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최근 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 관련 기술의 발전으로 새로운 IoT 디바이스들이 개발되면서 연결되는 장치의 수와 그 종류가 증가하고 있다[1]. 이러한 IoT 디바이스들은 센서를 통해 수집되는 다양한 데이터를 분석 및 처리하여 헬스케어, 스마트팜, 일상 생활용품 등 다양한 분야에서 활용되고 있다[2].

IoT 디바이스의 수가 증가함에 따라 디바이스를 효율적으로 관리하고 모니터링 및 제어하기 위한 플랫폼 역시 요구된다[3]. 하지만 이러한 IoT 플랫폼들은 자체적으로 정의된 표준 및 프로토콜을 사용함으로써 그 확장성이 저하되는 문제를 지닌다.

또한, IoT 디바이스는 기술 발전으로 인해 소형화 및 휴대성이 증대되었으며, 이는 이동성이 높아져 다양한 장소에서 사용자에게 서비스를 제공해 줄 수 있도록 발전되었다. 즉, IoT 디바이스들이 점차 작아지고 이동이 쉬워지므로, 한 장소에서 다른 장소로 이동하여 배치되기 쉬우며 이러한 행위는 IoT 플랫폼 내에서 IoT 디바이스의 관리 및 추적 시 그 복잡성이 높아지는 문제를 발생시킨다.

디바이스 레지스트리(Device registry)는 이러한 문제들의 해결을 위하여 본 연구의 선행 연구로서 개발되었다[4]. 디바이스 레지스트리는 IoT 플랫폼 내에서 디바이스의 정보를 등록하고 관리하기 위한 시스템으로 디바이스의 메타데이터를 사용자가 직접 정의하여 키-값의 쌍(Key-value pair) 형태로 등록 시켜 유연한 정보 관리를 할 수 있게 한다. 하지만, 기존의 디바이스 레지스트리는 정보 관리 및 센서 데이터의 모니터링에 초점을 두고 있어 사물 제어 기능에 대해서는 고려하지 않고 있다.

현재 다양한 분야에서 IoT 디바이스를 제어하기 위한 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[5]-[7]. IoT 디바이스의 제어 방식에는 크게 근거리 통신을 사용하거나 원거리 통신으로 인터넷을 통해 제어하는 방식, 추가로 모듈을 연결하는 방식 등이 있다. 예를 들어, 근거리 통신인 NFC 기술을 활용해 차량용 내비게이션의 목적지 입력에 편리성과 안정성 증대를 위한 연구가 있다[8]. 이는 사물인터넷의 등장으로 새로운 디바이스들이 빠르게 개발되면서, 변화에 적응하기 힘든 사용자들을 위해 개발되었다. 두 번째로 원거리 통신을 이용하여 제어할 때는, 웹 서비스 또는 모바일 애플리케이션을 통해 사물을 모니터링 및 제어한다[9][10]. 마지막으로 인터넷에 연결되지 않은 기기는 별도의 게이트웨이나 허브를 추가로 연결하거나, 사물 자체에 Wi-Fi 모듈을 탑재시킴으로써 사물을 제어할 수 있다[11].

그러나 이러한 사물 제어 기법들은 사물의 이동성 측면에서 보았을 때 유연하게 사물을 이동하기 힘들다는 문제를 지닌다. 이는 사용자가 IoT 디바이스가 설치된 장소 외의 장소에서 IoT 디바이스를 제어하기를 원할 수 있다는 점과 IoT 디바이스들이 다른 네트워크 환경으로 이동 시 IP 주소가 바뀔 수 있다는 점에서 이동성이 저하된다.

예를 들어, 많은 IoT 디바이스들이 집이나 사무실에서 사용이 될 수 있으며, 특히 Wi-Fi를 사용하는 IoT 디바이스의 경우 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) 기능을 지니는 유무선 공유기를 통하여 인터넷에 접속될 가능성이 높다. 이러한 인터넷 환경은 공유기의 외부에서 IoT 디바이스에 접근하기가 어려우며, 이를 위해서는 포트 포워딩 기능을 공유기에 설정해 놓아야 한다. 또한, 이동이 쉬운 IoT 디바이스는 공유기를 바꾸거나 다른 공유기가 설치된 환경으로 이동될 경우, 공유기 설정을 수정하거나 IoT 디바이스의 플랫폼 설정을 수정해야 하므로 이동성이 저하되는 문제를 지닌다.

이를 위하여, IoT 디바이스의 메시지 프로토콜로 MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)와 같은 기술들이 개발되었다. MQTT란 가벼운 발행(Publish) 및 구독(Subscribe) 메시징 프로토콜 형태를 지닌다. 따라서, MQTT는 이동성이 높은 무선 네트워크 환경에서 IoT 디바이스의 메시지 교환을 위해 주로 사용된다[12].

본 논문은 IoT 환경에서 사물의 이동성 강화를 위해 디바이스 레지스트리를 활용한 MQTT 기반의 IoT 사물 제어 기법을 제안한다. 먼저, 다양한 IoT 디바이스 정보를 통합 및 관리하기 위해 디바이스 레지스트리를 활용하고, 디바이스의 센서와 액추에이터에 대한 메타데이터를 정의한다.

제안 기법의 구현을 위하여 환경 데이터를 수집하기 위한 IoT 디바이스를 개발하고, 센서값 및 액추에이터를 제어할 수 있는 웹 기반 모니터링 시스템을 개발한다. 또한, 시나리오를 통하여 제안 기법의 특성을 검증한다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 제2장은 관련 연구를 기술하며, 제3장에서는 제안 시스템과 MQTT 기반 IoT 디바이스 제어 기법에 관해 기술한다. 제4장에서는 구현 결과를 기술하며, 제5장에서는 시나리오를 자세하게 기술한다. 마지막으로, 제6장에서는 결론과 함께 본 연구의 기대효과 및 향후 연구에 대하여 기술한다.

이 장에서는 사물 제어 프로토콜과 사물 제어 시스템에 관한 연구를 소개하고 각 연구의 문제점을 기술한다.

이 장에서는 제안 시스템에 대한 구조를 설명한다. 먼저, 제안 시스템의 모듈 중 디바이스 레지스트리의 구조를 기술하고, 센싱, 액추에이팅을 위한 메타데이터의 정의와 MQTT 기반의 메시지 토픽 정의 방법을 기술한다.

3.1 제안 시스템 구조

그림 1은 제안 시스템의 구조이다. 위 그림에서 빨간 선은 센싱 데이터의 흐름을, 파란 선은 제어 요청 데이터의 흐름을 나타낸다. 구조는 크게 IoT 디바이스, 서버(Server), 클라이언트(Client)로 구성되어 있으며, 각 구성 요소와 주요 기능은 다음과 같다.

Fig. 1. 
Architecture of proposed system

IoT 디바이스는 센싱과 액추에이팅 부분으로 나누어지며 아두이노에 부착된 센서를 통해 데이터를 수집한다. 이때 수집된 데이터는 블루투스 통신을 통해 MQTT 브로커(Broker)인 라즈베리파이로 전송된다.

서버는 MQTT 브로커, 센서 DB 관리자(Sensor DB manager), 데이터베이스, 모니터링 툴(Monitoring tools), 디바이스 레지스트리로 구성된다.

MQTT 브로커는 IoT 디바이스와 클라이언트들이 보내는 메시지를 수집하고 이를 다시 필요한 장치에 전달해주는 중계 서버 역할을 한다. 제안 시스템은 IoT 디바이스로부터 수집된 데이터를 데이터베이스에 저장하며 사용자로부터의 제어 요청을 IoT 디바이스로 전달한다. 토픽을 사용함으로써 다수의 디바이스로부터 데이터가 들어왔을 때 어떤 디바이스로 데이터를 발행해야 하는지 구분한다.

센서 DB 관리자는 MQTT 브로커로 전송된 센서 데이터를 전송받아, 데이터베이스로 저장하는 역할을 한다. 즉, 센서 DB 관리자는 디바이스 레지스트리에 등록된 각 디바이스에서 발생하는 토픽을 구독하다가, IoT 디바이스가 MQTT 브로커로 센싱된 데이터를 전송하면 MQTT 브로커가 센서 DB 관리자로 해당 데이터를 전송하고, 센서 DB 관리자는 이를 데이터베이스에 저장한다.

모니터링 툴은 IoT 디바이스의 센서 데이터를 보여주고 사물 제어를 요청하는 도구이다. 클라이언트는 IoT 디바이스로 수집된 데이터를 웹 브라우저를 통하여 실시간으로 감시한다. 또한, 모니터링 툴의 사물 제어 기능을 통해 IoT 디바이스의 액추에이터로 제어를 요청할 수 있다. 이때, 제어 요청은 MQTT 브로커에게 전송되고, MQTT 브로커가 이를 IoT 디바이스로 전송함으로써 사물을 제어한다.

3.4 MQTT 메시지의 토픽 정의

이 절에서는 MQTT에서 전달되는 메시지를 위한 토픽의 정의 방법에 관해 기술한다.

MQTT는 토픽을 통해 슬래시(/)를 분리 문자(Delimiter)로 사용하여 서로 다른 클라이언트 간 메시지를 주고받을 수 있다. 제안 시스템에서는 ‘iot/sensor’ 또는 ‘iot/actuator/system_id’ 형식으로 토픽을 정의한다. 이때 ‘iot’는 데이터를 받는 모듈인 센서 DB 관리자를 나타내며 sensor, actuator를 통해 해당 데이터가 센서 데이터인지 제어 요청인지를 구분한다. 그림 2는 제안 시스템의 MQTT 발행/구독의 구조를 통한 메시지 전달 과정을 보인다. 사용자의 제어 요청은 웹 브라우저로 입력받아 모니터링 툴을 통해 MQTT 브로커로 발행된다. IoT 디바이스로 수집된 센서 데이터는 토픽을 통해 MQTT 브로커로 발행되며, 동시에 MQTT 브로커로부터 제어 요청을 전달받아 다양한 사물을 제어한다.

Fig. 2. 
MQTT-based message delivery process

이 장에서는 제안 시스템의 구현 결과를 기술한다. 이를 위하여 IoT 디바이스를 실제로 개발하고 이를 통하여 제안 기법이 어떻게 디바이스를 제어하는지를 예제를 통하여 보인다.

표 7은 제안 시스템 구성 요소들의 구현 환경이다. MQTT 브로커는 보편적으로 사용되는 mosquitto를 사용한다[27]. Mosquitto는 MQTT 브로커가 가져야 할 대부분의 기능을 충분히 지원하고 소형 디바이스에 올려 사용하기에 적합해 IoT 환경에서 많이 사용된다[28]. 본 연구는 서버에서 설치해 아두이노와 센서 DB 관리자 사이의 데이터 처리를 위해 사용된다.

평가에 사용될 IoT 디바이스는 미세먼지 수집기로서 메카 솔루션에서 제공하는 교육용 미세먼지 센서 키트를 기반으로 센서 데이터 측정뿐만 아니라 액추에이터의 원격 제어도 가능하도록 구현한다[29]. 표 8은 미세먼지 키트의 스펙이고, 그림 3은 구현된 미세먼지 수집기를 보인다.

Fig. 3. 
Implementation of fine dust collector

부착된 센서 및 액추에이터의 종류에는 온습도 센서, 조도 센서, 미세먼지 센서, RGB led 등이 있다. 이 외에도 LCD 모니터, 블루투스 모듈이 있다.

부착된 센서로 데이터를 측정한 후, LCD 모니터에 온도(T), 습도(H), 미세먼지(D), 조도 값(L)을 출력한다. 이는 다시 블루투스 통신을 통해 라즈베리파이로 전송된다. RGB led 색상은 기본적으로 미세먼지 값에 따라 좋음, 평균, 나쁨 세 가지 기준으로 분류되며 사용자의 입력에 따라 제어가 가능하다.

미세먼지 수집기를 제어하기 위해서 먼저, 디바이스 레지스트리에 등록한다. 표 9는 특정 정보에 등록된 디바이스의 메타데이터를 보인다. 사물 제어 실험에 사용될 액추에이터는 led를 사용한다. 디바이스 레지스트리에 등록된 정보를 이용해 모니터링 툴이 구성된다. 모니터링 툴 화면에 나타난 led 액추에이터를 클릭하면 MQTT를 통해 미세먼지 수집기가 동작한다. 그림 4는 구현된 미세먼지 수집기로부터 수집된 센서 데이터 및 액추에이터의 상태를 보인다. 그림 5는 웹 브라우저로 접속한 모니터링 툴의 스크린샷을 보인다.

Fig. 4. 
Collected sensor data and status of actuator

Fig. 5. 
Screenshot of a monitoring tool

실험 결과, 제어 요청 입력으로부터 IoT 디바이스의 제어까지 약 1~2초 정도의 시간이 소요되며, 사용자의 요청에 따라 실시간으로 사물을 제어할 수 있음을 확인한다.

이 장은 제안 시스템이 제한된 환경에서 어떻게 이동성 및 상호운용성이 강화되는지를 보여주는 시나리오를 기술한다.

본 연구는 시나리오를 위하여 다음과 같이 가정한다. 일반적인 사무실 및 집에서는 에어컨, 전등, 블라인드, 등과 같은 다양한 사물이 존재하며, 모든 사물이 인터넷이 연결되어 있지 않을 수도 있다. 이러한 사물들을 인터넷에 연결하여 IoT 환경을 구현하고자 할 때, 스위치봇(Switchbot)[30]과 같은 IoT 디바이스는 좋은 해결책이 될 수 있다. 스위치봇은 인터넷에 연결되어 원격으로 버튼을 클릭해 줄 수 있는 IoT 디바이스이다. 따라서, 이 시나리오는 서보모터(Servo motor)를 이용한 스위치봇을 개발하고, 이 디바이스가 제안 시스템에서 어떻게 동작하는지를 보이고자 한다. 또한, 기존 스위치봇과 제안 시스템에서의 스위치봇을 비교하여 사물의 위치가 이동됐을 시 어떻게 변화하는지를 기술한다.

먼저, 사용자는 사무실 내의 전등 스위치에 스위치봇을 부착하여 전등을 원격으로 켜고 끌 수 있도록 하고자 한다. 이때, 스위치봇은 1~180° 사이의 각도를 가지는 서보모터를 이용하여 각도 조절에 의해 스위치를 누르도록 설계하였으며, Wi-Fi를 통해 인터넷에 직접 접속할 수 있도록 개발한다.

이때, 상호운용성의 향상을 위하여 디바이스 레지스트리에 개발된 스위치봇의 정보를 등록하도록 한다. 그림 6은 디바이스 레지스트리에 등록된 스위치봇의 정보를 보여주는 스크린샷이다. 그림과 같이 등록이 완료되면 해당 디바이스의 상태 정보를 수집하기 위한 테이블이 데이터베이스에 자동으로 생성된다. 그림 7은 개발된 스위치봇의 모니터링을 위한 테이블을 보인다.

Fig. 6. 
Screenshot of device registry for switchbot

Fig. 7. 
DB table for monitoring switchbot

모니터링을 위하여 제안 시스템은 액추에이터인 서보모터의 상태 값을 5초 주기로 측정하여 MQTT 브로커로 발행한다. 이때, ‘iot/sensor’의 토픽으로 {‘system_id’: ‘switchbot01’, ‘servo_motor’:160}과 같은 메시지가 전송된다. 이 메시지를 센서 DB 관리자가 구독하여 전송받고 파싱하여 모니터링 테이블에 저장한다. 이후, 사용자는 모니터링 툴을 이용하여 해당 테이블의 데이터를 실시간으로 받아와 스위치봇의 상태를 모니터링한다. 현재 디바이스 레지스트리에 등록된 센서와 액추에이터 정보는 서보모터 하나만 존재하므로 하나만 존재하므로 이 모듈만 모니터링 된다. 그림 8은 스위치봇의 모니터링 툴의 스크린 샷을 보인다.

Fig. 8. 
Screenshots of change of servo motor setting

사용자는 모니터링 툴을 이용하여 스위치봇의 서보모터 설정 값을 입력하면, 모니터링 툴은 MQTT 브로커로 ‘iot/actuator/switchbot01’의 토픽으로 {‘servo_motor’:60}과 같은 메시지를 발행한다. 스위치봇은 해당 메시지를 구독하여 전송받아 스위치를 작동시킴으로 전등을 제어할 수 있다.

두 번째 시나리오는 기존에 장착된 스위치봇을 다른 지역의 스위치로 옮기고자 할 때를 가정한다.그림 9는 기존의 스위치봇과 제안 시스템을 이용한 스위치 봇의 차이를 보인다. 기존의 스위치봇 제품들은 대부분 스마트폰과 블루투스로 연결되거나, 자체적인 Wi-Fi AP(Access Point)를 통해 스마트폰의 특정 앱으로 설정을 변경하도록 한다. 이러한 방식은 사용자가 사물 제어를 위해 해당 제품 주변에 접근해야 한다는 문제를 지닌다.

Fig. 9. 
How to use the existing switchbot and how to apply the proposed system

또한, 스위치봇의 위치를 옮길 때 네트워크 환경의 변화가 발생할 경우 해당 네트워크의 설정을 다시 해야 하는 문제를 지닌다. 이는 스위치봇이 해당 지역에서 인터넷에 다시 접근하는 것과 함께 해당 플랫폼 내에서도 네트워크 설정을 다시 하도록 해야 한다.

하지만, 제안 시스템의 경우 스위치봇이 인터넷에 접속하여 플랫폼에 접근할 수 있다면 모니터링 및 사물 제어는 자동으로 진행할 수 있다. 또한, 네트워크가 변경될 시 스위치봇을 제어할 수 없는 기존과 달리 제안 시스템을 활용하면 디바이스의 네트워크가 변경되어도 쉽게 사물을 제어할 수 있다.

본 논문은 시나리오를 통하여 다음과 같이 제안 시스템의 두 가지 장점을 확인할 수 있다. 첫 번째는 디바이스 레지스트리를 통해 상호운용성을 향상시킬 수 있다. 기존 연구는 모니터링 툴을 통해 제어 요청이 DB에 저장되며 중간에 서버가 이를 가져와 처리한 후 IoT 디바이스로 전달하던 방식으로, 제어 요청의 메타데이터 정의가 이루어지지 않아, 제어할 수 있는 액추에이터의 종류가 한정되어 있다는 단점이 있다. 그러나 제안 시스템은 메타데이터를 정의하고 이를 디바이스 레지스트리에 활용함으로써 한정적인 제어 요청 종류를 가지는 기존 연구에 비해 다른 액추에이터 또한 제어할 수 있다.

두 번째는 MQTT를 사용하여 사물의 이동성을 강화시킬 수 있다. 예를 들어 사물이 집에서 회사로 네트워크 환경이 변경되었을 때, 집 와이파이에 연결되어 있던 기존의 스위치봇은 회사로 이동된 사물을 제어할 수 없다. 그러나 제안 시스템은 모니터링 툴의 버튼을 클릭하면 제어 요청이 MQTT 브로커를 통해 바로 IoT 디바이스로 전달되므로 기존 스위치봇이 지니는 이동성의 한계를 극복할 수 있다.

기존 IoT 사물 제어 기법 관련 연구들은 자체적으로 정의된 표준 및 프로토콜을 사용해 확장성이 떨어지며 사물이 다른 장소로 이동했을 시 변화되는 네트워크 환경에 유연하게 대처할 수 없다는 문제를 지닌다.

따라서 본 논문은 다양한 네트워크 환경으로 이동하는 사물의 이동성 강화를 위해 MQTT 기반의 IoT 사물 제어 기법을 구현하였다. 이를 위하여, 네트워크 환경과 관계없이 사물을 제어하기 위한 방안으로 MQTT 기반의 메시지 전송 프로세스를 구현하였다. 또한, 다양한 IoT 디바이스의 정보를 유연하게 다루기 위해 디바이스 레지스트리를 사용하며, 모니터링뿐만 아니라 사물 제어를 위한 메타데이터를 정의함으로써 상호운용성을 높일 수 있었다.

본 연구의 검증을 위하여 스위치봇을 개발하는 시나리오를 작성하여 새로운 사물에 대한 디바이스 레지스트리 등록 과정, 제어 과정을 설명하였다. 그 결과, 네트워크 이동에 따른 기존 스위치봇과 제안 기법을 비교함으로써 제안 기법의 우수성을 검증하였다.

향후 연구로는 제안 기법을 이용하여 다양한 분야에서 IoT 디바이스를 직접 개발하고, 이동성이 강조된 환경에서 제안 시스템이 기존의 시스템에 비해 얼마나 환경에 잘 적응할 수 있는지를 평가할 계획이다.