[논문]노지 관수를 위한 로라 기반 환경 모니터링 시스템 구현

김병순

doi:10.7472/jksii.2019.20.1.11

노지 관수를 위한 로라 기반 환경 모니터링 시스템 구현
Implementation of an Environmental Monitoring System based on LoRa for Smart Field Irrigation 원문보기

Journal of Internet Computing and Services = 인터넷정보학회논문지, v.20 no.1, 2019년, pp.11 - 16

김병순 (Dept. of Computer Education, Andong National Univ.)

초록
AI-Helper

노지 정밀농업에서 작물의 생육환경 측정을 위한 무선 센서 네트워크 기술이 중요시되고 있지만 무선 신호는 다양한 전파장애 요인들에 의해 통신 장애가 발생할 수 있다. 이 논문은 노지 관수를 위해 로라 기반 환경 모니터링과 일기예보 정보수집 시스템을 설계 및 구현하고 이를 테스트베드에 적용하였다. 그리고 장애물이 있는 환경과 장애물이 없는 환경, 비 오는 날과 비 오지 않은 날 각각에 대하여 사설 로라 네트워크의 패킷 손실률을 비교 분석하였으며, 장애물이 있는 로라 네트워크는 강우량이 많은 날은 패킷손실에 민감함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Wireless sensor network is important for precision farming to monitor the growth environment of crops in open field, but radio signals are susceptible to different types of interference such as weather and physical objects. This paper designs and implements an environmental monitoring and weather forecast acquisition systems for smart field irrigation based on LoRa(Long Range) and then applies it to a test bed. And we evaluate the network reliability in terms of packet transmission success rate by comparing its condition on two criteria; the existence of obstacle or rain. The results show that much rain falls can affect on packet loss in LoRa field networks with obstacles.

주제어

표/그림 (10)

그림 (Figure 1) Environmental monitoring system architecture based on LoRa (그림 1) 로라 기반의 환경 모니터링 시스템 구조
그림 (Figure 2) Packet format. (a) Sensor Node, (b)Gateway Node (그림 2) 패킷 형식. (a) 센서 노드, (b) 게이트웨이 노드
그림 (Figure 3) Sensor node based on LoRa. (a) blockdiagram, (b) prototype (그림 3) 로라 기반 센서 노드. (a) 블록다이어그램, (b) 프로토타입
그림 (Figure 4) A LoRa gateway prototype (그림 4) 로라 게이트웨이 노드의 프로토타입
표 (Table 1) LoRa module’s Configuration (표 1) 로라 모듈 설정값
그림 (Figure 5) Testbed place. (a) Andong University,(b) an apple orchard at Gilahn (그림 5) 테스트베드 지역. (a) 안동대학교, (b) 길안의 사과과수원
그림 (Figure 6) Telemetry data. (a) from sensor node, (b) from 3 days forecast (그림 6) 수집된 데이터. (a) 센서 노드, (b) 3일 예보
그림 (Figure 7) Data visualization. (a) Sensor node at Andong university, (b) Sensor node 1 at an apple orchardin Gilahn, (c) Sensor node 2 at an apple orchard in Gilahn (그림 7) 시각화된 데이터. (a) 안동대학교 내의 센서 노드, (b) 길안소재 사과 과수원의 센서 노드1, (c) 길안소재 사과 과수원의센서 노드2
그림 (Figure 8) Rain falls. (a) Andong University, (b)Gilahn (그림 8) 날짜별 강수량. (a) 안동대학교, (b) 길안
표 (Table 2) Network reliability evaluation (표 2) 네트워크 신뢰성 평가

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 노지 농업의 환경적 특성을 반영한 자율 관수 시스템을 위해 로라 기반 환경 모니터링과 일기예보 수집 시스템의 구현에 목적을 둔다. 이를 위해 네트워크 및 응용 서버 없이 로라 사설 네트워크를 설계 및 구현하고 이를 테스트베드에 적용하여 장애물과 강우에 따른 사설 로라 네트워크의 신뢰성을 비교 분석한다.
본 연구에서 자율 관수 시스템을 위한 로라 기반 환경데이터 수집과 일기예보 정보를 수집하는 시스템을 설계 및 구현하였다. 로라 기반 센서 노드와 게이트웨이 노드, 일기예보 수집 모듈, 노드 사이의 패킷 형식, 게이트웨이 노드와 서버 간의 프로토콜 등에 관하여 서술하였으며, 구현한 시스템을 두 지역의 테스트베드에 적용하여 노지에서의 로라 네트워크의 신뢰성을 비교 분석하였다.

제안 방법

그림 4는 게이트웨이 노드의 프로토타입을 나타낸 것으로 라즈베리 파이 3과 공개 소스인 RadioHead를 이용하여 원시 센서 데이터를 JSON 형태로 변환하는 기능과 MQTT(Message Queuing Telemetry Transport) 방식으로 클라우드 서버와 메시지를 송수신할 수 있는 게이트웨이를 구현하였다. 따라서 센서 노드와 게이트웨이 노드의 로라 모듈은 같은 주파수를 사용하도록 설정해야 한다.
안동대학교 내에 설치한 네트워크는 한 개의 토양 수분 센서를 갖는 한 개의 센서 노드로 구성되고, 센서 노드와 게이트웨이 노드 사이는 장애물이 거의 없으며 거리는 약 110m 떨어져 있고 게이트웨이 노드는 유선 네트워크를 이용하여 인터넷에 연결하였다. 두 번째 네트워크는 길안면의 사과 과수원에 두 개의 토양 수분 센서를 각각 가진 두 개의 센서 노드로 구성하였다. 또한, 센서 노드와 게이트웨이 노드 사이에 장애물인 사과나무들이 많지만, 거리는 약 40m 이내로 비교적 거리가 짧은 편이다.
로라 기반 센서 노드와 게이트웨이 노드, 일기예보 수집 모듈, 노드 사이의 패킷 형식, 게이트웨이 노드와 서버 간의 프로토콜 등에 관하여 서술하였으며, 구현한 시스템을 두 지역의 테스트베드에 적용하여 노지에서의 로라 네트워크의 신뢰성을 비교 분석하였다.
사설 무선 네트워크 구간에서 네트워크의 신뢰성을 분석하기 위해 게이트웨이 노드가 수신한 패킷들을 분석하였다.
노지 자율 관수를 위한 환경 모니터링 시스템 구조는 그림 1과 같이 3계층으로 구성하였다. 센서 노드와 게이트웨이 노드 구간은 로라 물리 층을 이용하여 사설 네트워크로 구성하고, 오직 게이트웨이 노드만 인터넷에 접속할 수 있는 셀룰러 네트워크를 사용하였다.
본 논문은 노지 농업의 환경적 특성을 반영한 자율 관수 시스템을 위해 로라 기반 환경 모니터링과 일기예보 수집 시스템의 구현에 목적을 둔다. 이를 위해 네트워크 및 응용 서버 없이 로라 사설 네트워크를 설계 및 구현하고 이를 테스트베드에 적용하여 장애물과 강우에 따른 사설 로라 네트워크의 신뢰성을 비교 분석한다.
이재권[1]은 WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 기술을 이용한 무선 센서 네트워크를 이용하여 환경 데이터를 수집하도록 설계하였고, 김두한[2]은 게이 트웨이 노드가 2.4GHz 지그비를 이용하여 센서 노드로부터 환경 데이터를 수집하고 3세대 셀룰러 망을 이용하여 데이터 수집 서버로 데이터를 전송하는 구조를 사용하였다. Nooriman[3]은 망고 과수원에서 2.
줄이기 위해 아두이노 보드의 전원 표시 LED 제거, 로라 모듈의 무선 전송 없을 시 수면 상태 사용, 센서 노드에 대한 수면 상태를 구현함으로써 센서값을 측정할 때만 센서에 전원을 공급하도록 하였다.
클라우드 서버는 공개 소스 플랫폼인 Thingsboard.io 사물 인터넷 플랫폼을 이용하여 데비안 리눅스 시스템상에 구축하였다.
토양 수분함량을 주기적으로 측정하기 위해 센서 노드에 Decagon의 GS-1 토양 수분 센서를 부착하여 경북 안동시 소재에 두 개의 로라 네트워크를 구축하였다. 안동대학교 내에 설치한 네트워크는 한 개의 토양 수분 센서를 갖는 한 개의 센서 노드로 구성되고, 센서 노드와 게이트웨이 노드 사이는 장애물이 거의 없으며 거리는 약 110m 떨어져 있고 게이트웨이 노드는 유선 네트워크를 이용하여 인터넷에 연결하였다.

대상 데이터

그림 3은 센서 노드의 블록다이어그램과 프로토타입을 각각 나타낸 것이다. 쉽게 구현할 수 있는 아두이노프로 미니 모델로서 전력 소모량이 적은 Atmega 328, 8MHz 마이크로 컨트롤러를 채택하고 전원은 1.5V 배터리 3~4개를 사용하였으며, Dragino사의 LoRa BEE v1.0 RFM95W 모듈은 최대 거리를 지원할 수 있도록 표 1과 같이 설정하였다. 그리고 센서 노드의 배터리 소모량을

이론/모형

그림 2는 센서 노드와 게이트웨이 노드의 전송 패킷형식을 나타낸 것이다. 센서 노드는 전송 패킷의 크기를 줄이기 위해 각 필드를 콤마로 분리한 형식을 사용하고, 게이트웨이 노드는 센서 데이터를 클라우드 서버로 전송하기 위해 JSON(JavaScript Object Notation) 형태로 변환된 형식을 사용한다. 센서 노드의 패킷은 ‘H’로 시작하고, 펌웨어 관리를 위한 펌웨어 버전, 송신 센서 노드의 주소, 배터리 교체 시기를 알려주기 위한 마이크로 컨트롤러의 현재 전압, 환경을 측정하기 위한 다수의 센서 이름과 센서값 등으로 구성된다.

성능/효과

장애물이 없는 지역의 패킷 손실률은 거의 무시할 정도지만 장애물이 있는 지역의 패킷 손실률은 다소 높게 나타났다. 그리고 사과 과수원의 두 센서 노드는 장애물이 없는 네트워크보다 게이트웨이와의 거리가 훨씬 짧았음에도 불구하고 패킷 손실률은 4% 정도 더 높이 나타났다. 그리고 장애물이 있는 환경에서 패킷 손실이 특정한 날짜에 많이 발생했음을 알 수 있다.
분석한 데이터 집합이 작은 한계점이 있지만, 장애물이 없는 환경에서는 강우에 따른 무선 장애의 영향이 미미하였으나, 장애물이 있는 환경에서는 강우에 따른 무선 장애가 더 많이 발생함을 알 수 있었다.
장애물이 거의 없는 환경에서의 로라 기반의 무선 네트워크는 강수량이 많은 날에도 불구하고 패킷 전송 성공률이 99% 이상으로 네트워크 신뢰성이 높았다. 하지만 짧은 네트워크 거리이지만 장애물이 있는 환경에서 비가 오지 않는 날에는 패킷 전송 성공률이 99% 이상으로 높았지만, 강수량이 많은 날의 패킷 전송 성공률이 25~35% 정도밖에 안 될 정도로 강수량에 많은 영향이 있었음을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	노지 정밀농업에서의 중요성과 문제점은 무엇인가?	노지 정밀농업에서 작물의 생육환경 측정을 위한 무선 센서 네트워크 기술이 중요시되고 있지만 무선 신호는 다양한 전파장애 요인들에 의해 통신 장애가 발생할 수 있다. 이 논문은 노지 관수를 위해 로라 기반 환경 모니터링과 일기예보 정보수집 시스템을 설계 및 구현하고 이를 테스트베드에 적용하였다.
	정보통신기술에서 스마트 팜 기술이 어떤 방향으로 발전하고 있는가?	정보통신기술이 발전하면서 작물의 수확량 증대, 품질 향상, 노동력 절감을 위해 정보통신기술이 농업에 적용되었으며, 초기의 스마트 팜 기술은 생육환경 수집에 초점을 맞추었으나 기술이 발전하면서 지금은 사물 인터넷, 빅데이터, 인공지능, 클라우드 기술을 적용한 지능형 자율 시스템 기술로 발전하고 있다.
	스마트 팜에서 무선 센서 네트워크는 무슨 역할을 하고 있는가?	무선 센서 네트워크는 서로 무선으로 연결된 센서 노드들이 수집한 데이터를 하나의 데이터 수집 노드로 전송하기 위한 기술이다. 이것은 스마트 팜을 위해 작물의 생육 환경인 온도, 습도, 토양 수분 등 다양한 환경 데이터를 수집할 목적으로 활용된다. 그리고 무선 액츄에이터 네트워크는 자율 시스템을 위한 장치들을 제어하기 위한 목적으로 활용된다.

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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