[논문]Thuraya 정지궤도 위성을 이용한 선박용 IoT 단말 장치 설계 및 구현

장원창; 이명의

doi:10.12673/jant.2020.24.2.67

Thuraya 정지궤도 위성을 이용한 선박용 IoT 단말 장치 설계 및 구현
Design and Implementation of IoT Terminal Equipment for Vessels using Thuraya Geo-stationary Orbit Satellite 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.24 no.2, 2020년, pp.67 - 72

장원창 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학부) , 이명의 (한국기술교육대학교 전기전자통신공학부)

초록
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위성통신은 이동통신처럼 많은 사람이 사용하지는 않으나 군사용, 재난용, 원격 교육용 및 의료용, 도서 지역, 인프라 취약 지역에서의 인터넷 제공 등 공공성, 통신서비스를 위하여 꼭 필요한 기술이다. 하지만 선박이나 항공기에서는 기지국이 필요한 휴대용 이동통신들은 사용 불가능하거나 사용에 제한을 받는다. 본 논문에서는 본 논문에서는 단말 장치의 제어기로 라즈베리 파이를 사용하여 위성 모뎀과 PPP 프로토콜을 통한 네트워크 통신을 하였으며 모뎀의 문자 메시지 기능을 이용하여 양방향 데이터 링크를 구현하여 Thraya 정지궤도위성 네트워크망에 접속하였다. 그리고 단말장치의 제어기에 I/O 장치들을 이에 연결하여 통신 시설이 갖춰지지 않은 곳에서 제어 대상 시스템에 원격으로 접속하여 I/O들을 제어하고 각종 센서를 통하여 계측한 데이터를 전송할 수 있는 선박용 IoT 단말 장치 시스템을 설계하고 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Satellite communication is not used by many people like mobile communication, but it is a necessary technology for public service and communication services, such as providing the Internet in military, disaster, remote education and medical services, island areas, and infrastructure vulnerable areas. However, on ships and aircraft, mobile communications requiring base stations are either unavailable or restricted in their use. In this paper, we used a Raspberry Pi board as the terminal device to communicate network through satellite modem and PPP protocol, and implemented two-way data link using the text message of the modem to connect to the Thuraya geo-stationary orbit network. In addition, I/O devices were connected to the controller of the terminal equipment to design and implement an IoT device system for ships that can remotely access the system under control and control I/Os and transmit measured data through various sensors.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. Thuraya의 GSM Roaming 가능 지역 Fig. 1. GSM Roaming Area in Thuraya.
그림 그림 2. 전체 시스템 개요 Fig. 2. Overall System Overview.
그림 그림 3. 전체 하드웨어 시스템 Fig. 3. Overall Hardware System Overview.
그림 그림 4. 단말 장치의 제어기 Python 콘솔 화면 Fig. 4. Python Console Screen of Terminal Device.
그림 그림 5. 단말 장치의 입출력 디바이스 Fig. 5. Input, Output Device of the Terminal Device.
그림 그림 6. 단말 장치의 제어기에 연결된 I/O장치 Fig. 6. I/O Device Connected to the Controller of the Terminal Device.
그림 그림 7. 단말 장치의 제어기 GPIO 핀 맵 Fig. 7. GPIO Pin Map of Terminal Device Controller.
그림 그림 8. 서버 콘솔 화면 Fig. 8. Server Console Screen.
표 표 1. 단말 장치의 제어기에 연결된 I/O 장치 목록 Table 1. List of I/O Devices Connected to the Controller of the Terminal Device
그림 그림 9. GUI 환경 사용자 제어 화면 Fig. 9. GUI Environment User Control Screen.
그림 그림 10. 서버 문자 메시지 전송 Fig. 10. Send Server Text Messages.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 Thuraya 인공위성 모뎀을 사용한 원격 제어 및 계측 시스템을 구현한 것으로서 지상 통신이 곤란한 해양, 항공, 오지에서도 데이터 통신이 가능하다.

제안 방법

ADXL345 3축 자이로 가속도 센서를 이용하여 SPI 포트를 사용하여 Roll, Pitch, Yaw 값들을 일정한 시간 간격으로 서버로 보내주어 사용자가 현재 장치의 상태를 확인할수 있도록 한다. 실제 선박의 자세를 확인하여 선박 전복등 위기상황을 감시할 수 있다.
그림 8과같이 단말 장치의 제어기에서 보내는 데이터와 값이 일치하는 것을 볼 수 있다. TCP/IP 소켓 통신으로 전송된 데이터는 각 항목마다 실시간으로 적용하여 GUI 환경으로 보여 주며, GPS 값은 데이터베이스에 누적하여 저장되어 GPS 이동 경로를 확인할 수 있도록 하였다. 위의 그림 9에서는 GUI 환경 으로 사용자가 제어하기 쉽도록 구성하였다.
라즈베리 파이는 USB 포트가 기본적으로 내장되어 있으므로 SM-2500 모뎀의 SDK 개발 보드의 RS-232 to USB Serial을사용하여 연결하였다. 그리고 7가지의 다양한 I/O 장치들을 연결하기 위한 넓은 호환성의 GPIO 핀들을 가지고 있고 많은 I/O 장치들을 빠르고 정확하게 제어하기 위해서는 성능 좋은 프로세서를 가진 라즈베리 파이가 적합하다.
본 논문에서 연구를 진행하며 구현한 Thuraya 인공위성 모뎀을 사용한 원격 제어 및 계측 시스템은 라즈베리 파이를 단말 장치의 제어기로 선정하여 다양한 제어 시스템에 확장 응용할수 있도록 시스템을 구축하였다. 이를 위해 Thuraya 위성 모뎀을 연결하기 위한 쉬운 설정을 하여 사용자가 쉽게 네트워크를 사용할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 Thuraya 위성 모뎀과 PPP 데이터 통신을 위해 단말 장치의 제어기로 라즈베리 파이를 사용하고 네트워크 망에 접속하여 I/O 장치들을 이에 연결하여 통신 시설이 갖춰 지지 않은 곳에서 제어 대상 시스템에 원격으로 접속하여 I/O 들을 제어하고 각종 센서를 통하여 계측한 데이터를 전송할 수 있는 선박용 IoT 단말 장치 시스템을 설계하고 구현하였다. 방향 데이터 링크 시스템을 구현하는 것이 목표이다.
본 논문에서는 이와 같은 위성 모뎀 통신을 사용하여 단말 장치의 제어기를 원격으로 제어하고 계측하여 각종 선박의 안전 운행에 응용할 수 있는 시스템을 설계 및 제작하고, 각 데이 터의 정상적인 송수신을 GUI 환경 사용자 제어 프로그램으로 확인하여 Thuraya 인공위성 모뎀을 사용한 원격 제어 및 계측 시스템을 구현하였다.
SM-2500 위성 모뎀을 제어하고 통신하기 위한 단말 장치의 제어기의 Micro processor로 라즈베리 파이를 선정하였다. 위성 통신을 위하여 PPP 프로토콜을 사용해야 하는데 단말 장치의 제어기에 리눅스를 설치하여 쉽게 제어할 수 있도록 하였다.
본 논문에서 연구를 진행하며 구현한 Thuraya 인공위성 모뎀을 사용한 원격 제어 및 계측 시스템은 라즈베리 파이를 단말 장치의 제어기로 선정하여 다양한 제어 시스템에 확장 응용할수 있도록 시스템을 구축하였다. 이를 위해 Thuraya 위성 모뎀을 연결하기 위한 쉬운 설정을 하여 사용자가 쉽게 네트워크를 사용할 수 있도록 하였다.
일반 데스크톱 PC를 사용하여 서버를 구성하였으며 쉬운 접근을 위하여 고정 IP를 할당받아 외부로부터 접근이 쉽도록 설계하였다. 따라서 사용자는 인터넷 브라우저를 통하여 고정 IP 로 접속하면 원격으로 제어 및 계측을 할 수 있다.
총 4개의 LED를 이용하여 Digital output　장치로써 서버로부터 사용자가 설정한 데이터를 수신하여 High/Low 값으로 제어한다. 실제 선박에서는 전원, 모터, 밸브 등의 전기장치를 On/Off 할 수 있다.

대상 데이터

세 번째로는 Inmarsat이 있는데 적도 상공에 있는 정지궤도위성을 사용하는 Thuraya 社와 같은 방식의 위성통신이다. 11개의 정지궤도 통신위성과 휴대용 단말기를 이용한 음성 및 데이터 통신 서비스를 제공한다.
NEO-6M-0-001 GPS 모듈을 사용하였고 이 모듈은 TX, RX 핀을 사용하여 단말 장치의 제어기와 UART 포트로 연결하였다. 이 모듈은 위성으로부터 GPS 값을 받아와 필요한 데이터인 위도 경도값만 파싱하여 일정한 시간 간격으로 서버로 보내주어 사용자가 위도 경도값을 파악하여 위치를 확인할 수 있도록 한다.
PCF8591 ADC/DAC 모듈을 사용하였고 이 모듈은 SDA, SCL 핀을 사용하여 단말 장치의 제어기와 I2C 포트로 연결하였다. 이 모듈은 서버로부터 사용자가 입력한 값을 받아와 Digital을 Analog로 AOUT 포트를 통하여 출력하고 Analog 입력을 받는 AIN 포트를 사용하여 서버로 값을 전송 후 사용자에게 값을 표시해준다.
SM-2500 위성 모뎀을 제어하고 통신하기 위한 단말 장치의 제어기의 Micro processor로 라즈베리 파이를 선정하였다. 위성 통신을 위하여 PPP 프로토콜을 사용해야 하는데 단말 장치의 제어기에 리눅스를 설치하여 쉽게 제어할 수 있도록 하였다.
메시지 전송 후 단말 장치에서 성공적으로 메시지를 읽어 오면 TCP/IP 소켓통신으로 Input 데이터인 4개 LED의 On/Off 제어, 16x2 캐릭터 LCD의 메시지 출력, DAC의 출력 이렇게 3개의 Input 데이터를 제어할 수 있으며 Output 데이터인 4개의 DIP　Switch의 상태확인, 측정된 ADC의 값, 온도, 습도정보, GPS 위치 정보, 3축 가속도 센서의 현 상태 정보를 확인할 수있다. 각 데이터들은 위의 Sampling time을 설정하고 “Set” 하여 사용자가 단말 장치 제어기의 데이터 송신 주기를 설정할 수 있어 요금 절약을 할 수 있다 [7].
본 논문에서 사용하는 위성은 Thuraya 위성으로 2000년 10월부터 상용 서비스를 개시하였다. 현재는 적도 상공 25,786, km에서 2기의 통신용 정지궤도 위성으로 운영하고 있고 유럽, 중동, 아프리카, 한국 등 아시아 전역을 통화권역으로 약 110개국에서 서비스를 이용할 수 있다.

이론/모형

SM-2500 인공위성 모뎀과 통신 및 제어와 다양한 I/O 장치 들을 제어하고 송수신할 데이터들을 관리하기 위하여 단말 장치의 제어기에서 Python을 사용한다. 단말 장치의 제어기를 구동시키기 위한 OS로 Raspbian 이라는 무료 배포 OS를 설치하였으며 이 Raspbian OS에는 Python이 기본적으로 설치되어있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Thuraya 정지궤도 위성을 이용한 원격 제어 및 계측 시스템을 구성하는 세 가지 부분은 무엇인가?	Thuraya 정지궤도 위성을 이용한 원격 제어 및 계측 시스템은 위성 부분, 단말 장치의 제어기 부분, 서버 부분 이렇게 크게세 가지로 나눌 수 있으며 그림 2의 DCE (data communications equipment) 부분은 Thuraya 통신 모뎀으로 구성되어 있으며, 그리고 DTE(data terminal equipment) 부분은 단말 장치의 제어기와 I/O 장치들로 구성되어 있다 [3].
	위성통신은 이동통신처럼 많은 사람이 사용하지는 않으나 무엇을 위하여 꼭 필요한 기술인가?	위성통신은 이동통신처럼 많은 사람이 사용하지는 않으나 군사용, 재난용, 원격 교육용 및 의료용, 도서 지역, 인프라 취약 지역에서의 인터넷 제공 등 공공성, 통신서비스를 위하여 꼭 필요한 기술이다. 하지만 선박이나 항공기에서는 기지국이 필요한 휴대용 이동통신들은 사용 불가능하거나 사용에 제한을 받는다.
	국내에서 접할 수 있는 위성통신 중 글로벌 스타의 장단점은 무엇인가?	국내에서 접할 수 있는 위성통신은 4종류 정도가 있다. 첫 번째로는 글로벌 스타(global star)는 저궤도 위성으로 감도와 송수신 속도가 빠른 장점이 있으나 수단을 포함한 아프리카 중부, 남부는 커버리지에서 제외된다. 두 번째로는 Iridium은 글로벌 스타와 같이 저궤도 인공위성을 통하여 전 세계 거의 모든 지역에서 통화가 가능하나 가격이 비싸고 위성 수명이 2014년부터 종료되기 시작한다.

참고문헌 (7)

Berman, Highlights in Space 2007: Progress in Space Science Technology and Applications International Cooperation and Space Law, Ohio State, USA : United Nations Publications, 2008.
F. Dimc and G. Baldini, "Experimental detection of mobile satellite transmissions with cyclostationary features," International Journal of Satellite Communications and Networking, Vol. 33, No. 2, pp.163-183, Mar. 2015.

상세보기
S. Ferdoush and X. Li, "Wireless sensor network system design using Raspberry Pi and Arduino for environmental monitoring applications," Procedia Computer Science, Vol. 34, pp. 103-110, 2014.

상세보기
D. A. Sunderland, G. L. Ducan and B.J. Rasmussen, "Megagate ASICs for the Thuraya satellite digital signal processor," in Proceedings International Symposium on Quality Electronic Design, San Jose: CA, pp. 1-8, Mar. 2002.
J. M. Kang, J. W. Jung, M. S. Kim and W. J. Oh, "Design and implementation of ${\pi}/4$ QPSK satellite IP modem part", The Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 11, No. 10, pp. 1858-1865, 2007.
Teach, Learn, and Make with Raspberry Pi - Raspberry Pi. Raspberry Pi Documentation [Internet]. Available: https://www.raspberrypi.org/documentation/.
Thuraya $\mid$ Satellite Communication $\mid$ Company Satellite Mobile Phones. Thuraya IOT/M2M [Internet]. Available: https://www.thuraya.com/.

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
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