사물인터넷기반미세먼지측정시스템구현 The Implementation of the Fine Dust Measuring System based on Internet of Things(IoT) 저자저널명발행기관 NDSL URL 노진호 ; 탁한호 한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 한국정보통신학회 http://www.ndsl.kr/ndsl/search/detail/article/articlesearchresultdetail.do?cn=jako201715853767204 IP/ID 121.163.144.225 이용시간 2017/09/20 13:56:03 저작권안내 1 NDSL 에서제공하는모든저작물의저작권은원저작자에게있으며, KISTI 는복제 / 배포 / 전송권을확보하고있습니다. 2 NDSL 에서제공하는콘텐츠를상업적및기타영리목적으로복제 / 배포 / 전송할경우사전에 KISTI 의허락을받아야합니다. 3 NDSL 에서제공하는콘텐츠를보도, 비평, 교육, 연구등을위하여정당한범위안에서공정한관행에합치되게인용할수있습니다. 4 NDSL 에서제공하는콘텐츠를무단복제, 전송, 배포기타저작권법에위반되는방법으로이용할경우저작권법제 136 조에따라 5 년이하의징역또는 5 천만원이하의벌금에처해질수있습니다.
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 한국정보통신학회논문지 (J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 21, No. 4 : 829~835 Apr. 2017 사물인터넷기반미세먼지측정시스템구현 노진호 탁한호 * The Implementation of the Fine Dust Measuring System based on Internet of Things(IoT) Jin-Ho Noh Han-Ho Tack * Department of Electronic Engineering, Gyeongnam National University of Science and Technology, Gyeongnam 52725, Korea 요약최근미세먼지에의해건강이나빠지는문제가빈번하게발생하고있다. 건강에악영향을끼치는미세먼지는실외뿐만아니라실내에서도인체에영향을미치게된다. 따라서우리가생활하고있는실내에서미세먼지의농도를측정하여건강에해로운미세먼지를제어하는시스템이필요하다. 기존의미세먼지측정시스템의효율성을상승시키기위해서사물인터넷 (IoT) 기술을적용하였다. 특히양방향통신이가능한환경을위하여무료클라우드서버대신에개별서버를직접구축하여시스템에적용하였으며이를학교실습실과가정에서직접활용해보았다. 본논문에서제안한시스템을학교및가정에사용할경우, 빠르게실내환경을인지할수있고이는점진적으로개인들의건강에도움이될것으로판단되며, 외부에서도서버데이터를확인하여현재의실내상황에대한대처가가능할수있다. ABSTRACT Recently, the health issues triggered by fine dust matters occurred in higher frequency. Having adverse effects on health, particulate matters affect the human body indoors as well as outdoors. There is thus a need for a system to measure the concentration of particulate matters and control harmful particulate matters for human health in the indoor spaces where people live. The present study applied Internet of Things(IoT) technologies in order to increase the efficiency of the conventional fine dust measurement system. Especially, for the bidirectional communication environment, directly construct a separate server and applied to the system instead of a free cloud server also we used it directly in the school lab and home. When the proposed system is used in schools and homes, it can recognize the indoor environment quickly and it is expected that this will gradually contribute to the health of the individual. Users can also check the server data outside and deal with the current indoor situations. 키워드 : 사물인터넷, 먼지센서, 와이파이, 서버 Key word : Internet of Things(IoT), Fine Dust Sensor, Wi-Fi, Server Received 09 November 2016, Revised 11 November 2016, Accepted 14 December 2016 * Corresponding Author Han-Ho Tack(E-mail:fmtack@gntech.ac.kr, Tel:+82-55-751-3332) Department of Electronic Engineering, Gyeongnam National University of Science and Technology, Gyeongnam 52725, Korea Open Access https://doi.org/10.6109/jkiice.2017.21.4.829 print ISSN: 2234-4772 online ISSN: 2288-4165 This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/li-censes/ by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Copyright C The Korea Institute of Information and Communication Engineering.
한국정보통신학회논문지 (J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 21, No. 4 : 829~835 Apr. 2017 Ⅰ. 서론최근환경오염의심각성이대두되고있는가운데특히, 미세먼지에의해건강이나빠지는문제가빈번히발생하고있다. 미세먼지는지름 10μm이하인먼지를말하며환경법령에서는흔히 PM 10 으로부른다. 사람의폐포까지깊숙하게침투해각종호흡기질환의직접적인원인이되며특히연소작용에의해발생하므로황산염, 질산염, 암모니아등의이온성분과금속화합물, 탄소화합물등유해물질로이뤄져있다. 이때문에일반먼지보다더욱엄격하게규제하고있으며, 최근선진국에서는지름 2.5μm이하인 PM 2.5 를따로관리하는방안도검토되고있다 [1]. 미세먼지의발생원인은자연적인원인과인위적인원인으로구분되나, 인위적인발생이대부분이다. 인위적인발생원은대부분연료연소에의해발생되며, 보일러나자동차, 발전시설등의배출물질이주요발생원이다. 그외공사장, 도로등에서비산되는먼지도많은양을차지한다. 특히, 국내외적으로난방용연료사용이증가하는겨울철에는오염물질배출이증가하여고농도현상발생이증가한다. 국내뿐아니라국외에서유입된오염물질도우리나라대기에영향을미친다. 연구결과에의하면대기오염물질중 30% ~ 50% 내외가국외에서유입된것이라한다 [2]. 미세먼지가건강에미치는영향은미세입자들은먼지핵에여러종류의오염물질이엉겨붙어구성된것으로호흡기를통하여인체내에유입될수있다. 장기간흡입시, 입자가미세할수록코점막을통해걸러지지않고흡입시폐포까지직접침투하기에천식이나폐질환의유병률, 조기사망률증가에영향을줄수있다. 대부분의연구에따르면장기적, 지속적노출시건강영향이나타나며단시간흡입으로갑자기신체변화가나타나지는않는다고알려져있다. 그러나어린이 노인 호흡기질환자등민감군은일반인보다건강영향이클수있어더각별한주의가필요하다 [2]. 이렇게건강에악영향을끼치는미세먼지는실외뿐만아니라실내에서도인체에영향을미치게된다. 따라서우리가생활하고있는실내에서미세먼지의농도를측정하여건강에해로운미세먼지를제어하는시스템이필요하다. 이러한실내공기오염원을측정하기 위하여다양한센서들이개발되고있으며신속한대응을하기위한연구및개발이진행되고있다 [3]. 미세먼지를제어하기위한효율적인시스템을구현하기위하여사물인터넷 (IoT) 기술을적용하였다. 정보통신기술의급속한발전을통해모든사물들이모바일과인터넷을통해연결되어소통하는사회, 즉사물과사람이네트워크로연결되는초연결사회로의패러다임이변화하고있으며, 이에따라사물인터넷이등장하였다 [4]. 이러한패러다임및환경의변화가급속도로진행되고있으나아직많은사람들이 IoT를일상생활에서쉽게접근하기어려운분야로이해하는경향이있어본논문을통하여쉽게 IoT를이해하고적용시킬수있는모델을구현하였다. 본논문에서는와이파이모듈의일종인 ESP8266과개별서버를이용하여먼지센서데이터를측정하고제어할수있는시스템을구현하였다. Ⅱ. 관련연구 2.1. 사물인터넷 (IoT) IoT는 지능화된사물들이연결되어형성되는네트워크상에서사람과사물 ( 물리또는가상 ), 사물과사물간에상호소통하고상황인식기반의지식이결합되어지능적인서비스를제공하는글로벌인프라 로정의된다 [5]. 즉, 사물로대표되는임베디드시스템과인터넷을포함한양방향통신환경, 데이터를처리하는능력등이필요한것이다. 본논문에서는이들을복합적으로적용하여기존의소형 PC 등을활용한통신이아닌와이파이모듈과개별서버시스템을통한데이터측정및제어시스템을설계한다. 2.2. 통신시스템의설계실내에서측정할수있는시스템을고려한경우에는휴대용단말기를이용한근거리무선통신으로확인을할수있는방법이있다 [6]. 하지만이는블루투스의송신범위의제약및직진거리에서송신을하여야하는등의여러번거로움이있다. 본논문에서는이러한단점들을해결하고자개별서버구축을통한미세먼지측정시스템을구현하였다. 830
사물인터넷기반미세먼지측정시스템구현 Ⅲ. 시스템구성및설계본논문에서는자체개발된서버를이용하여측정된먼지센서 (PM1001) 및온 습도센서 (SHT75) 데이터를모니터링하고트리거기능을이용하여팬을구동한후스마트폰에서확인할수있는시스템을구현하였다. 이노는 USB를통해컴파일및업로드를쉽게할수있다. 또한아두이노는다른모듈에비해비교적저렴하고, 윈도를비롯해맥 OS X, 리눅스와같은여러 OS를모두지원한다 [7]. 3.1. 전체시스템그림 1은개발서버시스템의전체구성도를나타낸다. 먼지센서 (PM1001), 온 습도센서 (SHT75) 에서전송되는데이터를메인컨트롤러 (Arduion MEGA ADK) 에서처리한후시리얼통신 Wi-Fi 모듈인 ESP8266으로데이터를전송하면 AP( 공유기 ) 를통해자체개발된서버와접속하여통신하게된다. 또한스마트폰으로서버와접속하여현재상황을바로확인하도록구성하였다. Fig. 2 Main Controller(Arduino Mega ADK) 3.2.2. Wi-Fi 모듈그림 3은메인컨트롤러와서버와통신을위하여사용된시리얼 Wi-Fi 통신이가능한 ESP8266이다. ESP8266은 Wi-Fi 기능을포함한마이크로컨트롤러로단독으로도이용할수있고, 아두이노와시리얼통신으로연결하여사용할수있다. ESP8266 Wi-Fi 모듈은 Wi-Fi Soft AP 동작, Wi-Fi direct 연결, TCP/UDP 데이터전송을지원한다 [8]. Fig. 1 Full System Configuration of Private Server 3.2. IoT 시스템하드웨어구성 3.2.1. 메인컨트롤러그림 2는시스템구현을위해사용된메인컨트롤러 Arduino Mega ADK이다. 아두이노는오픈소스를기반으로한피지컬컴퓨팅플랫폼으로, AVR을기반으로한보드와소프트웨어개발을위한통합환경을제공한다. 아두이노는많은스위치나센서로부터값을받아들여, LED나모터와같은것들을통제함으로써환경과상호작용이가능한물건을만들어낼수있다. 아두이노의가장큰장점은마이크로컨트롤러를쉽게동작시킬수있다는것이다. 일반적으로 AVR 프로그래밍이 WinAVR로컴파일하여, ISP장치를통해업로드를해야하는등번거로운과정을거쳐야하는데비해, 아두 Fig. 3 Wi-Fi Module(ESP8266) 3.2.3. 먼지센서 (PM1001) 모듈그림 4는미세먼지측정을위해사용된먼지센서 (PM1001) 이다. 먼지센서 (PM1001) 는지름 1.0μm이상의먼지를측정할수있는센서로동작원리는그림5와같다. Fig. 4 Fine Dust Sensor Module(PM1001) 831
한국정보통신학회논문지 (J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 21, No. 4 : 829~835 Apr. 2017 Fig. 5 Principle 3.3. IoT 시스템소프트웨어구성사물인터넷기반미세먼지측정시스템을구현하기위한소프트웨어는크게 2부분으로나누어진다. 1) 센서측정시스템제어프로그램 2) 측정데이터분석처리프로그램 3.3.1. 메인컨트롤러소프트웨어메인컨트롤러에서는아두이노를사용하였다. 구현된프로그램의알고리즘은그림 6과같다. 메인컨트롤러프로그램은맨먼저 AP, Server와통신하기위한통신속도를설정한다. 통신속도는 9600 이다. 다음은 Wi-Fi 통신을위한초기설정, 즉설정된 AP의 SSID_name, SSID_password을 AP로보내 OK 를받아 AP와연결하면센서데이터를측정하여서버로전송하고, 그렇지않으면 ESP8266을다시리셋한다. 본논문에사용된먼지센서는초기안정화가필요하기때문에안정화를위한 1분정도의시간이필요하며, 센서가안정화되면서버로데이터를전송한다. 서버로전송된센서데이터를가지고설정된값이상이되면팬을구동한다. 그림 7은서버에센서데이터를업로드하는함수의일부분을나타낸다. Serial1.println("AT+CIPSTART=\"TCP\",\"iot.nyang. pe.kr\",80"); delay(500); TxData = ""; TxData = "POST /api.php/6/26/104/"; TxData += ug; TxData += " HTTP/1.1\r\n"; TxData += "Host: iot.nyang.pe.kr\r\n"; TxData += "Content-Length:0\r\n"; TxData += "Content-Type: text/plain\r\n"; TxData += "Connection: close\r\n\r\n"; send_buf = "AT+CIPSEND="; send_buf += TxData.length(); Serial1.println(send_buf); Serial.print(ug); Serial.println("ug/m3"); Serial.println(TxData); Serial1.println(TxData); delay(500); Fig. 7 Server upload Function Fig. 6 Algorithm for Main Controller Program 3.3.2. 서버소프트웨어본논문에서활용되는서버는리눅스우분트서버 14.04 LTS로 MySQL 데이터베이스에서 PHP 웹언어를통해실사용자표출화면에데이터를표시하도록제작하였다. 해당서버는동시간대최대 2천여명까지접속할수있으며, 동시간대가아닐경우에는인원제한없이접속가능하도록제작하였다. 그림8은 IoT서버의전체구성을나타낸다. 832
사물인터넷기반 미세먼지 측정 시스템 구현 Fig. 10 Test of the Sensor Measurement System 측정된 센서 데이터(온 습도, 미세먼지)를 실시간으 로 서버로 전송하고, 서버에서는 입력된 데이터를 그래 Fig. 8 IoT Server 프로 나타내었다. 그림 11은 먼지센서를 통해 측정된 데이터를 서버에서 그래프와 숫자로 출력한 화면이다. Ⅳ. 시스템 구현 및 측정 본문에서 제안, 구현한 미세먼지 측정시스템은 그림 9와 같다. Fig. 11 IoT Server Sensor Data 그래프에는 시간대별 먼지량이 표시되고 있으며 로 그값 확인을 통해 이전에 입력된 데이터를 확인할 수 있다. 본 시스템의 성능 검증을 위하여 그림 12와 같이 Fig. 9 Sensor Measurement System 학교 실습실의 환기시스템을 구축하였다. 온 습도 센서에서 측정된 데이터는 아두이노 포트로 전송되며, 먼지센서에서 측정된 데이터는 시리얼 통신 을 사용하여 아두이노로 전송된다. 아두이노에서는 측정된 데이터를 시리얼 통신을 이 용하여 와이파이 모듈(ESP-8266)로 전송하고, 이후 AP 와 접속하여 서버에 데이터를 전송한다. 구현된 시스템을 이용한 측정은 학교 실습실 및 개인 가정에서 각각 진행하였다. 그림 10은 실제 학교 실습실과 가정에 설치된 모습 이다. Fig. 12 FAN Control System 833
한국정보통신학회논문지 (J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 21, No. 4 : 829~835 Apr. 2017 그림 13은시간이지남에따라미세먼지의농도변화를나타내고있으며, 미세먼지농도가 80μg / m3이상이되면 FAN을구동하여미세먼지가줄어드는것을확인할수있다. 환경부발표에따르면미세먼지농도가 81μg / m3이상일경우부터 미세먼지나쁨구간 의시작으로분류하고있으며그이하일경우는보통또는좋음으로표시하고있다 [2]. 실시간으로확인할수있는장점이있다. Table. 2 Compare with using free cloud server system & currently implemented system Transmission Speed Server Management Advantage Disadvantage Using free cloud server system Average 15 seconds to 40 seconds delay Free server, Server unmanageable No server maintenance costs Decide whether to use server according to server company's situation Currently implemented system No data delay (Real time) Easy to manage and change with own server Server self management, Easy to managing the functions Server maintenance costs incurred Ⅴ. 결론 Fig. 13 Fine Dust variation graph(fan ON) 표 1에는시간에따른미세먼지농도변화량을표시하였다. 미세먼지의농도가 81μg / m3에도달한이후시점부터팬이동작하여측정을종료한시점에서는미세먼지농도가줄어든것을확인할수있다. Table. 1 Fine dust concentration measurement of class room Division Fine dust concentration measurement( μg / m3 ) a Start (12: 25) b Max. (12: 42) c Finish (13: 9) Class room 7.50 91.60 20.60 표 2에서는무료클라우드서버를이용하여미세먼지를측정하는시스템과현재구현된시스템의특징을상호비교하였다. 무료클라우드서버를이용한시스템은무료서버를통해데이터를전송하므로서버유지비용이발생하지않고어디에서나데이터를전송할수있는장점이있으나데이터의전송이평균 15초에서 40 초정도늦어지는단점이있는반면에자체개발한서버를포함한본구현에서는언제, 어디서나데이터를 IoT관련산업은현재다양한이슈를만들어내고지속적으로성장하고있으며기술력도점차고도화되어보다빠르고정확한 IoT시스템구축이가능해졌다. 본논문에서는미세먼지의영향을최소화하기위하여사물인터넷을기반으로먼지센서를사용하여데이터를측정하고먼지량을줄일수있는시스템을설계, 구현하였다. 와이파이통신을이용하여개발된서버와접속하고측정된먼지량을서버에업로드하도록구성하였으며, 먼지량이일정이상 (80μg/ m3 ) 이되면팬을구동하여먼지량을줄일수있도록설계하였다. 제안된시스템상에서는먼지센서에서측정된데이터가정상적으로서버를통해사용자의 PC 및스마트폰으로전송되는것을확인하였다. 데이터측정및통신을위한과정도 PC에서쉽게조작이가능하도록제반사항들을모두설계하여간단한클릭만으로도센서선정부터결과측정까지일련의과정이가능하도록구현하였다. 특히무료서버또는소형PC 등을이용하여먼지량을측정하던기존연구들의경우, 결과값을확인하는데보통 15초에서 40초정도의지연시간을보이는것 [9, 10] 에반해본시스템은데이터측정과결과값이실시간으로출력된다는것을알수있었다. 834
사물인터넷기반미세먼지측정시스템구현 본논문에서제안한시스템을학교및가정에사용할경우, 빠르게실내환경을인지할수있고이는점진적으로개인들의건강에도움이될것으로판단되며외부에서도서버데이터를확인하여현재의실내상황에대한대처가가능할수있다. 본연구를통해사물인터넷환경에서외부신호를받을수있는기본적인시스템을이해할수있고이는향후먼지센서뿐만아니라가정용, 산업용, 농업용등의다양한시스템과접목을통해보다편리하고윤택한환경구축에이바지할수있다. 또한각조직의관리시스템과더불어교육현장에서의활용도가능할것으로사료된다. REFERENCES [ 1 ] Korea Environment Corporation(KECO). Dictionary of the airkorea [Internet]. Available: http://www.airkorea.or.kr/ dictionary_3. [ 2 ] Korea Environment Corporation(KECO). The Airkorea Brochure of the Fine Dust [Internet]. Available: https://www.airkorea.or.kr/web/bbs/airpds/15830/?sch_key =0&sch_value=. [ 3 ] J. H. Park, Y. I. Jun, and U. K. Lee, IT convergence technology-based gas sensor technology for environmental monitoring, Information & Communications Magazine, vol.25, no.6, pp. 40-47, Jun. 2008. [ 4 ] H. B. Cho and M. H. Kim, IoT technology and Status of development Domestic and Oversea Service, National IT Industry Promotion Agency, pp. 20-23, Nov. 2013. [ 5 ] B.C. Kim, A Internet of Things(IoT) based exploration robot design for remote control and monitoring, Journal of Digital Convergence, vol. 13, no. 1. pp. 185-190, Jan. 2015 [ 6 ] S. H. Ye and S. H. Han, Indoor Environment Monitoring System Using Short-range Wireless Communication in Mobile Devices, Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol.17, no.9, pp. 2167-2173, Sep. 2013. [ 7 ] S. E. Park, C.G. Hwang, D. C. Park, Internet of Things(IoT) ON system implementation with minimal Arduino based appliances standby power using a smartphone alarm in the environment, The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 10, no. 10, pp. 1175-1182, Oct. 2015. [ 8 ] IDK Company, ESP8266 Technical reference manual [Internet]. Available: http://idktech.co.kr/index.php/ko/ download?pageid=2&uid=10&mod=document. [ 9 ] E. T. Kim, Y. C. Kim and S. Y. Kwak, Iot based Indoor Air Quality Monitoring System, The Journal of the Korea Contents Association, vol. 16, no. 2. pp. 143-150, Feb. 2016. [ 10 ] C. S. Oh, M. S. Seo, J. H. Lee, S. H. Kim, Y. D. Kim and H. J. Park, Indoor Air Quality Monitoring Systems in the IoT Environment, The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences '15-05, vol.40 no.05. pp.886-891, May 2015. 노진호 (Jin-Ho Noh) 한국기술교육대학교전자공학과공학사안동대학교대학원정보통신공학과공학석사경남과학기술대학교대학원전자공학과박사과정수료한국폴리텍대학달성캠퍼스부교수 관심분야 : IoT, 로봇제어, 센서네트워크 탁한호 (Han-Ho Tack) 부경대학교전자공학과공학사동아대학교전자공학과공학석사한국해양대학교전자통신공학과공학박사신일전기 < 주 > 전기기기설계담당 < 주 > 흥창부설연구소 ( 연구원 ) University of British Columbia(UBC), Vancouver, CANADA, 연구교수경남과학기술대학교융합기술공과대학전자공학과교수 관심분야 : 멀티미디어시스템, 신경회로망, 퍼지시스템, 로봇틱스, 공장자동화, 트랜스포테이션, 기계진동및동역학 835