As an NMEA 2000 is a standard for communicate to other electronic equipment, it implemented a Universal gateway based on this ship's network. To implement a NMEA 2000 based Universal gateway, it is porting a NMEA 2000 stack source and CAN device driver source to board, and then it connected a board that equip with various communication protocol(CAN, RS232, USB, Ethernet port). To verify converted ship's data to a developed gateway, it connected pc based simulater program and monitoring program to a developed board. so we can see a ship's data through NEMA 2000 network. We verified a gateway performance and analyzed a generated ship's data from simulator program through a monitoring program that was connected a gateway and NMEA 2000 network. so it was designed, implemented to allow monitoring through utilizing a communication method that user wants. 논문 14-39C-02-09 한국통신학회논문지(J-KICS) '14-02 Vol.39C No.02 http://dx.doi.org/10.7840/kics.2014.39C.2.191 191 ※ 이 연구는 금오공과대학교 학술연구비에 의하여 지원된 논문임. First Author : 국립금오공과대학교 IT융복합공학과 WENS 연구실, 0blacksky0@hanmail.net, 학생회원 ° Corresponding Author : 국립금오공과대학교 전자공학부 교수, schae@kumoh.ac.kr, 정회원 * 국립금오공과대학교 전자공학부 교수, wdragon@kumoh.ac.kr, 정회원 ** 국립금오공과대학교 IT융복합공학과 WENS 연구실, kwangsu.bea@gmail.com 논문번호:KICS2013-11-507, 접수일자:2013년 11월 26일, 심사일자 : 2013년 12월 18일, 최종논문접수일자 : 2013년 12월 26일 한국통신학회논문지(J-KICS) '14-02 Vol.39C No.02 192 그림 1. E-navigation Fig. 1. E-navigation 그림 2. NMEA 2000 범용 게이트웨이 개념도 Fig. 2. NMEA 2000 based Universal gateway conceptt I. 서 론 최근 선박IT 융합으로 인해 다양한 IT 장비들이 선 박에 도입되고 있다. 선박에 설치된 여러 가지 장비는 표준화된 네트워크를 통하여 정보를 통합하여야 하며, 육상에서도 선박의 운항에 필요한 정보를 제공하기 위하여 장비 간의 표준화된 네트워크가 필요하다. 선 박에서 사용되는 데이터통신은 사용자의 요구에 따라 육상의 다양한 데이터 통신방법을 모두 사용하고 있 다. 이것으로 인하여 장비 간의 호환성을 잃게 되고, 항 해에 지장을 주는 등 심각한 문제를 야기할 수 있다. 이 러한 문제를 해결하기 위해 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)의 MSC(maritime safety Committee)는 e-Navigation이라는 새로운 선박 운항 의 개념을 정립하였다 . e-Navigation은 그림 1과 같 이 선박과 관련한 다양한 정보들을 상호 연결하여 정 보를 교환함으로써, 항해의 안전성을 향상시키고 단일 정보로 인한 오류를 감소시킬 목적으로 선박 및 해상 시스템이 연동하는 것을 말한다 . 또한 선박 네트워 크와 외부네트워크를 연동함으로서 그림 2와 같이 원 격지에서 선박에 대한 원격 제어 및 모니터링을 수행 할 수 있으며 이를 통해 예방적 수리 및 관리 서비스 와 같은 새로운 부가서비스시장의 창출할 수 있다. 이 를 위해 외부 네트워크와 NMEA 2000 네트워크를 연 동하기 위한 게이트웨이가 필요하다. 그러나 현재까지 국/내외에 존재하는 NMEA 2000 Gateway는 단일 통 신 프로토콜 및 유선 프로토콜만을 지원하는 것이 대 부분이다. 또한 공급사 혹은 개발사에 따라 독립적으 로 시스템을 구축/운영됨으로써 상호 호환성이 미확보 되고 이로 인한 시스템의 효율성 저하가 발생하게 되 었다. 따라서 Ethernet, USB, Serial 통신 등 다양한 유선 통신 프로토콜을 동시에 지원함으로써 사용자가 원하는 통신망 기술을 제공할 수 있는 Gateway에 대 한 필요성 증대되고 있다 . 또한 스마트폰, 태블릿 PC등 무선 통신(Wi-Fi, Bluetooth 등)을 지원하는 다 양한 휴대용 IT 기기의 등장으로 무선을 활용한 선박 모니터링 솔루션에 대한 요구도 증가하고 있다 . 본 논문에서는 이러한 요구사항을 해결하기 위해 유⋅무선 범용 게이트웨이를 개발하고자 한다. 다음 장에서는 NMEA 2000 네트워크에 대해서 설명하고, 3장에서는 서술된 내용을 바탕으로 범용 게이트웨이 에 대한 시스템 설계 및 구현을 설명하고, 4장에서는 NMEA 2000 범용 게이트웨이 개발 TestBed의 구성 에 대해서 다룰 것이며, 5장에서 테스트를 시행하고, 마지막을 결론으로 끝을 맺는다. II. NMEA 2000 표준 프로토콜 NMEA 2000 표준은 선박내에 존재하는 GPS/기상 센서/속도계/풍속계/엔진 등 다양한 입/출력 기기간의 연결을 지원하는 통신망 기술로 버스방식, 실시간 데 이터 전송, 커넥터/케이블 등의 규격화를 통하여 성능 과 편의성까지 모두 갖춘 규격이다. 또한, 물리층에 ISO 11898 CAN을 사용하여 버스 충돌을 원천적으로 예방하여 실시간 데이터 전송이 가능토록 하고, 데이 터 링크층은 ISO 11783-3, 네트워크 관리는 ISO 11783-5를 사용하고 있다 . 2.1 NMEA 2000 표준의 특징 1) 물리층으로 CAN 2.0B Carrier Sense Multiple Access/Collision Arbitration 2) 제어노드가 없는 Multi-master, Self configurable 네트워크 3) 네트워킹 상태에서 Plug and Play가 가능 4) 네트워크 규모는 50개 물리노드 (252개의 논리 노드) 5) 네트워크 속도/길이, 240kbps/200m 6) 네트워크 케이블은 전류의 허용 용량에 따라 논문 / NMEA 2000 범용 게이트웨이 설계 및 구현 193 그림 3. CAN 메시지 형식 Fig. 3. CAN message format 그림 4. NMEA 2000과 다른표준과의 관계 Fig. 4. Relationships with NMEA 2000 and other standards Heavy(최대 200m)와 Light(최대 100m)로 구분 7) Mini-C(Heavy)와 Micro-C 두 종류 커넥터 NMEA 2000 프로토콜은 CAN을 기반으로 하므로 CAN의 특성을 따른다. CAN은 크게 기본 ID 포맷과 확장 ID포맷으로 나뉜다. CAN 1.0A, 2.0A는 기본 ID 포맷이고 CAN 2.0B는 확장 ID포맷이다. NMEA 2000은 CAN 2.0B를 기반으로 하므로 확장 ID포맷을 사용한다. 두 형식의 가장 큰 차이점은 중재필드 (Arbitration field) 크기의 차이로 확장 포맷이 32비트 로 기본 포맷보다 18비트가 더 크다. 그림 3은 CAN message format을 나타낸 것으로, 숫자는 각 해당 부분의 비트 사이즈를 나타낸다. CAN 메시지 프레임의 중재 필드 32비트 중의 29 비트를 NMEA 식별자(Identifier)로 사용하며 이 중 21비트를 PGN(Program Group Number)으로 사용한다. NMEA 2000 프로토콜은 총 29비트인 식별자로 Priority, Reserved, DP(Data Page), PF(PDU Format), PS(PDU Specific), SA(Source Address)로 각각 구분하여 사용하고 이 중 Priority, Reserved, DP(Data Page), PF(PDU Format), PS(PDU Specific) 를 이용해 PGN을 구성한다. SA는 중재필드의 고유 한 주소로 변경이 가능하며 네트워크에서 할당받은 장비들의 SA가 서로 중첩되지 않게 조정되어 통신을 가능하게 한다. PGN은 각 파라미터 그룹을 식별하는 8비트나 16비트의 숫자로 NMEA 0183 프로토콜에서 3개 문자로 이루어진 문장 식별자와 유사한 형태를 가진다. NMEA 2000 프로토콜 정의에 따라 PGN에 의해 식별된 파라미터 그룹(PG)은 네트워크의 모든 주소로 방송되기도 하고 특정 주소로 직접 데이터를 사용하기 위해 사용할 수 있다. 이를 통해 네트워크에 서 발생하는 여러 정보들을 교환하고 장비간의 요구, 요청 및 응답 등에 사용된다. NMEA 2000에서는 29 비트 CAN ID를 사용한다. NMEA 2000 네트워크는 한 장치의 문제가 네트워크 케이블에 의해 다른 장치 의 문제를 야기하고 급기야는 네트워크 전체 장치에 문제를 일으키는 것을 방지하기 위해 네트워크의 전원 과 장치의 전원을 완전히 분리하도록 요구하고 있다. 위 구성에서 보는 것과 같이 NMEA 2000은 물리 층을 ISO 11898 CAN을 사용하고 있고, Data link Layer를 ISO 11783-3으로, Network Management를 ISO 11783-5로 사용하고 있다. NMEA 2000과 SAE 및 ISO 표준과의 관계를 도시하면 그림 4와 같다. 인 증된 레벨은 레벨A와 레벨B 두 종류가 있으며 레벨A 는 NMEA 2000 기능을 모두 구현한 장치이고, 레벨B 는 최소한의 기능을 구현한 장치이다. 또한 네트워크 의 redundancy에 따라 싱글 네트워크로 구성된 클래 스1과 이중 네트워크로 구성된 클래스2로 나눈다. 네트워크 케이블은 전류의 크기에 따라 Heavy와 Light 케이블로 나누고 커넥션은 Mini-C와 Micro-C 두 종류가 있으며 표 1에 나타냈다. 2.2 NMEA 2000 표준은 각 PGN에 대하여 데 이터 포맷을 정의하고 있다 . PGN Description 127488 Engine Parameter 127251 Rate turn 129541 GPS Almanac Data 127245 Rudder 127250 Vessle Heading 표 1. NMEA 2000 PGN 정보 Table 1. NMEA 2000 PGN information III. NMEA 2000 Listen Only 범용 게이트웨이 설계 및 구현 3장에서는 NMEA 2000 범용 게이트웨이를 설계하 고 구현하였다. 처음에는 하드웨어에 대한 설명으로 NMEA 2000 범용 게이트웨이 보드에서 제공되는 기 능과 추가적으로 구성한 하드웨어 부분 및 하드웨어 설계와 구현에 관한 내용을 설명하였다. 두번째는 펌 웨어 설계 및 구현에 대해 설명하였고, 마지막에는 NMEA 2000 프로토콜 데이터의 변환이 어떻게 되는 지와 실제 구현한 보드에 대해 설명하였다. 한국통신학회논문지(J-KICS) '14-02 Vol.39C No.02 194 그림 6. NMEA 2000 범용 게이트웨이 H/W 모델 및 레이 아웃 Fig. 6. NMEA 2000 based Universal gateway H/W model and layout 그림 7. NMEA 2000 범용 게이트웨이 Fig. 7. NMEA 2000 based Universal gateway 그림 5. NMEA 2000 범용 게이트웨이 H/W 회로도 Fig. 5. NMEA 2000 based Universal gateway H/W Schematic 3.1 하드웨어 설계 및 구현 NMEA 2000 범용 게이트웨이 하드웨어는 기본적으 로 TI 사 Cortex M3 기반의 LM3S9D96 MCU를 이용 하여 설계 및 개발하였다. 아래 내용은 LM3S9D96 MCU의 주요 특성을 정리한 것이다.