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LoRa 기반의 IoT 스마트 축사 시스템 구현에 관한 연구
LoRa 기반의 IoT 스마트 축사 시스템
구현에 관한 연구
A Study on the Implementation of LoRa-based IoT Smart Livestock Barn System.
임성희*, 박재삼**
Sung Hee Lim*, Jae Sam Park**
ABSTRACT
Most of the automation facilities currently used for smart barn system use the existing sensor network technology, so the data transmission speed is high, but the communication range is short and the end device consumes a lot of power. Hence the current technology is lacking when utilized for communication that is low power, ultra small scale and over a long distance.
In this paper, an optimal livestock barn environment is created by designing and implementing environmental sensor boards and environmental controllers based on a low power wide area network technology called Long Range (LoRa).
In order to solve the security problems that can happen when using LoRa commercial network (SKT) service as well as the cost of paying per payload when sending packets from the end device, a standalone LoRa private network was constructed to test the performance of the end device and the gateway. The end device was designed to be able to decide which network to use, and the performance was tested and evaluated.
LoRa module chip certified by SKT has been used to in the development of the end device in order to improve LoRa stage reliability. Based on the results of these performance tests, the optimal solution for smart livestock barn systems are provided.
Key Words : Smart farm, Smart livestock barn, Smart sensor, LoRa, End device, IoT
* 인천대학교 공학대학원 전자공학과 석사과정 (sh-lim@inu.ac.kr)
** 인천대학교 전자공학과 교수
LoRa 기반의 IoT 스마트 축사 시스템 구현에 관한 연구
1. 서 론
현재 국내의 정보통신기술(ICT)을 이용한
스마트 축사 기술은 축사 내 외부 환경으로부
터 온도, 습도, CO2, 암모니아 가스, 조도,
O2, 차압, 풍속, 정전, 화재 등의 환경을 측
정하는 환경 센싱 위주로 많은 연구가 되어있
다. 이러한 기존의 기술들은 유선 및 Zigbee,
WiFi, Blue- tooth, RFID 등의 기술이 적용되
어 다양한 축산자동화 시스템으로 운용되고
있다.
그러나 기존의 축산자동화 시스템은 근거리
무선통신 기술을 이용하고 있으므로 넓은 축
산시설에 수많은 센서를 설치할 경우 다수의
게이트웨이나 중계기를 필요로 함으로 대부분
의 중장거리 무선 네트워크가 필요한 대규모
축산시설에는 기존의 근거리 무선통신망을 이
용하여 저비용으로 유연하게 대응하기가 어려
울 것으로 판단된다.
본 연구에서는 저 전력이면서도 장거리 무
선통신 기술인 LPWA 기반의 LoRa를 이용하여
축사 내부의 환경을 측정하는 환경 센서 보드
(End Device)와 측정된 데이터를 기반으로 여
러 구동 장치들을 유기적으로 동작시키는 환
경관리기(End Device)를 설계, 제작하고
Multitech 사의 MultiConnect Conduit 게이트
웨이를 사용하여 독립된 사설 무선네트워크망
을 구축하였다.
또한 Conduit에서 제공하는 Node-RED를 이
용하여 다수의 환경 센서로부터 센싱된 데이
터들이 효율적으로 전송되고 있는지를 모니터
링하고, 전송된 데이터와 연동하는 환경관리
기의 동작을 제어하는 시스템을 구성하여 기
존의 근거리 무선통신망의 단점을 보완한
LoRa 기반의 스마트 축사 시스템을 구현하였
다. 그리고 제작된 시스템을 이용하여 LoRa
무선네트워크망의 전송 신뢰성과 End Device
의 성능을 실험하였다.
구현된 LoRa IoT 시스템은 축산시설 전체의
넓은 범위를 저가에 안정적으로 수많은 센서
들을 설치할 수 있다. 또한 원격의 여러 지점
으로부터 정확한 데이터 수집이 가능하게 함
으로 축사 내부 환경을 중장거리 무선네트워
크로 균일하게 제어할 수 있는 기술적 독창성
을 제공하며, 이로 인한 축산물 생산량 증대
로 농가 소득증대와 편의성을 제공한다.
2. 관련 연구 동향
2.1. 스마트축사 시스템의 개요
스마트 축사란 각종 환경 센서를 이용해 축
사 내외부의 환경을 모니터링하고, 제어가 가
능한 환경관리 정보통신기술(ICT) 장비를 갖
춘 축사로써 온습도, CO2 등과 같은 센싱 정
보와 연동된 환경관리기를 동작시키고 센싱된
데이터를 기반으로 언제 어디서나 가축의 생
육환경을 점검하며 적기처방을 함으로써 노동
력, 에너지, 사료 등을 종전보다 덜 투입하고
도 축산물의 생산성과 품질을 향상시키는 축
산 농가를 의미한다.
2.2. LoRaWAN 기술 2.2.1. LoRaWAN 개요
LoRaWAN은 저전력, 장거리 네트워크 프로
토콜이다. LoRaWAN 프로토콜은 배터리로 동작
되는 사물을 지역, 국가 또는 글로벌 네트워
크에서 인터넷에 무선으로 연결하도록 설계되
어 산업, 과학 및 의료 (ISM) 대역의 무허가
무선 스펙트럼을 활용한다. 이 사양은 LoRa
물리 계층 매개 변수와 LoRaWAN 프로토콜의
장치 간 인프라를 정의하고 장치 간의 완벽한
상호 운용성을 제공한다.
LoRa는 저전력, 장거리 통신망(LPWAN)의 응
용 분야를 대상으로 한다. LoRa는 15 Km 이상
의 거리를 지원하며 최대 1백만 노드를 수용
한다. 저전력 및 장거리의 조합은 데이터 전
송률을 최대 50 Kbps/sec로 제한한다.
2.2.2. LoRaWAN의 Class A, B, C
LoRaWAN의 MAC은 저 전력과 응답특성에 따
LoRa 기반의 IoT 스마트 축사 시스템 구현에 관한 연구
라 선택할 수 있는 Class A, B, C의 3종류의
옵션으로 구성되어 있다.
Class A의 경우 단말기 주도의 상향 통신
위주의 통신 방법이며 배터리 소비전력이 가
장 적은 프로토콜이며 Default로 지정되어 있
다. Class B의 경우 Class A의 단점을 보완하
여, 하향 데이터 송신을 위한 별도의 수신 창
을 일정 간격으로 추가하여, 동기화된 하향
데이터 통신이 가능하도록 하였다. Class C의
경우 상 하향 데이터 송수신 창을 항상 열어
둔 상태로서, 언제나 수신이 가능하나 가장
많은 전력을 소모하는 방법이다[2].
2.2.3. 대한민국 LoRa 요구사항
대한민국의 경우 LoRa주파수 대역은 920MHz
대가 할당되어 있으며 국내 요구사항으로는
LBT(Listen Before Talk)를 지원해야 한다.
한국의 LoRa 주파수 할당은 <표 1>과 같다.
Center frequency
Bandwidth(Khz)
Maximum EIRP output power(dBm)
For End device
For gateway
920.9 125 10 23
921.1 125 10 23921.3 125 10 23
921.5 125 10 23921.7 125 10 23
921.9 125 10 23922.1 125 14 23
922.3 125 14 23922.5 125 14 23
922.7 125 14 23922.9 125 14 23
923.1 125 14 23923.3 125 14 23
<표 1> 한국의 LoRaWAN 주파수 밴드[2]
3. End Device의 설계 및 실험
3.1 연구 내용 및 방법
본 연구에서는 LoRa 기술을 이용하여 축사
내부의 환경을 측정하는 환경 센서 보드(End
Device)와 측정된 데이터를 기반으로 여러 구
동 장치들을 유기적으로 동작시키는 환경관리
기(End Device)를 제작하고, Multitech사의
MultiConnect Conduit 게이트웨이를 사용하여
독립된 사설 무선네트워크망을 구축한다.
그리고 Conduit에서 제공하는 Node-RED를
이용하여 다수의 환경 센서로부터 센싱된 데
이터들이 효율적으로 전송되고 있는지를 모니
터링하고, 전송된 데이터와 연동하는 환경관
리기의 동작을 제어하는 시스템을 구성하여
End Device와 LoRa 무선네트워크망의 성능을
시험한다.
3.2. 실험을 위해 제작된 End Device3.2.1. 환경센서 (End Device)
환경 센서 보드는 센서의 출력신호를 LoRa
RF 무선통신을 이용하여 데이터를 전송하고
운영시스템은 이에 대응하는 환경제어장치를
구동한다. 제작된 환경 센서 보드는 온습도
센서, CO2 센서 보드, 조도 센서, 정전검출
기, 화재 검출기이다. 본 논문에서는 환경 센
서들이 측정한 측정값의 정밀도와 LoRa RF를
이용하여 데이터 전송 시 발생하는 Packet
Error Rate를 확인하여 RF 성능과 H/W 성능을
시험하고 평가한다.
3.2.2. 환경제어기 (End Device)
환경제어기는 환경 센서의 측정정보에 대응
하는 명령을 운영시스템으로 부터 전송받아
축사 내부의 각종 구동장치를 제어하는 장치
이다. 제작된 환경관리기는 환풍제어기, 냉방
제어기, 온방제어기, 액추에이터 제어기, 조
명제어기이다.
본 논문에서는 환경제어기의 수행 능력과
LoRa RF를 이용하여 데이터를 전송할 때 발생
하는 Packet Error Rate를 확인하여 RF 성능
과 H/W 성능을 시험하고 평가한다.
3.2.3. LoRa Gateway
LoRa 기반의 IoT 스마트 축사 시스템 구현에 관한 연구
구성된 LoRa 무선 네트워크 시스템은 각종
End Device들이 축사 내 외부 환경에서 수집
된 데이터를 게이트웨이에 Uplink하고
Node-RED를 이용하여 Uplink된 데이터를 저장
및 분석하여 필요시 Downlink를 통하여 환경
제어기에 제어명령을 전송하는 방식으로 구성
된 LoRa 사설 네트워크 시스템의 성능을 시험
한다.
3.2.4. LoRa Gateway의 설정
본연구에서 사용된 게이트웨이는 Multi
-tech 사의 MultiConnector Conduit을 사용하
였으며 LoRa 국내 요구사항인 LBT (Listen
Before Talk)를 적용하기 위하여 게이트웨이
에 장착된 RF 모듈(mCard)의 Firm ware를
FPGA v3.3으로 업데이트하였으며 LBT를 활성
화시켰다.
LoRaWAN 접속 과정에서 Dev EUI와 App EUI
는 단말기에 할당된 유일한 ID로 사용되며,
데이터 암호화를 위해서는 App Key가 사용된
다. 단순이 App EUI는 서비스를 구분하는 ID
이며 Dev EUI는 디바이스를 구분하는 ID이다.
만약 100개의 LoRa 단말기를 사용한다면, 모
든 LoRa 단말기의 Dev EUI는 중복될 수 없으
며, App EUI와 App Key는 100개 모두 동일할
수가 있다. 실험에서는 App EUI
00:00:00:00:00:00:00:03으로, App Key
00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00
:00:01로 모든 End Device 보드에서 동일하게
적용하였으며 Dev EUI만 각각의 고유한 ID를
붙여 사용하였다.
또한 용도별 End Device를 분류하기 위해서
Dev EUI 00:00:00:00:00:00:00:00의 마지막
숫자에 번호를 부여하여 구분하였다. 마지막
숫자가 20~29까지는 온습도 센서 보드에 부여
하며, 10~19는 CO2 센서 보드에 부여한다. 제
작된 다기능 보드는 센서와 환경관리기 기능
을 수행하지만 편의를 위해서 모두 환경관리
기의 Dev EUI 번호를 적용하여 마지막 숫자를
Dev EUI 00:00:00:00:00:00:00:30처럼 30~39
까지의 번호를 부여한다.
3.2.5. 사용된 LoRa RF 모듈의 특성
설계된 모든 End Device들은 사설망 또는
SK텔레콤 망과도 연동할 수 있는 무라타 전자
의 LoRa RF 모듈 CMWX1ZZABZ-078을 사용하였
다. <표 2>는 국내 SKT사의 LoRa 인증을 취득
한 LoRa RF 모듈의 특징이다.
Interfaces I2C, UART, USB, SPI Main ICs STM32L, SX1276
Reference Clocks
Integrated 32MHz clock (TCXO with frequency error=±2 ppm) and 32.768KHz clock (frequency error=±20 ppm)
Supported Frequencies
920 MHz
M o d u l e Size
12.5 mm x 11.6 mm x 1.76 mm (Max)
Weight 0.48g (Typ)
Package Metal Shield can
RoHS This module is compliant with the RoHS directive
<표 2> 무라타 전자 LoRa RF모듈의 특징
3.3. 제작된 환경 센서의 실험
3.3.1. 온습도 센서 보드
(그림 1) 제작된 온도, 습도 센서 보드
제작된 온습도 센서 보드(그림 1)는 LoRa 저
전력 무선통신을 위한 LoRaWAN Class A 프로
토콜을 이용하도록 코딩되었으며 온도, 습도
정보를 LoRa 게이트웨이를 통하여 서버로 상
향 전송한다. 사용된 LoRa RF 모듈은 데이터
전송에 실패할 경우 8번의 재전송을 기본적으
LoRa 기반의 IoT 스마트 축사 시스템 구현에 관한 연구
로 수행한다. 그러고도 서버로부터 Ack 신호
를 수신하지 못할 경우 송신을 포기하고 다음
에 전송할 온습도 데이터를 수집하도록 코딩
하였다. 또한 온습도 센서 보드는 배터리 소
모전력을 최소화하기 위하여 직전 전송된 온
도, 습도의 값과 새로 갱신되는 온도, 습도
값의 변화가 온도는 ±0.1℃ 또는 습도는
±0.5%이내 일 경우에는 측정된 데이터를 전
송하지 않도록 Firm Ware를 프로그램하여 소
비전력을 낮추고 배터리 수명을 극대화 시켰
다. 실험을 위하여 온습도 데이터의 앞에 헤
더 부분인 AT+SEND=1:20-TnH:A를 붙여 데이터
를 전송하였다.
3.3.2. 온습도 센서 보드의 실험환경
(그림 2) 온습도 센서 보드의 실험 환경 구성
온습도 센서 개별보드를 실험하기 위해서
(그림 2)와 같이 LoRa 무선네크워크 사설망을
구성하고 LoRaWAN 프로토콜을 Class A로 설
정하여 수집된 데이터를 1분 주기로 게이트
웨이에 전송하였다. 전송된 온습도 데이터를
Node-RED로 모니터링 하면서 온도, 습도 데
이터의 오차를 확인하고 Packet Error Rate
와 Class A 프로토콜 서비스를 이용할 경우
Tx, Rx, 대기 시 소비전류의 파형을 관찰하고
전류를 측정하였다.
3.3.3. 온습도 센서와 환경제어기의 연동 실험
온습도 센서 보드와 환경관리기의 연동 실
험에 사용될 구성품은 온습도 센서 보드 1대
와 습도가 높을 경우 환풍기를 동작시키기 위
한 환경제어기 1대, 냉방기, 난방기를 동작시
키기 위한 환경제어기 1대, 그리고 LoRa 무선
네트워크 통신을 위한 게이트웨이를 사용하여
(그림 3)과 같이 실험 환경을 구성하였다.
(그림 3) 온습도 센서 보드와 환경제어기 구성
본 실험에서는 온습도 센서 보드에서 측정
된 데이터를 LoRa 무선네트워크를 통하여 서
버에 전송하고 측정된 온습도가 설정된 온습
도를 벗어날 경우 Node-RED에서 환경제어기로
환풍기, 냉방기, 난방기를 제어함으로써 온습
도 센서 보드와 환경제어기의 유기적으로 연
동된 동작 상태를 확인하면서 진행하였다.
3.3.4. 온습도 센서 보드의 실험 결과
온습도 센서 보드의 기본 성능과 LoRa 무선
네트워크 실험은 온습도 센서 보드의 LoRaWAN
Class A 프로토콜로 설정하고 온습도 센서 보
드 1대를 1분에 1회 20-TnH:Axxxxx-yyyyy_
CNT=00000의 형식으로 온습도 데이터의 끝에
업로드 카운터를 붙여 29 Byte의 데이터를
2000회 전송하면서 Packet Error Rate를 실험
하였으며 <표 3>과 같이 2000회 모두 누락 데
이터 없이 수신되었다.
End Device
측정항목
전송률 LoRa
온습도 센서
보드 1개
온도 100%(2000 Packet)
Class A습도
1분에 1회 총 2000회의 Packet을 전송함
<표 3> 온습도 센서 보드의 전송률
LoRa 기반의 IoT 스마트 축사 시스템 구현에 관한 연구
또한 온습도 센서 보드 3대를 연결하고 동
시에 1분 간격으로 각각 126 Packet을 전송하
였으나 <표 4>와 같이 누락 데이터 없이 모두
전송되어 100%의 수신율을 보였다.
End
DevicePayload
전송 Packet
전송
률LoRa
온습도센서 보드0
29 byte 126회100%
Class
A
온습도센서 보드1
29 byte 126회100%
Class
A
온습도센서 보드2
29 byte 126회100%
Class
A
주) 3개의 센서를 1분에 1회 동시에 Packet을 전송함
<표 4> 온습도 센서 3개 동시 전송률
제작된 온습도 센서 보드의Payload 데이터 길
이는 20-TnH:Axxxxx-yyyyy_CNT=00000의 형식
을 사용함으로 29 Byte이다. 데이터 전송이
끝나면 Class A의 규약대로 1초 후 온습도 센
서 보드의 수신 윈도우가 열리며 이때는
15.21mA를 전류를 소비하였다. 데이터 전송할
때 Payload의 길이에 따른 소비전류의 펄스
폭과 1초 후 Rx Window가 열릴 때 소비전류의
펄스폭을 (그림 4)와 같이 Fluke 199C 스코프
메타로 관찰하였다.
변환온도 (℃)
온도오차
변환습도 (%)
습도오차
순 번CNT=
22.66 -0.13 51.24 0.54 00001
22.47 0.06 51.65 0.13 0000222.44 0.09 51.72 0.06 00003
22.29 0.24 52.15 -0.37 0000422.57 -0.04 51.94 -0.16 00005
22.60 -0.07 51.75 0.03 0000622.49 0.04 51.96 -0.18 00007
22.61 -0.08 51.88 -0.10 0000822.63 -0.10 51.76 0.02 00009
22.60 -0.07 51.81 -0.03 0001022.53 -0.03 51.78 -0.07 평균값
주) 온습도 오차는 평균값 대비 오차임. 주) 1분에 1회 총10회, 데이터를 전송.
<표 5> 온습도 데이터의 변환 및 오차
<표 5>의 오차는 정보통신 단체표준에서
배포한 표준 항목을 만족한다.
(그림 4) 온습도 센서 보드의 링크시
소비전류파형 (Payload 29byte)
본 실험으로 얻은 온도 및 습도의 측정정밀
도, LoRa Class A에 적합한 대기 전류 및 소비
전력, Packet Error Rate 등을 종합 할 때 제
작된 온습도 센서 보드는 만족할 만한 성능을
보였다.
3.3.5 온습도 보드의 특성
3.6V/2400mAh의 배터리 1개 사용 시 배터
리 사용 기간은 Payload 4 byte를 전송할 때
0.573mA가 흐름으로 10분에 1회 데이터 전송
시 약 4.78년 사용할 수 있으며 배터리 2개를
병렬사용 시 약 9.56년을 사용할 수 있다. 본
실험에서는 변조 또는 LoRa RF 실험을 진행하
지 않았으므로 RF 특성은 사용된 LoRa RF 모
듈의 특성을 표기하였다.
3.4. 제작된 환경 센서의 실험
3.4.1. CO2 센서 보드
(그림 5) 제작된 CO2 센서 보드
LoRa 기반의 IoT 스마트 축사 시스템 구현에 관한 연구
제작된 CO2 센서 보드(그림 5)는 CO2 센서부
와 센서의 정보를 I2C 통신을 이용하여 제어
및 데이터를 취득하고 Uart 포트를 통해 LoRa
RF로 데이터를 전달하는 제어 MCU 부, 그리고
취득한 데이터를 무선으로 게이트웨이에 전달
하는 LoRa RF 모듈부로 나누어 설계하였다.
CO2 센서 보드는 상향과 하향 통신이 자유
로운 LoRaWAN Class C 프로토콜을 이용하도록
코딩되었으며 측정한 이산화탄소의 농도 정보
를 서버로 전송한다. 그리고 서버로부터 받은
환경관리 명령을 수행하기 위하여 16개의
GPIO 포트를 사용할 수 있도록 외부로 커넥터
처리하였으며 이를 이용할 경우 CO2 센서 기
능과 환경관리제어기 기능을 동시에 사용할
수도 있다. CO2 센서 보드로만 사용할 경우에
는 16개의 GPIO 포트에 LCD를 연결하여 측정
된 이산화탄소 농도 값을 실시간으로 모니터
링할 수 있으며, CO2 센서 보드에 내장된
Uart 포트를 통해서도 9600 bps로 데이터 값
을 모니터링 할 수 있도록 Uart 포트를 커넥
터 처리하여 설계하였다.
실험을 위하여 CO2 센서 보드는 1분 간격으
로 수집된 이산화탄소 농도 데이터를 게이트
웨이로 전송하도록 프로그램되어있다. 사용된
LoRa RF 모듈은 데이터 전송에 실패할 경우 8
번의 재전송을 기본적으로 수행한다. 그러고
도 서버로 부터 Ack 신호를 수신하지 못할 경
우 전송을 포기하고 다음에 전송할 데이터를
수집하도록 코딩하였다.
3.4.2. CO2 센서 보드의 실험환경
(그림 6) 실험을 위한 CO2 센서 보드의 LoRa 구성도
CO2 센서 개별보드를 실험하기 위해서 (그림 6)과 같이 LoRa 무선네트워크망을 구성하
고 LoRaWAN 프로토콜을 Class C로 설정하여
측정된 이산화탄소 농도 데이터를 1분 주기로
LoRa 게이트웨이에 전송하였다. 전송된 CO2
데이터를 Node-RED로 모니터링 하면서 CO2 농
도 변화와 오차를 확인하고 Packet Error
Rate와 Class C 프로토콜을 이용할 경우
Uplink, Downlink 시 소비되는 전류파형을 관
찰하면서 CO2 센서 보드의 전체 소비전력을
측정하였다.
3.4.3. CO2 센서 보드의 연동 실험
(그림 7) CO2 센서 보드와 환경제어기 구성
실험을 위하여 CO2 센서 보드와 환경제어
기를 다음과 같이 구성하고 CO2 초기 설정값
을 표 3.8과 같이 500ppm으로 설정한 후 CO2
센서에 초기 설정된 CO2 농도 보다 높은 이산
화탄소 농도에 노출 시켰다. 이로 인하여 환
경제어기가 환풍기 릴레이를 동작시켰으며
CO2 센서의 환경을 설정된 500ppm ±25ppm 이
하의 환경을 만들어 주었을 때 환풍기 릴레이
가 동작을 중지하였다,
3.4.4. CO2 센서 보드의 실험결과
제작된 CO2 센서 보드의 실험은 LoRaWAN
Class C 프로토콜로 설정하고 1분에 1회
10-CO2:Axxxxx_CNT=00000의 형식으로 CO2데
이터의 끝에 업로드 카운터를 붙여 23Byte 의
데이터를 1000회 전송하고 Packet Error Rate
실험을 하였으며 <표 6>과 같이 모든 데이터
가 누락 없이 수신되었다.
LoRa 기반의 IoT 스마트 축사 시스템 구현에 관한 연구
End
Device
측정
항목
측정
범위전송률 LoRa
CO2 센서 보드
이산화탄소
0~5000ppm
100%(1000 Packet)
Class
C
주) 1분에 1회 총 1000회의 Packet 전송.
<표 6> CO2 센서 보드의 전송률
또한 수신된 CO2 농도의 오차는 <표 7>의
실험 결과와 같이 좋은 결과를 얻었다.
CO2 데이터(HEX)
변환데이터 (ppm)
오차(ppm)
순 번
01F9 505 -10 CNT=000020220 514 -19 CNT=00003
01F9 505 -10 CNT=0000401F1 497 -2 CNT=00005
01EB 491 4 CNT=0000601EB 491 4 CNT=00007
01E1 481 14 CNT=0000801E8 488 7 CNT=00009
01E7 487 8 CNT=00001001EB 491 4 CNT=00011
- 495 - 평균값주) CO2 오차는 평균값 대비 오차임.
주) 1분에 1회 총10회, 데이터를 전송.
<표 7> CO2 데이터의 변환 및 오차
CO2 센서 보드의 소비전류는 평상시 43mA가
흘렀으나 CO2 센서가 CO2 농도를 측정하기 위
하여 1초 주기로 적외선 LED를 ON할 때 마다
0.25초 동안 123mA의 전류를 주기적으로 소모
함으로써 LoRa Class C 프로토콜을 사용하였
다. (그림 8)의 파형은 제작된 CO2 센서 보드의 소
비전류 펄스폭을 Fluke 199C 스코프메타로 관
찰한 파형이다.
상기 실험으로 얻은 이산화탄소의 농도에 대
한 정확도, 소비전력, Packet 전송 성공률 등
을 종합할 때 제작된 LoRa CO2 센서 보드는 만
족할만한 성능을 보였다.
(그림 8) CO2 센서 보드의 소비전류 파형
3.5. 제작된 환경관리기의 설계 및 실험
3.5.1. 환경제어기 보드
(그림 9) 제작된 다기능 환경제어기
(그림 10) 다기능 환경제어기 회로도 1
환경관리기란 센서에서 전송된 신호정보를
기반으로 운영시스템으로부터 명령을 받아,
각종 구동장치를 제어하는 보드이다.
LoRa 기반의 IoT 스마트 축사 시스템 구현에 관한 연구
본 실험에서 제작된 환경관리기가 제어할
수 있는 장치들은 환풍기, 냉방기, 난방기,
엑추에이터, 정전검출기, 화재검출기, 조도제
어장치이다.
3.5.2. 환경제어기의 실험환경 구성
(그림 11) 환경제어기의 실험환경
센서에서 전송된 신호정보를 LoRa Gateway
를 통하여 Web Server에 전달하고 Node_RED에
서 센서의 정보를 분석하여 필요시 환경제어
명령을 LoRa 무선네트워크를 통하여 환경제어
보드에 전달하도록 (그림 11)과 같이 실험 환
경을 구성하였다. 실험에서는 환경제어보드는
각종 구동장치를 제어하기 위하여 릴레이를
구동하여 제어장치의 동작을 확인한다.
3.5.3. 환경제어기의 환풍기 구동 실험
환풍기 구동은 환경제어기의 P5 커넥터 Pin
6번에 연결된 GPIO 포트를 이용하여 환풍기
구동용 릴레이를 ON, OFF시킨다. 실험은 CO2
센서 보드에서 수집된 이산화탄소의 농도는
LoRa RF를 통하여 게이트웨이에 전달된다. 이
를 웹서버의 Node_RED에서 이미 설정된 CO2
농도의 기준값과 비교하여 기준값을 벗어날
경우 LoRa RF를 통하여 환경제어보드에 환풍
기 구동 명령을 전달한다. 환경제어보드는 환
풍기 구동용 릴레이를 ON 시켜서 축사 내 이
산화탄소의 농도를 낮춘다. AC 위상제어 방식
을 사용하는 환풍기일 경우 커넥터 P2,
Pin1,3번을 이용하여 D/A컨버터에서 생성된
0-5V를 환풍기 회전수 제어 입력 단자에 공급
하여 환풍기의 RPM을 제어할 수 있다.
본 실험에서 CO2 센서에 표준 CO2 가스
2000ppm을 주입하여 기준값으로 설정된
500ppm을 초과시키고 환풍기 구동용 릴레이의
ON 상태를 확인한다. 그 후 서서히 공기를 주
입시켜 CO2 가스의 농도를 희석시켰을 때 CO2
가스가 기준값 이하에서 환풍기 구동용 릴레
이가 OFF로 전환되는 상태를 실험을 통하여
확인했다.
3.5.4. 환경제어기의 냉방기, 온방기 구동 실험
냉방기 온방기 구동은 환경제어기의 P5 커
넥터 Pin 5,6번에 연결된 GPIO 포트를 이용하
여 Pin 5번은 냉방기 구동용 릴레이에 연결하
고 Pin 6번은 난방기 구동용 릴레이에 연결하
여 온습도 센서값에 연동하는 릴레이를 ON,
OFF 시킨다. 실험은 온습도 센서에서 수집된
온도를 설정된 기준값과 비교하여 기준값보다
높을 경우 냉방기 구동용 릴레이를 ON 시키고
기준값보다 낮을 경우 온방기 구동용 릴레이
를 ON 시킨다.
본 실험에서는 온습도 센서의 온도를 인위
적으로 높이고 기준값으로 설정된 25℃를 초
과시켜 냉방기 구동용 릴레이의 ON 상태를 확
인하고 다시 온습도 센서의 온도를 기준값으
로 설정된 25℃ 이하로 낮추었을 때 온방기
구동용 릴레이가 ON으로 전환되는 상태를 실
험을 통하여 확인했다.
3.5.5. 환경제어기의 액추에이터 구동 실험
액추에이터 구동은 비례제어 방식의 액추에
이터를 사용하였으며 Open과 Close 명령으로
사용되는 입력 신호는 DC 0~5V를 사용하였다.
액추에이터의 위치는 F/B(Feed Back) 되는
4-20mA를 백분율로 환산하여 현재의 액추에이
터 위치를 파악한다. 회로도에서 커넥터 P1
Pin 1번은 액추에이터의 위치제어 명령을 전
달하는 신호로서 DC 0-5V의 신호를 사용한다.
이 신호 전압으로 DC 2.5V를 입력할 경우 액
추에이터는 Open과 Close 사이의 중앙지점인
LoRa 기반의 IoT 스마트 축사 시스템 구현에 관한 연구
50%의 위치에서 멈춰있게 된다. 현재 위치는
액추에이터에서 사용자에게 제공된 출력 신호
4-20mA Feed Back 신호를 이용한다. 커넥터
P1 Pin 3번으로 4-20mA의 신호가 들어오면 병
렬로 연결된 250Ω의 저항(V=250Ωx0.02A=5V)
양단에서 전압으로 변환되고 Rail to Rail
OPAMP인 U4의 MCP602를 통하여 제어용 MCU의
10bit A/D 컨버터 포트로 연결된다. 제어용
MCU는 이 전압을 백분율로 환산하여 현재 액
추에이터 위치를 추종할 수 있다. 액추에이터
구동 시험은 급이 시설이나 관수용 액추에이
터를 제어하는 실험으로서 축사 내 물과 사료
를 공급할 수 있으며 스프링클러의 물 공급제
어, 배수를 위한 밸브 제어 등에 적용할 수 있
다.
실험은 서버에서 환경제어보드에 0~255의
제어신호를 전송하면 환경제어기의 제어용
MCU는 U3의 DAC7512 D/A 변환기를 이용하여
DC 0-5V로 변환하고 이 신호값에 대응하는 액
추에이터의 위치를 제어한다. 액추에이터의
현재 위치는 F/B 된 4-20mA의 신호를 1-5V로
변환한 후 제어용 MCU의 A/D포트로 읽어 현재
위치를 확인했다.
3.5.6. 환경제어기의 조도제어 실험
축사 내부 조도를 항상 일정하게 유지시키
기 위하여 조도 센서로부터 축사의 조도를 실
시간으로 수집하고 축사 내 조도가 설정된 기
준치보다 높을 경우 LED 안정기의 조도 제어
입력 DC 0~10V 단자에 낮은 전압을 공급하여
조도를 낮춘다. 또한 축사 내 조도가 설정된
기준치 보다 낮을 경우 LED 안정기의 조도 제
어 입력 0~10V 단자에 좀 더 높은 전압을 공급
함으로써 축사 내부 조도를 높여, 항상 축사
내부를 일정한 조도로 유지한다. 만일 전체조
도의 변경이 필요할 경우 서버로부터 조도 제
어 명령을 받아 축사 내부 조도를 변경할 수
도 있다.
제작된 다기능 환경제어기는 U7, U8
DAC7512 2개를 사용하여 2개의 독립된 12bit
D/A 변환 포트를 가지고 있으며 커넥터 P2의
Pin1, 3번으로 연결되어 있다. LED를 구동하
는 안정기는 LG Innotek의 PIFC1201A로서 조
도제어용 Dim+, Dim- 의 입력 단자를 가지고
있으며 이 단자에 DC 0-10V를 전달하여 조도
를 제어할 수 있다. 조도 센서는 Vishay사의
VEML7700을 사용하였으며 현재의 조도를 I2C
통신을 이용하여 제어용 MCU에게 전달하며 측
정범의는 0-160 Klux까지 측정이 가능하다.
본 실험에서는 희망조도를 서버에서 단말기
로 전송하면 제어용 MCU는 U7 DAC7512를 이용
하여 D/A 변환하고 희망 조도값에 도달할 수
있도록 Dim+, Dim- 단자에 단계적으로 전압을
가하면서 조도센서의 출력 값을 읽어 희망 조
도에 도달하면 Dim+, Dim- 단자에 단계적으로
가해지는 전압을 멈추어 희망 조도를 맞춘다.
이후부터 외부조건으로 인하여 조도가 변화
하면 조도 센서가 이를 감지하여 LED 조도를
높이거나 낮추어 항상 축사 내 조도를 희망
조도값으로 일정하게 유지 시키며 이는 서버
의 명령과 관계없이 이루어진다. 축사 내 희
망 조도 값은 언제든 서버에서 단말기로 내려
받을 수 있다. 조도관리는 축산물의 성장과
번식 등에 관계가 있다는 연구보고가 있다
[3].
3.5.7. 환경제어기의 정전검출 실험
정전검출 장치는 축사 내부에 공급되는 상
용전원의 공급 중단을 검출하는 환경제어장치
로써 LoRaWAN Class A를 사용하여 정전 시에
도 정전검출 장치는 배터리 동작하여 서버에
정전을 통보한다. 자동화 시스템을 도입한 축
사에서 정전 시 모든 제어장치가 동작 중단됨
으로 이로 인한 축산물의 대량폐사를 막기 위
한 장치이다.
본 실험에서는 환경제어보드의 입력포트에
정전검출센서를 연결하고 상용전원의 공급을
중단시켰을 때 정전 신호를 서버로 전송하고
Node-RED로 정전 신호의 유무를 확인한다, 실
험에서는 정전 발생 시 수용가에 정전을 통보
LoRa 기반의 IoT 스마트 축사 시스템 구현에 관한 연구
하는 휴대폰 메시지 전송실험은 하지 않았다.
3.5.8. 환경제어기의 화재검출 실험
화재검출장치는 760nm~1100nm의 불꽃 파장
대역을 검출하여 축사 내부의 화재 발생 여부
를 인식하는 환경제어장치로써 LoRa- WAN
Class A를 사용하여 화재가 발생해도 정전과
관계없이 화재 발생을 서버로 전송하여 화재
로 인한 축산농가의 피해 발생을 최소화하기
위한 장치이다. 실험에서는 환경제어장치의
입력포트 커넥터 P5 Pin6번 GPIO 포트에 불꽃
감지 센서 모듈 ONE025를 연결하였다. ONE025
는 760nm~1100nm의 불꽃 파장 대역에만 반응
하는 센서 모듈이며 출력은 디지털 포트와 아
날로그 포트가 있으나 실험에서는 디지털 포
트를 사용하였다.
본 실험에서는 화제검출 센서에 불꽃을 인
위적으로 노출 시켰을 때 화재검출 센서의 디
지털 포트는 High에서 Low로 전환되며 제어용
MCU는 이 신호를 서버로 전송하고 Node-RED로
화재 유무를 확인한다, 불꽃 감지 센서 모듈
ONE025는 실험을 위하여 사용할 수는 있으나
실제 축산환경에서는 화재감지 범위가 좁고
신뢰성의 문제가 있음으로 좀 더 신뢰할 수
있는 센서의 선택이 필요하다. 실험에서는 화
재 시 수용가에 화재 발생을 통보하는 휴대폰
메시지 전송실험은 하지 않았다.
3.5.9. 환경제어기의 Packet 전송 시험결과
실험에서 환경관리기는 동시에 1분 간격으
로 각각 100 Packet을 상향 전송하고 서버는
결과값으로 환경관리기에게 하향 전송하는 방
식으로 Packet Error Rate를 실험하였으며
<표 8>과 같이 상향데이터는 모두 전송되어
100%의 전송 성공률을 보였다. 또한 서버로부
터 100 Packet을 하향 전송하고 Packet Error
Rate를 분석한 결과도 상향 전송과 동일하게
100% 수신율을 보였다.
환경제어기
연동동작
동작범위
전송성공률
LoRa
환기팬 제어기
CO2센서 보드
설정값
상향 100%하향 100%
Class C
냉온풍기 제어기
온습도 센서 보드
설정값
상향 100%하향 100%
Class C
정전 검출기
상용전원
85V~265VAC
상향 100%
Class A
화재 감지기
불꽃센서
760nm ~
1100nm
상향 100%
Class A
액추에이터 제어기
Node-RED
Node-RED
하향 100%
Class C
조도 검출기
LED조명기기
0~120Klx
상향 100%하향 100%
Class C
주) 1분에 1회 총 100 Packet 전송
<표 8> 제작된 환경관리기의 전송 성공률
4. 통합 시스템의 구성 및 실험
4.1. LoRaWAN 통합 시스템의 구성
(그림 12) LoRaWAN 통합 실험 환경 구성도
LoRaWAN 통합 시스템 실험은 그림 4.1과
같이 다수의 센서와 다수의 환경관리기가
LoRa RF로 연결되어 센서의 데이터를 웹서버
에 저장하고 분석하여 환경제어명령을 환경
관리기에 전송하도록 구성되어 있다.
LoRa 기반의 IoT 스마트 축사 시스템 구현에 관한 연구
실험에 사용된 센서는 온습도 센서 보드 4
개, CO2 센서 보드 1개, 환경제어기 3개로 구
성되어 있으며 환경제어보드는 센서에서 측
정되어 보내진 데이터에 유기적으로 연동하
는 환풍기 제어, 냉 온풍기 제어, 조도 제어,
정전검출, 화재검출기능을 수행한다. 통신을
위한 게이트웨이는 멀티텍사의 MultiConnect
Conduit을 사용하였고 센서값의 수신 데이터
는 Node-RED를 이용하여 확인하였다.
4.2. 스마트 축사 시스템의 통합 성능실험
통합 성능실험의 목적은 LoRa 무선네트워크
의 데이터 전달 성능과 다수의 센서들이 전송
한 데이터를 확인하고, 전송된 데이터와 연동
하는 환경관리기들의 유기적인 동작 상태를
확인한다.
또한 다수의 센서 및 환경관리기에서 전송
된 데이터들의 Packet Error Rate를 분석하여
시스템의 신뢰성을 확인하고 LoRa Network를
기반으로 한 통합시스템이 대단위 축산농가를
위한 시스템으로서의 적합성 여부를 시험하는
데 있다.
(그림 13) LoRaWAN 통합 실험 장면
4.3. 통합 시스템의 전송오류실험
온습도 센서 보드 4개, CO2 센서 보드 1개,
환경제어기 3개를 LoRaWan으로 연결하고 각각
의 센서에서 수집된 데이터의 끝에 카운터를
달아서 1분에 1개의 데이터를 전송하는 방식
으로 End Device당 100개의 데이터를 서버로
전송하여 Packet Error Rate를 분석하였다.
구 분
End Device
Q‘ty Payload Packet 전송률
센서
온습도 센서 보드
4 29 Byte 100회 100%
CO2 센서 보드
1 23 Byte 100회 100%
환경제어기
환기팬 제어기엑추에이터
제어기
1 25 Byte 100회 100%
냉온풍기
제어기1 14 Byte 100회 100%
화재 감지기
1 14 Byte 100회 100%
조도 제어기
1 14 Byte 100회 100%
정전 검출기
1 14 Byte 100회 100%
주) 1분에 1회 Packet 전송주) 실험실 내에서 근거리 Packet 전송 실험한 결과임.
<표 9> 통합 환경에서의 Packet 전송 실험
결과
4.4 전송 거리 실험
영종도 증산동에서 구읍 뱃터 까지 왕복
5Km를 도보로 (그림 14)에서처럼 이동하며 약
1분마다 한 개의 데이터를 자동 전송하는 방
식으로 총 106개의 데이터를 전송하였다.
실험 조건은 3층 건물 중 2층에 있는 실험
실 안쪽으로 LoRa 게이트웨이를 창문 높이로
고정시킨 상태이다. 지도상 A점은 직선거리
1.6Km로 비 가시거리의 위치이고 구읍 뱃터
안쪽에 호텔등을 포함한 10층 이상의 건물들
이 밀집된 지역이다. B점은 직선거리 1.5Km로
LoRa 기반의 IoT 스마트 축사 시스템 구현에 관한 연구
가시거리가 확보된 40~50m정도의 낮은 야산이
다. C, D점은 직선거리로는 600~900m의 비 가
시거리이며 20층 이상의 고층 아파트 밀집 지
역이다.
(그림 14) LoRa 전송 거리 실험
<표 10>은 이동 중 Packet 전송 성공률이
다. 온습도 센서의 Payload는 29 Byte 였으
며, CO2센서의 Payload는 23 Byte의 조건으로
1.6Km 도보로 이동하면서 1분에 1회 Packet을
전송한실험 결과이며 2개의 누락된 데이터는
밀폐된 건물 내에서 전송된 데이터이다.
구
분
End
Device수량 Packet
통신
거리
전송성공
률
센
서
온습도 센서 보드
1 106회 1.6Km98.11%
104회
CO2센서 보드
1 106회 1.6Km98.11%
104회
<표 10> 이동 중 Packet 전송 시험 결과
4.5. 결론 및 향후 연구 방향
본 연구에서는 LoRa Network의 데이터 속
도, 프레임 형식, 확산 계수, 수신기 감도 등
LoRa 변조에 대한 실험은 많은 논문에서 다루
어졌기에 실험하지 않았다.
제작된 End Device인 센서들과 환경제어기
들의 데이터 값의 정밀도, 전송 거리에 따른
Packet Error Rate, 센서값에 대응하는 환경
제어기들의 유기적인 동작 상태, 전기적 특성
위주로 각각의 End Device들의 성능을 시험하
였다. 그리고 실험결과를 토대로 실제로 축산
농가에 설치 시 통합시스템의 적합성 여부에
실험의 목적을 두었다.
그러나 향후에는 본 실험에서 제외된 암모
니아 센서, O2 센서, 차압 센서, 풍속센서를
추가로 설계, 제작하고, 안정적인 LoRa 네트
워크망을 구축하여 시스템 전체의 신뢰성을
향상시키고 App 서버를 활용하여 빅 데이터를
기반으로 하는 스마트 축사의 구현 방법에 대
한 연구가 필요하다.
5. 결 론
본 논문에서는 가축 생육에 적합한 환경을
효율적으로 제어하고 운용하기 위하여 LoRa를
이용한 스마트 축사 무선 네트워크 시스템을
제안하였다. LPWA통신을 사용하는 사물인터넷
기반의 스마트 센서 중 기존의 무선 네트워크
시스템에 사용되는 WiFi, Zigbee, Bluetooth
등은 데이터의 속도 면에서는 우수하지만, 안
정성이 낮고 근거리 위주의 통신기술이라서 4
차 산업혁명에 적합한 IoT 시스템에 적용하기
에는 어려움이 있다.
제안된 시스템은 저 전력 장거리 커버리지
를 특징으로 하며 보안과 저비용의 장점까지
갖춘 LoRa 기술을 이용하여 환경 센서와 환경
관리기를 설계, 제작하였다. 제작된 End
Device를 실험하기 위하여 Multitech사의
Conduit 게이트웨이를 이용하여 독립형 사설
네트워크망을 구성하고 서버에서 End Device
들의 데이터를 저장 및 모니터링하면서 센서
와 환경관리기, 게이트웨이의 성능을 시험,
평가하였다.
제작된 온습도 센서 보드는 LoRa Class A
LoRa 기반의 IoT 스마트 축사 시스템 구현에 관한 연구
프로토콜을 사용하며 측정오차는 –20℃~+80℃
의 범위를 측정할 경우 온도 ±0.13℃, 습도
±0.37%의 오차를 보였다. 소비전류는 슬립
모드 때 60uA, Payload 4byte일 경우 소비전
류는 상향 42.27mA, 하향 15.21mA, 평균 소비
전류는 0.573mA가 흘렀다. 사용된 배터리는
3.6V/ 2400mAh AA Size x 2개이며 10분에 1회
데이터를 전송할 경우 9.56년을 사용할 수 있
다.
온습도 데이터 전송 신뢰성을 시험하기 위
하여 1분에 1회 상향 Packet 2000회를 전송하
고 전송 성공률을 실험한 결과 누락된 데이터
없이 100% 전송 성공률을 보였다. 또한 제작
된 CO2 센서 보드는 LoRa Class C 프로토콜을
사용하여 언제든 상 하향 통신이 가능하며,
측정오차는 0~5000ppm의 범위를 측정할 경우
+14ppm/–19ppm의 오차를 보였으며 소비전류는
상향 50mA, 하향 45.2mA, 대기 시 평균소비전
류는 30mA가 흘렀다. CO2 데이터 전송 신뢰성
을 시험하기 위하여 1분에 1회 상향 Packet
1000회를 전송하고 전송 성공률을 실험한 결
과 누락된 데이터 없이 100% 전송 성공률을
보였다.
제작된 End Device들과 게이트웨이와의 통
합 환경에서 성능을 평가하기 위하여 온습도
센서 보드 4개, CO2 센서 보드 1개, 환경관리
기 5개에 각각의 Dev EUI를 부여하고 통합 환
경에서의 온습도 센서 보드와 CO2 센서 보드
의 측정값과 연동하는 환경관리기의 동작 상
태를 실험하였다.
그 결과 측정된 온도가 설정치를 벗어날 경
우 환경제어기는 냉방기와 난방기 구동 릴레
이를 동작시켰으며, 측정된 CO2 농도가 설정
치보다 높을 경우에는 환경제어기는 환풍기
구동 릴레이를 동작시켰으며 온도, 습도, CO2
농도가 설정된 경보 값을 벗어날 경우나 정전
검출 및 화재검출 시 전송된 데이터를 분석하
여 서버가 이를 인식하였다.
그리고 통합 환경에서 전송 신뢰성을 확인
하기 위해서 상 하향 Packet을 1분에 1회씩
100회 전송하고 Packet Error Rate를 분석한
결과 100회 모두 누락된 데이터 없이 전송되
었다. 가시거리 1Km 이상의 통신 거리에서도
안정된 데이터 전송률을 유지하였으며 End
Device들의 추가 및 제거에도 오류 없는 유연
성을 확인하였다. 통합시스템에서의 센서 및
환경관리기의 실험 결과는 기존의 센서 네트
워크 기술보다 향상된 성능을 보였으며 대규
모 축사의 구축 및 증설에 효율적인 솔루션을
제공한다.
또한 독립형 사설 네트워크망을 구현함으로
써 시스템의 보안을 강화하고 End Device에서
Packet 전송 시 Payload 당 과금되는 비용 문
제를 해결할 수 있었으며 전국 LoRa 망 사업
을 이미 끝낸 SKT 사의 Thingplug 망과도 연
동 할 수 있도록 SKT에서 인증을 받은 무라타
사의 LoRa RF모듈 Chip을 설계에 적용하여 사
설망과 상용 망을 선택적으로 이용할 수 있도
록 설계하였다.
현재 국내 기업의 LoRa 기술은 디바이스 부
분과 테스트 부분에서는 경쟁력을 확보였으나
게이트웨이와 네트워크 서버 관련 기술 분야
는 부족한 것으로 파악됨으로[20] 향후에는
LPWA 통신기술을 기반으로 하는 저가의 End
Device 설계와 안정적인 LoRa 무선네트워크의
구축 및 H/W 설계 방법에 대한 기술적 선점이
요구된다.
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http://www.multitech.net
[11] LoRa and LoRaWAN 관련정보
https://lora-alliance.org/
[12] http://www.daliworks.net/
[13] https://www.digikey.kr/
[14] 센서네트워크 통신기술의 비교
https://spri.kr/posts/view/21795?code=col
umn
[15] TTAK.KO-10.0979,“스마트축사를 위한
외기 센서 인터페이스”,2016.
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