빌딩자동제어의 실내상황 감지를 위한 USN 활용 기술

[ IBS Journal Vol.6 No.1, December, 2008 ] 에 게재되었던 원고입니다.

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[지능형 건축물 인증 전문기관, IBS Korea] 

빌딩자동제어의 실내상황 감지를 위한 USN 활용 기술

제 1장 서론 (기술의 개요)

 

u-IT 혁명으로 인한 무선 통신 기술이 세상을 바꾸고 있어 유비쿼터스 센서 네트워크(USN : Ubiquitous Sensor Network)에 대한 관심이 높아지고 있다. 최근 들어 인간 중심의 정보화 사회가 USN 기술의 발전과 더불어 사물 간에도 정보들이 유기적으로 결합되고 활용 될 수 있는 유비쿼터스 컴퓨팅 사회로 급격히 변모하고 있는 것이다. 이러한 유비쿼터스 컴퓨팅 사회를 성공적으로 구축하기 위해서는 센서노드 하드웨어, 센서 네트워크, USN 미들웨어, USN 응용서비스 등 핵심기술의 개발이 필요하다.

USN 기술은 태그와 센서로부터 사물이나 환경정보를 감지하거나 이를 저장, 가공, 통합해 상황인식 정보와 지식콘텐츠를 만들어 활용하는 것으로 언제, 어디서나, 누구나 원하는 지식과 서비스를 이용 할 수 있는 첨단 지능형 사회의 정보기술 핵심 인프라가 되는 것이다. 모든 사물에 컴퓨팅 기술이나 통신 기능을 부여하게 되면 사람 중심의 정보화 사회가 사물 중심의 정보화 사회로 변화 할 것으로 기대하고 있다. USN의 적용 분야는 무궁무진 하다고 하겠다. 특히, 공공성이 강한 교통이나 기상, 환경, 행정정보 외에도 개인특화 서비스를 위한 각종 위치 정보나 상황정보, 사무환경 등에서 핵심기술을 응용 할 수 있을 것 이다.

u-센서 네트워크는 자동화, 융합화, 지능화 단계를 거쳐 궁극적으로는 2010년까지 사물간의 네트워크 구축을 통한 상황인지 및 개체 간 자율적 통신이 가능한 서비스를 제공할 수 있는 방향으로 발전할 것으로 전망된다. 초기에는 고정 개체정보 또는 사물정보를 인지하는 수준에서 활용되다가 상황인지 및 자율적 정보통신이 가능한 수준으로 발전할 것으로 전망된다. 따라서 주요 응용분야는 초기에는 물류 및 생산관리 차원에서 주로 사용되고, 기술이 성숙되면서 환경관리 및 공장 생산제어 분야에도 많이 응용 될 것으로 예상된다.

u-센서 네트워크 구축은 유비쿼터스 사회를 구현하는 핵심요소이며 이를 통해 디지털 홈 네트워크의 구현 등 실생활에서의 응용이 가능하므로 풍요로운 삶을 제공하는 원천이 될 수 있다는 점에서 그 의의를 찾을 수 있다. 또한 이미 구축된 초고속 인터넷 인프라와의 연계를 고려한 일관성 있는 추진 체계를 통해 정보통신 산업의 재도약을 도모할 수 있다는 점에서 국가 경쟁력 제고에 기여 할 수 있을 것 이다[1].

무선감지장치에 활용되는 USN 기술로는 대표적으로 ZigBee, UWB(Ultra Wide Band), IEEE 802.15.4 등으로 분류할 수 있으며 ZigBee의 경우 ZigBee Alliance에서는 Building Automation, Energy Management & Efficiency 분야를 주요 시장으로 소개하고 있을 정도로 국제적인 관심이 높지만, 실제로 무선감지 기술이 적용된 디바이스와 관련 시스템이 건축물에 적용된 사례는 국내에서는 거의 없다.

본 보고서에서는 빌딩자동제어를 위한 실내 온습도 및 환경 등의 상황 감지를 위한 USN 관련 기술들에 대하여 기술동향 및 시장동향 등에 대하여 기술하고자 한다.

 

제 1 절 기술의 개념

 

USN 기술은 필요한 모든 곳에 센서를 부착하고 이를 통하여 사물의 정보는 물론 주변의 환경정보까지 탐지하여 이를 실시간으로 네트워크에 연결하여 정보를 관리하는 것을 의미한다. 궁극적으로 모든 사물에 컴퓨팅 및 정보통신 기능을 부여하여 언제(anytime), 어디서나(anywhere), Network, Device, Service에 관계없이 통신이 가능한 환경을 구현하기 위한 것이다. 결국 USN 목표는 유비쿼터스 환경을 구현할 수 있는 수단으로 인간 생활에 폭넓게 활용하는 최상의 센서 네트워크를 말한다.

센서 네트워크는 통상적으로 특정 지역에 소형의 Sensor Node를 설치하여 주변 정보 또는 특정 목적의 정보를 획득하고, Sink Node가 정보를 수집하여 이를 활용하기 위한 서비스 네트워크 환경을 말한다. 센서 네트워크가 기존의 네트워크와 구분되는 점은 기본 목적이 상호간의 정보 전달보다는 자동화된 원격정보의 수집에 있다는 것이다. 즉, 각 센서노드가 특정 목적을 위해 필요한 주변정보를 센싱하고, 센싱된 정보를 센서노드 간의 무선통신을 이용하여 특정 지점으로 자동화된 방식으로 전달함으로써, 사용자가 센서노드 필드 주변의 정보를 원격으로 수집하여 활용할 수 있다. 그림 1에서 유비쿼터스 센서 네트워크 개념을 도시하였다[1].

이러한 센서 네트워크의 전통적인 개념은 무선방식의 센서 인프라를 활용하는 개념을 중심으로 불특정 공간에 배포된 센서로부터 수집된 정보를 일괄적으로 활용하는 무선 센서 네트워크(WSN : Wireless Sensor Network)를 의미하며, 국내에서는 이러한 WSN과 RFID를 통칭하여 USN이라고 부른다.

 

 

[그림 1] 유비쿼터스 센서 네트워크 개념

 

제 2 절 대상기술의 중요성

 

빌딩자동제어 시스템에서 실내 공간의 환경을 감지하기 이하여 사용하는 센서들은 보통 신호를 전송하기 위한 신호선과 전원을 공급하기 위한 전원선이 필요하며, 이들 케이블들은 주로 벽이나 기둥에 매입된 배관을 통하여 배선되며 센서들은 벽과 기둥에 설치되어 동작한다.

최근 건축기술의 발달로 건축물이 철골 및 커튼월을 사용하는 구조로 변화하고 있어 센서를 설치할 수 있는 벽과 기둥이 줄어들고 있으며, 이와 더불어 건축물 내부의 사무공간은 기업환경 변화에 따라 워크스테이션 또는 공간의 레이아웃의 변화가 수시로 이루어지고 있어 이로인한 센서의 위치변화가 요구되고 있다. 또한 거주자의 생활 수준이 향상됨에 따라 환경에 대한 요구사항도 높아지고 있으므로 이를 위하여 거주자와 밀접하게 생활환경을 감지할 수 있어야 한다.

그러나 기존의 유선센서만으로는 사무공간에서 빌딩자동제어 시스템에서 요구하는 실내 상황을 정확하게 감지할 수 있는 센서 설치 위치를 확보하는 것이 점점 어려워지고 있어 무선을 활용한 감지장치의 필요성이 점차적으로 증가하고 있다.

기존의 빌딩에서의 센서는 자동제어 시스템을 운전하기위한 최소한의 센서를 설치하고 상태를 감지하였으나 이는 공조설비 등의 운전을 위한 공간에서 온도감지에는 의미가 있지만 거주자 위주의 감지방식은 아니며, 기존의 센서 설치 위치의 제약(벽, 기둥 등)으로 정확한 위치에서 실내 환경의 상황을 감지하기 위해서는 USN 기술을 활용한 무선감지장치가 필요하다.

그러나 무선감지장치를 건물에 적용하기 위해서는 몇 가지 기술적인 문제점들이 있었다. 첫 번째 요인으로는 무선감지장치는 배터리를 전원으로 사용한다는 것이다. 기존의 IT와 전자기술들은 수개월마다 무선감지장치의 배터리를 교체하여야 하는 불편함이 있었으며, 보통의 기업들이 무선 네트워크를 구축하기 위해서는 기술적인 장벽이 존재하고 있었다.

최근 반도체 기술의 발전으로 저소비전력 반도체와 센서 소자들이 개발되면서 저소비전력의 감지장치의 개발이 가능해졌으며, 고용량의 작은 사이즈의 배터리가 개발되어 한 번의 배터리 교체로 수개월에서 수년까지 사용할 수 있어 배터리 사용의 불편함이 많이 해결되고 있다.

또한 유비쿼터스 네트워크 기술의 발전으로 무선 네트워크의 표준화와 더불어 프로토콜 스택을 내장한 솔루션들이 속속 발표되고 있어 무선네트워크 구축에 대한 기술의 진입장벽이 낮아져서 많은 종류의 어플리케이션에 무선 감지 장치의 적용이 시도되고 있다.

 

제 2 장 본론 (기술 내용 및 요소기술)

 

제 1 절 국내외 기술 개발 동향

 

무선 네트워크의 대표적인 기술인 ZigBee는 주거용 건물의 홈 네트워크와 일반건물의 감지 네트워크에 적용될 것으로 전망하고 있다, 몇몇 업체에서 ZigBee Device를 개발하였으나, 네트워크와 시스템 측면의 한계로 건물에 적용할 수 있는 상용화 단계는 아닌 것으로 판단되고 있다. 건물 자동 제어 분야에서 ZigBee 또는 무선 감지장치가 거의 적용되지 않고 있는 주된 원인은 배터리 교체에 대한 부담과 네트워크의 신뢰성을 보장하고 있지 못하기 때문이다.

ETRI에서는 2006년 9월 국제/국내표준을 모두 만족하고 최대 50m까지 전송이 가능하며, 센서노드 간 상호연결이 가능한 저전력 ZigBee 칩 개발에 성공하였다. 휴대폰이나 PDA를 통한 유비쿼터스 무선 홈네트워크 구축이 가능하고 타 산업분야에도 활용이 매우 높을 것으로 예상된다. 경북대 임베디드소프트웨어(SW)협동연구센터에서는 2006년 10월 공장자동화에 활용할 수 있는 휴대형 ZigBee 단말기를 개발하였다. 또한 코윈(한국무선네트워크)은 2006년 3월 ZigBee Protocol Stack에 대한 ZCP(ZigBee Compliant Platform)인증을 획득하여 영국의 Jennic의 chip에 채택됨으로써 기술 로열티를 받고 있으며, 자체 ZigBee 모듈 및 Application 솔루션을 개발하였다.

자동제어업체로는 지멘스와 존슨컨트롤, 디스텍컨트롤 등의 회사에서 ZigBee 기반의 무선센서를 개발하여 영업을 하고 있다. 미국은 우리나라보다 5∼6년 먼저 무선 센서 네트워크에 대한 연구 개발 및 시범 사업 로드맵을 선정하였으며, 1∼2년 전부터 상용화 서비스를 시작하고 있다. 특히 WSN(Wireless Sensor Network)은 공장 자동화, 건물 자동화 분야와 그린 에너지 분야에 집중적으로 발전시켜왔다.

존슨콘트롤의 경우 중국 상하이에 건설 중인 World Financial Center에 자사의 제어 솔루션인 MetaSYS와 센서 네트워크를 통합하여 초대형 건물의 제어와 쾌적한 환경을 제공하고 있고, 하니웰의 경우 공장이나 월마트 같은 대형마트에서 소형 오피스, 상점에 이르기 까지 다양한 무선 솔루션을 보유하고 있으며, 전원 소모량이 많은 곳에는 유선 전원을 무선 통신이 어려운 곳에는 유선 통신(PLC)을 사용하는 Hybrid Sensor Networks를 구현하고 있다.

무선감지장치의 가장 중요한 이슈는 ZigBee 관련 기술의 표준으로, IEEE 802.15.4 그룹과 ZigBee Alliance(국제표준단체)가 표준화를 주도하고 있다. IEEE 802.15.4 그룹은 하드웨어 규격인 PHY와 MAC 표준으로 무선 네트워크의 QoS를 보장하기 위해 GTS(Guaranteed Time Slot) 데이터 전송 메커니즘을 지원하고 있다. ZigBee Alliance는 소프트웨어 규격으로 네트워크/보안, 어플리케이션 계층의 표준을 주도하고 있으며, 배터리 수명 연장을 위한 데이터 전송과 상호 연동 기술에 중점을 두고 있으며 2007년 5월부터 ZigBee 국제 공인 인증 시험을 시행하고 있다.

 

제 2 절 국내외 시장 동향

 

RFID를 포함한 세계 USN 시장 규모는 2012년 434억 달러 규모로 성장할 것으로 전망되고 있다. 국내 시장은 2012년 약 52억불 예상된다. 그러나 USN 시장은 핵심 기술 발전의 미비와 가격, 산업간 인식부족, 개인정보 안전 미비, 이에 따른 시장 수요 미진 등의 이유로 본격적인 시장 형성이 지연되고 있는 것도 사실이다. USN을 성공적으로 구현하기 위해서는 엔드 유저와 응용 환경에 맞는 사용자 중심의 시장 전망을 통해 적절한 기술 적용이 필수적이다. 실질적으로 적용 가능한 핵심 기술들의 발전이 우선되어야 하며, 특히, 응용 서비스의 경우 각 산업 분야 간의 협력과 인식이 절실히 필요한 상태이다.

국내의 USN 시장은 2005년 이후 USN 공급기업의 매출은 매년 약 30% 이상의 큰 성장을 보이고 있으며, 특히 2006년에 큰 성장을 나타내었다. 1개 기업의 평균 USN 관련 매출액의 경우 2005년 약 1.6억원에 머물렀으나, 2006년에는 전년대비 340% 이상의 성장을 보이며 약 7.2억원의 매출을 보였으며, 2007년에는 약 12.35억원, 2008년에는 24.7억원 예상되며 2008년에 더 큰 성장을 보일 것으로 예상된다. 그림 2와 3에서 세계 시장규모와 국내 시장규모에 대하여 도시하였다.

 

 [그림 2] 세계 시장 규모[2]

 

 

[그림 3] 국내 시장 규모[2]

 

제 3 절 세부 요소기술

 

USN의 핵심 요소기술로는 크게 사물과 환경 센싱에 사용되는 센서관련 기술과 정보전달을 위한 네트워크 기술, 전달된 정보를 서비스하기 위한 응용 기술 등 3가지로 구분할 수 있다. 센서노드 기술 분야는 온도, 압력, 빛, 습도, 화학적 센서 등 다양한 센서들이 개발되어 이용되고 있다. 센서 노드는 하드웨어 플랫폼 모듈을 말하며, 모듈 연결부, 센서, 전원부, 무선 모듈부로 구성된다.

네트워크 기술 분야의 USN에 적용 가능한 무선 프로토콜로는 802.11a/b/g와 UWB, Bl uetooth, ZigBee Binary-CDMA 등이 있다. 이들 프로토콜은 WPAN(Wireless Personal Area Network)에 관한 표준으로 IEEE 802.15.4는 저전력의 저속 무선 네트워크 프로토콜이며, ZigBee는 IEEE 802.15.4를 다양한 상위 응용에 적용하기 위한 표준이다.

응용 기술 분야는 네트워크 상의 정보를 응용 서비스하기 위한 기술로써 대표적으로 미들웨어와 운용 시스템을 들 수 있다. 미들웨어는 일반적인 미들웨어처럼 센서 노드의 하드웨어와 운영체제 상에 존재하면서 센서 네트워크의 변화를 지원하여 다양한 응용에 적합한 데이터 운용 및 관리 기능을 수행한다.

 

(1) 센서 노드 기술

 

센서 노드에서의 제한된 리소스는 USN의 가장 중요한 특징 중의 하나로서, 센서 노드들은 크기 및 가격 면에서의 경쟁력을 위하여 컴퓨팅 능력, 메인 메모리, 통신 대역폭 그리고 배터리 용량에서 제한된 성능만을 가지게 된다. 특히 배터리 용량은 센서의 동작 및 중지와 관련이 있으므로 매우 중요한 요건이라 할 수 있다. 이 밖에도 센서 노드의 크기 및 가격을 고려할 때, 센서 노드들이 컴퓨팅 능력 및 통신 대역폭에서도 저성능의 CPU, 작은 용량의 메모리, 그리고 작은 용량의 통신 대역폭을 가질 것으로 예상된다. 그러므로 USN에서는 이러한 센서 노드들의 제한된 리소스를 최소로 활용하고 최대의 결과를 얻기 위한 노력이 절대적으로 요구된다고 볼 수 있다. 그림 4에서 센서노드의 일반적인 구성을 도시하였다.

 

[그림 4] 센서노드 구조

 

 

(2) 무선 센서 네트워크 기술

무선 센서네트워크의 가장 중심이 되는 기술은 네트워크 기술이다. 최근의 무선 네트워크 기술들은 IT기술의 발달과 더불어 다양한 무선기술들이 연구되고 있다. 그중 센서네트워크와 연관된 기술들에 대하여 표 1에서 비교하여 도시하였으며 그림 5에서 무선네트워크들의 종류와 전송속도를 도시하였다.

                                      [표 1] 센서 네트워크 통신기술 상호 비교[1]

구 분	Wi-Fi	Bluetooth	ZigBee	UWB	Binary CDMA
변조방식	DSSS	FHSS	DSSS	CDMA/BPSK	FH/DS Hybrid
MAC	CSMA/CA	TDMA	CSMA/CA	TDMA	TDMA
전송속도	11Mbps	723Kbps	250Kbps	480Mbps	270Kbps/800Kbps
주파수	2.4GHz	2.4GHz	2.4GHz	3.1∼4.8G/7.2∼10.2GHz	2.4GHz
노드수	-	8	255	2∼10	255
전송거리	40∼300m	10∼50m	10∼30m	10m	10∼500m
전력소모	∼3.5W	∼1.50mW	∼50mW	-41.3dBm/Mhz	∼150mW
중계기능	가능	가능	가능	가능	가능
표준화	표준	표준	표준	표준	비표준

 

 

[그림 5] 무선 네트워크의 종류와 전송속도

 

① Bluetooth (IEEE 802.15.1)

Bluetooth는 가정이나 사무실 내에 있는 컴퓨팅, 프린터, 휴대폰, PDA 등 정보통신기기는 물론 각종 디지털 가전제품을 물리적인 케이블 접속 없이 무선으로 연결해 주는 무선접속기술로 최대 데어터 전송속도가 1Mbps에 최대 전송거리 10m의 무선데이터 통신을 제공한다. 1Mbps는 사용자가 면허 없이 이용 할 수 있는 2.4Ghz의 ISM 주파수 대역을 사용해 비교적 손쉽게 동시에 저렴한 비용으로 실현할 수 있는 전송속도다. 전송거리 10m는 사무실 내에서 사용자가 휴대하고 있는 기기와 책상 등에 설치해 준 기기간의 전송거리로 충분하다는 판단에 따른 결정이다. 전 세계 어디에서나 사용이 가능하고, 음성 및 데이터의 송수신이 가능하다는 장점이 있다. 또한 주파수 도약방식으로 간섭에 강하며, 최소의 전력소모와 작고 저렴한 송수신기 사용이 가능한 세계적으로 표준화된 무선통신 기술로 다양한 어플리케이션 구현이 가능하다.

 

② UWB(IEEE 802.15.3a)

UWB(Ultra Wideband - 초 광대역) 무선통신 기술은 기존의 스펙트럼에 비해 매우 넓은 대역에 걸쳐 낮은 스펙트럼 밀도의 신호를 송수신하여 기존 시스템의 주파수 대역에 간섭을 주지 않고 통신이 가능한 무선 전송방식 이다. 초광대역 통신 방식은 이미 점유되어 사용되고 있는 주파수 대역을 공유하여 사용할 수 있는 장점이 있어 물류추적, 텔레메틱스 등의 서비스에 적합한 저속 UWB 기술과 HDTV, 캠코더, 영상전송, 디지털 카메라 등에 이용될 수 있는 고속 UWB 기술 등 다양한 응용 서비스 제공이 가능하다. WPAN (Wireless Personal Area Network) 이라 불리는 노드 사이에 연결을 제공할 수 있는 수단으로 Adhoc 통신에 핵심적인 역할을 할 것으로 전망되고 있다.

 

③ ZigBee(IEEE 802.15.4a)

지그비(ZigBee)는 가정, 사무실 등의 무선 네트워킹에서 10∼20m 내외, 최대 100m 이내의 근거리 통신시장에서 최근 주목받고 있는 유비쿼터스 컴퓨팅을 위한 기술로, 무선통신 분야에서 무선 LAN(IEEE 802.11)이나 WPAN(IEEE 802.15) 기술과 달리 단순 기능이 요구되는 매우 작은 크기, 저전력, 저가격 시장을 목표로 하고 있다. 이런 지그비 기술은 그림 6과 같이 지능형 홈네트워크, 빌딩과 산업용기기 자동화, 물류, 환경 모니터링, 휴먼 인터페이스, 텔레매틱스, 군사 등 다양한 유비쿼터스 환경에 응용될 수 있다. 지그비는 지그비 얼라이언스에서 IEEE 802.15.4의 PHY/MAC 계층을 기반으로 네트워크 구조, 라우팅, 시큐리티, 애플리케이션 프로파일 등을 추가해 지그비 표준 규격을 완료했다. 지그비는 IEEE 802.15.4에서 정의하고 있는 868/915Mhz와 2.4Ghz 두 개의 주파수 대역을 사용한다.

 

 

[그림 6] 지그비 응용 범위

 

④ Binary CDMA

바이너리 CDMA 기술은 코드분할접속방식(CDMA)과 시분할접속방식(TDMA)의 장점만을 채택한 기술로 초고속 전송 및 저전력 소비 제품을 개발할 수 있다. 바이너리 CDMA는 여러 채널을 동시에 활용할 수 있기 때문에 블루투스처럼 잡음 문제가 발생하지 않는다. 반경 500m 안에서 TV · 냉장고 · 에어컨 · 휴대전화기 등 최대 250개의 디지털 기기를 무선으로 통합할 수 있고, 음성 · 영상 · 데이터를 고품질로 송수신 가능한 첨단기술이라 할 수 있다. 별도의 Base Station이 없이도 최대 40개까지 단말기가 연결되는 네트워크를 만들 수 있다. Binary CDMA 기술은 멀티채널 CDMA 파형을 Binary 형태로 만들어 기존 TDMA용 시스템을 멀티코드 CDMA 용으로 그대로 사용한다. TDMA 기술의 보편성과 CDMA 기술의 우수성을 모두 갖고 있다. Bi nary CDMA 특성상 CDMA 신호를 전송하는 경우에도 TDMA 신호와 파형이 동일하므로 동일한 1개의 RF 모듈로 사용자가 원하는 대로 TDMA 신호 혹은 CDMA 신호를 선택하여 보낼 수 있다. 개발이 완료된 1단계 기술은 Bluetooth용 RF를 이용하여 멀티채널 CDMA 신호를 전송한다. 기존의 DS/CDMA 기술에 의해 발생되는 멀티채널 변조신호는 다양한 레벨 값을 갖는 아날로그 신호형태가 된다. Binary CDMA 기술은 이러한 신호 크기 변화를 이진화(Binary) 시켜서 외형적으로는 TDMA 신호파형과 같은 모양으로 만드는 기술이다. 파형 형태가 이진화가 되므로 신호처리 과정도 단순해지고, 전송신호의 선형성이 요구되지 않으므로 전체적인 시스템 구조가 간단해지는 장점이 있다. 주파수 범위는 2.4. ∼ 2.48GHz (ISM Band)를, 변조방식은 GFSK (Binary CDMA), 전송속도는 TDMA에서 800kbps, CDMA에서 270kbps, 전송거리는 10 ∼ 100m 이다.

 

제 4 절 현장 적용 사례(실적) 

SK C&C는 2005년 7월에 분당 SK U-타워로 이전 완료하였다. SK U-타워는 연면적 2만 6천여 평 규모네 지하 6층～지상 28층으로 약 1천 9백여명의 임직원이 근무한다. SK U-타워는 미래기술을 창출해 낼 진정한 ‘유비쿼터스 메카’로서 유비쿼터스 기술을 직접 체험할 수 있도록 구성되었다. 건물 입주자를 위해 다양한 자동화 시스템을 도입하고 있다. 우선 빌딩 자동제어를 통해 빌딩의 각종 설비를 자동으로 관리함으로써 쾌적한 환경과 에너지 절감을 도모한 점이 특징이다. 또한 초고속 통신 네트워크의 실현으로 신속하고 원활한 커뮤니케이션 라인을 확립함으로써 다양한 기능의 미디어를 사무환경에 적용할 수 있도록 텔레케뮤니케이션 시스템을 도입하였다[3].

 

 

[그림 7] SK U-타워

 

티에스씨 시스템(주)은 2004년 4월 SKT 디지털 홈네트워크 체험관 시공, 시범단지 구축을 시작으로 홈네트워크 사업을 시작하게 되었다. 2004년 12월 목동 시범단지에 최초로 ZigBee 홈네트워크 디바이스를 공급했으며 국내에서 ZigBee를 이용한 홈네트워크 시스템을 개발하여 도곡동 SK리더스뷰 아파트 등에 적용, 구축하고 있다. 차세대 무선 환경인 ZigBee 기술을 기반으로 홈네트워크와 실내 위치기반 서비스 시스템을 주역 사업으로 하고 있으며, 다양한 분야에 ZigBee 시스템을 개발하여 적용하고 있다. 그림 8에 도곡동 SK리더스뷰의 ZigBee 적용 사례를 도시하였다[3].

 

[그림 8] 도곡동 SK리더스뷰 신축아파트 ZigBee 적용

 

독일에 본사를 둔 다국적 기업인 Siemens 역시 ZigBee기술에 기반을 둔 무선센서 시스템을 개발하여 개보수 현장을 중심으로 시스템을 구축하며 점차적으로 시장을 넓혀가고 있다. 그림 9, 10, 11, 12에서 Siemens의 적용사례를 도시하였다[4].

 

 

 

[그림 9] Siemens 적용사례(Sutter Davis Hospital)

 

 

[그림 10] Siemens 적용사례(학교 건물)

 

[그림 11] Siemens 적용사례(Volvo 공장 건물)

 

[그림 12] Siemens 적용사례 (OfficeMax 본사 건물)

 

제 5 절 응용 기술

 

(1) 센서 노드 S/W 플랫폼

 

① TinyOS

UC 버클리에서 진행해 온 스마트 더스트(Smart Dust) 프로젝트에 사용하기 위하여 개발된 컴포넌트 기반 내장형 운영 체제인 TinyOS는 코드는 4000바이트 이하이고, 데이터 메모리는 256바이트 이하이며, 이벤트 기반 멀티태스킹을 지원한다. 센싱 노드와 같은 초저전력, 초소형, 저가의 노드에 저전력, 적은 코드 사이즈, 최소한의 하드웨어 리소스를 사용하는 내장형 OS를 목표로 하며, 내장형 네트워크를 위한 프로그래밍 언어로는 nesC가 사용된다[3]. 그림 13에 TinyOS의 센서 플랫폼의 블록 다이어그램과 14에서 커널 구성을 도시하였다[5][6]

 

[그림 13] TinyOS의 센서 플랫폼 블록 다이어그램

 

 

[그림 14] TinyOS Kernel Scheduler

 

 

TinyOS는 NEST(Network Embedded Software Technology) 컴포넌트 형태로 추상화하여 하드웨어 플랫폼이 변경되더라도 관련 컴포넌트만 교체함으로써 변경된 하드웨어를 쉽게 지원할 수 있는 특성을 갖추고 있으며 센서노드를 위한 통신 기능 및 제어 기능 등을 갖추고 있다. TinyOS는 오픈소스 프로젝트로 버클리 대학에서 관장하고 있으나 대부분의 미국 대학에서 개발에 동참하고 있다. 또한 버클리 대학 교수들과 출신 연구원들이 만든 Arch Rock, Dust Networks, XBow 등의 회사에서 상용화하여 실제 많은 프로젝트에서 업계 표준의 센서 플랫폼으로 사용되고 있는 실정이다.

  ② MANTIS

MANTIS(MultimodAl NeTworks In-situ Sensors)는 콜로라도 대학에서 개발된 멀티 스레드를 지원하는 센서 네트워크용 임베디드 운영체제이다. 특징은 초소형 스레드에 기반한 멀티 스레드 구조를 채택하여 TinyOS와는 달리 일반 프로그래머들이 익숙한 구조에 의하여 프로그래밍이 가능하도록 하였으며, 특징으로는 MANTIS는 레이어 기반의 운영체제 기반이며, 이것은 멀티 스레딩, preemptive 스케줄링 기법, 그리고 mutual exclusion을 통한 I/O 동기화, 하드웨어를 추상화시키는 디바이스 드라이버의 특징을 가진다. 또한 애플리케이션 프로그래머가 프로그래밍을 손쉽게 할수록 C언어 방식의 API를 지원하며, 센서 네트워크에서의 멀티 홉 통신을 위한 네트워크 스택을 지원한다. 그리고 리모트 셸 기능을 통하여 운영체제를 컨트롤하며, 프로그래밍의 재설정 또한 가능하다. 그림 15에서 MANTIS의 OS 아키텍처를 도시하였다[3].

 

[그림 15] MANTIS OS 아키텍처

 

③ T-Engine

T-Engine은 일본에서의 유비쿼터스 컴퓨팅 환경 구축을 위한 TRON 프로젝트에서 개발 된 운영체제 기술로써, 실시간 운영체제의 특성을 가진다. 자세한 특징으로는 저전력 운영체제의 지원 및 센서 네트워크에서의 수많은 노드의 네트워크 구성을 위한 스케일러블 특성이다. 또한 태스크 매니지먼트, 태스크 동기화 및 통신, 메모리 매니지먼트 및 인터럽트 처리, 그리고 타임 매니지먼트와 관련된 OS 함수들을 특징으로 하고 있다[3].

 

④ PEEROS

PEEROS(Preemptive EYES Realtime OS)는 유비쿼터스 환경 지원을 위하여 유럽의 Twente Enshcede 대학에서 개발된 하드웨어 독립방식 기법을 채택한 센서 네트워크용 운영체제이다. 특징으로는 멀티 태스킹 및 선점형 기반의 스케줄링 기법을 제공하며, 또한 센서 노드들의 저전력 파워 소비를 위한 저전력 모드를 지원한다. 또한C 기반의 프로그래밍 기법을 제공한다. PEEROS의 전체적인 구조를 설명하자면, 태스크 스케줄러 부분은 EDFI 알고리즘 기반의 선점형 스케줄링 기법을 사용하며, 운영체제의 내부 컴포넌트 사이들에서의 통신을 위한 메시징 시스템, 내부 메모리의 효율적인 사용을 위한 모듈 매니저, 그리고 간단한 명령의 구현을 위하여 커맨드 셸(command shell) 기능을 탑재하였다. 그림 16에 PEEROS의 아키텍처를 도시하였다[3].

 

[그림 16] PEER OS 아키텍처 구조도

 

(2) 빌딩자동제어

  빌딩자동화(BA)는 빌딩 내 설비 제어 및 보안 서비스 제공을 위한 시스템으로 기계․전력․조명․엘리베이터 제어 및 감시 등의 자동제어시스템과 CCTV․출입통제․침입감시․순찰관리 등의 보안시스템, 자동화재탐지․내진․접지 및 피뢰침 등의 방재시스템, 주차관제 등의 기타 시스템으로 그림 17과 같이 구성된다[3].

 

  [그림 17] 빌딩자동제어시스템 구성도

 

최근 개발되고 있는 대부분의 건축물에는 거주자에게 쾌적한 환경을 제공하기 위하여 빌딩자동제어 시스템을 도입하고 있으며, 여기에 적용되는 주요 제어 설비는 건축기계설비와 전기설비이다. 이 두 가지 주요설비와 기타 설비 등을 감시하고 제어하기 위하여 구축된 빌딩자동제어 시스템에 대한 통신방식에 대한 국제 표준화 규격이 제정되고 있으며, 국내에서는 BACnet이 KS X 6909 표준규격으로 제정된 후 2008년 10월 KS F ISO 16484로 변경되어 제정되었다.

자동제어 시스템은 기본적으로 건물내의 재실자의 쾌적 조건을 만족 시키면서 에너지와 인력을 절감하고 장기간 수명을 유지하는데 목적이 있다. 이에 따라 빌딩의 냉난방 제어를 위한 핵심적인 장치인 정보수집제어기(DDC : Direct Digital Controller)는 계측, 상태, 경보 등의 입력과 장비의 기동, 정지, 제어 등 출력을 기초로 하여 제어점마다 응용 프로그램에 의해 최적 제어 동작을 행한다. 이러한 정보를 처리하는 장치를 DDC(Direct Digital Controller)라 하며 중앙감시 제어를 위해 CCMS (Center Control Management System)와 전용 또는 개방형 통신 프로토콜 형식에 따라 전송되어 검색, 저장, 설정, 변경 등의 운영을 가능하게 한다.

건물 자동제어 시스템 국내제조, 설계, 시공, 유지관리사는 한국하니웰, 삼성SDS, 아이컨트롤스, 나라컨트롤, 국제컨트로닉스 등 10여 전문업체와 이를 시공하고 관리하는 중소형 50여개 업체가 있고 기타 공장제어, 수처리 등의 업체까지 포함하면 300여개 업체가 있지만 중앙감시반 시스템, 제어정보기 등의 국산화율이 매우 저조하고 대부분 수입하여 설치, 관리하고 있다.

국내 및 국외에 설치 운영되고 있는 자동제어 시스템은 중앙감시제어 프로그램과 에너지 절감 및 운영관리 프로그램을 포함하여 설치되고 있으나 30%는 국내 제품이며 50%이상은 외국에서 도입되고 있는 것이 현실이다. 현재 사무소 건물에 적용되고 있는 시스템은 각 건축물의 설비환경과 규모 등이 고려되지 않고 자동제어 시스템 제조사에 종속적인 경우가 많으며, 또한 에너지 관리를 위한 별도의 프로그램이 공급되기도 하지만 에너지 절감 운영이 되고 있지 못한 실정이며 기기의 동작 상태를 수작업에 치중하는 방법으로 사용 중이므로 종합적인 에너지 분석 및 관리가 어렵고 일시적인 확인 정도의 자료로 밖에 사용되지 못하고 있다. 또한 현재까지 에너지 절감과 최적제어의 필요성은 증가되고 있지만 설비기기의 동작시 상세한 운전정보를 수집하여 전송하는 장치가 없거나 단순한 기능에 불과한 상태이다.

개별공간의 환경제어에 필요한 개별공간제어기(ZCU : Zone Control Unit), 자동제어 시스템용 정보수집처리용 제어기인 정보수집제어기(DDC : Direct Digital Controller), 에너지 사용량의 감시 및 관리 기능을 가지는 에너지관리기(EMC : Energy Management Controller) 등의 기능을 하는 제어기는 현재도 전용 통신방식을 가지고는 있지만, 단순 감시제어 기능, 운영자의 기술수준 및 운영능력, 사용 에너지 진단․분석이 부족한 상태에서 설치 운영되고 있으며, 사용자와 소유자 등의 의견이 반영된 상태에서 개발 생산, 설치, 유지관리가 필요하다.

 

제 6 절 USN 표준화

 

(1) 표준화 추진 동향

 

u-센서 네트워크는 앞서 살펴본 다양한 기술들의 개발과 함께 표준화가 진행중이지만 대부분 세부 네트워크 기술이나 프로토콜 등에서 이루어지고 있어 이종의 기술간의 표준화가 필요하며 민간 중심의 표준화 기구가 필요하며 이 표준기구를 중심으로 ISO, IEEE 등 표준화 기구의 활동에 지속적으로 참여하여 국제표준에 대처하고 국내 기술의 국내표준을 수립하여 국제 표준화를 유도하는 전략이 필요하다. 또한 EPC Gl obal, Smart Active Label 등 국제 표준단체 회원으로 가입하여 표준화 동향에 적극적으로 대처할 필요가 있다. 현재 ISO/IEC에서 제정되고 있는 기본 규격은 국제표준에 따르고 구현과 관련된 새로운 기술은 개발하여 국제 표준에 반영시킬 수 있도록 한다. 즉, Data Syntax, Unique ID, Air Interface, Application Requirement 서브 그룹별로 제정중인 국제표준에 따라 국내표준을 수립하고 Elementary Tag, API Chip-less 태그 및 센서 태그 등 새로운 기술 분야에 대해서는 국외 기관과 공동 개발하여 국제표준에 반영시키는 전략이 필요하다. 코드 체계의 표준화를 추진함에 있어 전자태그를 활용한 정보유통 시스템이 구축된 이후 부처간, 시스템간 상호 운용을 확보하기 위하여 표준화된 EPC 등의 코드 체계를 수립하고 공공부문과 민간부문의 전자태그의 사물정보가 상호호환성을 가질 수 있도록 국가차원의 표준화 체계를 수립해야 한다. ONS(Object Naming Service) 디렉토리 및 표준화 체계 수립에 있어서는 전자태그를 활용한 정보유통시스템이 구축된 이후 분야별, 업무별로 EPC번호와 제품명을 매핑하는 서비스 체계인 ONS 코드를 연동시킬 필요가 있다. 나아가 EPC 코드체계와 IPv6 주소체계와의 연계를 고려한 표준 수립도 필요하다. 이는 국제 유통 표준화 단체인 EAN과 UCC의 주도로 제안된 64비트, 96비트, 혹은 256비트의 상품 번호 체계에 기반한 EPC코드와 128비트 기반의 주소체계를 갖는 IPv6 인터넷 망을 연계하여 전자태그가 부착된 사물과의 양방향 통신 구현을 위해 요구된다. 또한, 국가 차원의 시험인증 기준 제정 및 인증 서비스를 제공하여 표준화 추진 시 일관성 및 객관성을 유지 할 수 있도록 해야 할 것이다. 그림 18에서 표준화 관련 동향을 도시하였다[1].

 

[그림 18] 센서 네트워크 표준화 동향

 

(2) IEEE1451 센서 네트워크 표준화

 

무선 센서노드에는 환경 정보를 센싱하는 온도, 습도, 가속도, 진동, 초음파 센서 모듈 등이 장착돼 있으며, 센서에 의해 측정된 데이터는 싱크 노드와 게이트웨이를 거쳐 USN 애플리케이션에서 활용된다. 그러나 시장에는 수많은 종류의 물리적 센서와 MCU 보드, 다양한 유무선 센서 네트워크 기술이 있고, 서비스의 목적과 적용 환경이 상이하기 때문에 현실적으로 하나의 공통된 인터페이스 표준 없이는 다양한 센서노드의 통합이 곤란한 상황에 이르게 됐다.

이런 맥락에서 IEEE 1451 표준은 센서와 구동소자들이 네트워크로 연결되어 제어, 관리되는 센서 시스템의 공통 인터페이스 표준을 제시한 것이다. 1993년 9월부터 표준화 작업이 시작됐으며, 현재 IEEE 1451.0부터 IEEE 1451.6까지 표준안이 완료됐다. IEEE 1451 표준의 제목은 'A Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators'로서, 네트워크와 트랜듀서(Transducer : 센서와 구동소자를 통칭함) 간에 표준 인터페이스를 규정한다. 즉 센서나 구동소자 업체는 연결될 네트워크의 종류나 연결 구조에 상관없이 오직 표준 인터페이스만 제공하고, 네트워크 입장에서는 연결된 트랜듀서의 종류에 상관없이 공통 인터페이스를 통해 정보를 취득하고 제어할 수 있도록 하는 것이다. 그림 17에서 IEEE 1451 표준 구성도를 도시하였다[7].

 

[그림 19] IEEE 1451 스마트 트랜듀서 인터페이스 표준 구성

 

제 3 장 결론

 

제 1 절 동향 분석 및 시사점

 

지금까지 무선감지장치에 활용될 수 있는 USN 기술과 표준화 동향, 빌딩자동제어에 대하여 살펴보았다. 빌딩자동제어를 위한 무선감지장치들은 1990년대 일반적인 RF 기술을 이용한 제품이 일부 개발되었으나 해당 기술들의 미성숙함 등으로 널리 사용되지 못하였으며 특수분야에서 일부 사용되었다. 최근 USN 기술의 발달과 더불어 다시 개발 적용되고 있으며 주로 IEEE 802.15.4 기반의 ZigBee 기술과 TinyOS 기술을 많이 사용하고 있다. 두 가지 기술들 모두 장단점이 있어 직접적인 비교는 매우 힘들지만 결국, ZigBee는 TinyOS의 대체가 아닌 TinyOS에 호환되어 사용될것으로 예상된다. 다시 말해, ZigBee 프로토콜은 TinyOS 에 사용될 수 있으며 실제로, 기존의 TinyOS MAC 프로토콜 위에 ZigBee 네트워크 층을 생성하기 위해서는 몇가지 노려을 하면 가능하다. 다만 ZigBee 표준은 오직 ZigBee Alliance 맴버에게만 오픈된다. 즉 ZigBee는 개방형 소스가 아니며, MAC 프로토콜이 아닌, 운영체제 혹은 하드웨어 플랫폼으로 볼 수 있다.

빌딩자동제어에서의 무선센서의 적용에 대한 노력과 시도는 1990년대부터 꾸준히 이루어지고 있으며 최근 국내외에서 일부 적용사례들이 발표되고 있다. 다만 기존의 유선센서들에 비하여 센서들의 다양화, 정밀도와 소비전력문제 등의 몇 가지 문제로 활발한 보급이 이루어지기에는 조금 더 시간이 필요할 것으로 예상된다. 특히 무선 센서의 설치 위치, 센서간 설치 거리, 최적 센싱 시간에 대한 기본적인 가이드라인의 정립도 활성화를 앞당기는 요인이다. 또한 또다른 보급의 활성화 요인은 표준화 이다. 서류상의 표준이 아니라 실제 산업계에서 사용할 수 있는 개방형 표준 프로토콜이 완성되면 좀 더 보급이 빨라질 것이며 이는 빌딩자동제어 시장도 설비위주의 실내 환경 감시 및 제어에서, 사용자 위주의 실내 환경 감시 및 제어로써 한층 발전할 것으로 예상된다.

 

제 2 절 향후 개선 사항 

USN 기술을 활용한 많은 어플리케이션과 서비스가 개발되고 있으나 아직 빌딩자동제어 분야에서는 적용사례가 미진하다. 특히 국내에서는 아직 초기단계라고 볼 수 있으며 이는 몇 가지 문제점에 기인한다.

첫 번째로는 센서 소자에 대한 문제를 들 수 있다. 무선감지장치에 사용되는 센서 소자들은 소형화, 고정밀화와 저소비전력의 특징을 가지고 있어야 하는데, 온도 및 습도 센서 소자들에 대하여 세계적으로 한 두 업체가 이러한 요구사항을 만족할 뿐이다. 좀 더 많은 종류의 센서소자들이 개발되어야 할 것이다. 특히 기존 유선센서시장을 대체하려면 센서 소자의 정밀도 역시 매우 중요한 요소이다.

두 번째는 저소비 회로를 구성하는 것이다. 아무리 저소비 전력의 센서소자를 사용해도 기본적인 회로가 전력소비가 크면 기본적으로 빌딩에서 사용되는 무선감지장치로서의 부적합 하다고 볼 수 있다. 때문에 CPU와 Signal Conditioning 회로, 무선 송수신부들 모두 저소비전력 기술을 사용하여 구성하여야 한다.

세 번째로는 에너지 소비 효율을 고려한 네트워크의 선정이다. 네트워크 구성 및 통신에 사용되는 알고리즘은 CPU와 주변 리소스들의 사용량을 결정하고 이 역시 전체 소비전력량에 영향을 미친다. 즉 꼭 필요한 경우 최소의 데이터를 빠르게 보낼 수 있도록 개발된 네트워크를 사용하여야 하며 호환성 및 보급을 우해서는 표준 네트워크를 선정하여야 할 것이다.

네 번째로는 배터리 성능이다. 배터리는 무선감지장치의 동작 전원으로 매우 중요한다. 아무리 저소비전력의 센서소자와 회로를 구성하여도 무선감지장치는 배터리의 성능에 따라 동작시간이 결정된다. 무선감지장치의 수명이 짧으면 배터리 교체를 위한 유지 보수비용이 발생하고 이는 사용자들이 무선감지장치의 선택을 결정하는 중요한 요소로 작용할 것이다. 배터리 성능은 배터리 용량과 방전특성 등이 중요 요소이다.

 

제 3 절 적용분야 

USN 기술은 다양한 분야에서 이슈화 되고 있으며 많은 개발자들이 개발을 하고 있어 그 발전이 무궁무진하다. 최초의 유비쿼터스 센서의 개념은 스마트 더스트에서 시작하였다. 아직 이개념에 근접하도록 기술이 발전되었다고 볼 수 없지만 현재 USN 기술을 기반으로 한 적용분야는 다음 표 2와 같다.

 

적용 분야	기능 및 기대효과
실내 환경 모니터링	- 빌딩의 실내 쾌적환경 감지 및 제어 - 빌딩의 에너지 소비상황 감지 및 절약
Mobile USN 기술	- 차량에 이용되는 USN 기술 - USN 기술과 휴대인터넷 및 휴대기기와 기술을 접목시킨 서비스 - 지상이동체 기반 실시간 환경/교통정보 수집 및 전성, 모니터링
방재를 위한 USN 기술	- 각종 재난/재해 정보 감지 및 예방/경보 - 지진, 해일, 풍랑, 침수, 산사태, 도로유실, 지반침하, 교량붕괴 등
시설물 안전관리	- 교량 모니터링 시스템- 건축물 모니터링 시스템 - 철도/도로/터널 모니터링 시스템 (소음 및 진동 측정)
독거노인을 위한 활동/건강 케어 기술	- 독거노인 움직임 감지 및 정보 전송 - 외출 감지, 이상 감지 알고리즘
송전설비 감시 기술	- 송전 설비 위해 상황 감시 - 기상 및 자연 재해 감시시스템 확장 발전 가능

참고문헌

[1] 유남철, Sensor Network를 활용한 전력설비 감시 기술 개발 동향, 전자부품연구원, 2008. 2

[2] 정보통신부, RFID/USN 산업동향 및 전망, 2006. 8

[3] IBCC기술연구회, 유비쿼터스 센서네트워크(USN)기반 3차원 건축물 에너지 모니터링 및 제어 시스템 개발, 중소기업청, 2008. 4

[4] Siemens Korea, APOGEE Wirelss, Guess who made it mesh?, 2007

[5] 김석우, WSN(Wireless Sensor Networks) 국내외 최신 기술 동향, 전자부품연구원, 2007. 7

[6] TinyOS기반 USN기술 현황 및 발전 전망 세미나, 전자신문인터넷, 전자부품연구원, 2008. 7

[7] IEEE 1451, jinloyz@empal.com

[8] 이재현, USN 기술동향, 주간기술동향 1165호, pp21-35, 정보통신연구진흥원, 2004. 9

[9] 김민수 이은규, 유비쿼터스 환경에서의 센서 데이터베이스 기술, 주간기술동향 1187호, pp1-15, 정보통신연구진흥원, 2005. 3

[10] 정부만, USN 현장시험 추진성과와 향후 전망, 한국전산원 RFID/USN팀, 2006. 4

[11] 주간기술동향 u-센서 네트워크 산업의 개념과 발전 동향, 정보통신연구진흥원, 2005

[12] 표철식, RFID/USN 기술 동향 및 기술/산업간 융합전망, 한국전자통신연구원, 2007.10