2.1 시스템 구조

그림 2는 본 논문에서 제안한 모니터링 시스템의 구조와 각 파트별 동작을 보여준다. 센서 노드는 수압과 시간 정보를 측정하고 저장한다. 측정된 데이터는 SDcard에 저장되기 전 무손실 데이터 압축 알고리즘인 miniLZO^[12] 알고리즘을 통하여 압축한 후 SDcard에 저장된다. Tablet PC는 Zigbee 무선 통신을 통해 센서 노드와 통신한다. 통신이 연결되면 응용프로그램을 통해 측정된 수압 및 시간 정보 데이터를 수신하고 이를 텍스트 파일로 저장한다. 웹서버에 접속하여 저장된 텍스트 파일을 업로드하면 데이터베이스에 수압과 시간정보가 저장된다. 웹서버는 데이터를 사용자에게 효율적으로 제공하기 위해 제작하였다. 외부의 접근을 막아 안정성을 높이기 위한 회원가입과 로그인 기능을 갖고 있으며, 데이터를 데이터베이스에 전송해주는 파일 업로드 기능, 데이터를 유저에게 제공하기 위한 차트 기능을 가지고 있다.

그림. 2. 제안하는 시스템의 구조

Fig. 2. Proposed system architecture

2.2 센서 노드

넓게 분포된 상수도망의 수압 정보를 효율적으로 측정하고 저장하기 위해 센서 노드를 제작하였다. 센서 노드는 데이터 처리를 위한 Arduino Mega ADK R3 MCU 보드와 측정을 위한 수압 센서, 무선 통신을 위한 Zigbee 모듈, 데이터 저장을 위한 SDcard, 수동 제어를 위한 스위치, 센서 노드의 현재 상태를 알려주기 위한 CLCD와 LED로 구성되어 있으며, 각종 I/O 보드 및 모듈을 효율적으로 연결하기 위해 PCB 기판을 제작하여 활용하였다. 그림 3은 제안한 시스템에서 사용된 센서 노드의 구조를 보여준다.

센서 노드는 사용자의 편의를 위해 측정과 저장 외에도 몇 가지의 추가적인 기능을 구현하였다. 첫 번째 기능은 비밀번호 확인 기능이다. 관계자 이외의 외부인이 무선통신으로 센서 노드에 접근하는 것을 막기 위해 센서 노드 자체에 비밀번호를 설정하였다. 외부에서 무선 통신으로 센서 노드에 접근을 시도하면 비밀번호 확인을 요청하게 되고 비밀번호가 일치해야 센서 노드의 제어권을 사용자에게 넘기게 되며, 비밀번호가 일치하지 않으면 비밀번호 확인을 다시 요청하게 된다. 두 번째 기능은 실시간 수압 측정 기능을 구현하였다. 일반적으로 한 시간 간격으로 자동 측정된 수압 데이터가 저장되지만 사용자가 현재 시간의 수압 데이터를 추가적으로 확인하고자 할 경우 수동으로 수압 데이터의 측정이 가능하도록 하였다. 세 번째 기능은 SDcard의 정보를 사용자에게 제공하는 기능이다. 즉, SDcard의 총 메모리 용량과 사용된 메모리 용량, 남아 있는 메모리 용량이 사용자에게 제공된다. 사용자는 제공되는 SDcard의 정보를 확인하여 SDcard의 교체 시기나 저장된 측정 데이터의 삭제 여부를 결정하게 된다. 네 번째 기능은 SDcard에 저장된 데이터 정보를 삭제하는 기능이다. 사용자는 SDcard의 정보를 확인하여 데이터가 가득 찬 경우 SDcard에 저장된 데이터를 원격으로 삭제할 수 있다.

본 논문에서 구현한 센서 노드는 데이터 측정 및 저장뿐만 아니라 비밀번호 확인, 실시간 수압측정, SDcard 정보 출력, 데이터 삭제 기능을 추가하고 Tablet PC에서 원격으로 제어함으로써, 센서 노드의 성능을 향상 시켰다.

그림. 3. 센서 노드 구조

Fig. 3. Sensor node architecture

2.3 Tablet PC 응용프로그램

Tablet PC 응용프로그램은 센서 노드와 웹서버 사이의 중계역할을 담당한다. Zigbee 무선 통신을 통해 센서 노드에 데이터 전송을 요청하고 SDcard에 저장되어 있는 수압 데이터를 전송 받아 텍스트 파일 형태로 데이터베이스에 저장한다. Tablet PC 응용프로그램은 MFC 기반으로 제작하였으며 직렬 포트의 사용이 가능하고 AT command mode를 사용하여 Zigbee USB Dongle의 무선 통신을 제어한다. 그림 4는 본 논문에서 사용한 Zigbee USB Dongle과 Tablet PC를 보여준다.

그림. 4. Tablet PC와 Zigbee USB 동글

Fig. 4. Tablet PC and Zigbee USB Dongle

Zigbee USB Dongle을 Tablet PC에 연결하고 해당 Com port와 Baud Rate, Data Bit, Stop Bit 그리고 Parity를 설정한다. Data Type은 Hex와 ASCII 두 가지 타입이 존재하며, 센서 노드에서 전송 받은 데이터의 표현 타입을 정하게 된다. Tablet PC 응용프로그램은 직렬 포트를 통해 송수신되는 데이터의 양과 포트의 현재 상태를 표시하고 Send는 응용프로그램에서 센서 노드로 데이터를 전송하여 센서 노드를 원격으로 제어하도록 한다. Zigbee USB Dongle의 포트가 열려있는 상태에서 전송코드를 입력란에 넣고 Send 버튼을 누르면 지정된 Zigbee Module로 데이터가 전송된다. Receive에서는 Zigbee Module로부터 수신 받은 데이터를 보여준다. Clear 버튼은 해당 창의 내용을 비워 주고 다른 버튼들도 모두 똑같이 해당되는 입력란의 내용을 비워 준다. 그림 5에 MFC 기반으로 제작한 응용프로그램을 나타내었다.

그림. 5. Tablet PC MFC 응용프로그램

Fig. 5. Tablet PC MFC application program

그림 6은 MFC 응용프로그램의 데이터 송신과 수신을 위한 포트 관리 Thread 기능을 도식화한 것이다. 포트에 데이터가 수신될 때 까지 Thread는 대기상태에 머무르며 데이터가 수신되면 지정된 버퍼에 데이터를 저장한다. 버퍼가 가득 차면 받은 데이터를 출력하기 위해 사용자가 설정한 데이터 형식에 맞게 해당 데이터를 변환하고 출력한다. 버퍼 크기 이상의 데이터가 수신될 수 있으므로 저장할 데이터가 더 있는지 확인한 후 다시 버퍼에 데이터를 저장해 놓고 버퍼가 가득차면 전송하는 작업을 반복한다. 더 이상 받을 데이터가 존재하지 않을 경우 다시 대기모드가 되어서 포트에 데이터가 수신될 때 까지 대기하게 된다. 이러한 일련의 순환 구조를 Thread가 제거될 때 까지 반복한다.

그림. 6. 포트 관리 쓰레드

Fig. 6. Port management thread

2.4 웹서버

웹서버는 수압 데이터를 데이터베이스에 저장하고 관리하며 데이터를 그래프 형태로 출력하여 사용자에게 수압 정보를 제공한다. 전체적인 구현은 Eclipse 툴과 Apache Tomcat (Ver. 7.0)을 이용하여 클라이언트 요청에 웹 서비스를 실행하였으며, MySQL (Ver 5.0) 데이터베이스를 활용하여 데이터를 저장하고 관리한다. JSP, HTML, Java Script 언어를 기반으로 웹서버를 구현하였다^[13,14].

웹서버는 관계자만 접근 가능하도록 보안성을 위한 회원가입 및 로그인 기능과 데이터 저장을 위한 업로드 기능, 분석을 위한 통계 기능, 회원관리 기능을 수행한다. 그림 7은 웹서버의 구성을 나타낸 것이다. 웹서버에 처음 접속 시 로그인 창이 나타나며, 계정이 없을 시 회원 가입 창으로 이동하여 회원가입 절차를 진행하게 된다. 회원 가입은 아이디와 비밀번호, 간단한 사용자의 정보를 입력하면 데이터베이스에 입력된 회원가입 테이블에 정보별로 분류되어 저장 및 관리되며, 만약 사용자가 입력한 아이디가 이미 존재할 경우, 아이디 중복을 알리는 메시지가 출력된다. 회원 관리 기능은 관리자 계정으로 접속한 경우에만 메뉴에 나타나며 관리자 계정을 제외한 사용자의 회원 정보 열람 및 계정 삭제가 가능하다. 파일 업로드 기능은 Tablet PC 응용프로그램에서 저장한 텍스트 파일을 업로드 할 수 있다. 파일을 업로드 하면 지정위치에 텍스트 파일이 저장되며, 저장된 텍스트 파일의 내용을 읽어 수압 테이블에 시간과 수압 정보로 분류되어 저장되고 관리된다. 그래프 출력 기능은 확인하고 싶은 센서 노드의 고유 번호를 입력하면 데이터베이스에 저장된 수압 테이블에서 입력 받은 고유 번호를 대조하고 해당되는 수압 데이터를 그래프로 출력하여 사용자에게 제공한다. 사용자는 제공된 그래프를 확인하여 상수도망의 상태를 점검할 수 있다.

그림. 7. 웹서버의 구성도

Fig. 7. Web-server configuration

그래프 출력 기능은 제안한 시스템과 웹서버에서 중요한 역할을 담당한다. 일반적으로 웹서버에서 그래프를 구현하는 방법은 Ajax+Java와 Ajax+Highcharts, JFreechart, Googlechart 등의 방법이 있다. Ajax+Java는 자바 프로그래밍을 이용하여 그래프를 구현하는 방법이며, 자바 환경에서 그래프 작성을 위해라이브러리를 사용하지 않고 자바 소스만으로 그래프를 구현하기 때문에 소스코드의 양이 많아지는 경우가 발생한다. 또한 데이터베이스와 연동하게 되면 데이터를 전송 받고 그래프로 표현하기 까지 시간이 많이 소요된다. Ajax+Highcharts의 경우 인터넷 익스플로러나 구글 Chrom 등 브라우저의 제한 없이 모두 지원되기 때문에 웹 페이지에 사용되는 그래프로 많이 사용된다. 사용자가 직접 사용하고 싶은 라이브러리를 선택할 수 있기 때문에 메모리 사용 효율이 좋으며, Highchart 홈페이지에서 이미 제작되어 있는 Demo용 그래프를 적용할 수 있기 때문에 편리하다. 하지만 라이센스 제한이 있기 때문에 회사나 대규모 프로젝트에 많이 사용된다.

JFreechart나 Googlechart의 경우 라이센스도 오픈 소스로 제공하며, 문서화 표현과 API 확장이 용이하기 때문에 그래프를 그리는 방법으로 많이 사용된다. Eclipse 툴을 사용하여 그래프를 만들기 때문에 메모리 사용량이 많고 그래프를 웹 페이지에서 표현하기 위해 applet 형태를 따로 만들어야 하는 단점이 있지만, 라이브러리들을 import하여 쉽게 사용 가능하고, 오픈 소스로 무료 제공하기 때문에 본 논문에서는 JFreechart를 사용하여 그래프를 제작하였다.

3.1 필드 테스트

본 논문에서는 제안한 모니터링 시스템의 실험을 위해 가상의 상수도망을 제작하여 여러 차례의 필드 테스트를 수행하였다. 수압 측정 검증을 위해 상수도관을 구축하고 스트레이너를 개조하여 센서 노드를 부착하였다. 1차 필드 테스트는 그림 8과 같이 일자 모형의 임시 상수도관을 설치한 후 진행하였다. 테스트의 목표는 센서 노드의 전원공급 확인을 통해 보드의 DC/DC 컨버터 작동 유무에 대한 판별과 보드와 센서의 연결 상태를 확인하기 위하여 수압 변화에 따른 센서의 출력 전압 변화를 측정하여 멀티미터와 값을 비교하는 것이다. 측정부 내부의 스트레이너에 수압센서를 연결한 후 센서와 센서 노드를 연결하여 전원을 공급하였고 수압 변화부에서 벨브를 이용하여 수압을 조절하였다. 수압이 변화할 때의 값을 멀티미터와 하드웨어 측정 장치에서의 측정 값과 비교하여 수압의 변화에 따른 전압의 변화를 확인하였다. 그림 9는 수압 변화에 따른 전압 값의 측정 결과를 나타낸 것이다.

그림. 8. 1차 필드 테스트를 위한 선형 파이프라인 구조

Fig. 8. Linear pipeline architecture for first field testing

그림. 9. 전압 측정 결과

Fig. 9. Result of voltage measurement

2차 필드 테스트는 센서 노드의 소스코드 교정을 목표로 삼았다. 수압 밸브를 조절하는 것으로 수압에 변화를 주고 아날로그 수압 측정기와 센서 노드의 수압 센서를 사용하여 수압을 측정하였다. 센서 노드의 소스코드 수정과 설정을 최적화한 후 추가적인 테스트를 진행하였다. 테스트의 목표는 디지털 센서와 아날로그 센서 그리고 센서 노드를 사용하여 센서 노드의 최적화 상태를 검증하는 것이다. 그림 10은 2차 필드 테스트 환경인 ‘ㄷ’자 상수도관을 나타낸 것이다.

최적화 점검이 끝난 센서 노드를 'ㄷ'자형 상수도망에 설치하여 수압 측정을 시작하고, 출구 쪽에 설치된 밸브를 열어 수압을 감소시킨다. 수압을 반복적으로 조금씩 감소시켜 수압의 변화를 측정하고, Tablet PC 응용프로그램을 사용하여 데이터를 전송 받아 웹서버에 저장한다. 웹서버에 데이터를 업로드한 후, 그래프 통계 페이지로 이동하여 센서 노드가 측정한 수압 데이터가 그래프에 정상적으로 표현되는지 확인하였다.

그림. 10. 2차 필드 테스트 환경

Fig. 10. Second field test environment

3.2 전력 측정

일반적으로 모니터링 시스템의 센서 측정 장치는 사람이 접근하기 힘든 지역이나 넓게 분포된 지역에 설치된다. 또한 센서가 설치되는 장소는 전원 공급이 힘든 지역이 많기 때문에 센서의 소비 전력을 감소시키는 것이 무엇보다도 중요하다. 본 논문에서 제안한 모니터링 시스템은 소비 전력 감소를 위해 MCU(Micro Controller Unit)와 Zigbee에서 제공하는 Sleep 모드를 선택하였다^[15-17]. MCU에서 사용한 Sleep 모드는 Power saving이 가장 많이 되는 Power-down 모드를 사용하였고 Zigbee의 경우 Cyclic Sleep 모드를 사용하였다.

실험을 위해 Sleep 모드와 Wake up 모드로 전환되는 부분을 스위치와 외부 인터럽트를 사용하여 제어하였다. 하드웨어 측정 장치에서 소모되는 전력을 측정하기 위해 Arduino UNO 보드와 전압/전류 측정 센서인 INA219 센서를 사용하였다. 센서 노드는 작동을 위해 5V의 전압을 인가하였으며, Arduino UNO 보드는 USB Port를 사용하여 컴퓨터로부터 전압을 공급받도록 하였다. INA219 센서는 UNO 보드에서 출력하는 5V 전압을 사용하여 동작하며, 통신을 통해 INA219 센서와 UNO 보드가 데이터를 교환할 수 있도록 연결하였다. 통신의 SDA(Serial Data) 신호와 SCL (Serial Clock) 신호를 사용하여 측정한 전류 및 전압 값을 UNO 보드로 전송하며, 보드에서는 전송 받은 데이터를 Arduino와 INA219 센서에서 제공하는 Library를 사용하여 전류와 전압 값을 계산하였다. 계산된 전류와 전압 값은 직렬통신을 통하여 Arduino 모니터에 표시하였고 화면에 나타난 전류와 전압의 평균 값을 사용하여 센서 노드에서 사용되는 평균 소비 전력을 계산하였다. 그림 11은 INA219 센서를 사용한 소비전력 측정 환경을 나타낸 것이다.

그림. 11. 소비전력 측정

Fig. 11. Power consumption measurement

MCU의 Sleep 모드 사용하여 측정한 결과 하드웨어 측정 장치가 정상 작동 시 평균 전압은 4.80V이며, 평균 전류는 160.51mA이고 Sleep 모드에서의 펑균 전압은 4.77V이며, 평균 전류는 125.39mA로 측정되었다. 소비 전력은 정상 작동이 770.45mW이며, Sleep 모드는 598.11mW 이다. Sleep 모드를 사용할 경우 전류가 약 35.12mA 정도 감소하였고 소비전력은 172.34mW가 절약 되었다. Zigbee의 Sleep 모드를 사용한 경우 평균 전압은 4.77V, 평균 전류는 120.02mA, 소비 전력은 572.49mW로 측정 되었다. Zigbee의 Sleep 모드를 사용하면 정상 작동 때 보다 전류는 40.49mA, 소비 전력은 197.96mW가 감소되었다. 표 1은 정상 작동 상태(static), MCU 및 Zigbee의 Sleep 모드에서 측정한 전압, 전류, 전력을 각각 비교한 것이다.

3.3 데이터 압축

SDcard 메모리의 효율성을 높이고 전력소모를 감소시키기 위해 LZO 알고리즘의 경량화 버전인 miniLZO 데이터 압축알고리즘을 사용하였다. 데이터 압축 실험을 진행하기 위해 총 630개의 측정 데이터를 사용했으며, 데이터의 크기는 21.7KB 이다. 측정 파일에 miniLZO 압축을 사용한 결과 3.86KB의 압축 파일이 만들어 졌으며, 약 82%의 데이터가 압축되었다. 82%의 높은 데이터 압축률은 miniLZO의 특성에 의해 얻은 결과이다.

miniLZO 알고리즘은 중복되는 데이터가 많으면 압축률이 향상되는 특징이 있으며, 실험에 사용된 데이터는 날짜와 시간정보, 하드웨어 측정 장치 번호, 수압 데이터 형태로 구성되어 있다. 따라서 실험에 사용된 측정 파일은 날짜와 시간, 하드웨어 측정 장치 번호에서 중복되는 데이터가 많기 때문에 높은 데이터 압축률을 얻을 수 있었다. 원본 측정 파일이 하루 동안 측정한 데이터라 가정하고 1MB 크기의 메모리에 저장한다고 가정하면, 47일 정도의 데이터가 저장되고 데이터 압축을 실행하면 265일 정도의 데이터를 메모리에 저장할 수 있어 메모리 사용에 효율성을 향상시킬 수 있다.