한국산학기술학회논문지 Vol. 10, No. 7, pp. 1608-1613, 2009 권대곤 1, 최신형 2* 1 경남도립남해대학컴퓨터정보계열, 2 강원대학교제어계측공학과 Sensor Data Management using Database Dae-Gon Kweon 1 and Sin-Hyeong Choi 2* 1 Dept. of Computer Information, Gyeongnam Provincial Namhae College 2 Dept. of Control & Instrumentation Engineering, Kangwon National University 요약임베디드분야에대한발전으로임베디드시스템을이용한각종장비가개발되고, 실제생활에많은부분에서활용되고있다. 또한, 무선센서네트워크를통해각종센서로부터데이터를수집할수있으며, 호스트를거치지않더라도임베디드시스템만으로도수집된데이터를실시간으로보여줄수있다. 본논문에서는센서노드로부터무선으로전송되는센싱데이터관리를위해임베디드시스템에임베디드데이터베이스를설치하여게이트웨이역할만을하는임베디드시스템의기능을개선한방안을제시한다. 즉, 임베디드시스템에임베디드데이터베이스를설치한다음센싱데이터를저장및관리함으로써센싱데이터가전송될때마다게이트웨이를통한호스트와통신하는전송횟수를줄일수있으며, 임베디드시스템에서필터링프로그램을수행하여보다정확하고유효한데이터만을호스트에전송함으로써수집된센싱데이터에기반한분석결과의신뢰성을높일수있다. Abstract All kinds of equipment which used an embedded system is developed, and these are used as to an actual life in developments regarding an embedded field in a lot of sections. Also, we can collect data from all kinds of sensors through wireless sensor networks, look by real time data collected could be brought if only through embedded system. In this paper we present a plan which improve the capabilities of embedded system only act as a gateway by installing embedded database in an embedded system for the sensing data management that was transmitted by radio from sensor nodes. In other words, by installing an embedded database to store and manage data by sensing data can be reduced the transmission frequency to communicate with a host and by performing the filtering program in embedded system and then by transmitting only valid data to the host can be increase the reliability of the analysis results based on data collected. Key Words : Embedded System, Database, USN 1. 서론 30년전만해도 PC라는개념이아닌터미널과서버의개념에서는컴퓨터와사용자의비율이 1:N이었다. 하지만 1980년대부터 PC가등장을함으로써그비율은 1:1이되었고, 현재에는다수개의컴퓨터가한명의사용자를위해동작하는 N:1의비율로변화하고있는시대에살고있다. 하지만이것은이제임베디드시스템이등장함으로써, 컴퓨터가더욱소형화되고전문화되면서사람이컴퓨 터를사용하고있음을인식하지않는유비쿼터스세상을만들게되었다. 이제컴퓨터와사람의비율이 :1이되는세상을맞게된다 [1]. 임베디드시스템이란한마디로 ' 특정목적으로구성된마이크로프로세서위에소프트웨어를내장하여최적화시킨시스템 ' 이라고할수있다 [2]. 지금까지는임베디드시스템의특징상호스트 PC에비해저사양, 저용량의하드웨어로구성되어관리업무보다는중계업무의역할을수행함으로써보조역할및단순한응용프로그램수행의장 * 교신저자 : 최신형 (cshinh@kangwon.ac.krr) 접수일 09 년 05 월 04 일수정일 (1 차 09 년 06 월 16 일, 2 차 09 년 07 월 15 일 ) 게재확정일 09 년 07 월 22 일 1608
으로써활용하는수준이었다. 하지만임베디드시스템을구성하는마이크로프로세서의처리속도증가와플래시메모리나 SDRAM의용량증가로보다복잡한프로그램수행이가능해졌고, 많은데이터를관리하기위한임베디드용데이터베이스관리시스템도등장함으로써, 임베디드시스템은보조서버로써의역할뿐아니라데이터베이스관리시스템까지탑재가능한수준까지발전하였다. 이에본연구에서는각종센서로부터무선으로전송되는센싱데이터관리를위해임베디드시스템의역할을보다확장하여센싱데이터수집및필터링등의업무와센싱데이터저장등의관리업무를수행하도록시스템을구현한다. 본논문의구성은다음과같다. 2장에서는관련연구로임베디드시스템과임베디드용으로개발된데이터베이스관리시스템에대해살펴보고, 3장에서는제안한시스템구조에대해설명하며, 4장에서는제안한시스템에대한구현을보여주고, 마지막으로결론및향후연구과제를나타낸다. 2. 관련연구 2.1 임베디드소프트웨어 임베디드소프트웨어는특정한기능을수행하기위해설계된임베디드시스템에내장되는소프트웨어를말한다. 휴대폰, 디지털가전, 자동차, 국방및항공, 로봇에이르기까지다양한장비에내장되어제품의기능을다양화하고부가가치를결정하는핵심기술로각광받고있다. 즉, 임베디드시스템에서소프트웨어가차지하는비중이점점커지고복잡해짐에따라임베디드소프트웨어의중요성도이에비례하여커지고있다 [3,4,5]. 2.2.1 Berkeley DB Berkeley DB는오픈소스기반임베디드데이터베이스이다. 기반엔진은 C, C++ 로구현되어있으며, 자바인터페이스도지원한다. 많은기능을포함하고있지만매우가벼우며, 속도도빠른편이다. 또한경량데이터베이스이면서도일반 DBMS에서지원하는대부분의기능을지원하고있다. 2.2.2 GNU dbm GNU dbm은사용하기쉽고크기가작으며검색속도가빨라임베디드용으로적합하고, 보통 gdbm으로부른다. gdbm은표준 UNIX dbm의함수와유사하게작동하는데이터베이스함수모음이다. 이함수들을사용하여데이터베이스파일들을만들거나처리할수있다. 2.2.3 Embedded MySQL 잘알려진 MySQL에는임베디드서버라이브러리인 libmysqld가포함되어있는데, 이와같은임베디드데이터베이스라이브러리를이용해, 최종사용자가기반데이터베이스에대해알필요도없이어플리케이션과전자장비에 MySQL 데이터베이스서버의기능을삽입할수있다. 2.3 기존의센싱데이터관리기존에는센서노드로부터전송되는데이터를수집하기위해서는그림 1과같이게이트웨이보드가부착된데이터서버에무선으로직접전달하는형태이다. 2.2 임베디드데이터베이스임베디드데이터베이스란특정애플리케이션의한부분으로동작하는데이터베이스소프트웨어컴포넌트라고정의할수있다. 이와같이임베디드데이터베이스는애플리케이션이필요할때수시로이를불러서수행되므로별도의관리자가관리활동또는인터럽트를할수없는경우가많다. 따라서이처럼데이터베이스에대한관리활동이지극히제한되거나특정한용도로정해져있는시스템에는임베디드데이터베이스를활용하는것이좋다 [2,5,6]. 지금까지개발된임베디드데이터베이스로는 Berkeley DB, GNU dbm, Embedded MySQL 등이일반적으로많이사용된다 [6-10]. [ 그림 5] 기존의센싱데이터관리 3. 시스템설계 본장에서는본논문에서제안하는임베디드시스템기반의센싱데이터관리방안을중심으로시스템구조를살펴본다. 1609
한국산학기술학회논문지제 10 권제 7 호, 2009 3.1 시스템개요앞서살펴보았듯이임베디드시스템특징과대용량의하드디스크대신적은용량의메모리로인해센서네트워크 [11-14] 응용분야에서단순한게이트웨이역할만을수행하였다. 하지만하드웨어가격하락및관련소프트웨어기술발달로인해임베디드시스템의성능향상과임베디드시스템이보다다양하게활용될수있다. 로그램과임베디드데이터베이스인 embedded MySQL이설치되어있다. 셋째, 센서네트워크노드그룹은온도, 습도등의센서정보를수집하는센서노드와센싱데이터를임베디드시스템에무선으로전송하는노드로구성된다. 4. 실험및고찰 본장에서는임베디드시스템의기능을확대한센싱데이터관리시스템의구현환경과구현과정에대하여서술하고자한다. [ 그림 6] 임베디드시스템을이용한센싱데이터관리이에본연구에서는그림 2와같이센서노드로부터전송되는각종센서데이터수집및처리를위해임베디드시스템의역할을확대하고보다정확한데이터만을호스트에전송하고자한다. 즉, 매순간센서노드로부터무선으로전송되는센싱데이터를임베디드시스템에서수집뿐만아니라필터링과저장할수있다. 4.1 구현환경임베디드시스템에서의센싱데이터관리시스템구현을위한개발환경은호스트시스템, 임베디드시스템, 센서노드그룹으로나눌수있다. 3.2 시스템구조전체시스템구조는그림 2와같이구성된다. 크게세부분으로구성되는시스템은호스트시스템, 임베디드시스템그리고센서네트워크노드그룹으로구성된다. 첫째, 호스트시스템에는리눅스운영체제가설치되어있고, 각종응용프로그램개발을위해필요한 gcc와같은 C Compiler와리눅스에서사용되는그래픽라이브러리인 Qt/Embedded를설치되어있다. 또한, 데이터베이스서버로서 MySQL DBMS가설치되어중앙데이터저장소로서의역할을수행한다. [ 그림 8] 실험환경본논문에서제안하고설계구현한시스템을실험하기위하여그림 4와같은실험환경으로구성한다. 이에대한자세한내용은다음과같다. 4.1.1 호스트시스템호스트시스템에는개발환경구축을위해우선 RedHat Linux 9.0을운영체제로설치하고, 센싱데이터수집및필터링을위한프로그램작성을위해 GNU gcc 를컴파일러로이용한다. 또한, 임베디드시스템에설치할응용프로그램은 Qt- Embedded-free-3.3.3을이용하여프로그래밍한다. [ 표 1] 호스트시스템 [ 그림 7] 시스템구성도 둘째, 임베디드시스템에는호스트시스템을통해개발된통신모듈을포함한센싱데이터수집및필터링프 System Pentium4(Memory 512) OS RedHat Linux 9.0 Compiler X86용 GNU gcc Database MySQL GUI Library Qt-embedded-free-3.3.3 1610
즉, 응용프로그램이임베디드시스템의 TFT/LCD 상에서실행되기위해 GUI 부분은 Trolltech사의임베디드 Qt 라이브러리를사용하여구현하였다. 이렇게 C언어로는통신및필터링을위한주요모듈을, Qt로는 GUI 구현을위해사용함으로써, 차후 GTK+ 와같은리눅스혹은윈도우기반의다른 GUI 라이브러리를사용할경우이부분만수정하여이용할수있다. 4.1.2 임베디드시스템 임베디드시스템은하이버스의 X-Hyper270 TKU를사용했다. 이시스템의주요사양으로는 FWPXA 270-520Mhz CPU가장착되어있으며, 128Mbyte의램과 32Mbyte의플래시메모리, 64Mbyte의낸드플래시메모리를제공하고있으며, 6.4인치 TFT LCD가장착되어있다. 임베디드리눅스 2.4를운영체제로사용한다. Memory CPU SDRAM Falsh ROM Nand Falsh Display Interface [ 표 2] 임베디드시스템사양 128MB 32MB 64MB FWPXA270 (520MHz) 6.4"TFT LCD JTAG I/F UART I/F for Debug 1EA Full Function UART 4EA PCMCIA Card I/F USB Client 1 port [ 표 3] 센싱데이터패킷구조 항목 크기 (byte) Destination Addr 2 handlerid 1 groupid 1 msg length 1 source Addr 2 Counter 2 Channel 2 Data 20 다음으로필터링프로그램에서는수집된센싱데이터 가어느노드로부터전송되었는지를파악하고, Data 영역 에있는정보들의전후값을비교하여크게차이가나는 데이터는문제가있던지신뢰할수없는데이터로처리 하여별도로저장한다. 임베디드시스템에서의센싱데이터관리를위해본 연구에서는 임베디드 데이터베이스 중의 하나인 Embedded MySQL을설치하여임베디드시스템에데이 터베이스를구현하였다. 즉, 임베디드시스템에임베디드 솔루션을위해제공하는 embedded DB server library인 libmysqld를설치하고, 센싱데이터관리프로그램에서 DB 서버를시작할수있도록필요한모듈을삽입하여 embedded server library에링크한다. Ethernet 10Base-T 1Port 10/100Base-T 2Port 본연구에서는임베디드시스템이센서노드그룹으로부터전송되는센싱데이터수집과필터링및관리역할을하므로임베디드시스템에설치되는프로그램은크게세부분으로나누어진다. 임베디드시스템의프로그램이실행되면, 센서노드로부터전송되는센싱데이터는임베디드시스템과시리얼케이블로연결되어있는게이트웨이노드인 MIB510을통해전달된다. 이들데이터를시리얼통신프로그램을통해수집한다. 표 3은센싱데이터의패킷구조를나타낸다. [ 그림 9] TFT/LCD 상에서의센싱데이터값그림 5는센서노드로부터수집된센싱데이터를시리얼포트에연결된게이트웨이보드인 MIB510으로부터전송받아임베디드시스템의 TFT/LCD에디스플레이해주는화면이다. 1611
한국산학기술학회논문지제 10 권제 7 호, 2009 [ 그림 10] 데이터처리알고리즘이렇게전송된센싱데이터는그림 6의처리알고리즘에의해특정시점을기준으로 10개씩데이터값을비교하여평균값에비해많은차이가날경우에는별도의테이블에저장함으로써보다정확한데이터만을센싱데이터테이블에저장할수있다. 그림 7은임베디드시스템상에서 Qt로구현한센싱데이터관리프로그램의일부분이다. 이와같이 C/C++ 언어로는시리얼통신프로그램및센싱데이터의필터링프로그램작성에이용하고, 임베디드시스템의 TFT/LCD에보여주기위한 GUI부분은 Trolltech사의임베디드 Qt라이브러리를사용하여구현하였다. 본연구에서제안하고구현한임베디드시스템을이용한센싱데이터관리방안을사용함으로써얻을수있는이점은다음과같이정리할수있다. 첫째, 센서노드로부터전송된센싱데이터를수집하기위하여임베디드시스템을사용함으로써 1차적인필터링을통해데이터서버에잘못혹은악의적인데이터가전송되는것을차단할수있다. 둘째, 임베디드시스템에임베디드 DB를설치함으로써일시적혹은데이터에효과적인관리를할수있다. 셋째, 호스트 PC에비해상대적으로저가인임베디드시스템을중간위치에설치함으로써도난과같은안전문제또한예방할수있다. Form1::Form1( QWidget* parent, const char* name, WFlags fl ) : QWidget( parent, name, fl ) if (!name ) setname( "Sensor Network" ); resize( QSize(459, 181).expandedTo(minimumSizeHint()) ); connect(send,signal(clicked()),this,slot(serial_init())); connect(pushbutton1,signal(clicked()),qapp,slot(quit())); fd = ::open(modemdevice, O_RDWR O_NOCTTY O_NONBLOCK); if(fd< 0) perror(modemdevice); else QSocketNotifier* notifier = new QSocketNotifier(fd,QSocketNotifier::Read,this); QObject::connect(notifier,SIGNAL(activated(int)),this, SLOT(Read_Data())); void Form1::Serial() int result; serial_init(); char txbuf[] = 0x31; result = ::write(fd,txbuf,sizeof(txbuf)); ::close(fd); [ 그림 7] 센싱데이터관리프로그램일부 5. 결론 기존에는임베디드시스템의하드웨어사양이 PC에비해저사양, 저용량인관계로센서네트워크분야에응용될때는센싱데이터의중계기역할만을수행하였다. 본논문에서는이런임베디드시스템의역할을확대하기위하여 embedded MySQL을임베디드시스템에설치하여 C/C++ 언어로개발한시리얼통신프로그램과연동하게함으로써임베디드시스템이센서노드로부터전송된센싱데이터의관리를가능하다. 또한, 임베디드시스템의 TFT/LCD상에서모니터링을위해 embedded Qt를사용하여 GUI를구현하였다. 이와같은센싱데이터관리기능외에추가로필터링프로그램을설치하여오류가있거나특정구간내의평균값에큰차이를보이는데이터는별도로관리할수있다. 즉, 임베디드시스템에임베디드데이터베이스를설치한다음센싱데이터를저장및관리함으로써센싱데이터가전송될때마다게이트웨이를통한호스트와통신하는전송횟수를줄일수있으며, 임베디드시스템에서필터링과정을통해보다정확하고유효한데이터만을호스트에전송함으로써수집된센싱데이터에기반한분석결과의신뢰성을높일수있다. 향후에는필터링과정과더불어센싱데이터에대한보안성에대해추가연구가필요할것으로사료된다. 1612
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