KR101960707B1 - IoT System Using Wireless Sensor Network and Gateway - Google Patents

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노영빈
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Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소규모/저비용의 IoT 환경이 필요한 산업분야에 적용 가능한 시스템 구조를 제안하되, 센서 디바이스의 효율적인 전력관리 방안을 제시하며, 이를 통해 배터리 수명을 연장하여 궁극적으로 시스템의 Life Cycle 연장이 가능하도록 하는 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템에 관한 것이다.
본 발명을 통해, 소규모/저비용의 IoT 환경이 필요한 산업분야에 적용 가능한 시스템 도입의 효율성을 제공하게 된다.
More particularly, the present invention proposes a system structure applicable to an industrial field requiring a small-scale / low-cost IoT environment, and suggests an efficient power management method of the sensor device , And a wireless sensor network and a gateway using the same to extend the battery life and eventually extend the life cycle of the system.
The present invention provides a system introduction efficiency applicable to an industrial field requiring a small-scale / low-cost IoT environment.

Description

무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템{IoT System Using Wireless Sensor Network and Gateway}[0001] The present invention relates to an IoT system using a wireless sensor network and a gateway,

본 발명은 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소규모/저비용의 IoT 환경이 필요한 산업분야에 적용 가능한 시스템 구조를 제안하되, 센서 디바이스의 효율적인 전력관리 방안을 제시하며, 이를 통해 배터리 수명을 연장하여 궁극적으로 시스템의 Life Cycle 연장이 가능하도록 하는 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템에 관한 것이다.More particularly, the present invention proposes a system structure applicable to an industrial field requiring a small-scale / low-cost IoT environment, and suggests an efficient power management method of the sensor device , And a wireless sensor network and a gateway using the same to extend the battery life and eventually extend the life cycle of the system.

지금까지의 IoT 구현 방법은 단순한 중계망을 이용하여 사물인터넷 구현하는 방법으로 저속 무선망내에서 또는 이더넷망에서 단순한 IoT 중계 형태로 이루어지고 있었다. So far, the IoT implementation method has been implemented in a low speed wireless network or a simple IoT relay type in an Ethernet network by using a simple relay network.

이러한 종래기술로서, 특허공개번호 10-2006-0135187에 의한 홈게이트웨이장치는, 통신채널을 선택하기 위한 튜너, 케이블모뎀수단, TCP/IP통신 인터페이스를 수행하기 위한 데이터신호처리수단,시리얼통신 인터페이스를 제공하기 위한 RS-232처리수단을 구비한다.As such conventional technology, the home gateway apparatus according to Patent Publication No. 10-2006-0135187 includes a tuner for selecting a communication channel, a cable modem means, a data signal processing means for performing a TCP / IP communication interface, a serial communication interface And RS-232 processing means for providing the RS-232.

하지만, 2G나 3G망으로는 HD급 대용량 영상정보나, 센서 연동을 위한 고속인터페이스 양방향 통신과 CPU점유율이 높은 보안기능과 개방형 미들웨어 적용시 정상적인 통신을 할 수 없는 문제점 있다.However, in 2G or 3G networks, there is a problem that normal communication can not be performed when high-capacity image information of HD, high-speed interface bi-directional communication for sensor interlocking, security function with high CPU occupancy rate and open middleware is applied.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 고속데이터 전송을 위한 기가급랜 통신이나 LTE무선망을 자동 선택하여 고속데이터 서비스할 수 있는 기능이 요구되며, 회선 단절시 기존통신망을 자동 인식하여 망 단절 없이 안정된 망구성이 IoT분야에서는 중요한 문제로 부각되고 있다. Accordingly, in order to solve such a problem, it is required to perform a high-speed data service by automatically selecting a gigabit communication or an LTE radio network for high-speed data transmission, and automatically recognize the existing communication network in case of a line disconnection, Is becoming an important issue in the field of IoT.

또한, ATM기기와 같이 유선으로 주로 운영하는 장비는 도난이 발생한 경우 위치 추적이 어려운 문제점이 있고, 폐기물운반 차량과 같이 중량정보센서를 실장하여 이동 중에 있는 차량의 실시간 이동 위치를 추적하는데 또한 문제점이 있다.In addition, there is a problem that it is difficult to track the position of a wired vehicle such as an ATM device when the vehicle is stolen. In addition, a weight information sensor such as a waste transportation vehicle is used to track the real- have.

사물인터넷(IoT) 구현을 위한 센서 사양이 기존 아날로그에서 비디오 영상스트리밍까지 요구되므로 기존 2G나 3G망으로는 원활한 통신이 이루어질 수 없는 문제점이 있다. Since the sensor specifications for the Internet (IoT) implementation are required from conventional analog to video image streaming, there is a problem that smooth communication can not be achieved with existing 2G or 3G networks.

이를 위해, HD급 영상서비스가 가능한 고속무선통신과 기가이더넷급의 게이트웨이 시스템 필요성이 증대되었다.To this end, the need for high-speed wireless communication and Gigabit Ethernet-class gateway systems capable of HD video service has increased.

센서 연동을 위해서는 기존의 통신망 인터페이스뿐만 아니라 고속데이터서비스 양방향 통신과 CPU 점유율이 불가피하게 필요한 보안기능 적용 및 개방형 미들웨어를 지원하는 다양한 사물인터넷 분야에 프리미업급 게이트웨이 시스템이 요청된다. In order to interoperate with sensors, a high-end gateway system is required not only for existing communication network interfaces but also for security applications requiring high-speed data service bi-directional communication and CPU occupation ratio, and various object internet supporting open middleware.

또한, 고속데이터서비스를 하기 위해서는 LTE 인터페이스와 기가랜과 와이파이기반의 게이트웨이 지원과 이를 관리하기 위한 양방향 통신과 사물인터넷을 고려한 GMS(Gateway Management Server) 기능을 가진 시스템 개발이 요구되고 있다. In addition, to provide high-speed data service, it is required to develop a system having a GMS (Gateway Management Server) function considering LTE interface, bi-directional communication for supporting Giga LAN and Wi-Fi based gateway, and managing the Internet.

그리고, 이들 망의 서비스 신뢰성을 높이기 위하여 어떠한 환경에서도 안정적인 망 운영이 요구되고 있다.In order to increase the service reliability of these networks, stable network operation is required in any environment.

한편, 현재 산업 분야 전반에 걸쳐 다양한 IoT 기술들이 연구되고 있으며 이 기술들을 효과적으로 적용하려 하고 있다. On the other hand, various IoT technologies are being studied throughout the industry and they are trying to apply these technologies effectively.

그러나, IoT에 대한 대부분의 연구들은 센서 디바이스, 게이트웨이, 네트워크 서버, 그리고 어플리케이션 서버로 연결되는 복잡한 구조에 의존한다. However, most of the work on IoT relies on the complex architecture of sensor devices, gateways, network servers, and application servers.

물론, 유연성과 확장성 측면에서 이들은 분명한 장점을 가지고 있다. Of course, they have obvious advantages in terms of flexibility and scalability.

문제는 이와 같은 구성이 상대적으로 복잡하여 구현상의 어려움과 불필요한 비용을 초래하고 이로 인해 소규모 네트워크 환경이 필요한 산업 분야에서 IoT 도입을 저해하는 결과로 나타나고 있다. The problem is that such a configuration is relatively complicated, resulting in implementation difficulties and unnecessary costs, resulting in a hindrance to the introduction of IoT in industries requiring a small network environment.

예를 들어, IoT(Internet of Things: 사물인터넷)는 각종 사물에 센서와 통신기능을 부여하여 인터넷에 연결하는 기술을 의미한다. For example, IoT (Internet of Things) refers to technology that connects sensors and communication functions to various objects and connects them to the Internet.

여기서 사물이란, 가전제품, 모바일 장치, 스마트 디바이스, 헬스 케어장비, 웨어러블 컴퓨터 등 다양한 임베디드 시스템이 된다. Here, things become a variety of embedded systems such as home appliances, mobile devices, smart devices, healthcare equipment, and wearable computers.

또한, 각종 사물들의 센서 정보는 원격으로 위치하고 있는 서버로부터 통신 기능을 통해 취득되고 제어될 수 있다.In addition, the sensor information of various objects can be acquired and controlled from a remotely located server through a communication function.

IoT는 광의의 개념인 LPWAN(Low Power Wide Area Network)에 종속되며 현재 LPWAN 기술은 크게 3개 표준화 그룹에서 주도하고 있다. IoT is subordinate to LPWAN (Low Power Wide Area Network) which is a broad concept, and LPWAN technology is mainly led by three standardization groups.

첫 번째는 세계 최초로 LPWAN 개념을 정의(2008년)하고 독점적 지위를 기반으로 세력을 확대 중인 SIGFOX 이다.The first is SIGFOX, which is the first in the world to define the concept of LPWAN (2008) and to expand its power based on its monopoly position.

SIGFOX는 IoT를 위한 무선 기술로 UNB(Ultra Narrow Band)을 사용하며 Coverage로 최대 50Km을 지원 한다. SIGFOX uses UNB (Ultra Narrow Band) as a wireless technology for IoT, and supports coverage up to 50km.

두 번째는 SemTech사와 IBM 리서치가 주도하고 있는 LoRa(Long Range) Alliance 이다. The second is the LoRa (Long Range) Alliance, led by SemTech and IBM Research.

LoRa는 무선 기술로 전파 간섭이 적고 Noise에 강한 간소화된 CDMA(Code Division Multiple Access)를 채택 하고 있다. LoRa is a wireless technology that uses simplified code division multiple access (CDMA) with less interference and noise immunity.

SIGFOX 대비 넓은 Coverage(최대 80Km)가 강점이다. Compared to SIGFOX, it has wide coverage (up to 80km).

마지막으로 개방형 표준을 지향하고 있는 WEIGHTLESS 이다. Finally, WEIGHTLESS is an open standard.

WEIGHTLESS는 다중접속 방식으로 FDMA(Frequency Division Multiple Access)와 TDMA(Time Division Multiple Access)의 조합을 사용하는 점이 특징이다.WEIGHTLESS is characterized by using a combination of Frequency Division Multiple Access (FDMA) and Time Division Multiple Access (TDMA) in a multiple access scheme.

위 기술들의 대표적인 공통점은 주파수 대역으로 ISM(Industrial Scientific and Medical) 밴드를 사용하며 도 1과 같은 시스템으로 구성된다.A typical common feature of the above technologies is that the system uses an Industrial Scientific and Medical (ISM) band as a frequency band and a system as shown in FIG.

도 1과 같은 구성은 다수의 센서 디바이스 및 게이트웨이(G/W)를 계속 추가할 수 있는 유연함 및 확장성을 보장한다. The configuration as shown in FIG. 1 ensures flexibility and scalability to continuously add a number of sensor devices and gateways (G / W).

그러나, 저비용/소규모 IoT환경을 자체적으로 구축하여 활용하려는 분야에서는 구조의 복잡성, 설치비용, 그리고 운영의 어려움 등으로 적합하지 않을 수 있다. However, in a field where a low-cost / small-scale IoT environment is constructed and utilized by itself, it may not be suitable due to the complexity of the structure, installation cost, and difficulty in operation.

따라서, 본 발명에서는 소규모/저비용의 IoT 환경이 필요한 산업분야에 적용 가능한 시스템 구조를 제안하되, 센서 디바이스의 효율적인 전력관리 방안을 제시하며, 이를 통해 배터리 수명을 연장하여 궁극적으로 시스템의 Life Cycle 연장이 가능하도록 하는 것이다.Accordingly, the present invention proposes a system structure that can be applied to an industrial field requiring a small-scale / low-cost IoT environment, and suggests an efficient power management method of the sensor device, thereby extending battery life and ultimately increasing the life cycle of the system .

대한민국공개특허공보 제10-2006-0135187호Korean Patent Publication No. 10-2006-0135187

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art,

본 발명의 목적은 소규모/저비용의 IoT 환경이 필요한 산업분야에 적용 가능한 시스템을 제공하되, 센서 디바이스의 효율적인 전력관리 방안을 제시하며, 이를 통해 배터리 수명을 연장하여 궁극적으로 시스템의 Life Cycle 연장이 가능하도록 하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a system applicable to an industrial field requiring a small-scale / low-cost IoT environment, and propose an efficient power management method of a sensor device, thereby prolonging a battery life and ultimately extending a life cycle of the system .

본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템은,According to an aspect of the present invention, there is provided an i-thi system using a wireless sensor network and a gateway according to an embodiment of the present invention,

온습도센서(10)로부터 온도 및 습도 정보를 획득하며, 조도센서(20)로부터 조도 정보를 획득하며, 배터리(30)로부터 배터리 전압을 획득하되, 획득된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 포함한 임시 데이터를 센서데이터송신수단(200)으로 제공하며, 센서데이터송신수단(200)으로부터 임시 데이터가 모두 전송되었는지에 대한 상태 정보를 획득하기 위한 센서데이터취득수단(100);과Acquires temperature and humidity information from the temperature and humidity sensor 10, acquires illuminance information from the illuminance sensor 20, acquires battery voltage from the battery 30, and acquires temperature and humidity information, illuminance information, battery voltage information (100) for providing temporary data including the temporary data to the sensor data transmitting means (200) and acquiring status information on whether all the temporary data has been transmitted from the sensor data transmitting means (200)

센서데이터취득수단(100)으로부터 제공된 임시 데이터를 임시 저장시키며, 상기 임시 데이터를 게이트웨이로 송신하며, 임시 데이터를 모두 전송하였는지에 대한 상태 정보를 센서데이터취득수단으로 제공하기 위한 센서데이터송신수단(200);을 포함하여 구성되는 센서디바이스(1000)와,Sensor data transmitting means (200) for temporarily storing the temporary data provided from the sensor data acquiring means (100), transmitting the temporary data to the gateway, and providing status information about whether or not all the temporary data has been transmitted to the sensor data acquiring means, A sensor device 1000 comprising:

센서디바이스에서 제공된 임시 데이터가 정상인지를 판단하여 체크섬 바이트를 제거하여 브릿지부로 임시 데이터를 제공하기 위한 게이트웨이중앙제어부(2100);와A gateway central controller 2100 for determining whether the temporary data provided by the sensor device is normal and removing the checksum byte and providing temporary data to the bridge unit;

게이트웨이중앙제어부와 무선통신부 간의 통신을 연결하여 상기 게이트웨이중앙제어부에서 제공된 임시 데이터를 무선통신부로 제공하기 위한 브릿지부(2200);와A bridge unit 2200 for connecting communication between the gateway central control unit and the wireless communication unit and providing provisional data provided by the gateway central control unit to the wireless communication unit;

상기 브릿지부에서 제공된 임시 데이터를 센서데이터관리서버(3000)으로 송출하기 위한 무선통신부(2300);을 포함하여 구성되는 게이트웨이(2000)와,And a wireless communication unit 2300 for transmitting the provisional data provided by the bridge unit to the sensor data management server 3000. The gateway 2000 comprises:

상기 게이트웨이에서 전송된 임시 데이터를 획득하여 전력관리디비(3100)에 주기적으로 저장시키기 위한 센서데이터관리서버(3000),를 포함하여 구성됨으로써, 본 발명의 과제를 해결하게 된다.And a sensor data management server 3000 for acquiring temporary data transmitted from the gateway and periodically storing the obtained temporary data in the power management database 3100.

또한, 상기 센서데이터취득수단(100)은,In addition, the sensor data acquisition means (100)

온습도센서(10)로부터 온도 및 습도 정보를 획득하기 위한 온습도획득부(110);와A temperature / humidity obtaining unit 110 for obtaining temperature and humidity information from the temperature / humidity sensor 10;

조도센서(20)로부터 조도 정보를 획득하기 위한 조도획득부(120);와An illuminance acquiring unit 120 for acquiring illuminance information from the illuminance sensor 20;

배터리(30)로부터 배터리 전압을 획득하기 위한 배터리전압획득부(130);와A battery voltage obtaining unit 130 for obtaining a battery voltage from the battery 30;

패킷 데이터를 저장하고 있는 메모리부(140);와A memory unit 140 for storing packet data;

상기 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 획득하여 센서데이터송신수단(200)의 센싱데이터획득부(210)로 제공하기 위한 센싱데이터취합부(150);와A sensing data collecting unit 150 for acquiring the temperature and humidity information, the illuminance information, and the battery voltage information and providing the sensing data to the sensing data obtaining unit 210 of the sensor data transmitting means 200;

센서데이터송신수단(200)에서 제공된 임시데이터저장부(230)에 저장된 임시데이터가 모두 전송되었는지 혹은 새로운 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 획득하였는지에 대한 상태 정보를 획득하기 위한 상태정보획득부(160);와Acquiring status information for acquiring status information about whether all the temporary data stored in the temporary data storage unit 230 provided by the sensor data transmitting unit 200 has been transmitted or whether new temperature and humidity information, illuminance information, and battery voltage information are acquired (160); and

상기 온습도획득부(110), 조도획득부(120), 배터리전압획득부(130), 메모리부(140), 센싱데이터취합부(150), 상태정보획득부(160)의 제어를 수행하기 위한 센서중앙제어부(170);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The control unit 110 controls the temperature and humidity acquisition unit 110, the illumination acquisition unit 120, the battery voltage acquisition unit 130, the memory unit 140, the sensing data collection unit 150, And a sensor central control unit (170).

또한, 상기 센서데이터송신수단(200)은,Further, the sensor data transmitting means (200)

상기 센서데이터취득수단(100)의 센싱데이터취합부(150)에서 제공된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 수신받아 임시데이터저장부(230)에 임시 저장시키기 위한 센싱데이터획득부(210);와A sensing data acquisition unit 210 for receiving temperature and humidity information, illumination information, and battery voltage information provided from the sensing data collection unit 150 of the sensor data acquisition unit 100 and temporarily storing the received temperature and humidity information, );Wow

상기 센싱데이터획득부에서 제공된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 임시 저장하는 임시데이터저장부(230);와A temporary data storage unit 230 for temporarily storing temperature and humidity information, illumination information, and battery voltage information provided by the sensing data acquisition unit;

상기 임시데이터저장부에 저장된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보인 임시 데이터를 모두 전송하였는지에 대한 상태 정보를 센서데이터취득수단(100)의 상태정보획득부(160)로 제공하기 위한 상태정보체크부(220);와State information for providing the status information on whether temperature and humidity information, roughness information, and temporary data, which are battery voltage information, all stored in the temporary data storage unit are transmitted to the status information obtaining unit 160 of the sensor data obtaining unit 100, A check unit 220;

상기 임시데이터저장부에 저장된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보인 임시 데이터를 게이트웨이(2000)로 송신하기 위한 센싱데이터송신부(240);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.And a sensing data transmission unit 240 for transmitting temporary data, which is temperature and humidity information, illumination information, and battery voltage information, stored in the temporary data storage unit, to the gateway 2000.

또한, 상기 센서데이터관리서버(3000)는,In addition, the sensor data management server (3000)

센서디바이스에서 일정 시간 주기로 센서의 임시 데이터를 전송하도록 제어하며, 전송하는 시간을 제외한 나머지 시간은 슬립 모드로 동작하도록 슬립 인터벌 제어 정보를 게이트웨이로 전송하여 게이트웨이에 의해 센서디바이스로 제공하도록 하기 위한 슬립인터벌제어처리부(3200);와The sensor device controls to transmit the temporary data of the sensor at a predetermined time period and transmits the sleep interval control information to the gateway for the remaining time excluding the transmission time to operate in the sleep mode, A control processing unit 3200;

센서디바이스에서 전송된 임시 데이터에 포함된 배터리 전압 정보를 참조하여 배터리의 교체 시점을 추정하기 위한 배터리전력관리부(3300);을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.And a battery power management unit 3300 for estimating a replacement time point of the battery by referring to the battery voltage information included in the temporary data transmitted from the sensor device.

이때, 상기 게이트웨이(2000)로,At this time, in the gateway 2000,

전송되는 임시 데이터 포맷은,The temporary data format to be transmitted is,

패킷 데이터, 센서 데이터, 파워 데이터를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.Packet data, sensor data, and power data.

또한, 센서데이터송신수단(200)의 센싱데이터송신부(240)는 RF 출력 파워 관리를 위하여 8단계의 Output Power[dBm] 설정을 위한 Power Table을 제공하며, RF 신호 수신 시 신호 세기를 알 수 있는 RSSI를 제공하는 것을 특징으로 하며,In addition, the sensing data transmission unit 240 of the sensor data transmission unit 200 provides a power table for setting the output power [dBm] in eight steps for RF output power management, RSSI is provided,

상기 게이트웨이에서의 게이트웨이중앙제어부(2100)는 수신 세기에 따라 센서 디바이스의 RF Power Table Level을 조절하는 적응 전력 제어를 수행하게 되는 것을 특징으로 한다.The gateway central control unit 2100 in the gateway performs adaptive power control for adjusting the RF Power Table Level of the sensor device according to the reception intensity.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템은, 소규모/저비용의 IoT 환경이 필요한 산업분야에 적용 가능한 시스템 도입의 효율성을 제공하게 된다.As described above, the iOuti system using the wireless sensor network and the gateway of the present invention provides a system introduction efficiency applicable to an industrial field requiring a small-scale / low-cost IoT environment.

또한, 센서 디바이스의 효율적인 전력관리 방안을 제공하게 되며, 이를 통해 배터리 수명을 연장하여 궁극적으로 시스템의 Life Cycle 연장이 가능한 효과를 제공하게 되는 것이다.In addition, it provides an efficient power management method of the sensor device, thereby extending the life of the battery and ultimately providing the effect of extending the life cycle of the system.

도 1은 종래의 LPWAN 시스템 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템의 전체 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템의 전체 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템의 전체 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템의 센서 디바이스의 전송 데이터 포맷 예시도이며, 도 6은 센서 디바이스 전송 데이터의 필드 상세도이며, 도 7은 게이트웨이 응답 데이터 포맷 예시도이며, 도 8은 게이트웨이 컨트롤 데이터 필드 상세도이며, 도 9는 센서데이터송신수단의 초기 RF 설정값의 예시도이며, 도 10은 전력관리를 위한 슬립 인터벌 제어 예시도이며, 도 11은 센서 디바이스 슬립 모드 시점의 소모 전류 그래프이며, 도 12는 최적의 파워 테이블 설정값 예시도이며, 도 13은 수신 세기에 따른 RSSI 단계 설정 예시도이며, 도 14는 센서 디바이스 적응 전력 제어 그래프이며, 도 15는 적응 전력 제어에 따른 전력 소모 그래프이며, 도 16은 전압 분배 회로도이며, 도 17은 측정 전압에 기반한 배터리 전압 추정 그래프이며, 도 18은 각 단계별 수행 시간 및 소모 전류 예시도이다.
1 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional LPWAN system.
2 is an overall configuration diagram of an iOuti system using a wireless sensor network and a gateway according to an embodiment of the present invention.
3 is an overall block diagram of an iOuti system using a wireless sensor network and a gateway according to an embodiment of the present invention.
4 is an overall block diagram of an iOuti system using a wireless sensor network and a gateway according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a transmission data format of a sensor device of an iOuti system using a wireless sensor network and a gateway according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a field detail view of sensor device transmission data, 9 is an exemplary view of an initial RF setting value of the sensor data transmitting means, FIG. 10 is an example of a sleep interval control for power management, and FIG. FIG. 12 is an exemplary graph of an optimal power table setting value, FIG. 13 is an example of RSSI step setting according to reception intensity, FIG. 14 is a sensor device adaptive power control graph, Fig. 15 is a power consumption graph according to the adaptive power control, Fig. 16 is a voltage distribution circuit diagram, Fig. FIG. 18 is a graph showing an execution time and consumed current for each step. FIG.

본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템은,The iOuti system using a wireless sensor network and a gateway according to an embodiment of the present invention,

온습도센서(10)로부터 온도 및 습도 정보를 획득하며, 조도센서(20)로부터 조도 정보를 획득하며, 배터리(30)로부터 배터리 전압을 획득하되, 획득된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 포함한 임시 데이터를 센서데이터송신수단(200)으로 제공하며, 센서데이터송신수단(200)으로부터 임시 데이터가 모두 전송되었는지에 대한 상태 정보를 획득하기 위한 센서데이터취득수단(100);과Acquires temperature and humidity information from the temperature and humidity sensor 10, acquires illuminance information from the illuminance sensor 20, acquires battery voltage from the battery 30, and acquires temperature and humidity information, illuminance information, battery voltage information (100) for providing temporary data including the temporary data to the sensor data transmitting means (200) and acquiring status information on whether all the temporary data has been transmitted from the sensor data transmitting means (200)

센서데이터취득수단(100)으로부터 제공된 임시 데이터를 임시 저장시키며, 상기 임시 데이터를 게이트웨이로 송신하며, 임시 데이터를 모두 전송하였는지에 대한 상태 정보를 센서데이터취득수단으로 제공하기 위한 센서데이터송신수단(200);을 포함하여 구성되는 센서디바이스(1000)와,Sensor data transmitting means (200) for temporarily storing the temporary data provided from the sensor data acquiring means (100), transmitting the temporary data to the gateway, and providing status information about whether or not all the temporary data has been transmitted to the sensor data acquiring means, A sensor device 1000 comprising:

센서디바이스에서 제공된 임시 데이터가 정상인지를 판단하여 체크섬 바이트를 제거하여 브릿지부로 임시 데이터를 제공하기 위한 게이트웨이중앙제어부(2100);와A gateway central controller 2100 for determining whether the temporary data provided by the sensor device is normal and removing the checksum byte and providing temporary data to the bridge unit;

게이트웨이중앙제어부와 무선통신부 간의 통신을 연결하여 상기 게이트웨이중앙제어부에서 제공된 임시 데이터를 무선통신부로 제공하기 위한 브릿지부(2200);와A bridge unit 2200 for connecting communication between the gateway central control unit and the wireless communication unit and providing provisional data provided by the gateway central control unit to the wireless communication unit;

상기 브릿지부에서 제공된 임시 데이터를 센서데이터관리서버(3000)으로 송출하기 위한 무선통신부(2300);을 포함하여 구성되는 게이트웨이(2000)와,And a wireless communication unit 2300 for transmitting the provisional data provided by the bridge unit to the sensor data management server 3000. The gateway 2000 comprises:

상기 게이트웨이에서 전송된 임시 데이터를 획득하여 전력관리디비(3100)에 주기적으로 저장시키기 위한 센서데이터관리서버(3000),를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.And a sensor data management server 3000 for acquiring temporary data transmitted from the gateway and periodically storing the obtained temporary data in the power management database 3100.

또한, 상기 센서데이터취득수단(100)은,In addition, the sensor data acquisition means (100)

온습도센서(10)로부터 온도 및 습도 정보를 획득하기 위한 온습도획득부(110);와A temperature / humidity obtaining unit 110 for obtaining temperature and humidity information from the temperature / humidity sensor 10;

조도센서(20)로부터 조도 정보를 획득하기 위한 조도획득부(120);와An illuminance acquiring unit 120 for acquiring illuminance information from the illuminance sensor 20;

배터리(30)로부터 배터리 전압을 획득하기 위한 배터리전압획득부(130);와A battery voltage obtaining unit 130 for obtaining a battery voltage from the battery 30;

패킷 데이터를 저장하고 있는 메모리부(140);와A memory unit 140 for storing packet data;

상기 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 획득하여 센서데이터송신수단(200)의 센싱데이터획득부(210)로 제공하기 위한 센싱데이터취합부(150);와A sensing data collecting unit 150 for acquiring the temperature and humidity information, the illuminance information, and the battery voltage information and providing the sensing data to the sensing data obtaining unit 210 of the sensor data transmitting means 200;

센서데이터송신수단(200)에서 제공된 임시데이터저장부(230)에 저장된 임시데이터가 모두 전송되었는지 혹은 새로운 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 획득하였는지에 대한 상태 정보를 획득하기 위한 상태정보획득부(160);와Acquiring status information for acquiring status information about whether all the temporary data stored in the temporary data storage unit 230 provided by the sensor data transmitting unit 200 has been transmitted or whether new temperature and humidity information, illuminance information, and battery voltage information are acquired (160); and

상기 온습도획득부(110), 조도획득부(120), 배터리전압획득부(130), 메모리부(140), 센싱데이터취합부(150), 상태정보획득부(160)의 제어를 수행하기 위한 센서중앙제어부(170);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The control unit 110 controls the temperature and humidity acquisition unit 110, the illumination acquisition unit 120, the battery voltage acquisition unit 130, the memory unit 140, the sensing data collection unit 150, And a sensor central control unit (170).

또한, 상기 센서데이터송신수단(200)은,Further, the sensor data transmitting means (200)

상기 센서데이터취득수단(100)의 센싱데이터취합부(150)에서 제공된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 수신받아 임시데이터저장부(230)에 임시 저장시키기 위한 센싱데이터획득부(210);와A sensing data acquisition unit 210 for receiving temperature and humidity information, illumination information, and battery voltage information provided from the sensing data collection unit 150 of the sensor data acquisition unit 100 and temporarily storing the received temperature and humidity information, );Wow

상기 센싱데이터획득부에서 제공된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 임시 저장하는 임시데이터저장부(230);와A temporary data storage unit 230 for temporarily storing temperature and humidity information, illumination information, and battery voltage information provided by the sensing data acquisition unit;

상기 임시데이터저장부에 저장된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보인 임시 데이터를 모두 전송하였는지에 대한 상태 정보를 센서데이터취득수단(100)의 상태정보획득부(160)로 제공하기 위한 상태정보체크부(220);와State information for providing the status information on whether temperature and humidity information, roughness information, and temporary data, which are battery voltage information, all stored in the temporary data storage unit are transmitted to the status information obtaining unit 160 of the sensor data obtaining unit 100, A check unit 220;

상기 임시데이터저장부에 저장된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보인 임시 데이터를 게이트웨이(2000)로 송신하기 위한 센싱데이터송신부(240);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.And a sensing data transmission unit 240 for transmitting temporary data, which is temperature and humidity information, illumination information, and battery voltage information, stored in the temporary data storage unit, to the gateway 2000.

또한, 상기 센서데이터관리서버(3000)는,In addition, the sensor data management server (3000)

센서디바이스에서 일정 시간 주기로 센서의 임시 데이터를 전송하도록 제어하며, 전송하는 시간을 제외한 나머지 시간은 슬립 모드로 동작하도록 슬립 인터벌 제어 정보를 게이트웨이로 전송하여 게이트웨이에 의해 센서디바이스로 제공하도록 하기 위한 슬립인터벌제어처리부(3200);와The sensor device controls to transmit the temporary data of the sensor at a predetermined time period and transmits the sleep interval control information to the gateway for the remaining time excluding the transmission time to operate in the sleep mode, A control processing unit 3200;

센서디바이스에서 전송된 임시 데이터에 포함된 배터리 전압 정보를 참조하여 배터리의 교체 시점을 추정하기 위한 배터리전력관리부(3300);을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.And a battery power management unit 3300 for estimating a replacement time point of the battery by referring to the battery voltage information included in the temporary data transmitted from the sensor device.

이때, 센서디바이스(1000)의 센서데이터취득수단(100)은,At this time, the sensor data acquisition means 100 of the sensor device 1000,

송신 출력에 따라 소모 전류가 급격히 상승하는 지점인 0 dBm 기준으로 송신 출력을 다수 단계로 분리하는 것을 특징으로 한다.And the transmission output is divided into a plurality of stages on the basis of 0 dBm which is a point where the consumption current abruptly rises according to the transmission output.

이때, 게이트웨이(2000)는,At this time, the gateway 2000,

센서 디바이스와의 통신을 통해 센서 디바이스의 송신 전력을 적응 제어하기 위하여, 수신세기 영역을 5단계로 구분하되, 0 dBm에 해당되는 수신 세기를 기준으로 임계 영역을 설정하여, 수신 세기가 상기 임계 영역 이하일 경우에 센서 디바이스의 송신 출력을 한 단계씩 증가시키고, 수신 세기가 상기 임계 영역 이상일 경우에 센서 디바이스의 송신 출력을 한 단계씩 감소시키는 것을 특징으로 한다.In order to adaptively control the transmission power of the sensor device through communication with the sensor device, the reception intensity region is divided into five levels, and a critical region is set based on the reception intensity corresponding to 0 dBm, The transmission output of the sensor device is incremented by one step and the transmission output of the sensor device is decreased by one step when the reception intensity is equal to or more than the critical region.

이때, 상기 게이트웨이(2000)로, 전송되는 임시 데이터 포맷은,At this time, the temporary data format to be transmitted to the gateway 2000,

패킷 데이터, 센서 데이터, 파워 데이터를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.Packet data, sensor data, and power data.

또한, 센서데이터송신수단(200)의 센싱데이터송신부(240)는 RF 출력 파워 관리를 위하여 8단계의 Output Power[dBm] 설정을 위한 Power Table을 제공하며, RF 신호 수신 시 신호 세기를 알 수 있는 RSSI를 제공하는 것을 특징으로 하며,In addition, the sensing data transmission unit 240 of the sensor data transmission unit 200 provides a power table for setting the output power [dBm] in eight steps for RF output power management, RSSI is provided,

상기 게이트웨이에서의 게이트웨이중앙제어부(2100)는 수신 세기에 따라 센서 디바이스의 RF Power Table Level을 조절하는 적응 전력 제어를 수행하게 되는 것을 특징으로 한다.The gateway central control unit 2100 in the gateway performs adaptive power control for adjusting the RF Power Table Level of the sensor device according to the reception intensity.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에서 전반적으로 설명되고 있는 아이오티는 'IoT'를 의미하며, 사물 인터넷이라고 한다.The ioTi, which is generally described in the present invention, is referred to as " IoT "

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템의 전체 구성도이다.2 is an overall configuration diagram of an iOuti system using a wireless sensor network and a gateway according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 시스템은 크게, 다수의 센서디바이스(1000)와, 게이트웨이(2000)와, 센서데이터관리서버(3000),를 포함하여 구성되게 된다.As shown in FIG. 2, the system of the present invention largely comprises a plurality of sensor devices 1000, a gateway 2000, and a sensor data management server 3000.

이때, 일반적인 LPWAN 시스템은 센서디바이스의 가입 또는 해지를 용이하도록 하기 위해 게이트웨이를 관리하는 별도의 네트워크 서버를 가지고 있다.At this time, the general LPWAN system has a separate network server for managing the gateway in order to facilitate the joining or termination of the sensor device.

그러나, 본 발명의 시스템은 네트워크 서버 없이 게이트웨이(2000)와 센서데이터관리서버(3000)의 직접 연결을 통해 소규모 그리고 저가 부품 사용이 가능한 장점을 제공할 수가 있게 되는 것이다.However, the system of the present invention can provide a merit that small-scale and low-cost components can be used through direct connection between the gateway 2000 and the sensor data management server 3000 without a network server.

한편, 본 발명의 구성 요소 사이의 통신방식으로 센서디바이스(1000)와 게이트웨이(2000)는 바람직하게는 RF433 무선 통신을, 그리고 게이트웨이와 센서데이터관리서버(3000)는 Wi-Fi 무선 통신을 이용, 공중망과 접속하여 연결된다.Meanwhile, the sensor device 1000 and the gateway 2000 preferably communicate with RF433 wireless communication, and the gateway and the sensor data management server 3000 use Wi-Fi wireless communication, Connected to the public network.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템의 전체 블록도이다.3 is an overall block diagram of an iOuti system using a wireless sensor network and a gateway according to an embodiment of the present invention.

도 3에 도시한 바와 같이, 상기 센서디바이스(1000)는 온도, 습도, 조도 및 디바이스에 공급되는 배터리 전압 레벨을 취득하게 된다.As shown in FIG. 3, the sensor device 1000 acquires the temperature, the humidity, the illuminance, and the battery voltage level supplied to the device.

이때, 상기 센서디바이스(1000)는 센서데이터취득수단(100);과 센서데이터송신수단(200);을 포함하여 구성되게 된다.At this time, the sensor device 1000 includes the sensor data acquisition means 100 and the sensor data transmission means 200.

상기 센서데이터취득수단(100)은 온습도센서(10)로부터 온도 및 습도 정보를 획득하며, 조도센서(20)로부터 조도 정보를 획득하며, 배터리(30)로부터 배터리 전압을 획득하되, 획득된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 포함한 임시 데이터를 센서데이터송신수단(200)으로 제공하며, 센서데이터송신수단(200)으로부터 임시 데이터가 모두 전송되었는지에 대한 상태 정보를 획득하는 기능을 수행하게 된다.The sensor data acquisition means 100 acquires temperature and humidity information from the temperature / humidity sensor 10, acquires illumination information from the illumination sensor 20, acquires battery voltage from the battery 30, The sensor data transmitting means 200 provides the temporary data including the humidity information, the illuminance information, and the battery voltage information to the sensor data transmitting means 200 and acquires status information on whether all of the temporary data has been transmitted from the sensor data transmitting means 200 do.

그리고, 상기 센서데이터송신수단(200)은 센서데이터취득수단(100)으로부터 제공된 임시 데이터를 임시 저장시키며, 상기 임시 데이터를 게이트웨이로 송신하며, 임시 데이터를 모두 전송하였는지에 대한 상태 정보를 센서데이터취득수단으로 제공하는 기능을 수행하게 된다.The sensor data transmitting means 200 temporarily stores the temporary data provided from the sensor data acquiring means 100, transmits the temporary data to the gateway, and transmits status information about whether or not all of the temporary data has been transmitted to the sensor data acquiring means As shown in FIG.

상기와 같은 기능을 수행하기 위하여, 상기 센서데이터취득수단(100)은,In order to perform the above function, the sensor data acquisition means 100 acquires,

온습도센서(10)로부터 온도 및 습도 정보를 획득하기 위한 온습도획득부(110);와A temperature / humidity obtaining unit 110 for obtaining temperature and humidity information from the temperature / humidity sensor 10;

조도센서(20)로부터 조도 정보를 획득하기 위한 조도획득부(120);와An illuminance acquiring unit 120 for acquiring illuminance information from the illuminance sensor 20;

배터리(30)로부터 배터리 전압을 획득하기 위한 배터리전압획득부(130);와A battery voltage obtaining unit 130 for obtaining a battery voltage from the battery 30;

패킷 데이터를 저장하고 있는 메모리부(140);와A memory unit 140 for storing packet data;

상기 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 획득하여 센서데이터송신수단(200)의 센싱데이터획득부(210)로 제공하기 위한 센싱데이터취합부(150);와A sensing data collecting unit 150 for acquiring the temperature and humidity information, the illuminance information, and the battery voltage information and providing the sensing data to the sensing data obtaining unit 210 of the sensor data transmitting means 200;

센서데이터송신수단(200)에서 제공된 임시데이터저장부(230)에 저장된 임시데이터가 모두 전송되었는지 혹은 새로운 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 획득하였는지에 대한 상태 정보를 획득하기 위한 상태정보획득부(160);와Acquiring status information for acquiring status information about whether all the temporary data stored in the temporary data storage unit 230 provided by the sensor data transmitting unit 200 has been transmitted or whether new temperature and humidity information, illuminance information, and battery voltage information are acquired (160); and

상기 온습도획득부(110), 조도획득부(120), 배터리전압획득부(130), 메모리부(140), 센싱데이터취합부(150), 상태정보획득부(160)의 제어를 수행하기 위한 센서중앙제어부(170);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하고 있다.The control unit 110 controls the temperature and humidity acquisition unit 110, the illumination acquisition unit 120, the battery voltage acquisition unit 130, the memory unit 140, the sensing data collection unit 150, And a sensor central control unit (170).

상기 온습도획득부(110)를 통해, 온습도센서(10)로부터 온도 및 습도 정보를 획득하며, 상기 조도획득부(120)를 통해, 조도센서(20)로부터 조도 정보를 획득하며, 상기 배터리전압획득부(130)를 통해, 배터리(30)로부터 배터리 전압을 획득하게 된다.The temperature and humidity information is acquired from the temperature and humidity sensor 10 through the temperature and humidity acquisition unit 110 and the illumination information is acquired from the illumination sensor 20 through the illumination acquisition unit 120, And acquires the battery voltage from the battery 30 through the battery charger 130,

그리고, 상기 센싱데이터취합부(150)는 상기 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 획득하여 센서데이터송신수단(200)의 센싱데이터획득부(210)로 제공하는 기능을 수행하게 된다.The sensing data collecting unit 150 acquires the temperature and humidity information, the illuminance information, and the battery voltage information and provides the sensed data to the sensing data obtaining unit 210 of the sensor data transmitting unit 200.

이때, 상기 메모리부(140)에는 패킷 데이터를 저장하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.In this case, the memory unit 140 stores packet data.

그리고, 상태정보획득부(160)는 센서데이터송신수단(200)에서 제공된 임시데이터저장부(230)에 저장된 임시데이터가 모두 전송되었는지 혹은 새로운 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 획득하였는지에 대한 상태 정보를 획득하게 된다.The state information acquisition unit 160 determines whether the temporary data stored in the temporary data storage unit 230 provided by the sensor data transmission unit 200 has been transmitted or acquired new temperature and humidity information, And obtains the status information about the user.

즉, 센싱데이터취합부(150)에 의해 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 포함한 임시 데이터를 센서데이터송신수단(200)의 센싱데이터획득부(210)로 제공하게 되면, 센서데이터송신수단(200)에서 제공된 임시데이터저장부(230)에 임시 저장한 후 주파수 433MHz로 변조하여 게이트웨이로 전송하게 된다.That is, if the sensing data collecting unit 150 provides temporary data including temperature and humidity information, roughness information, and battery voltage information to the sensing data obtaining unit 210 of the sensor data transmitting unit 200, Temporarily stores it in the temporary data storage unit 230 provided by the means 200, modulates it to a frequency of 433 MHz, and transmits it to the gateway.

이 과정에서 센서데이터송신수단(200)의 상태정보체크부(220)는 임시데이터저장부에 있는 임시 데이터가 모두 전송되었는지에 대한 상태 정보를 상태정보획득부(160)에 제공하게 된다.In this process, the status information check unit 220 of the sensor data transmitting unit 200 provides the status information obtaining unit 160 with status information indicating whether all the temporary data in the temporary data storing unit has been transmitted.

이때, 게이트웨이(2000)로, 전송되는 임시 데이터 포맷은 패킷 데이터, 센서 데이터, 파워 데이터를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.At this time, the temporary data format transmitted to the gateway 2000 includes packet data, sensor data, and power data.

즉, 도 5에 도시한 바와 같이, 센서디바이스(1000)에서 전송되는 정보는 총 23 바이트의 길이를 가지며, 크게 3가지 타입(패킷 자체의 정보를 알려주는 패킷 데이터, 센서 정보를 가지고 있는 센서 데이터, 그리고 전력관리를 위해 요구되는 파워 데이터)으로 분류된다. 5, the information transmitted from the sensor device 1000 has a total length of 23 bytes and is divided into three types (packet data indicating information of the packet itself, sensor data having sensor information , And power data required for power management).

도 6에서 패킷의 각 필드에 대한 자세히 설명하였다.Each field of the packet is described in detail in FIG.

즉, 패킷 데이터는 Packet ID(RF433 전송 패킷 아이디), F/W 버전(펌웨어 버전 정보), Sensor Device ID(센서디바이스 아이디), Gateway ID(게이트웨이 아이디), Sequence Number(패킷 넘버)를 포함하고 있다. That is, the packet data includes Packet ID (RF433 Transmission Packet ID), F / W version (firmware version information), Sensor Device ID (Sensor Device ID), Gateway ID (Gateway ID), Sequence Number .

그리고, 센서 데이터는 Payload Type(Payload Type 구분(데이터 혹은 커맨드)), Payload Length(Payload 길이(18바이트)), Temperature(온도 데이터), Humidity(습도 데이터), CDS(조도 데이터)를 포함하고 있다.The sensor data includes payload type (payload type classification (data or command)), payload length (payload length (18 bytes)), temperature (temperature data), humidity (humidity data), and CDS .

그리고, 파워 데이터는 Sleep Interval(센서 디바이스 슬립 시간), RF Power Level(RF433 출력 파워 1 단계 설정 레벨), Battery Power Level(배터리 전압 레벨), Checksum(센서 데이터와 파워 데이터의 체크섬 정보)을 포함하고 있다.The power data includes Sleep Interval, RF Power Level, Battery Power Level, and Checksum (the checksum information of sensor data and power data) have.

패킷 데이터의 Packet ID, F/W ver., Sensor Device ID, Gateway ID는 메모리부(140)에 사전 저장되어 있다. Packet ID, F / W ver., Sensor Device ID, and Gateway ID of the packet data are pre-stored in the memory unit 140.

전체 패킷의 송신 시점 시 이를 메모리부(140)로부터 읽어 전송하는데, 센서 데이터의 경우 송신 시점에 각 센서로부터 데이터를 취득하여 전송한다. When the entire packet is transmitted, it is read from the memory unit 140 and transmitted. In the case of sensor data, data is acquired from each sensor at the transmission time and transmitted.

한편, 센서데이터송신수단(200)은,On the other hand, the sensor data transmitting means (200)

상기 센서데이터취득수단(100)의 센싱데이터취합부(150)에서 제공된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 수신받아 임시데이터저장부(230)에 임시 저장시키기 위한 센싱데이터획득부(210);와A sensing data acquisition unit 210 for receiving temperature and humidity information, illumination information, and battery voltage information provided from the sensing data collection unit 150 of the sensor data acquisition unit 100 and temporarily storing the received temperature and humidity information, );Wow

상기 센싱데이터획득부에서 제공된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 임시 저장하는 임시데이터저장부(230);와A temporary data storage unit 230 for temporarily storing temperature and humidity information, illumination information, and battery voltage information provided by the sensing data acquisition unit;

상기 임시데이터저장부에 저장된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보인 임시 데이터를 모두 전송하였는지에 대한 상태 정보를 센서데이터취득수단(100)의 상태정보획득부(160)로 제공하기 위한 상태정보체크부(220);와State information for providing the status information on whether temperature and humidity information, roughness information, and temporary data, which are battery voltage information, all stored in the temporary data storage unit are transmitted to the status information obtaining unit 160 of the sensor data obtaining unit 100, A check unit 220;

상기 임시데이터저장부에 저장된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보인 임시 데이터를 게이트웨이(2000)로 송신하기 위한 센싱데이터송신부(240);를 포함하여 구성되게 된다.And a sensing data transmission unit 240 for transmitting temporary data, which is temperature and humidity information, illumination information, and battery voltage information, stored in the temporary data storage unit, to the gateway 2000.

즉, 센싱데이터획득부(210)는 센서데이터취득수단(100)의 센싱데이터취합부(150)에서 제공된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 수신받아 임시데이터저장부(230)에 임시 저장시키게 된다.That is, the sensing data acquiring unit 210 receives the temperature and humidity information, illumination information, and battery voltage information provided from the sensing data collecting unit 150 of the sensor data acquiring unit 100, Respectively.

그리고, 임시데이터저장부(230)는 센싱데이터획득부에서 제공된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 임시 저장하게 된다.The temporary data storage unit 230 temporarily stores temperature and humidity information, illumination information, and battery voltage information provided by the sensing data acquisition unit.

상태정보체크부(220)는 임시데이터저장부에 저장된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보인 임시 데이터를 모두 전송하였는지에 대한 상태 정보를 센서데이터취득수단(100)의 상태정보획득부(160)로 제공하게 된다.The status information check unit 220 transmits status information about whether temperature and humidity information, roughness information, and temporary data, which are battery voltage information, stored in the temporary data storage unit are all transmitted, to the status information obtaining unit 160 ).

센싱데이터송신부(240)는 임시데이터저장부에 저장된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보인 임시 데이터를 게이트웨이(2000)로 송신하게 된다.The sensing data transmission unit 240 transmits temporary data, which is temperature and humidity information, illumination information, and battery voltage information stored in the temporary data storage unit, to the gateway 2000.

한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 게이트웨이(2000)는,On the other hand, as shown in FIG. 2, in the gateway 2000 of the present invention,

센서디바이스에서 제공된 임시 데이터가 정상인지를 판단하여 체크섬 바이트를 제거하여 브릿지부로 임시 데이터를 제공하기 위한 게이트웨이중앙제어부(2100);와A gateway central controller 2100 for determining whether the temporary data provided by the sensor device is normal and removing the checksum byte and providing temporary data to the bridge unit;

게이트웨이중앙제어부와 무선통신부 간의 통신을 연결하여 상기 게이트웨이중앙제어부에서 제공된 임시 데이터를 무선통신부로 제공하기 위한 브릿지부(2200);와A bridge unit 2200 for connecting communication between the gateway central control unit and the wireless communication unit and providing provisional data provided by the gateway central control unit to the wireless communication unit;

상기 브릿지부에서 제공된 임시 데이터를 센서데이터관리서버(3000)으로 송출하기 위한 무선통신부(2300);을 포함하여 구성되게 된다.And a wireless communication unit 2300 for transmitting the provisional data provided by the bridge unit to the sensor data management server 3000.

상기한 게이트웨이(2000)는 IoT를 위한 솔루션들 중의 하나로 오픈 하드웨어 기반의 플랫폼이다. The gateway 2000 is an open hardware-based platform as one of solutions for IoT.

센서디바이스들을 통해 정보를 취득할 수 있는 플랫폼에 인터넷 연결이 가능하도록 무선 통신 기능이 포함된 구성이다.A configuration in which a wireless communication function is included so that an Internet connection can be established to a platform capable of acquiring information through sensor devices.

따라서, 본 발명에서 개시된 게이트웨이는 센서 디바이스에서 433MHz로 전송된 신호를 복조하기 위한 Shield 디바이스 및 수신된 데이터를 공중망을 통해 전송 가능한 패킷으로 변환할 수 있는 게이트웨이중앙제어부를 구성한다. Accordingly, the gateway disclosed in the present invention constitutes a shield device for demodulating a signal transmitted at 433 MHz in a sensor device, and a gateway central control unit for converting received data into packets transmittable through a public network.

한편, 상기 무선통신부(2300)는 바람직하게는 리눅스 환경으로, IoT 시스템에 최적화되어 있는 OpenWRT를 사용하는데, OpenWRT는 무선랜 라우터를 위한 리눅스 기반의 오픈 소스 운영체제이다.On the other hand, the wireless communication unit 2300 preferably uses OpenWRT, which is optimized for the IoT system as a Linux environment, and OpenWRT is a Linux-based open source operating system for a wireless LAN router.

그리고, RF433으로 데이터가 수신되면, 센서데이터송신수단은 상태정보체크부를 통해 센서데이터취득수단의 상태정보획득부(160)에 새로운 데이터가 수신되었음을 알리고, 센서데이터취득수단의 센싱데이터취합부(150)를 통해 임시데이터저장부에 임시 저장되어 있는 데이터를 가져온다. When the data is received by RF433, the sensor data transmitting means notifies the state information obtaining unit 160 of the sensor data obtaining means 160 that new data has been received through the state information checking unit, and the sensing data collecting unit 150 ) To fetch the data temporarily stored in the temporary data storage unit.

수신된 데이터는 이후 센서중앙제어부(170)에서 분석한 후 도 7과 같은 포맷으로 센서디바이스에 응답한다.The received data is analyzed by the sensor central control unit 170 and then responded to the sensor device in the format shown in FIG.

응답 데이터 포맷에서 패킷 데이터는 도 6과 동일하며, Checksum은 Control Data 중에서 Response Type 이후 데이터에만 적용된다. The packet data in the response data format is the same as in Fig. 6, and Checksum is applied only to the data after the Response Type in Control Data.

도 8은 게이트웨이의 Control Data의 각 필드에 대한 성공/오류 응답을 구분하여 설명하고 있다.FIG. 8 illustrates success / failure responses for each field of the control data of the gateway.

즉, 공통은 Payload Type(센서디바이스에서 수신된 Payload Type), Payload Length(센서디바이스에서 수신된 Payload Length), Response Type(성공의 경우는 ACK, 오류의 경우는 NAK)의 필드를 포함한다.That is, the common includes fields of Payload Type (Payload Type received from the sensor device), Payload Length (Payload Length received from the sensor device), and Response Type (ACK in case of success and NAK in case of error).

그리고, 성공은 Sleep Interval(서버로부터 전달된 센서디바이스 슬립 시간), RF Power Level(센서디바이스에서 사용될 RF Power Level)의 필드를 포함한다.Success includes Sleep Interval (sensor device sleep time transmitted from the server) and RF Power Level (RF Power Level to be used in the sensor device).

그리고, 오류는 Error Code(Response Type이 NAK일 경우 사전에 정의된 오류 원인 코드), Padding(0x00)의 필드를 포함한다.The error includes a field of Error Code (predefined error cause code if Response Type is NAK) and Padding (0x00).

게이트웨이에서 센서 디바이스로부터 수신된 데이터가 정상으로 분석되면 도 5의 Checksum 2 바이트를 제거하고, 수신 세기인 RSSI(Receive Signal Strength Indicator) 1 바이트를 추가하여 UART를 통해 게이트웨이중앙제어부(2100)에 전달한다. When the data received from the sensor device in the gateway is analyzed as normal, 2 bytes of Checksum in FIG. 5 are removed, and 1 byte of Receive Signal Strength Indicator (RSSI) as a reception strength is added and transmitted to the gateway central control unit 2100 through the UART .

게이트웨이중앙제어부(2100)에 전달된 데이터는 브릿지부를 통해 무선통신부에 전달되고 무선통신부에서는 Wi-Fi 무선 AP(Access Point)에 접속하여 센서데이터관리서버(3000)에 최종적으로 전송한다. The data transmitted to the gateway central control unit 2100 is transmitted to the wireless communication unit through the bridge unit, and the wireless communication unit connects to the Wi-Fi wireless access point (AP) and finally transmits the data to the sensor data management server 3000.

예를 들어, 게이트웨이에서센서데이터관리서버(3000)로의 데이터 전송은 게이트웨이중앙제어부(2100)에서 리눅스 실행 명령어인 cURL을 호출하여 POST 방식으로 수행된다. For example, data transmission from the gateway to the sensor data management server 3000 is performed in the POST manner by calling the Linux run command cURL in the gateway central control unit 2100.

만약, 수신된 데이터가 오류로 분석되면 무선통신부(2300)에 데이터는 전달되지 않고, 응답 데이터 포맷에서 Control Data의 Response Type에 NAK, Error Code에 오류 코드, 그리고 Padding 필드에 0x00이 채워져서 센서 디바이스에 응답된다. If the received data is analyzed as an error, data is not transmitted to the wireless communication unit 2300, NAK in the Response Type of Control Data, error code in Error Code, and 0x00 in the Padding field are filled in the response data format, Lt; / RTI >

그 다음 센서디바이스는 이 오류 코드를 메모리부(140)에 저장하여 추후 오류 원인 분석에 사용된다.Then, the sensor device stores the error code in the memory unit 140 and is used for error cause analysis in the future.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템의 전체 블록도이다.4 is an overall block diagram of an iOuti system using a wireless sensor network and a gateway according to an embodiment of the present invention.

도 4에 도시한 바와 같이, 상기 센서데이터관리서버(3000)는,As shown in Fig. 4, the sensor data management server 3000,

게이트웨이에서 전송된 임시 데이터를 획득하여 주기적으로 저장하고 있는 전력관리디비(3100);와A power management database 3100 that acquires and periodically stores temporary data transmitted from the gateway;

센서디바이스에서 일정 시간 주기로 센서의 임시 데이터를 전송하도록 제어하며, 전송하는 시간을 제외한 나머지 시간은 슬립 모드로 동작하도록 슬립 인터벌 제어 정보를 게이트웨이로 전송하여 게이트웨이에 의해 센서디바이스로 제공하도록 하기 위한 슬립인터벌제어처리부(3200);와The sensor device controls to transmit the temporary data of the sensor at a predetermined time period and transmits the sleep interval control information to the gateway for the remaining time excluding the transmission time to operate in the sleep mode, A control processing unit 3200;

센서디바이스에서 전송된 임시 데이터에 포함된 배터리 전압 정보를 참조하여 배터리의 교체 시점을 추정하기 위한 배터리전력관리부(3300);를 포함하여 구성되게 된다.And a battery power management unit 3300 for estimating the replacement time of the battery with reference to the battery voltage information included in the temporary data transmitted from the sensor device.

상기한 센서데이터관리서버(3000)는 웹 서버 형태로 정적 웹 페이지를 위한 Apache, 동적 웹 페이지를 위한 PHP, 그리고 전력관리디비(3100) 관리를 위해 MySQL을 설치하여 구현할 수 있다.The sensor data management server 3000 can be implemented by installing Apache for a static web page, PHP for a dynamic web page, and MySQL for managing a power management database 3100 in the form of a web server.

그리고, 예를 들어, 게이트웨이로부터 HTTP 프로토콜을 이용하여 POST 방식으로 전송된 정보는 PHP 페이지에서 해석되어 미리 정의되어 있는 전력관리디비(3100)의 특정 테이블에 주기적으로 저장된다. For example, information transmitted in a POST manner from the gateway using the HTTP protocol is periodically stored in a specific table of the power management database 3100 which is interpreted in the PHP page and defined in advance.

전력관리디비(3100)에 저장된 정보는 효율적인 전력관리 전략을 수립하는데 활용된다.The information stored in the power management database 3100 is utilized to establish an efficient power management strategy.

무선 센서 네트워크에서 센서 디바이스(1000)는 배터리를 사용하기 때문에 효율적인 전력관리가 반드시 요구되며, 이에 대한 많은 연구가 수행되어 왔다. In the wireless sensor network, since the sensor device 1000 uses a battery, efficient power management is indispensable, and a lot of research has been conducted.

그러나, 대부분의 연구들이 이론적인 측면에 치우쳐 있다. However, most of the studies are theoretical.

본 발명에서는 실제 적용 및 구현 가능한 센서 디바이스를 위한 2개의 전력제어 방식과 1개의 전력관리 방식에 대해 설명하고자 한다.In the present invention, two power control methods and one power management method for a sensor device that can be practically applied and implemented will be described.

도 9는 실시예에 사용된 센서데이터송신수단의 RF 초기 설정 값을 나타내었다.9 shows RF initial setting values of the sensor data transmitting means used in the embodiment.

RF 설정 항목은 RF Frequency, RF Output Power, Rx Filter Bandwidth, Deviation, Data Rate, Modulation, Channel Spacing, Channel Number를 포함하게 된다.The RF setting items include RF Frequency, RF Output Power, Rx Filter Bandwidth, Deviation, Data Rate, Modulation, Channel Spacing, and Channel Number.

RF 설정 항목으로, RF Frequency의 초기설정값은 433 MHz, RF Output Power의 초기설정값은 0 dBm, Rx Filter Bandwidth의 초기설정값은 541.666667 kHz, Deviation의 초기설정값은 127 kHz, Data Rate의 초기설정값은 250 kBaud, Modulation의 초기설정값은 GFSK, Channel Spacing의 초기설정값은 200 kHz, Channel Number의 초기 설정값은 0이다.The initial setting value of RF frequency is 433 MHz, the initial setting value of RF output power is 0 dBm, the initial setting value of Rx Filter Bandwidth is 541.666667 kHz, the initial setting value of Deviation is 127 kHz, The setting value is 250 kBaud. The initial setting value of modulation is GFSK, the initial setting value of channel spacing is 200 kHz, and the initial value of channel number is 0.

그리고, 상기 슬립인터벌제어처리부(3200)는 센서디바이스에서 일정 시간 주기로 센서의 임시 데이터를 전송하도록 제어하며, 전송하는 시간을 제외한 나머지 시간은 슬립 모드로 동작하도록 슬립 인터벌 제어 정보를 게이트웨이로 전송하여 게이트웨이에 의해 센서디바이스로 제공하도록 하기 위한 기능을 수행하게 된다.The sleep interval control processor 3200 controls the sensor device to transmit the temporary data of the sensor at a predetermined time period. The sleep interval control processor 3200 transmits the sleep interval control information to the gateway so as to operate in the sleep mode for the remaining time except for the transmission time, To the sensor device.

예를 들어, IoT환경에서 센서 디바이스는 일정 시간 주기로 센서 정보를 센서데이터관리서버에 보고하게 된다. For example, in an IoT environment, the sensor device reports sensor information to the sensor data management server at a predetermined time period.

보고하는 구간을 제외하고 나머지 시간은 Sleep Mode로 동작하도록 하여 전력 소모를 최소화하는 것이다. Except for the reporting interval, the remaining time is set to sleep mode to minimize power consumption.

따라서, 센서데이터관리서버에서 보고 주기를 가변적으로 운영하면 그만큼 전력을 감소시킬 수 있어 효과적이다. Therefore, if the sensor data management server variably operates the reporting period, the power can be reduced accordingly.

도 10은 서버에 저장된 보고 주기를 센서 디바이스에 적용시키는 방법을 보여준다.10 shows a method of applying a reporting period stored in a server to a sensor device.

센서 디바이스의 센서중앙제어부(170)는 5가지 Sleep 모드 (Idle, ADC Noise Reduction, Power-down, Power-save, Standby)를 제어하게 된다.The sensor central controller 170 of the sensor device controls five sleep modes (Idle, ADC Noise Reduction, Power-down, Power-save, Standby).

이 중에서 가장 많이 전력을 저감할 수 있는 Power-down을 선택하고, Wake-Up 방식으로 Watchdog Timer를 사용하는 것이 가장 바람직하다.It is most preferable to select the power-down that can reduce the power most and to use the watchdog timer with the wake-up method.

한편, 바람직한 실시예에 따라 센서 디바이스(1000)에서 Watchdog Timer는 예를 들어, 8초로 고정되었다면 센서데이터관리서버(3000)는 8의 배수 주기로 센서 데이터를 수신받도록 설정할 수 있다.Meanwhile, according to the preferred embodiment, if the watchdog timer is fixed at 8 seconds, for example, the sensor data management server 3000 can be configured to receive sensor data at a multiple of 8 times.

그리고, 슬립인터벌제어처리부(3200)의 Sleep Interval 제어를 위한 절차는 다음과 같다.  The procedure for controlling the sleep interval of the sleep interval control processor 3200 is as follows.

1) 센서 디바이스(1000)는 게이트웨이(2000)에 데이터를 전송하고 게이트웨이는 센서 디바이스에 정상적으로 응답한다. 1) The sensor device 1000 transmits data to the gateway 2000, and the gateway normally responds to the sensor device.

2) 게이트웨이는 센서데이터관리서버에 센서 정보를 전송하는데 이때 센서데이터관리서버로부터 전력관리디비에 저장되어 있는 Sleep Interval을 수신하여 보관한다. 2) The gateway transmits sensor information to the sensor data management server. At this time, the gateway receives and stores the sleep interval stored in the power management database from the sensor data management server.

이를 위하여 추가적인 양상에 따라, 전력관리디비(3100)에는 슬립 인터벌 정보를 저장할 수 있다.To this end, according to a further aspect, the power management database 3100 may store sleep interval information.

3) 다음번 센서 정보를 수신받을 때 게이트웨이는 응답으로 센서데이터관리서버로부터 수신된 Sleep Interval을 센서 디바이스에 전달한다. 3) When the next sensor information is received, the gateway sends the sleep interval received from the sensor data management server to the sensor device in response.

4) 센서 디바이스는 게이트웨이로부터 응답받은 Sleep Interval을 메모리부에 저장하고 Sleep Mode에 진입한다. 4) The sensor device saves the sleep interval received from the gateway in the memory and enters sleep mode.

그리고 8초 Watchdog Timer가 expire될 때 마다 Wake-up해서 Sleep Interval을 확인한다.Then every 8 seconds Watchdog Timer wakes up every time it is expired to check Sleep Interval.

5) 새롭게 설정된 Sleep Interval과 동일한 시간이 경과 하면 1) 단계부터 반복한다.5) If the same time as the newly set Sleep Interval has elapsed, repeat from step 1).

만약 센서데이터관리서버로부터 전달받은 Sleep Interval이 16초이면 센서 디바이스는 Sleep 후 Wake-up 과정을 2번 수행 후 센서 데이터를 게이트웨이에 전송한다. If the sleep interval received from the sensor data management server is 16 seconds, the sensor device performs the wake-up process twice after sleep and transmits the sensor data to the gateway.

위와 같은 절차를 통한 방식은 Sleep Interval을 제어하고 소모 전력을 저감할 수 있다. The above procedure can control the Sleep Interval and reduce the power consumption.

도 11은 약 200초 동안의 센서 디바이스 Sleep Mode와 Wake-Up의 동작 시퀀스를 보여 준다.11 shows the operation sequence of the sensor device sleep mode and wake-up for about 200 seconds.

도 11에서 볼 수 있듯이 센서 디바이스는 Wake-up에서 약 8mA의 전력을 소모하고, RF 기능을 active 하기 위해 센서데이터송신수단(200)의 파워를 온 시키게 되면 약 28mA 의 전력을 소모한다. As shown in FIG. 11, when the sensor device consumes about 8 mA of power at the wake-up and turns on the power of the sensor data transmitting means 200 to activate the RF function, the sensor device consumes about 28 mA of power.

그리고, 센서데이터송신수단(200)의 파워 오프 및 센서 디바이스의 Sleep Mode로 진입하면 최종적으로 약 0.9mA의 전력만을 사용하므로 효율적인 전력 저감을 달성할 수 있다.When the sensor data transmitting means 200 is powered off and enters the sleep mode of the sensor device, only the power of about 0.9 mA is finally used, so that efficient power reduction can be achieved.

한편, 상기 센서데이터송신수단(200)의 센싱데이터송신부(240)는 RF 출력 파워 관리를 위하여 8단계의 Output Power[dBm] 설정을 위한 Power Table을 제공한다. Meanwhile, the sensing data transmission unit 240 of the sensor data transmission unit 200 provides a power table for setting the output power [dBm] in eight steps for RF output power management.

또한, RF 신호 수신 시 신호 세기를 알 수 있는 RSSI를 제공한다. Also, it provides RSSI which can know the signal strength when receiving RF signal.

따라서, 게이트웨이에서의 게이트웨이중앙제어부(2100)는 수신 세기에 따라 센서 디바이스의 RF Power Table Level을 조절하는 적응 전력 제어를 수행하게 되는 것을 특징으로 한다.Accordingly, the gateway central control unit 2100 in the gateway performs adaptive power control to adjust the RF Power Table Level of the sensor device according to the reception intensity.

게이트웨이에서 센서 디바이스로부터 정보를 전달받을 때 수신 신호 세기를 측정하고 측정된 신호 세기가 사전에 지정한 Threshold보다 작을 경우 Power Level을 증가시키고 큰 경우에는 감소시켜서 게이트웨이 응답데이터 포맷(도 7)의 RF Power Level 필드에 값을 설정한 후, 센서 디바이스에 전송한다. When receiving the information from the sensor device at the gateway, the received signal strength is measured. If the measured signal strength is smaller than the predetermined threshold, the power level is increased. If the measured signal strength is larger than the predetermined threshold, the RF power level After setting a value in the field, the value is transmitted to the sensor device.

응답 시점에 게이트웨이는 자신의 송신 출력 파워를 센서 디바이스에 응답하는 Power Level과 동일하게 설정하여 전송한다. At the time of response, the gateway sets its transmission output power to the same level as the power level responding to the sensor device.

이 과정을 게이트웨이와 연결된 모든 센서 디바이스에 대해 반복 수행함으로써 적응 전력 제어를 수행한다. This process is repeatedly performed for all the sensor devices connected to the gateway, thereby performing adaptive power control.

센서데이터송신수단(200)의 RF Output Power는 -30dBm ~ 10dBm 이고 이에 따른 소모 전류를 도 12에 도시하였다.The RF output power of the sensor data transmitting means 200 is -30 dBm to 10 dBm, and the consumption current according to the RF output power is shown in FIG.

도 12는 RF 파워 0dBm 이상의 출력에서 전력 소모가 급격히 증가함을 보여준다. FIG. 12 shows that power consumption increases sharply at an output of RF power of 0 dBm or more.

따라서, 배터리 수명과 통신 품질을 고려하여 최초 Power Level은 0dBm으로 설정한다.Therefore, the initial power level is set to 0 dBm in consideration of battery life and communication quality.

Data Rate이 250kBaud인 경우 RSSI는 -110dBm에서 -10dBm 까지 측정된다. When the data rate is 250 kBaud, the RSSI is measured from -110 dBm to -10 dBm.

게이트웨이에서는 도 13과 같이, 이를 5단계로 구분하며 Threshold는 4단계로 설정하였다. In the gateway, as shown in FIG. 13, it is divided into 5 levels and the threshold is set to 4 levels.

따라서, RSSI가 4단계 이하이면 도12에 따라 Power Level을 한 단계씩 증가 시키고 4단계 이상이면 Level을 한 단계씩 감소시키는 방법을 통해 센서 디바이스의 전력을 제어한다. Accordingly, when the RSSI is equal to or less than four, the power level of the sensor device is controlled by increasing the power level by one level according to FIG. 12 and decreasing the level by one level when the RSSI is four or more.

위와 같은 적응 전력 제어를 수행하면 RSSI가 3단계와 4단계에서 반복적으로 측정되기 때문에 최적의 통신 품질을 유지하면서 효율적인 전력 관리가 가능하다.When the adaptive power control as described above is performed, the RSSI is repeatedly measured in the third and fourth steps, so that efficient power management is possible while maintaining the optimum communication quality.

본 발명의 센서디바이스(1000)의 센서데이터취득수단(100)은,The sensor data acquisition means (100) of the sensor device (1000)

바람직하게는, 도 12에 도시한 바와 같이, 송신 출력에 따라 소모 전류가 급격히 상승하는 지점인 0 dBm 기준으로 송신 출력을 다수 단계로 분리하는 것을 특징으로 한다.Preferably, as shown in FIG. 12, the transmission output is divided into a plurality of stages on the basis of 0 dBm, which is a point where the consumed current abruptly rises according to the transmission output.

또한, 본 발명의 게이트웨이(2000)는,In the gateway 2000 of the present invention,

바람직하게는, 도 13에 도시한 바와 같이, 센서 디바이스와의 통신을 통해 센서 디바이스의 송신 전력을 적응 제어하기 위하여, 수신세기 영역을 5단계로 구분하되, 0 dBm에 해당되는 수신 세기를 기준으로 임계 영역을 설정하여, 수신 세기가 상기 임계 영역 이하일 경우에 센서 디바이스의 송신 출력을 한 단계씩 증가시키고, 수신 세기가 상기 임계 영역 이상일 경우에 센서 디바이스의 송신 출력을 한 단계씩 감소시키는 것을 특징으로 한다.Preferably, as shown in FIG. 13, in order to adaptively control the transmission power of the sensor device through communication with the sensor device, the reception intensity region is divided into five levels, and based on the reception intensity corresponding to 0 dBm The transmission output of the sensor device is incremented by one step and the transmission output of the sensor device is decreased by one step when the reception intensity is greater than or equal to the critical region, do.

도 14는 적응 전력 제어를 통해 센서 디바이스가 RF 출력 파워를 제어하는 파형을 보이고 도 15는 가변하는 RF 출력 파워에 따라 변화하고 있는 소모 전류의 파형을 보인다.FIG. 14 shows a waveform in which the sensor device controls the RF output power through adaptive power control, and FIG. 15 shows the waveform of the consumed current varying according to the varying RF output power.

도 15는 도 14의 RF Output Power에 따라 소모되는 전력이 증가하거나 감소하는 추세를 보인다. FIG. 15 shows a tendency that power consumed according to the RF output power of FIG. 14 increases or decreases.

따라서, 감소하는 부분에서 적응 전력 제어에 의한 전력 절약이 수행되므로 효율적인 전력관리가 가능하다.Therefore, since the power saving by the adaptive power control is performed in the decreasing part, efficient power management is possible.

한편, 상기 배터리전력관리부(3300)는 센서디바이스에서 전송된 임시 데이터에 포함된 배터리 전압 정보를 참조하여 배터리의 교체 시점을 추정하기 위한 기능을 수행하게 된다.Meanwhile, the battery power management unit 3300 performs a function of estimating the replacement time of the battery by referring to the battery voltage information included in the temporary data transmitted from the sensor device.

IoT 환경에서 사용되는 배터리는 소모성 부품으로 충전은 되지 않고 방전만 계속해서 이루어지므로 적절한 시점에 교체가 요구된다. The battery used in the IoT environment is not charged with consumable parts, and only the discharging is continued, so replacement is required at an appropriate time.

도 5의 데이터 포맷에서 Battery Power Level 필드에 ADC(Analog-Digital Converter)를 통해 측정된 배터리 전압이 전송되므로 센서데이터관리서버는 이를 기준으로 교체 시점을 추정할 수 있어 배터리 관리가 가능하다. In the data format of FIG. 5, since the battery voltage measured by the ADC (analog-digital converter) is transmitted to the battery power level field, the sensor data management server can estimate the replacement time based on the battery voltage.

Battery 잔여 전압 측정은 배터리전압획득부(130)를 통해 수행하여, 예를 들어, 설정된 Voltage reference는 1.1V 이다. The battery residual voltage measurement is performed through the battery voltage obtaining unit 130, for example, the set voltage reference is 1.1V.

따라서 배터리전압획득부(130)를 통해 측정 가능한 전압 레벨은 1.1V 이하이고 도 16과 같은 저항을 이용한 전압 분배 회로를 통해 측정한다. Therefore, the measurable voltage level through the battery voltage obtaining unit 130 is 1.1 V or less and is measured through a voltage distribution circuit using a resistor as shown in FIG.

배터리전압획득부는 V_IN(입력전압)XR1/(R1+R2) 로 계산되기 때문에 입력전압이 3.3V인 경우 1.1V로 측정된다. Since the battery voltage obtaining section is calculated as V_IN (input voltage) XR1 / (R1 + R2), it is measured as 1.1V when the input voltage is 3.3V.

도 17은 이렇게 측정된 배터리 전압을 1차 다항식으로 Poly-nominal Curve Fitting한 모습을 보인다.FIG. 17 shows a state in which the measured battery voltage is polynomially fitted in a first order polynomial.

수많은 실험 결과, 배터리 전압이 2.55V 까지 센서 디바이스는 게이트웨이와 정상적으로 센서 데이터를 취득하면서 통신이 가능하다. As a result of numerous experiments, the sensor device can communicate with the gateway by acquiring the sensor data normally until the battery voltage reaches 2.55V.

따라서, 배터리 전압이 2.55V 도달하면 센서데이터관리서버는 운영자에게 센서 디바이스의 배터리를 교체하도록 알람(경고)을 줄 수 있도록 구성할 수도 있다.Therefore, when the battery voltage reaches 2.55V, the sensor data management server may be configured to give an alarm to the operator to replace the battery of the sensor device.

즉, 배터리전력관리부(3300)는 배터리의 교체 시점을 추정하되, 교체 시점으로 판단될 경우에 관리자단말기로 알람 신호를 송출하는 것을 특징으로 하고 있다.That is, the battery power management unit 3300 estimates the replacement time of the battery, and sends an alarm signal to the administrator terminal when it is determined that the battery is replaced.

또한, RF Output Power를 0dBm으로 적용할 경우 각 단계에서 걸리는 시간 및 소모전류는 도 18과 같이 측정된다.In addition, when RF output power is applied to 0 dBm, the time and consumed current in each step are measured as shown in FIG.

본 발명의 IoT 시스템을 도 18을 기반으로 운영하면 1 시간동안 62.5회가 수행되며 이를 기반으로 전류 소모량을 계산하면 다음과 같다.When the IoT system of the present invention is operated based on FIG. 18, 62.5 times is performed for 1 hour, and the current consumption is calculated based on the 62.5 times.

[(0.97mA X 3500s) + (8mA X 75s) + (8.2mA X 12.5s) + (26 X 12.5s)]/3600s

Figure 112017028480701-pat00001
1.2285mA [(0.97mA X 3500s) + (8mA X 75s) + (8.2mA X 12.5s) + (26 X 12.5s)] / 3600s
Figure 112017028480701-pat00001
1.2285mA

일반적인 AA 배터리의 용량은 2850mAh로 사용 시간은 다음과 같이 계산된다.The capacity of a typical AA battery is 2850 mAh and the operating time is calculated as follows.

2850mAh/1.2285mA

Figure 112017028480701-pat00002
2320 hour/24 hour
Figure 112017028480701-pat00003
96일2850mAh / 1.2285mA
Figure 112017028480701-pat00002
2320 hour / 24 hour
Figure 112017028480701-pat00003
96 days

따라서, 상기와 같이 전력을 관리하게 되면 약 3달 정도를 배터리 교체 없이 사용 가능하며 Sleep Interval을 더 길게 적용하면 그 이상의 기간 동안 사용이 가능하다. Accordingly, if the power is managed as described above, the battery can be used for about three months without replacing the battery. If the sleep interval is longer, the battery can be used for a longer period of time.

또한, 필요시에 배터리를 교체할 수 있으므로 연속성 있는 IoT 통신의 유지가 가능하다. In addition, since the battery can be replaced when necessary, it is possible to maintain continuous IoT communication.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템은, 소규모/저비용의 IoT 환경이 필요한 산업분야에 적용 가능한 시스템 도입의 효율성을 제공하게 된다.As described above, the iOuti system using the wireless sensor network and the gateway of the present invention provides a system introduction efficiency applicable to an industrial field requiring a small-scale / low-cost IoT environment.

이상에서와 같은 내용의 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시된 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. It will be appreciated by those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is to be understood, therefore, that the embodiments described above are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구 범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

1000 : 센서디바이스
2000 : 게이트웨이
3000 : 센서데이터관리서버
1000: Sensor device
2000: Gateway
3000: Sensor data management server

Claims (7)

무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템에 있어서,
온습도센서(10)로부터 온도 및 습도 정보를 획득하며, 조도센서(20)로부터 조도 정보를 획득하며, 배터리(30)로부터 배터리 전압을 획득하되, 획득된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 포함한 임시 데이터를 센서데이터송신수단(200)으로 제공하며, 센서데이터송신수단(200)으로부터 임시 데이터가 모두 전송되었는지에 대한 상태 정보를 획득하기 위한 센서데이터취득수단(100);과
센서데이터취득수단(100)으로부터 제공된 임시 데이터를 임시 저장시키며, 상기 임시 데이터를 게이트웨이로 송신하며, 임시 데이터를 모두 전송하였는지에 대한 상태 정보를 센서데이터취득수단으로 제공하기 위한 센서데이터송신수단(200);을 포함하여 구성되는 센서디바이스(1000)와,

센서디바이스에서 제공된 임시 데이터가 정상인지를 판단하여 체크섬 바이트를 제거하여 브릿지부로 임시 데이터를 제공하기 위한 게이트웨이중앙제어부(2100);와
게이트웨이중앙제어부와 무선통신부 간의 통신을 연결하여 상기 게이트웨이중앙제어부에서 제공된 임시 데이터를 무선통신부로 제공하기 위한 브릿지부(2200);와
상기 브릿지부에서 제공된 임시 데이터를 센서데이터관리서버(3000)으로 송출하기 위한 무선통신부(2300);을 포함하여 구성되는 게이트웨이(2000)와,

상기 게이트웨이에서 전송된 임시 데이터를 획득하여 전력관리디비(3100)에 주기적으로 저장시키기 위한 센서데이터관리서버(3000),를 포함하여 구성되되,
상기 센서데이터관리서버(3000)는,
센서디바이스에서 일정 시간 주기로 센서의 임시 데이터를 전송하도록 제어하며, 전송하는 시간을 제외한 나머지 시간은 슬립 모드로 동작하도록 슬립 인터벌 제어 정보를 게이트웨이로 전송하여 게이트웨이에 의해 센서디바이스로 제공하도록 하기 위한 슬립인터벌제어처리부(3200);와
센서디바이스에서 전송된 임시 데이터에 포함된 배터리 전압 정보를 참조하여 배터리의 교체 시점을 추정하기 위한 배터리전력관리부(3300);를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템.
In an i-thi system using a wireless sensor network and a gateway,
Acquires temperature and humidity information from the temperature and humidity sensor 10, acquires illuminance information from the illuminance sensor 20, acquires battery voltage from the battery 30, and acquires temperature and humidity information, illuminance information, battery voltage information (100) for providing temporary data including the temporary data to the sensor data transmitting means (200) and acquiring status information on whether all the temporary data has been transmitted from the sensor data transmitting means (200)
Sensor data transmitting means (200) for temporarily storing the temporary data provided from the sensor data acquiring means (100), transmitting the temporary data to the gateway, and providing status information about whether or not all the temporary data has been transmitted to the sensor data acquiring means, A sensor device 1000 comprising:

A gateway central controller 2100 for determining whether the temporary data provided by the sensor device is normal and removing the checksum byte and providing temporary data to the bridge unit;
A bridge unit 2200 for connecting communication between the gateway central control unit and the wireless communication unit and providing provisional data provided by the gateway central control unit to the wireless communication unit;
And a wireless communication unit 2300 for transmitting the provisional data provided by the bridge unit to the sensor data management server 3000. The gateway 2000 comprises:

And a sensor data management server 3000 for acquiring temporary data transmitted from the gateway and periodically storing the acquired temporary data in the power management database 3100,
The sensor data management server (3000)
The sensor device controls to transmit the temporary data of the sensor at a predetermined time period and transmits the sleep interval control information to the gateway for the remaining time excluding the transmission time to operate in the sleep mode, A control processing unit 3200;
And a battery power management unit (3300) for estimating a replacement time point of the battery by referring to the battery voltage information included in the temporary data transmitted from the sensor device. system.
제 1항에 있어서,
상기 센서데이터취득수단(100)은,
온습도센서(10)로부터 온도 및 습도 정보를 획득하기 위한 온습도획득부(110);와
조도센서(20)로부터 조도 정보를 획득하기 위한 조도획득부(120);와
배터리(30)로부터 배터리 전압을 획득하기 위한 배터리전압획득부(130);와
패킷 데이터를 저장하고 있는 메모리부(140);와
상기 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 획득하여 센서데이터송신수단(200)의 센싱데이터획득부(210)로 제공하기 위한 센싱데이터취합부(150);와
센서데이터송신수단(200)에서 제공된 임시데이터저장부(230)에 저장된 임시데이터가 모두 전송되었는지 혹은 새로운 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 획득하였는지에 대한 상태 정보를 획득하기 위한 상태정보획득부(160);와
상기 온습도획득부(110), 조도획득부(120), 배터리전압획득부(130), 메모리부(140), 센싱데이터취합부(150), 상태정보획득부(160)의 제어를 수행하기 위한 센서중앙제어부(170);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템.
The method according to claim 1,
The sensor data acquisition means (100)
A temperature / humidity obtaining unit 110 for obtaining temperature and humidity information from the temperature / humidity sensor 10;
An illuminance acquiring unit 120 for acquiring illuminance information from the illuminance sensor 20;
A battery voltage obtaining unit 130 for obtaining a battery voltage from the battery 30;
A memory unit 140 for storing packet data;
A sensing data collecting unit 150 for acquiring the temperature and humidity information, the illuminance information, and the battery voltage information and providing the sensing data to the sensing data obtaining unit 210 of the sensor data transmitting means 200;
Acquiring status information for acquiring status information about whether all the temporary data stored in the temporary data storage unit 230 provided by the sensor data transmitting unit 200 has been transmitted or whether new temperature and humidity information, illuminance information, and battery voltage information are acquired (160); and
The control unit 110 controls the temperature and humidity acquisition unit 110, the illumination acquisition unit 120, the battery voltage acquisition unit 130, the memory unit 140, the sensing data collection unit 150, And a sensor central controller 170. The wireless sensor network and the gateway using the wireless sensor network.
제 1항에 있어서,
상기 센서데이터송신수단(200)은,
상기 센서데이터취득수단(100)의 센싱데이터취합부(150)에서 제공된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 수신받아 임시데이터저장부(230)에 임시 저장시키기 위한 센싱데이터획득부(210);와
상기 센싱데이터획득부에서 제공된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보를 임시 저장하는 임시데이터저장부(230);와
상기 임시데이터저장부에 저장된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보인 임시 데이터를 모두 전송하였는지에 대한 상태 정보를 센서데이터취득수단(100)의 상태정보획득부(160)로 제공하기 위한 상태정보체크부(220);와
상기 임시데이터저장부에 저장된 온도 및 습도 정보, 조도 정보, 배터리 전압 정보인 임시 데이터를 게이트웨이(2000)로 송신하기 위한 센싱데이터송신부(240);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템.
The method according to claim 1,
The sensor data transmitting means (200)
A sensing data acquisition unit 210 for receiving temperature and humidity information, illumination information, and battery voltage information provided from the sensing data collection unit 150 of the sensor data acquisition unit 100 and temporarily storing the received temperature and humidity information, );Wow
A temporary data storage unit 230 for temporarily storing temperature and humidity information, illumination information, and battery voltage information provided by the sensing data acquisition unit;
State information for providing the status information on whether temperature and humidity information, roughness information, and temporary data, which are battery voltage information, all stored in the temporary data storage unit are transmitted to the status information obtaining unit 160 of the sensor data obtaining unit 100, A check unit 220;
And a sensing data transmitter (240) for transmitting temporary data, which is temperature and humidity information, illumination information, and battery voltage information, stored in the temporary data storage, to the gateway (2000) IOuti system using gateway.
삭제delete 제 1항에 있어서,
센서디바이스(1000)의 센서데이터취득수단(100)은,
송신 출력에 따라 소모 전류가 급격히 상승하는 지점인 0 dBm 기준으로 송신 출력을 다수 단계로 분리하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템.
The method according to claim 1,
The sensor data acquisition means 100 of the sensor device 1000,
And the transmission output is divided into a plurality of stages based on 0 dBm, which is a point where the consumption current is rapidly increased according to the transmission power.
제 1항에 있어서,
상기 게이트웨이(2000)는,
센서 디바이스와의 통신을 통해 센서 디바이스의 송신 전력을 적응 제어하기 위하여,
수신세기 영역을 다수 단계로 구분하되, 0 dBm에 해당되는 수신 세기를 기준으로 임계 영역을 설정하여, 수신 세기가 상기 임계 영역 이하일 경우에 센서 디바이스의 송신 출력을 한 단계씩 증가시키고, 수신 세기가 상기 임계 영역 이상일 경우에 센서 디바이스의 송신 출력을 한 단계씩 감소시키는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템.
The method according to claim 1,
The gateway 2000,
In order to adaptively control the transmission power of the sensor device through communication with the sensor device,
A threshold area is set based on a reception intensity corresponding to 0 dBm, and when the reception intensity is less than or equal to the critical area, the transmission output of the sensor device is incremented by one step, And the transmission output of the sensor device is decreased by one step in the case of the critical region or more.
제 1항에 있어서,
상기 게이트웨이(2000)로,
전송되는 임시 데이터 포맷은,
패킷 데이터, 센서 데이터, 파워 데이터를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크와 게이트웨이를 이용한 아이오티 시스템.
The method according to claim 1,
With the gateway 2000,
The temporary data format to be transmitted is,
Packet data, sensor data, and power data.
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