저전력 고속 데이터 수집 시스템 수중 부표용

본 논문은 해양 환경에서 장기간 고정 위치로 운용되는 수중 부표(Submersible Buoy, SB)의 데이터 수집 요구를 충족하기 위한 저전력 고속 데이터 수집(DAQ) 시스템을 제안한다. SB는 배터리 전원으로 구동되며, 긴 운용 시간과 높은 샘플링 레이트 때문에 대용량 저장과 저전력 설계가 필수적이다. 이를 위해 저자들은 3계층 구조의 하드웨어 아키텍처를 설계하였다. 첫 번째 계층인 프론트‑엔드 보드(FEB)는 Spartan‑6 FPGA와 8개의 수중 마이크로폰을 탑재해 5~10 kHz 샘플링을 수행한다. 트리거 회로가 목표 신호를 감지하면 FEB는 각 마이크로폰 데이터를 프레임화하고 CRC16 검증을 삽입한 뒤 직렬 포트로 SD 카드 보드에 전송한다. 두 번째 계층인 SD 카드 보드는 두 개의 SD 카드를 핑‑퐁 방식으로 운영하여 데이터 손실을 방지하고, 저전력 모드(10 MB/s)로 쓰기를 수행한다. 저장 용량이 임계치에 도달하거나 호스트가 데이터를 요청하면, 세 번째 계층인 SATA 보드가 전원을 공급받아 1 TB SSD에 데이터를 옮긴다. SATA 보드는 Kintex‑7 FPGA를 사용하지만 전체 전력 소비에서 차지하는 비율은 0.3 %에 불과해 시스템 전체의 저전력 목표에 부정적인 영향을 주지 않는다. 데이터 전송은 기가비트 이더넷을 통해 이루어지며, SSD에 저장된 데이터는 고속으로 호스트에 전달된다. 전력 관리 측면에서 FEB는 트리거가 없을 때 완전히 차단되고, SD 카드 보드는 사용되지 않는 카드와 유휴 카드를 FPGA가 자동으로 전원 차단한다. SATA 보드 역시 필요 시에만 전원을 공급받으며, 사용되지 않는 SSD도 전력 차단된다. 데이터 압축은 FPGA 내에서 무손실 Huffman 코딩을 적용해 평균 10 mW 이하의 전력만 추가 소모한다. 압축 효율은 RLE보다 높고 LZW보다 약간 낮지만 구현 복잡도와 전력 소비를 고려했을 때 최적의 선택이다. 실험에서는 FEB가 8 × 10⁷ 바이트의 데이터를 생성하고, SD 카드 보드와 SATA 보드가 각각 선형적으로 데이터를 수신·전송함을 확인하였다. 전송 오류는 없었으며, 패킷 번호 연속성도 유지돼 데이터 손실이 없음을 입증했다. 또한, 실제 청도호에서 수집한 1.5 GB 원시 데이터를 압축했을 때 전력 소비가 절반으로 감소하고, 유효 전송 속도가 두 배 이상 향상되는 결과를 얻었다. 최종적으로 본 시스템은 대용량 저장과 고속 전송을 동시에 달성하면서 전체 전력 소비를 최소화했으며, 수중 부표와 같은 제한된 전원 환경에서 실시간 데이터 수집·전송 시스템 구현에 실용적인 솔루션을 제공한다.