5분 이내에 무선 센서 네트워크(WSN) 설명

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무선 센서 네트워크(WSN)는 열, 압력, 조명 등 물리적 및 환경적 조건을 감지하고 이에 대응하는 센서 네트워크입니다.

무선 통신 기술과 MEMS(미세 전자기계 시스템) 센서의 발전으로 광범위한 영역에 저전력 센서를 효율적으로 배치할 수 있게 되었으며, 이는 군사 및 민간 분야에서 비용 효율적인 WSN 구축을 가능하게 했습니다.

이 글에서는 WSN의 종류, 구성 요소, 응용 분야, 장단점 등을 자세히 살펴보겠습니다.

네트워크란 무엇인가?

네트워킹은 정보 교환과 자원 공유를 가능하게 하는 장치들을 연결하는 과정입니다. 이러한 연결된 장치들은 TCP/IP, UDP, FTP, HTTP, SMTP 등과 같은 통신 프로토콜을 사용하여 유선 또는 무선 네트워크를 통해 데이터를 전송합니다. 이러한 프로토콜은 데이터 전송을 위한 일련의 규칙을 제공합니다.

기본적으로 유선 네트워크와 무선 네트워크, 두 가지 유형의 네트워크가 존재합니다. 유선 및 무선 네트워크는 데이터 전송 속도, 보안, 통신 범위, 그리고 비용 측면에서 차이를 보입니다.

유선 네트워크는 물리적 케이블을 통해 장치를 상호 연결하는 방식으로 작동하는 반면, 무선 네트워크는 장치 연결을 위해 전파를 사용합니다. 무선 네트워크 기술에는 Wi-Fi, Bluetooth 등 다양한 방식이 활용됩니다.

WSN(무선 센서 네트워크)은 그 이름에서 알 수 있듯이 무선 기술을 기반으로 하며, 무선 신호를 통해 통신이 이루어집니다.

무선 센서 네트워크(WSN)란 무엇인가?

WSN이라고도 하는 무선 센서 네트워크는 물리적 환경의 다양한 매개변수를 측정하고 기록하기 위해 특정 구조에 따라 분산 배치된 센서들의 집합체입니다. 이 센서들은 측정된 데이터를 중앙 위치로 전송하여 분석하고 활용할 수 있도록 합니다.

이러한 물리적 매개변수에는 온도, 기압, 풍속, 습도 등이 포함되지만, 이에 국한되지는 않습니다.

이미지 출처: electronicshub

WSN 네트워크는 무선으로 상호 작용하는 여러 위치에 분산된 기지국과 노드로 구성됩니다. WSN 구조는 점대점, 스타, 트리, 메시 구조 등 네 가지 주요 방식으로 구현될 수 있습니다.

WSN의 배치는 환경 조건에 따라 지하, 지상, 수중, 멀티미디어, 모바일 WSN 등 다섯 가지 유형으로 분류할 수 있습니다.

새로운 센서 설계는 공학 및 기술적 발전을 활용하여 물리적 영역과 디지털 영역을 연결하여 효율적인 데이터 수집 및 분석을 가능하게 합니다.

WSN은 환경 변화를 감지하는 센서를 가진 노드들로 구성되어 있으며, 이러한 데이터는 분석과 보고를 위해 기지국으로 전송됩니다.

WSN을 GPS 또는 RFID 기술과 통합하면 적용 범위를 확장하고 정교한 추적 및 모니터링 시스템을 구축할 수 있습니다.

WSN은 환경 정보를 수집하여 환경을 보호하면서 안전, 생산성을 향상시키고 사고를 예방하는 것을 목표로 합니다.

WSN의 구성 요소

WSN을 구성하는 주요 구성 요소에 대해 알아보겠습니다. WSN은 크게 센서 노드와 네트워크 아키텍처의 두 가지 부분으로 구성됩니다.

센서 노드

센서 노드는 다음과 같은 구성 요소로 이루어집니다.

  • 전원 공급 장치: 네트워크의 모든 구성 요소에 전력을 공급합니다.
  • 감지 장치: 센서와 ADC(아날로그-디지털 변환기)로 구성됩니다. 센서는 아날로그 데이터를 수집하고, ADC는 이를 디지털 형식으로 변환합니다. 센서 노드는 감지 기능 외에도 데이터 처리, 통신 및 저장 기능도 수행합니다. 센서 노드는 수집된 물리적 데이터를 분석하고 다른 센서의 데이터와 연관시키고 통합합니다.
  • 처리 장치: 메모리와 마이크로프로세서로 구성되며, 데이터를 지능적으로 처리하고 조작합니다.
  • 통신 시스템: 데이터를 송수신하는 데 사용되는 무선 시스템입니다.
  • 기지국: 높은 계산 능력과 처리 능력을 가진 특별한 노드입니다.

이미지 출처: electronicshub

클러스터 헤드: WSN에서 데이터 융합 및 집계 기능을 수행하는 데 사용되는 고대역폭 센싱 노드입니다. 시스템 요구 사항 및 응용 분야에 따라 클러스터 내에 하나 이상의 클러스터 헤드가 존재할 수 있습니다.

WSN에서 센서 노드는 넓은 영역에 분산된 다른 센서 노드와 무선 통신을 통해 환경을 모니터링하고 데이터를 기지국(BS)으로 전송합니다. 기지국은 이 데이터를 처리하고 사용자에게 온라인으로 업데이트된 정보를 제공합니다.

네트워크 아키텍처

모든 센서 노드가 기지국에 직접 연결되면 단일 홉 네트워크 아키텍처라고 합니다. 데이터가 장거리로 전송될 때 데이터 수집 및 계산보다 더 많은 에너지를 소비하므로, 이러한 경우 센서 노드와 기지국을 연결하는 단일 링크 대신 중간 노드를 사용하여 데이터를 중계하는 다중 홉 네트워크 아키텍처가 일반적으로 사용됩니다.

이미지 출처: electronicshub

이러한 구조를 구현하는 방법에는 플랫 네트워크 아키텍처와 계층적 네트워크 아키텍처의 두 가지가 있습니다.

플랫 아키텍처에서는 기지국이 모든 센서 노드에 명령을 내리고, 센서 노드는 다중 홉 경로를 사용하여 다른 노드를 통해 응답합니다.

계층적 네트워크 아키텍처에서는 클러스터 헤드가 센서 노드 그룹에서 정보를 수신하고 데이터를 기지국으로 전달합니다.

WSN의 다른 구성 요소

  • 릴레이 노드: 중간 노드는 인접 노드와 통신하는 데 사용됩니다. 네트워크의 신뢰성을 높이는 역할을 하며, 센서나 제어 장비는 포함하지 않습니다.
  • 액터 노드: 하이엔드 노드는 애플리케이션 요구 사항에 따라 결정을 내리고 작업을 수행하는 데 사용됩니다. 일반적으로 이러한 노드는 고품질 처리 능력, 높은 전송 전력 및 긴 배터리 수명을 가진 장치입니다.
  • 게이트웨이: 게이트웨이는 센서 네트워크와 외부 네트워크 간의 인터페이스 역할을 합니다. 센서 노드 및 클러스터 헤드와 비교했을 때, 게이트웨이 노드는 프로그램 및 데이터 메모리, 프로세서 성능, 트랜시버 범위, 외부 메모리를 통한 확장성 등 여러 면에서 더 강력한 성능을 갖습니다.

무선 센서 네트워크(WSN)의 유형

WSN은 크게 5가지 유형으로 분류할 수 있습니다.

  • 수중 WSN: 수중 센서 노드와 장비를 사용하여 데이터를 수집합니다. 대기 시간이 길고 센서 오작동 문제가 있으며, 비충전식 배터리 사용에 제약이 있습니다.
  • 지하 WSN: 완전히 지하에서 작동하며 지하 환경을 모니터링합니다. 지상에 위치한 싱크 노드는 수집된 데이터를 기지국으로 전송합니다. 고가의 장비와 유지보수로 인해 지상 WSN보다 비용이 많이 듭니다.
  • 지상 WSN: 다양한 지역의 환경 조건을 모니터링하기 위해 지상에 배치됩니다. 수천 개의 무선 센서 노드는 기지국과 효율적으로 통신하기 위해 임시 또는 계획된 구조로 배치됩니다.
  • 멀티미디어 WSN: 비디오, 이미지, 오디오와 같은 멀티미디어 데이터를 추적하고 모니터링합니다. 저렴한 센서 노드는 카메라와 마이크를 갖추고 있으며 데이터를 무선으로 연결, 검색, 압축 및 연관시키는 기능을 제공합니다.
  • 모바일 WSN: 감지 기능을 수행하면서 이동하고 통신할 수 있는 센서 노드로 구성됩니다. 고정형 센서 네트워크에 비해 더 높은 유연성, 넓은 적용 범위, 더 나은 채널 용량을 제공하며 에너지 효율성도 뛰어납니다.

WSN 유형의 배치는 응용 분야와 현장 요구 사항을 기반으로 결정됩니다.

WSN의 다양한 구조

네트워크 구조는 데이터 라우팅과 처리에 영향을 미치므로, 각 구조에 따른 대기 시간, 용량 및 견고성을 고려하여 WSN을 배포하기 전에 응용 분야의 요구 사항과 특성을 신중하게 평가해야 합니다.

노드를 인터넷에 연결하여 수집된 데이터를 클라우드 플랫폼으로 전송하여 추가 분석을 수행할 수도 있습니다.

이미지 출처: Researchgate

  • 점대점 또는 버스 구조: 이 구조에서 센서는 중앙 허브 없이 서로 직접 통신할 수 있습니다. 보안 통신을 제공하며 널리 사용됩니다.
  • 스타 구조: 중앙 기지국을 허브로 사용하여 모든 센서와 통신합니다. 구현이 간단하고 저전력으로 작동합니다. 단점은 단일 기지국에 대한 의존도가 높다는 것입니다.
  • 트리 또는 하이브리드 구조: 점대점 및 스타 구조를 결합한 구조입니다. 센서는 트리 형태의 구조로 배열되어 있으며, 데이터는 센서 사이의 분기를 통해 전송됩니다. 다른 구조에 비해 에너지 소비가 적습니다.
  • 메시 구조: 중앙 기지국 없이 센서 간에 데이터를 전송할 수 있습니다. 각 센서는 전송 범위 내에 있는 다른 센서와 통신할 수 있습니다. 범위 밖에 있는 센서에는 중간 센서를 사용하여 데이터를 전송할 수 있습니다. 확장성과 중복성이 뛰어나며 신뢰성이 높은 구조로 간주되지만, 더 많은 전력이 소모됩니다.

WSN의 응용 분야

WSN은 측정, 추적, 감시가 필요한 다양한 분야에서 널리 활용됩니다. 온도를 포함한 다양한 환경 매개변수를 측정하면서 넓은 지역에 걸쳐 적용됩니다.

  • 군사 분야에서는 적의 침입을 감지하기 위해 센서를 배치하여 지역을 감시하는 데 사용됩니다.
  • 광업, 의료, 감시, 농업 및 환경 모니터링 등 다양한 민간 응용 분야에서 활용됩니다.
  • 무선 센서 노드는 자력계를 통해 주차된 차량을 감지하고 마이크로 레이더와 자력계를 추적에 사용할 수 있습니다.
  • 자연 재해 예방, 산사태 감지, 수질 모니터링, 산불 감지, 서식지 모니터링 등 환경/지구 모니터링 분야에서 널리 사용됩니다. 기계 상태, 폐수, 구조 상태 등을 모니터링하는 산업 모니터링 솔루션에도 적용됩니다.

무선 센서 네트워크의 장단점

WSN의 장점과 단점을 살펴보겠습니다.

장점

  • WSN은 편리함, 신뢰성, 경제성 및 배포 용이성으로 인해 유선 모니터링 시스템보다 선호됩니다.
  • 케이블이나 전선이 필요하지 않습니다.
  • 높은 감지 정확도, 넓은 적용 범위, 내결함성, 연결성, 적은 인력 개입, 까다로운 환경에서의 작동 능력, 동적 센서 스케줄링 등 다양한 장점을 가집니다.
  • 네트워크 내 모든 노드에 대한 중앙 집중식 모니터링을 활성화합니다.
  • 물리적인 장애물에 구애받지 않고 설치가 용이합니다.
  • 제한된 성능 및 대역폭 환경에서 다중 홉 통신을 사용하는 자가 구성 임시 네트워크를 생성하여 통신을 원활하게 합니다.
  • 무선 기술 기반 보안 알고리즘을 사용하여 사용자에게 안정적인 네트워크를 제공합니다.
  • 확장성이 뛰어나 새로운 노드나 장치를 쉽게 통합할 수 있습니다.

단점

  • 제한된 대역폭, 높은 에너지 소비, 고가의 노드 비용, 배포 모델 및 하드웨어/소프트웨어 설계 제약 조건 등 다양한 문제에 직면합니다.
  • 해킹에 취약합니다.
  • 저속 응용 프로그램용으로 설계되었으며 고속 통신에는 적합하지 않습니다.
  • 네트워크 구축 비용이 비싸다는 단점이 있습니다.
  • 스타 구조의 WSN에서 중앙 노드에 장애가 발생하면 전체 네트워크가 중단될 수 있습니다.

학습 자료

#1. Arduino를 사용하여 무선 센서 네트워크 구축

이 책은 Arduino와 XBee 장비를 사용하여 저전력 무선 네트워크를 구축하는 방법을 다룹니다. 다양한 예시를 통해 복잡한 프로젝트 개발 방법을 설명하며, 상세한 사진과 스크린샷을 제공합니다. 이를 통해 홈 오토메이션 프로젝트를 그대로 따라하거나 사용자 정의할 수 있습니다.

XBee 모듈을 사용하여 Arduino 보드를 무선으로 연결하고, 네트워크 센서의 데이터를 기반으로 환경을 제어하는 방법을 배울 수 있습니다. Windows, OS X 또는 Linux 환경에서 XCTU 소프트웨어를 사용하여 센서 데이터를 수집하고 클라우드 플랫폼이나 개인 데이터베이스에 저장하는 방법도 제공합니다. ZigBee 홈 오토메이션 장치와 상호 작용하는 방법도 다룹니다.

임베디드 시스템 개발자와 매니아들이 Arduino에 대한 이해를 바탕으로 무선 기술을 사용하여 프로젝트를 확장하는 데 유용한 자료입니다.

#2. 무선 센서 네트워크 구축: ZigBee, XBee, Arduino 및 Processing

이 책은 XBee 라디오와 100달러 미만의 Arduino를 사용하여 ZigBee 네트워크를 구축하는 방법을 강조합니다. 조정 가능한 감지 및 작동 시스템을 만들고 전력 관리 및 소스 라우팅과 같은 XBee의 복잡한 기능에 대한 지식을 얻을 수 있습니다. 인터넷을 포함한 인접 네트워크와의 상호 연결을 위한 게이트웨이를 개발하는 방법도 제공합니다.

이 책은 발명가, 해커, 크래프터, 학생, 애호가 및 과학자 등 다양한 독자들이 각 장의 예시를 따라 자신의 프로젝트를 수행하는 데 필요한 지식과 기술을 습득하는 데 도움이 됩니다.

이 책은 스마트 인터랙티브 장치를 만들기 위한 훌륭한 자료이며, 센서 시스템은 ZigBee 무선 네트워킹 프로토콜과 Series 2 XBee 라디오를 활용하여 구현할 수 있습니다.

#3. 산업용 무선 센서 네트워크(IWSN): 프로토콜 및 응용 분야

이 간행물은 산업용 무선 센서 네트워크에 대한 최신 연구 결과를 제시합니다. 특별호에 포함된 논문은 IWSN 연구 발전에 기여하고 추가 연구 및 배포에 영감을 줄 것으로 기대됩니다.

IWSN은 일상 생활 및 산업 분야에서 무선 센서 네트워크 사용이 증가함에 따라 모든 네트워크 계층에서 높은 견고성, 신뢰성, 적시성 표준을 갖추고 있어 매우 중요합니다.

#4. ESP32 LoRa로 무선 센서 네트워크 구축

이 가이드는 LoRa 네트워크에서 ESP32를 사용하여 기본적인 무선 센서 네트워크(WSN)를 구현하는 방법을 제공합니다.

개발 환경 준비, ESP32 LoRa 구성, 데이터 송수신, LoRa 수신기 인터럽트 처리, LoRa 네트워크에서 메시지 브로드캐스팅, ESP32 LoRa를 사용한 WSN 응용 프로그램 개발 등 다양한 주제를 다룹니다.

마지막 말

무선 센서 네트워크(WSN)는 다양한 모니터링 및 추적 응용 분야에서 필수적인 요소가 되었습니다. WSN은 기본적인 센서 모니터링에서 고급 감지, 데이터 처리 및 분석으로 발전했습니다.

WSN 기술은 귀중한 지식을 수집하고 원하는 결과를 제공하기 위해 지속적으로 변화하고 있습니다.

다음으로 TCP/IP 프로토콜 아키텍처 모델의 작동 원리를 알아보십시오.