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웹 기반 모니터링 시스템 구축

유비쿼터스 시스템 구축을 위한 온도/습도 센서 제작과 통신 컨버터 제작

인터넷 네트워크는 매우 저렴한 비용으로 전국 또는 인터넷이 연결된 모든 곳을 하나의 시스템으로 구축하여 관리의 효율성과 비용의 절감을 가져올 수 있다는 장점이 있다. 이에 우리에게 일반화된 인터넷을 이용하여 통합시스템을 구축하는 기본적인 시스템구축 기술에 대해서 실제 웹기반 모니터링 시스템 전문 개발자의 구현과정을 통해 알아본다.

글_ 김주동, 주신시스템/엔지아이코리아㈜

필자는 인터넷을 기반으로 하는 네트워크와 웹을 기본으로 통합 서버 시스템을 개발하는 기업에서 개발 업무를 주로 하고 있다. 인터넷의 발달과 함께 로컬시스템으로 만 운영되던 장치와 시스템들이 인터넷 네트워크를 통하여 통합을 시도하고 있으며, 원격 영상을 이용하여 원격관제가 이루어지는 시스템의 구축이 추가되고 있다.

인터넷 네트워크를 이용할 때의 장점은 매우 저렴한 비용으로 전국 또는 인터넷이 연결된 모든 곳을 하나의 시스템으로 구축하여 관리의 효율성과 비용의 절감을 가져올 수 있다는 것이다.

그러나 이러한 편리함에도 보안이 주가 되어야 하는 곳에는 적용이 많이 되고 있지 않다. 그 이유는 인터넷이란 누구나 접속이 가능한 네트워크를 이용함으로 해서 올 수 있는 생각치 못한 해킹이나 바이러스에 의해서 시스템에 가져올 수 있는 문제 때문이다.

필자는 일반화된 인터넷을 이용하여 통합시스템을 구축하는 기본적인 시스템구축 기술에 대하여 간단하게 설명하고자 한다. 독자는 이러한 기본적인 기술에 대한 설명으로 보다 개선된 인터넷 시스템을 구축하는데 도움이 되었으면 하는 생각이다.

1. 온도,습도 센서의 제작

필자는 이번 글에서 센서를 개발하고 개발된 센서와 시리얼 통신을 통하여 센서의 아날로그 값을 읽어들이는 것을 보이고자 한다.

센서는 8비트의 CPU를 사용하여 개발한다. 가장 일반적으로 사용되는 온도와 습도를 계측할 수 있는 온도 습도 센서를 만들어 보았다. 통신은 RS485를 적용하여 여러 개의 센서 모듈을 연결할 수 있도록 하였다.

센서의 개발은 실제 물리적인 현상을 전기적인 신호로 바꾸어서 측정된 전기적인 신호인 아날로그 값을 읽어 적당한 수치에 대응시킴으로서 측정된 값을 알 수 있다.

이러한 기능을 구현하기 위해서는 펌웨어의 개발이 필수적이다. 펌웨어는 8비트 기반의 CPU를 구동하는 로직을 말한다. (펌웨어 프로그램은 일반적으로 C언어를 사용하여 개발되어 진다.)

이러한 로직은 측정된 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하고 이 변환된 값을 시리얼통신을 통하여 전송하는 역할을 담당한다. 통신을 통하여 데이터를 주고 받기 위해서 8비트 하드웨어 에서는 시리얼(RS232,RS485)통신이 가장 기본이 된다.

많은 개발자들이 장비와 컴퓨터간의 통신을 위하여 모디콘 사의 모드버스 RTU 프로토콜을 주로 사용하고 있다. 필자도 모드버스(MODEBUS) 통신 프로토콜을 사용하여 데이터를 주고 받을 수 있도록 구현하였다. 프로토콜은 양단간의 센서모듈과 컴퓨터간의 규약을 말하는데 이러한 통신규약은 개발자가 임의로 만들어서 사용하는 것도 가능하다. 그러나 개발자가 임의로 만들어서 사용하는 통신규약은 다른 장비와 통신을 할 때 문제가 생기게 된다. 규약을 다른 사람에게 설명하여 주어야 하기 때문이다.

그러나 모드버스와 같이 표준화된 규약을 사용하게 되면 다른 컴퓨터 또는 다른 장비와 통신하기 위한 노력을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

그림 1-1은 온도습도계를 제작하기 위한 기본 회로도 이다. 그림 1-2는 완성된 온도 습도 센서 모듈이다. DC24V를 공급전원으로 하고 RJ45 컨넥터를 사용하여 전원과 RS485통신을 연결할 수 있도록 구성하였다.

2. 산업용 통신 컨버터의 제작

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시리얼 통신 컨버터는 RS485 통신을 RS232 통신 방식으로 전환하여 주는 장비로 일반적으로 산업용 컴퓨터는 RS485를 지원하지 않기 때문에 RS485를 RS232 통신방식으로 변환하여 주어야 컴퓨터와 연결이 가능하다.

산업용 시리얼 컨버터는 시중에서 쉽게 구할 수 있으나, 본지에서는 필자가 개발한 통신 컨버터를 예로 들고 산업용 통신 컨버터가 갖추어야 하는 조건에 대하여 간략하게 설명하도록 하겠다.

필자는 산업용 통신 컨버터를 개발할 때 시리얼(SERIAL) TO 이더넷(ETHERNET)장비와 시리얼(SERIAL) TO 시리얼(SERIAL) 장비를 모두 개발하였다.

본지에서는 RS232 TO RS485 컨버터 장비를 기본으로 설명하도록 한다.

시리얼 TO 이더넷 장비는 TCP/IP 네트워크를 지원하기 때문에 컴퓨터와 연결하기가 매우 쉽다. TCP/IP 통신을 개발하고 있는 필자의 입장에서 보았을 때 쉬운 것일 수도 있다. 그러나 일반 독자들의 경우 RS232 TO RS485 통신 컨버터가 보다 일반적이고 쉽게 이해할 수 있을 것으로 생각된다.

산업용 통신 컨버터는 매우 안정적으로 동작하여야 한다. 안정적인 동작을 위해서는 환경적인 여러 가지 노이즈에 강해야 한다.

필자는 여러 번의 통신컨버터의 제작에 있어서 시행착오를 겪어왔다. 설치한 컨버터가 전기적 노이즈에 의해서 고장이 발생하거나 통신 칩이 타버리는 경우가 발생하였다.

산업현장에서의 전기적 노이즈는 상상 이상의 것일 수도 있다. 컴퓨터와 외부로 연결되는 통신라인은 전기적 노이즈에 매우 취약하기 때문에 통신 라인을 통하여 순간적 또는 일시적으로 고압이 흘러 들어 올 수도 있기 때문에 이러한 전기적 노이즈는 중요한 시스템을 파괴할 수도 있다.

이러한 문제는 전원접지에 의한 문제일 수도 있으나 우선 장비를 보호하기 위한 TVS (노이크 필터)가 필수적이다. 또한 컴퓨터 연결 측과 센서통신 연결 측에 대한 전원분리가 되어야 한다. 전원분리를 함으로 해서 발생할 수 있는 낙뢰에 의한 컴퓨터의 파손을 막을 수 있기 때문이다. 그림 2-1은 통신 컨버터를 만들기 위한 기본 회로도 이다.
전체 회로도를 넣기 어려워 핵심이 되는 부분만을 발취하여 그림으로 넣었다.(그림 2-2)

TVS 노이즈 필터를 내장한 모습이다. 외부로부터 들어오는 노이즈에 대하여 여기서 필터링을 하게 된다.

그림 2-3에서와 같이 포토 커플러를 사용한 회로로 전원을 분리하고 내부 통신라인 또한 광신호로 변환하여 전달함으로해서 완전한 전원분리를 구현하였다.

DCDC 전원 컨버터를 사용하여 회로를 구성하여 내부 전원과 외부전원을 분리하였다.(그림 2-4) 이것으로 외부로부터의 전원 노이즈에 강하게 작용한다. 그림 2-5는 컨버터의 완성된 모습이다. RS232 TO RS485 변환기능과 추가적인 옵션기능을 더 포함하고 있다.

앞에서 온도,습도 센서를 제작하였고, 온도,습도 센서 모듈과 컴퓨터를 연결하기 위한 RS232 TO RS485 통신 컨버터를 제작하였다.

3. 리눅스 서버 시스템의 제작

필자는 통합시스템 구축을 위한 시스템으로 산업용 컴퓨터를 많이 사용하고 있으나 이번 시연을 위한 프로젝트에서는 인텔 Atom기반의 CPU를 사용하는 소형 컴퓨터를 사용하여 테스트 하였다. Atom CPU는 저전력에서 운영이 가능하고 성능 또한 매우 강력하고 안정적이어서 소형 서버 시스템으로 사용하기에 적합하다고 할 수 있다.

필자는 통합 시스템의 구축에 있어서 리눅스 O/S를 사용하고 있다. 현재 네트워크 버전으로 페도라(fedora) 버전 12를 설치하였다. 예전에 비하여 X-Window가 매우 가벼워 졌으며, 성능 또한 매우 강력해졌다. 보안 기능도 매우 강화되었다.

리눅스 O/S는 윈도우 시스템과 달리 바이러스에 매우 강하며 또한 외부로부터의 해킹을 막는데도 뛰어난 성능을 보이고 있다. MS Windows 시스템에 비하여 매우 안정적인 O/S이다. 리눅스에 대한 설명은 내용이 방대하므로 간략하게 줄이도록 하겠다.

리눅스 시스템으로 사용한 Atom CPU 보드이다. 크기가 매우 작은 것을 알 수 있다.(그림 3-1)

그림 3-2는 리눅스 O/S를 설치한 서버 시스템이다. 하드디스크 320G바이트 Atom CPU를 내장하고 크기는 소형으로 제작되었다. 소비전력이 작고 고장요소가 없어 산업용으로 사용하기에 적합하다.

리눅스 시스템을 이용하여 웹 서버를 구축하였다. 또한 데이터 베이스 서버를 구축하였다. 통신 RS232 TO RS485 통신 컨버터를 통하여 시리얼 통신을 하기 위한 프로그램을 개발하였다.

그림 3-3에서는 실내온도 26.9도와 습도 24.2%를 나타내고 있다. 그림에 파란색으로 나타난 부분은 리눅스 서버 시스템에서 C언어를 이용하여 코딩한 코드를 볼 수 있다.
온습도계와 RS232 TO RS485 통신 컨버터를 연결한 모습을 볼 수 있다.(그림 3-4) RJ45 컨넥터는 RS485를 연결하기 쉽도록 하기 위해 사용되었다. (이더넷 포트가 아니다.)

시리얼 통신 프로그램은 모드버스 RTU 통신 방식으로 온도와 습도를 읽어와 서버 시스템에 데이터를 적재하도록 하였다. 통신 프로그램에 대한 내용은 향후 상세하게 글을 올리도록 하겠다.

4. 리눅스 기반 영상 서버 제작

필자는 리눅스 시스템에서 영상 DVR과 웹 CAM 서버를 제작해 보았다.

필자가 이 글을 쓰면서 오래간만에 리눅스 O/S를 직접 설치하였다. 한 동안 리눅스를 설치하지 않았었기에 생소한 기분도 들었으나, 리눅스가 예전과 많은 변화가 있었음을 느꼈다. 또한 하드웨어 개발과 통신 그리고 웹 HMI를 표현하면서 예전에 기고한적이 있는 영상관련 내용을 한번 더 실습하여 보는 것도 의미가 있을 것 같아서 내용을 추가하였다.

DVR영상 서버 구현의 상세한 내용과 웹 카메라를 구현하는 상세한 내용은 추후 기회가 된다면 글을 올리도록 할 것이다. 리눅스 시스템에서 할 수 있는 것이 무엇인지에 대하여 독자에게 알리는 것이 본 글의 취지이다.

USB CAM을 연결하고 USB CAM의 영상을 AVI 포맷으로 저장하였다. 저장된 AVI 영상을 리눅스의 XWINDOW에서 동영상 플레이어로 본 그림이다.(그림 4-1)

리눅스 서버에서 영상을 캡처하여 웹 브라우저를 통하여 실시간 영상보기를 구현한 화면이다. 이 화면은 USB 카메라를 2개 설치하여 1개는 장비영상을 올리고 또 1개는 필자를 실시간 영상으로 보고 있는 모습이다.(그림 4-2) 웹 브라우저는 리눅스 기반 모질라(웹 브라우저)를 사용하여 본 화면을 캡처(Capture)한 모습이다.

USB 카메라 뿐만이 아니라 영상과 관련된 CCD 카메라도 연결이 가능하다. 웹브라우저를 이용하여 실시간 영상보기는 자바 애플릿을 사용하여 움직이는 실시간 영상을 구현하였다.

5. WEBMON(웹몬, 웹 HMI) 서버 프로그램 설치

본 시스템 개발에 사용되는 핵심적인 프로그램으로 엔지아이코리아(주신시스템)의 WEBMON 시스템 프로그램을 적용하였다.

읽어온 실시간 온도, 습도 데이터는 주기적으로 자동 저장되도록 프로그램 되었으며, 자동으로 통계가 나올 수 있도록 하였다. 또한 데이터의 상한,하한 치를 설정하거나 수치의 알람 단계를 설정하여 자동으로 사용자에게 SMS메시지 전송기능과 e-mail 전송기능 등을 포함하고 있다.

웹몬 시스템 프로그램은 데이터의 자동저장과 자동 트랜드 생성, 자동 리포트 생성 및 웹 다운로드 엑셀포맷의 생성 저장, 대용량 데이터 베이스의 자동 생성과 로그인 관리 등의 기능을 내장하고 있어 웹 기반 HMI 시스템의 구축에 매우 적합한 시스템이다.

웹몬 시스템의 주요기능에는 리포트와 관련된 기능도 중요하지만 웹 브라우저상에 실시간으로 데이터를 표출하는 기능도 포함된다.

웹몬 시스템은 현재 빌딩관제, 아파트관제, 전산실관제, U-스쿨 관제, U-농장 관제, 공조 시템, 전력 시스템 HMI, 태양광 발전시스템 등에 적용하여 웹 기반으로 운영이 이루어 지고 있다.

그림 5-1은 웹몬 시스템 ADMIN 화면으로 이곳에서 태그를 등록하고 실시간 저장등록 설정 알람 설정등록 등을 하게 된다.

자동 리포트 생성 화면으로 자동 저장된 데이터를 기간별 데이터 베이스 커리(QUERY)를 하여 생성된 리포트이다. 엑셀로도 반출이 가능하도록 구성되어 있다.(그림 5-2)

저장된 데이터를 그래프 형태로 기간별 자동 생성된다. 웹몬 어드민에서 데이터의 선택을 통하여 어떠한 데이터라도 그래프화가 가능하도록 되어있다.(그림 5-3)

유비쿼터스 웹몬 사이트 구축을 위한 예제 화면 구성. 유비쿼터스 구현을 위한 테스트 화면 구성을 볼 수 있다.(그림 5-4)

웹 브라우저에 실시간 데이터 표출화면으로 실시간 아날로그 표시부 만을 간단하게 표현하여 표출하였다. 웹 브라우저 화면에 실시간으로 온도와 습도가 표시된다. 웹 브라우저에 실시간으로 데이터를 표시하는 기능은 웹몬의 기본적인 기능이다.

필자는 이번 글에서는 기술적으로 상세한 내용은 언급하지 않았다. 기업 보안이 되는 기술도 있으나 독자가 웹을 기반으로 시스템을 구축하고자 할 때 필요한 구성에 대하여 참고가 되었으면 한다. 실제 사이트에 적용한 WEB HMI 화면 구성을 그림 5-5에서 볼 수 있다.

6. 요약

웹을 기반으로 하는 통합 서버 시스템의 구축을 위한 기본적인 구성 방법에 대하여 설명하였으며, 센서의 개발에 조금이나마 도움이 될 수 있도록 온도/습도 센서 개발 내용을 실었다. 또한 통신을 위한 통신 컨버터 개발에 있어서 필요한 사항을 언급하였으며, 전기적 노이즈를 피하기 위하여 노비즈 필터 칩과 전원분리에 대하여 설명하였다.

통신 프로토콜 개발에 있어서 모드버스 RTU를 이용하여 개발하는 경우 프로토콜 개발에 대한 걱정없이 쉽게 적용이 가능할 것으로 생각되며, 리눅스 시스템을 구축함으로 해서 보다 안정적인 서버 시스템의 구축이 가능함을 설명하였다.

리눅스를 기반으로 하는 영상 시스템 구축에 대한 가능성에 대하여 USB 카메라를 이용하여 영상 DVR의 구현과 웹 카메라서버를 구현한 것을 보였다. 또한 웹 HMI 구축을 위한 솔루션인 WEBMON 시스템에 대한 간략한 설명을 덧붙였다.

필자가 목표로하는 것은 유비쿼터스 시스템의 구축이다. 유비쿼터스 시스템의 구축은 앞에서 구현한 것과 같이 센서와 네트워크 그리고 서버 영상 등이 모두 하나의 시스템으로 구현되어야 가능한 시스템이다. 유비쿼터스 시스템 구현을 위하여 독자들도 함께 노력하였으면 한다.

필자는 이후에 보다 상세한 기술적 내용을 담아 글을 올릴 수 있도록 하겠다. 본 글에서 의문 나는 점이 있다면 E-mail을 이용하여 문의하기 바란다. 관련자료가 필요하다면 http://www.devpia.com/UBIQUITOUS.MAEUL 유비쿼터스 개발자 사이트를 운영하고 있으니, 이곳에서 많은 정보를 얻기 바란다.

[문의: 김주동 이사, anyethernet@naver.com]

아이씨엔 매거진 2010년 04월호

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