3.2.1 제어부(MCU)

제어부는 수집 장치의 핵심 프로세싱 모듈로서, 각종 센서 데이터의 수집·전처리·이벤트 감지 및 상위 운영서 버와의 통신 프로토콜 처리를 담당한다.

1) 제어부의 주요 기능

제어부의 주요 기능으로는 센서 데이터의 수집과 수집된 데이터를 표준 이더넷 통신으로 변환하여 운용 서버로 전달하는 기능과 센서의 전원제어, 온도측정 및 실시간 동기 Clock을 제공하는 기능을 제공한다.

또한 제어부는 소프트웨어의 원격 다운로드를 통해 프로그램 업데이트하고 LED 모듈을 통한 상태 표시 등을 수행한다.

2) 제어부의 구성

제어부는 ARM Cortex-M4 기반의 고성능 마이크로컨트롤러를 중심으로 구성되며, 구조는 그림 7과 같다.

그림 7. 제어부 구조도

Fig. 7. Control unit architecture

제어부의 코어(Cortex-M4 프로세서)는 센서에서 들어오는 데이터를 처리 및 필요한 계산 및 로직을 수행하고, 메모리(플래시 메모리, SRAM)는 처리된 데이터를 저장하거나, 프로그램 코드를 저장하는 데 사용된다. 이들 상호간 메모리 사용과 접근을 최적화하는 프로세서에 메모리 관리 장치(MMU)가 관여한다.

또한 주변 장치(타이머, ADC, DAC, SPI, I²C, USART 등)는 센서 데이터 수집 및 외부 통신을 수행하며, 버스 시스템(AHB, APB 버스)을 통하여 MCU 내부의 구성 요소간 데이터가 효율적으로 연동되도록 한다.

GPIO 핀은 외부 센서와의 연결 및 데이터 입출력을 담당한다.

3) 제어부의 디지털 데이터의 처리

MCU 내부의 다양한 통신 인터페이스(GPIO, UART, I²C, ADC 등)를 통해 입력된 센서 데이터는 스케일링, 필터링, 노이즈 제거 및 신호 안정화 등 전처리 과정을 거쳐 디지털 데이터로 변환된다. 전처리된 데이터는 MCU 내부 플래시 메모리에 저장되며, 64 KB 용량의 CCM(Core Coupled Memory)은 실시간 연산 성능을 향상시키기 위해 사용된다.

대용량 데이터 처리 또는 장기 저장이 필요한 경우에는 외부 메모리 컨트롤러(FMC)를 통해 외부 SRAM, SDRAM 등으로 데이터를 확장 저장할 수 있다. 또한 MCU는 전처리된 데이터를 기반으로 위험 수준 초과, 장치 이상과 같은 이벤트를 감지하고 이에 대한 제어 로직을 수행한다. 센서 전원 제어부와의 연동을 통해 필요시 전원을 차단하거나 공급함으로써 소비전력을 최적화할 수 있다.

제어부에 적용된 고성능 마이크로컨트롤러는 16개의 스트림 DMA(Direct Memory Access) 컨트롤러를 내장하고 있어, MCU의 개입 없이 주변장치와 메모리 간의 고속 데이터 전송을 가능하게 한다. 이는 다종 센서 데이터의 동시 수집 또는 Ethernet 전송 시 MCU 부하를 효과적으로 감소시켜 전체 시스템의 처리 효율을 향상시키는 핵심 요소로 작용한다.

4) 전송을 위한 표준 인터페이스

전처리된 센서 데이터는 표준 Ethernet 통신 인터페이스를 통해 상위 운영서버로 전송된다. 본 장치에 적용된 마이크로컨트롤러는 전용 DMA가 탑재된 10/100 Mbps Ethernet MAC(Media Access Control) 인터페이스를 내장하고 있으며, IEEE 1588v2(Precision Time Protocol)의 하드웨어 타임스탬프 기능을 지원한다. 이를 통해 정밀한 시간 동기 기반 데이터 관리가 가능하다.

또한, MAC 계층과 물리 계층(PHY) 간 통신을 위한 MII(Media Independent Interface)/RMII(Reduced MII) 인터페이스를 제공하며, 이는 외부 Ethernet PHY 칩과의 안정적인 연결을 보장한다.

5) 네트워크 전송을 위한 프로토콜

CPU에서 처리된 센서 데이터는 Ethernet MAC을 통해 Ethernet 프레임(패킷) 형태로 캡슐화되며, 이 과정에서 IP, TCP 또는 UDP 헤더가 추가된다. 생성된 Ethernet 프레임은 물리 계층(PHY)을 통해 운영 서버로 전송된다. 본 연구에서는 상위 애플리케이션 프로토콜로 TCP/IP 기반의 HTTP(Hyper Text Transfer Protocol)를 적용한다.

HTTP 애플리케이션 계층 구조는 그림 8과 같으며, 본 구조는 센서 데이터 보고, 이벤트 보고, 원격 제어 명령 수신 등 다양한 서비스 처리를 가능하게 한다.

그림 8. HTTP 어플리케이션 계층 구조

Fig. 8. HTTP application layer architecture

3.2.2 인터페이스부

인터페이스부는 외부 IoT 센서 및 철도 선로변 시설물과의 연결을 담당하며, 다양한 물리적·논리적 인터페이스를 통해 센서 데이터를 수집 장치의 제어부로 전달하는 역할을 수행한다. 본 연구에서 인터페이스부에 적용한 센서 종류는 표 5와 같다.

1) 인터페이스부의 주요 기능

인터페이스부의 주요 기능은 전원제어, DC/DC 컨버터 및 24V 승압회로, 제어부와 센서 장치의 연동, 각종 센서/제어 데이터 입출력 등을 수행하며, 연동되는 인터페이스의 종류는 유선 통신(RS-232, RS-485, Ethernet, Digital, Analog 등)과 무선 통신(LTE-R, 상용-LTE, LoRa 등)으로 연동된다.

2) 인터페이스부 회로 설계 및 기능 구현

Ethernet 회로는 수집 장치와 운영 서버 간 TCP/IP 기반 양방향 통신을 수행하기 위해 구성되며, 센서 데이터의 주기 보고, 이벤트 보고, 원격 펌웨어 업데이트를 지원한다.

전력 절감을 위해 Ethernet 전원 제어 기능을 적용하며, TR 스위칭 설계를 통해 Ethernet 통신의 사용 여부에 따라 전원 ON/OFF를 제어한다. 또한 RJ45 포트 사용 여부에 따라 포트 연결 경로를 자동 차단하는 기능을 포함한다.

입력 전원은 9~30V 범위를 지원하도록 설계하며, 이를 12 V로 변환한 후 다시 DC 5V 및 DC 3.3V로 분리하여 제어부 및 센서 구동 회로에 안정적으로 공급한다. 24V 승압 회로 및 ESD(정전기 보호) 회로도 포함하여 선로변 환경에서 발생할 수 있는 전기적 위험 요소를 최소화한다.

3) IoT 센서와 데이터 수집 장치 연동

수집장치는 다양한 형태의 센서 신호(전압, 전류, 디지털, PWM 등)를 수용할 수 있도록 설계되며, 센서 인터페이스 보드를 통해 물리적 신호를 제어부가 처리 가능한 디지털 신호로 변환한다.

또한 피난 유도등, 터널 조명, CCTV 등 외부 시설물은 TCP/IP 기반 제어 프로토콜을 통해 연동하도록 설계하며, 전체 제어 블록도는 그림 9와 같다.

그림 9. 센서 데이터 수집 장치 제어 블럭도

Fig. 9. Sensor data acquisition device control configuration diagram

3.2.3 센서 수용을 위한 Interface 종류

1) 1-Wire Interface

1-Wire 인터페이스는 단일 데이터선(DQ)과 접지(GND)만으로 구성되며, 온도·습도 센서 연동에 적용한다. 마스터–슬레이브 구조를 기반으로 하며, 각 슬레이브는 고유한 64비트 ROM ID를 가지므로 다중 센서의 동일 버스 연결 시 주소 충돌 없이 개별 제어가 가능하다.

2) I²C Interface

I²C는 두 개의 양방향 신호선(SDA, SCL)을 사용하는 직렬 통신 방식으로, 황화수소(H₂S), 일산화탄소(CO), 산소(O₂) 등 디지털 가스센서의 파라미터 설정 및 측정값 수신에 사용된다.

3) GPIO Interface

General-Purpose Input/Output은 단순 디지털 입력/출력 신호를 처리하는 범용 인터페이스로, 기울기 센서, 움직임 감지 센서, 화재 감지 센서 등 디지털 On/Off 기반의 센서 연동에 사용된다.

GPIO는 단순 구조와 빠른 응답성이 요구되는 센서에 적합하다.

4) ADC Interface

ADC 인터페이스는 로드셀 기반 무게 센서 및 변형률·침하·내공변위 등 아날로그 출력 센서에 적용되며, 센서의 미세전압을 정확하게 측정하기 위해 증폭(AMP), 필터링, 오프셋 보정 등의 신호 컨디셔닝을 수행한다.

포일 스트레인 게이지 계측의 경우 압축·인장에 따른 저항 변화량을 전압 신호로 변환하여 ADC에 입력한다.

5) UART Interface

UART는 비동기 직렬 통신 방식으로, 수위 센서와 같이 주기적 데이터 전송 형태의 센서에 적용한다. 센서로부터 전달되는 데이터는 UART Interrupt 기반으로 수신하여 MCU 처리부의 부하를 최소화하며, Full-Duplex 통신을 통해 안정적인 데이터 교환을 수행한다.

6) RS-485 Interface

RS-485는 철도 환경에 적합한 차동신호 기반 통신 방식으로, 본 연구에서는 리튬 인산철(LiFePO₄) 배터리의 상태 정보를 조회하고 제어하기 위해 적용한다.

7) 표준 Modbus/TCP Interface

Modbus/TCP는 이더넷 기반 산업용 필드버스 프로토콜로, 터널 피난유도등·조명제어 등 설비 제어 기능을 위해 적용한다. 표준화된 프레임 구조를 사용하므로 상호운용성이 높으며, 기존 철도 통신 인프라(Ethernet Backbone)와의 직접 연동이 가능하다. 그림 10은 Modbus/TCP 프레임 구조를 나타낸다.

그림 10. 표준 Modbus/TCP 프레임 구조

Fig. 10. Standard Modbus/TCP frame structure

8) ISAP Interface

ISAPI(Internet Server Application Programming Interface)는 Ethernet 기반 CCTV·NVR·VMS 시스템에서 PTZ 제어, 영상 스트림 요청 등 장비 간 상호운용성을 제공하는 표준 API이다. 본 연구에서는 선로변 CCTV의 PTZ 제어 및 상태 조회를 위해 ISAPI 기반 HTTP/HTTPS 통신을 활용한다.

3.2.4 전원부

전원부는 일반 상용전원(AC 220V)과 태양광을 모두 사용할 수 있도록 설계한다. 에너지 저장 장치는 리튬인산철(LiFePO₄) 배터리를 적용하여 수명과 안전성을 확보한다. 전원관리 시스템을 통해 감시·제어되며, 원격에서 전압, 전류, 충·방전 상태 등을 감시할 수 있게 구성한다.

4.4.1 IoT 센서 인터페이스 구성 및 시험 방법

수집 장치를 중심으로 다양한 센서를 적정 인터페이스로 연결하고, 센서별 성능 기준에 따라 계측값의 정확도와 안정성을 검증하였다.

각종 센서의 동작 성능 및 인터페이스 수용성을 검증하기 위해 그림 11과 같이 시험 환경을 구성하였다.

그림 11. IoT 센서 시험 구성도

Fig. 11. IoT sensor test configuration diagram

4.4.2 센서별 성능 기준 및 결과

센서별 성능 시험 결과는 표 8과 같으며, 모든 센서는 설정한 기준을 만족하였다.

4.5.1 수집 장치의 성능 검증

제안된 데이터 수집 장치는 센서 데이터의 수집·처리·전송 시험에서 목표 성능을 상회하는 결과를 보였다. 데이터 전송 정확도는 100개 전송 시 100개 수신(정확도 100%)으로 측정되었으며, LTE 기반 통신을 이용한 데이터 전송 지연 시간은 최대 7초 이내로 확인되어 실시간 대응이 요구되는 철도 현장 적용에 적합한 수준임을 확인하였다.

위치 오차 시험 결과, 10대의 수집장치 모두에서 좌표 오차 0 m(정확도 100%)로 측정되어, 유지보수 인력의 신속·정확한 위치 파악을 지원할 수 있음을 입증하였다. 운영서버는 통계·분석·예측 기능을 위한 DB 테이블을 15개 이상 구성하고, 각 기능별 10건 이상의 정보 표출이 가능하여 단순 데이터 수집을 넘어 상태 진단 및 이상 예측까지 수행 가능한 구조를 갖추었다.

또한 통신 프로토콜은 TCP/IP 기반 표준 구조를 사용함으로써 상위 시스템 및 타 플랫폼과의 연동성과 향후 확장성을 확보하였다.

4.5.2 선로변에서의 안전성 검증

철도 선로변의 특수한 환경(먼지, 습기, 극한 온도, 진동, 낙뢰 등)을 고려한 방진·방수, 내한·내열, 진동, 충격, 서지 시험 결과, 모든 항목에서 관련 KS C IEC 규격 기준을 만족하였다. IP66 등급 방진·방수 성능과 -40 ℃ 환경에서의 내한 시험, 철도차량 환경을 고려한 진동·충격 시험 및 서지 내성 시험을 통과함으로써, 다양한 외란 환경에서도 장기간 안정적인 운용이 가능함을 확인하였다.

또한 태양광 기반 독립형 전원 환경에서도 5일 10시간 이상 연속 운용이 가능함을 검증하여, 상시 상용전원 공급이 어려운 선로변 환경에서도 실질적인 적용 가능성이 있음을 확인하였다.

4.5.3 다양한 인터페이스 수용 성능 검증

다양한 IoT 센서 인터페이스는 마이크로컨트롤러(MCU)를 마스터로, 각 센서를 슬레이브 장치로 구성하는 구조로 검증하였다. MCU는 각 슬레이브의 고유 주소를 사용하여 특정 센서와 통신하고, 데이터 전송 후 ACK/NACK 신호를 통해 통신 성공 여부를 확인하였다.

이를 통해 제안된 수집장치는 1-Wire, I²C, GPIO, ADC, UART, RS-485 등 다수의 인터페이스를 안정적으로 지원하며, 각 센서의 물리량을 전기적 신호로 변환하여 디지털 데이터로 처리하는 전체 연동 기능이 정상적으로 동작함을 검증하였다. 이는 철도 선로변에 설치된 다양한 이기종 센서를 단일 플랫폼에서 통합 관리할 수 있는 기반 기술로서 의미가 있다.