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무선 멀티 센서 노드 구현을 위한 BLE 5.0 기반 저전력 데이터 전송 기법 연구
전진택 ( Jintack Jeon ),주우혁 ( Woohyeok Ju ),한광현 ( Gwanghyun Han ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1
무선 센서 네트워크는 환경 데이터 수집을 목적으로 환경 계측 센서와 데이터를 가공을 위한 프로세서, 통신을 위한 무선 송수신기를 갖춘 소형 센서 노드로 구성된 네트워크이다. 배터리 기반의 무선 센서 노드에서 지속적인 계측, 가공 및 통신을 할 경우 소비전력의 증가로 센서 노드를 활용하기 어려운 현실이다. 이에 통신 시 발생하는 소비전력량의 감소를 위해 다른 무선 통신들에 비해 저전력인 BLE(Bluetooth Low Energy)에 관한 관심이 증가하고 있다. 본 연구에서는 BLE 5.0을 기반으로 하여 무선 센서 노드의 데이터 전송 기법에 따른 저전력 통신 구현 기법에 대해 연구하였다. 연구를 위해 BLE 기능과 딥슬립 모드를 지원하는 Nano33 BLE보드를 사용하였다. 보드에 내장된 블루투스 모듈(B306)은 블루투스 5.0, 802.15.4, ANT 및 전용 2.4GHz 프로토콜을 지원하는 다중 프로토콜 SoC 인 nRF52840(Nordic Semiconductor, US)를 사용하며, 1MB의 플래시를 갖춘 32 bit ARM 기반의 칩으로 구성되어있다. 소비전력량의 대리변수로 소비전류를 오실로스코프(Xprotolab-Plain GT-0007, Gabotronics, US)를 이용하여 측정하였다. 성능평가를 위해 BLE의 통신방법인 Advertiser와 Observer로 구성된 Advertise(Broadcast)방법과 Central과 Peripheral로 구성된 Connection 방법을 사용하였다. 본 연구에서는 송신부인 Advertiser와 Peripheral 장비와 수신부인 Observer와 Central 장비 사이의 통신 시 발생하는 소비전류를 측정 및 분석하였다. 실험결과, Advertise와 Connection 방식에서 ble start, advertising, wait, ble end 네 과정동안 동일한 전류를 소모하였다. Connection 방식에서는 추가적으로 connect 과정이 있는데 wait 과정보다 소모량이 커동일한 시간동안 통신을 한다면 Connection 방식에서 더 많은 전류를 소모하는 것으로 나타났다. 또한 데이터 통신 시 Connection 방법이 Advertise 방법에 비해 추가적인 과정이 있어 비교적 통신 속도가 느린 것을 확인할 수 있었다. 본 실험의 결과로 무선 멀티 센서 노드를 구현하는데 기초 연구로 활욜할 수 있을 것으로 판단된다.
주우혁 ( Woohyeok Ju ),오민희 ( Minhee Oh ),한광현 ( Gwanghyun Han ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2
토양현장진단은 토양 시료 분석 결과로부터 진단 및 처방을 위한 양분상태를 확인하고 관리하는 과정을 포함한다. 토양현장진단을 위한 장비는 분광광도계 등 고가의 화학 분석기를 이용하여 분석 결과의 신뢰성을 확보하였다. 한편 고가의 장비 경우 일반 농가 보급에 경제적 부담으로 이어져 상용화에 어려움이 있다. 상용화를 위해 저가의 이미지센서 기반 양분 농도 정량화의 신뢰성 확보가 필수적으로 요구된다. 따라서 본 연구에서 표준시약을 이용하여 이온 농도별 정량화를 위한 영상분석을 수행하였다. 영상 분석용 이미지 촬영은 카메라 모듈(OV2640, OmniVision, US)을 이용하며, 이미지 크기는 1600× 1200 픽셀 비트맵 형식으로 저장했다. 본 실험을 위해 사용된 이온별 농도는 마그네슘 0, 5, 10, 15, 20, 25 mg/L, 인산 0, 20, 40, 60, 80, 100 mg/L, 질산 0, 50, 100, 150, 200, 250 mg/L이다. 3가지 이온 이미지를 분석하기 위해 매트랩(MATLAB, R2021a, USA)을 사용하였다. 각 이온-농도별 이미지에 대해 RGB 채널 히스토그램을 확인하였고, 히스토그램의 피크점을 이용하기 위하여 이동평균을 이용하여 히스토그램의 평활화를 진행하였다. RGB 색상 채널에서 개별 채널(R, G, B)과 2채널 별(RG, RB, GB)에 대하여 1차, 1차+2차, 2차 방정식을 이용하여 이미지의 RGB 색상과 이온 농도를 회귀분석을 진행하였다. 개별 채널로 나누어 분석을 진행하였을 경우 1차 방정식보다 2차 방적식을 이용하였을 때 높은 상관성을 보여주었으며 대부분 0.95 이상의 높은 상관계수(R2)를 보여주었다. 하지만 마그네슘이온의 경우 G 채널을 이용하여 분석하였을 때 R2=0.7143, 질산이온의 경우 R 채널에서 분석하였을 때 R2=0.5360의 낮은 상관성을 나타내었다. 2채널 별로 분석을 진행하였을 때 인산이온과 질산이온의 경우 다른 방정식보다 2차 방정식을 이용하였을 때 높은 상관성을 보여주었지만, 마그네슘 이온의 경우 G 채널을 포함한 RG, GB의 경우 R2가 각각 0.5186, 0.4042로 나타났다. B채널만을 이용하여 3가지 이온의 농도 정량화가 가능할 것으로 나타났지만, R채널과 B채널을 함께 사용한다면 보다 정밀한 농도 정량화가 가능할 것으로 판단된다.