LoRa망을 이용한 MQTT기반의 공장 환경 관리 시스템

Factory environmental management system based on MQTT using LoRa

Abstract

LoRa(Long Range)는 장거리, 저 전력 통신 기술이다. 근거리 무선 통신 기술보다 통신 범위가 넓어 다수의 AP를 설치하지 않고도 통신할 수 있으며, 초기 인프라 구축비용을 줄일 수 있다. MQTT(Message, Queuing, Telemetry, Transport) 프로토콜 또한 저 전력, 경량 프로토콜로 LoRa와 함께 사용 시 모듈의 지속성을 증가시키고, 유지보수 비용을 줄일 수 있다. 본 논문에서는 이러한 LoRa와 MQTT를 활용해 공장 안의 다양한 환경 정보를 취합하는 시스템을 개발하였다. 먼 거리에 위치한 작업장들의 환경 센서 데이터를 관리 시스템에서 모니터링 할 수 있고, 각 작업장에 있는 설비들을 제어할 수 있다. 또한, 성능 실험을 통해 LoRa와 MQTT 활용이 장거리, 전력소모 측면에서 효과적임을 확인했다.

LoRa (Long Range) is a long-distance, low-power communication technology. Broader range of communication than NFC technology allows communication without having to install multiple APs and reduces the cost of initial infrastructure deployment. MQTT (Message, Queuing, Telemetry, Transport) protocol is also low power and lightweight protocols. It can increase module persistence and reduce maintenance costs when used with LoRa. In this paper, we developed a system for compiling various environmental information in a factory using LoRa and MQTT. Environmental sensor data from long distances can be monitored by the management system and the facilities in each workshop can be controlled. Performance tests have also shown that the use of LoRa and MQTT is effective in terms of long-distance and power consumption.

그림 1. 통신망 비교 Fig. 1. Communication network comparison

그림 2. MQTT의 통신 방법 Fig. 2. MQTT Communication Method

그림 3. 시스템 구성도 Fig. 3. System configuration

그림 4. 모니터링(위), 설비제어(아래) 흐름도 Fig. 4. Monitoring(up), Facility control(down) flowchart

그림 5. 설정한 SX1272 전송 모드 Fig. 5. SX1272 transmission mode

그림 6. 센서/설비 패킷 구조 Fig. 6. Send Packet from End device to Gateway

그림 7. 환경관리 보드(좌)와 게이트웨이(우) Fig. 7. Environmental management board(left) and gateway(right)

그림8. 관리자 웹페이지 (임계값 설정, 설비제어, 모니터링) Fig. 8. Administrator web page (setting critical value, facility control, monitoring)

그림 9. 가시거리에서의 LoRa 측정 위치 Fig. 9. LoRa measurement positions at visible range

그림 10. 비 가시거리에서의 LoRa 측정 위치 Fig. 10. LoRa measurement positions at non-visible range

그림 11. 거리에 따른 성공률 Fig. 11. Success rate by distance

그림 12. IEEE 802.11 표준 Fig. 12. IEEE 802.11 standard

표 1. 네트워크별 전류 소모량 Table 1. Power consumption by each network.

표 2. 측정한 전력소모량 Table 2. Power consumption by measurement.

표 3. 가시거리에서의 LoRa 측정 결과 Table 3. LoRa measurement results at visible range

표 4. 비 가시거리에서의 LoRa 측정 결과 Table 4. LoRa measurement results at non-visible range