http://journal.dcs.or.kr/xml/37902/37902.pdf
선정 이유
사물인터넷이 발전하고 기술의 발전이 거주 환경에도 많은 영향을 미치며 삶의 질을 향상시켜주고 있는데, 이러한 스마트 홈에 관련하여 알아보고 싶었기 때문에 선정하게 되었다.
- IEEE 802.15.4 기반의 스마트 홈 네트워크를 제안
- 무선통신노드로 CC2530 칩을 활용하고 Z-Stack 프로토콜 스택 기반의 무선 네트워크 소프트웨어를 개발
- 스마트 도어락，각종 센서 및 기타 터미널 노드를 통해 환경 모니터링 정보를 실시간으로 수집하여 조정기에 전송
- 제안하는 시스템에서 설계된 온습도 수집 회로는 휴대용 온습도 채집 장비의 정확도와 일치하며 오차가 합리적인 범위에 속한다
- 유연한 이동, 강력한 확장성, 저비용, 저전력 소비 및 간단한 조작 등의 특성을 목표로 한다.
Ⅰ. 서 론
Ⅱ. 스마트 홈의 연구 동향
- 스마트 홈 시스템
- 클라우드 기반의 스마트 홈
- 스마트 홈에서 무선 전송기술
Ⅲ. 스마트 홈 네트워크 구현
- 시스템 구성
- 시스템 설계
- 시스템 구현
Ⅳ. 성능 분석
Ⅴ. 결 론
Ⅰ. 서 론
*사물인터넷 (IoT : Internet of Things)
: 사물간, 사람과 사물간의 정보 교환을 실현하기 위해 첨단 센서 장비와 무선 네트워크 기술 을 사용하여 사물과 사람을 연결하는 것
본 논문에서는 IEEE 802.15.4(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 기반으로 하는 스마트 홈 네트워크를 설계 및 구현한다. 무선통신 프로토콜을 기반으로 가정의 다양한 스마트 가전을 시뮬레이션하고 저전력 가정의 무선 감지 네트워크, 라즈베리 파이를 활용하여 스마트 홈 제어 게이트웨이를 구축한다
* IEEE 802.15.4(Institute of Electrical and Electronics Engineers)
저속 무선 개인용 네트워크
Ⅱ. 스마트 홈의 연구 동향
스마트 홈 시스템
*스마트 홈 시스템
: 환경감지, 자동제어기술, 사물인터넷 기술과 컴퓨터 기술을 통합한 것으로, 가전제품의 집중적인 모니터링, 제어, 정보관리, 환경 모니터링, 비디오 오락 등 종합기능을 수행할 수 있다.
스마트 홈 시스템의 요구에 따라 시스템은 가전제품의 정보, 온습도, 유해가스 등 다양한 하위 환경의 정보 수집을 제어하고 관리하여 스마트한 주거환경을 구현한다.
클라우드 기반의 스마트 홈
스마트 홈 클라우드 플랫폼의 핵심 요소인 클라우드 서비스는 주로 장치 관리, 장치 연결 서비스 및 원격 명령 전달을 담당한다.
기존의 서버 프레임워크가 약간의 전용 서버를 구축해야 하는 것과 달리 물리적 자원을 가상화하는 것은 클라우드 플랫폼 설계의 주요 핵심 사항이다.
자원을 공유하는 방식은 물리적 자원의 활용도를 높여 자원 비용을 최소화할 뿐만 아니라, 인력을 절약하면서 서비스 품질을 보장하고 자원 관리의 지출 비용을 줄일 수 있다.
스마트 홈에서 무선 전송기술
1) 지그비 프로토콜(ZigBee Protocol)
- 개방형 글로벌 표준 및 무선통신 프로토콜
- 원래 목표 : 신뢰할 수 있고 저렴하며 저 전력 모니터링 제품을 제공하여 제품을 서로 연결
- 특징 : 낮은 전력 소비, 짧은 전송 거리 및 우수한 안정성
2) Wi-Fi
- 가장 널리 사용되는 무선 네트워크 프로토콜
- 장점 : 빠른 전송 속도, 많은 양의 데이터 전송 그리고 사용자가 쉽 게 사용할 수 있다.
3) Z-Wave (지-웨이브)
- 저비용, 저전력 소비, 높은 신뢰성
- 더 낮은 수준의 디지털 변조 방식을 채택
Ⅲ. 스마트 홈 네트워크 구현
시스템 구성
1) 무선통신 센서 네트워크를 핵심으로 CC2530을 주요 칩으로 하는 터미널 노드 및 조정기(Coordinator) 장치를 제안
- 무선 네트워크 구성, 데이터 수집 및 전송, 제어 명령과 같은 기능을 실행
2) 라즈베리 파이 4B+를 게이트웨이(Gateway)로 사용하여 인터넷에 연결
3) 홈 어시스턴트(Home Assistant)를 홈 자동화 플랫폼으로 사용하여 센서 축정 상태에 대한 원격 실시간 모니터링, 조기 경보, 조정 및 제어 기능을 실행
다양한 센서의 데이터가 수집되어 스마트 터미널을 거쳐 최종적으로 조정기로 전달되고 조정기가 정보를 받은 후 스마트 게이트웨이를 통해 네트워크에 연결된다.
컴퓨터, PDA(Personal Digital Assistant) 또는 휴대전화와 같은 클라이언트를 통해 집(Home)안에 있는 다양한 장치를 실시간으로 편리하게 조회 및 제어할 수 있다.
*게이트웨이
: 한 네트워크(segment)에서 다른 네트워크로 이동하기 위하여 거쳐야 하는 지점
서로 다른 네트워크의 프로토콜이 다를 경우에 중재 역할을 해준다.
* CC2530
: ZigBee CC2530 2.4GHz 지그비 무선 통신 모듈
* 라즈베리 파이
: 교육용 목적으로 개발된 초소형 컴퓨터 (싱글보드 컴퓨터)
아두이노와 달리 키보드, 마우스, 모니터만 연결하면 pc가 될 수 있다. (일반 데스크탑과 유사)
Linux OS를 기반으로 한다.
시스템 설계
고성능, 저비용 지그비 CC2530 모듈을 사용하여 가전제품의 지능형 모니터링 및 제어를 설계한다.
센서 : 가정용 내부 장비에 대한 제어 및 모니터링 정보를 수집하여 단말기를 통해 게이트웨이로 전송한다.
라즈베리 파이는 게이트웨이로 사용하고 홈 어시스턴트 애플리케이션을 기반으로 클라이언트 모니터링 도구로 사용한다.
게이트웨이는 각각의 무선 단말기의 정보를 수집하고 해당 제어정보를 전송한다.
홈 어시스턴트를 원격 모니터링용으로 선택하면 편리하고 빠르다는 장점이 있다.
게이트웨이는 직렬 포트를 통해 라즈베리 파이에 연결된다.
시스템 구현
시스템 구현을 위해 무선모듈 : CC2530 칩 사용
디버깅 도구 : 일반적으로 사용되는 IAR Embedded Workbench IDE(EW라고도 함)를 사용
스마트 도어락, 스마트 온도, 유해가스 검출 무선모듈을 구현
1) 입력모듈은 입력신호를 수신하고 입력정보는 사용자의 요구에 따라 비밀번호, 지문 또는 RFID 카드가 될 수 있다.
2) 온도 모니터링은 일반적으로 사용되는 DS18B20 디지털 온도 센서는 Dallas 반도체에서 개발한 디지털 온도 센서로
작은 크기, 높은 정확도, 강한 간섭 방지 능력의 특성을 가지고 있다.
3) 가스 센서는 MQ-2를 사용하며 검출 범위가 넓고 액화 가스, 메탄, 알코올, 스모그 및 기타 일반적인 유해가스 검출에 적합하며 감도가 높고 수명이 길고 안정성이 강하다.
4) 무선 단말기는 Wi-Fi 장치와 같이 무선 네트워크에 직접 액세스할 수 없기 때문에 게이트웨이(라우터)와 같은 구성요소를 무선장치에 추가하여 최종적으로 무선장치를 연결한다.
5) 게이트웨이는 스마트 홈의 핵심 장비로서 전체 스마트 홈 그룹 네트워크의 제어를 책임지고 서로 다른 신호 간의 프로토콜을 전환한다. 게이트웨이로 사용되는 라즈베리 파이에는 직렬포트가 있으며 조정기는 수신된 정보를 직렬포트를 통해 라즈베리 파이로 전송하고 라즈베리 파이는 직렬포트 정보를 수신하고 읽은 정보를 처리 및 피드백 한다.
6) 모니터링 프로그램은 홈 어시스턴트를 사용한다. 홈 어시스턴트는 Python을 기반으로 가장 인기 있는 오픈소스 스마트 홈 시스템으로서 현재 대부분의 스마트 홈 기기에 호환 및 지원이 된다.
원격 모니터링은 라즈베리 파이 HDMI 인터페이스를 모니터에 연결하고 전원을 켠 후, 먼저 Wi-Fi 네트워크에 연결하고 라즈베리 파이 시스템 설정은 VNC(Virtual Network Computing)를 구성하고 VNC 기능을 킨다. VNC 구성이 완료되면 VNC 도구를 사용하여 얻은 주소를 통해 다시 모니터를 사용하지 않고 라즈베리 파이에 로그인할 수 있다
* IAR Embedded Workbench IDE
: 유료 컴파일러 (비싸다는 단점)
IAR Embedded Workbench for Arm | IAR
IAR Embedded Workbench for Arm, a comprehensive development environment for Arm devices with user-friendly IDE and leading compiler technology
www.iar.com
Ⅳ. 성능 분석
무선 네트워크 자가 치유 능력, 환경정보 수집에 대해서 분석한다.
무선 네트워크의 자체 복구 능력을 테스트하고 구현 환경을 활용하여 실제 환경을 시뮬레이션 한다.
노드를 인위적으로 이동하거나 종료하여 노드가 네트워크에서 손실되도록 모의 테스트한다
1) 무선 네트워크 자가 치유 능력 테스트는 시뮬레이션 된 노드 장애를 통해 단말기가 자동으로 다른 노드에 연결되고 네트워크 주소의 부모 노드가 변경되는 과정이므로 특정 디지털 데이터는 없으며 네트워크 주소만 변경된다
-> 무선 터미널 네트워크의 라우터 노드에 장애가 발생한 경우, 인위적인 조작이 필요하지 않고 가장 가까운 라우터 노드에 자동으로 연결할 수 있으며 장애 발생 시 시스템이 계속 정상적으로 작동하도록 예비 라우터 노드를 설정할 수 있다.
2) 환경정보 수집은 온도 및 습도 수집으로 구분된다.
휴대용 온습도 채집 장비를 통해 온도 및 습도 데이터를 측정한다. 시스템에서 수집된 온도 및 습도 데이터는 휴대용 온습도 채집 장비를 활용하여 측정한 데이터와 비교한다.
-> 제안한 시스템에서 설계된 온습도 수집회로는 휴대용 온습도 채집 장비의 정확도에 매우 가깝고 오차가 합리적인 범위 내에 있다. 이는 온습도 센서를 사용하여 수집된 데이터가 정확하고 신뢰할 수 있음을 의미한다.
Ⅴ. 결 론
무선통신을 기반으로 한 스마트 홈 제어시스템은 원가가 저렴하고 접속이 확실하며 제어가 편리한 이상적인 시스템으로 실험 테스트를 거쳐 시스템의 기본 기능과 특징이 예정된 효과를 달성했다.
개선사항
1) 라즈베리 파이 4B+의 성능을 충분히 발휘하고 다양한 인터페이스를 사용하여 시스템의 기능을 더 풍부하고 심층적으로 만들 수 있는 여지가 있다.
2) 라즈베리 파이는 강력한 처리 능력을 가지고 있으며 물체 및 얼굴 인식, 음성 상호 작용 기능을 추가할 수 있으며 알고리즘 및 정보 처리 측면에서 여전히 개발의 여지가 많다.
3) 빅 데이터 및 클라우드 컴퓨팅 서비스의 경우 시스템을 최적화하고 업그레이드할 수 있으며 처리된 정보를 저장할 수 있으므로 정보를 보다 자세히 분석하고 집계하여 시스템 성능을 보다 의미 있게 만들 수 있는 여지가 있다.
Gateway(게이트웨이)란 ? Router(라우터)란? 각 개념과 차이점에 대해 알아보자.
Gateway ( 게이트웨이 ) 란 ? “한 네트워크(segment)에서 다른 네트워크로 이동하기 위하여 거쳐야 하는 지점” 으로서로 다른 네트워크의 프로토콜이 다를 경우에 중재 역할을 해줍니다. <p data-ke-s
hstory0208.tistory.com
하드웨어적인 요소부터 소프트웨어 기술의 적용까지 전반적으로 스마트 홈 네트워크의 구현을 살펴볼 수 있어 흥미로웠다. 더 자세한 기술적인 원리와 용어들을 공부해서 나중에 구현해보는 경험도 해보고 싶다.