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사물인터넷 기술을 활용한 스마트 홈 시스템 연구

Research on Smart Home System Using Internet of Things (IoT) Technology

마성훈 (Mah, Sung Hoon, 홍익대학교 대학원)

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  • 발행기관 홍익대학교 대학원
  • 지도교수 도움말 김병서
  • 발행년도 2019
  • 학위수여년월 2019. 2
  • 학위명 석사
  • 학과 및 전공 도움말 대학원 전자전산공학과
  • 원문페이지 vii, 53 p.
  • 실제URI http://www.dcollection.net/handler/hongik/000000023567
  • UCI I804:11064-000000023567
  • 본문언어 한국어
  • 저작권 홍익대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록 moremore
최근 사물인터넷 기술이 발전하고 많은 주목을 받게 됨에 따라 사물인터넷을 활용한 서비스들에 대한 연구 및 개발이 활발히 진행되어 왔으며 특히 사물인터넷을 활용한 다양한 분야들 중 스마트 홈 분야에서 상당히 많은 연구가 진행 되어 오고 있다, 본 논문에서도 사물인터넷 기술을 활용하여 스마트 홈 시스템들에 대하여 연구를 진행하였으며, 특히 기존의 연구 및 개발들에서 주목하지 않았던 고령자 주거 환경에서의 에너지 저감 및 편의성의 연동, 최근의 건축설계 기법과 연계된 시스템, 그리고 실시간으로 안정된 서비스 제공을 위한 방법 등 세가지 ...
최근 사물인터넷 기술이 발전하고 많은 주목을 받게 됨에 따라 사물인터넷을 활용한 서비스들에 대한 연구 및 개발이 활발히 진행되어 왔으며 특히 사물인터넷을 활용한 다양한 분야들 중 스마트 홈 분야에서 상당히 많은 연구가 진행 되어 오고 있다, 본 논문에서도 사물인터넷 기술을 활용하여 스마트 홈 시스템들에 대하여 연구를 진행하였으며, 특히 기존의 연구 및 개발들에서 주목하지 않았던 고령자 주거 환경에서의 에너지 저감 및 편의성의 연동, 최근의 건축설계 기법과 연계된 시스템, 그리고 실시간으로 안정된 서비스 제공을 위한 방법 등 세가지 측면에서의 스마트 홈 시스템에 대하여 연구를 수행하였다. 본 논문에서 논의하고 있는 구체적인 스마트 홈 시스템에 대한 연구 결과들은 다음과 같다. 첫 번째로 고령화가 진행되면서 고령화 주거 환경에 대한 많은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 다소 고령자 주거 생활에서의 일부 단편적인 편의성을 해결하기 위한 부분 위주로 연구가 진행되어 온 점에서 벗어나서 본 논문에서는 고령자 주거환경에서 위급상황 감지, 편의성 제공 및 고령자들의 행동에 기반한 에너지 저감이라는 3가지 요소들을 반영한 시스템에 관하여 연구하고 구현하였다. 두 번째로는 최근 주거 공간의 설계 분야 및 주택 설계에 있어 주목받고 있는 모듈러 건축 기법을 기반으로 한 주거환경을 고려한 스마트 홈 시스템에 대한 연구를 수행하였다. 모듈러 건술설계 방식은 사용자의 특성에 맞춰 주거환경의 구조를 유연하면서 손쉽게 변경할 수 있다는 장점이 있다. 현재 홈 자동화 시스템의 대부분이 초기 주거 공간설계에서 미리 설계되는 고정 방식이며, 유선 기반으로 구축이 되기 때문에 모듈러 주거 환경처럼 모듈들의 조합 변경으로 인한 공간 구조들의 변화가 발생하는 환경에서는 기존 배선들에 대한 재배치 및 사용 센서들의 종류와 갯수의 변경, 이로 인한 서비스 형태의 변화 등에 대응하여 동적인 홈 자동화 시스템의 구현에 많은 어려움이 발생된다. 이 문제를 보완하기 위하여 유선 대신 무선 센서들을 이용한 스마트 센서들을 활용하고, 이러한 센서 데이터 정보를 IoT 프로토콜인 MQTT 프로토콜을 사용하여 새롭게 생성된 센서나 또는 공간 변형으로 사라진 센서들을 자동으로 감지하고 이러한 변화되는 환경을 동적으로 자동 반영 할 수 있는 중앙 제어 보드를 연구, 개발하였다. 세 번째로는 인터넷 기술과 이를 활용한 다양한 서비스들이 발달하면서 예전과 비교할 수 없을 정도의 무수히 많은 데이터양이 발생되어 왔고 그 양은 더욱 늘어날 것으로 예상되며, 이러한 데이터 양을 현재의 물리적 인프라로는 처리하기 어려운 상황이 될것으로 예상되고 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위한 방안으로 클라우드 방식과 엣지 컴퓨팅 방식이 제안 되었는데, 그 중 클라우드 방식을 사용하는 경우는 데이터의 발생지로부터 공간적으로 상당히 떨어진 원격지의 서버들을 사용함에 따라 병목 현상 및 서버 대기 지연 문제 등이 발생한다. 이러한 클라우드의 문제를 해결하기 위해 제안된 엣지 컴퓨팅 시스템을 스마트 홈에 구축하는 경우 공유기를 포함하여 다른 엣지 컴퓨팅 컨트롤러를 추가로 설치를 해야 하는 문제가 발생한다. 따라서 이 문제를 보완하기 위하여, 스마트 홈 상황에서의 엣지 컴퓨팅 방식을 OpenWRT를 활용하여 공유기, 서버, 컨트롤러 모두 하나의 장치에서 동작할 수 있는 방식에 대하여 연구를 수행하고 이를 구현하였다.
초록 moremore
In recent years, as the Internet of Things (IoT) technology has developed and payed much attention, the researches and developments of services using the IoT have actively been conducted. Especially, there have been a considerable number of studies in the smart home field among various fields using ...
In recent years, as the Internet of Things (IoT) technology has developed and payed much attention, the researches and developments of services using the IoT have actively been conducted. Especially, there have been a considerable number of studies in the smart home field among various fields using the IoT. In this paper, we conducted researches on smart home systems using the IoT technology in three aspects, including the satisfaction in terms of both energy reduction and convenience in the elderly housing environment, environment-adoptable functions correlated with the latest architectural design techniques, and methods for providing stable as well real-time services. The results of the study on specific smart home systems discussed in this paper are as follows: First, aside from the fact that many researches have been carried out on the aging residential environment, the research and implementation of a system that reflects three factors, namely emergency situation detection, convenience provision, and energy reduction based on the behavior of the older people in the residential environment of the older people, has been carried out. Second, recent studies of smart home systems were conducted to take into account the residential environment based on modular architectural techniques that have been drawing attention in the design of residential spaces and housing. The Modular-based architecture design has the advantage of being flexible and easy to change the structure of a residential environment according to user characteristics. In the environments where most home automation systems are fixed in advance in early residential space design and are built on a wired basis, such as modular housing environments. Therefore, changing the spatial structure resulting from a mix of modules, there are many difficulties in implementing dynamic home automation systems in response to changes in the type and number of sensors used for existing wiring thereby changes in the type of service that results. To address this problem, a central control board was developed to utilize smart sensors using wireless sensors instead of wires, and to automatically detect newly created sensors or sensors that disappeared due to spatial deformation using Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) protocol. Third, the development of Internet technologies and the variety of services that utilize them has resulted in an unprecedented amount of data and is expected to keep increasing, so that it is expected to be difficult to deal with the current physical infrastructure. To address these challenges, a cloud and edge computing approaches have been proposed. Using cloud computing causes bottlenecks and latency problems. Since too many services and data are forwarded to the single group of remote cloud servers, the nework routes heading to the cloud is crowded and congested. In addition, since the clouds are located far away from the users it takes long time to get the requested data. In order to resolve these problems, the edge computing is proposed and to reduce latencies of the home automation system, we adopted the edge computing for the smart home system in this paper. When deploying proposed edge computing systems in the smart homes, the challenge is to install additional edge computing controllers at the house. Thus, to alleviate this problem, this thesis researched how to implement all required devices such as wireless access point, server, and controller into one devices. As a result, one access point including such three functions was implemented using OpenWrt.
목차 moremore
제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구 구성 2
...
제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구 구성 2
제 2 장 제안 설계 및 시스템 3
2.1 상황인지 기반 에너지 저감형 위급상황 감지 시스템 설계 및 구현 3
2.1.1. 서론 3
2.1.2. 관련 연구 4
2.1.3 에너지 저감 기능 기반의 위험 상황 모니터링 시스템 5
2.1.3.1 동기 5
2.1.3.2 시스템의 에너지 저감 기능 5
2.1.3.2.1 냉̝난방 시 창문 개폐 5
2.1.3.2.2 감시카메라 동작 시간 7
2.1.3.2.3 저가용 센서를 통한 비용 절감 7
2.1.3.2.4 주거 공간내의 재실 여부에 따른 대기 전력 차단 기능 8
2.1.3.3 시스템의 위급상황 모니터링 기능 8
2.1.3.3.1 무 동작 기능 8
2.1.3.3.2 심박 수 기능 10
2.1.4 시스템 구현 및 결과 11
2.1.4.1 시스템 동작 Flow Chart 11
2.1.4.2 시스템 구현 14
2.1.5 결 론 16
2.2 모듈러 주택을 위한 자동 센서 감지 기반 홈 자동화 제어 보드 개발 17
2.2.1 서론 17
2.2.2 관련연구 19
2.2.2.1 모듈러 건축 19
2.2.2.2 스마트 홈 20
2.2.2.3 MQTT 20
2.2.3 구현 21
2.2.3.1 연구동기 21
2.2.3.2 제안하는 시스템 23
2.2.3.2.1 시스템 구성 23
2.2.3.2.2 자동 센서 감지 변형 제어 보드 동작과정 24
2.2.4 시스템 구현 및 성능 평가 26
2.2.4.1 제안 시스템의 구현 26
2.2.4.2 제안 시스템의 성능 평가 27
2.2.5 결론 30
2.3 OpenWRT를 활용한 스마트 홈 엣지 컴퓨팅 설계 및 구현 31
2.3.1 서론 31
2.3.2 관련연구 32
2.3.2.1 OpenWRT 33
2.3.2.2 Edge Computing 35
2.3.2.3 AWS 36
2.3.3 구현 36
2.3.3.1 연구 동기 37
2.3.3.2 제안하는 시스템 37
2.3.3.2.1 시스템 구성 37
2.3.3.2.2 시스템 동작과정 39
2.3.4 시스템 구현 및 성능 평가 40
2.3.4.1 제안 시스템의 구현 평가 40
2.3.4.2 제안 시스템의 성능 평가 43
2.3.5 결론 44
제 3 장 결론 및 향후 연구과제 45
참고문헌 47
영문요약 51