[논문]전력선 통신과 비컨을 활용한 선박 건조 현장의 작업자 위치 추적 시스템

황태웅; 이영두; 박기웅; 구인수

doi:10.7236/jiibc.2024.24.2.41

[국내논문] 전력선 통신과 비컨을 활용한 선박 건조 현장의 작업자 위치 추적 시스템
Worker Location Tracking System of Shipyard using Power Line Communication and Beacon

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.24 no.2, 2024년, pp.41 - 49

황태웅 (울산대학교 전기공학부) , 이영두 (메이크박스) , 박기웅 (한국폴리텍VII대학 석유화학공정기술교육원 석유화학공정과) , 구인수 (울산대학교 전기공학부)

초록
AI-Helper

본 논문은 선박 건조 현장에서 작업자 위치 추적 시스템의 모델링 및 구현 내용을 다룬다. 산업 현장에서 작업자의 위치 파악은 안전사고 예방을 위한 중요한 요소로 강조된다. 이에 본 논문에서는 전력선 통신과 비컨 통신을 결합한 시스템을 활용하여 작업자의 위치를 정확하게 추적하는 방법을 제시한다. 주요 구성 요소인 비컨 스캐너와 외부 모니터링 서버 시스템 구현을 다루며, 실험을 통해 시나리오별로 작업자의 위치 변화를 확인하고, 관리자 웹 서비스를 통해 작업자 위치 현황을 확인하는 방법을 제시한다. 이를 통해 안전 관리자에게 실시간 위치 정보를 제공하여 작업자의 안전을 보다 효과적으로 관리할 수 있는 시스템을 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper discusses the modeling and implementation of a worker location system at a shipbuilding site. The importance of worker location in an industrial environment is highlighted as a critical element in the prevention of industrial accidents. The paper presents a worker tracking system that integrates power line and beacon communication to accurately track worker position. Through experiments, the paper demonstrates how to monitor the changes in worker location based on different scenarios and how to access the status of worker location using the manager's web service. The paper can be used for the design of a system that will provide real-time location information to safety managers for the improvement of worker safety management.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1. 전체 시스템 구성 Fig. 1. System configuration
그림 그림 2. 비컨 스캐너의 동작 플로우 차트 Fig. 2. Flowchart of the Beacon Scanner
그림 그림 3. 외부 모니터링 서버의 동작 플로우 차트 Fig. 3. Flowchart of the External Monitoring Server
그림 그림 4. 송신 비컨으로 사용된 스마트폰들 Fig. 4. Smartphones used as transmitting beacons
그림 그림 5. 비컨 스캐너 (ESP32) Fig. 5. Beacon scanner (ESP32)
그림 그림 6. PLC 마스터/슬레이브 (Tenda PH10, 좌 P3, 우 PA7) Fig. 6. PLC Master/Slave (Tenda PH10, left P3, right PA7)
그림 그림 7. 인터넷 게이트웨이 (ipTIME AX8008M) Fig. 7. Internet Gateway (ipTIME AX8008M)
그림 그림 8. 외부 모니터링 서버 Fig. 8. External Monitoring Server
표 표 1. 비컨 스캐너에 동작 구현에 사용된 라이브러리 및 구현 내용 Table 1. Libraries and implementation details used to implement operations in the beacon scanner
그림 그림 9. 웹 대시보드 Fig. 9. Web dashboard
그림 그림 10. 검증 시나리오 구성도 Fig. 10. Demonstration Scenario configuration diagram
그림 그림 11. 비컨 스캐너를 설치한 방폭안전교육센터 Fig. 11. Explosion Safety Education Center
그림 그림 12. 각 시나리오별 대시보드 변화 Fig. 12. Dashboard changes for each scenario

AI 본문요약
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문제 정의

선박 건조 현장에서 작업자의 위치 파악은 안전사고 발생시 피해를 최소화하기 위한 가장 핵심적인 데이터이다. 본 논문에서 제안하는 전력선 통신과 비컨 통신을 결합한 작업자 위치 추적 시스템은 선박 내부의 복잡하고 변화하는 작업 환경에서도 작업자의 위치를 정확하게 추적할 수 있는 유용한 접근방법이다. 전력선 통신을 통해 기존 전력 인프라를 활용하여 데이터 전송의 안전성을 보장하였으며, 비컨 통신을 통해 소형 무선 장치를 통한 실시간 위치 정보를 제공하였다.
본 논문에서는 비컨과 전력선 통신 기술을 이용해 선박에서의 작업자 위치를 추적하는 시스템을 구현하는데 중점을 둔다. 본 논문에서 설계하는 전체 시스템 구성은 그림1과 같이 크게 송신 비컨 (Transmitting Beacon), 비컨 스캐너 (Beacon Scanner), PLC 시스템 (PLC Master/Slave), 인터넷 게이트웨이 (Internet Gateway) 및 외부 모니터링 서버 (External Monitoring Server)로 구성된다.
본 논문에서는 선박 건조 현장에서의 작업자 위치 추적 시스템을 모델링하고 구현 및 검증하였다. 선박 건조 현장에서 작업자의 위치 파악은 안전사고 발생시 피해를 최소화하기 위한 가장 핵심적인 데이터이다.

제안 방법

이는 최신성을 보장하고 불필요한 데이터를 걸러내기 위함이다. 다음으로, 작업자 데이터베이스의 ID와 비컨 스캐너 데이터의 ID를 비교하여 작업자를 비교한다. 이후 각 작업자의 위치를 결정하기 위해 비컨 스캐너의 RSSI 값을 사용하여 가장 강한 신호를 선별 후 작업장을 판별한다.
비컨 스캐너로 사용된 ESP32의 펌웨어는 아두이노 플랫폼으로 구현되었다. 비컨 스캐너의 동작은 ESP32의 Wi-Fi 및 블루투스 통신을 기반으로 시간 동기화 기능, 비컨 스캐닝, 데이터 처리 및 전송 기능을 결합하여, 실시간 위치 데이터의 수집 및 처리가 가능하도록 구현되었다. 비컨 스캐너의 동작은 ESP32가 Wi-Fi 기능으로 PLC 슬레이브의 Wi-Fi에 연결을 시도하는 것으로 시작되며 이는 WiFi.
OS는 모두 안드로이드 13 버전이 설치되었다. 스마트폰을 송신 비컨으로 사용하기 위해서 Nordic사의 nRF Connect 어플리케이션을 사용하였으며 송신 비컨을 구현하기 위해 BLE 장치를 스캔하고 Advertise 모드 및 탐색을 수행하도록 설정하였다.
다음으로, 작업자 데이터베이스의 ID와 비컨 스캐너 데이터의 ID를 비교하여 작업자를 비교한다. 이후 각 작업자의 위치를 결정하기 위해 비컨 스캐너의 RSSI 값을 사용하여 가장 강한 신호를 선별 후 작업장을 판별한다. 마지막으로 작업자 및 작업장의 데이터를 반영한다.
본 논문에서 제안하는 전력선 통신과 비컨 통신을 결합한 작업자 위치 추적 시스템은 선박 내부의 복잡하고 변화하는 작업 환경에서도 작업자의 위치를 정확하게 추적할 수 있는 유용한 접근방법이다. 전력선 통신을 통해 기존 전력 인프라를 활용하여 데이터 전송의 안전성을 보장하였으며, 비컨 통신을 통해 소형 무선 장치를 통한 실시간 위치 정보를 제공하였다. 본 논문에서 제공하는 시스템 모델링, 실제 구현과 그에 대한 적절한 검증 방식은 추후 관련 연구개발에 유용한 자료가 될 것으로 사료된다.

대상 데이터

마스터는 라우터에 연결되어 인터넷 신호를 변환하여 전기 배선으로 전송하고, 슬레이브는 원하는 위치의 콘센트에 꽂아 그 위치에서 유선 또는 무선 네트워크를 구성할 수 있다. PLC 마스터/슬레이브로 사용한 기기는 Tenda사의 PH10이며 각 마스터/슬레이브 모델명은 P3(PLC 마스터)와 PA7(PLC 슬레이브)이다. PH10는 HomePlug AV2 표준을 지원하며 전력선을 이용하여 최대 1000Mbps 전송 속도를 지원한다.
본 논문에서는 비컨과 전력선 통신 기술을 이용해 선박에서의 작업자 위치를 추적하는 시스템을 구현하는데 중점을 둔다. 본 논문에서 설계하는 전체 시스템 구성은 그림1과 같이 크게 송신 비컨 (Transmitting Beacon), 비컨 스캐너 (Beacon Scanner), PLC 시스템 (PLC Master/Slave), 인터넷 게이트웨이 (Internet Gateway) 및 외부 모니터링 서버 (External Monitoring Server)로 구성된다.
이것은 각 비컨 스캐너 데이터 전송 주기를 네트워크 시간에 맞추어 수행하기 위한 조치이다. 비컨 스캔의 경우 Arduino ESP32 BLE 라이브러리를 사용하여 초기화 후 주변의 비컨 신호를 수집한다. 수집된 각 비컨의 ID, MAC 주소, RSSI는 신뢰성 있는 데이터 수집을 위해 1초 주기로 스캔하고 10회 누적 후 평균을 진행한다.
송신 비컨으로 사용한 기기는 작업자가 소지한 스마트폰이며, 기종은 삼성전자의 갤럭시S23 Ultra, 갤럭시탭 S8+, 갤럭시A32를 사용하였다. OS는 모두 안드로이드 13 버전이 설치되었다.
인터넷 게이트웨이는 ipTIME사의 유무선 공유기 AX8008M을 사용하였다. AX8008M은 Wi-Fi 6 기술을 지원하여 높은 속도와 향상된 연결 안정성을 제공하고 2.
본 실험의 검증 시나리오는 다음과 같은 설정으로 구성한다. 작업자는 A, B, C 총 세 명이다. 1번 시나리오는 작업자 A는 1층, 작업자 B는 2층, 작업자 C는 3층에 내실하여 근무 중인 것을 확인한다.
본 실험은 그림 10과 같은 구성으로 진행되었다. 장소는 외부 모니터링 서버가 위치하는 울산대학교 실험실과 선박 건조 현장 모의실험 장소인 방폭안전교육센터 두 곳으로 나누어지며 직선 거리는 5.1km(네이버 지도 기준)이다. 방폭안전교육센터 내부는 가연성 가스 또는 가연성 분진이 존재하는 장소에서 아크의 발생, 점화원이 될 우려가 있는 전기 및 기계 기구 등에 폭발이나 화재가 발생하지 않도록 방지하는 것을 교육하기 위함으로 구축되었으며 본 실험의 목적인 건조 선박 현장과 유사한 환경으로 볼 수 있다.

데이터처리

비컨 스캔의 경우 Arduino ESP32 BLE 라이브러리를 사용하여 초기화 후 주변의 비컨 신호를 수집한다. 수집된 각 비컨의 ID, MAC 주소, RSSI는 신뢰성 있는 데이터 수집을 위해 1초 주기로 스캔하고 10회 누적 후 평균을 진행한다. 데이터 집계 및 전송 단계에서는 ArduinoJson.

이론/모형

수집된 각 비컨의 ID, MAC 주소, RSSI는 신뢰성 있는 데이터 수집을 위해 1초 주기로 스캔하고 10회 누적 후 평균을 진행한다. 데이터 집계 및 전송 단계에서는 ArduinoJson.h 라이브러리를 사용하여 수집된 데이터를 JSON 형식으로 직렬화하고, HTTPClient.h 라이브러리를 통해 이를 외부 모니터링 서버로 HTTP POST 요청을 수행한다.

성능/효과

3번 시나리오는 작업자 A가 2층에서의 작업을 마치고 3층으로 이동하여 2층에 작업자 B, 3층에 작업자 A와 C가 내실하여 근무 중인 것을 확인한다. 4번 시나리오는 작업자 A가 3층에서의 작업을 마치고 1층으로 이동하여 1층에 작업자 A, 2층에 작업자 B, 3층에 작업자 C가 내실하여 근무 중인 것을 확인한다.
본 논문에서 제안하는 전력선 통신과 비컨 통신을 이용한 선박 건조 현장의 작업자 위치 추적 방법은 선박 건조의 복잡한 환경에 특화되어 있다. 전력선 통신은 선박 내부의 기존 전력선을 활용하여 안정적인 데이터 전송을 가능하게 하며, 이는 추가적인 네트워크 인프라 구축이 필요 없다는 장점을 가진다.

후속연구

전력선 통신을 통해 기존 전력 인프라를 활용하여 데이터 전송의 안전성을 보장하였으며, 비컨 통신을 통해 소형 무선 장치를 통한 실시간 위치 정보를 제공하였다. 본 논문에서 제공하는 시스템 모델링, 실제 구현과 그에 대한 적절한 검증 방식은 추후 관련 연구개발에 유용한 자료가 될 것으로 사료된다.

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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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