LPWAN(Low Power Wide Area Network) 기반의 IoT(Internet of Things) 원격측정 시스템이 널리 개발, 보급되고 있다. 구조물 안전감시, 재해감시, 환경감시 등 여러 분야에서 사용되는 이 시스템들은 발생하는 통신장애 상황에 대한 자가 복구 능력이 필요하지만 험난한 통신환경 하에서의 운영 시 데이터의 손실, 전송지연, 자가 복구 능력 부족 등의 단점이 발생한다.
예를 들어 원거리, 산악지형 등의 험지에서 원격측정 시스템을 운영할 경우 무선 송/수신 절차에서 누락, 지연 등의 문제가 발생할 수 있다. 또한, 통신환경이 좋은 지역에서는 전력소비량을 줄이기 위해 데이터 수신 확인(Acknowledge, ACK) 절차를 생략하는 등으로 인해 센서 데이터가 간헐적으로 빠지는 문제가 발생할 수 있다.
데이터의 연속성과 정확성은 원격측정 시스템의 신뢰성에 큰 영향을 미치는 요소이나, 위와 같은 문제가 발생하면서 시스템에서 산출되는 전체 데이터의 신뢰성을 장담할 수 없게 된다. 따라서 문제를 해결하기 위한 재전송 절차 및 RF 출력의 증가 등 여러가지 방법을 사용하고 있다. 하지만 이 경우 소비전력이 증가하고 배터리 수명이 줄어들어 결과적으로는 센서의 수명이 짧아지게 된다.
본 논문에서는 이러한 상충되는 문제를 해결하기 위해 저전력 센서 데이터 프로세스로 명명한 저전력화된 전송절차를 제안한다. 이는 일정한 전송 주기를 가진 5분에 1회 주기적으로 보내던 센서 데이터에 대하여 어댑티브(adaptive)한 접근방법을 이용, 직전 측정값 대비 현재 측정된 센서 데이터의 변화량이 센서 해상도(resolution) 값 이하일 경우에는 데이터를 전송하지 않도록 하는 기법이다.
저전력 센서 데이터 프로세스는 센서가 반복해서 의미 없는 데이터를 연속으로 보내는 것을 방지하며, 결과적으로 무선 전송 데이터 총량의 감소를 가져오므로 링크의 혼선 및 잡음, 불량 상황에 효과적으로 대응할 수 있다. 또한, 무선 송신(transmit, Tx) 횟수가 줄어들게 되므로 센서 노드의 전체 런타임이 길어지는 효과를 가져온다.
본 논문은 저전력 센서 데이터 프로세스를 포함하여 센서 노드와 측정 센서, 게이트웨이, 모니터링시스템 및 이를 위한 서버의 구축 등 IoT 원격측정 시스템 전체의 구현사항을 위주로 작성하였다.
이후 구현 완료된 IoT 원격측정 시스템을 강원도 지방자치단체에 속한 18개 시/군의 4개 문화재에 설치하고 최종적으로는 44개 문화재에 추가로 확대 적용하는 과정을 구현사항 위주로 기술하였다.
성능시험은 완성된 시스템을 강원도내 건축문화재와 석조문화재를 대상으로 센서를 실제로 설치하여 안정적인 운영이 가능함을 확인하였다. 이후 기존 IoT 원격측정 시스템의 문제점이 저전력 센서 데이터 프로세스를 통해 해결되고 저전력 부분의 개선이 이루어지는지 검증하였다.
그 결과 해당 프로세스를 탑재할 경우 그렇지 않았을 경우에 비해 데이터 전송횟수가 13,284건에서 최소 407건으로 3.06 % 수준까지 감소됨을 알 수 있었다. 이에 따라 전력소비량 또한 일반적인 5분 주기 센서노드 동작시 최대 423일로 14.1개월, 1.2년의 사용시간이었던 것에 비해, 0.01도 임계치 설정의 저전력 센서 데이터 프로세스는 최대 949일로 31.6개월, 2.6년, 이론상 기존에 비해 2배 이상의 배터리 동작시간을 가짐을 확인할 수 있었다.