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A Study on Design of Interconnection Middleware Adaptor for Intelligent Home Network Devices
A Study on Design of Interconnection Middleware Adaptor for Intelligent Home Network Devices
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering. 2014. Jul, 18(7): 1727-1733
Copyright © 2014, The Korea Institute of Information and Commucation Engineering
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/li-censes/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : March 31, 2014
  • Accepted : May 13, 2014
  • Published : July 31, 2014
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기현 황
hwanggh@gdsu.dongseo.ac.kr

Abstract
본 논문에서는 지능형 홈 네트워크 디바이스간의 상호연동 미들웨어 Adaptor를 설계하였다. 홈 네트워크 상호연동 미들웨어 Adaptor는 UPnP, LonWorks, LnCP, HAVi 등 다양한 형태의 미들웨어가 존재하고, 다수의 미들웨어를 연동하기 위해서는 기존 시스템을 수정이 필요하지만, 본 논문에서 설계한 상호연동 미들웨어 Adaptor는 다수의 미들웨어를 기존 시스템에 별도의 수정 없이 연동이 가능하도록 설계하였다. 설계한 상호연동 미들웨어 Adaptor에 대한 성능을 평가하기 위해 다양한 업체에서 생산한 디바이스를 이용하여 실험 장치를 구현하였고, 개발한 상호연동 미들웨어 Adaptor가 내장된 모바일 앱 프로그램을 개발하여 성능을 평가하였다.
Keywords
I. 서 론
홈 네트워크에서의 상호운용 기술은 댁내에 존재하는 임의의 홈 네트워크 기기간 상호 인식/제어/감시 등을 가능하게 하는 기술이다 [1] . 현재 홈 네트워크에는 AV 중심의 엔터테인먼트 네트워크, 가전제어를 위한 백색 가전 네트워크, 다양한 종류의 센서 네트워크 등의 다양한 기술이 존재한다. 이러한 다양한 네트워크 및 기기가 혼재된 상태로 홈 네트워크가 구성되고 있으며, 이러한 이종 네트워크 및 미들웨어 기반의 기기 간 상호 운용성 제공에 대한 요구가 증대하고 있다 [2 - 7] .
홈 네트워크 기기 간 상호 운용성 지원은 이론적으로 여러 가지 방법으로 가능할 수 있다. 홈 네트워크 디바이스에서부터 미들웨어를 통일하는 방법이 있을 수 있다. 하지만 이 방법은 이미 자신들이 가지고 있는 미들웨어를 포기해야 하는 다수의 기업들의 반발을 막지를 못 하면 실현 불가능한 일이다. 아니면 홈 네트워크 디바이스에 IP를 내장하는 방법이다. IP를 내장한다고 미들웨어 상호운용이 가능해지는 것은 아니다. 하지만 IP기반이 되면 지금 보다는 싶게 통합을 할 수 있을 것이다. 그렇지만 이 또한 생산업체들이 부담해야 하는 가격 정책에 문제가 될 수 있으므로, 모든 제품에 IP를 할당하는 데는 많은 시간이 소요될 것으로 예상된다.
그럼 방법은 최상단의 응용계층에서 상호운용 기술을 이용하는 것이다. 현재 나와 있는 UPnP, HAVi, OSGi 등 많은 통합 미들웨어가 존재한다. 다양한 통합 미들웨어 중에서 홈 네트워크에서는 UPnP 미들웨어를 통합 미들웨어로 많이 쓰고 있다. 그리고 어느 정도 UPnP를 이용하여 통합이 이루어지고 있다. 하지만 UPnP 미들웨어만으로 통합하기에는 홈 네트워크의 범위가 광범위하며 UPnP 미들웨어의 기능이 부족하다. 또한 UPnP 미들웨어 표준화 작업에 대한 성과는 미흡한 실정이다.
따라서 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해서 지능형 홈네트워크 디바이스간의 상호연동 미들웨어 Adaptor를 설계하였다. 상호연동 미들웨어 Adaptor에 대한 성능을 평가하기 위해 실험장치를 구현하였고, 설계한 상호연동 미들웨어 Adaptor가 내장된 모바일 앱프로그램을 구현하여 성능을 평가하였다.
II. 상호연동 미들웨어 Adaptor의 설계
- 2.1. 상호연동 미들웨어를 위한 홈 네트워크 구성
상호연동 미들웨어를 탑재한 홈 네트워크 구성은 그림 1 과 같다. 그림 1 에서 보는 것처럼, 상호연동 미들웨어를 이용하여 지능형 홈 네트워크 디바이스간의 서비스를 구현하기 위해서는 상호연동 미들웨어 Adaptor 설계, Engine API 구현이 필요하다. 그리고 상호연동 미들웨어 API를 사용하여 상호연동 미들웨어가 탑재된 제어기, 리모컨 앱, 통합서버 개발이 요구된다. 본 논문은 그림 1 의 홈 네트워크 구성에서 상호연동 미들웨어 Adaptor 설계 방법에 대한 연구를 진행하였다.
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네트워크 구성도 Fig. 1 Configuration of network
- 2.2. 상호연동 미들웨어 Adaptor 개발
본 논문에서는 홈 네트워크 상호연동 미들웨어 Adaptor에 대한 전체 구성은 그림 2 와 같다. 그림 2 에서 보는 것처럼, Adaptor는 공통 브릿지와 하위 미들웨어 및 로컬 디바이스를 연결하는 모듈로서 홈 네트워크 상호연동 미들웨어 엔진에게는 상호연동 미들웨어 Adaptor의 발견, 제어, 이벤트 등의 서비스를 제공한다. 또한 상호연동 미들웨어 엔진과의 접속설정 기능 및 상호연동 메시지와 로컬 메시지를 수신, 해석, 생성, 전송하며 상호연동 메시지와 로컬 미들웨어 메시지들 간의 상호 변환 기능 및 상호연동 미들웨어 브릿지 가상장치와 개별 단체 표준 미들웨어에 접속한 로컬 장치들 간의 상호변환 기능을 가지도록 구현하였다. 상호연동미들웨어 Adaptor 구성요소는 아래와 같다.
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상호연동 미들웨어 Adaptor 구조도 Fig. 2 Configuration of interconnection middleware adaptor
  • ○ API Listener : 기존의 미들웨어에서 Adaptor를 연결할 때 사용하고, 데이터를 받아 Parser 또는 Convert 모듈로 전달한다.
  • ○ Interface : 장비의 인터페이스로 장비와 연결할 때 사용하고, RS232C, LAN, Bluetooth, USB로부터 데이터를 받아 Parser 또는 Convert 모듈로 전달한다.
  • ○ Connector : 분석된 데이터를 상호연동 프로토콜 메시지로 변환하여 Connector모듈로 전달하고, 분석된 데이터를 장비 또는 기존 미들웨어 프로토콜 메시지로 변환하여 Interface, API Listener 모듈로 전달한다.
  • ○ Parser : API Listener, Interface, Connector로 들어오는 메시지를 분석하는 모듈이고, 분석된 데이터를 Convert 모듈로 전달한다.
  • ○ Convert : 분석된 데이터를 상호연동 프로토콜 메시지로 변환하여 Connector모듈로 전달하고, 분석된 데이터를 장비 또는 기존 미들웨어 프로토콜 메시지로 변환하여 Interface, API Listener 모듈로 전달한다.
  • ○ Event Handler : 장비에서 발생한 이벤트 처리 또는 이벤트를 등록/삭제한 서비스에 대한 이벤트 처리 모듈이다.
  • ○ List : 로컬상에 연결된 장비 목록과 다른 Adaptor에서 받은 장비 목록을 관리하는 모듈이며 실제적으로 가상 디바이스 목록을 관리하는 모듈이다.
  • ○ 가상 디바이스 : 단순한 메시지의 변환만으로는 미들웨어간 연동이 이루어 질 수 없다. 메시지 변환 이외에 또 하나의 중요한 필요 기능은 각 미들웨어의 장치 형태를 다른 미들웨어의 장치 형태로 변환하여 한 미들웨어에 접속한 디바이스를 타 미들웨어에서도 발견하고 제어한다.
그림 3 은 상호연동 미들웨어 Adaptor 메시지 처리 흐름도를 나타내었다. 그림 3 에서 보는 것처럼, API Listener, Interface, Connector 모듈에서 들어온 데이터를 Parser 모듈로 전달하고, 장비 또는 미들웨어에서 들어온 메시지를 분석 및 Convert 모듈에서 분석된 데이터를 상호연동 메시지로 변환한 후, 가상 디바이스에 저장되고 그 후에 Engine 및 미들웨어로 전송된다.
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상호연동 미들웨어 Adaptor 메시지 처리 흐름도 Fig. 3 Flowchart of interconnection middleware adaptor massage process
그림 4 는 상호연동 프로토콜 메시지 형식을 나타내었다. 상호연동 프로토콜 메시지는 크게 Header와 Body로 구성된다. Header에는 메시지의 전체 사이즈, 전송 및 수신 어댑터 아이디, 메시지 타입, 메시지 인코딩 타입, 메시지 세부 타입, 체크섬으로 구성된다. 메시지 체크섬은 메시지의 무결성을 확인하기 위한 값이다. Body에는 Header에 기술된 메시지 타입에 의하여 그 내용이 결정된다.
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상호연동 프로토콜 메시지 구조 Fig. 4 Structure of massage for interconnection protocol
그림 5 는 상호연동 프로토콜 메시지 송수신 방법을 나타내었다. 그림 5 에서 보는 것처럼, 상호연동 어댑터와 상호연동 엔진 사이에 송수신 되는 방법이다. 어댑터가 메시지를 전송하기 위해서는 상호연동 엔진으로 먼저 연결을 하고 연결 수락을 받은 뒤 메시지를 전송하고 응답을 받는다. 상호연동 엔진이 메시지를 전송하기 위해서는 상호연동 어댑터로 먼저 연결을 하고 연결 수락을 받은 뒤 메시지를 전송하고 응답을 받는다.
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상호연동 프로토콜 메시지 송수신 방법 (a) 상호연동 어댑터에서 상호연동 엔진으로 메시지 전송 (b)상호연동 엔진에서 어댑터로 관리 메시지 전송 Fig. 5 Method of massage transmitter/receiver for interconnection protocol (a) Interconnection adaptor ⇒ Interconnection engine (b) Interconnection engine ⇒ adaptor
그림 6 은 상호연동 프로토콜 관리 메시지를 나타내었다. 상호연동 프로토콜 관리 메시지는 그림 6 과 같이 어댑터와 상호연동 엔진 사이에 연결된 세션에서 상호연동 관리 프로토콜과 상호연동 메시지 프로토콜로 분류 된다. 상호연동 관리 프로토콜은 어댑터 등록, 어댑터 삭제, 변환 규칙 등록, 상호연동 엔진 정보 요청, 상호연동 엔진 상태요청, 어댑터 오류, 어댑터 정보요청, 어댑터 상태요청, 어댑터 동작 확인, 상호연동 엔진 오류 10가지 종류의 메시지 송수신 방식으로 정의된다.
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상호연동 프로토콜 관리 메시지 종류 Fig. 6 Management massage of interconnection protocol
그림 7 은 상호연동 프로토콜 메시지 종류를 나타내었다. 상호연동 메시지 프로토콜은 네트워크 정보, 기기 등록 명세, 기기간 연결 지도 정보, 어플리케이션 명세, 기기 제어 응답, 센서 데이터 처리, 기기 실행, 기기 목록, 기기 삭제, 기기 정보 요청, 센서기기 구독 등록, 센서기기 구독 취소, 센서기기 구독 갱신, 미들웨어 고유 메시지 등 15가지 종류의 메시지 송수신 방식으로 정의된다.
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상호연동 프로토콜 메시지 종류 Fig. 7 Interconnection protocol massage
  • ○ 상호연동 어댑터 등록은 상호연동 엔진에 접속하는 절차로 상호연동 엔진과 통신 세션을 만들고 어댑터 등록 메시지를 전송하고 그 응답으로 어댑터 아이디를 할당 받는다.
  • ○ 상호연동 어댑터 삭제는 상호연동 엔진과 어댑터 간의 연결을 끊기 위해서 사용된다. 어댑터에서 연결을 끊기 위해서 상호연동 엔진에 어댑터 삭제 메시지를 전달하고 그 응답을 받은 후에 TCP 센션을 끊는다. 상호연동 엔진은 연결되어 있는 모든 어댑터에 해당 어댑터의 삭제를 통보한다.
  • ○ 상호연동 어댑터 변환 규칙 등록은 로컬 미들웨어기기 명세를 상호연동 기기 명세(IWML)로 변경하기 위한 변환 규칙을 등록하는 절차이다. 상호연동 어댑터에서는 명세 변환에 필요한 네트워크 구성, 기기 명세, 기기 연결 지도 정보, 어플리케이션 명세, 제어, 제어 응답, 센서, 실행, 기기 목록, 기기 삭제, 기기 명세 요청, 기기 상태 구독 등록, 기기 상태 구독 취소, 기기 상태 구독 갱신, 미들웨어 고유 메시지 등 15개 규칙을 쌍으로 등록한다.
  • ○ 상호연동 엔진 정보 요청은 엔진의 정보를 요청하는 절차이다. 상호연동 엔진의 정보는 상호연동 엔진 이름, 상호연동 엔진 통신 IP, 상호연동 엔진 통신 포트(port), 상호연동 엔진 버전 등이 있다.
  • ○ 상호연동 어댑터 오류 메시지는 어댑터가 오류를 상호연동 엔진에 알리기 위해 사용된다.
  • ○ 상호연동 어댑터 정보 요청은 어댑터의 정보를 요청하는 절차이다. 상호연동 어댑터 정보는 어댑터 이름, 어댑터 IP, 어댑터 포트(port), 어댑터 버전, 어댑터 ID 등이 있다.
III. 사례연구
그림 8 은 상호연동 미들웨어 Adaptor API를 나타내었다. Adaptor API는 상호연동 Engine에 연결이 가능하고, 로컬 미들웨어 메시지 변환 규칙 등록 기능 및 로컬 미들웨어 메시지를 상호연동 Engine에 전달 기능이 내장되어 있다. 그리고 상호연동 Engine에서 오는 메시지 수신기능 및 상호연동 Adaptor 장애 발생 시 이를 전달하는 기능을 가지고 있다.
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상호연동 미들웨어 API Fig. 8 Interconnection middleware API
그림 9 는 상호연동 미들웨어 Adaptor가 탑재된 안드로이드기반의 모바일 앱을 나타내었다. 홈 네트워크 디바이스 검색 및 상호연동 미들웨어 프로토콜 분석하여 자동 UI 변환 기능과 홈 네트워크 디바이스 상태 및 제어 기능, 방법/방재 알림 기능 및 홈 네트워크 환경관리 기능을 가지고 있다. 주요기능은 다음과 같다.
  • ○ 상호연동 미들웨어 프로토콜을 분석하여 사용자 UI로 자동 변환
  • ○ 장비의 상태를 사용자가 실시간으로 확인할 수 있는 UI 제공
  • ○ 장비를 제어할 쉽게 제어할 수 있는 UX 제공
  • ○ 방법 방재에 알림 UI 제공
  • ○ 홈 네트워크 환경관리 기능
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상호연동 미들웨어 앱 프로그램 Fig. 9 Interconnection middleware APP
본 논문에서 설계한 상호연동 미들웨어 Adaptor에 대한 성능을 평가하기 위해 그림 10 과 같이 상호연동 미들웨어 Adaptor에 탑재된 실제 실험장치를 제작하였다. 그림 10 에서 보는 것처럼, 도어센서, 활동센서, 환경센서, 화재센서, CO센서, 가스센서, 가스차단기, 가스 제어기, IR 제네레이터, 통합운영서버 및 상호연동 제어기로 구성된다. 그림 11 은 상호연동 미들웨어 Adaptor에 대한 성능을 평가하는 실험사진을 나타내었다. 그림 11(a) 는 모바일 Pad의 전등 아이콘 터치 시 전등이 ON/OFF 되는 실험결과이다.
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실험장치 Fig. 10 Experiment device
그림 11(b) 는 가스차단기가 켜져 있거나 가스 센서에 반응이 올 경우 모바일Pad의 가스밸브 아이콘 터치 시자동으로 잠김 상태 성능이다. 그림 11(c) 는 활동센서의 감지가 있을 경우 112로 연결하시겠습니까? 라는 안내문 팝업에 대한 성능시험이다.
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성능평가 (a) 전등 스위치 (b) 가스차단기 (c) 활동센서 Fig. 11 Evaluation of performance (a) Lighting switch (b) Gas breaker (c) Active sensor
IV. 결 론
본 논문에서는 홈네트워크 상호연동 미들웨어 Adaptor를 개발하여 다수의 미들웨어를 기존 시스템에 별도의 수정 없이 연동이 가능하도록 설계하였다. 설계한 상호연동 미들웨어 Adaptor에 대한 성능을 평가하기 위해 다양한 업체에서 생산한 디바이스를 이용하여 실험 장치를 구현하였고, 개발한 상호연동 미들웨어 Adaptor가 내장된 모바일 앱 프로그램을 개발하여 성능을 평가하였다. 설계한 상호연동 미들웨어 Adaptor은 성능평가에서 홈 네트워크 디바이스간의 연동이 잘 되었고, 시스템을 동작하는데 있어서 우수한 성능을 보였다. 홈 오토메니션 서비스 제공업자에게 호환성을 제공하여 아파트의 원격모니터링 등 응용서비스를 제공하기 위한 기반 기술로 활용할 수 있다.
Acknowledgements
본 논문은 산업통상자원부, 부산광역시에서 지원하는 동서대학교 유비쿼터스 어플라이언스 지역혁신센터에서 지원받았음(과제번호. B0008352). 2014년도 동서대학교 학술연구조성 지원과제의 연구결과로 수행되었음.
BIO
황기현(Gi-Hyun, Hwang)
1996년 부산대학교 전기공학과 석사 졸업
2000년 부산대학교 전기공학과 박사 졸업
2003년 현재까지 동서대학교 컴퓨터정보공학부 교수
※관심분야 : RFID/USN, 임베디드 시스템, 영상처리, 진화연산, 지능제어
References
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