DOI:http://dx.doi.org/10.5389/KSAE.2011.53.5.043
농업용수관리를 위한 RFID 기반 무선 센서 네트워크 개발
Wireless Sensor Network Development using RFID for Agricultural Water Management
남원호*․김태곤*․최진용**,†․김진택***․나민철***
Nam, Won-Ho․Kim, Taegon․Choi, Jin-Yong․Kim, Jin-Taek․La, Min-Chul
ABSTRACT
Irrigation facilities are spread over demand area in a low density and exposed in the field requiring efficient operation and maintenance. Thus, it could be more efficient to manage an irrigation system when it is with wireless sensor network (WSN) using RFID (Radio Frequency Identification) application. A WSN, a kind of ubiquitous sensor network composed of wireless network, RFID and database management system was developed for agricultural water management in terms of operational status and maintenance requirements. Identification code for RFID tag was designed and an application for RFID reader was developed for field data collection, and a database management system was constructed for managing irrigation facility attributes. The system was installed in I-dong irrigation districts in Gyounggi-province, Korea and the operated results showed the applicability of the WSN for agricultural water management.
Keywords: Agricultural Water Management, Wireless Sensor Network, Radio Frequency Identification
I. 서 론*
농업용수 관리는 작물의 수확량을 최대로 하기 위하여 합리적 인 수리시설의 운영을 통해 적절한 시기에, 적정 수량을, 최소한 의 비용으로 공급하는 것으로 정의할 수 있다 (MIFAFF, 2004).
농업용수의 효율적인 관리는 수리시설물 상호간의 연계운영 체 계를 통한 관개배수 시스템으로 운영되면서, 농업용수의 시간적, 공간적 변화를 고려하여 균등하고 합리적인 분배가 가능하게 되 었다. 농업용수를 공급하기 위한 수리시설물은 전국적으로 약 7 만 여개가 설치되어 있으며, 농업용수의 급수계획 및 물 관리 계 획 수립에 중요한 구성요소인 관개 용·배수로는 총 길이가 지구 둘레의 약 4.6배에 해당하는 길이인 184천 km로, 농업뿐만 아 니라 국가 수자원의 주요 시설로 운영 및 관리의 중요성이 부각 되어 왔다. 농업용 관개수로는 수원공과 연결된 용수간선과 용수 간선에서 분기하는 용수지선, 그리고 농경지에 연결되는 말단의
* 서울대학교 생태조경 ․ 지역시스템공학부
** 서울대학교 조경 ․ 지역시스템공학부 부교수, 농업생명과학연구원
겸임연구원
*** 한국농어촌공사 농어촌연구원
Corresponding author Tel.: +82-2-880-4583 Fax: +82-2-873-2087
E-mail: [email protected] 2011년 7월 7일 투고 2011년 9월 21일 심사완료 2011년 9월 26일 게재확정
용수지거로 구분되며, 이 가운데 구조화가 이루어진 관개 용 ․ 배 수로는 약 40 % (74천 km)로 수로손실을 낮추기 위해 지속적 으로 구조화 등의 개선사업이 이루어지고 있다 (MIFAFF and KRC, 2010).
농업용수 관개를 위한 용배수로 시스템에서 손실의 대부분은 일반적으로 시설물의 노후화, 시공 상의 결함, 관리의 소홀, 자 연적인 붕괴 및 파손 등에 의해 수원공에서 포장까지 관개용수 로를 통하여 송수 및 분배하는 과정에서 발생하게 된다 (Lee et al., 2008; Kang et al., 2010). 따라서 관개수로는 각종 파 손이나 토사퇴적 등의 문제점에 항시 노출되어 있기 때문에 이 를 저감하기 위해서는 문제 지점의 조기 탐색 및 관개수로에 대 한 적정한 유지관리가 지속적으로 이루어져야 한다. 관개수로는 지역적으로 넓게 분포하고 대부분이 차량 접근이 어려운 곳에 위치하고 있어, 주로 현지에 거주하는 비전문 인력에 의해 일상 적인 관리가 이루어지고 있다. 비전문 인력인 수리감시원은 수 시로 수리시설물을 방문하여 시설물의 상태를 관리하고, 주로 수 기를 통해 작업 상황을 일지로 작성하여 관리기관에 보고한다.
이러한 관리방법은 관행적 농업용수의 사용에는 적합한 형태였 지만 관리기관에서 시설물 관련 정보획득이 용이하지 않고, 신뢰 성 있는 자료의 부족으로 현재 상태를 반영한 운영방안 수립이 불가능하기 때문에, 효율적인 농업용수 관리가 요구되는 작금에 는 농업용수 및 농업수리시설물 관리 방법에 대한 개선이 요구 된다.
1990년대 이후 영농방식이 다변화하고 농촌지역의 산업화가 진행되면서 농촌지역의 용수 수요가 증가하였지만, 용수의 추가 개발은 제한적이기 때문에 기존 용수의 절감 및 효율적 이용의 중요성이 부각되었다. 이를 위해 농업용 수리시설물을 효과적으 로 관리하고 이용하기 위하여 원격 관측 및 제어 시스템인 농업 용수관리자동화 (Telemetering/Telecontrol, TM/TC) 시스템에 관한 개발 및 연구가 활발히 이루어졌다 (Kim et al., 2003;
MIFAFF, 2004). 농업용수관리자동화 시스템은 관개용수를 공급 할 경우, 관리인 또는 농민이 직접 현장에서 과거의 경험적인 방법으로 수리시설물을 조작하는 대신 주요 농업기반시설물에 원격장치 및 제어장치를 설치하고 중앙 물 관리 시스템을 통하 여 관개용수의 적기 ․ 적정량을 공급함으로써 물 관리 손실을 최 소화하는 목적으로 사업이 시행되었다 (MIFAFF, 2004). 하지 만 저수지 및 양 ․ 배수장 등 주요 수원공 시설 위주의 설치로 적용범위의 한계성이 부각되어 관개 용 ․ 배수로를 포함하는 평 야부 농업시설물로의 적용범위 확대가 필요한 실정이다. 최근에 는 농업용 관개수로에 대한 급 ․ 배수 유량을 체계적으로 측정하 고, 정확하고 신뢰성 있는 수로 유량 계측 자료에 기초한 농업 용수의 공급과 이용에 관한 계획 및 관리의 필요성이 대두되었 다. 따라서 농업용수의 모니터링을 목적으로 한 센서 기술의 발 달로 일정 규모 이상의 저수지에 대해서 실시간 저수지 수위정 보를 수집하거나, 관개 수로의 수위를 원격 계측하는 연구가 이 루어지고 있다 (KRC, 2004; Kim et al., 2005; Kim and Park, 2009; Kang et al., 2010). 이러한 노력에도 불구하고 수위를 제외한 평야부 수리시설물의 상태 정보나 운영 정보는 여전히 수기에 의존하고 있다. 수기방식의 관행적 관리체계는 시설물 관리에 있어서 관리지침에 따라 종이 조사표의 항목을 토대로 조사 내용을 기술하고 있어서 수집된 자료가 전산화 과정을 통 해 정보로서 활용되는 과정이 복잡하고 효율성이 떨어진다. 또한 시설물을 운영하는 경우에도 누수 및 관로 이상 등의 긴급 상황 발생 시 신속한 대처를 위한 정확한 위치정보 파악, 관리 대상 여부 확인, 운영 이력 현황, 실시간 관리 지시사항, 수혜지역 분 포 현황 등 현장에서 시설물 운영에 필요한 정보를 획득하는 것 이 제한적이다.
농업용수관리에 있어서 자료 수집과 정보 활용 측면에서의 비 효율성이 문제점으로 인식되는 가운데, 최근 정밀 농업 (Precision Agriculture)에서는 운영 및 관리의 효율성과 편리성을 증대시 키는 기술로서 유비쿼터스 (ubiquitous) 관련 기술인 무선 센서 네트워크 (Wireless Sensor Networks, WSN) 기술과 RFID (Radio Frequency Identification)를 비롯한 다양한 마이크로센 서 기술을 접목하는 연구가 소개되고 있다 (Morais et al., 2008;
Aqeel-ur-Rehman et al., 2011). 무선 센서 네트워크는 기존 연구를 통해 개발/운영되고 있는 센서노드 및 통신망을 보다 효
과적으로 사용하기 위한 방법인 동시에 현장관리 업무의 효율 성을 높일 수 있는 방안으로 기대된다. 특히 RFID는 근거리 통 신기술로서 작업자 주변의 시설물에 대해 현장에서 직접 정보제 공을 가능하도록 되어있다. RFID는 태그와 직접 접촉하지 않고 서도 태그에 저장된 정보를 인식하는 비접촉 방식의 기술로써 원거리에서 판독할 수 있으며, 다른 통신망과의 연계와 확장이 가능하고 이동 중 인식이 가능하다는 장점을 가지고 있어 물류 분야, 전자상거래, 교통 분야 등에서 널리 이용되었고, 최근에는 활용 분야가 확대되면서 농업 분야에서도 적용되고 있다 (Kang et al., 2007; Kim et al., 2009; Kim et al., 2011).
본 연구에서는 농업용수를 공급하는 평야부 수리시설물을 효 과적으로 관리하기 위하여 WSN/CDMA 등의 정보통신기술과 RFID를 활용한 마이크로센서 기술을 통합함으로써 수기방식의 운영 ․ 관리방법을 개선하고자 하였다. 또한 무선 센서 네트워크 구축을 위하여 기존의 시설물 표준코드를 보완하고, 평야부 농 업용 수리시설물을 식별할 수 있는 통합 수리시설물 표준/관리 코드를 설계하였으며, 체계적인 농업수리시설 운영관리 및 유지 관리의 편의성, 효율성을 제고하기 위하여 RFID를 활용한 무선 센서 네트워크를 설계하였다. 설계된 무선 센서 네트워크는 시 험지구를 대상으로 농업용수 관리기술의 활용성을 평가하였다.
II. 재료 및 방법
1. 무선 센서 네트워크의 구성
가. 근거리 무선인식 센서
본 연구에서는 근거리 시설물의 무선인식을 위하여 RFID를 선택하였다. RFID는 라디오 주파수를 이용한 근거리 무선통신 기술과 IC 칩 (Identification Code chip)을 이용하여 시간과 장 소의 제약 없이 실시간으로 다양한 개체의 정보를 관리할 수 있 는 차세대 무선 주파수 인식 기술이다 (Finkenzaeller, 2003;
Kang et al., 2007). RFID 시스템은 Fig. 1에 도시한 바와 같이 구성된다. 데이터를 저장하고 교환하는 기능을 가진 태그 (tag) 와 내장된 안테나 (antenna)를 통해 태그의 정보를 판독하거나 인식하는 리더 (reader), 여러 다른 기종의 RFID 리더로부터 송 출되는 데이터를 수집하고 관리하는 미들웨어 (middleware)로 구성되며, 다양한 네트워크를 통해 정보시스템과 통합 활용이 가능하다 (Kim et al., 2010).
RFID 태그는 데이터를 식별하는 ID 및 세부 데이터 등 대용 량 데이터의 저장 및 재사용이 가능하며, 사람의 눈으로 코드의 위치를 확인하고 코드에 정확히 인식장치를 접촉해야하는 기존 바코드 (bar code) 방식과는 달리 특정한 방향에서만 인식이 되 는 방향성이 없어 RFID 리더의 인식거리 안에서는 자동인식이
Fig. 1 RFID system architecture
가능하다. RFID 태그는 반드시 대상의 외부에 부착할 필요가 없 어 신호를 차단하지 않는 범위 내에서 태그를 대상에 내장할 수 있기 때문에 훼손 및 도난을 방지하기에 유리하다고 알려져 있 다 (Finkenzaeller, 2003; Kang et al., 2007) 따라서 본 연구 에서는 평야부 농업수리시설물 관리에 있어서 다수의 객체를 동 시에 식별가능하고, 원거리 판독이 가능하며, 넓은 범위에서 빠 른 응답속도를 가지는 수동형 RFID 센서를 사용하였다.
나. 무선 센서 네트워크
농업용수 관리 시스템은 농업용수 조직을 구성하는 용수원시 설, 관개수로조직 및 물 관리 방식을 포함하는 종합적이고 유기 적인 구성을 갖는 시스템으로 (Lee et al., 2008), 관리 행태에 따라 주요 관리 시설인 수원공과 평야부 수로구조물로 구분할 수 있다. 현재 수원공 시설 중 규모가 큰 농업용 저수지에서 초 음파 수위계를 이용하여 수위를 자동 관측하고 있으며, 관측한 자료는 CDMA (Code Division Multiple Access)를 통해 자동 으로 수집하고 있다 (KRC, 2004; Kim et al., 2005). 지역적으 로 넓게 분포하고 이수 측면에서 주요한 시설인 평야부 수로구 조물에 대해서는 수위 관측의 필요성은 제기되고 있으나 적용범 위가 광범위하여 경제적인 이유로 일부 지역에 대해서만 자동수 위측정망을 설치하였으며, 통신 효율상의 이유로 Zigbee와 CDMA 를 혼용하여 자료를 수집하고 있다 (Kim and Park, 2009).
수위계측 기술은 일부 수원공 시설에 대하여 현장계측기의 Zigbee, 현장자료송신의 CDMA와 관리실의 인터넷 통신간의 연 계모듈을 개발하여 운영되고 있지만 (KRC, 2004; Kim et al., 2005; Kim and Park, 2009), 평야부 수로 구조물의 경우 관리 인이 직접 시찰하여 관리하고 있다. 시찰을 통해 수집된 수위 및 다양한 시설물 정보를 취합하고 효과적으로 활용하기 위해서는 지역적으로 넓게 분포된 센서 기능을 통합하고 이들을 상호간의 네트워크로 연결하는 무선 센서 네트워크 환경의 구축이 필수적 이다.
USN (Ubiquitous Sensor Network)은 다수의 센서 노드 (node)들이 형성하는 센서망 (network)에서 노드간의 통신을 통 해 정보를 취득하는 기술로써, 모든 사물에 전자태그를 부착하여 사물과 환경을 식별하고, 네트워크를 통한 실시간 정보의 구축
및 활용 등을 목적으로 하는 기술이다 (Finkenzaeller, 2003).
USN을 구성하는 주요 요소 기술 중 하나인 무선 센서 네트워크 (Wireless Sensor Network)는 여러 환경 요소를 감지 및 측정 하는 센서 노드들로 구성된 소규모 네트워크를 의미하며 (Akyildiz, 2002), 기억장치와 안테나를 내장하고 있어 수집된 데이터를 다 른 센서나 네트워크 장치로 전송할 수 있는 통신 기능을 포함 한다.
본 연구에서는 WSN 시스템의 정보 획득성을 활용하여 농업용 수관리를 위한 통합 관리 시스템 환경을 구축하고자 한다. 기존 연구로부터 구축된 CDMA와 Zigbee를 활용하여 일정 시간 간 격으로 실시간 데이터를 수집하고, RFID를 이용하여 관리자가 수시로 직접 입력한 평야부의 수위 및 수리시설물 관리 데이터 를 통합 ․ 활용하도록 RFID 기반의 WSN을 개발하였다.
2. 통합 수리시설물 표준/관리코드체계의 설계
농업수자원의 효율적인 사용을 위해서는 수리시설물의 현재 상태를 관리자가 정확하게 파악하여 적절한 보수로 노후나 파손 을 방지하고 관리 대책을 수립하여야 하며, 이를 위한 시설물의 관리체계 및 정성적 평가기준이 적립되어야 한다 (Kim et al., 1997; Kim and Park, 1998). 농업용 수리시설물을 체계적으로 관리하고 활용하기 위해서는 우선적으로 시설물을 고유하게 식 별하기 위한 코드가 필요하며, 체계화된 관리체계 및 시설코드 의 표준화가 선행되어야 한다. 우리나라 농업용 수리시설물은 한 국농어촌공사의 농업기반시설관리시스템 (Rural Infrastructure Management System, RIMS)을 이용하여 관리되고 있지만, 본 연구의 대상이 되는 평야부 수리시설물은 관리 대상별 코드화가 이루어지지 않아 수리시설물에 대한 통합관리가 어려운 실정이 다. 따라서 본 연구에서는 농업용 수리시설물의 관리 및 검색에 활용할 수 있으며, 식별코드만으로 위치 판단이 가능하고, 정보 의 일관성 및 시설물 데이터베이스 (database)의 체계적 관리 를 할 수 있는 표준화된 식별코드체계를 설계하였다. RFID기 반 WSN의 적용을 위하여 평야부 수리시설물을 대상으로 연구 를 수행하였으며, 기존시스템의 자료 활용 및 연구수행 결과의 통합을 위하여 기 개발된 식별코드와 호환 가능한 평야부 농업
Table 1 Subclassification of extended identification code
Identification code Field name Contents
N11 irrigation facilites management main agent
9 management agent categories
N12∼13 95 sub-management agent categories
N14 irrigation canal 8 classification of irrigation canal (unlined earth canal(1), open channel(2), closed conduit and culvert(3), inverted siphon(4), aqueduct bridge(5), aqueduct tunnel(6), pipeline(7), chute structure(8))
N15∼16 irrigation canal facilities
12 classification of irrigation canal facilities (diversion work and devices(01), check gate and regulating gate(02), waste way(03), dike sluice(04), stepped weir inlet(05), drop structure and ground still bed still(06), drop structure of check gate(07), outflow works(08), bridge(09), bridge crossing(10), canal(11), and etc.(00)) N17∼19 serial number serial number (001∼999)
Fig. 2 Integrated identification code irrigation facilities database
용 수리시설물 식별코드체계의 표준화를 제안하였다. 통합 수리 시설물 확장코드는 기존 식별코드의 변경 없이 세분화된 코드가 필요하며, 기존 식별코드와 효율적으로 연계 및 호환이 가능해야 한다. 또한 향후 식별코드체계가 통합될 수 있는 기반을 제공하 기 위한 정보의 상호 운용성을 포함하며, 독립적으로 관리되는 DB 사이에는 동일 시설물에 대한 정보를 중복 입력하지 않도록 일관성을 유지해야 한다.
농업기반시설관리시스템에서는 수리시설물 관리를 위해서 Fig.
2 (a)와 같이 10 자리의 표준코드를 정의하고 있다. 시설물의 위치를 구분하기 위하여 5 자리의 시도, 시군구 코드를, 시설물 종류의 구분을 위하여 한 자리 코드를 사용하고, 나머지는 일련 번호 (serial number)를 지정하고 있다. 하지만 기존의 코드설 계에서의 시설물 구분은 한 자리 코드로 할당하며, 저수지 및 양
․배수장과 같은 주요 수리시설물을 관리하기 위한 코드 설계로 평야부 수리시설물에 대해 고유한 식별코드를 제공하지 못한다 는 한계가 있다. 본 연구에서는 Fig. 2 (b)와 Table 1과 같이, 평야부 농업수리시설물을 고유하게 식별하기 위하여 수리시설물 상세 구분코드 3 자리를 포함하고 총 3개의 필드로 구성된 9
자리의 확장코드를 제안하였다. 기존의 시설물 위치 정보를 갖는 코드를 확장하여 관리주체 판단을 위한 3 자리의 “관리기관 코 드”, 시설물의 종류의 특성을 고려한 3 자리 “시설물 상세구분 코드”, 평야부 시설 간의 중복코드 방지를 위한 “일련번호” 3 자리로 코드를 구성하였다. Fig. 2 (b)는 이동저수지 시점부의 수로를 지칭하는 표준관리코드로써 경기도지역본부 ( )와 평택지사 ( ∼ )를 의미하는 관리코드를 부여하고, 이동 저수지 시점부에 위치하는 개거 ( )로써 수로 ( ∼
)를 지칭하며 일련번호 ( ∼ )를 부여한 예이다. Fig.
2 (c)에서 제안한 통합 수리시설물 표준/관리코드는 한국농어 촌공사에서 관리하고 있는 수리시설물 뿐만 아니라 시군에서 관 리하고 있는 평야부 수리시설물에 대해서 고유하게 식별할 수 있으며, 기존의 개발된 표준코드와 통합 또는 독립적으로 운용이 가능하도록 설계하였다. 식별코드체계는 수원공 외에 다양하고 세분화된 평야부 수리시설물에 대한 정의가 가능하며, 기존 시 설물 표준코드와 일원화하여 활용할 수 있는 체계를 제시하여 향후 농업기반시설관리시스템과 통합 운영이 가능하도록 구축하 였다.
Fig. 3 Pilot site for testing wireless sensor network (map image from google)
III. 적용 및 고찰
1. 대상지구 선정
통합 수리시설물 표준/관리코드 및 무선 센서 네트워크를 적 용하기 위하여 경기도 용인시 소재의 이동저수지를 대상지구로 선정하였다. 평야부 수리시설물은 관개수로 시점부에서 원암양수 장에 이르는 3.2 km의 수로에 대해서 32 개의 주요 지점을 선 정하여 RFID를 설치하여 통합 수리시설물 관리코드를 부여하였 으며, 통신모듈로는 1 개의 CDMA와 3 개의 Zigbee를 포함하고 있다. 시범지구인 이동저수지 상류부에 RFID를 설치한 평야부 수 리시설물의 주요 지점을 Fig. 3과 같이 도시하였다.
2. 통합 무선 센서 네트워크 설계
본 연구에서는 평야부 관개수로의 수위 및 수리시설물의 현 황/상태 등 다양한 정보의 수집 및 관리를 목적으로, 시간과 장 소의 제약이 없는 무선 네트워크를 활용하여 실시간 데이터 교 류가 가능한 무선 센서 네트워크 시스템을 구축하고자 하였다.
농업용 원격 관측망 구성을 위하여 장거리 통신 기술로서 이동 통신 기술인 CDMA와 중거리 통신 기술로서 Zigbee를 채택하여 원격 수위 모니터링 네트워크를 구축한 기존의 연구 (KRC, 2004;
Kim et al., 2005; Kim and Park, 2009)를 바탕으로, 근거리 관측망으로 RFID를 접목하여 통합 무선 센서 네트워크를 구축 하였다. 제안하는 무선 센서 네트워크는 Fig. 4와 같이 표현되 며, 장거리/중거리/근거리 무선 센서 네트워크를 통합하여 농업 용수 관리를 위한 통합 관리시스템 환경을 구성하였다.
Fig. 4 (a)는 기 개발된 Zigbee 및 CDMA 통신기술을 활용한 자동 수위 관측 네트워크로, 자동수위관측기와 현장 관측 자료를 유무선으로 통신하는 이동통신망과 정보통신망, 그리고 자료관리 서버와 데이터베이스 등으로 구성되어있다. Zigbee 및 CDMA 는 중/장거리 네트워크 기술로 센서에 설정되어 있는 매 폴링 (polling) 시간마다 이벤트가 발생하며, 센서들은 Zigbee 통신을 하는 모듈로 구성되어 네트워크를 구성하고 환경정보를 수집하는 일을 담당한다. 자동 수위 관측 장치에서 수집된 정보는 Zigbee 를 통해 근처 중계서버로 자료가 전송되고, 축적된 자료는 CDMA 방식의 무선인터넷을 이용하여 데이터 서버에 자료를 전송하고 갱신하도록 구성되었다 (KRC, 2004; Kim et al., 2005; Kim and Park, 2009; Kang et al., 2010).
본 연구에서는 Fig. 4 (b)와 같이, 근거리 무선 네트워크 기술 인 RFID 기술을 활용하여, 전원이 없는 수동 태그를 이용해 10 m까지의 인식거리를 제공함으로써 다수의 평야부 수리시설물에 부착된 RFID 센서 노드들 간의 무선 네트워크를 구성하였다.
RFID 태그와 현장 관측 자료를 수집하는 RFID 리더, 데이터 관 리를 위한 모바일 (mobile) 서버를 구성하였고, 수동형 RFID의 경우 RFID 리더가 태그를 인식할 때마다 이벤트가 발생하며, 수 집된 데이터는 무선 센서 네트워크상에서 관리시스템으로 전송 하여 웹 (web)과 PDA (Personal Digital Assistants) 단말기를 이용하여 조회할 수 있도록 구현하였다. 또한 기 개발된 Zigbee 및 CDMA를 활용한 중/장거리 센서 네트워크와 본 연구의 RFID 를 활용한 근거리 무선 센서 네트워크의 통합한 농업용수 관리 를 위한 통합 관리시스템 환경을 구성하였으며, Fig. 4 (c)와 같 이 각각의 데이터베이스 간의 상호 연결을 통해서 시간과 장소
Fig. 4 Data communication diagram of wireless sensor network using RFID for agricultural water management
Fig. 5 RFID attachments to irrigation facilities
의 제약 없이 단말장치를 이용하여 관리서버로부터 수리시설물 의 운영 이력 정보, 시설물 상태 정보, 주변 시설 정보를 획득 하고, 현장에서 수집한 수리시설물의 상태 및 운영 정보를 입력 하여 데이터 서버에 전송할 수 있도록 구성하였다.
3. 통합 무선 센서 네트워크 구축 및 적용
이동저수지의 평야부 농업용 수리시설물을 대상으로 통합 수 리시설물 표준/관리코드를 부여하고, RFID를 부착하였으며, 기
Fig. 6 Testing of irrigation facility identification using RFID reader from a distance
존의 Zigbee와 CDMA를 통합한 무선 센서 네트워크를 구축하 였다. 대상으로 하는 평야부 수리시설물은 수위표, 수위계, 분수 공, 제수문과 같이 일반적으로 점 데이터로 표시되는 수리시설 물과 선 데이터로 표현되는 관개 용·배수로로 구분된다. 점 데이 터로 표시되는 단일 시설물에 대해서는 직접 태그를 부착하거나 인근에 표지판을 설치하였으며, 선 데이터로 표현되는 관개 용
․배수로의 경우 현장에서 수로의 위치 및 수로의 구분을 인식하 기 어렵기 때문에 연속된 수리시설물을 구분하기 위하여 일정 간격으로 표지판을 설치하였다. 평야부 수리시설물 종류별 RFID 는 시설물의 특징에 따라 육안으로 쉽게 식별 가능하고, 비영농 기 기간 동안의 임의 훼손에 견딜 수 있도록 Fig. 5와 같이 다 양한 방법으로 설치하였다.
현장에 설치한 RFID 기반의 무선 센서 네트워크 적용 및 평 가를 위하여 RFID 리더 기능을 갖춘 PDA 단말기를 이용하여 수리시설물 점검을 수행하였다. 대상지구인 이동저수지 시점부 에서부터 관개수로를 도보 및 차량으로 이동하면서 Fig. 6과 같 이 평야부 수리시설물 점검 및 운용작업에 대한 모의실험을 수 행함으로써, 무선 센서 네트워크의 적용성을 평가하였다.
평야부 수리시설물에 접근하면 검측단말기는 수리시설물에 부 착된 RFID 태그에 내장된 통합 수리시설물 표준/관리코드를 인 식하였으며, 해당 수리시설물에 대한 기본적인 정보를 제공하고, 시설물의 상태 정보를 입력할 수 있는 환경을 제공한다. RFID 를 이용한 근거리 통신이 가능해짐에 따라 조사표를 이용한 수 기식 관리방법에 비해서 다음과 같이 확연한 개선사항을 확인할 수 있었다. 첫째, 수기식 관리방법은 시설물의 제원정보를 알기 위해서는 미리 제원정보를 출력하여 지참하거나, 전화를 이용한 제한적인 접근 방식을 사용한 반면, 검측단말기는 식별한 표준 코드와 미들웨어 서버를 통하여 데이터베이스에 축적된 다양한 정보에 대한 접근이 가능하였으며, 관리서버 자료의 접근이 가 능해 짐에 따라서 현장에서 획득할 수 있는 정보의 양이 많아진 다는 장점이 있었다. 둘째, 대상 수리시설물을 빠르고 정확하게 인식할 수 있었다. 수기식 관리방법은 시설물 관리원의 경험에
의존하기 때문에 신뢰성을 보장하기 어렵고, 평야부 수리시설물 은 위치 외에는 정확하게 단일 시설물을 구분할 수 있는 명칭을 부여하기 어려웠다. 하지만 RFID 기반의 무선 센서 네트워크를 구성을 통하여 시설물 관리원의 경험에 의존하지 않고, 주변 시 설물을 정확히 식별할 수 있어 시설물 식별 측면에서 오류를 감 소할 수 있었다. 셋째, 시설물 관리시스템의 기 구축된 다양한 시설물 정보를 현장에서 실시간 확인이 가능하였다. 현장에서의 시설물 관리측면에서 기 구축된 다양한 시설물 정보를 확인하는 것은 정보시스템의 질을 향상하는 데 있어서 중요하다. 기 구축 된 정보와 실제 정확한 시설물의 위치, 상태 등의 정보의 차이가 발생할 수 있으며, 기존 관리방법에서는 이와 같은 오류를 찾기 쉽지 않고, 차이를 발견하더라도 관리원이 임의로 수정하는 경 우가 많아서 오류가 수정되는 경우는 드물었다. 하지만 근거리 통신을 통해 해당시설물에 대한 정보를 현장에서 실시간으로 확 인하게 되면 자료 오류를 확인하기 용이하고, 사진 및 메모 등 을 통해 자료 갱신을 위한 요청자료를 생성하여 정보시스템의 신뢰성을 향상하는 데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
기존 구축된 무선 센서 네트워크인 CDMA와 Zigbee에 대한 활용성 또한 RFID를 통합함으로써 시너지 (synergy) 효과가 기 대된다. 원격 모니터링을 목표로 설계된 기존 센서 네트워크는 수위와 같이 제한된 항목에 대해 지속적인 자료 수집에는 효용 성을 보여주고 있지만, 현장에서 센서 네트워크에 접근하는 방법 은 SMS (Short Message Service)를 통해 제공되는 실시간 수 위정보로 제한적이다. 이는 시설물 정보가 관리기관으로, 관리기 관에서 현장 관리원에게로 정보가 이동하는 구조에 기인한다.
RFID 근거리 센서를 포함한 무선 센서 네트워크는 단순히 인근 시설물을 인식하는 것이 아니라 시설물 정보가 현장 관리원에게 직접 이동할 수 있는 환경을 제공한다.
본 연구에서는 현장에서 농업용수 관리를 효율적으로 수행하 기 위한 관행적 관리방안에서 가장 부족한 점이 해당시설물에 대한 현장에서의 정보 접근성이라고 판단하였으며, 이를 개선할 수 있는 방안으로 RFID를 활용한 무선 센서 네트워크를 제시하
였다. 무선 센서 네트워크는 수리시설물 관리체계에 있어서 관 개수량을 직접 조절하는 하드웨어적인 개선 방법은 아니지만 현 장에서 데이터베이스 접근을 통한 시설물의 이력자료 검색과 센 서 네트워크를 통한 점검이 이루어 질수 있었다. 또한 이동저수 지 관개 지구에 무선 센서 네트워크를 설치/적용하여 실용성을 파악하였고, 이를 통하여 농업용수 시설물에 대한 데이터베이스 및 무선 네트워크 통합 소프트웨어적 개선방법을 제시하였다.
IV. 결 론
본 연구에서는 농업용수 및 농업용수를 공급하는 평야부 수리 시설물을 효과적으로 관리하기 위하여, RFID를 활용한 무선 센 서 네트워크를 제안하였다. 체계적인 농업수리시설 운영관리 및 유지관리를 위하여 무선 센서 네트워크 상에서 평야부 농업용 수리시설물을 식별하기 위한 통합 수리시설물 표준/관리코드를 설계하였으며, 기존의 Zigbee와 CDMA를 이용한 중장거리 통신 네트워크와 RFID를 활용한 근거리 무선 센서 네트워크를 통합 하여 농업용수 관리를 위한 통합 무선 센서 네트워크 환경을 구축하였다. 농업용수의 효율적인 관리를 위해 통합 무선 센서 네트워크 상호간의 유기적 연계운영 체계를 구축하고, 현장 적 용을 통한 농업용수 관리기술의 활용성을 평가하였다. 무선 센 서 네트워크 기반 점검 기술의 활용성을 판단하기 위하여 이동 저수지를 대상으로 현장적용을 실시하였으며, 단말장치를 이용 하여 빠르고 정확하게 평야부 농업용 수리시설물을 식별하고, 현장에서 적절한 대응이 가능하도록 시설물의 이력정보 및 현황 정보를 제공하였다. 본 연구에서 구축한 통합 무선 센서 네트워 크를 이용하면 데이터베이스 서버에서 이력 정보를 확인할 수 있으며, 단말장치를 통해 다양한 위치의 수위정보를 확인할 수 있어 현장에서의 정보 접근성을 향상시켰다. 또한 시설물의 누 락된 정보는 시간과 장소의 제약 없이 현장에서 실시간으로 확 인이 가능 하고, 사진 및 메모 등을 통해 자료 갱신을 위한 요 청자료를 생성하여 정보 신뢰성 향상을 기대할 수 있었다. 이를 통해 RFID기반 WSN의 농업수자원 시설물 관리기술 개발 및 농업수자원관리체계 구축이 기존의 수기식 시설물 관리방법에 비하여 시설물 점검 및 농업용수관리의 노동력, 시간 절감으로 효율성에 기여할 것으로 판단하였다.
본 연구에서는 농업용수를 효율적으로 관리하기 위하여 통합 무선 센서 네트워크 구성을 위한 하드웨어 기반을 구축하였으 며, 향후 실질적인 농업용수 이용효율을 개선할 수 있도록 여러 활용기법들이 개발이 필요할 것으로 판단된다. 무선 센서 네트워 크를 활용한 관리업무 체계를 정비하는 소프트웨어 기반 구축에 관한 연구가 우선적으로 요구된다. 또한 무선 센서 네트워크를 통해 수집된 정보를 활용하는 측면에서 평야부 수리시설물의
수위 정보를 이용하여 관개수로의 운영방법 및 운영에 따른 관 개 평가 지표 개발이 필요하다. 추가적인 연구를 통하여 물 관 리 기관 및 물이용자에게 농업용수 및 농업수리시설물 정보를 제공하여 관리업무 효율성 향상과 안정적인 영농을 위한 물 공 급 기반을 구축에 기여할 것으로 기대한다.
본 연구는 농림수산식품부 “농촌수자원의 관리 효율화를 위한 검측장비 개발” 연구비 지원으로 한국농어촌연구원과 공동으로 수행되었으며, 이에 깊이 감사드립니다.
REFERENCES
1. Akyildiz I. F., 2002. A survey on sensor networks.
IEEE Communications Magazine 40(8): 102-114.
2. Aqeel-ur-Rehman, A. Z. Abbasi, N. Islam, and Z. A.
Shaikh, 2011. A review of wireless sensors and networks’
applications in agriculture. Computers Standards &
Interfaces, In Press, Corrected Proof.
3. Finkenzaeller, K., 2003. RFID Handbook : Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification. John Wiley & Sons, second edition.
4. Kang, M. G., H. S. Jeong, and J. T. Kim, 2010. Efficient Management of Agricultural Canal Systems Through Quality Management of Water Level and Water Quantity Data. Rural Resources 52(2): 87-96 (in Korean).
5. Kang, P. G., J. H. Kim, J. S. Chae, and W. I. Choi, 2007. A Design and Implementation of Facility Management System Using Portable RFID. Journal of Korea Multimedia Society 10(4): 492-505 (in Korean).
6. Kim, M. H., B. R. Son, D. K. Kim, and J. G. Kim, 2009. Agricultural Products Traceability Management System based on RFID/USN. Journal of Korean Institute of Information Scientists and Engineers 15(5): 331-343 (in Korean).
7. Kim, J. D., C. S. Ok, S. Kumara, and S. T. Yee, 2010. A marker-based approach for dynamic vehicle deployment planning using radio frequency identification (RFID) information. Int. J. Production Economics 128:
235-247.
8. Kim, J. T., and J. Park, 2009. Development of irrigation monitoring system using USN (Ubiquitous Sensor Network). 60th International Executive Council Meeting
& 5th Asian Regional Conference, International Commission on Irrigation and Drainage.
9. Kim, J. T., K. W. Park, and U. J. Ju, 2005. Reservoir Water Monitoring System with Automatic Level Meter.
Korea National Committee on Irrigation and Drainage 12(1): 60-68 (in Korean).
10. Kim, S. J., C. G. Yoon, S. R. Park, and K. Y. Lee, 1997. Development of Optimum Management System for Irrigation Facilities. Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers 39(2): 86-94 (in Korean).
11. Kim, S. J., and S. R. Park, 1998. A Practical Study of Unified Management System for Irrigation and Drainage Facilities. Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers 40(3): 42-53 (in Korean).
12. Kim, U. S., Y. T. Kim, and Y. J. Lee, 2003. Feasibility Analysis of the TM/TC System in Agricultural Water Management : A Case Study of Chungju and Sangju.
Korean Journal of Agricultural Management and Policy 30(4): 640-666 (in Korean).
13. Kim, Y. D., Y. M. Yang, W. S. Kang, and D. K. Kim, 2011. On the Design of Beacon based Wireless Sensor Network for Agricultural Emergency Monitoring Systems.
Computer Standards & Interfaces.
14. Lee, Y. J., P. S. Kim, S. J. Kim, Y. K. Jee, and U. J.
Joo, 2008. Estimation of Water Loss in Irrigation Canals through Field Measurement. Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers 50(1): 13-21 (in Korean).
15. MIFAFF, 2004. Design Criteria for Agricultural Production and Infrastructure Development Plan – Channel. Korea (in Korean).
16. MIFAFF and KRC, 2010. Statistical Yearbook of Land and Water Development for Agriculture. 21-26. Korea (in Korean).
17. Morais, R., M. A. Fernandes, S. G. Matos, C. Serodio, P.J.S.G. Ferreira, and M.J.C.S. Reis, 2008. A ZigBee Multi-powered Wireless Acquisition Device for Remote Sensing Applications in Precision Viticulture. Computers and Electronics in Agriculture 62: 94-106.
18. KRC, 2004. Development of Reservoir Water Level Monitoring System. Korea (in Korean).
