KR101591754B1 - 댁내 IoT 센서의 생애주기 관리를 위한 클러스터 기반의 IoT 센서의 현황 표시 방법 및 이를 위한 컴퓨터로 판독가능한 기록매체 - Google Patents
댁내 IoT 센서의 생애주기 관리를 위한 클러스터 기반의 IoT 센서의 현황 표시 방법 및 이를 위한 컴퓨터로 판독가능한 기록매체 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 일반적으로 스마트 홈 실내공간에서 IoT 센서들의 현황을 실시간으로 알려주는 기술에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 IoT 센서가 다수 설치되어 있는 스마트 홈 실내공간에서 센서들 간의 RSSI 및 비콘 조합에 기초하여 IoT 센서들의 방향각 계산과 거리인식을 수행하고 그 결과에 기초하여 스마트 홈 게이트웨이가 이들 IoT 센서의 공간 배치를 3차원 디스플레이 제공함으로써 IoT 센서들의 현황을 모니터링하고 생애주기 관리가 적절히 이루어질 수 있도록 보조하는 기술에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 다수의 IoT 센서가 불규칙하게 설치되어 있는 스마트 홈 실내공간에서 3차원 디스플레이를 통해 이들 IoT 센서의 현황을 모니터링하고 생애주기를 적절하게 관리할 수 있고 종국적으로는 IoT 센서의 폐기 관리까지 적절하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 일반적으로 스마트 홈 실내공간에서 IoT 센서들의 현황을 실시간으로 알려주는 기술에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 본 발명은 IoT 센서가 다수 설치되어 있는 스마트 홈 실내공간에서 센서들 간의 RSSI 및 비콘 조합에 기초하여 IoT 센서들의 방향각 계산과 거리인식을 수행하고 그 결과에 기초하여 스마트 홈 게이트웨이가 이들 IoT 센서의 공간 배치를 예컨대 건물의 평면도에 매칭시켜 3차원 디스플레이 제공함으로써 IoT 센서들의 현황을 모니터링하고 생애주기 관리가 적절히 이루어질 수 있도록 보조하는 기술에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 본 발명은 IoT 센서가 다수 설치되어 있는 스마트 홈 실내공간에서 센서들 간의 RSSI 및 비콘 조합에 기초하여 IoT 센서들의 방향각 계산과 거리인식을 수행하고 그 결과에 기초하여 스마트 홈 게이트웨이가 이들 IoT 센서의 공간 배치를 예컨대 건물의 평면도에 매칭시켜 3차원 디스플레이 제공함으로써 IoT 센서들의 현황을 모니터링하고 생애주기 관리가 적절히 이루어질 수 있도록 보조하는 기술에 관한 것이다.
최근들어 사물인터넷(IoT, Internet of Things)에 대한 논의가 활발하게 이루어지고 있다. 사물인터넷(IoT)이란 모든 사물을 네트워크에 연결하여 상호 통신을 수행한다는 개념을 의미한다. 시스템적으로 인지할 수 있는 객체는 Things 또는 Objects로 분류하는데, 센서 등 데이터 생산 및 이용이 가능한 사물(또는 센서노드)이 이에 포함될 수 있다. 사물인터넷은 이들 객체에 근거리 또는 원거리 통신 기능을 탑재하여 인터넷에 연결시키겠다는 것이다.
단순히 객체들을 인터넷에 연결하는 것만으로는 일반적으로 의미를 도출하기 어려우므로 사물인터넷 분야에서 말하는 '사물'이란 정보 취득을 위한 센서(즉, IoT 센서)의 형태로 구현될 것으로 전망된다. 즉, IoT 센서를 다수 설치하여 각자 정보를 취득하고, 이를 인터넷으로 연결하여 이들 IoT 센서들로부터 엄청난 데이터를 축적하겠다는 것이다.
이처럼 인터넷은 IoT 환경으로 인해 급속한 변화가 이루어질 것으로 예측되고 있으며, 트위터나 페이스북 등의 인터넷 서비스에도 이러한 경향은 반영되고 있다. 즉, 지능형 사물(예: 무선 센서, 드론, 카메라, 엑츄에이터)에 의해서 다양한 데이터가 생성되고 있으며, 이들 데이터가 중앙 서버에 취합되어 빅데이터 처리를 통해 서비스가 이루어지고 있다.
이처럼 사물인터넷 기술은 IT 기술분야의 대세로 자리잡아가고 있는데, 이는 홈 디바이스에도 적용될 것으로 보인다. 이를 통해 소위 '스마트 홈'을 구축하는 것이다.
스마트 홈을 구현하기 위한 전제로서 댁내에 존재하는 여러 장치(예: 냉장고, 세탁기, 전자렌지, 텔레비전, 셋톱박스, 온도조절기, 로봇청소기, 전등, 전력제어기 등)에 IoT 센서를 설치하려는 연구도 활발하다.
그런데, IoT 센서는 반영구적으로 사용할 수 있는 장치가 아니기 때문에 언젠가는 수리 내지 교환을 해주어야 한다. 특히, 배터리로 동작하는 IoT 센서의 경우에는 배터리가 소모되면 배터리를 교환해주거나 아예 IoT 센서 본체를 교환해주어야 한다. 블루투스 LE (Low-Energy) 등의 기술을 적용하더라도 단지 교환주기를 늘리는 것이 불과하다.
사물인터넷이 활성화됨에 따라 향후에는 댁내에 수십 개에서 수백 개의 IoT 센서가 설치될 것으로 예상되는데, 이러한 IoT 센서들을 적절하게 유지 관리하고 적절한 시점에 배터리를 교체하거나 사용연한에 따라 센서장치의 부품 또는 장치 자체를 교체해주는 것이 중요하다. 하지만, IoT 센서들은 각자의 용도에 따라 불규칙하게 배치되어 있을 것이기에 이들을 유지 관리한다는 것은 굉장히 난해한 일이 될 것이다.
그에 따라, 이처럼 IoT 센서들을 적절하게 유지 관리할 수 있는 새롭고 유효한 기술의 제안이 요망된다.
특히, 특별한 전문 지식을 갖추지 못한 일반 수요자들이 마치 현재 형광등을 갈아끼우는 정도의 지식만으로도 댁내에 설치되어 있는 IoT 센서를 어느 정도는 유지 관리할 수 있게 해주는 기술이 요구된다.
[선행기술문헌]
1. 대한민국 특허출원 10-1997-0050753호 "산업용 로봇에 부착된 센서의 위치 및 자세 보정방법 및 이에 사용되는 측정 지그"
2. 대한민국 특허출원 10-2007-0016641호 "무선 센서 네트워크 위치측정 방법 및 장치"
3. 대한민국 특허출원 10-2007-0072342호 "위치 추적 장치, 위치 추적 시스템 및 위치 추적 방법"
4. 대한민국 특허출원 10-2008-0089341호 "모바일 디바이스에 대한 실시간 위치 추적 방법 및 시스템"
5. 대한민국 특허출원 10-2008-7028302호 "모바일-개시된 위치 측정"
6. 대한민국 특허출원 10-2009-0098217호 "위치 측정용 무선 단말기와 이를 이용한 위치 측정 시스템 및 방법, 위치 측정 장치 및 방법"
7. 한국정보처리학회 2011년도 제35회 춘계학술발표대회 "무선 신호의 수신 신호 세기를 이용한 다중 목표물 카메라 위치 추적 시스템 설계"
단순히 객체들을 인터넷에 연결하는 것만으로는 일반적으로 의미를 도출하기 어려우므로 사물인터넷 분야에서 말하는 '사물'이란 정보 취득을 위한 센서(즉, IoT 센서)의 형태로 구현될 것으로 전망된다. 즉, IoT 센서를 다수 설치하여 각자 정보를 취득하고, 이를 인터넷으로 연결하여 이들 IoT 센서들로부터 엄청난 데이터를 축적하겠다는 것이다.
이처럼 인터넷은 IoT 환경으로 인해 급속한 변화가 이루어질 것으로 예측되고 있으며, 트위터나 페이스북 등의 인터넷 서비스에도 이러한 경향은 반영되고 있다. 즉, 지능형 사물(예: 무선 센서, 드론, 카메라, 엑츄에이터)에 의해서 다양한 데이터가 생성되고 있으며, 이들 데이터가 중앙 서버에 취합되어 빅데이터 처리를 통해 서비스가 이루어지고 있다.
이처럼 사물인터넷 기술은 IT 기술분야의 대세로 자리잡아가고 있는데, 이는 홈 디바이스에도 적용될 것으로 보인다. 이를 통해 소위 '스마트 홈'을 구축하는 것이다.
스마트 홈을 구현하기 위한 전제로서 댁내에 존재하는 여러 장치(예: 냉장고, 세탁기, 전자렌지, 텔레비전, 셋톱박스, 온도조절기, 로봇청소기, 전등, 전력제어기 등)에 IoT 센서를 설치하려는 연구도 활발하다.
그런데, IoT 센서는 반영구적으로 사용할 수 있는 장치가 아니기 때문에 언젠가는 수리 내지 교환을 해주어야 한다. 특히, 배터리로 동작하는 IoT 센서의 경우에는 배터리가 소모되면 배터리를 교환해주거나 아예 IoT 센서 본체를 교환해주어야 한다. 블루투스 LE (Low-Energy) 등의 기술을 적용하더라도 단지 교환주기를 늘리는 것이 불과하다.
사물인터넷이 활성화됨에 따라 향후에는 댁내에 수십 개에서 수백 개의 IoT 센서가 설치될 것으로 예상되는데, 이러한 IoT 센서들을 적절하게 유지 관리하고 적절한 시점에 배터리를 교체하거나 사용연한에 따라 센서장치의 부품 또는 장치 자체를 교체해주는 것이 중요하다. 하지만, IoT 센서들은 각자의 용도에 따라 불규칙하게 배치되어 있을 것이기에 이들을 유지 관리한다는 것은 굉장히 난해한 일이 될 것이다.
그에 따라, 이처럼 IoT 센서들을 적절하게 유지 관리할 수 있는 새롭고 유효한 기술의 제안이 요망된다.
특히, 특별한 전문 지식을 갖추지 못한 일반 수요자들이 마치 현재 형광등을 갈아끼우는 정도의 지식만으로도 댁내에 설치되어 있는 IoT 센서를 어느 정도는 유지 관리할 수 있게 해주는 기술이 요구된다.
[선행기술문헌]
1. 대한민국 특허출원 10-1997-0050753호 "산업용 로봇에 부착된 센서의 위치 및 자세 보정방법 및 이에 사용되는 측정 지그"
2. 대한민국 특허출원 10-2007-0016641호 "무선 센서 네트워크 위치측정 방법 및 장치"
3. 대한민국 특허출원 10-2007-0072342호 "위치 추적 장치, 위치 추적 시스템 및 위치 추적 방법"
4. 대한민국 특허출원 10-2008-0089341호 "모바일 디바이스에 대한 실시간 위치 추적 방법 및 시스템"
5. 대한민국 특허출원 10-2008-7028302호 "모바일-개시된 위치 측정"
6. 대한민국 특허출원 10-2009-0098217호 "위치 측정용 무선 단말기와 이를 이용한 위치 측정 시스템 및 방법, 위치 측정 장치 및 방법"
7. 한국정보처리학회 2011년도 제35회 춘계학술발표대회 "무선 신호의 수신 신호 세기를 이용한 다중 목표물 카메라 위치 추적 시스템 설계"
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본 발명의 목적은 일반적으로 스마트 홈 실내공간에서 IoT 센서들의 현황을 실시간으로 알려주는 기술을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 IoT 센서가 다수 설치되어 있는 스마트 홈 실내공간에서 센서들 간의 RSSI 및 비콘 조합에 기초하여 IoT 센서들의 방향각 계산과 거리인식을 수행하고 그 결과에 기초하여 스마트 홈 게이트웨이가 이들 IoT 센서의 공간 배치를 예컨대 건물의 평면도에 매칭시켜 3차원 디스플레이 제공함으로써 IoT 센서들의 현황을 모니터링하고 생애주기 관리가 적절히 이루어질 수 있도록 보조하는 기술을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 IoT 센서가 다수 설치되어 있는 스마트 홈 실내공간에서 센서들 간의 RSSI 및 비콘 조합에 기초하여 IoT 센서들의 방향각 계산과 거리인식을 수행하고 그 결과에 기초하여 스마트 홈 게이트웨이가 이들 IoT 센서의 공간 배치를 예컨대 건물의 평면도에 매칭시켜 3차원 디스플레이 제공함으로써 IoT 센서들의 현황을 모니터링하고 생애주기 관리가 적절히 이루어질 수 있도록 보조하는 기술을 제공하는 것이다.
이상의 과제를 달성하기 위한 본 발명은 상호 무선 신호를 송출하는 복수 개의 IoT 센서(100)가 설치되어 있는 스마트 홈 시스템에서 IoT 센서의 배치 상태를 디스플레이 화면에 입체적으로 표시하기 위한 방법으로서, 기하분석 에이전트(200)가 복수 개의 IoT 센서(100)로부터 RSSI와 수신위상각을 포함한 인접센서 전파 정보를 수신하는 제 1 단계; 기하분석 에이전트(200)가 인접센서 전파 정보에 기초하여 IoT 센서들 간의 기하학적 상관 관계를 획득하는 제 2 단계; 시간영역 신호를 송출하는 복수 개의 비콘(121 ~ 123)에 대응하여, 기하분석 에이전트(200)가 복수 개의 IoT 센서(100)로부터 비콘신호 수신 시각을 포함한 비콘신호 전파 정보를 수신하는 제 3 단계; 기하분석 에이전트(200)가 기하학적 상관 관계와 비콘신호 전파 정보를 결합하여 IoT 센서의 댁내 센서배치 정보를 획득하는 제 4 단계; 스마트 에이전트(300)가 기하분석 에이전트(200)로부터 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보를 제공받는 제 5 단계; 스마트 에이전트(300)가 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보에 기초하여 스마트 홈의 댁내 공간에서 IoT 센서들의 위치를 3차원 그래픽 형태로 디스플레이 제공하는 제 6 단계;를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 IoT 센서 배치의 입체표시 방법은, 스마트 에이전트(300)가 IoT 센서(100)에 대한 상태 정보를 획득하는 단계; 스마트 에이전트(300)가 3차원 그래픽 디스플레이 상의 위치 표시에 IoT 센서(100)의 상태 정보를 오버레이 표시하는 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에서 제 2 단계는, 상대거리 측정부(220)가 인접센서 전파 정보의 RSSI 정보를 활용하여 삼변측량법에 의해 복수의 IoT 센서들 간의 거리를 측정하는 단계; 상대위상 측정부(230)가 인접센서 전파 정보의 수신위상각을 활용하여 복수의 IoT 센서들 간의 상대적 위상 관계를 측정하는 단계; 기하배치 획득부(240)가 IoT 센서들 간의 거리 및 상대적 위상 관계에 기초하여 IoT 센서들 간의 상대적인 기하학적 배치 관계를 획득하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에서 제 4 단계는, 비콘정보 저장부(250)가 비콘(121 ~ 123)에 대한 댁내 센서배치 정보를 제공하는 단계; 상대거리 측정부(220)가 비콘신호 전파 정보로부터 시간지연 차이에 의해 특정의 기준 IoT 센서(101)와 복수 개의 비콘(121 ~ 123) 간의 거리를 측정하는 단계; 상대위상 측정부(230)가 기준 IoT 센서(101)와 복수 개의 비콘(121 ~ 123) 간의 거리 정보를 활용하여 기준 IoT 센서(101)와 비콘(121 ~ 123) 간의 상대적 위상 관계를 측정하는 단계; 댁내배치 획득부(260)가 위 획득한 비콘(121 ~ 123)에 대한 거리 정보 및 상대적 위상 관계를 활용하여 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치 정보를 획득하는 단계; 댁내배치 획득부(260)가 제 2 단계에서 획득한 IoT 센서들(100) 간의 기하학적 상관 관계에 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치 정보를 결합하여 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보를 획득하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에서 제 6 단계는, 센서위치 추적부(320)가 댁내 센서배치 정보에 기초하여 복수 개의 IoT 센서(100)의 위치를 추적하는 단계; 입체변환 엔진부(340)가 복수 개의 IoT 센서(100)의 위치를 2차원 디스플레이 화면 상의 3차원 그래픽 영상으로 변환하는 단계; 센서배치 표출부(350)가 3차원 그래픽 영상을 디스플레이 제공하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 IoT 센서 배치의 입체표시 방법은, 구조간섭 보상부(280)가 비콘신호 전파 정보에 기초하여 하나이상의 보상참조 IoT 센서의 댁내 위치 정보('제 1 위치정보')를 획득하고, 제 4 단계에서 획득된 전체 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보로부터 보상참조 IoT 센서에 대한 댁내 위치 정보('제 2 위치정보')를 획득한 후, 제 1 및 제 2 위치정보 간의 오차를 반영하여 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보를 수정하여 구조간섭에 의한 오차를 보상하는 제 A 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 제 A 단계에서 구조간섭 보상부(280)는 복수 개의 IoT 센서(100)의 전체를 복수 개의 클러스터로 구분한 후에 각각의 클러스터에 대해 선정된 중심 노드를 보상참조 IoT 센서로 선정하고, 클러스터 단위로 클러스터별 보상참조 IoT 센서를 기준으로 구조간섭 보상을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에서 비콘(121 ~ 123)이 송출하는 비콘신호는 초음파 신호의 송수신 구간이 RF 신호의 송수신 구간에 포함되도록 RF 신호와 초음파 신호를 포함하여 구성되고, 신호간섭 보정부(270)가 RF 신호의 송수신 구간을 벗어나는 초음파 신호 수신에 따른 거리 및 위상 측정 결과를 제거함으로써 논리적 신호간섭에 의한 오차를 보상하는 제 B 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 컴퓨터로 판독가능한 기록매체는 컴퓨터에 상기와 같은 댁내 IoT 센서의 생애주기 관리를 위한 클러스터 기반의 IoT 센서의 현황 표시 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 IoT 센서 배치의 입체표시 방법은, 스마트 에이전트(300)가 IoT 센서(100)에 대한 상태 정보를 획득하는 단계; 스마트 에이전트(300)가 3차원 그래픽 디스플레이 상의 위치 표시에 IoT 센서(100)의 상태 정보를 오버레이 표시하는 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에서 제 2 단계는, 상대거리 측정부(220)가 인접센서 전파 정보의 RSSI 정보를 활용하여 삼변측량법에 의해 복수의 IoT 센서들 간의 거리를 측정하는 단계; 상대위상 측정부(230)가 인접센서 전파 정보의 수신위상각을 활용하여 복수의 IoT 센서들 간의 상대적 위상 관계를 측정하는 단계; 기하배치 획득부(240)가 IoT 센서들 간의 거리 및 상대적 위상 관계에 기초하여 IoT 센서들 간의 상대적인 기하학적 배치 관계를 획득하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에서 제 4 단계는, 비콘정보 저장부(250)가 비콘(121 ~ 123)에 대한 댁내 센서배치 정보를 제공하는 단계; 상대거리 측정부(220)가 비콘신호 전파 정보로부터 시간지연 차이에 의해 특정의 기준 IoT 센서(101)와 복수 개의 비콘(121 ~ 123) 간의 거리를 측정하는 단계; 상대위상 측정부(230)가 기준 IoT 센서(101)와 복수 개의 비콘(121 ~ 123) 간의 거리 정보를 활용하여 기준 IoT 센서(101)와 비콘(121 ~ 123) 간의 상대적 위상 관계를 측정하는 단계; 댁내배치 획득부(260)가 위 획득한 비콘(121 ~ 123)에 대한 거리 정보 및 상대적 위상 관계를 활용하여 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치 정보를 획득하는 단계; 댁내배치 획득부(260)가 제 2 단계에서 획득한 IoT 센서들(100) 간의 기하학적 상관 관계에 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치 정보를 결합하여 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보를 획득하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에서 제 6 단계는, 센서위치 추적부(320)가 댁내 센서배치 정보에 기초하여 복수 개의 IoT 센서(100)의 위치를 추적하는 단계; 입체변환 엔진부(340)가 복수 개의 IoT 센서(100)의 위치를 2차원 디스플레이 화면 상의 3차원 그래픽 영상으로 변환하는 단계; 센서배치 표출부(350)가 3차원 그래픽 영상을 디스플레이 제공하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 IoT 센서 배치의 입체표시 방법은, 구조간섭 보상부(280)가 비콘신호 전파 정보에 기초하여 하나이상의 보상참조 IoT 센서의 댁내 위치 정보('제 1 위치정보')를 획득하고, 제 4 단계에서 획득된 전체 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보로부터 보상참조 IoT 센서에 대한 댁내 위치 정보('제 2 위치정보')를 획득한 후, 제 1 및 제 2 위치정보 간의 오차를 반영하여 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보를 수정하여 구조간섭에 의한 오차를 보상하는 제 A 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 제 A 단계에서 구조간섭 보상부(280)는 복수 개의 IoT 센서(100)의 전체를 복수 개의 클러스터로 구분한 후에 각각의 클러스터에 대해 선정된 중심 노드를 보상참조 IoT 센서로 선정하고, 클러스터 단위로 클러스터별 보상참조 IoT 센서를 기준으로 구조간섭 보상을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에서 비콘(121 ~ 123)이 송출하는 비콘신호는 초음파 신호의 송수신 구간이 RF 신호의 송수신 구간에 포함되도록 RF 신호와 초음파 신호를 포함하여 구성되고, 신호간섭 보정부(270)가 RF 신호의 송수신 구간을 벗어나는 초음파 신호 수신에 따른 거리 및 위상 측정 결과를 제거함으로써 논리적 신호간섭에 의한 오차를 보상하는 제 B 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 컴퓨터로 판독가능한 기록매체는 컴퓨터에 상기와 같은 댁내 IoT 센서의 생애주기 관리를 위한 클러스터 기반의 IoT 센서의 현황 표시 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 것이다.
본 발명에 따르면 다수의 IoT 센서가 불규칙하게 설치되어 있는 스마트 홈 실내공간에서 3차원 디스플레이를 통해 이들 IoT 센서의 현황을 모니터링하고 생애주기를 적절하게 관리할 수 있고 종국적으로는 IoT 센서의 폐기 관리까지 적절하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
[도 1]은 본 발명이 적용된 IoT 스마트 홈 시스템의 모습을 개념적으로 나타낸 도면.
[도 2]는 본 발명에서 IoT 센서들의 기하학적 상관 관계를 도출하는 과정을 나타낸 도면.
[도 3]은 본 발명에서 기준 IoT 센서에 대해 댁내 위치 추정을 수행하는 과정을 나타낸 도면.
[도 4]는 본 발명에서 기하분석 에이전트의 내부 기능적 구성을 나타낸 도면.
[도 5]는 본 발명에 따른 스마트 에이전트의 내부 기능적 구성을 나타낸 도면.
[도 6]은 본 발명에 양호하게 적용되는 무선랜 비콘 프레임을 나타내는 도면.
[도 7]은 본 발명에 따른 IoT 센서 배치의 입체표시 방법의 전체 프로세스를 나타내는 순서도.
[도 8]은 본 발명에서 기하분석 에이전트가 IoT 센서에 대한 기하학적 상관 관계를 획득하는 과정을 나타내는 순서도.
[도 9]는 본 발명에서 기하분석 에이전트가 IoT 센서에 대한 댁내 센서배치 정보를 획득하는 과정을 나타내는 순서도.
[도 10]은 본 발명에서 스마트 에이전트가 IoT 센서의 위치 및 상태를 3차원 그래픽으로 제공하는 과정을 나타내는 순서도.
[도 11]은 본 발명에서 클러스터 개념을 활용하여 구조간섭을 보상하는 개념을 나타낸 도면.
[도 2]는 본 발명에서 IoT 센서들의 기하학적 상관 관계를 도출하는 과정을 나타낸 도면.
[도 3]은 본 발명에서 기준 IoT 센서에 대해 댁내 위치 추정을 수행하는 과정을 나타낸 도면.
[도 4]는 본 발명에서 기하분석 에이전트의 내부 기능적 구성을 나타낸 도면.
[도 5]는 본 발명에 따른 스마트 에이전트의 내부 기능적 구성을 나타낸 도면.
[도 6]은 본 발명에 양호하게 적용되는 무선랜 비콘 프레임을 나타내는 도면.
[도 7]은 본 발명에 따른 IoT 센서 배치의 입체표시 방법의 전체 프로세스를 나타내는 순서도.
[도 8]은 본 발명에서 기하분석 에이전트가 IoT 센서에 대한 기하학적 상관 관계를 획득하는 과정을 나타내는 순서도.
[도 9]는 본 발명에서 기하분석 에이전트가 IoT 센서에 대한 댁내 센서배치 정보를 획득하는 과정을 나타내는 순서도.
[도 10]은 본 발명에서 스마트 에이전트가 IoT 센서의 위치 및 상태를 3차원 그래픽으로 제공하는 과정을 나타내는 순서도.
[도 11]은 본 발명에서 클러스터 개념을 활용하여 구조간섭을 보상하는 개념을 나타낸 도면.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
[도 1]은 본 발명이 적용된 IoT 스마트 홈 시스템의 모습을 개념적으로 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 IoT 스마트 홈 시스템은 댁내에 다수의 IoT 센서(101 ~ 108)가 배치되어 있고 이들 센서에 대한 관리 서비스를 스마트 홈 게이트웨이(301)가 제공하도록 구성된다. 본 명세서에서는 IoT 센서 전체를 나타낼 때에는 참조번호 (100)을 표시한다.
이를 위해, 스마트 홈 게이트웨이(301)는 이들 IoT 센서(100)에 대한 물리적 배치 상태 및 유지관리 상태에 관한 정보를 무선으로 제공받아 외부의 디스플레이 장치(400)에 표시한다. 이때, 스마트 홈 게이트웨이(301)는 IoT 센서(100)의 위치 정보를 건물의 도면, 바람직하게는 평면도와 매칭시킨 후에 3차원 변환기술을 통해 3차원적으로 디스플레이 제공하는 것이 바람직하다. 이를 위한 3차원 변환 기술로는 유니티 엔진을 바람직하게 활용할 수 있다. [도 1]에는 3차원 변환 표시의 4가지 예를 도시하였는데, 사용자의 조작에 대응하여 입체적으로 네비게이션할 수 있도록 제공한다.
비콘(121 ~ 123)은 댁내의 공간 상에 배치되어 시간영역 신호를 무선 송출함으로써 [도 3]을 참조하여 후술하는 바와 같이 IoT 센서(100)가 배치된 지점을 추정하기 위한 장치이다. 비콘(121 ~ 123)은 블루투스, 와이파이, 고주파수 대역의 음파 등으로 구현할 수 있다.
스마트 홈 게이트웨이(301)는 셋톱박스, IPTV 단말, 미디어 게이트웨이, 무선랜 AP 등의 장치로 구현될 수 있다.
디스플레이 장치(400)는 영상표시 기능을 갖는 장치로서 디지털 TV, 스마트폰, 태블릿PC, 스마트박스, IPTV 등으로 구현될 수 있다. HDMI를 통해 스마트 홈 게이트웨이(301)로부터 직접 영상을 제공받아 표시할 수도 있고, 전용 어플리케이션을 탑재하여 동기화를 통해 스마트 홈 게이트웨이(301)로부터 해당 데이터를 제공받아 화면에 랜더링할 수도 있다. 또한, 스마트 홈 게이트웨이(301)와 디스플레이 장치(400)가 하나의 디바이스로 구현될 수도 있다.
[도 2]는 본 발명에서 IoT 센서들(101 ~ 104)의 기하학적 상관 관계를 도출하는 과정을 개념적으로 나타낸 도면이다. 도면 작성의 편이상 4개의 IoT 센서(101 ~ 104)만 [도 2]에 나타내었으나, 실제로는 전체 IoT 센서(100)에 대해 기하학적 상관 관계를 도출한다.
본 발명에서는 IoT 센서들(100) 간에 교환되는 무선 신호의 강도와 수신위상각을 검출하고, 이에 기초하여 IoT 센서들(100)이 공간 상에서 기하학적으로 어떻게 배치되어 있는지를 도출한다.
먼저, 본 발명에 따른 IoT 센서들은 신호송신부와 신호수신부를 구비하여, 인접 센서들 간에 미리 설정된 형태의 무선 신호를 송수신한다. IoT 센서들(101 ~ 104) 간에 송수신하는 무선 신호는 WiFi, 블루투스, Zigbee, Z-wave 등의 다양한 표준 무선통신 방식으로 정해진 주파수 대역에서 상호호환을 위한 마련한 프로토콜을 활용하여 인접센서 간에 미리설정된 것이다.
IoT 센서(101 ~ 104)에 각각 설치된 센서 에이전트(111 ~ 114)는 근접 위치한 다른 센서가 송출한 신호에 대해 수신신호 강도(Received signal strength indicator, RSSI)와 수신위상각을 측정한다.
이처럼 IoT 센서들(101 ~ 104)로부터 획득한 인접센서 전파 정보(RSSI, 수신위상각)는 기하분석 에이전트(200)로 전달된다. 기하분석 에이전트(200)는 IoT 센서들(101 ~ 104)의 기하학적 상관 관계 및 댁내 배치를 도출해내는 소프트웨어 모듈로서, IoT 센서(101 ~ 104)에 설치될 수도 있고 스마트 홈 게이트웨이(301)에 설치될 수도 있으며, 별도 장치로 구현될 수도 있다.
기하분석 에이전트(200)는 이렇게 수집된 다수의 인접센서 전파 정보를 종합하고 삼변측량법(trilateration measurement)을 적용함으로써 입체 공간에서 IoT 센서들(101 ~ 104) 간의 상대적 거리 및 위상 관계를 검출할 수 있고, 이를 통해 IoT 센서들(101 ~ 104)의 기하학적 상관 관계를 획득할 수 있다.
이때, 송신 노드와 수신 노드 간의 수신신호 강도(RSSI)를 수학적으로 분석하여 노드 위치를 추적하는 기술인 ROA(RSSI of Arrival)를 양호하게 적용할 수 있다. 다만, ROA는 수신신호 강도에 기초한 방식이어서 주변 환경의 간섭에 의해 오차가 커지는 단점이 있다.
기하분석 에이전트(200)는 이렇게 도출한 기하학적 상관 관계를 스마트 홈 게이트웨이(301)로 제공함으로써 디스플레이 장치(400) 상에 3차원으로 표시될 수 있도록 한다.
[도 3]은 본 발명에서 기준 IoT 센서(101)에 대해 댁내 위치 추정을 수행하는 과정을 개념적으로 나타낸 도면이다.
앞서 [도 2]를 참조하여 기하분석 에이전트(200)가 RSSI와 수신위상각에 기초하여 IoT 센서들(100) 사이의 기하학적 상관 관계, 즉 이들 센서들이 공간 상에서 서로 얼마나 떨어져 있고 어떠한 각도로 틀어져 있는지에 관한 정보를 도출하였다.
[도 3]에서는 이들 IoT 센서들(100)이 댁내에서 정확히 어디에 위치하고 있는지 추정하는 과정에 대해 기술한다. 설명의 편이상 하나의 IoT 센서(101)을 대상으로 설명을 제시하는데, 복수 개의 센서에 대해 동일한 방식을 적용할 수 있다. 본 명세서에서는 이처럼 비콘신호를 통해 댁내 위치를 추정하는 대상이 되는 센서를 '기준 IoT 센서'라고 부른다.
[도 2]에서 도출하였던 전체 센서(100)에 대한 기하학적 상관 관계에 [도 3]에서 도출하는 하나이상의 기준 IoT 센서(101)에 대한 댁내 위치 정보를 결합함으로써 전체 IoT 센서(100)에 대한 댁내 배치를 도출할 수 있다.
일정 공간에서 특정 사물에 대한 위치를 추정하는 기술로서 핑거프린팅 기술이 양호하게 적용될 수 있다. 핑거프린팅은 일반적으로 관심 영역에 위치를 알고 있는 표본을 추출하고 그 표본을 바탕으로 수신 신호를 연산하여 위치를 추정하는 기술이다. 본 발명에서는 댁내 공간에 미리 설치된 비콘(121 ~ 123)을 표본으로서 사용하여 기준 IoT 센서(101)의 위치를 추정하는 데에 핑거프린팅 기술을 적용할 수 있다.
비콘(121 ~ 123)은 시간영역 신호를 무선 송출하는데, 본 명세서에서 '시간영역 신호'란 일정 주기로 신호를 송출하는 것을 의미한다. 이처럼 비콘(121 ~ 123)이 송출하는 무선 비콘 신호를 기준 IoT 센서(101)가 수신하여 비콘신호 전파 정보, 예컨대 비콘신호 수신 시각 정보를 기하분석 에이전트(200)로 전달한다.
기하분석 에이전트(200)는 기준 IoT 센서(101)가 제공하는 시간 영역의 비콘신호 전파 정보에 기초하여 비콘(121 ~ 123)과 기준 IoT 센서(101) 간의 기하학적 상관 관계를 파악할 수 있다. 이때, RF 신호와 초음파 신호 간에 존재하는 신호 수신의 시간 지연 차이를 이용하는 TDoA(Time Difference of Arrival)를 양호하게 적용할 수 있다. TDoA 기술에 관한 자세한 내용은 한국통신학회 논문지 제38C권 제2호 (2013년 2월) pp. 141-154 "정밀 시각동기를 이용한 TDoA 기반의 위치 탐지"를 참조한다.
기하분석 에이전트(200)는 이들 비콘(121 ~ 123)에 대한 배치 정보(댁 내에서 비콘이 어디에 설치되어 있는지에 관한 정보)를 저장하고 있는데, 여기에 기하학적 상호관계를 적용함으로써 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치를 추정할 수 있게 된다.
[도 4]는 본 발명에서 기하분석 에이전트(200)의 내부 기능적 구성을 나타낸 도면이다.
기하분석 에이전트(200)는 다수의 IoT 센서들(100)이 제공하는 인접센서 전파 정보(RSSI, 수신위상각)를 수집하여 이들 센서들의 기하학적 상관 관계를 도출한다. 또한, 기하분석 에이전트(200)는 하나이상의 기준 IoT 센서(예: 101)가 제공하는 비콘신호 전파 정보(신호수신 시각)를 수집하여 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치를 추정한 후, 앞서 도출한 기하학적 상관 관계와 결합하여 전체 IoT 센서(100)의 댁내 배치를 도출한다. 이 과정에서 TDoA, ROA 등의 측정 기법이 적용될 수 있다.
이를 위해, 기하분석 에이전트(200)는 전파정보 수신부(210), 상대거리 측정부(220), 상대위상 측정부(230), 기하배치 획득부(240), 비콘정보 저장부(250), 댁내배치 획득부(260), 신호간섭 보정부(270), 구조간섭 보상부(280)를 포함하여 구성된다. 기하분석 에이전트(200)는 소프트웨어의 형태로 구현되는데, IoT 센서(100)에 설치될 수도 있고 스마트 홈 게이트웨이(301)에 설치될 수도 있으며 별도 장치로 구현될 수도 있다.
먼저, 전파정보 수신부(210)는 IoT 센서들(100)로부터 인접센서 전파 정보와 비콘신호 전파 정보를 수신한다. 이들 전파 정보는 수신신호의 강도를 나타내는 RSSI 값, 해당 신호가 송출되어 오는 방향을 나타내는 수신위상각, 비콘신호를 수신한 시각 등을 포함한다.
상대거리 측정부(220)는 IoT 센서들(100)이 제공하는 인접센서 전파 정보(특히, RSSI)를 취합하고 삼변측량법을 적용하여 IoT 센서들(100) 간의 거리를 측정한다. 또한, 상대거리 측정부(220)는 기준 IoT 센서(101)가 제공하는 비콘신호 전파 정보로부터 시간지연 차이에 의해 기준 IoT 센서(101)와 비콘(121 ~ 123) 사이의 거리를 측정한다.
상대위상 측정부(230)는 IoT 센서들(100)이 제공하는 인접센서 전파 정보(특히, 수신위상각)를 취합하여 IoT 센서들(100) 간의 상대적 위상 관계를 측정한다. 또한, 상대위상 측정부(230)는 앞서 도출한 기준 IoT 센서(101)와 비콘(121 ~ 123) 간의 거리 정보를 활용하여 기준 IoT 센서(101)와 비콘(121 ~ 123) 간의 상대적 위상 관계를 측정한다. 비콘(121 ~ 123)의 위치는 미리 알고 있기 때문에 거리 정보를 알면 이를 입체적으로 분석함으로써 기준 IoT 센서(101)에 대한 상대적 위상 관계를 도출할 수 있다.
기하배치 획득부(240)는 상대거리 측정부(220)와 상대위상 측정부(230)가 도출한 IoT 센서들(100) 간의 거리 및 위상 관계에 기초하여 전체 IoT 센서들(100)의 상대적인 기하학적 배치 관계를 도출한다. 즉, , 이들 IoT 센서들(100)이 공간 상에서 서로 얼마나 떨어져 있고 어떠한 각도로 틀어져 있는지에 관한 정보를 도출한다.
비콘정보 저장부(250)는 비콘(121 ~ 123)에 대한 댁내 센서배치 정보, 즉 구체적인 개별 상황에 대해 해당 댁 내에서 비콘(121 ~ 123)이 어디에 설치되어 있는지에 관한 정보를 저장한다.
댁내배치 획득부(260)는 전체 IoT 센서(100)의 댁내 위치, 즉 이들 센서들이 댁 내부에서 어디에 설치되어 있는지에 관한 정보를 획득한다. 먼저, 댁내배치 획득부(260)는 상대거리 측정부(220)와 상대위상 측정부(230)가 도출한 기준 IoT 센서(101)와 비콘(121 ~ 123) 간의 기하학적 상관 관계를 파악한다. 비콘정보 저장부(250)가 보유하는 비콘(121 ~ 123)의 댁내 센서배치 정보를 결합하면 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치를 추정할 수 있게 된다.
그리고, 기하배치 획득부(240)가 도출한 전체 IoT 센서들(100)의 기하학적 배치 관계에 대해 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치 정보에 결합함으로써 전체 IoT 센서(100)의 댁내 위치를 추정한다.
신호간섭 보정부(270)는 복수의 비콘(121 ~ 123)이 송출하는 무선 신호들 간의 논리적 신호간섭에 의해 발생하는 오차를 보정한다. 3개의 비콘(121 ~ 123)이 송출한 3쌍의 RF 신호와 초음파 신호는 해당 비콘과 기준 IoT 센서(101) 간의 거리 차이로 인하여 약간의 차이를 두고 기준 IoT 센서(101)에서 수신된다. 기준 IoT 센서(101)는 이들 3쌍의 RF 신호와 초음파 신호를 그 수신한 순서대로 처리하게 되는데, 기준 IoT 센서(101)가 이들 신호가 상이한 비콘 3개가 송출한 것으로 인식하지 않고 동일한 비콘(예: 121)이 3번 송출한 것이라고 처리하면 논리적 신호 간섭에 의하여 거리 측정에 오류가 발생한다.
비콘(121 ~ 123)은 휴대성을 기반으로 하는 장치이기 때문에 소형으로 소비전력을 최소화시켜야 한다. 이러한 요구사항을 만족시키면서 신호간섭 오류를 해소하기 위해 본 발명에서는 비콘(121 ~ 123)이 송출하는 RF의 전송시간을 늘려서 초음파 신호의 송수신 구간이 항상 RF 송수신 구간의 내부에 들어가도록 구성한다. 신호간섭 보정부(270)는 RF 송수신 구간을 벗어나는 초음파 신호 수신에 따른 결과를 제거함으로써 논리적 신호간섭에 의한 오차를 보정한다.
구조간섭 보상부(280)는 댁내에서 IoT 센서들(100)의 물리적 배치 구조에 의해 발생하는 오차를 보상한다. 즉, IoT 센서들(100) 사이 그리고 IoT 센서와 비콘(121 ~ 123) 사이가 건물벽에 의해 이격되거나 멀리 떨어져 있으면 거리 측정의 오차는 증가하게 되는데, 구조간섭 보상부(280)는 그러한 공간 구조에 의한 오차를 보상한다.
제 1 실시예로서, 구조간섭 보상부(280)는 무선 채널 파라미터인 경로손실 지수(path loss exponent)와 쉐도잉 크기를 반영하여 개별 추정 거리에 대해 가중치를 적용함으로써 오차를 보상할 수 있다. 이 방식은 해당 공간의 무선신호 송수신 환경을 나타내는 정보인 경로손실 지수와 쉐도잉 크기를 정확하게 확보한 경우에 적용 가능하다.
제 2 실시예로서, 구조간섭 보상부(280)는 [도 2]에서 ROA에 의해 도출한 결과와 [도 3]에서 TDoA에 의해 도출한 결과를 상호 비교함으로써 공간 구조에 의해 ROA 연산에 발생한 오차를 보상한다.
ROA는 신호강도 정보를 활용하고 TDoA는 시간지연 정보를 활용한다. 공간 구조는 신호 강도에는 직접적으로 영향을 미치는 반면 신호전달 속도에는 영향의 거의 미치지 못한다. 따라서, 공간 구조에 따른 오차는 ROA에서 상대적으로 크게 나타나는 반면 TDoA에서는 크지 않다.
그에 따라, [도 3]에서 전술한 방식에 따라 비콘신호에 기초하여 하나이상의 IoT 센서('보상참조 IoT 센서')의 위치를 도출하고, 그리고 나서 그 도출 결과를 [도 2]에서 도출한 기하학적 상관 관계와 비교함으로써 공간구조에 의한 오차를 보상할 수 있다.
예를 들어, [도 1]에서 보상참조 IoT 센서(예: 103)의 댁내 위치는 [도 2]에서 도출한 주변 IoT 센서(100) 간의 기하학적 상관 관계와 [도 3]에서 도출한 기준 IoT 센서(예: 101)의 댁내 위치를 결합하여 얻어질 수 있다. 또한, [도 3]에서 기술한 방식에 의해 비콘신호에 기초하여 보상참조 IoT 센서(103)의 위치를 직접 얻을 수도 있다. 보상참조 IoT 센서(103)의 위치에 관련된 이 두가지 결과를 비교하고, 그 차이를 반영하여 IoT 센서(100) 간의 기하학적 상관 관계를 보상할 수 있는 것이다.
이때, 전체 IoT 센서(100) 중에서 어떠한 IoT 센서를 보상참조 IoT 센서로 선정할 것인지가 문제가 된다. 본 발명에서는 클러스터의 개념을 도입하고, 클러스터의 중심 노드를 보상참조 IoT 센서로 선정하는 것이 효과적일 것으로 제시한다. 이에 대해서는 [도 11]을 참조하여 후술한다.
[도 5]는 본 발명에 따른 스마트 에이전트(300)의 내부 기능적 구성을 나타낸 도면이다.
스마트 에이전트(300)는 댁 내에 존재하는 다수의 IoT 센서(100)의 배치 정보를 기하분석 에이전트(200)로부터 제공받아 사용자가 활용하기 편리한 방식으로 디스플레이 장치(400)에 표시해주는 장치이다. 3차원 변환 소프트웨어를 활용하여 센서 배치를 3차원(예: 큐브 형태)으로 표시하는 것이 바람직한데, 예컨대 유니티 엔진(Unity engine)을 채용할 수 있다.
또한, 단순히 센서 위치만 표시하는 것이 아니라 해당 센서의 현재 상태, 예컨대 정상동작 여부, 배터리 교체필요성 여부 등에 관한 정보도 IoT 센서들(100)로부터 직접 또는 간접적으로 제공받아 디스플레이 화면에 함께 표시하는 것이 바람직하다. [도 1]을 참조하면 동작 이상을 나타내거나 배터리 교환이 필요한 센서에 대해서는 디스플레이 화면에 특별하게 표시하였다.
이를 위해, 스마트 에이전트(300)는 위상지도 수신부(410), 센서위치 추적부(420), 센서상태 인식부(430), 입체변환 엔진부(440), 센서배치 표출부(450), 센서상태 표출부(460)를 포함하여 구성된다.
먼저, 배치정보 수신부(310)는 기하분석 에이전트(200)로부터 IoT 센서들(100)에 대한 댁내 센서배치 정보를 제공받는다. 기하분석 에이전트(200)로부터 비콘(121 ~ 123)에 대한 배치 정보를 제공받을 수도 있는데, 이 경우에는 비콘(121 ~ 123)의 위치도 디스플레이 장치(400)에 표시할 수 있다.
센서위치 추적부(320)는 IoT 센서들(100)에 대한 댁내 센서배치 정보에 기초하여 IoT 센서들(100)의 위치를 추적한다. 개별 IoT 센서(100)는 그 위치가 변동되거나 또는 아예 제거될 수 있는데, 센서위치 추적부(420)는 댁내 센서배치 정보를 센서별로 구분하여 관리함으로써 센서 위치를 추적할 수 있다. 이를 통해, 디스플레이 장치(400)의 화면이 IoT 센서(100)의 실제 배치 현황과 일치하게 된다.
센서상태 인식부(330)는 이들 IoT 센서(100)의 상태현황 정보, 예컨대 정상 동작 여부, 부품 교환 필요 여부, 배터리 상태 등을 인식하고 모니터링한다. 이러한 상태현황 정보는 IoT 센서(100)로부터 직접 전달받을 수도 있고, 다른 에이전트를 통해 간접적으로 제공받을 수도 있다. 이를 통해, IoT 센서(100)의 유지관리에 유용한 정보가 취득된다.
입체변환 엔진부(340)는 2차원 영상 데이터를 3차원 영상으로 변환하는 기능을 수행한다. 기하분석 에이전트(200)가 제공하는 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보는 3차원 입체에 관련된 정보인데, 입체변환 엔진부(340)는 이러한 입체 정보를 2차원의 디스플레이 영상에 표현하기 위한 2D/3D 변환을 수행한다.
유니티는 비디오 게임이나 실시간 3D 애니메이션 등의 분야에서 인터렉티브 콘텐츠를 제작하기 위한 통합 툴(tool)이다. 유니티는 자바스크립트 형태로 작성하므로 안드로이드 환경에 적합하다. 따라서, 안드로이드 플랫폼 기반으로 동작하는 스마트 에이전트(300)에 입체변환 엔진부(340)를 탑재하여 유니티 기반의 3차원 그래픽이 실행될 수 있다. 즉, 안드로이드 구조에서의 키트 값과 이벤트 값을 유니티 엔진으로 넘겨서 유니티 기반으로 실행되게 한다
한편, 기하분석 에이전트(200)로부터 IoT 센서들(100)의 배치 현황과 상태현황 정보가 주기적으로 제공되는데 스마트 에이전트(300)는 이러한 정보를 3차원으로 구현된 실시간 동영상처럼 제시하는 것이 바람직하다. 이를 위해 입체변환 엔진부(340)는 유니티 엔진의 MovieTexture 기술인 Handheld PlayFullScreenMovie() 메소드를 활용할 수 있다. 이를 통해, 스마트 홈의 댁내 모습이 동영상으로 표시되는 동안에 IoT 센서들(100)의 배치현황 및 상태현황 정보가 3D 텍스쳐로서 삽입되어 표시된다.
한편, 유니티에 관한 구체적인 기술이나 사용법은 관련 인터넷 사이트인 http://www.unity3d.com/를 참조한다. 입체변환 엔진부(340)에 의해 디스플레이 장치(400) 상에 표시된 화면은 [도 1]에 나타낸 바와 같이 실제 댁내의 공간과 유사한 느낌으로 구성될 수 있다.
센서배치 표출부(350)는 입체변환 엔진부(340)가 구성한 3차원 그래픽 영상을 입체 디스플레이 형태, 예컨대 큐브의 형태로 디스플레이 장치(400)의 화면에 표시한다. 3차원으로 사물을 표현하는 방법은 와이어 프레임 표현, 표면 모형, 입체 모형 등이 있다.
이때, 센서배치 표출부(350)는 모듈러와 계층적 구조로 배열된 다양한 공간적 기본 연산자를 사용하여 3차원 공간에서 밝기, 색상, 자세를 다양하게 조절하는 큐브의 변환이 가능하도록 사물의 형태에 대한 객체 지향적 표현을 제공하는 것이 바람직하다. 이와 같은 3차원 변환을 수행하기 위한 2가지 이론적 기반으로는 오일러(Euler) 회전과 사원수(Quaternion) 회전이 제시되어 있다.
센서상태 표출부(360)는 센서배치 표출부(350)에 의해 디스플레이 장치(400)의 화면에 나타낸 센서 표시 상에 센서상태 인식부(330)가 관리하는 개별 IoT 센서의 상태현황 정보를 시각적으로 표시한다. 이를 통해, 사용자는 댁내에 배치된 IoT 센서에 대해 어떠한 유지관리 조치(예: 수리, 부품 교환, 배터리 교체 등)가 취해져야 하는지 디스플레이 화면을 통해 식별할 수 있게 된다.
[도 6]은 본 발명에 양호하게 적용되는 무선랜 비콘 프레임을 개념적으로 나타내는 도면이다.
본 발명에서 비콘(121 ~ 123)은 댁내에 배치되어 시간영역 신호를 무선 송출하는데, [도 6]은 이러한 비콘(121 ~ 123)이 무선랜 기술로 구현된 경우의 동작을 나타낸 것이다.
비콘(121 ~ 123)은 무선랜 신호에서 네트워크 그룹을 식별하는 정보인 SSID 값 및 비콘 장치를 식별하는 정보인 비콘 프레임(beacon frame)을 생성하여 주변에 송출한다. 무선랜 IEEE 802.11 규격에 따르면 무선랜 네트워크가 셋업되면 하나의 장치가 그룹 오너가 되는데, 해당 그룹 오너가 SSID 값과 비콘 프레임을 생성하여 주변에 송출한다.
무선랜 규격에 따르면 무선랜 네트워크에 연결된 단말(STA)은 무선랜 신호를 송출할 때에는 비콘 프레임을 참조하여 충돌이 발생하지 않도록 시간 구간을 나누어서 운용한다. 즉, 비콘 프레임 이후에 발생되는 CFP(Contention-Free Period)와 CP(Contention Period)를 감안하여 각자에게 허용된 시간 구간에 자신의 정보에 데이터를 실어서 무선랜 신호를 송출한다.
그에 따라, 댁내 공간에 설치된 복수의 비콘(121 ~ 123)은 각자의 시간 구간을 가지고 충돌 없이 무선랜 비콘신호를 송출하고, [도 3]에 도시된 바와 같이 IoT 센서들(100)은 이들 복수의 비콘(121 ~ 123)으로부터 시간 영역의 비콘신호를 수신할 수 있다.
[도 7]은 본 발명에 따른 IoT 센서 배치의 입체표시 방법의 전체 프로세스를 나타내는 순서도이다.
단계 (S100) : 복수 개의 IoT 센서(100)가 서로 무선 신호를 송출한다. 본 발명에서 IoT 센서들(100)은 신호송신부와 신호수신부를 구비하여, 인접 센서들 간에 미리 설정된 형태의 무선 신호를 송수신한다.
단계 (S110) : 복수 개의 IoT 센서(100)가 인접센서 전파 정보, 바람직하게는 RSSI, 수신위상각를 획득하여 기하분석 에이전트(200)로 전송한다. 즉, IoT 센서들(100)은 근접 위치한 다른 센서가 송출한 신호에 대해 수신신호 강도(RSSI)와 수신위상각을 측정하여 이를 인접센서 전파 정보로서 기하분석 에이전트(200)로 전송한다.
단계 (S120) : 기하분석 에이전트(200)는 복수 개의 IoT 센서(100)로부터 제공받은 인접센서 전파 정보를 취합한다.
단계 (S130) : 기하분석 에이전트(200)는 그 취합한 인접센서 전파 정보를 종합적으로 분석함으로써 IoT 센서들(100) 간의 기하학적 상관 관계를 획득한다. 즉, 기하분석 에이전트(200)는 인접센서 전파 정보에 삼변측량법을 적용함으로써 입체 공간에서 IoT 센서들(100) 간의 상대적 거리 및 위상 관계를 검출할 수 있고, 이를 통해 IoT 센서(100)의 기하학적 상관 관계를 획득할 수 있다. 이때, 송수신 노드 간의 수신신호 강도(RSSI)를 수학적으로 분석하여 노드 위치를 추적하는 기술인 ROA를 양호하게 적용할 수 있다.
단계 (S140) : 복수 개의 비콘(121 ~ 123)이 시간영역 신호를 송출한다. 본 명세서에서는 TDoA에 의해 비콘 신호를 분석하는 실시예를 제시하였는데, 이 경우 비콘(121 ~ 123)은 RF 신호와 초음파 신호를 송출한다.
단계 (S150) : 하나이상의 기준 IoT 센서(예: 101)는 비콘신호 전파 정보(비콘신호 수신 시각)을 기하분석 에이전트(200)로 전송한다. TDoA는 RF 신호와 초음파 신호 간에 존재하는 신호 수신의 시간 지연 차이를 이용하는 방식이므로 기준 IoT 센서(101)는 비콘신호를 수신한 시각에 관련된 정보를 측정하여 비콘신호 전파 정보로서 기하분석 에이전트(200)로 전송한다.
단계 (S160) : 기하분석 에이전트(200)는 비콘(121 ~ 123)을 표본으로 삼아 구성한 핑거프린팅 기법을 적용하며, 이를 통해 비콘신호 전파 정보에 기초하여 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치를 추정한다. 단계 (S130)에서 도출한 IoT 센서들(100) 간의 기하학적 상관 관계에 비콘신호 전파 정보에 따라 도출한 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치 정보를 결합하여 전체 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보를 획득한다.
단계 (S170, 180) : 스마트 홈 게이트웨이(301)에 설치된 스마트 에이전트(300)는 기하분석 에이전트(200)로부터 전체 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보를 제공받는다. 또한, 스마트 에이전트(300)는 하나이상의 IoT 센서(100)에 대해 상태현황 정보, 예컨대 정상 동작 여부, 수리필요 여부, 부품 교환 필요 여부, 배터리 상태 등에 관한 정보를 제공받는다. 이러한 상태현황 정보는 스마트 에이전트(300)가 IoT 센서(100)로부터 직접 전달받을 수도 있고, 다른 에이전트를 통해 간접적으로 제공받을 수도 있다.
단계 (S190) : 스마트 에이전트(300)는 IoT 센서(100)에 대한 댁내 센서배치 정보와 상태현황 정보에 기초하여 댁내 공간에서 IoT 센서들(100)의 위치 및 상태를 유니티 기반으로 3차원 그래픽 형태로 제공한다. 유니티 엔진은 2차원 영상 데이터를 3차원 영상으로 변환하는 기능을 제공하는데, 스마트 에이전트(300)는 유니티 엔진이 구성한 3차원 그래픽 영상을 [도 1]에 나타낸 바와 같이 디스플레이 장치(400)의 화면에 표시한다. 그리고, 해당 센서 위치에 상태현황 정보를 오버레이 표시함으로써 사용자 또는 관리자에 의해 IoT 센서(100)에 대한 유지관리가 적절하게 이루어질 수 있게 보조한다.
[도 8]은 본 발명에서 기하분석 에이전트(200)가 IoT 센서(100)에 대한 기하학적 상관 관계를 획득하는 과정을 나타내는 순서도이다.
단계 (S131) : 기하분석 에이전트(200)의 상대거리 측정부(220)는 IoT 센서들(100)이 제공하는 인접센서 전파 정보(특히, RSSI)를 취합하고 ROA에 따라 삼변측량법을 적용하여 IoT 센서들(100) 간의 거리를 측정한다.
단계 (S132) : 기하분석 에이전트(200)의 상대위상 측정부(230)는 IoT 센서들(100)이 제공하는 인접센서 전파 정보(특히, 수신위상각)를 취합하여 IoT 센서들(100) 간의 상대적 위상 관계를 측정한다.
단계 (S133) : 기하분석 에이전트(200)의 기하배치 획득부(240)는 상대거리 측정부(220)와 상대위상 측정부(230)가 도출한 IoT 센서들(100) 간의 거리 및 상대적 위상 관계에 기초하여 전체 IoT 센서들(100)의 상대적인 기하학적 배치 관계를 도출한다. 즉, 이들 IoT 센서들(100)이 공간 상에서 서로 얼마나 떨어져 있고 어떠한 각도로 틀어져 있는지에 관한 정보를 도출한다.
[도 9]는 본 발명에서 기하분석 에이전트(200)가 IoT 센서(100)에 대한 댁내 센서배치 정보를 획득하는 과정을 나타내는 순서도이다.
단계 (S161) : 비콘정보 저장부(250)는 비콘(121 ~ 123)에 대한 댁내 센서배치 정보, 즉 댁 내에서 비콘(121 ~ 123)이 어디에 설치되어 있는지에 관한 정보를 저장하는데, 기하분석 에이전트(200)가 필요에 따라 비콘(121 ~ 123)에 대한 댁내 센서배치 정보를 활용할 수 있도록 이를 제공한다.
단계 (S162) : 상대거리 측정부(220)는 기준 IoT 센서(101)가 제공하는 비콘신호 전파 정보로부터 TDoA에 따라 시간지연 차이에 의해 기준 IoT 센서(101)와 비콘(121 ~ 123) 사이의 거리를 측정한다.
단계 (S163) : 상대위상 측정부(230)는 기준 IoT 센서(101)와 비콘(121 ~ 123) 간의 거리 정보를 활용하여 기준 IoT 센서(101)와 비콘(121 ~ 123) 간의 상대적 위상 관계를 측정한다. 비콘(121 ~ 123)의 위치는 미리 알고 있기 때문에 거리 정보를 알면 이를 입체적으로 분석함으로써 기준 IoT 센서(101)에 대한 상대적 위상 관계를 도출할 수 있다.
단계 (S164) : 댁내배치 획득부(260)는 단계 (S162) 및 단계 (S163)에서 획득한 거리 정보와 상대적 위상 관계를 활용하여 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치 정보를 획득한다. 비콘정보 저장부(250)를 통해 이들 비콘(121 ~ 123)의 댁내 위치를 알고 있는 상태에서 기준 IoT 센서(101)에 대해 이들 비콘(121 ~ 123)과의 거리 및 위상을 도출해내었기에 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치 정보를 획득할 수 있다.
단계 (S165) : 댁내배치 획득부(260)는 IoT 센서들(100) 간의 기하학적 상관 관계에 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치 정보를 결합하여 전체 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보를 획득한다. 이때, 기준 IoT 센서의 갯수가 증가할수록 전체 IoT 센서(100)에 대한 댁내 배치 추정의 정확도는 올라간다.
[도 10]은 본 발명에서 스마트 에이전트(300)가 IoT 센서들(100)의 위치 및 상태를 3차원 그래픽으로 제공하는 과정을 나타내는 순서도이다.
단계 (S191) : 센서위치 추적부(320)는 IoT 센서들(100)에 대한 댁내 센서배치 정보에 기초하여 IoT 센서들(100)의 위치를 추적한다. 개별 IoT 센서(100)는 그 위치가 변동되거나 또는 아예 제거될 수 있는데, 센서위치 추적부(420)는 댁내 센서배치 정보를 센서별로 구분하여 관리함으로써 센서 위치를 추적할 수 있다. 이를 통해, 디스플레이 장치(400)의 화면은 IoT 센서(100)의 실제 배치 현황과 일치하게 된다.
단계 (S192) : 센서상태 인식부(330)는 이들 IoT 센서(100)의 상태현황 정보, 예컨대 정상 동작 여부, 수리필요 여부, 배터리 상태 등을 인식하고 모니터링한다. 이러한 상태현황 정보는 IoT 센서(100)로부터 직접 전달받을 수도 있고, 다른 에이전트(미도시)를 통해 간접적으로 제공받을 수도 있다. 이를 통해, IoT 센서(100)의 유지관리에 유용한 정보가 취득된다
단계 (S193) : 입체변환 엔진부(340)는 2차원 영상 데이터를 3차원 영상으로 변환하는 기능을 수행한다. 기하분석 에이전트(200)가 제공하는 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보는 3차원 입체에 관련된 정보인데, 입체변환 엔진부(340)는 이러한 입체 정보를 2차원의 디스플레이 화면 상에서 입체적으로 표현하기 위한 2D/3D 변환을 수행한다.
단계 (S194) : 센서배치 표출부(350)는 입체변환 엔진부(340)가 구성한 3차원 그래픽 영상을 입체 디스플레이 형태, 예컨대 큐브의 형태로 디스플레이 장치(400)의 화면에 표시한다.
단계 (S195) : 센서상태 표출부(360)는 센서배치 표출부(350)에 의해 디스플레이 장치(400)의 화면에 나타낸 3차원 센서 위치 표시 상에 센서상태 인식부(330)가 관리하는 개별 IoT 센서의 상태현황 정보를 예컨대 오버레이를 통해 시각적으로 표시한다. 이를 통해, 사용자는 댁내에 배치된 IoT 센서에 대해 어떠한 유지관리 조치(예: 수리, 부품 교환, 배터리 교체 등)가 취해져야 하는지 디스플레이 화면을 통해 식별할 수 있게 된다.
[도 11]은 클러스터 개념을 활용하여 기하분석 에이전트(200)의 구조간섭 보상부(280)가 구조간섭을 보상하는 개념을 나타낸 도면이다.
[도 4]를 참조하여 전술한 바와 같이, 구조간섭 보상부(280)는 하나이상의 보상참조 IoT 센서에 대해 [도 2]에서 ROA에 의해 도출한 결과와 [도 3]에서 TDoA에 의해 도출한 결과를 상호 비교함으로써 공간 구조에 의해 ROA 연산에 발생한 오차를 보상한다.
이를 위해, 특정의 보상참조 IoT 센서(예: 103)의 댁내 위치는 [도 2]에서 도출한 주변 IoT 센서(100) 간의 기하학적 상관 관계에 관한 정보와 [도 3]에서 도출한 기준 IoT 센서(예: 101)의 댁내 위치에 관한 정보를 결합하여 상호 대조함으로써 얻어질 수 있다. 또한, [도 3]에서 기술한 방식에 의해 비콘신호에 기초하여 해당 보상참조 IoT 센서(103)의 위치를 직접 얻을 수도 있다. 이 두가지 방식에 의해 도출된 보상참조 IoT 센서(103)의 위치를 비교하면 공간 구조에 의해 ROA 연산에서 발생한 오차를 추정할 수 있다.
하지만, IoT 센서(100) 전부를 보상참조 IoT 센서로 선정하는 것은 연산량이 너무 많기 때문에 [도 11]에서는 클러스터 개념을 도입하여 구조간섭 보상의 효율을 제고하는 개념을 제시한다.
클러스터(cluster)는 전체 IoT 센서(100)를 좀더 작은 그룹으로 나눈 것이다. 각 클러스터 별로 중심 노드(1101, 2106)를 선정하고, 해당 중심 노드에 대해 [도 3]에서 기술한 방식에 의해 비콘신호에 기초하여 직접 위치를 도출하여 중심 노드와 관련하여 ROA 연산의 오차를 제거한다.
그리고 나서, 클러스터 별로 중심 노드 이외의 다른 IoT 센서(1102, 1103, 1104; 2105, 2107, 2108)에 대해서는 중심 노드(1101, 2106)를 기준으로 연산 오차를 보상한다. 즉, [도 2]의 과정을 통해 주변 센서들 간의 기하학적 상관 관계가 도출되었기에, 중심 노드(1101, 2106)를 보상참조 IoT 센서로 삼고 여기에 기하학적 상관 관계를 적용하여 주변 IoT 센서들의 위치를 재조정하는 것이다.
이처럼 클러스터 개념을 이용하면 연산량을 조금만 증가시키면서도 IoT 센서들(100)의 위치에 존재하는 구조간섭을 효과적으로 보상할 수 있다.
이때, 다수의 IoT 센서(100)에 대해 클러스터를 구획하는 것은 관리자의 작업을 통해 수동으로 설정되는 것이 일반적이다. 하지만, 클러스터링 알고리즘(clustering algorithm)을 통해 동적(dynamic)으로 자동 설정하는 구현도 가능하다. 이를 위해 계층적 클러스터링(hierarchical clustering)이나 파티션 클러스터링(partitional clustering, 예: K-means algorithm) 등의 기술이 제시되어 있으며 이들을 선택적으로 사용하거나 조합함으로써 클러스터를 자동 설정하는 것이 가능하다.
또한, 각 클러스터에 대한 중심 노드의 선정도 관리자의 작업에 의해 수동으로 설정될 수도 있고, 각 클러스터에 대해 구조간섭 보상부(280)가 임의로 선정하거나 혹은 기하학적 배치를 볼 때 각 클러스터의 중심에 위치하는 것으로 판단되는 IoT 센서로 선정할 수도 있다.
한편, 본 발명은 컴퓨터가 이상의 과정을 실행시킬 수 있는 프로그램 코드의 형태로 구현될 수 있으며, 이러한 프로그램 코드는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된다. 이러한 기록매체는 디지털 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함하는데, 예컨대 ROM, RAM, CD-ROM, 자기테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며 캐리어웨이브(예: 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 프로그램 코드는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산 방식으로 저장되고 실행될 수 있다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정의 용어가 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이고 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예가 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
[도 1]은 본 발명이 적용된 IoT 스마트 홈 시스템의 모습을 개념적으로 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 IoT 스마트 홈 시스템은 댁내에 다수의 IoT 센서(101 ~ 108)가 배치되어 있고 이들 센서에 대한 관리 서비스를 스마트 홈 게이트웨이(301)가 제공하도록 구성된다. 본 명세서에서는 IoT 센서 전체를 나타낼 때에는 참조번호 (100)을 표시한다.
이를 위해, 스마트 홈 게이트웨이(301)는 이들 IoT 센서(100)에 대한 물리적 배치 상태 및 유지관리 상태에 관한 정보를 무선으로 제공받아 외부의 디스플레이 장치(400)에 표시한다. 이때, 스마트 홈 게이트웨이(301)는 IoT 센서(100)의 위치 정보를 건물의 도면, 바람직하게는 평면도와 매칭시킨 후에 3차원 변환기술을 통해 3차원적으로 디스플레이 제공하는 것이 바람직하다. 이를 위한 3차원 변환 기술로는 유니티 엔진을 바람직하게 활용할 수 있다. [도 1]에는 3차원 변환 표시의 4가지 예를 도시하였는데, 사용자의 조작에 대응하여 입체적으로 네비게이션할 수 있도록 제공한다.
비콘(121 ~ 123)은 댁내의 공간 상에 배치되어 시간영역 신호를 무선 송출함으로써 [도 3]을 참조하여 후술하는 바와 같이 IoT 센서(100)가 배치된 지점을 추정하기 위한 장치이다. 비콘(121 ~ 123)은 블루투스, 와이파이, 고주파수 대역의 음파 등으로 구현할 수 있다.
스마트 홈 게이트웨이(301)는 셋톱박스, IPTV 단말, 미디어 게이트웨이, 무선랜 AP 등의 장치로 구현될 수 있다.
디스플레이 장치(400)는 영상표시 기능을 갖는 장치로서 디지털 TV, 스마트폰, 태블릿PC, 스마트박스, IPTV 등으로 구현될 수 있다. HDMI를 통해 스마트 홈 게이트웨이(301)로부터 직접 영상을 제공받아 표시할 수도 있고, 전용 어플리케이션을 탑재하여 동기화를 통해 스마트 홈 게이트웨이(301)로부터 해당 데이터를 제공받아 화면에 랜더링할 수도 있다. 또한, 스마트 홈 게이트웨이(301)와 디스플레이 장치(400)가 하나의 디바이스로 구현될 수도 있다.
[도 2]는 본 발명에서 IoT 센서들(101 ~ 104)의 기하학적 상관 관계를 도출하는 과정을 개념적으로 나타낸 도면이다. 도면 작성의 편이상 4개의 IoT 센서(101 ~ 104)만 [도 2]에 나타내었으나, 실제로는 전체 IoT 센서(100)에 대해 기하학적 상관 관계를 도출한다.
본 발명에서는 IoT 센서들(100) 간에 교환되는 무선 신호의 강도와 수신위상각을 검출하고, 이에 기초하여 IoT 센서들(100)이 공간 상에서 기하학적으로 어떻게 배치되어 있는지를 도출한다.
먼저, 본 발명에 따른 IoT 센서들은 신호송신부와 신호수신부를 구비하여, 인접 센서들 간에 미리 설정된 형태의 무선 신호를 송수신한다. IoT 센서들(101 ~ 104) 간에 송수신하는 무선 신호는 WiFi, 블루투스, Zigbee, Z-wave 등의 다양한 표준 무선통신 방식으로 정해진 주파수 대역에서 상호호환을 위한 마련한 프로토콜을 활용하여 인접센서 간에 미리설정된 것이다.
IoT 센서(101 ~ 104)에 각각 설치된 센서 에이전트(111 ~ 114)는 근접 위치한 다른 센서가 송출한 신호에 대해 수신신호 강도(Received signal strength indicator, RSSI)와 수신위상각을 측정한다.
이처럼 IoT 센서들(101 ~ 104)로부터 획득한 인접센서 전파 정보(RSSI, 수신위상각)는 기하분석 에이전트(200)로 전달된다. 기하분석 에이전트(200)는 IoT 센서들(101 ~ 104)의 기하학적 상관 관계 및 댁내 배치를 도출해내는 소프트웨어 모듈로서, IoT 센서(101 ~ 104)에 설치될 수도 있고 스마트 홈 게이트웨이(301)에 설치될 수도 있으며, 별도 장치로 구현될 수도 있다.
기하분석 에이전트(200)는 이렇게 수집된 다수의 인접센서 전파 정보를 종합하고 삼변측량법(trilateration measurement)을 적용함으로써 입체 공간에서 IoT 센서들(101 ~ 104) 간의 상대적 거리 및 위상 관계를 검출할 수 있고, 이를 통해 IoT 센서들(101 ~ 104)의 기하학적 상관 관계를 획득할 수 있다.
이때, 송신 노드와 수신 노드 간의 수신신호 강도(RSSI)를 수학적으로 분석하여 노드 위치를 추적하는 기술인 ROA(RSSI of Arrival)를 양호하게 적용할 수 있다. 다만, ROA는 수신신호 강도에 기초한 방식이어서 주변 환경의 간섭에 의해 오차가 커지는 단점이 있다.
기하분석 에이전트(200)는 이렇게 도출한 기하학적 상관 관계를 스마트 홈 게이트웨이(301)로 제공함으로써 디스플레이 장치(400) 상에 3차원으로 표시될 수 있도록 한다.
[도 3]은 본 발명에서 기준 IoT 센서(101)에 대해 댁내 위치 추정을 수행하는 과정을 개념적으로 나타낸 도면이다.
앞서 [도 2]를 참조하여 기하분석 에이전트(200)가 RSSI와 수신위상각에 기초하여 IoT 센서들(100) 사이의 기하학적 상관 관계, 즉 이들 센서들이 공간 상에서 서로 얼마나 떨어져 있고 어떠한 각도로 틀어져 있는지에 관한 정보를 도출하였다.
[도 3]에서는 이들 IoT 센서들(100)이 댁내에서 정확히 어디에 위치하고 있는지 추정하는 과정에 대해 기술한다. 설명의 편이상 하나의 IoT 센서(101)을 대상으로 설명을 제시하는데, 복수 개의 센서에 대해 동일한 방식을 적용할 수 있다. 본 명세서에서는 이처럼 비콘신호를 통해 댁내 위치를 추정하는 대상이 되는 센서를 '기준 IoT 센서'라고 부른다.
[도 2]에서 도출하였던 전체 센서(100)에 대한 기하학적 상관 관계에 [도 3]에서 도출하는 하나이상의 기준 IoT 센서(101)에 대한 댁내 위치 정보를 결합함으로써 전체 IoT 센서(100)에 대한 댁내 배치를 도출할 수 있다.
일정 공간에서 특정 사물에 대한 위치를 추정하는 기술로서 핑거프린팅 기술이 양호하게 적용될 수 있다. 핑거프린팅은 일반적으로 관심 영역에 위치를 알고 있는 표본을 추출하고 그 표본을 바탕으로 수신 신호를 연산하여 위치를 추정하는 기술이다. 본 발명에서는 댁내 공간에 미리 설치된 비콘(121 ~ 123)을 표본으로서 사용하여 기준 IoT 센서(101)의 위치를 추정하는 데에 핑거프린팅 기술을 적용할 수 있다.
비콘(121 ~ 123)은 시간영역 신호를 무선 송출하는데, 본 명세서에서 '시간영역 신호'란 일정 주기로 신호를 송출하는 것을 의미한다. 이처럼 비콘(121 ~ 123)이 송출하는 무선 비콘 신호를 기준 IoT 센서(101)가 수신하여 비콘신호 전파 정보, 예컨대 비콘신호 수신 시각 정보를 기하분석 에이전트(200)로 전달한다.
기하분석 에이전트(200)는 기준 IoT 센서(101)가 제공하는 시간 영역의 비콘신호 전파 정보에 기초하여 비콘(121 ~ 123)과 기준 IoT 센서(101) 간의 기하학적 상관 관계를 파악할 수 있다. 이때, RF 신호와 초음파 신호 간에 존재하는 신호 수신의 시간 지연 차이를 이용하는 TDoA(Time Difference of Arrival)를 양호하게 적용할 수 있다. TDoA 기술에 관한 자세한 내용은 한국통신학회 논문지 제38C권 제2호 (2013년 2월) pp. 141-154 "정밀 시각동기를 이용한 TDoA 기반의 위치 탐지"를 참조한다.
기하분석 에이전트(200)는 이들 비콘(121 ~ 123)에 대한 배치 정보(댁 내에서 비콘이 어디에 설치되어 있는지에 관한 정보)를 저장하고 있는데, 여기에 기하학적 상호관계를 적용함으로써 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치를 추정할 수 있게 된다.
[도 4]는 본 발명에서 기하분석 에이전트(200)의 내부 기능적 구성을 나타낸 도면이다.
기하분석 에이전트(200)는 다수의 IoT 센서들(100)이 제공하는 인접센서 전파 정보(RSSI, 수신위상각)를 수집하여 이들 센서들의 기하학적 상관 관계를 도출한다. 또한, 기하분석 에이전트(200)는 하나이상의 기준 IoT 센서(예: 101)가 제공하는 비콘신호 전파 정보(신호수신 시각)를 수집하여 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치를 추정한 후, 앞서 도출한 기하학적 상관 관계와 결합하여 전체 IoT 센서(100)의 댁내 배치를 도출한다. 이 과정에서 TDoA, ROA 등의 측정 기법이 적용될 수 있다.
이를 위해, 기하분석 에이전트(200)는 전파정보 수신부(210), 상대거리 측정부(220), 상대위상 측정부(230), 기하배치 획득부(240), 비콘정보 저장부(250), 댁내배치 획득부(260), 신호간섭 보정부(270), 구조간섭 보상부(280)를 포함하여 구성된다. 기하분석 에이전트(200)는 소프트웨어의 형태로 구현되는데, IoT 센서(100)에 설치될 수도 있고 스마트 홈 게이트웨이(301)에 설치될 수도 있으며 별도 장치로 구현될 수도 있다.
먼저, 전파정보 수신부(210)는 IoT 센서들(100)로부터 인접센서 전파 정보와 비콘신호 전파 정보를 수신한다. 이들 전파 정보는 수신신호의 강도를 나타내는 RSSI 값, 해당 신호가 송출되어 오는 방향을 나타내는 수신위상각, 비콘신호를 수신한 시각 등을 포함한다.
상대거리 측정부(220)는 IoT 센서들(100)이 제공하는 인접센서 전파 정보(특히, RSSI)를 취합하고 삼변측량법을 적용하여 IoT 센서들(100) 간의 거리를 측정한다. 또한, 상대거리 측정부(220)는 기준 IoT 센서(101)가 제공하는 비콘신호 전파 정보로부터 시간지연 차이에 의해 기준 IoT 센서(101)와 비콘(121 ~ 123) 사이의 거리를 측정한다.
상대위상 측정부(230)는 IoT 센서들(100)이 제공하는 인접센서 전파 정보(특히, 수신위상각)를 취합하여 IoT 센서들(100) 간의 상대적 위상 관계를 측정한다. 또한, 상대위상 측정부(230)는 앞서 도출한 기준 IoT 센서(101)와 비콘(121 ~ 123) 간의 거리 정보를 활용하여 기준 IoT 센서(101)와 비콘(121 ~ 123) 간의 상대적 위상 관계를 측정한다. 비콘(121 ~ 123)의 위치는 미리 알고 있기 때문에 거리 정보를 알면 이를 입체적으로 분석함으로써 기준 IoT 센서(101)에 대한 상대적 위상 관계를 도출할 수 있다.
기하배치 획득부(240)는 상대거리 측정부(220)와 상대위상 측정부(230)가 도출한 IoT 센서들(100) 간의 거리 및 위상 관계에 기초하여 전체 IoT 센서들(100)의 상대적인 기하학적 배치 관계를 도출한다. 즉, , 이들 IoT 센서들(100)이 공간 상에서 서로 얼마나 떨어져 있고 어떠한 각도로 틀어져 있는지에 관한 정보를 도출한다.
비콘정보 저장부(250)는 비콘(121 ~ 123)에 대한 댁내 센서배치 정보, 즉 구체적인 개별 상황에 대해 해당 댁 내에서 비콘(121 ~ 123)이 어디에 설치되어 있는지에 관한 정보를 저장한다.
댁내배치 획득부(260)는 전체 IoT 센서(100)의 댁내 위치, 즉 이들 센서들이 댁 내부에서 어디에 설치되어 있는지에 관한 정보를 획득한다. 먼저, 댁내배치 획득부(260)는 상대거리 측정부(220)와 상대위상 측정부(230)가 도출한 기준 IoT 센서(101)와 비콘(121 ~ 123) 간의 기하학적 상관 관계를 파악한다. 비콘정보 저장부(250)가 보유하는 비콘(121 ~ 123)의 댁내 센서배치 정보를 결합하면 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치를 추정할 수 있게 된다.
그리고, 기하배치 획득부(240)가 도출한 전체 IoT 센서들(100)의 기하학적 배치 관계에 대해 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치 정보에 결합함으로써 전체 IoT 센서(100)의 댁내 위치를 추정한다.
신호간섭 보정부(270)는 복수의 비콘(121 ~ 123)이 송출하는 무선 신호들 간의 논리적 신호간섭에 의해 발생하는 오차를 보정한다. 3개의 비콘(121 ~ 123)이 송출한 3쌍의 RF 신호와 초음파 신호는 해당 비콘과 기준 IoT 센서(101) 간의 거리 차이로 인하여 약간의 차이를 두고 기준 IoT 센서(101)에서 수신된다. 기준 IoT 센서(101)는 이들 3쌍의 RF 신호와 초음파 신호를 그 수신한 순서대로 처리하게 되는데, 기준 IoT 센서(101)가 이들 신호가 상이한 비콘 3개가 송출한 것으로 인식하지 않고 동일한 비콘(예: 121)이 3번 송출한 것이라고 처리하면 논리적 신호 간섭에 의하여 거리 측정에 오류가 발생한다.
비콘(121 ~ 123)은 휴대성을 기반으로 하는 장치이기 때문에 소형으로 소비전력을 최소화시켜야 한다. 이러한 요구사항을 만족시키면서 신호간섭 오류를 해소하기 위해 본 발명에서는 비콘(121 ~ 123)이 송출하는 RF의 전송시간을 늘려서 초음파 신호의 송수신 구간이 항상 RF 송수신 구간의 내부에 들어가도록 구성한다. 신호간섭 보정부(270)는 RF 송수신 구간을 벗어나는 초음파 신호 수신에 따른 결과를 제거함으로써 논리적 신호간섭에 의한 오차를 보정한다.
구조간섭 보상부(280)는 댁내에서 IoT 센서들(100)의 물리적 배치 구조에 의해 발생하는 오차를 보상한다. 즉, IoT 센서들(100) 사이 그리고 IoT 센서와 비콘(121 ~ 123) 사이가 건물벽에 의해 이격되거나 멀리 떨어져 있으면 거리 측정의 오차는 증가하게 되는데, 구조간섭 보상부(280)는 그러한 공간 구조에 의한 오차를 보상한다.
제 1 실시예로서, 구조간섭 보상부(280)는 무선 채널 파라미터인 경로손실 지수(path loss exponent)와 쉐도잉 크기를 반영하여 개별 추정 거리에 대해 가중치를 적용함으로써 오차를 보상할 수 있다. 이 방식은 해당 공간의 무선신호 송수신 환경을 나타내는 정보인 경로손실 지수와 쉐도잉 크기를 정확하게 확보한 경우에 적용 가능하다.
제 2 실시예로서, 구조간섭 보상부(280)는 [도 2]에서 ROA에 의해 도출한 결과와 [도 3]에서 TDoA에 의해 도출한 결과를 상호 비교함으로써 공간 구조에 의해 ROA 연산에 발생한 오차를 보상한다.
ROA는 신호강도 정보를 활용하고 TDoA는 시간지연 정보를 활용한다. 공간 구조는 신호 강도에는 직접적으로 영향을 미치는 반면 신호전달 속도에는 영향의 거의 미치지 못한다. 따라서, 공간 구조에 따른 오차는 ROA에서 상대적으로 크게 나타나는 반면 TDoA에서는 크지 않다.
그에 따라, [도 3]에서 전술한 방식에 따라 비콘신호에 기초하여 하나이상의 IoT 센서('보상참조 IoT 센서')의 위치를 도출하고, 그리고 나서 그 도출 결과를 [도 2]에서 도출한 기하학적 상관 관계와 비교함으로써 공간구조에 의한 오차를 보상할 수 있다.
예를 들어, [도 1]에서 보상참조 IoT 센서(예: 103)의 댁내 위치는 [도 2]에서 도출한 주변 IoT 센서(100) 간의 기하학적 상관 관계와 [도 3]에서 도출한 기준 IoT 센서(예: 101)의 댁내 위치를 결합하여 얻어질 수 있다. 또한, [도 3]에서 기술한 방식에 의해 비콘신호에 기초하여 보상참조 IoT 센서(103)의 위치를 직접 얻을 수도 있다. 보상참조 IoT 센서(103)의 위치에 관련된 이 두가지 결과를 비교하고, 그 차이를 반영하여 IoT 센서(100) 간의 기하학적 상관 관계를 보상할 수 있는 것이다.
이때, 전체 IoT 센서(100) 중에서 어떠한 IoT 센서를 보상참조 IoT 센서로 선정할 것인지가 문제가 된다. 본 발명에서는 클러스터의 개념을 도입하고, 클러스터의 중심 노드를 보상참조 IoT 센서로 선정하는 것이 효과적일 것으로 제시한다. 이에 대해서는 [도 11]을 참조하여 후술한다.
[도 5]는 본 발명에 따른 스마트 에이전트(300)의 내부 기능적 구성을 나타낸 도면이다.
스마트 에이전트(300)는 댁 내에 존재하는 다수의 IoT 센서(100)의 배치 정보를 기하분석 에이전트(200)로부터 제공받아 사용자가 활용하기 편리한 방식으로 디스플레이 장치(400)에 표시해주는 장치이다. 3차원 변환 소프트웨어를 활용하여 센서 배치를 3차원(예: 큐브 형태)으로 표시하는 것이 바람직한데, 예컨대 유니티 엔진(Unity engine)을 채용할 수 있다.
또한, 단순히 센서 위치만 표시하는 것이 아니라 해당 센서의 현재 상태, 예컨대 정상동작 여부, 배터리 교체필요성 여부 등에 관한 정보도 IoT 센서들(100)로부터 직접 또는 간접적으로 제공받아 디스플레이 화면에 함께 표시하는 것이 바람직하다. [도 1]을 참조하면 동작 이상을 나타내거나 배터리 교환이 필요한 센서에 대해서는 디스플레이 화면에 특별하게 표시하였다.
이를 위해, 스마트 에이전트(300)는 위상지도 수신부(410), 센서위치 추적부(420), 센서상태 인식부(430), 입체변환 엔진부(440), 센서배치 표출부(450), 센서상태 표출부(460)를 포함하여 구성된다.
먼저, 배치정보 수신부(310)는 기하분석 에이전트(200)로부터 IoT 센서들(100)에 대한 댁내 센서배치 정보를 제공받는다. 기하분석 에이전트(200)로부터 비콘(121 ~ 123)에 대한 배치 정보를 제공받을 수도 있는데, 이 경우에는 비콘(121 ~ 123)의 위치도 디스플레이 장치(400)에 표시할 수 있다.
센서위치 추적부(320)는 IoT 센서들(100)에 대한 댁내 센서배치 정보에 기초하여 IoT 센서들(100)의 위치를 추적한다. 개별 IoT 센서(100)는 그 위치가 변동되거나 또는 아예 제거될 수 있는데, 센서위치 추적부(420)는 댁내 센서배치 정보를 센서별로 구분하여 관리함으로써 센서 위치를 추적할 수 있다. 이를 통해, 디스플레이 장치(400)의 화면이 IoT 센서(100)의 실제 배치 현황과 일치하게 된다.
센서상태 인식부(330)는 이들 IoT 센서(100)의 상태현황 정보, 예컨대 정상 동작 여부, 부품 교환 필요 여부, 배터리 상태 등을 인식하고 모니터링한다. 이러한 상태현황 정보는 IoT 센서(100)로부터 직접 전달받을 수도 있고, 다른 에이전트를 통해 간접적으로 제공받을 수도 있다. 이를 통해, IoT 센서(100)의 유지관리에 유용한 정보가 취득된다.
입체변환 엔진부(340)는 2차원 영상 데이터를 3차원 영상으로 변환하는 기능을 수행한다. 기하분석 에이전트(200)가 제공하는 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보는 3차원 입체에 관련된 정보인데, 입체변환 엔진부(340)는 이러한 입체 정보를 2차원의 디스플레이 영상에 표현하기 위한 2D/3D 변환을 수행한다.
유니티는 비디오 게임이나 실시간 3D 애니메이션 등의 분야에서 인터렉티브 콘텐츠를 제작하기 위한 통합 툴(tool)이다. 유니티는 자바스크립트 형태로 작성하므로 안드로이드 환경에 적합하다. 따라서, 안드로이드 플랫폼 기반으로 동작하는 스마트 에이전트(300)에 입체변환 엔진부(340)를 탑재하여 유니티 기반의 3차원 그래픽이 실행될 수 있다. 즉, 안드로이드 구조에서의 키트 값과 이벤트 값을 유니티 엔진으로 넘겨서 유니티 기반으로 실행되게 한다
한편, 기하분석 에이전트(200)로부터 IoT 센서들(100)의 배치 현황과 상태현황 정보가 주기적으로 제공되는데 스마트 에이전트(300)는 이러한 정보를 3차원으로 구현된 실시간 동영상처럼 제시하는 것이 바람직하다. 이를 위해 입체변환 엔진부(340)는 유니티 엔진의 MovieTexture 기술인 Handheld PlayFullScreenMovie() 메소드를 활용할 수 있다. 이를 통해, 스마트 홈의 댁내 모습이 동영상으로 표시되는 동안에 IoT 센서들(100)의 배치현황 및 상태현황 정보가 3D 텍스쳐로서 삽입되어 표시된다.
한편, 유니티에 관한 구체적인 기술이나 사용법은 관련 인터넷 사이트인 http://www.unity3d.com/를 참조한다. 입체변환 엔진부(340)에 의해 디스플레이 장치(400) 상에 표시된 화면은 [도 1]에 나타낸 바와 같이 실제 댁내의 공간과 유사한 느낌으로 구성될 수 있다.
센서배치 표출부(350)는 입체변환 엔진부(340)가 구성한 3차원 그래픽 영상을 입체 디스플레이 형태, 예컨대 큐브의 형태로 디스플레이 장치(400)의 화면에 표시한다. 3차원으로 사물을 표현하는 방법은 와이어 프레임 표현, 표면 모형, 입체 모형 등이 있다.
이때, 센서배치 표출부(350)는 모듈러와 계층적 구조로 배열된 다양한 공간적 기본 연산자를 사용하여 3차원 공간에서 밝기, 색상, 자세를 다양하게 조절하는 큐브의 변환이 가능하도록 사물의 형태에 대한 객체 지향적 표현을 제공하는 것이 바람직하다. 이와 같은 3차원 변환을 수행하기 위한 2가지 이론적 기반으로는 오일러(Euler) 회전과 사원수(Quaternion) 회전이 제시되어 있다.
센서상태 표출부(360)는 센서배치 표출부(350)에 의해 디스플레이 장치(400)의 화면에 나타낸 센서 표시 상에 센서상태 인식부(330)가 관리하는 개별 IoT 센서의 상태현황 정보를 시각적으로 표시한다. 이를 통해, 사용자는 댁내에 배치된 IoT 센서에 대해 어떠한 유지관리 조치(예: 수리, 부품 교환, 배터리 교체 등)가 취해져야 하는지 디스플레이 화면을 통해 식별할 수 있게 된다.
[도 6]은 본 발명에 양호하게 적용되는 무선랜 비콘 프레임을 개념적으로 나타내는 도면이다.
본 발명에서 비콘(121 ~ 123)은 댁내에 배치되어 시간영역 신호를 무선 송출하는데, [도 6]은 이러한 비콘(121 ~ 123)이 무선랜 기술로 구현된 경우의 동작을 나타낸 것이다.
비콘(121 ~ 123)은 무선랜 신호에서 네트워크 그룹을 식별하는 정보인 SSID 값 및 비콘 장치를 식별하는 정보인 비콘 프레임(beacon frame)을 생성하여 주변에 송출한다. 무선랜 IEEE 802.11 규격에 따르면 무선랜 네트워크가 셋업되면 하나의 장치가 그룹 오너가 되는데, 해당 그룹 오너가 SSID 값과 비콘 프레임을 생성하여 주변에 송출한다.
무선랜 규격에 따르면 무선랜 네트워크에 연결된 단말(STA)은 무선랜 신호를 송출할 때에는 비콘 프레임을 참조하여 충돌이 발생하지 않도록 시간 구간을 나누어서 운용한다. 즉, 비콘 프레임 이후에 발생되는 CFP(Contention-Free Period)와 CP(Contention Period)를 감안하여 각자에게 허용된 시간 구간에 자신의 정보에 데이터를 실어서 무선랜 신호를 송출한다.
그에 따라, 댁내 공간에 설치된 복수의 비콘(121 ~ 123)은 각자의 시간 구간을 가지고 충돌 없이 무선랜 비콘신호를 송출하고, [도 3]에 도시된 바와 같이 IoT 센서들(100)은 이들 복수의 비콘(121 ~ 123)으로부터 시간 영역의 비콘신호를 수신할 수 있다.
[도 7]은 본 발명에 따른 IoT 센서 배치의 입체표시 방법의 전체 프로세스를 나타내는 순서도이다.
단계 (S100) : 복수 개의 IoT 센서(100)가 서로 무선 신호를 송출한다. 본 발명에서 IoT 센서들(100)은 신호송신부와 신호수신부를 구비하여, 인접 센서들 간에 미리 설정된 형태의 무선 신호를 송수신한다.
단계 (S110) : 복수 개의 IoT 센서(100)가 인접센서 전파 정보, 바람직하게는 RSSI, 수신위상각를 획득하여 기하분석 에이전트(200)로 전송한다. 즉, IoT 센서들(100)은 근접 위치한 다른 센서가 송출한 신호에 대해 수신신호 강도(RSSI)와 수신위상각을 측정하여 이를 인접센서 전파 정보로서 기하분석 에이전트(200)로 전송한다.
단계 (S120) : 기하분석 에이전트(200)는 복수 개의 IoT 센서(100)로부터 제공받은 인접센서 전파 정보를 취합한다.
단계 (S130) : 기하분석 에이전트(200)는 그 취합한 인접센서 전파 정보를 종합적으로 분석함으로써 IoT 센서들(100) 간의 기하학적 상관 관계를 획득한다. 즉, 기하분석 에이전트(200)는 인접센서 전파 정보에 삼변측량법을 적용함으로써 입체 공간에서 IoT 센서들(100) 간의 상대적 거리 및 위상 관계를 검출할 수 있고, 이를 통해 IoT 센서(100)의 기하학적 상관 관계를 획득할 수 있다. 이때, 송수신 노드 간의 수신신호 강도(RSSI)를 수학적으로 분석하여 노드 위치를 추적하는 기술인 ROA를 양호하게 적용할 수 있다.
단계 (S140) : 복수 개의 비콘(121 ~ 123)이 시간영역 신호를 송출한다. 본 명세서에서는 TDoA에 의해 비콘 신호를 분석하는 실시예를 제시하였는데, 이 경우 비콘(121 ~ 123)은 RF 신호와 초음파 신호를 송출한다.
단계 (S150) : 하나이상의 기준 IoT 센서(예: 101)는 비콘신호 전파 정보(비콘신호 수신 시각)을 기하분석 에이전트(200)로 전송한다. TDoA는 RF 신호와 초음파 신호 간에 존재하는 신호 수신의 시간 지연 차이를 이용하는 방식이므로 기준 IoT 센서(101)는 비콘신호를 수신한 시각에 관련된 정보를 측정하여 비콘신호 전파 정보로서 기하분석 에이전트(200)로 전송한다.
단계 (S160) : 기하분석 에이전트(200)는 비콘(121 ~ 123)을 표본으로 삼아 구성한 핑거프린팅 기법을 적용하며, 이를 통해 비콘신호 전파 정보에 기초하여 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치를 추정한다. 단계 (S130)에서 도출한 IoT 센서들(100) 간의 기하학적 상관 관계에 비콘신호 전파 정보에 따라 도출한 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치 정보를 결합하여 전체 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보를 획득한다.
단계 (S170, 180) : 스마트 홈 게이트웨이(301)에 설치된 스마트 에이전트(300)는 기하분석 에이전트(200)로부터 전체 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보를 제공받는다. 또한, 스마트 에이전트(300)는 하나이상의 IoT 센서(100)에 대해 상태현황 정보, 예컨대 정상 동작 여부, 수리필요 여부, 부품 교환 필요 여부, 배터리 상태 등에 관한 정보를 제공받는다. 이러한 상태현황 정보는 스마트 에이전트(300)가 IoT 센서(100)로부터 직접 전달받을 수도 있고, 다른 에이전트를 통해 간접적으로 제공받을 수도 있다.
단계 (S190) : 스마트 에이전트(300)는 IoT 센서(100)에 대한 댁내 센서배치 정보와 상태현황 정보에 기초하여 댁내 공간에서 IoT 센서들(100)의 위치 및 상태를 유니티 기반으로 3차원 그래픽 형태로 제공한다. 유니티 엔진은 2차원 영상 데이터를 3차원 영상으로 변환하는 기능을 제공하는데, 스마트 에이전트(300)는 유니티 엔진이 구성한 3차원 그래픽 영상을 [도 1]에 나타낸 바와 같이 디스플레이 장치(400)의 화면에 표시한다. 그리고, 해당 센서 위치에 상태현황 정보를 오버레이 표시함으로써 사용자 또는 관리자에 의해 IoT 센서(100)에 대한 유지관리가 적절하게 이루어질 수 있게 보조한다.
[도 8]은 본 발명에서 기하분석 에이전트(200)가 IoT 센서(100)에 대한 기하학적 상관 관계를 획득하는 과정을 나타내는 순서도이다.
단계 (S131) : 기하분석 에이전트(200)의 상대거리 측정부(220)는 IoT 센서들(100)이 제공하는 인접센서 전파 정보(특히, RSSI)를 취합하고 ROA에 따라 삼변측량법을 적용하여 IoT 센서들(100) 간의 거리를 측정한다.
단계 (S132) : 기하분석 에이전트(200)의 상대위상 측정부(230)는 IoT 센서들(100)이 제공하는 인접센서 전파 정보(특히, 수신위상각)를 취합하여 IoT 센서들(100) 간의 상대적 위상 관계를 측정한다.
단계 (S133) : 기하분석 에이전트(200)의 기하배치 획득부(240)는 상대거리 측정부(220)와 상대위상 측정부(230)가 도출한 IoT 센서들(100) 간의 거리 및 상대적 위상 관계에 기초하여 전체 IoT 센서들(100)의 상대적인 기하학적 배치 관계를 도출한다. 즉, 이들 IoT 센서들(100)이 공간 상에서 서로 얼마나 떨어져 있고 어떠한 각도로 틀어져 있는지에 관한 정보를 도출한다.
[도 9]는 본 발명에서 기하분석 에이전트(200)가 IoT 센서(100)에 대한 댁내 센서배치 정보를 획득하는 과정을 나타내는 순서도이다.
단계 (S161) : 비콘정보 저장부(250)는 비콘(121 ~ 123)에 대한 댁내 센서배치 정보, 즉 댁 내에서 비콘(121 ~ 123)이 어디에 설치되어 있는지에 관한 정보를 저장하는데, 기하분석 에이전트(200)가 필요에 따라 비콘(121 ~ 123)에 대한 댁내 센서배치 정보를 활용할 수 있도록 이를 제공한다.
단계 (S162) : 상대거리 측정부(220)는 기준 IoT 센서(101)가 제공하는 비콘신호 전파 정보로부터 TDoA에 따라 시간지연 차이에 의해 기준 IoT 센서(101)와 비콘(121 ~ 123) 사이의 거리를 측정한다.
단계 (S163) : 상대위상 측정부(230)는 기준 IoT 센서(101)와 비콘(121 ~ 123) 간의 거리 정보를 활용하여 기준 IoT 센서(101)와 비콘(121 ~ 123) 간의 상대적 위상 관계를 측정한다. 비콘(121 ~ 123)의 위치는 미리 알고 있기 때문에 거리 정보를 알면 이를 입체적으로 분석함으로써 기준 IoT 센서(101)에 대한 상대적 위상 관계를 도출할 수 있다.
단계 (S164) : 댁내배치 획득부(260)는 단계 (S162) 및 단계 (S163)에서 획득한 거리 정보와 상대적 위상 관계를 활용하여 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치 정보를 획득한다. 비콘정보 저장부(250)를 통해 이들 비콘(121 ~ 123)의 댁내 위치를 알고 있는 상태에서 기준 IoT 센서(101)에 대해 이들 비콘(121 ~ 123)과의 거리 및 위상을 도출해내었기에 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치 정보를 획득할 수 있다.
단계 (S165) : 댁내배치 획득부(260)는 IoT 센서들(100) 간의 기하학적 상관 관계에 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치 정보를 결합하여 전체 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보를 획득한다. 이때, 기준 IoT 센서의 갯수가 증가할수록 전체 IoT 센서(100)에 대한 댁내 배치 추정의 정확도는 올라간다.
[도 10]은 본 발명에서 스마트 에이전트(300)가 IoT 센서들(100)의 위치 및 상태를 3차원 그래픽으로 제공하는 과정을 나타내는 순서도이다.
단계 (S191) : 센서위치 추적부(320)는 IoT 센서들(100)에 대한 댁내 센서배치 정보에 기초하여 IoT 센서들(100)의 위치를 추적한다. 개별 IoT 센서(100)는 그 위치가 변동되거나 또는 아예 제거될 수 있는데, 센서위치 추적부(420)는 댁내 센서배치 정보를 센서별로 구분하여 관리함으로써 센서 위치를 추적할 수 있다. 이를 통해, 디스플레이 장치(400)의 화면은 IoT 센서(100)의 실제 배치 현황과 일치하게 된다.
단계 (S192) : 센서상태 인식부(330)는 이들 IoT 센서(100)의 상태현황 정보, 예컨대 정상 동작 여부, 수리필요 여부, 배터리 상태 등을 인식하고 모니터링한다. 이러한 상태현황 정보는 IoT 센서(100)로부터 직접 전달받을 수도 있고, 다른 에이전트(미도시)를 통해 간접적으로 제공받을 수도 있다. 이를 통해, IoT 센서(100)의 유지관리에 유용한 정보가 취득된다
단계 (S193) : 입체변환 엔진부(340)는 2차원 영상 데이터를 3차원 영상으로 변환하는 기능을 수행한다. 기하분석 에이전트(200)가 제공하는 IoT 센서(100)의 댁내 센서배치 정보는 3차원 입체에 관련된 정보인데, 입체변환 엔진부(340)는 이러한 입체 정보를 2차원의 디스플레이 화면 상에서 입체적으로 표현하기 위한 2D/3D 변환을 수행한다.
단계 (S194) : 센서배치 표출부(350)는 입체변환 엔진부(340)가 구성한 3차원 그래픽 영상을 입체 디스플레이 형태, 예컨대 큐브의 형태로 디스플레이 장치(400)의 화면에 표시한다.
단계 (S195) : 센서상태 표출부(360)는 센서배치 표출부(350)에 의해 디스플레이 장치(400)의 화면에 나타낸 3차원 센서 위치 표시 상에 센서상태 인식부(330)가 관리하는 개별 IoT 센서의 상태현황 정보를 예컨대 오버레이를 통해 시각적으로 표시한다. 이를 통해, 사용자는 댁내에 배치된 IoT 센서에 대해 어떠한 유지관리 조치(예: 수리, 부품 교환, 배터리 교체 등)가 취해져야 하는지 디스플레이 화면을 통해 식별할 수 있게 된다.
[도 11]은 클러스터 개념을 활용하여 기하분석 에이전트(200)의 구조간섭 보상부(280)가 구조간섭을 보상하는 개념을 나타낸 도면이다.
[도 4]를 참조하여 전술한 바와 같이, 구조간섭 보상부(280)는 하나이상의 보상참조 IoT 센서에 대해 [도 2]에서 ROA에 의해 도출한 결과와 [도 3]에서 TDoA에 의해 도출한 결과를 상호 비교함으로써 공간 구조에 의해 ROA 연산에 발생한 오차를 보상한다.
이를 위해, 특정의 보상참조 IoT 센서(예: 103)의 댁내 위치는 [도 2]에서 도출한 주변 IoT 센서(100) 간의 기하학적 상관 관계에 관한 정보와 [도 3]에서 도출한 기준 IoT 센서(예: 101)의 댁내 위치에 관한 정보를 결합하여 상호 대조함으로써 얻어질 수 있다. 또한, [도 3]에서 기술한 방식에 의해 비콘신호에 기초하여 해당 보상참조 IoT 센서(103)의 위치를 직접 얻을 수도 있다. 이 두가지 방식에 의해 도출된 보상참조 IoT 센서(103)의 위치를 비교하면 공간 구조에 의해 ROA 연산에서 발생한 오차를 추정할 수 있다.
하지만, IoT 센서(100) 전부를 보상참조 IoT 센서로 선정하는 것은 연산량이 너무 많기 때문에 [도 11]에서는 클러스터 개념을 도입하여 구조간섭 보상의 효율을 제고하는 개념을 제시한다.
클러스터(cluster)는 전체 IoT 센서(100)를 좀더 작은 그룹으로 나눈 것이다. 각 클러스터 별로 중심 노드(1101, 2106)를 선정하고, 해당 중심 노드에 대해 [도 3]에서 기술한 방식에 의해 비콘신호에 기초하여 직접 위치를 도출하여 중심 노드와 관련하여 ROA 연산의 오차를 제거한다.
그리고 나서, 클러스터 별로 중심 노드 이외의 다른 IoT 센서(1102, 1103, 1104; 2105, 2107, 2108)에 대해서는 중심 노드(1101, 2106)를 기준으로 연산 오차를 보상한다. 즉, [도 2]의 과정을 통해 주변 센서들 간의 기하학적 상관 관계가 도출되었기에, 중심 노드(1101, 2106)를 보상참조 IoT 센서로 삼고 여기에 기하학적 상관 관계를 적용하여 주변 IoT 센서들의 위치를 재조정하는 것이다.
이처럼 클러스터 개념을 이용하면 연산량을 조금만 증가시키면서도 IoT 센서들(100)의 위치에 존재하는 구조간섭을 효과적으로 보상할 수 있다.
이때, 다수의 IoT 센서(100)에 대해 클러스터를 구획하는 것은 관리자의 작업을 통해 수동으로 설정되는 것이 일반적이다. 하지만, 클러스터링 알고리즘(clustering algorithm)을 통해 동적(dynamic)으로 자동 설정하는 구현도 가능하다. 이를 위해 계층적 클러스터링(hierarchical clustering)이나 파티션 클러스터링(partitional clustering, 예: K-means algorithm) 등의 기술이 제시되어 있으며 이들을 선택적으로 사용하거나 조합함으로써 클러스터를 자동 설정하는 것이 가능하다.
또한, 각 클러스터에 대한 중심 노드의 선정도 관리자의 작업에 의해 수동으로 설정될 수도 있고, 각 클러스터에 대해 구조간섭 보상부(280)가 임의로 선정하거나 혹은 기하학적 배치를 볼 때 각 클러스터의 중심에 위치하는 것으로 판단되는 IoT 센서로 선정할 수도 있다.
한편, 본 발명은 컴퓨터가 이상의 과정을 실행시킬 수 있는 프로그램 코드의 형태로 구현될 수 있으며, 이러한 프로그램 코드는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된다. 이러한 기록매체는 디지털 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함하는데, 예컨대 ROM, RAM, CD-ROM, 자기테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며 캐리어웨이브(예: 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 프로그램 코드는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산 방식으로 저장되고 실행될 수 있다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정의 용어가 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이고 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예가 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
100 ~ 108 : IoT 센서
111 ~ 114 : 센서 에이전트
121 ~ 123 : 비콘
200 : 기하분석 에이전트
210 : 전파정보 수신부
220 : 상대거리 측정부
230 : 상대위상 측정부
240 : 기하배치 획득부
250 : 비콘정보 저장부
260 : 댁내배치 획득부
270 : 신호간섭 보정부
280 : 구조간섭 보상부
300 : 스마트 에이전트
301 : 스마트 홈 게이트웨이
310 : 배치정보 수신부
320 : 센서위치 추적부
330 : 센서상태 인식부
340 : 유니티 모듈
350 : 센서배치 표출부
360 : 센서상태 표출부
400 : 디스플레이 장치
111 ~ 114 : 센서 에이전트
121 ~ 123 : 비콘
200 : 기하분석 에이전트
210 : 전파정보 수신부
220 : 상대거리 측정부
230 : 상대위상 측정부
240 : 기하배치 획득부
250 : 비콘정보 저장부
260 : 댁내배치 획득부
270 : 신호간섭 보정부
280 : 구조간섭 보상부
300 : 스마트 에이전트
301 : 스마트 홈 게이트웨이
310 : 배치정보 수신부
320 : 센서위치 추적부
330 : 센서상태 인식부
340 : 유니티 모듈
350 : 센서배치 표출부
360 : 센서상태 표출부
400 : 디스플레이 장치
Claims (9)
- 스마트 홈 시스템에서 댁내에 배치된 복수 개의 IoT 센서에 대한 생애주기 관리를 위하여 클러스터 기반으로 IoT 센서들의 현황을 디스플레이 화면에 표시하는 방법으로서,
기하분석 에이전트(200)가 무선 신호를 상호 송출하는 상기 복수 개의 IoT 센서로부터 인접센서 전파 정보를 수신하는 단계;
상기 기하분석 에이전트(200)가 상기 인접센서 전파 정보에 기초하여 상기 IoT 센서들 간의 기하학적 상관 관계를 ROA에 의해 획득하는 제 A 단계;
시간영역 신호를 송출하는 복수 개의 비콘에 대응하여, 상기 기하분석 에이전트(200)가 상기 복수 개의 IoT 센서로부터 비콘신호 수신 시각을 포함한 비콘신호 전파 정보를 수신하는 단계;
상기 기하분석 에이전트(200)가 상기 비콘신호 전파 정보에 기초하여 일부 IoT 센서의 배치 정보를 TDoA에 의해 도출하고, 상기 IoT 센서들 간의 기하학적 상관 관계 및 상기 일부 IoT 센서의 배치 정보에 기초하여 상기 복수 개의 IoT 센서에 대하여 댁내 센서배치 정보를 획득하는 제 B 단계;
구조간섭 보상부(280)가 상기 복수 개의 IoT 센서를 복수 개의 클러스터로 구분하고 각각의 클러스터의 중심 노드를 해당 클러스터에 대한 보상참조 IoT 센서로 선정하는 단계;
상기 구조간섭 보상부(280)가 상기 선정된 하나이상의 보상참조 IoT 센서의 각각에 대하여 상기 비콘신호 전파 정보에 기초하여 댁내 위치 정보('제 1 위치정보')를 TDoA에 의해 획득하고 상기 댁내 센서배치 정보에 기초하여 댁내 위치 정보('제 2 위치정보')를 획득한 후, 상기 제 1 위치정보와 상기 제 2 위치정보 간의 오차를 식별하는 단계;
상기 복수 개의 클러스터 각각에 대하여, 상기 구조간섭 보상부(280)가 해당 클러스터의 보상참조 IoT 센서에 대해 상기 식별된 오차를 반영하여 해당 클러스터에 속하는 IoT 센서에 대한 상기 댁내 센서배치 정보를 수정함으로써 댁내 공간구조에 따른 구조간섭에 의한 오차를 보상하는 단계;
상기 스마트 에이전트(300)가 상기 댁내 센서배치 정보에 기초하여 스마트 홈의 댁내 공간에서 상기 IoT 센서들의 위치를 그래픽 디스플레이 형태로 표시하는 제 C 단계;
상기 스마트 에이전트(300)가 상기 IoT 센서로부터 생애주기 관리를 위한 상태현황 정보를 획득하는 단계;
상기 스마트 에이전트(300)가 상기 그래픽 디스플레이 상에 각각의 IoT 센서의 댁내 센서배치에 대응하는 위치에 상기 IoT 센서의 상태현황 정보를 오버레이 표시하는 단계;
를 포함하여 구성되는 댁내 IoT 센서의 생애주기 관리를 위한 클러스터 기반의 IoT 센서의 현황 표시 방법.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 인접센서 전파 정보는 상기 복수 개의 IoT 센서 간의 무선 신호 송수신에 관한 RSSI와 수신위상각을 포함하고,
상기 제 A 단계는,
상대거리 측정부(220)가 상기 인접센서 전파 정보의 RSSI 정보를 활용하여 삼변측량법에 의해 상기 복수의 IoT 센서들 간의 거리를 측정하는 단계;
상대위상 측정부(230)가 상기 인접센서 전파 정보의 수신위상각을 활용하여 상기 복수의 IoT 센서들 간의 상대적 위상 관계를 측정하는 단계;
기하배치 획득부(240)가 상기 IoT 센서들 간의 거리 및 상대적 위상 관계에 기초하여 상기 IoT 센서들 간의 상대적인 기하학적 배치 관계를 획득하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 댁내 IoT 센서의 생애주기 관리를 위한 클러스터 기반의 IoT 센서의 현황 표시 방법.
- 청구항 3에 있어서,
상기 제 B 단계는,
비콘정보 저장부(250)가 상기 비콘에 대한 댁내 센서배치 정보를 제공하는 단계;
상대거리 측정부(220)가 상기 비콘신호 전파 정보로부터 시간지연 차이에 의해 특정의 기준 IoT 센서(101)와 상기 복수 개의 비콘 간의 거리를 측정하는 단계;
상대위상 측정부(230)가 상기 기준 IoT 센서(101)와 상기 복수 개의 비콘 간의 거리 정보를 활용하여 상기 기준 IoT 센서(101)와 상기 비콘 간의 상대적 위상 관계를 측정하는 단계;
댁내배치 획득부(260)가 상기 기준 IoT 센서(101)에 대하여 상기 비콘에 대한 거리 정보 및 상대적 위상 관계를 활용하여 댁내 위치 정보를 획득하는 단계;
상기 댁내배치 획득부(260)가 상기 IoT 센서들 간의 상기 기하학적 상관 관계에 기준 IoT 센서(101)의 댁내 위치 정보를 결합하여 상기 댁내 센서배치 정보를 획득하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 댁내 IoT 센서의 생애주기 관리를 위한 클러스터 기반의 IoT 센서의 현황 표시 방법.
- 청구항 4에 있어서,
상기 제 C 단계는,
센서위치 추적부(320)가 상기 댁내 센서배치 정보에 기초하여 상기 복수 개의 IoT 센서의 위치를 추적하는 단계;
입체변환 엔진부(340)가 상기 복수 개의 IoT 센서의 위치를 2차원 디스플레이 화면 상의 3차원 그래픽 영상으로 변환하는 단계;
센서배치 표출부(350)가 상기 3차원 그래픽 영상을 디스플레이 제공하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 댁내 IoT 센서의 생애주기 관리를 위한 클러스터 기반의 IoT 센서의 현황 표시 방법.
- 삭제
- 삭제
- 청구항 5에 있어서,
상기 비콘이 송출하는 비콘신호는 초음파 신호의 송수신 구간이 RF 신호의 송수신 구간에 포함되도록 RF 신호와 초음파 신호를 포함하여 구성되고,
신호간섭 보정부(270)가 상기 RF 신호의 송수신 구간을 벗어나는 초음파 신호 수신에 따른 거리 및 위상 측정 결과를 제거함으로써 논리적 신호간섭에 의한 오차를 보상하는 제 B 단계;
를 더 포함하여 구성되는 댁내 IoT 센서의 생애주기 관리를 위한 클러스터 기반의 IoT 센서의 현황 표시 방법.
- 컴퓨터에 청구항 1, 3 내지 5, 8 중 어느 하나의 항에 따른 댁내 IoT 센서의 생애주기 관리를 위한 클러스터 기반의 IoT 센서의 현황 표시 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 판독가능한 기록매체.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150017707A KR101591754B1 (ko) | 2015-02-05 | 2015-02-05 | 댁내 IoT 센서의 생애주기 관리를 위한 클러스터 기반의 IoT 센서의 현황 표시 방법 및 이를 위한 컴퓨터로 판독가능한 기록매체 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150017707A KR101591754B1 (ko) | 2015-02-05 | 2015-02-05 | 댁내 IoT 센서의 생애주기 관리를 위한 클러스터 기반의 IoT 센서의 현황 표시 방법 및 이를 위한 컴퓨터로 판독가능한 기록매체 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101591754B1 true KR101591754B1 (ko) | 2016-02-04 |
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ID=55356294
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020150017707A KR101591754B1 (ko) | 2015-02-05 | 2015-02-05 | 댁내 IoT 센서의 생애주기 관리를 위한 클러스터 기반의 IoT 센서의 현황 표시 방법 및 이를 위한 컴퓨터로 판독가능한 기록매체 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101591754B1 (ko) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US11303977B2 (en) | 2016-12-20 | 2022-04-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Server for managing home network and control method therefor |
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| KR20230051882A (ko) | 2021-10-12 | 2023-04-19 | (주)아이와즈 | 스마트 하우징 주거서비스 생태계 관리 시스템과 그 방법 |
| US11927352B2 (en) * | 2015-03-05 | 2024-03-12 | Honeywell International Inc. | Wireless actuator service |
-
2015
- 2015-02-05 KR KR1020150017707A patent/KR101591754B1/ko active IP Right Grant
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