[논문]효율적인 클라우드 기반 스마트팜 제어 시스템 구현 방법

최민석

doi:10.14400/jdc.2020.18.3.171

효율적인 클라우드 기반 스마트팜 제어 시스템 구현 방법
A Study on the Efficient Implementation Method of Cloud-based Smart Farm Control System 원문보기

디지털융복합연구 = Journal of digital convergence, v.18 no.3, 2020년, pp.171 - 177

초록
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4차 산업혁명의 영향으로 농축산업 분야에도 정보통신 기술을 융합한 스마트팜 기술의 도입을 통한 생산성 증대 및 경쟁력 강화를 추진하고 있다. 이러한 스마트 농업 기술은 농업 분야의 미래 성장을 위한 새로운 패러다임으로 자리 잡고 있다. 스마트팜 구현을 위하여 실시간 재배 환경 모니터링과 이와 연계된 재배 환경 자동 제어 시스템의 개발이 필요하며 나아가 작물 생육 상태를 확인하여 관리하는 지능형 시스템의 개발이 요구되어 진다. 본 논문에서는 호환성과 확장성이 뛰어난 웹 플랫폼을 활용하여 클라우드 기반 스마트팜 관리 시스템 구현을 위한 빠르고 효율적인 개발 방법을 제안한다. 제안된 웹 플랫폼을 이용한 개발 방법이 효율적이며 안정적인 시스템 구현이 가능함을 실제 구현된 시스템의 운영을 통하여 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Under the influence of the Fourth Industrial Revolution, there are many tries to promote productivity enhancement and competitiveness by adapting smart farm technology that converges ICT technologies in agriculture. This smart farming technology is emerging as a new paradigm for future growth in agriculture. The development of real-time cultivation environment monitoring and automatic control system is needed to implement smart farm. Furthermore, the development of intelligent system that manages cultivation environment using monitoring data of the growth of crops is required. In this paper, a fast and efficient development method for implementing a cloud-based smart farm management system using a highly compatible and scalable web platform is proposed. It was verified that the proposed method using the web platform is effective and stable system implementation through the operation of the actual implementation system.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Structure of environment control system for smart farm [9]
그림 Fig. 2. Link4's Hydroponic Controller[11]
그림 Fig. 3. Configuration of proposed smart farm system
그림 Fig. 4. H/W structure of local management system
그림 Fig. 5. Prototype of local management system
그림 Fig. 6. S/W architecture of local management system
그림 Fig. 7. Configuration of Cloud Server on AWS
그림 Fig. 8. Architecture of Synchronization between server and client
그림 Fig. 9. Socket Tunneling
그림 Fig. 10. Flowchart of server to client synchronization process
그림 Fig. 11. Client to server synchronization cycle (REST)
그림 Fig. 12. UI of local management system
그림 Fig. 13. UI of cloud service for PC
그림 Fig. 14. UI of cloud service for mobile

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 높은 호환성과 확장성을 가지는 웹 플랫폼을 활용하여 클라우드 기반 스마트팜 제어 시스템구현을 위한 빠르고 효율적인 개발 방법을 제안하고자 한다.
본 논문에서는 클라우드 기반의 스마트팜 제어 시스템을 개발하기 위한 효율적인 방법을 제안하였다. 범용 마이크로컴퓨터인 Raspberry Pi와 리눅스 기반의 Raspbian OS를 사용하여 로컬 단말의 제어 시스템을 설계하였고, 웹 기반으로 단말의 운영 프로그램을 구현하여 개발 효율 및 안정성을 높였다.

제안 방법

로컬 관리 시스템의 프로그램 UI를 웹 기반으로 개발하였고 상태 정보를 DB에서 불러와 표시하는 방식을 사용하고 있으므로, 클라이언트와 같은 DB 구조의 클라우드 서버에서도 각 단말을 식별하기 위한 부분만 추가하면 그대로 사용하는 것이 가능하다. HTML5를 기반으로 정보와 뷰(view)를 분리하도록 구현하였기 때문에 CSS(cascade style sheet)를 변경하여 PC 화면에 맞는 뷰를 구현하였으며, 반응형 디자인(responsive design)을 적용하여 스마트폰 등의 모바일 뷰도 구현하였다. Fig.
로컬 관리 시스템의 각종 설정 관리 및 각 단위 작업사이의 데이터 공유는 MySQL을 이용하여 로컬 데이터베이스를 구성하여 처리하였다. 로컬 데이터베이스를 이용함으로써 서버와의 통신 장애가 발생하여도 각종 환경데이터를 일정 기간 손실 없이 유지할 수 있으며, 독자적으로 관리 시스템의 운영이 가능하게 된다.
클라우드 관리 시스템의 데이터베이스는 로컬 관리 시스템의 데이터베이스 구조와 같게 설계하였으며, 각 클라이언트 시스템을 구분하기 위한 고유 단말 번호만을 추가하였다. 로컬 시스템에서 클라우드 서버로 동기화를 위한 데이터 전송은 HTTP 프로토콜 기반의 REST 구조를 사용하였다. 각 단말은 실시간 환경데이터, 환경 설정, 장비 조작 등의 정보를 JSON 형식으로 가공하여 클라우드 웹 서버로 전송하며, 웹 서버는 전송받은 데이터를 데이터베이스에 동기화한다.
모니터링 및 환경 자동 제어 기능의 구현은 하나의 통합 프로그램으로 구현하지 않고 단위 작업을 구현 후 리눅스의 Cron을 이용하여 주기적으로 각 단위 작업을 순차 실행하도록 구현하였다. 이러한 방식은 프로그램의 구조를 단순화하고 메모리 사용 및 관리를 효율화하여 시스템과 프로그램의 안정성을 높일 수 있다.
본 논문에서 제안하는 스파트팜 제어 시스템은 Fig. 3과 같이 각 시설에서 환경정보 모니터링 및 제어를 담당할 로컬 관리 시스템(Farm Client)과 인터넷을 통하여 연결된 로컬 관리 시스템들을 통합 관리하고 환경데이터를 저장하는 클라우드 관리 시스템(Cloud Farm Server) 그리고 PC 및 모바일 환경의 사용자 애플리케이션으로 구성된다.
서버에서 클라이언트로의 동기화 문제를 해결하기 위하여 Fig. 9와 같이 클라이언트에서 서버로 소켓 터널링을 구현하였다. 클라이언트에서 서버로 연결형 소켓 터널을 생성하면 PAT 장비가 존재하여도 터널을 통하여 서버에서 클라이언트로의 HTTP를 통한 REST 요청이 가능해진다.
클라우드 서버도 로컬 단말을 가상화하여 확장하는 방식으로 설계하여 단말과 서버의 운영 프로그램 코드가 공유될 수 있도록 하여 개발 및 유지보수 비용을 낮출 수 있도록 하였다. 서버와 클라이언트 사이의 동기화를 위한 통신은 검증된 HTTP 프로토콜 기반의 REST 방식을 이용하며, 공유기 사용에 따른 서버에서 클라이언트로의 접속 문제를 해결하기 위하여 소켓 터널링을 이용하였다. 클라이언트에 로컬 데이터베이스를 구성하여 네트워크 접속 장애가 발생하여도 독자적 운영 및 데이터 수집이 가능하도록 하였고, 서버와 클라이언트 간의 동기화 방법을 이중화하여 실시간 동기화에 문제가 발생하여도 DB를 이용하여 추후 동기화가 가능하도록 하였다.
하드웨어 플랫폼은 마이크로컴퓨터로 Raspberry Pi 3 Model B+[12]를 사용하였고, 사용자 인터페이스 구현을 위한 입출력 장치로는 800x600 LCD 터치스크린을 연결하였다. 안정적 하드웨어 운영을 위하여 각종 센서입력과 장치 조작을 위한 릴레이 스위치 제어를 담당할 컨트롤러 보드를 별도로 구성하고 Raspberry Pi와 시리얼 인터페이스로 연결하였다. 하드웨어 컨트롤러를 독립적으로 구성하여 마이크로컴퓨터에 문제가 생겼을 때 연결된 개별 장비의 제어 설정에 영향을 주지 않도록 하였으며, 비상시 각 스위치를 수동조작이 가능하도록 하였다.
웹 기반 사용자 인터페이스(UI) 구현을 위하여 로컬 웹 서버로 NGINX[14]를 사용하였고, 웹 브라우저로 Chromium[15]을 키오스크(kiosk) 모드로 실행하여 LCD 스크린에 사용자 인터페이스를 표현하였다. UI 구현은 PHP와 HTML5, JavaScript를 이용하여 구현하였다.
만약 터널링에 오류가 발생하면 서버에서 클라이언트로의 동기화가 되지 않는 문제가 여전히 존재하게 된다. 이를 예방하기 위하여 사용자 조작에 의한 서버에서 클라이언트로의 동기화 처리 과정을 Fig. 10과 같이 이중화하여 터널을 통한 동기화가 실패하였을 경우 동기화되지 않은 작업을 DB에 저장한 후, Fig. 11과 같이 클라이언트에서 동기화 요청을 받으면 이를 처리한 후 DB에 동기화되지 않은 작업이 존재할 경우 이를 요청에 대한 응답으로 클라이언트에 전송하여 동기화를 진행하도록 한다. 클라이언트의 경우 응답을 확인하여 서버로부터 동기화되지 않은 작업이 있을 때 이를 동기화하고 소켓 터널을 다시 설정하여 이후 실시간 동기화가 가능하도록 한다.
클라우드 관리 시스템의 데이터베이스는 로컬 관리 시스템의 데이터베이스 구조와 같게 설계하였으며, 각 클라이언트 시스템을 구분하기 위한 고유 단말 번호만을 추가하였다. 로컬 시스템에서 클라우드 서버로 동기화를 위한 데이터 전송은 HTTP 프로토콜 기반의 REST 구조를 사용하였다.
범용 마이크로컴퓨터인 Raspberry Pi와 리눅스 기반의 Raspbian OS를 사용하여 로컬 단말의 제어 시스템을 설계하였고, 웹 기반으로 단말의 운영 프로그램을 구현하여 개발 효율 및 안정성을 높였다. 클라우드 서버도 로컬 단말을 가상화하여 확장하는 방식으로 설계하여 단말과 서버의 운영 프로그램 코드가 공유될 수 있도록 하여 개발 및 유지보수 비용을 낮출 수 있도록 하였다. 서버와 클라이언트 사이의 동기화를 위한 통신은 검증된 HTTP 프로토콜 기반의 REST 방식을 이용하며, 공유기 사용에 따른 서버에서 클라이언트로의 접속 문제를 해결하기 위하여 소켓 터널링을 이용하였다.
서버와 클라이언트 사이의 동기화를 위한 통신은 검증된 HTTP 프로토콜 기반의 REST 방식을 이용하며, 공유기 사용에 따른 서버에서 클라이언트로의 접속 문제를 해결하기 위하여 소켓 터널링을 이용하였다. 클라이언트에 로컬 데이터베이스를 구성하여 네트워크 접속 장애가 발생하여도 독자적 운영 및 데이터 수집이 가능하도록 하였고, 서버와 클라이언트 간의 동기화 방법을 이중화하여 실시간 동기화에 문제가 발생하여도 DB를 이용하여 추후 동기화가 가능하도록 하였다.
안정적 하드웨어 운영을 위하여 각종 센서입력과 장치 조작을 위한 릴레이 스위치 제어를 담당할 컨트롤러 보드를 별도로 구성하고 Raspberry Pi와 시리얼 인터페이스로 연결하였다. 하드웨어 컨트롤러를 독립적으로 구성하여 마이크로컴퓨터에 문제가 생겼을 때 연결된 개별 장비의 제어 설정에 영향을 주지 않도록 하였으며, 비상시 각 스위치를 수동조작이 가능하도록 하였다. Fig.

이론/모형

로컬 관리 시스템들을 통합 관리하는 클라우드 관리 시스템은 환경데이터 저장을 위한 데이터베이스 서버와 웹 기반의 통합 관리 서버로 구성되어 진다. 기본 서버 구성은 아마존의 클라우드 컴퓨팅 솔루션인 AWS(Amazon Web Services)[16]를 기반으로 하였다. Fig.

성능/효과

3.3절의 로컬 관리 시스템의 사용자 프로그램 UI 구현에서 언급하였듯이 클라우드 서버에서 사용자들에게 제공하는 프로그램 UI는 로컬 관리 시스템의 UI 구현 소스를 일부 수정 후 사용할 수 있다. 로컬 관리 시스템의 프로그램 UI를 웹 기반으로 개발하였고 상태 정보를 DB에서 불러와 표시하는 방식을 사용하고 있으므로, 클라이언트와 같은 DB 구조의 클라우드 서버에서도 각 단말을 식별하기 위한 부분만 추가하면 그대로 사용하는 것이 가능하다.
구현된 시스템의 검증을 위하여 5곳의 재배 시설에 적용하여 4개월 이상을 운영하며 광량, 온도, 습도, CO2 농도로 구성된 환경 센서 측정 데이터 세트를 380만 건 이상 누적시켰으며, 이를 통하여 안정적 운영을 확인하였다.
3절의 로컬 관리 시스템의 사용자 프로그램 UI 구현에서 언급하였듯이 클라우드 서버에서 사용자들에게 제공하는 프로그램 UI는 로컬 관리 시스템의 UI 구현 소스를 일부 수정 후 사용할 수 있다. 로컬 관리 시스템의 프로그램 UI를 웹 기반으로 개발하였고 상태 정보를 DB에서 불러와 표시하는 방식을 사용하고 있으므로, 클라이언트와 같은 DB 구조의 클라우드 서버에서도 각 단말을 식별하기 위한 부분만 추가하면 그대로 사용하는 것이 가능하다. HTML5를 기반으로 정보와 뷰(view)를 분리하도록 구현하였기 때문에 CSS(cascade style sheet)를 변경하여 PC 화면에 맞는 뷰를 구현하였으며, 반응형 디자인(responsive design)을 적용하여 스마트폰 등의 모바일 뷰도 구현하였다.
본 논문에서는 클라우드 기반의 스마트팜 제어 시스템을 개발하기 위한 효율적인 방법을 제안하였다. 범용 마이크로컴퓨터인 Raspberry Pi와 리눅스 기반의 Raspbian OS를 사용하여 로컬 단말의 제어 시스템을 설계하였고, 웹 기반으로 단말의 운영 프로그램을 구현하여 개발 효율 및 안정성을 높였다. 클라우드 서버도 로컬 단말을 가상화하여 확장하는 방식으로 설계하여 단말과 서버의 운영 프로그램 코드가 공유될 수 있도록 하여 개발 및 유지보수 비용을 낮출 수 있도록 하였다.

후속연구

앞으로의 과제는 작물의 생육 상태 데이터를 자동으로 측정 및 수집하는 기술의 개발이 요구되며 나아가 누적된 환경 및 생육 데이터를 활용하여 최적의 재배 환경을 자동으로 제어하는 지능형 제어 시스템으로의 확장이 필요할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트팜이란 무엇인가?	한국농촌경제연구원에서는 스마트팜을 ICT 기술을 농축산 산업에 접목하여 원격에서 자동으로 작물과 가축의 환경을 유지 및 관리할 수 있는 농장이라고 규정하였는데, 이는 작물의 생육 및 환경에 대한 데이터를 기반으로 시간과 장소에 구애받지 않고 작물이나 가축의 생육환경을 확인하고 조정함으로써 농축산물의 생산성과 품질 제고가 가능한 농업을 말한다[4,7].
	스마트팜은 무엇으로 구성되는가?	스마트팜은 Fig. 1과 같이 온도, 습도, 일사량, CO2등의 환경데이터를 수집하는 환경정보 모니터링 기능과 냉방, 난방, 환기, CO2, 양분, 사료 공급 등의 자동 및 원격 환경 제어 기능 그리고 이 두 가지를 연동하는 복합 환경 제어 시스템으로 구성되며, 이중 생산성 제고 및 이익증대와 직결되는 복합 환경 제어 시스템의 구현이 핵심 요소이다[8].
	로컬 관리 시스템의 하드웨어 플랫폼으로는 무엇을 사용하였는가?	하드웨어 플랫폼은 마이크로컴퓨터로 Raspberry Pi 3 Model B+[12]를 사용하였고, 사용자 인터페이스 구현을 위한 입출력 장치로는 800x600 LCD 터치스크린을 연결하였다. 안정적 하드웨어 운영을 위하여 각종 센서입력과 장치 조작을 위한 릴레이 스위치 제어를 담당할 컨트롤러 보드를 별도로 구성하고 Raspberry Pi와 시리얼 인터페이스로 연결하였다.

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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