[Architecture] 구형 건축물에서의 스마트홈 구축 프로젝트 - 기획 및 설계

1. 스마트홈 개요

   스마트홈(Smart Home)은 무선통신, 센서, PC 성능 등 IT 기술이 발전함에 따라 다양한 기술이 융합되어 가전제품을 비롯한 집 안의 모든 장치를 연결해 제어 하는 기술을 뜻한다. 가정 내 모든 사물이 연결되어 얻는 이점으로는 장소의 제약을 받지 않고 가정 내 사물의 상태를 모니터링하거나 제어할 수 있게 되어 가정의 안전과 편리함을 제공하게 된다. 최근 건축되고 있는 신축 아파트는 건축 단계에서부터 이러한 스마트홈 기술이 적용을 고려하여 건축되어지고 있는 추세이다. 오래된 건축물 또한 별도의 스마트홈 장비를 도입하여 환경을 구축할 수 있지만 건축단계에서부터 구축한 스마트홈에 비해 제한적이거나 인프라를 구축하기 위한 비용이 상대적으로 높은 실정이다. 하지만 제한적인 스마트홈일지라도 삶의 질을 향상시키기 위한 장비는 충분하며, 저가의 H/W를 구입하여 구현한다면 비교적 낮은 가격에서도 스마트홈 환경을 구축할 수 있다. 낮은 가격으로 오래된 건축물에서 스마트홈을 구축하기 위해 본 프로젝트에서는 Open H/W와, Sensor를 이용하여 최소의 가격으로 최대의 효과를 얻는 스마트홈을 구축한다. 

 

 

2. 목표 및 계획

 본 프로젝트의 목표는 IoT 인프라가 없는 구형 건축물에서 스마트홈 시스템을 구축하여 삶의 질을 높이는 목표를 갖고 있다. 프로젝트는 크게 4단계(설계 – H/W 및 S/W 구현 – 사용자 Web 구현 – 보안성 강화)로 이뤄질 예정이며, 설계 및 구현의 가이드를 공개하고 프로젝트에서도 이용된 소스코드 또는 패키지파일을 제공하여 연구/개발을 희망하거나 단순 스마트홈 구축을 원하는 사용자에게 보탬이 되고자 한다.

 

 

3. 시스템 개요

 본 프로젝트의 아래의 [그림]과 같은 구조로 이뤄져 있다. 각 센서로부터 아날로그/디지털 형태의 데이터를 Arduino(MCU)가 수신받고 일정한 형태로 가공하여 Raspberry PI(Server)로 Bluetooth를 통해 데이터를 송/수신 한다. 센서의 데이터를 송/수신 받은 Raspberry PI(Server)는 Apach Web을 운용하여 Web 페이지를 통해 사용자가 센서의 상태를 모니터링하거나 제어하는 서비스 형태를 제공한다. 더 나아가 별도의 애플리케이션을 제작하여 집안에서 이뤄지는 각종 이벤트에 대해 알림으로 수신받아 대응할 수 있도록 발전시킬 예정이다.

[그림] 스마트홈 구조

 

 

4. 시스템 설계

 가. 사용 센서

 

  (1) 공기질센서(MQ-135): 집안의 공기질을 측정하기 위한 센서. H3, NOx, 알코올, 벤젠, CO2 등 광범위한 가스 검출이 가능함. 

[그림] MQ-135

  (2) 릴레이 (1채널 / 4채널): 스마트 전등, 멀티탭을 제작하기 위해 전기의 흐름을 제어함. 

 

[그림] 릴레이 1채널

  (3) 초음파센서(HC-SR04): 집안의 출입인원을 카운팅하기 위함.

[그림] HC-SR04

  (4) 온/습도 센서(DHT-11): 집안의 온/습도를 측정하기 위한 센서.

[그림] DHT-11

 

 

 나. MCU

• Arduino Nano: 센서로부터 데이터를 수신하고 처리하기 위함. 각 센서의 크기를 고려하여 컴팩트한 사이즈로 선택. 

 

다. Server 

• Raspberry PI : 각 센서들의 데이터를 수신받고, 웹 서버를 운영하여 사용자가 센서를 모니터링하고 제어하기 위함.
• Raspbian OS (Debian Linux) : Raspberry PI의 운영체제. 

 

 라. Communication

  아래 [그림]은 IoT의 네트워크 구조이다. 본 프로젝트에서는 피제어기의 데이터를 IoT 서버로 송신하고 IoT 서버에서는 웹 서비스를 운용하여 제어기(Web/App)에서 제어하는 서버-클라이언트 구조로 운용한다.

[그림] IoT 네트워크 구조

• Sensor - MCU: 시리얼 통신을 통해 데이터를 송/수신함. (유선통신)

 

• MCU - Server: Bluetooth(HC-06) 모듈을 이용하여 데이터를 송/수신함. (무선통신)

 

 마. 데이터 구조

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 바. 사용자 제어 및 관제 방법

  사용자가 센서의 상태를 확인하고 제어하기 위한 Web과 App을 제공한다. Web과 App을 통해 사용자는 센서의 상태를 확인하거나 명령을 내려 원격으로 제어하고 가정내 우발상황에 대해 푸시 알람을 수신하여 빠르게 대응할 수 있게 된다.

 

사. 보안대책

• 접근제어 (ID)
• 네트워크 보안

 

 

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※ 본 프로젝트는 오픈소스 프로젝트로 인용 /수정 /사용을 허용합니다. 

 

 

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