Ⅰ. 서 론

해상에서 수중의 물체 탐지를 위해 SONAR (SOund Navigation And Ranging)를 활용하게 되고 이 중에서 선배열 예인센서는 장거리 저주파 수중탐지 수단으로 우수한 성능을 가지며 함정에 센서를 수중케이블로 연결하여 함정 기동을 통해 예인 음향탐지를 수행하게 된다.^[1,2]

선배열 예인센서 운용 시 함정 진행 방향의 반대 방향으로 항력이 발생하게 되며 이는 기동력을 감소시키는 원인을 제공하므로 선배열 예인센서는 항력 감소를 위해 센서직경 최소화 설계가 필수적으로 적용되며 무인 잠수정/수상정 같은 소형 플랫폼의 경우 항력을 극도로 낮추기 위해 초세장형 선배열센서를 적용하여 예인음향 탐지를 수행하고 있다.^[2-4]

초세장형 선배열센서는 작은 직경 및 선배열 형태로 인해 내부 음향 및 전자구성품은 직렬 형태로 배치되며 케이블 배선 최소화를 위해 각 전자구성품 간 Multi Hop Network 구조로 연결되어 있다. 이 방식으로 적용 시 배선 최소화를 할 수 있으나 유지 보수를 위한 원격 소프트웨어 다운로드 수행 시 이종 노드가 복합적으로 존재하는 조건에서 Firmware가 원하지 않는 노드에 다운로드 되는 문제가 발생될 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해 동일 종류의 노드를 한 개의 모듈에 집약하여 모듈 단위로 다운로드 하는 방법이 일반적으로 적용되나 이는 원격 소프트웨어 다운로드를 위해 해당 모듈을 분리해야 하는 불편함을 초래하게 된다.^[3,5]

또한, 초세장형 선배열센서는 운용 시 윈치를 활용해서 센서 도출 및 회수를 수행하게 되므로 센서는 시단부터 권치되는 구조를 가지게 되며 이는 원격 소프트웨어 다운로드 수행 시 해당 모듈 위치까지 도출 후 수행해야 하는 번거로움이 있다.^[6]

본 논문에서는 이종 전자구성품(노드)이 복합적으로 존재하는 선배열 예인센서에서 모듈 분해 없이 해당 노드에 Firmware를 다운로드 할 수 있는 이종 노드 간 원격 소프트웨어 다운로드 구현 방안을 제안한다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. II 장에서는 이종 노드 다운로드 구현을 위한 신호 전송 구조 및 이종 노드 원격 다운로드 구현 방안을 기술하고 III 장은 제안 방법에 대한 성능 실험결과를 보인다. 마지막으로 IV 장에서는 본 논문의 결론을 기술한다.

Ⅱ. 본 론

2.1 신호 전송 구조

초세장형 선배열센서는 직경 최소화에 따른 형상적 특성을 고려하여 그림 1과 같이 노드를 직렬로 배치한 Multi Hop Network 구조를 적용하였으며 다채널 센서의 직렬연결에 따른 데이터 전송량 감소를 위해 다중 Link를 적용하고 각 Link 데이터를 취합하여 상위 장비로 전송하는 구조를 적용하였다.

데이터 전송 시퀀스는 그림 2와 같이 상위 장비에서 내려오는 제어 데이터를 모든 노드에 동일하게 수신될 수 있도록 각 노드에 제어 데이터가 수신되면 필요 정보를 취득하고 수신된 프레임을 재생성하여 다음 노드로 전달하는 기능을 수행하게 된다.

각 노드에서 생성한 센서 데이터는 종단 노드에서 앞 노드로 전송되고 수신 받은 센서 데이터와 생성된 음향데이터, 자체점검정보를 식 (1)과 같이 취합하여 다시 앞 노드로 전송하는 기능을 수행하게 되며 시단 노드까지 전송되면 식 (2)와 같이 Link의 모든 음향데이터 및 자체점검 정보를 보유하게 된다.

그리고 각 Link 별로 수신된 센서데이터는 단일 전송경로에서 상위 제어기 전송을 위해 식 (3)과 같이 Signal MUX 노드에 모든 Link의 데이터는 취합되어진다.

그림(Fig.) 1.

초세장형 선배열센서 신호망 구조. (Thin line towed array sensor signal network structure)

그림(Fig.) 2.

초세장형 선배열센서 데이터 전송 시퀀스 (Thin line towed array sensor data transmission sequence)

2.2 이종 노드 원격 다운로드 구현

초세장형 선배열센서는 운용 시 생성된 음향데이터 및 상태정보를 전송하는 운용 모드와 소프트웨어 유지 보수를 위한 Firmware 다운로드 모드가 필요하며 초기 동작 시 각 모드 진입을 위해 ROM 영역에 Boot loader 적용이 필요하다.^[7]

Boot loader 구현을 위해 Harvard Architecture 기반의 MCU 및 실시간 센서데이터 처리를 위한 FPGA를 그림 3과 같이 적용하였다. MCU는 외부 EEPROM에 접근하여 수신된 소프트웨어에서 page 단위로 write를 수행한다. FPGA는 전원 On 시 EEPROM에서 프로그램을 불러와서 음향데이터 및 상태정보를 획득할 수 있도록 기능을 할당하였다. 그리고 이종 노드가 복합적으로 존재하는 운용 환경을 고려해서 특정 종류의 노드에 소프트웨어 다운로드가 가능하도록 Down link와 Up link에 각각 MUX를 적용하여 다운로드 대상 노드 선택이 가능하도록 물리적으로 구성하였다.

그림(Fig.) 3.

데이터 전송 노드 구조 (Data transmission node structure)

운용 모드로 동작 시 음향데이터 및 상태정보 취득 및 전송을 위해 그림 4와 같이 제어 데이터는 MCU와 FPGA에 동시에 수신된다. 운용모드의 제어 데이터는 MCU에서 인식할 수 없는 데이터로 FPGA의 제어 처리를 통해 음향데이터 및 상태 점검 정보를 생성하여 앞 노드로 전송하게 된다.

그림(Fig.) 4.

운용모드 동작 구조 (Operation mode operation structure)

다운로드 모드는 초세장형 선배열센서의 윈치 권치 형상을 고려하여 그림 5와 같이 종단 노드에 Down loader를 연결할 수 있도록 구성하였다.

그림(Fig.) 5.

Down loader 연동 구조 (Downloaded linkage structure)

다운로드 모드 동작은 원격 소프트웨어 다운로드 노드 지정, 지정 노드의 원격 소프트웨어 다운로드 과정이 순차적으로 이루어지며 원격 다운로드 노드 지정 과정에서 다운로드 노드와 패스 노드에 따라 표 1과 같이 MUX 상태, MCU의 EEPROM Access 여부를 설정한다.

원격 다운로드 수행 시 Down loader에서 각 page별로 소프트웨어를 전송하게 되고 다운로드 노드는 그림 6과 같이 MCU에 수신된 소프트웨어를 EEPROM에 Access 하여 저장하게 되며 정상 저장 여부에 대한 응답을 Down loader로 전송하게 된다.

그림(Fig.) 6.

다운로드 노드 데이터 전송 구조 (Download node data transmission structure)

패스 노드는 그림 7과 같이 MCU에 소프트웨어를 수신받으나 EEPROM 미접근 상태로 수신된 소프트웨어는 무시되며 앞 노드에서 전송된 다운로드 노드의 Ack. 데이터를 우회하도록 동작한다.

그림(Fig.) 7.

패스 노드 데이터 전송 구조 (Pass node data transmission structure)

Ⅲ. 실 험

초세장형 선배열센서의 이종 노드 간 원격 소프트웨어 다운로드 검증을 위해 Signal MUX node와 Acoustic node 시제품 제작 및 Boot loader를 구현했으며 그림 8과 같이 하나의 Link로 배치하고 Link 종단에 Down loader를 연결하여 이종 노드 간 원격 다운로드 실험이 가능하도록 구성하였다.

그림(Fig.) 8.

이종 노드 간 원격 소프트웨어 다운로드 실험 구성 (Experimental setup for remote software download between heterogeneous nodes)

실험은 노드 지정 기능 검증을 위한 원격 소프트웨어 다운로드 대상 지정 실험 그리고 Firmware 파일을 지정 노드에 원격 다운로드하기 위한 원격 소프트웨어 다운로드 실험을 수행하였다.

3.1 원격 소프트웨어 다운로드 노드 지정

원격 다운로드 노드 지정 실험을 위해 Target Device를 선택 후 설정 명령을 전송했으며 실험결과 그림 9와 같이 Target Device를 Signal MUX로 설정했을 경우 Signal MUX 노드가 Device Type 2로 설정되어 다운로드 노드로 지정되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 Target Device를 Node로 지정 시 그림 10과 같이 Device Type 1로 설정되어 Node가 다운로드 노드로 지정되는 것을 확인할 수 있었다.

그림(Fig.) 9.

원격 다운로드 노드(Signal MUX) 지정 결과 (Result of specifying a remote download node(Signal MUX))

그림(Fig.) 10.

원격 다운로드 노드(Node) 지정 결과 (Result of specifying a remote download node(Node))

3.2 원격 소프트웨어 다운로드 수행

원격 소프트웨어 다운로드 수행 검증을 위해 다운로드 완료 후 정상 동작 시 노드의 Status LED가 On 되도록 Firmware를 구현했으며 원격 소프트웨어 다운로드 노드 지정을 사전 수행하고 Firmware 파일을 지정 노드에 원격 다운로드 수행하였다.

Signal MUX 원격 다운로드 실험결과 그림 11과 같이 정상 부팅 후 동작하는 것을 확인할 수 있었으며 Acoustic Node 실험결과 그림 12와 같이 Acoustic Node도 정상 부팅 후 동작하는 것을 확인할 수 있었다.

그림(Fig.) 11.

Signal MUX 다운로드 실험 결과 (Signal MUX download results)

그림(Fig.) 12.

Acoustic Node 다운로드 실험 결과 (Acoustic Node download result)

Ⅳ. 결 론

선배열 예인센서는 운용 시 항력이 발생하게 되며 이는 예인함의 기동력을 감소시키는 원인으로 작용하게 된다. 개선 방안으로 센서 직경 최소화하여 항력을 낮추는 방향으로 개발되고 있으며 특히 초세장형 선배열 센서는 무인 잠수정/수상정 연동 목적으로 개발되어 예인함 선배열 예인센서 대비 직경이 매우 작다.

제한된 직경 내 기능 구현을 위해 전자구성품은 직렬로 배치하고 Multi Hop Network 구조로 연결할 수 있으나 이종 전자구성품(노드)이 복합적으로 존재하는 상황에서 원격 소프트웨어 다운로드 시 Firmware가 원하지 않는 노드에 다운로드 되는 문제가 발생할 수 있다.

본 논문에서는 이종 노드가 복합적으로 존재하는 초 세장형 선배열센서에서 모듈의 분해 없이 해당 노드에 소프트웨어 다운로드 할 수 있는 이종 노드 간 원격 소프트웨어 다운로드 구현 방안을 제안하였다.

제안 방법은 제어 명령에 따른 운용모드, 다운로드 모드 진입 동작을 할 수 있도록 MCU, FPGA 복합구조로 설계하고 원격 소프트웨어 노드 지정 동작 시 다운로드 노드, 패스 노드에 따라 EEPROM Access, MUX의 파라미터 설정을 통한 이종 노드 간 원격 소프트웨어 다운로드를 제안했으며 실험결과 제안 방법에 따라 원격 소프트웨어 다운로드가 정상적으로 수행되는 것을 확인할 수 있었다.

이종 노드 간 원격 소프트웨어 다운로드 구현 방법은 Multi Hop Network 구조에서 유지 보수를 효과적으로 할 수 있는 방안이며 다양한 종류의 노드가 광범위한 영역에 설치되는 센서 네트워크에도 활용도가 높을 것으로 기대된다.