KR20230118350A - 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템 - Google Patents

양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 각 양봉통(10)마다 설치되어 양봉통(10)의 내부온도, 내부습도, 내부이산화탄소, 외부온도, 내부소음 또는 양봉통 무게 중 하나 이상을 포함하는 양봉환경을 측정하고 설정된 보고주기마다 900MHz 대역의 무선주파수를 이용하여 측정된 양봉환경 측정데이터가 포함된 주기보고패킷(Ru-pkt)을 무선출력하면서 주기보고하는 복수의 센서노드(110); 각 센서노드(110)에 연결되어 구동전원을 공급하는 배터리부(120); 및 각 센서노드(110)와 900MHz 대역의 무선통신망으로 신호연결되어 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)이 수신되면 해당 센서노드(110)로 컨펌패킷(C-pkt)을 무선출력하고 수신된 양봉환경 측정데이터를 취합하여 저장하며 저장된 양봉환경 측정데이터를 접속된 사용자단말(150)과 공유하는 게이트웨이(130);를 포함하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템이 제공된다.

Description

양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템{SMART WIRELESS MONITORING SYSTEM FOR BEEKEEPING}
본 발명은 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양봉통으로 벌꿀을 수집하는 양봉장에 설치되어 양봉통의 온도, 습도, 이산화탄소, 소음 및 무게와 같은 양봉환경을 측정하고 측정된 양봉환경 측정데이터를 수집 관리하여 관리자가 모니터링할 수 있도록 하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템에 관한 것이다.
최근 IoT 기술이 널리 보급되면서 양봉통에 온도나 습도 등의 내부 환경을 감지하는 센서노드를 설치하고 게이트웨이로 각 센서노드들의 데이터를 수집하여 양봉관리자가 서버를 통해 모니터링할 수 있도록 한 양봉 모니터링 시스템이 개시된 바 있다. 그러나, 종래에는 양봉장 내에 넓게 분포된 다수의 양봉통마다 센서노드를 설치하기 위해 각 센서노드 위치까지 전원공급라인과 신호라인을 포설해야 하기 때문에 설치비용이 과도해질 뿐만 아니라 센서노드의 설치의 위치를 변경하고자 하는 경우 포설된 전원공급라인과 신호라인을 철거한 후 변경된 위치에 재포설해야 하는 번거로움이 있었다.
이를 해결하기 위해 센서노드에 배터리를 장착하고 무선통신 방식으로 서버단에서 데이터를 수집하고자 하는 시도가 있었으나, 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 지그비(ZigBee) 등의 무선통신 방식의 경우 전력소모량이 높아서 배터리를 빈번하게 교체해줘야 하며 저전력 블루투스(BLE) 무선통신 방식의 경우 배터리로 운용이 가능하나 통달거리가 짧아 많은 수의 중계기나 리피터를 설치해야 하는 문제점이 있었다.
또한, 개화시기에 맞춰 주기적으로 양봉장을 이동해야 하고 경우에 따라 격오지에 양봉통을 설치해야 하는 양봉업 특성상 인터넷이나 이동통신 서비스를 제공받지 못하는 경우가 빈번하기 때문에 서버의 운용이 제한되어 모니터링 시스템을 이용하지 못하는 문제점이 있었다.
더불어, 각 센서노드와 게이트웨이 간의 거리가 멀거나 무선환경이 불량하여 1hop으로 통신이 제한되는 경우 메쉬통신 방식으로 데이터를 수집할 수 있으나 배터리 소모를 최소화하기 위해서는 각 센서노드들이 대부분의 시간을 슬립모드에 들어가기 때문에 기존의 일반적인 메쉬통신 방식을 그대로 적용하기가 제한되는 문제점이 있었다.
그리고, 메쉬통신 방식을 적용한다해도 각 센서노드가 슬립모드에서 각자 웨이크업하여 액티브모드로 동작하면서 데이터를 전송하기 때문에 동일한 타이밍에 웨이크업한 센서노드가 동시에 데이터를 전송하게 되면 데이터 충돌로 인해 전송실패가 발생하는 문제점이 있었다. 또한, 각 센서노드 간의 동기를 맞추기 위해 센서노드의 MCU에는 실시간 시간정보를 제공하는 RTC(Real Time Clock)가 구비되나, 통상적으로 저가 MCU의 경우 RTC에서 카운트되는 시간에 오차가 발생하기 때문에 시간이 지날수록 시간오차가 크게 벌어져 각 센서노드간의 동기화가 제한되는 문제점이 있었다.
등록특허공보 제10-1667309호(2016.10.12), 온습도센서 고정부를 구비한 꿀벌통의 모니터링 장치 및 그 방법.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 배터리를 이용하여 양봉장에 분산 설치되는 각 센서노드에 구동전원을 공급할 수 있어 전원공급라인을 포설할 필요가 없고, 저전력을 구현하면서도 넓은 통달거리를 갖는 900MHz 대역의 무선주파수를 이용하여 양봉환경 측정데이터를 수집할 수 있어 신호라인의 포설이나 중계기 설치가 불필요하면서도 배터리의 전력소모를 최소화할 수 있는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 각 센서노드와 900MHz 대역의 LoRa자가망으로 망구성되어 양봉환경 측정데이터를 수집하는 게이트웨이를 통해 수집된 양봉환경 측정데이터를 모니터링할 수 있어 인터넷이나 이동통신 서비스를 제공받지 못해 관제서버를 이용하지 못하는 격오지에서도 시스템을 운용할 수 있는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 각 센서노드가 설정된 보고주기를 기준으로 슬립모드와 액티브모드로 구분 동작하여 배터리 소모를 최소화하면서도 시분할 방식으로 각 센서노드 간의 데이터 충돌을 방지하여 안정적인 데이터 수집이 가능한 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 각 양봉통(10)마다 설치되어 양봉통(10)의 내부온도, 내부습도, 내부이산화탄소, 외부온도, 내부소음 또는 양봉통 무게 중 하나 이상을 포함하는 양봉환경을 측정하고 설정된 보고주기마다 900MHz 대역의 무선주파수를 이용하여 측정된 양봉환경 측정데이터가 포함된 주기보고패킷(Ru-pkt)을 무선출력하면서 주기보고하는 복수의 센서노드(110); 각 센서노드(110)에 연결되어 구동전원을 공급하는 배터리부(120); 및 각 센서노드(110)와 900MHz 대역의 무선통신망으로 신호연결되어 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)이 수신되면 해당 센서노드(110)로 컨펌패킷(C-pkt)을 무선출력하고 수신된 양봉환경 측정데이터를 취합하여 저장하며 저장된 양봉환경 측정데이터를 접속된 사용자단말(150)과 공유하는 게이트웨이(130);를 포함하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 게이트웨이(130)는, 각 센서노드(110)와 900MHz 대역의 LoRa자가망으로 신호연결된 노드통신부(131)와, 상기 노드통신부(131)를 통해 수신된 양봉환경 측정데이터를 취합하여 저장하는 데이터베이스(132) 및, 상기 데이터베이스(132)에 저장된 양봉환경 측정데이터를 900MHz 대역의 LoRa자가망으로 무선출력하는 웹서버부(133)를 포함하고, 상기 웹서버부(133)로부터 출력된 양봉환경 측정데이터를 수신하고 수신된 양봉환경 측정데이터를 상기 사용자단말(150)과 신호연결 가능한 무선근거리 통신망을 이용하여 사용자단말(150)로 무선 출력하는 로라브릿지(160);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 각 양봉통(10)마다 설치되어 양봉통(10)의 내부온도, 내부습도, 내부이산화탄소, 외부온도, 내부소음 또는 양봉통 무게 중 하나 이상을 포함하는 양봉환경을 측정하고 설정된 보고주기마다 900MHz 대역의 무선주파수를 이용하여 측정된 양봉환경 측정데이터가 포함된 주기보고패킷(Ru-pkt)을 무선출력하면서 주기보고하는 복수의 센서노드(110); 각 센서노드(110)에 연결되어 구동전원을 공급하는 배터리부(120); 각 센서노드(110)와 900MHz 대역의 무선통신망으로 신호연결되어 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)이 수신되면 해당 센서노드(110)로 컨펌패킷(C-pkt)을 무선출력하고 수신된 양봉환경 측정데이터를 별도의 통신망을 통해 출력하는 게이트웨이(130); 및 상기 게이트웨이(130)와 신호연결되어 상기 양봉환경 측정데이터가 수신되면 각 양봉통(10)별로 취합하여 저장하고 저장된 양봉환경 측정데이터를 접속된 사용자단말(150)과 공유하는 관제서버(140);를 포함하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 센서노드(110)는, 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)을 무선출력한 후 설정시간 내에 상기 게이트웨이(130)로부터 컨펌패킷(C-pkt)이 수신되면 정상적으로 주기보고된 것으로 판단하되, 상기 설정시간 내에 컨펌패킷(C-pkt)이 수신되지 않으면 다른 센서노드(110)와의 데이터충돌로 인해 무선출력이 실패한 것으로 판단하며, 무선출력 실패시 해당 센서노드(110)의 망식별번호(NID)를 변수로 하는 랜덤넘버를 생성하고 생성된 랜덤넘버를 반영한 백오프(Backoff) 시간 후에 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)을 재전송하는 것을 특징으로 하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 사용자가 운용하는 사용자단말(150)에 애플리케이션의 형태로 설치되고 상기 게이트웨이(130) 또는 관제서버(140)에 접속하여 사용자의 양봉통(10)에 대한 양봉환경 측정데이터를 수신하며 수신된 양봉환경 측정데이터를 사용자단말(150)의 디스플레이에 표시하는 앱기능부(151);를 더 포함하고, 또한, 상기 센서노드(110)는 슬립모드로 동작하다 설정된 측정주기가 되면 웨이크업하여 액티브모드로 동작하면서 양봉환경을 측정하며 슬립모드로 동작하다 설정된 보고주기가 되면 웨이크업하여 액티브모드로 동작하면서 상기 주기보고를 수행하고, 상기 앱기능부(151)는, 하기의 [수학식1]을 이용하여 센서노드(110)의 평균전류(IAVG)를 산출하며,
[수학식1]
평균전류(IAVG) = (I센서측정시 사용전류 × T측정시간 / T측정주기) +
(I주기보고시 사용전류 × T보고시간 / T보고주기) +
(I슬립모드시 사용전류)
(여기서, 상기 'I센서측정시 사용전류'는 양봉환경 측정시 사용되는 전류값, 상기 'T측정시간'은 양봉환경 측정시 소요되는 시간, 상기 'T측정주기'는 양봉환경을 측정하도록 설정된 주기시간, 상기 'I주기보고시 사용전류'는 양봉환경 측정데이터의 무선출력시 사용되는 전류값, 상기 'T보고시간'는 양봉환경 측정데이터의 무선출력시 소요되는 시간, 상기 'T보고주기'는 양봉환경 측정데이터를 무선출력하도록 설정된 주기시간, 상기 'I슬립모드시 사용전류'는 슬립모드시 사용되는 전류값을 각각 의미한다.)
하기의 [수학식 2]를 이용하여 배터리부(120)의 사용가능 시간(TBAT)을 산출하며 산출된 사용가능 시간을 사용자단말(150)의 디스플레이에 표시하는 것을 특징으로 하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템이 제공된다.
[수학식2]
TBAT = Q[mAh] / IAVG [mA], 단위 = [시간]
(여기서, 상기 'Q'는 배터리부(120)의 용량을 의미한다.)
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 배터리부(120)는, 태양광을 수광하여 전원을 생성하는 솔라셀(121)과, 상기 솔라셀(121)에서 생성된 전원을 저장하는 축전지(122) 및, 상기 축전지(122)에 저장된 전원의 충전 및 방전을 제어하는 충방전회로(123)를 포함하는 것을 특징으로 하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 센서노드(110)는, 슬립모드로 동작하는 중에 설정된 보고주기가 되면 웨이크업하여 액티브모드로 동작하면서 상기 주기보고를 수행하되, 양봉통(10)의 양봉환경을 측정하여 양봉환경 측정데이터를 생성하는 센서부(111a~111c)와, 상기 게이트웨이(130)와 900MHz 대역의 LoRa자가망으로 신호연결된 900MHz 통신칩(112) 및, 상기 센서부(111a~111c) 및 900MHz 통신칩(112)을 구동제어하는 MCU(113)를 포함하며, 상기 MCU(113)는, 실시간 시간정보를 제공하는 RTC(Real Time Clock,114)와, 상기 RTC(114)로부터 제공되는 현재 시간정보를 기준으로 설정된 알람시각이 되면 웨이크업신호를 출력하는 알람부(115)와, 상기 알람부(115)로부터 웨이크업신호가 입력되면 웨이크업하여 상기 센서부(111a~111c)에 의해 측정된 양봉환경 측정데이터가 포함된 주기보고패킷(Ru-pkt)이 상기 900MHz 통신칩(112)을 통해 게이트웨이(130)로 전송되도록 하고 주기보고 후에는 다음 알람시각까지 슬립모드로 동작하도록 구동제어하는 CPU(116) 및, 각종 데이터가 저장되는 메모리(117)를 포함하는 것을 특징으로 하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 게이트웨이(130)는 각 센서노드(110)로부터 주기보고패킷(Ru-pkt)이 수신되면 동기화를 위해 설정된 기준시간정보가 포함된 컨펌패킷(C-pkt)을 무선출력하며, 상기 CPU(116)는 컨펌패킷(C-pkt)이 입력되면 컨펌패킷(C-pkt)에 포함된 기준시간정보를 기준으로 상기 RTC(114)의 현재 시간정보를 업데이트하고, 업데이트된 현재 시간정보를 기준으로 이후에 웨이크업해야 하는 알람시각을 산출하며, 산출된 알람시각을 상기 알람부(115)에 입력한 후 슬립모드에 진입하도록 구동제어하는 것을 특징으로 하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 게이트웨이(130)는 외부통신망으로부터 실시간 현재시간정보를 입력받으며 입력된 실시간 현재시간정보의 현재시각을 상기 기준시간정보의 기준시각으로 설정하는 것을 특징으로 하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 메모리(117)는, 설정된 타임슬롯(TS)에 반영된 보고주기(RC)의 시간정보(TRC), 각 센서노드(110)가 배치된 슬롯구간(SP)의 시간정보(TSP) 및 해당 센서노드(110)의 슬롯순번(SI)을 저장하고, 상기 CPU(116)는, 업데이트된 현재 시간정보를 이용하여 기설정된 카운트시작시각(T1)으로부터 현재 시각이 경과된 시간(T2)을 카운트하고, 카운트된 시간(T2)을 보고주기 시간(TRC)으로 나눈 나머지값으로 현재 보고주기(RC) 내에서 현재시점시각(Tpoll)을 산출하며, 상기 슬롯구간 시간(TSP)과 슬롯순번(SI)으로부터 보고주기(R) 내에서 해당 센서노드(110)에게 할당된 슬롯구간(SP)의 시작시각인 슬롯타임(ST)을 산출하고, 하기의 [수학식]을 이용하여 이후에 웨이크업해야 하는 알람시각(ΔT)을 산출하며 산출된 알람시각(ΔT)을 알람부(115)에 입력한 후 슬립모드에 진입하도록 구동제어하는 것을 특징으로 하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템이 제공된다.
[수학식]
알람시각(ΔT) = 보고주기 시간(TRC) - 현재시점시각(Tpoll) + 슬롯타임(ST)
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 복수의 센서노드(110)는, 설정된 측정주기가 되면 웨이크업하여 액티브모드로 동작하면서 양봉환경을 측정하고 측정된 양봉환경 측정데이터가 설정된 비정상 임계치이면 비정상 측정데이터가 포함된 이벤트보고패킷(Eu-pkt)을 게이트웨이(130)로 무선출력하며, 설정된 보고주기가 되면 웨이크업하여 액티브모드로 동작하면서 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)을 무선출력하면서 주기보고하되, 상기 설정된 측정주기와 보고주기는 서로 다른 주기시간으로 설정된 것을 특징으로하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 MCU(113)는, 슬립모드시 전력소모 절감을 위해 상기 CPU(116) 및 900MHz 통신칩(112)의 구동이 정지되고 상기 메모리(117)의 RAM영역이 소거되며 웨이크업시 CPU(116)가 리셋루틴에 진입하는 딥슬립 방식으로 동작하되, 액티브모드에서 슬립모드로 진입시 상기 메모리(117) 내에서 데이터가 소거되지 않는 RTC 레지스터 중 년(year)에 해당하는 레지스터 또는 월(Month)에 해당하는 레지스터에 슬립진입코드를 입력하며, 웨이크업시 리셋루틴하면서 상기 년 또는 월에 해당하는 레지스터에 저장된 데이터를 리딩하여 상기 슬립진입코드가 인식되면 상기 주기보고를 수행하고 상기 RTC 레지스터의 초기값이 인식되면 초기구동방식으로 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템이 제공된다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면,
첫째, 복수의 센서노드(110)는 각 양봉통(10)마다 설치되어 양봉통(10)의 내부온도, 내부습도, 내부이산화탄소, 외부온도, 내부소음 또는 양봉통 무게 중 하나 이상을 포함하는 양봉환경을 측정하고 설정된 보고주기마다 900MHz 대역의 무선주파수를 이용하여 측정된 양봉환경 측정데이터가 포함된 주기보고패킷(Ru-pkt)을 무선출력하면서 주기보고하며, 배터리부(120)는 각 센서노드(110)에 연결되어 구동전원을 공급하고, 게이트웨이(130)는 각 센서노드(110)와 900MHz 대역의 무선통신망으로 신호연결되어 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)이 수신되면 해당 센서노드(110)로 컨펌패킷(C-pkt)을 무선출력하고 수신된 양봉환경 측정데이터를 별도의 통신망을 통해 출력하며, 관제서버(140)는 상기 게이트웨이(130)와 신호연결되어 상기 양봉환경 측정데이터가 수신되면 각 양봉통(10)별로 취합하여 저장하고 저장된 양봉환경 측정데이터를 접속된 사용자단말(150)과 공유하는 것과 같이, 배터리부(120)를 이용하여 양봉장에 분산 설치되는 각 센서노드(110)에 구동전원을 공급할 수 있어 전원공급라인을 포설할 필요가 없고, 저전력을 구현하면서도 넓은 통달거리를 갖는 900MHz 대역의 무선주파수를 이용하여 양봉환경 측정데이터를 수집할 수 있어 신호라인의 포설이나 중계기의 설치가 불필요하면서도 배터리의 전력소모를 최소화할 수 있다.
둘째, 상기 게이트웨이(130)는 각 센서노드(110)와 900MHz 대역의 무선통신망으로 신호연결되어 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)이 수신되면 해당 센서노드(110)로 컨펌패킷(C-pkt)을 무선출력하고 수신된 양봉환경 측정데이터를 취합하여 저장하며 저장된 양봉환경 측정데이터를 접속된 사용자단말(150)과 공유함으로써, 인터넷이나 이동통신 서비스를 제공받지 못해 관제서버를 이용하지 못하는 격오지에서도 시스템을 운용할 수 있는 장점이 있다.
셋째, 상기 게이트웨이(130)는, 각 센서노드(110)와 900MHz 대역의 LoRa자가망으로 신호연결된 노드통신부(131)와, 상기 노드통신부(131)를 통해 수신된 양봉환경 측정데이터를 취합하여 저장하는 데이터베이스(132) 및, 상기 데이터베이스(132)에 저장된 양봉환경 측정데이터를 900MHz 대역의 LoRa자가망으로 무선출력하는 웹서버부(133)를 포함하며, 로라브릿지(160)는 상기 웹서버부(133)로부터 출력된 양봉환경 측정데이터를 수신하고 수신된 양봉환경 측정데이터를 상기 사용자단말(150)과 신호연결 가능한 무선근거리 통신망을 이용하여 사용자단말(150)로 무선 출력함으로써, 관제서버(140)를 대체하여 각 센서노드(110)에서 측정된 양봉환경 측정데이터를 안정적으로 수집할 수 있으며, 게이트웨이(130)에서 수집된 양봉환경 측정데이터를 스마트폰, 테블릿, 노트북 및 PC와 같은 사용자단말(150)에 기본적으로 구비된 와이파이(WiFi)나 블루투스(Bluetooth)을 이용하여 모니터링할 수 있어 시스템 구축비용을 대폭 절감할 수 있다.
넷째, 상기 센서노드(110)는, 주기보고패킷(Ru-pkt)을 무선출력한 후 설정시간 내에 상기 게이트웨이(130)로부터 컨펌패킷(C-pkt)이 수신되면 정상적으로 주기보고된 것으로 판단하되, 상기 설정시간 내에 컨펌패킷(C-pkt)이 수신되지 않으면 다른 센서노드(110)와의 데이터충돌로 인해 무선출력이 실패한 것으로 판단하며, 무선출력 실패시 해당 센서노드(110)의 망식별번호(NID)를 변수로 하는 랜덤넘버를 생성하고 생성된 랜덤넘버를 반영한 백오프(Backoff) 시간 후에 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)을 재전송함으로써, 설치된 센서노드(110)들을 동시에 전원을 켜는 경우나 동시에 보고할 이벤트가 발생한 경우와 같이 아직 동기화되지 않은 센서노드(110)로부터 동시에 양봉환경 측정데이터가 전송되더라도 안정적인 무선출력이 가능할 수 있다.
다섯째, 앱기능부(151)는 사용자가 운용하는 사용자단말(150)에 애플리케이션의 형태로 설치되고 상기 게이트웨이(130) 또는 관제서버(140)에 접속하여 사용자의 양봉통(10)에 대한 양봉환경 측정데이터를 수신하며 수신된 양봉환경 측정데이터를 사용자단말(150)의 디스플레이에 표시하며, 상기 센서노드(110)는 슬립모드로 동작하는 중에 설정된 보고주기가 되면 웨이크업하여 액티브모드로 동작하면서 상기 주기보고를 수행하며, 상기 앱기능부(151)는, 하기의 [수학식1]을 이용하여 센서노드(110)의 평균전류(IAVG)를 산출하고, 하기의 [수학식 2]를 이용하여 배터리부(120)의 사용가능 시간(TBAT)을 산출하며 산출된 사용가능 시간을 사용자단말(150)의 디스플레이에 표시함으로써, 사용자가 현재 설치된 배터리부(120)의 사용가능 시간을 직관적으로 확인할 수 있으며, 배터리부(120)의 용량이나 센서노드(110)의 보고주기 및 측정주기를 결정하기 위한 기초데이터로 이용할 수 있다.
[수학식1]
평균전류(IAVG) = (I센서측정시 사용전류 × T측정시간 / T측정주기) +
(I주기보고시 사용전류 × T보고시간 / T보고주기) +
(I슬립모드시 사용전류)
(여기서, 상기 'I센서측정시 사용전류'는 양봉환경 측정시 사용되는 전류값, 상기 'T측정시간'은 양봉환경 측정시 소요되는 시간, 상기 'T측정주기'는 양봉환경을 측정하도록 설정된 주기시간, 상기 'I주기보고시 사용전류'는 양봉환경 측정데이터의 무선출력시 사용되는 전류값, 상기 'T보고시간'는 양봉환경 측정데이터의 무선출력시 소요되는 시간, 상기 'T보고주기'는 양봉환경 측정데이터를 무선출력하도록 설정된 주기시간, 상기 'I슬립모드시 사용전류'는 슬립모드시 사용되는 전류값을 각각 의미한다.)
[수학식2]
TBAT = Q[mAh] / IAVG [mA], 단위 = [시간]
(여기서, 상기 'Q'는 배터리부(120)의 용량을 의미한다.)
여섯째, 상기 센서노드(110)는, 슬립모드로 동작하는 중에 설정된 보고주기가 되면 웨이크업하여 액티브모드로 동작하면서 상기 주기보고를 수행하되, 양봉통(10)의 양봉환경을 측정하여 양봉환경 측정데이터를 생성하는 센서부(111a~111c)와, 상기 게이트웨이(130)와 900MHz 대역의 LoRa자가망으로 신호연결된 900MHz 통신칩(112) 및, 상기 센서부(111a~111c) 및 900MHz 통신칩(112)을 구동제어하는 MCU(113)를 포함하며, 상기 MCU(113)는, 실시간 시간정보를 제공하는 RTC(Real Time Clock,114)와, 상기 RTC(114)로부터 제공되는 현재 시간정보를 기준으로 설정된 알람시각이 되면 웨이크업신호를 출력하는 알람부(115)와, 상기 알람부(115)로부터 웨이크업신호가 입력되면 웨이크업하여 상기 센서부(111a~111c)에 의해 측정된 양봉환경 측정데이터가 포함된 주기보고패킷(Ru-pkt)이 상기 900MHz 통신칩(112)을 통해 게이트웨이(130)로 전송되도록 하고 주기보고 후에는 다음 알람시각까지 슬립모드로 동작하도록 구동제어하는 CPU(116) 및, 각종 데이터가 저장되는 메모리(117)를 포함하는 것과 같이, 각 센서노드(110)가 설정된 보고주기를 기준으로 슬립모드와 액티브모드로 구분동작하여 배터리 소모를 최소화하면서 안정적으로 무선통신이 가능한 효과를 제공한다.
일곱째, 상기 게이트웨이(130)는 각 센서노드(110)로부터 주기보고패킷(Ru-pkt)이 수신되면 동기화를 위해 설정된 기준시간정보가 포함된 컨펌패킷(C-pkt)을 무선출력하며, 상기 CPU(116)는 컨펌패킷(C-pkt)이 입력되면 컨펌패킷(C-pkt)에 포함된 기준시간정보를 기준으로 상기 RTC(114)의 현재 시간정보를 업데이트하고, 업데이트된 현재 시간정보를 기준으로 이후에 웨이크업해야 하는 알람시각을 산출하며, 산출된 알람시각을 상기 알람부(115)에 입력한 후 슬립모드에 진입하도록 구동제어함으로써, RTC에서 카운트되는 시간에 오차가 발생하는 저가의 MCU로 상기 MCU(113)를 이용하더라도 시간이 지날수록 시간오차가 크게 벌어져 각 센서노드(110)간의 동기화가 제한되는 문제점을 해결할 수 있으며, 이러한 시분할 통신방식으로 데이터 충돌을 방지하여 안정적으로 데이터 수집이 가능할 수 있다.
여덟째, 상기 메모리(117)는, 설정된 타임슬롯(TS)에 반영된 보고주기(RC)의 시간정보(TRC), 각 센서노드(110)가 배치된 슬롯구간(SP)의 시간정보(TSP) 및 해당 센서노드(110)의 슬롯순번(SI)을 저장하고, 상기 CPU(116)는, 업데이트된 현재 시간정보를 이용하여 기설정된 카운트시작시각(T1)으로부터 현재 시각이 경과된 시간(T2)을 카운트하고, 카운트된 시간(T2)을 보고주기 시간(TRC)으로 나눈 나머지값으로 현재 보고주기(RC) 내에서 현재시점시각(Tpoll)을 산출하며, 상기 슬롯구간 시간(TSP)과 슬롯순번(SI)으로부터 보고주기(R) 내에서 해당 센서노드(110)에게 할당된 슬롯구간(SP)의 시작시각인 슬롯타임(ST)을 산출하고, 하기의 [수학식]을 이용하여 이후에 웨이크업해야 하는 알람시각(ΔT)을 산출하며 산출된 알람시각(ΔT)을 알람부(115)에 입력한 후 슬립모드에 진입하도록 구동제어하는 것과 같이, 비교적 간소한 계산방식으로 현재시점시각(Tpoll) 및 알람시각(ΔT)을 산출할 수 있어 CPU(116)의 부하를 절감할 수 있고 산출소요시간을 최소화할 수 있으며 이를 통해 각 센서노드(110)를 더욱 정밀하게 구동제어할 수 있다.
[수학식]
알람시각(ΔT) = 보고주기 시간(TRC) - 현재시점시각(Tpoll) + 슬롯타임(ST)
아홉째, 상기 복수의 센서노드(110)는, 설정된 측정주기가 되면 웨이크업하여 액티브모드로 동작하면서 양봉환경을 측정하고 측정된 양봉환경 측정데이터가 설정된 비정상 임계치이면 비정상 측정데이터가 포함된 이벤트보고패킷(Eu-pkt)을 게이트웨이(130)로 무선출력하며, 설정된 보고주기가 되면 웨이크업하여 액티브모드로 동작하면서 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)을 무선출력하면서 주기보고하되, 상기 설정된 측정주기와 보고주기는 서로 다른 주기시간으로 설정됨으로써, 배터리부(120)로 동작하면서 이벤트 보고와 주기보고를 동시에 효과적으로 수행할 수 있다.
열째, 상기 MCU(113)는, 슬립모드시 전력소모 절감을 위해 상기 CPU(116) 및 900MHz 통신칩(112)의 구동이 정지되고 상기 메모리(117)의 RAM영역이 소거되며 웨이크업시 CPU(116)가 리셋루틴에 진입하는 딥슬립 방식으로 동작하되, 액티브모드에서 슬립모드로 진입시 상기 메모리(117) 내에서 데이터가 소거되지 않는 RTC 레지스터 중 년(year)에 해당하는 레지스터 또는 월(Month)에 해당하는 레지스터에 슬립진입코드를 입력하며, 웨이크업시 리셋루틴하면서 상기 년 또는 월에 해당하는 레지스터에 저장된 데이터를 리딩하여 상기 슬립진입코드가 인식되면 상기 주기보고를 수행하고 상기 RTC 레지스터의 초기값이 인식되면 초기구동방식으로 동작을 수행하는 것과 같이, 수면모드에서 딥슬립 방식으로 동작하여 초절전을 구현할 수 있으면서도 웨이크업시 슬립모드 진입 직전의 상태를 인지할 수 있어 안정적으로 리셋루틴으로 구동할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양봉통, 게이트웨이 및 사용자단말이 상호 망구성된 상태를 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템에서 관제서버가 생략된 기능적 구성을 나타낸 블럭도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서노드 및 배터리부의 기능적 구성을 나타낸 블럭도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로라브릿지를 통해 사용자단말이 게이트웨이에 접속되는 기능적 구성을 나타낸 블럭도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동형 로라브릿지의 기능적 구성을 나타낸 블럭도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 거치형 로라브릿지의 기능적 구성을 나타낸 블럭도,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템에 관제서버가 포함된 기능적 구성을 나타낸 블럭도,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MCU의 기능적 구성을 나타낸 블럭도,
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 앱기능부에서 평균전류 및 배터리 사용시간을 산출하기 위한 데이터를 나타낸 테이블표,
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각 센서노드 간에 데이터 충돌없이 정상적으로 무선통신이 이루어지는 상태를 나타낸 개략도,
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각 센서노드 간에 데이터 충돌이 발생한 경우 백오프 시간 후에 재전송되는 상태를 나타낸 개략도,
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주기보고용으로 설정된 타임슬롯을 나타낸 개략도,
도 13 및 도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 게이트웨이의 기준시간정보에 따라 알람시각을 산출하는 동작원리를 설명하기 위한 개략도,
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서노드에서 게이트웨이의 기준시간정보에 따라 알람시각을 산출하는 동작원리를 설명하기 위한 플로우챠트,
도 16은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 게이트웨이를 통해 센서노드의 파라미터를 변경 제어하는 동작원리를 설명하기 위한 개략도,
도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서노드의 액티브 모드 및 슬림모드를 설명하기 위한 테이블표,
도 18은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서노드에서 리셋구동하는 동작원리를 설명하기 위한 플로우챠트이다.
상술한 본 발명의 목적, 특징들 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템은 양봉장에 분산 설치되는 각 센서노드에 배터리를 이용하여 구동전원을 공급할 수 있어 전원공급라인을 포설할 필요가 없고, 저전력을 구현하면서도 넓은 통달거리(500m 내지1,000m)를 갖는 900MHz 대역의 무선주파수를 이용하여 양봉환경 측정데이터를 전송할 수 있어 신호라인의 포설이나 중계기의 설치가 불필요하고 배터리의 전력소모를 최소화할 수 있는 시스템으로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 센서노드(110), 배터리부(120) 및 게이트웨이(130)를 포함한다.
먼저, 상기 복수의 센서노드(110)는 양봉장에서 꿀벌을 생육하고 벌꿀을 채밀하는데 필요한 양봉환경을 측정하는 센서통신장치로서, 각 양봉통(10)마다 설치되어 양봉통(10)의 내부온도, 내부습도, 내부이산화탄소, 외부온도, 내부소음 또는 양봉통 무게 중 하나 이상을 포함하는 양봉환경을 측정한다. 이를 위해 도 1에 도시된 바와 같이 양봉통(10)에 장착되어 내부의 온,습도를 측정하는 온습도 센서(111a), 내부에서 발생하는 소음을 측정하는 소음센서(111b) 및 양봉통(10)에 수집된 벌꿀의 양을 산출하기 위해 양봉통(10)의 무게를 측정하는 무게센서(111c)를 포함하는 센서부(111a~111c)를 포함하며, 이 밖에 이산화탄소 센서, 외부 온도센서 등을 더 포함할 수 있고 양봉장 관리자의 필요에 따라 상술한 양봉환경에서 일부를 제외하거나 추가적으로 다른 양봉환경요소를 더 측정할 수 있다.
양봉장 관리자는 센서부(111a,111b,111c)의 각 센서로부터 측정된 양봉환경 측정데이터를 모니터링하여 양봉통(10)의 내부를 들여다 보지 않아도 내부환경을 인식할 수 있으며 기준치 이하의 측정데이터가 확인되면 즉각적으로 조치할 수 있다.
여기서, 각 센서노드(110)는 설정된 측정주기마다 구동하여 상기 내부온도, 내부습도, 내부이산화탄소, 외부온도, 내부소음 및 양봉통 무게 등의 각 양봉환경 요소를 측정하며, 각 양봉환경 요소별로 서로 다른 측정주기로 구동하거나 모두 동일한 측정주기로 구동할 수도 있다. 또한, 측정한 양봉환경 측정치가 설정된 이벤트 알림 임계치를 넘어서면 사용자(양봉장 관리자)에게 알림할 수 있도록 이벤트 발생데이터를 무선출력할 수도 있다.
더불어, 각 센서노드(110)는 설정된 보고주기(예를 들면, 600초)마다 900MHz 대역의 무선주파수를 이용하여 측정된 양봉환경 측정데이터가 포함된 주기보고패킷(Ru-pkt : Report Uplink Packet, 도 10 참고)을 무선출력하면서 게이트웨이(130)로 주기보고한다.
이를 위해, 도 3에 도시된 바와 같이 각 센서노드(110)는 양봉통(10)의 양봉환경을 측정하여 양봉환경 측정데이터를 생성하는 센서부(111a~111c)와, 상기 게이트웨이(130)와 900MHz 대역의 무선통신망으로 신호연결되는 900MHz 통신칩(112) 및, 상기 센서부(111a~111c) 및 900MHz 통신칩(112)을 구동제어하는 MCU(113)를 포함한다.
여기서, 상기 센서노드(110)는 MCU(113)에 프로그래밍된 사항에 따라 보고주기를 설정하거나 변경할 수 있고, 측정된 양봉환경 측정데이터가 적정 기준치를 초과하거나 미달하는 경우를 감지하고 알림하기 위해 설정된 보고주기보다 센서부(111a~111c)가 양봉환경을 측정하는 측정주기를 짧게 할 수도 있다.
또한, 상기 900MHz 통신칩(112)은 파이(PHY) 및 맥(MAC) 계층까지만 구현된 트랜시버(Transceiver)가 대부분이다. 따라서, 900MHz 통신칩(112)에 MCU(113)를 연결하여 상위층의 역할을 MCU(113)의 소프트웨어로 처리하게 된다. 이렇게 MCU(113)에서 특정 통신기능을 수행할 때의 소프트웨어를 스택(Stack)이라고 한다.
상기 배터리부(120)는 각 센서노드(110)에 연결되어 센서노드(110)가 동작하는데 필요한 구동전원을 공급한다. 여기서, 도 1 및 도 2에서와 같이 하나의 배터리부(120)가 각 센서노드(110)별로 매칭되어 연결될 수도 있고 배터리부(120)의 용량에 따라 하나의 배터리부(120)에 복수 개의 센서노드(110)가 연결되어 구동전원을 동시에 공급받을 수도 있다. 또한, 상기 배터리부(120)는 센서노드(110)의 케이스(미도시)에 일체형으로 장착되어 부피를 최소화하고 별도의 연결작업이 불필요하도록 구비될 수도 있다.
상기 게이트웨이(130)는 각 센서노드(110)에서 측정된 양봉환경 측정데이터를 수집하는 통신장치로서, 각 센서노드(110)와 900MHz 대역의 무선통신망으로 신호연결되어 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)이 수신되면 해당 센서노드(110)로 컨펌패킷(C-pkt : Confirm Packet)을 무선출력한다.
여기서, 상기 게이트웨이(130)는 시스템에 관제서버(140)가 포함되는지 여부에 따라 양봉환경 측정데이터를 수집하고 컨펌패킷(C-pkt)을 무선출력하는 기능 이외에 수집된 양봉환경 측정데이터를 저장하고 공유하는 기능을 더 포함할 수 있다.
대부분의 IoT 시스템에서 게이트웨이는 데이터를 수집한 후 동시에 서버로 전송하며 데이터 처리는 서버에서 수행된다. 따라서 반드시 인터넷 등의 외부통신망에 접속되어야 하고 양봉의 경우 이동성을 고려하면 LTE모뎀이 설치되어야 한다.그러나 산간벽지와 같은 격오지에 양봉장을 설치하는 경우에는 무선전화도 통신이 안되는 경우가 있는데 이때에는 LTE모뎀도 불통이 된다. 따라서, 상기 게이트웨이(130)가 관제서버의 역할까지 수행하면 인터넷이나 LTE 접속이 필요없고 그 대신에 양봉장 관리자가 LoRa/WiFi 또는 LoRa/Bluetooth 방식의 로라브릿지(160)를 운용하여 이 로라브릿지(160)를 통해서 사용자단말(150)로 게이트웨이(130)에 접근하여 모니터링을 할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면 양봉장의 경우 개화시기에 맞춰 주기적으로 이동해야 하고 경우에 따라 격오지에 양봉통(10)을 설치해야 하는 특성상 인터넷이나 이동통신 서비스를 제공받지 못하는 경우가 빈번하기 때문에 서버의 운용이 제한될 수 있다.
이를 위해, 도 1 및 도 2를 참고하면 상기 게이트웨이(130)는 각 센서노드(110)로부터 수신된 양봉환경 측정데이터를 취합하여 저장하며 저장된 양봉환경 측정데이터를 접속된 사용자단말(150)과 공유함으로써 서버의 기능을 제공하여, 인터넷이나 이동통신 서비스를 제공받지 못해 관제서버를 이용하지 못하는 격오지에서도 시스템을 운용가능한 효과를 제공할 수 있다.
여기서, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 게이트웨이(130)는, 각 센서노드(110)와 900MHz 대역의 LoRa자가망으로 신호연결된 노드통신부(131)와, 상기 노드통신부(131)를 통해 수신된 양봉환경 측정데이터를 취합하여 저장하는 데이터베이스(132) 및, 상기 데이터베이스(132)에 저장된 양봉환경 측정데이터를 900MHz 대역의 LoRa자가망으로 무선출력하는 웹서버부(133)를 포함한다.
또한, 상기 사용자단말(150)이 게이트웨이(130)에 접속되어 취합된 양봉환경 측정데이터를 공유할 수 있도록 로라브릿지(160)를 더 포함할 수 있다.
상기 로라브릿지(160)는 게이트웨이(130)의 웹서버부(133)로부터 출력된 양봉환경 측정데이터를 수신하고 수신된 양봉환경 측정데이터를 상기 사용자단말(150)과 신호연결 가능한 무선근거리 통신망을 이용하여 접속된 사용자단말(150)로 무선 출력함으로써, 후술되는 관제서버(140)를 대체하여 각 센서노드(110)에서 측정된 양봉환경 측정데이터를 안정적으로 수집하고 수집된 데이터를 공유할 수 있다.
더불어, 상기 로라브릿지(160)와 사용자단말(150) 간에 망구성되는 별도의 무선통신망으로는 와이파이(WiFi), 블루투스(Bluetooth), 지그비(ZigBee) 및 지웨이브(Z-wave) 등을 이용할 수 있으나, 스마트폰, 테블릿, 노트북 및 PC 등의 사용자단말(150)에 기본적으로 구비된 와이파이(WiFi)나 블루투스(Bluetooth)을 이용하여 모니터링함으로써 시스템 구축비용을 대폭 절감할 수 있다.
여기서, 각 센서노드(110)로부터 측정되는 양봉환경 측정데이터는 용량이 크지 않고 통상적으로 양봉은 관리자 1~2명에 의해 운용되어 로라브릿지(160)를 통해 게이트웨이(130)에 접속되는 사용자단말(150)도 1~2대에 불과하기 때문에 일반적인 게임서버나 관제용 서버와 같이 고용량의 데이터 저장공간이나 다중 접속기능이 불필요하므로 게이트웨이(130)에 서버기능을 구현하기가 용이하며 일반 관제서버를 별도로 구축하는 것보다 시스템 구축비용을 절감할 수 있다.
도 5에는 이동형 로라브릿지(160)에 대한 기능적 구성이 도시되어 있다. 도면을 참고하면 로라브릿지(160)는 게이트웨이(130)와 900MHz 대역의 LoRa자가망으로 신호연결되는 900MHz 로라칩(161)과, 사용자단말(150)과 와이파이 또는 블루투스 등의 근거리 무선통신망으로 신호연결되는 근거리무선 통신모듈(162) 및, 상기 900MHz 로라칩(161)과 근거리무선 통신모듈(162)이 신호교환하도록 데이터 브릿지 기능을 제공하는 MCU(163)가 구비되어, 게이트웨이(130)에 저장된 양봉환경 측정데이터를 수신하여 사용자단말(150)이 공유할 수 있도록 전달하는 기능을 구현할 수 있다.
또한, 도면에서와 같이 상기 로라브릿지(160)는 이동형으로 이용될 수 있도록 저장된 충전전원을 구동전원으로 공급하는 배터리(164) 및, 상기 배터리(164)에 저장된 전원의 충전 및 방전을 제어하는 충방전회로(165)가 더 구비된다.
더불어, 상기 충방전회로(165)는 배터리팩(미도시)으로부터 DC 5V의 전원을 입력받으며 상기 배터리(164)는 로라브릿지(160)로의 내부전원을 공급하기 위한 전원출력라인과 사용자단말(150)로의 충전전원을 공급하기 위한 전원출력라인이 각각 연결되어 상기 배터리팩으로부터 공급되는 전원으로 로라브릿지(160)와 사용자단말(150)에 각각 전원을 공급할 수도 있다. 그리고, 상기 배터리(164)와 MCU(163) 사이에는 배터리점검부(166)가 구비되어 배터리(164)에 충전된 전원의 전류가 설정저전류에 도달시 MCU(163)로 알림신호를 출력하고, MCU(163)를 외부로 알림동작함으로써 사용자가 배터리부(164)의 잔류량이 얼마 남지 않은 것을 인식할 수 있도록 구비되는 것이 바람직하다.
도 6에는 거치형 로라브릿지(160)에 대한 기능적 구성이 도시되어 있다. 도면을 참고하면 로라브릿지(160)는, 이동형 로라브릿지(160)와 마찬가지로 게이트웨이(130)와 900MHz 대역의 LoRa자가망으로 신호연결되는 900MHz 로라칩(161)과, 사용자단말(150)과 와이파이 또는 블루투스 등의 근거리 무선통신망으로 신호연결되는 근거리무선 통신모듈(162) 및, 상기 900MHz 로라칩(161)과 근거리무선 통신모듈(162)이 신호교환하도록 데이터 브릿지 기능을 제공하는 MCU(163)을 기본적으로 포함하고, 상용전원을 공급받아 소정의 구동전원(DC 5V)를 출력하는 아답터(미도시)로부터 구동전원을 공급받아 내부전원용으로 변환하는 LDO(Low Dropout,167)를 포함한다.
양봉통(10)들의 위치에서 수 km 이내에 관리자가 고정적으로 위치하는 장소가 있고 그 장소에 인터넷이 가능할 경우에 이러한 거치형 로라브릿지(160)를 설치하면 브릿지와 와이파이 인터넷 공유기를 통해서 관제서버(140)로 데이터를 송출할 수 있다. 이 경우는 사용자단말(150)로 장소의 제약없이 어디서나 모니터링이 가능해진다.
보다 구체적으로 설명하면, 양봉장 현장에 게이트웨이(130)가 설치되고 로라브릿지(160)가 설치된 장소에 라우터나 인터넷 공유기가 있어 인터넷 접속이 가능하다면 거치용 로라브릿지(160)가 게이트웨이(130)와 라우터(또는 인터넷 공유기) 간에 브릿지 역할을 하는 것이다. 즉, 거치형 로라브릿지(160)가 설치된 위치에서 인터넷 접속이 가능하다면 양봉 현장에 있는 게이트웨이(130)와 인터넷에 있는 관제서버(140) 사이에 중계역할을 할 수 있다.
만일, 인터넷 연결이 안되는 위치에 있다면 이동형 로라브릿지(160)와 동일하게 게이트웨이(130)에 접속해주는 기능만 제공된다. 그러나 900MHz 대역의 IoT 통신의 경우 단말기는 25mW, 고정형 게이트웨이는 200mW까지 출력이 허용되기 때문에 거치형 로라브릿지(160)를 사용하면 출력을 200mW까지 높일 수가 있어서 이동형 로라브릿지(160)보다 긴 통신거리를 확보할 수 있는 장점이 있다.
상술한 바와 같이, 관제서버를 대체하여 게이트웨이(130)가 데이터를 수집 및 저장하고 서버나 인터넷을 통하지 않고서도 사용자단말(150)이 게이트웨이(130)에 접속할 수 있으므로 인터넷이나 이동통신 서비스를 제공받지 못하는 격오지에서도 시스템을 운용할 수 있는 것이다.
한편, 인터넷이나 이동통신 서비스가 제공되는 위치에 양봉장이 설치되는 경우 관제서버(140)를 운용할 수도 있는데 이 경우 도 7을 참고하면, 상기 게이트웨이(130)는 각 센서노드(110)와 900MHz 대역의 무선통신망으로 신호연결되어 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)이 수신되면 해당 센서노드(110)로 컨펌패킷(C-pkt)을 무선출력하고 수신된 양봉환경 측정데이터를 별도의 통신망을 통해 출력한다.
또한, 상기 관제서버(140)는 게이트웨이(130)와 신호연결되어 상기 양봉환경 측정데이터가 수신되면 각 양봉통(10)별로 취합하여 저장하고 저장된 양봉환경 측정데이터를 접속된 사용자단말(150)과 공유한다.
여기서, 상기 900MHz 대역은 데이터를 변조하는 방식에 따라 표준적인 FSK 방식과 비표준적인 LoRa 방식으로 구분할 수 있는데, 상기 LoRa 방식의 경우 FSK 방식과 비교하여 볼 때 통신속도는 떨어지지만 Sporead Spectrum 기술을 사용하기 때문에 커버리지 면에서 월등하다. 따라서 각 센서노드(110)와 게이트웨이(130)는 LoRa 방식이 적용된 900MHz 대역의 무선주파수를 이용하여 상호 신호연결되도록 구비되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 게이트웨이(130)와 관제서버(140) 간에 신호연결되는 별도의 통신망으로는 LAN, LTE, 인터넷망, 또는 와이파이(WiFi), 블루투스(Bluetooth), 지그비(ZigBee) 및 지웨이브(Z-wave)와 같이 두 장치 간에 이격된 거리를 고려하여 다양한 무선통신망 또는 유선통신망이 적용될 수 있다.
더불어, 도 7에 도시된 바와 같이 게이트웨이(130)는 관제서버(140)와의 신호연결에 있어 서로 다른 네트워크들을 중간에서 연결시키기 위한 라우터(190)가 구비될 수 있다.
한편, LoRa 통신방식도 대부분의 경우 LoRaWAN이라고 하는 외국산 스택을 그대로 사용하고 있는데, 이는 LoRa 통신칩의 상위단에서 다중 접속을 어떻게 구현하는가에 대한 기능구현상의 한가지 방식이다. LoRaWAN의 장점은 사용자가 설치한 게이트웨이를 통해서 비교적 넓은 지역에서 전국적인 서비스를 하기에 유리하게 설계되어 있는 방식이다. 이러한 LoRaWAN의 단점은 같은 지역 내에 비교적 많은 수의 센서노드가 있고 데이터 수집이 빈번할 경우에는 처리하는데 한계가 있으며, 주로 센서노드의 이벤트 데이터를 수집하는데 최적화되어 있어 양방향 통신이 어렵다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템에서는 900MHz 대역의 LoRa 무선자가망 스택을 이용하여 양봉장과 같이 특정 지역 내에 다양한 종류의 센서노드들이 있는 경우에 보다 최적화된 다중접속 방식이 적용되는 것이 바람직하다.
상기 관제서버(140)는 각 센서노드(110)에서 측정된 양봉환경 측정데이터를 사용자가 열람할 수 있도록 공유하는 서버로서, 상기 게이트웨이(130)로부터 수신된 양봉환경 측정데이터를 취합하여 저장한다.
여기서, 상기 관제서버(140)는 수신되는 양봉환경 측정데이터를 각 센서노드(110)별로 취합하며, 필요시 양봉장별로 취합할 수도 있다. 예를 들어, 복수의 양봉장을 동시에 관리하는 경우 각 양봉장별로 양봉환경 측정데이터를 취합하여 저장할 수도 있다. 또한, 상기 관제서버(130)는 양봉장에 배치되거나 같은 지역내의 건물에 배치될 수 있고 네트워크망을 통해 원격지에 배치될 수 있다.
상술한 바와 같은 복수의 센서노드(110), 배터리부(120) 및 게이트웨이(130)의 조합된 구성을 통해, 배터리부(120)를 이용하여 양봉장에 분산 설치되는 각 센서노드(110)에 구동전원을 공급할 수 있어 전원공급라인을 포설할 필요가 없고, 저전력을 구현하면서도 넓은 통달거리를 갖는 900MHz 대역의 무선주파수를 이용하여 양봉환경 측정데이터를 전송할 수 있어 신호라인의 포설이나 중계기의 설치가 불필요하면서도 배터리의 전력소모를 최소화할 수 있다.
더불어, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 배터리부(120)는, 태양광을 수광하여 전원을 생성하는 솔라셀(121)과, 상기 솔라셀(121)에서 생성된 전원을 저장하는 축전지(122) 및, 상기 축전지(122)에 저장된 전원의 충전 및 방전을 제어하는 충방전회로(123)를 포함함으로써 배터리부(120)의 교체주기를 최소화하여 반영구적으로 구동전원을 공급할 수 있다.
그리고, 소형 솔라셀(121)의 경우 100mA 미만의 발전량을 가지고 있다. 일일 평균 발전량이 센서노드(110)의 일일 평균 소모량보다는 커야만 한다. 센서노드(110)의 일일 평균 소모 전류는 1mA 이하이다. 따라서 일일 평균 발전량이 1mA이상이어야 한다. 통산 일일 4시간 정도만 발전한다고 가정하면 발전시 6mA 이상이면 하루의 소모량보다 커진다. 비오는 날이나 흐린날을 고려해서 평상시 이보다 5~6배 많게 발전을 해야 한다고 하면 발전시 30~36mA 이상이 되어야 한다.
한편, 상기 센서노드(110)는, 슬립모드로 동작하다 설정된 보고주기가 되면 웨이크업하여 액티브모드로 동작하면서 상기 주기보고를 수행하도록 구비되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 센서노드(110)는 슬립모드로 동작하다 설정된 측정주기가 되면 웨이크업하여 액티브모드로 동작하면서 설정된 양봉환경을 측정한다.
이를 위해, 도 8을 참고하면 상기 센서노드(110)의 MCU(113)는, 실시간 시간정보를 제공하는 RTC(Real Time Clock,114)와, 상기 RTC(114)로부터 제공되는 현재 시간정보를 기준으로 설정된 알람시각이 되면 웨이크업신호를 출력하는 알람부(115)와, 상기 알람부(115)로부터 웨이크업신호가 입력되면 웨이크업하여 상기 센서부(111a~111c)가 양봉환경을 측정하고 양봉환경 측정데이터가 포함된 주기보고패킷(Ru-pkt)이 상기 900MHz 통신칩(112)을 통해 게이트웨이(130)로 전송되도록 하고 주기보고 후에는 슬립모드로 동작하도록 구동제어하는 CPU(116) 및, 각종 데이터가 저장되는 메모리(117)를 포함한다. 따라서, 각 센서노드(110)가 설정된 보고주기를 기준으로 슬립모드와 액티브모드로 구분동작하여 배터리 소모를 최소화하면서 안정적으로 무선통신이 가능한 장점이 있다.
한편. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템에서는 사용자가 배터리부(120)의 사용가능 시간을 확인할 수 있도록 데이터를 제공할 수 있다.
이를 위해, 사용자가 운용하는 사용자단말(160)에 애플리케이션의 형태로 설치되는 앱기능부(151, 도 1 참고)는 상기 관제서버(140)에 접속하여 해당 양봉장의 양봉환경 측정데이터를 수신하며 수신된 양봉환경 측정데이터를 사용자단말(160)의 디스플레이에 표시한다.
또한, 상기 센서노드(110)는 슬립모드로 동작하다 설정된 측정주기가 되면 웨이크업하여 액티브모드로 동작하면서 양봉환경을 측정하고, 슬립모드로 동작하다 설정된 보고주기가 되면 웨이크업하여 액티브모드로 동작하면서 상기 주기보고를 수행한다.
더불어, 상기 앱기능부(151)는 하기의 [수학식1]을 이용하여 센서노드(110)의 평균전류(IAVG)를 산출한다.
[수학식1]
평균전류(IAVG) = (I센서측정시 사용전류 × T측정시간 / T측정주기) +
(I주기보고시 사용전류 × T보고시간 / T보고주기) +
(I슬립모드시 사용전류)
(여기서, 상기 'I센서측정시 사용전류'는 양봉환경 측정시 사용되는 전류값, 상기 'T측정시간'은 양봉환경 측정시 소요되는 시간, 상기 'T측정주기'는 양봉환경을 측정하도록 설정된 주기시간, 상기 'I주기보고시 사용전류'는 양봉환경 측정데이터의 무선출력시 사용되는 전류값, 상기 'T보고시간'는 양봉환경 측정데이터의 무선출력시 소요되는 시간, 상기 'T보고주기'는 양봉환경 측정데이터를 무선출력하도록 설정된 주기시간, 상기 'I슬립모드시 사용전류'는 슬립모드시 사용되는 전류값을 각각 의미한다.)
더불어, 상기 앱기능부(151)는 하기의 [수학식 2]를 이용하여 배터리부(120)의 사용가능 시간(TBAT)을 산출하고 산출된 사용가능 시간을 사용자단말(160)의 디스플레이에 표시한다.
[수학식2]
TBAT = Q[mAh] / IAVG [mA], 단위 = [시간]
(여기서, 상기 'Q'는 배터리부(120)의 용량을 의미한다.)
예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 센서노드(110)가 양봉환경을 측정할 때 사용되는 전류값인 'I센서측정시 사용전류'는 8.8mA, 양봉환경을 측정할 때 소요되는 시간인 'T측정시간'은 500ms, 양봉환경을 측정하도록 설정된 주기인 'T측정주기'는 60s인 경우 양봉환경의 측정시 평균전류는 0.073333mA인 것으로 산출할 수 있고, 양봉환경 측정데이터를 무선출력할 때 사용되는 전류값인 'I주기보고시 사용전류'는 30mA, 양봉환경 측정데이터를 무선출력할 때 소요되는 시간인 'T보고시간'는 1,500ms, woep를 무선출력하도록 설정된 주기인 'T보고주기'는 300s인 경우 양봉환경 측정데이터의 주기보고시 평균전류는 0.15mA인 것으로 산출할 수 있으며, 슬립모드시 사용전류는 0.02mA인 경우 센서노드(110)의 전체 평균전류(IAVG)는 0.243333mA(0.073333mA+0.15mA+0.02mA)으로 산출할 수 있다.
또한, 배터리용량(Q)가 19,000mAh일 때 배터리 사용가능시간은 54,657.53시간(h)이고 사용가능년수는 6.2394445년(y)인 것을 산출할 수 있다. 이러한 산출결과를 사용자단말(160)의 디스플레이에 표시하여 사용자가 현재의 배터리부(120)가 갖는 용량으로 사용가능한 시간(h 또는 y)을 직관적으로 확인할 수 있으며, 배터리부(120)의 용량이나 센서노드(110)의 보고주기 및 측정주기를 결정하기 위한 기초데이터로 이용할 수 있다. 더불어, 배터리 사용가능한 시간을 고정하고 상기 'T측정주기' 또는 'T보고주기'를 미지수로 상기 [수학식 1] 및 [수학식 2]에 반영하면 요구하는 배터리 사용가능 시간의 전제조건 하에서 설정 가능한 'T측정주기' 또는 'T보고주기'를 산출할 수도 있다.
더불어, 상기 사용자단말(160)은 스마트폰, 테블릿, 노트북이나 PC를 이용할 수 있는데 이 밖에 데이터처리 및 출력이 가능하고 상기 관제서버(140)와 서버 대 클라이언트로 데이터 송수신이 가능한 여러 통신장치가 이용될 수 있다.
한편, 시스템에 포함된 각 센서노드(110)들이 서로 다른 시간에 주기보고를 하는 경우 게이트웨이(130)는 각 센서노드(110)로부터 개별적으로 주기보고패킷(Ru-pkt)을 수신하고 이에 응답하는 컨펌패킷(C-pkt)을 전송하면서 각 센서노드(110)의 무선출력이 이상적으로 이루어질 수 있다.
도 10에는 이러한 예시를 나타내고 있다. 여기서 도면에 도시된 백색블럭은 센서노드(110)의 주기보고패킷(Ru-pkt)을 의미하고 음영블럭은 게이트웨이(130)의 컨펌패킷(C-pkt)을 의미한다. 예를 들어 도면에서와 같이 SN101번 내지 SN310번의 망식별번호(NID)를 갖는 각 센서노드(110)들이 서로 다른 타이밍에 웨이크업하여 순차적으로 주기보고하는 경우 데이터 충돌없이 무선출력이 성공적으로 이루어질 수 있다.
그러나, 양봉장에 각 센서노드(110)를 설치하고 설치된 센서노드(110)들의 전원을 동시에 켜거나 이벤트 상황이 동시에 발생하게 되면 각 센서노드(110)들이 동일한 타이밍에 양봉환경 측정데이터를 무선출력하면서 데이터 충돌로 무선출력이 실패될 수 있다.
예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이 SN101번의 망식별번호(NID)를 갖는 센서노드(110)와 SN110번의 망식별번호(NID)를 갖는 센서노드(110)가 동시에 주기보고패킷(Ru-pkt)을 무선출력하게 되면 게이트웨이(130)는 이를 수신하지 못하게 되고, 이에 따라 SN101번 및 SN110번의 각 센서노드(110)는 설정시간 내에 컨펌패킷(C-pkt)을 수신하지 못하므로 무선출력이 실패(전송실패)한 것으로 인식하게 된다.
이에 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템에서는 이를 방지하기 위해 무선출력 실패시 각 센서노드(110)가 상호 중복되지 않는 백오프(Back Off)시간 후에 양봉환경 측정데이터를 재전송하여 안정적인 무선출력이 가능하도록 구비될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 각 센서노드(110)는 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)을 무선출력한 후 설정시간 내에 게이트웨이(130)의 컨펌패킷(C-pkt)이 수신되면 정상적으로 주기보고된 것으로 판단하되, 상기 설정시간 내에 컨펌패킷(C-pkt)이 수신되지 않으면 다른 센서노드(110)와의 데이터충돌로 인해 무선출력이 실패한 것으로 판단하며, 무선출력 실패시 해당 센서노드(110)의 망식별번호(NID)를 변수로 하는 랜덤넘버를 생성하고 생성된 랜덤넘버를 반영한 백오프(Backoff) 시간 후에 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)을 재전송한다. 따라서, 설치된 센서노드(110)들을 동시에 전원을 켜는 경우나 동시에 보고할 이벤트가 발생한 경우와 같이 아직 동기화되지 않은 센서노드(110)로부터 동시에 양봉환경 측정데이터가 전송되더라도 안정적인 무선출력이 가능할 수 있다.
여기서, 각 센서노드(110)의 MCU(113)에는 각자의 망식별번호(NID)를 변수로 하여 랜덤넘버를 생성하는 프로그램이 설치되고, 생성되는 랜덤넘버는 충돌가능한 센서노드(110)의 최대수량을 고려하여 적정시간(초) 범위 내에서 랜덤하게 생성되도록 구비되는 것이 바람직하다. 예를 들어, SN101번의 망식별번호(NID)를 갖는 센서노드(110)는 랜덤넘버 생성의 변수로 '101'을 입력하여 '2'라는 랜덤넘버가 생성되면 2초 이후에 주기보고패킷(Ru-pkt)을 재전송하고 SN110번의 망식별번호(NID)를 갖는 센서노드(110)는 랜덤넘버 변수의 변수로 '110'을 입력하여 '5'라는 랜덤넘버가 생성되면 5초 이후에 주기보고패킷(Ru-pkt)을 재전송하면서 두 센서노드(110)는 두번째 데이터 충돌없이 안정적으로 무선출력을 성공할 수 있는 것이다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템에서는 타임슬롯(TS)을 이용한 시분할 통신방식을 적용하여 각 센서노드(110) 간에 데이터 충돌을 방지하고 안정적으로 데이터를 수집할 수 있다.
도 12에는 상기 타임슬롯(TS)의 예시를 도시하고 있다. 도면을 참고하면 타임슬롯(TS)은 시간축으로 매 보고주기(RC : Report Cycle)마다 모든 센서노드(110)가 주기보고할 수 있도록 보고주기(RC) 내에 각 센서노드(110)가 순차배정된다. 따라서, 보고주기(RC)를 전체 센서노드(110)의 수량으로 나누면 각 센서노드(110)가 전용으로 게이트웨이(130)와 무선통신할 수 있는 기간인 슬롯구간(SP: Slot Period)이 정해진다. 예를 들어, 보고주기(RC)의 설정된 시간(TRC)이 5분(600초)이고 센서노드(110)의 수량이 60개인 경우 각 센서노드(110)의 슬롯구간(SP)의 시간(TSP)은 5초(600초/60개)가 되는 것이다.
또한, 각 센서노드(110)는 보고주기(RC)에 해당 센서노드(110)의 배정된 순서정보인 슬롯순번(SI : Slot Index) 정보가 저장된다. 예를 들어, 도면에서와 같이 첫번째 슬롯구간(SP)에 배정된 센서노드(110)는 SN1이라는 슬롯순번(SI) 정보가 저장되고 두번째 슬롯구간(SP)에 배정된 센서노드(110)는 SN2라는 슬롯순번(SI) 정보가 저장되며 마지막에 슬롯구간(SP)에 배정된 센서노드(110)는 SNn이라는 슬롯순번(SI) 정보가 저장된다.
더불어, 도 13에 도시된 바와 같이 상기 게이트웨이(130)는 각 센서노드(110)로부터 주기보고패킷(Ru-pkt)이 수신되면 동기화를 위해 설정된 기준시간정보가 포함된 컨펌패킷(C-pkt)을 무선출력한다.
그리고, 센서노드(110)의 MCU(113)에 구비된 CPU(116)는 컨펌패킷(C-pkt)이 입력되면 컨펌패킷(C-pkt)에 포함된 기준시간정보를 기준으로 상기 RTC(114)의 현재 시간정보를 업데이트하고, 업데이트된 현재 시간정보를 기준으로 이후에 웨이크업해야 하는 알람시각을 산출하며, 산출된 알람시각을 상기 알람부(115)에 입력한 후 슬립모드에 진입하도록 구동제어한다.
도 14은 이를 시간축으로 도시한 것이다. 도면을 참고하면 각 센서노드(110)는 주기보고패킷(Ru-pkt)을 전송한 후 컨펌패킷(C-pkt)을 수신하면 해당 컨펌패킷(C-pkt)에 포함된 게이트웨이(130)의 기준시간정보를 기준으로 현재시간을 동기화하고 동기화된 현재 시간정보를 기준으로 자신의 슬롯인덱스(SI) 및 슬롯구간(SP) 정보를 이용하여 자신의 슬롯타임(ST : Slot Time)을 산출한다.
상기 슬롯타임(ST)은 보고주기(RC)에서 각 센서노드(110)마다 할당된 슬롯의 시간을 의미한다. 예를 들어, 슬롯구간(SP)이 5초이고 슬롯인덱스(SI)가 10인 센서노드(110)는 보고주기(RC)가 시작되는 시간을 기점으로 5(초) × 10 = 50초가 자신이 게이트웨이(130)와 통신을 시작할 수 있는 시간인 슬롯타임(ST)이 되는 것이다.
또한, 각 센서노드(110)는 해당 보고주기(RC) 내에서 자신의 타임슬롯(TS)이 아직 오지 않았으면 남은 시간만큼 슬립모드에 들어가고, 만일 타임슬롯(TS)을 놓쳤다면 다음 보고주기(RC)의 타임슬롯(TS)까지 슬립모드에 들어간다. 전원을 켜거나 리셋되어 기준시간이 없을 경우에만 도 11에서와 같이 데이터 충돌에 의한 재전송이 발생할 수 있고 그 이후에는 다른 센서노드(110)와 충돌없이 자신의 타임슬롯에 깨어나서 송출하고 다시 슬립모드에 들어가는 동작을 반복하게 된다.
도 15를 참고하여 보다 구체적으로 설명하면, 상기 센서노드(110)에 구비된 MCU(113)의 메모리(117)는, 설정된 타임슬롯(TS)에 반영된 보고주기(RC)의 시간정보(TRC), 각 센서노드(110)가 배치된 슬롯구간(SP)의 시간정보(TSP) 및 해당 센서노드(110)의 슬롯순번(SI)을 저장한다.
또한, 주기보고 알람시간에 도래하여 웨이크업하면(S210) 상기 CPU(116)는 슬립모드 전에 업데이트된 현재 시간정보를 이용하여 기설정된 카운트시작시각(T1)으로부터 현재 시각이 경과된 시간(T2)을 카운트하고(S220), 카운트된 시간(T2)을 보고주기 시간(TRC)으로 나누어 나머지값으로 현재 보고주기(RC) 내에서 현재시점시각(Tpoll)을 산출하며(S230), 상기 슬롯구간 시간(TSP)과 슬롯순번(SI)으로부터 보고주기(R) 내에서 해당 센서노드(110)에게 할당된 슬롯구간(SP)의 시작시각인 슬롯타임(ST)을 산출한다.(S240)
더불어, 하기의 [수학식 3]을 이용하여 이후에 웨이크업해야 하는 알람시각(ΔT)을 산출하며(S250) 산출된 알람시각(ΔT)을 알람부(115)에 입력한 후 슬립모드에 진입하도록 구동제어하며(S250), 슬립모드 중에는 현재시각이 알람시각인지를 주기적으로 비교하여 알람시각이 도래하면 웨이크업하고 알람시각이 아니면 지속적으로 슬립모드를 유지한다.(S270)
[수학식 3]
알람시각(ΔT) = 보고주기 시간(TRC) - 현재시점시각(Tpoll) + 슬롯타임(ST)
예를 들어, 현재 시간(기준시간정보)이 오후 1시 30분 15초, 보고주기(RC)의 시간(TRC)은 600초(10분), 슬롯구간(SP)의 시간(TSP)은 5초, 슬롯인덱스(SI)가 2번째이고 상기 기설정된 카운트시작시각(T1)이 자정인 것으로 설정된 경우, 우선, 자정(00시 00분 00초)으로부터 현재 시각(13시 30분 15초)이 경과된 시간(T2)을 산출하면, T2 = (13시간 × 3,600초) + (30분 × 60초) + 15초 = 48,615초이다.
위와 같이 산출된 값(T2 = 48,165초)을 보고주기(RC)의 시간(TRC = 600초)로 나눈 나머지를 구하면, 현재 보고주기(RC) 내에서 현재시점시각(Tpoll)이 15초인 것으로 산출할 수 있다. 즉, 자정(00시 00분 00초)으로부터 81번의 보고주기(RC)가 경과되었고 82번째 보고주기(RC) 내에서 15초가 경과된 시점이 현시각인 것이다.
여기서, 보고주기(RC) 내에서 해당 센서노드(110)의 슬롯타임(ST)은 10초이나 현 보고주기(RC) 내에서의 현시점은 15초로 이미 10초를 넘었으므로 보고주기(RC) 내에서 이미 해당 센서노드(110)의 슬롯타임(ST)이 지나쳤음을 알 수 있다.
또한, 상기 [수학식 3]에 의하면, 이후 알람시각(ΔT) = 보고주기 시간(TRC,600초) - 현재시점시각(Tpoll,15초) + 슬롯타임(ST,10초)은 595초에 도래함을 산출할 수 있고 현시각으로부터 595초 후에 웨이크업할 수 있도록 알람부(115)에 데이터를 저장하고 슬립모드에 진입한다. 이러면 각 센서노드(110)는 자신의 타임슬롯에 동기가 된다.
상기 게이트웨이(130)는 센서노드(110)로부터 수신된 보고패킷이 주기보고인지를 판단하여 주기보고가 아니면 컨펌패킷(C-pkt)만을 전송하고 주기보고이면 기준시간정보가 포함된 컨펌패킷(C-pkt)을 무선출력한다.
상술한 바와 같이 각 센서노드(110)의 RTC(114)에서 제공되는 현재 시간정보를 게이트웨이(130)의 기준시간정보로 업데이트하여 절대시간을 고정시킨 상태에서 각 센서노드(110)의 타임슬롯을 계산함으로써, 상기 RTC(114)에서 카운트되는 시간에 오차가 발생하는 저가의 MCU(113)를 이용하더라도 시간이 지날수록 시간오차가 크게 벌어져 각 센서노드(110)간의 동기화가 제한되는 문제점을 해결할 수 있으며, 이러한 시분할 통신방식으로 데이터 충돌을 방지하여 안정적으로 데이터 수집이 가능할 수 있다.
더불어, 상기 게이트웨이(130)는 인터넷이나 이동통신 서비스 등의 외부통신망으로부터 실시간 현재시간정보를 입력받으며 입력된 실시간 현재시간정보의 현재시각을 상기 기준시간정보의 기준시각으로 설정함으로써, 시스템의 설정시각과 실제 현재시각을 정확하게 일치시킬 수 있으며 각 센서노드(110)의 시간설정을 더욱 정밀하게 동기화할 수 있다.
여기서, 상기에서는 센서노드(110)에 설정된 보고주기에 의해 웨이크업하여 이후 보고주기 알람시각이 산출 및 저장되는 것을 예시하였으나, 동일한 방식으로 측정주기에 의해 웨이크업하여 이후 측정주기 알람시각을 산출 및 저장하여 저장된 알람시각에 의해 설정된 측정주기마다 웨이크업할 수 있다.
한편, 상기 게이트웨이(130)는 시스템 설치후에 노드가 추가되어서 변경이 필요할 때 이 파라미터들을 센서노드(110)에 원격으로 세팅함으로써 효과적으로 시스템 구성을 변경할 수 있다.
도 16은 이를 구현하는 방식을 도시하고 있다. 일반적으로 배터리로 동작하는 센서노드의 파라미터를 게이트웨이가 원격으로 변경할 수가 없다. 따라서, 특별한 방법이 적용되어야 한다. 본 발명에서는 센서노드(110)가 데이터를 송출한 후 컨펌패킷(C-pkt)를 기다리기 위해서는 적당한 시간만큼 깨어 있어야 한다. 자신의 타임슬롯 구간 동안 깨어 있어도 되나 배터리 수명을 위해서는 가능한 서둘러 슬립모드에 들어가는 것이 바람직하다. 그래서 컨펌패킷(C-pkt)이 수신되면 해당 컨펌패킷(C-pkt)안에 파리미터 변경정보를 같이 실어서 보낼 수 있고 파라미터 변경패킷이 온다는 프래그(Flag)만 세팅해서 센서노드(110)가 슬립모드에 들어가기 전에 좀 더 기다리도록 할 수 있다.
또한, 파라미터로 측정주기와 보고주기를 별도로 파라미터로 관리할 수 있다. 즉, 센서노드(110)가 깨어나서 센서값을 측정하는 측정주기와 게이트웨이(130)로 측정된 데이터를 송출하는 보고주기를 다르게 관리하면 시스템을 운영하는데 보다 효율적이 된다 가령, 온습도 센서의 경우 측정주기는 1분으로 하고 보고주기는 5분으로 해서, 1분 단위로 웨이크업하여 온도를 측정해서 정상범위에 있으면 다시 슬립모드로 진입하고 이상온도가 감지되면 다음 보고주기까지 기다릴 필요가 없이 비상상황이므로 곧바로 이벤트 보고를 할 수가 있다. 이렇게 하면 배터리로 동작하면서 이벤트 보고 및 주기보고의 두가지를 모두 효과적으로 수행할 수 있다.
즉, 상기 복수의 센서노드(110)는, 설정된 측정주기가 되면 웨이크업하여 액티브모드로 동작하면서 양봉환경을 측정하고 측정된 양봉환경 측정데이터가 설정된 비정상 임계치이면 비정상 측정데이터가 포함된 이벤트보고패킷(Eu-pkt)을 게이트웨이(130)로 무선출력하며, 설정된 보고주기가 되면 웨이크업하여 액티브모드로 동작하면서 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)을 무선출력하면서 주기보고하되, 상기 설정된 측정주기와 보고주기는 서로 다른 주기시간으로 설정됨으로써, 배터리부(120)로 동작하면서 이벤트 보고와 주기보고를 동시에 효과적으로 수행할 수 있다.
한편, 도 17을 참고하면 액티브 모드에서는 데이터 연산, 저장 및 통신기능을 구현하기 위해 CPU과 통신칩은 동작하고 메모리의 RAM도 유지되나, 슬립모드에서는 전력소모를 줄이기 위해 불필요한 기능을 줄이도록 설정된다.
또한, 슬립되는 정도에 따라 CPU는 동작하고 통신칩은 정지하며 메모리의 RAM이 유지되는 쉘로우슬립(Shallow Sleep)과 CPU와 통신칩 모두 정지하고 메모리의 RAM이 소거되는 딥슬립(Deep Sleep)으로 구분된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템에서는 전력소모의 최소화를 위해 슬립모드에서 딥슬립 방식으로 동작하면서도 웨이크업시 슬립이전 동작에 연동하여 구동하도록 구비될 수 있다.
이를 위해, 상기 MCU(113)는 슬립모드시 전력소모 절감을 위해 상기 CPU(116) 및 900MHz 통신칩(112)의 구동이 정지되고 상기 메모리(117)의 RAM영역이 소거되며 웨이크업시 CPU(116)가 리셋루틴에 진입하는 딥슬립 방식으로 동작한다.
또한, 상기 MCU(113)는 액티브모드에서 슬립모드로 진입시 상기 메모리(117) 내에서 데이터가 소거되지 않는 RTC 레지스터 중 년(year)에 해당하는 레지스터 또는 월(Month)에 해당하는 레지스터에 슬립진입코드를 입력하며, 도 18을 참고하면 웨이크업시 리셋루틴하면서 상기 년 또는 월에 해당하는 레지스터에 저장된 데이터를 리딩하여 슬립진입코드의 인식여부를 확인하면서 상기 슬립진입코드가 인식되면 상기 주기보고를 수행하고 상기 RTC 레지스터의 초기값이 인식되면 초기구동방식으로 동작을 수행한다.
상기 슬립진입코드는 정상적인 절차를 거쳐 슬립에 진입했음을 인식시키기 위한 별도의 코드이며 이후 알림시각을 인식시키기 위한 코드일 수 있다.
이와 같이, 수면모드에서 딥슬립 방식으로 동작하여 초절전을 구현할 수 있으면서도 웨이크업시 슬립모드 진입 직전의 상태를 인지할 수 있어 안정적으로 리셋루틴으로 구동할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
110...센서노드 111a~111c....센서부
112...900MHz 통신칩 113...MCU
114...RTC 115...알람부
116...CPU 117...메모리
120...배터리부 121..솔라셀
122...배터리 123...충방전회로
130...게이트웨이 140...관제서버
150...사용자단말 151...앱기능부
160...로라브릿지

Claims (8)

  1. 각 양봉통(10)마다 설치되어 양봉통(10)의 내부온도, 내부습도, 내부이산화탄소, 외부온도, 내부소음 또는 양봉통 무게 중 하나 이상을 포함하는 양봉환경을 측정하고 설정된 보고주기마다 900MHz 대역의 무선주파수를 이용하여 측정된 양봉환경 측정데이터가 포함된 주기보고패킷(Ru-pkt)을 무선출력하면서 주기보고하는 복수의 센서노드(110);
    각 센서노드(110)에 연결되어 구동전원을 공급하는 배터리부(120); 및
    각 센서노드(110)와 900MHz 대역의 무선통신망으로 신호연결되어 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)이 수신되면 해당 센서노드(110)로 컨펌패킷(C-pkt)을 무선출력하고 수신된 양봉환경 측정데이터를 취합하여 저장하며 저장된 양봉환경 측정데이터를 접속된 사용자단말(150)과 공유하는 게이트웨이(130);를 포함하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 게이트웨이(130)는, 각 센서노드(110)와 900MHz 대역의 LoRa자가망으로 신호연결된 노드통신부(131)와, 상기 노드통신부(131)를 통해 수신된 양봉환경 측정데이터를 취합하여 저장하는 데이터베이스(132) 및, 상기 데이터베이스(132)에 저장된 양봉환경 측정데이터를 900MHz 대역의 LoRa자가망으로 무선출력하는 웹서버부(133)를 포함하고,
    상기 웹서버부(133)로부터 출력된 양봉환경 측정데이터를 수신하고 수신된 양봉환경 측정데이터를 상기 사용자단말(150)과 신호연결 가능한 무선근거리 통신망을 이용하여 사용자단말(150)로 무선 출력하는 로라브릿지(160);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템.
  3. 각 양봉통(10)마다 설치되어 양봉통(10)의 내부온도, 내부습도, 내부이산화탄소, 외부온도, 내부소음 또는 양봉통 무게 중 하나 이상을 포함하는 양봉환경을 측정하고 설정된 보고주기마다 900MHz 대역의 무선주파수를 이용하여 측정된 양봉환경 측정데이터가 포함된 주기보고패킷(Ru-pkt)을 무선출력하면서 주기보고하는 복수의 센서노드(110);
    각 센서노드(110)에 연결되어 구동전원을 공급하는 배터리부(120);
    각 센서노드(110)와 900MHz 대역의 무선통신망으로 신호연결되어 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)이 수신되면 해당 센서노드(110)로 컨펌패킷(C-pkt)을 무선출력하고 수신된 양봉환경 측정데이터를 별도의 통신망을 통해 출력하는 게이트웨이(130); 및
    상기 게이트웨이(130)와 신호연결되어 상기 양봉환경 측정데이터가 수신되면 각 양봉통(10)별로 취합하여 저장하고 저장된 양봉환경 측정데이터를 접속된 사용자단말(150)과 공유하는 관제서버(140);를 포함하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 센서노드(110)는,
    상기 주기보고패킷(Ru-pkt)을 무선출력한 후 설정시간 내에 상기 게이트웨이(130)로부터 컨펌패킷(C-pkt)이 수신되면 정상적으로 주기보고된 것으로 판단하되, 상기 설정시간 내에 컨펌패킷(C-pkt)이 수신되지 않으면 다른 센서노드(110)와의 데이터충돌로 인해 무선출력이 실패한 것으로 판단하며,
    무선출력 실패시 해당 센서노드(110)의 망식별번호(NID)를 변수로 하는 랜덤넘버를 생성하고 생성된 랜덤넘버를 반영한 백오프(Backoff) 시간 후에 상기 주기보고패킷(Ru-pkt)을 재전송하는 것을 특징으로 하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템.
  5. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 센서노드(110)는,
    슬립모드로 동작하는 중에 설정된 보고주기가 되면 웨이크업하여 액티브모드로 동작하면서 상기 주기보고를 수행하되,
    양봉통(10)의 양봉환경을 측정하여 양봉환경 측정데이터를 생성하는 센서부(111a~111c)와,
    상기 게이트웨이(130)와 900MHz 대역의 LoRa자가망으로 신호연결된 900MHz 통신칩(112) 및,
    상기 센서부(111a~111c) 및 900MHz 통신칩(112)을 구동제어하는 MCU(113)를 포함하며,
    상기 MCU(113)는,
    실시간 시간정보를 제공하는 RTC(Real Time Clock,114)와,
    상기 RTC(114)로부터 제공되는 현재 시간정보를 기준으로 설정된 알람시각이 되면 웨이크업신호를 출력하는 알람부(115)와,
    상기 알람부(115)로부터 웨이크업신호가 입력되면 웨이크업하여 상기 센서부(111a~111c)에 의해 측정된 양봉환경 측정데이터가 포함된 주기보고패킷(Ru-pkt)이 상기 900MHz 통신칩(112)을 통해 게이트웨이(130)로 전송되도록 하고 주기보고 후에는 다음 알람시각까지 슬립모드로 동작하도록 구동제어하는 CPU(116) 및,
    각종 데이터가 저장되는 메모리(117)를 포함하는 것을 특징으로 하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 게이트웨이(130)는 각 센서노드(110)로부터 주기보고패킷(Ru-pkt)이 수신되면 동기화를 위해 설정된 기준시간정보가 포함된 컨펌패킷(C-pkt)을 무선출력하며,
    상기 CPU(116)는 컨펌패킷(C-pkt)이 입력되면 컨펌패킷(C-pkt)에 포함된 기준시간정보를 기준으로 상기 RTC(114)의 현재 시간정보를 업데이트하고, 업데이트된 현재 시간정보를 기준으로 이후에 웨이크업해야 하는 알람시각을 산출하며, 산출된 알람시각을 상기 알람부(115)에 입력한 후 슬립모드에 진입하도록 구동제어하는 것을 특징으로 하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 메모리(117)는, 설정된 타임슬롯(TS)에 반영된 보고주기(RC)의 시간정보(TRC), 각 센서노드(110)가 배치된 슬롯구간(SP)의 시간정보(TSP) 및 해당 센서노드(110)의 슬롯순번(SI)을 저장하고,
    상기 CPU(116)는,
    업데이트된 현재 시간정보를 이용하여 기설정된 카운트시작시각(T1)으로부터 현재 시각이 경과된 시간(T2)을 카운트하고,
    카운트된 시간(T2)을 보고주기 시간(TRC)으로 나눈 나머지값으로 현재 보고주기(RC) 내에서 현재시점시각(Tpoll)을 산출하며,
    상기 슬롯구간 시간(TSP)과 슬롯순번(SI)으로부터 보고주기(R) 내에서 해당 센서노드(110)에게 할당된 슬롯구간(SP)의 시작시각인 슬롯타임(ST)을 산출하고,
    하기의 [수학식]을 이용하여 이후에 웨이크업해야 하는 알람시각(ΔT)을 산출하며 산출된 알람시각(ΔT)을 알람부(115)에 입력한 후 슬립모드에 진입하도록 구동제어하는 것을 특징으로 하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템.
    [수학식]
    알람시각(ΔT) = 보고주기 시간(TRC) - 현재시점시각(Tpoll) + 슬롯타임(ST)
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 MCU(113)는,
    슬립모드시 전력소모 절감을 위해 상기 CPU(116) 및 900MHz 통신칩(112)의 구동이 정지되고 상기 메모리(117)의 RAM영역이 소거되며 웨이크업시 CPU(116)가 리셋루틴에 진입하는 딥슬립 방식으로 동작하되,
    액티브모드에서 슬립모드로 진입시 상기 메모리(117) 내에서 데이터가 소거되지 않는 RTC 레지스터 중 년(year)에 해당하는 레지스터 또는 월(Month)에 해당하는 레지스터에 슬립진입코드를 입력하며,
    웨이크업시 리셋루틴하면서 상기 년 또는 월에 해당하는 레지스터에 저장된 데이터를 리딩하여 상기 슬립진입코드가 인식되면 상기 주기보고를 수행하고 상기 RTC 레지스터의 초기값이 인식되면 초기구동방식으로 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 양봉용 스마트 무선 모니터링 시스템.
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