Development of IIoT Edge Middleware System for Smart Services

Ⅰ . 서 론

현재, 사물인터넷(Internet of Things : IoT) 환 경은 인구변화, 각종 ICT 기술 혁신 및 디지털트 랜스포메이션(Digital Transformation : DT)을 통

하여 급격하게 변화하고 있고 이러한 환경하에 서 제공되는 스마트서비스는 과거 단순한 연결 및 제어 수준을 넘어 지능화, 분산화, 자동화가 가능하도록 요구되고 있다[1].

특히, 통신네트워크(5G), 데이터 분석 및 인

스마트서비스를 위한

경량형 IIoT Edge 미들웨어 시스템 개발 ^*

Development of IIoT Edge Middleware System for Smart Services

이 한

⋅ 황준석

⋅ 강대현

⋅ 정석찬

동의대학교 e-비즈니스학과¹, 에이치엔아이엔씨(주)², 인공지능그랜드ICT연구센터³

요 약

각종 ICT 기술 혁신 및 디지털트랜스포메이션(Digital Transformation)에 의해 사물인터넷(Internet of Things : IoT) 환경이 점차 지능화, 분산화, 자동화된 서비스를 요구하고 있으며, 특히 통신네트워크(5G),데이터 분석 및 인공지능(AI), 디지털 트윈(Digital Twin) 기술이 접목되는 산업사물인터넷(Industrial IoT : IIoT)에서의 고도화되고 안정적인 스마트서비스 제공 환경이 요구되고 있다. 본 연구에서는 다양한 산업현장의 설비 장치와 센서 등 이기종 장치와의 유연한 연계와 신속하고 안정적인 데이터 수집 및 처리 등을 위한 IIoT Edge 미들웨어 시스템을 제안하였다.

■ 중심어 : 산업IoT(IIoT), IIoT edge 미들웨어, 스마트서비스, 스마트공장 Abstract

Due to various ICT Technology innovations and Digital Transformation, the Internet of Things(IoT) environment is increasingly requiring intelligence, decentralization, and automated service, especially an advanced and stable smart service environment in the Industrial Internet of Things(IIoT) where communication network(5G), data analysis and artificial intelligence(AI), and digital twin technology are combined. In this study, we propose IIoT Edge middleware systems for flexible interface with heterogeneous devices such as facilities and sensors at various industrial sites and for quick and stable data collection and processing.

■ Keyword : IIoT(Industrial IoT), IIoT Edge Middleware, Smart Service, Smart Factory

2021년 07월 22일 접수; 2021년 08월 13일 수정본 접수; 2021년 08월 19일 게재 확정.

* 본 연구는 2020년도 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT) 연구비(20004572) 및 과학기술정보통신부 및 정보통신기 획평가원의 지역지능화혁신인재양성(Grand ICT연구센터)사업 (IITP-2021-2020-0-01791)의 연구결과로 수행되었음.

†교신저자 ([email protected])

공지능(AI)과 디지털 트윈(Digital Twin) 등이 접목되는 스마트 공장(Smart Factory)을 위한 산 업현장에서의 사물인터넷 즉 산업사물인터넷 (Industrial Internet of Things : IIoT)에 관한 관심 과 기술개발도 점차 증대되고 있다. 이러한 산 업사물인터넷은 기존의 공정 자동화란 범부를 넘어 모든 제조공정을 정보화하는 것으로, 일련 의 제조공정에 설치된 장치 및 센서로부터 수집 되는 데이터를 기반으로 각 공정에 대한 실시간 관리 및 모니터링 등 스마트 서비스를 통하여 최적화된 생산성을 유지하는 것에 목적을 두고 있다[2]. 이와 같은 산업사물인터넷(IIoT) 환경 에서 고도화된 스마트서비스를 신속하고 안정 적으로 제공하기 위해서는 다양한 산업현장 설 비 장치와 센서 등 이기종 장치와의 유연성 높 은 연계와 빠르고 안정적인 데이터 수집 및 처 리, 그리고 복합적인 서비스 관리가 필요하다.

이와 같은 산업사물인터넷 환경에 적합한 신속 한 안정적인 서비스 제공을 위해서는 설치된 다 양한 이기종의 장치와 센서에 대한 데이터 수집 및 장치 제어 등을 위한 미들웨어(Middleware) 가 필수적이며, 또한 서비스 사용자가 사용하는 설비 장치와 가장 가까운 위치에서 더욱 빠르고 안정적인 서비스를 제공할 수 있도록 하는 엣지 컴퓨팅(Edge Computing)에 대한 관심도 증대되 고 있다.

따라서, 본 연구에서는 이러한 산업사물인터 넷(IIoT) 환경에서의 복잡하고 다양한 스마트서 비스를 신속하고 효과적으로 제공할 수 있도록 지원하는 OSGi 기반 경량형 IIoT Edge 미들웨 어 시스템을 제안한다.

Ⅱ . 관련 연구

최근까지 사물인터넷(Internet of Things : IoT) 서비스를 지원하기 위한 플랫폼 및 미들웨어 시 스템 등에 관한 다양한 연구가 진행되고 있다.

연구[3]에서는 센서와의 연동과 제어 및 감시를 목적으로 하는 애플리케이션 개발에 적합한 컴 포넌트 기반의 미들웨어 설계를 제안하였으나, 다양한 이기종 장치 와의 연계방안이나, 복합적 인 애플리케이션 서비스 및 빅데이터 서비스 연 계 방안 등에 대해서는 구체적인 제안이 부족하 다. 최근에는 스마트 공장(Smart Factory) 서비 스를 위한 산업사물인터넷(Industrial IoT : IIoT) 관련 연구도 활발하게 진행되고 있다. 연구[4]에 서는 산업현장에 적합한 저전력기반의 다중 IoT 네트워크를 지원하는 IIoT 플랫폼 개발 및 검증 을 진행하였고, 연구[5]에서는 뿌리산업별 특성 에 따른 신규 사물인터넷 기기의 추가, 처리방 법의 변경 등 자동화 및 스마트화 요구사항에 유연하게 대처 가능한 Plug-in 구조의 IIoT 미들 웨어 구축방법에 대하여 제안하였다. 또한 연구 [2]에서는 IIoT 미들웨어 플랫폼을 활용한 효과 적인 연속 제조공정의 환경 센서 빅데이터 정제 시스템을 제안하였고, 연구[7]에서는 Intel사의 Edison SoC를 활용한 IIoT 미들웨어 및 확장 보 드 개발 방법을 제시하였다. 이와 같은 스마트 공장 서비스를 위한 IIoT 미들웨어에 대한 연구 는 대부분 설비 또는 장치로부터 반복적인 Polling방식의 데이터 수집 또는 극히 제한적으 로 제어 가능한 시스템을 제안하고 있고, 일부 는 다양한 장치 추가 및 데이터 처리 유연성을 높일 수 있는 미들웨어를 제안하고 있으나, 보 다 다양하고 복잡한 스마트서비스 지원을 위한 IIoT 미들웨어 구조 및 기능 제시에는 다소 부족 함이 있다.

그리고 본 연구에서 자주 언급되어지는 용어 에 대하여 아래와 같이 간단히 설명하여 이해도 를 높이고자 한다.

∙ 사물인터넷(Internet of Things) : 인터넷을 통해 서로 통신하고 사용자에게 데이터를 제공할 수 있는 연결된 장치의 네트워크[8]

∙ 산업사물인터넷(Industrial Internet of

Things) : 사물인터넷의 하위 범주로 산업환 경에서 사용되는 사물인터넷 기술[8]

∙ 엣지컴퓨팅(Edge Computing) : 클라우드 (Cloud) 컴퓨팅과 대조적인 개념으로 중앙 서버에 집중되어 데이터처리하는 것이 아 닌, 네트워크 종단(Edge) 즉, IoT 장치 및 설비 등과 근거리에서 데이터를 처리하고 서비스를 제공하도록 하는 기술[9]

∙ 미들웨어(Middleware) : 공통 서비스 및 기 능을 애플리케이션에 제공하며, 소프트웨 어 및 하드웨어 연계를 통한 데이터 수집/관 리, 인증 및 API관리 등을 수행하는 소프트 웨어[10]

∙ 어댑터(Adapter) : 다양한 사물인터넷 장치 나 각종 설비와 연결하여 데이터의 수집 또 는 제어 등이 가능하도록 하는 윈도우의 드 라이버(Driver)와 유사한 개념의 소프트웨어

∙ 이벤트 컨텍스트(EventContext) : IIoT Edge 미들웨어 플랫폼을 통하여 얻고자 하는 다 양한 서비스의 상세 명세 및 실행단위

Ⅲ. 경량형 IIoT Edge 미들웨어 시스템 구현

3.1 경량형 IIoT Edge 미들웨어 시스템 구조 본 연구에서는 점점 복잡하고 다양해지고 있 는 산업사물인터넷(IIoT) 환경 내에서 고도화된 스마트 서비스의 효과적인 제공을 위하여 이기 종 장치연계⋅관리 및 데이터 수집⋅처리 등이 가능한 OSGi기반 경량형 IIoT(Industrial IoT) Edge 미들웨어 시스템을 설계⋅개발하였고, 이 는 기능적 관점으로 서버 기능 모듈과 클라이언 트 기능 모듈 등 2가지로 구분된다.

① 서버 모듈 주요 기능 ∙ 서버 동작 환경 설정 ∙ 인증 및 세션 키 관리 ∙ 장치 연결 커넥션 관리

∙ 사용자 장치 제어 권한 필터링 등

② 클라이언트 모듈 기능 ∙ 연계 장치 어댑터 관리

∙ 장치 인스턴스 / 장치 및 사용자 정보 관리

∙ 장치 동작 상태 및 제어 기능 확인 ∙ 장치연계 세션 관리

<그림 1> IIoT Edge 미들웨어 아키텍처

본 연구에서 제시하고 있는 경량형 IIoT Edge 미들웨어시스템은 <그림 1>과 같이 크게 CSM (Core Service Manager), ISM(Integrated Session Manager), PM(Profile Manager), ECM(EventContext Manager), LDM(Logical Device Manager), PDM (Physical Device Manager)과 산업현장 표준 프 로토콜 지원을 위한 OPC-UA 클라이언트 & 서 버 모듈 등으로 구성되고 모든 컴포넌트는 OSGi Bundle로 구성되어 있다. 또한, 마스터 서 버 & 슬레이브 서버간 독립 컴포넌트를 활용하 여 서비스 유형에 따른 자유로운 조합 구성이 가능하도록 설계되었다. <그림 2>는 이러한 IIoT Edge 미들웨어의 SW 컴포넌트 구성을 나 타내고 있다.

<그림 2> IIoT Edge 미들웨어 SW 컴포넌트 구성

3.2 주요 특징

최근에 요구되고 있는 보다 복잡하고 다양한 환경에서의 더욱 정밀한 스마트 서비스를 효과 적으로 제공하기 위해서는 기존 연구에서 제시 되었던 단순한 장치 연계기반의 데이터 수집이 나 단일 서비스 지향적인 구조의 IIoT 미들웨어 로는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해서 IIoT 미들웨어는 장치연계나 환경 셋업 등에 있어서 유연 확장성이 높아야 하고, 단순한 데이터 수 집이 아닌 복잡한 구조하에서 효과적인 사물(설

비 또는 장치)과 사물간의 실시간 연계 및 제어 등이 가능하도록 설계되어야 한다.

본 연구에서 제시하고 있는 경량형 IIoT Edge 미들웨어는 OSGi 범용스펙기반에 다양한 산업 현장 적용을 위해 독립적인 확장형 장치 어댑터 구조와 자체 개발한 연결지향적 추상화 프로토 콜인 OTP(Open Thing Protocl)를 도입하여 이기 종 장치연계의 유연성을 높일 뿐만 아니라, 가 상의 네트워크 환경인 OTPN(Open Thing Protocl Network)상에서 여러 이기종 장치에 대 한 효율적인 제어와 자율적인 상호연계 및 제어 가 가능하도록 하고, RS-232/RS-485, 블루투스, Wi-Fi, 모바일 통신 등 다양한 통신 프로토콜을 지원할 수 있는 구조로 설계되었다.

또한, 확장성 있는 응용서비스 연계 등을 위 한 컴포넌트 구조를 도입하였고, 장치관리 및 모니터링 등을 위한 독자적인 플랫폼을 구축하 여 다양한 레거시시스템(Legacy System) 및 서 비스를 IoT기반 스마트 서비스로 손쉽게 확장할 수 있도록 설계하였으며, 그 주요 특징을 아래 와 같이 나타낼 수 있다.

3.2.1 다양한 이기종 IoT 장치연계

본 미들웨어는 다양한 이기종 IoT 및 산업용 디바이스에 대한 효율적인 연계 및 제어를 위한 확장 구조로 되어 있으며, 아래와 같은 기능을 지원하도록 설계되었다.

① OSGi Bundle Plug-in 구조기반 무중단 장 치 어댑터(Adapter) 관리

② 런타임에 어댑터 설치 여부와 관계없는 독 립된 장치 프로파일 관리

③ 장치 유형이나 동작방식에 따라 싱글 & 멀 티방식 통신 기능

<그림 3>에서 보는 바와 같이 사용자가 등록

한 장치 프로파일 정보들을 통하여 각 인스턴스

를 생성하고, 각 인스턴스들은 개별적인 실행단 위로 초기화/시작/일시정지/정지/종료 등의 라이 프사이클을 가지고 동작하도록 할 수 있다. 또 한 프로파일 정보와 아답터는 독립적으로 관리 되므로 향후 어댑터의 업그레이드나 다른 유사 장치의 인스턴스 프로파일로도 사용 가능하도 록 지원한다.

<그림 3> 이기종 장치연계 서비스의 예

3.2.2 도메인 기반 장치 리소스 및 사용 권한 관리 본 연구에서는 IIoT 환경하에서 보다 효율적 이고 효과적인 장치 및 사용 권한 관리를 위하 여 독자적인 Open Thing Protocol(OTP)을 정의 하고 적용하였다. Open Thing Protocol(OTP)은 HTTP 프로토콜을 경량화시킨 연결지향 프로토 콜로서 Thing(센서, 설비, 장치, 스마트폰 등)을 속성(Attribute)와 기능(Function) 으로 정의하 여 장치간에 발생하는 요청(Request), 응답

(Ressponse),이벤트(Event) 등을 상호간에 송수 신할 수 있도록 지원하는 프로토콜이다.

산업현장에서는 고도화된 설비 내 PLC (Programmable Logic Controller)나 CNC 컨트롤 러(Controller), 로봇(Robot) 등과 같은 자동화 설 비(Automation Facility)와 비전(Vision), 진동 (Vibration) 등 다양한 센서 등이 복합적으로 상 호연계되어 운영되고 있기 때문에 이러한 다양 한 장치에 대한 효과적인 리소스 및 제어 관리 가 중요하다고 볼 수 있다. 본 연구에서 정의한 OTP를 이용하면 연결지향 구조로서 양방향 비 동기 메시지 교환 등 아래와 같은 서비스 제공 이 가능할 수 있게 된다.

① 도메인기반 장치 식별자 관리

∙ 연결되는 IoT 장치에 대한 고유한 도메인 형태의 장치 식별자(DID)

∙ 장치 식별자를 통한 내외부간 패킷 라우 팅, 인증, 데이터 전송, 장치 제어

② 디렉터리기반 장치 기능 및 속성 관리 ∙ 장치 식별자 기반 장치에 대한 디렉터리

형식의 리소스 구조로의 정의 지원 ∙ 각 리소스에 대한 경로식 기반으로 사용

자 권한 필터링

∙ 장치 리소스는 Tree 구조의 경로(Path), 속 성(Attribute), 기능(Function)으로 제어 및 데이터 핸들링

또한 연결된 다양한 이기종 IoT 장치 데이터 에 대한 효과적인 캡쳐링(Capturing)을 통한 원 활한 응용서비스 연계가 이루어질 수 있도록 실 시간 데이터 캡쳐링(Data Capturing) 기능을 제 공한다. 데이터 캡쳐링은 연결된 각 IoT 장치의 다른 프로토콜이 어댑터(Adapter)에 의해 OTP 구조로 변환된 후 정의된 패턴에 의한 캡쳐링이 가능하게 하고, Target ID와 Path를 합친 경로 (FullPath)에 대한 정규식 패턴을 통하여 매칭

<그림 4> Open Thing Protocol의 구성 예시

하도록 하였다. 이러한 데이터 캡쳐링을 통하 여 실시간으로 전달되는 제어정보 및 이벤트 정보를 장치 식별자와 리소스 경로 기준으로 캡쳐링하여 로그 생성 및 이벤트 컨텍스트 (EventContext)에서 응용서비스 연계데이터로 사용할 수 있다.

3.2.3 런타임 확장 가능한 응용서비스 연계 현재의 산업사물인터넷(IIoT)이나 홈사물인 터넷(HIoT)환경에서는 과거보다 훨씬 다양하고 세밀한 스마트 서비스가 요구되어 개발 제공되 고 있다. 이러한 다양하고 세밀한 스마트 서비 스 제공을 위해서는 다양한 고도화된 산업설비 및 센서뿐만 아니라 많은 응용서비스와의 복합 적인 연계가 필연적으로 수반될 수밖에 없으므 로 이를 위한 효과적인 지원 수단이 필요하다.

본 연구에서 이러한 복합적인 스마트 서비스 요구사항에 동적으로 대응하기 위한 확장구조 및 실행단위인 이벤트컨텍스트(EventContext)기 반의 다양한 장치 및 응용서비스 연계가 가능하 도록 하였다. <그림 6>은 간단한 이벤트컨텍스 트의 사용 예시를 나타내고 있다.

이러한 이벤트 컨텍스트는 재사용 가능한 이 벤트핸들러(EventHandler)의 조합을 통해 서비 스의 실행, 중지, 일시정지 등 상태 관리를 지원 하고, 동적인 설치 및 제어를 할 수 있으며 각종 이벤트를 조합하여 사용할 수 있어 여러 응용서 비스를 연계한 시나리오 기반의 복합서비스가 가능하도록 할 수 있다.

3.2.4 세션 단위의 장치 인증 및 통신 지원 더욱 복잡하고 고도화되고 있는 사물인터넷 환경에서는 다량의 IoT 장치 및 산업설비 연계 가 요구되고 있으며, 이에 따라 원활하고 안전 한 서비스 제공은 필수적이라 할 수 있다. 따라 서, 본 연구에서는 이러한 요구사항을 반영하여 많은 IoT 장치 및 산업설비 연계/운영시 발생되 는 빈번한 인증 병목현상을 제거하기 위하여 통 신 서버와 인증 서버를 분리하여 구성하였다.

인증 서버에서는 도메인 기반 장치 식별자(DID) 와 사용자 계정으로 시스템내 유일한 세션키 (Session Key)를 발급하고 이와 동시에 부하가 적은 슬레이브(Slave) 서버를 해당 장치가 통신 할 수 있는 서버 주소로 할당하여 운영될 수 있 도록 하였다. 또한, 도메인 기반의 장치 식별자 와 세션키를 바탕으로 가상 사물통신네트워크 를 구성하여 IP가 부여되지 않는 로컬통신 장치 들이나 시리얼 통신 장치들도 일괄적으로 관리 및 제어할 수 있도록 가상 사물통신네트워크를 Open Thing Virtual Network)를 지원한다.

3.2.5 HTML5 표준 및 다양한 응용서비스 API 지원 본 IIoT Edge 미들웨어는 경량형 웹서버를 내장하여 자체적인 HTTP 기반의 다양한 서비 스를 추가 구성할 수 있도록 지원하고, HTML5 표준 WebSocket 프로토콜을 지원하여 HTML5 표준 웹브라우저에서 JavaScript로 미들웨어 전 체 기능을 실시간으로 핸들링할 수 있는 API를

<그림 6> 이벤트컨택스트 예시

<그림 5> 데이터 캡쳐링 구조

지원한다.

3.2.6 OPC UA(IEC 62545) 표준 지원

스마트 공장(Smart Factory) 등 제조업을 위한 산업사물인터넷(IIoT) 환경 구축 및 서비스 제공 을 위해서는 제조현장의 많은 설비와 연계되어야 한다.

현재까지 제조설비들과의 연계를 위하여 각 제조사의 고유한 프로토콜을 이용한 연결방식 이 많이 사용되고 있고 이에 따라 인터페이스 및 장치관리 등에 비효율적인 요소들이 많이 발 생하고 있다. 하지만, 최근에는 산업용 표준(IEC 62541) 프로토콜인 OPC UA(Open Platform Communications Unified Architecture)를 지원하 는 산업용 설비 및 장치들이 증가하고 있고 제 조현장에도 많이 도입되고 있어 스마트공장을 위한 동기화 및 체계화 등을 좀 더 효율적으로 진행할 수 있게 되었다. 따라서 본 연구에서도 산업현장에서의 고도화된 스마트서비스를 효과

적으로 제공할 수 있도록 OPC UA 기반 표준 프 로토콜을 지원할 수는 어댑터를 개발하여 내재 화하여 표준 & 비표준 프로토콜 기반 다양한 산 업용 장치 및 설비들을 연동할 수 있도록 하였 다. <그림 8>은 OPC UA 지원을 위한 미들웨어 SW 컴포넌트 구성을 나타내고 있다.

<그림 8> IIoT Edge M/W OPC UA 내재화

3.2.7 데이터 유실방지를 위한 로컬스토리지 지원 스마트공장 등 산업현장에서의 정확하고 유 효한 스마트서비스를 위해서는 많은 수의 다양 한 이기종 장치로부터 데이터를 신속하게 수집 하고 처리하는 것이 필수 요소지만, 실제 산업 현장의 작업 및 네트워크 환경 등에 의해 데이 터 유실이 빈번하게 발생하게 된다. 이에 본 연 구에서는 다양한 이기종 장치로부터 수집되는 가변성 데이터를 수집하기 위해 NoSql 기반의 Mongo DB를 탑재하여 대용량 로컬스토리지를 적용하였고 이를 통하여 수집된 데이터의 전송 중 네트워크 장애 등으로 데이터 유실 발생시 전송 중인 데이터를 Roolback하여 Mongo DB에 저장하여 데이터를 관리할 수 있도록 하였다.

<그림 9> 대용량 로컬스토리지 구성도

<그림 7> HTML5 표준 WebSocket 기반

API 지원

Ⅳ. 검증

본 연구에서는 산업현장에서의 스마트 공장 서비스와 사물인터넷기반 스마트 홈 서비스 등 2 가지 영역에서 실제 적용을 통하여 IIoT Edge 미들웨어에 대한 성능 검증을 실시하였다.

4.1 스마트 공장 서비스를 위한 적용 및 검증

4.1.1 개요

자동차부품 제조업체에서의 스마트 공장 서 비스를 위한 실시간 생산설비모니터링시스템 (Real-Time Line Monitoring System : LMS) 시스 템 및 빅데이터 분석 시스템(Big-Data Analysis System)을 구축하기 위하여 생산라인을 구성하 는 공정별 설비에 대한 가동/비가동 데이터 및 추가 장착된 각종 센서 데이터 수집과 설비예지 보전 빅데이터 분석을 위한 데이터 연계를 위하 여 본 연구에서 개발한 IIoT Edge 미들웨어를 적 용하고 그 성능을 검증하였다. <그림 10>은 적 용대상 생산라인의 구성을 나타내고 있고, 연동 되는 설비의 PLC와 컨트롤러 및 센서의 종류는 아래와 같다. 요건 등은 아래와 같다.

∙ PLC : Melsec 3E PLC 4대

∙ Controller : FAN UC CN C Controller 8 대

∙ 이기종 센서 : 25개 센서(전류/진동,유압 등)

4.1.2 결과

산업현장에서의 고도화된 스마트 공장 서비 스 제공을 위한 실시간 설비 및 센서데이터 수 집을 위한 각종 장치별 어댑터(Adapter)를 개발 하여 IIoT Edge 미들웨어에 장착하였고 데이터 유실방지과 빅데이터 시스템과의 연동을 위한 로컬스토리지 및 Kafka Producer 등을 개발하여 그 성능을 검증하고 실제 생산현장에서 원활하 게 운영될 수 있음을 확인하였다.<그림 11>은 자동차부품 제조업체 생산설비모니터링 시스템 구축을 위하여 적용된 IIoT Edge 미들웨어 시스 템의 구성도를 나타내고 있다.

① 다양한 이기종 장치 어댑터 개발

∙ Melsec PLC 연동을 위한 MC 프로토콜 기 반의 확장용 어댑터

∙ FANUC 가공설비로부터 DLL 연동을 위한 확장용 JNI(Java Native Interface) 어댑터

∙ MQTT 표준 프로토콜을 지원하기 Subscriber 어댑터

<그림 11> 스마트공장 서비스를 위한 미들웨어 구성.

<그림 10> 생산설비 데이터 연동 구성도

<그림 12>은 각 설비로부터 수집되어야할 정 보와 수집 주기를 나타내고 있고 데이터 수집을 위해 개발된 어댑터를 통하여 IIoT Edge 미들웨 어에서 정상적으로 수집됨을 확인할 수 있었다.

<그림 12> PLC 및 Controller 데이터 수집주기

② 로컬스토리지 개발 및 빅데이터 시스템 연동

∙ 데이터 유실방지를 위한 로컬스토리지 개발 : 본 실증에서는 기존 Mongo DB 대신 Key/Value Store 기반 NoSql DB인 REDIS DB 적용

∙ Kafka Producer 개발 : 빅데이터 서버로의 안정적인 데이터 전송을 위하여 Message- Que 구조를 가진 Kafka를 도입하고 이를 위한 Producer 개발

빅데이터 수집관리를 위하여 개발된 Kafka Producer 서비스는 <그림 13>과 같이 나타낼 수 있다.

4.2 스마트 홈 서비스를 위한 적용 및 검증 4.2.1 개요

사물인터넷 기반 스마트서비스가 가장 활발 하게 적용되고 있는 분야는 스마트 홈 IoT 서비 스 분야라고 할 수 있다. 이에 본 연구 결과물의

서비스 유연성 및 확장성을 검증하고 새로운 비 즈니스 도메인 검토 등을 위하여 실제 H사 주상 복합아파트의 스마트 홈 IoT 서비스 제공을 위 한 적용 및 검증을 추가로 진행하였다.

∙ 스마트 홈 서비스 적용 세대수 : 364세대

∙ 연계 디바이스 : 세대내 조명, 냉난방 공조 장치, 월패드 및 공용 서비스 장치 등

4.2.2 결과

스마트 홈 IoT 서비스는 제조현장에서의 스마 트공장 서비스와 달리 개방 & 폐쇄적 서비스를 위해 세대와 개인 권한 관리, 네트워크 보안 그 리고 외부시스템 연계 등이 원활하게 이루어질 수 있어야 한다. 이러한 특성을 반영하여 스마 트 홈 IoT 서비스의 통합인증을 위한 OAuth2 인 증 서비스, 블록체인 기반 단말기 인증 서비스 등을 통하여 세대 내 장치인 에어컨, 난방, 조명 장치, 월패드와 공용장치인 주차관제, 전기차 충 전, 원격검침 등 서비스가 가능하도록 구성하여 성능을 검증하였고, 전체적인 시스템 구성은

<그림 14>와 같이 나타낼 수 있다. 정교하고 편 리한 스마트 홈 서비스를 위한 다양한 IoT 디바 이스 및 공용 서비스 장치 그리고 다양한 외부 서비스와의 안정적인 연계와 제어 등을 통하여 본 연구에서 개발된 IIoT Edge 미들웨어의 확장 성 등을 검증하였다.

<그림 13> Kafka Producer 서비스 구조

Ⅴ . 결론 및 향후 계획

본 연구에서는 산업현장 및 스마트 홈 등의 분야에서 요구되고 있는 복잡하고 고도화된 스 마트 서비스를 위한 경량형 IIoT Edge 미들웨어 시스템 개발에 대한 연구를 수행하였다.

본 연구를 통하여 개발된 미들웨어에 대하여 산업현장에서의 스마트 공장 서비스 분야와 스 마트 홈 서비스 분야에 실제 적용을 통한 실질 적인 시스템 성능 및 유효성을 검증하였고, 다 양한 산업현장 및 스마트 서비스 분야의 요구에 맞게 적용될 수 있는 IIoT Edge 미들웨어 시스템 을 제시할 수 있었다.

향후 보다 고도화되고 세분화된 산업현장 스 마트서비스 지원이 가능하도록 MSA(Micro Service Architecture)기반 아키텍처를 적용하여 유연성 및 확장성을 높일 수 있도록 하고, 신속 한 의사결정 및 효과적인 제어 등이 가능하도록 실시간 데이터 분석 및 판정을 위한 내장형 Edge 분석 모듈을 개발하여 지능형 Edge 미들웨 어로의 고도화 할 계획이다. 또한 앞으로 증가 될 자율 로봇이나 설비 등과 같은 자율사물 (Autonomous Things)기반의 사물인터넷 및 산 업사물인터넷 환경에서 복합적인 정밀한 스마 트 서비스 제공이 가능하도록 본 연구에서 제시 한 OTP(Open Thing Protocol)과 OTPN(Open

Thing Protocol Network)을 개선하여 가상 환경 에서의 복합 스마트 서비스에 대해서도 추가 연 구할 계획이다.

참 고 문 헌

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저 자 소 개

이 한(Han Lee)

･ 1995년 2월 : 부산대학교 산업 공학과 (공학사)

･ 1997년 2월 : 부산대학교 산업 공학과 (공학석사)

･ 1999년 2월 : 부산대학교 산업 공학과 (박사수료)

･ 2021년 3월 ∼ 현재 : 동의대학교 e-비즈니스학과 박사과정

･ 2012년 10월 ∼ 현재 : 에이치엔아이엔씨(주)

･ 관심분야 : 스마트공장, AI & 빅데이터 활용

황 준 석(Joon Suk Hwang)

･ 2005년 2월 : 동아대학교 산업 공학과 (공학사)

･ 2013년 5월 ∼ 현재 : 에이치엔 아이엔씨(주)

･ 관심분야 : 스마트 홈, IoT 미들 웨어, 블록체인

강 대 현(Dae Hyun Kang)

･ 2002년 2월 : 동아대학교 전자 공학과 (공학사)

･ 2015년 1월 ∼ 현재 : 에이치엔 아이엔씨(주)

･ 관심분야 : 인공지능, 스마트 공장, IIoT 미들웨어

정 석 찬(Seok Chan Jeong)

･ 1987년 2월 : 부산대학교 기계 설계학과 (공학사)

･ 1993년 3월 : 오사카부립대학 경영공학과 (공학석사, 박사)

･ 1993년 2월 ∼ 1999년 2월 : 한국전자통신연구원 선임연구원

･ 1999년 3월 ∼ 현재 : 동의대학교 e비즈니스학과 교수

･ 2020년 10월 ∼ 현재 : 인공지능그랜드ICT연구센 터 센터장

･ 관심분야 : 정보시스템, IoT 융합, 빅데이터, 클라

우드, 블록체인, 인공지능