KR101662507B1 - 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 빌딩, 공장, 발전소 및 수처리장 등의 에너지와 방범, 방재 등의 요소를 효율적으로 감시, 진단 및 제어를 위해 온도, 습도, 전력, 이산화탄소(CO2) 등의 환경요소와 CCTV를 포함한 방범, 방재 요소를 IoT 기기와 관리서버를 연결하는 컨트롤러를 구성하여 환경 데이터 및 상태 데이터 등을 수집하고, 상기 IoT 기기를 원격에서 제어할 수 있는 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 데이터 변환을 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 상기 IoT 애플리케이션에서 읽을 수 있는 단일화된 범용 데이터로 변환하고, 상기 변환된 범용 데이터를 상기 관리서버에 제공하며, 상기 관리서버로부터 수신된 제어 메시지를 처리하고, 상기 IoT 기기를 관리하는 것을 특징으로 하는 원격 자동제어 시스템에 관한 것이다.

Description

데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템{REMOTE AUTOMATIC CONTROL SYSTEM BASED ON IoT USING DATA CONVERSION}
본 발명은 데이터 변환을 이용한 IoT(Internet of Things) 기반의 원격 자동제어 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 빌딩, 공장, 발전소 및 수처리장 등의 에너지와 방범, 방재 등의 요소를 효율적으로 감시, 진단 및 제어하기 위해, 온도, 습도, 전력, 이산화탄소(CO2) 등의 환경요소와 CCTV를 포함한 방범, 방재 요소를 IoT 기기 및 관리서버와 연결하는 컨트롤러를 구성하여 환경 데이터 및 상태 데이터 등을 수집하고, 상기 IoT 기기를 원격에서 제어할 수 있는 데이터 변환을 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(F통합자동제어장치), 빌딩 에너지 자동화(B통합자동제어장치), 빌딩 자동제어(BAS) 및 에너지 관리 시스템(통합자동제어장치) 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.
이때, IoT 기기들에서 센싱되는 데이터는 특정 API(Application Programming Interface), 네트워크 프로토콜(Network Protocol) 및 인터페이스 패러다임(Interface Paradigm) 등에 따라 서로 다른 이질성을 가지며, 이러한 이질성에 따라 IoT 애플리케이션이 설계되게 된다. 이에, IoT 기기의 변경 또는 교체 등에 따라 새로운 IoT 애플리케이션을 개발해야 하는 문제점이 발생된다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위한 기술 중의 하나로, 등록특허공보 제10-1453372호에는 사물인터넷 환경에서 디바이스간 이질적 데이터 교환 방식의 중재 시스템이 개시되어 있다.
상기 기술은 서버에 구비되고, 디바이스들과 연결되어 데이터를 교환하거나 디바이스들을 핸들링하여 상호 작용하는 사물인터넷 어플리케이션부; 및 어댑터 패턴을 이용하여 디바이스마다 다른 인터페이스를 변환하여 단일화함으로써 단일화된 범용 인터페이스를 제공하여 상기 사물인터넷 어플리케이션부와의 데이터 교환 방식을 단일화시키는 어댑터가 구비된 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그러나 상기 종래 기술은 서버에 탑재된 어플리케이션에서 전송된 데이터를 가공하여 데이터 교환 방식을 단일화시키는 것을 특징으로 하는 데, 이러한 방식은 IoT 기기로부터 서버에 데이터를 전송하는 과정에서부터 데이터의 이질성이 도출됨에 따라 서버에 전송된 데이터의 손실이 불가피하고, IoT 기기에서 전송되는 데이터 또한 통신 규약에 따른 데이터 포맷이 서로 달라 IoT 기기와 서버를 연결하기 위한 전용 중계기가 요구되는 문제점이 있다.
KR 10-1453372 B1 (2014. 10. 15. 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 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, IoT 기기에서 출력되는 데이터의 이질성을 극복하여 단일화된 검출 데이터를 출력할 수 있는 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템을 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 데이터 변환을 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 상기 IoT 애플리케이션에서 읽을 수 있는 단일화된 범용 데이터로 변환하고, 상기 변환된 범용 데이터를 상기 관리서버에 제공하며, 상기 관리서버로부터 수신된 제어 메시지를 처리하고, 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) 메시지 형태로 변환되어 데이터가 송수신되는 것을 특징으로 한다.
상기의 구성에서 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 출력하는 CoAP 모듈; 및 상기 IoT 기기로부터 수신된 CoAP 메시지에 대하여 아날로그 메시지와 디지털 메시지에 따라 구분하고, 상기 CoAP 메시지가 아날로그 메시지인 경우 디지털 메시지로 변환하는 데이터 변환모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컨트롤러에는 USB 포트가 구비되고, 상기 USB 포트에는 무선통신 어댑터가 연결되되, 상기 무선통신 어댑터는 상기 IoT 기기와 무선 통신을 수행하는 무선통신 모듈; 상기 무선통신 모듈을 통해 송수신된 데이터(메시지)를 시리얼 통신을 위한 패킷으로 변환하는 USB to Serial 모듈; 및 상기 컨트롤러와의 USB연결을 위한 USB 포트를 포함하여 구성되는 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 통신망을 통해 송신 가능한 데이터로 변환되면서 관리 서버에서 즉시 확인할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템의 전체 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 IoT 기기에 적용된 메시지의 처리 과정을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 컨트롤러의 개략적인 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 컨트롤러의 변환모듈에 대한 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 컨트롤러에 적용된 메시지의 처리 과정을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 온도에 대한 IoT 애플리케이션의 실행에 따른 일 실시 예의 화면.
도 7은 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 온도 추이에 대한 IoT 애플리케이션의 실행에 따른 일 실시 예의 화면.
도 8 내지 도 13은 각각 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 컨트롤러에 구비되는 실시간 시간 설정에 대한 RTC 회로도, RS-485 드라이버 회로도, 리셋 회로도, 경보램프 드라이브 회로도, 경보음 구동 회로도 및 릴레이 구동 회로도.
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 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템의 전체 구성도를 나타낸 것이다.
첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템은 IoT 기기(100), 컨트롤러(200), 관리서버(300), 단말기(400) 및 통합자동제어장치(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 원격 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, 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 프로토콜로서, 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 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 IoT 기기에 적용된 메시지의 처리 과정을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 데이터 변환을 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.
여기서, 상기 LORA는 저전력광대역(LPWA, Low Power Wide Area) 네트워크 기술 중의 하나로서, LORA 기반 무선 네트워크를 구성하면 저전력으로 배터리의 교체없이 10년 동안 IoT 기기를 구동할 수 있고, 건물 밀집된 도심지역은 5km, 도시를 벗어난 개활지역은 15Km 이내의 범위 내에서 IoT 기기에서부터 ES-128 수준의 데이터를 송수신할 수 있으며, 암호화 지원 등이 가능한 통신 기술이다.
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 송수신 뿐만 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 송수신하는 역할을 하며, IoT 기기에 전원이 인가되어 실행되면 컨트롤러(200) 또는 인접에 위치한 다른 IoT 기기(100)와 메시지를 송수신하기 위한 Thread 수신이 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 수신 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 전환된다.
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 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 컨트롤러의 개략적인 구성도를 나타낸 것이다.
첨부된 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 컨트롤러(200)는 통신모듈(210), IoT 관리모듈(220), 메시지 처리모듈(230), CoAP 모듈(240) 및 데이터 변환모듈(250)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 LORA통신을 수행하기 위해서 무선통신 어댑터(201)가 구비되는데, 상기 무선통신 어댑터(201)는 USB 포트에 연결되어 접속된다. 즉, WiFi 및 블루투스 통신 규약에 따른 무선 통신은 상기 컨트롤러(200) 내부에 구비된 WiFi 또는 블루투스 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.
상기 IoT 관리모듈(220)은 연결된 상기 IoT 기기(100)의 정보를 저장 관리하는 기능을 수행한다.
IoT 기기(100)에 전원이 인가되어 동작되면, 상기 IoT 기기(100)는 동작에 따른 접속 메시지를 생성하고, 생성된 접속 메시지를 상기 컨트롤러(200)에 전송하게 된다. 이때, 접속 메시지에는 상기 IoT 기기(100)의 정보(수집 또는 검출되는 데이터 정보, 위치 및 IoT 기기명 등)가 포함되어 구성된다. 상기 IoT 관리모듈(220)은 상기 IoT 기기(100)로부터 접속 메시지를 수신하고, 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 저장관리된다.
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.
상기 데이터 변환모듈(250)은 상기 IoT 기기(100)로부터 수신된 CoAP 메시지에 대하여 아날로그 메시지와 디지털 메시지에 따라 구분하고, 상기 CoAP 메시지가 아날로그 메시지인 경우 디지털 메시지로 변환하는 기능을 수행한다.
도 4는 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 컨트롤러의 데이터 변환모듈에 대한 구성도를 나타낸 것으로서, 상기 변환모듈(250)은 제1 스위칭유닛(251), 컨버터(253) 및 제2 스위칭유닛(255)을 포함하여 구성된다.
상기 제1 스위칭유닛(251)은 상기 통신모듈(210)에서 수신된 CoAP 메시지가 아날로그 메시지 또는 디지털 메시지인지를 판단하고, 상기 판단의 결과에 따라 메시지의 이동 경로를 안내하게 된다.
즉, 상기 판단의 결과 CoAP 메시지가 디지털 메시지인 경우에는 제2 스위칭유닛(255)으로 상기 메시지를 바이패스시키고, 아날로그 메시지인 경우에는 컨버터(253)로 전송시키게 된다.
상기 컨버터(253)는 상기 제1 스위칭유닛(251)의 스위칭 동작에 따라 전송된 아날로그 메시지를 디지털 메시지로 변환하고 이를 출력한다.
상기 제2 스위칭유닛(255)은 상기 제1 스위칭유닛(231) 또는 상기 컨버터(253)로부터 디지털 신호를 수신하는 스위칭 기능을 수행하는 것으로서, 상기 제1 스위칭유닛(251)과 연계되어 동작된다.
즉, 상기 제2 스위칭유닛(255)은 상기 제1 스위칭유닛(251)에 의해서 CoAP 메시지가 상기 컨버터(253)로 전송되는 과정에서는 상기 컨버터(253)와 스위칭(연결)되어 상기 컨버터(253)로부터 변환된 디지털 메시지를 수신하고, 상기 제1 스위칭유닛(251)에 의해서 상기 제1 스위칭유닛(251)과 스위칭(연결)되는 경우에는 상기 제1 스위칭유닛(251)으로부터 직접 메시지가 수신되게 된다.
이때, 상기 제1 스위칭유닛(251) 및 제2 스위칭유닛(255)은 D-DPDT(Dual-Double Pole Double Throw) 방식이 채용될 수 있다.
상기 D-DPDT 방식은 2개의 DPDT(Double Pole Double Throw) 릴레이(251, 255)와 상기 릴레이 사이에 구비된 컨버터(253)로 이루어진다.
상기 DPDT 릴레이는 설정 정보에 따라 메시지를 상기 컨터버(253)를 통해 변환하여 출력할지 또는 직접 출력할지를 결정하게 된다.
반대로, 관리서버(300)로부터 수신된 제어 메시지가 아날로그 메시지로 변환되어 상기 IoT 기기(100)로 전송되어야 할 경우, 저장된 IoT 기기(100)의 정보에 근거하여 수신된 제어 메시지를 아날로그 메시지로 변환하여 출력한다.
도 5는 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 컨트롤러에 적용된 메시지의 처리 과정을 나타낸 도면이다.
첨부된 도 5를 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 수신되고, 수신된 CoAP 메시지는 시리얼 메시지로 변환되어 상기 무선통신 어댑터(201)의 USB 포트를 통해 상기 컨트롤러(200)로 전송된다.
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 통신망으로 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)의 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 등 장치의 상태 데이터를 저장 관리하여, 사용자의 요청에 의해 저장된 센싱 데이터를 디스플레이한다.
상기 단말기(400)는 스마트 폰, 태블릿 PC 및 데스크 탑 등으로 구성되며, IoT 기기(100)를 탐색, 검출 결과 확인 및 제어 메시지를 입력하는 포인트로서, HTTP(hypertext transfer protocol)와 웹 브라우저 CoAP 플러그인 모두를 지원하여, 상기 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 통합자동제어장치(500, Energy Management System)가 포함될 수 있다.
상기 통합자동제어장치(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 통합자동제어장치(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 통합자동제어장치(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 통합자동제어장치(500)는 사용자의 자율적 에너지 절감 유도를 위한 정보를 제공하고, 목표 달성여부를 실시간으로 진단할 수 있는 에너지 소비 목표 진단이 가능하며, 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 통합자동제어장치(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 통합자동제어장치(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 통합자동제어장치(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.
한편, 상기 IoT 애플리케이션을 통해 센싱 데이터를 용이하게 확인할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 센싱 데이터 중에서 온도에 대한 상기 IoT 애플리케이션을 통해 디스플레이되는 인터페이스를 도 6 및 도 7에 나타내었다.
도 6은 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 온도에 대한 IoT 애플리케이션의 실행에 따른 화면을 나타낸 것이다.
온도에 대한 상기 IoT 애플리케이션의 인터페이스는 상기 컨트롤러(200)로부터 수신된 센싱 데이터 중에서 설치장소에 따른 검출 온도를 시각적으로 표시한다.
이때, 상기 IoT 애플리케이션은 설치 장소에 따라 또는 1개소에 다수의 컨트롤러(200)와 연결될 수 있는 복수의 채널이 구비되며, IoT 기기(100) 주변의 온도를 검출하여 이를 수신한 주위온도가 표시되도록 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 온도 추이에 대한 IoT 애플리케이션의 실행에 따른 화면을 나타낸 것이다.
상기 온도 추이에 따라 표시되는 인터페이스는 선택된 채널(설치장소)에 대한 주위온도 및 검출온도가 동시에 그래프로 표시되어, 주의온도에 대한 검출온도를 시각적으로 확인할 수 있다.
도 8 내지 도 13은 각각 본 발명에 따른 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템에서 상기 컨트롤러(200)의 실시간 시간 설정에 대한 RTC 회로도, RS-485 드라이버 회로도, 리셋 회로도, 경보램프 드라이브 회로도, 경보음 구동 회로도 및 릴레이 구동 회로도를 나타낸 것이다.
첨부된 도 8을 참조하면, RTC 회로는 컨트롤러(200)의 현재시간을 유지시키기 위한 것으로서, 32.768kHz를 사용하는 크리스탈 발진회로와 외부 부하 콘덴서로 구성되어, 리얼 타임 클럭으로부터 날짜 및 시간을 입력받아 현재시간을 세팅하고, 이를 표시하게 한다.
도 9를 참조하면, RS-485 드라이브 회로는 모드 버스 프로토콜에 의한 RS-485 통신을 수행하면서 IoT 애플리케이션으로부터 수신된 요청에 따라 데이터를 전송한다.
이때, 통신속도는 IoT 애플리케이션이 탑재된 상기 관리서버(300)에서 요청하는 속도에 대응하여 9600bps, 19200bps 또는 38400bps 중에서 선택된 속도로 동작되도록 구성된다.
도 10을 참조하면, 리셋 회로는 리셋 신호에 따라 소정 시간 동안 전원의 공급을 중단하여 장치를 리셋시킨다.
도 11을 참조하면, 경보램프 드라이브 회로는 채널별로 입력된 램프 구동 신호에 따라 녹색 또는 적색 램프를 점등하게 된다.
도 12를 참조하면, 경보음 구동 회로는 경보음 신호가 트랜지스터(Q4)를 도통시키면, 버저에 전원이 인가되어 버저에서 경보음이 발생된다.
도 13을 참조하면, 경보음/경보램프 구동 회로는 경보신호(C_LD)의 입력에 따라 트랜지스터(Q3)가 도통되고, 상기 트랜지스터(Q3)의 도통에 의해 램프(LD1)에 전원이 인가되어 점등되며, 경보음 릴레이신호(SILEN_RLY) 및 경보램프 릴레이신호(LIGHT_RLY)에 따라 각각 트랜지스터(Q1, Q2)가 도통되고, 상기 트랜지스터(Q1, Q2)의 도통에 따라 알람신호(SILEN_ALM) 또는 경보램프(LIGHT_ALM)에 따라 소정의 시간 동안 알람이 발생되거나 경보램프가 점등되게 된다.
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 변환모듈
251: 제1 스위칭유닛 253: 컨버터
255: 제2 스위칭유닛 300: 관리서버
400: 단말기
500: 통합자동제어장치

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 상기 IoT 애플리케이션에서 읽을 수 있는 단일화된 범용 데이터로 변환하고, 상기 변환된 범용 데이터를 상기 관리서버(300)에 제공하며, 상기 관리서버(300)로부터 수신된 제어 메시지를 처리하고, 상기 IoT 기기(100)를 관리하며,
    상기 IoT 기기(100)와 상기 컨트롤러(200)는 CoAP(Constrained Application Protocol) 메시지로 변환되어 데이터가 송수신되며,
    상기 컨트롤러(200)는,
    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 전송하는 통신모듈(210);
    연결된 상기 IoT 기기(100)의 정보를 저장 관리하는 IoT 관리모듈(220);
    상기 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 출력하는 CoAP 모듈(240); 및
    상기 IoT 기기(100)로부터 수신된 CoAP 메시지에 대하여 아날로그 메시지와 디지털 메시지에 따라 구분하고, 상기 CoAP 메시지가 아날로그 메시지인 경우 디지털 메시지로 변환하는 데이터 변환모듈(250);
    을 포함하며,
    상기 IoT 기기(100)는,
    메시지 송신시, 센싱된 데이터를 송신 메시지로 판단하고, CoAP 메시지(CoAP Message)를 생성하며, 생성된 상기 CoAP 메시지는 송신 프로세스를 거쳐 상기 통신모듈(210)을 통해 전송되도록 하며, 상기 CoAP 메시지의 전송에 따라 종료 프로세스가 실행되도록 하며, 상기 종료 프로세스는 설정된 시간 동안 상기 컨트롤러(200)로부터 응답 메시지를 수신하기 위해 이루어지되, 설정 시간 동안 응답 메시지가 수신되지 않는 경우 상기 컨트롤러가 통신 범위에 존재하지 않거나 부동작상태로 판단하여, 주위의 다른 컨트롤러를 검색하며,
    메시지 수신시, 통신모듈로부터 수신 메시지가 수신되면 CoAP 포맷으로 분석하고, 상기 분석된 결과를 식별하여 컨트롤러(200)의 요청 메시지인지 또는 응답 메시지인지를 판단하되, 요청 메시지일 경우에는 해당 요청에 따른 정보를 CoAP 메시지로 생성하고, 생성된 CoAP 메시지는 연결된 컨트롤러로 지그비(Zigbee) 통신모듈을 통해 전송하며, 응답 메시지)일 경우에는 응답 메시지를 프로세싱하게 되며, 상기 응답 메시지를 프로세싱하는 소정의 설정 시간 동안 메시지의 송신 및 수신을 중지시키는 종료상태로 전환되도록 하며, 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 제어하는 것을 특징으로 하는 데이터 변환을 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 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 변환모듈(250)은,
    제1 스위칭유닛(251), 컨버터(253) 및 제2 스위칭유닛(255)을 포함하여 구성되고,
    상기 제1 스위칭유닛(251)은 상기 통신모듈(210)에서 수신된 CoAP 메시지가 아날로그 메시지 또는 디지털 메시지인지를 판단하고, 상기 판단의 결과에 따라 메시지의 이동 경로를 안내하며,
    상기 컨버터(253)는 상기 제1 스위칭유닛(251)의 스위칭 동작에 따라 전송된 아날로그 메시지를 디지털 메시지로 변환하고 이를 출력하며,
    상기 제2 스위칭유닛(255)은 상기 제1 스위칭유닛(251)에 의해서 CoAP 메시지가 상기 컨버터(253)로 전송되는 과정에서는 상기 컨버터(253)와 연결되어 상기 컨버터(253)로부터 변환된 디지털 메시지를 수신하고, 상기 제1 스위칭유닛(251)에 의해서 상기 제1 스위칭유닛(251)과 연결되는 경우에는 상기 제1 스위칭유닛(251)으로부터 직접 메시지를 수신하는 것을 특징으로 하는 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨트롤러(200)에는 USB 포트가 구비되고, 상기 USB 포트에는 무선통신 어댑터(201)가 연결되되,
    상기 무선통신 어댑터(201)는,
    상기 IoT 기기(100)와 무선 통신을 수행하는 무선통신 모듈;
    상기 무선통신 모듈을 통해 송수신된 데이터를 시리얼 통신을 위한 패킷으로 변환하는 USB to Serial 모듈; 및
    상기 컨트롤러(200)와의 USB연결을 위한 USB 포트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 데이터 변환을 이용한 IoT 기반의 원격 자동제어 시스템.
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