KR101409240B1 - 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조에 관한 것으로, 복수의 센서 기능이 구비된 센서부; 상기 센서부로부터 센서데이터를 입력받아 8비트 단위로 출력시키는 메인입출력부; 8비트 단위로 영상데이터를 입력받아 처리하는 영상처리부; 상기 메인입출력부를 통해 출력된 센서데이터와, 영상처리부를 통해 출력된 영상데이터를 외부로 전달시키는 유무선통신부; 상기 센서부를 통해 입력된 센서데이터가 상기 메인입출력부를 통해 출력되도록 하고, 상기 영상처리부로부터 입력된 영상데이터가 상기 영상처리부를 통해 처리되도록 하며, 상기 유무선통신부를 통해 센서데이터 또는 영상데이터가 외부로 전달되도록 8비트 단위의 처리속도로 제어하는 메인제어부; 및 상기 메인입출력부, 영상처리부 및 유무선통신부를 제어하기 위한 제어데이터가 8비트 단위로 저장된 메인저장부가 포함되어 구성된다.
본 발명에 따르면, 8비트 단위의 처리속도를 가지는 마이크로 컨트롤러 유닛과 영상을 포함하여 복수의 센서 신호를 입력받아 처리할 수 있는 복합 센서 기능을 하나의 칩에 집적하여, 입력된 영상을 압축하여 전송시키거나, 입력된 다른 센서 신호와 영상을 복합 처리하여 센서 네트워크에 적용할 수 있는 효과가 있다.

Description

센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조{SoC Processor Architecture for Sensor Network}

본 발명은 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 8비트 처리속도를 가지는 마이크로 컨트롤러 유닛과, 영상과 함께 복수의 센서 신호를 입력받아 처리할 수 있는 복합 센서 기능이 하나의 칩에 집적화된 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조에 관한 것이다.

시스템 온 칩 프로세서는 마이크로프로세서, 내장메모리, 기능블럭(영상처리, 음성처리, 고속연산 등) 복수의 주변기기 및 외부 버스 인터페이스 등을 하나의 칩 안에 적재한 IC를 의미한다.

이러한 시스템 온 칩 프로세서의 개발로 시스템 사이즈를 축소할 수 있을 뿐만 아니라, 시스템 검증 시간이 단축되고, 시스템의 신뢰성을 향상시키며, 상품을 시장에 출시하는 시간 및 제품가격을 줄일 수 있게 되었다.

시스템 온 칩 프로세서 중에서, 멀티미디어용 시스템 온 칩 프로세서는 하나의 칩 안에 멀티미디어용 기기에서 필요한 여러 가지 기능의 수행을 위한 회로가 포함된다.

멀티미디어용 시스템 온 칩 프로세서의 발전과정에서, 초기에는 DCT (Discrrete Cosine Transform)나, ME(Motion Estimator) 같은 단일 기능의 회로가 내장되어 있는 구조에서, SRAM 이나 부팅 롬(Boot ROM)이 첨가되거나, 나아가서 대용량의 SDRAM 까지 내장된 칩까지 발전하고 있으며, 기술에 발전에 의해 더 많은 부가 기능이 내장되고 있다.

그런데, 멀티미디어용 시스템 온 칩 프로세서의 설계과정에서 사용되는 마이크로프로세서는 멀티미디어 처리 기능들을 수행하기 위한 계산이나 전송 속도를 고려하여, 대체로 16비트 또는 32비트의 처리속도를 가지며, MPEG, H.264 등의 동영상 압축 방법을 써서 동영상 전송에 초점을 맞추었다.

따라서, 처리속도의 비트 수가 늘어나면, 그만큼 전력도 증가하고, 실리콘 면적이 커져서 제작 가격이 올라가는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2008-0020018호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 8비트 단위의 처리속도를 가지는 마이크로 컨트롤러 유닛과 영상을 포함하여 복수의 센서 신호를 입력받아 처리할 수 있는 복합 센서 기능을 하나의 칩에 집적하여, 입력된 영상을 압축하여 전송시키거나, 입력된 다른 센서 신호와 영상을 복합 처리하여 센서 네트워크에 적용할 수 있는 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조는 복수의 센서 기능이 구비된 센서부; 상기 센서부로부터 센서데이터를 입력받아 8비트 단위로 출력시키는 메인입출력부; 8비트 단위로 영상데이터를 입력받아 처리하는 영상처리부; 상기 메인입출력부를 통해 출력된 센서데이터와, 영상처리부를 통해 출력된 영상데이터를 외부로 전달시키는 유무선통신부; 상기 센서부를 통해 입력된 센서데이터가 상기 메인입출력부를 통해 출력되도록 하고, 상기 영상처리부로부터 입력된 영상데이터가 상기 영상처리부를 통해 처리되도록 하며, 상기 유무선통신부를 통해 센서데이터 또는 영상데이터가 외부로 전달되도록 8비트 단위의 처리속도로 제어하는 메인제어부; 및 상기 메인입출력부, 영상처리부 및 유무선통신부를 제어하기 위한 제어데이터가 8비트 단위로 저장된 메인저장부가 포함되어 구성된다.

상기 메인제어부는 8비트로 연산, 비교 및 판단을 하는 연산부와, 상기 연산부에서 연산에 필요한 8비트 데이터가 임시 저장되는 내부저장부가 포함되어 이루어질 수 있다.

상기 영상처리부는 이미지센서를 통해 획득된 영상이 입력되는 영상입력부와, 상기 영상입력부로 입력된 영상을 JPEG 형식으로 압축하는 영상압축부와, 상기 영상압축부를 통해 압축된 JPEG 데이터가 CIF 또는 VGA 화면표시규격으로 변환되어 저장되는 영상저장부와, 상기 메인제어부의 제어 신호에 따라 상기 영상입력부로 입력된 영상이 영상압축부를 통해 JPEG 형식으로 압축되도록 하며 압축된 JPEG 데이터가 CIF 또는 VGA 화면표시규격으로 변경되어 영상저장부에 저장되도록 하는 영상제어부가 포함되어 이루어질 수 있다.

상기 센서부에는 적외선센서, 조도센서 및 온도센서 기능이 구현될 수 있다.

상기 메인제어부에는 실시간 운영체계가 내장될 수 있다.

상기 시스템 온 칩 프로세서에는 근거리 통신이 이루어지는 유무선통신부가 포함될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조에 따르면, 8비트 단위의 처리속도를 가지는 마이크로 컨트롤러 유닛과 영상을 포함하여 복수의 센서 신호를 입력받아 압축하여 처리할 수 있는 복합 센서 기능을 하나의 칩에 집적하여, 압축된 영상을 전송시키거나, 입력된 다른 센서 신호와 영상을 복합 처리하여 센서 네트워크에 적용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조를 도시한 블록도이며,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조를 도시한 상세 블록도이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조의 레이아웃을 도시한 예시도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조를 도시한 블록도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조를 도시한 상세 블록도이다.

먼저, 네트워크 카메라(IP 카메라)는 촬영된 영상데이터를 네트워크로 전송하여 원격지에서 원하는 장소를 감시할 수 있는 것으로, 영상을 촬영하는 이미지센서와 한정된 네트워크 대역 상에 전송 효율을 높이고자 데이터를 압축하기 위한 영상 압축 기능이 필요하며, IP 네트워크망으로 데이터를 전송하기 위한 통신 기능이 필요하다.

도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서는 네트워크 카메라 용도로 사용하기 위해 이미지센서를 제외한 네트워크 카메라 기능을 포함하고, 또한 센서네트워크 기능들을 묶어서 하나의 칩으로 통합하기 위한 시스템 온 칩 설계기술이다.

본 발명의 일실시예에 따른 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서는 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 메인제어부(110), 메인저장부(120), 메인입출력부(130), 영상처리부(180), 유무선통신부(190) 및 센서부(170)로 구성되고, 각 기능부들은 다시 세부적인 동작을 하는 하부기능부들로 구성되어 있다.

그리고, 센서 네트워크의 유선 및 무선 통신을 담당하는 유무선통신부(190)와 조도, 온도 및 적외선 센서를 포함하는 센서부(170)가 포함됨으로써 센서 네트워크용 시스템 온 칩 기능이 완성된다.

본 발명의 일실시예에 따른 시스템 온 칩 프로세서에는 8비트의 메인버스(B)가 구비되며, 상기 메인버스(B)에 상기 메인제어부(110), 메인저장부(120), 메인입출력부(130), 영상처리부(180), 유무선통신부(190) 및 센서부(170)가 8비트로 연결된다.

상기 메인제어부(110)는 8비트를 연산처리하고 입출력하는 기능을 가진 프로세서이다.

상기 메인제어부(110)는 인텔 회사의 8051 프로세서 명령어와 호환된다.

상기 메인제어부(110)는 계산과 판단을 하는 연산부(111)와 이러한 계산과 판단에 필요한 데이터를 저장하는 내부저장부(112)로 구성되는데, 본 발명에 따른 시스템 온 칩 프로세서의 각 부에 필요한 제어신호를 생성한다.

상기 메인제어부(110)는 외부 시스템의 요구가 있을 때에 상기 영상제어부(181)로 신호를 보내서, 영상데이터가 영상저장부(184)에서 메인저장부(120)로 전달되도록 한다.

상기 메인제어부(110)에는 실시간 운영체제(RTOS)인 NanoQplus가 탑재되므로, 본 발명에 따른 시스템 온 칩 프로세서를 장착한 센서 노드는 IP통신이 가능하다.

즉, 실시간 운영체제인 NanoQplus는 각각의 센서 노드에 개별적인 IP 주소를 할당하고, 외부 시스템이 각 센서들을 개별적으로 연결하여 통신하게 한다.

상기 메인제어부(110)에 장착된 실시간 운영체제는 각각의 디지털/아날로그 센서 신호를 상기 메인입출력부(130)를 통해서 전달받고, 또한 센서 네트워크를 통한 전송 통신을 제어한다.

상기 메인제어부(110)는 연산부(111)를 통하여 각종 계산을 하고, 어떤 조건에 대한 판단 및 선택을 하고, 8비트 데이터를 1비트 직렬 데이터로 바꿀 수도 있다.

상기 1비트 데이터를 후술하는 UART부(132)를 통해서 전달시키거나 전달받는다.

상기 메인저장부(120)에는 메인제어부(110)를 동작시키는 프로그램, 센서 네트워크 시스템의 운영에 필요한 데이터, 센서데이터 및 외부로 내보내기 위한 영상데이터 등이 저장된다.

상기 메인저장부(120)에 저장된 영상데이터는 UART부(132) 또는 유무선통신부(190)를 통해서 외부로 전달되게 된다.

영상데이터를 외부로 전달시키는 조건은 외부의 요구가 있거나, 다른 센서의 값이 어떤 조건에 맞을 때에, 메인제어부(110)가 해당 제어신호를 발생한다.

참고로, 전력 절약기능은 센서네트워크의 대부분 응용 경우인, 연속 동작시간보다 대기시간이 더 많은 경우에 적용하므로 시스템 온 칩 프로세서가 낮은 전력소모를 하게 하는 것이다.

이러한 전력 절약기능에는 Idle 모드와 Power Down 모드가 있다.

Power Down 모드는 발진기 동작이 정지되어 있어서, 메인제어부(110) 내의 모든 동작이 정지되어 있으나, 메인저장부(120)의 저장내용은 그대로 유지되고 있다.

Idle 모드에서는 발진기와 클럭이 살아 있고, 인터럽트 기능과 타이머기능이 살아있다. 즉, 외부적으로 어떤 요구사항이 있거나, 일정 시간(타이머)이 지나면, 다시 전체 제어 기능이 살아나게 동작한다.

상기 영상처리부(180)는 영상제어부(181), 영상입력부(182), 영상압축부(183) 및 영상저장부(184)가 포함되어 이루어진다.

상기 영상입력부(182)는 CMOS 이미지 센서(CIS)를 통해 입력되는 영상데이터를 전달받는다.

상기 영상입력부(182)는 8비트 영상입력단자와 수평 및 수직동기신호의 두 단자를 가지고 있는데, 영상제어부(181)에서 해당 동기신호를 출력시켜면, 이에 동기하여 영상데이터를 전달받는다.

상기 영상제어부(181)는 영상처리부(180)의 동작에 필요한 모든 제어신호를 출력시키는데, 이 제어신호는 상기 메인제어부(110)를 통한 제어신호를 전달받아서 생성된다.

상기 영상제어부(181)는 영상 입력을 위해서, 영상 입력 클럭과 동기 신호를 영상입력부(182)를 통해서 CMOS 이미지 센서(CIS)로 전달시킨다.

이어서, 영상입력부(182)로 입력된 영상은 상기 영상압축부(183)를 통해 JPEG 형식의 영상으로 압축 변환되는데, 영상제어부(181)는 상기 압축된 JPEG 형식의 영상을 조합하여 CIF 또는 VGA 화상규격의 정지영상으로 만들어서 상기 영상저장부(185)에 저장되도록 한다.

JPEG 압축은 네트워크 카메라에 많이 쓰이는 동영상 압축방식인 MPEG 나 H.264 방식에 비해서 압축 변환 계산 수식이 적은데, 압축율이 낮아서 정지영상 화질은 오히려 동영상보다 좋다.

동영상은 통상적으로 1초에 최소한 12 화상을 전송해야 하는데, 정지영상은 필요에 따라서, 한 개의 영상을 1초, 10초, 1시간, 하루, 1주일 또는 요청이 올 때만 전송시킬 수가 있다.

즉, 동영상은 더 많은 화상을 보내기 위해서 속도도 빨라야 하고, 전력도 많이 소비하게 된다.

따라서 동영상이 필요하지 않은 센서 네트워크에서는 정지영상인 JPEG를 사용하는 것이 경제적이고, 절전형이며, 효율적이다.

아울러, 상기 영상제어부(181)는 영상저장부(184)에 저장되는 영상의 시작점 코드(예를 들어, FFD8)와 끝점 코드(예를 들어, FFD9)가 부여되도록 한다.

예를 들어 VGA 영상은 화소수가 640*480 인데, 한 면의 영상데이터 앞에 시작점 코드와, 영상데이터의 끝 부분에 끝점 코드를 첨부하여, 영상 하나의 처음과 끝을 알 수 있게 한다.

이 처음과 끝 코드 사이에, VGA 경우에는 640*480 화소수가 있어서, 하나의 JPEG 형식의 VGA 영상 화면이 있다고 보는 것이다.

참고로, 영상 한 면의 해상도는 QVGA(320*240), CIF(352*240), VGA(640*480), XVGA(1280*800), HD(1360*768, 1600*900), Full HD(1920*1080) 등으로 구성되며, 해상도가 커질수록 더 세밀한 영상을 처리하기 위한 노력들이 진행되고 있다.

영상의 화소 수가 커질수록, 이를 처리해야하는 속도가 커야하고, 이는 더 성능이 좋은 연산장치, 더 속도가 빠른 전송 통신규격을 사용하여, 크기, 가격, 전력 소모 등이 높아진다.

본 발명에서는 기존의 CCTV 카메라에 많이 쓰는 VGA 규격과 그것의 약 절반인 CIF 규격의 정지영상을 쓰는 것으로 하였다.

상기 메인입출력부(130)는 GPIO부(131), UART부(132), Interrupt(인터럽트)부(133) 및 Timer(타이머)부(134)로 구성된다.

상기 GPIO부(131)는 8비트 단위의 일반용도의 입출력단(General Purpose Input/Output; GPIO) 4개로 이루어지며, 8개까지의 센서 신호를 입력받을 수 있다.

GPIO부(131)는 8비트 단자로 이루어진 포트(Port)가 포트 0~3까지 4개 있는데, 이 중에 포트 1은 입출력용인데 센서 입력용으로 사용되고, 포트 0과 2의 두 포트는 16비트 주소로 쓰이거나 또는 8비트 데이터 입출력용으로 사용된다.

포트 3은 UART, 인터럽트, 타이머 등의 용도로 사용된다.

디지털 센서 신호는 GPIO부(131)를 통해 입력되며, 아날로그 센서 신호는 ADC부(135)를 통해 그 용도에 따라서 4비트(16 수준) 또는 8비트(256 수준), 아주 정교한 경우 10비트(1,024 수준) 또는 12비트(4,096 수준)으로도 나타낼 수 있다.

상기 디지털 센서 신호는 1비트 단위, 4비트 단위 또는 8비트 단위로 입력될 수 있다. 예를 들어서, 1비트 신호는 문이 열렸거나 닫힌 것을 표현할 수 있고, 1비트 경보(alarm) 신호도 보낼 수 있다.

상기 GPIO부(131)의 단자 두 개를 이용하여, CIS의 초기값을 세팅하는 자료를 출력한다.

즉, CIS가 원하는 영상출력을 하기 위해서는 CIS 내부 레지스터에 초기값을 주어야 하는데, 이 값들을 내부저장부(112)에서 가져와서, I2C(Inter-Integrated Circuit) 통신방법으로 내보내는데, GPIO부(131)의 두 단자를 사용한다.

상기 GPIO부(131)의 출력 기능을 이용하여, 외부의 기기를 제어하는데, PWM(Pulse Width Modulation)은 시스템 온 칩 프로세서의 디지털 출력으로 외부의 장치를 구동시키는 강력한 기법이다.

메인제어부(110)는 이미지센서 또는 각종 센서를 통해 취득한 신호를 입력 분석하고 이에 해당하는 제어 신호를 발생시키는데, 이때에 외부 아날로그 기반의 제어 대상을 제어하기 위해서, 메인제어부(110)에서는 연산장치를 가동시켜서, PWM 신호의 펄스 폭을 변경시켜서 출력하게 된다.

이 동작을 설명하면, 펄스 폭이 다른 PWM 신호들인, 예를 들어, 좁은 펄스폭인 PW1 또는 넓은 펄스 폭인 PW2는 외부의 전등, 모터 등에 소요되는 전류량을 제어하여, 밝기조절하거나 모터의 회전력 등을 제어할 수 있다.

펄스 폭이 넓은 PW2는 PW1 에 비해서 더 오랫동안 전류를 흐르게 하여 전구를 밝게 하거나, 모터의 힘을 더 크게 하는 것이다.

상기 UART부(132)는 입력 및 출력되는 데이터를 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter; 범용 비동기화 송수신기) 통신 규격에 맞게 입출력이 이루어지도록 한다.

상기 UART 방식은 외부 시스템과 송신, 수신할 때에 직렬 1비트 자료로 주고받는데, 외부 시스템과 저속으로 통신할 때에 주로 쓰는 통신 방법이다.

UART는 컴퓨터와 주변기기나 통신기기 사이에서 이루어지는 저속 통신규격의 대표적인 것이다.

상기 인터럽트부(133)는 외부 인터럽트(Interrupt)가 발생하면, 플래그(flag)를 저장하여 알려 준다.

Timer부(134)는 미리 정한 시간이 되었거나 또는 어떤 조건에서 요구되는 시각이 되었음을 알려준다.

인터럽트신호가 발생하면, 현재 수행중인 일을 정지하고, 새로 요구되는 일 처리를 수행하는 기능인데, 시스템에서 정한 조건이 만족 되었거나, 다른 센서에 의해서 요구가 있을 때, 또 시스템이나 외부요구가 있을 때에 이를 수행하고, 다시 본래의 일로 돌아오게 된다.

상기 GPIO부(131)에는 온도센서, 조도센서 등의 디지털 신호로 입력되는 디지털 센서가 연결되고, 아날로그 센서의 신호는 ADC 변환기를 거쳐서 디지털 신호로 바꾸어 처리되기 때문에 ADC부(135)로 입력된다.

상기 ADC부(135)는 아날로그(Analog) 신호가 12비트 단위의 디지털(Digital) 신호로 변환되어 입력될 수 있도록 한다.

상기 12비트 디지털 신호를 필요한 비트 수만큼 잘라서 쓰게 된다.

즉, 4비트, 8비트, 12비트 등으로 입력 처리가 된다.

12비트 디지털 신호는 그 신호 세기를 4,096 수준으로 나눌 수 있다.

아날로그 신호를 이 정도로 나누면 우리의 시각, 청각, 감각기능은 거의 변하는 차이를 느끼지 못할 정도이다.

우리의 음성은 보통 8비트 디지털 신호로 바꾸어 처리한다.

우리의 조명의 조도도 대체로 8비트(256 수준)로 나타낸다.

온도, 조도 등의 아날로그 신호를 더 정교하게 나타내려면 10 내지 12비트 디지털 신호로 나타낸다.

즉, 12 비트의 아날로그 디지털 변환기를 쓰면 더 정교한 것이 요구되는 14 내지 16비트 수준의 신호 수준을 빼고, 거의 대부분의 신호처리를 할 수 있다고 본다.

상기 ADC부(135)는 12비트의 Analog-to-Digital Converter 인데, 8채널 멀티플렉싱 구조로 되어 있어서, 8개의 센서 입력을 순서적으로 받아들일 수가 있다.

상기 ADC부(135)에는 조도센서, 압력센서, 온도센서, 습도센서, 거리센서, 연기센서, 열감지센서 등으로부터 아날로그 신호가 입력된다.

각종 아날로그 센서의 신호는 전압레벨의 아날로그 신호이므로 ADC 변환기로 디지털로 바꾸고, 메인제어부(110)를 통하여 센서데이터를 저장하거나, 그 센서 신호에 따른 필요한 제어신호를 발생시킨다.

아울러, 본 발명에 따른 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서에는 도 2에 도시한 바와 같이, 온도센서, 조도센서, 적외선(IR)센서 등의 센서들을 실현한 센서부(170)가 내장되고, 유선 및 무선 통신이 이루어지는 유무선통신부(190)가 포함될 수 있다.

상기 센서부(170)가 내장되면, 건물, 사무실, 집안 등에서 흔히 많이 쓰이는 온도, 조도, IR 센서를 내장하게 되어, 영상센서 입력 기능과 함께, 복합센서 기능이 이루어질 수가 있고, 크기를 줄일 수가 있으며 가격면에서도 휠씬 유리하게 된다.

유무선통신부(190)는 UART부(160) 또는 GPIO부(140)에 연결되어서 통신 기능을 담당한다.

상기 유무선통신부(190)도 내장이 되면, 크기, 전력 및 가격 면에서 월등한 장점을 가지게 된다.

상기 세 가지 센서기능과 유선 무선통신 기능을 시스템 온 칩 프로세서 내부에 구비함으로써 성능, 신뢰도가 높아지고, 가격은 저렴하게 될 수 있다.

한편, 이들을 외부소자로 구현하는 방식은 외부소자들의 가격이 수배로 올라가고, 외부 추가 전력공급 등으로 전력소모가 커지고, 외부 PCB 크기도 커지고, 부품 수가 많아지면 제품의 동작 신뢰도가 떨어지고, 제조 원가는 올라기게 된다.

따라서, 이러한 기능들을 칩 내부에 구현한다면, 실제 실리콘 면적을 조금 증가시키는 정도인데, 원래의 칩에 비해서 가격이 조금 올라간다고 해도, 전체 부품가격과 PCB 조립비에 비하면, 10분의 1 정도의 원가로 해결할 수 있게 된다.

상기 유무선통신부(190)가 내장되면 NanoQplus에서 제어 및 지원하는 통신 방식으로 회로가 구성되며 하나의 시스템 온 칩으로 유무선 통신이 가능해지는데, 이에 반해서 외장인 경우에는 별도의 유선용 TCP/IP 전용 칩이나 무선용 ZigBee 방식으로 구성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조의 레이아웃을 도시한 예시도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 시스템 온 칩 프로세서는 가로 4874um, 세로 4096nm로 제작될 수 있으며, 레이아웃(Layout)에서 메인제어부(110), 영상제어부(181), 영상입력부(182), 영상압축부(183), 영상저장부(184), 메인입출력부(130), 유무선통신부(190) 및 센서부(170)가 구현된 위치를 알 수가 있다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서의 동작 과정의 예시를 설명한다.

먼저, 네트워크 카메라 기능으로써, CMOS 이미지센서(CIS)를 통해 8비트 형식으로 영상 신호가 영상입력부(182)로 입력된다.

영상 입력에 따른 필요한 클럭(Clock) 및 동기 신호는 영상제어부(181)에서 공급한다.

CIS에 대한 초기 레지스터 값 세팅은 메인제어부(110)에 의해서 GPIO부(131)를 통하여 I2C 통신으로 수행된다.

이어서, 메인제어부(110)를 통해 제어 신호를 전달받은 영상제어부(181)는 입력된 영상을 영상압축부(183)를 통해 JPEG 형식으로 압축 변환되도록 하고, 영상압축부(183)에서 압축한 JPEG 형식의 영상을 영상저장부(185)에 저장한다.

압축된 JPEG 영상 데이타는 영상제어신호에 의해서 CIF 또는 VGA 화상규격의 영상 크기로 조합되어서 영상저장부(185)에 저장된다.

시스템 요구, 즉 사용 용도에 따라서, CIF 또는 VGA 해상도로 영상데이터를 출력하도록 CMOS 이미지 센서를 설정하고, 사용용도에 따라서 JPEG 형식으로 압축된 영상 형식을 CIF 또는 VGA 화상규격으로 변환시킬 수 있도록 하여 사용상의 편의성을 부여하였다.

즉, 외부 시스템의 요구에 따라서 CIF 형식이나 VGA 형식으로 영상을 출력시킬 수가 있다.

CIF 는 VGA 보다 화소수가 적으므로 빨리 전송될 수 있으나 화질이 떨어진다.

VGA 전송은 화질은 좋으나 전송속도가 떨어진다.

이와 같이 사용자의 용도에 따라서, 해당하는 영상규격의 영상을 발생하여 사용 할 수가 있다.

JPEG 형식으로 압축된 영상 데이타는, CIF 또는 VGA 형식으로 조합되어 영상저장부(185)에 바로 저장되므로, 별도의 외부 메모리 장치 및 그 제어에 필요한 비용을 절감할 수가 있다.

즉, 영상저장장치가 시스템 온 칩 외부에 있으면 그에 따른 제어신호, 데이터버스가 PCB 보드 상에 필요하게 되고, 부품 수 증가, 동작신호의 증가, 가격 증가 등의 문제를 일으킨다.

이어서, 외부 시스템으로부터 현재 영상에 대한 전송 요청이 있으면, 메인제어부(110)는 상기 영상저장부(185)에 저장된 영상을 메인저장부(120)에 임시로 옮기고, 외부 요구조건에 따라서 메인입출력부(130)로 전달시킨다.

외부에서 요구하는 영상전송은 UART(직렬)통신이나 GPIO(병렬)통신방법으로 전송가능하다. 이들 방식에 따라 전송속도가 다르고, CIF 또는 VGA 규격에 따라서도 전송시간이 달라진다.

메인저장부(120)에는 다른 센서데이터도 저장되는데, 외부 시스템의 요구에 따라서 그 조건들을 계산 또는 판단하여 영상전송을 할 수 있다.

경제적인 통신을 위해서, 즉 32비트보다 8비트로 처리하고, 전송속도도 100K byte 정도의 통신속도를 이용하는데, 직렬통신의 경우에 내부 8비트의 데이타는 UART부(131)에서 1비트 직렬 데이터로 바뀌어 유무선통신부(190)를 통해 외부로 전송된다.

기존의 센서 네트워크에서 통신방식은 거의 UART 방식으로 하는데, 데이터 전송속도(115K baud rate)는 센서 네트워크용으로 적절한 속도이다.

정지영상 전송을 이 UART 방식을 써서 추가 하드웨어 부담 없이, CIF 급의 영상을 0.3 내지 1 화상/초 정도의 전송속도로 보낼 수가 있다.

상기 메인저장부(120)에 저장된 영상은 이더넷(Ethernet) 등의 유선망을 통해서도 외부로 전송될 수도 있다.

PCB 보드 시스템에서 TCP/IP Ethernet 전용칩으로 구성했을 경우에 CIF 영상은 8 내지 10 fps, VGA 영상은 3 내지 4 fps 속도를 보인다.

이렇게 이미지센서를 통해 입력된 영상을 네트워크를 통해 전송함으로써 원격지에서 원하는 장소를 영상으로 감시할 수가 있다.

센서 네트워크에서는 높은 처리속도가 요구되지 않으므로, 이미지센서에서부터 영상처리부(180), 메인저장부(120)를 통하는 영상데이터를 8비트로 처리함으로써, 시스템 온 칩 프로세서의 구조를 간단히 할 수 있고, 데이터 흐름을 유연하게 하면서도 저가로 구성할 수가 있다.

저전력 무선통신을 규정한 IEEE 802.15.4 표준규격을 따르는 ZigBee 무선 통신방식은 데이터 전송 속도가 20 내지 900k bps 인데, 이러한 속도를 대체로 USN/WSN 이용 분야인 환경, 화재, 물 오염, 건물 온도/조도 등에 응용하기 위해서 만들어진 규약이다.

또한, 본 발명에 따른 시스템 온 칩 프로세서에서 응용하고자 하는 VGA 정지영상의 한 화상의 전송속도는 120K byte 정도인데, 이론적으로 1초에 영상 하나 정도를 보낼 수가 있다.

이 영상은 8비트 단위로 저장되고, 기타 대부분의 센서데이터도 8비트로 되어서, 전체 프로세서의 구조가 8비트로 처리된다.

동영상을 처리하는 경우(MPEG, H.264 등)는 그 속도 때문에 당연히 32비트 프로세서를 써야하는데, 그 연산기, 메모리, 버스, 주변부, 입출력부 등 모든 부분이 32비트로 커지고, 전력이 많이 들게 되고, 비싸지게 된다.

센서 노드의 가장 중요한 요소는 저전력과 저가이어야 한다.

왜냐하면, 센서 노드를 필요한 어느 곳이든 쉽게 설치가 가능하고, 또 값싸게 많이 뿌려 놓아야 하기 때문이다.

또한, 대부분 제품의 각 기능들이 개별 반도체 소자들로 구성되어 있고, PCB 보드상에서 많은 부품들을 연결하여 센서 노드의 중요 기능을 만들게 되므로, 가격, 크기, 전력, 각 구성품의 최적화 등에서 어려움이 많은 것이다.

본 발명에서는 이를 하나의 반도체 SOC에 모든 기능을 집적하여, 그 효율을 높일 수가 있다.

이미지센서 외에 다른 센서 입력을 받는 경우, 센서 입력은 디지털 출력센서 또는 아날로그 출력센서 등의 종류에 따라서 다르게 입력된다.

디지털 출력센서의 신호는 GPIO부(131)의 입력단자를 통해서 입력되고, 아날로그 출력센서의 신호는 ADC부(135)를 통해서 입력된다.

예를 들어, 어느 설비의 온도를 잴 때에 8비트를 쓴다면, 0 내지 125도까지 잴 수가 있는 것이다.

그 재는 범위를 이동하여 낮은 온도로 내리면, -40도 내지 85도까지도 잴 수가 있다.

사람의 음성을 디지털로 입력한다면, 보통 대화하는 정도의 음성은 통상 8비트를 쓰지만, 음악과 같은 휠씬 좋은 음질을 재현하려면 10 내지 12비트를 써야할 것이다.

메인제어부(110)는 GPIO부(131) 또는 ADC부(134)를 통해 입력되는 센서 신호를 이용하여 필요한 정보를 가공하여 그 결과를 내부저장부(112)에 저장하고, 입력된 센서데이터를 메인저장부(120)에 저장되도록 한다.

이어서, 가공된 결과를 주어진 조건과 비교하고 판단하여, 필요한 일을 하게 하는 것이다.

예를 들어서, 우리가 사무실의 조도를 300룩스로 하고자 하고, 그 조도의 범위를 100 내지 1000 룩스 사이로 하여 잰다고 하면, 대체로 10비트(1,024 수준)의 디지털 숫자단위가 필요하다.

따라서, 조도 센서로 현 조도를 읽어 드려서 300룩스보다 낮으면, PWM 제어를 이용하여 펄스의 폭을 늘임으로 해서 전류 공급시간을 더 많이 하여 전등이 밝기를 더 높게 한다.

반대로 300룩스보다도 더 밝으면, 반대로 하여 PWM 신호의 폭을 좁혀서 전등의 조도를 낮추게 조절한다.

이렇게 메인저장부(120)에 저장한 기준 조도 값을 100, 300, 800 등으로 바꾸어서 원하는 조도로 조명을 조정할 수가 있다.

기준 값이나, 읽어 드린 센서 값은 필요에 따라서, 하루, 한 달, 1년 등의 필요기간 동안에 보관해 놓을 수도 있다.

이어서, 메인저장부(120)에 저장된 센서데이터는 UART부(132), 유무선통신부(190) 등을 통하여 전송되어 센서 네트워크상에서 필요한 정보로 사용되게 된다.

시스템 온 칩 프로세서에 내장된 영상처리 기능은 영상자료를 그 외에 다른 센서와 연계하여 동작되게 할 수도 있는데, 다른 센서 내용과 영상자료의 조합으로 현장의 상황을 판단하게 하여 더 확실한 조치를 하게 할 수 있다.

예를 들어, 건물의 어느 사무실에서 움직임 센서가 동작하여, 어떤 물체의 움직임이 감지되었는데, 이를 관제하는 시스템에서 영상센서 노드에 명령을 내리거나, 또는 자동으로 영상을 가져오면 현장에 경비원이 직접 가보지 않아도, 현장 상황을 파악할 수가 있다.

이러한 기능은 가정, 사무실, 창고, 농장, 목장, 환경 감시, 노약자 시설 등의 감시, 모니터링에 응용할 수가 있다.

즉, 본 발명에 따른 시스템 온 칩 프로세서와 함께 필요한 여러 센서를 장착한 영상복합 센서 노드를 설치하였을 때에, 그 노드에서 움직임이 감지되거나, 온도 변화가 생기거나, 소리가 나거나 할 때 이미지센서가 작동되도록 하여 영상으로 그 현장을 확인하고 필요한 조처를 할 수가 있다.

본 발명에 따른 시스템 온 칩 프로세서를 사무실, 창고 등에 설치하고, 그 주변으로 각종 센서를 설치하여 어떤 움직임, 온도변화, 소리 등이 있을 때를 인지하여 현장 영상이 전송되도록 함으로써 건물의 보안 및 방재 등에 이용될 수가 있다.

이렇게 이미지센서는 주변 센서 신호가 감지될 때만 작동되도록 함으로써 불필요하게 낭비되는 전력을 절감할 수가 있다.

본 발명에 따른 시스템 온 칩 프로세서를 주차장 관리시스템에서의 응용가능성이 있는데, 주차장의 개별주차공간에 영상 복합 센서 노드를 설치하여, 특정 주차구역에 주차된 차량의 번호판을 인식할 수 있도록 할 수 있다.

즉, 주차장의 개별 주차위치에 영상복합 센서 칩을 이용한 센서 노드를 하나씩 부착하여 그 위치에 주차한 차량번호를 읽어낼 수 있다.

또한, 개별주차공간이 비어있는 경우에 그 위치로 새로 들어오는 차량에게 현재 상황을 미리 알려줌으로써, 차량의 불필요한 주차장 내 이동 및 대기시간이 낭비되는 것을 줄일 수가 있다.

출차하는 경우에도 사전에 주차 위치와 영상을 차주에게 알려 줄 수가 있다.

개별주차 주변을 촬영함으로써 주차된 차량의 도난, 주차장 내 접촉사고, 화재와 같은 비정상적인 상황에 대한 적절한 대응이 즉시 이뤄질 수가 있다.

이 개별주차 확인 기능을 기존의 대형주차장 관리 시스템에 Ethernet, PLC, ZigBee 등의 통신 방법으로 연결하여, 이러한 추가 기능을 부여함으로써, 주차관리를 더 효율적으로, 자세하게, 또 고객들에게도 편리한 주차관리 서비스를 할 수가 있다.

또 다른 응용가능성으로는, 계량기 등에 설치하여 아날로그 미터기의 사용량을 영상을 통해 인지할 수 있도록 할 수 있다.

무엇보다도 시스템 온 칩 프로세서는 유무선통신부(190)를 통해 무선 네트워크가 지원되고, 저전력화하면 배터리로 동작할 수가 있어서, 전력선이나 통신선을 없앨 수가 있어서, 설치가 매우 간편하게 될 수 있다.

방범용으로는 물론 산불 감시용이나 댐, 교량, 하천 감시용 등 유선방식으로 시스템을 구축하기 어렵거나, 관리인이 매번 또는 매일 접근이 어려운 장소에 설치하여 편리한 관리를 할 수가 있다.

하나의 칩으로 무선통신 센서네트워크 기능이 집적되면, 경량화, 소형화 및 배터리 전력공급으로, 무선으로 조종하는 무인 소형 비행기나 자동차 내외부, 항만 크레인 등 이동성 장치에 부착해서 영상을 촬영 및 녹화할 수 있으며, 건강관리, 의료용으로도 널리 쓰일 수가 있다.

유통 및 설치업체가 중간이익을 많이 취할 수 있는 구조를 갖는 유선방식의 네트워크 카메라와 달리, 무선방식의 네트워크 카메라인 시스템 온 칩 프로세서는 이를 이용한 센서 노드 장치를 유무선 통신방법을 이용하여 인터넷에 바로 접속하게 하고, 또 스마트폼용 앱을 지원하고, 소비자가 직접 쉽게 설치할 수 있게 하면, 직접 소비자들을 대상으로 한 판매가 가능하여 대량보급을 극대화할 수 있다.

이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 제시하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

110: 메인제어부 120: 메인저장부
140: GPIO부 180: 영상처리부

Claims (9)

1. 센서 네트워크에 전기적으로 접속되어 센서 노드로서 작동되는 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조로서,
   복수의 센서 기능이 구비된 센서부(170)로부터 센서데이터를 입력받아 출력시키는 메인입출력부(130);
   카메라의 이미지 센서가 촬영한 영상데이터를 입력받아 센서 네트워크로 전송하기 위하여 압축, 변환, 저장을 통한 이미지 처리를 수행하는 영상처리부(180);
   상기 메인입출력부(130)를 통해 출력된 센서데이터와, 영상처리부(180)를 통해 처리되어 출력된 영상데이터를 센서 네트워크로 전달시키는 유무선통신부(190);
   상기 센서부(170)를 통해 입력된 센서데이터가 상기 메인입출력부(130)를 통해 출력되도록 하고, 상기 이미지 센서가 촬영한 영상 데이터를 상기 영상처리부(180)에서 이미지 처리하도록 제어하며, 상기 유무선통신부(190)를 통해 센서데이터 또는 영상데이터가 센서 네트워크로 전송되도록 제어하며, 센서데이터에 기초하여 이미지 센서를 작동시키거나 영상데이터를 센서 네트워크에 전송 제어하는 메인제어부(110); 및
   상기 메인입출력부(130), 영상처리부(180), 유무선통신부(190) 및 센서 네트워크 통신 제어데이터를 저장하고 있는 메인저장부(120)를 포함하며,
   상기 센서부(170)는 적외선센서, 조도센서 및 온도센서 기능을 더 포함하며,
   상기 메인제어부(110)에는 실시간 운영체계가 내장된 것을 더 포함하며,
   상기 메인입출력부(130)는 디지털 센서신호를 입력시키며, 메인제어부(110)의 제어에 따라 외부기기를 구동시키는 디지털 제어신호를 출력시키는 GPIO부, 외부기기와 입출력 통신하는 UART부, 인터럽트 신호가 발생하면 현재 수행중인 작업을 중단하고 시스템에서 정하는 새로운 일을 한 후에 복귀시키는 인터럽트부, 타이머부 및 아날로그 센서신호를 입력시키는 아날로그 디지털 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서노드의 기능이 하나의 반도체칩에 내장된 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 메인제어부(110)는 8비트로 연산, 비교 및 판단을 하는 연산부(111)와, 상기 연산부(111)에서 연산에 필요한 8비트 데이터가 임시 저장되는 내부저장부(112)가 포함되어 이루어진 것을 특징으로 한 센서노드의 기능이 하나의 반도체칩에 내장된 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조.
3. 제1항에 있어서, 상기 영상처리부(180)는 이미지센서를 통해 획득된 영상이 입력되는 영상입력부(182)와, 상기 영상입력부(182)로 입력된 영상을 JPEG 형식으로 압축하는 영상압축부(183)와, 상기 영상압축부(183)를 통해 압축된 JPEG 데이터가 CIF 또는 VGA 화면표시규격으로 변환되어 저장되는 영상저장부(184)와, 상기 메인제어부(110)의 제어 신호에 따라 상기 영상입력부(182)로 입력된 영상이 영상압축부(183)를 통해 JPEG 형식으로 압축되도록 하며 압축된 JPEG 데이터가 CIF 또는 VGA 화면표시규격으로 변경되어 영상저장부(184)에 저장되도록 하는 영상제어부(181)가 포함되어 이루어진 것을 특징으로 한 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 시스템 온 칩 프로세서에는 근거리 통신이 이루어지는 유무선통신부(190)가 포함된 것을 특징으로 한 센서노드의 기능이 하나의 반도체칩에 내장된 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 메인제어부(110)는 메인저장부(120)에 저장된 영상데이터 및 센서데이터를 센서네트워크의 전송 요청이 있을 때 이를 전송 제어하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 기능이 하나의 반도체칩에 내장된 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조.
9. 제1항에 있어서, 메인제어부(110)는 미리 설정한 조건에 따른 온도센서, 습도센서, 적외선 센서, 조도센서, 압력센서, 거리센서, 연기센서, 열감지센서 중 어느 하나 이상의 센서데이터에 기초하여 이미지 센서를 작동시키거나 영상데이터를 센서 네트워크에 전송 제어하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 기능이 하나의 반도체칩에 내장된 센서 네트워크용 시스템 온 칩 프로세서 구조.

Images