KR20110130963A - 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템 - Google Patents

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KR20110130963A
KR20110130963A KR1020100050547A KR20100050547A KR20110130963A KR 20110130963 A KR20110130963 A KR 20110130963A KR 1020100050547 A KR1020100050547 A KR 1020100050547A KR 20100050547 A KR20100050547 A KR 20100050547A KR 20110130963 A KR20110130963 A KR 20110130963A
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서정태
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신수현
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중앙대학교 산학협력단
주식회사 이포씨
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Abstract

환경을 모니터링 하는 무선 센서 네트워크 시스템이 제공된다. 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템은 환경 센서를 통하여 주변의 대기 환경 정보를 수집하고, 브로드캐스팅 방식으로 상기 수집된 대기 환경 정보를 전달하는 센서 노드, 상기 수집된 대기 환경 정보를 전달받아 증폭하여 브로드 캐스팅 방식으로 송신하는 릴레이 노드 및 상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드로부터 상기 대기 환경 정보를 수신하고, 상기 수신한 대기 환경 정보를 무선 이동통신 신호로 변환하여 중앙서버로 송신하는 코디네이터 노드를 포함하고, 상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드의 설치 위치는 주변 신호의 간섭을 받지 않는 자유 영역(free space)과 반사 및 굴절 신호의 영향을 받는 투 레이 그라운드 영역(two ray ground space)을 고려하여 결정되고, 상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드가 설치되는 간격은 주변 채널 환경의 채널환경 변수를 고려하여 결정되는 것을 특징으로 한다.

Description

환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템{WIRELESS SENSOR NETWORK SYSTEM FOR MONITORING ENVIRONMENT}
본 발명은 무선 센서 네트워크 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 환경을 모니터링 하는 무선 센서 네트워크 시스템에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network)는 많은 센서(Sensor)들이 무선(Wireless) 방식을 통해 네트워크(Network)를 형성하는 것을 의미한다. 즉, 무선 센서 네트워크 기술은 컴퓨팅 능력과 무선통신 능력을 갖춘 센서 노드를 자연환경이나 전장 등에 뿌려 자율적인 네트워크를 형성하고, 서로 간에 무선 네트워크로 획득한 센싱 정보를 송수신하고, 네트워크를 통해 원격지에서 감시/제어 용도로 활용할 수 있는 기술을 말한다.
10m 내외의 단거리에서 사용하는 개인 무선 네트워킹 솔루션인 무선 PAN(Personal Area Network) 기술 중 지그비 기술은 저전력 지그비 송수신기를 빛, 압력, 기온, 습도 등의 검출용 센서와 결합하여 대규모 센서 네트워크를 형성할 수 있게 한다. 최근 지그비 기술은 센서 네트워크와 같은 버티컬 어플리케이션 영역에서 경쟁력 있는 근거리 무선통신 기술로 부각되고 있다. 특히, 최근 부각되고 있는 환경 분야에도 근거리 무선통신 기술을 이용하기 위한 시도가 이루어지고 있다. 종래 환경 분야에서 근거리 무선통신 기술을 이용하는 경우 대기오염도를 실시간으로 공개하고 있으나 일부 지역에만 국한되어 있어 여가를 즐기고자 하는 지점의 환경 정보를 정확히 알 수 없다.
따라서, 실시간으로 다양한 지역 및 사용자의 요구에 대응하는 위치의 환경 정보를 획득할 수 있는 무선 통신 네트워크 및 센서 노드에 대한 기술들이 계속적으로 연구되어야 한다.
본 발명은 주변 신호의 간섭을 받지 않는 자유 영역(free space)과 반사 및 굴절 신호의 영향을 받는 투 레이 그라운드 영역(two ray ground space)을 고려하여 센서 노드의 설치 위치를 결정함에 따라 센서 노드간의 통신거리를 확장시키는 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 채널 환경의 변화에 적응적으로 대처하여 센서 노드의 설치 위치를 결정함에 따라 무선 네트워크의 노드 간의 전송효율을 유지하는 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 실시간으로 대기 환경 정보를 단말 노드에 제공함에 따라 사용자가 현재 있는 위치 및 알고자 하는 위치의 대기 환경 정보를 파악할 수 있는 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템은 환경 센서를 통하여 주변의 대기 환경 정보를 수집하고, 브로드캐스팅 방식으로 상기 수집된 대기 환경 정보를 전달하는 센서 노드, 상기 수집된 대기 환경 정보를 전달받아 증폭하여 브로드 캐스팅 방식으로 송신하는 릴레이 노드 및 상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드로부터 상기 대기 환경 정보를 수신하고, 상기 수신한 대기 환경 정보를 무선 이동통신 신호로 변환하여 중앙서버로 송신하는 코디네이터 노드를 포함하고, 상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드의 설치 위치는 주변 신호의 간섭을 받지 않는 자유 영역(free space)과 반사 및 굴절 신호의 영향을 받는 투 레이 그라운드 영역(two ray ground space)을 고려하여 결정되고, 상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드가 설치되는 간격은 주변 채널 환경의 채널환경 변수를 고려하여 결정되는 것을 특징으로 한다.
상기 센서 노드는 상기 환경 센서를 통하여 주변의 온도, 습도, 조도, 대기오염도 및 진동 중 적어도 하나의 정보를 수집하는 정보 수집부및 상기 수집된 정보를 근거리 무선 통신을 통하여 전송하는 무선 송수신부를 포함할 수 있다.
상기 릴레이 노드는 상기 수집된 대기 환경 정보 패킷에서 소스, 데스티네이션, 시리얼 넘버, 카운트 넘버를 포함하는 프리앰블을 디코딩하고, 상기 카운트 넘버를 증가시켜 데이터가 호핑된 순서를 나타낼 수 있다.
상기 코디네이터 노드의 설치 위치는 주변 신호의 간섭을 받지 않는 자유 영역(free space)과 반사 및 굴절 신호의 영향을 받는 투 레이 그라운드 영역(two ray ground space)을 고려하여 결정된 상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드의 위치보다 상기 자유 영역(free space)에 더 가까울 수 있다.
상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드가 설치되는 간격은 채널 환경 변수를 고려하여 채널 환경 변수 값이 커지면 상기 간격은 좁아지고, 채널 환경 변수 값이 작아지면 상기 간격은 넓어질 수 있다.
상기 코디네이터 코드는 상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드로부터 수신한 상기 대기 환경 정보 패킷에서 소스, 데스티네이션, 시리얼 넘버, 카운트 넘버를 포함하는 프리앰블을 디코딩하고, 상기 카운트 넘버를 기 설정된 카운트 넘버와 비교하여 상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드의 비활성화 여부를 판단할 수 있다.
상기 센서 노드는 상기 센서 노드 보다 낮은 위치에서 주변 환경 정보를 수집하고, 주기적으로 상기 센서 노드에 정보를 전송하는 간이 정보 수집부를 포함할 수 있다.
상기 중앙서버는 상기 수신한 대기 환경 정보를 기 설정된 대기 환경 데이터 베이스에 기초하여 분석하고, 상기 분석 결과인 대기 환경의 상태 정보를 단말 노드에 전송할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템은 주변 채널 환경의 채널환경 변수 및 주변 신호의 간섭을 받지 않는 자유 영역(free space)과 반사 및 굴절 신호의 영향을 받는 투 레이 그라운드 영역(two ray ground space)을 고려하여 결정된 위치에 상기 센서 노드, 상기 릴레이 노드 및 상기 코디네이터 노드 중 하나가 탑재된 가로등을 더 포함할 수 있다.
상기 센서 노드는 제1설정 시간구간에서 온도 및 습도를 측정하여 전송하고, 제2설정 시간구간에서 슬립모드로 전환하고, 제3설정 시간구간에서 온도, 습도, 조도, 대기오염도 및 진동을 측정하여 전송할 수 있다.
본 발명은 주변 신호의 간섭을 받지 않는 자유 영역(free space)과 반사 및 굴절 신호의 영향을 받는 투 레이 그라운드 영역(two ray ground space)을 고려하여 센서 노드의 설치 위치를 결정함에 따라 센서 노드간의 통신거리를 확장시키는 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 채널 환경의 변화에 적응적으로 대처하여 센서 노드의 설치 위치를 결정함에 따라 무선 네트워크의 노드 간의 전송효율을 유지하는 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 실시간으로 대기 환경 정보를 단말 노드에 제공함에 따라 사용자가 현재 있는 위치 및 알고자 하는 위치의 대기 환경 정보를 파악할 수 있는 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 노드를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템에서 노드의 설치 위치를 결정하기 위해 투 레이 그라운드 영역 모델(two ray ground space model)을 적용한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템에서 각 노드간의 간격을 추정하기 위해 로그 디스턴스 모델(log-distance model)을 적용한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템에서 사용되는 데이터 패킷을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템에서 비활성화된 노드를 찾는 방법을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템은 센서 노드(110,112,114), 릴레이 노드(120,122), 코디네이터 노드(130), 중앙서버(140) 및 단말노드(150,152)를 포함한다.
센서 노드(110,112,114)는 환경 센서를 통하여 주변의 대기 환경 정보를 수집하고, 브로드캐스팅(Broadcasting) 방식으로 상기 수집된 대기 환경 정보를 전달한다. 여기서, 환경 센서는 온도센서, 습도센서, 조도센서, 대기오염도 센서, 진동 센서, 가스 센서 등을 포함할 수 있다. 센서 노드(110,112,114)는 브로드캐스팅 방식으로 정보를 전송함으로써 주변에 있는 릴레이 노드, 코디네이터 노드, 단말 노드에 상기 수집한 주변의 대기 환경 정보를 전달할 수 있다.
또한, 센서 노드(110,112,114)는 상기 환경 센서를 통하여 주변의 온도, 습도, 조도, 대기오염도 및 진동 중 적어도 하나의 정보를 수집하는 정보 수집부 및 상기 수집된 정보를 근거리 무선 통신을 통하여 전송하는 무선 송수신부를 포함할 수 있다. 여기서 정보 수집부는 가스 센서를 통하여 오존, 이산화탄소, 이산화질소 중 적어도 하나의 정보를 수집할 수 있다. 무선 송수신부는 근거리 무선 통신을 통하여 상기 수집된 대기 환경 정보를 주변에 있는 단말 노드에 전달할 수 있다. 여기서 근거리 무선 통신에는 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee), 적외선 통신(IrDA), UWB(Ultra Wide Band), Wi-Fi 및 WLAN을 포함할 수 있다.
또한, 센서 노드(110,112,114)는 각 계절의 평균 온도, 습도를 고려한 불쾌지수를 데이터베이스에 저장하고, 수집된 정보와 비교하여 현재의 상태 정보를 단말 노드에 제공할 수 있다. 또한, 센서 노드(110,112,114)는 표 1의 각 대기 물질에 대하여 측정하여 대기오염도를 판단할 수 있고, 정상 농도 및 추천 농도와 비교하여 현재의 상태 정보를 단말 노드에 제공할 수 있다. 여기서 현재의 상태 정보는 오존 주의보, 오존 경보 등을 포함할 수 있다. 종래는 일반 뉴스를 통해 넓은 지역 단위로 대기 환경 정보를 파악할 수 있었지만, 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템을 통하여 사용자가 위치하고 있는 좁은 지역에 대한 환경 정보를 실시간으로 전송 받을 수 있다.
대기 물질 정상농도 추천 농도
O3 0.07 ppm 0.1 ppm (시간당 평균치)
CO - 25 ppm (시간당 평균치)
NO2 0.5 ppm ± 0.1 0.15 ppm (시간당 평균치)
또한, 센서 노드(110,112,114)는 상기 센서 노드 보다 낮은 위치에서 주변 환경 정보를 수집하고, 주기적으로 상기 센서 노드에 정보를 전송하는 간이 정보 수집부를 포함할 수 있다. 센서 노드(110,112,114)가 가로등에 설치되는 경우, 사용자가 접근 할 수 있는 위치에 설치되어 사용자가 위급상황에 처한 경우 사용자의 상태 정보를 송신할 수 있다. 또한, 센서 노드(110,112,114)는 위치를 달리한 여러 개의 간이 정보 수집부를 통해 주변 환경 정보를 수집하여 대기 환경 정보의 정확도를 높일 수 있다.
또한, 센서 노드(110,112,114)는 제1설정 시간구간에서 온도 및 습도를 측정하여 전송하고, 제2설정 시간구간에서 슬립모드로 전환하고, (사람들 전혀 없는 시간에는 전환해서 전력소비 고려) 제3설정 시간구간에서 온도, 습도, 조도, 대기오염도 및 진동을 측정하여 전송할 수 있다. 여기서 제1설정 시간구간은 사용자가 비교적 많지 않은 저녁 시간이 될 수 있다. 제2설정 시간구간은 사용자가 거의 없는 새벽 시간이 될 수 있다. 제3설정 시간구간은 사용자가 가장 많은 오전, 오후 시간이 될 수 있다. 즉, 센서 노드(110,112,114)는 전력 소비를 고려하여 사용자의 정보가 요구되는 시간에 대응하여 수집하는 대기 환경 정보의 종류를 조절할 수 있다.
또한, 센서 노드(110,112,114)는 LED나 LCD 등의 디스플레이 수단을 포함할 수 있다. 즉, 센서 노드(110,112,114)는 수집한 대기 환경 정보를 디스플레이 수단을 통하여 표시할 수 있다. 예를 들면, 센서 노드(110,112,114)는 현재의 공기, 이산화탄소, 이산화질소의 농도 및 기 설정된 기준 농도와 비교하여 정상 농도, 위험 농도여부를 표시할 수 있다.
릴레이 노드(120,122)는 수집된 대기 환경 정보를 전달받아 증폭하여 브로드 캐스팅 방식으로 송신한다. 릴레이 노드(120,122)는 센서 노드(110,112,114)로부터 수신한 대기 환경 정보를 증폭하여 다른 릴레이 노드, 코디네이터 노드, 단말 노드에 송신한다. 즉, 릴레이 노드(120,122)는 센서 노드(110,112,114)가 수집한 정보를 안정적으로 코디네이터 노드 및 단말 노드에 전달하는 역할을 한다.
또한, 릴레이 노드(120,122)는 상기 수집된 대기 환경 정보 패킷에서 소스, 데스티네이션, 시리얼 넘버, 카운트 넘버를 포함하는 프리앰블(preamble)을 디코딩하고, 상기 카운트 넘버를 증가시켜 데이터가 호핑된 순서를 나타낼 수 있다. 센서 노드(110,112,114)가 수집한 정보는 데이터 패킷의 형태로 전송되는데, 패킷의 헤드는 정보를 처음 전송하는 노드의 정보를 가리키는 소스, 소스로부터 정보를 전달 받을 노드의 정보를 가리키는 데스티네이션, 정보를 송수신하는 노드의 고유 시리얼 넘버, 데이터를 호핑 방식으로 전송하는 경우 호핑된 순서를 나타내는 카운트 넘버를 포함할 수 있다. 즉, 릴레이 노드(120,122)는 대기 환경 정보 패킷을 전달받아 카운트 넘버를 증가시킴으로써 데이터 호핑의 순서를 나타낼 수 있다.
코디네이터 노드(130)는 센서 노드(110,112,114) 및 릴레이 노드(120,122)로부터 대기 환경 정보를 수신하고, 상기 수신한 대기 환경 정보를 무선 이동통신 신호로 변환하여 중앙서버로 송신한다. 코디네이터 노드(130)는 대기 환경 정보를 취합하여 중앙서버에 전송함으로써 각 지역별 대기 상황 정보가 기 설정된 전체 지역단위로 분석될 수 있도록 한다.
여기서 무선 이동통신 신호는 WCDMA, GSM, TDMA, LTE 및 LTE-A 등 무선 데이터를 중계하는 모든 이동통신 신호를 포함할 수 있다.
센서 노드(110,112,114), 릴레이 노드(120,122) 및 코디네이터 노드(130)의 설치 위치는 주변 신호의 간섭을 받지 않는 자유 영역(free space)과 반사 및 굴절 신호의 영향을 받는 투 레이 그라운드 영역(two ray ground space)을 고려하여 결정된다. 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 센서 노드(110,112,114), 릴레이 노드(120,122) 및 코디네이터 노드(130)는 임의의 위치에 설치되는 것이 아니고, 투 레이 그라운드 영역 모델(two ray ground space model)을 이용하여 결정된다. 도 3에서 설치 위치를 결정하는 방법에 대해 좀 더 상세히 설명한다.
또한, 센서 노드(110,112,114), 릴레이 노드(120,122) 및 코디네이터 노드(130)가 설치되는 간격은 주변 채널 환경의 채널환경 변수를 고려하여 결정된다. 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 센서 노드(110,112,114), 릴레이 노드(120,122) 및 코디네이터 노드(130)는 통신 채널 환경에 대한 로그 디스턴스 모델(log-distance model)을 이용하여 최대로 통신 가능한 거리를 결정할 수 있다. 도 4에서 노드간 거리를 결정하는 방법에 대해 좀 더 상세히 설명한다.
또한, 코디네이터 노드(130)의 설치 위치는 주변 신호의 간섭을 받지 않는 자유 영역(free space)과 반사 및 굴절 신호의 영향을 받는 투 레이 그라운드 영역(two ray ground space)을 고려하여 결정된 센서 노드(110,112,114) 및 릴레이 노드(120,122)의 위치보다 상기 자유 영역(free space)에 더 가까울 수 있다. 코디네이터 노드(130)를 자유 영역(free space)에 가깝게 설치함으로써 주변 신호의 간섭을 받지 않고, 센서 노드(110,112,114) 및 릴레이 노드(120,122)에서 전송하는 대기 환경 정보를 정확하고, 안정적으로 수신할 수 있다.
중앙서버(140)는 수신한 대기 환경 정보를 기 설정된 대기 환경 데이터 베이스에 기초하여 분석하고, 상기 분석 결과인 대기 환경의 상태 정보를 단말 노드(150,152)에 전송한다. 여기서 대기 환경 데이터베이스는 각 계절별, 분기별, 월별, 시간별 기온, 습도, 조도, 오존량, 이산화탄소량, 이산화질소량 및 지진에 따른 진동수를 포함할 수 있다. 중앙서버(140)는 코디네이터 노드(130)로부터 전송 받은 각 지역의 대기 환경 정보를 더 큰 단위의 지역별로 분석하여 광역 대기 환경 정보를 생성할 수 있고, 광역 대기 환경 정보를 단말 노드에 전송할 수 있다.
단말노드(150,152)는 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템에서 대기 환경 정보를 요청하고, 요청에 대응한 대기 환경 정보를 수신할 수 있는 단말이다. 예를 들면, 단말노드(150,152)는 핸드폰, 스마트폰, PDA, 노트북, PMP 및 MP3일 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템은 주변 채널 환경의 채널환경 변수 및 주변 신호의 간섭을 받지 않는 자유 영역(free space)과 반사 및 굴절 신호의 영향을 받는 투 레이 그라운드 영역(two ray ground space)을 고려하여 결정된 위치에 센서 노드(110,112,114), 릴레이 노드(120,122) 및 코디네이터 노드(130)중 하나가 탑재된 가로등을 더 포함할 수 있다. 가로등은 센서 노드(110,112,114)를 탑재함으로써 대기 환경 정보를 수집하여 사용자에게 현재의 대기 환경 정보를 실시간으로 전송할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 노드를 나타낸 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템은 센서 노드, 릴레이 노드, 코디네이터 노드 및 단말 노드를 포함한다. 센서 노드는 센서 노드 주변의 대기 환경 정보를 수집하는 정보 수집부 및 상기 수집한 대기 환경 정보를 릴레이 노드 및 단말 노드에 브로드캐스팅 방식으로 전달하는 무선 송수신부를 포함할 수 있다. 릴레이 노드는 센서 노드로부터 대기 환경 정보를 전달 받고, 정보의 오류 여부를 검토하고, 신호의 세기를 증폭하여 코디네이터 노드 및 단말 노드에 대기 환경 정보를 전달할 수 있다. 코디네이터 노드는 센서 노드 및 릴레이 노드로부터 대기 환경 정보를 전달 받아 취합하여 중앙 서버에 전송한다. 즉, 코디네이터 노드는 중앙 제어 서버와 연결되어 전체 노드를 관리하는 역할을 할 수 있다. 단말 노드는 센서 노드 및 릴레이 노드에 대기 환경 정보를 요청하고, 요청에 대응하는 대기 환경 정보를 브로드 캐스팅 방식으로 수신할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템에서 노드의 설치 위치를 결정하기 위해 투 레이 그라운드 영역 모델(two ray ground space model)을 적용한 그래프이다.
본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템에서 노드의 설치 위치는 신호가 반사 및 굴절되는 영역을 고려한 투 레이 그라운드 영역(two ray ground space)과 가시경로(Line of Sight, LOS) 환경의 자유 영역(free space)을 고려하여 결정된다. 수학식 1 은 투 레이 그라운드 영역 모델(two ray ground space model)을 적용한 것이다. 여기서
Figure pat00001
는 송신 노드와 수신 노드 사이의 거리,
Figure pat00002
는 송신 노드의 높이,
Figure pat00003
는 수신 노드의 높이,
Figure pat00004
는 전송 신호의 파장을 의미한다. 도 3에서는 주파수 2.4㎓를 사용하였고, 송신 노드와 수신 노드 사이의 거리를 200m, 송신 노드와 수신 노드의 높이를 같게 하여 계산하였다. 도 3을 참조하면 자유 영역(free space)에서 신호를 송수신하기 위해서는 3.5m 이상의 높이에 노드가 위치하면 된다. 따라서, 노드를 가로등에 탑재하는 경우에는 3.5m 에서 4m 높이에 설치하는 것을 고려할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00005
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템에서 각 노드 간의 간격을 추정하기 위해 로그 디스턴스 모델(log-distance model)을 적용한 그래프이다.
로그 디스턴스 모델(log-distance model)은 채널 환경을 고려하여 거리에 따른 수신 신호의 세기를 모델링 한 것이다. 표 2를 참조하면, 다양한 환경에서 채널 환경의 변수(Path Loss Exponent)가 나타나 있다. 채널 환경의 변수 값은 수학식 2에서 n 값으로 사용된다.
환경 채널 환경 변수 환경 채널 환경 변수
자유 영역 2 빌딩 내부 가시경로 영역 1.6 to 1.8
도심 전파 영역 2.7 to 3.5 빌딩 내부 혼잡경로 영역 4 to 6
준도심 전파 영역 3 to 5 공장 내부 혼잡경로 영역 2 to 3
본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템에서 각 노드 간의 간격은 정보를 주고 받는 노드의 주변 채널환경에 따라 달라질 수 있다. 주변 채널 환경이 노드 간의 거리에 미치는 영향은 로그 디스턴스 모델(log-distance model)을 이용한 수학식 2에 반영되어 있다. 여기서
Figure pat00006
는 기준거리이고,
Figure pat00007
는 노드 간의 거리이며, n 은 표 2의 채널 환경 변수(Path Loss Exponent) 값이다. 도 4에서는 각 노드간에 사용되는 주파수는 2.4㎓, 송신 전력은 7dBm, 송신 안테나의 이득은 3dBi, 수신 안테나의 이득은 6dBi, 대역폭은 2㎒, 시스템에 요구되는 SNRmin은 2dBm, 기준거리는 1m 에서 수학식 2를 계산하였다. 도 4는 거리에 따른 수신 전력을 나타낸 도면인데, n 값에 따라 그 기울기가 다르다. 채널 환경 변수 n 값은 표 2에서 센서 노드가 가장 많이 활용될 수 있는 준도심 전파영역(Shadow urban cellular radio)을 적용하여 3에서 5의 범위로 설정하였다. n 값이 3에서 5인 범위에서 민감도(Sensitivity) 가 -91dBm인 경우에 노드 간의 거리는 40m 에서 400m까지 정보의 송수신이 가능하다. 따라서, 채널 환경이 준도심 전파영역(Shadow urban cellular radio)인 경우에 200m를 기준으로 노드 간의 거리를 설정하고, 투 레이 그라운드 영역 모델(two ray ground space model)을 이용하여 노드의 높이를 결정할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00008
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템에서 센서 노드 및 릴레이 노드가 설치되는 간격은 채널 환경 변수를 고려하여 채널 환경 변수 값이 커지면 노드 간의 간격은 좁아지고, 채널 환경 변수 값이 작아지면 노드 간의 간격은 넓어질 수 있다. 즉, 채널 환경 변수 값이 커지는 것은 전송 효율이 나빠지는 것을 의미하므로 전송 효율을 유지하기 위해서는 노드 간의 거리가 가까워져야 되고, 채널 환경 변수 값이 작아지는 것은 신호의 전송 효율이 좋아지는 것을 의미하므로 전송 효율이 유지되는 범위에서 노드 간의 거리가 멀어질 수 있다.
또한, 센서 노드 및 릴레이 노드는 채널 환경 변수 값을 고려하여 송신 전력을 조절할 수 있다. 노드 간에 데이터 전송이 이루어지는 경우, 송신 노드는 수신 노드에 기존 전력으로 데이터를 전송하고, RSSI(Received Signal Strength Indicator), LQI(Link Quality Indicator) 값을 이용하여 송신 전력을 조절하여 데이터를 전송할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템에서 사용되는 데이터 패킷을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템에서 데이터 패킷의 프리앰블(preamble)은 정보를 처음 전송하는 노드의 정보를 가리키는 소스, 소스로부터 정보를 전달 받을 노드의 정보를 가리키는 데스티네이션, 정보를 송수신하는 각 노드의 고유 시리얼 넘버, 데이터를 호핑 방식으로 전송하는 경우 호핑된 순서를 나타내는 카운트 넘버로 정의될 수 있다. 여기서 카운트 넘버는 데이터가 호핑 방식으로 전송되는 경우 최소 전송거리로 설정된 노드 간에 수신 노드가 패킷의 프리앰블을 디코딩하여 카운트 넘버를 증가시킴으로써 데이터 호핑의 순서를 표시할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템에서 비활성화된 노드를 찾는 방법을 나타낸 도면이다
코디네이터 코드는 센서 노드 및 릴레이 노드로부터 수신한 대기 환경 정보 패킷에서 소스, 데스티네이션, 시리얼 넘버, 카운트 넘버를 포함하는 프리앰블을 디코딩하고, 상기 카운트 넘버를 기 설정된 카운트 넘버와 비교하여 상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드의 비활성화 여부를 판단할 수 있다. 정보를 수신한 노드는 데이터 패킷의 프리앰블을 디코딩하여 카운트 넘버를 검출하고, 각 노드에 기 설정되어 있는 소스와 데스티네이션을 기준으로 한 카운트 넘버와 검출된 카운트 넘버를 비교하여 전송 과정 중에 발생한 노드의 비활성화 여부를 판단할 수 있다. 이때 정보를 송수신한 노드의 시리얼넘버를 데이터 패킷에 저장하는 형식 또는 헬로메시지를 통해 정보를 전달받아야 하는 노드로부터 헬로메시지를 수신한 경우에 헬로메시지 수신여부를 패킷에 표시하는 방식으로 정보를 전송하는 노드의 비활성화 여부를 판단할 수 있다.
도 6을 참조하면, A노드에서 H노드로 정보를 전송하는 경우에 소스는 A, 데스티네이션은 H가 될 수 있고, 중간의 B에서 G까지 릴레이 노드가 될 수 있다. A노드에서 H노드까지 최단 전송 경로가 A→C→D→E→F→H로 기 설정되어 있다면, A노드에서 데이터 패킷의 카운트 넘버는 0이고, 각 노드를 통과할 때마다 하나씩 증가하여 H노드에서는 카운트 넘버가 5가 되어야 한다. 그런데 H노드에서 카운트 넘버가 5가 아닌 다른 경우에는 릴레이 노드가 비활성화 되거나 최단 전송 경로가 아닌 추가 릴레이 노드를 경유하여 정보가 전송되었다는 것을 의미한다. 카운트 넘버가 5가 되는 경우에도 최단 전송 경로가 아닌 다른 노드를 경유할 수 있으나, 각 노드는 자신 노드와 최단 전송 경로에 있는 노드의 시리얼 넘버를 저장해 놓음으로써 최단 전송 경로의 노드로부터 정보를 수신하고, 최단 전송 경로의 노드로 정보를 송신함으로써 최단 전송 경로를 벗어나지 않도록 할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (10)

  1. 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템에 있어서,
    환경 센서를 통하여 주변의 대기 환경 정보를 수집하고, 브로드캐스팅 방식으로 상기 수집된 대기 환경 정보를 전달하는 센서 노드;
    상기 수집된 대기 환경 정보를 전달받아 증폭하여 브로드 캐스팅 방식으로 송신하는 릴레이 노드; 및
    상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드로부터 상기 대기 환경 정보를 수신하고, 상기 수신한 대기 환경 정보를 무선 이동통신 신호로 변환하여 중앙서버로 송신하는 코디네이터 노드;
    를 포함하고,
    상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드의 설치 위치는 주변 신호의 간섭을 받지 않는 자유 영역(free space)과 반사 및 굴절 신호의 영향을 받는 투 레이 그라운드 영역(two ray ground space)을 고려하여 결정되고, 상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드가 설치되는 간격은 주변 채널 환경의 채널환경 변수를 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서 노드는
    상기 환경 센서를 통하여 주변의 온도, 습도, 조도, 대기오염도 및 진동중 적어도 하나의 정보를 수집하는 정보 수집부; 및
    상기 수집된 정보를 근거리 무선 통신을 통하여 전송하는 무선 송수신부
    를 포함하는 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 릴레이 노드는 상기 수집된 대기 환경 정보 패킷에서 소스, 데스티네이션, 시리얼 넘버, 카운트 넘버를 포함하는 프리앰블을 디코딩하고, 상기 카운트 넘버를 증가시켜 데이터가 호핑된 순서를 나타내는 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코디네이터 노드의 설치 위치는 주변 신호의 간섭을 받지 않는 자유 영역(free space)과 반사 및 굴절 신호의 영향을 받는 투 레이 그라운드 영역(two ray ground space)을 고려하여 결정된 상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드의 위치보다 상기 자유 영역(free space)에 더 가까운 것을 특징으로 하는 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드가 설치되는 간격은 채널 환경 변수를 고려하여 채널 환경 변수 값이 커지면 상기 간격은 좁아지고, 채널 환경 변수 값이 작아지면 상기 간격은 넓어지는 것을 특징으로 하는 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코디네이터 코드는 상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드로부터 수신한 상기 대기 환경 정보 패킷에서 소스, 데스티네이션, 시리얼 넘버, 카운트 넘버를 포함하는 프리앰블을 디코딩하고, 상기 카운트 넘버를 기 설정된 카운트 넘버와 비교하여 상기 센서 노드 및 상기 릴레이 노드의 비활성화 여부를 판단하는 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 센서 노드는
    상기 센서 노드 보다 낮은 위치에서 주변 환경 정보를 수집하고, 주기적으로 상기 센서 노드에 정보를 전송하는 간이 정보 수집부를 포함하는 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 중앙서버는 상기 수신한 대기 환경 정보를 기 설정된 대기 환경 데이터 베이스에 기초하여 분석하고, 상기 분석 결과인 대기 환경의 상태 정보를 단말 노드에 전송하는 것을 특징으로 하는 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    주변 채널 환경의 채널환경 변수 및 주변 신호의 간섭을 받지 않는 자유 영역(free space)과 반사 및 굴절 신호의 영향을 받는 투 레이 그라운드 영역(two ray ground space)을 고려하여 결정된 위치에 상기 센서 노드, 상기 릴레이 노드 및 상기 코디네이터 노드 중 하나가 탑재된 가로등
    을 더 포함하는 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 센서 노드는
    제1설정 시간구간에서 온도 및 습도를 측정하여 전송하고,
    제2설정 시간구간에서 슬립모드로 전환하고,
    제3설정 시간구간에서 온도, 습도, 조도, 대기오염도 및 진동을 측정하여 전송하는 것을 특징으로 하는 환경 모니터링 무선 센서 네트워크 시스템.
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