[논문]LoRaWAN IoT 원격검침장치 개발

박재삼

doi:10.13067/jkiecs.2020.15.5.913

LoRaWAN IoT 원격검침장치 개발
Development of LoRaWAN IoT Automatic Meter Reading Systems 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.15 no.5, 2020년, pp.913 - 922

박재삼 (인천대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 무라타 전자의 LoRa RF 모듈을 이용한 LoRa 통신모듈을 설계하여 디지털미터기에 장착하는 구성과, 다수의 미터기 데이터를 DCU(Data Concentrate Unit)에서 정합하여 LoRaWAN 으로 네트워크를 구성하는 원격검침 네트워크 구성 방법을 제시한다. 개발된 시스템은 수요자의 구성에 따라 미터기를 직접 네트워크에 연결하거나 DCU로 정합하여 네트워크에 연결하도록 선택가능하게 함으로써 기존 시스템 보다 네트워크 구성에 있어서 용이하고 경제적으로 설치가능하다. 개발된 시스템은 디지털수도미터기를 예로하여 구성하였지만 전기, 수도, 가스, 온수 및 난방 등 타계량기의 계량값을 원격검침 하는데도 적용가능하다. 주요개발 내용은 디지털미터기, LoRa 모듈, DCU 설계, 구성 및 제작과 LoRaWAN 네트워크 연결, 미터 데이터를 서버로 전송하는 방법이며, 이들 요소들을 연계하여 시스템을 구성하고 실제 LoRaWAN 통신을 테스트하고 그 결과를 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a LoRa communication module using the LoRa RF module of Murata Electronics is designed to configure the IoT digital meter remote meter reading and a method of configuring a remote meter reading network by collecting multiple meter data in a DCU (Data Concentrate Unit) to configure a network with LoRaWAN. The developed system can be installed more easily and economically in the network configuration than the existing system by allowing the meter to be directly connected to the network or matched with a DCU to connect to the network according to the configuration of the consumer. The developed system was constructed using a digital water meter as an example, but it can also be applied to remote meter reading of the metered values of other meters such as electricity, water, gas, hot water and calorie meters. The main development contents are the design, configuration, and construction of digital meters, LoRa modules and DCUs, and how to connect the LoRaWAN network and transmit meter data to the server. By networking these devices, the system is configured, and the actual LoRaWAN communication is tested and the result is shown.

주제어

표/그림 (15)

그림 (a) 미터-로라 형태 (b) DCU-로라 형태 그림 1. 시스템 구성 (a) Meter-LoRa Type (b) DCU-LoRa Type Fig. 1 Structure of developed system
그림 그림 2. 디지털수도미터기의 구성 Fig. 2 Structure of digital water meter
그림 그림 3. 로라통신보드 회로도 Fig. 3 Circuit Diagram of the LoRa RF Board
그림 그림 4. 디지털수도미터와 LoRa 통신모듈 연결 Fig. 4 The Connection of LoRa RF module and watermeter
그림 그림 5. DCU의 구성 Fig. 5 Structure of DCU
그림 그림 6. 제작된 DCU 사진 Fig. 6 A Picture of the assembled DCU
그림 그림 7. 멀티텍사의 LoRaWAN 게이트웨이 Fig. 7 LoRaWAN Gateway by Multitech
그림 그림 8. Node-RED 데이터 송수신 모니터링 Fig. 8 Tx and Rx Monitoring using Node-RED
그림 그림 9. LoRa AT Tool 송수신상태 모니터링 Fig. 9 Tx and Rx Monitoring using LoRa AT Tool
그림 그림 10. 수도미터와 서버간 데이터 전달 과정 Fig. 10 Data Flow between Water Meters and a Server
그림 그림 11. 수도미터, DCU 및 서버 간 데이터 전달 과정 Fig. 11 Data Flow among Water Meters, a DCU and a Server
표 표 1. DCU-수도미터 간 프로토콜 Table 1. Communication Protocols between DCU and Water Meter
표 표 2. 서버-DCU 간 프로토콜 Table 2. Communication Protocols between Server and DCU
그림 그림 12. LoRa 전송거리 시험 위치 Fig. 12 Location of the LoRa transmission distance test
표 표 3. LoRa 전송거리 시험 결과 Table 3. LoRa transmission distance test result

AI 본문요약
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문제 정의

통합 성능테스트의 목적은 LoRa 무선네트워크의 데이터 전달 성능과 다수의 디지털미터기들의 전송한 데이터를 확인하고, 전송된 데이터와 연동하는 DCU들의 유기적인 동작 상태를 확인함에 있다. 또한 다수의 디지털미터기 및 DCU와 서버간 전송된 데이터들의 Packet Error Rate를 분석하여 시스템의 신뢰성을 확인하고 LoRa Network를 기반으로 한 통합시스템이 대단위 가정을 위한 검침 시스템으로서의 적합성 여부를 시험하는데 있다.
본 논문에서는 무라타 전자의 LoRa RF 모듈을 이용하여 LoRa 통신모듈을 설계하고 이를 디지털미터기에 장착하여 LoRaWAN 네트워크로 서버에서 원격검침을 수행하는 방법과, 미터기 데이터를 DCU에서 정합하여 LoRa 통신을 이용한 LoRaWAN 네트워크를 구성하여 원격검침을 구성하는 방법을 개발하였다. 이에따라, 수요자의 필요성에 따라 미터기를 직접 네트워크에 연결하거나 DCU로 정합하여 네트워크에 연결하도록 선택가능하게 할 수 있다.
본 논문에서는, 스마트 그리드 및 스마트시티 확장으로 전기, 수도, 가스 등의 사용량 검침이 현장검침원에서 원격검침(AMR: Automatic Meter Reading) 및 첨단계량인프라(AMI: Advanced Metering Infrastructure)로 급격히 변화되고 있음에도 불구하고, 기존 원격검침 시스템이 RS485 통신 등의 유선통신 방식을 주로 사용하고 있음에 감안하여[3,4,5], LoRa 통신 모듈을 사용한 LoRaWan 원격검침 시스템 개발을 제시한다.
통합 성능테스트의 목적은 LoRa 무선네트워크의 데이터 전달 성능과 다수의 디지털미터기들의 전송한 데이터를 확인하고, 전송된 데이터와 연동하는 DCU들의 유기적인 동작 상태를 확인함에 있다. 또한 다수의 디지털미터기 및 DCU와 서버간 전송된 데이터들의 Packet Error Rate를 분석하여 시스템의 신뢰성을 확인하고 LoRa Network를 기반으로 한 통합시스템이 대단위 가정을 위한 검침 시스템으로서의 적합성 여부를 시험하는데 있다.

제안 방법

데이터정합장치(DCU)와 LoRa 전송모듈 역시 본 논문을 위하여 자체 설계 제작하였다. 4개의 디지털수도미터기와 1개의 DCU를 제작하여 시스템을 구성하였으며 DCU는 LoRa 통신모듈로 LoRaWAN 게이트웨이와 통신하도록 설정하였다. DCU가 서버로 부터 제어명령을 제어하는 장치는 알람 및 미터기 잠금 등 다양한 적용이 가능하지만 본 테스트에서는 제어명령데이터를 받아 RS485로 전송할 수 있는 포트를 구성하여 테스트하였다.
4개의 디지털수도미터기와 1개의 DCU를 제작하여 시스템을 구성하였으며 DCU는 LoRa 통신모듈로 LoRaWAN 게이트웨이와 통신하도록 설정하였다. DCU가 서버로 부터 제어명령을 제어하는 장치는 알람 및 미터기 잠금 등 다양한 적용이 가능하지만 본 테스트에서는 제어명령데이터를 받아 RS485로 전송할 수 있는 포트를 구성하여 테스트하였다. 통신을 위한 게이트웨이는 멀티텍사의 MultiConnect Conduit을 사용하였고 서버의 소프트웨어는 DCU 및 디지털미터기의 검침 수신 데이터를 저장하고 제어명령 데이터를 발생하도록 비주얼베이직으로 작성하였다.
제작된 LoRa 통신모듈을 포함한 DCU의 업링크, 다운링크의 상황을 그림 9와 같이 Uart 통신을 이용하여 LoRa AT Tool로 간단하게 확인할 수 있다. Dev EUI(Device Extended Unique Identifier)와 App EUI(Aplication Extended Unique Identifier), App Key와 LoRaWAN Class 및 LoRa의 기본적인 설정들이 End Device에 프로그램된 파라메터와 동일한 지를 확인하고 데이터 전송 상태를 시험한다..
LoRaWAN 통합 시스템 테스트를 위하여 디지털미터기와 데이터정합장치(DCU)를 LoRaWAN 네트워크를 구성하고 미터기의 검침데이터와 미터기의 상태 데이터를 웹서버에 저장하고 분석하여 제어명령을 DCU에 전송하도록 구성하였다.
LoRaWAN 통합 시스템 테스트에서 각각의 디지털미터기에서 데이터를 읽는 테스트를 30초에 1개의 데이터를 읽는 방식으로 24시간 데이터를 서버로 전송하여 Packet Error Rate를 분석하였다.
구성된 LoRa 무선 네트워크 시스템은 DCU가 디지털수도미터로 부터 수집된 데이터를 게이트웨이에 Uplink하고 Node-RED를 이용하여 Uplink된 데이터를 저장 및 분석하여 필요시 Downlink를 통하여 DCU에 제어명령을 전송하는 방식이다. Node-RED를 이용하여 시스템의 하드웨어와 LoRa 네트워크가 정상적으로 동작하는가 확인 후 시스템 동작 소프트웨어를 비주얼베이직을 이용하여 작성하였다.
각 디지털수도미터기를 분류하기 위해서 Dev EUI 00:00:00:00:00:00:00:00의 마지막 숫자에 번호를 각각의 미터기에 부여하여 구분하였다.
개발된 시스템이 정상적으로 동작하는가를 테스트하기 위하여 먼저 그림 1과 같이 LoRa 사설 네트워크로 구성하여 성능을 시험한다. 구성된 LoRa 무선 네트워크 시스템은 DCU가 디지털수도미터로 부터 수집된 데이터를 게이트웨이에 Uplink하고 Node-RED를 이용하여 Uplink된 데이터를 저장 및 분석하여 필요시 Downlink를 통하여 DCU에 제어명령을 전송하는 방식이다.
테스트에 사용된 미터기는 디지털수도미터기로서본 테스트를 위하여 자체적으로 제작하였다. 데이터정합장치(DCU)와 LoRa 전송모듈 역시 본 논문을 위하여 자체 설계 제작하였다. 4개의 디지털수도미터기와 1개의 DCU를 제작하여 시스템을 구성하였으며 DCU는 LoRa 통신모듈로 LoRaWAN 게이트웨이와 통신하도록 설정하였다.
먼저, 디지털수도미터기가 유량센서의 센싱신호를 받아 사용유량 계산한다. 수도미터기는 DCU로 부터 사전 설정된 시간의 주기로 데이터 요구가 오면 DC-PLC 통신부를 통해 DCU로 전달한다.
본 논문에서 사용된 게이트웨이는 그림7에 보여주는 Multitech 사의 MultiConnector Conduit을 사용하였으며 LoRa 국내 요구사항인 LBT (Listen Before Talk)를 적용하기 위하여 게이트웨이에 장착된 RF모듈(mCard)의 Firm ware를 FPGA v3.3으로 업데이트하였으며 LBT를 활성화 시켰다. 게이트웨이인 Multi Connector Conduit은 Node-RED를 이용하여 Graphical 프로그램으로 코딩할 수 있으며 그림 8과 같이 Node-RED로 프로그램 하여 업링크된 데이터를 모니터링하고 필요시 DCU에 제어명령을 하향전송 할 수 있다.
본 논문에서 사용한 LoRa 망은 사설LoRa망 (Private LoRa Network)을 사용하여 LoRaWan 라우터를 통하여 인터넷으로 연결하였다. 한국에서는 SKT가 LoRa 기지국을 전국적으로 설치하여 사용하고 있으므로, SKT 망에 연결할 수도 있지만, 이 경우 LoRa 망 사용료가 추가되어야 하고, 또한 본 시스템을 LoRa 망이 없는 국외에서 설치할 경우 문제가 되므로 LoRa 라우터를 통하여 인터넷으로 연결하는 방식을 사용함으로써 이 문제를 해결하였다.
본 논문에서, 무선 통신부는 그림 3에서 설명한 LoRa 통신모듈로 구현하였다. 이에따라, LoRa 게이트웨이로 구현되는 무선 통신 게이트웨이가 상기 생성된 해당 미터기 데이터 신호를 수신하고, 무선 통신 게이트웨이에 이더넷(인터넷) 으로 연결된 서버에 해당 미터데이터 신호를 송신한다.
이에따라, LoRa 게이트웨이로 구현되는 무선 통신 게이트웨이가 상기 생성된 해당 미터기 데이터 신호를 수신하고, 무선 통신 게이트웨이에 이더넷(인터넷) 으로 연결된 서버에 해당 미터데이터 신호를 송신한다. 본 논문에서, 서버는 PC로 구성하였으며 비주얼베이직으로 서버프로그램을 작성하였다.
LoRaWAN 통합 시스템 테스트에서 전송거리는 중요하다. 본 테스트에서는 그림 12에서 보는 바와 같이 영종도 증산동의 아파트에 수도미터기와 DCU를 설치하고 LoRaWAN 게이트웨이를 노트북에 연결하여 차량을 이용하여 이동하며 테스트를 하였고 그 결과를 표 3에 보여준다.
서버는 매일 1회, 매일 2회, 매 시간 등 사전 설정된 주기 마다 DCU 식별 번호를 포함하여 DCU로 검침데이터 요구 신호를 전송한다. 이 신호는 이에 대응하여, DCU는 미터기에 검침데이터 신호를 요청할 수 있고, 또는 자신이 가지고 있는 검침데이터를 서버로 전달한다.
6Km로 비 가시거리의 위치이고 구읍 뱃터 안쪽에 호텔등을 포함한 10층 이상의 건물들이 밀집된 지역이다. 테스트시 30초 마다 미터기 검침데이터를 서버에서 요청하는 방식으로 각각의 지점에서 총 100회의 데이터를 전송하여 테스트 하였다. 표 3에서 보는 바와 같이 테스트 지점에서의 모든 데이터는 성공적으로 전송됨을 확인 하였다.
테스트에 사용된 미터기는 디지털수도미터기로서본 테스트를 위하여 자체적으로 제작하였다. 데이터정합장치(DCU)와 LoRa 전송모듈 역시 본 논문을 위하여 자체 설계 제작하였다.
DCU가 서버로 부터 제어명령을 제어하는 장치는 알람 및 미터기 잠금 등 다양한 적용이 가능하지만 본 테스트에서는 제어명령데이터를 받아 RS485로 전송할 수 있는 포트를 구성하여 테스트하였다. 통신을 위한 게이트웨이는 멀티텍사의 MultiConnect Conduit을 사용하였고 서버의 소프트웨어는 DCU 및 디지털미터기의 검침 수신 데이터를 저장하고 제어명령 데이터를 발생하도록 비주얼베이직으로 작성하였다.
본 논문에서 사용한 LoRa 망은 사설LoRa망 (Private LoRa Network)을 사용하여 LoRaWan 라우터를 통하여 인터넷으로 연결하였다. 한국에서는 SKT가 LoRa 기지국을 전국적으로 설치하여 사용하고 있으므로, SKT 망에 연결할 수도 있지만, 이 경우 LoRa 망 사용료가 추가되어야 하고, 또한 본 시스템을 LoRa 망이 없는 국외에서 설치할 경우 문제가 되므로 LoRa 라우터를 통하여 인터넷으로 연결하는 방식을 사용함으로써 이 문제를 해결하였다.

대상 데이터

그림 5에 보는 바와 같이, 본 논문에서 개발된 DCU는 저장부, DC-PLC 통신부, 제어부, 무선 통신부, 유선 통신부, 외부기기 제어부, ID 설정부 및 전원공급부를 포함하고 있다. 여기에서, DCU의 ID 설정부는 8비트의 데이터로 구성되는 ID(즉, 식별 번호)를 생성한다.
본 논문에서는 LoRa 통신을 위하여 사설망 또는 SKT 망과도 연동할 수 있는 무라타 전자의 LoRa RF 모듈 CMWX1ZZABZ-078을 사용하였다. 무라타 전자의 LoRa RF 모듈은 셈텍사의 LoRa RF Transceiver IC로 SX1276을 사용하였고 제어를 위한 MCU는 STM32 시리즈를 사용하였으며 국내 SKT사의 LoRa 인증을 취득한 LoRa RF 모듈이다[8-10]. 그림 3에 CMWX1ZZABZ-078을 사용한 로라통신보드 회로도를 보여주고, 그림 4에 디지털수도미터기와 LoRa 통신보드 연결 사진을 보여준다.
본 논문에서는 LoRa 통신을 위하여 사설망 또는 SKT 망과도 연동할 수 있는 무라타 전자의 LoRa RF 모듈 CMWX1ZZABZ-078을 사용하였다. 무라타 전자의 LoRa RF 모듈은 셈텍사의 LoRa RF Transceiver IC로 SX1276을 사용하였고 제어를 위한 MCU는 STM32 시리즈를 사용하였으며 국내 SKT사의 LoRa 인증을 취득한 LoRa RF 모듈이다[8-10].

성능/효과

개발된 시스템은 디지털수도미터기를 예로하여 구성하였지만 전기, 수도, 가스, 온수 및 난방 등 타계량기의 계량값을 원격 검침 하는데도 적용가능하다. 개발된 디지털미터기, LoRa 모듈, DCU들을 LoRaWAN 및 서버 네트워크 연결 구성하여 실제 필드에서 LoRaWAN 통신을 테스트시 시스템 패킷 전송오류시험, 전송거리시험 시험을 하여 모두 양호한 결과를 보임으로써 실제 적용이 가능함을 확인 하였다.
첫번째 방법은 시공이 용이하나 통신에 배터리를 사용하여야 하는 단점이 있고, 두번째 방법은 검침시스템의 비용을 절감하고 계량기의 전원공급을 원할히 할 수 있어 한번 설치로 계량기 교체시까지 전원의 문제없이 동작이 가능한 반면 설치에 약간의 불편이 따른다. 개발시스템은 서버와 LoRa 무선통신 및 인터넷 통신으로 서버에서 이타베이스의 전송, 변환, 기록 등을 할 수 있으며 원격검침 뿐만 아니라 추후 원격제어가 가능하도록 할 수 있고, 다양한 계량값의 측정이 가능하여 첨단계량인프라(AMI) 등에서 필요한 시간대 별 다른 요금을 적용 할 수 있는 기능이 가능하다.
이는 건물에 의한 통신장애가 어느 정도 있음을 알수있다. 결과를 보면 실제 적용시 LoRa 안테나를 건물 외부에 설치하고 LoRaWAN 게이트웨이도 건물 외부에 설치하여 통신할 경우 대규모 아파트 단지에서도 1.5Km 정도의 거리에서는 무난히 통신이 가능할 것으로 사료 된다.

후속연구

이에따라, 수요자의 필요성에 따라 미터기를 직접 네트워크에 연결하거나 DCU로 정합하여 네트워크에 연결하도록 선택가능하게 할 수 있다. 개발된 시스템은 디지털수도미터기를 예로하여 구성하였지만 전기, 수도, 가스, 온수 및 난방 등 타계량기의 계량값을 원격 검침 하는데도 적용가능하다. 개발된 디지털미터기, LoRa 모듈, DCU들을 LoRaWAN 및 서버 네트워크 연결 구성하여 실제 필드에서 LoRaWAN 통신을 테스트시 시스템 패킷 전송오류시험, 전송거리시험 시험을 하여 모두 양호한 결과를 보임으로써 실제 적용이 가능함을 확인 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LoRaWAN의 보완체계는 어떠한가?	일반적으로 LoRa는 배터리로 수년간 구동이 가능하고 약 10Km 이내의 통신범위가 가능하며 하나의 LoRa 모듈에 여러종류의 IoT 센서를 장착할 수 있다. 특히 LoRaWAN은 AES128비트 암호화를 사용하며 2개의 독립적 보안 계층인 네트워크 세션 키(NwkSKey)와 응용 세션 키(AppSKey)를 제공함으로서 보안체계도 좋은 편이다[1].
	LoRaWAN이란 무엇인가?	LoRaWAN은 저전력, 장거리 네트워크 (LPWAN: Low Power Wide Area Network) 프로토콜로서, 배터리로 동작되는 사물을 인터넷에 무선으로 연결하도록 설계되어 산업, 과학 및 의료 (ISM) 대역의 무허가 무선 스펙트럼을 활용 가능하도록 한다. 이 사양은 LoRa 물리 계층 매개 변수와 LoRaWAN 프로토콜의 장치 간 인프라를 정의하고 장치 간의 완벽한 상호운용성을 제공함으로써, LoRa의 저전력, 장거리 통신망의 응용 분야를 확장 가능하도록 한다[1].
	LoRaWAN의 데이터 전송률은?	LoRa는 15 Km 이상의 거리 통신과 최대 1백만 노드 수용이 가능하다. 그러나 저전력 및 장거리의 조합은 데이터 전송률을 최대 50 Kbps/sec로 제한한다. 이에 따라 LoRa 는 데이터 전송량이 적은 IoT 응용분야에 적합하다[2].

참고문헌 (14)

J. Kim, "LoRaWAN technology and domestic and overseas market trends," AI Nework Lab. Nework Technology Trend Report, no. 8, 2018.
J. Lim, J. Lee, D Kim, and J. Kim, "Performance Analysis of LoRa(Long Range) according to the Distances in Indoor and Outdoor Spaces", Journal of Korean Institute of Information Scientists and Engineers , vol. 44, no. 7, July, 2017, pp. 733-741.
J. Park, "Development of Automatic Meter Reading and Meter Data Management System for Advanced Metering Infrastructure," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 12, no. 5, Oct. 2017, pp. 829-836.
J. Park, "AMI System Using Smart Electricity Meter Embedded with Home Concentrate Unit," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 14, no. 3, June 2019, pp. 537-546.
S. Lee, "Design and Application of LoRa-based Network Protocol in Mobile IoT Networks," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 14, no. 6, Dec. 2019, pp. 1089-1096.
H. Kim, "A Study on The Real-Time Data Collection/Analysis/Processing Intelligent IoT," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 14, no. 2, Apr. 2019, pp. 317-322.
K. Park, "Implement of a Watt-Hour Meter Monitoring System using Powerline Communication," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 8, no. 8, Aug. 2013, pp. 1143-1148.
Kanazawa Murata Manufactureing Co., Ltd., "Design guide book for pattern antenna - 900MHz band," Design guide book, 2017.
Kanazawa Murata Manufactureing Co., Ltd., "LoRa Module," Data sheet, Feb. 2017.
Kanazawa Murata Manufactureing Co., Ltd., "CMWX1ZZABZ(TypeABZ)", Harware design guide, Dec. 2016.
Samwoo Eleco, "LoRa AT Command," Manual, Revision 1.0.4, Feb. 2018.
Samwoo Eleco, "LoRa AT PC Program," Manual, Revision 1.0.7, Mar. 2018.
Samwoo Eleco, "LoRaWAN Livrary," Manual, Revision 1.0.3, Nov. 2017.
Samwoo Eleco, "LoRa," User Manual, Revision 1.0.3, Feb. 2018.

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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