KR101231282B1 - 유비쿼터스 센서 네트워크 기반의 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

유비쿼터스 센서 네트워크 기반의 무선 덕트 영역 네트워크를 제공하는 시스템 및 방법이 개시된다. 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템은 건물에 구비되는 덕트에 설치되어, 상기 덕트의 내부를 통신 채널로 사용하는 복수개의 지그비 노드 및 두 개의 상기 노드가 시리얼로 연결되어, 상기 덕트 내부에 존재하는 상기 무선 덕트 영역 네트워크의 채널 블록킹 요소를 우회하여 신호를 송수신하는 브리지를 포함할 수 있다.

Description

유비쿼터스 센서 네트워크 기반의 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템 및 방법 {UBIQUITOUS SENSOR NETWORK BASED WIRELESS DUCT AREA NETWORK PROVIDING SYSTEM AND METHOD}

본 발명의 실시예들은 유비쿼터스 센서 네트워크(USN: Ubiquitous Sensor Network)를 기반으로 건물의 덕트(duct) 영역에 구축되는 무선 덕트 영역 네트워크를 제공하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

최근 빌딩, 홈, 공장 등의 건물에서는 HVAC(Heating, Ventilation, and Air Conditioning) 자동화로 쾌적한 실내 환경 제공 및 에너지의 효율적인 사용을 위해 노력하고 있다.

지능형 빌딩(IB: Intelligent Building)에서는 에너지 효율 향상 및 청정 환경 유지를 위한 HVAC 자동화, 화재 및 인명 안전 시설, 침입 감지용 보안 시스템, 출입통제 및 자산/사람 추적 시스템, 엘리베이터 제어 및 관리, 조명 제어, 에너지관리를 위한 전기/물/가스/오일 등 유틸리티 모니터링, 24/7 모니터링(알람 및 통보, 플랜트 관리, 상황 모니터링, 주차장 활용도) 등의 서비스가 제공되고 있다. 그러나 현재의 지능형 빌딩은 각각의 서비스를 제공하기 위해 사업자 별로 개별적인 유선 기반의 센서 및 액츄에이터 네트워크를 사용하고 있기 때문에, 하나의 표준 통신 프로토콜인 BACnet(Building Automation and Control Network)을 사용한 통합 네트워크를 구축하려는 추세이다.

HVAC 설비 자동 제어는 유선 네트워크를 사용하는 방식 및 무선 네트워크를 사용하는 방식이 있는데 먼저, 무선 네트워크를 사용할 경우에 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다. 첫째, 송신기와 수신기간의 전파환경이 시간에 따라 변하는 채널-시변성(time-variant)으로 인해 통신 품질이 일정하게 보장되지 않는다. 둘째, ISM대역과 같은 비허가 무선주파수 대역을 사용할 경우 다른 장치로부터 채널 간섭을 받거나 반대로 다른 장치에 간섭을 초래할 수 있다. 셋째, 제한된 허가 출력을 사용하므로 전송거리에 제약을 받는다. 넷째, 자유공간 전파 시 인공 혹은 자연 장애물로 인해 경로 손실이 매우 크고 실내인 경우에는 건물 내부 벽에 의한 감쇄로 인해 최적의 무선 네트워크를 구성하기 불가능해 질 수 있다. 또한, 실내 공간에 설치되는 각종 설치물로 인해 최적의 위치에 안테나를 설치하기 어렵기 때문에 안테나를 중복 설치하거나 출력을 상향 조정하여 음영지역을 제거해야 한다.

이러한 이유들로 인하여 종래의 빌딩 자동화 시스템에서는 도 1과 같은 유선 네트워크를 주로 사용하여 왔다. 도면에서는 BAS(Building Automation System) 네트워크가 DDC(Direct Digital Control)를 통하여 복수개의 센서(sensor) 및 액츄에이터(actuator)와 유선으로 연결됨을 나타낸다. 그러나 이와 같은 유선 네트워크 기반의 센서 및 액츄에이터 시스템을 빌딩, 홈, 공장 등의 건물에 설치하기 위해서는 건축비에 1%에 해당하는 케이블 및 설치 비용이 소요된다. 또한, 센서 및 액츄에이터를 추가, 변경, 교체할 경우나 네트워크 재구성, 확장, 혹은 업그레이드 할 경우 많은 추가 비용이 발생하게 된다. 그리고, 특정 서비스를 제공하기 위해서는 서비스 별로 개별 네트워크를 구축해야 하므로 설치 기간이 오래 걸린다. 또한, 통합 서비스를 제공하기 위한 통합 네트워크를 운영하려면 각각의 네트워크 및 단말 장치들을 BACnet(Building Automation and Control Network)과 같은 하나의 표준 통신 프로토콜을 사용하여 개발해야 하는 문제점이 있다.

따라서, 빌딩 자동화 시스템을 구축함에 있어서, 상술한 유선 네트워크 및 무선 네트워크의 문제점들을 해결할 수 있는 방법이 요구되고 있다.

네트워크의 설치, 변경, 교체 및 업그레이드 시 보다 적은 비용이 소요되고, 보다 설치 기간이 짧은 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템 및 방법이 제공된다.

통신 품질의 채널-시불변성(time-invariant)이 보장되고, ISM대역과 같은 비허가 무선주파수 대역을 사용할 경우에도 다른 장치로부터 채널 간섭을 받거나 다른 장치에 간섭을 초래하지 않는 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템 및 방법이 제공된다.

전송거리에 제약을 적게 받고 경로 손실이 적은 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템 및 방법이 제공된다.

유비쿼터스 센서 네트워크 기반의 무선 덕트 영역 네트워크를 제공하는 시스템은 건물에 구비되는 덕트에 설치되어, 상기 덕트의 내부를 통신 채널로 사용하는 복수개의 노드 및 두 개의 상기 노드가 시리얼로 연결되어, 상기 덕트 내부에 존재하는 상기 무선 덕트 영역 네트워크의 채널 블록킹 요소를 우회하여 신호를 송수신하는 브리지를 포함할 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 노드로부터 수신한 상태 신호를 기초로 상기 무선 덕트 영역 네트워크를 관리하는 관리 서버를 더 포함할 수 있다.

다른 측면에 따르면, 상기 브리지는 상기 노드 또는 상기 관리 서버로부터 수신한 제어 신호를 기초로 상기 댐퍼의 개폐를 제어하는 액츄에이터를 포함할 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 상기 노드는 볼트 형태로 제작되어 너트 형태의 나사가 설치된 상기 덕트에 체결될 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 상기 노드는 지그비(ZigBee) 규격의 무선 메쉬네트워킹 기능 및 외부 네트워크와 연동하기 위한 프로토콜 변환 기능을 포함할 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 상기 노드는 온도, 습도, 압력 및 풍속 중 적어도 하나를 측정하는 센서를 포함할 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 상기 노드는 상기 덕트의 점검부에 설치될 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 전파 손실로 인한 상기 무선 덕트 영역 네트워크의 성능 저하를 방지하는 라우터를 더 포함할 수 있다.

유비쿼터스 센서 네트워크 기반의 무선 덕트 영역 네트워크를 제공하는 방법은 복수개의 노드가 덕트에 설치되어, 상기 덕트의 내부가 통신 채널로 사용되는 구축 단계 및 두 개의 상기 노드가 시리얼로 연결되는 브리지를 이용하여 상기 덕트 내부에 위치하는 상기 무선 덕트 영역 네트워크의 채널 블록킹 요소를 우회하여 신호를 송수신하는 송수신 단계를 포함할 수 있다.

유비쿼터스 센서 네트워크 기반의 무선 덕트 영역 네트워크를 제공함으로써 빌딩 자동화 시스템의 설치, 변경, 교체 및 업그레이드 시 유선 네트워크보다 적은 비용이 소요되고 설치 기간이 짧아지는 효과가 있다.

덕트 영역에 무선 덕트 영역 네트워크를 설치함으로써 통신 품질의 채널-시불변성(time-invariant)이 보장되고, ISM대역과 같은 비허가 무선주파수 대역을 사용할 경우에도 다른 장치로부터 채널 간섭을 받거나 다른 장치에 간섭을 초래하지 않는 효과가 있다.

덕트 내부를 무선 통신 채널로 사용하고 브리지를 이용하여 덕트 내부에 존재하는 채널 블록킹 요소를 우회하여 신호를 송수신하기 때문에, 전송거리에 제약을 받지 않고 경로 손실이 적어지는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따라 빌딩 자동화 시스템에 설치되는 유선 네트워크 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2(a) 및 2(b)는 본 발명의 일실시예에 있어서, 덕트 영역에 설치되는 노드를 나타내는 구성도이다.
도 3(a) 및 3(b)는 본 발명의 일실시예에 있어서, 빌딩 자동화 시스템에 설치되는 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 건물 전체에 덕트 계통이 연결되는 환경에서의 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 무선 덕트 네트워크 제공 시스템을 이용하는 HVAC 자동화 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 무선 덕트 네트워크를 통한 실내 공간의 병합을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 덕트 영역에 설치되는 무선 덕트 네트워크 제공 시스템을 나타내는 예시도이다.
도 8 내지 도 15는 본 발명의 일실시예에 있어서, 무선 덕트 네트워크 제공 시스템의 동작 및 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 무선 덕트 네트워크 제공 방법을 나타내는 흐름도이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2(a) 및 2(b)는 본 발명의 일실시예에 있어서, 덕트 영역에 설치되는 노드를 나타내는 구성도이다.

본 발명에 따른 무선 덕트 영역 네트워크(WDAN: Wireless Duct Area Network) 제공 시스템은 건물에 구비되는 덕트에 설치되고, 상기 덕트의 내부를 통신 채널로 사용하는 복수개의 노드를 포함한다.

상기 노드는 코디네이터, 라우터 및 엔드 디바이스(end device) 3개의 타입으로 구분될 수 있다. 상기 코디네이터는 채널 선정, 확장 네트워크 ID 선택 등을 포함하여 네트워크를 관리할 수 있고, 라우터는 전파 손실로 인한 무선 덕트 영역 네트워크의 성능 저하를 방지하기 위한 라우팅 기능을 제공한다. 엔드 디바이스는 메시지 중계를 할 수 없는 노드로서 sleepy 타입과 mobile 타입 등이 있다. 노드에는 당업자의 요구에 따라 하나 또는 복수개의 센서 및/또는 액츄에이터(SA: and/or Actuator)가 탑재될 수 있다.

이와 같은 노드들이 안정적인 통신을 수행하기 위해서, 각 노드는 덕트 내부를 통하여 전자파를 효율적으로 송수신할 수 있고 덕트에 용이하게 장착되도록 구현될 수 있다.

노드를 덕트에 설치하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있다. 일 실시예로서 도 2(a)와 같이 노드의 케이스(230)를 볼트형으로 제작하고 너트형 나사(270)가 설치된 덕트(200)에 볼트-너트로 채결하는 방법이 있다. 그리고, 다른 실시예로서 도 2(b)와 같이 노드(235)의 케이스를 나사(275)를 사용하여 덕트에 고정할 수도 있다.

상기 노드는 전원 커넥터(210), 센서 I/F(interface)(220), 액츄에이터 I/F(225) 등의 외부 SA I/F 커넥터, 온도, 습도, 압력, 풍속 등을 측정하는 내부 센서(250)와 신호 송수신을 위한 안테나(260)를 포함할 수 있고, 상기 내부 센서와 상기 안테나를 위한 창을 포함할 수 있다. 한편, 상기 노드는 PCB(Printed-Circuit Board)(240)를 포함할 수 있고, 게이트웨이 기능을 포함하는 경우에는 별도의 통신 커넥터를 포함할 수 있다.

상기 노드가 송수신하는 신호는 아날로그, 디지털, 데이터 타입 등이 있으므로 상기 노드의 인터페이스는 필요에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이러한 노드는 진단 혹은 수리를 위해 접근이 용이한 덕트 점검부에 설치될 수 있다. 그러나 긴 직선형, T-형, B-형, Y-형 덕트에서 발생할 수 있는 전파 손실에 의한 채널의 성능 열하를 방지 위해서, 채널의 성능 열하가 발생 가능한 위치는 라우터가 설치될 수도 있다.

도 3(a) 및 3(b)는 본 발명의 일실시예에 있어서, 빌딩 자동화 시스템(BAS: Building Automation System)에 설치되는 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

먼저 도 3(a)은 로컬 영역에 WDAN(310)을 구축하고, WDAN(310)을 BAS-ZigBee 게이트웨이를 통해 유선 기반의 BAS 네트워크에 통합하는 구조를 나타낸다. BAS 네트워크는 최종적으로 BAS-LAN 게이트웨이를 통해 광역망에 접속할 수 있다.

한편, 로컬 영역의 규모가 크지 않아 유선 케이블의 설치가 용이한 경우에는 도 3(b)에서와 같이 로컬 영역에 유선 네트워크를 구축하고, 이를 WDAN(310)을 통해 백본으로 통합할 수 있다. 이러한 구조에서는 BAS-ZigBee 게이트웨이가 필요하지 않고, ZigBee-LAN 게이트웨이를 통해 광역망에 접속할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 건물 전체에 덕트 계통이 연결되는 환경에서의 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이 덕트 계통이 빌딩 전체에 걸쳐 연결되는 환경에서는 WDAN(410, 420)만을 사용하는 시스템을 구축할 수 있다. 이와 같은 시스템은 건물 내 사용 공간이 모두 덕트로 연결되어 있을 경우에 설치할 수 있으며, 최적의 경제성을 제공하는 시스템을 제공할 수 있다. 즉, 건물에 구축되는 덕트 내에 끊김이 없는(seamless) 무선 덕트 영역 네트워크를 구축할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 무선 덕트 네트워크 제공 시스템을 이용하는 HVAC 자동화 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

사각형은 ZC(Zigbee Coordinator) 또는 ZR(Zigbee Router), 원형은 ZR, 삼각형은 ZR 또는 ZED(Zigbee End Device) 노드를 나타낸다. ZR-ZR 혹은 ZR-ZC 브리지는 채널 블록킹을 방지하기 위해 두 개의 노드가 시리얼 통신 케이블로 연결된 체인형 노드이다. 각각의 노드는 지그비 규격의 무선 메쉬네트워킹 기능을 포함할 수 있고 및 게이트웨이 기능을 갖는 ZC의 경우에는 BACnet, (W)LAN, CDMA, WiBro 등의 외부 네트워크와 연동하기 위한 프로토콜 변환 기능을 포함할 수 있다. 각각의 노드는 필요에 따라 센서 및 액츄에이터를 포함할 수 있다.

HVAC 자동화 시스템은 각 공간에 유입되는 공기의 양을 조절하기 위한 댐퍼(520, 525)를 구비하고, 각각의 댐퍼(520, 525)는 실내에 설치된 각각의 자동 온도 조절기(510, 515)에 의해 제어된다. 댐퍼(520, 525)와 자동 온도 조절기(510, 515)를 원격으로 제어 또는 모니터링하기 위하여 유선 네트워크를 이용할 경우, 관리 서버까지 유선 케이블을 설치해야만 하고 이는 막대한 비용과 시간을 소요한다. 따라서, 도시된 바와 같은 WDAN을 이용하여 HVAC 시스템 제어함으로써 보다 효과적으로 댐퍼 및 자동 온도 조절기 등을 원격으로 제어할 수 있다.

각 실내 공간에 설치된 노드들을 네트워크에 연결하기 위한 노드(530)는 ZR 또는 ZC 노드로 구성될 수 있다. 댐퍼(520, 525), 디퓨저 등과 같은 덕트 내의 채널 블록킹 요소에 의하여 발생되는 채널 블록킹을 해결하기 위하여 설치되는 브리지(540, 545)는 시리얼로 연결되는 두 개의 노드(541, 542)로 구성될 수 있는데, 두 개의 노드 중 어느 하나의 노드를 이용하여 댐퍼 액츄에이터(543)을 구동할 수 있다. 즉, 상위 노드(541)는 관리 서버로부터의 제어 신호에 따라 덕트(520)를 제어할 수 있다. 하위 노드(542)는 디퓨저에 의하여 발생되는 채널 블록킹을 해결하기 위하여, 상기 디퓨저를 우회하여 신호를 전송하는 브리지(550, 555)를 통하여 자동 온도 조절기(510)에 설치된 노드로부터 제어 신호를 수신하고, 상기 제어 신호에 따라 덕트(520)를 제어할 수 있으므로 관리 서버뿐만 아니라 실내에서도 댐퍼를 제어할 수 있다.

관리 서버 및 노드를 이용하여 댐퍼(520, 525) 또는 자동 온도 조절기(510, 515)를 제어하는 제어 신호 및 상태를 보고하는 상태 신호의 송수신에 대해서는 후술되는 도 8 내지 도 15를 통하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 무선 덕트 네트워크를 통한 실내 공간의 병합을 설명하기 위한 예시도이다. 이하, 실내 공간에 구축된 USN과 WDAN을 병합하는 과정에 대하여 설명한다.

덕트 내 소스 노드(610)를 통해 실내에 설치한 목적지 노드를 제어하는 경우, 디퓨저가 전파 통과를 방해하므로 이를 회피하기 위하여 ZED 또는 ZR 노드(620)는 시리얼로 연결된 ZC 노드(625)를 통해 실내 공간에 위치한 노드들과 통신할 수 있다. 실내에 관리할 노드가 많을 경우에는 디퓨저 브리지의 노드(625)를 독립적인 USN의 코디네이터로 작동시킬 수 있다.

도면에서는 실내에서 조명(630), 보안, 안전, 에너지 관리 등에 필요한 노드들이 독립적인 USN(650)을 구성함을 나타내었지만, 실내에 관리할 노드가 적은 경우에는 상기 노드(625)를 단순 라우터로 구현할 수도 있다. 실내 공간의 규모가 크지 않는 환경에서 천장에 설치되는 다양한 노드들은 경제성을 고려하여 무선이 아닌 유선 네트워크로 구성할 수 있다. 이와 같은 경우, 디퓨저 브리지의 노드(625)는 조명 노드(635)를 유선으로 제어할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 덕트 영역에 설치되는 무선 덕트 네트워크 제공 시스템을 나타내는 예시도이다.

덕트 계통은 건축 구조물에 따라 설계된다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 한 층에 덕트로 연결되는 여러 개의 실내 공간을 도시하였다.

덕트 영역을 하나의 WDAN으로 구성하기 위하여 덕트(710) 내부에는 ZC 노드(740)가 설치될 수 있다. 또한, 댐퍼(720) 또는 디퓨저(730)로 인한 통신 채널 블록킹을 회피하기 위하여 영역(750)에 도시된 바와 같이 브리지가 설치될 수 있다. 또한, 덕트 분기점에서 발생할 수 있는 전파 손실에 대비하여 적절한 위치에 ZR 노드(760)를 설치할 수 있다. 또한, 덕트 영역이 긴 경우에는 중간 지점에 ZR 노드(770)를 설치하여 네트워크 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 한편 도시되지는 않았지만, 덕트 영역이 대규모인 경우에는 적절한 위치에 ZR-ZC 브리지를 설치함으로써 2개의 WDAN으로 구성할 수도 있다.

도 8 내지 도 15는 본 발명의 일실시예에 있어서, 무선 덕트 네트워크 제공 시스템의 동작 및 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.

덕트 내의 노드 간 통신 채널은 댐퍼의 개폐 정도, 디퓨저, 기타의 장치에 의해 블록킹될 수 있다. 도면에서는 댐퍼에 브리지가 두 개의 노드 중 하나의 노드 만이 액츄에이터를 제어하는 것으로 가정한다. 디퓨저의 경우에는 일반적으로 전파를 통과시키지 못하므로 닫힌 상태의 댐퍼의 경우와 통신 방법이 동일하다.

먼저 도 8을 통하여 소스 노드가 관리 서버이고, 목적지 노드가 댐퍼이며, 상기 댐퍼가 닫힌 상태에서 무선 덕트 네트워크 제공 시스템의 동작 및 제어 과정을 설명한다.

도면은 관리 서버(810)가 덕트(820)를 통신 채널로 이용하여 A 노드에게 제어 신호를 유니캐스트(unicast) 통신 방식으로 전송함으로써 댐퍼(830)를 제어하는 액츄에이터(850)에게 전달하는 과정을 나타낸다. 여기서 A 노드가 수신하는 최초 관리 서버의 소스 노드(S)로부터 전송될 수 있다.

먼저, 소스 노드(S)는 A 노드에게 무선으로 댐퍼 제어를 요청하는 제어 신호를 송신한다. 이 경우에는 소스 노드(S)와 A 노드 사이에 통신을 방해하는 채널 블록킹 요소가 없기 때문에 A 노드는 무선으로 해당 메시지의 수신이 가능하다. 만약, 관리 서버의 소스 노드(S)에서 A 노드까지의 거리가 1-hop 밖이라면, 상기 신호는 라우터(840)를 통해 라우팅 되어 A 노드까지 도달할 수 있다.

소스 노드(S)로부터 신호를 수신한 A 노드는 액츄에이터(850)를 이용하여 닫힌 상태의 댐퍼(830)를 열린 상태로 제어하고, 댐퍼의 상태를 관리 서버(810)의 소스 노드(S)에게 보고하는 상태 신호를 전송한다. 따라서, 관리 서버(810)는 해당하는 댐퍼(830)의 상태를 알고 있게 된다.

이하 도 9을 통하여 댐퍼가 닫힌 상태에서 실내 공간 방향의 소스 노드(S)로부터 댐퍼(830)를 제어할 수 있는 A 노드에게 신호를 전송하는 과정을 설명한다.

여기서 무선 통신 채널은 상기 댐퍼(830)에 의하여 블록킹되어 있는 상태이기 때문에, 소스 노드(S)는 A 노드에게 직접적으로 제어 신호를 전송할 수 없다. 따라서, 소스 노드(S)는 먼저 B 노드에게 제어 신호를 송신하게 된다. 제어 신호를 수신한 B 노드는 시리얼로 연결된 A 노드에게 제어 신호를 전송한다. 상기 제어 신호를 수신한 A 노드는 닫힌 상태의 댐퍼를 열린 상태로 제어한 후에 상태 신호를 관리 서버(810)로 전송한다. 이 때도, A 노드에서 관리 서버(810)의 목적지 노드(D)까지의 거리가 1-hop 밖이라면 상기 상태 신호는 라우터(840)를 통해 관리 서버(810)로 전송될 수 있고, 따라서 관리 서버(810)는 해당하는 댐퍼(830)의 상태를 알 수 있게 된다.

이하, 도 10을 통하여 소스 노드가 관리 서버이고, 목적지 노드가 댐퍼이며, 상기 댐퍼가 열린 상태에서 무선 덕트 네트워크 제공 시스템의 동작 및 제어 과정을 설명한다.

관리 서버(810)의 소스 노드(S)는 A 노드에게 제어 신호를 송신한다. 이 경우에서도 소스 노드(S)와 A 노드 사이에 통신을 방해하는 채널 블록킹 요소가 없기 때문에 A 노드는 해당 신호를 수신할 수 있다. 만약 소스 노드(S)와 A-노드 사이의 거리가 1-hop 밖이라면 상기 제어 신호는 중간의 라우터(840)를 거쳐 전송될 수 있다. 제어 신호를 수신한 A 노드는 해당 댐퍼(830)를 열린 상태에서 닫힌 상태로 제어한 후에 상태 신호를 관리 서버(810)로 전송하고, 따라서, 관리 서버(810)는 해당 댐퍼(830)의 상태를 알 수 있다.

이하, 도 11을 통하여 댐퍼가 열린 상태에서 실내 공간 방향의 소스 노드(S)로부터 댐퍼(830)를 제어할 수 있는 A 노드에게 신호를 전송하는 과정을 설명한다.

소스 노드(S)는 댐퍼(830)가 열린 상태이기 때문에 A 노드에게 직접적으로 제어 신호를 전송할 수 있다. 여기서, 현재 채널의 상태와 각 노드 간의 거리에 따라서 상기 제어 신호는 직접 A 노드로 전송될 수도 있고, 중간의 다른 노드를 거쳐 중계될 수도 있다. 제어 신호를 수신한 A 노드는 댐퍼를 열린 상태에서 닫힌 상태로 제어한 후에 그 상태를 관리 서버(810)에게 보고하는 상태 신호를 전송한다. 여기서도, 채널의 상태와 노드 간의 거리에 따라 상기 상태 신호는 직접적 관리 서버(810)로 전송될 수도 있고, 중간의 라우터(840)를 통하여 전송될 수도 있다.

이하, 도 12를 통하여 관리 서버가 댐퍼 반대편의 노드에게 제어 신호 또는 상태 신호를 전송하는 과정을 설명한다.

도시된 바와 같이 A 노드에 연결된 댐퍼(830)가 닫힌 상태인 경우, 통신 채널이 블록킹되어 메시지 라우팅이 불가능 하기 때문에 반대편의 노드들은 소스 노드(S)로부터 전송되는 신호를 수신할 수 없다. 따라서 닫힌 상태인 댐퍼 양 옆의 노드(A 노드 및 B 노드)를 시리얼로 연결하여 브리지를 형성함으로써 채널 블록킹 문제를 해결할 수 있다.

이와 같은 경우 먼저, 소스 노드(S)는 A 노드로 신호를 전송하고, A 노드는 시리얼 통신을 통하여 B 노드로 상기 신호를 전송한다. B노드는 수신한 상기 신호를 목적지 노드(D)로 전송한다. 이 때, 관리 서버(810)의 소스 노드(S)는 현재 댐퍼(830)의 상태를 알고 있기 때문에 각각의 상태에 따라 메시지의 목적지를 최초 A 노드로 정할지, 목적지 노드(D)로 정할지 판단할 수 있다.

먼저 소스 노드(S)는 현재 댐퍼(830)가 닫힌 상태이기 때문에, A 노드에게 1차적으로 메시지를 전송한다. 상기 메시지는 소스 노드(S)와 A 노드의 거리에 따라 중간의 라우터(840)를 통하여 전송될 수 있다. A 노드는 상기 메시지가 자신과 관련된 댐퍼(830)의 제어 신호 인지를 판단하고, 아닐 경우 시리얼로 연결된 B 노드에게 중계 신호를 전달할 수 있다. 여기서 중계 신호에는 최종 목적지 노드(D)의 주소와 함께 전달할 메시지의 내용이 포함될 수 있다.

시리얼 통신을 통해 중계 신호를 수신한 B 노드는 전달받은 최종 목적지 주소로 메시지를 무선 송신할 수 있다. 이때, 최종 목적지 노드(D)가 B 노드의 1-hop 내에 위치하고 있다면 B 노드는 상기 메시지를 자신의 이웃 테이블(neighbor table)을 이용하여 직접 최종 목적지 노드로 전송할 수 있다. 그러나 최종 목적지 노드(D)가 B 노드의 전송 가능한 거리 밖에 위치하고 있다면, B 노드는 바로 최종 목적지로의 송신이 불가능하기 때문에, B 노드와 최종 목적지 노드(D) 사이의 라우터(845)를 통하여 최종 목적지 노드(D)로 상기 메시지를 전송할 수 있다.

상기 라우터(845)는 라우팅 경로 테이블을 이용하여 상기 최종 목적지 노드(D)로 상기 메시지를 라우팅할 수 있다. 그러나, 상기 라우팅 경로 테이블에 상기 최종 목적지 노드(D)의 경로 정보가 없는 경우, 상기 라우터(845)는 최종 목적지 노드(D)로의 경로를 탐색한 후에 탐색된 경로를 따라 메시지를 전송할 수 있다.

최종 목적지 노드(D)는 상기 메시지를 수신하면, 이를 처리하고 B 노드로 Acknowledge 메시지를 전송할 수 있다. B 노드는 Acknowledge 메시지를 수신하면 메시지가 정상적으로 전송이 되었다고 판단하여 댐퍼(830) 반대편에 위치하는 A 노드로 시리얼을 통해 Acknowledge 메시지를 중계할 수 있다. B 노드로부터 상기 Acknowledge 메시지를 수신한 A 노드는 최초 메시지를 전송한 관리 서버(810)의 소스 노드(S)로 Acknowledge 메시지를 전송하고, 소스 노드(S)는 최종 목적지 노드(D) 노드가 메시지를 정상적으로 수신했다고 판단하여 최종 목적지 노드(D)의 상태를 업데이트 할 수 있다.

만약 소스 노드(S)가 일정 시간 내에 Acknowledge 메시지를 수신하지 못할 경우, ZigBee 스택의 Application 층으로부터 메시지 전송의 재시도가 일어나게 되고, 마찬가지로 B 노드가 최종 목적지 노드(D)로부터 일정시간 내에 Acknowledge 메시지를 수신하지 못하면, Application 층에서 메시지 전송의 재시도가 일어날 수 있다.

이하, 도 13을 통하여 댐퍼의 반대 방향의 노드로부터 메시지가 전송되는 과정을 설명한다. 이 경우는 도면상 댐퍼 오른쪽의 다른 댐퍼나 기타 공조기에 연결된 노드가 그 상태 정보를 관리 서버로 보고하기 위한 통신 과정이다.

소스 노드(S)는 댐퍼(830)가 닫힌 상태이기 때문에, A 노드에게 직접 메시지를 전송할 수 없다. 따라서, 소스 노드(S)는 B 노드에게 무선으로 메시지를 송신하게 된다. 만약 소스 노드와 B-노드 사이의 거리가 1-hop을 넘는다면, 중간의 라우터(845) 노드를 통하여 메시지가 전송될 수 있다.

메시지를 수신한 B 노드는 유선으로 연결되어 있는 A 노드에게 시리얼을 통해 최종 목적지 노드(D)의 주소와 함께 메시지 내용을 중계할 수 있다.

상기 메시지를 수신한 A 노드는 최종적으로 관리 서버(810)로 중계 받은 메시지를 전송할 수 있다. 따라서, 소스 노드(S)가 전송한 상태 정보를 기초로 관리 센터가 소스 노드(S)를 관리할 수 있다.

이하, 도 14를 통하여 댐퍼가 열린 상태에서 관리 서버의 소스 노드가 댐퍼 반대편의 노드에게 메시지를 전달하거나 다른 장치를 제어하는 신호를 전송하는 과정을 설명한다.

소스 노드(S)는 A 노드와 연결된 댐퍼(830)가 열린 상태이기 때문에, 무선 통신에 있어서 소스 노드(S)와 목적지 노드(D) 사이에 채널 블록킹 요소가 없으므로 중간에 별도의 시리얼 통신을 거치지 않을 수 있다. 또한, 관리 서버도 현재 댐퍼의 상태를 알고 있기 때문에 메시지의 목적지를 곧바로 목적지 노드(D)로 설정해서 전송할 수 있다.

이때, 최종 목적지 노드(D)가 소스 노드(S)의 1-hop내에 위치하고 있다면 소스 노드(S)는 별도의 라우팅 과정 없이 자신의 이웃 테이블을 이용하여 직접 최종 목적지 노드(D)에게 전송할 수 있다. 그러나 최종 목적지 노드(D)가 소스 노드(S)의 메시지 전송이 가능한 거리 밖에 위치하고 있다면, 소스 노드(S)는 직접 최종 목적지로 메시지를 송신할 수 없기 때문에 소스 노드(S)와 최종 목적지 노드(D)의 중간에 위치하는 다른 노드를 통하여 최종 목적지 노드로 메시지를 전송할 수 있다. 이 때, 각 노드 간의 link cost 및 path cost에 따라 라우팅 경로가 결정되기 때문에 상기 경로는 항상 고정되지 않을 수 있다. 만약 소스 노드에서 최종 목적지 노드(D)의 라우팅 경로 정보를 상기 중간에 위치하는 노드들이 라우팅 테이블로 가지고 있다면, 소스 노드(S) 에서 송신된 메시지는 상기 라우팅 테이블의 경로 정보를 이용하여 각 노드들 간의 메시지 라우팅을 통해 최종 목적지 노드(D)로 전송될 수 있다. 그러나, 소스 노드(S)에서 최종 목적지 노드(D)로 라우팅하는 경로 정보가 없다면, 소스 노드(S)는 메시지를 전송하기 전에 별도의 Route discovery 과정을 통하여 경로를 탐색한 후에 정해지는 경로에 따라 메시지를 전송할 수 있다.

최종 목적지 노드(D)는 메시지를 수신하면, 메시지를 전송한 소스 노드(S)로 Acknowledge 메시지를 전송할 수 있다. 상기 Acknowledge 메시지 또한 처음 메시지가 전송되었던 경로의 역으로 소스 노드(S)에 전송된다. 소스 노드(S)는 Acknowledge 메시지를 수신하면, 최종 목적지 노드(D)에게 상기 메시지가 정상적으로 전송되었다고 판단하고, 상기 최종 목적지 노드(D)의 상태를 업데이트 할 수 있다. 그러나, 소스 노드(S)가 Acknowledge 메시지를 일정시간 내에 수신하지 못하면, ZigBee 스택의 Application 층에서 메시지의 전송 재시도가 일어나게 된다.

이하, 도 15를 통하여, 댐퍼가 열린 상태에서 댐퍼 반대 방향의 소스 노드가 관리 서버로 메시지를 전송하는 과정을 설명한다.

먼저, 소스 노드(S)는 관리 서버에게 자신과 관련된 상태 정보를 알려주기 위해 목적지 노드를 관리 센터의 노드로 정하여 메시지를 송신할 수 있다. 이 과정 역시 채널 블록킹 요소가 없기 때문에 목적지 노드(D)까지 한 번의 무선 통신으로 상기 메시지를 전송할 수 있다. 단, 소스 노드(S)와 목적지 노드(D)의 거리가 1-hop을 넘는 다면 상기 메시지는 중간의 다른 노드들을 통하여 라우팅되어 관리 서버로 전송될 수 있다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 무선 덕트 네트워크 제공 방법을 나타내는 흐름도이다.

무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템은 복수개의 노드를 이용하여 건물의 덕트 내부에 무선 덕트 영역 네트워크를 구축할 수 있다(1610). 이 때, 댐퍼, 디퓨저 등과 같은 채널 블록킹 요소로 인하여 발생하는 채널 블록킹을 방지하기 위하여 상기 댐퍼, 디퓨저 등에는 두 개의 노드가 시리얼로 연결되는 브리지를 설치할 수 있다(1620).

이와 같이 구성된 무선 덕트 영역 네트워크를 이용하여 관리 서버는 각각의 노드로부터 상기 노드와 연관된 장치 예를 들어, 조명, 온도, 습도, 조도, 방범, 스위치 장치 등의 상태 정보를 수신할 수 있고(1630), 이를 통하여 댐퍼, 온도 조절기 등과 같은 각각의 장치들을 관리하고 제어할 수 있다(1640). 이와 같은 장치 제어는 상기 관리 서버에서뿐만 아니라, 상기 노드가 설치된 실내에서도 상기 노드를 이용하여 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템은 사무 및 빌딩 자동화, 통신, 보안, 안전, 출입통제, 엘리베이터, 에너지 관리, 모니터링 등의 다양한 기능을 제공할 수 있다. 특히, HVAC 제어를 통한 실내의 열/공기, 조명 제어를 통하여 최적의 환경을 제공함으로써 쾌적감을 향상시켜 생산성 향상을 유도하고 에너지를 절감시킬 수 있다.

이와 같은 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템은 건물뿐만 아니라 가스 파이프와 같이 전파의 전송이 가능한 매질을 이송하는 관 계통이 구비되는 모든 장소에도 구축될 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

410, 420: 무선 덕트 영역 네트워크

Claims (9)

1. 유비쿼터스 센서 네트워크 기반의 무선 덕트 영역 네트워크를 제공하는 시스템에 있어서,
   건물에 구비되는 덕트에 설치되어, 상기 덕트의 내부를 통신 채널로 사용하는 복수개의 노드;
   전파 손실로 인한 상기 무선 덕트 영역 네트워크의 성능 저하를 방지하는 라우터;
   상기 복수개의 노드 중 적어도 두 개의 노드가 시리얼로 연결되어, 상기 덕트 내부에 존재하는 댐퍼 또는 디퓨저에 의한 통신 채널 블록킹을 방지하는 브리지; 및
   상기 브리지에 포함된 노드 중 어느 하나로부터 수신한 상기 댐퍼에 대한 상태 신호를 기초로 상기 댐퍼의 상태를 통합 관리하고 상기 댐퍼의 개폐를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 관리 서버
   를 포함하고,
   상기 브리지는,
   상기 관리 서버로부터 수신한 제어 신호를 기초로 상기 댐퍼의 개폐를 제어하는 액츄에이터를 포함하는, 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 복수개의 노드는,
   볼트 형태로 제작되어 너트 형태의 나사가 설치된 상기 덕트에 체결되는, 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 복수개의 노드는,
   지그비(ZigBee) 규격의 무선 메쉬네트워킹 기능 및 외부 네트워크와 연동하기 위한 프로토콜 변환 기능을 포함하는, 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 복수개의 노드는,
   온도, 습도, 압력 및 풍속 중 적어도 하나를 측정하는 센서를 포함하는, 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 노드는,
   상기 덕트의 점검부에 설치되는, 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템.
8. 삭제
9. 유비쿼터스 센서 네트워크 기반의 무선 덕트 영역 네트워크를 제공하는 방법에 있어서,
   관리 서버가 건물에 구비되는 덕트에 설치된 복수개의 노드를 이용하여 상기 덕트의 내부를 통신 채널로 사용하는 단계;
   라우터를 이용하여 전파 손실로 인한 상기 무선 덕트 영역 네트워크의 성능 저하를 방지하는 단계;
   상기 복수개의 노드 중 적어도 두 개의 노드가 시리얼로 연결된 브리지를 이용하여 상기 덕트 내부에 존재하는 댐퍼 또는 디퓨저에 의한 통신 채널 블록킹을 방지하는 단계;
   상기 브리지에 포함된 노드 중 어느 하나로부터 수신한 상기 댐퍼에 대한 상태 신호를 기초로 상기 댐퍼의 개폐 상태를 통합 관리하고, 상기 댐퍼의 개폐를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계; 및
   상기 생성한 제어 신호를 상기 브리지에 포함되는 엑츄에이터로 전송하여 상기 댐퍼의 개폐를 제어하는 단계
   를 포함하는, 무선 덕트 영역 네트워크 제공 방법.

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