Design and Implementation of IoT based Energy Monitoring System For Industrial Facilities

IoT 기반 설비시설 에너지 모니터링 시스템 설계 및 구현

Abstract

In this paper, we proposed an IoT-based equipment operation monitoring system to monitor the operational status of emission facilities in small-scale industrial sites. The industrial Raspberry Pi board was designed, along with a sensor board that measures equipment current consumption using a CT sensor and equipment vibrations using 3-axis accelerometer. Communication between the system and the server was achieved using LTE-Cat.M1, allowing the transmission of collected measurement data. The dedicated middleware compatible with ARIA-based encryption devices was developed, incorporating a hardware encryption IC. This enabled self-assessment and the establishment of a testing environment for compliance with KISA security certification requirements. To verify the utility of the proposed method, a demonstration site within an industrial complex was selected. The operational status of emission equipment was monitored using a CT sensor, while equipment operation was validated through vibration analysis using an accelerometer.

본 논문에서는 산업단지의 소규모 사업장의 배출시설에 대한 운영 상태를 모니터링하기 위해 장비가 사용하는 전류와 진동을 측정하여 IoT 기반의 설비운영 모니터링 시스템을 제안하고 설계 및 구현을 하였다. 산업용 라즈베리파이 메인보드를 설계하고, 장비의 전류 사용량은 CT센서로 측정하고, 장비의 진동은 가속도 센서로 측정하는 센서 보드를 구성하였다. 통신은 LTE-Cat.M1 방식으로 서버와 통신하여 측정 데이터를 전송하였다. ARIA 기반 암호화 장치 연계가 가능한 전용 미들웨어 개발하였으며, 암호화 하드웨어 IC를 적용하여 KISA 보안 인증용 자체 평가 및 테스트 환경 구성하였다. 제안한 방식의 유용성을 확인하기 위해 산업단지 실증 사이트를 정하고, CT센서를 통해 배출 장비의 운전상황과 가속도센서를 통해 진동으로 장비가 운전되고 있는지 실증을 통해 확인하였다.

1. 서론

최근 산업화의 가속화와 함께 미세먼지는 환경과 공중보건에 심각한 영향을 미치는 주요 오염원으로 대두되고 있다. 특히, 산업단지 소재의 소규모 시설에서 배출되는 미세먼지는 대규모 시설에 비해 관리와 규제가 상대적으로 미흡한 경우가 많아, 환경 관련 문제를 일으킬 가능성이 높아서 소규모 배출시설의 미세먼지 배출을 체계적으로 관리하고 환경오염을 줄이기 위한 실효성 있는 모니터링 시스템의 필요성이 증대되고 있다[1].

소규모 배출시설에서는 설비의 운전 상태를 효과적으로 감지하고, 이를 통해 배출량을 간접적으로 예측하는 것이 매우 중요하지만, 제한된 자원과 인프라로 인해 복잡한 계측 장비를 도입하기 어려운 경우가 많다. 따라서 간소화된 시스템을 통해 배출시설의 운전 상태를 모니터링하고, 이를 통해 환경 관리의 효율성을 높이는 방안이 요구되고 있다[2].

사물인터넷(IoT) 기술의 발전은 이러한 문제를 해결할 수 있는 중요한 도구로 자리 잡고 있다. IoT 기술을 활용하면 다양한 센서를 통해 실시간으로 데이터를 수집하고, 이를 원격으로 분석 및 제어할 수 있다. 이를 통해 설비 운영 상태를 정밀하게 모니터링할 수 있을 뿐만 아니라, 이상 징후를 사전에 감지하여 설비의 비효율적인 작동과 에너지 낭비를 방지할 수 있다[3][4].

본 논문에서는 소규모 사업장의 배출/방지시설에 대한 운영 상태를 모니터링하기 위해 IoT 센서 모듈을 제안한다. 제안한 시스템은 산업용 라즈베리를 기반으로 센서 보드를 설계하여 사업장의 배출시설의 운전을 모니터링한다. 센서 보드는 CT(current transformer) 센서를 이용하여 배출장비의 전류 사용량을 모니터링하여 오염물질 배출/방지시설의 가동 여부를 확인한다. 추가로 센서 보드의 가속도 센서를 통해 장비의 진동을 측정하여 운전 여부를 추가로 확인한다. 측정한 정보는 LTE 모듈을 통해 서버로 전송된다. GIS와 연계하여 배출설비 운전 여부에 따라 오염확산을 관리할 수 있다.

2. 관련 연구

대기환경보전법 시행령 개정에 따라 4종 및 5종 소규모 대기배출 사업장에서는 측정기기 부착이 의무화되었으며, 이를 통해 방지시설의 가동 상태를 실시간으로 모니터링하고, 원격으로 운전 상태를 점검할 수 있는 체계가 구축되고 있다. 그러나 이러한 IoT 기반 모니터링 시스템에서 수집된 데이터의 기밀성을 보장하기 위한 암호화 알고리즘 적용에 관한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다[5].

특히 소규모 대기 배출시설 관리시스템과 같은 플랫폼에서는 수집된 데이터의 무결성과 기밀성을 유지하기 위한 보안 대책이 중요하기 때문에 암호화 알고리즘 적용이 필요하다[6].

ARIA 알고리즘은 한국정보통신기술협회(TTA)와 한국인터넷진흥원(KISA)이 지정한 국가 표준 암호화 알고리즘이다. 경량 환경 및 하드웨어 구현을 위해 최적화된, Involutional SPN 구조를 갖는 범용 블록 암호 알고리즘으로 다양한 응용 분야에서 활용되고 있다. 최근에는 하드웨어 기반의 ARIA 연산 효율성에 대한 연구가 진행되고 있다[7][8][9][10].

ARIA 알고리즘을 적용한 경우 KISA에서 검증절차가 제공되고 있으며, 표준 문서에 정의된 테스트 벡터를 기반으로 검증을 수행할 수 있다[11][12].

3. 제안한 시스템

제안한 시스템 구성은 (그림 1)과 같다. 산업용 라즈베리파이를 이용하여 제어시스템을 구성하고, 센서 인터페이스를 통해 온도, 습도, 가속도, 전류를 측정한다. 미세먼지, CO2, NO2, CO, O2를 측정할 수 있는 보드를 추가 설계하였다.

(그림 1) 제안한 시스템 구성

3.1 IoT 센서 모듈 설계

설계한 메인보드는 (그림 2)와 같이 산업용 라즈베리파이 보드를 장착하고, USB, 이더넷, RS-232, RS-485 인터페이스 확장이 가능하도록 연결 인터페이스를 구성하였다[13].

(그림 2) 메인보드 구성

센서 인터페이스 보드는 MCU를 부착하여 센서를 측정하고, 라즈베리파이와는 RS-232로 센서 정보를 전달한다. 스마트폰과 연동을 위해 MCU를 BLE(Bluetooth Low Energy) 기능이 있는 CC2541로 구성하였고, 온/습도(SHT21), 가속도 센서(KXT9-1007)는 MCU와 I2C로 연결된다. CT 센서의 측정을 전압으로 변환하고, 전압분배 회로를 통한 바이어싱 회로를 구성하여 MCU의 ADC로 측정한다. (그림 3)은 센서 인터페이스 보드로 미세먼지, CO2, NO2, CO, O2를 측정한다[14].

(그림 3) 센서 인터페이스 보드

센서 인터페이스 보드에서 CT 센서 연결 회로는 (그림 4)와 같다. CT 센서의 코일비에 따라 2차 측에 유도되는 전류를 이용하여 CT 센서의 변환저항(Burden Resistor)을 변경하면 배출설비 운전용량 범위가 측정될 수 있게 설계가 가능하다[15].

(그림 4) CT 센서 변환 회로

IoT 센서 모듈은 ARIA 기반의 암호화 장치 연계를 위한 전용 미들웨어를 개발하여 강력한 보안 성능과 확장성을 확보하였다. ARIA는 한국정보통신기술협회(TTA)와 한국인터넷진흥원(KISA)에서 지정한 국가 표준 암호화 알고리즘으로, 128비트 이상의 강력한 키 길이를 지원하며 고성능과 보안성을 가지고 있고, 이를 기반으로 본 논문에서는 암호화 전용 보안칩인 ATECC608B를 적용하여 하드웨어 수준에서의 안전성을 강화하였다[16]. ATECC608B는 ARIA 알고리즘에서 사용하는 대칭 키를 안전하게 생성하고 저장할 수 있다. 키는 보안 칩 내부에서 생성되며, 하드웨어 보안 영역에 저장된다. ECDH(Elliptic Curve Diffie-Hellman)를 활용하여 안전하게 대칭 키를 공유한다.

(그림 5) ARIA 기반 암호화 데이터 통신 구성

전체 IoT 센서모듈은 (그림 6)과 같다. 필요한 목적에 따라 센서 인터페이스 보드를 부착하여 라즈베리파이와 데이터를 전달하고, LTE 모듈을 통해 서버로 데이터를 전송한다. 데이터 전송 간격은 5분마다 센서값을 전송하며 서버에서 주기를 설정할 수 있다.

(그림 5) IoT 센서 모듈

3.2 서버 설계

서버는 PC, 모바일, 스마트폰 등을 지원하는 플랫폼으로 개발하고, 설계에서 디자인 작업 전체에 이르는 과정에 반응형 웹 기반 UI 요소 설계 기법을 적용하였다.

배출/방지시설에서 수집된 데이터는 Grid 표출 UI에 적용하고, Map 기반의 시각화된 컴포넌트와 장치 설치 지역 공간정보를 연계한 환경을 구성하였다.

(그림 7)은 클라우드 기반의 운영 플랫폼 구조이고, (그림 8)은 Open 소스 기반의 GIS를 이용한 클라우드 모니터링 플랫폼 서비스로 Open GIS 플랫폼인 QGIS를 활용하여 배출/방지시설 IoT 기기 모니터링뿐만 아니라 대기환경을 통합하여 모니터링할 수 있는 플랫폼을 설계하였다.

(그림 7) 클라우드 플랫폼 구조 설계

(그림 8) GIS 기반 반응형 웹 운영 플랫폼

QGIS는 FOSS (Free and Open Source Software)를 기반으로 만든 전문 GIS 애플리케이션으로 GNU General Public License 하에서 제공되는 사용자 친화적 오픈 소스 Geographic Information System (GIS)로, 공간 분석, 데이터 처리, 지형 분석, 공간 통계 등 다양한 분석 도구를 포함하고 있어서 다양한 정보를 시각화할 수 있다[[17].

4. 실험

4.1 IoT 센서 모듈 테스트

본 논문에서 제안한 IoT 센서 모듈을 설계하고 그림 9와 같이 IoT 데이터 수집 시험을 수행하여 데이터 수집과 안정성을 확인하였다.

(그림 9) 시험 환경 구성

전류센서는 WT230 Digital Power Meter를 통해 채널별 데이터 보정을 수행하여 (그림10)과 같이 ADC 측정값과 전류의 변환이 R² = 0.99이상의 선형 관계를 확인하였다.

(그림 10) 전류센서 보정

KISA 보안 인증용 테스트 환경을 구성하여 물리 보안 IC를 이용한 ARIA 암호화/복호화 자체 평가를 진행하였다. KISA의 암호 알고리즘 검증 기준 V3.0을 기준으로 ARIA 운영모드 검증시스템(Mode of Operations Validation System for ARIA, MOVS)에 따라 시험 데이터(테스트 벡터) 값을 이용하여 알고리즘 적합성을 검증하였다[8].

<표 1> 보안 인증 평가 구성 항목 및 결과

(그림 11) ARIA 암호화/복호화 결과

4.2 테스트베드 운영

부산 기장군 소재 사업장 4곳을 테스트베드로 하여 현장 적용을 시행하였다.

<표 2> 현장 적용 업체 및 시설

(그림 12)와 같이 IoT 센서 모듈의 전류센서를 설비와 연결된 배전반 단자에 부착하여 배출시설의 가동 여부를 확인하였다. 측정 정보는 LTE망을 통해 서버로 전송된다. (그림 13)은 플랫폼 운영 화면으로 QGIS와 연동하여 배출시설 모니터링이 진행된다.

(그림 12) 테스트베드 설치

(그림 13) 현장 적용 플랫폼 화면

(그림 14)는 테스트베드 업체(원*)의 2022년 1월에서 2022년 12월까지의 시간별 집진기 운전 일수를 나타낸 그림으로 전류센서를 통해 가동여부를 확인할 수 있다.

(그림 14) 배출시설 운영 정보

5. 결론

본 논문에서는 소규모 배출 사업장의 배출/방지시설에 대한 운영 상태를 모니터링하기 위한 IoT 센서 모듈을 설계하였다. LTE 기반 IoT 모듈이 탑재되는 산업용 라즈베리파이 메인보드를 설계하고, CT 센서, 온도/습도, 가속도 센서로 센서 보드를 구성하였다. CT 센서로부터 설비의 전류사용량을 측정하고, 이를 통해 배출 장비의 운전 상황을 확인한다.

부산 기장군 소재 사업장 4곳을 테스트베드로 하여 현장 적용을 통해 배출/방지 설비의 운전을 확인하였고, 환경센서를 통해 미세먼지나 악취에 대한 데이터를 GIS와 연동하여 다양한 정보제공이 가능함을 확인하였다.