KR101659361B1 - 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템 - Google Patents

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KR101659361B1 KR1020160030369A KR20160030369A KR101659361B1 KR 101659361 B1 KR101659361 B1 KR 101659361B1 KR 1020160030369 A KR1020160030369 A KR 1020160030369A KR 20160030369 A KR20160030369 A KR 20160030369A KR 101659361 B1 KR101659361 B1 KR 101659361B1
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Abstract

본 발명은 빌딩, 공장,창고, 공공건물 및 수처리장 등의 온도, 습도, 전력 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 에너지 및 환경 요소와 CCTV를 포함한 방범, 방재 요소에 대해, IoT 기기와 관리서버를 연결하는 컨트롤러를 구성하여 환경 데이터 및 상태 데이터 등을 수집하고, 상기 수집된 데이터 중에서 환경 데이터를 선형 데이터에 근거하여 보정할 수 있으며, IoT 기기를 원격에서 제어할 수 있는 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템은 검출된 데이터를 전송하는 IoT 기기, 상기 IoT 기기에서 전송된 데이터를 수집하여 통신망을 통해 전송하는 컨트롤러, 상기 통신망에 연결되어 상기 컨트롤러에서 전송된 데이터를 저장 관리하는 IoT 애플리케이션이 설치되는 관리서버 및 상기 관리서버와 연결되어 요청에 따라 상기 저장된 데이터를 확인하거나 상기 컨트롤러를 통해 상기 IoT 기기를 제어하는 단말기를 포함하여 구성되고, 상기 컨트롤러는 상기 IoT 기기로부터 수신된 데이터를 선형성분의 모델로 변환하여 상기 관리서버에 제공하고, 상기 관리서버로부터 수신된 제어 메시지를 처리하며, 상기 IoT 기기를 관리하는 것을 특징으로 한다.

Description

데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템{REMOTE AUTOMATIC CONTROL SYSTEM BASED ON IoT USING DATA CORRECTION}
본 발명은 빌딩, 공장, 창고, 공공건물 및 수처리장 등의 온도, 습도, 전력 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 에너지 및 환경 요소와 CCTV를 포함한 방범, 방재 요소에 대해, 데이터 보정을 이용한 IoT(Internet of Things) 기반의 원격 자동제어 시스템에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 주요 시설물에 설치된 IoT 기기와 관리서버를 연결하는 컨트롤러를 구성하여 환경 데이터 및 상태 데이터 등을 수집하고, 상기 수집된 데이터 중에서 환경 데이터를 선형 데이터에 근거하여 보정할 수 있으며, IoT 기기를 원격에서 제어할 수 있는 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에 관한 것이다.
빌딩, 공장, 창고, 공공건물 및 수처리장 등에서 에너지를 효율적으로 감시, 진단 및 관리하기 위한 가장 중요한 요소는 온도, 습도, 전력 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 환경 요소이다.
이에 따라, 업무용 빌딩과 건물, 그리고 공장 등의 공장 에너지 자동화(FEMS), 빌딩 에너지 자동화(BEMS), 빌딩 자동제어(BAS) 및 에너지 관리 시스템(EMS) 등의 시스템 구축을 통하여 상기 환경 요소에 대한 에너지 관리를 최적화하고 효율적으로 운영할 필요성이 대두되고 있다.
이러한 필요성에 따라 에너지의 최적 관리를 위한 온도, 습도, 전력, 그리고 CO2 등의 환경 감시에 IoT 기술을 접목함으로써, 공장 및 빌딩 등에 최적화된 솔루션을 제공하기 위한 기술 개발이 요구되고 있으며, 이러한 조건을 충족시키기 위한 기술 요소에는 IoT 기기(센서)와 제어장치 사이의 양방향 통신 기술, 보안 기술, 저 전력 소모 기술 및 네트워크의 무선망 통신 기술 등이 있다.
한편, 사물인터넷(IoT, Internet of Things)(이하 'IoT'라 한다)은 무선 인터넷을 기반으로 다양한 장치를 연결하고 센서를 통해 환경 정보를 획득하며, 이를 기반으로 제어하는 여러 기술이 융합된 컴퓨팅 시스템이다.
이러한 IoT 환경에서 애플리케이션은 네트워크에 연결된 여러 장치 또는 기기를 이용하여 사용자에게 유용한 정보와 편의를 제공할 수 있는데, IoT 기기(device)들은 단순한 정보를 제공하기도 하고, 다수 기기들의 협업에 의한 서비스를 제공하기도 한다.
여기에서, 상기 사물을 지칭하는 IoT 기기는 가전제품, 모바일 장비 및 컴퓨터 등 다양한 임베디드 시스템으로 이루어질 수 있으며, 각각의 사물들은 자신을 구별하는 식별인자, 통신 기능 및 데이터를 처리할 수 있는 기능 등이 포함되어야 한다.
IoT 장치 및 서비스를 제어하기 위한 방법 및 시스템 중 하나로서, 등록특허공보 제10-1553478호에 IoT 장치 및 서비스를 제어하기 위한 방법 및 시스템이 개시되어 있다.
상기 기술은 적어도 하나의 IoT(Internet of Things) 장치를 사용자와 연관하여 등록하는 단계; 메신저 서비스 플랫폼(messenger service platform)을 통해 상기 IoT 장치를 상기 사용자와 관계가 설정된 버디(buddy)로 인식하여 상기 IoT 장치와의 대화 기능을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 대화 기능을 제공하는 단계는 상기 대화 기능을 제공하기 위한 메신저 서비스를 선택하는 단계; 상기 IoT 장치에 대해 상기 선택된 메신저 서비스의 포맷으로 임시 식별 정보를 생성하는 단계; 및 상기 임시 식별 정보를 이용하여 상기 대화 기능을 활성화 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그러나 IoT 기기에서 센싱되는 데이터는 비선형성을 가지고 있으며, 이러한 비선형성에 의해 검출된 데이터와 실제 데이터 사이에는 오차가 발생된다.
즉, 상기 종래 기술을 포함하는 기술을 적용한 IoT 기기에서 검출된 데이터는 환경 변화에 따라 일부 구간에서 비선형적인 특성을 나타내는 소자를 이용함에 따라 비선형성을 가지고 있다.
이에 따라, 환경 데이터의 선형성을 고려하면 비선형 구간에서 검출된 데이터와 실제 값은 소정의 오차가 발생되는 문제점이 있다.
KR 10-1553478 B1 (2015. 09. 09. 등록)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 특정 장치 또는 장소에 온도, 습도 및 이산화탄소 등의 환경 데이터와 장치의 상태 데이터로 이루어지는 센싱 데이터를 검출하는 IoT 기기를 설치하고, 상기 IoT 기기로부터 전송된 센싱 데이터를 이용하여 주변 환경 및 사물 인식에 대한 정보를 수집하고 이를 제어할 수 있는 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, IoT 기기에서 출력되는 데이터의 비선형적인 검출데이터를 선형 이론에 근거하여 보정할 수 있는 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템을 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템은 검출된 데이터를 전송하는 IoT 기기, 상기 IoT 기기에서 전송된 데이터를 수집하여 통신망을 통해 전송하는 컨트롤러, 상기 통신망에 연결되어 상기 컨트롤러에서 전송된 데이터를 저장 관리하는 IoT 애플리케이션이 설치되는 관리서버 및 상기 관리서버와 연결되어 요청에 따라 상기 저장된 데이터를 확인하거나 상기 컨트롤러를 통해 상기 IoT 기기를 제어하는 단말기를 포함하여 구성되고, 상기 컨트롤러는 상기 IoT 기기로부터 수신된 데이터를 선형성분의 모델로 변환하여 상기 관리서버에 제공하고, 상기 관리서버로부터 수신된 제어 메시지를 처리하며, 상기 IoT 기기를 관리하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 IoT 기기에서 검출하는 데이터는 온도 센서, 습도 센서, 이산화탄소 센서, 적외선 센서, 감지 센서, 불꽃 센서 및 연기 센서에 의한 환경 데이터와전력량계, 수도 계량기, 통풍 팬 및 냉난방기 장치와 연계하여 검출되는 상태 데이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 IoT 기기와 상기 컨트롤러는 CoAP(Constrained Application Protocol) 메시지로 변환되어 데이터가 송수신되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컨트롤러는 연결된 상기 IoT 기기의 정보를 저장 관리하는 IoT 관리모듈; 상기 통신모듈에서 수신된 메시지를 분류하거나 통합하는 작업을 수행하는 메시지 처리모듈; 상기 IoT 기기로부터 수신된 CoAP 메시지를 통신 규약에 맞는 객체로 생성하여 저장하고, 상기 관리서버에서 수신된 제어 메시지를 CoAP 메시지로 변환하여 출력 CoAP 모듈; 및 상기 IoT 기기로부터 수신된 CoAP 메시지를 선형성분의 모델로 보정하여 산출하는 데이터 보정모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 데이터 보정모듈은 상기 IoT 기기로부터 입력받은 데이터를 필터 내 연산에서 사용하기 위해 부동소수점 데이터로 변환하는 컨버터 유닛; 상기 컨버터 유닛에서 변환된 부동소수점 데이터를 좌표 변환시켜 자코비안 데이터를 출력하는 자코비안(Jacobian) 유닛; 상기 컨버터 유닛(251)에서 변환된 부동소수점 데이터를 적분을 통해 추정 값을 산출하는 오일러 적분(Euler Integrals) 유닛; 상기 자코비안 데이터 및 추정 값으로 삼각함수의 연산을 수행하여 삼각함수 데이터를 출력하는 삼각함수(Trigono metric)유닛; 및 데이터 보정유닛를 포함하여 구성되어, 상기 삼각함수(Trigono metric) 유닛에서 출력된 삼각함수 데이터는 상기 자코비안 유닛 및 오일러 적분유닛에 피드백되어 재 연산되며, 상기 자코비안 유닛 및 오일러 적분유닛에서 각각 출력되는 자코비안 데이터와 추정 값은 데이터 보정유닛에서 입력된 실제 데이터와 비교하여 데이터가 보정되고, 상기 컨버터 유닛에서 역 부동소수점으로 변환되어 출력되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 온도, 습도 및 이산화탄소 등의 환경 데이터와 장치의 상태 데이터를 관리 서버에서 종합적으로 관리하고 이를 제어할 수 있으며, 수집된 정보를 이용하여 전력을 효율적으로 관리할 수 있는 정보로 활용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 각각의 IoT 기기에서 출력되는 검출 데이터는 선형이론에 따라 보정되어 정확한 검출 데이터를 취득할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템의 전체 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 IoT 기기에 적용된 메시지의 처리 과정을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 컨트롤러의 개략적인 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 지그비 어댑터의 메시지의 처리 과정을 나타낸 도면
도 5는 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 컨트롤러의 데이터 보정모듈에 대한 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 컨트롤러의 PnP 모듈의 처리 과정을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 컨트롤러에 적용된 메시지의 처리 과정을 나타낸 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 IoT(Internet of Things) 기기와 관리서버를 연결하는 컨트롤러를 구성하여 온도, 습도 및 이산화탄소 등의 환경 데이터와 장치의 상태 데이터로 이루어지는 센싱 데이터를 검출하는 IoT 기기를 설치하고, 상기 IoT 기기로부터 전송된 센싱 데이터를 이용하여 주변 환경 및 사물 인식에 대한 정보를 수집하고 이를 제어할 수 있는 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템의 전체 구성도를 나타낸 것이다.
첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템은 IoT 기기(100), 컨트롤러(200), 관리서버(300), 단말기(400) 및 EMS(500)를 포함하여 구성된다.
상기 IoT 기기(100)는 빌딩, 공장, 창고, 수처리장, 발전소, 변전소, 배전반, 비닐하우스 또는 축사 등에 설치되어 온도, 습도 및 이산화탄소 등의 환경 데이터를 검출하는 센서로 구성되거나, 전기, 가스, 팬 및/또는 상하수도를 제어하는 장치와 결합되어 상태 데이터를 검출하는 센서 등을 의미할 수 있다.
즉, 상기 IoT 기기(100)는 자동제어 시스템, 홈 네트워크 시스템, 자동차 원격 제어 시스템 및 스마트 그리드 시스템 등과 같이 IoT 기술 기반의 서비스 대상이 되는 모든 스마트 기기나 센서 등을 의미할 수 있다.
이때, 상기의 환경 데이터는 온도 센서, 습도 센서, 이산화탄소 센서, 적외선 센서, 감지 센서, 불꽃 센서 및 연기 센서 등 환경적인 요소를 검출하는 단일화된 센서로 이루어질 수 있고, 상기 상태 데이터는 전력량계, 수도 계량기, 통풍 팬 및 냉난방기 등의 장치와 연계하여 각 장치의 상태를 검출하는 센서 등으로 구성될 수 있다.
이러한 IoT 기기(100)는 센싱 데이터 취득 및 전송에 필요한 최소한의 사양만 갖추고 있으며, 통신 인터페이스도 WPAN 기술을 적용하기 쉬운 이더넷이나 WiFi 대신 비교적 저속도인 직렬 통신이나 RS485, CAN, 지그비(Zigbee) 및 LORA 등의 지연 및 손실 확률이 높은 인터페이스를 사용한다. 이에, 종래의 통신 인터페이스를 사용하여 통신을 수행하는 경우, 지연 속도 및 손실이 불가피하게 발생된다.
이에 따라, 본 발명에서는 신뢰성을 가지는 메시지를 송수신하기 위하여 CoAP를 적용한 CoAP 메시지를 송수신하도록 구성된다.
CoAP(Constrained Application Protocol)는 IETF(Internet Engineering Task Force) WG(Working Group)에서 2010년 초에 개발하고, 수차례의 수정을 거쳐 2010년 말 최종 드래프트가 발표되었고, 현재 WG 드래프트18에서 RFC표준으로 채택된 통신 규약이다.
이러한 CoAP는 저 전력/고 손실 네트워크 및 소용량, 소형 장치 등에 사용될 수 있는 웹 전송 프로토콜으로서, 소용량/소형 센서 등과 같이 제약이 많은 환경에서 HTTP와 같은 무거운 통신 프로토콜을 사용할 수 없으므로, HTTP의 통신 규약을 따르면서 REST형식(IETF,2012)으로 웹서비스를 할 수 있는 경량 프로토콜에 적합한 통신 방식이다.
도 2는 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 IoT 기기에 적용된 메시지의 처리 과정을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 IoT 기기에 적용된 메시지 처리 과정은 검출된 센싱 데이터 또는 수신된 제어 메시지를 판단하여 상기 센싱 데이터(송신 메시지)에 대해서는 CoAP(Constrained Application Protocol) 메시지로 변환하여 지그비(Zigbee) 또는 LORA를 통해 송출하고, 수신된 제어 메시지는 기기(또는 센서)를 제어하도록 하는 신호로 출력하게 된다.
LORAWAN 기반 IoT 서비스 시스템 구조를 살펴보면 LORAWAN은 M2M(Machine -to-Machine) 형태의 네트워크 토폴로지 구조이며, LORAWAN 구조상에서 컨트롤러는 트랜스페런트 브리지(transparent bridge) 역할만 수행한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템은 지그비를 이용한 데이터의 송수신뿐만 아니라 LORA를 이용한 데이터의 송수신 네트워크에도 적용할 수 있음은 물론이다.
즉, 지그비를 이용하는 경우 송수신측에 지그비 통신 규약을 수행하기 위한 구성이 마련되고, LORA를 이용하는 경우 송수신측에 LORA 통신 규약을 수행하기 위한 구성이 마련된다.
본 발명에서의 IoT 기기에 적용된 메시지 처리 과정은 CoAP 메시지로 데이터를 송수신하도록 구성되는 것으로서, IoT 기기에 전원이 인가되어 실행되면 컨트롤러(200) 또는 인접에 위치한 다른 IoT 기기(100)와 메시지를 송수신하기 위한 리시브 스레드(Receive thread)가 동작된다.
이때, 메시지 송신 과정은 센싱된 데이터를 송신 메시지로 판단하고, CoAP 메시지(CoaAP Massage)를 생성하며, 생성된 CoAP 메시지는 송신 프로세스를 거쳐 통신모듈을 통해 전송된다. 이 과정에서 CoAP 메시지의 전송에 따라 종료 프로세스가 실행된다. 상기 종료 프로세스는 설정된 시간 동안 컨트롤러(200)로부터 응답 메시지를 수신하기 위한 것으로서, 설정 시간 동안 응답 메시지가 수신되지 않는 경우에는 상기 컨트롤러(200)가 통신 범위에 존재하지 않거나 부동작상태로 판단하여, 주위의 다른 컨트롤러를 검색하게 된다.
메시지 수신 과정은 통신모듈로부터 메시지가 수신되면 CoAP 포맷으로 분석하고, 상기 분석된 결과를 식별하여 컨트롤러(200)의 요청 메시지인지 또는 응답 메시지인지를 판단한다.
이때, 요청 메시지일 경우에는 해당 요청에 따른 정보(예를 들면, 센싱 데이터 등)를 CoAP 메시지로 생성하고, 생성된 CoAP 메시지는 연결된 컨트롤러로 지그비(Zigbee) 통신모듈을 통해 전송한다.
또한, 응답 메시지(제어 메시지)일 경우에는 응답 메시지를 프로세싱하게 되며, 상기 응답 메시지를 프로세싱하는 소정의 설정 시간 동안 메시지의 송신 및 수신을 중지시키는 종료상태로 전환되게 된다.
이에 따라, 상기 IoT 기기(100)는 상기 컨트롤러(200)와 통신을 통해 자체적으로 검출된 센싱 데이터를 요청 메시지에 따라 CoAP 메시지로 변환하여 전송하고, 응답 메시지에 따라 해당 센서 또는 장치를 제어하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 컨트롤러의 개략적인 구성도를 나타낸 것이다.
첨부된 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 컨트롤러(200)는 통신모듈(210), IoT 관리모듈(220), 메시지 처리모듈(230), CoAP 모듈(240), 데이터 보정모듈(250) 및 PnP 모듈(260)을 포함하여 구성된다.
상기 통신모듈(210)은 상기 IoT 기기(100) 및 통신망과 연결되어 상기 IoT 기기(100)로부터 검출된 센싱 데이터를 CoAP 메시지 형태로 수신하고 통신망을 통해 상기 수신된 센싱 데이터를 전송하거나, 관리서버(300)로부터 제어 메시지를 수신하여 상기 IoT 기기(100)에 전송한다.
이때, 무선통신을 수행하기 위해서 상기 통신모듈(210)은 WiFi 및 블루투스 통신도 수행할 수 있도록 구성된다. 또한, 지그비 또는 LORA 통신을 수행하기 위해서 무선통신 어댑터(201)가 구비되는데, 상기 무선통신 어댑터(201)는 USB 포트에 연결 접속되어 상기 IoT 기기(100)와 지그비 또는 LORA 통신을 수행하게 된다. 즉, WiFi 및 블루투스 통신 규약에 따른 무선 통신은 상기 컨트롤러(200) 내부에 구비된 통신 모듈을 이용하여 이루어지며, 지그비 또는 LORA 통신은 무선통신 어댑터(201)를 이용하여 이루어진다.
상기 무선통신 어댑터(201)는 상기 IoT 기기(100)와 무선 통신을 수행하는 무선통신 모듈, 상기 무선통신 모듈을 통해 송수신된 데이터(메시지)를 시리얼 통신을 위한 패킷으로 변환하는 USB to Serial 모듈 및 상기 컨트롤러(200)와의 USB연결을 위한 USB 포트를 포함하여 구성된다.
도 4는 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 무선통신 어댑터의 메시지의 처리 과정을 나타낸 도면이다.
본 발명에 적용된 상기 무선통신 어댑터(201)는 IoT 기기(100)와의 원활한 통신을 수행하기 위해서 컨트롤러(200)에 USB 포트를 통하여 연결된다.
또한, 시리얼통신을 통하여 상기 무선통신 어댑터(201)에서 수신한 메시지를 콘트롤러(200)에서 확인할 수 있도록 구성된다. 아울러 무선통신 어댑터(201)는 메시지 전송의 중간역할을 수행하면서, 컨트롤러(200)에서 IoT 기기(100)로 전송되는 메시지들을 CoAP 메시지로 변환하는 기능도 수행하게 된다.
메시지(thread)의 수신 과정을 살펴보면, 지그비 또는 LORA 통신을 통해 수신된 메시지는 수신 프로세스를 통해 시리얼 통신 메시지로 변환되어 USB포트를 통해 컨트롤러(200)로 입력된다. 메시지(thread)의 송신 과정을 살펴보면, USB 포트를 통해 수신된 메시지는 송신 프로세스를 통해 CoAP 메시지로 생성되고 지그비 또는 LORA 통신 방식으로 IoT 기기(100)로 전송된다.
상기 IoT 관리모듈(220)은 연결된 상기 IoT 기기(100)의 정보를 저장 관리하는 기능을 수행한다.
전원이 인가되어 IoT 기기(100)가 동작되면, 상기 IoT 기기(100)는 동작에 따른 접속 메시지를 상기 컨트롤러(200)에 전송한다. 이때, 접속 메시지에는 상기 IoT 기기(100)의 정보(수집 또는 검출되는 데이터 정보, 위치 및 IoT 기기명 등)가 포함되어 구성된다. 접속 메시지를 수신한 상기 IoT 관리모듈(220)은 송신한 IoT 기기(100)를 인식한 후, 상기 접속 메시지를 송신한 IoT 기기(100)에 IP를 부여하고 등록하며, 상기 IoT 기기(100)에 접속 연결이 정상적으로 이루어짐을 알리는 응답 메시지를 전송한다.
상기 메시지 처리모듈(230)은 상기 통신모듈(210)에서 수신된 메시지를 분류하거나 통합하는 작업을 수행하는 것으로서, 수신된 제어 메시지는 각각의 통신 규약에 적합한 객체로 생성하여 저장관리한다.
상기 CoAP 모듈(240)은 상기 IoT 기기(100)로부터 수신된 CoAP 메시지를 통신 규약에 맞는 객체로 생성하여 저장하고, 관리서버(300)에서 수신된 제어 메시지를 CoAP 메시지로 변환하여 출력한다.
한편, 상기 IoT 기기(100)에서 검출되는 검출 데이터는 검출에 사용되는 소자의 비선형성에 의해서 실제 값과 검출된 값은 소정의 오차가 발생된다.
예를 들어, 온도센서는 2 종류의 금속 온도차이에 따른 기전력의 발생으로 전압을 온도로 환산하여 검출하는 열전대 서모커플, 온도에 따라 비례하는 저항값을 온도로 환산하여 검출하는 RTD 센서, 온도에 따라 비례/반비례하는 저항값을 이용한 써미스터 및 온도에 따라 팽창/변색 등의 상태변화로 검출하는 상태변화 센서등 다양한 소자가 사용된다.
그런데 위와 같은 소자는 소자의 변형 정도에 따라 온도를 검출하는 범위가 다르고, 해당되는 온도 검출 구간 전체에서 선형적인 특성을 보이는 것이 아니라 일부 구간의 온도에서는 비선형적인 특성이 나타난다.
이에, 온도의 선형성을 고려하면 비선형 구간에서 검출된 온도 데이터와 실제 온도와 소정의 오차가 발생되며, 이러한 오차는 온도센서에 사용된 소자의 검출범위의 최저점 및 최고점에서 가장 크다.
즉, 실제 온도센서는 비선형성을 가지고 있으며, 이러한 비선형성으로부터 검출된 온도 데이터를 선형성으로 가정하여 디지털 변환하게 되면 정확한 온도 검출이 이루어지지 않게 된다.
본 발명에서는 비선형적인 온도센서로부터 검출된 데이터를 보정하기 위해서 칼만 필터를 적용한다.
상기의 칼만 필터는 시스템 모델을 설계하고 실제 측정값을 이용하는 Recursive Filter로서, 모든 선형 시스템에 적용 가능하다.
이러한 칼만 필터는 평균 필터와 같이 n-1 번째까지 진행한 추정 값을 기반으로 n 번째 추정 값을 도출하기 때문에 정밀한 계산이 가능하고 잡음의 제거에도 효과적이다.
도 5는 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 컨트롤러의 데이터 보정모듈에 대한 구성도이다.
첨부된 도 5를 참조하면, 상기 데이터 보정모듈(250)은 상기 변환부(230)에서 변환된 디지털 데이터를 선형성분의 모델로 보정하여 산출하는 기능을 수행하는 것으로서, 컨버터 유닛(251), 자코비안(Jacobian) 유닛(252), 오일러 적분(Euler Integrals) 유닛(253), 삼각함수(Trigono metric) 유닛(254) 및 데이터 보정 유닛(255)을 포함하여 구성된다.
상기 컨버터 유닛(251)은 IoT 기기(100)로부터 입력받은 데이터를 필터 내 연산에서 사용하기 위해 부동소수점 데이터으로 변환하는 과정을 수행한다. 필터 내 모든 연산은 IEEE754 Single-precision Format으로 변환되는데, 데이터의 연산을 수행하기 위해서 입출력을 갖는 부동소수점 연산기(Floating Point Unit)가 사용될 수 있다.
상기 자코비안(Jacobian) 유닛(252)은 상기 컨버터 유닛(251)에서 변환된 부동소수점 데이터에 대해 좌표 변환을 하기 위한 목적으로 사용되는 행렬이다. 즉, 상기 데이터 보정모듈(250)에서 비선형 모델을 적용하여 선형모델의 데이터를 산출하기 위해서는 선형 모델로 변환 시켜줘야 하는데, 상기 변환에 사용되는 행렬이 Jacobian Matrix이다.
여기서, Jacobian Matrix는 미분을 통해 선형화된 시스템 모델 행렬식을 얻을 수 있으며, 상기 행렬식을 사용하여 자코비안 함수를 수행한다.
이때, 상기 Jacobian Matrix는 3×3 행렬식을 통한 자코비안 함수를 이용하여 자코비안 데이터를 산출하고, 산출된 자코비안 데이터는 삼각함수(Trigono metric) 유닛(254)에 입력된다.
상기 오일러 적분(Euler Integrals) 유닛(253)은 IoT 기기(100)로부터 입력 받은 데이터를 오일러 각의 변화율로 나타내고, 적분을 통해 추정 값을 산출한다.
온도센서, 습도센서 및 이산화탄소센서 등을 포함하는 IoT 기기에서 출력되는 데이터를 보정하기 위해서는 비선형 모델을 통해 연산할 수 있는데, 이때 선형성 모델로 변환 및 추정 값 예측을 하기 위해서는 오일러 각으로 변환하는 과정이 필요하다.
상기에서 산출된 추정 값은 삼각함수(Trigono metric) 유닛(254)에 입력된다.
상기 삼각함수(Trigono metric) 유닛(254)은 상기 입력된 자코비안 데이터 및 추정 값을 이용하여 삼각함수의 연산을 수행하는 것으로서, 상기 삼각함수의 연산식은 Sin, Cos, Tan 및 Sec 총 4종류의 삼각함수가 사용될 수 있다.
이때, 각각의 삼각함수들은 0° ~ 180°의 범위를 가지도록 구성되어 있는데, 연산의 정밀도를 높이기 위해서 0.1°단위로 계산되도록 구성될 수 있다.
즉, 삼각함수의 복잡한 연산으로 인하여, 본 발명에서는 0.1°단위로 계산된 삼각함수를 사용할 수 있다.
상기 삼각함수(Trigono metric) 유닛(254)으로의 입력 값은 자코비안 유닛(252) 및 오일러 적분유닛(253)에서 출력되는 데이터를 사용하고, 추정 값을 삼각함수의 범위에 포함시키기 위해서 샘플링을 통한 소수점 둘째 자리까지만 사용할 수 있다.
이와 같이, 상기 삼각함수(Trigono metric) 유닛(254)에서는 삼각함수에 대한 삼각함수 데이터가 출력되고, 출력된 삼각함수 데이터는 상기 자코비안 유닛(252) 및 오일러 적분유닛(253)에 피드백되어 재 연산되며, 최종적으로 상기 자코비안 유닛(252) 및 오일러 적분유닛(253)에서 각각 출력되는 자코비안 데이터와 추정 값은 데이터 보정유닛(255)에서 입력된 실제 데이터와 비교하여 데이터가 보정되고, 상기 컨버터 유닛(251)에서 역 부동소수점으로 변환되어 출력된다.
이에 따라, 상기 데이터 보정모듈(250)은 상기 변환부(230)에서 변환된 디지털 온도 데이터를 선형성분의 모델로 보정하여 제2 온도데이터를 산출하고 산출된 상기 제2 온도데이터는 상기 통신부(240)를 통해 관리서버(300)로 전송된다.
도 6은 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 컨트롤러의 PnP 모듈의 처리 과정을 나타낸 도면이다.
상기 PnP(Plug and Play) 모듈(260)은 상기 메시지 처리모듈(230)에서 분류된 요청 메시지와 응답 메시지에 대한 처리를 수행하는 것으로서, 상기 PnP 모듈(260)로 전달된 메시지는 요청 메시지와 응답 메시지를 분류되어 처리된다. 이때, 요청 메시지이면 타이머를 실행하고 요청 메시지로 정의한 후 IoT 기기(100)로 전달한다. 또한, 컨트롤러(200)에서 송출된 응답 메시지이면 요청 메시지 전달시 실행했던 타이머를 중지하고 해당 응답 메시지를 처리한다. 이 경우에 IoT 기기(100)의 정보가 변경될 경우 상기 IoT 기기(100)로 상태 변경정보를 전달한다.
도 7은 본 발명에 따른 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 컨트롤러에 적용된 메시지의 처리 과정을 나타낸 도면이다.
첨부된 도 7을 참조하면, 컨트롤러(200)는 무선통신 어댑터(201)를 포함하여 구성되되, 상기 컨트롤러(200)와 무선통신 어댑터(201)는 USB 포트로 연결된다.
상기 IoT 기기(100)로부터 출력되는 CoAP 메시지는 무선통신 어댑터(201)에서 수신하고, 수신된 CoAP 메시지는 상기 무선통신 어댑터(201)에서 USB 포트를 통해 상기 컨트롤러(200)로 전송하기 위해서 시리얼 메시지 형태로 변환되어 출력된다.
상기 무선통신 어댑터(201)에서 출력되는 CoAP 메시지는 USB 포트를 통해 컨트롤러(200)에 입력되고, CoAP 모듈(240)을 통해 통신 규약에 맞는 객체로 생성되어 저장된다.
상기 CoAP 모듈(240)에서 변환된 객체는 메시지 처리모듈(230)에서 메시지를 분류하거나 통합하는 작업을 수행하여, 해당 메시지가 전송될 장치를 판단하게 된다. 즉, IoT 기기(100)로부터 수신된 메시지인 경우 통신모듈을 통해 지그비 또는 LORA 방식을 이용하여 전송되도록 구성되고, IoT 기기(100)로 전송될 메시지인 경우 CoAP 모듈(240)을 통해 무선통신 어댑터(201)로 전송되도록 구성된다.
또한, 상기 IoT 기기(100)가 Wifi 통신 또는 블루투스 통신이 가능한 경우에는 Wifi 모듈 또는 블루투스 모듈을 통해 메시지가 송수신되도록 구성된다.
다음으로, 관리서버(300)에 대해서 설명한다.
상기 관리서버(300)에는 상기 컨트롤러(200)에서 전송된 센싱 데이터를 저장 관리하는 IoT 애플리케이션이 설치되고, 상기 IoT 애플리케이션을 통해 상기 IoT 기기(100)온도 데이터를 모바일기기(400)로 제공하게 된다.
이때, 관리서버(300)는 IoT 기기(100)로부터 전송된 다양한 센싱 데이터 즉, 온도, 습도 및 이산화탄소 등의 환경 데이터와 전류 인가 상태, 팬의 구동상태, 냉난방기의 동작 상태 등의 장치의 상태 데이터를 저장 관리하여, 사용자의 요청에 의해 해당 센싱 데이터를 디스플레이한다.
상기 단말기(400)는 스마트 폰, 태블릿 PC 및 데스크 탑 등으로 구현되며, IoT 기기(100) 탐색, 검출 결과 확인 및 제어 메시지를 입력하는 포인트로서, HTTP(hypertext transfer protocol)와 웹 브라우저 CoAP 플러그인 모두를 지원하여, HTTP를 통해서는 관리서버(300)에 접속하는 통신을 지원하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 전력을 효율적으로 관리하기 위한 EMS(500, 전력관리시스템(Energy Management System)가 포함될 수 있다.
상기 EMS(500)는 소비자가 에너지 사용 목표량을 설정하고 이를 달성하기 위해 인적, 물적 자원 관리체계를 일정한 절차와 기법에 따라 체계적이고 지속적으로 관리하기 위한 에너지관리 시스템이다.
즉, 상기 EMS(500)는 에너지 절약과 온실가스 감축을 위해 목표관리제, 에너지 진단, 에너지 효율 관리, 에너지 감축 활동을 효과적으로 이행할 수 있도록 최적의 솔루션을 제공한다. 또한, 상기 EMS(500)는 에너지 패턴을 분석하여 사용전력 프로파일을 자동 생성하여 에너지 절감 가이드라인을 제공할 수 있는 에너지 사용계획을 수립할 수 있고, 각종 설비의 에너지 수급과 소비를 감시하며 소비 트랜드 변화에 따른 에너지 수요를 예측할 수 있는 에너지의 실시간 감시 예측이 가능하다.
이에 더하여, 상기 EMS(500)는 사용자의 자율적 에너지 절감 유도를 위한 정보를 제공하고, 목표 달성여부를 실시간으로 진단할 수 있는 에너지 소비 목표 진단이 가능하고, 각종 설비의 자율적 연계 및 제어를 통해 사용자가 간단한 조작으로 에너지 절감을 실현할 수 있도록 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템을 지원한다.
이러한 EMS(500)는 통신망을 통해 상기 IoT 기기(100) 또는 관리서버(300)로부터 데이터를 수신하여, 기후변화에 따른 에너지 소비량을 예측하고 예측된 에너지 수요에 따른 모든 IoT 기기(100)의 운전을 환경 적응형 제어를 통해 설비를 효율적으로 자동제어하여 운영하도록 지원한다. 또한, IoT 기기(100)가 설치된 공간에 대한 에너지 사용 패턴 분석을 통해 효율적으로 에너지 사용이 가능하도록 시간대별 에너지 사용 프로파일을 제공하고, 빅 데이터 분석 기반의 에너지 소비량을 예측하고 달성 가능한 연간 및 월별 에너지 절감 목표량을 설정하여 실제 소비량과 비교, 분석, 진단을 수행할 수 있다. 뿐만 아니라 지역별 및 공간별로 이격된 컨트롤러(200)를 통합하여 원격으로 에너지를 관리함으로써 관리 비용절감 및 일원화된 관리 시스템을 구축 지원할 수 있다.
이에 따라, 상기 EMS(500)를 구성함으로써, 전력설비로부터 계측된 데이터를 활용하여 에너지 사용 효율 분석 및 수요예측 등의 다양한 진단 정보를 분석하고 효율적인 에너지 사용을 위한 정보를 제공할 수 있고, 에너지 소비패턴 분석과 신재생 에너지의 전력수급 분석을 통해 최대수요전력과 목표전력을 동시에 관리하기 위한 최적의 모드로 계통의 안정성을 개선할 수 있는 계통연계형 에너지 관리 시스템을 제공할 수 있다. 이에 더하여, 상기 EMS(500)에서 제공되는 빅데이터를 활용하여 요일 및 시간, 기온 변화에 따른 에너지 소비 패턴을 다양하게 분석하여 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 지표를 제공할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의하면, 온도, 습도 및 이산화탄소 등의 환경 데이터와 장치의 상태 데이터를 관리 서버에서 종합적으로 관리하고 이를 제어할 수 있으며, 수집된 정보를 이용하여 전력을 효율적으로 관리할 수 있는 정보로 활용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 각각의 IoT 기기에서 출력되는 검출 데이터는 통신망을 통해 송신 가능한 데이터로 변환되면서 관리 서버에서 즉시 확인할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.
100: IoT 기기 200: 컨트롤러
201: 무선통신 어댑터 210: 통신모듈
220: IoT 관리모듈 230: 메시지 처리 모듈
240: CoAP 모듈 250: 데이터 보정모듈
251: 컨버터 유닛 252: 자코비안 유닛
253: 오일러 적분 유닛 254: 삼각함수 유닛
255: 데이터 보정 유닛 260: PnP 모듈
300: 관리서버
400: 단말기
500: EMS

Claims (5)

  1. 검출된 데이터를 전송하는 IoT 기기(100), 상기 IoT 기기(100)에서 전송된 데이터를 수집하여 통신망을 통해 전송하는 컨트롤러(200), 상기 통신망에 연결되어 상기 컨트롤러(200)에서 전송된 데이터를 저장 관리하는 IoT 애플리케이션이 설치되는 관리서버(300) 및 상기 관리서버(300)와 연결되어 요청에 따라 상기 저장된 데이터를 확인하거나 상기 컨트롤러(200)를 통해 상기 IoT 기기(100)를 제어하는 단말기(400)를 포함하여 구성되고,
    상기 컨트롤러(200)는,
    상기 IoT 기기(100)로부터 수신된 데이터를 선형성분의 모델로 변환하여 상기 관리서버(300)에 제공하고, 상기 관리서버(300)로부터 수신된 제어 메시지를 처리하며, 상기 IoT 기기(100)를 관리하도록 구성되되,
    상기 컨트롤러(200)는,
    연결된 상기 IoT 기기(100)의 정보를 저장 관리하는 IoT 관리모듈(220);
    통신모듈(210)에서 수신된 메시지를 분류하거나 통합하는 작업을 수행하는 메시지 처리모듈(230);
    상기 IoT 기기(100)로부터 수신된 CoAP 메시지를 통신 규약에 맞는 객체로 생성하여 저장하고, 상기 관리서버(300)에서 수신된 제어 메시지를 CoAP 메시지로 변환하여 출력 CoAP 모듈(240); 및
    상기 IoT 기기(100)로부터 수신된 CoAP 메시지를 선형성분의 모델로 보정하여 산출하는 데이터 보정모듈(250);
    을 포함하여 구성되고,
    상기 데이터 보정모듈(250)은,
    상기 IoT 기기(100)로부터 입력받은 데이터를 필터 내 연산에서 사용하기 위해 부동소수점 데이터로 변환하는 컨버터 유닛(251);
    상기 컨버터 유닛(251)에서 변환된 부동소수점 데이터를 좌표 변환시켜 자코비안 데이터를 출력하는 자코비안(Jacobian) 유닛(252);
    상기 컨버터 유닛(251)에서 변환된 부동소수점 데이터를 적분을 통해 추정 값을 산출하는 오일러 적분(Euler Integrals) 유닛(253);
    상기 자코비안 데이터 및 추정 값으로 삼각함수의 연산을 수행하여 삼각함수 데이터를 출력하는 삼각함수(Trigono metric)유닛(254); 및
    데이터 보정유닛(255)를 포함하여 구성되어,
    상기 삼각함수(Trigono metric) 유닛(254)에서 출력된 삼각함수 데이터는 상기 자코비안 유닛(252) 및 오일러 적분유닛(253)에 피드백되어 재 연산되며,
    상기 자코비안 유닛(252) 및 오일러 적분유닛(253)에서 각각 출력되는 자코비안 데이터와 추정 값은 데이터 보정유닛(255)에서 입력된 실제 데이터와 비교하여 데이터가 보정되고, 상기 컨버터 유닛(251)에서 역 부동소수점으로 변환되어 출력되는 것을 특징으로 하는 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 IoT 기기(100)에서 검출하는 데이터는,
    온도 센서, 습도 센서, 이산화탄소 센서, 적외선 센서, 감지 센서, 불꽃 센서 및 연기 센서에 의한 환경 데이터와,
    전력량계, 수도 계량기, 통풍 팬 및 냉난방기 장치와 연계하여 검출되는 상태 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 IoT 기기(100)와 상기 컨트롤러(200)는 CoAP(Constrained Application Protocol) 메시지 형태로 변환되어 데이터가 송수신되는 것을 특징으로 하는 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 CoAP 메시지 형태로 변환된 데이터의 송수신은 지그비(Zigbee) 또는 LORA(LORAWAN)를 이용한 것을 특징으로 하는 데이터 보정을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템.
  5. 삭제
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