1. 서 론
도시에는 공공조명을 위해서 가로등, 보안등, 터널등이 설치되어 있으며, 관리 및 유지보수를 개선하기 위한기술들이 개발 중이며, 지능형 도로조명 시스템으로
진화 중이다.
최근 공공조명 제어시스템은 기존 등기구의 점멸제어뿐만 아니라, 원격지에서도 점등, 소등, 디밍과 모니터링을 포함하며, IoT 기반의 센서를 연결하여
다양한 데이터를 공공 플랫폼에 제공하고 있다.
스마트 도로조명 플랫폼은 스마트 가로등과 인공지능 기반 객체검출/분석 장치, 로컬/통합 운영 플랫폼으로 구성되어, 조명, 교통안전, 환경오염, 재난안전
위협 등을 감지하여, 현장 이동객체(사람, 자동차)에게 알림을 제공하거나 실시간으로 시스템 운영기관에 정보를 연계한다.
스마트 가로등은 해당지역내 로컬 플랫폼에서 무선통신 정보 공유(infra to infra), 통합플랫폼과 중계, 엣지컴퓨팅 기능 탑재, SW업데이트,
용이한 유지보수, 다양한 시나리오 추가 기술이 가능하도록 설계된다.
국내에서도 공공조명에 대한 관리 및 유지보수 비용을 위한 시간과 비용을 줄이기 위해서 다양한 스마트 가로등이 개발되고 있으며, 각 지자체는 이를 구축하여
운영하고 있지만, 업체 및 지자체마다 통신 및 프로토콜이 상이하고, 스마트 가로등의 통신망 구성 및 제어 기능에 대해서 기술표준 및 표준 프로토콜의
부재에 따라 스마트시티의 도시 인프라로서의 기능을 갖는 스마트가로등 운영 및 적용 한계성을 드러내고 있다
만약 사물인터넷 국제표준 및 기술을 기반으로, 스마트 가로등의 IoT(Internet of Things) 표준이 제정되면 각 지자체는 국가표준을 기반으로
하는 스마트가로등을 도입하여 공공조명에 효율적으로 사용할 수 있다.
한국전력공사(이하 한전)는 전력분야의 IoT 기술 확산 및 기존 및 신규 사업자/제조회사 간에 기술/제품의 상호운용성/호환성을 만족하도록, 전력산업
분야의 사물인터넷 규격 e-IoT(energy IoT) 표준을 제정하였고, 관련 기술 개발, 시범/응용서비스 발굴 및 사업화를 진행하고 있다.
본 논문에서 적용한 표준 IoT 기술은 KS x 3280(에너지･전력분야 사물인터넷 인터페이스)으로, 에너지･전력분야 사물인터넷 환경을 구성하기 위하여
스마트 에너지 관련 디바이스와 시스템 간 상호운용성을 확보하며, 에너지 효율성을 높이고, 에너지 소비자와 발전회사 간의 상호작용을 촉진하는 등의 기능을
제공하기 위해 제정되었다.
본 논문에서는 한전 제정 e-IoT 표준안을 기반으로 하는 스마트가로등 디바이스의 정보모델링 및 오브젝트를 확장하여 정의하고, 한전표준을 충족하고
상호운용성을 갖는 공공조명용 스마트가로등을 제안한다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 e-IoT 표준을 분석하고, 이를 적용한 플랫폼 모델을 기반으로 공공조명시스템용 하드웨어와 소프트웨어를
제안한다. 5장에서는 결론과 활용방안을 기술한다.
2. e-IoT 표준 분석
한전에서는 전력분야에서 IoT 기술 확산과 다수의 제조사 간에 상호호환성을 만족시키며, 향후 도입할 전력산업용 현장 디바이스 특징과 기술적 지배력을
고려하여 OMA표준단체에서 정의한 경량화된 IoT 서비스 표준인 LwM2M (Light Weight Machine to Machine)표준을 기반으로
에너지 IoT 표준인 e-IoT를 표준으로 제정하였다.[1]
Fig. 1과 같이 e-IoT 표준은 디바이스(센서 및 액츄에이터), 게이트웨이 및 플랫폼 간 통신 인터페이스와 CoAP (Constrained Application
Protocol) 기반의 응용 프로토콜의 정의하고, 단말 등록 및 관리절차, 데이터 수집방법 등의 서비스 절차를 정의하였다[2].
Fig. 1. Definition of e-IoT interface[1]
• e-IoT 디바이스: e-IoT 시스템의 종단 센서 또는 액츄에이터 등과 같은 장치로서 측정된 데이터를 표준 규격에 맞게 e-IoT플랫폼으로 전달
• e-IoT 게이트웨이: e-IoT 시스템으로부터 정보를 수집하여 플랫폼으로 전달하는 장치로서 여러 개의 디바이스와 통신하는 라우팅 기능을 지원할
수 있고 디바이스로부터 수집된 정보를 변환하여 전달하거나 우회하여 플랫폼에 전달
• e-IoT 플랫폼: e-IoT 시스템의 디바이스 및 게이트웨이로부터 전달받은 정보를 저장하고 가공할 수 있는 서버로서 원격에서 디바이스 및 게이트웨이를
제어
CoAP(Constrained Application Protocol)는 저전력, 손실 네트워크 및 낮은 성능, 저용량 메모리를 갖는 센서 노드의 환경에서
사용하기 위해 개발한 RESTful 기반 웹 전송 프로토콜로[3, 4], resource 제약이 있는 장치들이 IP 인터넷 프로토콜로 운영되는 모든 네트워크상에서 UDP를 기반으로 통신할 수 있는 규약으로, TCP보다
신뢰성이 낮은 UDP에서 실행되며, 일관된 연결 대신 반복적 메시지에 의존해 신뢰성을 제공한다.
사물인터넷의 장치 관리 기술은 사물인터넷 디바이스에 대한 초기 설정, 소프트웨어와 펌웨어 다운로드, 사물인터넷 디바이스의 고장 진단 및 배터리와 메모리
등 하드웨어 모니터링, 디바이스 주변장치 (USB, 카메라 등)에 대한 컨트롤, 리부팅, 시스템 로깅 등의 서비스를 포함하고 있으며, 관련기술은 현재
산업계 전반적으로 장치 관리 기술로 가장 많이 사용되고 있는 OMA(Open Mobile Alliance) LwM2M 기술을 활용하거나 별도의 장치
관련 프로토콜을 개발하여 사용하는 추세이다.
e-IoT 플랫폼은 현장 디바이스들의 모든 정보를 수집하여 관리하며, 공개 API(Application Programming Interface)를
통해 다양한 e-IoT 서비스를 가능하게 해주는 기능을 수행하며, e-IoT 표준에서 사용하는 식별자는 장치 식별자 및 리소스 프로파일 식별자로 구분하고
장치 식별자는 게이트웨이와 디바이스를 구별하기 위하여 사용되며, 리소스 프로파일 식별자는 실제 데이터를 표현하는 리소스로 구분을 위해 사용된다.
Fig. 2는 e-IoT 시스템의 OSI(Open Systems Intercon -nection) 계층모델을 표현한 것으로, e-IoT 시스템은 OSI 7계층
모델을 기본으로 한다. 이 일곱 개의 계층은 서로 독립적으로 동작하며, 수행 작업은 다른 계층에서는 관여하지 않으므로 네트워크에서 발생하는 문제를
빠르게 파악하고 수정할 수 있으며, 호환성과 상호운용성이 보장된다.
Fig. 3은 e-IoT 표준에 의한 등록절차 시퀀스 다이어그램으로 e-IoT 표준을 통한 통신 프로토콜을 설명하며, 다음과 같은 동작들로 구성된다[2].
• CoAP Resource Directory 표준을 이용한 e-IoT 디바이스를 e-IoT 게이트웨이에 등록하고 이때 e-IoT 게이트웨이는 Resource
Directory 역할을 수행, 등록된 이후 주기적인 업데이트를 통한 e-IoT 디바이스 정보 유지
• e-IoT 디바이스 정보를 등록시킨 e-IoT 게이트웨이는 e-IoT 플랫폼에 등록, 이때 표준은 oneM2M 또는 LwM2M으로 가능하다. 등록된
이후에는 주기적으로 업데이트를 수행, e-IoT 게이트웨이 정보 유지
• 주기적인 정보 보고를 위해서 우선 e-IoT 게이트웨이는 e-IoT 디바이스 정보에 가입(subscribe)을 수행, 등록된 가입정보에 따라 주기적으로
Notify 메시지를 e-IoT 게이트웨이에 보고
• e-IoT 디바이스로부터 주기적으로 보고받는 정보를 e-IoT 게이트웨이는 e-IoT 플랫폼에 주기적 정보보고
• 주기적인 정보보고 이외에도 직접 원하는 정보를 요청할 수 있으며, e-IoT 플랫폼으로부터 정보조회 요청을 받은 e-IoT 게이트웨이는 해당 e-IoT
디바이스에 재요청하여 정보를 획득하여 응답할 수 있으며, e-IoT 디바이스에 바로 요청할 수 없는 경우는 이미 캐시된 정보로 응답
• 정보조회에 유사하게 특정 동작을 요청하거나, 혹은 정보를 수정할 수 있는 제어 동작 있음
• e-IoT 게이트웨이 펌웨어 업데이트
• e-IoT 게이트웨이 등록 해제
Fig. 2. e-IoT system OSI reference model[5]
Fig. 3. e-IoT device registration and service sequence diagram[2]
3. e-IoT 공공조명 제어시스템 제안
본 연구에서는 한전에서 LwM2M 기반으로 제정한 표준 IoT 무선 표준인 e-IoT 표준을 적용하여 공공조명을 원격으로 제어 및 모니터링을 수행하는
시스템을 제안한다.
Fig. 4는 제안된 e-IoT 시스템의 구성도로 이를 공공조명 관제 시스템을 적용하기 위하여 e-IoT 디바이스에서는 조명에 대한 제어와 모니터링을 수행한다.
e-IoT 게이트웨이에서는 각각의 디바이스에서 전송되는 모니터링 데이터(상태 데이터, 고장진단, 전력량, 센서 데이터 등)를 e-IoT 플랫폼에 전송하고
또한 e-IoT 플랫폼으로는 On/Off 및 디밍 제어 신호를 디바이스에 전송하는 역할을 수행한다.
e-IoT 플랫폼에서는 전송되는 데이터를 수집, 저장, 관리 및 분석을 수행하고 스케줄링, 일괄, 개별 제어에 대한 신호를 e-IoT 게이트웨이를
거쳐 각각의 디바이스로 전송한다.
Fig. 4는 e-IoT 기반 스마트가로등 구성도로서, 본 논문에서 제안하는 시스템은 스마트가로등 중계기, 스마트가로등 중계기, e-IoT 플랫폼으로 구성되며,
디바이스-게이트웨이 간 무선통신(LoRa) 및 게이트웨이-플랫폼 간 무선통신(LTE)으로 양방향 데이터를 전달한다.
• 스마트가로등 점멸기 : 가로등에 설치되어, IoT 플랫폼 서버와 양방향 통신(LoRa)으로 센서 모니터링과 등기구 제어(On/Off), 장애/고장진단,
디밍, 스마트 가로등의 전력량과 상태정보를 전송하는 장치로서, 무선통신 보안 기능, 무선통신 패킷 라우팅 기능, 스케줄링의 독립 수행 기능을 포함하며,
낮은 가격과 통신비로 일반 가로등을 IoT 통신을 수행하는 AIoT 스마트가로등으로 진화시키는 장치
• 스마트가로등 중계기 : 무선통신 네트워크 관리, 등주 제어단말기 관리, 이벤트 관리, 게이트웨이-서버 통신 제어, 유선(LAN)/무선(LTE/LoRa)의
망 2중화 기능을 포함하며, 스마트가로등 점멸기와 자가망을 구성하고 플랫폼과 유무선 통신(LoRa/Ethernet/LTE)망으로 연결하는 장치
• IoT 데이터 플랫폼 : LwM2M 오픈소스를 기반으로 IoT 데이터 플랫폼을 설계하며, 정의된 IPSO 체제에 맞도록 시스템을 설계(사양:CentOS
7.0, TCP/IP Socket Server(멀티스레드), FEP(Front End Processor) System, 자원관리 에뮬레이터, 시스템
Log, 응용프로그램 Log 지원)
• 통신망 : LPWA(Low Power Wide Area) 기반의 광역 IoT 통신기술인 LoRa를 적용하여, 넓은 범위 및 경량데이터를 사용하는
스마트가로등 환경에 최적화 기술로 Fig. 5는 LoRa 통신에 관한 특징을 나타낸다.
제안한 e-IoT 디바이스는 Fig. 6과 같이 Physical Layer는 LoRa, MAC Layer에서는 6LoWPAN, Network Layer는 IPv6, Transport Layer는
UDP, Application Layer는 통신프로토콜인 CoAP와 LwM2M를 적용하였다.
Fig. 4. Proposed system block diagram
Fig. 5. LoRa communication bandwidth and range
Fig. 6. e-IoT device stack
4. e-IoT 공공조명 제어 디바이스 구현제작
e-IoT 디바이스 하드웨어 설계를 위해서 32bit ARM Cortex 기반 STM32F413RG 칩셋을 이용하여 MCU 회로에 대한 설계를 수행하였고
LoRa 칩셋인 SX1276을 이용하여 RF 회로를 설계하였다.
가로등 점소등 제어를 위하여 전원 제어 모듈에 대한 회로 설계, 디밍을 위한 회로설계, 전력량 측정 및 고장진단을 위한 CT 회로설계, 정전 신고를
위한 Super Capacitor 회로설계 및 GPIO, SPI, I2C, UART에 대한 회로를 설계하였다.
제안 시스템의 IoT 무선 통신망을 구성하기 위해서 무선통신 거리, 커버리지 및 경제성 요구를 만족하는 LPWAN의 기술(Sigfox, LoRa,
NB-IoT등)중에서 본 연구에는 LoRa 칩셋(920MHz, 20dBi)을 사용하였다. 920MHz 주파수 대역은 한국의 저전력광역통신망(LPWAN)
통신을 위해 지정된 대역으로, 국내 통신사들이 이를 이용하여 LoRa망을 운영하고 있다.
Fig. 7은 공공조명 제어를 위한 e-IoT 디바이스 구성을 도시한 것으로 MPU에 센서 및 다른 장치를 연결하기 위해서 GPIO, UART, ADC, I2C를
내장하여 여러 표준 포트를 지원하고, LoRa 통신부와 조광제어(디밍)부와 정전계측부와 등기구 고장 모니터링 및 전력계측을 위한 전류(CT:Current
Transformer)센서부를 포함한다.
Fig. 8은 제작된 e-IoT 디바이스 및 게이트웨이이며, e-IoT 플랫폼은 LwM2M 오픈소스인 eclipse사의 Leshan을 적용하여 설계하였다.
Fig. 9는 공공조명 제어를 위한 e-IoT 디바이스가 e-IoT 플랫폼과 통신을 도식화하였다. e-IoT 표준은 LwM2M 모델링과 가볍고 간결하게 동작하는
CoAP 프로토콜을 응용계층에서 사용한다. LwM2M은 서버-클라이언트 구조로 동작하며 효율적인 자원관리 모델링을 위해 계층적인 URI (Uniform
Resource Identifier) 구조를 사용하는 것이 특징이다.
Fig. 10은 LwM2M의 오픈소스 플랫폼인 Eclipse사의 Leshan으로 e-IoT 디바이스의 상태를 Object 30000으로 수신함을 확인할 수 있으며,
URI의 계층구조는 Fig. 11과 같이 ‘Object+Instance+Resource’ 또는 ‘Object+Instance +Resource+Resource Instance’의
조합으로 구성된다[6].
Fig. 7. e-IoT device system block diagram
Fig. 8. (a) Manufactured e-IoT based public lighting control board and (b) Gateway
Fig. 9. System using the manufactured e-IoT based public lighting control board
Fig. 10. e-IoT platform using eclipse’s leshan
Fig. 11. Manufactured e-IoT based public lighting control board[7]
LwM2M은 Device Management 기능과 응용서비스를 위한 리소스 체계도 포함한 표준으로 e-IoT 표준 또한 LwM2M 기반의 Resource
모델을 따르고, Table 1은 OMA에서 정의한 조명 제어 Object이다.
Table 1. Object definition
|
|
description
|
|
Object
|
Light Control
|
|
Object ID
|
3311
|
|
Object URL
|
urn:oma:lwm2m:ext:3311
|
|
Multiple Instances
|
Yes
|
|
Description
|
Light control
|
LwM2M는 CoAP 프로토콜과 DTLS(Datagram TLS) 보안을 사용하며, UDP 또는 SMS를 이용한다. LwM2M의 구조는 장치(클라이언트)들과
관리 서버가 포함된다[7].
Fig. 12는 LwM2M 인터페이스를 나타내며, LwM2M 서버와 클라이언트 사이에는 인터페이스(bootstrap interface, registration
interface, management interface, reporting interface)가 정의되어 있다.
Fig. 12. LwM2M interface[7]
Table 2. Resource definition
클라이언트는 객체(Object)를 가지며, 각각의 객체는 실제 데이터가 있는 리소스(Resource)를 가진다. Table 2는 조명제어 Object 3311을 구성하고 있는 Resource를 나타내고 있으며, 하나의 Object는 여러개의 Object Instance로
구분하여 관리된다. Resource는 그 하부 Resource를 가질 수 있으며 Resource Instance로 구분하여 관리된다[7].
Table 3. Multiple data definition(Object:30000)
공공조명시스템의 제어를 위해서 e-IoT 디바이스는 Object : Light Control Object ID : 3311을 사용하고 하위 리소스로
온오프 제어와 디밍을 위해 5850과 5851 리소스를 이용하여 조명을 제어하고 상태 데이터는 Fig. 13과 같이 모델이 정해지지 않은 Object 30000을 이용하여 복합데이터로 주기적보고를 통해 데이터를 수집하여 플랫폼으로 전송한다. Table 3은 조명의 상태를 알기위하여 정의한 Object 30000의 값을 나타낸다.
Fig. 13. Multiple data flow diagram
성능에 대한 검증을 위하여 플랫폼에서 조명에 대한 On/Off 제어 명령을 내렸을 때 e-IoT 디바이스에서 제어 신호를 전달 받아 실제 조명이 동작하는
Notification 응답속도와 e-IoT 플랫폼에서 e-IoT 디바이스에 명령을 내렸을 때 디바이스에서의 상태 변화에 따른 로그기록을 통해 원격제어의
정확도를 통해 전체 시스템에 대한 동작을 시험하였다.
Fig. 14. Notification response speed test figure
Notification 응답속도를 측정하기 위하여 Fig. 14와 같이 플랫폼에서 On/Off 제어명령을 e-IoT 디바이스로 전달하여 조명이 점등 시간을 측정하였으며, 결과값은 Table 4와 같다.
Table 4. Notification response speed
|
시험횟수
|
동작 On
|
동작 Off
|
|
응답속도(s)
|
평균(s)
|
응답속도(s)
|
평균(s)
|
|
1
|
1.31
|
1.3
|
1.85
|
1.3
|
|
2
|
1.19
|
1.31
|
|
3
|
1.31
|
1.32
|
|
4
|
1.32
|
0.90
|
|
5
|
1.25
|
1.24
|
|
6
|
1.25
|
1.09
|
|
7
|
1.50
|
1.57
|
|
8
|
1.18
|
1.41
|
|
9
|
1.41
|
1.28
|
|
10
|
1.25
|
1.25
|
Notification 응답속도는 0.9초에서 1.85초로 2초 미만이며, 평균 On/Off 속도는 1.3초로 측정되었으며, 플랫폼에서 전송되는 명령은
게이트웨이를 거처 e-IoT 디바이스까지 정상적으로 전달되는 것을 확인할 수 있다.
원격제어 정확도 시험을 위하여 플랫폼에서 On/Off 명령 1,000회를 e-IoT 디바이스에 전송하고 디바이스에서는 정상적으로 명령어를 수신하였는지
Fig. 15의 통신 및 장비의 데이터 로그를 통해 확인하였다.
Fig. 15. Platform & e-IoT device data log
플랫폼에서 e-IoT 디바이스에게 On/Off 명령을 전달하면 1.2.410.200073.1.101.1.240.001.000004 식별자를 갖는 e-IoT
디바이스는 e-IoT 프로토콜을 통하여 정상적으로 제어를 수행하며 페이로드 응답을 통하여 명령이 정상적으로 수신됨을 확인할 수 있다.
Table 5. Accuracy of remote control
|
시험조건
|
시험횟수
|
정상동작 횟수
|
오동작 횟수
|
정확도
|
|
동작 On
|
500회
|
500회
|
0회
|
100%
|
|
동작 Off
|
500회
|
500회
|
0회
|
100%
|
Table 5에서 On 제어신호 500건과 Off 제어신호 500건을 전송하고 각각에 대한 응답이 정상적으로 수행되었음을 확인할 수 있다.
5. 결 론
본 논문에서는 스마트가로등의 표준 적용을 통한 상호운용성을 제공하기 위하여 한전 e-IoT 표준을 스마트가로등의 디바이스에 적용하여 다양한 센서,
제어기기 들의 데이터 호환성과 보안성 확보를 통해 확장성이 높고 개발 및 운영 비용 절감 효과가 크며 안정적인 관리가 가능한 공공조명 관리 시스템을
구현하여 동작을 검증하였다.
이 시스템은 LoRa 통신과 CoAP 프로토콜을 사용하고 국제표준인 LwM2M의 IPSO 체계를 적용하여 효율적으로 데이터를 수집하고 이를 eclipse
Leshan 기반의 e-IoT 플랫폼을 통하여 모니터링 및 수동 제어가 가능한 특징이 있다.
한전표준에 따른 스마트가로등 기반 공공조명용 제안시스템은 공공조명 디바이스와 관제 플랫폼간 상호운용성을 제공하고, 중계 레이어를 제공하므로 비용 절감이
가능하고, 기존 시스템의 업그레이드나 신규 시스템과 연동할 때 확장 용이성과 경제성을 제공할 수 있다.
향후 LoRa 무선통신의 성능분석과 향상을 통해서 IoT 기반 공공조명 원격관제 시스템의 고도화, 가로등 기반 환경 자료수집분야에 응용, 개방형
프로토콜과 오픈소스를 활용한 클라우드 공공조명 플랫폼 연구, 기상, 환경, 전력, 설비상태, 네트워크 등 정형, 비정형 데이터의 상관관계 분석 및
미래 예측 모델을 개발하여 제시할 계획이다.
Acknowledgement
본 논문은 2024년도 교육부의 지원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체대학 협력기관 지역혁신사업의 결과임(2021RIS-002).
References
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management of Electricity and Energy,” TTA Journal, vol. 183, pp. 45-50, 2016.
TTA, “Internet of things in electricity and energy (e-IoT) : System specifications
(TTAK.KO-10-1121-Part1-5),” 2018.
WG, IETF, “Constrained RESTful environments,” 2022.
Z.Shelby, K.Hartke, and C.Borman, “Constrained application protocol(CoAP),” IETF RFC7252,
IETF, 2014.
Hyeongok Lee, et al., “Research on internet of things standards in electricity and
energy,” Information & Communications Magazine, vol. 33, no. 12, pp. 12-21, 2016.
oneM2M, “oneM2M(TS-0001-V1.10.0) : Functional architec -ture,” 2016.
OMA, “OMA LwM2M technical specification(OMA-TS-LwM2M -V102-20180209-A),” 2018.
Biography
He received his B.S. degree in Physics in 2001 and his M.S. in Electronic Information
and Communication Engineering in 2004, from Chonnam National University, Gwangju.
He is now a Technical Director in Tronix co., Ltd.. His research interests in Smart
Street Lighting Management and IoT communications.
He received his B.S. degree in Computer Engineering from Honam University in 2004
and his M.S. degree in Electrical, Electronic, and Computer Engineering from Chonnam
National University in 2015. He completed his Ph.D. coursework in Optical and Information
Communication Engineering at Gwangju University in 2024. He is currently the Director
of R&D at the Technology Research Institute of Tronix Co., Ltd. His research interests
include photonics, AI and IoT system development, smart home/factory /farm/street
technologies, and edge computing.
He received his B.S. degrees in Electronic Engineering in 2002 from Chosun University
Gwangju. He is now a CEO in Tronix co., Ltd.. His research interests in Smart Street
Lighting Management, Big data and Public service.