RF433 무선 센서 네트워크 및 ARDUINO YUN을 활용한 전력 효율적인 IoT 시스템 Power Efficient IoT (Internet of Things) System using the RF433 Wireless Sensor Network and ARDUINO YUN as the Gateway원문보기
현재 산업 분야 전반에 걸쳐 다양한 IoT 기술들을 접목하려 하고 있다. 그러나 센서 디바이스, 게이트웨이, 네트워크 서버, 그리고 어플리케이션 서버로 구성되는 복잡한 IoT 시스템 구조는 구현 상의 어려움과 설치 비용의 증가를 초래하고 이로 인해 소규모 네트워크 환경이 필요한 산업 분야에서 IoT 도입을 저해하는 결과로 나타나고 있다. 이에 따라, 본 논문에서는 소규모/저비용의 IoT 환경이 필요한 산업분야에서 활용될 수 있는 시스템 구조를 제안 한다. 또한 RF433 모듈을 이용한 무선 센서 네트워크, 아두이노 윤을 활용한 게이트웨이, 그리고 APM (Apache, PHP, MySQL)을 적용한 어플리케이션 서버를 구현하고 센서 디바이스의 효율적인 전력관리 방안을 제시한다.
현재 산업 분야 전반에 걸쳐 다양한 IoT 기술들을 접목하려 하고 있다. 그러나 센서 디바이스, 게이트웨이, 네트워크 서버, 그리고 어플리케이션 서버로 구성되는 복잡한 IoT 시스템 구조는 구현 상의 어려움과 설치 비용의 증가를 초래하고 이로 인해 소규모 네트워크 환경이 필요한 산업 분야에서 IoT 도입을 저해하는 결과로 나타나고 있다. 이에 따라, 본 논문에서는 소규모/저비용의 IoT 환경이 필요한 산업분야에서 활용될 수 있는 시스템 구조를 제안 한다. 또한 RF433 모듈을 이용한 무선 센서 네트워크, 아두이노 윤을 활용한 게이트웨이, 그리고 APM (Apache, PHP, MySQL)을 적용한 어플리케이션 서버를 구현하고 센서 디바이스의 효율적인 전력관리 방안을 제시한다.
These days there have been trying to fuse the various of IoT (Internet of Things) technology over the industrial field. However the complicated IoT System structure comprised of sensor devices, gateway, network server, and application server causes the difficulties to the system implementation and t...
These days there have been trying to fuse the various of IoT (Internet of Things) technology over the industrial field. However the complicated IoT System structure comprised of sensor devices, gateway, network server, and application server causes the difficulties to the system implementation and the increment of installation cost, thereby preventing IoT system deployment in the industry fit for small size network environment. In this paper, authors propose a novel IoT system architecture that is useful in the industry field to be implemented by the small size network with low cost. Also, we implement the infrastructure to RF433 wireless sensor network, the gateway on ARDUINO YUN, and the application server using AMP (Apache, PHP, MySQL) package and then present a power efficient management scheme for sensor devices.
These days there have been trying to fuse the various of IoT (Internet of Things) technology over the industrial field. However the complicated IoT System structure comprised of sensor devices, gateway, network server, and application server causes the difficulties to the system implementation and the increment of installation cost, thereby preventing IoT system deployment in the industry fit for small size network environment. In this paper, authors propose a novel IoT system architecture that is useful in the industry field to be implemented by the small size network with low cost. Also, we implement the infrastructure to RF433 wireless sensor network, the gateway on ARDUINO YUN, and the application server using AMP (Apache, PHP, MySQL) package and then present a power efficient management scheme for sensor devices.
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문제 정의
그러나 저비용/소규모 IoT환경을 자체적으로 구축 하여 활용 하려는 분야에서는 구조의 복잡성, 설치비용, 그리고 운영의 어려움 등으로 적합하지 않을 수 있다. 따라서 본 논문에서는 소규모 무선 센서 네트워크에 적합하며 저비용으로 구축 가능한 효율적인 IoT 시스템 구성 방안을 제안한다.
그러나 대부분의 연구들이 이론적인 측면에 치우쳐 있다. 본 논문에서는 실제 적용 및 구현 가능한 센서 디바이스를 위한 전력제어 방안을 실험하였다.
본론에서는 구현한 IoT 시스템 구조를 서술하고, 각 구성 요소에 대해 자세히 설명 한다. 3절에서는 전력관리 방안 및 실험결과를 제시하며 4절에서는 관련된 결론에 대하여 논의한다.
제안 방법
센서들을 통해 정보를 취득 할 수 있는 기존 ARDUINO 플랫폼에 인터넷 연결이 가능하도록 Wi-Fi 기능이 추가된 형태로 구성되어 있다. 따라서 본 논문에서 제안하는 게이트웨이는 센서 디바이스에서 433MHz로 전송된 신호를 복조하기 위한 Shield 디바이스 및 수신된 데이터를 공중망을 통해 전송 가능한 패킷으로 변환할 수 있는 YUN으로 구성된다. YUN 내부는 메인 CPU인 Atmega32u4, Wi-Fi 무선통신을 담당하는 리눅스 환경의 AR9331, 그리고 두 MCU의 통신을 연결하는 BRIDGE로 구성된다.
또한 RF 신호 수신 시 신호 세기를 알 수 있는 RSSI를 제공한다. 따라서 실험은 게이트웨이에서 수신 세기에 따라 센서 디바이스의 RF Power Table Level을 조절하는 적응 전력 제어를 하였다. 게이트웨이에서 센서 디바이스로부터 정보를 전달 받을 때 수신 신호 세기를 측정하고 측정된 신호 세기가 사전에 지정한 Threshold보다 작을 경우 Power Level을 증가 시키고 큰 경우에는 감소 시켜 조정된 RF Power Level 값을 센서 디바이스에 전송한다.
제안하는 시스템은 433MHz 대역의 무선통신을 활용한 센서 네트워크 연결, 게이트웨이로 오픈 하드웨어 플랫폼인 ARDUINO YUN (이하 YUN 으로 표기) 적용, 그리고 어플리케이션 서버로 APM(Apache, PHP, MySQL) 패키지를 사용하여 구성된다. 또한 센서 디바이스들의 효율적인 전력 관리 방안을 제시하며 이를 통해 배터리 수명을 연장하여 궁극적으로 시스템의 Life Cycle 연장이 가능함을 증명한다.
LPWAN 시스템은 센서 디바이스의 가입 또는 해지를 용이하도록 하기 위해 게이트웨이를 관리하는 별도의 네트워크 서버를 가지고 있다. 제안하는 시스템은 네트워크 서버 없이 게이트웨이와 어플리케이션 서버의 직접 연결을 통해 소규모 그리고 저가 부품 사용의 구성으로 그림 1와 같이 구현된다.
대상 데이터
센서 디바이스는 온도, 습도, 조도 그리고 디바이스에 공급되는 배터리 전압 레벨을 취득한다. 사용되는 MCU는 ATmel사의 8-bit AVR RISC 기반의 Microcontroller인 ATmega328[2], RF433 통신모듈은 TI사의 CC1101[2], 온도/습도 정보 취득을 위한 SENSIRION사의 SHT21[3], 그리고 조도 센서(CDS) 및 배터리 전압 측정을 위해 MCU에 내장된 10-bit 해상도의 ADC(Analog-To-Digital Converter)를 사용한다. 각 센서를 통해 취득된 정보는 MCU의 SPI를 통해 CC1101로 입력되고 CC1101에서는 내장된 FIFO에 수신된 정보를 임시 저장 후 주파수 433MHz로 변조하여 게이트웨이에 전송한다.
성능/효과
제안하는 시스템은 433MHz 대역의 무선통신을 활용한 센서 네트워크 연결, 게이트웨이로 오픈 하드웨어 플랫폼인 ARDUINO YUN (이하 YUN 으로 표기) 적용, 그리고 어플리케이션 서버로 APM(Apache, PHP, MySQL) 패키지를 사용하여 구성된다. 또한 센서 디바이스들의 효율적인 전력 관리 방안을 제시하며 이를 통해 배터리 수명을 연장하여 궁극적으로 시스템의 Life Cycle 연장이 가능함을 증명한다.
제안하는 전력적응제어 알고리즘으로 전력을 관리하게 되면 배터리 사용시간을 연장할 수 있고 Sleep Interval을 더 길게 적용하면 그 이상의 기간 동안 사용이 가능하다. 또한 필요시에 배터리를 교체할 수 있으므로 연속성 있는 IoT 통신의 유지가 가능하다.
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