[논문 리뷰] Internet of things: a multiprotocol gateway as solution of the interoperability problem

Wilder E. Castellanos, José Antonio Rosendo Macías외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 30.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다양한 무선 프로토콜(예: ZigBee, LoRa, WiFi)을 지원하고 센서 데이터를 MQTT를 통해 클라우드 전송을 위한 통일된 형식으로 변환함으로써 이질적인 장치 간의 상호운용성을 가능하게 하는 다중프로토콜 IoT 게이트웨이를 제안한다. 게이트웨이는 원거리 무선 노드로부터의 동시에 데이터 수신을 가능하게 하고, 효율적인 MQTT 통신을 통해 저에너지 소비를 달성하며, 센서와 액추에이터의 원격 설정을 지원한다.

ABSTRACT

One of the main challenges of the Internet of Things is the interoperability of highly heterogeneous devices, mainly in terms of the communication capabilities and network protocols used. As consequence, the interconnection model of the different devices involves an intermediary device, known as gateway. This gateway is a centralized element for the management of the devices that make up an IoT application. In addition, it is essential for the transmission of information to the Internet, especially when many IoT devices are not IP-based. This chapter describes a proposed model for an IoT gateway that allows the exchange of data through different wireless technologies and forwarding of such data to the Internet. The proposed gateway has important advantages such as: supporting for multiprotocol interconnectivity, the remote configuration of wireless nodes for sensor and actuators management; a flexible algorithm totranslate the data obtained by sensors into a uniform format for transmission to a cloud server; low energy consumption due to efficient data transfer over MQTT protocol. In order to demonstrate the usefulness of the developed gateway, a proof of concept test was implemented. The implemented scenario consists of 2 wireless nodes responsible for sensing environmental variables and transmitting data to the gateway node through different communication protocols. The obtained results show the feasibility for simultaneous data transmission from the remote wireless nodes to the gateway. Metrics on energy consumption in the devices are also presented.

연구 동기 및 목표

• 다양한 통신 프로토콜을 가진 이질적인 IoT 장치 간의 상호운용성 문제를 해결한다.
• 다양한 IoT 장치를 관리하고 상호연결을 가능하게 하기 위해 중심화된 게이트웨이를 설계한다.
• 확장 가능한 배포를 위해 무선 센서 및 액추에이터 노드의 원격 설정을 가능하게 한다.
• 클라우드 처리를 위한 표준화된 센서 데이터 형식으로 변환할 수 있는 융통성 있는 데이터 번역 메커니즘을 구현한다.
• MQTT 프로토콜을 사용한 효율적인 데이터 전송을 통해 IoT 장치의 에너지 소비를 최소화한다.

제안 방법

• ZigBee, LoRa, WiFi를 포함한 다수의 무선 프로토콜에서 데이터를 수신할 수 있는 다중프로토콜 게이트웨이 개발
• 이질적인 센서 데이터를 클라우드 전송을 위한 통일된 데이터 형식으로 매핑하는 프로토콜 번역 레이어 구현
• 게이트웨이와 클라우드 서버 간의 경량적이고 효율적이며 저지연 통신을 위해 MQTT 프로토콜 사용
• 무선 노드의 원격 설정 기능을 통합하여 센서와 액추에이터의 동적 관리를 가능하게 함
• 다른 프로토콜을 통해 데이터를 전송하는 두 대의 무선 센서 노드를 사용한 개념 증명 시스템 구축
• 실제 환경 조건에서의 효율성을 평가하기 위해 무선 노드의 에너지 소비 지표 측정

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이질적인 IoT 환경에서 다수의 무선 통신 프로토콜 간의 상호운용성을 지원하는 단일 게이트웨이는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 다양한 프로토콜을 사용하는 다수의 원거리 무선 노드가 중앙 게이트웨이로 동시에 데이터 전송하는 것이 가능한가?
• RQ3 MQTT 프로토콜은 IoT 장치와 게이트웨이 간의 통신에서 에너지 소비를 줄이는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 게이트웨이는 무선 센서 및 액추에이터 노드의 원격 설정을 가능하게 하여 시스템의 관리 용이성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 제안된 게이트웨이 아키텍처를 사용할 경우 무선 노드의 실제 에너지 소비 지표는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 게이트웨이는 서로 다른 프로토콜(ZigBee 및 LoRa)을 사용하는 두 대의 원거리 무선 노드로부터 동시에 데이터 전송을 성공적으로 구현하였다.
• MQTT 프로토콜을 사용하여 클라우드로의 신뢰성 있고 일관된 데이터 포워딩이 이루어졌으며, 저지연 및 효율적인 통신을 보장하였다.
• MQTT를 사용함으로써 데이터 페이로드와 연결 오버헤드를 최소화하여 무선 센서 노드의 에너지 소비가 크게 감소하였다.
• 센서 및 액추에이터 노드의 원격 설정이 성공적으로 구현되어 IoT 시스템의 동적 관리 및 확장성이 향상되었다.
• 유연한 데이터 번역 알고리즘이 이질적인 센서 데이터를 표준 형식으로 효과적으로 변환하여 다양한 장치 간의 상호운용성을 보장하였다.
• 개념 증명 구현을 통해 다중프로토콜 게이트웨이의 실용성과 현실 적용 가능성은 확인되었다.