January 22, 2018

디바이스마트 미디어:

[27호]하이브리드 실내 측위 시스템

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하이브리드 실내 측위 시스템

글 | 한림대학교 대학원 박정욱

심 사 평
싱크웍스 논문의 내용에 시험 사실은 있으나 작품의 완성도를 보기 위한 다양한 실험 데이터나 동영상이 없었다. 그래서 완성도를 판단할 수 없었다. 어떤 프로젝트의 일부로 진행된 내용으로 보인다 따라서 창의성에 높은 점수를 주기 어려웠다.
jk전자 가시광 통신에 대한 지식이 부족하여 심사평을 작성하기가 어렵습니다. 하지만 이 부분이 상용화되어 LED 광을 이용해서 통신이 이루어 진다면 경제 전반에 미치는 파급 효과는 대단할 것 같습니다.
뉴티씨 LED의 깜빡임을 최대 80cm까지 전달하여, 데이터를 송수신할 수 있었다는 점에서, 특별한 연구테마로 생각된다. 다만, 주변광의 변화에 따른 변화나, 태양광의 다양한 주파수로 인한 오차 등을 보완할 수 있도록, 여러가지 시스템상의 보완이 필요한 것으로 보인다. 또한, 지그비 등을 이용하여 중계하는 등 다양한 노력이 보이며, 실제 구현하기는 어려운 기술인데, 잘 동작하는 것으로 보이지만, 좀 더 현실적인 기술로 발돋움하기 위하여, 앞으로 많은 연구가 필요해 보인다.

1. 개요
현재, 목표물의 위치를 결정하는 대부분의 측위 기법들은 위성을 사용하는 GPS, 셀룰라 실외통신, 또는 무선랜(AP의 위치)를 기반으로한 실내 통신의 기본 인프라를 사용하는 무선 기반의 측위 방식들이다. 무선 기반 측위와 다른 방식으로는 적외선을 사용하는 Active Badge, Firefly 방법, 초음파를 사용하는 Active Bat, Cricket 또는 비디오 기반의 Vision analysis 시스템 등이 있는데, 이런 방식의 대부분은 추정 정확도 개선, 시스템 인프라 설치비 경감, 측위 서비스 범위 확장 등이 필요한데, 다양한 분야에서 이런 요구들을 충족시키는 새로운 측위 기법에 대한 연구가 진행 중이다.
한편, 그린 IT 융합 연구의 하나로, LED 조명과 무선 IT기술을 융합하여 새로운 서비스를 창출하기 위해 가시광 통신 연구들이 활발하게 진행 되고 있는데, LED 조명과 실내 무선 네트워킹을 사용하여 목표물을 찾는 가시광 기반 측위 연구도 최근 시작 되었다. 가시광 통신(VLC)은 사람 눈에 보이는 가시광 전파를 이용한 통신이며, 백열전구와 형광등 조명을 사용해 통신을 하는 기술인데, 최근에 LED 조명 인프라를 사용한 통신 기술로 발전되고 있는 새로운 정보통신 기술이다.
다음 그림은 가시광 통신 기술의 기본 개념을 보여준다. 데이터를 0과 1의 조합으로 변환해서 정보를 전송한다는 점에서 일반적인 디지털 통신과 같지만, 데이터가 ‘0’일 때 빛이 OFF, ‘1’일 때 빛이 ON되는 점멸이나 밝기에 따른 명암으로 치환해서 송신한다.

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즉, 가시광 통신(VLC)은 사람의 눈에 보이는 가시광 전파를 사용한 통신이며 백열전구와 형광등과 같은 조명이 디지털 반도체에 의한 LED(Light Emitting Diode) 조명으로 교체되는 인프라를 이용하여 통신을 가능하게 하는 기술로써 가시광 무선통신PHY기술, 가시광 무선 통신 L2 MAC 기술, 가시광 무선 통신 응용 프로토콜 기술 등을 대상으로 한다. 가시광 무선통신은 반도체가 메모리 및 프로세서에 이어 조명으로도 사용하기 시작하면서 조명 빛을 통신 광원으로 사용할 수 있는 기술로 등장했다. 즉, 가시광 무선통신은 조명과 통신을 융합한 것이다.
가시광 통신은 780nm에서 380nm의 가시광 파장(Wavelenght)을 사용한다. 이 파장은 385THz에서 789THz로써 가청주파수가 20Hz에서 20,000Hz임을 알면 굉장한 고주파 신호이다. 가시광 통신은 800nm에서 900nm를 사용하는 IrDA와 가장 유사한 파장을 사용하지만, 조명과 동시에 통신을 혼용할 수 있다는 큰 장점이 있다. LED는 전기를 빛으로 바꾸는 성질을 이용하여 조명으로 활용한다. 가시광 통신의 원리는 약 30ns에서 250ns에 달하는 LED가 전기에서 빛으로 바꾸는 빠른 스위칭(ON-OFF)을 통신 모듈레이션하여 통신하는 것이다. 인체의 눈은 초당 100이상 깜빡이면 그 깜빡임을 인식하지 못하고 계속적으로 켜진 것으로 인식하기 때문에 통신에 의한 깜빡임이 있지만, 계속적으로 켜진 것으로 인식되기 때문에 조명의 기능도 유지된다. 빛 신호로 바뀐 데이터 신호는 수 많은 직접파와 반사파로 수광체인 포토다이오드로 전달되어 빛 신호를 전기적 신호로 다시 바꾸어 수신하게 된다.
이번 프로젝트에서 추정 정확도를 개선하고, 서비스 범위를 확대하기 위해 가시광 방식과 지그비 다중홉 무선 네트워크 인프라를 가지고 새로운 융합 측위 시나리오를 제안하고 구현한다. 종래 측위 문제들을 해결하기 위해서 LED 조명을 사용하는 정밀한 가시광 방식과 저전력, 우수한 보안성, 그리고 무제한의 서비스 확장 능력 특성의 지그비 다중 홉 무선 네트워킹을 융합하여 사용하는 새로운 그린 IT 융합 기반의 측위 시스템을 제안하고 개발하였다.

2. 시스템 구성
2-1. 전체 구성
Fingerfrinting 기반 또는 Cell 기반 목표물 측위와 같은 종래 기존의 측위 방식들은 GPS와 셀룰라 무선 통신 환경에 기반을 둔 무선 측위들로, 목표물의 위치를 지도 상의 목표물 근처에 위치한 신호표식 또는 비콘(Beacon)의 기준 위치로 결정하는 근접(Proximity)추정 방식을 사용한다. 근접 추정 방식은 근사에 의한 오차뿐만 아니라, 실내 외 무선 채널 환경에 의한 왜곡 신호 수신에 의한 추정 오차가 발생한다. 이 프로젝트는 근처의 무선 채널로 발생되는 추정 오차를 완하하기 위해 가시광과 무선 통신 채널의 결합 환경에서 근접 측위 개념을 사용하였다.

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그림은 하이브리드 측위 구현을 위해 구상한 시나리오이다. 이 시나리오는 간편한 하이브리드 근접 기반의 측위 알고리즘을 사용하는데, 근접측위는 현재 많이 사용되는 무선측위 기법이며, 휴대폰의 위치측위 방법중 하나이다. 그림에서 사용된 측위 시나리오는 다음과 같다. 가시광 ID 데이터는 조명과 동시에 생성되며 LED 램프 조명에서 생성된 위치 정보는 목표노드(관측노드)의 가시광 수신기 모듈에 의해 수신된다. 수신된 ID 신호는 복원되고, 디지털 가시광 ID 데이터로 변경되어 목표노드의 지그비 송수신기 모듈에 의해, 지그비 무선 네트워크로 전송된다. 지그비 송수신 기능이 있는 중계노드는 가시광 ID 정보를 다중 홉 전송을 통해, 주노드로 전달한다. 위치 정보가 담긴 ID 데이터는 주노드에 연결된 시스템 제어기 화면에 나타난다. 지그비 무선 네트워크 측에서 볼 때, 목표노드로부터 수신된 가시광 ID 정보는 지그비 무선 네트워크 상에서 라우터 기능을 하는 노드에 의해 중계노드로 전송된다. 마지막으로, 지그비 코디네이터로 기능을 하는 주노드와 시스템 제어기는 시스템 제어기 화면에측위 결과를 표시한다. 시스템의 스펙은 아래와 같다.

SPECIFICATION DESCRIPTION
Visible light module LED : LUW50343
PhotoDiode : TSL252R
032.768kbps/115kbps/4Mbps
Noncarrier OOK NRZ
Wireless module IEEE 802.15.4 Zigbee 2006
2.4GHz / 16channel / DSSSQPSK
Overall system 115kbps between monitoring node and system controller
Multiple hop transmission(3~7개)

다음 스펙의 하이브리드 측위 시스템 설계를 위해 아래 그림같이 시스템 구조를 구성한다. 아래 그림의 PC 기반 시스템 제어기는 주노드와 직렬 통신 방식으로 연결되며, 주노드는 지그비 무선 네트워크상에서 네트워크를 형성하고, 네트워크 주소도 정하는 코디네이터 역할을 담당한다. 주노드의 주요 기능은 직렬접속 기능과 지그비 송수신 모뎀 기능이며, 중계노드와 최대 10mW 출력의 지그비 신호를 교환한다. 중계노드는 지그비 네트워크 상에서 라우터 역할을 담당하며, 코디네이터가 정한 네트워크 주소를 공유한다. 목표노드는 가시광 신호의 송수신 모듈과 직렬 통신 접속방식으로 연결이 되며, 지그비 무선 네트워크 상 라우터 또는 종단 소자 역할을 하며, 코디네이터와 라우터와 함께 네트워크 주소를 공유한다.

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먼저, 다음 그림의 LED 배열 조명에서 조명 빛과 위치 정보가 담긴 ID 데이터가 생성되어 함께 출력되고 380 ~ 780THz 주파수 대역의 가시광 채널을 거쳐서, 이 중 ID 데이터는 수광 다이오드인 가시광 수신 모듈에 도달되어 다시 디지털 데이터로 복원이 되고 데이터가 목표노드로 직렬전송 방식으로 이동되어 지그비 무선 네트워크를 거쳐 중계노드, 주노드와 시스템 제어기 화면에 나타내어 목표의 위치를 추적할수 있다.

2-2. 가시광 통신 구성
아래 그림에서 전체 하이브리드 측위 시스템에서 가시광 송수신기에 대한 상세한 구조를 볼 수 있다.

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가시광 ID 송신기의 PC에서 생성된 이진 데이터는 RS232 구동회로와 백색 LED 구동회로를 거쳐 3×3 사각형 형태의 LED 배열을 구동한다. 이때 9V 배터리의 전원은 이진 데이터가 ‘1’인 경우에만 공급되어 가시광 ID신호를 생성한다. 그런 후 380 ~ 780THz의 높은 주파수 대역의 가시광 채널을 거쳐 광 접속기, 광다이오드, 신호증폭기, 필터 등으로 구성된 가시광 ID 수신기에 수신된 신호는 RS232 구동회로를 거쳐서 다시 이진 디지털 데이터로 복원이 된다. 여기서, PC 대신에 가시광 ID 송신기 내부의 One chip CPU (SILICON LABORATORIES 사의 C8051)로 역할 변경도 가능하다.
송신기에서 생성된 ID 정보는 이진 형식의 NRZ 입력 데이터로 변환되고, 다시 별도의 캐리어 신호없이 이진 데이터가 변환되고, 다시 별도의 캐리어 신호없이 이진 데이터가 ‘1’인 경우 온 오프 키잉(OOK) 변조를 사용하여 가시광 신호를 생성한다. 가시광 채널을 통해 전송된 가시광 신호는 수광다이오드를 거쳐 수신기로 입력된 후, 비동기 검파 방식을 사용하여 검파되어, 본래의 NRZ 데이터로 복원이 된다.

2-3. 지그비 구성
시스템 구성은 아래 그림과 같다. 주노드는 TI사의 상용 개발 키트로 지그비 모뎀이 내장된 프로토콜, 직렬접속 인터페이스를 사용하여 구성하였다. 주노드의 내부 구성은 크게 네 가지 블록인 CPU블록, 메모리 블록, 무선블록, 그리고 입출력장치 블록이다. CPU블록은 32MHz 클록을 사용하는 8051 CPU코어와 CPU 동작 없이 대규모 데이터 블록 이동이 가능하게 하는 DMA 제어기와 그 주변회로로 구성된다.

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메모리 블록은 8kB SRAM과 128kB 플래시를 사용하는데, SRAM은 시스템 동작에 필요한 프로그램 메모리로 사용되며, 플래시 메모리는 데이터 메모리 용도로 사용된다. 무선 블록은 지그비 무선통신의 핵심 모듈로 변복조기, 채널 중재 CSMA-CA 방식의 MAC 알고리즘 로직, 주파수 합성기 로직으로 구성된다. 무선 블록은 실제 데이터 코딩된 비트 데이터를 프레임 포맷, 변조, 채널중재 할당 등을 거쳐 2.4GHz 지그비 신호로 변경해 휩 안테나를 통해 신호를 전송하는 역할이다. 입출력 블록에는 타이머, ADC, UART 등이 있으며 시스템 제어기와 직렬 통신 인터페이스로 연결되고 각 블록은 주 버스에 8비트로 연결된다.

3. 제작 과정
3-1. 가시광 통신 실험
하이브리드 측위 시나리오 구현을 위해 LED조명과 지그비 무선 네트워크 기반 하이브리드 측위 프로토 시스템을 제작하였다. 먼저, 가시광 송수신을 위하여 가시광 송수신부를 우선적으로 설계하였다.
다음 회로는 가시광 송신부의 회로도이다. 송신부의 입력전압은 9V배터리가 사용되었다.

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송신부에서 사용되는 LED와 소자들의 정격 입력전압이 5V이므로 5V 레귤레이터 7805를 사용하였다. 송신 PC에서 나온 ID 데이터 신호는 RS-232 인터페이스를 통과하여 MAXIM사의 MAX232 라인드라이버로 전송된다. 이는 송신부에서 나오는 전압신호는 -10~10V의 값이 나오게 되는데 각 소자는 0V가 0의 값, 5V가 1의 값을 가지기 때문에 MAX232 라인드라이버를 거쳐 전압 레벨을 조정한다. 라인드라이버를 거친 데이터 신호는 AND 소자(74LS08)에 인가된다. 비캐리어 기반의 간단한 통신 방식이므로 AND소자에서는 또 다른 입력은 5V 입력을 받아 OOK 방식으로 변환하였다. AND 소자의 출력된 신호는 NOT소자 (74LS04)를 통해 반전되며, 이 신호는 팬 아웃을 증가시키기 위해 트랜지스터 베이스단에 입력된다. 트랜지스터의 컬렉터단의 출력은 디지털 데이터 신호로 LED에 전달된다. LED는 전달받은 ID 데이터 신호를 빛 신호로 우리 눈이 구별할 수 없을 정도의 깜빡임으로 전송하게 된다.

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우선 가시광 송수신부의 커뮤니케이션을 확인하고 최대 송신 거리를 측정하기 위해 송신부 모듈에서 특정 이진 데이터를 송신하고 수신부 모듈에서 확인하는 간단한 실험을 진행하였다.
좌측의 파형은 송신부 PC에서 출력된 디지털신호이다. 라인드라이버를 거치기 전 ±10V 정도의 출력이 나오게 되는데 우측의 파형에 보이는 것처럼 MAX232 라인드라이버를 거친 파형은 약 0~5V의 TTL 레벨로 변환된다.
송신부 또한 입력전압으로 9V 배터리를 사용하였으며 7805레귤레이터를 사용하여 5V를 인가하였다. LED를 통해 받은 빛신호를 전기적 신호로 바꾸기 위해 수광다이오드를 사용하였다. 포토 다이오드를 거친 데이터 신호는 보다 먼 거리 통신을 위하여 Op-amp를 이용하여 전압 증폭하였다. 증폭된 신호는 RS-232신호로 레벨을 바꾸기 위해 Maxim사의 MAX232 칩으로 전달되어 송신부 PC에서 보낸 데이터와 동일한 데이터를 출력한다. 이 신호는 RS-232단을 통하여 수신부 모듈 PC에 도달한다.

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좌측의 파형은 수광다이오드에서 수신한 시그널이다. 송신 모듈에서 송신한 데이터와 동일한 데이터인 4V정도의 TTL 신호가 수신되었다. 우측 파형은 Op-amp 연산증폭기를 거쳐 증폭시킨 뒤 MAX232 라인드라이버를 통과한 파형이다. TTL 레벨의 신호가 수신부 PC에서 읽을 수 있도록 RS-232레벨로 변환되었다.
가시광 송수신부 커뮤니케이션 실험은 다음과 같이 진행되었으며, 송신부 PC의 이진데이터를 가시광 송신부로 전송하고 LED의 깜빡임을 통해 수신부 PC로 전송된 이진 데이터를 확인하였다. 최대 송신 거리는 형광등 불빛 간섭, 물체, 방향각 등 변수에 따라 조금씩 오차가 있었지만 최대 80cm 까지 성공하였다.

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3-2. 하이브리드 측위 실험
완성된 가시광 송수신 모듈과 TI사의 CC2430 지그비 모듈을 사용하여 비캐리어 기반 지그비 다중 홉 무선 네트워크 전송 하이브리드 측위 실험을 수행하였다.
하이브리드 측위 실험은 다음과 같이 진행되었다. 실험장소는 한림대학교 공학관 3층에서 진행되었으며, 건물 3층 복도에 목표물이 있고 약 78m 떨어진 비가시거리 환경에서 동일 건물내 1319호 방안에 있는 관찰자가 있는 조건을 가지는 장거리 범위의 측위 실험을 수행하였다. 목표물 주변에는 비캐리어 OOK NRZ 형식의 가시광 송수신기가 있으면서 1351 호 방 앞면에 있는 목표물에게 ID 데이터를 제공하고, 또한 멀리 떨어진 목표물 조건에서의 추정 실험 환경을 만들기 위해 추가로 중계 기능의 노드들, 중계노드1, 중계노드2, 중계노드3을 그림에서 보이는거와 같이, 1344호, 1339호, 1326호 방 앞에 각각 설치하였다.

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측위 가능한 면적을 키우기 위해, 가시광 송수신기, 데이터 생성PC, 그리고 관측노드를 1351호 앞으로 위치하고, 중계노드 1을 1326호 앞에, 중계노드 2를 1339호, 중계노드 3을 1344호 앞에 위치하였다. 3개의 중계노드를 사용하여 최대 78m 떨어진 비가시거리까지 거리를 연장하였다.
가시광 송신 모듈을 사용하여 그림 우측에 있는 PC로부터 위치 데이터를 생성한 후, 가시광 채널을 통해 가시광 수신 모듈로 전송한다. 그러면 수신신호는 관측노드에 의해 디지털 데이터로 변환되고, 2.4GHz OQPSK-DSSS 형식의 지그비 무선 신호로 다시 변환되고, RF 신호는 무선 채널을 통해 주노드로 전달된다. 주노드가 전달된 RF 신호를 수신한 후, 주노드 동작의 역변환 과정이 수행된다. 마지막으로 복원된 위치 데이터는 그림 좌측에 있는 PC에 표시되고, 하이브리드 측위를 위한 시스템 동작이 반복적으로 계속된다. 실험 결과 관찰자가 목표물 주변의 위치 데이터를 수신하였고 무선 네트워크 기반 하이브리드 측위 실험이 성공적으로 수행된 것을 볼 수 있었고 증명하였다.

4. 결론
극도의 저 수신오류 특징의 가시광 통신 방식과 휴대성, 저전력, 우수한 보안성, 측위 서비스 범위의 자연스런 확장성 특징들을 가진 지그비 무선 네트워크를 서로 융합하여 편리하고 정확한 새로운 하이브리드 측위 시스템을 구현하고 개발하였다.
무선채널 특성 때문에 발생되는 측위 추정 오차를 줄이기 위해 가시광과 무선 채널이 융합된 환경에서 근접 측위 방식을 사용하였다. 근접 측위 방식은 수신되는 가시광 신호의 세기로 위치를 추정하기에 측위 오차가 존재한다. 보다 정확한 측위를 위해 각 좌표에서의 크기를 기록한 뒤 측정되는 가시광 세기를 비교하여 측위를 하는 Fingerprinting 방식 연구를 진행할 계획이다. 더불어, 비캐리어 기반 방식은 좁은 범위의 가시광 수신과 저주파 잡음에 취약하기 때문에 4MHz 캐리어 가시광 통신 회로를 사용하여 본 프로젝트 실험을 연장할 계획이다. 향후, 주노드에서 얻은 위치 정보를 다시 관측 노드로 보내는 과정에 대한 추가 연구, 캐리어 기반 가시광 통신 회로를 사용한 정지 또는 저속 영상 전송 연구를 진행할 것이다.

 

 

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