Analysis of Data Transfer Success Rate of LoRa and Zigbee Wireless Communication for the Smartfarm

Research

Analysis of Data Transfer Success Rate of LoRa and Zigbee Wireless Communication for the Smartfarm

Yong-Ju Moon¹, Joon Yong Kim², Hoseo Lee ¹, Tusan Park¹^*, Sun-Ok Chung ³, Hyun-Tae Kim⁴

¹Department of Bio-industrial Machinery Engineering, Kyungpook National University, Daegu, 41566, Republic of Korea

²Research Institute for Agriculture and Life Sciences, Seoul National University, Seoul, 08826, Republic of Korea

³Department of Biosystems Machinery Engineering, Chungnam National University, Daejeon, 34134, Republic of Korea

⁴Department of Bio-industrial Machinery Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Republic of Korea

December 2019
2019 1(1):1-5
Received Date: 23 September 2017
Revised Date: 02 December 2018
Accepted Date: 03 December 2018
DOI: 10.12972/pastj.20190001
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Abstract

LoRa (low-power, wide-range) or Zigbee (low-power, mid-range) wireless communication has been selectively considered to communicate between nodes (sensor-nodes and actuator nodes) and gateway for the environment monitoring and control in smartfarm. The choice is made by the communication distance based on the size of smartfarm. In this work, LoRa and Zigbee communication circuits (master and slave) were manufactured to analyze the communication success rate by the distance. The communication success rate of Zigbee started to drop after 200 m and maintain 40% of communication success rate at 400 m distance. The wireless communication protocol should be selected based on the location of the gateway together with communication success rate.

Keyword

Smartfarm, Wireless communication, LoRa, Zigbee, Greenhouse

Introduction

스마트팜을 주제로 다양한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 시설 내에서 최적화된 작물 재배 기술을 구현하고 환경제어를 자동화하기 위해 시설 내부 구조 설계 최적화(Uyeh et al., 2019)와 같은 연구부터 작물의 생육 상태 측정 (Basak et al., 2019; Lee et al., 2019), 작물의 생육환경 제어 (Kwon et al., 2018) 등이 이러한 사례들이다. 작물의 생육상태 및 환경정보는 다양한 센서로부터 측정되고 컴퓨터로 모이게 되어 이 정보를 기반으로 환경제어(Kim et al., 2018b)를 한다. 시설 내의 다양한 센서와 제어컴퓨터 사이는 유선 또는 무선으로 통신하는데, 유선통신은 센서와 엑츄에이터 마다 선으로 연결하여야 하기 때문에 온실 규모가 크고, 설치할 센서와 엑츄에이터가 많을수록 설치와 관리에 어려움이 따른다. 한편, 이를 무선통신으로 대체할 경우, 설치 용이성과 더불어 이동성도 갖추게 되어 고정된 센서 뿐만 아니라 향후에 자율 주행 시스템 또는 로봇 시스템으로부터 획득한 데이터 통신에도 적용할 수 있다. 따라서, 센서와 엑츄에이터로부터 무선통신으로 데이터를 수신하고, 제어신호를 발신하는 무선통신 시스템 개발에 대한 연구가 이어지고 있다 (Kim and Park, 2018). 더불어, 시설농업에서 준수해야하는 무선통신 표준을 따르는 시스템 개발에 관한 연구도 진행된 바 있다(Kim et al., 2018a; Park et al., 2019). 무선통신 스마트팜에서 다양한 센서들로부터 획득한 여러 계측 정보는 각각의 센서 노드를 거쳐 제어컴퓨터와 연결된 게이트웨이로 모이게 된다. 환경제어를 위해 시설 내의 다양한 엑츄에이터에 전달될 제어신호는 제어컴퓨터에서 게이트웨이로 그리고 엑츄에이터 노드로 전달된다. 이때, 각 센서 노드와 엑츄에이터 노드는 소비전력이 낮은 통신방식으로 게이트웨이와 통신하여야 하며 따라서, 저전력 통신기술인 LoRa 또는 Zigbee를 사용하여 통신할 수 있다. 두 무선통신 방식은 통신 데이터량이 작고, 상대적으로 적은 전력을 소비하는 통신 방식으로서 공통점이 있는 반면, LoRa는 장거리 통신용 Zigbee는 중거리 통신용으로 사용되고 있다. 이들의 이론적 통신거리는 각각 10 km와 300 m로 알려져 있다. 그러나, 통신거리와 통신 성공율은 다른 의미를 갖는다. 통신이 가능한 거리 내에서도 통신 성공율이 낮다면, 센서 노드로부터 획득한 데이터가 게이트웨이에 이르지 못하는 경우가 생길 수 있기 때문이다. 본 연구는 LoRa와 Zigbee 각각의 상용 모듈을 이용하여 센서노드와 게이트웨이기능을 하는 회로부를 제작하여 두 회로부 사이 거리에 따른 두 무선통신방식의 통신 성공율을 분석하였다.

Materials and Methods

온·습도 센서로부터 측정한 하나의 데이터가 두 무선통신 방식(LoRa, Zigbee)을 통해 송신되고, 각 통신방식의 수신부에서 수신데이터를 저장하는 회로부를 구성하였다 (Fig. 1).

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Fig. 1. Configuration of the LoRa and Zigbee wireless data communication system.

주 회로부(Master)는 게이트웨이의 기능을 하는 데이터 수신부로서 LoRa와 Zigbee를 통해 수신된 각각의 데이터를 저장하는 기능을 한다. LoRa를 통한 데이터 수신에 RF SMA Antenna (PL-A900, pLNetworks corp., Seongnam, Rep. Korea), LoRa 통신모듈 (PLM100, pLNetworks corp., Seongnam, Rep. Korea), PLM100 인터페이스 회로 (PL-EVK1, pLNetworks corp., Seongnam, Rep. Korea)을 사용하였다. Zigbee를 통한 데이터 수신에 Zigbee USB adaptor (ProBee-ZU10, Chipsen Co. Ltd., Gwangmyeong, Rep. Korea)를 사용하였다. LoRa와 Zigbee를 통해 수신된 데이터는 Raspberry Pi 3 (Model B, Raspberrypi, Cambridge, UK)에 저장하고, 데이터 통신 성공율을 LCD 화면에 표시하도록 시스템을 구성하였다. 보조 회로부(Slave)는 센서노드의 기능을 하는 데이터 송신부로서 디지털 온·습도 센서(AM2301, Guangzhou Aosong Electronics Co. Ltd., Gwangzhou, China)를 통해 측정된 데이터는 Raspberry Pi 3를 거쳐 LoRa와 Zigbee를 통해 주 회로부(Master)로 송신하는 기능을 한다. LoRa를 통한 데이터 송신에 PLM100 인터페이스 회로 (PL-EVK1, pLNetworks corp., Seongnam, Rep. Korea), LoRa 통신모듈 (PLM100, pLNetworks corp., Seongnam, Rep. Korea), RF SMA Antenna (PL-A900, pLNetworks corp., Seongnam, Rep. Korea)로 구성하였다. Zigbee를 통한 데이터 송신에는 Zigbee USB adaptor (ProBee-ZU10, Chipsen Co. Ltd., Gwangmyeong, Rep. Korea)를 사용하였다. Fig. 2는 주 회로부와 보조 회로부를 구성한 사진이다. 주 회로부와 보조 회로부 사이에 장애물 없이 거리를 벌려가며 무선통신 성공률을 측정하였다. 두 회로부 사이의 거리는 단거리(1-10 m), 중거리(10-100 m), 장거리(100-700 m)로 구분하고, 단 거리 구간은 회로부 사이 거리를 2배씩 늘리고, 중거리 구간은 20 m씩 그리고 장거리 구간은 100 m씩 늘려가며 어느 한쪽의 통신 성공율이 0%가 되는 700 m까지 무선데이터 통신 성공률을 측정하였다. 보조 회로부에서 측정한 온·습도 데이터는 1분에 3개의 데이터를 송신하도록 프로그래밍 하였으며, 두 회로부 사이의 거리를 늘려가면서 5분 동안 주 회로부에서 수신된 데이터 수를 측정하여 무선데이터 통신 성공률을 분석하였다. 두 회로부는 지상에서 1 m의 높이를 유지하며 측정하였다.

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Fig. 2. Image of master and slave module for LoRa and Zigbee wireless data transfer.

Results and Discussion

주 회로부와 보조 회로부 사이의 거리를 벌려가면서 두 무선통신의 데이터 통신 성공률을 측정하고 분석한 결과 1-200 m 사이에는 LoRa와 Zigbee 모두 93% 이상의 데이터 통신 성공률을 보였다. 이 구간에서 LoRa와 Zigbee의 데이터 통신 성공률의 변화가 동일한 특성을 보인 것은 무선통신에 영향을 줄 수 있는 주변 조건들이 두 무선통신에 동일하게 영향을 주었기 때문으로 보인다. 그러나, 주 회로부와 보조 회로부사이의 거리가 200m 이상일 경우, LoRa 무선통신 성공률은 93% 이상을 보인 반면, Zigbee의 무선통신 성공률은 300 m에서 51%, 400 m에서 40%, 700m에서 0%로 현저히 낮아지는 결과를 보였다 (Fig. 3). 두 무선통신 방식의 이론적 통신거리는 LoRa와 Zigbee 각각 10 km와 300 m라고 알려져 있으나, 거리에 따른 통신 성공율을 분석한 결과, LoRa와 Zigbee 모두 통신거리와 무관하게 100%의 통신성공율을 보이지 않았다. LoRa와 Zigbee 모두 저전력 무선통신 방식으로서 IoT (internet of things) 분야에서 활용성이 높아질 것으로 기대되는 기술이다. 농업에는 시설 스마트팜 뿐만 아니라 노지 스마트팜에도 활용도가 높아질 것으로 기대된다. 두 통신 방식 모두 통신성공율이 완벽하지 못하지만, 동일한 데이터의 송신 횟수의 조절로 이를 보완할 수 있다. 하지만, 노드와 게이트웨이 사이 거리는 무선통신 방식에 따른 통신 유효 거리내에 위치해야 하기 때문에 스마트팜 규모에 따라 무선통신 방식을 결정하는 것이 바람직하다. 게이트웨이 설치 위치에 따라 스마트팜 내에 통신 가능영역이 달라질 수 있어 중요한 변수가 된다. 따라서, 스마트팜 내에 무선통신 방식을 결정할 때에는 무선통신방식에 따른 통신 가능 거리 뿐만 아니라 통신 성공율을 함께 고려하여 시설 내의 게이트웨이 설치 위치 그리고, 센서 노드 및 엑츄에이터 노드의 위치를 결정함으로써 안정적인 시스템을 구성하는 것이 바람직하다.

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Fig. 3. Wireless data transfer success rate by the distance between master and slave module of LoRa and Zigbee.

References

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