WO2024117278A1 - 다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 이더넷 전송이 가능하게 하는 게이트웨이 장비 및 그 방법 - Google Patents

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WO2024117278A1
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communication
data
sensors
internet
main control
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박성순
신해선
안혁종
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(주) 글루시스
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    • H04L69/16—Implementation or adaptation of Internet protocol [IP], of transmission control protocol [TCP] or of user datagram protocol [UDP]

Definitions

  • the present invention was created to solve the problem that although many sensors generally collect data through serial communication, it is also difficult to collect data by using a lot of passive communication methods, and only communication with a separate controller is possible. , It is about the gateway equipment and its implementation method that automatically manages sensors, collects data, and transmits the collected data to Ethernet so that it can be used in the Internet of Things.
  • a sensor is a device that converts various physical data from the natural world into electrical signals so that they can be used in an IT environment.
  • sensors can detect almost all physical data related to temperature, humidity, gas, wind direction/speed, sound, image, pressure, bio, etc., and are used for various purposes in various industrial fields.
  • IoT IoT
  • sensors that have been widely used in the past and are currently installed in industrial sites do not have separate communication signals or are only capable of one-to-one communication with the controller, causing many difficulties in data collection.
  • the purpose of the present invention is to effectively collect sensor data and transmit it over the Internet to effectively utilize the data in order to solve the above problems.
  • the purpose of the present invention is to connect not only sensors with current communication functions, but also existing analog sensors and digital sensors, and include a function to collect data simultaneously on its own, and transmit the collected data to the Internet of Things system through Ethernet.
  • the goal is to propose gateway equipment and implementation methods that make this possible.
  • the gateway equipment that automatically collects a large number of sensor data according to the present invention and enables transmission for Ethernet communication with the Internet of Things system
  • MCU Main Control Unit
  • a plurality of transceivers that convert signals from sensors connected by a plurality of RS 485 ports;
  • one or more interfaces and ports configured to connect one or more analog sensors to the main control unit
  • one or more interfaces and ports configured to connect one or more digital sensors to the main control unit
  • a MODBUS TCP module that converts signals collected by the main control unit from a plurality of transceivers, one or more analog sensors, and one or more digital sensors into signals capable of Ethernet communication with the main control unit;
  • a structural feature is that it includes a MODBUS RTU module including a plurality of Ethernet ports configured to connect the Internet of Things system and the main control unit by a signal converted to enable Ethernet communication.
  • the gateway equipment and method according to the present invention that automatically collects a large number of sensor data and enables Ethernet transmission enable existing sensor data to be utilized by linking with the Internet.
  • the gateway equipment and method according to the present invention that automatically collect multiple sensor data and enable Ethernet transmission can collect data by connecting not only analog sensors and digital sensors, but also sensors with the MODBUS RTU communication protocol. , Linkage with the Internet of Things system is possible using the MODBUS TCP protocol.
  • the gateway equipment and method that automatically collects multiple sensor data and enables Ethernet transmission integrates multiple sensors into one and allows data to be collected in the Internet of Things system through Ethernet communication, thereby providing services. It can be created and used for various applications.
  • the gateway device and method according to the present invention that automatically collects a large number of sensor data and enables Ethernet transmission are capable of accommodating sensors that could not be used in the existing Internet of Things and also collects data from many sensors. , simultaneous data collection can be achieved through the automatic collection function.
  • Figure 1 is an example of a hardware configuration for a gateway device that automatically collects a plurality of sensor data and enables Ethernet transmission.
  • FIG. 2 is a flowchart of an embodiment of the operation of the main control unit from when the gateway of the present invention is first turned on until each thread is activated.
  • Figure 3 is an embodiment of the operation of the MODBUS TCP module (Ethernet communication chip) in Ethernet communication during gateway operation.
  • Figure 4 is an embodiment of the operation of the MODBUS RTU module that automatically collects data from an RS-485 type sensor during gateway operation.
  • Figure 5 is an example of a script structure that creates a structure containing information about which sensor values are stored in which memory area when automatically collecting sensor data.
  • the gateway equipment that automatically collects a large number of sensor data according to the present invention and enables transmission for Ethernet communication with the Internet of Things system
  • MCU Main Control Unit
  • a plurality of transceivers that convert signals from sensors connected by a plurality of RS 485 ports;
  • one or more interfaces and ports configured to connect one or more analog sensors to the main control unit
  • one or more interfaces and ports configured to connect one or more digital sensors to the main control unit
  • a MODBUS TCP module that converts signals collected by the main control unit from a plurality of transceivers, one or more analog sensors, and one or more digital sensors into signals capable of Ethernet communication with the main control unit;
  • a structural feature is that it includes a MODBUS RTU module including a plurality of Ethernet ports configured to connect the Internet of Things system and the main control unit by a signal converted to enable Ethernet communication.
  • the gateway equipment and method of the present invention will be an important keyword in solving these problems.
  • This device which can collect data without removing existing sensors or installing new sensors, can also collect data with existing sensors, and it is possible to collect data from many sensors simultaneously, which has a large ripple effect on the overall industrial field. can do.
  • Figure 1 is an example of the hardware configuration of the gateway equipment of the present invention that automatically collects a large number of sensor data and enables Ethernet transmission
  • Figure 2 shows that when the gateway of the present invention is running, each thread is activated from the time the power is first turned on.
  • FIG. 3 is an embodiment of the operation of the MODBUS TCP module (Ethernet communication chip) in Ethernet communication during gateway operation.
  • Figure 4 is an example of the operation of the MODBUS RTU module that automatically collects data from sensors during gateway operation
  • Figure 5 is an example of a script structure that creates a structure containing information about which sensor values are stored in the memory area. .
  • FIG. 1 is a hardware block diagram of the gateway equipment proposed in the present invention.
  • the present invention proposes a gateway 100 device that automatically collects a large number of sensor data and enables Ethernet transmission.
  • the sensor is connected to the RS-485 port 106, analog sensor interface port 108, and digital sensor interface port 109 according to each communication method or type.
  • Each port is connected to a sensor and becomes a passage through which data from the sensor can be retrieved.
  • the gateway device 100 includes various interfaces and ports 108 and 109 to which analog sensors and digital sensors are connected, a plurality of transceivers 105 that convert data signals, and signals. It consists of a Serial Expansion chip (104) that expands, and Ethernet Ports A and B (107) and a communication chip (103) that connect Ethernet communication. Signals coming from these various sensors and communication ports are processed and managed by the MCU (Main Control Unit, 101). The signals managed in this way have a structure in which they are stored in memory.
  • the analog sensor interface 107 and the digital sensor interface 108 are directly connected to the MOU (Main Control Unit, 101) to collect data.
  • the signal from the sensor connected to the RS-485 port (106) is converted into a signal that can be communicated with the MCU through the RS-485 Transceiver (105), collected in the serial expansion chip (104), and communicated in the MCU (101). .
  • the data collected in this way is primarily stored in the internal data buffer of the MCU 101, and is then transferred to and stored in the memory (data buffer) 102, which is a data area for Ethernet communication.
  • the collected data and stored data are controlled by command scripts.
  • the command script structure is shown in Figure 5.
  • Ethernet communication the RS-485 communication standard is used, which is implemented with Ethernet ports A and B (107). This is transformed into a signal capable of communicating with the MCU in the Ethernet communication chip 103, and through this signal, the MCU 101 communicates with the system.
  • the Ethernet port consists of A and B. This is to enable communication through the one remaining port even if communication failure occurs due to a failure. Through this, stable data communication is possible.
  • FIG 3 is an embodiment of the operation of the Ethernet communication module processor during Ethernet communication during gateway operation.
  • MODBUS TCP is used as the Ethernet communication protocol, but the present invention is not limited to this.
  • Figure 4 shows an example of the operation of the MODBUS RTU module that automatically collects data from sensors during gateway operation.
  • MODBUS RTU is used as a communication protocol, but other embodiments may also exist.
  • various RS-485 sensors 106, analog sensors 108, and digital sensors 109 are connected to the gateway equipment 100 according to the present invention for communication with the Internet of Things system.
  • the Ethernet port 107 is connected to the main control unit 101.
  • the method of automatically collecting a plurality of sensor data by the gateway device 100 and transmitting it to the Internet of Things system through Ethernet includes the gateway device and sensor initialization step (FIG. 2) and the MODBUS TCP module operation step for Ethernet communication ( 3), and includes the operation steps of the MODBUS RTU module for automatic sensor data collection (FIG. 4).
  • the gateway device and sensor initialization step is performed as shown in FIG. 2.
  • step 200 operation of the main control unit (main processor) begins (step 200).
  • initialization of the hardware virtual layer of the equipment is first performed (step 201).
  • an address is added to each port of the hardware, and a path is created through which the MCU (101) can directly connect the internal hardware.
  • general-purpose I/O and communication port initialization is performed using the address set previously (step 202).
  • initialization of interfaces such as general-purpose I/O used to display the status of the gateway device 100, I2C, SPI, and UART for sensor data collection, and initialization of the RMII interface used for Ethernet communication are performed.
  • configure the MODBUS RTU command script for automatic sensor data collection (step 203).
  • the MODBUS RTU command script configured here is used when running in the automatic sensor data collection stage later. After the MODBUS RTU command script is configured, set the Default thread for equipment and sensor monitoring (step 204), set the MODBUS TCP thread for Ethernet communication (step 205), and set the MODBUS RTU thread for automatic sensor data collection. Proceed (step 206).
  • the Default thread for equipment and sensor monitoring the MODBUS TCP thread for Ethernet communication
  • the MODBUS RTU thread for automatic sensor data collection the Default thread for equipment and sensor monitoring
  • each thread can run without being influenced by each other.
  • the MODBUS RTU thread for automatic sensor collection only performs sensor data collection without being influenced by other threads, so it can collect data from multiple sensors. Can be collected at the same time.
  • step 300 when a communication module thread based on the MODBUS TCP protocol for Ethernet communication is started (step 300), initialization (step 301) of the internal memory 102 to be used for communication is performed.
  • This internal memory automatically writes the necessary sensor data in the MODBUS RTU protocol-based communication module thread for automatic sensor data collection, and the MODBUS TCP protocol-based communication module thread for Ethernet communication uses this sensor data for communication.
  • TCP port initialization such as IP (Internet Protocol) and DHCP (dynamic host configuration protocol) of the communication port, is performed (step 302).
  • step 303 Since SLAVE is implemented here, basic settings such as ID and Vendor are set.
  • Ethernet communication using the MODBUS TCP protocol is enabled (step 304) to enable communication to proceed, and to recognize the gateway in the IoT system.
  • the communication path between the IoT system and the gateway is connected.
  • MODBUS TCP polling communication (305) is performed through this connected communication path (step 305).
  • MODBUS TCP polling communication proceeds in four areas: Coil, Descript Input, Holding Register, and Input Register, and data collected from sensors is transmitted according to the request of the Internet of Things system or control signals are stored in the internal memory 102. do.
  • step 400 When the automatic sensor data collection thread using the MODBUS RTU protocol starts running (step 400), initialization of RTU port groups A and B is first performed (steps 401 and 402). When initializing RTU port groups A and B, port communication speed, data size, stop bit size, parity type, etc. are set for each port so that sensors with different settings can collect data. Afterwards, in the automatic sensor data collection step (step 403), data is collected according to the previously set automatic sensor data collection thread and stored in the internal memory.
  • the Internet of Things system can effectively collect and utilize terminal sensor data through Ethernet communication while accommodating existing and new sensors as is.
  • the gateway device that automatically collects data from multiple sensors and enables Ethernet transmission includes a collection thread that simultaneously collects data from many sensors and stores it in each storage area, and a collection thread that collects data from many sensors simultaneously and stores it in each storage area. Data can be collected and transmitted by dividing it into a main thread that moves the necessary data to the storage area used for Ethernet communication, and a communication thread that performs Ethernet communication.
  • the gateway device that automatically collects multiple sensor data and enables Ethernet transmission may consist of a plurality of collection threads in data collection, and can use one thread to collect data from multiple sensors. You can. This can reduce data collection time and increase efficiency by allowing multiple sensor data to be collected at once.
  • Ethernet communication PHY chip 107 Ethernet connection ports A & B

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Abstract

본 발명은 일반적으로 많은 센서들이 시리얼 통신을 통하여 데이터를 수집하지만, 또한 패시브 방식의 통신 방법을 많이 사용하여 데이터 수집이 어렵고, 별도의 제어기와의 통신만이 가능하다는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 자동으로 센서들을 관리하고, 데이터를 수집하며, 수집된 데이터를 이더넷(ethernet)으로 전송하여, 사물 인터넷에 활용할 수 있도록 하는 게이트웨이의 장비 및 그 구현 방법에 대한 것이다.

Description

다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 이더넷 전송이 가능하게 하는 게이트웨이 장비 및 그 방법
본 발명은 일반적으로 많은 센서들이 시리얼 통신을 통하여 데이터를 수집하지만, 또한 패시브 방식의 통신 방법을 많이 사용하여 데이터 수집이 어렵고, 별도의 제어기와의 통신만이 가능하다는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 자동으로 센서들을 관리하고, 데이터를 수집하며, 수집된 데이터를 이더넷(ethernet)으로 전송하여, 사물 인터넷에 활용할 수 있도록 하는 게이트웨이의 장비 및 그 구현 방법에 대한 것이다.
센서란 각종 자연계의 물리적 데이터를 전기적 신호로 변환시켜서 IT 환경에서 사용할 수 있도록 해주는 소자이다. 현재 센서는 온도, 습도, 가스, 풍향/풍속, 소리, 영상, 압력, 바이오 등과 관련된 거의 모든 물리적 데이터를 감지할 수 있으며, 각종 산업현장에서 다양한 용도로 사용되고 있으며, 그 중에서도 사물인터넷 분야에서는 종단에서 가장 중요한 역할을 하는 소자이다.
하지만 과거부터 많이 사용되어오고 또한 현재 산업현장에 설치되어 있는 센서들은 별도의 통신 신호가 없거나, 또는 제어기와의 1대 1 통신만 가능하여 데이터 수집에 많은 어려움이 있다.
4차 산업혁명이 시작되면서 사물 인터넷이라는 개념이 등장하였으며, 이는 산업 전반에 점차 그 영역을 넓히고 있다. 이에 따라 종단에서 각종 물리량(온도, 습도, 압력, 가스, 연기 등)을 수집하는 소자가 점차 개발되고, 사용이 많아지고 있다. 하지만 현재 산업현장에서 사용하고 있는 센서들은 각각이 별도의 통신 방법을 가지고 있고, 대부분의 센서들은 각각의 센서를 제어하는 제어기와의 통신을 위한 일대일 통신 방법만을 가지고 있어서 사물 인터넷에서 필요로 하는 이더넷을 통한 통신에는 부족한 부분들이 있다.
따라서, 기존에 산업현장에 설치되어 있는 많은 센서들은 사물 인터넷 환경에서 현재 활용을 못하고 있다. 이는 인터넷을 이용하여 센서의 데이터를 수집하거나 센서의 상태를 모니터링하거나, 제어하는 등의 일련의 활동을 못하기 때문이다. 이러한 센서들은 산업현장에 설치되어 있는 센서의 많은 부분을 차지하고 있기 때문에, 이 센서에서 수집되는 데이터를 활용할 수 있게 된다면, 빅 데이터 수집에 필요한 많은 비용을 절감하면서도 양질의 데이터를 수집할 수 있게 될 것이다.
또한 빅데이터 및 AI(artificial intelligence, 인공 지능)가 대두되면서 한개의 센서에서 수집되는 데이터 보다는 많은 센서에서 동시에 수집되는 복합적인 데이터가 필요해지면서 동시에 많은 센서의 데이터를 수집할 필요성이 많다. 이는 사물 인터넷 분야에서 해결해야 할 과제이다. 왜냐하면, 인터넷이라는 통신 수단을 사용하면서 실제 데이터 수집을 위한 명령을 생성해도 각 센서에 도달하는 시간은 차이가 나기 때문에 동시성을 보장하기 어려워진다.
[선행 기술 문헌]
대한민국 등록특허 제10-1628996(2016.06.02)
대한민국 등록특허 제10-0682997(2007.02.08)
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 센서의 데이터를 효과적으로 수집하고, 이를 인터넷을 통하여 전송할 수 있도록 함으로써 데이터를 효과적으로 활용할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 목적은 현재 통신 기능이 있는 센서뿐만 아니라 기존의 아날로그 센서, 디지털 센서를 연결 가능하며, 자체적으로 동시에 데이터를 수집하는 기능을 포함하고, 수집된 데이터를 이더넷을 통하여 사물 인터넷 시스템으로 전송이 가능하게 해 주는 게이트웨이 장비 및 그 구현 방법을 제안하는 것이다.
본 발명에 따르는 다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 사물 인터넷 시스템과 이더넷 통신할 수 있는 전송이 가능하게 하는 게이트웨이 장비는,
메인 컨트롤 유닛(MCU);
복수의 RS 485 포트에 의해 연결된 센서의 신호를 변환하는 복수의 트랜시버;
상기 메인 컨트롤 유닛에 하나 이상의 아날로그 센서를 연결하도록 구성되는 하나 이상의 인터페이스 및 포트;
상기 메인 컨트롤 유닛에 하나 이상의 디지털 센서를 연결하도록 구성되는 하나 이상의 인터페이스 및 포트;
복수의 트랜시버, 하나 이상의 아날로그 센서 및 하나 이상의 디지털 센서로부터 상기 메인 컨트롤 유닛이 수집한 신호를 메인 컨트롤 유닛과 이더넷 통신가능한 신호로 변환하는 MODBUS TCP 모듈; 및
이더넷 통신가능하게 변환한 신호에 의해 사물 인터넷 시스템과 상기 메인 컨트롤 유닛을 연결하도록 구성되는 복수의 이더넷 포트를 포함하는 MODBUS RTU 모듈을 포함하는 것을 구성적 특징으로 한다.
본 발명에 따르는 다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 이더넷 전송이 가능하게 하는 게이트웨이 장비 및 그 방법은 기존의 센서 데이터를 인터넷과 연동하여 활용이 가능하도록 하였다.
본 발명에 따르는 다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 이더넷 전송이 가능하게 하는 게이트웨이 장비 및 그 방법은, 아날로그 센서, 디지털 센서뿐만 아니고, MODBUS RTU 통신 프로토콜을 가지는 센서와도 연결하여 데이터를 수집할 수 있으며, MODBUS TCP 프로토콜을 활용하여 사물 인터넷 시스템과의 연동이 가능하다.
본 발명에 따르는 다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 이더넷 전송이 가능하게 하는 게이트웨이 장비 및 그 방법은, 다수의 센서들을 하나로 통합하고, 이더넷 통신을 통하여 사물인터넷 시스템에서도 데이터를 수집할 수 있도록 하여 서비스를 창출하고, 다양한 응용에 활용할 수 있다.
본 발명에 따르는 다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 이더넷 전송이 가능하게 하는 게이트웨이 장비 및 그 방법은, 기존의 사물 인터넷에서 사용할 수 없었던 센서도 수용할 수 있도록 하고, 또한 많은 센서의 데이터를 수집하는데 있어서, 자동 수집 기능을 통하여 데이터 수집의 동시성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명인 다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 이더넷 전송이 가능하게 하는 게이트웨이 장비에 대한 하드웨어 구성 예이다.
도 2는 본 발명의 게이트웨이가 구동하는데 있어서 최초 전원이 들어왔을때 부터 각 쓰레드가 활성화 되는데 까지의 메인 컨트롤 유닛 동작 실시 예에 대한 흐름도이다.
도 3은 게이트웨이 동작 중 이더넷 통신을 하는데 있어서 MODBUS TCP 모듈(이더넷 통신 칩)의 동작에 대한 실시 예이다.
도 4는 게이트웨이 동작 중 RS-485 방식 센서로부터 데이터를 자동 수집하는 MODBUS RTU 모듈의 동작에 대한 실시 예이다.
도 5는 센서 데이터를 자동 수집하는데 있어서 어떤 센서의 값을 메모리 영역 어디에 저장하는지에 대한 내용을 구조체로 만드는 스크립트 구조에 대한 실시 예이다.
본 발명에 따르는 다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 사물 인터넷 시스템과 이더넷 통신할 수 있는 전송이 가능하게 하는 게이트웨이 장비는,
메인 컨트롤 유닛(MCU);
복수의 RS 485 포트에 의해 연결된 센서의 신호를 변환하는 복수의 트랜시버;
상기 메인 컨트롤 유닛에 하나 이상의 아날로그 센서를 연결하도록 구성되는 하나 이상의 인터페이스 및 포트;
상기 메인 컨트롤 유닛에 하나 이상의 디지털 센서를 연결하도록 구성되는 하나 이상의 인터페이스 및 포트;
복수의 트랜시버, 하나 이상의 아날로그 센서 및 하나 이상의 디지털 센서로부터 상기 메인 컨트롤 유닛이 수집한 신호를 메인 컨트롤 유닛과 이더넷 통신가능한 신호로 변환하는 MODBUS TCP 모듈; 및
이더넷 통신가능하게 변환한 신호에 의해 사물 인터넷 시스템과 상기 메인 컨트롤 유닛을 연결하도록 구성되는 복수의 이더넷 포트를 포함하는 MODBUS RTU 모듈을 포함하는 것을 구성적 특징으로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하도록 한다.
현재 많은 부분에서 사물인터넷이 활용되고 있으며, 그 활용도는 점차 커지고 있는 추세이다. 하지만 사물인터넷의 가장 말단에서 데이터를 수집하는 센서는 많은 제약사항이 있었고, 그 중에서 센서 데이터의 수집 문제는 해결하고자 하는 숙제였다.
본 발명의 게이트웨이 장비 및 그 방법은 이러한 숙제를 해결하는 중요한 키워드가 될 것이다. 기존의 센서의 철거 및 새로운 센서의 설치 없이 데이터 수집이 가능한 본 발면은 기존의 센서로도 데이터 수집이 가능하며, 많은 센서의 데이터를 동시에 수집하는 것이 가능하게 되어 전반적인 산업현장에 끼치는 파급효과는 크다고 할 수 있다.
도 1은 본 발명인 다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 이더넷 전송이 가능하게 하는 게이트웨이 장비에 대한 하드웨어 구성 예이고, 도 2는 본 발명의 게이트웨이가 구동하는데 있어서 최초 전원이 들어왔을때 부터 각 쓰레드가 활성화 되는데 까지의 메인 컨트롤 유닛 동작 실시 예에 대한 흐름도이고, 도 3은 게이트웨이 동작 중 이더넷 통신을 하는데 있어서 MODBUS TCP 모듈(이더넷 통신 칩)의 동작에 대한 실시 예이다. 도 4는 게이트웨이 동작 중 센서로부터 데이터를 자동 수집하는 MODBUS RTU 모듈의 동작의 실시 예이고, 도 5는 어떤 센서의 값을 메모리 영역 어디에 저장하는지에 대한 내용을 구조체로 만드는 스크립트 구조에 대한 실시 예이다.
도 1은 본 발명에서 제안하는 게이트웨이 장비의 하드웨어 블록도이다. 본 발명에서는 다수의 센서데이터를 자동 수집하여 이더넷 전송이 가능하게 하는 게이트웨이(100) 장비를 제안한다. 센서는 각각의 통신 방법 또는 종류에 따라 RS-485 포트(106), 아날로그 센서 인터페이스 포트(108), 디지털 센서 인터페이스 포트(109)에 연결된다. 각각의 포트는 센서와 연결되어 센서의 데이터를 가져올 수 있는 통로가 된다.
도1의 게이트웨이 장비의 하드웨어 블록도를 보면 게이트웨이 장비(100)는 아날로그 센서 및 디지털 센서가 연결되는 각종 인터페이스 및 포트(108, 109), 데이터 신호를 변환해주는 다수의 트랜시버(Transceiver, 105) 및 신호를 확장해주는 Serial Expansion 칩(104), 그리고 이더넷 통신을 연결하는 이더넷 Port A 및 B(107)와 통신 칩(103)으로 구성되어 있다. 이러한 각종 센서 및 통신포트에서 들어오는 신호는 MCU(Main Control Unit, 101)에서 처리되고 관리된다. 이렇게 관리된 신호는 메모리에 저장되는 구조를 가지고 있다.
그 중에서 아날로그 센서 인터페이스(107)와 디지털 센서 인터페이스(108)는 MOU(Main Control Unit, 101)에 직접 연결되어 데이터를 수집한다. RS-485 포트(106)에 연결된 센서의 신호는 RS-485 Transceiver(105)를 통하여 MCU와 통신할 수 있는 신호로 변형되며, 시리얼 확장 칩(104)에서 모아지고 이를 MCU(101)에서 통신한다.
이렇게 수집된 데이터는 MCU(101)의 내부 데이터 버퍼에서 1차로 저장되고, 이더넷 통신을 위한 데이터 영역인 메모리(데이터 버퍼)(102)로 옮겨져서 저장된다. 이때 수집되는 데이터 및 저장되는 데이터는 명령 스크립트에 의해 제어된다. 명령 스크립트 구조는 도 5와 같다.
이렇게 수집된 데이터는 사물인터넷 시스템과 이더넷으로 연결되어 통신한다. 이더넷 통신을 위해서는 RS-485 통신 규격이 사용되며, 이는 이더넷 포트 A와 B(107)로 구현된다. 이는 이더넷 통신 칩(103)에서 MCU와 통신 가능한 신호로 변형되며, 이 신호를 통하여 MCU(101)는 시스템과 통신한다. 본 발명에서 이더넷 포트는 A와 B로 구성된다. 이는 장애에 의하여 통신 불량이 발생하더라도 남아있는 하나의 포트를 통하여 통신이 가능하게 하기 위해서이다. 이를 통하여 안정적인 데이터 통신이 가능하다.
도 3은 게이트웨이 동작 중 이더넷 통신을 하는데 있어서 이더넷 통신 모듈 프로세서 동작에 대한 실시 예로서, 본 발명에서는 이더넷 통신 프로토콜로서 MODBUS TCP를 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 4는 게이트웨이 동작 중 센서로부터 데이터를 자동 수집하는 MODBUS RTU 모듈의 동작에 대한 실시 예로서, 본 발명에서는 통신 프로토콜로서 MODBUS RTU를 사용하였으나, 다른 실시 예도 있을 수 있다.
본 발명에 따르는 게이트웨이 장비(100)에는 도1에 도시된 바와 같이, 각종 RS-485 센서(106), 아날로그 센서(108), 디지털 센서(109)가 연결되며, 사물인터넷 시스템과의 통신을 위해 이더넷 포트(107)가 메인 컨트롤 유닛(101)에 연결되어 구성된다.
본 발명에 따르는 게이트웨이 장비(100)에 의해 다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 사물인터넷 시스템에 이더넷 전송하는 방법은, 게이트웨이 장비 및 센서 초기화 단계(도 2)와 이더넷 통신을 위한 MODBUS TCP 모듈 동작 단계(도 3), 그리고, 센서 데이터 자동수집을 위한 MODBUS RTU 모듈의 동작 단계(도 4)를 포함한다.
본 발명에 따르는 게이트웨이 장비(100)에 의해 다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 이더넷 전송하는 방법 중, 게이트웨이 장비 및 센서 초기화 단계는 도2에 도시된 바와 같이 수행된다.
전원이 인가되면, 메인 컨트롤 유닛(메인 프로세서)의 작동이 시작된다(단계 200). 메인 컨트롤 유닛(101)의 작동이 시작되면 우선적으로 장비의 하드웨어 가상 레이어 초기화를 수행한다(단계 201). 이 과정에서 하드웨어의 각 포트에 대한 주소가 부가되고, MCU(101)에서 내부의 하드웨어를 직접 연결할수 있는 통로를 만들게 된다. 이후 앞에서 설정된 주소를 이용하여 범용 I/O 및 통신포트 초기화를 수행한다(단계 202). 이 과정에서는 게이트웨이 장비(100)의 상태 표시에 사용되는 범용 I/O나 또는 센서 데이터 수집을 위한 I2C, SPI, UART 등의 인터페이스 초기화, 그리고 이더넷 통신에 사용되는 RMII 인터페이스 초기화 등을 수행한다. 다음으로, 센서 데이터 자동 수집을 위한 MODBUS RTU 명령 스크립트를 구성한다(단계 203). 여기서 구성된 MODBUS RTU 명령 스크립트는 추후 센서 데이터 자동 수집 단계에서 구동될 때 사용된다. MODBUS RTU 명령 스크립트가 구성된 이후에는 장비 및 센서 모니터링을 위한 Default 쓰레드를 설정하고(단계 204), 이더넷 통신을 위한 MODBUS TCP 쓰레드를 설정하고(단계 205), 센서 데이터 자동 수집을 위한 MODBUS RTU 쓰레드 설정을 진행한다(단계 206).
본 발명의 게이트 웨이 장비 내부에는 3개의 쓰레드, 즉, 장비 및 센서 모니터링을 위한 Default 쓰레드, 이더넷 통신을 위한 MODBUS TCP 쓰레드 및 센서 데이터 자동 수집을 위한 MODBUS RTU 쓰레드가 독립적으로 구동하게 된다. 이렇게 하여 각각의 쓰레드는 서로의 영향을 받지 않고 구동할 수 있게 되며, 그중에서 특히 센서 자동 수집을 위한 MODBUS RTU 쓰레드는 다른 쓰레드의 영향을 받지 않고 센서 데이터 수집만 수행하므로, 복수의 센서의 데이터를 동시에 수집할 수 있다.
그 중에서, 이더넷 통신을 위한 MODBUS TCP 프로토콜 기반 통신 모듈 쓰레드가 시작되면(단계 300), 통신에 사용될 내부 메모리(102)의 초기화(단계 301)가 수행된다. 이 내부 메모리는 센서 데이터 자동 수집을 위한 MODBUS RTU 프로토콜 기반 통신 모듈 쓰레드에서 자동으로 필요한 센서 데이터를 쓰게 되고, 이더넷 통신을 위한 MODBUS TCP 프로토콜 기반 통신 모듈 쓰레드에서는 이 센서 데이터를 통신에 사용한다. 내부 메모리 초기화(301) 이후에는 통신포트의 IP(Internet Protocol), DHCP(dynamic host configuration protocol) 등 TCP 포트 초기화를 진행한다(단계 302). 그리고 MODBUS TCP 설정을 진행한다(단계 303). 여기서는 SLAVE를 구현하므로 ID, Vendor 등의 기본 설정을 한다.
이후 MODBUS TCP 프로토콜을 활용한 이더넷 통신을 Enable하여(단계 304) 통신이 진행될수 있도록 하며, 사물인터넷 시스템에서 게이트웨이를 인식할 수 있도록 한다. 이 단계까지 진행되면, 사물 인터넷 시스템과 게이트 웨이 간의 통신 통로는 연결되게 된다. 이렇게 연결된 통신 통로에서 MODBUS TCP 폴링(polling) 통신(305)을 진행한다(단계 305). MODBUS TCP 폴링 통신은, Coil, Descript Input, Holding Register, Input Register의 4가지 영역으로 진행되며, 센서에서 수집된 데이터를 사물인터넷 시스템의 요청에 따라 전송하거나 또는 제어 신호를 내부 메모리(102)에 저장한다.
MODBUS RTU 프로토콜을 활용한 센서 데이터 자동 수집 쓰레드의 구동이 시작되면(단계 400), 우선 RTU 포트 그룹 A 및 B의 초기화(딘계 401 및 단계 402)가 진행된다. RTU 포트 그룹 A 및 B의 초기화에서는 포트 통신속도, 데이터 크기, Stop bit 크기, Parity 종류 등이 각 포트별로 설정되어 서로 다른 설정의 센서도 모두 데이터를 수집할 수 있도록 설정된다. 이후 센서 데이터 자동 수집 단계(단계 403)에서는 앞에 설정된 센서 데이터 자동 수집 쓰레드에 따라 데이터를 수집하여 내부 메모리에 저장한다.
본 발명에서는 상기의 구성을 활용하여, 기존의 센서 및 신규 센서들을 그대로 수용하면서도 이더넷을 통신을 통하여 사물 인터넷 시스템이 말단의 센서 데이터를 효과적으로 수집하고 활용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르는 다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 이더넷 전송이 가능하게 하는 게이트웨이 장비는, 많은 센서들의 데이터를 동시에 수집하고 이를 각각의 저장 영역에 저장시키는 수집 쓰레드와 각 저장 영역에서 필요한 데이터를 이더넷 통신을 하는데 사용된 저장 영역으로 이동시키는 메인 쓰레드, 그리고 이더넷 통신을 하는 통신 쓰레드로 나누어 데이터를 소집 전송할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르는 다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 이더넷 전송이 가능하게 하는 게이트웨이 장비는, 데이터 수집에 있어서 수집 쓰레드는 복수개로 구성될 수 있으며, 하나의 쓰레드를 다수의 센서에서 데이터를 수집할 수 있다. 이는 데이터 수집의 시간을 줄이면서도, 한번에 다수의 센서 데이터를 수집할 수 있도록 하여 효율을 높일 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아닌 설명을 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 의해 제한되기 보다는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 다수의 센서 데이터를 자동으로 수집하는 게이트웨이 장비
101 메인 제어 유닛 102 데이터 버퍼 메모리
103 이더넷 통신 PHY 칩 107 이더넷 연결 포트 A & B
104 시리얼 통신 확장 칩 105 RS-485 Transceiver
106 RS-485방식 센서 연결 포트 A~H 및 센서 전원 공급 포트
108 Analog 방식 센서 연결 포트 A~H 109 Digital 방식 센서 연결 포트 A~H
200 메인 제어 유닛 시작 단계
201 게이트웨이 MCU 초기화 단계
202 MCU IO 및 통신포트 초기화 단계
203 자동 센서 데이터 수집 스크립트 구성 단계
204 장비 및 센서 모니터링 쓰레드 설정 단계
205 MODBUS TCP Protocol을 활용한 이더넷 통신 쓰레드 설정 단계
206 MODBUS RTU Protocol을 활용한 센서 데이터 자동 수집 쓰레드 설정 단계
207 장비 모니터링 및 센서 모니터링 단계
300 MODBUS TCP Protocol을 활용한 이더넷 통신 모듈 쓰레드 시작 단계
301 통신에 사용할 내부 메모리 초기화 단계
302 IP, DHCP 등 통신 포트 초기화 단계
303 IP, Vender, Register 등 MODBUS Slave 초기화 단계
304 MODBUS TCP 통신 시작 단계
305 사물인터넷 시스템과 통신 단계
400 MODBUS RTU Protocol을 활용한 MODBUS RTU 모듈 시작 단계
401 센서 연결 포트 그룹 A 초기화 단계
402 센서 연결 포트 그룹 B 초기화 단계
403 스크립트에 따른 센서 데이터 수집 단계

Claims (5)

  1. 메인 컨트롤 유닛(MCU);
    복수의 RS 485 포트에 의해 연결된 센서의 신호를 변환하는 복수의 트랜시버;
    상기 메인 컨트롤 유닛에 하나 이상의 아날로그 센서를 연결하도록 구성되는 하나 이상의 인터페이스 및 포트;
    상기 메인 컨트롤 유닛에 하나 이상의 디지털 센서를 연결하도록 구성되는 하나 이상의 인터페이스 및 포트;
    복수의 트랜시버, 하나 이상의 아날로그 센서 및 하나 이상의 디지털 센서로부터 상기 메인 컨트롤 유닛이 수집한 신호를 메인 컨트롤 유닛과 이더넷 통신가능한 신호로 변환하는 MODBUS TCP 모듈; 및
    이더넷 통신가능하게 변환한 신호에 의해 사물 인터넷 시스템과 상기 메인 컨트롤 유닛을 연결하도록 구성되는 복수의 이더넷 포트를 포함하는 MODBUS RTU 모듈을 포함하고,
    다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 사물 인터넷 시스템과 이더넷 통신할 수 있는 전송이 가능하게 하는 게이트웨이 장비.
  2. 제1항에 있어서
    상기 메인 컨트롤 유닛은
    상기 게이트웨이 장비를 초기화하며,
    각종 통신포트를 초기화하고,
    복수개의 데이터 스크립트를 구성하며,
    데이터 수집을 위한 쓰레드 및 이더넷 통신을 위한 쓰레드를 설정하여, 각각의 쓰레드를 구동시키며,
    센서 상태를 모니터링하고,
    게이트웨이 상태(Status)를 전송하여, 게이트웨이 장비의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는
    다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 사물 인터넷 시스템과 이더넷 통신할 수 있는 전송이 가능하게 하는 게이트웨이 장비.
  3. 제2항에 있어서
    상기 MODBUS TCP 모듈은,
    구동된 쓰레드 형태로 통신 메모리 영역을 정리하고,
    이더넷 통신을 위한 각종 설정을 초기화 하며,
    MODBUS TCP Slave에 대한 설정을 한 다음,
    MODBUS TCP 프로토콜을 통하여 사물 인터넷 시스템과 통신을 하는 것을 특징으로 하는
    다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 사물 인터넷 시스템과 이더넷 통신할 수 있는 전송이 가능하게 하는 게이트웨이 장비.
  4. 제2항에 있어서
    상기 MODBUS RTU 모듈은,
    구동된 쓰레드 형태로 센서와 통신할 통신 포트를 초기화 하고,
    센서를 초기화 하며,
    상기 복수개의 데이터 스크립트에 따라 센서의 데이터를 자동으로 수집하는 것을 특징으로 하는
    다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 사물 인터넷 시스템과 이더넷 통신할 수 있는 전송이 가능하게 하는 게이트웨이 장비.
  5. 제2항에 있어서
    상기 복수개의 데이터 스크립트의 구조는
    데이터 수집을 자동으로 수행하면서, 타겟 센서 및 데이터 저장 메모리 영역을 지정하며, 각 통신 포트별로 연결되어 있는 센서를 각각의 ID를 이용하여 구분하여 사용할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는
    다수의 센서 데이터를 자동 수집하여 사물 인터넷 시스템과 이더넷 통신할 수 있는 전송이 가능하게 하는 게이트웨이 장비.
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