2.1.1. ISA100.11a 통신 기술

ISA100은 ISA ANSI 표준위원회로서, 전 세계 250여개 회 사의 400여명의 자동화 전문가로 구성되어 있다. ISA산하 조 직인 ASCI(Automation Standards Compliance Institute)의 ISA100 WCI(Wireless Compliance Institute)를 ISA100 표준 으로 만들었다. ISA100.11a는 2014년에 국제자동화사회(ISA) 가 ‘산업 자동화를 위한 무선 시스템 : 공정 통제와 관련 어플 리케이션’ ANSI/ISA100.11a-2011을 발표했고, 국제전기표 준회의(IEC)에서 국제 규격을 만장일치로 승인받았으며, ‘IEC 62734’라는 제목으로 표준화된 산업용 표준 무선통신기술 이다.

ISA100.11a의 네트워크는 Fig. 1과 같은 구조를 가지며 Mesh, Star, Star-Mesh 네트워크를 지원하며, Routing, non- Routing을 지원한다. 또한, 기존 네트워크와의 게이트웨이를 통한 접속을 지원하며, 산업용, 발전소용 네트워크에서 선택 적인 이중화를 지원한다. 그리고 다른 무선 장치와 다중경로 에 따르는 간섭을 없애기 위해 지능적인 채널 호핑 알고리즘 을 사용하며, 낮은 성능의 주파수를 계속하여 사용하는 것을 방지함으로 신뢰성을 높인다.

Fig. 1.

ISA100.11a Network

2.1.2. WirelessHART 통신 기술

HART 통신 프로토콜은 산업분야의 모니터링과 제어분야 에서 2500만개 이상의 디바이스에 적용되어 사용되고 있다. HART Communication Foundation은 플랜트 공정관리 및 제어 산업에 필수적으로 요구되는 유구 사항들에 부합되도록 설계 된 무선통신 표준 WirelessHART를 개발함으로써 실제 산업 플랜트 어플리케이션을 위한 안정성을 강화하였다. Wireless- HART 트랜스미터는 Wi-Fi와 동일한 공간에서 상생할 수 있 는 IEEE802.15.4 표준을 활용하며, 고신뢰성의 무선통신 표 준을 제공하기 위하여 패킷기반 주파수 호핑, TDMA 기반 링 크관리, Full Mesh Network 기술을 이용하고 있다.

WirelessHART는 Fig. 2와 같은 네트워크 구조를 가지며, HART통신 프로토콜 및 사용자 계층을 기반으로 하며, HART 응용 계층은 1980년대 후반부터 존재하였으며 HART 프로토콜의 7.0버전은 WirelessHART를 포함하여 임의 데이 터 전송, 이벤트 알림, Block Mode전송, 고급 진단 기능이 강 화되었다.

Fig. 2.

WirelessHART Network

2.2.1. 무선 트랜스미터 회로 개발

무선 트랜스미터의 주요 구성은 근거리 무선통신을 위한 ISA100.11a 기반의 USN 통신부, 장거리 무선통신을 위한 LTE모뎀을 지원하는 LTE 통신부, 칩셋을 컨트롤하고 데이터 송수신을 위한 MCU부, 센서(가속도센서, 변형률센서, 경사 센서, 온도센서 등)에서 계측한 아날로그 신호를 디지털 신호 로 변환하기 위한 ADC부, 시각동기화를 위한 RTC부, 센서의 데이터를 저장하기 위한 외부 저장 메모리부, 그리고 전원공 급부로 구성되었다.

ADC부는 Analog to Digital Converter IC를 이용하여 센서 입력신호에 대해 24bit의 분해능을 가질 수 있도록 설계하였 으며, ADC Conversion Rate는 최대 64Ksps로 고속 가속도 측 정을 위한 최상의 샘플링 조건을 만족시키도록 설계하였다 (Fig. 4) .

Fig. 4.

ADC Circuit diagram

MCU부는 32bit ARM Cortex-M4를 사용하여 고속의 가속 도 측정 및 Data 저장이 동시에 가능하며, 에너지 절약을 위해 초저전력의 솔루션을 적용하였다. 또한, 100MHz Maximum Operating Frequency and High Data-bandwidth architecture based on a 5-layer bus matrix with 16-DMA channels를 이용 하여 데이터 전송 시 문제가 발생할 수 있는 데이터 병목 현상 을 최소로 할 수 있도록 설계하였다(Fig. 5).

Fig. 5.

MCU Circuit diagram

시각 동기화를 위한 RTC부는 정밀 RTC(Real Time Clock) IC를 사용하여 센서 데이터 측정 시 측정 시점의 시간과 데이 터를 함께 전송하여 전송 시 발생할 시간딜레이를 제거하고, 다른 센서와 동시 분석 시 동기화 문제를 해결할 수 있도록 설 계하였다(Fig. 6).

Fig. 6.

RTC Circuit diagram

메보리부는 외부저장모메리(MicroSD Card)에 측정한 센 서 데이터를 백업할 수 있도록 설계를 반영하였으며(Fig. 7), 전원부는 베터리를 사용하는 무선 제품으로써 전력을 효율적 으로 사용하기 위해 LDO Regulator를 사용하였으며, 센서 데 이터 계측에 영향을 최소화하기 위해 Ultra-low-noise output 을 적용하였다(Fig. 7).

Fig. 7.

Power Circuit diagram

무선 트랜스미터의 회로는 Fig. 8과 같이 무선 트랜스미터 기구부에 장착될 수 있도록 제작하였다.

Fig. 8.

Wireless Transmitter Circuit

2.2.2. 통신모듈 개발

ISA100.11a기반의 USN 통신부는 배터리를 사용하여 전원 을 공급하게 되므로 낮은 동작 전압을 지원하며, 장기간 사용 을 위한 저전력 소모기능을 추가하였으며, 작은 크기의 디바 이스 구성을 위해 패키지도 소형으로 구성하였다. 그리고 ISA100.11a 통신 프로토콜을 이용한 2.4 GHz의 통신 모듈을 개발하였다(Fig. 9, Fig. 10).

Fig. 9.

ISA100.11a Module Circuit diagram

Fig. 10.

ISA100.11a Module

LTE통신부는 LG이노텍의 LTE모듈(피닉스)기반의 하드 웨어를 설계하였다. LG이노텍에서 개발된 LTE모듈을 활용 하여 계측보드에 적용 가능한 Pin Assignment 적용되도록 Daughter 보드를 개발하였다. 그리고 Wake up/Sleep 모드의 효율적인 제어를 위하여 LTE모듈만을 위한 MCU를 Daughter 보드에 내장하였다(Fig. 11, Fig. 12).

Fig. 11.

LTE Module Circuit diagram

Fig. 12.

LTE Module

2.2.3. 성능 검증

개발된 ISA100.11a기반 통신모듈과 LTE 통신모듈의 데이 터 송수신 검증을 위해 테스트를 수행하였다. 먼저 ISA100.11a 통신모듈 테스트는 Fig. 13과 같이 센서노드 4set를 연결하여 6일간 데이터 전송 성공률 검증 시험을 수행하였다.

실험결과 센서노드 4set의 데이터 송수신율은 99.2% 이상 의 성공률을 나타내었으며, 각 센서노드의 데이터 수신율은 Table 2에 나타내었다.

Fig. 13.

ISA100.11a Module Test

그리고, LTE 통신모듈 테스트는 LTE모듈을 통해 IDC (Internet Data Center)로 데이터를 전송하고, IDC에서 운영되 는 서버에 도착하는 데이터를 측정하였다. 테스트를 위한 프 로그램은 Fig. 14와 같이 전송주기와 데이터 패킷 크기 설정 및 데이터 전송, LTE모듈 설정 등을 위한 클라이언트 프로그 램과 데이터 수신 및 저장, 수신율 분석을 위한 서버 프로그램 으로 구성된다.

Fig. 14.

LTE Module Test Program

LTE 통신모듈 데이터 송수신 테스트 결과 최대 패킷 사이 즈는 2048 Bytes, 전송주기는 초당 4회, 최대 데이터 전송량은 7.2 KByte/sec, 사용가능한 데이터 전송량은 2 KByte/sec 이내 로 확인되었으며, 실험에 대한 결과는 Table 3에 나타내었다. 실험 결과 패킷 사이즈가 12 byte일 경우 NCK 발생이 없었으 나 패킷 사이즈가 증가할수록 NCK가 발생하였으며 NCK 발 생율은 현저히 낮은 수준으로 NCK 발생을 완전히 없애기 위 해선 NCK 발생 시 예외사항 처리를 통해 NCK 발생에 따른 재전송 기능을 추가 할 수 있다..