교실 네트워크 번역(한국어 원본)III. 교실 네트워크 시뮬레이터의 설계
1. 교실 네트워크 시뮬레이터의 구조
1.1 시뮬레이터 구조
교사가 교실 네트워크를 통해 스마트폰으로 교실 내의 각종 멀티미디어 기기를 조정할 수 있는 지능형 교실 네트워크 시뮬레이터의 구조를 [그림 1]과 같이 설계하였다.
시뮬레이터는 교실 서버, 코디네이터, 엔드 디바이스로 구성된다. 교실 서버는 스마트폰을 통해 사용자의 명령을 입력받고 사용자의 명령에 맞게 멀티미디어 기기를 조절하는데 필요한 메시지를 생성해 코디네이터에 전달한다.
코디네이터는 각 엔드 디바이스와 교실 서버 간 통신의 중간 매개 역할을 수행한다. 교실 서버의 메시지를 엔드 디바이스에 전달하고 엔드 디바이스의 정보를 모아 교실 서버에 전달한다.
엔드 디바이스는 멀티미디어 기기에 부착되는 ZigBee 센서로 코디네이터로 부터 명령을 받아 멀티미디어 기기를 직접 제어하고 멀티미디어 기기의 제어 상태 정보를 코디네이터에게 제공해 주는 역할을 수행한다.
Fig. 1. Home Network Simulator Architecture
위 설계에서는 ZigBee를 이용한 무선 통신으로 멀티미디어 기기를 제어할 수 있도록 구성하였고 사용자가 교실 내부의 멀티미디어 기기에 ZigBee 센서를 할당시킬 수 있는 기능을 제공하여 손쉽게 네트워크를 구성할 수 있도록 하였다. 또한 GUI를 제공하여 사용자가 보다 쉽게 사용할 수 있도록 하였다.
코디네이터와 엔드 디바이스 간의 ZigBee를 이용한 무선 통신에서 코디네이터는 각 엔드 디바이스에 부착된 ZigBee 센서의 주소를 식별하고 ZigBee 센서로 부터의 모든 정보를 받아 교실 서버로 전달하는 역할을 수행한다. 이 때 엔드 디바이스와 코디네이터 간에 사용되는 통신 방식은 브로드캐스트 방식이다.
이를 위한 개발 환경은 다음 [표 2]와 같다.
1.2 ZigBee 프로토콜 구조
엔드 디바이스와 코디네이터 간의 통신 프로토콜 스택 구조는 [그림 2]와 같다. 먼저, 엔드 디바이스와 코디네이터는 ZigBee 프로토콜 IEEE 802.15.4를 이용해 무선통신하며, 코디네이터와 교실 서버는 USB 포토로 연결된다. 그리고 스마트폰과 교실 서버는 WiFi 기반의 TCP/IP 통신이 이루어지도록 설계하였다.
교실 서버의 상위계층은 통신설정 모듈, 명령어 처리 모듈, 장치제어 모듈, 데이터수집 모듈로 구성되었다.
Fig. 2. Protocol Stack according to Each component
본 논문에서는 메시지의 기본형식은 ZigBee 프로토콜을 따르되 데이터 영역은 독자적으로 설계하였다. ZigBee의 프로토콜의 구조는 물리층, CSMA/CA를 사용하는 MAC 층, 네트워크층, APS(Application Support Layer)층, APL(Application Layer)층으로 구성되며, 각 PDU(Protocol Data Unit)들은 구조는 [그림 3]과 같이 계층별로 캡슐화된다.
이때 APL층에서 메시지는 3개의 필드로 구성되는데 massage[0]는 노드를 구별하는 endpoint용으로 사용되고 message[1]은 제어명령(CMD)용, message[2]는 기기에서 리턴되는 상태정보를 위해 사용되도록 설계하였다. |
교실 네트워크 번역(영어 번역본)III. Classroom Network Simulator Design
1. Structure of Classroom Network Simulator
1.1 Simulator Structure
The design for intelligent classroom network simulator whereby a teacher controls various multimedia devices in the classroom is shown on [Fig 1].
Simulator is consisted of classroom, server, coordinator and end devices. Classroom server is inputted with commands from a smart phone and generates messages needed to control multimedia devices according to user commands which is then passed back to the coordinator.
Coordinator acts as a mediator between each end devices and between servers at each classroom. It transmits messages from classroom servers to the end devices and collects the end device information which is sent to the classroom server.
End devices receive the commands from the coordinator through ZigBee sensor which is attached on the multimedia devices and controls the multimedia devices directly and provides multimedia devices’ control status to the coordinator.
Fig. 1. Home Network Simulator Architecture
In the above design, multimedia devices are controlled by the wireless communication using ZigBee and by providing the functionality of distributing ZigBee sensors to the multimedia devices in the classroom, network can be configured with ease. Also, GUI is provided for user easy user interface.
As for wireless communication between coordinator and end devices by ZigBee, the coordinator distinguishes the sensor addresses on each end device and after getting all the information from the ZigBee sensor, it sends the information to the classroom server. The communication protocol used for communication between the end device and the coordinator is broadcast protocol.
The development environment is as the following [Table 2].
1.2 ZigBee Protocol Structure
The protocol stack for communication between the end device and the coordinator is shown on the [Table 1]. Firstly, the end device coordinator carries out wireless communication using ZigBee protocol IEEE 802.15.4 and the connection is made between the coordinator and the classroom server through USB port. And the connection is between smart phones and the classroom server through TCP/IP (Wifi).
As for the classroom server’s top layer, it is consisted of communication configuration module, command execution, device control module and data collection module.
Home Appliance GW (Coordinator) Home Management Server
Fig. 2. Protocol Stack according to Each component
In this study, the basic format for the message conforms to ZigBee protocol but the data area was independently designed. ZigBee Protocol is consisted of physical layer, MAC layer that uses CSMA/CA, Network Layer, APS (Application Support Layer), APL and (Application Layer). The structure of each of the PDU (Protocol Data Unit) is encased by each layer as shown in [Fig 3]. The message at the APL layer is consisted of 3 fields where message[0] is used for the endpoint (to distinguish each node), message[1] is used for controlling commands (CMD) and the message[2] is used for the status information returned from the devices. |
