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무선 데이터 수집 및 인터넷 원격 제어

시스템 기술개발에 관한 연구

(최종보고서)

2003. 11. 20

주관기관 (주)렉터슨

산 업 자 원 부

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제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 “무선 데이터 수집 및 인터넷 원격 제어 시스템에 관한 기술개발”(개

발기간 : 2002. 12 . 1 - 2003. 9. 30)과제의 최종보고서로 제출합니다.

2003. 11 . 25 .

주관기관 : (주)렉터슨 (대표자) 강 성 욱 (인)

총괄책임자 : 정일한

연 구 원 : 김동현

〃 : 구자현

〃 : 김상훈

〃 : 김 신

〃 : 김동률

산업기술개발사업 운영요령 제29조에 따라 보고서 내용을 관련기관에 널

리 배포함에 동의합니다.

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산업기술개발사업 보고서 초록

관리번호

과 제 명 무선 데이터 수집 및 인터넷 원격 제어 시스템 개발

키 워 드 무선/데이터수집/인터넷/원격제어/암호화

개발목표 및 내용

1. 최종목표

가. 독립형 무선 데이터 수집 및 저장장치 개발

1) AD, DA, DSP, FPGA의 통합모듈

2) RTOS를 내장한 MPU

3) Data의 저장을 위한 모듈

4) LAN 및 WLAN 인터페이스 장치

나. 신호처리 알고리즘 및 프로그램 개발

1) 실시간 신호처리용 디지털 필터 알고리즘개발

2) 디지털 필터 설계 프로그램 개발

다. 온라인에서 보안 및 암호화 기술 개발

1) RSA방식의 암호화된 인증모듈개발

2) Server/Client의 상호 암호화 기술개발

라. 고부하 대용량 지원 기술개발

1) 저장 데이터의 압축모듈 개발

2) DBMS를 통한 통합관리 모듈개발

마. 원격제어 및 모니터링 프로그램 개발

1) 원격 동시 다점(多占) 계측 프로그램개발

2) 시각적, 청각적 경보발생 모듈개발

2. 개발내용 및 결과

가. 개발내용

1) 독립형 무선 데이터 수집 및 저장장치 Hardware개발

2) 웹 기반 RSA algorism을 이용한 실시간 원격제어 통합 software개발

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나. 결과

1) 지적 재산권 확보

명 칭 : STAND-ALONE APPARATUS FOR DATA

ACQUISITION AND SIGNAL PROCESSING

출원일 : 2003년 10월 14일

출원번호 : PCT/KR03/02119호

2) IS09001:2000 인증 획득

명 칭 : 데이터 수집 및 분석 시스템 개발, 공급, 판매 및 유지보수에 대한 품

질 경영 시스템 인증

3. 기대효과 (기술적 및 경제적 효과)

가. 기술적 기대효과

1) 국내 데이터 수집 및 통합 분석 시스템 기술의 축적

2) 해외 계측장비의 수입 대체효과

3) 계측 엔지니어링 기법의 선진화

나. 경제적 기대효과

1) 독립형 계측제어 장비의 시장규모 급신장

2) 자동화 장비 연계 응용기술 확보의 활성화

3) 계측기기 기반의 유관 산업의 활성화 기여

4. 적용분야

가. 기계, 자동차, 항공분야

1) 고속 열차의 소음진동 분석 및 위치제어 시스템

2) 원자력 발전소의 누설감지 통합 모니터링 시스템

3) 항공기의 전자제어 통합 모니터링 시스템

나. 전자, 통신분야

1) 무선 데이터 수집 및 분석 시스템

2) 실시간 신호처리 및 데이터의 암호화 알고리즘 구현

다. 건축, 토목분야

1) 원격 환경계측 제어 시스템

2) 상하수도 원격검침 및 모니터링 시스템

라. 기타

1) 비압축성 유체의 해석 및 물성계측 시스템

2) 인공위성의 궤도해석 및 위치제어 시스템

3) 지진예측 및 분석 모니터링 시스템

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목 차

제 1 장 서론

제 1 절 기술개발의 필요성

제 2 절 기술개발의 목표

제 3 절 기술개발의 특징

제 4 절 기술개발의 기대효과

제 2 장 기술개발 내용 및 방법

제 1 절 기술개발의 상호 역할분담

제 2 절 독립형 무선 데이터 수집 및 저장 장치

제 3 절 실시간 신호처리 알고리즘 및 프로그램 개발

제 4 절 온라인에서 보안 및 암호화 기술 개발

제 5 절 고부하 대용량 지원 기술개발

제 6 절 원격제어 및 모니터링 프로그램 개발

제 3 장 기술개발의 결과

제 1 절 기술개발의 평가

제 2 절 기술개발 일정의 평가

제 3 절 기술개발의 적용

제 4 절 기술개발 완료의 효과

부 록

〔부록 A〕 RSA 암호화 방식

〔부록 B〕 Digital Filter

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제 1 장 서론

제 1 절 기술개발의 필요성

인터넷의 보급이 일반화 되어있는 현실에서 이를 응용한 다양한 사업이 생활 및 산

업 분야에서 적극적으로 활용되고 있다. 소음/진동 관련 계측 및 분석은 기계장치,

자동차, 전자제품 및 장치, 중공업, 건설, 환경 계측 등의 현장에서 연구 개발 및

제품의 시험 검증, 테스트 용도로 다양한 분야에서 사용되고 있으나 국내 기술의

약진과 개발기간의 장기화로 전량 수입에 의존한 인지도가 높은 외산제품이 국내

시장을 잠식하고 있는 상황이다. 이러한 종래의 수집장치는 계측기기만의 독립적인

계측(Stand-alone)이 되지 않아 사용자의 고립된 계측에 항상 의존해 왔다. 또한

수집된 데이터의 처리를 위한 별도의 메모리가 부족하여 데이터의 수집직후에

Host PC로 데이터를 저장해야만 결과의 분석이 가능하였다. 또한 전송 수단으로

Serial 통신 케이블이나 LAN에만 의존하여 사람의 직접적인 계측이 힘든 상황에서

무선데이터 수집이 지원되지 않았다. 또한 다점(多占) 채널의 통신을 원격에서 모니

터링이 가능하도록 제어 환경이 수반되지 않았으며 이를 네트워크를 통한 실시간

전송시 보안에 취약하였고 고부하 대용량을 지원하는 통합 시스템의 도입이 절실히

요구되었다.

따라서 본 개발은 종래의 수집 장치가 가진 한계성을 극복하고자 유/무선 선택적으

로 지원하는 장치에 중점을 두어 외부와의 연결이 가능한 온라인(On-line)상의 원

격제어(remote control)를 수행 할 뿐 아니라 수집 장치만의 독립적인 계측이 가능

한 stand-alone형의 수집장치를 개발하고 이를 통합관리가 용이한 인터넷 원격제

어 시스템으로 구축하게 되었다.

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제 2 절 기술개발의 목표

오프라인 상의 음향신호 수집 및 분석 시스템에 대한 범용화 및 사용자의 편의성을

위해 독립형 무선 음향신호 수집장치 및 암호화된 인증 방식의 인터넷 겸용의 원격

제어 시스템을 개발하는 것이 목표이며 구체적인 개발 목표는 아래와 같다.

1. 독립형 무선 데이터 수집 및 저장장치 개발

가. AD, DA, DSP, FPGA의 통합모듈

나. RTOS를 내장한 MPU

다. Data의 저장을 위한 모듈

라· LAN 및 WLAN 인터페이스 장치

2. 신호처리 알고리즘 및 프로그램 개발

가. 실시간 신호처리용 디지털 필터 알고리즘개발

나. 디지털 필터 설계 프로그램 개발

3. 온라인에서 보안 및 암호화 기술 개발

가. RSA방식의 암호화된 인증모듈개발

나. Server/Client의 상호 암호화 기술개발

4. 고부하 대용량 지원 기술개발

가. 저장 데이터의 압축모듈 개발

나. DBMS를 통한 통합관리 모듈개발

5. 원격제어 및 모니터링 프로그램 개발

가. 원격 동시 다점 (多占) 계측 프로그램개발

나. 시각적, 청각적 경보발생 모듈개발

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제 3 절 기술개발의 특징

본 기술개발의 특징은 계측기기만의 독립적인 데이터의 수집 및 저장이 가능한 무

선 데이터 수집 및 저장장치를 개발하고 실시간 신호처리의 효율성을 높이기 위한

디지털 필터 알고리즘을 개발하는 것이다. 부가적으로 실시간으로 처리되는 데이터

의 모니터링 기술과 더불어 온라인 상의 데이터 전송시 암호화를 통한 안전한 데이

터의 원격지 전송기법 및 고용량 데이터 처리 기술을 확보하는 통합 시스템 개발

및 관리 기법에 대한 기술이다.

아래 그림 1은 위치가 서로 다른 DAQ (Data Acquisition System)에 대한 신호 수

집부터 원격 감시까지 전체 System의 Block diagram이다.

각각의 ID를 가진 DAQ는 신호를 수집해서 직접 서버로 전송할 수 있으며, 자체 저

장 또한, 가능하도록 설계되어 있다. 신호를 직접 서버로 전송 할 경우 Interface인

LAN 및 WLAN으로 선택해서 보낼 수 있도록 구성되어 있으며 원격지의 서버로 데

이터가 전송된다. 이때 전송되는 데이터는 RSA Algorism 방식의 암호화 알고리즘

을 이용하여 데이터의 보안을 유지하게 된다. 서버에 실시간 저장되는 데이터는

DBMS를 통해 저장 되어지며 최종 복호화를 통해 관리자의 화면에서 모니터링이

가능 하도록 구성되어 있다.

그림 1. 전체 시스템의 Block diagram

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제 4 절 기술개발의 기대효과

본 기술의 개발을 통해 하기의 기술적 경제적 효과를 기대할 수 있다.

1. 기술적 기대효과

가. 국내 데이터 수집 및 통합 분석 시스템 기술의 축척

무선 LAN 인터페이스를 이용한 음향 신호 수집 시스템의 개발을 통한 실시간 원격

데이터 수집의 원천 기술확보에 기여할 것이다.

나. 해외 계측장비의 수입 대체효과

인터넷 원격 제어 시스템 및 암호화된 데이터의 수집 및 분석의 통합시스템을 국내

기술력으로 공급하므로 수입 대체효과를 가질 수 있다.

다. 계측 엔지니어링 기법의 선진화

본 시스템의 개발을 통해 사람의 직접 계측이 힘든 장소의 계측시스템, 진동ㆍ소음

신호의 계측을 통한 사고현장의 생존자 확인, 보안 감시 시스템 등에 적용하여 차

별화된 기술력을 확보 할 수 있다.

2. 경제ㆍ산업적 기대효과

가. 독립형 계측제어 장비의 시장규모 급신장

독립형 지능제어 및 계측 시스템의 적용으로 기존의 계측기가 가진 한계성을 극복

하여 산업의 전반적인 분야에 확산되어 응용될 것 이다.

나. 자동화 장비 연계 응용기술 확보의 활성화

원격 설비 진단 및 자동화된 실시간 모니터링 시스템의 도입으로 계측기기와 인간

의 상호 대화형 시스템으로 초석을 마련할 것이다.

다. 계측기기 기반의 유관 산업의 활성화 기여

기존의 계측 후 진단에서 끝나는 방식이 아닌, 진단 후 예측기법까지 확대하여 산

업 기기 전반의 계측제어 분야의 활성화에 기여할 것이다.

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3. 활용방안

활용분야 활 용 방 안

기계/자동차 분야진동해석, 충격시험, 기계 등의 변위량 계측, 회전체의 동특

성 분석, 재료 시험

전자/통신분야전자제품 (냉장고, 에어컨 등) 의 소음 및 진동분석, 제품

소음도 평가, 음향해석

건축/토목분야내진시험, 지질조사, 도시건물의 풍동실험, 환경소음 계측,

음장 시뮬레이션

의학분야시청각 연구, 음성, 언어의학, 바이오메카닉스, 뇌파 등의

생체현상 분석

물리/화학분야물성계측, 파동, 유체해석, 화학실험, 천문관측, 지하자원 검

사

기타사람의 직접 계측이 힘든 장소의 계측 시스템, 소음원의 추

적을 통한 사고현장의 생존자 확인, 보안 및 감시 시스템

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제 2 장 기술개발 내용 및 방법

제 1 절 기술개발의 상호 역할분담

렉터슨과 Russia & Ukraine 협력사와 국제 공동개발 과제를 다음과 같은 업무 분

담으로 진행하였다.

그림 2. 개발 수행의 흐름도

주관기관은 하드웨어 개발 및 통합 소프트웨어 개발팀으로 구성하였다. 하드웨어

개발팀은 독립형 무선데이터 수집 및 저장 장치의 수요조사 및 설계를 담당 후 최

종 부품이 실장되면, 실시간 운영체계 (RTOS)에 대한 porting을 수행하여 디버깅을

수행하였다. 소프트웨어 개발팀은 웹기반 모니터링 프로그램 개발과 암호화 및 대

용량 저장에 필요한 기법 확립 및 실제 응용을 담당하였다.

러시아 및 우크라이나팀에 구성된 개발팀은 실시간 신호처리의 확립을 위한 알고리

즘의 설계와 DSP chip내부의 source level 코딩을 담당하였고, 최종 렉터슨에서 검

수 후에 최적화까지의 반복 작업을 통해 ISO 규격에 대한 일치여부를 지속적으로

검증하여 최종 개발을 완료하였다.

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제 2 절 독립형 무선 데이터 수집 및 저장 장치

1. 수집 장치의 구성도

<전면부> <후면부>

<센서와의 결합>

그림 3. 독립형 무선 데이터 수집 및 저장 장치의 구성

그림 3은 독립형 무선 데이터 수집 및 저장 장치의 전ㆍ후면도, 센서와의 결합도를

나타낸다.

전면도의 구성은 본체의 전원 스위치, 상태 LCD, 상태 LED, 데이터의 overload를

감지하는 overload LED, 신호의 입력을 위한 BNC 입력으로 구성되어 있다.

후면부의 구성은 채널확장을 위한 extend channel, 향후 펌웨어의 업그레이드를 위

한 maintenance, Host PC와 통신을 위한 LAN interface port, 외부 신호의 입력을

위한 External trigger Input, 펄스 신호의 입력을 위한 Pulse Input, 아날로그 신호

의 출력을 위한 Analog Out, 현장 전원 및 옥외 계측시에 배터리를 지원하기 위한

DC Input 으로 각각 구성되어 있다.

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센서와의 결합도는 실제 데이터 수집의 시작 및 중지, 연속 계측시에 실시간 신호

수집이 되고 있는 상태를 나고 내고 있다.

검증을 위해 1번 채널에는 음향신호를 받을 수 있도록 마이크로폰 (microphone)을

2번 채널에는 진동신호를 받을 수 있도록 가속도계 (accelerometer)를 연결하여 외

부에서 소음과 진동을 발생시켜 원하는 계측 레인지를 벋어나면 overload LED의

status bar의 높낮이가 변함을 관찰 할 수 있다. 또한 계측 시작, 중지 등의 상태를

전면의 Status LCD를 통해 현재의 상황을 판단 할 수 있다. 최종 수집된 데이터는

Host PC로 데이터의 실시간 전송을 하게 되는데 이때, status LED의 상태를 통해

데이터의 전송상황을 점검 할 수 있도록 구성되어 있다. status LED는 시작, 에러,

링크, 송신, 수신을 각각 점검하여 Host PC와의 통신상황을 경고와 정상 동작으로

구분하여 나타낸다.

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2. 블록 다이어 그램

그림 4. 독립형 무선 데이터 수집 및 저장 장치의 블록 다이어 그램

그림 4는 독립형 무선 데이터 수집 및 저장장치의 블록 다이어그램이며, 도시된 바

와 같이 입력신호로부터 입력단 신호의 잡음을 제거하는 LPF (Low Pass Filter)를

거쳐 필요한 주파수 대역의 신호성분을 검출 후에 디지털 신호로의 검출 가능한 신

호로 연산 증폭기 (OP Amp)를 통한 증폭을 하게 된다. 증폭된 신호는 아날로그 신

호의 성분을 디지털 신호 변환(ADC)을 거친 후 고속 실시간 신호처리 연산을 디지

털 시그널 프로세서 (DSP)를 이용하여 필요한 디지털 필터 및 연산기능을 수행 후

FPGA를 최종 거친 후 최종 데이터는 DRAM에 저장된다. 저장된 데이터는 내부 메

모리 저장장치를 통해 후처리를 위해 저장하거나 직접 전송방식을 선택할수 있다.

직접 전송방식의 경우 저장된 데이터를 마이크로 프로세서유닛 (MPU)외부의 실시

간 운영체계 (RTOS)의 동작으로 직접메모리 전송방식 (DMAC)을 통해 WLAN 또는

LAN 방식으로 최종 Host PC (Notebook or Desktop PC)에 최종 데이터가 전송된

다.

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3. 세부동작 설명

실제 실물보드의 내부 PCB의 일부분은 아래와 같이 구성되어 있으며 데이터의 수

집 후 메모리 카드를 이용한 연속적인 데이터의 저장 및 저장 된 데이터의 Host

PC 로의 WLAN을 통한 전송기능을 원활히 수행하였다.

그림 5. 실시간 데이터 수집 및 저장후의 전송

실시간 데이터의 처리의 효율성을 위해 RTOS(실시간 운영체계)를 탑재함으로서 데

이터 처리부에 정확한 전송을 유지 하였다. 또한 테스트를 위해 운영중인 독립형

무선데이터 수집 및 저장 장치에서 임의의 파형 (sine, rectangular, triangle, saw

wave, etc) 의 신호를 발생하여 memory card에 일정시간동안 저장을 통해 데이터

의 손실없는 저장 및 장시간 데이터의 수록을 검증 하였으며, 실시간 신호처리를

위한 데이터 수집 장치의 WLAN을 이용한 무선 데이터의 전송 또한 Host PC에서

신호수집 및 처리가 용이 하였다.

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4. 실물보드의 외형

그림 6. 독립형 무선데이터 수집 및 저장장치의 외형도

그림6은 독립형 무선 데이터 수집 및 저장장치의 전면, 후면, 평면, 즉 면도를 각각

나타내고 있다. 치수는 256W x 185D x 50H 로 이동성을 고려한 사이즈로 제작

하였으며, 양 사이드에 알루미늄 처리를 하였다. 측면부의 움푹 페인 부는 이동시에

양손으로 운반하기 쉽게, 또한 채널 확장 시에 증설을 위한 용도로 디자인 처리를

하였다. 최종 3줌 코딩 처리를 통해서 외부의 흠집에 강하며, 내구성 및 내부식성

에 잘 견딜 수 있도록 외형 처리를 하였다.

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제 3 절 실시간 신호처리 알고리즘 및 프로그램 개발

1. 세부개발 과정

실시간 신호처리 알고리즘인 DSP 개발의 세부 개발과정을 하기와 같이 하여 최종

설계 규격을 만족 하였다.

그림 7. 실시간 신호처리 알고리즘 설계 및 적용 flow

2. 세부 검증방법

디지털 필터의 세부설계 스펙(cut off frequency. order. dynamic range,

bandwidth, sampling frequency)을 정의하여 기존의 ISO 규격과 비교하여 검증하

는 방식을 채택 하였다. 이후 C와 Assembly로서 실제 알고리즘을 구현하여 결과를

simulation으로서 확인하여 최종 정의된 규격과의 일치여부를 검증하는 과정을 거

치게 된다. 처음 정의된 스펙의 결과를 만족하지 못할 경우 여러 가지 보완방법을

추가하여 이전단계의 수정 및 검증작업을 반복하여 결과를 도출하며 source level

및 compiler의 기능 향상으로서 최적화를 수행 후에 실제 target board에 firm을

download & test를 수행 하였으며.PC에서 발생하는 부하를 줄여 DSP chip 내부의

실시간 신호처리의 효율성을 높일 수 있었다. 실제 FIT의 경우 일반PC로서

Application으로 구현할 경우와 DSP 내부에서 구현의 경우 1/10의 연산처리 속도

의 향상을 검증할 수 있었다.

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3. 디지털 필터의 설계 및 검증

기본필터로서 IIR 과 FIR 필터를 사용하였고 LPF(Low Pass Filter), HPF(High

Pass Filter), BPF(Band Pass Filter), BSF(Band Stop Filter)를 구현 하였으며 이

를 검증하기 위해 out file을 Origin에서 불러들여 검증하였다.

그림 7은 PoleZero method를 이용한 IIR 필터로서 LPF를 설계하였으며 결과 파일

을 그림8의 Origin으로 불러 들었을 때 일치함을 검증하였다.(Cut off frequency :

2kHz)

그림 8. IIR 기반 LPF 구현

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그림9는 그림8의 우측의 결과값을 저장하여 Origin 프로그램을 이용하여 주파수 분

석을 한 결과화면이다. 차단주파수 2kHz에서 정확히 필터링 되었음을 검증할 수 있

다.

그림 9. Origin으로 주파수 분석한 LPF

그림 10은 Rectangular, Hamming, Hanning, BlackMan Window와 Frequency

sampling method 중 Hamming Window method를 이용한 FIR 기반의 BPF를 구

현한 결과이다. (Band Bass 대역 : 1kHz ~ 2kHz)

그림 10. FIR기반 BPF구현

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그림11은 그림10에서 최종 filtering 된 결과를 Origin에서 주파수 분석을 한 결과로

1kHz ~ 2kHz에서 정확히 필터링 됨을 알 수 있다.

그림 11. Origin으로 주파수 분석한 BPF

이처럼 실시간 신호처리 알고리즘의 설계부터, 디지털 필터 설계 프로그램의 구현

및 Origin으로 최종 주파수 분석을 통한 검증의 단계까지 정확한 검증을 통해 디지

털 신호처리의 최저적화를 수행 및 검증 할 수 있었다.

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제 4 절 온라인에서 보안 및 암호화 기술 개발

1. RSA 알고리즘의 구성

데이터를 전송하는 쪽은(sender) public key를 이용하여 암호화 후에 전송받는 쪽

은(receiver) private key를 이용하여 이를 해독하여 다시 데이터를 해석할 수 있는

방식으로 네트워크를 통해 주고 받을 때 혹은 저장장치에 저장 시에 암호화함으로

써 침입에 의해 정보가 유출되더라도 그 정보를 훔쳐간 자가 제대로 된 정보를 볼

수 없게 하기 위해 사용하였다.

그림 12. RSA 방식 암호화 알고리즘

2. 실제 적용결과

뒷장의 그림13은 데이터의 전송시에 암호화된 데이터를 전송하는 회면이다. 좌측의

그림에서 우선 server에서 start를 수행하여 multi-daq로부터의 신호 수집을 대기하

는 상태가 된다. DAQ는 각각의 해당 ID를 가지고 있으며 서버에 접속을 하게 되

며, 임의의 사각파 신호를 발생하여 server로 전송을 한다. 이때 전송되는 데이터는

공개키 암호화 방식인 RSA(Rivest, Shamir, Adleman) Algorism을 이용하여 암호화

되어 진다. (RSA)버튼을 click 하게 되면 데이터의 암호화가 이루어짐을 확인 할 수

있다. 이는 실제 서버에서 해석할 경우에 private key로서 해석이 가능하다.

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<Sever start> <DAQ Access>

그림 13. RSA 방식 암호화 알고리즘 적용

아래의 그림14는 데이터 수집 장치로부터 암호화된 데이터를 다시 해독하여 모니터

링을 수행한 결과 화면이다.

그림 14. RSA 방식 복호화를 동한 결과 분석

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제 5 절 고부하 대용량 지원 기술개발

1. 대용량 지원기술의 개발 구성도

이래 그림15는 동시 다점 측정이 가능하도록 구성된 DAQ의 결합과 이를 server에

서 실시간 수집된 데이터를 DBMS를 이용하여 저장하고, 일정기간 동안 저장된 데

이터가 최종 Administrator에게 전송되어 server의 부하를 줄이는 방식을 사용하여

데이터의 기밀성 및 대용량 지원을 보장 하도록 구성되어 있다.

그림 15. 대용량 지원장치의 구성도

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2. 대용량 데이터의 처리결과 저장

이래그림은 10여개의 지점에서 동시측정을 하였을 때 저장되어 지는 데이터의 포맷

을 나타내고 있다. 데이터의 저장은 분(mi), 시간(h), 하루(d), 1주(w) 단위로 저장

되며 저장된 데이터는 서버에서 압축이 되어 지정된 디렉토리에 실시간 저장되어

진다.

그림 16. 서버에 실시간 저장된 데이터

그림 17. Administrator의 PC에 저장된 데이터

그림 17은 server에서 저장된 데이터가 7일이 경과 하였을 때 자동으로 관리자의

PC로 저장되어 최종 주별 (w) 로 저장된 결과를 알 수 있다.

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예를들어 그림 11의 w2003, 12-11, 06.zip은 11월 6일부터 12일까지의 1주일 데

이터를 저장한 결과이다.

3. DBMS를 이용한 대용량 데이터의 관리

개발에 사용된 DBMS로는 하나의 table에 10,000 record를 이상 지원하는 Mysql을

사용하여 데이터의 저장 및 백업을 원활히 수행하였다.

아래의 그림 18는 각각의 ID를 가진 DAQ로부터 접속이 정상적으로 이루어진 상태

에서 실시간 대용량 데이터의 저장이 이루어짐을 확인 할 수 있다.

그림 18. Administrator의 PC에 저장된 데이터

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제 6 절 원격제어 및 모니터링 프로그램 개발

그림 19는 다점 동시 측정이 되고 있는 상황을 모니터링 하는 원격 제어 및 실시간

분석 프로그램이다.

1. 주요기능

원격 모니터링 프로그램에는 아래의 주요 기능이 있다.

가. 동시다점 계측 모니터링

나. 각 지점별 계측되는 실시간 데이터의 값 분석

다. 인터넷을 이용한 원격제어

라. 계측값의 이상 발생시 경보(Alarm)기능

마. 접속유무 알림

바. 해당 DAQ의 상세정보 제공

그림 19. 원격제어 계측 프로그램

2. 주요 세부기능

가. 전체 화면 및 제어

전체 화면제어는 Large Map 과 Mini Map으로 모니터링 화면이 구성되어 있으며,

Large Map상에서 마우스로 원하는 지점을 이동하면, Mini Map에서 전체 Large

Map중에서 현재의 위치 지점의 세부상황을 면밀히 파악 할 수 있도록 구성되어 있

다.

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나. DAQ의 접속상태 확인

DAQ의 접속 상태를 검정색(접속불가), 녹색(정상 접속 중), 붉은 색(비정상 접속

중)을 각각 나타내어 시각적으로 구분이 용이하게 구성되어 있다.

다. 경보(alarm) 발생기능

사용자가 정의한 설정 이상 값이 발생할 경우 시각적으로는 붉은색이 깜빡이게 되

어 있으며, 청각적으로 “삐이” 하는 경고음이 발생 하도록 구성되어 있다.

라. DAQ의 상세 정보 파악

실시간 모니터링이 되고 있는 화면에 마우스를 두게 되면, 현재의 계측되는 값의

실제 신호를 그림 19의 우측과 같이 실제 계측 되는 파형을 분석 할 수 있으며,

Large Map 상의 Digital Value를 마우스로 클릭할 경우 현재 계측중인 데이터의

Max, Min, Average value 등의 분석이 용이 하도록 구성되어 있다.

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제 3 장 기술개발의 결과

제 1 절 기술개발의 평가

본 기술개발의 평가는 독립형 무선 데이터 수집 장치 및 저장장치와 인터넷 실시간

모니터링 시스템이며, 개발 진행 도중 기 제출된 평가 항목에 대한 확인을 평가 기

관을 통한 평가를 배제하고 CE 및 ISO 인증 및 EM 인증을 통해 확인하기로 하였

다.

기 제출된 사업계획서 상의 평가 항목 및 평가 방법은 아래와 같다.

평가항목에서 1~7은 개발 제품에서 개발 목표치에 해당되는 부품을 실장하여 적용

하였으며 성능에 이상 없음을 확인하였다.

구분 평가항목 단위전체 항목에서

차지하는 비중개발목표치 평가방법

1 샘플링 속도 kHz 10 100kHz시험기관 의뢰

(ANSI, ISO 규격)

2고용량 자체

저장용 메모리Gbyte 25 2G CE 인증

3 처리속도 MHz 10 400 (ANSI, ISO 규격)

4 분해능 bit 5 24 (ANSI, ISO 규격)

5 인터페이스 - 5Wireless LAN

IEEE802. 11aIEEE

6 전원 V 2 DC 12V CE 인증

7 DSP 칩 EA 5 채널당 1개 장착 ANSI 규격

8 음향파워레벨 dB 10 ISO 규격 만족 IS03744, 3745

9 옥타브 필터 dB 5 ANSI 규격 만족 ANSI S1. 11

10 음향필터 dB 10 〃 ANSI S1. 42

11 음향인텐시티 dB 10 ISO 규격 만족 IS09614-1

12 사용온도 ℃ 3 -10~60 ANSI 규격

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제 2 절 기술개발 일정의 평가

본 개발 과제는 하기의 개발일정에 맞추어 진행 되었으며, 주관기업과 참여기업의

사전 실무 미팅 및 email을 통한 원활한 업무협조로서 공동 개발이 무리 없이 진행

되었다.

일정

수행내용

추 진 일 정 (02. 12. 01 - 03. 9. 30) 개발기관

12 1 2 3 4 5 6 7 8 9주관

기업

참여

기업

연구자료 수집 ●

시스템 설계 ●

H/w 제작 ●

인터페이스 모튤 ●

DSP 프로그램 ● ●

온라인 원격제어 S/W ● ●

음향 해석용 웹 S/W ●

보안 및 암호화기술 ●

고부하 대용량 지원 ●

내구성 신뢰도 검사 ●

디자인 및 보안 ●

시스템 인증획득 ●

통합시스템개발완료 ● ●

주요결과물PCT 출원

1건

최종

보고서

작성

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제 3 절 기술개발의 적용

독립형 무선 데이터 수집 및 저장장치의 개발 및 RSA algorism 기반 인터넷 암호

화 전송기법, 실시간 제어 및 원격 감시 시스템, 고용량 지원 시스템의 개발을 부분

응용부터 통합 적용하는 산업의 전반적인 모니터링 및 진단 제어 시스템에 폭넓게

적용될 수 있다.

구체적인 모니터링 시스템 분야는 다음과 같다.

1. 기계, 자동차, 항공 분야

가. 고속 열차의 소음 진동 분석 및 위치제어 시스템

나. 원자력 발전소의 누설 감지 통합 모니터링 시스템

다. 항공기의 전자제어 통합 모니터링 시스템

2. 전자, 통신 분야

가. 무선 데이터 수집 및 분석 시스템

나. 실시간 신호처리 및 데이터의 암호화 알고리즘 구현

3. 건축 토목 분야

가. 원격 환경 계측 제어 시스템

나. 상하수도 원격 검침 및 모니터링 시스템

4. 기타

가. 비압축성 유체의 해석 물성계측 시스템

나. 인공위성의 궤도 해석 및 위치제어 시스템

다. 지진 예측 및 분석 모니터링 시스템

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제 4 절 기술개발 완료의 효과

1. 경제적 기대효과

기술개발품인 독립형 무선 데이터 수집 및 저장 장치는 국내 최초로 개발된 제품이

면서 가격대 성능비가 타사제품에 비해 탄력적일 뿐만 아니라 이를 이용한 웹 기반

실시간 모니터링 시스템의 통합 적인 솔루션을 확보함으로서 산업용 기기의 계측

제어 분야에서 폭넓게 자리 잡을 것으로 예상된다.

개발 완료 이후인 10월부터 국내 및 홍콩 전자 박람회 출품을 통한 해외 영업 활동

으로 2004년부터 국내외 본격적인 판로를 개척할 전망이다.

가. 국내시장

나. 해외시장

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2. 지적재산 및 품질경영 시스템 확보

본 기술 개발을 통해 해외 출원 1건 및 IS09001인증을 획득 하였으며 이를 통해

개발 제품의 독창성 및 신뢰성을 확보 하였다.

가. 지적 재산권 확보

명 칭 : STAND-ALONE APPARATUS FOR DATA ACQUISITION AND SIGNAL

PROCESSING

출원일 : 2003년 10월 14일

출원번호 : PCT/KR03/02119호

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나. 품질경영 시스템 확보

데이터 수집 및 분석 시스템 개발, 공급, 판매 및 유지보수에 대한 품질 경영 시스

템 (IS09001; 2000)을 획득함으로서 해외 시장 진출에 있어 제품의 신뢰성을 기반

으로 한 고객만족으로 최상의 제품을 공급할 계획이다.

품질경영시스템 인증서

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〔부 록〕

〔부록 A) RSA 암호화 방식

〔부록 B) Digital Filter

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〔부록 A〕 RSA 암호화 방식

1. RSA 와 DES 암호화 방식

가. RSA

1977년 론 리베스트(Ron Rivest)와 아디 셰미르(Adi Shamir), 레오 나르드 아델만

(Leonard Adleman) 등 3명의 수학자에 의해 개발된 알고리즘을 사용하는 인터넷

암호화 및 인증시스템이다. 3명의 이름 가운데 첫 글자를 모아 붙인 용어이다. 마

이크로소프트 윈도, 넷스케이프 브라우저를 비롯해 로터스 등 수백 개의 소프트웨

어와 연동이 가능하며, 국제표준화기구(ISO)를 비롯하여, ITUㆍANSIㆍIEEE 등 여러

국제기구에 암호표준으로 제안되어 있다. 소유권은 RSA시큐러티(Security)가 가지

고 있다.

이 알고리즘은 두 개의 큰 소수(보통 140자리 이상의 수)를 이용한다. 이 수들의

곱과 추가연산을 통해 하나는 공개키를 구성하고 다른 하나는 개인키를 구성하는

데, 사용되는 두 세트의 수 체계를 유도하는 작업이 수반된다. 이렇게 구성된 공개

키와 개인키로 인터넷에서 사용하는 정보(특히 전자우편)를 암호화하고 복호화할

수 있는데, 동작 원리는 매우 복잡한 수학으로 RSA 홈페이지에 상세하게 기술되어

있다.

개인키의 암호를 해독하려면 슈퍼컴퓨터로도 1만년 이상이 소요되므로 공개키 암호

방식의 대명사로서 거의 모든 분야에 응용되고 있다. 그러나 계산량이 많은 것이

단점으로 꼽힌다. 비트 수에 따라 다르나 펜티엄급 컴퓨터에서 공개키와 개인키를

만들려면 짧게는 20여초, 길게는 몇 분까지 기다려야 한다. 복호화에도 많은 계산

량이 요구되고 있어 휴대용 단말기에서는 사용하기 어렵다. 그러나 이런 문제를 해

결하기 위해 최근에 타원곡선 알고리즘이 등장하기도 했다

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나. DES

미국 정부의 상무부 표준국(NBS:현재는 NIST로 개편됨)이 1977년에 IBM사의 제안

을 바탕으로 제정한 데이터 암호화 표준 규격으로, 연방 정부의 연방 정보 처리 표

준 46 (FIPS publication 46)으로 채택된 것. 데이터 암호화 표준(DES)은 비밀 키

방식의 일종으로 64 비트의 키를 사용하여 64비트의 평문을 전자(轉字)와 환자(換

字)를 조합하여 암호화하는 방식이다. 암호화와 복호화를 하나의 대규모 집적 회로

(LSI)로 고속 처리할 수 있도록 고안되어 있으며, 다양한 DES용 LSI가 개발되어 있

다. DES는 20년 이상에 걸쳐 세계의 암호 전문가들이 그 해독법을 연구해 왔으나,

큰 결점이 발견되지 않았기 때문에 현재도 대표적인 암호 알고리즘으로 인터넷의

보안 대책 등 폭넓은 분야에서 이용되고 있다. 국제 표준화 기구(ISO)에서 DES를

표준화하려는 움직임이 있었으나 미국 정부(NSA:국가 안전 보장국)의 요구에 따라

1987년에 중지하였다. 그러나 이미 DES에 의해 시스템을 구축하고 있는 미국 은행

업계에서 DES의 국제 표준화를 강력히 주장하여 ISO는 은행 시스템의 표준안으로

서 DES를 채택하였다.

다. 암호화 방식분류

암호화기술은 암호화와 복호화의 키 관리방법에 따라 크게 대칭형 방식과 비대칭형

방식으로 나눌 수 있다.

대칭적 암호방식은 암호화 키와 복호화 키가 동일한 전통적 암호방 식

(Conventional Crypto-system) 으로 단방향 (One-way) 암호방식 이라 불리기도

한다.

비대칭적 암호방식은 암호화 키와 복호화 키가 서로 다르며 한 키는 공개하고 다른

키는 비밀로 한다. 그래서 이는 공개 키 암호방식 (Public Cryptosystem), 또는 양

방향 (Two-way) 암호방식이라 한다. 대칭형 방식의 대표적인 예에는 DES (Data

Encryption Standard)방식이 있고, 비대칭형 방식에는 RSA (Rivest, Shamir,

Adleman) 방식이 있다.

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2. RSA 암호화 방식

RSA 암호화 방식은 매우 큰 정수의 소인수 분해가 어렵다는 가정하에서 설계된 비

대칭적 암호화 시스템이다. 시스템 구성은 다음과 같다.

가. 개의 큰 소수 p와 q를 생성하여 n = pq를 계산한다.

나. Euler 함수값 pi(n) = (p-1) (q-1)과 서로 소가 되는 e를 계산한다.

다. pi(n) 과 e로부터 유클리드 (Euclid)를 사용하여 ed가 mod pi(n) 으로1이 되는

d를 계산한다.

라. 위로부터 다음과 같은 공개 키 암호 시스템(public cryptosystem) 을 구성한다.

공개 키 e와 n을 가지고 비밀 키를 구할 수 있다면 RSA는 해독되게 되지만, n으로

부터 pi(n)을 구한다면 유클리드 알고리즘을 사용하여 d를 쉽게 계산할 수 있으므

로 전체적인 비도는 pi(n)의 계산에 달려있는데, n을 소인수 분해할 수 있다면

pi(n)은 자동적으로 계산된다. 따라서, n의 소인수 분해는 RSA가 해독됨을 의미한

다.

하지만, n의 소인수 분해를 모르고 pi(n)을 구하는 방법은 알려지지 않고 있다.

RSA 암호화 시스템을 안전하게 구성하기 위해서는 두 소수 p, q를 n = pq가 인수

분해하기 어려운 형태가 되어야 한다. 현재까지 알려진 소인수 분해 알고리즘 중

어떤 것도 폴리노미알 바운드( polynomial- bounded) 되지 않았다.

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RSA의 계산은 DES에 비해 복잡한 편이다. 소프트웨어적으로만 시스템을 구현해

실행할 때 DES에 비해 적어도 100 배의 실행시간이 소요되며 하드웨어 상에서 적

절히 구현하여 실행할 때는 1,000 배의 시간이 소요되는 등 실행 속도에서 큰 차이

가 있다. 따라서 언제쯤 빠른 실행속도를 가진 RSA 전용 실행 프로세서가 다양한

하드웨어 환경에서 개발되어 저렴한 가격으로 공급될 수 있느냐 하는 것이 RSA 암

호화기술의 보편적인 사용여부를 결정하는 중요한 전제조건이다.

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〔부록 B) Digital Filter

1. 디지털 필터

디지털 신호 처리에는 두 가지의 시스템 형태로 분류가 가능하다. 첫 번째 시스템

형태는 시간 영역에서 신호 여과를 하는 것으로 디지털 필터(digital filter)라고 한

다. 즉, 어떤 주파수 성분들은 통과시키고 그 외의 것들은 완전히 억제 시키는 시스

템을 말한다. 두 번째 형태는 주파수 영역에서 신호를 표현하는 것으로, 스펙트럼

분석기(spectrum analyzer)라고 한다. 디지털 신호처리에서 주로 사용하는 필터의

종류로서 FIR 필터와 IIR 필터로 분류 한다. 이들 필터는 대부분 주파수 선택적

(frequency selective) 형태이다. 즉 주로 다대역(mutil band) 저역통과(Iowpass),

고역통과(high pass), 대역통과(bandpass), 대역저지(bandstop) 필터로서 구현 할

수 있다.

2. 디지털 필터의 장단점

가. 장점

1) 하드웨어로 실현 하는 경우 그 구성요소는 논리회로와 메모리이므로 LSI화 할

수 있다. 그 때문에 소형화, 경제화, 고속화를 꾀할 수 있다.

2) 신호나 필터의 계수를 2진수로 표현하는 경우 그 비트 길이를 길게 할수록 높은

확도의 필터를 설계 할 수 있다.

3) 아날로그 회로와 같은 제품별 오차, 특성의 온도에 의한 변화나 경년 변화가 발

생하지 않는다.

4) 동일 하드웨어에서도 필터의 특성을 쉽게 바꿀수 있다.

나. 단점

1) 실시간 동작을 하는 경우 하나의 입력 샘플에 대한 처리를 다음 샘플이 오기전

에 종료하지 않으면 안 된다. 그 때문에 취급하는 신호의 최고 주파수는 겨우 수백

kHz로 된다.

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2) 처리가 간단한 경우에도 ADC, DAC등의 주변회로를 포함한 회로 규모가 커지

며, 아날로그 회로에 의한 처리에 비해 가격대 성능 비가 낮아지는 경우가 있다.

3) 필터의 계수, 신호가 유한의 비트수로 근사되고 있기 때문에 특성의 오차가 발

생하기도하고, 연산결과에서 끝수를 잘라 버리거나 overflow등에 의한 잡음의 발생

에 주의할 필요가 있다.

3. 디지털 필터의 세부분류

가. 신호의 통과 대역으로 분류

1) 저역통과 필터(Low Pass Filter ; LPF)

2) 고역통과 필터(High Pass Filter ; HPF)

3) 대역통과 필터(Band Pass Filter ; BPF)

4) 대역저지 필터(Band Stop Filter ; BSF)

* 통과대역 (pass band) : 신호가 통과하는 대역

* 저지대역 (stop band) : 신호가 통과하지 않는 대역

나. 구현하는 알고리즘에 따른 분류

1) 버터워스(Butterworth) 필터

2) 체비세프(Chevyshev)형 필터

3) 베셀(Bessel)형 필터

4) FIR(Finite Impulse Response) 필터

5) IIR(Infinite Impulse Response) 필터

6) FFT(Fast Fourier Transform) 이용한 필터

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다. FIR 과 IIR 필터

순회형 필터(recursive filter) → IIR

비순회형 필터(nonrecursive filter) → FIR

1) FIR 필터

: 궤환로가 없다

2) FIR 의 특성

ㆍ 선형 위상 특성을 가진다.

ㆍ 궤한이 없기 때문에 항상 안정하다

ㆍ 높은 차수 filter 필요

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3) IIR 필터

4) IIR의 특성

ㆍ FIR filter 보다 적은 차수로 급준한 감쇠특성을 실현

ㆍ 선형 위상 특성 실현이 어렵다.

ㆍ 항상 stable 하지 않다.