[논문]LoRa 통신기반 원격 장비 관리 시스템 설계 및 구현

김동현; 이창홍; 김종덕

doi:10.6109/jkiice.2020.24.12.1654

LoRa 통신기반 원격 장비 관리 시스템 설계 및 구현
Design and Implementation of Remote Device Management System based on LoRa Communication 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.24 no.12, 2020년, pp.1654 - 1661

김동현 (School of Computer Science and Engineering, Pusan National University) , 이창홍 (School of Computer Science and Engineering, Pusan National University) , 김종덕 (School of Computer Science and Engineering, Pusan National University)

초록
AI-Helper

사물인터넷 기술은 통신을 지원하지 않는 장비에 소형 통신 장치를 부착하여 장비의 정보를 원격에서 수집, 제어할 수 있다. 사물인터넷 기술을 지원하기 위해서 저전력, 장거리 통신 기술인 LPWAN이 제안되었고 대표적으로 LoRa가 있다. 네트워크 장비를 포함한 다양한 시스템들은 원격 접속을 통해 장비의 상태를 실시간 모니터링 할 수 있다. 그러나 네트워크 장애가 발생하면 원격 접속 및 상태 모니터링은 별도의 부가 네트워크가 있지 않은 한 불가능하다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 본 논문에서는 장비에 쉽게 부착할 수 있고 독립적인 네트워크를 이용해 원격에서 장비를 모니터링 및 제어하는 독립형 원격 장비 관리시스템을 제안한다. 제안한 시스템을 설계 및 구현하여 실용성을 보이겠다.

Abstract ▼ AI-Helper

Internet of Things(IoT) technology can remotely collect and control a sensing information of device by attaching a small communication device to equipment that does not support communication. Low-Power Wide-Area Network (LPWAN), a low-power, long-distance communication technology, was proposed to support IoT technology, and Long Range(LoRa) is representative. Various systems, including network device, can collect and control the status information of device in real time through remote access. However, when a network failure occurs, remote access and status monitoring are impossible unless there is a separate additional network. To overcome this problem, in this paper, we propose an independent remote device management system that can be easily attached to device, which monitors and controls equipment remotely using an independent network. We will design and implement the proposed system, via which we will show its practicality and expandability.

주제어

표/그림 (11)

표 Table. 1 LoRa transmission mode
그림 Fig. 1 Block diagram of proposed system
그림 Fig. 2 Block diagram of server
그림 Fig. 3 Block diagram of gateway
그림 Fig. 4 Data flowchart of data transmission type 4
표 Table. 2 Command option type and example of using real commands for interactive processing
그림 Fig. 5 Equipment and system configuration diagrams for implementation
그림 Fig. 6 Management equipment - gateway
그림 Fig. 7 Requested data type for interactive process
그림 Fig. 8 Receiving the response data through web application.
그림 Fig. 9 Management equipment-end device

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

하지만 각각의 네트워크 장치들은 고유한 관리 방법을 통해 개별적으로 관리가 이루어지고 있다. 따라서 Line 다양한 네트워크 장치를 관리할 수 있고 네트워크 확장이 쉬운 하나의 통합 관리시스템을 제안했다. 하지만 이것은 네트워크 장치나 네트워크 자체에 이상이 생겼을 경우 기존과 같게 직접 네트워크 장치가 있는 곳으로 방문하여 시스템 이상의 원인을 파악하고 이를 해결하는 것 외에는 시스템 장애를 해결 할 수 있는 방법이 없다[4].
본 논문은 기존 사물인터넷 시스템에 쉽게 부착이 가능한 경량 대화형 원격 장비 관리시스템을 제안하였다. 이것은 기존 시스템의 서비스 네트워크나 관리 대상 장비 자체에 장애가 발생하더라도 관리망을 통해서 원격대상지에 존재하는 장비를 관리 및 제어 할 수 있다.
오랜 시간 동작하는 원격 장비의 특성상 장비 오동작의 해결방법으로 장비 재시작이 있다. 원격 장비 재시작 기능을 추가함으로써 시스템 효율성을 높이고자 한다.

제안 방법

LPWA (Low Power Wide Area) 기술 중에서 비면허대역을 이용하는 대표적인 기술인 LoRa(Long Range)를 이용하여 관리망을 구축하고, 이를 통해 사용자가 원격 대상지에 존재하는 서비스 장비를 제어 및 관리할 수 있는 원격 장비 관리시스템을 제안하고자 한다.
수신 데이터의 원본 크기를 16, 046byte라 가정 하면이 데이터를 게이트웨이로 전송하기 위해서는 250byte 의 LoRa 패킷 전송을 65번 수행해야 한다. LoRa 통신을 통해 데이터를 65번 전송하게 되면 전송지연 문제가 발생할 수 있어서 허프만 부호화 알고리즘을 이용하여 44 번으로 줄여서 전송하였으며 제안한 대화형 기법을 통해 44번의 데이터를 수신하였다. 그림 8은 웹 애플리케이션을 통하여 사용자가 전송한 “sh ?”라는 요청 데이터에 대한 응답 데이터를 수신한 모습을 나타낸다.
이는 원격 대상지에 전원 공급이 중단되는 상황이 발생하여도 마찬가지다. 관리 장비는 보조 배터리만으로도 동작할 수 있는 경량 디바이스를 이용하기 때문에 원격 대상지에 전원공급이 중단되어도 동작하도록 설계하였다. 그럴 뿐만 아니라, 관리 장비는 관리 대상 장비의 전원을 물리적으로 On/Off 시킬 수 있다.
관리 장비를 위한 관리망으로 저전력, 장거리 통신이 가능한 LoRa를 사용하였으며 대화형 처리를 통해 통신의 효율성을 확인하였다. 설계된 각 시스템은 구현하여 효용성을 확인하였으며 보다 다양한 형태의 장비 모니터링 및 제어를 위한 단말노드의 추가 요소 기술에 관한 연구가 필요하다.
그리고 화산 지대 감시, 생태계 관찰 및 무인 전력 시스템의 침입 탐지와 같은 시스템의 경우 네트워크 관리를 위한 별도의 네트워크를 구축하기에는 물리적으로 어려움이 있다. 그래서 기존 시스템에 쉽게 부착해서 사용하며 기존 서비스 네트워크망과 독립적으로 동작하여 네트워크나 장비에 이상이 생겨도 이를 확인 및 관리할 수 있는 독립형 원격 장비 관리시스템을 제안한다.
사용자는 구축된 네트워크를 통해 식물을 생산하는데 필요한 환경 조건과 전력 사용량을 모니터링하였다. 그럴 뿐만 아니라 LED 조명을 이용하여 빛의 강도를 조절함으로써 식물의 성장을 촉진했다. 본 연구는 식물 성장 촉진을 위한 원격 모니터링 시스템으로 시스템 내부에 원격 장비 관리 기능을 포함하였으며 네트워크 또한 분리하여 사용하지 않았다[3].
하지만 기존시스템은 장애가 발생하면 네트워크에 장애가 발생하였는지 관리 대상 장비 자체에 이상이 생겼는지 직접 방문해서 확인하지 않으면 알 수 없다. 따라서 제안 시스템은 관리 대상 장비 자체에 장애가 발생하였을 때 조금 더 신속하고 능동적인 대처를 할 수 있도록 전원 제어기능을 제공한다. 사용자는 원격 전원 제어 기능을 통해 관리 대상 장비 자체에 장애가 발생했을 경우 전원을 껐다가 켬으로써 관리 대상 장비의 장애를 신속히 해결할 수 있다.
본 논문에서는 서비스 네트워크와 구별하여 별도의 관리 네트워크를 구축하기 위한 관리 장치로 라즈베리파이와 같은 경량 디바이스를 이용한다. 경량 디바이스는 유사시 배터리로도 동작 가능하며 저비용 장치이다.
그럴 뿐만 아니라 LED 조명을 이용하여 빛의 강도를 조절함으로써 식물의 성장을 촉진했다. 본 연구는 식물 성장 촉진을 위한 원격 모니터링 시스템으로 시스템 내부에 원격 장비 관리 기능을 포함하였으며 네트워크 또한 분리하여 사용하지 않았다[3].
Ijaz는 농업을 위한 지능형 시스템으로써, Zigbee 와 인터넷을 이용한 메쉬 네트워크를 구축하였다. 사용자는 구축된 네트워크를 통해 식물을 생산하는데 필요한 환경 조건과 전력 사용량을 모니터링하였다. 그럴 뿐만 아니라 LED 조명을 이용하여 빛의 강도를 조절함으로써 식물의 성장을 촉진했다.
이것은 기존 시스템의 서비스 네트워크나 관리 대상 장비 자체에 장애가 발생하더라도 관리망을 통해서 원격대상지에 존재하는 장비를 관리 및 제어 할 수 있다. 이를 위해 장비 모니터링을 위한 서버와 대상 장비 그리고 관리 장비를 위한 게이트웨이와 단말노드를 설계하였다.
제안 시스템은 기존 시스템을 유지하면서 2개의 관리 장비를 각각 서버와 원격장치에 부착함으로써 별도의 독립적인 네트워크인 관리망을 구축하고 사용자는 이를 통해 원격지에 존재하는 장비를 실시간으로 관리할 수 있다.
제안 시스템의 대화형 처리를 위한 명령어 전송은 기본적으로 요청/응답 유형을 사용한다. 이는 기존 명령어 유형과는 다르게 전송할 명령어와 함께 전송 옵션을 추가해서 전송하기 위함이다.

대상 데이터

게이트웨이와 단말노드는 경량 디바이스로 만들기 위해서 상용 임베디드 보드 제품을 사용하였다. 게이트웨이는 인터넷을 통해 서버와 통신을 해야 해서 라즈베리파이 3 B+모델을 이용하였다.
관리 대상 장비는 단말노드의 릴레이 모듈을 통해서 전원을 공급받는다. 이는 관리 대상 장비에 장애가 발생했을 때, 사용자가 단말노드의 릴레이 모듈을 이용하여 관리 대상 장비의 전원을 물리적으로 껐다 켬으로써 장비의 이상을 간단히 해결할 수 있다.
단말노드는 관리 대상 장비와 RS232 케이블을 이용하여 직렬 통신을 통해 데이터를 주고받는다. 관리 대상 장비로부터 수신한 데이터는 SX1272 무선 칩셋을 이용하는 LoRa 통신을 통해 게이트웨이로 전송한다. 하지만 LoRa의 데이터 전송속도가 직렬 통신과 비교해 상당히 느려서 전송속도 차이가 발생한다.
단말노드는 아두이노 기반의 경량 임베디드 보드인 와스모트를 사용하였고, RS232 케이블을 이용하여 관리 대상 장비에 부착하였다. 관리망 구축을 위해 사용하는 LoRa 통신 모듈은 SX1272 를 사용하였다.
그림 7은 구현된 단말노드의 모습이다. 단말노드는 경량 디바이스인 와스모트를 이용하였다. 경량 디바이스는 보조 배터리와 같은 소출력 전원 공급을 통해서도 동작할 수 있는데 이는 원격 대상지의 전원 공급이 중단되어 관리 대상 장비가 동작하지 않을 때도 관리 장비를 통해 이 사실을 확인하기 위함이다.
경량 디바이스는 보조 배터리와 같은 소출력 전원 공급을 통해서도 동작할 수 있는데 이는 원격 대상지의 전원 공급이 중단되어 관리 대상 장비가 동작하지 않을 때도 관리 장비를 통해 이 사실을 확인하기 위함이다. 단말노드는 관리 대상 장비와 RS232 케이블을 이용하여 직렬 통신을 통해 데이터를 주고받는다. 관리 대상 장비로부터 수신한 데이터는 SX1272 무선 칩셋을 이용하는 LoRa 통신을 통해 게이트웨이로 전송한다.
게이트웨이는 인터넷을 통해 서버와 통신을 해야 해서 라즈베리파이 3 B+모델을 이용하였다. 단말노드는 아두이노 기반의 경량 임베디드 보드인 와스모트를 사용하였고, RS232 케이블을 이용하여 관리 대상 장비에 부착하였다. 관리망 구축을 위해 사용하는 LoRa 통신 모듈은 SX1272 를 사용하였다.

성능/효과

가장 느리다. 반면에 모드 10은 가장 큰 대역폭인 500kHz와 가장 낮은 확산 인자인 7을 사용함으로써 다른 모드 보다 통신 가능 거리가 짧지만, 가장 빠른 전송속도와 가장 적은 배터리 소모량을 가지고 통신할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 추가로, LoRa는 non-ACK 모드와 ACK 모드를 제공한다.

후속연구

효율성을 확인하였다. 설계된 각 시스템은 구현하여 효용성을 확인하였으며 보다 다양한 형태의 장비 모니터링 및 제어를 위한 단말노드의 추가 요소 기술에 관한 연구가 필요하다.

참고문헌 (10)

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J. Lin, Q. Zhang, L. Zhang, and F. Li, "Design and Implementation of an Extensible Network Device Management System," in Proceeding of the 10th International Conference on Complex, Intelligent, and Software Intensive Systems, Fukuoka, Japan, pp. 6-8, 2016.
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A. Augustin, J. Yi, T. Clausen, and W. M. Townsley, "A study of LoRa: Long range & low power networks for the internet of things," Sensors, vol. 16, no. 9, pp. 1466, May. 2016.

상세보기
M. Centenaro, L. Vangelista, A. Zanella, and M. Zorzi, "Long-range communications in unlicensed bands: The rising stars in the IoT and smart city scenarios," IEEE Wireless Communications, vol. 23, no. 5, pp. 60-67, 2006.

상세보기
Libelium, Waspmote LoRa 868MHz 915MHz SX1272 Networking Guide, 2016.

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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