u-Manufacturing 구현을 위한 무선 센서 애플리케이션의 구축(1)

물리적 세계로부터 정보수집을 위한 광범위한 센서의 설치가 필요하다는 설계요구가 최근들어 주요 과제로 부각되고 있다. 유선 센서는 무선 센서 방식으로 변화하고 있으며, 이것은 대기업 정보 기반에 통합되거나 네트워크화로 시작되고 있다. 무선은 이제까지 기존 센서가 처리하지 못했던 곳에 센서 설치가 가능하도록 하며, 물리적으로 통합된 프로세스를 간편하게 구현할 수 있다.
글: 차석근 전무, ㈜에이시에스
1. 무선센서 애플리케이션의 발전 방향
최근 독립화를 논하는 것보다 정보통합화 관점의 “섬”이라는 Ethernet, WiFi, GPRS/IMT2000 등과 같은 새로운 방식의 네트워크 지원이 활발히 추진되고 있다. 이는 모든 사물 간에 연결되는 기능으로 정보분석, 관리와 다른 운영으로 정보시스템과 무선센서네트워크를 통하여 공유가 가능하다. 기업은 다른 데이터 정보발생원과 함께 통합되고 센서로부터 유용한 정보의 수집은 거대한 잠재력이 있음을 인식할 수 있다.
이 관점에서 센서 네트워크화는 공통 신호 수집을 위하여 통상적으로 4-20mA Current Loop방식으로 반세기 전에 구축된 긴 역사를 가지고 있다. 1980년대에는 양단에 동선이나 전화선에 모뎀을 설치한 HART (Highway Addressable Remote Transfer) 방식으로 전환되었고, 이는 40-20mA 방식의 1200 baud, half duplex 디지털 통신과 공정변경에 대한 정의, host 에서device처리를 위한 명령어, 상태 및 진단과 디바이스 ID 등으로 구성된 패킷 포맷으로 처리되었다. 1987년도에는 운영을 위한 성능화, 센서정보를 RS-232C, RS-485, ARCnet, Ethernet 및 LONtalk 등과 같은 통신방식과 프로토콜 서비스, 정보공유, 경보, 일정 및 원격 디바이스 관리의 특징을 보유한 객체 수집과 같은 물리적 디바이스의 개념으로 BACnet (Building Automation and Control Network)으로 발전하였다.
1994년에는 CIP (Common Industrial Protocol)로 데이터 전송방식에 제공되는 독립적 물리적 링크 객체와 논리적 통신 방식으로 분리되었다. 21세기의 첫해에는 이 물리적 링크가 저전력 무선 통신인 IEEE 802.15.4로 발전하였고, 이를 지원하는 프로토콜은 Zigbee 에서 Zwave로, 무선HART과 SP100.11a, 그리고 최근에는 IETF 6LoWPAN (한국에서는 IP-USN이라 부르고 있음) 등이 있다.
그러나 다양한 센서 세계를 단순화하는 방법에 숙제가 있다. 다양한 연결방식으로 설계된 센서는 변화되는 물리적 현상을 감시하는 것만이 아니고, 모든 센서는 다른 전기적 연결과 통신 방식을 사용하고 광범위하게 자율화와 지능화 되고 다른 방식의 데이터 표시와 부호화를 가지고 여러 방식의 다른 표준과 내부 연결된다.
이 도전에 대한 중요한 단계는 물리적 정보 서버와 같은 센서를 보는 것이 전기 값, 위치와 물리적 현상을 가지는 아나로그 신호와 같은 센서 전통적 관점으로부터 전송을 말한다. 센서 서버란 말은 인터넷 상에 있는 정보 서버의 특성과 차이가 있다. 이는 뉴스, 날씨, 쇼핑 혹은 회계정보를 포함하는 데이터베이스로부터 사람이 생성하는 정보보다 온도, 습도, 이동 등과 같은 물리적 환경으로부터 정보를 간단하게 제공한다.
산업 계측기 분야에 대한 전통적 관점보다 웹 관점으로부터 센서 네트워크 시스템을 보면 웹 세상으로부터 센서 통합화 발전 방향은 핵심과제이다.
과제 1: IP – 물리 층으로부터 논리 통신 분리
다양한 정보원과 통합화와 공정에 대한 유연성 극대화는 이름, 라우팅과 보안 등과 같은 송신 패킷이 있는 물리 층으로부터 기능에 대한 논리적 통신 정보에 대한 분리가 요구된다. 이를 인식한다면, 개발자는 Ethernet, Token Ring, WiFi등과 같은 유선, 이동통신은 HTTP, FTTP와 같은 애플리케이션 계층의 개념과 HTML과 XML 등과 같은 다양한 객체 및 데이터 모델을 통하여 전송하는 목적지에 정확하게 정보를 전달하는 전송 프로토콜의 지원으로 공통 라우팅이 가능하다.
이 모델 능력은 새로운 물리적 링크 층이 존재한다. 이 새로운 IP 링크는 무선 센서 노드와 같은 저전력, 단거리 디바이스를 위한 특정화로 지난 몇 년 전에 발표되었다. Ethernet, WiFi와 이것의 다른 과거에 사용하고 있는 것과 같이 IEEE 802.15.4의 새로운 링크는 IP에 대한 특별한 링크가 아니므로 IP 세계엔 간편한 변경이 가능하다.
최근까지, IP는 WiFi의 1/10 전력소비와 제한된 전송거리, 최종 목적지까지 전송에 홉과 홉에 의한 라우팅 정보로 처리되는 디바이스의 추가 필요성 등으로 802.15.4와 같은 저전력 무선 링크에의 전송방식 적용에 어려움이 있는 것으로 생각되었다. 소형 802.15.4 패킷은 IPv6 header의 40 byte를 포함하여 한번에 127 bytes까지 전송이 가능하다. 공급자는 산업 네트워크와 연계된 전형적인 환경에서 운영될 수 있는 표준 IP를 소형화하는데 어려움이 있어 개인 프로토콜을 내장하고 있다. 802.15.4에 IPv6 통신을 위한 IETF 6LoWPAN 표준이 2007년 초에 소개되었다. 6LoWPAN 표준 워킹 그룹은 그림 1에 보인 것과 같이 802.15.4 header에 연계된 필드로부터 정보를 기초로, 이중화 혹은 불필요한 네트워크 계층의 정보 제거로 40 byte IP header를 압축하는 방식으로 고안되었다.
압축된 방식은 두 개가 근처에 있는 802.15.4 디바이스 간에 몇 byte만 통신이 가능하게 한다. 만약 메쉬 라우팅이 필요하거나, 데이터 전송크기나 전송거리 증가와 같은 보다 복잡한 통신 업무의 경우에는 압축(Fragmentation)기술을 사용한다.
6LoWPAN사용으로 센서 노드에서 타 IP 디바이스에 직접 통신 가능한 능력, 이름, 주소, 접근관리와 보안; 캐싱과 부하관리 등과 같은 상위 계층 서버를 위한 프록시 구조; 애플리케이션 계층의 데이터 모델과 서비스; TCP, UDP 등과 같은 IP 전송 프로토콜의 접근 등과 같은 IP 통신의 모든 장점을 적용할 수 있다. 이 기대효과는 Zigbee 패킷의 단일 Byte로 처리되는 Zigbee 패킷과 차별화된 UDP 6LoWPAN 패킷으로 효율화에 대한 손실이 전혀 없다.
과제 2: Web, HTML, XML
웹을 통한 통신은 매우 간단하다: 모든 다른 웹 페이지, 브라우저, 구글 탐색엔진 등은 HTML(Hypertext Markup Language)로 표시된 정보를 표현하는 것으로 한 장소에서 다른 장소로 문자 및 문장을 전송하는 것이다. HTML은 소프트웨어 작성자가 이해할 수 있는 방법으로 설명한 XML (Extensible Markup Language)로 사용자가 웹 페이지를 볼 수 있는 방법과 같은 문서에서 문자기반 정보의 구조로 설명된 언어이다. 웹은 최종점으로 명명된 곳에서 “get”과 “post” 오직 두 개의 데이터 운영 만으로 사용된다: 예를 들면, “get”은 주어진 문서를 위한 URL이고, “post”는 이것에 대한 매개변수다. 이것은 1980년대 개발된 HART에서 간단하게 운영하는 센서 세계에 내장된 것으로 get과 post 업무에 처리능력과 속성을 가진다. 최근에 웹에서 이와 같은 방식으로 적용하고 있고, 이것은 브라우저 안에서 보여지는 정교한 것과는 거리가 있다: HTTP (Hypertext Transfer Protocol)은 서버에 요청하고 웹 페이지를 다시 사용자에게 보낸다. 이 간단한 방식은 IEEE 1451, SP103 등과 같은 전자 규격의 결과물로 폭 넓고 간단하게 제시된다.
과제 3: WSDL
사용자는 뒤 단에 있는 서버/데이터 베이스 엔진과 직접적으로 말하지 않는다: 이 실체는 그들의 개인적 IP 네트워크를 가지고, 사용자가 접근하는 전 단의 서버에 정보를 제공한다. 웹 사이트는 주식 판매 혹은 사물 추적등과 같은 페이지에 고객이 보고, 느끼고 하는 정보를 생성하는 것에 따라 가용한 웹 서비스의 설명을 요하는 WSDL (web services description language)를 사용한다.
웹의 용어에서, 센서 노드는 뒤 단에 있는 데이터 베이스로 생각할 수 있다: 이는 물리적 환경에 대하여 센서로부터 수집된 정보를 저장하는 것이다. 모든 데이터 베이스의 정보와 같이 센서기반 정보를 WSDL로 설명이 가능하고 사용자는 IT 애플리케이션을 구축하는 동일한 방법으로 센서 애플리케이션 구축이 가능하다. 이것은 HTML과 같은 응답으로 센서에 모든 방식으로 프로그램 방식으로 요청되는 문제를 가능하도록 한다. 모든 과정과 구성 변수는 HART와 같은 방식으로 속성 정의가 가능하다. 무선 센서 네트워크 층에 존재하는 게이트웨이에 있는 디바이스는 전사적 정보시스템으로 변환이 가능하다.
WSN(Wireless Sensor Network)는 몇 가지 방법으로 대규모 네트워크 기반에서 연결이 가능하다. 사용자는 웹 혹은 IP 적용과 같이 센서 네트워크로 구성된 간단 라우터 설치로 가능하며, 서버 혹은 프로시와 같은 게이트웨이 디바이스를 사용할 수 있다. 게이트웨이는 센서로부터 읽은 센서정보를 가지고 웹 컨텐츠로 이를 확대가 가능하다: 이것은 모든 센서를 읽은 정보를 저장하게 된다. 그러므로 연결이 되면, 모든 개별 센서는 실 IP 디바이스이며, 이름, 주소와 속성의 집합으로 구성된다. 사용자 측면에서 노드는 그림 2에 보인 것과 같이 WSDL 파일 안에 설명된 서비스의 집합과 같이 XML post와 get으로 변환하여 표시한다.
이 단계는 설치 후 전원을 켜면, 새로운 센서 노드는 hostname, IP주소, LoWPAN ID 등과 같은 구성과 이름에 대한 정보가 사용자에게 전송하며, 수집주기 및 맥동 등과 같은get/set 노드 속성, 습도, 진동 등과 같은 센서 정보를 자동으로 수집한다. 노드가 네트워크에 연결 된 것을 인식하면, 네트워크에 교차하여 라우팅 되므로 서버는 모든 센서정보를 연속적으로 추적이 가능하다. 이것은 노드에 위치한 WSDL 파일을 탐색하여 서버에 연계된 정보를 제공한다. 클라이언트 측으로부터 요청된 최신 구성, 처리와 설정 값은 서버를 통하여 연속하여 동일화를 유지한다.
과제 4: 압축
XML 문서는 센서로부터 발생되는 정보를 WSDL 파일로 구성된 구글, 야후 등과 같은 동일하게 자동화된 도구의 사용으로 간결한 이진 표시로 간단화 한다. (이때 온도 등과 같은 속성에 대하여 사용자는 get을 사용하고 수집 주기는 set를 사용.) 이 속성은 패킷 안에 저장되며 메쉬 네트워크 에서 복수 홉을 통하여 라우팅 된다. 최종 단계는 웹 공간으로 이동하는 XML로 표현되는 내장된 공간 안에 이동할 수 있도록 간결한 이진 실체와 연결된다; 이것은 전형적으로 게이트웨이에서 처리되고 XML 속으로 새로운 패킷으로 무선 처리된다. 한번 과정이 완성이 되면, 사용자는 모든 것을 XML로 처리할 수 있다. 센서로 내장된 세계와 IT는 완전하게 통합화 된다.
전체 통합화
서비스 기반 아키텍처, IP기반 네트워크와 보안, 3중화 저전력 네트워크 기능의 제공으로 전사적 IT와 매듭 없는 통합화 구현이 가능하다.
사용자는 센서 네트워크 애플리케이션에 전형적으로 요구되는 임베디드 프로그램 없이 물리적 상태의 감시를 위한 애플리케이션 생성이 가능하다. 센서 데이터는 ERP 혹은 MES 등과 같은 기업 애플리케이션이나 웹 브라우저나 IP디바이스가 제공되는 모든 사람에게 가용한 정보를 즉각적 제공이 가능하다. 독립적 센서 노드는 IP 주소, DNS 이름, 웹 페이지로 지정할 수 있고 SNMP 등과 같은 IP 도구 사용으로 직접 관리가 가능하다. 표준 인터넷 제공과 진단 기술은 보안인증과 타 보안 측정으로 기존 WSN 혹은 센서 그룹화 혹은 단독 센서로 적용이 가능하다.
< 다음호에 계속>
아이씨엔 매거진 2007년 12월호