01 IoT 기초

M2M(Machine to Machine)

사람이 개입하지 않는 기계와 기계 간의 통신

 

IoT를 구성하는 기술 요소

1. 디바이스

센서라고 불리는 전자 제품이 내장된, 네트워크에 연결된 사물

센싱(sensing)과 피드백(feedback)이라는 두 가지 역할 담당

 

센싱 : 디바이스 자신의 상태나 주변 환경의 상태를 수집해서 시스템에 알려 주는 동작

상태 : 예) 방문의 개폐 상태, 방의 습도나 온도, 방에 사람이 있는지 등

 

피드백 : 시스템으로부터 알림을 받아서 정보를 표시하거나 지시된 동작을 수행하는 것

시스템은 센서로부터 수집된 정보를 기반으로 일련의 피드백을 수행하고, 실세계로 액션을 실행

가시화(visualization), 알림, 제어의 세 가지 피드백 방법 존재

 

가시화 : 센싱 결과 화면 또는 디바이스 관리 화면을 표시, IoT 서비스가 수집한 정보를 PC 또는 스마트폰의 웹 브라우저를 통해 보여 주는 것

푸시 알림 : 시스템이 판단한 결과를 화면에 표시, 사물의 상태에 관한 이벤트를 시스템이 감지해서 디바이스에 알림.

제어 : 환경 또는 디바이스 상태 변경, 사람의 개입 없이 시스템이 디바이스의 동작을 직접 제어하는 것

 

 

2. 센서

물리적 현상을 전기 신호로 변환하는 것 담당

센서가 출력하는 전기 신호를 통해 시스템은 사물의 상태나 환경의 상태를 알 수 있음.

 

센서 노드 : 블루투스나 와이파이 등의 무선 통신 장치에 배터리가 포함된 센서

센서 자체를 직접 설치하여 정보를 수집하기 위한 것

게이트웨이라고 불리는 전용 무선 라우터에 접속되어 센서 데이터 수집

 

 

3. 네트워크

디바이스를 IoT 서비스에 연결하거나 디바이스끼리 접속하기 위해 필요

 

IoT에서 사용되는 네트워크 두 종류 : 디바이스 간 접속을 위한 네트워크 / 디바이스와 IoT 서비스를 연결하기 위한 네트워크

 

디바이스끼리 연결하는 네트워크

인터넷에 직접 접속할 수 없는 디바이스를 인터넷에 접속할 수 있는 디바이스에 연결하면 인터넷에 접속 가능

네트워크 규격은 Bluetooth, ZigBee가 있으며, 이들 규격은 근거리 무선 통신(NFC) 표준 기술

근거리 통신을 위한 무선 접속이고 초저전력이고, 디바이스에 쉽게 내장 가능

 

종류 : 1:1 접속 / 1:N 접속 / N:N 접속 (메시 네트워크)

 

1:1 접속 - 다른 디바이스의 통신 중계, 통신을 대신 처리(위임)

1:N 접속 - 복수의 디바이스로부터 데이터를 집계하고 통신 중계, 데이터를 집약하며 시스템에 접속하는 클라이언트 수를 줄임

N:N 접속 - 메시 형태로 접속되어 통신 거리 및 고장에 관한 신뢰성 향상, 고장난 디바이스 이외의 것을 이용하여 통신

 

메시 네트워크에 대응하는 통신 규격으로는 ZigBee가 있음.

N:N 통신을 통해 디바이스가 다른 디바이스를 중계해 가면서 원거리까지 통신 가능, 어떤 디바이스가 통신 불능 상태가 되더라도 통신할 수 있는 디바이스가 대신 통신

 

인터넷에 접속할 수 없는 디바이스 : 센서 노드, 게이트웨이, 웨어러블 디바이스에서 수집한 데이터를 스마트폰을 거쳐 IoT 서비스에 전송

 

디바이스와 서버를 연결하는 네트워크

디바이스와 IoT 서비스를 연결하는 네트워크에는 인터넷 회선 사용 (특히 3G, LTE 등의 모바일 회선이 이용되는 경우 多)

프로토콜은 HTTP나 웹소켓 등 현재 웹 서비스에서 폭넓게 사용되는 프로토콜 외에도, MQTT라는 M2M IoT를 위해 만들어진 경량 프로토콜도 이용

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MQTT 개념 학습이 필요하시면 아래 게시글을 참고하세요.

01 MQTT 서버 구축 (Linux 환경) (23.01.04)

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4. IoT 서비스

IoT 서비스의 2가지 역할 : 디바이스로부터 데이터를 송수신하는 것, 데이터를 처리하고 저장하는 것

 

데이터 송수신

IoT 서비스에서는 웹 브라우저가 아닌 디바이스에서 직접 보내는 데이터를 수신

디바이스에서 직접 보내는 데이터 : 센서가 수집한 데이터 / 사용자의 디바이스 조작에 의한 데이터

디바이스와 IoT 서비스의 통신 방법에는 동기 방식과 비동기 방식이 존재

 

동기 방식

디바이스에서 IoT 서비스에 데이터를 전송하고 IoT 서비스에서 수신 처리가 완료될 때까지를 하나의 통신(세션)으로 다룸.

IoT 서비스가 피드백을 디바이스에 보낼 때에는 디바이스에서 메시지를 요청하면 IoT 서비스가 응답으로서 메시지 송신

디바이스의 요구가 있을 때까지 IoT 서비스는 메시지 송신 불가

디바이스의 IP 주소를 알 수 없는 경우라도 디바이스의 요청이 있으면 메시지 전송 가능

불특정 다수의 디바이스와 통신 가능

디바이스의 IP 주소를 알 수 없는 경우에 적절한 방식

 

비동기 방식

디바이스에서 IoT 서비스로 데이터를 전송하는 것까지를 하나의 통신(세션)으로 다룸.

IoT 서비스가 피드백을 디바이스에 보낼 때에는 IoT 서비스에서 디바이스에 임의의 시점에 데이터 송신

웹 시스템이 결정한 타이밍에서 데이터 전송 가능

IoT 시스템이 메시지를 보낼 대상의 IP 주소를 미리 알아야 함.

 

 

데이터 처리와 저장

디바이스로부터 수신된 데이터를 DB에 저장

수신한 데이터를 이용하여 디바이스 제어를 판단

 

비정형 데이터 (비구조화 데이터) : 컴퓨터에서 직접 다루기 어려운 이미지, 음성, 자연언어 등의 구조화되지 않은 데이터

처리 과정은 비정형 데이터를 컴퓨터가 처리하기 쉬운 형태의 데이터로 변환 및 추출하고 저장하는 과정 포함

 

추출된 데이터로 디바이스가 수행해야 할 내용 결정

두 가지 처리 및 저장 방법 : 배치 처리 방식(저장된 데이터를 정기적으로 처리), 스트림 처리 방식(수신된 데이터를 연속해서 처리)

 

 

5. 데이터 분석

센서 값을 사람이 어림잡아 판단하기 어렵기 때문에 복수의 센서 값의 관계성으로부터 판단하도록 도와주는 방법

두 가지 방법 : 통계적 분석, 기계 학습

 

통계 분석

수집된 빅 데이터를 수학적인 방법으로 일의 연관성을 밝히는 방법

 

기계 학습

주어진 데이터의 관계성에 관해 알고리즘을 이용하여 기계적으로 학습

학습 단계와 식별 단계로 나눔.

 

학습 단계 : 학습기 프로그램이 주어진 훈련 데이터를 기반으로 그 관계성을 파악해나감.

학습 단계의 결과로서 기계 학습 알고리즘에 의해 파라미터가 출력되고, 이 파라미터를 기바으로 분류기 프로그램 작성

분류기에 미지의 데이터를 전달하면 그 값에 가장 근사치의 출력을 얻을 수 있음.