머리말

센서 네트워크라는 분야는 20년 전부터 요소 기술 개발이 진행됐지만, 최근 들어 센싱 기술, 무선 기술, 자립형 네트워크의 중요성이 점차 주목을 받아 실용화를 위한 개발이 이루어지고 있다. 일본에서는 동일본 대지진의 영향도 있어 기존 인프라에 의존하지 않는 독립 무선 네트워크와 센싱 기술의 수요가 높아지고 있다.

적용이 기대되는 애플리케이션은 환경 측정(자연 환경, 도시 환경, HEMS·BEMS 등), 생체 정보(의료, 헬스케어, 스포츠, 고령자 지킴이, 동물 생체 정보 등), 건축·토목, 플랜트·공장 감시, 자동차·차량 감시 등 다양하다. 센서 네트워크라 불리는 멀티홉 네트워크 시스템이나 유선 센서가 설치되지 않은 이동체, 회전체 등에 관한 무선 계측을 포함해 센서와 무선을 세트로 하여 실현되는 시스템을 우리는 ‘무선 센서 시스템’이라고 한다.

앞으로는 다양한 센서 정보를 융합한 스마트 센서 기술, 센서 정보의 효과적인 이용을 위한 기술 수요가 높아질 것이다. 특히, 도시에서는 자연환경과 도시환경으로 이루어진 복잡한 생활환경이나 사람들의 건강 정보 등의 센싱과 그 응용 기술이 기대되고 있다.

여기서는 우리가 연구하고 있는 무선 센서 시스템 기술 현황과 과제, 그리고 920MHz대 무선을 이용한 시스템 사례를 소개하고 도시에서 활용이 기대되는 시스템 응용에 대해 설명한다.

무선 센서 시스템의 기술 과제

무선 센서 시스템은 센서 기술, 무선 기술, 그리고 전지·전원 제어 기술이 융합되어야 비로소 완성된다. 이러한 기술은 각각이 전문 분야로 성립되어 있으며, 기술 향상도 눈부시다. 이것들을 조합하여 실용적인 시스템으로 만들려면 기술을 융합시키기 위한 시스템 개발, 소프트웨어 개발도 중요한 요소이다. 그림 1은 무선 센서 시스템의 기술 과제를 정리한 것이다.

▲ 그림 1. 무선 센서 시스템의 기술 과제

무선 센서 시스템은 센서 기술, 무선 기술, 전지 및 전원 제어 기술 등

많은 요소 기술을 조합하는 것이 중요하다. 목표 성능 실현에는 시스템,

소프트웨어 개발도 중요한 위치를 차지한다.

1. 센서 기술

무선 센서 시스템의 실용화에는 센서 기술 발전도 큰 과제가 된다. 소형 저전력, 고정밀 계측을 실현할 수 있는 센서 기술이 기대되고 있으며, 무선기의 소형화, 저전력 동작, 전력 절감과 마찬가지로 센서도 소형화, 전력 절감이 요구된다.

최근에는 반도체, MEMS 기술의 발전에 의해 전력 절감, 소형 고기능 센서가 시장에 나와 있지만 용도에 따라 성능이 부족한 경우도 많다.

또한, 현재의 계장·계측 분야에서는 센서 기술은 통신 인터페이스도 어느 정도 규격화된 제품이 많다. 기본은 유선 인터페이스였기 때문에 일반적으로는 아날로그라면 4-20mA의 전력 출력, 0-5V의 전압 출력, 디지털이라면 RS485, RS422, RS232C, 이더넷 등의 통신 규격이 많이 사용되고 있다. 이러한 통신 규격의 무선 지원도 수요가 확산되고 있다.

용도와 요구 성능에 맞춰 물리적인 인터페이스, 통신 규격, 데이터 전송 빈도, 데이터 용량 등은 크게 달라지므로 센서와 무선을 접속하려면 무선 네트워크 방식도 그것에 최적화되어야 한다.

2. 무선 기술

무선 센서 시스템에 적용되는 무선 시스템은 일본에서는 전파법에서 데이터 전송, 텔레미터용으로써 특정 소전력 무선으로 개방되어 있는 430MHz, 920MHz, 2.4GHz 대가 많이 이용되고 있다.

그밖에 아날로그 TV 방송에서 이용되었던 TV 화이트 스페이스는 현재 이용이 검토되고 있어 앞으로 센서 네트워크에 적용될 것으로 기대되고 있다.

최종적으로는 글로벌 네트워크에 접속할 수 있어야 하므로 현재로서는 스마트폰이나 PC, 서버에 표준으로 내장되어 있는 Wi-Fi나 Bluetooth 통신도 주목받고 있다. 그러나 Wi-Fi나 Bluetooth는 접속 방법에 제한이 있고 소비전력 문제로 말단 네트워크에 이용되기보다는, 센서 네트워크에서 Wi-Fi나 Bluetooth를 거쳐 글로벌 네트워크에 접속하는 게이트웨이로서의 기능이 기대된다.

3. 전원 기술

스마트 센서 시스템은 전지 구동이 요구되는 경우가 많다. 따라서 시스템 전체의 전력 절감이 매우 중요하다. 무선기의 전력 절감은 기술이 발전하고 있지만, 센서 전원은 종류에 따라서 많은 전력이 필요한 경우도 있어 전원 제어 기술도 하나의 과제이다. 전지로 장시간 동작을 위해서는 센싱을 하지 않을 때에는 사용하지 않는 회로 전원을 꺼 유지 시의 소비전력을 최저한으로 억제하는 것이 중요하다.

최근에는 태양광, 풍력, 진동, 열 등을 이용한 환경 발전 기술과 조합하는 것도 주목을 받고 있다.

4. 시스템 개발과 소프트웨어 개발

최종적으로 실용적인 시스템을 실현하려면 지금까지 설명해온 하드웨어 설계 외에 시스템 설계, 소프트웨어 설계 모두 중요한 위치를 차지한다. 전력 절감 제어, 최적 네트워크 제어, 동기 시스템 등의 실현에는 불가결한 기술이다.

멀티홉 네트워크에서 전지 구동하는 각 노드의 전력 절감은 매우 중요하지만, 거기에는 각 노드의 전력 절감뿐 아니라 시스템 전체의 전력 절감도 고려해야 한다.

920MHz대 무선에 의한 시스템 사례

무선 센서 네트워크 시스템 실현에는 많은 기술 과제가 존재하지만, 우리는 그것들의 과제를 해결하면서 실용적으로 장기 운용 가능한 시스템을 지향하고 있다. 920MHz대 무선 통신은 특정 소전력 무선 중에서도 430MHz 대와 비교하면 전송 속도가 빨라 통신 시간 단축에 의한 전력 절감, 대용량 데이터 송신에 적합하다. 또한, 2.4GHz대와 비교하면 원거리 통신이 가능하고 전파법에 의해 송신 규격이 정해져 있어 간섭의 영향을 덜 받는다는 특징이 있다. 아래에 920MHz대 무선 모듈을 이용한 시스템 사례를 소개한다.

1. 전력 절감 멀티홉 환경 모니터링 시스템

이 시스템은 환경 모니터링 목적을 위해 개발한 전력 절감 멀티홉 무선 센서 시스템이다. 전력 절감 무선 센싱 시스템은 통신망을 무선으로 접속할 필요가 없고 전지 구동이기 때문에 설치가 쉽고 다양한 애플리케이션에 적용할 수 있다. 적용 사례의 하나로서 비오톱(biotope) 내 환경 모니터링을 실현하고 있다. 시스템 구성은 그림 2와 같다. 

▲ 그림 2. 비오톱 내 환경 모니터링 시스템

비오톱 내에 설치된 920MHz대의 무선 센서 노드에서 센서 정보를

멀티홉 통신에 의해 베이스 스테이션이 설치되어 있는 사무실까지

전송한다. 각 센서 노드는 다른 센서 중계국도 겸하고 있어 모든

노드가 전지 구동 할 수 있는 전력 절감 환경 모니터링 시스템을

실현했다. 베이스 스테이션은 인터넷에 접속되어 원격에서 환경

모니터링을 할 수 있다.

전력 절감을 위해 하드웨어 대기 전류 최소화 시스템을 개발했고, 소프트웨어 개발 시의 전력 절감 통신 시스템을 실현했다. 

하드웨어는 전력 절감 센서를 사용해 사용하지 않는 기능을 꺼 전력을 절감할 수 있도록 설계해야 한다. 센서 종류에 따라서는 휴지 기능이 없는 것도 있으므로 공급 전원을 제어하는 연구도 필요하다. 전원 회로도 자기 소비 전류를 최대한 억제하고 휴지 시에는 20uA 이하로 동작하도록 했다.

시스템을 설계할 때에는 소비전력을 상세하게 측정해 각 동작에서 상세한 소비전류를 산출하여 전지 수명을 산출한다. 이 시스템은 각 노드가 정기적으로 접속 모드가 되어 네트워크를 구성하는 방식을 사용하고 있어 센서 데이터 송신 자체의 의무는 매우 적으므로 각 노드의 접속 모드 시 소비전류와 휴지 모드 시 소비전류에 따라 전지 수명이 거의 결정된다.

그림 3은 각 노드의 기본 동작 데이터 포맷, 그림 4는 접속 모드 시의 소비전류의 일례이다.

▲ 그림 3. 기본 동작의 데이터 포맷

일정 간격의 비컨 송신과 휴지 상태를 반복함으로써 기본 시스템이

동작한다. 데이터 용량이 적은 센서 정보는 비컨 내에 포함되어

송신된다.

▲ 그림 4. 접속 모드 시의 소비전류

접속 모드 시의 소비전류의 일례. 소비전류를 상세하게 측정함

으로써 시스템의 소비전류를 산출한다. 노드의 소비전류는 비컨

송신과 휴지 상태의 듀티비에 의해 결정된다.

이 시스템은 정기적인 접속 모드와 휴지 상태를 반복함으로써 기본 동작을 한다. 용량이 적은 데이터를 송신할 때에는 비컨 내에 데이터를 포함시킴으로써 비컨의 타이밍에 데이터를 전송한다. 데이터 용량이 큰 통신인 경우에는 데이터를 송수신하는 모듈끼리 짝을 지어 연속적으로 데이터를 송수신함으로써 효율적으로 데이터를 전송한다.

데이터를 송신할 때의 소비전류는 온도 센서 등 용량이 적은 데이터 시스템에서는 고려하지 않아도 되지만 화상 데이터나 빈번하게 데이터를 송수신하는 센서가 포함된 경우에는 센서 노드뿐 아니라 데이터를 중계하는 노드도 전력을 소비한다는 것을 고려해야 한다. 따라서 시스템 내에서 전송되는 데이터 용량에 따른 시스템 설계가 매우 중요하게 된다.

이 시스템은 비오톱 내에 기온, 지온, 수온, 습도 센서의 환경 정보와 카메라에 의한 촬상, 적외선 카메라에 의한 열 화상 등의 데이터를 무선 통신으로 수집한다. 취득된 데이터는 사무실에 있는 호스트 기기까지 멀티홉 전송되어 최종적으로는 웹브라우저로 원격에서 실시간 열람하거나 측정 데이터를 취득할 수 있다.

그림 5는 설치되어 있는 무선 센서 사진이며, 그림 6은 원격으로 열람할 수 있는 웹 표시 사진이다.

▲ 그림 5. 비오톱 내에 설치된 무선 센서

비오톱 내에는 기온, 지온, 수온, 습도와 카메라, 열화상 센서 및

센서 데이터 표시를 위한 LED 표시기가 설치되어 있다.

▲ 그림 6. 환경 모니터링 시스템의 Web 표시

센서 데이터는 멀티홉 통신으로 사무실에 있는 호스트 기기에 전송되며

인터넷을 거쳐 웹브라우저에 의해 원격에서 열감, 데이터 다운로드가

가능하도록 되어 있다.

2. 야생 동물 상태 정보 모니터링 시스템

무선, 전지 구동에 의한 환경 모니터링 활용 사례로 통신 인프라가 취약한 사토야마에서 실시한 환경 모니터링이 있다. 이와테현 도노시의 사토야마에 920MHz대의 무선 센서 네트워크를 구축해 야생 동물 생태 정보를 취득하려는 시도를 했다. 2010년부터 설치 실험을 시작해 동일본 대지진도 경험했으며 개량을 거듭해 현재도 계속 동작하고 있다. 동일본 대지진이 발생했을 때에는 데이터를 수집하는 PC 전원이 꺼져 있어 원격에서 데이터를 수집할 수 없게 됐지만 네트워크 자체는 기능했다는 것을 나중에 확인할 수 있었다. 이 시스템의 구성은 그림 7과 같다.

▲ 그림 7. 야생 동물 생태 모니터링 시스템

이와테현 도노시에 설치되어 있는 야생 동물 생태 모니터링 시스템.

곰의 목걸이 GPS 센서를 달고, 체내에는 체온 센서를 매입해 사토 야마에

설치한 무선 노드에 근접해 왔을 때 데이터를 무선으로 수집한다.

이 시스템은 사토야마 내에 설치해 야생 동물이 근접했을 때 정보를 취득하는 고정국, 야생 동물에 매입하거나 달아 생태 정보나 위치 정보를 취득하는 무선 모듈로 구성된다. 설치 장소는 공중 회선 영역에 들어가지 않기 때문에 이 무선 네트워크가 유일한 정보 취득 네트워크로 존재하는 셈이 된다. 또한, 전원을 취득하는 것도 불가능해 도노시의 깊은 산골에서는 겨울이 되면 눈 때문에 전지 교환도 불가능해지므로 각 고정국은 전자 구동이며 장시간 동작할 수 있는 전력 절감이 필요하게 된다. 전력 절감화에 노력해 반년에서 1년의 장기간 전지 구동, 안정 동작, 유지보수를 실현했다.

3. 감시용 멀티홉 센서 모듈 ‘도비마루 시리즈’

현재 유선 센서 시스템이 이미 많은 설비에서 이용되고 있지만, 이러한 유선 센서 시스템을 무선화하는 수단으로써 ‘도비마루 시리즈’에서는 접점, 4-20mA의 입출력을 무선화하는 기술을 제공하고 있다. 

이 시리즈는 센서 출력에 대해 어느 정도 빠른 응답성이 요구돼, 전지 구동은 곤란하지만 경보 신호 송신, 실시간 계측, 데이터 신뢰성을 중시해 시스템을 개발하고 있다. 센서와의 인터페이스를 기존 유선 센서에 규격화된 인터페이스와 합침으로써 실내나 공장 등 전원을 쉽게 취할 수 있는 곳이라면 기존 유선 센서를 간단하게 무선화할 수 있다. 그림 8은 이 기기의 사진이다.

▲ 그림 8. 감시용 멀티홉 센서 모듈

공업 용도의 센싱에서는 센서의 신뢰성이 중요하므로 현재의 유선

시스템을 센서 성능을 바꾸지 않고 무선화하는 것은 유효한 수단이 된다.

이 기기에서는 계측 분야 표준인 4-20mA 입출력과 접점 입출력

무선화를 실현하고 있다.

공업 용도에서는 계측 데이터의 신뢰성은 매우 중요해져 센서 측을 변경하지 않고 접속되는 케이블을 줄여 무선으로 하는 것은 설치비용 삭감을 위한 유효한 수단이 된다. 또한, 이동체나 회전체에 설치할 때에는 케이블이 거추장스러워지고, 여러 개의 센서를 접속하면 케이블 중량이 측정에 영향을 미치는 등의 영향이 있었지만 무선화함으로써 해결할 수 있다.

도시의 스마트 센싱

최근 빌딩이 많이 늘어선 도시나 그 근교에서는 게릴라성 호우 등의 이상 기후나 온난화로 인한 전국적인 기온 상승이 문제가 되고 있다. 열사병 예방 등 도시에서도 환경 정보 취득 수요가 높아지고 있다.

또한, 고령화 사회로 의료 서비스 부족도 앞으로 문제가 될 것이다. 특히 도시에서는 단독 세대의 비율이 증가하는 한편, 의료기관이나 개호시설 부족, 의료 종사자, 개호 종사자 부족은 심각한 문제가 되므로 헬스케어, 셀프 메디컬의 중요성은 앞으로 높아질 것이다. 현재는 몸 상태가 나쁠 때에만 검사하거나 병원에 간다. 이러한 분야에서도 지속적으로 측정해 일상적인 변화를 포착함으로써 질병의 조기 발견, 조기 치료를 가능케 하기 위한 생체 정보 센싱 기술 등이 주목을 받고 있다.

그밖에, 재해 시 공중 회선에 의존하지 않는 통신 인프라 확보 등도 과제가 되어, 도시에서 안전, 안심으로 연결되는 센서 시스템은 수요가 높아질 것이다.

도시에서는 장소에 따라 다양한 생활환경이 있어 사람의 건강 상태 센싱을 포함해 각종 센서를 사용해 복합적인 정보를 취득하고 복잡한 데이터를 효과적으로 활용해 나가는 스마트 센서 기술이 필요하게 된다.

1. 무선 ECG 측정 장치 ‘짐작’

이 기기는 실험용으로 만든 무선 ECG 측정기이다. 일회용 전극에 의해 몸에 부착해 ECG와 가속도를 측정한다. 소형 전지 구동으로 무선 데이터 통신이 가능하므로 기기를 장착한 상태로 자유롭게 움직일 수도 있다. 데이터는 기기 안의 메모리에 저장되므로 수신기에서 떨어져도 측정 데이터는 기록되며, 측정 후에 데이터를 뽑을 수 있다. 이 기기의 구성 및 기기 사진은 그림 9이며, 이 기기의 사양은 표 1과 같다.

▲ 그림 9. 무선 ECG 측정 장치 ‘짐작’

일회용 전극으로 몸에 장착함으로써 ECG 측정을 한다. 무선, 전지

구동이므로 측정 중에 몸을 움직일 수도 있다. 데이터는 내장 메모리에

수록되며 측정 후에 뽑아낼 수 있어 데이터 결락을 방지한다.

▲ 표 1. 무선 ECG 측정 장치의 사양

EC G와 가속도 센싱 데이터를 무선으로 송수신한다. 데이터는 본체

내부 메모리에 저장되며 측정 후에 꺼낸다. 무선이므로 장착한 상태로

움직일 수 있다.

그밖에도 체온이나 혈압 등의 상시 측정은 의료 현장의 니즈도 많아 최종적으로는 많은 센서를 섞어서 지속적·복합적으로 센싱 데이터를 취득할 것이 요구된다. 현 단계에서는 실험에 이용하고 있지만 소형 센서를 몸에 상시 장착함으로써 매일매일 건강 상태를 파악하는 것은 앞으로 사회에서 유용한 기술이 될 것이다.

2. 전파 환경을 측정하는 EMceptor

앞으로 무선에 의한 데이터 통신은 이용이 확산되어 무선 사용 상황이나 전파 환경을 측정해 ‘전파의 가시화’도 환경 측정에 포함될 것이다. EMceptor(엠셉터)로 주변 전파 강도를 측정하고, 사용되는 주파수 채널이나 노이즈가 많은 환경 등을 검출한다. 무선기기가 증가하는 환경에서 전파 상황을 검출하여 통신 채널을 변화시킴으로써 통신 안정성을 확보할 수 있다. 이 기기의 개요를 그림 10에 나타낸다. 본체는 USB 접속으로 PC에 접속하고 PC 전용 소프트웨어로 각 채널의 전파 강도를 측정한다. 채널 폭이나 측정 스팬(span)은 설정에 따라 일정한 범위에서 변경 가능하다.

현재는 전파에 의한 에너지 하베스트도 염두에 두고 있어 앞으로는 전파에서 전력을 얻을 수도 있을 것이다.

▲ 그림 10. 전파 환경 측정 모듈 ‘EMceptor’

수신 전파 강도를 측정함으로써 사용되고 있는 무선 채널을 검출한다.

앞으로 무선 시스템은 늘어날 것으로 보요 간섭 회선에 대한

유효 이용이 기대된다.

3. 스마트 센서 시스템의 실현

센싱 데이터에서 의미 있는 정보를 얻으려면 다양한 센서를 복합시켜 각 센싱 데이터의 관계를 파악하거나 센서를 여러 개 배치해 다점 관측을 하는 것이 유효하다.

현재 우리는 다양한 센서를 섞은 스마트 센서 시스템 실현에 나서고 있다. 이 시스템은 온도, 습도, 기압, 환경광, UV, 가속도 센싱 기능과 920MHz대의 무선 통신 기능을 갖춘 멀티 센서 노드와 데이터를 수집해 표시하고 저장 및 해석하는 센서 플랫폼으로 구성된다. 시스템 구성은 그림 11과 같다.

▲ 그림 11. 스마트 센서 시스템 구성

온도, 습도, 기압, 환경광, UV를 측정하는 멀티 센서 노드와 센서 정

보를 수집, 저장, 표시, 해석하는 센서 플랫폼으로 구성되는 스마트

센서 시스템. 센서 플랫폼은 인터넷에 접속함으로써 데이터를

글로벌 네트워크로 전송한다.

최근 M2M 등의 단어가 주목을 받고 있는 것처럼 앞으로는 사람을 통하지 않고 다양한 센서 데이터를 수집 및 해석해 쾌적하고 안전한 환경이나 유익한 시스템을 실현할 것으로 기대된다. 센싱하고 있는 것을 의식하지 않아 지속적인 센싱이 가능해지므로, 쾌적하고 안전한 생활로 연결되는 시스템이 기대된다. 또한, 빅데이터 등 현재는 대용량 센싱 데이터를 수집해 그것들을 해석하는 환경도 정비되고 있다. 지금까지 사람의 오감으로 판단해온 것을 센싱 데이터 해석에 의해 기계적으로 판단할 수 있게 될 것으로 기대할 수 있다. 

센서 플랫폼은 주변 센서에서 데이터를 자동적으로 수집해 글로벌 네트워크에 전송하는 역할을 담당하고 있으며, 앞으로 기대되는 M2M이나 빅데이터를 이용한 시스템에 접속하는 플랫폼으로 이용될 것이다.

맺음말

무선 기술은 원래는 군사 용도를 위해 발달해온 기술이었지만, 휴대전화, 스마트폰에서 볼 수 있듯이 현재는 안심, 안전 및 쾌적하며 편리한 생활을 제공해 생활을 풍요롭게 하는 시스템으로 활용되고 있다. 

무선 센서를 조합한 무선 센서 시스템도 앞으로 그러한 분야에서 활용될 것으로 기대된다. 이를 위해서는 사람을 통하지 않고 가동하는 시스템과 지속적으로 운용되는 안전성이 필요하다. 이러한 기술 과제를 해결해 나감으로써 안심, 안전 생활 및 쾌적한 환경에서 모든 생물에게 친화적인 생활을 실현하기 위한 시스템에 응용되기를 바란다. 

   아즈

本 記事는 日本 「計測自動制御學會」가 發行하는 「計測と制御」誌와의  著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.