[논문]대규모 센서 네트워크에서 센서 데이터 수집을 위한 효율적인 통신 시스템 설계 및 구현

장시웅; 김지성

doi:10.6109/jkiice.2020.24.1.113

대규모 센서 네트워크에서 센서 데이터 수집을 위한 효율적인 통신 시스템 설계 및 구현
Design and Implementation of an Efficient Communication System for Collecting Sensor Data in Large Scale Sensors Networks 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.24 no.1, 2020년, pp.113 - 119

장시웅 (Department of Computer Engineering, Dong-Eui University) , 김지성 (Department of Computer Science, Dong-Eui University)

초록
AI-Helper

대규모 센서 네트워크에서는 많은 수의 센서로부터 데이터를 수집하고 분석해야 한다. 마이크로 컨트롤러 마다 제어할 수 있는 센서의 수가 제한되어 있는데, 본 논문에서는 많은 수의 센서들을 다수의 마이크로 컨트롤러와 다수의 브릿지 노드를 두어 통신하는 방법을 제시하고, 센서 데이터 수집을 위한 효율적인 통신 시스템을 설계하고 구현하였다. 브릿지 노드는 SPI 통신을 이용하여 여러 마이크로 컨트롤러의 데이터를 종합하고, 종합한 데이터는 무선 TCP/IP 통신을 이용하여 PC서버로 전달하여 센서 데이터를 종합한다. 본 논문에서는 Open H/W인 아두이노 Mini와 ESP8266을 사용하여 통신 시스템을 구성하고 성능을 분석하였다. 성능분석 결과, 700개 이상의 센서로부터 초당 30회 이상의 센싱 데이터를 수집할 수 있다는 결과를 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Large sensor networks require the collection and analysis of data from a large number of sensors. The number of sensors that can be controlled per micro controller is limited. In this paper, we propose how to aggregate sensor data from a large number of sensors using a large number of microcontrollers and multiple bridge nodes, and design and implement an efficient communication system for sensor data collection. Bridge nodes aggregate data from multiple microcontrollers using SPI communication, and transfer the aggregated data to PC servers using wireless TCP/IP communication. In this paper, the communication system was constructed using the Open H/W Aduo Mini and ESP8266 and performance of the system was analyzed. The performance analysis results showed that more than 30 sensing data can be collected per second from more than 700 sensors.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1 Serial Peripheral Interface Bus
그림 Fig. 2 communication stucture diagram
그림 Fig. 3 Server Algorithm
그림 Fig. 4 Control Thread Algorithm of Server
그림 Fig. 5 SPI Master Algorithm
그림 Fig. 6 SPI Slave Algorithm
표 Table. 1 Communication Structure
표 Table. 2 system specification for performance evaluation
그림 Fig. 7 Average Response Time according to Arrival Time
표 Table. 3 The Number of Total Sensors according to System Configuration

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서, 본 논문에서는 대규모 센서들로부터 데이터를 효율적으로 수집하기 위한 시스템 구성과 통신 구조를 제안하고, 통신구조에 따른 시스템의 성능을 분석한다. 여러 개의 마이크로 컨트롤러를 사용하게 되면 여기서 나오는 센서 데이터를 효과적으로 종합하는 방법이 중요한데, 그 방법으로 SPI 통신이 있다.
본 논문에서는 대규모 다중센서 환경에서 많은 수의 센서로부터 데이터를 수집하고 분석하기 위한 통신 시스템을 구성하고, 노드 구성에 따른 성능을 분석하였다. SPI Master 개수 및 SPI Master에 연결된 SPI Slave들의 개수가 데이터 요청 시간 간격에 따른 평균 반응 시간에 영향을 주었으며, SPI Master의 개수가 적어질수록 응답시간은 빨라졌지만, SPI Master의 수가 적고, 하나의 SPI Master에 연결된 SPI Slave들의 수가 많아지면 SPI 통신에 병목현상이 일어나는 것을 볼 수 있었다.

제안 방법

구성하였다. SPI Master의 개수와 SPI Slave의 개수가 성능에 어떠한 영향을 끼치는지 확인하기 위해 각 실험마다 SPI Master 의 개수를 다르게 구성하였으며, 총 센서의 개수는 같게 구성하였다. 4가지 통신구조는 표 1과 같다.
마이크로컨트롤러와 브릿지 노드 사이의 통신을 위해 SPI 통신을 사용하였고, 브릿지노드와 서버와의 통신을 위하여는 무선 TCP/IP 통신을 사용하였으며, 노드 구성에 따른 성능을 분석하였다. 본 논문의 2장에서는 대규모 센서 네트워크 관련 연구들에 대해 살펴보고, 3장에서는 센서 데이터를 수집하기 위한 통신 시스템을 설계하고 4장에서는 통신구조에 따른 성능을 분석하고 5장에서는 결론을 맺는다.
본 논문에서는 대규모 센서들로부터 데이터를 수집하기 위한 통신 시스템을 마이크로 컨트롤러, 브릿지노드, PC 서버를 이용하여 구성한다. 마이크로 컨트롤러로는 아두이노 Mini를 사용하고, 브릿지 노드로는 Node MCU를 사용한다.
본 논문에서는 대규모의 센서로부터 데이터를 수집하기 위해 마이크로 컨트롤러, 브릿지 노드, PC 서버를를 사용하여 통신시스템을 설계하고 구현하였다. 마이크로컨트롤러와 브릿지 노드 사이의 통신을 위해 SPI 통신을 사용하였고, 브릿지노드와 서버와의 통신을 위하여는 무선 TCP/IP 통신을 사용하였으며, 노드 구성에 따른 성능을 분석하였다.
혼잡제어에 관한 연구[2]에서는 대규모 무선 센서 네트워크에서 불균일하게 분포되어 있는 센서노드들의 혼잡을 제어하기 위한 트래픽을 고려한 혼잡 제어기법을 제안하였고, [4]에서는 무선 네트워크 환경에서 센싱 데이터의 보안을 위해 다중경로 라우팅 보안 기법을 제시하였으나, 센싱 데이터의 효율적 수집을 위한 노드 구성 방법을 제시하지는 않았다. 본 연구에서는 대규모 센서로부터 데이터를 수집하기 위해 다수의 마이크로 컨트롤러를 사용하며, 다수의 마이크로컨트롤러의 데이터를 서버로 전송하기 위한 브릿지 노드를 사용한다. 브릿지 노드가 다수의 마이크로컨트롤러에서 데이터를 수집하기 위해 SPI통신을 사용한다.
성능분석을 위해 지정한 시간(ms)마다 메인 스레드를 Start시켜 원하는 주기(4ms, 6ms, 8ms, 10ms, 12ms, 14ms, 16ms)로 총 1000번의 Request를 SPI Master에 요청하도록 하였다. 여러 개의 SPI Master에 동시에 Request하고 모든 데이터가 도착할 때까지의 반응시간을 측정하는 방법으로 진행하였다.
센서의 데이터를 직접 Read하는 마이크로 컨트롤러는 센서의 데이터를 Read하여 SPI Master에게 SPI 통신으로 데이터를 전송하는 방식으로 설계하였다. SPI Slave의 동작은 그림 6과 같다.
하였다. 여러 개의 SPI Master에 동시에 Request하고 모든 데이터가 도착할 때까지의 반응시간을 측정하는 방법으로 진행하였다. 또한 서버는 다중 스레드로 진행이 가능하지만, 마이크로 컨트롤러(아두이노) 환경에서는 다중 스레드를 지원하지 않으므로 하나의 클라이언트에는 하나의 스레드만 접근할 수 있도록 제한하였다.

대상 데이터

센서 데이터의 요구 시간 간격이 4ms이하에도 평균 반응시간은 4ms이하로 유지되어 최적의 성능을 나타나는 것으로 분석되었다. SPI Slave로 사용된 아두이노 Mini의 경우 Serial Port가 8개이므로 12개의 SPI Slave를 통하여 수집할 수 있는 데이터는 96 개의 센서 데이터가 된다.
PC 서버를 이용하여 구성한다. 마이크로 컨트롤러로는 아두이노 Mini를 사용하고, 브릿지 노드로는 Node MCU를 사용한다. 아두이노 Mini와 Node MCU 사이의 통신은 SPI 프로토콜을 사용한다.

이론/모형

본 연구에서는 대규모 센서로부터 데이터를 수집하기 위해 다수의 마이크로 컨트롤러를 사용하며, 다수의 마이크로컨트롤러의 데이터를 서버로 전송하기 위한 브릿지 노드를 사용한다. 브릿지 노드가 다수의 마이크로컨트롤러에서 데이터를 수집하기 위해 SPI통신을 사용한다.

성능/효과

그림 7은 총 SPI Slave(Mini)의 개수가 12개인 경우의 평균 반응시간을 나타낸다. SPI Master (ESP)의 개수가 적고, 센서 데이터 요청의 시간 간격이 큰 경우에 평균 반응 시간이 최소로 나왔다. 이는 PC가 적은 수의 SPI Master에게 데이터를 요청하고 결과를 받기 때문에 PC의 수행 시간이 짧게 걸리는 이유인 것으로 분석된다.
이는 데이터 요청 시간 간격이 짧은 경우에는 트래픽이 증가하여 하나의 SPI Master가 담당하는 SPI Slave의 개수가 증가되어 SPI 통신에 병목현상이 발생하기 때문인 것으로 분석된다. SPI Master 가 4개이고, 각각의 SPI Master에 3개의 SPI Slave가 연결되어 있는 경우, 데이터 요청시간의 간격이 짧아져 트래픽이 높아져도 평균 반응시간이 일정한 것으로 나타났다. 이는 SPI Master가 4개인 경우에 PC 서버와 SPI Master 사이의 통신 트래픽이 적정하고, 각각의 SPI Master가 SPI Slave를 3개 담당하는 것은 부담이 없다는 것을 의미한다.
분석하였다. SPI Master 개수 및 SPI Master에 연결된 SPI Slave들의 개수가 데이터 요청 시간 간격에 따른 평균 반응 시간에 영향을 주었으며, SPI Master의 개수가 적어질수록 응답시간은 빨라졌지만, SPI Master의 수가 적고, 하나의 SPI Master에 연결된 SPI Slave들의 수가 많아지면 SPI 통신에 병목현상이 일어나는 것을 볼 수 있었다. 하나의 SPI Master에 3개의 SPI Slave를 연결할 때 시스템 구성이 최적의 성능을 보이는 것으로 나타났다.
본 논문에서는 Open H/W인 아두이노 Mini와 ESP8266을 이용하여 통신 시스템을 구성하면 768개의 센서로부터 초당 30개 이상의 센싱 데이터를 수집할 수 있는 결과를 얻었다. 따라서, 700개 미만의 센서로부터 실시간으로 정보를 수집하기 위하여는 기능이 검증되고 가격이 저렴한 Open H/W를 이용하는 것이 효과적이라 판단된다.
하나의 SPI Master에 3개의 SPI Slave를 연결할 때 시스템 구성이 최적의 성능을 보이는 것으로 나타났다. 본 논문에서는 Open H/W인 아두이노 Mini와 ESP8266을 이용하여 통신 시스템을 구성하면 768개의 센서로부터 초당 30개 이상의 센싱 데이터를 수집할 수 있는 결과를 얻었다. 따라서, 700개 미만의 센서로부터 실시간으로 정보를 수집하기 위하여는 기능이 검증되고 가격이 저렴한 Open H/W를 이용하는 것이 효과적이라 판단된다.
이때. 센서 데이터의 요구 시간 간격이 4ms이하에도 평균 반응시간은 4ms이하로 유지되어 최적의 성능을 나타나는 것으로 분석되었다. SPI Slave로 사용된 아두이노 Mini의 경우 Serial Port가 8개이므로 12개의 SPI Slave를 통하여 수집할 수 있는 데이터는 96 개의 센서 데이터가 된다.
SPI Master 개수 및 SPI Master에 연결된 SPI Slave들의 개수가 데이터 요청 시간 간격에 따른 평균 반응 시간에 영향을 주었으며, SPI Master의 개수가 적어질수록 응답시간은 빨라졌지만, SPI Master의 수가 적고, 하나의 SPI Master에 연결된 SPI Slave들의 수가 많아지면 SPI 통신에 병목현상이 일어나는 것을 볼 수 있었다. 하나의 SPI Master에 3개의 SPI Slave를 연결할 때 시스템 구성이 최적의 성능을 보이는 것으로 나타났다. 본 논문에서는 Open H/W인 아두이노 Mini와 ESP8266을 이용하여 통신 시스템을 구성하면 768개의 센서로부터 초당 30개 이상의 센싱 데이터를 수집할 수 있는 결과를 얻었다.

참고문헌 (16)

S. H. Shin, "Study on Sensor Gateway for Reliable Connection Guarantee on Large IoT Environment," The Journal of Korean Institute of Information Technology, Korean Institute of Information Technology, vol. 13, no. 9, pp. 131-136, Sep. 2015.

상세보기
M. S. Kwak, and Y. S. Hong, "A Congestion Control Scheme Considering Traffic in Large-Scale Wireless Sensor Networks", Journal of Korean Institute of Information Scientists amd Engineers, The Korean Institute of Information Scientists and Engineers, vol. 42, no. 1, 114-121, Jan. 2015.
S. H. Kwon, Y. G. Kim, D. H. Kim, and H. Kim, "An Efficient Wireless Multi-function Sensor Node Deployment for Large-Scale Sensor Networks," Proceeding of Symposium of the Korean Institute of communications and Information Sciences, Korea Institute Of Communication Sciences, vol. 60, pp. 1121-1122, Jun. 2016.
H. Wang, G. Yang, J. Xu, Z. Chen, L.Chen, and Z. Yang, "A Noval Data Collection Approach for Wireless Sensor Networks," 2011 International Conference on Electrical and Control Engineering, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2011.9, 16-18(3 pages).
M. K. Singh, S. I. Amin, S. A. Imam, V. K. Sachan, and A. Choudhary, "A Survey of Wireless Sensor Network and its types," 2018 International Conference on Advances in Computing, Communication Control and Networking, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2018.10, 12-13(2 pages).
Z. Gengzhong, and L. Qiumei, "A Survey on the Topology of Wireless Sensor Networks Based on Small World Network Model," 2010 2nd International Conference on Future Computer and Communication, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2010.5, 21-24(4 pages).
W. B. Heinzelman, A. P. Chandrakasan, and H. Balakrishnan, "An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 1, no. 4, pp. 660-670, Oct, 2002.

상세보기
Y. B. Moon , Y. J. Choi, S. K. Hong, and I. H. Lee, "Sensor Data Management System in Sensor Network for Low Power," Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2008 10th International Conference on Advanced Communication Technology, pp. 504-507, 17-20, Feb. 2008.
A. R. Corporation, "A Sensor Network Architecture for the IP Enterprise," Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2007 6th International Symposium on Information Processing in Sensor Networks, pp. 575, 25-27 Apr. 2007.
S.H. Seo, and S.W. Jang, "Design and Implementation of a smart shoes module based on Arduino," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Korea Institute of information and Communication Engineering, 2697-2702(6 pages), Nov. 2015.
M. Bansal, and L. Shricastava, "Performance Analysis of Wireless Mobile Adhoc Network with Different Types of Antennas," HSST, ISSN : 2508-9080, vol. 3, no. 1, pp. 33-44, Mar. 2017.
G. Y. Lee, J. T. Kim, and J. K. Park, "A Design of Parameterized SPI Slave Soft IP and its FPGA Verification," Proceedings of Symposium of the Korean Institute of communications and Information Sciences, Korea Institute Of Communication Sciences,938-939(2 pages), 2019.6.
H. J. Jo, J. W. Cheon, G. U. Park, M. C. Kwon, and S. W. Choi, "Design and Implementation of Artificial arm based on SPI communication," Proceedings of Symposium of the Korean Institute of communications and Information Sciences, Korea Institute Of Communication Sciences, 938-939(2 pages), 2019.6.
Y. B. Lim, S. S. Ham, and B. S. Kim, "SPI Communication System Design and Implementation Using Line Driver for Feeder Terminal Unit," Journal of the Korean Electrical Society, The Korean Institute of Electrical Engineers, 598-599(2 pages), 2013.7.
Y. S. Song, S. M. Park, and Y. M. Kim, "A new firmware protocol for SPI targeted to low cost embedded applications," Journal of Academic Presentation of the Korean Multimedia Society, Korea Multimedia Society, 2009.5, 260-262(3 pages).
J. H. Lee, Y. S. Shin, J. G. Kim, and B. K. Kwon, "The Power Module DC Measurement Method of Modular Multilevel Converter System using SPI Communication," The Korean Institute of Power Electronics, 2014.7, 53-54(2 pages).

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)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증