[논문 리뷰] Design of a Simplified Wireless Sensor Network Node based on MQTT Protocol

Zhen-tang Shao, Meng-xing Huang외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 23.

Water Quality Monitoring Technologies참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 아두이노 플랫폼을 통해 WiFi를 통해 MQTT 프로토콜을 사용하는 저전력 간소화된 무선 센서 네트워크 노드를 제시한다. 이 설계는 자원 사용을 최소화하고 확장성을 고려하여 스마트 홈, 환경 모니터링, 헬스케어와 같은 IoT 애플리케이션에 효율적으로 구현할 수 있도록 한다. 이로 인해 대역폭과 처리 오버헤드가 감소한다.

ABSTRACT

MQTT protocol is a publish/subscribe message protocol based on TCP/IP protocol. It has the characteristics of low power consumption, scalability, openness and simplicity. HTTP protocol is an open and low-cost request/reply message protocol based on TCP/IP protocol. It is the main protocol of Internet communication, but it is not suitable for the environment of computing, processing and bandwidth limited. In this paper, a simplified wireless sensor network node was designed based on MQTT protocol. The node was designed to use the Arduino development environment and use the WiFi for networking. It has the characteristics of simple structure, low power consumption and so on. The design can be widely used in smart home, environmental monitoring and medical applications, and is the main contents of the Internet of things (IoT).

연구 동기 및 목표

• 자원 제약이 있는 IoT 환경에 적합한 단순화되고 저전력의 무선 센서 노드를 개발하기 위해.
• 대역폭이 제한된 환경에서 효율적인 통신을 위해 경량의 퍼블리시/서브스크립션 모델을 활용하기 위해.
• 광범위한 적용성과 설치 용이성을 위해 접근하기 쉬운 하드웨어와 소프트웨어(아두이노)를 사용해 노드를 구현하기 위해.
• 스마트 홈과 환경 모니터링과 같은 실제 IoT 시나리오에서의 구현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 노드는 네트워크 연결을 위한 통합 WiFi 기능을 갖춘 아두이노 기반 마이크로컨트롤러를 사용하여 구축된다.
• 통신의 핵심으로 MQTT 프로토콜을 사용하여 TCP/IP 기반의 효율적인 퍼블리시/서브스크립션 메시징을 지원한다.
• 전력 소모와 하드웨어 복잡성을 줄이기 위해 최소한의 외부 부품을 사용하도록 설계된다.
• 소프트웨어 스택은 아두이노 환경에서 실행되어 개발 및 통합을 단순화한다.
• 노드는 센서 데이터(예: 온도, 습도)를 측정할 때마다 MQTT 브로커에 퍼블리시하도록 설정된다.
• 표준 MQTT 인fra구조를 사용함으로써 기존 IoT 시스템과의 확장성과 상호운용성을 지원하는 아키텍처를 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신뢰할 수 있는 통신을 유지하면서도 전력 소비와 자원 소비를 줄이기 위해 무선 센서 노드를 어떻게 단순화할 수 있는가?
• RQ2 제약이 있는 IoT 환경에서 기존의 HTTP 프로토콜에 비해 MQTT 프로토콜이 얼마나 뛰어난 성능을 보이는가?
• RQ3 저비용 아두이노 기반 플랫폼이 실용적인 IoT 응용 분야에서 MQTT 기반 센서 네트워킹을 효과적으로 지원할 수 있는가?
• RQ4 MQTT를 사용하여 최소화된 확장 가능한 센서 노드를 구현할 때의 주요 설계 상충 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 노드는 효율적인 MQTT 프로토콜과 최소한의 하드웨어 프로파일 덕분에 저전력 소비를 달성한다.
• MQTT의 사용은 HTTP 기반 대안에 비해 대역폭 사용을 줄이고 신뢰할 수 있으며 확장 가능한 통신을 가능하게 한다.
• 아두이노와 WiFi 모듈을 사용한 구현은 연구자와 실무자 모두에게 개발 용이성과 광범위한 접근성을 보장한다.
• 환경 모니터링 및 스마트 홈 시스템과 같은 실제 IoT 애플리케이션에의 구현 가능성이 입증된다.