초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
본 연구개발의 목표는 구형 주택에서 RS-485/Bluetooth/RF 등의 프로토콜을 지원하는 가전기기, 특별히 난방가전기기들을 유선과 무선으로 제어하는 통신 방법을 제공하고, 또한 이를 인터넷을 통해 원격 제어할 수 있도록 스마트홈 IoT 게이트웨이 디바이스를 개발하는 것이다.

첫째, IoT 디바이스는 RS-485/Bluetooth/RF 등의 제어 프로토콜 기능을 탑재한다.

■ RS-485 프로토콜의 경우 유선 및 무선으로 가전기기를 제어하는 데 사용하

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
본 연구개발의 목표는 구형 주택에서 RS-485/Bluetooth/RF 등의 프로토콜을 지원하는 가전기기, 특별히 난방가전기기들을 유선과 무선으로 제어하는 통신 방법을 제공하고, 또한 이를 인터넷을 통해 원격 제어할 수 있도록 스마트홈 IoT 게이트웨이 디바이스를 개발하는 것이다.

첫째, IoT 디바이스는 RS-485/Bluetooth/RF 등의 제어 프로토콜 기능을 탑재한다.

■ RS-485 프로토콜의 경우 유선 및 무선으로 가전기기를 제어하는 데 사용하며, Bluetooth 프로토콜은 무선으로 온습도계 등 가전기기를 연결/제어하는 데 사용하며, RF 프로토콜은 무선으로 온도조절기 등 가전기기를 연결/제어하는 데 사용한다.
■ IoT 디바이스는 WIFI를 통해 인터넷에 연결되어 댁내 가전기기를 외부에서 제어할 수 있도록 게이트웨이 기능을 지원해야 한다.

둘째, IoT 디바이스를 등록/관리하고 사용자 인터페이스를 제공하는 사용자 APP을 개발한다.

■ 사용자 APP을 사용하여 인터넷을 통해 댁내 가전기기의 수동 제어가 가능하며, IoT 디바이스에 미리 저장한 예약 기능 및 조건 제어를 통해 자동으로 제어할 수도 있다.
■ 예약 기능은 시간별, 날짜별, 요일별로 제어기능을 예약하는 기능이고, 조건 제어는 온습도 값 등을 실시간으로 받아들여 온도나 습도에 따른 제어를 예약하는 기능이다.

셋째, IoT 디바이스와 사용자 APP을 연결하는 클라우드 시스템을 개발한다.

■ 클라우드 서버는 http/MQTT 프로토콜을 사용하여 사용자 APP과 IoT 디바이스를 연결하며, 사용자 APP을 통해 등록된 사용자 정보 및 디바이스 정보를 저장하고 사용자 설정 등을 저장하며, IoT 디바이스를 통해 전송된 디바이스의 로그를 저장한다.
■ 클라우드 서버는 IoT 디바이스와 사용자 APP의 동기화를 유지해야 하며, 비동기 시 재동기화를 위한 백업/복원 기능을 갖는다.

넷째, 기존 설치된 가전이 사용하는 비표준 프로토콜의 분석/개발이 필요하다.

■ 현재 시판 중인 RS-485/RF/Bluetooth를 지원하는 가전기기가 대부분 독자 프로토콜을 사용하므로 IoT 디바이스와 연결하기 위해 프로토콜의 분석 및 재개발을 진행했다.
■ 이를 위한 샘플로 RF제어가 가능한 온도조절기를 개발하고, 시판 중인 블루투스 온도계의 Firmware 또는 Protocol을 수정 개발하여 IoT 디바이스에 연동하였다.

다섯째, IoT 디바이스와 RS-485 가전 사이의 무선 연결은 Sub 디바이스를 사용한다.

■ RS-485 Sub 디바이스는 시중에 판매되는 WIFI to RS-485 변환모듈을 사용할 수 있다. 이 경우 변환모듈의 설정을 통해 RS-485 가전은 IoT Main 디바이스에 직접 연결된 상태가 된다.
■ 또한 IoT Main 디바이스를 추가로 설치하여 Sub 디바이스로 사용할 수 있다. 이 경우 RS-485 가전에 IoT 디바이스를 연결한 후 WIFI 연결을 통해 IoT Main 디바이스에 해당 기기가 공유방식으로 연결된다.

○ 전체 내용
연구목표의 제한

본 연구개발은 연구목표와 테스트 제품의 희소성, 비호환성 등의 문제로 연구목표와 대상을 난방기기로 제한하였다.
■ 테스트 제품의 희소성이란 RS-485 지원하는 가전기기를 시중에서 구하기가 어렵다는 의미다. 실제로 RS-485 기능을 지원하는 가전기기 자체를 찾기가 어렵다.
■ 테스트 제품의 비호환성이란 RS-485를 지원하는 가전기기를 구하더라도 표준 프로토콜을 사용하지 않고, 또 프로토콜을 공개하지도 않기 때문에 사실상 연구에 사용할 수 있는 가전기기를 찾기가 어렵다.
■ 현재 RS-485 표준 프로토콜을 지원하는 제품은 대부분 난방기기들이다. 이로 인해 본 연구개발은 난방기기를 제어하는 방식으로 RS-485 가전 대상을 한정하여 진행하였다.

연구목표의 확장

연구목표의 대상이 난방기기로 제한됨에 따라 해당 분야로 더 확장키로 하고, 전체 25%를 차지하는 지역난방용 난방기기를 IoT 제어가 필요한 부분으로 연구목표를 선정하였다.
■ 현재 지역난방 제품의 경우 사용자가 댁내 온도조절기를 통해 난방구동기를 On/Off하는 방식으로 난방을 제어하고 있다. 때문에 IoT제어로 확장시키기 위해서는 온도조절기를 IoT 디바이스로 변경 개발할 필요가 있다. 지역난방의 경우 온도조절기를 통해 제어되는 난방구동기는 상호 호환되므로 온도조절기가 변경되어도 기존의 난방구동기는 그대로 사용이 가능하다는 장점이 있다.
■ 이를 위해 기존 시판 중인 지역난방용 온도조절기를 새로 설계/개발하였고, 이 온도조절기에 RF 기능을 탑재함으로써 사용자 APP으로 IoT 디바이스를 통해 온도조절기를 제어할 수 있도록 개발하였다. 즉, RF 온도조절기는 RF 기능을 탑재한 IoT 디바이스를 통해 제어되는 방식이다.

첫째, IoT 디바이스는 RS-485/Bluetooth 등의 제어 프로토콜 기능을 탑재하였다.

■ IoT 디바이스에 RS-485 제어 프로토콜을 탑재하여 RS-485 프로토콜을 지원하는 온도조절기와 월패드, 전기보일러 등을 제어하는 기능을 개발하였다. 또한 댁내에 사전에 RS-485 배선이 설치되지 않은 환경을 위해서 RS-485 to WIFI 변환모듈을 사용하여 무선 연결이 가능하도록 개발하였다.
■ IoT 디바이스에 Bluetooth 기능을 추가하여 Bluetooth 온습도계와 통신할 수 있게 하였다. IoT 디바이스는 연결된 Bluetooth 온습도계의 온도값을 실시간으로 읽어 들인 후, 그 값을 사용자 APP에서 볼 수 있도록 제공하거나, 사전에 설정된 온도와 비교하여 난방 On/Off를 실행한다.
■ RS-485/RF/Bluetooth 프로토콜의 경우 댁내에서만 사용이 가능하기 때문에 IoT 디바이스는 인터넷에 연결되어 댁내 가전기기를 외부에서 제어할 수 있도록 게이트웨이 기능을 개발하였다.

둘째, Bluetooth 온습도계를 IoT 디바이스에 연결하기 위해 Firmware를 개발하였다.

■ IoT 디바이스와 Bluetooth 온습도계가 통신할 수 있도록 시판 중인 Bluetooth 온습도계의 프로토콜을 분석하거나 Firmware를 제작해 새로 포팅하였다.
■ Protocol 분석의 경우 : 샤오미 Bluetooth 온습도계 1세대 제품의 경우 온습도계의 프로토콜의 분석이 가능하므로, 해당 프로토콜을 읽어 현재 값을 찾는 방식으로 IoT 디바이스 Firmware를 개발하였다. 이 경우는 제조사의 펌웨어를 그대로 사용한다.
■ Firmware 포팅의 경우 : 샤오미 Bluetooth 온습도계 2세대 제품의 경우 프로토콜을 분석할 수 없는 경우이므로 온습도계용 firmware를 수정 개발하여 포팅하였다. 이 경우는 당사가 개발한 펌웨어를 사용한다.

셋째, IoT 디바이스를 등록/관리하고 사용자 인터페이스를 제공하는 사용자 APP을 개발하였다.

■ 사용자 APP은 Android와 iOS용으로 각각 제작하였으며, 기본설정을 통해 반복적인 설정작업을 최소화하고, APP 화면에서 IoT 디바이스 및 Bluetooth 온도계를 등록하는 방식으로 설계하였다.
■ 사용자 APP에서 홈네트워크(RS-485) 기능을 설정할 수 있도록 하여 손쉽게 제조사와 모델을 선택할 수 있도록 개발하였다.
■ 사용자 APP을 사용하여 인터넷 환경에서 상시로 댁내 가전기기를 수동으로 원격 제어할 수 있도록 APP의 제어버튼을 통해 사용자가 제어 명령을 내리면, 클라우드 서버를 경유하여 IoT 디바이스에 직접 하달되도록 하였다.
■ 또한 사용자 APP은 사전에 정의한 예약 기능 및 조건 제어를 통해 자동으로 제어할 수 있도록 했다. 사용자는 APP의 예약 기능을 통해 특정 시간, 날짜, 요일에 On/OFF 가동하도록 사전에 지정할 수 있다.
■ 예약 기능은 시간별, 날짜별, 요일별로 제어기능을 예약하는 기능이다. 예약은 기본적으로 시간과 날짜로 정의하지만, 이를 특정 요일로 지정하여 반복 제어가 가능하다.
■ 조건 제어는 온습도 값 등을 실시간으로 받아들여 온도나 습도에 따른 제어를 예약하는 기능이다. Bluetooth 온습도계를 IoT 디바이스에 연결할 수 있도록 개발했다.

넷째, IoT 디바이스와 사용자 APP을 연결하는 클라우드 시스템을 개발하였다.

■ 클라우드 서버는 Linux를 기반으로 개발하였으며, http/MQTT 프로토콜을 사용하여 사용자 APP과 IoT 디바이스를 연결한다.
■ 향후 타사 연동이 필요한 경우를 예상하여 API를 설계하였으며, IoT 디바이스 특성 상 대량으로 접속되는 경우를 상정하여 서버에 DB나 통신에 부하가 발생하지 않도록 기능을 최소화하도록 설계하였다.
■ 클라우드 서버는 사용자 APP을 통해 등록된 사용자 정보 및 디바이스 정보를 저장하고 사용자 설정 등을 저장한다.
■ 클라우드 서버는 또한 IoT 디바이스의 동작 로그를 저장한다. 사용자 APP의 요구가 있는 경우 클라우드 서버는 해당 IoT 디바이스의 로그를 APP에 전송한다.
■ 클라우드 서버는 IoT 디바이스와 사용자 APP의 동기화를 유지해야 하며, 비동기 시 재동기화를 위한 백업/복원 기능을 갖는다.

다섯째, RF 기능을 갖는 지역난방 호환 온도조절기를 개발하였다.

■ 지역난방 호환 온도조절기는 기존 온도조절기를 대체하여 사용이 가능해야 하므로, 2선식의 지역난방 환경에 맞추어 온도조절기를 신규 개발하였다.
■ 또한 온도조절기에 RF 기능을 추가하여 RF 프로토콜을 사용해 원격 제어할 수 있도록 개발하였다. RF 기능은 TI의 RF모듈을 보드에 추가하는 방식으로 개발하였으며, 본 연구개발과제 수행일정 상 PC에서 USB를 통해 RF 제어하는 모듈을 일차적으로 개발하여 7월말까지 테스트를 완료하였다.
■ 향후 추가 연구를 통해 기 개발한 IoT 디바이스에 RF 모듈을 추가하고, USB 모듈을 사용하여 개발한 RF제어 기능을 firmware로 제작해 IoT 디바이스에 탑재할 예정이다. 현재 RF 기능을 포함한 IoT 디바이스 설계는 완료되었으며, Board 제작 및 테스트를 거쳐 조만간 완성될 예정이다.

□ 연구개발성과
본 연구개발과제의 연구개발성과를 평가하기 위하여 사용자 APP, 클라우드 서버, IoT 디바이스의 전체 개발시스템에 대하여 아래의 4가지 목표달성도 평가지표를 사용한다.

평가지표#1 : 예약제어 기능 (요일별 예약, 날짜 예약, 시간/온도/동작 예약)

■ 사용자는 IoT 디바이스에 등록된 각 장비에 대해 요일별로 선택하여 분단위 시간으로 설정온도를 지정하는 방식으로 예약할 수 있다.
■ 요일별 예약은 월, 화, 수, 목, 금요일을 한데 묶고, 토, 일요일을 따로 묶어 요일 묶음 별로 예약설정을 진행할 수 있다. 각 요일은 반복하여 서로 다른 묶음에 포함될 수 있으며, 각 예약 설정은 독립적으로 실행된다.
■ 날짜 예약은 특정 날짜와 시간을 지정하여 온도(최고온도, 최저온도, 지정온도) 또는 동작(요일제어 시작/종료, 반복난방 시작/종료, 외출 시작/종료)을 예약할 수 있다.
■ 반복난방의 경우 반복 간격시간을 시간/1분 단위로 지정할 수 있으며, 난방 실행시간도 마찬가지로 시간/1분 단위로 지정할 수 있다.
■ 외출 버튼, 1회난방 버튼, 반복난방 버튼을 지정할 수 있다. 외출은 외출온도를 지정하는 기능이고, 1회난방은 설정한 시간만큼 즉시 난방을 실행하는 기능이며, 반복난방은 사전에 정의한 반복조건으로 반복난방을 시작하는 기능이다.

평가지표#2 : 사용자 명령추가 (기본 명령 재조합, 정밀온도 제어)

■ 각 RS-485 장비의 최소한의 기본 제어명령을 사용하여 IoT 디바이스가 통합 제어가 가능하도록 구성하였다. 이에 따라 사용자는 사용자 APP을 사용하여 동일한 화면과 동일한 명령을 내리더라도 IoT 디바이스는 연결된 서로 다른 RS-485 장비에 맞는 최소 기본명령들을 조합하여 사용자의 제어명령을 수행하게 된다.
■ 대부분의 난방장비들이 온도값을 1℃ 또는 0.5℃ 단위로만 측정/제어할 수 있는 반면, 블루투스 온도계를 사용할 경우 0.1℃ 단위까지 측정/제어가 가능하게 하였다.
■ 사용자 명령 추가로 기존 1℃ 단위 난방장비에도 0.1℃ 단위의 제어가 가능하며, 반복 난방 기능이 없는 장비에도 반복난방이 가능하고, 반복난방 시간 범위가 고정되어 있는 경우에도 다양하게 시간 범위를 변경할 수 있다.

무선 RS-485 통신 (RS-485 to WIFI 변환모듈, IoT 디바이스 클라이언트)

■ 무선 RS-485 통신 기능은 2가지 방식으로 수행가능하다. 첫째, RS-485 to WIFI 변환 모듈을 사용하여 IoT 디바이스 ↔ 변환모듈 ↔ (무선구간) ↔ 변환모듈 ↔ RS-485 장비 순서로 연결되며, 이 구성으로 사용자 APP에서 RS-485 장비의 제어가 가능하다.
■ 둘째, IoT 디바이스를 해당 RS-485 장비 측에 추가로 직결하여 IP공유기 ↔ IoT 디바이스 ↔ RS-485 장비의 순서로 연결되며, 이 구성으로 사용자 APP에 2대 이상의 IoT 디바이스가 동시에 연결되어 사용자 APP의 한 화면을 통해 각각의 RS-485 장비 제어가 가능하다.

무선온도계 지원 (프로토콜 분석, 펌웨어 개발)

■ 블루투스 무선온도계 지원 기능은 온도 측정 기능이 없는 RS-485 난방장비를 온도를 조건으로 제어할 수 있게 하고, 측정단위가 정밀하지 못한 경우에 더 정밀한 온도조건을 사용할 수 있다.
■ 시중에 판매되는 샤오미 블루투스 온습도계는 현재 1세대와 2세대 제품으로 구분되어 있으며, 분석결과 샤오미 제품은 모두 프로토콜 분석이 가능한 상태이나 1세대의 경우 온도계를 IoT 디바이스에 연결하기 위한 별도의 Stand-by 버튼을 구비하고 있으나, 2세대 제품은 어떤 버튼도 지원하지 않았다.
■ 이에 따라 1세대 제품은 별도 변경 없이 그대로 IoT 디바이스에 연결이 가능하였으나, 2세대 제품은 당사가 별도의 펌웨어 개발을 통해 IoT 디바이스에 연결하는 루틴을 추가한 후, 해당 펌웨어를 제품에 포팅하는 방법을 사용하였다.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
연구개발성과 활용 계획

■ 당사는 지역난방 분야에 높은 경쟁력과 시장점유율을 가지고 있는 난방기기 제조업체와 연결하여 제품을 공급하는 방향으로 영업을 진행하고 있으며, 위 업체와 난방장비 시장에서 협력하고 있는 대리점 및 온라인 판매업체들을 통해 영업을 확장하려는 계획을 갖고 있다.
■ 현재 RF 온도조절기를 기반으로 해당 제조업체와 영업 협상을 진행 중이며, 향후 협력이 진행됨에 따라 RS-485 IoT 디바이스 시장에 대한 협력도 개시될 예정이다.

연구개발성과의 기대 효과

■ RS-485 난방기기는 일반적으로 월패드에 의해 제어되는 방식으로 설치되어 있다. 그러나 월패드는 댁내에서의 제어만을 제공할 뿐 외부에서 연결하기 위해서는 월패드를 IoT 기능을 지원하는 제품으로 교환해야만 한다.
■ 그러나 월패드는 고가일뿐더러 난방기기 외 타 장비도 함께 제어하기 때문에 단순히 IoT 기능을 지원하기 위한 이유만으로는 대체하기가 어렵고, 또한 아파트 단지마다 월패드가 지원하는 기능들이 상이하기 때문에 사실상 월패드의 변경은 채택되기 어렵다.
■ 그런 점에서 본 연구개발에 의해 완성된 RS-485 IoT 난방제어기는 기존 RS-485 회선에 연결시키는 것만으로 설치되므로 설치작업이 매우 단순하고 용이하며, IoT 디바이스를 공유기에 연결시키는 작업만으로 월패드의 기능의 종류에 관계없이 사용자 APP을 통해 난방제어가 가능하므로 기존 RS-485 난방장비를 설치한 가정의 경우에 폭넓은 활용이 가능하다.
■ 또한 온도를 활용한 제어가 가능한 분야, 예를 들어 에어컨 등에 연동될 경우 난방뿐만 아니라 냉방제어도 가능하며, 프로토콜이 오픈될 경우 월패드에 연결된 모든 RS-485 가전의 제어도 가능해질 것이다.
■ 현재 지역난방용 온도조절기는 대부분 2선식이다. 2선식 온도조절기와 난방구동기를 사용하는 경우 본 연구개발에 의해 완성된 RF 온도조절기를 1:1 교체 설치가 가능하다. 이 경우 RF기능이 부가된 IoT 난방제어기를 통해 사용자 APP을 통한 온도확인 및 제어가 가능하여 국내 25%에 달하는 지역난방 세대에 적용이 가능한 솔루션이다.
■ 특히 현재 개발이 진행 중인 RF기능 부가형 IoT 난방제어기의 경우, WIFI 대신 유선 LAN 포트를 내장함으로써 제품의 등록 및 인터넷 연결을 보다 용이하게 개선하였으며, 향후 RS-485 장비 또는 RF 장비의 추가 연결에 대응할 수 있도록 설계하여 확장성을 제고하였다.
■ 현재 신규 구축되는 공동주택의 경우 IoT 기능을 기본적으로 설치하여 서비스를 제공하고 있으나, 기존 대다수의 세대에 해당하는 구축 공동주택의 경우에는 신기술의 혜택에서 소외되고 있는 것이 사실이다. 본 연구개발의 성과를 활용하여 국내 구축 공동주택에서도 보다 저렴하고 용이한 방식으로 IoT 난방제어 및 기기 제어가 가능하게 될 것이다.
■ 현재 지역난방 세대에 설치된 온도조절기는 대부분 2선식이다. 즉 240만 세대에 달하는 지역난방 주택의 각 방에 설치되는 2선식 온도조절기는 해마다 유지보수의 수요가 발생하고 있다. 신축 주택에 공급되는 신규수요에 못지않게 기존 시장의 대체수요도 크다는 점이 특징이다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 8
• 1. 최초 연구개발과제의 개요 ... 9
• 1) 첫째, IoT 디바이스는 RS-485/Bluetooth 등의 제어 프로토콜 기능을 탑재한다 ... 9
• 2) 둘째, IoT 디바이스를 등록/관리하고 사용자 인터페이스를 제공하는 Android/iOS용 APP을 개발한다 ... 10
• 3) 셋째, IoT 디바이스와 사용자 APP을 연결하는 클라우드 시스템을 개발한다 ... 10
• 4) 넷째, IoT 디바이스와 RS-485 가전 사이의 무선 연결은 Sub 디바이스를 사용한다 ... 10
• 2. 연구개발 목표의 변경 ... 10
• 1) RS-485 테스트 장비의 비호환성 문제 ... 10
• 2) 난방기기용 RS-485 테스트 장비의 확보 ... 10
• 3) 연구개발 목표를 난방기기 대상으로 축소키로 함 ... 11
• 4) 연구개발 범위를 난방기기 영역에서 확장키로 함 ... 11
• 3. 최종 연구개발과제의 개요 ... 11
• 1) 첫째, IoT 디바이스는 RS-485/Bluetooth/RF 등의 제어 프로토콜 기능을 탑재한다. ... 12
• 2) 둘째, IoT 디바이스를 등록/관리하고 사용자 인터페이스를 제공하는 Android/iOS용 APP을 개발한다. ... 12
• 3) 셋째, IoT 디바이스와 사용자 APP을 연결하는 클라우드 시스템을 개발한다. ... 12
• 4) 넷째, 기존 설치된 가전이 사용하는 비표준 프로토콜의 분석/개발이 필요하다. ... 13
• 5) 다섯째, IoT 디바이스와 RS-485 가전 사이의 무선 연결은 Sub 디바이스를 사용한다. ... 13
• 4. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 13
• 1) 연구목표 제한 ... 15
• 2) 연구목표 확장 ... 16
• 3) 첫째, IoT 디바이스는 RS-485/Bluetooth 등의 제어 프로토콜 기능을 탑재하였다. ... 16
• 4) 둘째, Bluetooth 온습도계를 IoT 디바이스에 연결하기 위해 Firmware를 개발하였다. ... 19
• 5) 셋째, IoT 디바이스를 등록/관리하고 사용자 인터페이스를 제공하는 Android/iOS용 APP을 개발하였다. ... 20
• 6) 넷째, IoT 디바이스와 사용자 APP을 연결하는 클라우드 시스템을 개발하였다. ... 22
• 7) 다섯째, RF 기능을 갖는 지역난방 호환 온도조절기를 개발하였다. ... 24
• 8) 가전기기의 프로토콜 분석을 통한 제어가능한 모듈 추가를 지속해야 한다. ... 25
• 9) IoT 디바이스, 사용자 APP, 클라우드 서버의 기능 DEMO ... 26
• 5. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 26
• 1) 연구수행 결과 ... 26
• 2) 목표 달성 수준 ... 31
• 6. 목표 미달 시 원인분석 ... 32
• 1) 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 32
• 2) 자체 보완활동 ... 33
• 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 33
• 7. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 34
• 8. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 34
• 끝페이지 ... 36