KR20200099222A - 환경 관리에 사용되는 데이터 컨버터 및 이의 동작방법 - Google Patents

환경 관리에 사용되는 데이터 컨버터 및 이의 동작방법 Download PDF

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Abstract

환경 관리에 사용되는 데이터 컨버터 및 이의 동작방법이 개시된다. 본 발명의 환경 관리에 사용되는 데이터 컨버터는 센서와 통신하기 위한 센서 인터페이스; 액츄에이터와 통신하기 위한 액츄에이터 인터페이스; 상기 센서 인터페이스 및 액츄에이터 인터페이스와 정보 교환하며, 내부 프로세스의 스케줄링을 담당하는 메인 컨트롤 유닛; 상기 센서와 액츄에이터를 모니터링하면서 동작을 제어하도록 하는 애플리케이션 서비스 시스템과 상기 메인 컨트롤 유닛과의 통신을 위한 통신 인터페이스; 및 상기 센서 인터페이스, 액츄에이터 인터페이스 및 메인 컨트롤 유닛에 전원을 공급하는 파워 인터페이스를 포함한다. 센서들에 의한 환경 모니터링과 액츄에이터에 의한 환경 제어가 통합적으로 이루어지도록 하는 데이터 컨버터를 제공하여 해양, 호수, 양식장 등의 환경 변화에 능동적으로 대처할 수 있다.

Description

환경 관리에 사용되는 데이터 컨버터 및 이의 동작방법{DATA CONVERTER USED IN ENVIRONMENTAL MANAGEMENT AND OPERATION METHOD USING THE SAME}
본 발명은 데이터 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스마트한 환경 관리를 위해서 다양한 환경센서와의 인터페이스를 통하여 환경정보를 수집하고, 환경을 제어하는 액츄에이터와 연결되어 환경 관리에 사용되는 데이터 컨버터 및 이의 동작방법에 관한 것이다.
현재 해양, 호수, 양식장 등의 환경 감지 장치는 특정 영역에 수질 오염, 적조 발생, 수질의 수온, PH, 용존산소량, 질소량, 암모니아, 염도 변화 등의 환경 변화 등의 이상 징후가 발생할 경우, 그 이상 징후의 데이터를 전송하여 대처하도록 하고 있다.
특히, 수산 양식장은 특정한 물고기나 해조류, 어패류 등을 인공적으로 길러서 번식시키고 있다. 이와 같은 양식장을 운영하고 관리함에 있어서는, 양식장 주변의 기상정보 및 양식수 변화와 같은 양식장 시설물의 센서들을 통한 모니터링이 중요하며, 이에 의한 대처가 중요하다.
즉, 양식장의 경우에는 작은 성장환경의 변화에 따라서 성장속도가 달라지고, 심할 경우 폐사에 이르게 된다. 따라서, 환경의 변화에 따라서 현장에서는 산소공급기, 수차, 냉각기팬, 보일러, 사료공급기 등의 액츄에이터가 즉각적으로 환경 변화에 대응해야 한다.
그런데, 현장에서는 센서들에 의한 모니터링과 액츄에이터에 의한 제어가 개별적으로 이루어지고 있으며, 이러한 시설들을 통합적으로 관리하지 못하고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-0902880호 대한민국 등록특허 제10-1626071호 대한민국 등록특허 제10-1551735호
본 발명은 상술한 문제점을 감안하여 안출한 것으로 그 목적은 센서들에 의한 모니터링과 액츄에이터에 의한 제어가 통합적으로 이루어지도록 하는 환경 관리에 사용되는 데이터 컨버터 및 이의 동작방법을 제공하는 것이다.
상기한 과제해결을 위한 본 발명의 환경 관리에 사용되는 데이터 컨버터는 센서와 통신하기 위한 센서 인터페이스; 액츄에이터와 통신하기 위한 액츄에이터 인터페이스; 상기 센서 인터페이스 및 액츄에이터 인터페이스와 정보 교환하며, 내부 프로세스의 스케줄링을 담당하는 메인 컨트롤 유닛; 상기 센서와 액츄에이터를 모니터링하면서 동작을 제어하도록 하는 애플리케이션 서비스 시스템과 상기 메인 컨트롤 유닛과의 통신을 위한 통신 인터페이스; 및 상기 센서 인터페이스, 액츄에이터 인터페이스 및 메인 컨트롤 유닛에 전원을 공급하는 파워 인터페이스를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 데이터 컨버터는 복수 개 설치될 수 있으며, 동일한 그룹 내에 존재하는 각각의 컨버터는 MQTT 통신방식으로 환경 센싱값을 공유할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 센서 인터페이스 또는 액츄에이터 인터페이스는, 상기 센서 또는 액츄에이터와의 통신을 위한 규격화된 데이터 인터페이스 모듈인 수신 인터페이스; 상기 수신 인터페이스와 연결되며, 센서 또는 액츄에이터와 호환되는 드라이버 정보를 활용하여 데이터 컨버터의 모드버스 통신 모듈과 정보교환이 가능하도록 하는 모드버스 드라이버; 및 상기 모드버스 드라이버와 연결되어서 상기 데이터 컨버터 내부의 각 모듈과 정보교환을 위한 통신 모듈인 모드버스 인터페이스로 구성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 메인 컨트롤 유닛은, 상기 데이터 컨버터와 외부 기기들과의 연결을 위한 기본 인터페이스 모듈인 GPIO; 상기 데이터 컨버터의 외부와 통신을 위한 통신 인터페이스; 상기 메인 컨트롤 유닛의 연산처리작업을 위한 CPU;상기 메인 컨트롤 유닛의 데이터를 저장하는 메모리 저장장치; 및 상기 메인 컨트롤 유닛과 상기 센서 및 액츄에이터와의 정보교환이 이루어지는 인터페이스 모듈을 포함하며, 상기 인터페이스 모듈은 시그널 프로세서와 연결되는데, 상기 시그널 프로세서는 각 통신 프로토콜에 적합한 통신을 지원하는 모듈이며, 상기 시그널 프로세스는 시그널 컨버터와 연결되는데, 시그널 컨버터는 파워 인터페이스와 연결되어서 외부기기와의 정상적 통신을 위한 전원규격을 지원하는 컨버터 모듈일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 센서 또는 액츄에이터에 전원을 공급하는 파워인터페이스 사이에는 센서 또는 액츄에이터의 동작 전원을 선택적으로 공급하기 위한 선택기; 및 상기 센서 또는 액츄에이터의 통신측에서 사용되는 전원을 메인 컨트롤 유닛에 사용되는 신호전원으로 변환시키는 레벨 컨버터를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 메인 컨트롤 유닛과 통신모듈 사이에 통신이 가능하도록 전원을 변환시키는 레벨 컨버터 및 통신컨버터를 더 구비할 수 있다.
상기한 다른 과제해결을 위한 본 발명의 환경 관리에 사용되는 데이터 컨버터의 동작방법은 컨버터 시스템 컨피그, 컨버터와 연결되는 센서 컨피그, 컨버터가 제어하는 액츄에이션 컨피그, 컨버터의 통신을 담당하는 네트워크 컨피그로 구성되는 컨피그 파일을 서버에 입력되는 컨피규레이션 입력단계; 상기 컨피그들 정보를 서버에서 네트워크 인터페이스를 이용하여 데이터 컨버터로 전달되는 단계; 상기 컨피그 파일을 참조하여 메인 컨트롤 유닛에서 컨버터 초기 가동상태를 부팅시키는 역할과 컨버터 내부 메모리 관리기능, 컨버터의 기능을 스케줄링하여 컨버터 시스템을 운영하는 기능을 하는 메인 컨트롤 단계; 상기 메인 컨트롤 유닛과 연결되는 센서 인터페이스에서 데이터 컨버터에 연결되는 센서와 통신을 위한 센서의 드라이버, 센서와의 통신에 활용되는 버퍼관리, 센싱 데이터 관리, 체계화된 라이브러리 구조 관리의 기능을 수행하는 센서 인터페이스 단계; 상기 메인 컨트롤 유닛과 연결되는 액츄에이터 인터페이스에서 액츄에이터를 조정하는 액츄에이터 인터페이스 단계; 상기 메인 컨트롤 유닛의 네트워크 인터페이스에서 외부서버 및 내부 모듈 간의 정보교환 기능을 수행하는 네트워크 인터페이스 단계를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 메인 컨트롤 단계는, 상기 컨피그(Configuration) 정보를 리드(Read)하여 데이터 컨버터를 부팅한는 단계; 상기 메인 컨트롤 유닛의 가동에 필요한 다수의 컨트롤 스레드(control thread)를 생성하는 단계; 상기 메인 컨트롤 유닛에서 각 부분별 컨트롤 모듈의 스케줄링을 수행하며, 뮤텍스 타이머(Mutex Timers) 방식으로 각 모듈을 동기화하며, 컨피그 정보를 참조 및 업데이트를 수행하는 단계; 및 상기 데이터 컨버터 내부를 로컬 스토리지 매니지먼트(Local Storage Managemnt)하여 로컬 스토리지(Local Storage)하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 센서들에 의한 환경 모니터링과 액츄에이터에 의한 환경 제어가 통합적으로 이루어지도록 하는 데이터 컨버터를 제공하여 해양, 호수, 양식장 등의 환경 변화에 능동적으로 대처할 수 있다.
또한, 본 발명의 데이터 컨버터는 규격화되고 체계화된 센서 및 액츄에이터 인터페이스를 제공하여, 센서 또는 액츄에이터 업체가 제공하는 드라이버 또는 내장 드라이버는 서로 구동되는 드라이버 형태가 다르더라도 시스템 구조는 통일된 형태의 구조로 구축하여 센서 또는 액츄에이터 드라이버 모듈정보를 단순 입력하면 센서 또는 액츄에이터가 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 데이터 컨버터는 다양한 형태의 전원을 센서 또는 액츄에이터 장치와 통신모듈에서 제공하여 전원에 대한 범용성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 컨버터를 나타내는 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인터넷을 통한 다중-컨버터(MULTI-CONVERTOR)를 나타내는 구조도이다.
도 3은 종래기술에 따른 일반적인 형태의 센서 인터페이스를 나타내는 구조이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 체계화된 센서 인터페이스를 나타내는 구조도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 메인 컨트롤 유닛을 나타내는 구조도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 센서에서 사용되는 전원제어유닛을 나타내는 구조이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 통신에서 사용되는 신호전원의 레벨 컨버팅을 나타내는 구조이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 컨버터의 구성관리 소프트웨어 및 동작방법을 나타내는 구조도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 서버 시스템에서 관리하는 컨버터 설정정보의 컨피규레이션 데이터 구조를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 메인 컨트롤(main control) 단계의 모듈별 동작을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 컨버터의 초기화 플로우(Initial Flow)를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 메인 루프 컨트롤을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 설계 제작을 위한 데이터 컨버터의 레이아웃이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 양식장에서 사용되는 컨버터 컨피규레이션 설정정보를 나타낸다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 양식장에서 사용되는 센서의 드라이버 구조를 나타낸다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 양식장에서 사용되는 액츄에이터의 드라이버 구조를 나타낸다.다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 양식동의 설정화면이다..
도 20는 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터의 설정화면이다.
도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 센서의 설정화면이다..
도 22는 본 발명의 일실시예에 따른 액츄에이터의 설정화면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 데이터 컨버터를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 컨버터를 나타내는 구조도이다.
도 1을 참조하면, 데이터 컨버터(100)는 센서 인터페이스(120)를 통하여 센서(200)와 연결되며, 액츄에이터 인터페이스(130)를 통하여 액츄에이터(300)와 연결된다.
상기 센서 인터페이스(120) 및 액츄에이터 인터페이스(130)는 메인 컨트롤 유닛(110)와 정보교환하며, 메인 컨트롤 유닛(110)은 애플리케이션 서비스 시스템(400)과 통신 인터페이스(170)를 통하여 MQTT(350)로 연결된다.
또한, 데이터 컨버터(100)에는 외부에서 전원을 공급받아서 메인 컨트롤 유닛(110), 센서(200) 및 액츄에이터(300)에 다양한 레벨의 전원을 공급할 수 있는 파워 인터페이스(140)를 구비한다.
여기에서, 상기 센서(200)는 수온, DO, pH, 염도, 아질산, 암모니아 센서 등 양식장 환경에서 사용되는 각종 환경 센서들일 수 있다.
상기 액츄에이터(300)는 온풍기, 에어콘, 수차, 산소공급기, 사료공급기 등 양식장 환경에 사용되는 각종 제어기기일 수 있다.
파워 인터페이스(140)는 각종 센서 또는 액츄에이터에 필요한 전원을 공급하기 위한 전원 공급 모듈로서, 바람직하게는 3.5V, 5.0V, 12V, 24 V가 지원될 수 있다.
메인 컨트롤 유닛(110)은 본 발명인 데이터 컨버터 시스템의 운영을 관장하는 처리장치로서 센서(200), 액츄에이터(300) 및 애플리케이션 서버 시스템(400)과의 정보교환역할과 내부 프로세스 스케줄링을 담당한다.
센서 인터페이스(120)는 데이터 컨버터(100)에 연결되는 각종 센서(200)와의 통신을 담당하는 모듈로서, RS232/485, 12C, 아날로그 프로토콜을 이용하여 센서(200)와 통신하고 내부 모듈과는 모드버스(Modbus) 통신 프로토콜을 이용하여 정보교환을 수행한다. 여기서 사용되는 드라이버는 각 센서업체가 제공하는 드라이버 또는 데이터 컨버터에 기본적으로 내장되는 드라이버를 사용할 수 있다. 센서업체가 제공하는 드라이버 또는 내장 드라이버는 서로 구동되는 드라이버 형태가 다르더라도 시스템 구조는 통일된 형태의 구조로 구축하여 드라이버 모듈을 단순 추가하면 센서가 연결될 수 있도록 개발된다.
액츄에이터 인터페이스(130)는 데이터 컨버터(100)에 연결되는 각종 제어기인 액츄에이터(300)와의 통신을 담당하는 모듈로서, 내부 모듈과는 모드버스(Modbus) 통신 프로토콜을 이용하여 정보교환을 수행한다. 여기서 사용되는 드라이버는 각 센서업체가 제공하는 드라이버 또는 데이터 컨버터에 기본적으로 내장되는 드라이버를 사용할 수 있다. 센서업체가 제공하는 드라이버 또는 내장 드라이버는 서로 드라이버가 다르더라도 시스템 구조는 통일된 형태의 구조로 구축하여 드라이버 모듈을 단순 추가하면 센서가 연결될 수 있도록 개발된다.
애플리케이션 서비스 시스템(400)는 외부에서 환경관리 서비스를 총괄하는 서버시스템으로 환경관리가 필요한 장소에 설치된 센서/액츄에이터(제어기)/사료공급기 등을 이용하여 적절한 환경관리 정책을 실행할 수 있는 기능이 제공된다.
MQTT(350)는 데이터 컨버터(100) 애플리케이션 서비스 시스템(400)의 서버와 통신하는 프로토콜로서, 이더넷(TCP/IP) 위에 동작하는 종래의 MQTT 프로토콜을 사용한다.
상술한 본 발명의 데이터 컨버터(100)는 인터넷을 통하여 다수 개의 데이터 컨버터(100)가 하나의 애플리케이션 서버(400)와 연결될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인터넷을 통한 다중-컨버터(MULTI-CONVERTOR)를 나타내는 구조도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 데이터 컨버터(100)는 환경관리 정책을 실행하기 위하여 특정한 장소에 복수 개의 데이터 컨버터(100)가 설치되고, 각 컨버터(100)는 상호 MQTT(350) 프로토콜 통신방식으로 환경 센싱값들을 공유하고, 센싱값은 공유기(370)를 거쳐, 인터넷에 위치하는 애플리케이션 서비스 시스템(400)에서 설정된 환경에 맞게 저장되어 서비스할 수 있도록 구성된다.
애플리케이션 서비스 시스템(400)의 단말기능으로 각 컨버터(100)는 설정값 들을 관리할 수 있으며, 컨버터(100)를 그룹핑(Grouping)하여, 특정한 센서(200)에서 측정된 센싱들을 동일한 그룹(Group)에서는 공유할 수 있는 구조이다. 따라서, 데이터 컨버터(100)가 설치된 모든 장소에 설치되는 센서(200)의 수를 최소화할 수 있다.
또한, PC 또는 스마트폰과 같은 현장제어장치(500) 또는 인터넷을 통한 원격제어장치(600)에서는 센서(200)에서 센싱된 값들과 액츄에이터(300)의 동작상태를 모니터링 하거나 액츄에이터(300)를 직접 제어할 수 있는 기능을 포함한다.
도 3은 종래기술에 따른 일반적인 형태의 센서 인터페이스를 나타내는 구조이다.
도 3을 참조하면, 정해진 통신프로토콜을 이용하여 센서(200)에 전원을 공급하고, 또한 정해진 통신규격에 따라 센서(200)와 내부 모듈과의 정보교환을 위한 센서 인터페이스(20) 역할을 수행한다. 여기서, 상기 센서 인터페이스(20)는 RS232 프로토콜을 이용하여 센서(200)와 통신하고 내부 모듈과는 모드버스(Modbus, 150) 통신 프로토콜을 이용하여 정보교환을 수행하고 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 체계화된 센서 인터페이스(120)를 나타내는 구조도이다.
도 4를 참조하면, 도 3의 일반적인 구조와 비교하여, 체계화된 형태의 센서 인터페이스(120)로서, 센서(200)가 사용하는 통신프로토콜이 무엇이든지 데이터 컨버터(100)와 통신하는 구조를 규격화하여, 별도의 개발작업이 필요없이 센서(200)를 데이터 컨버터(100)에 연결할 수 있도록 체계화시킨 인터페이스 구조이다.
본 발명의 센서 인터페이스(120)는 수신 인터페이스(RX I/F, 121), 모드버스 드라이버(123), 및 모드버스 인터페이스(125)로 구성된다.
수신 인터페이스(RX IF, 121)는 본 발명에서 구현한 것으로서, 센서(200)와의 통신을 위한 규격화된 데이터 인터페이스 모듈이다.
모드버스 드라이버(123)는 본 발명에서 구현한 것으로서, 센서업체가 제공하는 드라이버 정보를 활용하여 데이터 컨버터의 모드버스(Modbus, 150) 통신 모듈과 정보교환이 가능하도록 한다.
모드버스 인터페이스(125)는 데이터 컨버터 내부의 각 모듈과 정보교환을 위해 개발된 통신 모듈이다.
도 3의 종래기술은 센서(200)에 따라서 특정한 정보교환방식(예컨대, RS-232)을 사용한다.
이에 반하여, 도 4의 본 발명의 센서 인터페이스(120)는 각각의 센서(200)가 사용하는 데이터 인터페이스 방식과 내부 모듈 간의 정보교환방식을 구분하고 체계화하여, 정보교환방식이 다른 다양한 기기를 사용할 경우(예컨대, RS-232C, 12C, Analog 등), 별도의 개발작업 필요없이 단순히 설정작업을 통해서 해당 센서(200)를 데이터 컨버터에 적용할 수 있다. 따라서, 모드버스(MODBUS, 150)에 전달되는 정보들은 규격화된 형태로 전달되기 때문에 시스템 사용범위의 확대와 유지보수의 편의성을 최대화할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 메인 컨트롤 유닛(110)을 나타내는 구조도이다.
도 5를 참조하면, 메인 컨트롤 유닛(110)은 GPIO(112), 블루투스 인터페이스(171), 와이파이 인터페이스(173), CPU(113), 메모리 저장장치(115), 인터페이스 모듈(116)을 구비한다.
GPIO(112)는 컨버터와 기기들과의 연결을 위한 기본 인터페이스 모듈이다.
블루투스 인터페이스(BLE I/F, 171)는 블루투스 통신을 위한 모듈이며, RF24 인터페이스(172)는 RF 무선통신을 위한 모듈이며, 와이파이 인터페이스(Wifi I/F, 173)는 무선통신을 위한 모듈로서, 통신 인터페이스이다.
CPU(113)는 메인 장치 동작을 위한 모든 연산처리작업을 수행한다.
메모리 저장장치(115)는 램(RAM)과 롬(ROM) 등으로 이루어진 저장장치이다.
인터페이스 모듈(116)은 본 발명에서 구현한 것으로서, 메인 컨트롤 유닛(110)에 설치된 통신을 위한 인터페이스 모듈로 메인 컨트롤 유닛(110)에서 실행되는 컨버터 기능은 인터페이스 모듈을 통해서 센서(200) 및 액츄에이터(300)와의 정보교환이 이루어진다.
상기 인터페이스 모듈(116)은 시그널 프로세서(Signal Processor,117)와 연결되는데, 시그널 프로세서(117)는 각 통신 프로토콜에 적합한 통신을 지원하는 모듈이다.
상기 시그널 프로세서(117)는 시그널 컨버터(Signal Convertor, 118)와 연결되는데, 시그널 컨버터(118)는 파워 인터페이스(Power I/F, 140)와 연결되어서 외부기기와의 정상적 통신을 위한 전원규격을 지원하는 컨버터 모듈이다.
본 발명의 데이터 컨버터(100)는 센서(200) 및 액츄에이터(300) 장치와 통신모듈에서 다양한 전원이 사용되며, 이의 전원을 변환할 필요가 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 센서(200)에서 사용되는 전원제어유닛을 나타내는 구조이다.
도 6을 참조하면, 데이터 컨버터에 연결되는 센서(200)에 4가지 동작전원을 선택적으로 공급하기 위한 구조로서, 파워 인터페이스(140)와 연결된 선택기(Selector, 141)에서 4가지 전원을 선택적으로 센서(200)에 공급하며, 센서(200)의 통신측에서 사용되는 전원(예컨대 5V)이 레벨 컨버터(Level Concertor, 145)에 의하여 메인 컨트롤 유닛(100)의 GPIO(112)에서 사용되는 3.3V의 신호전원으로 변환시키는 구조를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 통신에서 사용되는 신호전원의 레벨 컨버팅을 나타내는 구조이다.
도 7을 참조하면, 5V 규격의 Modbus 485 통신모듈(155)과 3.3V 규격의 메인 컨트롤 유닛(110)의 통신 인터페이스(170) 사이에 통신이 가능하도록 레벨 컨버터(151) 및 통신컨버터(152)를 채택한 구조이다.
도 1 내지 도 7에서 상술한 컨버터의 기능을 수행하기 위하여는 각 구성에서 관리할 수 있는 소프트웨어 및 이를 이용한 동작방법이 필요하다.
이하, 데이터 컨버터의 동작방법에 관하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 컨버터의 구성관리 소프트웨어 및 동작방법을 나타내는 구조도이다.
도 8을 참조하면, 데이터 컨버터의 소프트웨어(S/W) 및 이의 동작방법은 메인 컨트롤 단계(1110), 센서 인터페이스 단계(1120), 액츄에이터 인터페이스 단계(1130), 네트워크 인터페이스 단계(1170), 및 규격화된 데이터 인터페이스인 컨피규레이션 입력단계(1180, 또는 컨피그)로 구성된다.
메인 컨트롤 단계(1110)은 컨피규레이션 입력단계(1180)의 컨피그 파일을 참조하여 컨버터 초기 가동상태를 부팅시키는 역할과 컨버터 내부 메모리 관리기능, 컨버터의 각 기능을 스케줄링하여 컨버터 시스템을 운영하는 기능을 담당한다.
센서 인터페이스 단계(1120)는 데이터 컨버터에 연결되는 센서와 통신을 위한 센서의 드라이버, 센서와의 통신에 활용되는 버퍼관리, 센싱 데이터 관리, 체계화된 라이브러리 구조 관리 등의 기능을 담당한다.
액츄에이터 인터페이스 단계(1130)는 액츄에이터를 조정하기 위한 모듈로서, 예컨대 온/오프(On/Off), 입력/출력(Input/Output)의 동작방향, PWM(Pulse With Modulation) 속도제어, 레벨 컨트롤(Level Control) 등의 기능을 수행한다.
네트워크 인터페이스 단계(1170)는 외부서버 및 내부 모듈 간의 정보교환 기능을 수행하는 모듈로서, 서버와의 통신은 MQTT 방식의 프로토콜을 이용하여 제이슨(JSON) 메시지 형태로 정보를 교환한다. 또한, 통신을 위한 네트워크 관리 기능을 수행한다.
컨피규레이션 입력단계(1180)은 컨버터 시스템 컨피그(1181), 컨버터와 연결되는 센서 컨피그(1183), 컨버터가 제어하는 액츄에이션 컨피그(1185), 컨버터의 통신을 담당하는 네트워크 컨피그(1187)로 구성되는 파일을 서버에 입력한다. 컨피규레이션 정보는 서버에 보관되어 컨버터로 전달되며, 전달되는 형태는 제이슨(JSON) 파일 형태이다. 컨피규레이션 정보의 관리는 서비스 시스템을 총괄하는 서버에서 수행한다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 서버 시스템에서 관리하는 컨버터 설정정보의 컨피규레이션 데이터 구조를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 컨버터 컨피규레이션(converter_config)은 시스템 컨피그(.system_config), 센서 컨피그(.sensot-config), 액츄에이터 컨피그(.actuator_config), 네트워크 컨피그(.network_congfig)로 구성된다.
시스템 컨피그(.system_config)는 데이터 컨버터를 정의하고 구분하기 위한 설정정보를 포함한다.
센서 컨피그(.sensor_config)는 데이터 컨버터에 연결되는 센서 구분정보 및 센서의 통신규격, 데이터 포멧(format), 센서관리정보 등을 포함한다.
액츄에이터 컨피그(.actuator_config)는 데이터 컨버터가 제어하는 제어기를 구분하고, 제어기의 동작 규격 등을 정의하는 정보를 포함한다.
네트워크 컨피그(.network_config)는 데이터 컨버터가 사용하는 네트워크 정보를 포함한다.
각각의 컨피규레이션(_config) 영역에는 추가로 사용할 수 있는 리저브드(reserved) 공간을 확보하여 향후 확장이 가능하도록 설계한다.
이하, 컨피그 파일에 의하여 디지털 컨버터 시스템의 작동에 대하여 설명한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 메인 컨트롤(main control) 단계의 모듈별 동작을 나타내는 도면이다. 컨피그 파일에 의한 메인 컨트롤이다.
도 10을 참조하면, ① 부트(Boot): 컨피그(Configuration) 정보를 리드(Read)하여 데이터 컨버터를 부팅한다.(S1001)
다음으로, ② 메인 컨트롤 모듈의 가동에 필요한 각종 컨트롤 스레드(control thread)를 생성한다. (S1002)
다음으로, ③ 메인 컨트롤(Main Control)에서는 각 부분별 컨트롤 모듈의 스케줄링을 수행하며, 뮤텍스 타이머(Mutex Timers) 방식으로 각 모듈을 동기화하며, 컨피그 정보를 참조 및 업데이트를 수행한다. (S1003)
다음으로, ④ 데이터 컨버터 내부를 로컬 스토리지 매니지먼트(Local Storage Managemnt)하여 로컬 스토리지(Local Storage)한다.(S1004)
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 컨버터의 초기화 플로우(Initial Flow)를 나타내는 도면이다. 데이터 컨버터 내부의 각 모듈에 대한 초기화 작업을 수행한다. 초기화 작업 수행시, 각 모듈은 해당 컨피그 데이터 구조(Configuration Data Structure)를 참조하여 초기화한다.
도 11을 참조하면, ① 컨피그 파일(config_file)을 리드(read)하고 데이터 구조를 설정한다.(S1101)
다음으로, ② MQTT를 초기화하고 연결한다.(S1102) 따라서, 네트워크를 제어한다.
다음으로, ③ 모드버스(MODBUS)를 초기화하고 연결한다.(S1103) 따라서, 모드버스(MODBUS)를 제어한다.
다음으로, ④ 액츄에이터 스레드를 생성하고 초기화한다.(S1104) 따라서, 제어기기의 모터를 제어한다.
다음으로, ⑤ 매니지먼트를 생성하고, 초기화한다.(S1105) 따라서, 매니지먼트하여, 로컬 제어한다.
다음으로, ⑥ 컨피그 스레드를 생성하다.(S1106) 따라서, 컨피규레이션하여 컨피그 파일과 연동한다.
다음으로, ⑦ 테스트 스레드를 생성한다.(S1107) 따라서, 모듈 테스트를 한다. 모듈 테스트 부분은 CLI(Command Line Interface) 형태로 각 모듈을 시험할 수 있는 스레드(thread)를 생성한다.
여기서, 루프 및 스레드 동기화(Loop and Thread Synchronization)하여 여러 컨트롤 스레드(Control Thread) 간 크리티컬 섹션(critical section)에 대해 순차적 사용을 보장하여 데이터 무결성을 유지한다.
도 12은 본 발명의 일실시예에 따른 메인 루프 컨트롤을 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 데이터 컨버터는 TCP/IP 네트워크를 통하여 서버와의 통신으로 다음과 같은 종류의 스레드(thread)를 통하여 고유의 기능을 수행한다.
① 컨피규레이션 스레드(Configuration Thread): 서버의 컨피규레이션(Configuration) 정보를 리드(read)하여 데이터 컨버터에 전달한다.
② 로컬 컨트롤 스레드(Local Control Thread): 사용자가 데이터 컨버터를 사용하기 위하여 서비스 단말기를 사용하여 센서를 모니터링하거나, 제어기를 동작시키는 역할을 수행한다.
③ 로컬 테스트 스레드(Local Test Thread): 데이터 컨버터 내부의 각 부문별 모듈을 시험할 수 있는 역할을 수행한다.
본 발명의 루프 컨트롤은 MQTT 루프(1201), 센서 루프(1202), 모드 체크 루프(1203)로 이루어진다.
MQTT 루프(MQTT Loop, 1201)는 서비스 시스템 서버와 정보교환을 위한 통신을 담당하는 모듈의 루프이다.
센서 루프(Sensor Loop, 1202)는 데이터 컨버터에 연결된 각종 센서에서 송신하는 센싱값을 수신하여 서버로 전달하는 역할을 하는 모듈의 루프이다.
모드 체크 루프(Mode Check Loop, 1203)는 데이터 컨버터에 연결된 액츄에이터(제어기)를 동작시키기 위하여 자동 또는 수동으로 동작상황을 점검하고 수행모드를 전환하는 역할을 수행하는 루프이다.
한편, 오토 컨트롤 스레드(Auto Control Thread, 1204)와 액츄에이터 스레드(Actuator Thread, 1205)를 더 구비할 수 있다.
오토 컨트롤 스레드(1204)는 서비스 시스템에 저장된 자동동작 설정에 의하여 자동으로 액츄에이터(제어기)를 동작시키는 역할을 수행하는 스레드이다.
액츄에이터 스레드(1205)는 데이터 컨버터에 연결된 액츄에이터(제어기)를 사용자가 단말 시스템에서 직접 제어할 수 있는 역할을 수행하는 스레드이다.
상술한 데이터 컨버터 및 이의 동작방법은 다양한 레이아웃으로 구현될 수 있다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 설계 제작을 위한 데이터 컨버터의 레이아웃이다.
도 13을 참조하면, 데이터 컨버터(100)에는 센서 인터페이스(120) 및 액츄에이터 인터페이스(130)를 통하여 각각 센서(200) 및 액츄에이터(300)와 연결된다.
상기 센서 인터페이스(120) 및 액츄에이터 인터페이스(130)는 메인 컨트롤 유닛(110)와 정보교환하며, 메인 컨트롤 유닛(110)은 외부와의 통신을 위한 다양한 통신 유닛을 구비한다.
또한, 데이터 컨버터(100)에는 외부에서 전원을 공급받아서 메인 컨트롤 유닛(110), 센서(200) 및 액츄에이터(300)에 다양한 레벨의 전원을 공급할 수 있는 파워 인터페이스(140)를 구비한다.
이하, 본 발명의 데이터 컨버터가 실제로 사용 실시예를 설명한다. 구체적으로, 양식장에서 사용되는 경우이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 양식장에서 사용되는 컨버터 컨피규레이션 설정정보를 나타낸다.
도 14를 참조하면, 제이슨(JASON) 파일 형태로 시스템 컨피그, 센서 컨피그, 액츄에이터 컨피그, 네트워크 컨피그의 각각에 대하여 환경을 설정할 수 있다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 양식장에서 사용되는 센서의 드라이버 구조를 나타낸다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 센서의 종류, 모델형, 계측 데이터, 계측 시간, 인터페이스, 동작 주기 등을 정의할 수 있다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 양식장에서 사용되는 액츄에이터의 드라이버 구조를 나타낸다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 액츄에이터의 종류, 모델명, 접점방식, 정역방향, 동작주기, 모터 속도 등을 정의할 수 있다.
상술한 바와 같이 정의된 데이터 컨버터는 양식장에서 센서 및 액츄에이터와 연결되어서 설치되며, 사용자 단말기에서 현장제어 또는 원격제어가 가능하다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 양식동의 설정화면이다.
도 19를 참조하면, 관리자는 로그인 아이디로 양식장을 구분하여 접근할 수 있으며, 양식장에서는 대부분 여러 개의 양식동이 건축되어 있으며, 양식동에는 양식 수조가 여러 개 있는 경우가 대부분이다.
도 20는 본 발명의 일실시예에 따른 컨버터의 설정화면이다.
도 20을 참조하면, 양식동에 설치된 컨버터를 정의한다.
도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 센서의 설정화면이다.
도 21을 참조하면, 컨버터에 연결되는 다양한 센서를 정의한다.
도 22는 본 발명의 일실시예에 따른 액츄에이터의 설정화면이다.
도 22를 참조하면, 컨버터에 연결되는 다양한 액츄에이터를 정의한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 도면 및 상세한 설명에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.
100: 데이터 컨버터 110: 메인 컨트롤 유닛
30, 120: 센서 인터페이스 121: 수신 인터페이스
123: 모드버스 드라이버 125: 모드버스 인터페이스
130: 액츄에이터 인터페이스 140: 파워 인터페이스
141: 선택기 145, 151: 레벨 컨버터
150: 모드버스 152: 통신 컨버터
155: 통신 모듈 170: 통신 인터페이스
200: 센서 300: 액츄에이터
350: MQTT 400: 애플리케이션 서버
500: 현장제어장치 600: 원격제어장치

Claims (8)

  1. 센서와 통신하기 위한 센서 인터페이스;
    액츄에이터와 통신하기 위한 액츄에이터 인터페이스;
    상기 센서 인터페이스 및 액츄에이터 인터페이스와 정보 교환하며, 내부 프로세스의 스케줄링을 담당하는 메인 컨트롤 유닛;
    상기 센서와 액츄에이터를 모니터링하면서 동작을 제어하도록 하는 애플리케이션 서비스 시스템과 상기 메인 컨트롤 유닛과의 통신을 위한 통신 인터페이스; 및
    상기 센서 인터페이스, 액츄에이터 인터페이스 및 메인 컨트롤 유닛에 전원을 공급하는 파워 인터페이스를 포함하는 환경 관리에 사용되는 데이터 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 컨버터는 복수 개 설치되며, 동일한 그룹 내에 존재하는 각각의 컨버터는 MQTT 통신방식으로 환경 센싱값을 공유하는 것을 특징으로 하는 환경 관리에 사용되는 데이터 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서 인터페이스 또는 액츄에이터 인터페이스는,
    상기 센서 또는 액츄에이터와의 통신을 위한 규격화된 데이터 인터페이스 모듈인 수신 인터페이스;
    상기 수신 인터페이스와 연결되며, 센서 또는 액츄에이터와 호환되는 드라이버 정보를 활용하여 데이터 컨버터의 모드버스 통신 모듈과 정보교환이 가능하도록 하는 모드버스 드라이버; 및
    상기 모드버스 드라이버와 연결되어서 상기 데이터 컨버터 내부의 각 모듈과 정보교환을 위한 통신 모듈인 모드버스 인터페이스로 구성되는 것을 특징으로 하는 환경 관리에 사용되는 데이터 컨버터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메인 컨트롤 유닛은,
    상기 데이터 컨버터와 외부 기기들과의 연결을 위한 기본 인터페이스 모듈인 GPIO;
    상기 데이터 컨버터의 외부와 통신을 위한 통신 인터페이스;
    상기 메인 컨트롤 유닛의 연산처리작업을 위한 CPU;
    상기 메인 컨트롤 유닛의 데이터를 저장하는 메모리 저장장치; 및
    상기 메인 컨트롤 유닛과 상기 센서 및 액츄에이터와의 정보교환이 이루어지는 인터페이스 모듈을 포함하며,
    상기 인터페이스 모듈은 시그널 프로세서와 연결되는데, 상기 시그널 프로세서는 각 통신 프로토콜에 적합한 통신을 지원하는 모듈이며,
    상기 시그널 프로세스는 시그널 컨버터와 연결되는데, 시그널 컨버터는 파워 인터페이스와 연결되어서 외부기기와의 정상적 통신을 위한 전원규격을 지원하는 컨버터 모듈인 것을 특징으로 하는 환경 관리에 사용되는 데이터 컨버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센서 또는 액츄에이터에 전원을 공급하는 파워인터페이스 사이에는 센서 또는 액츄에이터의 동작 전원을 선택적으로 공급하기 위한 선택기; 및
    상기 센서 또는 액츄에이터의 통신측에서 사용되는 전원을 메인 컨트롤 유닛에 사용되는 신호전원으로 변환시키는 레벨 컨버터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 환경 관리에 사용되는 데이터 컨버터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 메인 컨트롤 유닛과 통신모듈 사이에 통신이 가능하도록 전원을 변환시키는 레벨 컨버터 및 통신컨버터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 환경 관리에 사용되는 데이터 컨버터.
  7. 컨버터 시스템 컨피그, 컨버터와 연결되는 센서 컨피그, 컨버터가 제어하는 액츄에이션 컨피그, 컨버터의 통신을 담당하는 네트워크 컨피그로 구성되는 컨피그 파일을 서버에 입력되는 컨피규레이션 입력단계;
    상기 컨피그들 정보를 서버에서 네트워크 인터페이스를 이용하여 데이터 컨버터로 전달되는 단계;
    상기 컨피그 파일을 참조하여 메인 컨트롤 유닛에서 컨버터 초기 가동상태를 부팅시키는 역할과 컨버터 내부 메모리 관리기능, 컨버터의 기능을 스케줄링하여 컨버터 시스템을 운영하는 기능을 하는 메인 컨트롤 단계;
    상기 메인 컨트롤 유닛과 연결되는 센서 인터페이스에서 데이터 컨버터에 연결되는 센서와 통신을 위한 센서의 드라이버, 센서와의 통신에 활용되는 버퍼관리, 센싱 데이터 관리, 체계화된 라이브러리 구조 관리의 기능을 수행하는 센서 인터페이스 단계;
    상기 메인 컨트롤 유닛과 연결되는 액츄에이터 인터페이스에서 액츄에이터를 조정하는 액츄에이터 인터페이스 단계; 및
    상기 메인 컨트롤 유닛의 네트워크 인터페이스에서 외부서버 및 내부 모듈 간의 정보교환 기능을 수행하는 네트워크 인터페이스 단계를 포함하는 환경 관리에 사용되는 데이터 컨버터의 동작방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 메인 컨트롤 단계는,
    상기 컨피그(Configuration) 정보를 리드(Read)하여 데이터 컨버터를 부팅한는 단계;
    상기 메인 컨트롤 유닛의 가동에 필요한 다수의 컨트롤 스레드(control thread)를 생성하는 단계;
    상기 메인 컨트롤 유닛에서 각 부분별 컨트롤 모듈의 스케줄링을 수행하며, 뮤텍스 타이머(Mutex Timers) 방식으로 각 모듈을 동기화하며, 컨피그 정보를 참조 및 업데이트를 수행하는 단계; 및
    상기 데이터 컨버터 내부를 로컬 스토리지 매니지먼트(Local Storage Managemnt)하여 로컬 스토리지(Local Storage)하는 단계를 포함하는 환경 관리에 사용되는 데이터 컨버터의 동작방법.
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