[IoT] 사물인터넷의 구조

사물인터넷의 구조를 이해하기 위해서는 센서가 측정한 데이터가 다양한 과정을 거쳐 최종적으로 하나의 서비스가 되어 고객에게 전달되는 과정을 이해하면 된다.

 

기능적인 측면에서 봤을 때, 사물인터넷과 관련된 기능은 크게 4가지로 설명된다.

1. 데이터의 생성

데이터 생성 영역 하드웨어와 관련된 영역으로 다양한 센서나 디바이스들이 환경 정보들을 측정하거나 물리적인 변화를 인지하여 서버로 전송하게 된다. USN 관점에서는 다른 센서 노드로부터 전달받은 데이터도 데이터의 생성 관점에서 이해할 수 있다.

 

2. 데이터 전달을 위한 연결

연결 영역 센서나 디바이스가 생성한 데이터를 인터넷 상의 서버에 전달하는 부분이다. 이더넷이나 3G/LTE/5G와 같은 이동통신 기술을 이용해서 디바이스가 직접 인터넷에 연결될 수도 있으나, 스마트폰이나 모바일 라우터와 같은 중개장치를 통해서 인터넷에 연결되기도 한다.

 

3. 데이터의 처리

데이터 처리 영역 다양한 통신 기술 및 인터넷을 통해 전송된 센서 및 디바이스 데이터를 수집하고, 저장, 분석, 가공하는 역할을 하며, 서비스를 제공하기 위한 다양한 결정을 하기도 한다. 데이터 필터링 기술, 데이터 저장 기술, 데이터로부터 지식을 추출하기 위한 데이터 과학 기술 등이 필요하다.

 

4. 서비스 제공

서비스 제공 영역 분석되고 가공된 데이터를 사람 혹은 다른 사물이 이해할 수 있는 방식으로 나타내주는 역할을 한다.  사람을 대상으로 하는 경우, 어플리케이션이나 웹의 형태가 될 수 있고, 키오스크나 전용 디스플레이 장치를 통해 전달될 수도 있다. 사물을 대상으로 하는 경우, 센서나 디바이스 혹은 액추에이터에 직간접적으로 피드백을 제공한다.

 

※사물인터넷의 구조는 사물인터넷을 보는 시각에 따라 다소 차이를 보인다. 그러나, 통상적으로 적게는 3개, 많게는 5개의 영역으로 구성된다. 

(M2M 기술 생태계를 데이터 생성, 데이터 전달, 데이터 분석의 세 영역으로 나눴다.)

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(IBM은 5단계로 구성된 사물인터넷 생태계를 생각하고 있다.)

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(오라클은 IBM과 비슷한 방식으로 사물인터넷을 이해하고 있음을 알 수 있다.)

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데이터 생성 영역

데이터 생성 영역의 주된 기능 1. 주위 환경이나 물리적인 변화를 측정하여 데이터를 생성하는 기능 2. 센싱을 통해 만들어진 데이터 혹은 이용자들의 다양한 활동에 의해 만들어진 데이터를 수집하고 전달하는 기능 3. 자신 혹은 자신과 연결된 다른 디바이스를 제어하는 기능 4. 데이터나 정보를 텍스트, 소리, 이미지 등의 방법으로 표시하는 기능 5. 데이터나 제어정보를 송수신하기 위한 네트워크 기능

데이터 생성 영역을 구성하는 요소 1. 단독으로 존재하는 센서 2. 센서를 포함하고 있는 디바이스 3. 디바이스에서 생성된 데이터를 모아서 인터넷으로 전송하는 사물인터넷 게이트웨이 4. 서버의 제어 정보에 따라 동작하는 액추에이터 5. 디스플레이와 같은 정보표시장치 (※ 액추에이터와 정보표시장치는 서비스 제공 영역에 포함되는 것이 적합하지만, 일반적으로 센서와 함께 동일한 장치에 위치하는 경우가 많아 이곳에서 다룸)

센서

- 측정 대상물로부터 환경적인 값 혹은 물리적인 값을 감지해 전기적 신호로 변환해 주는 장치

- 센서 소자 혹은 센서 모듈 형태로 단독으로 존재할 수도 있고,

- 강력한 컴퓨팅 파워 및 통신 기능을 가지고 있는 디바이스에 임베디드된 형태로 존재할 수 있다.

환경 센서 온도, 습도, 열, 가스, 조도, 초음파를 측정하는 센서 생체 센서 맥박, 소리, 산소포화도, 혈당, 홍채, 지문 등의 생체 정보를 측정하는 센서 위성 센서 원격 감지, 레이터, 위치, 모션, 영상 등 유형 사물과 주위 환경으로부터 정보를 얻을 수 있는 물리적 센서 (RFID나 NFC 태그, 비콘 등도 기능적인 관점에서 센서류에 포함된다.)

가상 센서(소프트웨어 센서)

- 이미 센싱한 데이터로부터 특정 정보를 추출해서 이용

- 2개 이상의 센서 데이터를 결합하여 만들어진 개념적인 센서(온도센서+습도센서 = 불쾌지수 센서)

 

엑추에이터

- 어떤 장치나 시스템을 움직이거나 제어하는데 사용하는 기계장치를 총칭

- 계전기나 서브모터, MEMS 등도 이에 포함

- 센서와 같은 디바이스 혹은 시스템에 함께 존재

- 센서에서 측정한 데이터 값에 따라 즉각적으로 반응을 하기도 함

- 그러나, 일반적으로는 수집된 센서 데이터를 서버에서 분석한 후 그 결과에 따라 반응을 함

- 센서 데이터와 무관하게 사용자의 제어 명령에 따라 동작하기도 함

 

정보 표시 장치

다양한 형태의 디스플레이 장치를 의미

물리적인 움직임을 제외하면 정보표시장치도 엑추에이터와 동일한 기능 수행

- 센서 데이터를 실시간으로 표시

- 서버에서 분석된 결과를 표시

- 사용자가 요청한 정보를 표시

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연결 영역

- 네트워크는 각 디바이스에서 생성되는 데이터를 인터넷 상의 플랫폼으로 모아주는 통로

- 사물인터넷에서 네트워크는 디바이스 네트워크와 백본 네트워크로 구성

연결 영역에 있어서 통신 기술 못지 않게 중요한 것이 통신 프로토콜이다. 

통신 프로토콜의 경우 OSI 7 계층의 네트워크 레이어에서 어플리케이션 레이어에 이르는 다양한 계층에서 발견된다.

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데이터 처리 영역

네트워크를 통해 서버로 전달된 센서 데이터는 서비스로 제공되기 위해 저장, 추출, 분석, 가공된다. 이러한 기능들은 기능에 따라 개별적인 시스템 형태로 존재하기도 하고, 하나의 시스템에서 모든 기능들이 수행되기도 한다. 시스템의 형태가 어떻든 간에, 수집된 데이터를 이용하여 서비스를 제공할 수 있도록 하는 주체를 서비스 플랫폼 혹은 간단히 플랫폼이라 한다.

 

사물인터네 플랫폼

플랫폼은 디바이스 스프트웨어, 미들웨어, 데이터베이스, 분석 소프트웨어로 구성된다.

여기에 오라클은 게이트웨이를 추가로 포함시킨다.

 

위 그림은 사물인터넷 데이터의 처리 및 서비스가 제공되는 위치를 비교해서 보여주고 있다.

- 중앙의 경우, 센서 데이터가 인터넷 상의 서버까지 전달된 후 서비스가 이루어지는 클라우드 컴퓨팅이다.

- 오른쪽은 네트워크 에지 단에서 서비스가 이루어지는 포그 컴퓨팅을 나타낸다.

- 왼쪽의 경우처럼 센서 데이터가 사용자의 스마트폰으로 직접 전달되어 서비스가 이루어지는 경우를 듀 컴퓨팅이라 한다.

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서비스 제공 영역

데이터 처리 영역에서 처리된 결과를 바탕으로 실제 서비스가 가시화되는 어플리케이션을 지칭

기능 1. 서비스 디바이스를 통해 어플리케이션, 서버의 목적에 맞는 서비스를 제공 2. 사물인터넷에 연결된 디바이스들을 관리하고 제어

사물인터넷 서비스가 제공되는 방식은 서버나 서비스 플랫폼을 통해서 제공되는 방식과 서비스 디바이스에서 전용 어플리케이션을 이용해서 직접 제공되는 방식으로 나누어 생각 할 수 있다.

서비스 디바이스가 서비스를 제공하는 경우 1. 센서 디바이스와 서비스 디바이스가 동일하거나 센서 디바이스가 서비스 디바이스에 직접 연결된 경우 2. 센서 디바이스를 통해서 수집되고 처리되어야 하는 데이터의 양이 적은 경우 3. 동시에 다수의 서비스 디바이스를 통해 서비스를 제공해야 할 필요가 없는 경우 4. 사용자의 프라이버시와 관련된 서비스인 경우 서버나 플랫폼을 바탕으로 사물인터넷 서비스를 제공하는 경우 1. 센서 디바이스를 통해서 수집되고 처리되어야 하는 데이터의 양이 많은 경우 2. 동시에 다수의 서비스 디바이스를 통해 서비스를 제공해야 하는 경우 3. 센서 디바이스들이 연결된 네트워크의 종류에 무관하게 서비스를 제공해야 하는 경우 4. 사물인터넷 서비스를 다양한 어플리케이션을 통해 제공해야 하는 경우