KR101171147B1 - 센서 노드 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

USN 센서 노드의 생존 시간을 정확하게 보장할 수 있는 센서 노드 및 그 제어방법이 제안된다. 제안된 센서 노드 제어방법에서는 사용자로부터 센서 노드의 동작 시간을 입력받고, 입력된 동작 시간을 기초로, 센서 노드의 단위 시간당 센싱 수인 센싱 레이트를 산출한 후, 산출된 센싱 레이트에 따라 센서 노드의 센싱 동작을 제어하여 센서 노드를 제어한다.

Description

센서 노드 및 그 제어방법{SENSOR NODE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 센서 노드 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, USN 센서 노드의 생존 시간을 정확하게 보장할 수 있는 센서 노드 및 그 제어방법에 관한 것이다.
센서 네트워크(sensor network)는 무선 센서 네트워크 또는 유비쿼터스 센서 네트워크로도 불리는 다수의 센서 노드 및 이들의 정보를 외부로 내보내는 싱크 노드로 구성된 네트워크이다. 센서 노드는 자동화된 원격 정보 수집을 목적으로 하여 여러 종류의 데이터를 센싱하여 정보로 가공하고 이를 수집한다.
센서 네트워크에 존재하는 센서 노드는 특정 위치에서 필요한 데이터를 지속적으로 센싱하여 이를 전송하여야 하는 특성상 저전력으로 오랜 시간동안 동작할 필요가 있다. 따라서, 센서 노드를 제한적인 배터리량으로 사용자가 원하는 시간만큼 동작을 시킬 것이 필요한데, 이를 위해서는 정확한 배터리 사용시간의 예측과 이에 맞춘 센싱 주기의 설정이 필요하다. 일반적으로 센서 노드가 소비하는 에너지량으로 배터리의 잔량을 나누는 방법을 이용하여 센서 노드의 배터리의 사용시간을 예측한다.
이러한 방법은 센서 노드가 소비하는 에너지량으로 배터리의 잔량을 나누어 이를 기초로 센싱 주기를 설정하므로 계산한 배터리 사용시간과 실제 배터리 사용시간에는 오차가 있으며, 시간이 따라 에러 범위가 커진다.
도 1은 종래의 센서 노드의 시간에 따른 생존 시간 예측 에러율을 도시한 그래프이다. 도 1은 센서 노드를 20시간 동안 동작시켰을 때 각 시간 별 실제 동작 시간과 배터리 잔량에 따른 예측 동작시간 간의 차이를 에러율로 표시한 것이다. 센서 노드는 50% duty cycle에서 high-workload와 low-workload를 두가지 환경에서 수행하였다. 여기서 high-workload는 지속적으로 센싱한 후 바로 라디오로 데이터를 전송하는 방법이고, low-workload는 1분에 한번씩 센싱한 후 라디오로 데이터를 보내주는 것이다. 50% duty cycle은 30초마다 센싱과 데이터 전송을 반복하여 동작 시킨 것이다.
도 1에서 확인할 수 있듯, 일반적인 방법으로 계산한 배터리 사용시간과 실제 배터리 사용시간은 차이가 많이 나며, 시간이 지날수록 에러 범위가 커지는 것을 알 수 있다. 이러한 결과가 발생하는 이유는 부정확한 정보를 바탕으로 센싱주기를 임의로 설정했기 때문이며, 이로 인해 USN 노드의 사용시간이 부정확하게 예측되는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 USN 센서 노드의 생존 시간을 정확하게 보장할 수 있는 센서 노드 및 그 제어방법을 제공하는데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 센서 노드 제어방법은 사용자로부터 센서 노드의 동작 시간을 입력받는 단계; 입력된 동작 시간을 기초로, 센서 노드의 단위 시간당 센싱 수인 센싱 레이트를 산출하는 단계; 및 산출된 센싱 레이트에 따라, 센서 노드의 센싱 동작을 제어하는 단계;를 포함한다.
산출단계는 센서의 배터리 잔량을 파악하는 단계; 및 배터리 잔량을 '1회 센싱당 에너지 소모량 및 동작 시간'으로 나누어 센싱 레이트를 산출하는 단계일 수 있다.
1회 센싱당 에너지 소모량은 센서의 센싱 동작에 소모되는 에너지량 및 센서가 센싱 데이터를 전송하는데 소모되는 에너지량을 포함할 수 있다.
산출단계 후 설정된 시간이 경과하면 산출단계를 재수행하여 센싱 레이트를 재산출하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 주변 환경을 센싱하는 센서; 사용자로부터 센서의 동작 시간을 입력받는 입력부; 입력부를 통해 입력된 동작 시간을 기초로, 센서의 단위 시간당 센싱 수인 센싱 레이트를 산출하고, 산출된 센싱 레이트에 따라, 센서의 센싱 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 센서 노드가 제공된다.
제어부는 센서 노드의 네트워킹에 관련된 이벤트를 모니터링하는 네트워크 프로파일러; 센서 노드의 전력상태를 모니터링하는 HEMA; 및 센싱 레이트를 산출하고 산출된 센싱 레이트에 따라 센서의 센싱 동작을 제어하는 동작 시간 최적화부;를 포함할 수 있고, 동작 시간 최적화부는 HEMA로부터 센서 노드의 배터리 잔량 정보를 획득하고, '배터리 잔량'을 '1회 센싱당 에너지 소모량 및 동작 시간'으로 나누어 센싱 레이트를 산출할 수 있다.
본 발명에 따르면, 사용자가 원하는 동작 시간을 설정하고 이를 기초로 하여 센싱 레이트를 산출하여 자동적으로 센싱 주기를 조절하기 때문에 센서 노드의 배포환경이나 시간의 흐름에 따라 적절히 센싱 주기가 조절되어 USN 센서 노드의 생존 시간을 최적화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 장기간 동안 센서의 배터리를 교체할 수 없는 상황에서도 센서 노드가 자동적으로 사용 시간에 따라 동작이 제어되어 센서 노드의 동작 종료로 인한 문제점 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 센서 노드의 시간에 따른 생존 시간 예측 에러율을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 센서 노드의 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 센서 노드 제어방법의 설명에 제공되는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제어된 센서 노드의 설정된 동작 시간에 따른 실제 생존 시간을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제어된 센서 노드의 설정된 동작 시간에 따른 센싱 레이트를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 센서 노드의 블럭도이다. 본 발명의 일실시예에 따른 센서 노드(100)는 주변 환경을 센싱하는 센서(110); 사용자로부터 센서(110)의 동작 시간을 입력받는 입력부(120); 입력부(120)를 통해 입력된 동작 시간을 기초로, 센서의 단위 시간당 센싱 수인 센싱 레이트를 산출하고, 산출된 센싱 레이트에 따라, 센서의 센싱 동작을 제어하는 제어부(130);를 포함하는 센서 노드가 제공된다.
센서(110)는 주변 환경을 센싱하여 환경에 대한 데이터를 획득한다. 센서(110)는 지속적으로 센싱하거나 또는 주기적으로 센싱할 수 있다. 센서(110)는 예를 들어, 온도를 측정하는 센서, 습도를 측정하는 센서 또는 물체를 감지하는 센서 등이 있다.
입력부(120)는 사용자로부터 센서의 동작 시간을 입력받는다. 제어부(130)는 입력부(120)를 통해 입력된 동작 시간을 기초로 센서의 센싱 동작을 제어한다. 즉, 제어부(130)는 입력된 동작 시간을 기초로 하여 센서(110)가 단위 시간당 센싱하는 횟수인 센싱 레이트를 산출하여, 이러한 센싱 레이트에 따라 센서(110)가 단위 시간당 얼마만큼 센싱할 지를 산출하여 이에 따라 센서(110)가 산출된 횟수만큼 센싱하도록 제어한다. 센싱 레이트는 단위 시간당 센싱하는 회수를 의미하며, 단위 시간은 시, 분, 또는 초일 수 있고, 이는 센서 노드(100)의 종류나 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
제어부(130)는 센서 노드(100)의 네트워킹에 관련된 이벤트를 모니터링하는 네트워크 프로파일러(131); 센서 노드(100)의 전력상태를 모니터링하는 HEMA(132); 및 센싱 레이트를 산출하는 동작 시간 최적화부(133)를 포함한다.
네트워크 프로파일러(131)는 네트워크와 관련된 이벤트를 모니터링하고 이를 저장한다. 네트워크 프로파일러(131) 네트워크의 에너지 사용을 최대한 예측하기 위하여 네트워크와 관련된 정보들을 추적하여 저장한다. 저전력 센서 노드에서 네트워크 장치는 주요 에너지 소모원 중 하나이다. 특히 네트워크 장치에서 사용되는 프로토콜 및 배포되는 위치, 주변 노드와의 관계에 따라 동작 되는 패턴이 달라져 에너지 소비형태도 바뀌게 되므로 정확한 정보추적이 필요하다.
네트워크 프로파일러(131)는 주기적으로 데이터를 수집하여 이를 호스트로 전달하고, 노드가 배포되는 상황적 특징으로 인해 비교적 네트워크 토폴로지가 단순 트리 형태로 구성될 수 있다. 따라서 에너지 사용량의 패턴이 주기적으로 일어날 수 있으며, 자신 또는 주변 노드의 센싱 주기에 맞추어 동작하게 된다. 이러한 특징으로 인해 네트워크 프로파일러(131)는 사용한 decision making algorithm을 기초로 하여 초기 일정 시간의 네트워크 사용량을 토대로 대략적인 향후 네트워크 사용량을 예측하고, 이를 기반으로 네트워크 장치를 통해 사용되는 에너지량을 예측하여 준다.
네트워킹은 센싱 주기에 맞추어 동작하기 때문에, 별도의 네트워크 장치의 전력 사용량 감소를 위한 알고리즘은 사용하지 않고, 센서 노드(100)와 함께 주기를 조정할 수 있다. 토폴로지의 위치 상 이웃노드와 게이트웨이 사이의 라우팅 기능을 제공하는 노드의 경우 라우팅을 위한 네트워크 사용량을 모니터링하여 별도의 에너지 소비량으로 계산한다.
HEMA(Hardware-assisted Energy Monitoring Architecture)(132)는 센서 노드(100)의 자체의 전력상태를 모니터링한다. HEMA(132)는 센서 노드(100)를 모니커링하여 배터리 잔량에 대한 정보를 획득하여 이를 동작 시간 최적화부(133)에 전달한다.
동작 시간 최적화부(133)는 센싱 레이트를 산출한다. 센싱 레이트는 센서(110)가 단위 시간당 센싱하는 횟수이다. 동작 시간 최적화부(133)는 센서 노드(100)가 사용자가 설정한 동작 시간에 최대한 근접한 시간동안 동작할 수 있도록 하는 센싱 레이트를 산출하여 이를 기초로 센서(110)의 센싱 주기를 조절한다.
센서 노드(100)의 생존시간을 실시간으로 예측하기 위하여는 현재의 배터리 잔량과 현재 소비되고 있는 에너지량에 대한 데이터가 필요하고, 이는 센서 노드(100)의 전력상태를 모니터링하는 HEMA(132)로부터 획득할 수 있다. 현재, 센서 노드(100)의 배터리 잔량을 Rnow, 현재 단위 시간당 소모되고 있는 에너지량을 Cnow라고 하면 예측된 배터리 사용시간 Lprediict은 다음과 같다.
[수학식 1]
Lpredict = Rnow / Cnow
한편, 사용자가 원하는 동작 시간에 최대한 근접한 시간동안 동작할 수 있도록 하는 단위 시간당 센서의 센싱 수인 센싱 레이트를 Scurrent라고 하고, 센서(110)의 센싱 1회당 소모되는 에너지량을 Csample이라고 하면, 단위 시간당 소모되는 에너지량 C1은 다음과 같다.
[수학식 2]
C1 = Csample × Scurrent
수학식 1에서, Lpredict를 사용자가 입력한 센서 노드(100)의 동작 시간인 Luser로 하고, 수학식 1의 현재 단위 시간당 소모되고 있는 에너지량 Cnow를 수학식 2에서 센싱 레이트에 따라 단위 시간당 소모되고 있는 에너지량 C1으로 보아 이를 대입하면 다음과 같다.
[수학식 3]
Luser = Rnow / (Csample × Scurrent)
수학식 3으로부터, Scurrent는 다음과 같음을 알 수 있다.
[수학식 4]
Scurrent = Rnow / (Csample × Luser)
즉, 센싱 레이트 Scurrent는 현재 배터리 잔량 Rnow를 센싱 1회당 소모되는 에너지량 Csample과 사용자가 설정한 동작 시간 Luser으로 나누어 산출할 수 있다.
센싱 레이트가 산출되면, 제어부(130)는 이를 기초로 센서(110)의 단위 시간당 센싱 수를 조절하고 센서(110)를 제어하여 센서 노드(100)의 동작 시간을 사용자가 설정한 동작 시간에 최적화시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 센서 노드 제어방법의 설명에 제공되는 도면이다. 본 발명의 일실시예에 따른 센서 노드 제어방법에서는, 사용자로부터 센서 노드의 동작 시간을 입력받고(S200), 이를 기초로 센싱레이트를 산출하여 센서 노드를 제어한다.
동작 시간이 입력되면, 먼저 센서 노드의 배터리 잔량이 파악된다(S210). 파악된 배터리 잔량을 '1회 센싱당 에너지 소모량 및 동작 시간'으로 나누면, 센싱 레이트가 산출된다(S220). 이때, 1회 센싱당 에너지 소모량은 센서의 센싱 동작에 소모되는 에너지량 및 센서가 센싱 데이터를 전송하는데 소모되는 에너지량을 포함할 수 있다.
센싱 레이트가 산출되면, 이를 기초로 하여 센서를 제어한다. 산출단계 후에 기설정된 시간이 경과하면(S230: Y), 산출단계를 재수행하여 센싱 레이트를 재산출하는 것이 바람직하다. 센싱 레이트 재산출시에는 사용자가 입력한 동작 시간에서 경과된 시간을 감산한 시간을 새로운 동작 시간으로 하고 산출단계를 수행하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 사용자가 센서 노드의 동작 시간을 10시간으로 설정한 경우, 파악된 배터리 잔량이 100이고, 1회 센싱당 에너지 소모량을 5라 하면, 센싱 레이트는 100/(5 × 10)=2회/시간이다. 즉, 센서는 시간당 2회 센싱한다.
그러나, 사용자가 동작 시간과 함께 2시간 간격으로 센싱 레이트를 재산출하도록 설정한 경우를 가정한다. 동작 시간이 10시간으로 설정되었으므로 2시간 후에 다시 배터리 잔량을 파악했을때에는 환경적인 영향이나 배터리 자체의 요인으로 인하여 예측된 대로 배터리가 소모되지 않았을 수 있다. 즉, 센서는 초기 2시간 동안 시간당 2회 센싱하므로 총 4회 센싱하고, 소모된 에너지 량은 4 × 5 = 20이므로 초기 배터리 잔량에서 20만큼 소모되어 배터리 잔량은 80일 것이라 예측되지만, 이와 달리 배터리 잔량은 60일 수 있다. 이 경우 초기 센싱 레이트에 따라 계속 시간당 2회 센싱하는 경우, 센서 노드는 사용자가 설정한 동작 시간보다 빨리 동작이 종료될 가능성이 높다.
따라서, 이러한 여러가지 요인을 고려하기 위하여 센싱 레이트는 사용자가 설정한 동작 시간 내에서 재산출될 수 있고, 이에 따라 센서 노드는 사용자가 설정한 동작 시간에 최대한 근접하여 생존이 가능하다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제어된 센서 노드의 설정된 동작 시간에 따른 실제 생존 시간을 도시한 그래프이다. 실험은 사용자가 1일, 3일, 5일, 7일, 9일, 12일, 15일, 30일로 각각 센서노드의 동작시간을 설정하고, 실제로 센서 노드가 배터리를 모두 소비할 때까지의 시간을 측정하였다. 도 4는 24시간을 10으로 환산하여 소수점 첫째자리까지 표시하였다.
결과에서 볼 수 있듯이 1일부터 30일까지 사용자가 지정한 동작시간 전에 동작이 종료되었으나 13%이내의 오차범위 내에 있는 것을 알 수 있다. 9일 이후부터는 에러률이 낮아져 5 내지 6 %의 오차 범위에서 동작시간을 유지하는 것을 볼 수 있다. 이는 센싱 레이트가 감소하면서 동작 시간 최적화로 인한 영향이 줄어들기 때문이다. 전체적으로 사용자가 설정한 동작 시간보다 일찍 노드의 동작 시간이 종료되는데 이는 배터리가 가진 특성상 마지막 잔량에서 급격히 voltage drop이 일어나기 때문이다. 도 4로부터 본 발명의 센싱 레이트를 산출하는 방법으로 센서 노드를 동작시키면 사용자가 설정한 동작 시간에 최대한 근접하게 동작시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제어된 센서 노드의 설정된 동작 시간에 따른 센싱 레이트를 도시한 그래프이다. 도 5는 사용자가 동작 시간을 설정함에 따라 센서노드가 어떻게 단위 시간당 센싱 레이트를 변경하는지 평균 센싱 레이트를 나타내고 있다. 여기서 센싱 레이트는 초당 센싱 수이다. 이 때 평균 센싱 레이트와 매 시간 마다 측정된 센싱 레이트 간에 차이가 발생하는데 이는 배터리의 화학적 특성에 의하여 순간에 계산된 생존시간이 전체 생존시간과 차이가 생기는 경우가 발생하기 때문이다. 도 5의 막대 그래프 윗부분의 I 표시는 센싱 레이트의 변화 범위를 보여준다. 이 변화 범위 또한 동작 시간을 길게 할수록 감소하는 것을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의해 해석되어야 한다. 또한, 본 발명에 대하여 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100 센서 노드
110 센서
120 입력부
130 제어부
131 네트워크 프로파일러
132 HEMA
133 동작 시간 최적화부

Claims (7)

  1. 사용자로부터 센서 노드의 동작 시간을 입력받는 단계;
    입력된 동작 시간을 기초로, 센서 노드의 단위 시간당 센싱 수인 센싱 레이트를 산출하는 단계; 및
    산출된 센싱 레이트에 따라, 센서 노드의 센싱 동작을 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 산출단계는,
    상기 센서의 배터리 잔량을 파악하는 단계; 및
    상기 배터리 잔량을 '1회 센싱당 에너지 소모량 및 상기 동작 시간'으로 나누어 상기 센싱 레이트를 산출하는 단계;를 포함하며,
    상기 산출단계 후 설정된 시간이 경과하면,
    상기 산출단계를 재수행하여 상기 센싱 레이트를 재산출하는 것을 특징으로 하는 센서 노드 제어방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 1회 센싱당 에너지 소모량은,
    상기 센서의 센싱 동작에 소모되는 에너지량 및 상기 센서가 센싱 데이터를 전송하는데 소모되는 에너지량을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드 제어방법.
  4. 삭제
  5. 주변 환경을 센싱하는 센서;
    사용자로부터 상기 센서의 동작 시간을 입력받는 입력부; 및
    상기 입력부를 통해 입력된 동작 시간을 기초로, 상기 센서의 단위 시간당 센싱 수인 센싱 레이트를 산출하고, 산출된 상기 센싱 레이트에 따라, 상기 센서의 센싱 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 센서 노드의 '배터리 잔량'을 '1회 센싱당 에너지 소모량 및 상기 동작 시간'으로 나누어 상기 센싱 레이트를 산출하고, 산출된 상기 센싱 레이트에 따라 상기 센서의 센싱 동작을 제어하되, 상기 센싱 레이트 산출 후에 설정된 시간이 경과하면 상기 센싱 레이트를 재산출하는 동작시간 최적화부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 센서 노드의 네트워킹에 관련된 이벤트를 모니터링하는 네트워크 프로파일러; 및
    상기 센서 노드의 전력상태를 모니터링하는 HEMA;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드.
  7. 삭제
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