KR20200025666A

KR20200025666A - 로라 네트워크 멀티 채널 구현방법

Info

Publication number: KR20200025666A
Application number: KR1020180103377A
Authority: KR
Inventors: 이창신
Original assignee: 주식회사 커니스
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2020-03-10
Also published as: KR102438063B1

Abstract

본 발명은 로라 네트워크 멀티 채널 구현방법에 관한 것으로서, 상기 로라 네트워크 멀티 채널 구현방법에서, 미들웨어는 복수 개의 채널에 형성된 게이트웨이와 통신하여 각 채널에 형성된 게이트웨이와 연결된 복수 개의 작업자용 엔드 노드 디바이스와 다채널로 통신하고, 각 채널의 게이트웨이는 로라 네트워크(LoRa network)로 연결된 복수 개의 릴레이와 중계기를 통해 복수 개의 작업자용 엔드 노드 디바이스와 송수신한다.

Description

로라 네트워크 멀티 채널 구현방법{LORA NETWORK MULTI-CHANNEL IMPLEMENTATION METHOD}

본 발명은 로라 네트워크(LoRa network) 멀티 채널 구현방법에 관한 것이다.

선박 건조 작업장이나 이와 유사한 밀폐된 공간에서 용접, 절단, 도장, 내장 등의 의장 공사를 환기가 되지 않는 작업장에서 진행할 경우 각종 유해 가스가 발생하고 적정 산소 농도 유지가 어려울 뿐만 아니라 작업자의 재난 시 정확한 사고 지점을 파악하기 어려워 골든 타임을 놓쳐 다수의 작업자가 생명을 잃는 중대한 사고가 발생한다.

하지만 선박 내부는 철골 구조의 격벽으로 구성되어 블루투스, WiFi 등 근거리 통신에 장애요인이 많아 무선네트워크 구성의 한계가 있어 이를 해결할 방안이 선행되어야 한다.

대한민국 특허출원 제10-2013-0016559호(발명의 명칭: 조선소와 선박의 USN 시스템용 LTE 기반 중계기) 대한민국 특허출원 제10-2006-0105999호(발명의 명칭: 센싱과 ＵＳＮ기술을 적용한 지하 전력구 전력선 온도 및 가스 감시시스템 및 감시방법) 대한민국 특허출원 제10-2011-0071091호(발명의 명칭: ＵＳＮ 센서 통신 장치, 방법 및 시스템)

본 발명이 해결하려는 과제는 로라 네트워크를 멀티 채널로 구현하여 통신 속도를 향상시키기 위한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 로라 네트워크 멀티 채널 구현방법은 미들웨어는 복수 개의 채널에 형성된 게이트웨이와 통신하여 각 채널에 형성된 게이트웨이와 연결된 복수 개의 작업자용 엔드 노드 디바이스와 다채널로 통신하고, 각 채널의 게이트웨이는 로라 네트워크(LoRa network)로 연결된 복수 개의 릴레이와 중계기를 통해 복수 개의 작업자용 엔드 노드 디바이스와 송수신한다.

이러한 본 발명의 특징에 따르면, 멀티 채널로 로라 네트워크를 구현하므로, 로라 네트워크를 이용한 통신 속도가 크게 향상된다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 밀폐공간 작업자 안전관리 시스템에서, 메쉬 네트워크(mesh network) 연결에 대한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 밀폐공간 작업자 안전관리 시스템에서, 작업자 안전관리 시스템의 UI의 한 예를 도시한다.
도 3은 LoRa Mesh와 주파수 편이 Mesh 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 일반안테나와 패치안테나를 통한 전파 방향성을 좌측과 우측과 각각 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 밀폐공간 작업자 안전관리 시스템에서, LoRa Mesh 구성과 그에 따른 기술의 혁신성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 로라 네트워크 멀티 채널 구현방법을 위한 개략적인 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명하는데 있어서, 해당 분야에 이미 공지된 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명을 부가하는 것이 본 발명의 요지를 불분명하게 할 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명에서 이를 일부 생략하도록 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 실시예들을 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 해당 분야의 관련된 사람 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함하는'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 로라 네트워크 멀티 채널 구현방법에 대하여 설명한다.

먼저, 본 발명의 한 실시예에 따른 로라 네트워크 멀티 채널 구현방법을 이용한 밀폐공간 작업자 안전관리 시스템에 대해서 설명하도록 한다.

본 발명의 한 예에 따른 밀폐공간 작업자 안전관리 시스템은 자동으로 메쉬망이 구축되며 작업 장소의 상태를 감지하는 무선 포터블 메쉬 게이트웨이(gateway), 작업자에 부착되어 있고, 상기 작업자의 상태를 체크하는 작업자용 엔드 노드 디바이스, 그리고 상기 무선 포터블 메쉬 게이트웨이와 작업자용 엔드 노드 디바이스와 통신하는 통합안전 관제 시스템을 포함한다.

무선 포터블 메쉬 게이트웨이는 상시 전원이 없어도 무선 중계기를 작업 공간의 벽면 또는 선반에 쉽게 거치할 수 있고, 작동 후 자동으로 메쉬 네트워크가 구성되어, 엔드 디바이스와 관제실과의 통신을 중계한다.

이러한 무선 포터블 메쉬 게이트웨이는 자동으로 메쉬망이 구성이 되는 포터블 무선 중계기로서, 1회 충전으로 2개월 이상 동작하고, LoRa 및 주파수 변조(FSK 등)를 이용하여 무선 통신을 이용한 송수신 동작을 실시한다.

기존의 LoRa 네트워크로는 위치추적이 어려우므로, 본 예의 무선 포터블 메쉬 게이트웨이는 주파수 변조시스템(FSK, Frequency Shift Key)과 방향성을 가지는 패치안테나를 추가하여 정확한 위치 추적을 할 수 있다.

또한, 본 예의 포터블 메쉬 게이트웨이는 작동 시 곧바로 메쉬 네트워크망이 구성이 되고 무선 중계기의 MAC 주소와 현장위치를 매핑(mapping)하는 방식으로 유지 및 관리를 위한 별도의 무선 네트워크 전문가가 필요 없는 시스템이다.

포터블 메쉬 게이트웨이 간의 메쉬 네트워크는 엔드 노드와 통신하는 LoRa 모듈 외에 통신 속도가 10배 빠른 FSK 모듈을 추가하여, 두 가지를 모두 이용하는 방식을 고려한다.

이때, 엔드 노드 즉 작업자의 위치 판단은 엔드 노드와 1홈(hop)으로 교신한 복수개의 포터블 메쉬 게이트웨이로부터의 통신 여부 정보 외에 엔드 노드와 통신하기 위한 최소 RF출력 정보 등을 종합하여 층/블럭 정보를 추출할 수 있다.

또한, 본 예의 포터블 메쉬 게이트웨이는 무선 비정형화 되어있고, 작업환경이 계속 바뀌는 환경과 수시로 변하는 무선 통신 조건에 적응(adaptive)하게 동작하는 무선 메쉬 망 및 망 관리 기술을 이용한다.

이에 더하여, 본 예의 무선 포터블 게이트웨어는 산소농도 및 유해가스(예 질소농도)를 측정할 수 있는 센서를 부착하여 실시간 데이터를 통합안전 관제 시스템으로 전송한다. 따라서, 본 예의 포터블 무선 중계기는 설치되어 있는 작업 공간의 산소 농도를 감지하고 유해가스의 존재 여부 및 유해 가스량을 감지한다.

작업자용 엔드 노드 디바이스는 작업자의 작업복 등에 부착하는 IoT(internet of things) 센서를 구비하고 있으며, 1회 충전으로 6개월 이상 동작하므로 사용이 편리하다.

또한, 작업자용 엔드 노드 디바이스에는 장거리 통신 기술을 사용하는 통신 모듈인 LoRa(long range) 모듈이 장착되어 있다. 이때, 배터리 수명을 위하여 엔드 노드 디바이스는 송신 시에만 발송하며, 메쉬 테이블을 가지고 있지 않을 수 있다.

작업자용 엔드 노드 디바이스는 호환성을 위하여 상용화된 모듈을 우선 사용하고, 재난안전 시스템 구축 납품 시에는 상용 또는 외주를 통하여 빠르게 개발하고 사용자 위치 추적과 무선중계기와의 연동이 가능하게 한다.

이러한 본 예의 작업자용 엔드 노드 디바이스에는 가속도 센서가 장착되어 있어, 작업자의 추락 등을 용이하고 신속하게 감지하여, 작업자의 낙상 사고가 발생할 경우, 이를 신속하게 감지하여 통합 안전 관제 시스템으로 알림 동작을 실시한다.

또한, 작업자용 엔드 노드 디바이스에는 작업자에 의해 동작이 이루어지는 SOS 버튼이 구비되어 있어, 작업자는 작업 시 응급 상황이 발생할 경우, SOS 버튼을 동작시켜 응급 호출을 실시하여, 인명 사고의 발생을 예방하게 된다.

본 예에 따른 통합 안전 관제 시스템(PC)은 작업자의 정보를 저장하여 현재의 위치정보와 작업환경의 이상여부를 모니터링 할 수 있는 관제 시스템으로 실제 선박 또는 공간의 구조도에 맞도록 UI를 구성할 수 있다.

또한, 통합 안전 관제 시스템은 게이트웨이 간 메쉬 망의 연결 상태 확인하여, 정상적인 통신 동작이 이루어지도록 한다.

이러한 통합 안전 관제 시스템은 응급호출 및 위치확인 알고리즘을 구비하고 있다.

따라서, 화재 발생 등과 같이 필요 시 작업자의 응급 호출을 실시하여 작업자의 안전을 보호하며, 실시간으로 작업자의 위치를 확인하여 인명 사고의 발생을 예방하고, 인명 사고 발생 시 신속하게 작업자의 위치를 확인하여 신속한 구조가 이루어지도록 한다.

본 발명은 선박 건조와 같은 격벽 구조의 밀폐 공간에서도 IoT 통신망을 쉽게 구축할 수 있는 이동 가능한 네트워크 패키지를 위한 것으로, 설치의 복잡성, 격벽의 신호 투과 및 사용자 위치 추적의의 어려움을 해결한다.

저전력광대역통신(LPWA) 디바이스는 전파 투과손실이 큰 재질을 사용하는 빌딩이나 선박과 같은 복잡한 철 구조물에 적합한 기술을 지향하고 있으며, 전파도달의 극한 상황을 극복하기 위해 기존 GSM대비 20dB 이상의 커버리지 향상을 제공한다.

이러한 저전력광대역 통신(LPWA)은 필드에 있는 각 IoT 디바이스를 직접 연결할 수 있으며 기지국(Gateway 또는 Base Station) 하나에 수천 개의 IoT 디바이스를 연결할 수 있고 기지국 간에도 메쉬 네트워크 구성이 가능해 시설비용을 절감할 수 있다.

또한 900MHz LoRa 와 주파수 편이 변조(Frequency-shift keying, FSK) 이용기술은 원거리 저 전력 통신 기술로 통달 range면에서 상기 언급한 2.4GHz의 근거리 통신 기술과는 비교가 안 될 정도로 탁월하다.

기존의 900MHz 원거리 저 전력 통신 기술은 대부분 게이트웨이가 센서 노드들 간에 1:N 스타 토폴로지(star topology)만 지원한다. 하지만, 본 발명의 경우에 작업자에게 장착하는 엔드 노드 디바이스의 경우 배터리 동작으로 메쉬 테이블이 없는 스타(star) 구조이긴 하지만, 무선 포터블 메쉬 게이트웨이들 간에는 메쉬 네트워크 기능을 실시한다.

또한, 본 발명의 경우, 패치안테나를 사용하여 전파의 방향성을 갖게 한 후 이를 통하여 위치 측량을 실시한다.

본 발명의 경우, 실내용 CCTV에 근거리 통신 모듈(예, WiFI 모듈)을 장착하여 주변 상황을 감시하고 실내 위치를 측정이 가능하다. 또한 초음파 센서를 이용한 거리 센서가 이용된다.

물체를 식별할 수 있는 물체 식별 기술은 오픈 소스(open source)를 사용하고, 이때 특정 용도로 미세 조정을 실시하여 고도화 개발이 이루어지도록 한다.

따라서, 근거리 통신 모듈을 기본으로 하여 근거리 통신 신호(예, WiFi 신호)의 크기를 이용하여 위치를 추정하고, CCTV의 결과를 피드백으로 하여 영상 비전 분석으로 추정 결과의 정확도를 향상시킨다. 이로 인해, 위치 추적 스캐너등의 별도의 단말기를 설치하지 않아도 스마트 폰과 같은 사용자 단말을 이용하여 인 도어 GPS(indoor GPS)를 정확히 구현할 수 있다.

이러한 본 예의 밀폐공간 작업자 안전관리 시스템은 이미 기술한 것처럼, 무선 게이트웨이(즉, 포터블 메쉬 게이트웨어)[수신 LoRa to 송신 LTE-M(P-LET 라우터) 모듈], 무선 릴레이 스테이션(relay station)(수신 LoRa to 송신 LoRa 모듈) 및 무선 리피터(repeater)(수신 BLE to 송신 LoRa 모듈)를 구비한다.

무선 게이트웨이는 24V의 입력 전원인 이용하고, 입력부로는 LoRa 수신 모듈(BS)/BLE 비콘 스캐너를 이용하고, 출력부로는 LET-M 송신을 이용하며, 메쉬로 구현된다.

이러한 무선 게이트웨이는 자석을 이용하여 벽면에 부착 가능하며, 24V의 상시 전원을 이용하여 자체 BLE 비콘 스캐너 및 릴레이 스테이션 또는 리피터로부터 수집한 BLE 태그 정보를 수집하여 LTE-M으로 송신하는 기능을 수행한다.

무선 릴레이 스테이션은 24V의 입력전원일 사용하며, 입력부로는 LoRa 수신 모듈(RS)/BLE 비콘 스캐너를 이용하고, 출력부로는 LoRa 송신 모듈(RS)를 사용하며, 역시 메쉬로 구현된다.

이러한 무선 릴레이 스테이션 또한 자석을 이용하여 벽면에 부착 가능하며, 24V의 상시 전원을 이용하여 자체 BLE 비콘 스캐너 및 리피터로부터 수집한 BLE 태그 정보를 수집하여 게이트웨이으로 송신하는 기능을 수행한다.

무선 리피터는 24V의 입력 전원일 이용하여 입력부는 BLE 비콘 스캐너를 사용하고 출력부로는 LoRa 송신 모듈(RS)를 사용하며 메쉬로 구현되고, 자석을 이용하여 벽면에 부착 가능한다.

이러한 무선 리피터 역시 상시전원을 24V로 사용하며, 자체 BLE 비콘 스캐너로부터 작업자용 엔드 노드 디바이스로부터 수집한 BLE 태그 정보를 수집하여 릴레이 스테이션이나 게이트웨이로 송신하는 기능을 수행한다.

한 예로, 무선 게이트웨이의 개수는 3개이고, 무선 릴레이 스테이션 및 무선 리피터는 각각 6개일 수 있다.

본 예에서, 작업자용인 엔드 노드 디바이스는 비콘(beacon)일 수 있고, 전원을 리튬 이온 배터리와 같은 휴대용 배터리를 이용한다.

이러한 엔드 노드 디바이스는 이미 기술한 것처럼 작업자의 작업복 등에 부착되는 IoT 센서로서, 1회 충전으로 6개월 이상 동작되며, BLE 모듈을 내장하고 있고 SOS 버튼을 구비하여 응급 호출이 가능하다. 본 예의 엔드 노드 디바이스는 최대 1000개의 엔드 노드에 링크될 수 있으며, 정해진 시간(예, 2초)마다 깨어나 송신하거나 SOS 호출 버튼이 동작할 때마다 깨어나 송신 동작을 수행할 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 로라 네트워크 멀티 채널 구현방법의 한 예를 도 6을 참고로 하여 설명한다.

도 6에 도시한 것처럼, 하나의 미들웨어(middleware)는 복수 개의 게이트웨어와 각각 통신하고, 각 게이트웨어에는 복수 개의 릴레이(relay)가 연결되어 있다. 이때 마지막 연결된 릴레이와 작업자용 엔드 노드 디바이스 사이에는 중계기가 위치한다. 각 중계기에는 복수 개의 작업자용 엔드 노드 디바이스가 연결되어 있다.

또한, 각 게이트웨어는 중계가와 연결되어 있고, 게이트웨이와 연결된 중계기에도 복수 개의 작업자용 엔드 노드 디바이스가 연결되어 있다.

이때, 미들웨어는 통합안전 관제 시스템에 구비될 수 있고, 게이트웨어는 무선 포터블 메쉬 게이트웨이일 수 있다.

이로 인해, 미들웨어는 복수 개의 채널에 형성된 게이트웨이와 통신하여 각 채널에 형성된 게이트웨이와 연결된 복수 개의 작업자용 엔드 노드 디바이스와 다채널로 통신하게 되어, 통신 송수신 속도가 크게 향상된다.

또한, 각 채널의 게이트웨이는 복수 개의 릴레이와 중계기를 통해 복수 개의 작업자용 엔드 노드 디바이스와 송수신한다.

이때, 도 6에서 'LoRa'는 로라 네트워크를 이용하여 송수신되는 데이터 크기로서 59바이트(byte)일 수 있고, 'LTE-M'은 80바이트의 데이터가 송수신하는 것을 의미할 수 있다.

이러한 본 발명의 한 실시예에 따른 밀폐공간 작업자 안전관리 시스템은 기존의 2.4GHz의 무선 기술이 아니라 IoT 주파수로 각광을 받기 시작한 900MHz 저전력 원거리 통신 기술, 패치 안테나 기술 및 메쉬 네트워크 기술을 접목하여 기술의 혁신성을 추가할 수 있다.

즉, 첫째, 무선 중계기가 신규로 부착되거나 다른 장소로 이동되었을 경우에 새로운 메쉬 네트워크가 자동으로 생성이 되게 하여 별도의 네트워크 전문가가 필요 없이 위치추적 프로그램에서 간단히 망 구성에 대한 업데이트가 될 수 있게 구성한다.

둘째로, 시스템 구성이 간단하고 고가의 장치가 필요 없음으로 원가 경쟁력이 높다. 무선 중계를 하기 위한 중계기는 배터리 1회 충전으로 2개월 이상 동작하며 특히, 천장이 아니라 벽면에 쉽게 탈 부착할 수 있게 함으로써 특별한 시공이 필요 없고 비전문가도 쉽게 유지 및 관리가 가능하다.

이상, 본 발명의 로라 네트워크 멀티 채널 구현방법의 실시예들에 대해 설명하였다. 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 관점에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 본 명세서의 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

미들웨어는 복수 개의 채널에 형성된 게이트웨이와 통신하여 각 채널에 형성된 게이트웨이와 연결된 복수 개의 작업자용 엔드 노드 디바이스와 다채널로 통신하고, 각 채널의 게이트웨이는 로라 네트워크(LoRa network)로 연결된 복수 개의 릴레이와 중계기를 통해 복수 개의 작업자용 엔드 노드 디바이스와 송수신하는 로라 네트워크 멀티 채널 구현 방법.