KR101072295B1 - 자가충전 기능을 갖는 센서노드 및 그 운용 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크에서 자가충전 기능을 갖는 센서노드 및 그 운용 방법에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명에 따른 센서노드는 외부 환경으로부터 이벤트를 감지하는 센서부와, 상기 이벤트에 대응되는 센싱신호와 미리 설정된 임계값을 비교하여, 임계상황을 판단하는 제어부와, 상기 센서부 및 상기 제어부에 구동 전력을 공급하며 출력 가능한 전력값을 판단하고 상기 출력 가능한 전력값이 최소 구동 전력값보다 작으면 전력을 생성 및 저장하는 전원제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

자가충전, 센서노드, 전원제어부

Description

자가충전 기능을 갖는 센서노드 및 그 운용 방법{SENSOR NODE WITH SELF-CHARGING FUNCTION AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}

본 발명은 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network:USN)에 관한 것으로, 특히 무선 센서 네트워크에서 자가발전 및 충전 기능을 갖는 센서노드 및 그 전력제어 방법에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호 : 2006-S-006-03, 과제명:유비쿼터스 단말용 부품 모듈].

유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network:USN) 시스템은 기존의 단순 인식정보를 제공하는 RFID(Radio-Frequency Identification)에 센싱 기능이 추가되고 이들 간의 무선 센서 네트워크가 이루어져 실시간으로 통신을 할 수 있는 시스템을 말한다.

또한 유비쿼터스 센서 네트워크는 다양한 센서를 통해 입력되는 정보를 실시 간으로 네트워크를 통해 외부의 네트워크에 연결하여 정보를 처리하고 관리한다. 이는 궁극적으로 모든 사물에 컴퓨팅 및 통신 기능을 부여하여 언제 어디서나 네트워크, 디바이스 및 서비스에 관계없이 통신이 가능한 환경을 구현하기 위한 것이다.

유비쿼터스 센서 네트워크의 중요 기술분야로는 크게 사물과 환경 인지에 사용되는 센서관련 기술과 정보전달을 위한 네트워크 기술, 전달된 정보를 서비스하기 위한 응용 기술 등이 있으며, 유비쿼터스 센서 네트워크 내의 무선 센서 네트워크 시스템은 하드웨어 플랫폼 개발, OS 기술, 네트워크 프로토콜, 미들웨어, 센서 네트워크 어플리케이션, 보안 등 많은 연구분야를 가지고 있다.

많은 연구분야 중 무선 센서 네트워크 시스템에서의 하드웨어 플랫폼 기술을 살펴보면, 하드웨어 플랫폼으로 사용되는 모듈은 '센서노드'로 불리어지며, 크게 제어부, 무선송수신부, 센서부, 전원부로 구성된다.

현재 센서 네트워크 표준은 Ad-hoc 망을 기반으로 센서 네트워크를 구축하는 표준이 주류를 이루고 있으며, Bluetooth, IEEE 802.15.4, Zigbee 등의 무선 프로토콜을 이용하여 센서노드간 통신을 하며 센싱신호의 양에 따라 무선 프로토콜이 결정된다.

이하 도 1을 참조하여 종래의 무선 센서 네트워크의 센서노드에 대해 살펴보기로 한다.

도 1은 종래의 무선 센서 네트워크에 포함된 센서노드의 내부 구성도이다.

도 1을 참조하면, 종래기술에 해당하는 센서노드(100)는, 무선송수신 부(110), 제어부(120), 센서부(130) 및 이들 구성요소들에 구동 전력을 제공하는 전원부(배터리)(140)를 구비한다.

주로 제한된 배터리 전원으로 동작하는 센서노드(100)의 특성으로 인하여 센서노드(100)를 구성할 때는 저전력 소모가 설계시에 우선적으로 고려하여야 할 사항이기 때문에 저전력 소자에 의하여 하드웨어가 구성되며, 주로 8비트 CPU, 저전력 통신소자 및 주변 회로로 이루어진다.

한편, 비록 저전력 소자에 의해 센서노드(100)의 하드웨어가 구성되더라도 유한한 전원의 효과적인 사용방법이 센서 네트워크의 수명과도 직결되므로, 가능하면 센서노드(100) 동작시간의 대부분을 휴면(Idle)상태로 유지하도록 운영체제, 프로토콜 등을 설계한다. 센싱 정보는 이러한 노드의 휴면상태가 아닌 짧은 활성(Active)상태에서 각 노드에서 획득하고 싱크 노드나 관리서버로 전달한다.

따라서, 센싱 정보를 획득하는 센서 소자 선택에 있어서도 어떠한 응용이든 저전력을 소모하는 제품이 선호되며, 센서노드(100)에 포함되는 각각의 모듈은 전력소비가 최저전력으로 구동되는 방식이 결정적인 역할을 하므로, 센서부(130)의 소비전력은 가능한한 작아야하고 전원부(140)의 배터리 용량은 허용되는 면적 내에서는 가능한 커야 한다.

따라서, 센서노드(100)의 구현 가능성은 배터리의 최대충전용량으로 결정되며 배터리의 용량에 따라 센서노드(100)의 수명이 결정되는 심각한 문제점이 발생한다. 또한, 센서노드(100)는 전원부(140)의 배터리 수명 때문에 장기적인 센서노드(100) 구성이 불가능하므로 네트워킹 형성에 제약이 따르며 반복적으로 전원 부(140)의 교체가 필연적으로 이뤄져야 하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 안정적이고 지속적인 전원을 공급할 수 있도록 자가 충전기능을 갖는 센서노드 및 그 운용 방법을 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명의 일 특징에 따른 자가충전 기능을 갖는 센서노드는, 외부 환경으로부터 이벤트를 감지하는 센서부와, 상기 이벤트에 대응되는 센싱신호와 미리 설정된 임계값을 비교하여, 임계상황을 판단하는 제어부와, 상기 센서부 및 상기 제어부에 구동 전력을 공급하되 출력 가능한 전력값을 판단하고 상기 출력 가능한 전력값이 최소 구동 전력값보다 작으면 전력을 생성 및 저장하는 전원제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징에 따른 자가충전 기능을 갖는 센서노드의 운용 방법은, 상기 센서노드의 출력 가능한 전력값을 점검하는 단계와, 상기 전력값이 상기 센서노드의 최소 구동 전력값보다 작으면 상기 센서노드를 비활성화하고 전력을 생성 및 저장하는 단계와, 상기 저장된 전력이 상기 최소 구동 전력값보다 크면 상기 센서노드를 활성화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 주변환경의 물리 변화량을 실시간으로 감시하기 위한 센서노드에 전력 발전부 및 전력 저장부를 구비함으로써 안정적이고 지속적인 전원을 제공받을 수 있으며, 이에 따라 장기적인 센서노드를 구동할 수 있는 이점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 자가충전 기능을 갖는 센서노드의 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 센서노드(200)는 센서부(210), 전원제어부(220), 무선송수신부(230), 제어부(240)를 포함한다.

센서부(210)는 외부 환경으로부터 이벤트를 감지한다. 여기서 이벤트는 소음, 진동, 빛, 움직임 등 외부 환경의 물리적 변화가 될 수 있으며, 센서부(210)는 이에 따른 이벤트를 감지하기 위해 각각의 센서 또는 복합센서와 같은 다양한 센서를 포함할 수 있다.

또한 센서부(210)는 신호 처리부(미도시)를 포함하며, 외부 환경으로부터 이벤트를 감지하면, 이에 대응되는 센싱신호를 전기적 신호로 변환하여 제어부(240) 로 전달하는 기능을 수행한다.

전원제어부(220)는 전력 발전부(220a) 및 전력 저장부(220b)를 포함한다. 또한, 전원제어부(220)는 센서부(210), 무선송수신부(230), 제어부(240)를 포함하는 센서노드(200)의 각 구성부로 구동 전력을 공급하는 기능을 수행한다. 또한, 전원제어부(220)는 일정시간 간격으로 출력 가능한 전력값을 판단하고, 출력 가능한 전력값이 센서노드(200) 구동에 필요한 최소 구동 전력값보다 작으면 센서노드(200)를 비활성화시키고,전력 발전부(220a)를 통해 전력을 생성하고, 생성된 전력을 전력 저장부(220b)에 저장하는 기능을 수행한다.

이후 전원제어부(220)는 저장된 출력 가능한 전력값을 다시 점검하고, 출력 가능한 전력값이 센서노드(200)의 최소 구동 전력값보다 크면 센서노드(200)를 활성화시킨다.

무선송수신부(230)는 RF부와 모뎀(MODEM)(미도시)을 포함한다. RF부는 송신되는 신호의 주파수를 상승변환 및 증폭하는 RF송신기와, 수신되는 신호를 저잡음 증폭하고 주파수를 하강 변환하는 RF수신기를 포함한다. 모뎀(MODEM)은 송신될 신호를 부호화 및 변조하는 송신기 및 RF부에서 수신되는 신호를 복조 및 복호화하는 수신기 등을 포함한다. 또한, 무선송수신부(230)는 제어부(240)의 제어하에 임계상황에 따른 메시지를 관리 서버로 송신하고, 관리 서버로부터 메시지를 수신하는 기능을 수행한다.

제어부(240)는 센서노드(200)의 전반적인 동작을 제어하는 기능을 수행한다. 또한 제어부(240)는 본 발명의 실시 예에 따라 전원제어부(220)를 통해 구동 전력이 공급되면 센서부(210)를 통해 외부 환경으로부터 이벤트가 발생되었는지 판단한다. 센서부(210)로부터 이벤트 발생에 대응하여 생성된 센싱신호가 수신되면, 제어부(240)는 센싱신호의 값과 미리 설정된 임계값을 비교하여 임계 상황 발생 여부를 판단한다. 이때, 제어부(240)는 센싱신호의 값이 미리 설정된 임계값보다 크면 임계 상황이 발생한 것으로 판단하고 이에 대응되는 메시지를 무선송수신부(230)를 통해 관리 서버로 송신한다. 또한, 제어부(240)는 센싱신호의 값이 미리 설정된 임계값보다 작으면 임계 상황이 발생하지 않은 것으로 판단하고, 센서노드(200)를 저전력모드로 전환한 후에 센서부(210)를 통해 이벤트 발생 여부를 계속해서 감지한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 자가충전 기능을 구비한 센서노드의 운용방법을 도시한 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 전원제어부(220)가 일정시간 간격으로 저장되어 있는 출력 가능한 전력값을 점검하고(301), 출력 가능한 전력값과 센서노드(200)를 구동하는데 필요한 최소 구동 전력값을 비교한다(302).

단계(302)의 비교결과, 출력 가능한 전력값이 센서노드(200)의 최소 구동 전력값 보다 작으면 전력 발전부(220a)를 제어하여 전력을 생성하고, 전력 저장부(220b)를 제어하여 생성된 전력을 저장한다(310).

이후 전원 제어부(220)는 저장된 전력값과 센서노드(200)의 최소 구동 전력값을 다시 비교하고(311), 저장된 전력값이 센서노드(200)의 최소 구동 전력값보다 클때까지 310-311단계를 반복수행한다.

제어부(240)는 301-302 단계를 통해 전원제어부(220)로부터 구동 전력이 공급되면, 센서부(210)를 제어하여 외부 환경으로부터 이벤트를 감지하고(303), 감지된 이벤트에 대응되는 센싱신호의 값과 미리 설정된 임계값을 비교한다(304).

제어부(240)는 304단계의 비교를 통해 센싱신호의 값이 임계값보다 크면, 외 부 환경 상태를 임계상황으로 판단하여 센싱신호의 값에 대한 메시지를 생성하고 관리서버로 전송한다(305). 만약 제어부(240)는 304단계의 비교를 통해 센싱신호의 값이 임계값보다 작으면, 외부 환경 상태가 임계상황이 아닌 것으로 판단하고, 센싱노드(200)를 저전력모드로 전환하여 301-303단계를 반복 수행한다(312).

제어부(240)는 305단계에서 관리서버로 메시지를 전송한 후에 센서노드(200)를 저전력모드로 전환하고(306), 관리서버로부터 메시지가 수신되는지 판단하여(307), 관리서버로부터 메시지가 수신되면, 수신된 메시지를 분석한다(308).

제어부(240)는 308단계 분석을 통해 수신된 메시지가 센서부(210)의 구동을 종료하라는 메시지이면 센서부(210)의 구동을 종료하고(309), 307단계 분석을 통해 수신된 메시지가 외부 환경에 대한 이벤트를 계속해서 감지하라는 메시지이면 전원제어부(220)를 통해 구동 전력을 계속 공급받으며, 301-307단계를 반복 수행한다.

이와 같이 센서노드(200)내에서 구동에 필요한 전력을 생성 및 저장함으로써, 외부 환경에서 발생되는 다양한 이벤트를 실시간으로 감지하여 관리서버에 제공할 수 있다.

상술한 본 발명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형을 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위의 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래의 무선 센서 네트워크에 포함된 센서노드의 내부 구성도,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 자가충전 기능을 갖는 센서노드의 내부 구성도,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 자가충전 기능을 수행하는 센서노드의 제어 흐름도.

Claims (11)

1. 외부 환경에 따른 이벤트를 감지하여 센싱 신호를 생성하는 센서부와,

   상기 센서부에 구동 전력을 공급하며, 출력 가능한 전력값을 판단하고 상기 출력 가능한 전력값이 최소 구동 전력값보다 작으면 전력을 생성 및 저장하는 전원제어부

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가충전 기능을 갖는 센서노드.
2. 제1 항에 있어서, 상기 전원제어부는,

   상기 출력 가능한 전력값이 상기 최소 구동 전력값보다 작으면, 전력을 생성하는 전력 발전부와,

   상기 생성된 전력을 저장하는 전력 저장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가충전 기능을 갖는 센서노드.
3. 제1 항에 있어서, 상기 전원 제어부는,

   일정 시간 간격으로 출력 가능한 전력값을 판단하여 전력을 생성 및 저장하는 것을 특징으로 하는 자가충전 기능을 갖는 센서노드.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 센서부로부터 수신된 상기 센싱신호와 미리 설정된 임계값을 비교하여, 상기 센싱신호가 상기 미리 설정된 임계값보다 크면 임계상황임을 판단하여 상기 임계상황 발생에 대한 메시지를 생성한 후 관리 서버로 송신하고, 상기 센싱신호가 상기 미리 설정된 임계값보다 작으면 상기 센서노드가 저전력모드로 구동하도록 제어하는 제어부

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자가충전 기능을 갖는 센서노드.
5. 제4 항에 있어서,

   상기 제어부에 의해 생성된 메시지를 상기 관리 서버로 송신하거나 또는 상기 관리 서버로부터 메시지를 수신하는 무선송수신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자가충전 기능을 갖는 센서노드.
6. 제4 항에 있어서,

   상기 센서부는 상기 저전력모드에서도 상기 외부 환경에 따른 이벤트를 감지하고, 상기 제어부는 상기 저전력모드에서도 상기 임계상황에 대한 판단을 수행하는 것을 특징으로 하는 자가충전 기능을 갖는 센서노드.
7. 제1 항에 있어서, 상기 센서부는,

   소음, 진동, 빛, 움직임에 대한 외부 환경의 물리적 변화를 감지하는 적어도 하나 이상의 센서 또는 복합센서인 것을 특징으로 하는 자가충전 기능을 갖는 센서노드.
8. 센서노드를 활성화하기 위해 출력 가능한 전력값을 점검하는 단계와,

   상기 출력 가능한 전력값이 상기 센서노드의 최소 구동 전력값보다 작으면 상기 센서노드를 비활성화하고 전력을 생성 및 저장하는 단계와,

   상기 저장된 전력이 상기 최소 구동 전력값보다 크면 상기 센서노드를 활성화하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가충전 기능을 갖는 센서노드의 운용 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 활성화된 센서 노드가 외부환경으로부터 이벤트를 감지하는 단계와,

   상기 감지된 이벤트에 대응하는 센싱신호와 임계값을 비교하여 임계상황인지 를 판단하는 단계와,

   임계상황인 것으로 판단된 경우에 임계상황 발생에 대한 메시지를 관리서버에 전송하는 단계와,

   상기 메시지 전송후에 상기 센서 노드는 저전력 모드로 전환하는 단계

   를 더 포함하는 자가충전 기능을 갖는 센서노드의 운용 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 임계상황이 아닌 것으로 판단된 경우에 상기 센서 노드는 저전력 모드로 전환하는 단계를 더 포함하는 자가충전 기능을 갖는 센서노드의 운용 방법.
11. 제8항에 있어서, 상기 출력 가능한 전력값의 점검은 주기적으로 수행되는 자가충전 기능을 갖는 센서노드의 운용 방법.

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