사물인터넷 Internet of Things (IoT)

CHAPTER 5 _센서 네트워크

Chapter 5. 1 센서 아키텍쳐 (Sensor Architecture)

Perception

Aggregation

Network

Application

개별 센서들이 현상을 인지(Perception)하고, 분석 및 프로세싱을 한다(Aggregation). 그리고 프로세싱된 데이터를 다양한 통신 프로토콜에 의해 전송하고 (Network), 서비스를 할 수 있는 형태의 애플리케이션으로 만든다 (Application).

Chapter 5. 2 센서의 분류

시각: 카메라, 이미지 센서, 포토다이오드, 적외선 거리센서 청각: 마이크로폰, 피에조 후각: 가스센서, 바이오케미컬 센서 미각: 입자센서 촉각: 촉각센서

인간의 오감과 센서

검출신호에 따른 분류: 아날로그 센서, 디지털 센서, I2C 센서, 주파수형 센서 감지기능에 따른 분류: 공간량, 역학량, 열량, 전자기학량, 화학량, 시각, 촉각 전원공급에 따른 분류: active sensor (e.g., electromagnetic proximity sensor) passive sensor (e.g., passive infrared sensor) 전기적현상 따른 분류: resistive (e.g., Force sensor resistor) capacitive (e.g., 정전압 터치센서) inductive (e.g., 전류센서) piezoelectric (e.g., piezoelectric vibration sensor)

Chapter 5. 3 센서의 종류

구글의 “List of sensors”를 참고하면 무수히 많은 센서에 대한 정보가 검색 http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_sensors

1. Acoustic, sound, vibration – 마이크로폰, 피에조 진동센서, Geophone 등 2. Automotive – Hall effect, speedometer, oxygen sensor, 타이어 압력 센서 등 3. Chemical – pH센서, 가스센서, 홀로그래픽 센서, 후각센서, 오존센서 등 4. Electric / magnetic – 전류센서, Electroscope, Galvanometer, 금속 탐지기, 전압센서, Radio direction finder 등 5. Environment – 온도센서, 습도센서, 지진감지센서, 적설량 측정 센서, 먼지 측정 센서 등 6. Flow – Air flow 센서, 물센서, 가스 감지 센서 등 7. Radiation – Geiger counter, Neutron detector 등 8. Position, rotation, navigation – Laser rangefinder, 자이로스코프, 가속도센서, IMU, 자기장센서 등 9. Optical – 불꽃감지센서, 조도센서, 적외선 센서 등 10. Pressure – 기압센서, Tactile sensor 등 11. Force – 로드셀, 스트레인게이지, FSR 등 12. Thermal – Heat flux sensor, 적외선 온도센서, 써미스터 등 13. Proximity – 초음파거리센서, 적외선거리센서, Laser rangefinder, Doppler radar 등

몇백원하는 센서부터 몇백만원이 넘는 센서까지, 센서의 종류는 다양하고 큰 부가가치를 가진다. 따라서, 사물인터넷과 센서기술의 발전이 주목됨.

Chapter 5. 4 Sensor & Transducer

• 계측 시스템에서 많이 사용되는 용어인 센서(Sensor)와 트랜스듀서(Transducer) • 일반적으로, 센서는 물리적인 현상을 전기적 신호로 변경함을 칭하고, • 트랜스듀서는 센서와 액츄에이터를 모두 포함할 수 있다고 볼 수 있음. • 즉, 트랜스듀서는 1) 물리적 현상 전기적 신호 (센서) 2) 전기적 신호 물리적 출력 (액츄에이터)

를 모두 포함한다고 볼 수 있음. • 센서는 신호를, 트랜스듀서는 에너지를 변환하는 것이라고 구분하기도 함.

A transducer is a device that converts one form of energy to another form of energy. A sensor is a transducer whose purpose is to sense some characteristic of its environs. - wikipedia

Chapter 5. 5 Accuracy, Repeatability, and Resolution

Accuracy (정확도): 타겟값에 얼만큼 가까운지에 대한 정도 Repeatability (반복 정밀도): 연속적으로 측정하였을 때, 측정한 값의 근접한지에 대한 정도 Resolution (분해능): 10점, 9점, 8점 혹은 10점, 9.9점, 9.8점 등 측정값을 구별할 수 있는 최소값의 정도

Chapter 5. 6 센서 애플리케이션

Enable New Knowledge

Improve Productivity

Healthcare

Improve Food & H20

Energy Saving (I2E)

Predictive maintenance

Enhance Safety & Security

Health

Smart Home

Defense

High-Confidence Transport and assets tracking

Intelligent Building

Chapter 5. 7 근거리 유선 통신 프로토콜

동기방식과 비동기방식 • 동기방식은 데이터를 전송하는 선 외에 송신자와 수신자 사이의 동기를 위한 별도의 클럭 신호를 사용

장점: 통신 속도가 더 빠르다. 단점: 주종 관계이어야 한다. (예, 한쪽은 마스터, 다른 한쪽은 슬레이브 구조)

• 비동기방식은 별도의 클럭 신호 없이 데이터를 송수신하기 때문에, 통신 속도를 맞춰야 함

장점: 통신에 필요한 선의 수가 적다. (클럭 신호선이 필요 없기 때문) 단점: 통신 속도가 느리다. (시작 비트와 정지 비트를 추가로 넣어야 하기 때문)

Chapter 5. 7 근거리 유선 통신 프로토콜

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter): 대부분의 마이크로컨트롤러가 한 개 이상의 UART를 가지고 있으며, Baudrate 전송속도를 9600, 38400, … ,115200bps 설정할 수 있으며, 38400일 경우, 1비트를 전송하는데 걸리는 시간은 1/38400초이다. 만약, 시작 비트와 정지 비트가 각각 1비트씩이라면, 1바이트(8비트)를 보내는데, 걸리는 시간은 1/3840초일 것이다. 즉, Baudrate이 높아지면 더 빨리 전송을 할 수 있다.

Full duplex (전이중통신), Half duplex (반이중통신), Simplex (단방향통신)이란?

Full duplex

Half duplex

Simplex

Chapter 5. 7 근거리 유선 통신 프로토콜

RS232 UART와 마찬가지로, 비동기 직렬통신의 대표이다. 컴퓨터의 DB-9이라는 시리얼 포트를 생각 할 수 있으며, RS232의 논리에서 1(HIGH)는 3~15V이고, 0(LOW)는 -3~-15V이기 때문에, UART에 비해서 전압의 영역이 넓다. 따라서 노이즈에 대해서 잡음 여유가 매우 크기 때문에, 통신 선로의 길이는 약 15m에 이른다.

RS422/RS485 RS422와 RS485는 RS232의 개선된 버전으로 보다 빠른 속도와 통신 거리를 지원한다.

RS232 RS422 RS485

연결 가능 노드 수 1 10 32

통신모드 Full duplex Full duplex, half duplex

Full duplex, half duplex

최대 통신 거리 15m 1.2km 1.2km

최대 통신 속도 1MHz 10MHz 10MHz

Chapter 5. 7 근거리 유선 통신 프로토콜

SPI (Serial Peripheral Interconnect) 모토로라에서 개발된 Full duplex 동기 통신 규격. 따라서 마스터-슬레이브 방식. • SCLK (Serial Clock): 마스터가 출력하는 동기용 클럭 • MOSI (Master Output Slave Input) • MISO (Master Input Slave Output) • SS (Slave Select): 마스터의 출력으로 슬레이브를 선택하기 위한 신호

장점: 최고 70MHz의 빠른 통신 속도 양방향 통신이 가능 I2C와 달리 주소가 없기 때문에 주소로 인한 충돌이 발생하지 않음 단점: 한개의 마스터 핀의 수가 많다. 슬레이브가 늘어나면 그에 따라 SS의 숫자가 증가

SPI Master

SPI Slave

SCLK

MOSI

MISO

SS

SCLK

MOSI

MISO

SS

Chapter 5. 7 근거리 유선 통신 프로토콜

I2C (Inter-Integrated Circuit) 마이크로프로세서와 저속 주변 장치와의 통신을 위해 필립스에서 개발. 두 가닥의 선을 사용하기 때문에, TWI (Two Wire Interface)라고 불리기도 함. • SCL (Serial Clock): 동기를 위한 클럭 • SDA (Serial Data): 데이터 전송

장점: 두 가닥 선으로 많은 슬레이브와 통신이 가능 양방향 통신이 가능 단점: 최대 속도는 100KHz 7비트의 주소 길이에 비해 인터페이스를 사용하는 디바이스의 수가 많아서 주소 충돌이 발생

I2C Master

I2C Slave 1

SCL

I2C Slave 2

SDA

Chapter 5. 8 무선 통신 프로토콜

무선 통신 프로토콜

무선 통신 모듈은 다양한 프로토콜을 기반으로 여러 제품들이 상용화되어 있음 사물인터넷에서 많이 사용하는 블루투스와 RFID/NFC가 널리 사용됨

Chapter 5. 9 무선 센서 네트워크 (Wireless Sensor Network)

• WSN (Wireless Sensor Network)은 다수의 센서들이 서로 연결되어 있는 것을 의미한다. 각각의 노드에서 모니터링한 값들이 게이트웨이(Gateway)를 거쳐서 인터넷 서버에 기록이 되고, 사용자들이 모니터링하거나 사용자들에게 서비스를 제공하는 것이 사물인터넷에서의 무선 센서 네트워크의 역할 중 하나이다. • WSN은 서로 다른 센서들을 사용하거나 (Heterogeneous) 동일한 센서들을 사용하는 방식으로 (Homogeneous) 다수의 센서들을 사용하여 센싱할 수 있는 영역 (Coverage)를 확보하고 수집해야 할 정보들을 저전력, 신뢰성 있게 얻는 것을 목적 중에 하나로 한다.

Chapter 5. 10 Ad-hoc 네트워크

Ad-hoc: 고정된 기반 네트워크 (infrastructure network)의 도움 없이 노드(node)들 간에 자율적으로 구성되는 네트워크 Ad-hoc 네트워크의 특징 - 분산성: 네트워크상의 노드는 기존의 인프라가 없이 보안 및 라우팅을 해야 한다. 또한, 중앙 관리를 담당하는 노드가 없기에 각각의 기능을 네트워크 내의 노드에 분산시켜야 한다. - 동적 위상: 네트워크의 위상이 빈번하게 변하기 때문에, 다양한 형태의 네트워크를 구성할 수 있어야 한다. 즉, 위상 변화에 관계없이 지속적으로 서비스를 제공할 수 있어야 한다. - 제한된 자원: 배터리를 이용하는 경우가 대부분이기 때문에, 저전력 시스템과 효율적인 에너지 관리를 해야 한다. - 제한된 물리적 보완: 도청이나 악의적 공격을 받기 쉽기 때문에 보안 이슈를 잘 해결해야 한다. 응용분야 - 홈네트워킹 - 재난, 전쟁, 구조 지역 - 임시적으로 대규모 통신 네트워크 증가 지역 - 농장 모니터링 - Indoor Navigation 등

Chapter 5. 11 Multi-hop

Multi-hop: 송신 노드가 먼 거리에 있는 수신 노드와 네트워킹을 통한 정보 공유를 할 때, 중간 중간에 라우터 역할을 해주는 노드들이 짧은 통신 범위를 보상해줄 수 있도록 하는 것.

Multi-hop과 ad-hoc은 distributed wireless sensing network에서 줄곧 함께 쓰임