KR101669726B1 - 데이터 수집 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 데이터 수집 시스템에 관한 것으로서, 무선 네트워크를 통해 서로 연결되며, 특정 시설에 설치되어 해당 시설에 대한 데이터를 수집하는 복수의 센서 노드; 상기 복수의 센서 노드들로부터 수집된 정보를 취합하는 데이터 수집기(Data Grabber, DG); 및 상기 데이터 수집기와 통신하며, 수집된 데이터를 기반으로 실시간 모니터링 및 특정 영역에서 발생된 이벤트를 처리하는 관제 센터; 를 포함하며, 상기 데이터 수집기와 복수의 센서 노드는, 데이터 수집기와 복수의 센서 노드 간 또는 복수의 센서 노드 간의 상태 전이(state transition) 메시지를 주고 받는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 각 센서 노드 간 또는 각 센서 노드 및 데이터 수집기 간의 상태 전이 메시지 교환을 통한 네트워크의 모니터링을 기반으로 센서 노드의 고장 예측 및 발생된 고장에 대응하여 자동으로 네트워크 토폴로지를 변경 및 재구축하여 네트워크의 안정성 및 내고장성(fault tolerance)을 강화시킬 수 있다.

Description

데이터 수집 시스템{Data Gathering System}

본 발명은 데이터 수집 시스템에 관한 것이다.

과학기술이 발전함에 따라 인간이 수행하던 일들을 자동화하거나 기계를 통해 수행하는 현상이 일반화되고 있다. 이중에서, 원격 검침은 각 가정이나 사무실 등에서 사용하는 수도, 전기, 가스 등의 사용량을 검침원을 보내지 않고서도 자동으로 계량하기 위한 지능형 원격검침(AMI: Advanced Metering Infrastructure) 기술을 포함한다.

이러한 지능형 원격검침을 수도 산업에 반영해 고효율의 수자원 관리를 목표로 하는 스마트 워터 그리드(Smart Water Grid) 개념이 생겼다.

스마트 워터 그리드는 수자원의 생산, 수송, 처리, 재이용 등 수자원 관리 효율을 증대시켜 보다 지능화된 수자원 관리를 목표로 한다. 그 중 수자원 정보 획득에 관한 연구들은 수도관 낙후에 의한 누수, 수자원 생산과 수송에너지 과다, 수자원 부족에 따른 수요-공급 불균형 등 다양한 수자원 관리 문제를 다룬다. AMI는 이러한 수자원 관리 문제를 해결하는 핵심적인 기반 시스템으로 크게 검침 인프라(metering infrastructure), 양방향 통신이 가능한 통신망, 중앙 관제센터로 구성된다.

검침 인프라는 산업 및 가정에 설치된 계량기의 검침 데이터 수집 자동화를 위해 다양한 통신기술을 사용한다. 일반적으로 PLC(Power Line Communication), GPRS(General Packet Radio Service), RF(Radio frequency), WSN(Wireless Sensor Network)을 사용하여 검침 데이터를 원격지 수집 장치로 전달한다.

여기서, WSN은 물리적인 공간에 다수의 센서 노드를 배치해 구축한 에드 혹(ad-hoc) 형태의 무선 통신망을 의미하며, 특히 지그비(Zigbee)는 저전력, 저가의 무선 센서 노드로 구성된 WSN 구축에 적합한 표준 통신규약으로 배치와 운용 목적에 따라 유연한 토폴로지를 구성한다.

지그비 네트워크는 PLC같은 유선통신보다 물리적인 설치 제약이 덜하고 RF같은 무선통신과 다르게 양방향 통신 및 통신 범위 확장 제약이 없으며, ISM(Industrial Scientific Media) 대역 주파수를 사용하기 때문에 GPRS, 3G, LTE(Long Term Evolu- tion)보다 유지보수 비용이 저렴하다.

지그비 네트워크를 이용한 원격검침 기술에 관련된 종래기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0023585호(2011.03.08 공개)가 있었다.

여기서, 종래기술은 하이브리드 네트워크와 슬리피 메쉬 네트워크가 혼합된 형태를 가지는 지그비 네트워크를 이용하여 특정 시간에 슬리피 메쉬 네트워크와 하이브리드 네트워크가 지그비 통신을 수행하도록 함으로써, 전력 공급이 어려운 음영 지역에 설치된 지그비 라우터의 전력 소모를 최소화시키는 기술을 개시하고 있다.

그러나, 종래기술의 경우, 지그비가 사용하는 주파수가 Wi-Fi, 블루투스 장치들의 주파수 대역과 겹치는 주파수 간섭 문제, 센서 노드의 보안 문제(제한된 컴퓨팅 파워로 운용되는 센서 노드의 취약점)에 대한 해결방안은 제시하지 않고 있다.

따라서, 지그비 네트워크로 구성되는 데이터 검침 인프라 상의 소프트웨어 결함, 주파수 간섭, 물리적인 환경에 따른 하드웨어 고장 등 다양한 형태의 센서 노드 고장을 감지하고 특정 노드의 고장이 다른 노드까지 영향을 미치지 않도록 네트워크 안정성을 강화한 기술 개발의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은, 지그비 네트워크를 적용한 데이터 수집 시스템을 구성하는 각 센서 노드 간 또는 각 센서 노드 및 데이터 수집기 간의 상태 전이 메시지 교환을 통한 네트워크의 안정성을 강화하는 기술을 제공하는 데 있다.

본 발명은, 무선 네트워크를 통해 서로 연결되며, 특정 시설에 설치되어 해당 시설에 대한 데이터를 수집하는 복수의 센서 노드; 상기 복수의 센서 노드들로부터 수집된 정보를 취합하는 데이터 수집기(Data Grabber, DG); 및 상기 데이터 수집기와 통신하며, 수집된 데이터를 기반으로 실시간 모니터링 및 특정 영역에서 발생된 이벤트를 처리하는 관제 센터; 를 포함하며, 상기 데이터 수집기와 복수의 센서 노드는, 데이터 수집기와 복수의 센서 노드 간 또는 복수의 센서 노드 간의 상태 전이(state transition) 메시지를 주고 받는 것을 특징으로 하는 데이터 수집 시스템에 관한 것이다.

여기서, 상기 데이터 수집기와 상기 복수의 센서 노드는 지그비 네트워크를 통해 연결되며, 상기 센서 노드는 배치 위치에 따라 인접한 센서 노드와 부모 노드(상위 노드)-자식 노드(하위 노드)의 관계 또는 부모 노드가 서로 다른 이웃 노드의 관계로 연결된다.

또한, 상기 부모 노드-자식 노드의 관계는 트리(Tree) 토폴로지로 구성되어 자식 노드에서 부모 노드 방향을 향하여 상기 데이터 수집기로 데이터 송수신 경로를 형성한다.

또한, 상기 이웃 노드의 관계는 메쉬(Mesh) 토폴로지로 구성되어 이웃 노드 간의 데이터 송수신 경로를 형성한다.

한편, 상기 상태 전이 메시지는 네트워크 초기화 메시지, 네트워크 최적화 메시지, 연결정보 보고 메시지, 부모 노드 변경 메시지, 고장 처리권한 위임 메시지 및 네트워크 복구 메시지 중 적어도 어느 하나로 마련된다.

여기서, 상기 네트워크 초기화 메시지가 상기 복수의 센서 노드로 전파될 경우, 센서 노드들은 인접 노드 중 하나의 노드와 부모 노드-자식 노드 관계를 형성하며, 부모 노드를 제외한 인접 노드와 이웃 노드 관계를 형성한다.

또한, 상기 네트워크 최적화 메시지가 상기 복수의 센서 노드로 전파될 경우, 자식 노드를 가지지 않은 최말단의 센서 노드에서 부모 노드를 통해 자신의 노드 관계 정보를 전송하며, 전송된 노드 관계 정보를 이웃 노드에게 전파하고, 각 이웃 노드는 자식 노드 수가 적은 부모 노드로 부모 노드를 갱신한다.

또한, 상기 연결정보 보고 메시지는 부모 노드-자신 노드 및 이웃 노드로 관계된 센서 노드에 깊이-우선 검색(Depth-First Search)을 이용한 단절점 판단 알고리즘을 적용하여 네트워크의 단절점을 탐색하는 정보를 포함한다.

여기서, 특정 센서 노드에서 자신의 부모 노드로 데이터 전송이 불가능할 경우, 상기 특정 센서 노드는 자신의 이웃 노드로 부모 노드 변경 메시지를 전송하여 부모 노드를 변경한다.

이어, 특정 센서 노드에서 자신의 부모 노드로 데이터 전송이 불가능하고 이웃 노드가 없는 경우, 상기 특정 센서 노드는 자식 노드로 고장 처리권한 위임 메시지를 전송하여 부모 노드-자식 노드의 관계를 뒤바꾸고 고장 처리권한을 자식 노드에게 위임한다.

여기서, 상기 고장 처리권한 위임 메시지를 수신한 센서 노드가 상기 부모 노드 변경 메시지 및 고장 처리권한 위임 메시지를 통해 데이터 전송 경로가 대체될 경우, 네트워크 복구 메시지를 자신의 부모 노드를 통해 상기 데이터 수집기로 전송한다.

본 발명에 의해, 각 센서 노드 간 또는 각 센서 노드 및 데이터 수집기 간의 상태 전이 메시지 교환을 통한 네트워크의 모니터링을 기반으로 센서 노드의 고장 예측 및 발생된 고장에 대응하여 자동으로 네트워크 토폴로지를 변경 및 재구축하여 네트워크의 안정성 및 내고장성(fault tolerance)을 강화시킬 수 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 데이터 수집 시스템의 구성을 나타낸 블럭도이며,
도 2 는 본 발명에 따른 데이터 수집기와 통신하는 센서 노드의 상태 전이 메시지를 통한 상태 전이를 나타낸 도면이며,
도 3 (a)는 본 발명에 따른 센서 노드의 네트워크 초기화를 나타낸 도면이며, 도 3 (b)는 본 발명에 따른 센서 노드의 네트워크 최적화를 나타낸 도면이고,
도 4 는 지그비 네크워크로 구축된 센서 노드 중 단절점을 나타낸 도면이며,
도 5 (a) 내지 (c) 는 본 발명에 따른 데이터 수집 시스템의 센서 노드 간 상태 전이를 통한 네트워크 자가회복을 순차적으로 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하기로 한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니되며, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 데이터 수집 시스템의 구성을 나타낸 블럭도이며, 도 2 는 본 발명에 따른 데이터 수집기와 통신하는 센서 노드의 상태 전이 메시지를 통한 상태 전이를 나타낸 도면이며, 도 3 (a)는 본 발명에 따른 센서 노드의 네트워크 초기화를 나타낸 도면이며, 도 3 (b)는 본 발명에 따른 센서 노드의 네트워크 최적화를 나타낸 도면이고, 도 4 는 지그비 네크워크로 구축된 센서 노드 중 단절점을 나타낸 도면이며, 도 5 (a) 내지 (c) 는 본 발명에 따른 데이터 수집 시스템의 센서 노드 간 상태 전이를 통한 네트워크 자가회복을 순차적으로 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 데이터 수집 시스템은 수도, 전기, 가스 등의 원격 검침을 구성하는 다양한 지그비 네트워크 인프라에 적용될 수 있으며, 이하에서는 발명의 명확한 설명을 위해 수도 원격 검침을 구현하는 수자원 데이터 수집 시스템에 대하여 설명하지만 이러한 설명이 본 발명의 기술적 사상을 한정하지는 않음을 밝혀둔다.

도 1 내지 도 5 를 참조하면, 본 발명에 따른 데이터 수집 시스템은, 무선 네트워크를 통해 서로 연결되며, 특정 시설에 설치되어 해당 시설에 대한 수자원 데이터를 수집하는 복수의 센서 노드(10); 복수의 센서 노드(10)들로부터 수집된 수자원 정보를 취합하는 수자원 데이터 수집기(Water Resource Data Grabber, DG)(20); 및 수자원 데이터 수집기(20)와 통신하며, 수집된 수자원 데이터를 기반으로 실시간 모니터링 및 특정 영역에서 발생된 이벤트를 처리하는 수자원 관제 센터(30); 를 포함하며, 수자원 데이터 수집기(20)와 복수의 센서 노드(10)는, 수자원 데이터 수집기(20)와 복수의 센서 노드(10) 간 또는 복수의 센서 노드(10) 간의 상태 전이(state transition) 메시지를 주고 받는다.

수자원 데이터 수집기(20)는 지그비 기반 원격 검침 인프라를 구성하는 핵심요소로 지그비 네트워크 내의 센서 노드(10)를 포함하는 스마트 수도 계량기가 생산한 데이터를 수집하여 수자원 관제 센터(30)로 송신한다.

도 1 에서와 같이, 수자원 데이터 수집기(20, 이하 'WRDG'라고 함)와 수자원 관제 센터(30) 사이에 DDS(Data Distribution Service)를 통해 실시간 양방향 통신한다. DDS는 OMG(Object Management Group)가 제정한 실시간 통신 미들웨어 표준으로 발간자(Publisher)와 구독자(Subscriber) 간 토픽(Topic)이라는 데이터 교환단위를 발간-구독(Publish-Subscribe)하여 양방향으로 정보를 교환할 수 있다. 수자원 관제 센터(30)는 WRDG(20)가 수집한 수자원 데이터를 수신 받아 유량, 유압, 수질 등을 모니터링 한다. 또한, 복합 수집한 수자원 데이터를 복합 이벤트 처리(Complex Event Processing)에 입력 데이터로 사용하여 누수 및 최대수량 등의 정보를 도출해 고효율의 수자원 관리를 가능케 한다.

센서 노드(10)를 포함하는 스마트 수도 계량기는 수도관에 물의 흐름에 따라 수량을 측정하는 장치이며, 사이블 센서를 장착한다.

사이블 센서를 부착한 계량기가 다룰 수 있는 데이터와 이벤트로 정류(Flowing Forward) 시그널을 통해 해당 계량기에 얼마큼의 물이 흘렀는지 파악할 수 있으며 역류(Flowing Backward) 시그널을 통해 비정상적인 물의 흐름도 감지할 수 있다. 또 선 절단(Cable Cut) 같은 인가되지 않은 조작이나 계량기의 처리 용량이 작아 발생하는 최대 수량(Peak Flow) 등의 다양한 형태의 이벤트를 발생시켜 수도 시스템 유지관리 효율을 증대시킨다.

WRDG(20)와 수자원 관제 센터(30) 간 데이터와 이벤트를 교환하기 위해 IDL(Interface Description Language)을 이용해 WRDG(20)와 수자원 관제 센터(30) 간 양방향으로 교환하는 토픽을 명세 한다. 이 토픽은 WRDG 식별자(ID), 데이터/이벤트 이름(Name), 데이터/이벤트 값(Value) 필드를 포함하는 토픽으로 변환되어 수자원 관리 센터(30)의 실시간 수자원 정보 수집에 사용된다. WRDG(20)로 수집된 검침 인프라의 원(raw) 데이터와 이벤트는 토픽으로 변환되어 DDS를 통해 관제 센터의 서버까지 전달된다. DDS는 토픽을 교환 하는데 있어 다양한 QoS(Quality of Service)를 지원한다. 특히 데드라인(deadline) 속성은 WRDG(20)와 수자원 관제 센터(30) 간 실시간 토픽 교환을 보장한다. 수자원 관제 센터(30)로 전달된 토픽은 실시간 수자원 모니터링 및 CEP, 머신러닝에 사용되어 수자원 수요반응 실현을 가능하게 한다.

지그비는 IEEE 802.15.4 표준을 기저로 상위레벨의 통신규약을 규정한 표준으로 저전략저가의 무선 센서 노드로 구성된 WSN 구축에 적합하다. 지그비 네트워크를 구성하는 센서 노드는 독립된 지그비 네트워크를 생성유지관리하는 지그비 코디네이터(Zigbee Coordinator, ZC), 에드혹 형태로 물리적인 통신 범위를 확장하는 지그비 라우터(Zigbee Router, ZR), 센싱 모듈을 통해 데이터/이벤트를 생산하는 지그비 말단 장치(Zigbee End Device, ZED)로 구성된다. ZC의 경우 독립된 지그비 네트워크 당 하나만 존재하는 것이 원칙이지만 물리적인 환경과 운용목적에 따라 1개 이상 존재하는 경우도 있고 ZR과 ZED를 구분하지 않는 경우도 있다. 본 발명에서는 WRDG(20)가 ZC의 역할을 수행하며 검침 인프라에 배치된 ZR은 물리적인 통신범위를 확장하는 역할을 수행하며, ZED는 스마트 수도 계량기에 해당하며, 이하에서는 ZR과 ZED는 센서 노드(10)로 통합하여 설명한다.

지그비 네트워크 내 각 센서 노드(10)들은 직접 통신이 가능한 인접노드를 파악하여 부모 노드(상위 노드)-자식 노드(하위 노드) 관계 및 센서 노드(10) 간의 이웃 노드(다른 부모 노드를 가지는 인접 노드) 관계를 형성한다.

각 노드는 0 또는 1개의 부모 노드를 가지며 부모 노드 방향의 데이터 전달은 WRDG(20)로 향한다. 부모-자식 관계(tightly coupled)로 연결된 노드는 WRDG(20)의 주 데이터 통신 경로로 사용되어 스마트 수도 계량기(가 생산한 데이터와 이벤트를 WRDG(20)로 전달한다. 이와 비슷하게 이웃 관계(loosely coupled)로 연결된 인접 노드는 차후 노드 고장에 따른 통신 문제를 해결하기 위한 부모 노드 후보군으로 부모 노드 고장 시 이웃 노드 중 하나를 새로운 부모 노드로 지정하여 네트워크 자가 회복이 이루어진다. WRDG(20)의 지그비 네트워크는 트리(Tree) 토폴로지인 부모-자식 관계의 경로를 통해 데이터를 송수신하고 메쉬(Mesh) 토폴로지인 이웃 관계의 경로를 통해 네트워크 내고장성을 구비하며 각 센서 노드(10) 들은 상태 전이 메시지를 주고 받으면서 초기 네트워크 구성, 최적화, 유지관리, 자가 회복 등의 동작이 구현된다.

WRDG(20)의 지그비 네트워크는 초기 네트워크 구성 및 최적화, 네트워크 유지관리, 네트워크 자가 회복을 위해 WRDG(20)와 센서 노드(10) 간 또는 센서 노드(10) 간 아래와 같은 상태 전이 메시지를 주고받는다.

상태 전이 메시지

(u) 네트워크 초기화(Network Initialization)

(v) 네트워크 최적화(Network Optimization)

(w) 연결정보 보고(Connection Report)

(x) 부모노드 변경(Change the Parent)

(y) 고장 처리권한 위임(Handover of Authority)

(z) 네트워크 복구(Network Recovery)

상태 전이 메시지는 도 2 의 상태 전이도를 기반으로 동작하는 각 센서 노드(10)는 (u)~(z) 메시지를 교환하여 상태 전이가 이루어진다. (u), (v) 메시지는 초기 네트워크 구성 및 자식 수에 의한 네트워크 최적화, (w) 메시지는 정상적인 상태에서 WRDG(20)로 이웃 노드의 상태를 보고하여 WRDG(20)의 네트워크 유지관리를 돕는다. (x), (y), (z) 메시지는 특정 노드의 고장으로 발생하는 부분 네트워크의 손실을 복구하기 위한 자가 회복 메시지로 센서 노드(10) 간 (x), (y) 메시지를 교환하여 대체 경로를 찾고 자가 회복이 완료되었을 때 (z) 메시지를 통해 WRDG(20)에게 승인받아 네트워크를 통신이 가능한 정상적인 상태로 구축한다.

센서 노드(10)들의 상태는 인접 노드(부모 노드-자식 노드 및 이웃 노드 포함)와의 관계에 따라 아래의 표 1 와 같은 8가지 상태로 분류될 수 있으며 8가지 상태를 같은 특성으로 묶으면 도 2 의 5가지 상태로 정리할 수 있다. 5가지의 상태는 WRDG(20)나 인접 노드가 통신한 상태 전이 메시지에 따라 전이가 이루어지거나 노드 스스로 취한 동작의 결과에 따라 전이가 이루어지기도 한다. 예를 들어 WRDG(20)가 송신하는 초기화 메시지는 초기화 대기 중인 네트워크 내 모든 센서 노드(10)의 연결을 수립하고 기본적인 통신경로를 경신한다. 또한 네트워크 자가회복 권한을 가진 센서 노드(10)가 자가 회복을 위해 취해야할 동작을 찾지 못할 경우 처리권한을 타 센서 노드(10)에게 위임하여 상태 전이가 이루어지기도 한다.

	부모 노드	이웃 노드	자식 노드
①	O	O	O
②	O	O	X
③	O	X	O
④	O	X	X
⑤	X	O	O
⑥	X	O	X
⑦	X	X	O
⑧	X	X	X

초기화(Initializing)

⑧ 과 같이 센서 노드 배치 후 인접 노드와 아무런 연결이 수립되지 않은 상태이다. 초기화 대기 중 (u) 메시지를 수신하면 인접 노드 중 하나의 노드를 부모 노드를 지정하며 자신과 이웃 관계인 노드를 구분하고 자식 노드를 보유할 수 있다.

정상(Normal)

①, ②, ③, ④ 상태는 부모 노드가 있기 때문에 정상적인 통신이 이루어질 수 있다. 정상 상태에 자식 노드가 없는 경우 WRDG(20)로부터 가장 말단에 위치한 센서 노드(10)로부터 (v) 메시지가 WRDG(20) 방향으로 전달되어 초기화 이후 네트워크 최적화가 진행된다.

자가회복(Self-healing)

⑤, ⑥, ⑦, ⑧ 상태는 부모 노드의 고장으로 WRDG(20)와 통신이 불가능한 상태로 트리 토폴로지 특성 상 모든 하위 노드의 통신 불가로 이어진다. 부모 노드의 고장을 감지한 노드는 처리 권한을 가지고 네트워크를 자가 회복하기 위해 (x) 메시지를 통해 이웃 노드를 부모 노드로 지정한다. 하지만 ⑦ 과 같이 이웃노드가 없는 경우, (y) 메시지를 자식에게 보내어 부모관계를 뒤바꾸고 처리 권한을 이양한다. 이러한 처리 권한 위임은 대체 통신 경로가 있는 자식 노드를 만날 때 까지만 진행되기 때문에 부분 네트워크의 모든 경로를 재설정하지 않고 기존 정상적인 경로는 그대로 유지된다.

재결합(Rejoining)

⑤, ⑥, ⑦ 상태는 고장 처리 상태 뿐 아니라 고장 처리를 완료한 상태에서도 나타난다. 자가 회복을 통해 새로운 대체 통신 경로를 찾게된 센서 노드(10)는 WRDG(20)에게 자가 회복을 완료를 보고한다. WRDG(20)의 승인이 떨어지면 통신이 단절되었던 부분 네트워크는 정상 상태로 돌아가고 WRDG(20)는 자가 회복 후 변경된 네트워크 토폴로지를 파악한다.

고립(Isolated)

⑧ 상태는 초기화 대기 이후에도 나타날 수 있다. 고립 상태는 부모 노드 고장에 따른 고장 처리를 수행할 이웃, 자식 노드가 없는 경우로 물리적으로 새로운 인접 노드가 등장하기 전까지 어떠한 동작도 하지 않는다. 만약 새로운 인접노드가 감지되면 고장 처리 상태로 변경되어 자가 회복을 시도한다.

초기 네트워크 구성 및 최적화

WRDG(20)와 센서 노드(10)로 구축되는 지그비 네트워크는 초기에 (u) 메시지를 플러딩(flooding) 방식으로 인접 노드에게 전파하여 각 노드가 인접 노드 간 부모-자식 또는 이웃 관계의 연결을 맺도록 한다. 도 3 (a) 는 초기 네트워크 구성 예로, WRDG(20)로부터 (u) 메시지를 전달받은 A, B 노드가 WRDG(20)를 부모 노드로 지정하고 부모 지정이 완료된 A, B 노드가 다시 인접 노드인 C, D, E로 (u) 메시지를 전파하여 자신을 부모로 지정하도록 한다. D 노드의 경우 A, C, B 노드와 직접 통신이 가능하지만 가장 먼저 (u) 메시지를 전달한 A 노드를 부모 노드로 지정했으며 B 노드와는 이웃 관계에 있다. 직접 통신이 가능하지만 같은 부모를 가지는 C 노드는 이웃 관계에서 제외된다. 이와 같이 플러딩 방식의 (u) 메시지 연쇄적 전달은 네트워크의 모든 노드를 초기화시켜 기본적인 통신이 가능하도록 한다.

초기화가 완료된 지그비 네트워크는 말단 노드를 시작으로 WRDG(20)까지 (v) 메시지를 통한 최적화가 진행된다. (v) 메시지는 부모-자식 경로로 전달되며 자신의 모든 자식수를 부모 노드에게 전달한다. (v) 메시지를 전달 받은 노드는 자신이 부담하는 자식 수가 갱신될 때 이웃 노드에게 자신의 자식 수를 알려 주어 이웃 노드가 자식 수가 가장 적은 쪽의 부모를 선택하도록 한다. 도 3 (b)는 자식수에 의한 네트워크 최적화 예로, 네트워크 초기화 이후 A 노드를 부모 노드로 지정한 D 노드의 부모 노드 변경을 보여준다. I, J, H 노드로부터 시작된 (v) 메시지는 부모-자식 경로를 따라 전달되고 A, B 노드의 누적 자식 수가 갱신되면서 D 노드는 A 노드와 B 노드의 누적 자식수를 알 수 있다. 그 결과 D 노드의 부모는 기존 A에서 B로 변경되면서 A와 B의 하위 자식수가 4로 동일해 진다.

초기 네트워크 구성 이후 진행하는 누석 자식 수에 따른 네트워크 최적화는 제한된 전원으로 운용되는 센서 노드(10)의 부하를 분산(load balancing)하여 전체 네트워크의 수명을 보다 연장시킨다.

네트워크 유지관리

WRDG(20)는 초기 네트워크 구성 및 최적화 이후 정상 상태의 센서 노드(10)로부터 각 노드의 연결 관계를 담은 (w) 메시지를 수신한다. 이 메시지를 통해 전체 지그비 네트워크를 점과 선으로 이루어진 그래프로 표현할 수 있다. 부모 노드-자식 노드 관계를 통해 트리 형태의 그래프를 그릴 수 있으며 부모 노드-자식 노드와 이웃 노드 관계를 합치면 메쉬 형태의 그래프를 그릴 수 있다. WRDG(20)는 트리 형태의 그래프를 관제 센터로 전달하여 수도 시스템 관리자가 지그비 네트워크 구성을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 아울러 메쉬 형태의 그래프는 안정적인 네트워크 유지를 위해 활용될 수 있다.

한편, 트리 형태의 그래프는 특정 노드의 삭제가 곧 하위 노드의 단절을 야기한다. WRDG(20)의 부모-자식 연결로 이루어진 트리 토폴로지는 특정 노드의 고장은 모든 하위 노드의 통신 두절을 의미한다. 이때 자가 회복을 통해 대체 경로를 찾아 네트워크를 복구할 수 있지만 고장난 노드가 도 4 의 E와 같은 단절점(Articulation Point)에 해당할 경우 자가 회복은 의미가 없다.

WRDG(20)는 각 노드를 정점으로 하고 (w) 메시지를 통해 부모-자식과 이웃 관계의 연결을 정점 간 간선으로 연결하며 간선의 방향은 부모 노드하는 방향성 비사이클 그래프(Directed Acyclic Graph)를 그린다. 메쉬 형태로 나타나는 방향성 비사이클 그래프에 깊이-우선 검색(Depth-First Search)을 이용한 단절점 판단 알고리즘을 적용하면 고장 발생 시 자가 회복에 의미가 없는 노드(단절점)를 찾는다.

그래프를 통한 WRDG(20)의 네트워크 유지관리는 현재는 정상 상태인 노드이지만 고장이 발생할 경우 큰 네트워크 유지 관점에 큰 문제가 되는 노드를 예상하여 검침 인프라 관리자에게 알린다. 시스템 관리자는 단절점에 해당하는 노드 주변에 대체 노드를 추가적으로 설치하여 검침 인프라의 안정성을 더하는 조치를 취할 수 있다.

내고장성(Fault-tolerant)

지그비 네트워크를 구성하는 센서 노드(10)는 자연재해로 인한 하드웨어의 파손, 소프트웨어 결함, 보안 문제로 인한 동작정지, 간헐적인 주파수 간섭, 전원 이상 등 다양한 종류의 고장원인이 있다. 안정적인 지그비 네트워크 유지를 위해 WRDG(20) 내 분산된 노드들은 협업을 통해 고장 노드를 제거하고 새로운 네트워크 경로를 설정하여 네트워크를 정상화 한다.

센서 노드(10) 간 네트워크 자가 회복은 부모 노드의 고장을 감지하게 되면 시작된다. 부모가 사라진 센서 노드(10)는 즉시 이웃 노드 중 하나에게 (x) 메시지를 보내어 부모 노드를 지정해 네트워크를 회복한다. 하지만 이웃 노드가 없는 경우 네트워크 회복을 위한 대체 경로는 자식 노드들의 이웃 노드일 가능성이 크므로 (y) 메시지를 자식 노드에게 보내어 부모-자식 관계를 뒤바꾸고 처리권한을 위임한다. 이러한 과정이 연쇄적으로 일어나 최종적으로 대체경로를 찾게 되면 (z) 메시지를 WRDG(20)에게 보내어 자가 회복을 통한 네트워크 정상화를 알린다.

도 5 (a) 내지 (c) 는, 센서 노드(10) 간 협업을 통해 네트워크를 회복하는 예로, B 노드의 고장으로 D, E 노드를 포함한 하위 노드의 통신 두절이 발생했다.(도 5 (a)) D 노드의 경우 이웃 노드인 A를 부모 노드로 지정하여 D, G 노드의 네트워크는 정상으로 돌아온다. 이때 G 노드는 어떠한 네트워크 변경 사항도 없다. 한편 E 노드는 이웃 노드가 없으므로 자식 노드인 H 와 부모-자식 관계를 뒤바꾸고 고장 처리 권한을 이양한다.(도 5 (b)) 고장 처리 권한이 있는 H는 이웃 노드인 G 노드를 부모로 지정하여 네트워크 자가 회복이 이루어지게 된다.(도 5 (c)) 이후 WRDG(20)는 (w) 메시지를 통해 B 노드 고장에 따라 변경된 네트워크 토폴로지를 갱신한다.

이상과 같이, 도 5 (a) 내지 (c)의 예 및 도 2 의 상태 전이도에 기반한 네트워크 자가회복은 고장 노드를 기준으로 단절된 부분 네트워크의 전체 토폴로지를 재구성 하지 않고 일부만 변경한다는 장점이 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 데이터 수집 시스템은, 각 센서 노드 간 또는 각 센서 노드 및 데이터 수집기 간의 상태 전이 메시지 교환을 통한 네트워크의 모니터링을 기반으로 센서 노드의 고장 예측 및 발생된 고장에 대응하여 자동으로 네트워크 토폴로지를 변경 및 재구축하여 네트워크의 안정성 및 내고장성(fault tolerance)을 강화시킬 수 있다.

이상, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명의 기술적 사상은 이러한 것에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 본 발명의 기술적 사상과 하기 될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 실시가 가능할 것이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 센서 노드
20 : 데이터 수집기
30 : 관제 센터

Claims (11)

1. 데이터 수집 시스템으로서,
   무선 네트워크를 통해 서로 연결되며, 특정 시설에 설치되어 해당 시설에 대한 데이터를 수집하는 복수의 센서 노드;
   상기 복수의 센서 노드들로부터 수집된 정보를 취합하는 데이터 수집기(Data Grabber, DG); 및
   상기 데이터 수집기와 통신하며, 수집된 데이터를 기반으로 실시간 모니터링 및 특정 영역에서 발생된 이벤트를 처리하는 관제 센터; 를 포함하며,
   상기 데이터 수집기와 복수의 센서 노드는, 데이터 수집기와 복수의 센서 노드 간, 또는 복수의 센서 노드 간의 상태 전이(state transition) 메시지를 주고 받고,
   상기 데이터 수집기와 상기 복수의 센서 노드는 지그비 네트워크를 통해 연결되며, 상기 센서 노드는 배치 위치에 따라 인접한 센서 노드와 부모 노드(상위 노드)-자식 노드(하위 노드)의 관계 또는 부모 노드가 서로 다른 이웃 노드의 관계로 연결되며,
   상기 상태 전이 메시지는 네트워크 초기화 메시지, 네트워크 최적화 메시지, 연결정보 보고 메시지, 부모 노드 변경 메시지, 고장 처리권한 위임 메시지 및 네트워크 복구 메시지 중 적어도 어느 하나로 마련되는 것을 특징으로 하는
   데이터 수집 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 부모 노드-자식 노드의 관계는 트리(Tree) 토폴로지로 구성되어 자식 노드에서 부모 노드 방향을 향하여 상기 데이터 수집기로 데이터 송수신 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는
   데이터 수집 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 이웃 노드의 관계는 메쉬(Mesh) 토폴로지로 구성되어 이웃 노드 간의 데이터 송수신 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는
   데이터 수집 시스템.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 네트워크 초기화 메시지가 상기 복수의 센서 노드로 전파될 경우, 센서 노드들은 인접 노드 중 하나의 노드와 부모 노드-자식 노드 관계를 형성하며, 부모 노드를 제외한 인접 노드와 이웃 노드 관계를 형성하는 것을 특징으로 하는
   데이터 수집 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 네트워크 최적화 메시지가 상기 복수의 센서 노드로 전파될 경우, 자식 노드를 가지지 않은 최말단의 센서 노드에서 부모 노드를 통해 자신의 노드 관계 정보를 전송하며, 전송된 노드 관계 정보를 이웃 노드에게 전파하고, 각 이웃 노드는 자식 노드 수가 적은 부모 노드로 부모 노드를 갱신하도록 마련되는 것을 특징으로 하는
   데이터 수집 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 연결정보 보고 메시지는 부모 노드-자신 노드 및 이웃 노드로 관계된 센서 노드에 깊이-우선 검색(Depth-First Search)을 이용한 단절점 판단 알고리즘을 적용하여 네트워크의 단절점을 탐색하는 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는
   데이터 수집 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   특정 센서 노드에서 자신의 부모 노드로 데이터 전송이 불가능할 경우, 상기 특정 센서 노드는 자신의 이웃 노드로 부모 노드 변경 메시지를 전송하여 부모 노드를 변경하는 것을 특징으로 하는
   데이터 수집 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    특정 센서 노드에서 자신의 부모 노드로 데이터 전송이 불가능하고 이웃 노드가 없는 경우, 상기 특정 센서 노드는 자식 노드로 고장 처리권한 위임 메시지를 전송하여 부모 노드-자식 노드의 관계를 뒤바꾸고 고장 처리권한을 자식 노드에게 위임하는 것을 특징으로 하는
    데이터 수집 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 고장 처리권한 위임 메시지를 수신한 센서 노드가 상기 부모 노드 변경 메시지 및 고장 처리권한 위임 메시지를 통해 데이터 전송 경로가 대체될 경우, 네트워크 복구 메시지를 자신의 부모 노드를 통해 상기 데이터 수집기로 전송하는 것을 특징으로 하는
    데이터 수집 시스템.
    

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