[논문]스마트워터그리드를 위한 LoRa IoT 원격검침 및 계량데이터 시스템 개발

박정원; 박재삼

doi:10.12673/jant.2022.26.3.172

[국내논문] 스마트워터그리드를 위한 LoRa IoT 원격검침 및 계량데이터 시스템 개발
Development of LoRa IoT Automatic Meter Reading and Meter Data Management System for Smart Water Grid 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.26 no.3, 2022년, pp.172 - 178

박정원 (인천대학교 전자공학과) , 박재삼 (인천대학교 전자공학과)

초록
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본 논문은 스마트워터그리드의 핵심기술 중 하나인 수도미터 원격검침(AMR)을 LoRa IoT 네트워크를 이용하여 구현하는 방법에 대한 연구이다. 연구의 주된 내용은 한 대의 PC 서버에서 LoRa 통신으로 다수 세대의 수도미터기 검침 값을 수신받아 데이터베이스에 저장하는 한편 인터넷을 통하여 웹 서버의 클라우드 저장을 하여 사용자의 스마트폰으로 검침 데이터를 열람할 수 있는 네트워크를 구성하는 시스템을 개발하고 테스트 결과를 보인다. 시스템 구성을 위하여 디지털 수도미터기 메인보드의 하드웨어와 펌웨어를 자체적으로 설계 제작하고, PC 서버프로그램으로서 계량데이터운용시스템(MDMS) 프로그램을 비주얼 C#으로, 사용자 스마트폰에서 구동되는 앱 프로그램은 안드로이드 스튜디오로 자체 설계 제작한다. 제작된 각각의 구성을 연결하여 전체 시스템을 실험실 내의 유량 테스트벤치에 장착하여 테스트하여 결과를 보이고, 실제 사용환경 테스트를 위하여 대학 주변의 5곳을 선정하여 전송 거리 테스트를 하여 개발된 시스템이 실사용 현장에 사용 가능함을 보인다. 본 연구결과는 워터그리드에서 충분히 활용할 수 있어 물 사용량 소비패턴, 위치 정보 등을 분석하여 효과적인 물 사용량 관리뿐만 아니라 독거, 치매 어르신 등이 정상적인 생활을 하는지를 추정까지 가능하다는 등 다양한 사회안전망으로도 확대 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, water meter AMR(automatic meter reading), one of the core technologies of smart water grid, using LoRa IoT network is studied. The main content of the research is to develop the network system and show the test results that one PC server receives the readings of water meters from multiple households through LoRa communication and stores them in the database, and at the same time sends the data to the web server database through internet. The system also allows users to monitor the meter readings using their smartphones. The hardware and firmware of the main board of the digital water meter are developed. For a PC server program, MDMS(meter data management system) is developed using Visual C#. The app program running on the user's smartphone is also developed using Android Studio. By connecting each developed parts, the total network system is mounted on a flow test bench in the laboratory and tested. For the fields test, 5 places around the university are selected and the transmission distances are tested. The test result show that the developed system can be applied into the real field. The developed system can be expanded to various social safety nets such as monitoring the living alone or elderly with dementia.

주제어

표/그림 (12)

그림 그림 1. LoRa IoT 원격검침 시스템의 전체 구성도 Fig. 1. Diagram of LoRa IoT Remote Meter Reading System
그림 그림 2. LoRa IoT 원격검침 시스템의 데이터 흐름도 Fig. 2. Data Flow Chart of LoRa IoT Remote Meter Reading System
그림 그림 3. (a) 디지털 수도미터기와 LoRa 통신 모듈 연결 모습, (b) 디 지털 수도미터기의 메인보드 Fig. 3. (a) Connection of Digital Water Meter and LoRa Communication Module, (b) Main Board of Digital Water Meter
그림 그림 4. (a) RYLR896 LoRa 통신 모듈, (b) LoRa 통신모듈 구성도 Fig. 4. (a) RYLR896 LoRa Communication Module, (b) Diagram of LoRa Module Communication
그림 그림 5. LoRa 모듈 통신연결 Fig. 5. LoRa Module Communication Connection
그림 그림 6. MDMS 전 세대 표출 화면 Fig. 6. MDMS Display Screen for All Households MDMS display screen for all generations
그림 그림 7. MDMS 특정 세대 표출 화면 Fig. 7. MDMS Display Screen for a Specific Household
그림 그림 8. MDMS 특정 세대 사용량 추이 그래프 표출 화면 Fig. 8. MDMS Display Screen of usage trend Specific Household
그림 그림 9. 웹 서버 MySQL 연결 앱 프로그램 실행 화면 Fig. 9. Web Server MySQL Connection App Program Execution Screen
그림 그림 10. LoRa IoT 원격검침 시스템 테스트 장면 Fig. 10. LoRa IoT Remote Meter Reading System Test
그림 그림 11. LoRa 전송 거리 시험 위치 Fig. 11. Location of the LoRa Transmission Distance Test
표 표 1. LoRa 전송 거리 시험 결과 Table 1. LoRa Transmission Distance Test Result

AI 본문요약
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문제 정의

통합 성능 테스트의 목적은 LoRa 무선네트워크의 데이터 전달 성능을 확인하고, 서버에서 LoRa 통신으로 다수의 디지털 수도미터기들로부터 검침 데이터를 주기적으로 이상 없이 수신하여 서버의 데이터베이스에 저장하는가와 이 데이터를 인터넷을 통하여 웹 서버로 전송 저장하는가 및 스마트폰에서 웹 서버의 데이터베이스에 접속하여 각 세대의 검침량 확인이 가능한가를 종합적으로 확인함에 있다. 또한, 다수의 디지털 수도미터기와 PC 서버 간, PC 서버와 웹 서버 간 및 웹 서버와 스마트폰 간에 전송된 데이터들의 패킷 에러율을 분석하여 시스템의 신뢰성을 확인하고 LoRa 네트워크를 기반으로 한 시스템이 대단위 세대를 위한 검침 시스템으로 사용 가능한가를 시험하는 데 있다. 10개의 디지털 수도미터기를 수도미터기 사용량 테스트벤치에 그림 10에서 보는 바와 같이 장착하여 유량을 통과시키며 24시간 동안 매5분마다 PC 서버에서 각 미터기의 검침 값을 자동으로 읽도록 세팅하여 실제 검침량과 비교하였다.
본 논문에서는 각 세대의 수도미터기를 원격으로 검침할 수 있는 LoRa IoT 원격검침 시스템을 개발하고 이에 대한 적합성 테스트를 하였다. 시스템 구성은 한 대의 PC 서버에서 LoRa 통신으로 다수 세대의 수도미터기 검침 값을 수신 받아 데이터베이스에 저장하는 한편 인터넷을 통하여 웹 서버의 클라우드 저장을 하여 사용자의 스마트폰으로 검침 데이터를 열람할 수 있는 네트워크를 구성하였다.
서버가 인터넷에 연결되어 있고 클라우드(웹 서버 MySQL)가 연결되어 있으면 수도미터기에서 전송받은 검침 데이터는 인터넷을 통하여 클라우드에 즉시 전송 저장된다. 본 연구에서는 각 세대의 사용자가 원격에서 스마트폰으로 검침 데이터를 읽어 볼 수 있도록 하는 스마트폰 앱 프로그램을 개발하였다. 개발된 앱 프로그램을 사용자의 스마트폰에 설치하고, 웹 서버 MySQL에 접속하면 원격에서 자신의 스마트폰으로 해당 세대의 계량 검침 값을 열람할 수 있다.
통합 성능 테스트의 목적은 LoRa 무선네트워크의 데이터 전달 성능을 확인하고, 서버에서 LoRa 통신으로 다수의 디지털 수도미터기들로부터 검침 데이터를 주기적으로 이상 없이 수신하여 서버의 데이터베이스에 저장하는가와 이 데이터를 인터넷을 통하여 웹 서버로 전송 저장하는가 및 스마트폰에서 웹 서버의 데이터베이스에 접속하여 각 세대의 검침량 확인이 가능한가를 종합적으로 확인함에 있다. 또한, 다수의 디지털 수도미터기와 PC 서버 간, PC 서버와 웹 서버 간 및 웹 서버와 스마트폰 간에 전송된 데이터들의 패킷 에러율을 분석하여 시스템의 신뢰성을 확인하고 LoRa 네트워크를 기반으로 한 시스템이 대단위 세대를 위한 검침 시스템으로 사용 가능한가를 시험하는 데 있다.

제안 방법

또한, 다수의 디지털 수도미터기와 PC 서버 간, PC 서버와 웹 서버 간 및 웹 서버와 스마트폰 간에 전송된 데이터들의 패킷 에러율을 분석하여 시스템의 신뢰성을 확인하고 LoRa 네트워크를 기반으로 한 시스템이 대단위 세대를 위한 검침 시스템으로 사용 가능한가를 시험하는 데 있다. 10개의 디지털 수도미터기를 수도미터기 사용량 테스트벤치에 그림 10에서 보는 바와 같이 장착하여 유량을 통과시키며 24시간 동안 매5분마다 PC 서버에서 각 미터기의 검침 값을 자동으로 읽도록 세팅하여 실제 검침량과 비교하였다. 그 결과 PC 서버프로그램에서 데이터 수신 성공률과 정확성은 100%이었고, 모든 수신데이터는 웹 서버 데이터베이스로 이상 없이 전송되어 저장됨을 확인하였다.
MDMS의 주요기능은 주기적으로 또는 필요시 수동으로 미터기에 검침 값을 요청하여, 전송되는 검침 값을 수신하여 데이터베이스에 저장하고, 그 결과를 화면에 보여주는 것이다. 본 논문의 MDMS는 Visual C#으로 작성하였으며, Window 환경으로 편리한 시각편집과 마우스만으로 모든 기능이 수행될 수 있도록 하였다. 검침 데이터는 추후 요금계산 처리 및 고지서 발부 등 다양한 보고서용 데이터로 사용할 수 있다.
전송 거리 시험을 위하여 그림 11에서 보는 바와 같이 대학 실험실에 PC 서버를 위치하고 LoRa 모듈이 장착된 디지털 수도미터기를 대학 주변 위치를 변경하며 전송 거리 시험을 하였다. 본 시스템 테스트에서는 두 개의 디지털 수도미터기에서 데이터를 읽는 테스트를 1분 간격으로 1개의 데이터를 읽는 방식으로 장소마다 100개의 데이터를 수신하여 패킷 에러율을 분석하였다.
본 연구에서 개발된 LoRa IoT 원격검침 시스템 테스트를 위하여 디지털 수도미터기와 PC 서버에 각각 LoRa 모듈을 장착하고, PC 서버는 웹 서버에 인터넷으로 연결하여 전체 네트워크를 구성하였다. 테스트에 사용된 미터기는 디지털 수도미터기로서 테스트를 위하여 메인보드를 자체적으로 제작하였으며 메인보드의 펌웨어는 C언어로 작성하였고 PC 서버의 MDMS는 Visual C#으로 작성하여 통신테스트 결과 정상 동작을 확인하였다.
이전과 다음 버튼으로 이전과 다음의 수도 사용량 정보도 알 수 있다. 본 연구에서는 수도 사용량 정보와 회원 정보가 웹 서버의 데이터베이스로 전달될 때 PHP 파일을 이용하는 방법을 사용하였다. 즉, 미리 작성한 여러 PHP 파일을 FileZila로 웹 서버에 전송하여 연결하는 방법이다.
본 논문에서는 각 세대의 수도미터기를 원격으로 검침할 수 있는 LoRa IoT 원격검침 시스템을 개발하고 이에 대한 적합성 테스트를 하였다. 시스템 구성은 한 대의 PC 서버에서 LoRa 통신으로 다수 세대의 수도미터기 검침 값을 수신 받아 데이터베이스에 저장하는 한편 인터넷을 통하여 웹 서버의 클라우드 저장을 하여 사용자의 스마트폰으로 검침 데이터를 열람할 수 있는 네트워크를 구성하였다. 시스템 구성을 위하여 디지털 수도미터기 메인보드의 하드웨어와 펌웨어를 자체적으로 설계 제작하였으며, PC 서버프로그램으로서 MDMS 프로그램과 사용자 스마트폰에서 구동되는 앱 프로그램을 자체 설계 제작하였다.
시스템 구성은 한 대의 PC 서버에서 LoRa 통신으로 다수 세대의 수도미터기 검침 값을 수신 받아 데이터베이스에 저장하는 한편 인터넷을 통하여 웹 서버의 클라우드 저장을 하여 사용자의 스마트폰으로 검침 데이터를 열람할 수 있는 네트워크를 구성하였다. 시스템 구성을 위하여 디지털 수도미터기 메인보드의 하드웨어와 펌웨어를 자체적으로 설계 제작하였으며, PC 서버프로그램으로서 MDMS 프로그램과 사용자 스마트폰에서 구동되는 앱 프로그램을 자체 설계 제작하였다. 제작된 각각의 구성을 연결하여 전체 시스템을 실험실 내에서 유량 테스트벤치에 장착하여 테스트하여 결과를 보였고, 실제 사용환경 테스트를 위하여 대학 주변의 5곳을 선정하여 전송 거리 테스트를 하였다.
1절의 LoRa IoT 검침 시스템 테스트에서 전송 거리는 중요하다. 전송 거리 시험을 위하여 그림 11에서 보는 바와 같이 대학 실험실에 PC 서버를 위치하고 LoRa 모듈이 장착된 디지털 수도미터기를 대학 주변 위치를 변경하며 전송 거리 시험을 하였다. 본 시스템 테스트에서는 두 개의 디지털 수도미터기에서 데이터를 읽는 테스트를 1분 간격으로 1개의 데이터를 읽는 방식으로 장소마다 100개의 데이터를 수신하여 패킷 에러율을 분석하였다.

대상 데이터

본 논문의 MDMS는 Visual C#으로 작성하였으며, Window 환경으로 편리한 시각편집과 마우스만으로 모든 기능이 수행될 수 있도록 하였다. 검침 데이터는 추후 요금계산 처리 및 고지서 발부 등 다양한 보고서용 데이터로 사용할 수 있다. 개발된 MDMS 화면을 그림 6 및 7에 보여준다.
테스트에 사용된 미터기는 디지털 수도미터기로서 테스트를 위하여 메인보드를 자체적으로 제작하였으며 메인보드의 펌웨어는 C언어로 작성하였고 PC 서버의 MDMS는 Visual C#으로 작성하여 통신테스트 결과 정상 동작을 확인하였다. 시스템 구성은 10개의 디지털 수도미터기를 PC 서버와 LoRa 통신하도록 하였다. 디지털 수도미터기와 서버의 통신 프로토콜은 자체프로토콜을 사용하였다.
시스템 구성을 위하여 디지털 수도미터기 메인보드의 하드웨어와 펌웨어를 자체적으로 설계 제작하였으며, PC 서버프로그램으로서 MDMS 프로그램과 사용자 스마트폰에서 구동되는 앱 프로그램을 자체 설계 제작하였다. 제작된 각각의 구성을 연결하여 전체 시스템을 실험실 내에서 유량 테스트벤치에 장착하여 테스트하여 결과를 보였고, 실제 사용환경 테스트를 위하여 대학 주변의 5곳을 선정하여 전송 거리 테스트를 하였다. 테스트 결과, 개발된 시스템은 추후 성능개선과 추가 현장 테스트를 거치면 충분히 실사용 현장에 사용 가능함을 확인하였다.
7Km 및 1Km로 5층 건물로 약간 가려진 비 가시거리이다. 테스트 시 1분마다 미터기 검침 데이터를 서버에서 요청하는 방식으로 각각의 지점에서 총 100회의 데이터를 전송하여 테스트하였다. 표1에서 보는 바와 같이 테스트 지점에서의 모든 데이터는 성공적으로 전송됨을 확인하였다.

데이터처리

본 연구에서 개발된 LoRa IoT 원격검침 시스템 테스트를 위하여 디지털 수도미터기와 PC 서버에 각각 LoRa 모듈을 장착하고, PC 서버는 웹 서버에 인터넷으로 연결하여 전체 네트워크를 구성하였다. 테스트에 사용된 미터기는 디지털 수도미터기로서 테스트를 위하여 메인보드를 자체적으로 제작하였으며 메인보드의 펌웨어는 C언어로 작성하였고 PC 서버의 MDMS는 Visual C#으로 작성하여 통신테스트 결과 정상 동작을 확인하였다. 시스템 구성은 10개의 디지털 수도미터기를 PC 서버와 LoRa 통신하도록 하였다.

성능/효과

통신 성공률은 에러 발생 시 재전송요구, 통신 모듈과 계량기와 분리하여 외부에 설치 등 성공률을 높일 수 있는 연구로 개선 가능할 것으로 보인다. 결과를 보면 실제 적용 시 반경 약 1.5Km 내의 세대를 위한 원격검침은 가능할 것으로 보인다.
10개의 디지털 수도미터기를 수도미터기 사용량 테스트벤치에 그림 10에서 보는 바와 같이 장착하여 유량을 통과시키며 24시간 동안 매5분마다 PC 서버에서 각 미터기의 검침 값을 자동으로 읽도록 세팅하여 실제 검침량과 비교하였다. 그 결과 PC 서버프로그램에서 데이터 수신 성공률과 정확성은 100%이었고, 모든 수신데이터는 웹 서버 데이터베이스로 이상 없이 전송되어 저장됨을 확인하였다. 스마트폰 통신 가능 지역에서는 어디서든 스마트폰 앱 프로그램에서 웹 서버를 접속하여 해당 계량기의 검침 값을 확인할 수 있었다.
그 결과 PC 서버프로그램에서 데이터 수신 성공률과 정확성은 100%이었고, 모든 수신데이터는 웹 서버 데이터베이스로 이상 없이 전송되어 저장됨을 확인하였다. 스마트폰 통신 가능 지역에서는 어디서든 스마트폰 앱 프로그램에서 웹 서버를 접속하여 해당 계량기의 검침 값을 확인할 수 있었다.
제작된 각각의 구성을 연결하여 전체 시스템을 실험실 내에서 유량 테스트벤치에 장착하여 테스트하여 결과를 보였고, 실제 사용환경 테스트를 위하여 대학 주변의 5곳을 선정하여 전송 거리 테스트를 하였다. 테스트 결과, 개발된 시스템은 추후 성능개선과 추가 현장 테스트를 거치면 충분히 실사용 현장에 사용 가능함을 확인하였다. 개발된 시스템은 추후 다른 계량기에 적용 가능할 것으로 생각된다.
테스트 시 1분마다 미터기 검침 데이터를 서버에서 요청하는 방식으로 각각의 지점에서 총 100회의 데이터를 전송하여 테스트하였다. 표1에서 보는 바와 같이 테스트 지점에서의 모든 데이터는 성공적으로 전송됨을 확인하였다. 다만 ③ 및 ④ 지점에서 약 98% 및 94%의 데이터 성공률을 보였다.

후속연구

테스트 결과, 개발된 시스템은 추후 성능개선과 추가 현장 테스트를 거치면 충분히 실사용 현장에 사용 가능함을 확인하였다. 개발된 시스템은 추후 다른 계량기에 적용 가능할 것으로 생각된다. 본 연구결과는 워터그리드에서 충분히 활용할 수 있어 AMI에 적용 시 물 사용량 소비패턴, 위치 정보 등을 분석하여 효과적인 물 사용량 관리뿐만 아니라 독거, 치매 어르신 등이 정상적인 생활을 하는지를 추정까지 가능하다는 등 다양한 사회안전망으로도 확대 가능할 것이다.
개발된 시스템은 추후 다른 계량기에 적용 가능할 것으로 생각된다. 본 연구결과는 워터그리드에서 충분히 활용할 수 있어 AMI에 적용 시 물 사용량 소비패턴, 위치 정보 등을 분석하여 효과적인 물 사용량 관리뿐만 아니라 독거, 치매 어르신 등이 정상적인 생활을 하는지를 추정까지 가능하다는 등 다양한 사회안전망으로도 확대 가능할 것이다.
이는 거리와 건물에 의한 통신장애가 있음을 알 수 있다. 통신 성공률은 에러 발생 시 재전송요구, 통신 모듈과 계량기와 분리하여 외부에 설치 등 성공률을 높일 수 있는 연구로 개선 가능할 것으로 보인다. 결과를 보면 실제 적용 시 반경 약 1.

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원문보기 상세보기
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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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