KR20140129938A - 홈 영역 네트워크에서 배터리 운영 기기와의 통신을 위한 데이터 미러링 방법 - Google Patents

Abstract

발 발명의 일 양상에 따르면, 홈 영역 네트워크에서 배터리 운영 기기와 스마트 가전 간의 데이터 통신 방법에 있어서, 스마트 가전 기기가 상기 데이터 미러 기기로 부터 배터리 운영 기기의 정보를 획득하는 단계; 상기 스마트 가전 기기가 데이터 미러 기기에게 상기 배터리 운영 기기를 최종 수신자로 하는 제1 메시지를 송신하는 단계; 상기 데이터 미러 기기가 상기 제1 메시지를 저장하고, 상기 제1 메시지의 종류에 따라 이에 대응하는 제1 메시지 식별자를 저장하는 단계; 상기 배터리 운영 기기가 임의의 주기로 동작을 개시하여 데이터 미러 기기에게 제2 메시지를 송신하는 단계; 상기 데이터 미러 기기가 상기 제1 메시지 식별자를 상기 제2 메시지에 대응하는 응답 메시지에 포함하여 송신하는 단계; 상기 배터리 운영 기기가 상기 제1 메시지 식별자를 분석하여 대응하는 상기 제1 메시지의 원본 요청 여부를 결정하는 제1 결정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 통신 방법을 제공될 수 있다.

Description

홈 영역 네트워크에서 배터리 운영 기기와의 통신을 위한 데이터 미러링 방법 {DATA MIRRORING METHOD FOR BATTERY OPERATED DEVICE IN HOME AREA NETWORK}

본 개시의 다양한 실시예들은 일반적으로 데이터 미러링과 관련되며, 보다 상세하게는 가정용 스마트 그리드가 구현되는 홈 영역 네트워크에서 배터리 운영 기기와의 효율적인 통신을 위한 데이터 미러링을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

인터넷과 초고속 통신과 같은 IT 기술은 최근 눈부신 발전을 거듭하고 있다. 환경 문제에 대한 인식이 변화되고 친환경 기술에 대한 높은 사회적 관심으로 인해 IT와 전력산업의 결합인 스마트 그리드 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 스마트 그리드는 IT와 전력기술의 융합을 통해 안정적이고 고효율의 지능화된 전력망을 구현하여 환경 오염은 최소화하며 효율적으로 에너지를 사용하는 기술이다. 스마트 그리드는 기존의 전력망에 정보기술을 접목하여 전력 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환함으로써 불필요한 발전을 최소화하고 전력 사용의 효율성을 증대시키는 차세대 지능형 전력망이다.

스마트 그리드 시스템에서 발전 시설은 화력발전, 수력발전, 원자력발전 같은 전통적인 거대 발전소들과, 새롭게 각광받고 있는 신재생에너지인 태양열 또는 풍력을 이용한 태양열 발전소와 풍력발전소를 포함한다. 상기 거대 발전소들은 송전선을 통하여 송전소로 전력을 보내고, 송전소에서는 변전소로 전기를 보내어 전기가 가정이나 사무실 같은 최종 수용가로 분배되도록 한다. 대규모 신재생 발전단지에서 생산된 전기도 변전소로 보내져 각 수요처로 분배되도록 한다.

스마트 그리드에서는 전기로 작동되는 많은 기기들을 IT 통신망으로 연결하며 정보 교환을 통하여 에너지 수급을 효율적으로 조절한다. 기존 전력망의 가장 큰 문제점은 단방향 전력 공급 및 단순한 계량 시설로 인해 최종 수용가(집, 공장, 상업시설)에서의 전력 사용량을 실시간으로 알지 못해 전력 공급을 최적화하지 못한다는 것이었다. 스마트 그리드 환경에서는 스마트 미터(Smart Meter)를 통해 실시간으로 사용되는 에너지 사용량을 수집할 수 있게 됨으로써 발전량 조절 및 향후 전력 사용량 예측이 가능하여, 에너지 비용을 차등적으로 할 수 있어 전력 사용을 효율적으로 분배할 수 있게 된다.

가정 내 스마트 그리드 환경에서는 스마트 미터를 포함한 각 가전 기기들 간의 통신을 통하여 에너지 관련 정보를 주고 받게 된다. 상기 목적으로 사용이 가능한 유무선 통신 기술은 여러 방식이 존재하나 현재까지 가장 많은 제품에 탑재된 기술은 지그비(ZigBee) 기술이다. 저속 무선 사설 네트워크(LR-WPAN: Low Rate Wireless Personal Area Network) 기술의 하나인 지그비(ZigBee)는 저전력, 저비용이 특징으로, 2.4GHz 주파수 대역에서 스마트 그리드 및 홈 오토메이션 응용 등을 위한 개인 무선 네트워크 규격이다.

도 1은 지그비(ZigBee)와 IEEE 802.15.4 표준이 적용되는 각 계층을 도시한 것이다.

지그비 통신방식은 근거리 네트워킹을 위한 통신 표준으로 MAC(Medium Access Control) 계층 및 물리(PHY: Physical Layer) 계층은 IEEE 802.15.4 표준을 채용하며, 네트워크 계층 및 응용 계층은 ZigBee Alliance에서 표준을 제정한다. 지그비 통신방식은 가정, 사무실 등의 환경에서 수십 미터 내외의 근거리 통신 서비스를 제공하며, 사물 인터넷(IoT: Internet of Things)를 구현하여 유비쿼터스 컴퓨팅을 실현시킬 통신 기술들 중 하나이다. 특히 지그비 통신방식은 전력소모를 최소화할 수 있어 배터리 기반의 다양한 스마트 그리드용 장치나 가정용 센서들에도 탑재가 가능하다.

지그비 표준을 참조하면, 지그비는 ISM(Industrial, Scientific and Medical) 대역인 2.4GHz, 915MHz, 및 868MHz 주파수 대역들을 사용 가능하며, 주파수별로 2.4GHz 대역에서 16개 채널을 사용하여 250Kbps의 전송 속도를, 915MHz 대역에서 10개 채널을 사용하며 40kbps의 전송 속도를, 868MHz 대역에서 1개 채널을 사용하여 20kbps의 전송 속도를 가질 수 있으며, 물리 계층에서는 DSSS(Direct Secure Spread Spectrum) 기술을 사용한다. 이를 종합하면 지그비 기술을 통하여 수십m 내에서 20~250kbps의 속도로 데이터를 교환하고, 하나의 PAN(Personal Area Network)에 최대 255대까지의 기기를 연결하여, 실내외에 대규모 무선 센서 네트워크를 구성할 수 있다.

본 발명의 목적은 홈 영역 네트워크에서 배터리 운영 기기와 스마트 가전 간에 데이터 통신 방법 및 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

홈 영역 네트워크에서 배터리 운영 기기와 스마트 가전 간의 데이터 통신 방법에 있어서, 스마트 가전 기기가 상기 데이터 미러 기기로 부터 배터리 운영 기기의 정보를 획득하는 단계; 상기 스마트 가전 기기가 데이터 미러 기기에게 상기 배터리 운영 기기를 최종 수신자로 하는 제1 메시지를 송신하는 단계; 상기 데이터 미러 기기가 상기 제1 메시지를 저장하고, 상기 제1 메시지의 종류에 따라 이에 대응하는 제1 메시지 식별자를 저장하는 단계; 상기 배터리 운영 기기가 임의의 주기로 동작을 개시하여 데이터 미러 기기에게 제2 메시지를 송신하는 단계; 상기 데이터 미러 기기가 상기 제1 메시지 식별자를 상기 제2 메시지에 대응하는 응답 메시지에 포함하여 송신하는 단계; 상기 배터리 운영 기기가 상기 제1 메시지 식별자를 분석하여 대응하는 상기 제1 메시지의 원본 요청 여부를 결정하는 제1 결정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 통신 방법을 제공한다.

본 발명에 의한 데이터 통신 방법에 있어서 배터리 운영 기기가 데이터 미러 기기에게 데이터 미러링 서비스를 요청하는 단계를 더 포함하고, 상기 배터리 운영 기기가 주변의 홈 영역 네트워크 기기들 중에서 데이터 저장 용량이 일정 수준 이상인 기기를 데이터 미러 기기로 선택하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 의한 데이터 통신 방법에 있어서 상기 제1 결정 단계의 결과로 상기 배터리 운영 기기가 상기 데이터 미러 기기에게 제1 메시지를 요청하는 단계; 및 상기 요청을 수신한 상기 데이터 미러 기기가 상기 제1 메시지의 원본 저장 여부에 따라 제1 메시지의 전달 방법을 결정하는 제2 결정 단계; 상기 제2 결정 단계의 결과로 상기 데이터 미러 기기가 상기 제1 메시지를 배터리 운영 기기에게 송신하는 단계; 상기 데이터 미러 기기가 상기 제1 메시지 전달 결과를 상기 스마트 가전에게 송신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 의한 데이터 통신 방법에 있어서 상기 제1 결정 단계의 결과로 상기 배터리 운영 기기가 상기 데이터 미러 기기에게 제1 메시지를 요청하는 단계; 및 상기 요청을 수신한 상기 데이터 미러 기기가 상기 제1 메시지의 원본 저장 여부에 따라 제1 메시지의 전달 방법을 결정하는 제2 결정 단계; 상기 제2 결정 단계의 결과로 상기 데이터 미러 기기가 상기 제1 메시지 요청을 상기 스마트 가전에게 송신하는 단계; 상기 스마트 가전이 상기 상기 제1 메시지를 상기 배터리 운영 기기에게 송신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 실시예에 따르면 홈 영역 네트워크에서 대부분의 시간 동안 sleep 모드로 동작하는 배터리 운영 기기에게도 메시지를 송신하는 것? 가능하다. 특히 본 발명의 실시예에 의하면 상기 배터리 운영 기기가 하나 이상의 데이터 미러링 기기를 설정한 후 외부의 스마트 가전이 상기 배터리 운영 기기와 통신을 원하는 경우 상기 데이터 미러링 기기를 통해 미러링 서비스를 받을 수 있다.

도 1은 지그비(ZigBee)와 IEEE 802.15.4 표준이 적용되는 각 계층을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관련된 스마트 그리드의 홈 영역 네트워크 시스템 구성도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 홈 영역 네트워크 기기를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 관련된 지그비 표준 및 IEEE 802.15.4 표준에서 정의하는 통신 프레임 구조를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 관련된 지그비 무선네트워크의 토폴로지(Topology)를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 관련된 데이터 미러링 클러스터의 배터리 운영 기기, 데이터 미러 기기, 스마트 가전간의 관계를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 관련된 배터리 운영 기기와 스마트 가전 기기간의 통신 단계를 도시한 것이다.

본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 명확히 설명하기 위한 것이므로, 본 발명이 본 명세서에 기재된 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 본 발명의 사상을 벗어나지 아니하는 수정예 또는 변형예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용되는 용어와 첨부된 도면은 본 발명을 용이하게 설명하기 위한 것이고, 도면에 도시된 형상은 필요에 따라 본 발명의 이해를 돕기 위하여 과장되어 표시된 것이므로, 본 발명이 본 명세서에서 사용되는 용어와 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.

본 명세서에서 본 발명에 관련된 공지의 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 이에 관한 자세한 설명은 필요에 따라 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 관련된 스마트 그리드의 홈 영역 네트워크 시스템 구성도를 도시한 것이다.

상기 도 2를 참조하면, 홈 영역 네트워크 내 기기들은 지그비(ZigBee), 무선랜(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), PLC(Power Line Communication), 이더넷(Ehternet) 모듈들을 탑재하여 서로 간에 데이터를 송수신할 수 있다. 집안 내부에서의 통신은 상기 무선 또는 유선을 통하여 이루어질 수 있다. 그리고, 각 홈 영역 네트워크 기기들은 우선적으로 HEMS서버(101)와의 통신이 가능한 것이 바람직하며 또한 각 홈 영역 네트워크 기기들은 다른 홈 영역 네트워크 기기들과 상호 연결되어 통신이 가능하도록 배치하는 것이 바람직하다.

상기 홈 영역 네트워크 기기는 스마트 가전(105), In-Home Display(106), 공조설비(107a)와 연결되어 이를 조절하는 온도조절기(107), 전기차(108a)를 충전하는 전기차 충전기(108), 가정용 배터리(109a)와 연결되어 충방전을 제어하는 배터리 인버터(109), 배터리로 동작하는 배터리 운영 기기(103) 및 상기 배터리 운영 기기(103)의 데이터를 미러링 해주는 데이터 미러 기기(104), 사용자의 모바일 기기(110), 태양광 발전기(120a)에서 발전된 직류 전기를 교류로 변환하는 태양광 인버터(120), 풍력 발전기(130a)에서 발전된 직류 전기를 교류로 변환하는 태양광 인버터(130) 등 에너지 제어가 필요한 다양한 기기들을 통칭한다.

상기 가정 내 스마트 그리드에서는 가정의 실시간 전력관리 및 소요전력의 실시간 예측을 담당하는 HEMS(Home Energy Management System)서버(101) 및 전력의 소모량을 실시간으로 계측하는 스마트 미터(102)가 중추적인 역할을 담당한다.

상기 HEMS(Home Energy Management System)서버(101)는 홈 에너지 관리 시스템의 중심 기기로서, 전력 부가 서비스 사업자(300)가 운영하는 HEMS 관리서버(301)로부터 수신한 에너지 관련 정보에 대응하여 홈 영역 네트워크 내 기기들의 부하제어(Load control) 및 에너지 사용량 조절을 수행한다. 상기 HEMS서버(101)는 별도의 물리적인 기기로서 독립적으로 존재할 수도 있으며, 상기 스마트 미터(102)에 해당 기능이 내장되거나, TV와 같은 스마트 가전(105)에 해당 기능이 내장되어 결합될 수 도 있다. 서비스 사업자의 HEMS 관리 서버(105)는 수용가의 HEMS서버(101)를 원격에서 관리하고 설정하는 기능을 수행 한다.

상기 스마트 미터(102)는 시간대별 가정의 전체 사용량을 측정하여 이를 전력회사(200)가 운영하는 AMI 서버(201)로 송신할 수 있는 기능을 갖추고 있는 통신 기능이 장착된 전자식 전력량계이다. 기존 기계식 전력량계와 다르게 LCD 디스플레이를 구비할 수 있으며, 전력 사용량을 실시간으로 측정하여 전력회사 및 사용자에게 각각 이웃 영역 네트워크(204) 및 홈 영역 네트워크(100) 통신 기능을 통해 양방향으로 메시지 전달이 가능하다. 따라서, 상기 스마트 미터(102)를 통해, 전력회사(200)와 사용자는 인력을 통한 검침 비용의 절감 및 에너지 비용 절약 등의 효과를 각각 거둘 수 있다.

사무실이나 가정에 설치된 스마트 미터는 각 수용가에서 사용되는 실시간 전력량을 파악하여 AMI서버(201)로 송신하며, 반대로 AMI서버(201)로부터 실시간 전기요금, 부하제어, 알림 메시지 등을 수신하여 사용자나 홈 영역 네트워크 기기들에게 공유할 수 있다. 이를 통하여 사용자는 현재 사용되는 전력량 및 전기요금을 인지하여 상황에 따라 전력소모량이나 전기요금을 줄이는 방안을 강구할 수 있다.

수용가의 전력 사용량을 실시간으로 모니터링 하는 AMI(Advanced Metering Infrastructure) 시스템은 스마트 그리드의 핵심 인프라라고 할 수 있다. AMI는 실시간으로 에너지 사용량을 수집할 수 있는 시스템으로서, 각 가정에 설치되어 전체 전력 이용량을 측정하는 스마트 미터(102)와, 다수의 스마트 미터들로부터 데이터를 수집하는 중간 데이터 수집장치인 DCU(Data Collection Unit)(203), 최종적으로 다수의 DCU(203)들로부터 대규모 영역 네트워크(202)를 통해 데이터를 수집하는 AMI 서버(201)로 구성된다. 여기서, DCU(203)는 인접한 다수의 스마트 미터(102)와 이웃 영역 네트워크 (NAN: Neighborhood Area Network)를 통해서 통신하고, AMI 서버(50)와는 대규모 영역 네트워크 (WAN: Wide Area network)을 통해서 통신한다. 또한 스마트 미터는 집안의 가전 기기들과 홈 영역 네트워크 (HAN: Home Area Network)(100)을 통해서 통신한다. AMI 서버(201)는 전력회사(200) 의 망 내에 위치한 서버로서 스마트 미터(102)를 관리하고 상기 스마트 미터(102)에 실시간 에너지 가격 정보를 전송하거나 스마트 미터(102)로부터 수용가의 실시간 에너지 사용량을 수집한다.

홈 영역 네트워크에서 태양광 발전기(120a)나 풍력 발전기(130a)를 통하여 전기를 자체적으로 생산한 후 이를 교류로 변환하는 태양광 인버터(120)나 풍력 인버터(130)를 통하여 집안에 전기를 자체 공급할 수 있고, 남는 전기는 외부에 되팔수도 있다.

상기 IHD(In-Home Display)(106)는 가정의 실시간 에너지 사용량을 디스플레이하는 장치로써 각종 전력 사용량, 수도 사용량, 가스 사용량, 가전별 사용량, 실시간 에너지 요금, 실시간 발전량, 부하 제어 메시지, 전력 회사 공지 사항 및 기타 정보들을 표시하는 장치이다.

모바일 기기(110)는 스마트폰, 컴퓨터 등 홈 영역 네트워크 기기들과 무선통신이 가능한 휴대용 장치이다.

수용가에서 HEMS서버(101)와 스마트 미터(102)와 홈 영역 네트워크 기기들은 수요반응을 위해 에너지 프로파일이라 불리는 응용 표준 프로토콜을 통해 메시지를 주고 받는다. 상기 에너지 프로파일의 일례로 ZigBee SEP(Smart Energy Profile) 에너지 프로파일이 있으며 SEP 표준은 ZigBee 통신 기술에서만 동작하는 SEP 1.x 버전의 표준과 IP(Internet Protocol)을 지원하는 어떤 통신 기술에서도 동작 가능한 SEP 2.x 표준이 별도로 존재한다. SEP는 ZigBee Alliance를 통해 표준화 되어 홈 영역 네트워크 영역내의 스마트 미터(102)를 포함한 각 가전 기기들에 탑재될 수 있다. 하지만 기능별 또는 국가별 다양한 에너지 프로파일의 변형이 존재하므로 이러한 다양한 에너지 프로파일을 지원하는 기기들도 존재할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 홈 영역 네트워크 기기를 개략적으로 도시한 블록도이다.

상기 기기는 상기 도2에서 표시한 홈 영역 네트워크(100) 내부의 기기 중 하나일 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 기기는, 홈 영역 네트워크 기기들과 양방향 통신을 위한 ZigBee(101a), 무선랜(101b), PLC(101c), 이동통신모듈(101d), 사용자의 입력신호를 수신하는 사용자 입력(101e)부, 상기 통신모듈들(101a, 101b, 101c, 101d)을 통하여 수신된 전력정보 또는 상기 홈 영역 네트워크 기기들에 대한 정보를 표시하는 디스플레이부(101f), 상기 사용자 입력부(101e) 또는 상기 통신부(101a, 101b, 101c, 101d)를 통하여 상기 설정정보, 상기 전력정보 또는 상기 홈 영역 네트워크 기기들에 대한 정보를 수신하여, 상기 디스플레이부(101f) 및 상기 전기제품의 동작을 제어하는 제어부(101h)를 구비할 수 있다.

상기 기기는 전기제품에 대한 제어 명령어 또는 프로그램이 저장된 메모리부(101g)를 구비할 수 있다.

바람직하게는 상기 기기의 제어부(101h)는 사용자에게 상기 설정정보, 상기 전력정보 또는 상기 전기제품에 대한 정보를 그래픽화하여 제공하도록 상기 디스플레이부(101f)를 제어할 수 있다.

이동통신 모듈(101d)은 상기 기기가 이동통신망에서 외부기기와 무선신호를 송수신할 수 있게 한다.

사용자 입력(101e)부는 기기를 제어하기 위한 명령이 사용자에 의해 입력될 수 있게 한다.

디스플레이(101f)부는 상기 기기의 동작에 따른 결과 및 상태를 표시하며, 외부로부터 제공받은 정보를 표시할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 관련된 지그비 표준 및 IEEE 802.15.4 표준에서 정의하는 통신 프레임 구조를 도시한 것이다.

지그비는 slotted-mode 와 non slotted-mode를 모두 지원한다. Slotted mode에서는 PAN(Personal Area Network) 코디네이터의 비콘(Beacon) 메시지를 사용하여 PAN안의 모든 기기들이 동기를 수행하며, non slotted-mode에서는 Preamble 신호를 이용해 프레임의 시작을 알아낸다. Slotted-mode는 동기신호를 공유하므로 네트워크 효율이 올라가는 장점이 있지만, 실제 네트워크 환경에서는 동기신호의 오버헤드로 인하여 잘 사용되지 않는다. 상기 메시지 프레임 구조는 slotted-mode와 non slotted-mode에 공통으로 규정된 것이다.

IEEE 802.15.4 표준에서는 PHY(Physical) Layer와 MAC(Medium Access Control) Layer를 규정하고 있고, ZigBee Alliance에서는 NWK(Network) Layer를 규정하고 있다. PHY Layer의 맨 처음에 위치한 4 바이트의 Preamble Sequence와 1 바이트의 Start of Frame Delimiter가 있는데 이들은 프레임의 시작을 알려준다. 상기 5 바이트는 SHR(Synchronization Header)라 불린다. 그 뒤로 1 바이트의 Frame Length 가 있어서 뒤에 따라오는 PSDU(PHY Layer Service Data Unit)의 길이를 알려준다. PSDU는 MAC 계층의 신호를 모두 포함한 데이터 집합으로 최대 127 바이트까지 가능하다.

MAC Layer는 2 바이트의 Frame Control로 시작하고, 1 바이트의 Sequence Number와 최소 4 바이트에서 최대 20 바이트를 가진 Addressing Fields가 있다. 임의의 PAN에서 Short Address를 사용할 것인가 이보다 긴 IEEE Address를 사용할 것인가에 따라 Addressing Fields의 길이가 달라진다. 그 뒤로 NWK Layer의 데이터가 실려있는 Frame Body 가 따라오고 마지막으로 FCS(Frame Check Sequence)를 이용해 프레임의 오류를 찾아낸다. Data Payload는 MSDU(MAC layer Service Data Unit)라고도 한다. PHY Layer의 PSDU가 최대 127 바이트라고 하면, MAC Header 7 바이트와 FCS 2 바이트를 제외하므로, MSDU의 길이는 최대 118 바이트이다.

NWK Header에서 필수 항목은 Frame Control 2 바이트, Destination Address 2 바이트, Source Address 2 바이트, Radius 1 바이트, Sequence Number 1 바이트로 총 8 바이트가 필수항목이다. MSDU가 최대 118 바이트인 경우, NWK 층에서 사용할 수 있는 최대 Payload는 NWK Header 8 바이트를 뺀 110 바이트가 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 관련된 지그비 무선네트워크의 토폴로지(Topology)를 도시한 것이다.

지그비 표준은 스타(Star), 트리(Tree), 메쉬(Mesh)의 3가지 네트워크 토폴로지(Topology)를 규정한다. 지그비 표준은 네트워크 노드의 형태를 세가지로 규정하고 있다.

코디네이터는 네트워크의 중심 역할을 하며 네트워크에 연결된 모든 기기의 정보를 관리하며 IEEE 802.15.4에서 정의된 FFD(Full Function Device)만 코디네이터로 동작할 수 있다.

라우터(Router)는 스타 토폴로지에는 없으며, 트리 토폴로지과 메쉬 토폴로지에만 적용할 수 있다. 라우터는 코디네이터와 종단기기(End Device)를 연결해 주는 역할을 하며 FFD로만 구성한다. 라우터 자체적으로 종단기기의 역할을 병행할 수도 있으며, 이 경우 이름은 라우터이지만 종단기기와 동일하게 취급되기도 한다.

종단기기(End Device)는 네크워크의 종단 노드를 구성하는 것으로 센서 데이터를 수집해서 전송하거나 코디네이터의 명령을 받아서 제어 기능을 수행하는 등의 역할을 수행한다. 종단기기는 일반적으로 IEEE 802.15.4 표준에서 정의된 RFD(Reduced Function Device)로 구성한다. RFD는 FFD와 비교해서 적은 메모리를 사용하여 가격을 낮추고 전력소모를 줄인 것이 특징이다.

스타 토폴로지는 지그비 코디네이터가 중심에 있고, 그 밑으로 종단기기들이 직접 연결된 망으로, 구현이 제일 간단하다. 종단기기에서 종단기기로 데이터를 전송하기 위해서는 코디네이터를 거쳐야 하므로 코디네이터를 통해서 전달되는 두 단계가 필요하므로 주변 노드끼리 통신할 경우 비효율이 발생한다.

메쉬 토폴로지는 코디네이터가 중심에 있고, 그 밑으로 종단기기들이나 라우터들이 연결되고, 라우터 밑으로 또 다른 라우터들이 연결되기도 하고 종단기기가 직접 연결되기도 하면서 네트워크 크기를 늘려나간다. 다만 트리 토폴로지와 다른 점은 각각의 노드가 하나의 부모노드를 가지는 것이 아니라 여러 개의 부모노드를 가질 수 있다는 점이다. 메쉬 토폴로지는 네트워크 구성이 복잡하고 모든 노드에 대한 정보를 각각의 라우터가 모두 가지고 있어야 하므로 메모리를 많이 소비하는 단점이 있다. 그러나, 하나의 노드가 손실되더라도 우회경로를 즉시 확보할 수 있어서 네트워크 안정성이 향상되고, 코디네이터를 거치지 않고도 최단 경로로 데이터를 직접 전송할 수 있어서 전체 트래픽을 줄이는 장점이 있다.

트리 토폴로지는 코디네이터가 중심에 있고, 그 밑으로 종단기기 들이나 라우터 들이 연결되어 있고, 라우터 밑으로 또 다른 라우터들이 연결되기도 하고 종단기기가 직접 연결되기도 하면서 네트워크의 크기를 늘려갈 수 있는 토폴로지이다. 트리 토폴로지의 네트워크에서는 모든 데이터가 코디네이터로 집중되어야 하므로 전체 트래픽이 많아지는 경향이 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 관련된 데이터 미러링 클러스터의 배터리 운용 기기, 데이터 미러 기기, 및 스마트 가전간의 관계를 도시한 것이다.

상기 배터리 운용 기기는 데이터 미러링 클러스터의 서버로서 동작하며, 데이터 미러 기기는 클라이언트로서 정보를 수신한다. 그러나 외부의 다른 홈 영역 네트워크 기기들에게는 데이터 미러 기기가 데이터 미러링 클러스터의 서버로서 동작하여, 상기 미러링 된 데이터들을 제공할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 관련된 배터리 운영 기기와 스마트 가전 기기간의 통신 단계를 도시한 것이다.

본 발명은 홈 영역 네트워크(HAN: Home Area Network)에서 배터리 운영 기기와 효율적으로 통신을 하기 위한 데이터 미러링 방법 및 장치에 관해 설명하기로 한다. 특히, 본 발명은 배터리 운영 기기가 주변의 다른 기기를 데이터 미러링 기기로 활용하면서 홈 영역 네트워크 내의 타 디바이스와 효율적으로 통신할 수 있게 한다.

홈 영역 네트워크(도2의 100)에서는 배터리로 동작하는 배터리 운영 기기(103)가 존재할 수 있다. 예를 들어 유럽의 경우 가스 미터는 가스 유출시 전기 스파크로 인한 폭발의 위험으로 인해 배터리와 같은 소규모 전력으로만 동작하도록 규정되어 있다. 이 외에도 유선 전원을 공급하기 어려운 위치에 설치되어 있는 센서, 계량기, 제어기 등과 같은 장치들은 배터리로 동작해야 하는 필요성으로 인해 지그비 네크워크에서 “Sleepy” 종단 노드로 분류하여 동작하게 된다.

지그비 표준에서는 이러한 Sleepy 종단 노드들로 동작하는 상기 배터리 운영 기기(103)로 향하는 메시지들은 상기 기기들의 부모 노드가 메시지를 보관하게 된다. 그러나 현재 지그비 표준 문서에 따르면 상기 부모 노드들이 자신의 하부에 위치한 상기 배터리 운영 기기들로 수신자로 하는 상기 메시지들을 오직 7.68 초 정도의 짧은 시간만 보관해 주게 된다. 이 경우 기존의 홈 오토메이션 응용에서는 큰 문제가 없었을 수 있으나 스마트 그리드 환경의 홈 영역 네트워크 상황에서는 각 배터리 운영 기기들의 동작 특성상 충분하지 않은 시간이다. 예를 들어 앞서 언급한 가스 미터기의 경우 대략 30분에서 24시간에 한번씩 깨어나서 가스 계량값의 변화를 보고할 수 있다. 따라서 상기 가스 미터의 경우 현재의 지그비 표준으로는 외부 기기에서 가스 미터기를 향한 메시지 송신이 불가능하다.

이를 위해 본 발명에서는 배터리 운영 기기(103)가 주변의 데이터 미러 기기(104)를 이용하여 홈 영겨 네트워크(도2의 100)내의 타 기기 (예: 스마트 가전(105))와의 통신을 가능하게 하는 방법 및 장치를 제안한다.

홈 영역 네트워크에서 배터리 운영 기기(103)와 스마트 가전 (105) 간의 데이터 통신 방법에 있어서, 우선 배터리 운영 기기(103)가 데이터 미러 기기(104)에게 데이터 미러링 서비스를 요청하는 단계를 수행할 수 있다. 배터리 운영 기기(103)는 주변에 데이터 미러링 서비스를 제공하는 기기를 파악한 후 자신의 데이터 미러링을 요청한다. 데이터 미러 기기(104)는 안정적인 전원을 공급받으며 충분한 연산 능력과 메시지 저장 능력을 가지고 있으며 sleep 모드로 진입하지 않고 항상 메시지를 수신할 수 있는 노드가 바람직하다. 상기 데이터 미러 기기(104)는 적어도 하나 이상의 배터리 운영 기기(103)를 위한 데이터 미러링 서비스를 제공할 수 있다. 마찬가지로 상기 배터리 운영 기기(103)은 적어도 하나 이상의 데이터 미러 기기(104)를 확보하여 서비스를 제공 받을 수 있다.

임의의 스마트 가전(105)이 홈 영역 네트워크(도2의 100)에 진입하면 서비스 디스커버리 단계를 통하여 데이터 미러(104)기기가 배터리 운영 기기(103)의 데이터 미러링 서비스를 담당함을 인지하게 된다.

이후 임의의 시간에 상기 스마트 가전(105)이 상기 배터리 운영 기기(103)로 송신할 메시지가 생성되면 이를 직접 상기 배터리 운영 기기(103)에게 전송하지 않고 대응되는 데이터 미러 기기(104)에게 전송하게 된다(S101). 상기 스마트 가전(105)은 이후 상기 제1 메시지의 원본을 저장한다(S105). 이 때 상기 제1 메시지의 원본은 임의의 설정된 시간이 지난 후 상기 스마트 가전(105)으로부터 삭제될 수 있다.

상기 제1 메시지를 수신한 데이터 미러 기기(104)는 상기 제1 메시지의 원본을 저장하고 상기 제1 메시지의 종류에 따라 대응되는 인식자를 설정한다(S103). 이때 상기 제1 메시지의 원본은 임의의 설정된 시간이 지난 후 상기 데이터 미러 기기(104)로부터 삭제될 수 있다. 이때 상기 제1 메시지의 종류에 따라 대응되는 인식자는 상기 제1 메시지의 최종 수신자인 상기 배터리 운영 기기(103)가 해당 인식자를 수신하기 전까지 보관할 수 있다.

상기 배터리 운영 기기(103)는 배터리로 운영되기 때문에 주기적으로 sleep 모드로 진입하여 모든 통신 수단을 차단하고 배터리에 저장된 에너지 소모를 최소화한다. 이후 설정된 주기에 맞추어 상기 배터리 운영 기기(103)는 주기적으로 깨어나서 데이터 미러 기기(104)에 sleep 모드 기간 동안에 변경된 데이터를 제2 메시지에 담아 상기 데이터 미러 기기(104)로 전송할 수 있다(S107). 만약 sleep 모드 기간 동안에 변경된 데이터가 존재하지 않는 경우에도 상기 배터리 운영 기기(103)로 향하는 메시지의 미러링 여부를 확인하기 위하여 제2 메시지를 상기 데이터 미러 기기(104)로 전송할 수 있다(S107).

상기 제2 메시지를 수신한 상기 데이터 미러 기기(104)는 상기 제2 메시지에 대응하는 응답 메시지를 송신하되 상기 제1 메시지의 인식자를 함께 포함하여 송신(S109)할 수 있다.

상기 제2 메시지의 응답과 상기 제1 메시지 인식자를 수신한 상기 배터리 운영 기기는 상기 인식자를 바탕으로 상기 제1 메시지 원본 요청 여부를 결정할 수 있다(S111).

상기 S111 단계에서 상기 제1 메시지 원본을 요청하기로 결정한 경우 상기 배터리 운영 기기는 제1 메시지 요청 메시지를 송신할 수 있다(S113).

상기 S111 단계에서 상기 제1 메시지 원본을 요청하지 않기로 결정한 경우 상기 배터리 운영 기기는 더 이상 관련 메시지를 송신하지 않을 수 있다(S114).

상기 S113 단계가 진행된 경우, 상기 제1 메시지 요청을 수신한 상기 데이터 미러 기기(104)는 제1 메시지 원본을 저장하고 있는지의 여부에 따라 다음 동작을 결정할 수 있다(S115).

만약 제1 메시지 원본을 상기 데이터 미러 기기(104)가 저장하고 있는 경우 상기 제1 메시지를 상기 배터리 운영 기기에 전송할 수 있다(S117a). 이후 상기 데이터 미러 기기(104)는 상기 제1 메시지 전달 ACK를 상기 스마트 가전(105)에 전송할 수 있다(S119a). 상기 제1 메시지 전달 ACK를 수신한 상기 스마트 가전(105)은 상기 제1 메시지를 삭제할 수 있다(S121a).

만약 제1 메시지 원본을 상기 데이터 미러 기기(104)가 저장하고 있지 않은 경우, 상기 데이터 미러 기기(104)는 상기 제1 메시지 요청을 상기 스마트 가전(105)에게 전달할 수 있다(S117b). 이후 상기 스마트 가전(105)은 상기 제1 메시지를 상기 배터리 운영 기기(103)에게 직접 전송할 수 있다(S119b). 상기 제1 메시지를 전달한 상기 스마트 가전(105)은 저장하고 있던 상기 제1 메시지를 삭제할 수 있다(S121b).

100: 홈 영역 네트워크
101: HEMS서버
102: 스마트 미터
103: 배터리 운영 기기
104: 데이터 미러 기기
105: 스마트 가전
201: AMI 서버
204: 이웃 영역 네트워크

Claims (6)

1. 홈 영역 네트워크에서 배터리 운영 기기와 스마트 가전 간의 데이터 통신 방법에 있어서,
   스마트 가전 기기가 상기 데이터 미러 기기로 부터 배터리 운영 기기의 정보를 획득하는 단계;
   상기 스마트 가전 기기가 데이터 미러 기기에게 상기 배터리 운영 기기를 최종 수신자로 하는 제1 메시지를 송신하는 단계;
   상기 데이터 미러 기기가 상기 제1 메시지를 저장하고, 상기 제1 메시지의 종류에 따라 이에 대응하는 제1 메시지 식별자를 저장하는 단계;
   상기 배터리 운영 기기가 임의의 주기로 동작을 개시하여 데이터 미러 기기에게 제2 메시지를 송신하는 단계;
   상기 데이터 미러 기기가 상기 제1 메시지 식별자를 상기 제2 메시지에 대응하는 응답 메시지에 포함하여 송신하는 단계;
   상기 배터리 운영 기기가 상기 제1 메시지 식별자를 분석하여 대응하는 상기 제1 메시지의 원본 요청 여부를 결정하는 제1 결정 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 통신 방법
   
2. 상기 제1항에서,
   배터리 운영 기기가 데이터 미러 기기에게 데이터 미러링 서비스를 요청하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 통신 방법
   
3. 상기 제2항에서,
   상기 배터리 운영 기기가 주변의 홈 영역 네트워크 기기들 중에서 데이터 저장 용량이 일정 수준 이상인 기기를 데이터 미러 기기로 선택하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 통신 방법
   
4. 상기 제1항에서,
   상기 제1 결정 단계의 결과로 상기 배터리 운영 기기가 상기 데이터 미러 기기에게 제1 메시지를 요청하는 단계;
   상기 요청을 수신한 상기 데이터 미러 기기가 상기 제1 메시지의 원본 저장 여부에 따라 제1 메시지의 전달 방법을 결정하는 제2 결정 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 통신 방법
   
5. 상기 제4항에서,
   상기 제2 결정 단계의 결과로 상기 데이터 미러 기기가 상기 제1 메시지를 배터리 운영 기기에게 송신하는 단계;
   상기 데이터 미러 기기가 상기 제1 메시지 전달 결과를 상기 스마트 가전에게 송신하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 통신 방법
   
6. 상기 제4항에서,
   상기 제2 결정 단계의 결과로 상기 데이터 미러 기기가 상기 제1 메시지 요청을 상기 스마트 가전에게 송신하는 단계;
   상기 스마트 가전이 상기 상기 제1 메시지를 상기 배터리 운영 기기에게 송신하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 통신 방법
   
   

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