Smart IoT 설계 시스템 Lecture 09. Smart IoT 시스템 소개

Smart IoT 설계 시스템 2

Smart IoT 설계 System 구성 3

Smat_IoT 설계 프로젝트 설계 프로젝트카메라센서액츄에이터 Software IoT 스마트농장 관리시스템 ○ 5종5종 4종4종 Firmware/Web/Android IoT 무인경비 시스템 ○ 4종4종 5종5종 Firmware/Web/Android IoT 화재감시 시스템 ○ 4종4종 5종5종 Firmware/Web/Android IoT 반려동물 도우미 ○ 2종2종 2종2종 Firmware/Web/Android IoT 인터넷 제어 Toy ○ 3종3종 3종3종 Firmware/Web/Android IoT 스마트 홈 ( 별도 ) ○ 6종6종 6종6종 Firmware/Web/Android ● 농장, 사무실, 빌딩, 하우스등에서 실시간으로 영상정보와 센서 수집데이터를 스마트폰으로 전송 ● 아이디어를 현실화 할 수 있는 쉽고 재미있는 개발 환경 ● 프로그래밍과 하드웨어에 대한 경험이 부족한 사용자도 쉽게 배우고 응용할 수 있는 개발환경을 제공 ● 응용 예제는 Gateway( 라즈베리파이 ) S/W, 센서 S/W, 엑추에이터 S/W, 스마트폰 응용 SW 등으로 구성 ● Gateway 는 다양한 센서 ( 온도, 습도, 조도, 움직임, 소리, 불꽃, 연기, 가스, 토양 온 / 습도, 카메라 등 ) 와 연동 ● 다양한 액츄에이터 (Relay, LED, Buzzer, Sound, 경광등, Piezo Siren, Pump, Motor 등 ) 를 제어 ● 스마트폰 앱을 통해 영상과 센서 데이터에 따른 다양한 시나리오를 구현 ● 다양한 응용 제품 설계 꼭 필요한 Firmware, Web program, 스마트폰 (Android 용 ) 소프트웨어 예제를 제공 4

Smart IoT 설계 시스템 주요기술 I 구성품기 술 게이트웨이 (Raspberry Pi) 라즈베리파이는 영국 비영리조직 ' 라즈베리파이 재단 ' 에서 학습용으로 만든 초소형 컴퓨터 로 전산 (Computing) 을 가르치는 학교의 학습도구로 개발되었습니다. 센서 소프트웨어와 액 츄에이터 소프트웨어를 실행하며 인터넷 연결기능을 수행합니다. Embeded H/W 및 Linux 기반의 Firmware 실습을 진행. 카메라 영상정보를 실시간으로 사용자에게 전송하는 장치로 Gateway 에 연결되어 현장의 상황을 볼 수 있으며, 영상 저장, 정지화면 저장등의 기능을 수행합니다. 움직임을 감지하는 센서로 서의 기능을 수행하는 센서로도 활용 가능한 기술을 직접 구현. 센싱 모든 사물에 부착되어 사용되는 센서 기술은 사물인터넷에서 중요한 분야입니다. IoT 사물 통신 설계 / 실습 시스템은 다양한 센서 ( 온도, 습도, 조도, 움직임, 소리, 불꽃, 연기, 가스, 진동 ) 를 제공하여 사용자가 원하는 정보를 수집하여 응용할 수 있도록 합니다. 실습 시스템의 센 서 소프트웨어가 제공되어 각 센서의 특징에 따라 I2C 통신, ADC Analog, GPIO 등을 통한 데 이터 수집 / 분석기능을 이해하고 제어. 5

구성품기 술기 술 액츄에이터 다양한 액츄에이터 (Relay, LED, Buzzer, Sound, 경광등, Piezo Siren, Water Pump, Motor 등 ) 는 Gateway 와 유선으로 연동하여 원격지 스마트폰의 제어 신호에 따라 적절한 Action 을 수행하는 것으로 모터제어, LED 제어등 다양한 Actuator 운용 실습. USN RF Communication Raspberry Pi Gateway 와 Sensor board 간에 무선 통신을 위한 2.4GHz 기반의 IEEE 통 신 연결을 제공하며, IEEE 기반 센서네트워크를 이해하고 제어하는 기능을 실습. ( 옵션 사항 ) Bluetooth 4.0 BLE Communication Raspberry Pi Gateway 와 Sensor board 간에 무선 통신을 위한 2.4GHz 기반의 Bluetooth 4.0 BL E 통신 연결을 제공하며, 저전력기반 블루투스 통신을 통해 센서데이터의 무선 송수신 기능. ( 옵션 사항 ) Web 프로그래밍 여러 브라우저에서 직접 IoT 환경을 구현하는 S/W 기술로 데이터 베이스, 사용자 인터페이스, 서버 구축 등을 쉽게 구현. Smartphone Application 안드로이드 기반의 스마트폰 앱을 통해 원격지의 상황을 실시간으로 수집 및 제어하는 기능을 수행합니다. 사용자는 안드로이드 프로그래밍을 통해 다양한 모바일 기기에 응용. Smart IoT 설계 시스템 주요기술 II 6

구 분기능블럭기 능 구동 Software OS RASPBIAN - Debian Wheezy. Release date: Android Jelly Bean 4.3 Compiler GCC Compiler – 리눅스 커널 기반 센서 프로그램 C, C++, Python, Java Actuator 프로그램 C, C++, Python, Java Gateway CPU Board ARM/Linux 기반 싱글보드컴퓨터로 센서어댑터, 액츄에이터 어댑터와 연동하고 인터넷에 연결되어 Gateway 역할을 수행. 센서로부터 수집 한 정보를 저장하고 원격지의 사용자에게 전송하거나 제어 신호에 따 라 해당 액츄에이터를 On/Off 기능 Camera Module Gateway 에 CSI 인터페이스 및 커넥터로 연결되는 카메라 모듈로 주요 기능은 설치 장소의 환경과 액츄에이터가 동작하는 상황을 사진이나 동영상으로 촬영하여 사용자에게 제공 Smart IoT 소프트웨어 I 7

구 분구 분기 능 SD Card Gateway 의 부팅과 Linux 기반의 운영 체제가 저장된 저장장치이며 Gateway 의 실 행 application Software 탑재 센서 S/W 센서에서 다양한 데이터를 수집하고, 분석하는 소프트웨어 액츄에이터 S/W 센서 입력 정보 및 사용자의 요구에 따라 모터, 팬, 펌프와 같은 동작 장치를 제어 하는 소프트웨어 Web Software Ethernet 을 통해 웹에 접속할 수 있습니다. 웹 서버와 데이터 베이스를 이용하여 Gateway 가 수집한 센서데이터를 웹 브라우저에서 조회하고, 현장 환경을 영상을 통해 확인하고 설치된 시설을 직접 제어 Smart Phone Application Android 기반으로 하는 Mobile Application Software 를 통하여 사용자는 스마트폰 을 이용하여 Gateway 의 센서에서 수집된 데이터 및 영상정보를 수신하여 적절한 액츄에이터를 구동 제어. 사용자는 스마트폰을 통해 이미지나 동영상 Play 기능, Gateway 에 저장된 이벤트와 log 기록 확인 가능 Smart IoT 소프트웨어 II 8

Smart IoT Application( 안드로이드 ) 스마트 농장관리 시스템무인경비 시스템화재경보 시스템 스마트 홈 시스템반려동물 도우미인터넷 제어토이 9

구 분구 분제 품제 품규 격규 격 Gateway (Raspberry Pi B+) Raspberry Pi Model B+ Broadcom BCM2835 SoC 700 MHz ARM1176JZF-S CPU Camera Module 5M Pixel Omnivision 5647 Camera Module Video : Supports 30fps, 60fps Micro SD Card Gateway 의 부팅과 Linux 기반의 운영 체제가 저장 된 저장장치이며 Gateway 의 실행 application Soft ware 탑재. Class 10 Smart IoT 하드웨어 I 10

구 분구 분제 품제 품규 격규 격 센서 (Sensor) Raspberry Standard GPIO Headers(40pin) 연동 온. 습도센서, 광센서, 초음파센서, 인체감지 센서, 근접센서, 불꽃센서, 가스센서 작동 전압 : DC 3.3V, DC5V 액츄에이터 (Actuator) Raspberry Pi 와 독립적으로 연동 (40pin) Character LCD, Fan, LED Bar, DC Motor, Servo Motor, Water Pump, Piezo Siren, 경광등 LED 작동 전압 : DC 5V, DC12V 전원 어댑터 DC 5V 전원 어댑터 DC 12V 전원 어댑터 소모품 센서 연결 케이블, 저항, LED(Red, Blue, Green, 버 튼 스위치, 1 핀 점퍼, 3pin cable, 4pin cable Smart IoT 하드웨어 II 11

IO 어댑터 보드 사양 IO Adapter 보드의 입출력 사양 항 목항 목사 양사 양구 분구 분 인터페이스 40pin GPIO( 라즈베리 파이 )GPIO 커넥터 전원 공급 DC 3.3V, DC 5V, DC12V GPIO 커넥터 8 채널 AD 컨버터 MCP3208, SPI 인터페이스입력 DC 3.3V Analog 센서 커넥터 4 포트입력 DC 5V Analog 센서 커넥터 4 포트입력 DC 3.3V 디지털 센서 커넥터 4 포트입력 DC 5V 디지털 센서 커넥터 4 포트입력 DC 12V 전원 출력커넥터 4 포트출력 DC 5V 전원 출력커넥터 4 포트출력 DC 3.3V UART 커넥터 1 포트출력 DC 5V UART 커넥터 1 포트출력 I2C 통신포트 1 포트출력 GPIO 출력 9 pin Header 출력 12

IO 어댑터 보드 연결도 - OLD 13

GPIO 40pin 커넥터 DC 12V 전원 12V 전원 스위치 UART 커넥터 DC 3.3V Analog 센서 커넥터 8 채널 AD 컨버터 DC 3.3V 디지털 센서 커넥터 DC 12V 전원 출력커넥터 Servo 모터 RGB LED 초음파 센서 IO 어댑터 보드 연결도 - NEW 14

Smart IoT 시스템 센서 I 여러가지 센서의 기능과 외관 센서설명 Image 온. 습도센서 온도센서와 습도센서를 하나로 합친 센서로 온도 계산 식과 습도 계산식이 있기도 함. 사운드 센서 주변의 소리를 감지하여 아날로그 신호나 디지털 신호 로 출력하는 센서. 광센서 ( 조도센서 ) 빛 자체 또는 빛에 포함되는 정보를 전기신호로 변환 하여 검지하는 소자. 센서 특징은 비접촉, 비파괴, 고 속도, 주변에 잡음의 영향을 주지 않고 할 수 있음. 인체감지 센서 인간의 몸이나 동물 에서 나오는 적외선은 약 10 ㎛ 의 파장을 갖고 있다. 이 파장을 감지하였을 때 센서가 반응을 할 수 있게 되는 소자 15

Smart IoT 시스템 센서 II 초음파센서 초음파 센서는 일정한 간격으로 높은 주파수 펄 스를 통하여 짧게 소리를 발사합니다. 이러한 것 들은 소리의 속도를 통하여 공기 중에 전파되며 개체에 충돌하여 에코 신호로 반사되어 오는 것 을 감지하는 센서 근접 센서 대략 10~80cm 거리를 측정할 수 있는데, 전원을 넣어주면 거리에 따라 출력 전압이 변화하는 센 서. 불꽃센서 약 1m 내외의 거리에서 불꽃의 파장 ( 주파수 ) 76 0nm ~ 1100nm 대역을 감지하는 센서 가스센서 내부에 포함된 히터와 센서로 맘모니아, 생활가 스, 오염가스등을 검출해낼 수 있는 모듈이다. 내부에 포함된 히터가 적정온도로 올라가서 안 정적인 결과를 얻기 위해서는 대기시간 (burn-in t ime) 이 필요 16

Smart IoT 시스템 액츄에이터 I 종 류종 류규 격규 격이미지 Fan Brushless DC FAN 정격 전압 : DC 5V Speed : 2.4m/s 30 x 30 x 10mm 팬 속도 : RPM LED BarLED 3EA, DC 12V with 4pcs DC Motor Rated voltage : 12V Rated current : 70mA No load speed : 8700rpm Servo Motor 서보종류 : 브러쉬리스 디지털서보 동작전압 : 4.8V,4.8V/6.0V,6V 토크 (Kg.cm) : 10Kg↓ 스피드 : 중속 크기 (g) : 50g↓ 기어재질 : 프라스틱 특징 : 듀얼볼베어링, 브러쉬리스 회전각 : 180 도 17

Smart IoT 시스템 액츄에이터 II 종 류종 류규 격규 격이미지 Water Pump 정격전압 : 12V 최대압력 : >40PSI 유량 : >500mL/min Piezo Siren 102dB Piezo Siren Operates on 6-14 VDC 150mA Current at 12V Buzzer Tone rated at 2,000-4,500Hz 경광등 LED RGB 3-chip luminosity Chip LED 5.7 x 5.0 x 1.8 mm (L x W x H) Wide Viewing angle Long operating life (70,000 hours) 18

스마트 농장관리 시스템 19

조도센서 데이터 수집 Database 조회 / 저장 Gateway System 습도 센서 데이터 수집 워터 펌프제어 팬 제어 DC 모터 제어 RGB Led 제어 웹 서버 실행 TCP/IP 서버 실행 안드로이드 앱 카메라 영상 온도 센서 데이터 수집 Internet 사진 DB 농장기후 DB 기후 DB 이벤트 DB Internet 센서데이터 조회 액츄에이터 제어 카메라 영상 확인 이벤트 수신 스마트 농장관리 시스템 소프트웨어 구성 20

사진 Database Internet 인체감지센서 초음파센서 IO Adapter 센서자료 Database 이벤트 Database 부저 ( 경보음 ) LED Bar DC Motor RGB LED( 경광등 ) Gateway(R-Pi) 스마트폰 Web 카메라 소리센서 무인경비 시스템 21

사진 Database Internet 온도센서 불꽃센서 IO Adapter 센서자료 Database 경광등 Gateway(R-Pi) 스마트폰 Web 카메라 가스센서 이벤트 Database 부저 ( 경보음 ) DC Motor 워터펌프 화재감시 시스템 22

사진 Database Internet IR 근접센서 인체감지 IO Adapter 구동 Database 서보모터 DC Motor RGB LED Gateway(R-Pi) 스마트폰 Web 카메라 초음파센서 소리센서 LED Bar 인터넷 제어토이 23

센서정보 Database 사진 Database Internet IO Adapter 이벤트 Database 서보모터 Gateway(R-Pi) 스마트폰 Web 카메라 소리센서 조명 Led RGB Led DC Motor 인체감지센서 애완동물 도우미 24

스마트 홈 시스템 25

스마트 홈 시스템 구성 26

* 데이터 흐름 중심으로 표현한 DFD(Data Flow Diagram) 스마트 홈 시스템 Gateway 소프트웨어 27

감사합니다. 28 [1] ( 주 ) 휴인스 : [2] ( 주 ) 휴인스 IoT Blog : smartiot.tistory.com [3] 라즈베리 파이 활용백서 : 실전 프로젝트 20 - 이재상 표윤석 지음, 비제이 퍼블릭 [4] 라즈베리 파이 산딸기 마을 카뮤니티 [5] 리눅스와 함께하는 라즈베리 파이 – 피터 멤브리, 배장열 옮김, 제이펍 [6] ITU-T Internet Report “The Internet of Things – Executive Summary”, Nov [7] 민경식, Net Term, 인터넷 & 시큐리티 이슈, “ 사물 인터넷 (Internet of Things)”, [8] 전자부품연구원 (KETI), “IoT(Internet of Things) Presentation Design”, Nov [9] 이준섭, TTA 표준화 교육, 스마트 통신시장의 핵심열쇠 “M2M”, “M2M/IoT Standardization in ITU-T”, Oct. 23, [10] ITU-T, ITU-T SG13, “Y.WoT, Framework of Web of Things”, Oct. 10, [11] ITU-T, ITU-T SG13, “Y.2060, Overview of the Internet of Things”, July 04, [12] IETF, Draft-lee-iot-problem-statement-05.txt [13] JP Vasseur, IETF 77, Internet Area Meeting, “The Internet of Things”, March [14] Internet of Things - Feb , Yim Hyung-jun, Database Systems Lab. Dept. of Computer Engineering Chungnam National University [15] 사물인터넷 (IoT) 분야의 주요 임베디드 SW 기술 - MDS 테크놀로지㈜ 장성균 (2014/07/24) [16] 사물인터넷 글로벌 생태계 구축 및 서비스 활성화를 위한 개방형 IoT 소프트웨어 플랫폼 기술 , 김재호 전자부품연구원 [17] Opensource H/W + Node js 로 IoT 따라잡기 – Circulus 참고자료