를 거쳐서 IoTHub를 통해 클라우드 서버에 접속되며 Stream Analytics를 경유해 Storage에 저장되거나 Power BI를 통해서 실시간 그래픽으로 변환할 수 있다.
Sensor node에는 온습도 센서를 기본으로 장착하였다. 액츄에이터로는 DC 모터와 모바일 로봇을 사용하였으며 액츄에이터에는 sensor 노드를 탑재하여 Zigbee를 통해 명령을 수신할 수 있도록 하였다. Sink node에는 TCP/IP 망과의 통신을 위하여 라즈베리파이3을 사용하였다.

성능/효과

캡스톤디자인 과제의 난이도에 대하여 공학교육인증에서 요구하는 공학문제수준설명에 따라 검토한 결과 충분히 만족하고 있음을 보였다. 또한 종합설계 과제로서의 요건인 현실적 제한조건도 만족하고 있음을 검토하였다.
센서노드의 온·습도를 인위적으로 변하게 하여 변화된 값이 실시간으로 수집되고 있음을 확인하였다.
캡스톤디자인 과제의 난이도에 대하여 공학교육인증에서 요구하는 공학문제수준설명에 따라 검토한 결과 충분히 만족하고 있음을 보였다. 또한 종합설계 과제로서의 요건인 현실적 제한조건도 만족하고 있음을 검토하였다.

후속연구

본 연구의 결과는 임의장소의 정보를 수집하고 처리한 후 언제 어디에서나 인터넷 연결이 되면 데이터를 확인하고 스마트폰으로 원격지의 각종 액츄에이터를 실시간으로 제어하는 응용서비스에 적용할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	설계구성요소에는 무엇이 있는가?	동명대학교 설계교과목 운영지침에서는 설계구성요소로서 설계목표, 분석, 합성, 제작, 시험, 평가와 현실적 제한조건으로서 산업표준, 경제성, 윤리성, 안정성, 신뢰성을 종합적으로 다루도록 요구하고 있다(동명대, 2015).
	개방형 문제(Open ended problem)란 무엇인가?	종합설계의 경우 공학문제 수준설명(EAC Level Descriptor)에 부합함을 입증토록 하고 있는데 종합설계에 적합한 문제는 공학기초지식과 전공지식의 개념과 원리에 대한 이해를 바탕으로 하는 높은 수준의 개방형 문제(Open ended problem)로서 복합적, 독창적 사고를 요하고 다양한 관점과 접근방식에 따라 다수의 해가 존재하며 다양한 현실적 제한조건과 요구들을 고려해야 하는 것이다(판정가이드, 2018).
	시각적사고로 문제를 해결해 나가는 과정인 디자인씽킹의 구성요소는 무엇인가?	디자인씽킹은 시각적사고로 문제를 해결해 나가는 과정으로서 직관과 상호작용을 통해 개별적 요소의 관계성을 도출하고 그 요소들을 시공간속에 역동성있게 형태화 한다(곤노노보루 2015). 현재 스탠포드대학의 디장인씽킹 모델이 가장 널리 쓰이고 있으며 이 모델은 공감(Empathize), 문제정의(Define), 아이디어발상(Ideate), 프로토타이프(Prototype) 그리고 테스트(Test)의 5개 과정으로 구성된다(송동주 2017). Fig.

참고문헌 (7)

ABEEK, 한국공학교육인증원. www.abeek.or.kr
공인원(2018). 공학교육인증기준 2015 (KEC2015, ABEEK-2014-ABE-010).
판정가이드(2018). 2018적용 KEC2015 판정가이드, 한국공학 교육인증원, 2018.
동명대(2015). 공학교육심화프로그램 설계교과목 운영지침. 동명대학교 공학교육혁신센터.
곤노노보루.노경아 (2015). 디자인씽킹, 아르고나인미디어그룹
송동주 (2017). 디자인싱킹, 영남대학교출판부.
최문근.김종우.홍제성.정수진.최대우(2018). 마이크로소프트 Azure를 이용한 IoT 시스템 구축. 제8회 2018 ICT융합기술.서비스 학술대회 논문집, 8(1), 91-93.

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