KR102470494B1 - 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치에 관한 것으로서, 건설 현장 내 사물인터넷(IoT) 기기를 관리하고, 원격의 관제 서버와의 인터넷 네트워킹을 수행하는 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치에 있어서, 지그비, 지-웨이브, 블루투스 중 어느 하나의 무선 통신 방식으로 사물 인터넷망을 통해 IoT 기기와 연결되는 제1 통신 모듈; 와이파이-헤일로(Wi-Fi HaLow)를 통해 상기 관제 서버와의 데이터 중계를 담당하는 무선접속장치와 연결되는 제2 통신 모듈; IoT 관리 허브 장치의 내외부 온도와 습도를 감지하는 센서 모듈; 상기 관제 서버와 사전에 협의된 통신 프로토콜에 기초하여 상기 제1 통신 모듈을 통해 수신한 수신 데이터에 자신의 상태 데이터를 결합한 송신 데이터를 생성하여 기 설정된 송신주기마다 상기 제2 통신 모듈을 통해 상기 관제 서버로 송신하고, 상기 관제 서버로부터 수신되는 제어신호를 상기 제1 통신 모듈을 통해 해당 IoT 기기로 전송하는 제어 모듈; 및 상기 IoT 관리 허브 장치의 동작에 필요한 전원을 제공하는 배터리를 포함하는 것이다.

Description

건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치{IoT management hub apparatus for construction sites}
본 발명은 건설 현장 내 통신 커버리지를 넓히면서 통신 품질을 보장할 수 있도록 하는 건설현장용 사물인터넷 관리 허브 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 일 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
사물인터넷(Internet of Thing, IoT)기술이란 사물지능통신(Machine to Machine, M2M)의 확장으로서 단말 노드들을 인터넷에 연결시켜 발생되는 정보들을 이용하여 실체화하고 사용자들의 접근을 용이하게 만들어 다양한 서비스가 가능하도록 구현한 기술이다.
최근 건설현장에서의 안전사고를 방지하기 위하여 건설안전시스템과 정보통신 기술을 융합한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 특히, 사물인터넷(IoT)을 이용한 건설현장 안전 시스템은 건설장비와 근로자 작업모에 센서를 붙이고 센서를 통해 현장 위험 여부를 판단해 작업자와 장비 조종자 등에게 경보 및 알람음을 보내주는 기술이다.
건설 현장에서는 사용되고 있는 IoT 기기들은 RF 신호를 기반으로 작업자와 장비의 위치를 파악하거나 상대적인 거리를 측정하여 알림을 주는 형태로 제작되고 있다.
대부분의 건설 현장은 지하 공간, 지상 공간 등을 비롯해 광범위한 면적에서 작업이 이루어지고 있고, 각 건설 현장에 설치된 IoT 기기들을 관리하고, 원격의 서버와 통신을 하기 위해 인터넷 네트워킹이 가능하도록 허브, 중계기 등의 필요하다.
건설 현장에서 사용되고 있는 일반적인 허브는 IoT 서비스를 위하여 인터넷 연결이 필요기 때문에 AP에 접근하기 위하여 SSID의 검색과 선택, 그리고 보안키의 입력이 필요하다. 그렇기 때문에 SSID를 확인할 수 있는 디스플레이 장치와 보안키를 입력할 수 있는 입력 장치가 허브에 장착되어야 한다. 그러나, 디스플레이 장치와 입력 장치가 허브에 구성되어 있다면 허브 자체 크기가 불필요하게 커질 것이고, 장치의 가격 또한 상승될 될 우려가 있다.
무엇보다도, 건설 현장에 설치되는 수십 개에서 수백 개의 허브에 디스플레이 장치와 입력 장치가 구성되는 경우에, 허브의 관리와 수거 자체가 어려워질 수 있다. 만일 허브에 디스플레이 장치와 입력 장치가 구성되지 않더라도, 관리자가 자신의 단말(PC 등)과 유선으로 허브를 연결하여 SSID의 검색과 선택, 그리고 보안키의 입력, 펌웨어 업그레이드를 수행할 경우에 허브 관리와 인터넷 연결에 많은 시간과 노력이 소요되는 문제점이 있다.
또한, 기존의 사물인터넷(IoT)을 이용한 건설현장 안전 시스템은 허브에서 수집한 데이터를 무선 인터넷을 통해 서버에 전송하기 위해 와이파이 기반의 액세스 포인트(AP)를 사용하고 있지만, 와이파이 통신 방식은 AP가 설치된 곳을 중심으로 일정 거리(30~200m) 이내에서만 인터넷을 이용할 수 있고, 통신 간섭에 취약하여 통신 장애가 발생하기 쉬울 뿐 아니라, 콘크리트벽, 전파환경(건물 지하, 엘리베이터 내부, 밀폐공간 등), 금속 성분의 장애물 등에 의해 전파 손실과 전파 방해가 크다는 문제점이 있다. 이러한 통신 문제를 해결하기 위해 5G/LTE 이동통신을 이용한 무선 인터넷을 이용하여 통신 음영 지역, 전파 손실, 전파 방해 요소를 해소할 경우에 건설 현장의 규모에 따라 통신 비용이 상승하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 통신 신호가 약한 건설 현장에서 IoT 기기들 간의 원활한 연결을 위해 IoT 기기들을 통합해 관리할 수 있는 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치를 제공하는 것에 목적이 있다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치는, 건설 현장 내 사물인터넷(IoT) 기기를 관리하고, 원격의 관제 서버와의 인터넷 네트워킹을 수행하는 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치에 있어서, 지그비, 지-웨이브, 블루투스 중 어느 하나의 무선 통신 방식으로 사물 인터넷망을 통해 IoT 기기와 연결되는 제1 통신 모듈; 와이파이-헤일로(Wi-Fi HaLow)를 통해 상기 관제 서버와의 데이터 중계를 담당하는 무선접속장치와 연결되는 제2 통신 모듈; IoT 관리 허브 장치의 내외부 온도와 습도를 감지하는 센서 모듈; 상기 관제 서버와 사전에 협의된 통신 프로토콜에 기초하여 상기 제1 통신 모듈을 통해 수신한 수신 데이터에 자신의 상태 데이터를 결합한 송신 데이터를 생성하여 기 설정된 송신주기마다 상기 제2 통신 모듈을 통해 상기 관제 서버로 송신하고, 상기 관제 서버로부터 수신되는 제어신호를 상기 제1 통신 모듈을 통해 해당 IoT 기기로 전송하는 제어 모듈; 및 상기 IoT 관리 허브 장치의 동작에 필요한 전원을 제공하는 배터리를 포함하는 것이다.
또한, 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치는, 상기 제어 모듈에 대한 디버깅을 위한 인터페이스를 제공하는 디버그 포트; 상기 IoT 관리 허브 장치의 전원 온/오프, 리셋, WPS(Wi-Fi Protected Setup) 기능을 선택하기 위해 구비되는 버튼; 및 상기 제어 모듈과의 인터페이스를 통해 시간 정보를 제공하는 실시간 클록(Real-Time Clock, RTC)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 송신 데이터는, 헤더 데이터, 상기 IoT 관리 허브 장치의 식별 데이터, 전송 데이터 개수, 상태 데이터, IoT 기기의 식별 데이터, IoT 기기의 수신 데이터를 포함하고, 각 데이터 경계를 구분자를 이용하여 구분하는 데이터 패킷 구조로 생성되는 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 상태 데이터는, 상기 IoT 관리 허브 장치의 현재 온도 데이터, 습도 데이터, 배터리 잔량 데이터, 펌웨어 버전 정보를 포함하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 제어 모듈은, 상기 수신 데이터에 비상상황 알림을 표시한 데이터값이 설정된 경우에, 상기 송신 주기와 상관없이 상기 수신 데이터를 수신한 시점에 송신 데이터를 생성하여 상기 관제 서버로 송신하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 제어 모듈은, 사전에 허가된 관리자 단말이 네트워크 설정 권한을 수행하기 위한 어플리케이션을 저장하고, 상기 어플리케이션을 통해 상기 관리자 단말과 무선 통신으로 연결되어 주변의 무선 접속장치에 대한 검색, 타겟 무선 접속장치의 선택, 보안키 설정을 수행하도록 하는 것이다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 본 발명은 건설 현장 내 통신 커버리지를 넓히면서 통신 품질을 보장할 수 있도록 와이파이-헤일로, 지그비, 지웨이브, 블루투스 등의 통신 방식을 지원할 수 있고, 각종 IoT 기기로부터 데이터를 수집 및 관리할 수 있는 IoT 관리 허브 장치를 제공하고, 무선 접속 장치에 접속시 별도의 디스플레이 장치와 입력 장치가 필요없이 관리자 단말을 통해 간단히 원하는 무선접속장치에 접속할 수 있어 허브 자체를 소형화 및 저가격화로 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치가 건설 현장에 적용된 상태를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안전벨의 작업자 충격 감지 알고리즘을 설명하는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안전벨의 옹벽 붕괴 알고리즘을 설명하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 IoT 관리 허브 장치의 데이터 포맷을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 IoT 관리 허브 장치의 데이터 패킷 구조를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치의 동작 과정을 설명하는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치의 초기 동작 과정을 설명하는 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치의 AP 접속 과정을 설명하는 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 ‘단말’은 휴대성 및 이동성이 보장된 무선 통신 장치일 수 있으며, 예를 들어 스마트 폰, 태블릿 PC 또는 노트북 등과 같은 모든 종류의 핸드헬드(Handheld) 기반의 무선 통신 장치일 수 있다. 또한, ‘단말’은 네트워크를 통해 다른 단말 또는 서버 등에 접속할 수 있는 PC 등의 유선 통신 장치인 것도 가능하다. 또한, 네트워크는 단말들 및 서버들과 같은 각각의 노드 상호 간에 정보 교환이 가능한 연결 구조를 의미하는 것으로, 근거리 통신망(LAN: Local Area Network), 광역 통신망(WAN: Wide Area Network), 인터넷 (WWW: World Wide Web), 유무선 데이터 통신망, 전화망, 유무선 텔레비전 통신망 등을 포함한다.
무선 데이터 통신망의 일례에는 3G, 4G, 5G, 3GPP(3rd Generation Partnership Project), LTE(Long Term Evolution), WIMAX(World Interoperability for Microwave Access), 와이파이(Wi-Fi), 블루투스 통신, 적외선 통신, 초음파 통신, 가시광 통신(V LC: Visible Light Communication), 라이파이(LiFi) 등이 포함되나 이에 한정되지는 않는다.
이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 동일 범위의 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치가 건설 현장에 적용된 상태를 설명하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치의 구성을 설명하는 블록도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 IoT 기기인 안전벨의 작업자 충격 감지 알고리즘을 설명하는 순서도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 IoT 기기인 안전벨의 옹벽 붕괴 알고리즘을 설명하는 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 사물인터넷(IoT)을 이용한 건설현장 안전 시스템은 다양한 IoT 기기(10), IoT 관리 허브 장치(100) 및 관제 서버(200)를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
IoT 기기(10)는 안전벨 뿐만 아니라 GPS 위치, 모션, 장비 중량, 위치, 이동, 무게중심, 온도, 가스감지, 화재 감지 등을 감지할 수 있는 각종 센서들을 포함할 수 있다. 특히, 건설 현장에서 대표적인 IoT 기기인 안전벨은 작업자의 안전모, 벨트, 안전 의복, 옹벽 등에 설치되고, 가속도, 자이로, 지자기 각각 3축(X, Y, Z)을 지원하는 9축 센서를 비롯해 GPS 센서, 위치인식/동작 센서 등을 포함한다.
이러한 안전 벨은 사용 용도에 따라 안전벨 모드 또는 옹벽벨 모드로 동작될 수 있고, 모드에 따라 임계값을 다르게 설정할 수 있다. 이때, 관제 서버(200)는 IoT 관리 허브 장치(100)를 통해 안전벨의 임계값을 설정할 수 있다. 따라서, 안전벨은 안전벨 모드로 동작시, 가속도와 자이로를 이용하여 충격 정도를 계산하여 작업자의 쓰러짐을 감지할 수 있고, 옹벽벨 모드로 동작시 가속도, 자이로, 지자기 모두를 사용하여 옹벽의 경사가 변하거나 금이 갈 때의 붕괴 또는 충격을 감지할 수 있다.
이러한 안전벨은 안전벨의 충격값/회전값, 옹벽의 충격값/회전값/지자기, 지그비의 RF 파워, SOS 지연 시간, 안전모 확인 주기, 안전모 착용 여부 판단에 대한 데이터 값을 포함하여 IoT 관리 허브 장치(100)를 통해 관제 서버(200)로 데이터를 전송할 수 있다.
구체적으로, IoT 기기인 안젠벨은 작업자 충격감지, 옹벽붕괴 및 헬멧 또는 안전모 미착용 상태를 감지할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 안전벨에서 수행되는 작업자 충격 알고리즘은 가속도, 자이로, 지자기 각각 3축(X, Y, Z)을 지원하는 9축 센서를 비롯해 GPS 센서, 위치인식/동작 센서를 통해 감지 신호를 지속적으로 수신하고(S31), 수신한 감지 신호를 분석하여 가속도 또는 각속도에서 X, Y, Z의 임계값을 초과하는지를 확인한다(S32). 이때, RMS(Root Mean Square)는 x, y, z 축의 값을 이전 값과 제곱하여 제곱근(squared root)을 한 값이고, 지연 시간과 IMU(Inertial Measurement Unit)의 임계값은 통합 관제 서버(200)에서 조정 가능하다.
안전벨은 가속도와 각속도가 작업자의 정상적인 모션(위치 및 자세)에서 나올수 없는 값, 즉 임계값 이상인 경우에 초기에 비상버튼을 이용하여 경고를 준다(S33). 만일, 작업자가 작은 찰과상이나 통화 가능한 의식 상태인 경우이면 기 설정된 시간 이내에 비상 버튼을 3초 이상 눌러 SOS 메시지가 관제 서버(200)로 송신되는 비상모드가 해제된다(S14, S15).
그러나, 작업자가 의식이 없으면 기 설정된 시간 동안(예를 들어, 30초) 비상 버튼의 누름 동작이 수행되지 않게 되고, 안전벨은 비상상황 정보(SOS 메시지)를 바로 IoT 허브 관리 장치(100)를 거쳐 관제 서버(200)로 송신한다(S14, S15).
도 4에 도시된 바와 같이, 안전벨에서 수행되는 옹벽 붕괴 감지 알고리즘은, 작업자가 안전벨을 옹벽 설치시, 전원을 켜면서 초기 IMU 값(경사값)이 저장된다(S41). 이후에 기 설정된 시간(예를 들어, 18시간)이 경과된 후에 충격 가속도값이 웨이크업되면 초기 경사값과 현재 RMS 값을 비교한 결과가 임계값을 초과하는지를 확인한다(S42, S43, S44).
안전벨은 가속도, 각속도, 지자기를 통해 확인한 초기 경사값이 현재 RMS 값과 비교한 결과가 임계값을 초과하면 바로 IoT 허브 관리 장치(100)를 통해 관제 서버(200)로 SOS 메시지를 송신한다(S25).
안전벨이 헬멧 또는 안전모에 부착된 경우에, 기 설정된 주기로 IMU 값을 수신하고, 이전의 IMU 값과 현재 IMU 값을 비교하여 임계값보다 작으면 현재 작업자가 안전모를 착용하지 않은 것으로 판단하고, 해당 상태를 IoT 허브 관리 장치(100)를 통해 관제 서버(200)에 알려주게 된다. 이때 주기는 분 단위이고, IMU 값은 관제 서버(200)에서 조정 가능하다.
다시 도 1 및 도 2를 설명하면, IoT 관리 허브 장치(100)는 유선통신, Zigbee, Bluetooth, WLAN 등의 근거리 무선통신을 사용하여 메쉬업 서비스를 제공하고, 코디네이터(Coordinator) 역할을 하여 IoT 기기(10)를 적절하게 제어한다. IoT 관리 허브 장치(100)는 각종 센서값을 수집하기 위한 제1 허브(101)와 레이다 등의 거리측정 값을 수집하기 위한 제2 허브(102)를 모두 포함할 수 있다.
이때, 제1 허브(101)는 안젠벨 등 많은 수의 IoT 센서로부터 데이터를 수집하는 것이고, 제2 허브(102)는 광범위한 지역에 산재되어 있는 레이다 센서로부터 데이터(거리측정값)를 수집하는 것으로서, 제1 허브(101)는 제2 허브(102)에 비해 많은 수의 허브가 설치되어야 하고, 그만큼 많은 양의 데이터들을 수신해야 한다. 따라서, IoT 관리 허브 장치(100)는 IoT 기기(10)에서 송출되는 데이터의 종류에 따라 제1 허브(101)와 제2 허브(102)로 구분하여 수신함으로써 신호 간섭이나 신호 송출 지연을 사전에 방지할 수 있다.
관제 서버(200)는 IoT 기기(10)로부터 수신한 데이터를 분석하여 작업 현장내 위험요소를 확인하여 작업자 또는 현장 관리자의 단말로 통보한다. 또한, 관제 서버(200)는 IoT 기기(10)에 대한 관리, 건설 현장 내 출입하는 작업자 또는 중장비를 포함한 출입 현황 확인, 작업구역별 안전 현황, 긴급/재난 알림, 보고서/통계, 과거안전사고 이력 정보를 포함한 안전 관리 모니터링을 수행하여, 사전에 허가된 단말의 요청에 따라 모니터링 결과를 제공할 수 있다.
이러한 통합 관제 서버(200)는 일반적인 의미의 서버용 컴퓨터 본체일 수 있고, 그 외에 서버 역할을 수행할 수 있는 다양한 형태의 장치로 구현될 수 있다. 구체적으로, 통합 관제 서버(200)는 통신 모듈(미도시), 메모리(미도시), 프로세서(미도시) 및 데이터베이스(미도시)를 포함하는 컴퓨팅 장치에 구현될 수 있는데, 스마트폰이나 TV, PDA, 태블릿 PC, PC, 노트북 PC 및 기타 사용자 단말 장치 등으로 구현될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, IoT 기기(10)를 관리하고, 관제 서버(200)와의 인터넷 네트워킹을 수행하는 건설현장용 IoT 관리 허브 장치(100)는, 제1 통신 모듈(130), 제2 통신 모듈(120), 센서 모듈(110), 제어 모듈(140), 배터리(150), 디버그 포트(180), 버튼(170) 및 실시간 클록(160)을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. IoT 관리 허브 장치(100)는 각 구성요소들이 내부에 배치되어 구성요소들을 보호하는 케이스(미도시)와 동작 상태를 표시하는 LED들을 구비하고 있고, 케이스는 방수, 방한 및 내화, 충격에 강한 재질로 형성된다.
제1 통신 모듈(130)은 지그비, 지-웨이브, 블루투스 중 어느 하나의 무선 통신 방식으로 사물 인터넷망을 통해 IoT 기기(10)와 연결되는데, 저전력, 저비용, 낮은 전송률 등의 근거리 무선 데이터 통신 기술인 지그비(zigbee) 모듈로 동작될 수 있다.
제2 통신 모듈(120)은 와이파이-헤일로(Wi-Fi HaLow)를 통해 관제 서버(200)와의 데이터 중계를 담당하는 무선접속장치(AP)와 연결된다. IEEE 802.11ah 표준 기반의 와이 파이-헤일로는 IoT 환경에서 기대되는 연결 범위, 데이터 속도, 투과 능력, 낮은 전력 소비를 제공하고, 전용 컨트롤러, 허브 또는 게이트웨이 필요 없이 효율적인 설치와 저렴한 운영이 가능한 개방형 표준 기술이다. 또한, 와이파이-헤일로는 OWE(Opportunistic Wireless Encryption) 기반의 Wi-Fi CERTIFIED WPA3 및 Wi-Fi CERTIFIED Enhanced Open 같은 최신 고급 Wi-Fi 보안 기술을 지원하고 있어, 공용 환경에서 개인정보보호를 제공한다.
제2 통신 모듈(120)은 와이파이-헤일로 통신을 지원하고 있어, 2km 정도의 통신 커버리지로 장거리 통신이 가능하고, 와이파이 메쉬 모드 적용으로 통신 음영 지역 해소 및 병목 현상을 해결할 수 있다.
이러한 제2 통신 모듈(120)은 무선 접속 장치(AP)와 데이터 송수신이 가능한 웨이크업(wake up) 모드로 동작한다.
센서 모듈(110)은 IoT 관리 허브 장치(100)의 내외부 온도와 습도를 감지한다.
제어 모듈(140)은 관제 서버(200)와 사전에 협의된 통신 프로토콜에 기초하여 제1 통신 모듈(130)을 통해 수신한 수신 데이터에 자신의 상태 정보를 결합한 송신 데이터를 생성하여 제2 통신 모듈(120)을 통해 관제 서버(200)로 송신하고, 관제 서버(200)로부터 수신되는 제어신호를 제1 통신 모듈(130)을 통해 해당 IoT 기기(10)로 전송한다.
제어 모듈(140)은 시스템 태스크, 디바이스 태스크, 지그비 태스크, 와이파이 태스크 등의 독립적인 태스크가 동시에 실행될 수 있는 멀티태스크 환경을 제공하고, 각 태스크들 사이에 정보를 주고받기 위해 실시간 운영 시스템(RTOS, Real Time Operating System)에서 제공되는 메시지 큐(Message Queue)를 사용한 통신 방법으로 통신을 수행한다.
배터리(150)는 IoT 관리 허브 장치(100)의 동작에 필요한 전원을 제공한다.
디버그 포트(180)는 제어 모듈(140)에 대한 디버깅을 위한 인터페이스를 제공하는데, JTAG(Joint Test Action Group) 인터페이스를 이용할 수 있다.
버튼(170)에는 IoT 관리 허브 장치(100)의 전원 온/오프, 리셋, WPS(Wi-Fi Protected Setup) 기능을 선택하기 위해 구비된다.
실시간 클록(160)은 제어 모듈(140)과의 인터페이스를 통해 시간 정보를 제공하는데, 최저전력 절전 모드 상태에서도 시스템에서 시간(WCT) 정보를 정확하게 유지하고 예약된 이벤트를 관리하기 위해 사용된다. 특히, 실시간 클록(160)은 초전력 모드의 제어모듈(140)과 함께 사용되어 다양한 작동 전압, 내부 메모리 기능, 배터리 수명 연장을 위한 저전력 옵션을 제공할 수 있다.
IoT 관리 허브 장치(100)는 자신의 통신 커버리지에 속한 IoT 기기(10)들의 경우에만 데이터 수집 및 관리 기능을 수행하고, 자신의 통신 커버리지에 속하지 않은 IoT 기기(10)들은 아무런 절차를 수행하지 않는다.
즉, IoT 기기(10)들은 자신의 통신 커버리지 내에서 검색되는 IoT 관리 허브 장치(100) 중 가장 강한 신호 세기를 갖는 IoT 관리 허브 장치(100)에게 데이터를 보내고, IoT 관리 허브 장치(100)는 주변의 IoT 기기(10)들로부터 전송되는 데이터들을 일정 시간 동안 수집한 후에 기 설정된 송신 주기(예를 들어, 3초 정도)마다 와이파이-헤일로 무선접속장치(AP)를 통해 관제 서버(200)로 전송한다.
일례로, IoT 기기(10)는 자신의 통신 커버리지 내에서 검색한 IoT 관리 허브 장치(100)들의 RSSI(Received Signal Strength Indication) 값들을 측정하고, 측정된 RSSI 값들이 -55dBm, -80dBm, -35dBm일 경우에 -35dBm의 신호 세기를 갖는 IoT 관리 허브 장치(100)와 통신 채널을 형성한다.
지그비 네트워크에서 IoT 기기(10)를 기준으로 통신 커버리지 내 수신 신호 세기는 -35dBm ~-90dBm 정도의 범위를 가지므로, IoT 기기(10)와 IoT 관리 허브 장치(100) 간의 안정적인 통신 연결이 가능하도록 -90dBm을 초과하는 신호들은 잡음 신호로 판단하고, -35dBm 정도의 신호 세기가 강한 IoT 관리 허브 장치(100)를 최적의 무선 통신 채널로 결정함으로써 우수한 통신 성능을 보장할 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 IoT 관리 허브 장치의 데이터 포맷을 설명하는 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 IoT 관리 허브 장치의 데이터 패킷 구조를 설명하는 도면이다.
IoT 관리 허브 장치(100)는 관제 서버(200)와 UDP(User Datagram Protocol) 방식으로 통신하고, IoT 기기(10)로부터 수신한 수신 데이터를 기 설정된 송신 주기(예를 들어, 5초)마다 관제 서버(200)로 송신한다.
만일, IoT 관리 허브 장치(100)는 수신 데이터가 없더라도 전송 데이터 개수를 '0'으로 설정하여 송신 데이터를 관제 서버(200)로 전송한다.
제어 모듈(140)은 수신 데이터에 비상상황 알림을 표시한 데이터값(예를 들어, 'SOS')이 설정된 경우에, 송신 주기와 상관없이 수신 데이터를 수신하자마자 바로 송신 데이터를 생성하여 관제 서버(200)로 송신한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제어 모듈(140)은 IoT 기기(10)로부터 수신한 모든 수신 데이터(1번~n번)를 포함하여 송신 데이터를 생성하고, 안전벨의 경우에 현재 설정된 모드(안전벨 모드/옹벽 모드)을 메모에 설정한다. 이때, IoT 기기(10)로부터 수신한 수신 데이터의 사이즈가 30~35바이트이고, 송신 데이터의 데이터 패킷 사이즈는 헤더 데이터(30바이트) + 수신 데이터(35바이트)×최대 접속자수(20)로 하여 최대 730 바이트 이하가 되도록 한다.
송신 데이터는 도 6에 도시된 바와 같이, 헤더 데이터, IoT 관리 허브 장치의 식별 데이터(허브 ID), 전송 데이터 개수, 상태 데이터, IoT 기기(10)의 식별 데이터, IoT 기기(10)의 수신 데이터를 포함하고, 각 데이터 경계를 구분자를 이용하여 구분하는 데이터 패킷 구조로 생성된다. 여기서, 구분자는 대괄호([])를 이용하여 구분하며,각각의 사용자 데이터는 소괄호(())를 사용할 수 있다.
IoT 기기(10)와 IoT 허브장치(100)는 노드 구분자(Node Identifier)를 사용하여 IoT 기기(10)인지, IoT 허브장치(100)인지를 구분한다.　예를 들어, IoT기기(#), IoT 허브 장치(*) 로 시작하는 구분자를 가질 수 있다. 또한, 각 IoT 기기(10) 간의 구분과　IoT 허브장치(100) 간의 구분 방식은 64 비트(bits)에 달하는 고유 시리얼번호(serial number)를 사용할 수 있다. 일례로, 고유 시리얼 번호는 0x0013a200_41D85445의 값으로 표시될 수 있다.
송신 데이터의 상태 데이터는 IoT 관리 허브 장치(100)의 현재 온도 데이터, 습도 데이터, 배터리 잔량 데이터, 펌웨어 버전 정보를 포함한다.
IoT 관리 허브 장치(100)로부터 송신 데이터를 전송받은 관제 서버(200)는 시간 정보와 함께 응답 메시지를 IoT 관리 허브 장치(100)로 전송한다. 이때, 관제 서버(200)에서 IoT 관리 허브 장치(100)로 전송하는 응답 데이터의 포맷은 헤더 시작, 응답 메시지, 구분자, 날짜 정보, 구분자, 시간 정보, 헤더 끝으로 이루어질 수 있다.
또한, 관제 서버(200)는 IoT 기기(10)의 설정 값을 변경해야 하는 경우에, 제어 신호를 IoT 관리 허브 장치(100)로 전송한다. 이때, 제어 신호의 데이터 포맷은 헤더 시작, 응답 메시지, 구분자, 날짜 정보, 구분자, 시간 정보, 헤더 끝, IoT 기기의 설정값으로 이루어질 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치의 동작 과정을 설명하는 순서도이다.
도 7을 참조하면, IoT 관리 허브 장치(100)는 전원의 버튼이 온 동작되면 기 설정된 반경 내에서 IoT 기기(예를 들어, 안전벨)로부터 송신되는 감지 정보를 지그비 통신을 통해 수집한다(S11).
IoT 관리 허브 장치(100)는 자신의 온도와 습도 상태를 감지하고, 배터리의 잔량을 확인하여 상태 정보를 생성한다(S12, S13).
IoT 관리 허브 장치(100)는 식별 정보, 수신 데이터(감지 정보), 온도/습도, 배터리 잔량, 펌웨어 버전 정보를 포함한 상태 정보를 포함하여 송신 데이터를 생성한다(S14).
IoT 관리 허브 장치(100)는 기 설정된 송신 주기마다 송신 데이터를 와이파이-헤일로 통신으로 관제 서버(200)로 전송한다(S15).
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치의 초기 동작 과정을 설명하는 순서도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치의 AP 접속 과정을 설명하는 흐름도이다.
IoT 관리 허브 장치(100)는 와이파이-헤일로 통신을 지원하는 AP를 이용하여 무선 인터넷에 접속하여 IoT 서비스를 제공하고 있다. 따라서, IoT 관리 허브 장치(100)가 AP에 접근하기 위해 SSID 검색, 선택, 보안키의 입력이 필요하다.
이를 위해, IoT 관리 허브 장치(100)는 대기중에 AP를 검색하고(S21), 검색된 AP에 접속을 시도한다(S22). IoT 관리 허브 장치(100)는 접속하고자 하는 타겟 AP에 어드레스 할당을 요청하고(S23), 관제 서버(200)와 통신을 위한 소켓 생성을 요청하여 통신 채널을 형성한다(S24).
이렇게 하여 통신 채널이 형성되면, IoT 관리 허브 장치(100)는 지그비 통신을 통해 안전벨로부터 수신한 데이터를 관제 서버(200)로 송신하고(S25, S26), 관제 서버(200)로부터 데이터를 수신하여 안전벨에 전송한다(S27).
이때, IoT 관리 허브 장치(100)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 별도의 디스플레이 장치와 입력 장치 없이도 관리자 단말을 통해 SSID와 보안키를 설정하는 어플리케이션을 구현할 수 있다. 이때, 어플리케이션에는 무선랜 AP 모드를 지원하는 무선랜 카드 여부 확인, 설정 파일 변경, 권한 설정 등의 기능을 포함할 수 있다.
이를 위해, IoT 관리 허브 장치(100)는 무선랜 AP 모드로 동작되고, 무선랜 AP 모드로 동작되는 IoT 관리 허브 장치(100)에 사전에 허가된 관리자 단말이 접속하게 된다.
IoT 관리 허브 장치(100)는 주변 AP를 검색하여 AP 리스트를 요청하고, AP 리스트 응답을 받게 되면 타겟 AP를 선택하고 보안키를 입력한다.
관리자 단말과 IoT 관리 허브 장치(100)의 네트워크 커버리지는 거의 같기 때문에, 관리자 단말이 접속 가능한 AP 리스트와 IoT 관리 허브 장치(100)가 접속 가능한 AP 리스트는 거의 동일하다고 판단할 수 있다. 따라서 관리자 단말의 AP 리스트에 있는 특정 AP를 타겟 AP로 선택하여, SSID와 보안키를 IoT 관리 허브 장치(100)의 네트워크 설정(예를 들어, "jt_smart_ap(타겟 AP)","wpa2(WPA 설정)", "safety1234(보안키)")에 저장한다. 그 후에 원격이나 수동으로 IoT 관리 허브 장치(100)를 재부팅시키면, IoT 관리 허브 장치(100)는 무선랜 AP 모드가 종료되고, 네트워크 설정에 등록되어 있는 타겟 AP를 찾아 연결요청과 연결 응답 과정을 통해 접속을 완료할 수 있다.
이와 같이, 관리자 단말은 어플리케이션을 통해 Wifi API를 활용하여 AP 리스트가 나열되고, AP 리스트에 있는 SSID를 클릭하면 URI 파싱을 통하여 WAS에서 실행되고 있는 페이지에 SSID 값이 고정으로 입력되고, 보안키를 입력하여 IoT 관리 허브 장치(100)와 타겟 AP를 연결시킬 수 있다.
따라서, IoT 관리 허브 장치(100)는 디스플레이 장치와 입력 장치가 필요없어져 소형화 및 저가격화가 가능해질 수 있고, 관리자가 자신의 단말을 이용해 편리하게 AP 접속을 수행할 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 7 내지 도 9의 각 단계들은 본 발명의 구현예에 따라서 추가적인 단계들로 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계간의 순서가 변경될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 이러한 기록 매체는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하며, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함하며, 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : IoT 관리 허브 장치
110 : 센서 모듈
120 : 제2 통신 모듈
130 : 제1 통신 모듈
140 : 제어 모듈
150 : 배터리
160 : 실시간 클록
170 : 버튼
180 : 디버그 포트

Claims (6)

  1. 건설 현장 내 사물인터넷(IoT) 기기를 관리하고, 원격의 관제 서버와의 인터넷 네트워킹을 수행하는 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치에 있어서,
    지그비, 지-웨이브, 블루투스 중 어느 하나의 무선 통신 방식으로 사물 인터넷망을 통해 IoT 기기와 연결되는 제1 통신 모듈;
    와이파이-헤일로(Wi-Fi HaLow)를 통해 상기 관제 서버와의 데이터 중계를 담당하는 무선접속장치와 연결되는 제2 통신 모듈;
    IoT 관리 허브 장치의 내외부 온도와 습도를 감지하는 센서 모듈;
    상기 관제 서버와 사전에 협의된 통신 프로토콜에 기초하여 상기 제1 통신 모듈을 통해 수신한 수신 데이터에 자신의 상태 데이터를 결합한 송신 데이터를 생성하여 기 설정된 송신주기마다 상기 제2 통신 모듈을 통해 상기 관제 서버로 송신하고, 상기 관제 서버로부터 수신되는 제어신호를 상기 제1 통신 모듈을 통해 해당 IoT 기기로 전송하는 제어 모듈; 및
    상기 IoT 관리 허브 장치의 동작에 필요한 전원을 제공하는 배터리;를 포함하고,
    상기 제어 모듈은,
    사전에 허가된 관리자 단말이 네트워크 설정 권한을 수행하기 위한 어플리케이션을 저장하고, 상기 IoT 관리 허브 장치가 무선랜 AP 모드로 동작하도록 제어하고, 상기 어플리케이션을 통해 상기 관리자 단말과 무선 통신으로 연결하여 상기 관리자 단말의 AP 리스트에 있는 특정 AP를 타겟 AP로 선택하고, 상기 타겟 AP에 대한 SSID와 보안키를 네트워크 설정으로 저장하고,
    상기 IoT 관리 허브 장치가 재부팅되어 상기 무선랜 AP 모드가 종료되고 상기 관리자 단말에서 상기 AP 리스트의 상기 타겟 AP가 선택되면, 상기 네트워크 설정에 저장된 상기 타겟 AP에 대한 SSID와 보안키를 이용하여 상기 타겟 AP로 연결요청 및 상기 연결요청에 대한 연결응답을 수행하여 상기 IoT 관리 허브 장치와 상기 타겟 AP가 연결되도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 모듈에 대한 디버깅을 위한 인터페이스를 제공하는 디버그 포트;
    상기 IoT 관리 허브 장치의 전원 온/오프, 리셋, WPS(Wi-Fi Protected Setup) 기능을 선택하기 위해 구비되는 버튼; 및
    상기 제어 모듈과의 인터페이스를 통해 시간 정보를 제공하는 실시간 클록(Real-Time Clock, RTC)을 더 포함하는 것인, 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 송신 데이터는,
    헤더 데이터, 상기 IoT 관리 허브 장치의 식별 데이터, 전송 데이터 개수, 상태 데이터, IoT 기기의 식별 데이터, IoT 기기의 수신 데이터를 포함하고, 각 데이터 경계를 구분자를 이용하여 구분하는 데이터 패킷 구조로 생성되는 것인, 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상태 데이터는,
    상기 IoT 관리 허브 장치의 현재 온도 데이터, 습도 데이터, 배터리 잔량 데이터, 펌웨어 버전 정보를 포함하는 것인, 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 수신 데이터에 비상상황 알림을 표시한 데이터값이 설정된 경우에, 상기 송신 주기와 상관없이 상기 수신 데이터를 수신한 시점에 송신 데이터를 생성하여 상기 관제 서버로 송신하는 것인, 건설현장용 사물인터넷(IoT) 관리 허브 장치.
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