KR101749097B1 - 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 장치 및 방법 - Google Patents

가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

수신장치의 이동속도와 조명의 디밍 수준(Dimming Level)의 정보를 입력받아 데이터 전송의 간격의 시간을 결정하고, 송수신장치의 인코딩/디코딩에 상관없이 디밍이 가능하도록 하는 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 장치 및 방법이 제시된다. 제시된 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 장치의 송신장치는 수신장치 이동속도 및 디밍정보를 근거로 광출력 신호에서 광원이 출력되는 펄스의 폭을 설정하는 광출력 설정부; 입력되는 메시지 데이터를 인코딩하여 광출력 설정부로부터의 광출력 신호와 병합하는 메시지 처리부; 및 수신장치 이동속도를 근거로 메시지 처리부로부터의 광출력 신호의 송신 주기를 설정하여 광출력 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부를 포함한다.

Description

가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 장치 및 방법{Data communication apparatus using a visible light communication, and method thereof}
본 발명은 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디밍(Dimming)이 가능하고, 반복적인 데이터를 송신하고, 이 데이터를 이동 중에 수신하는 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: KI001930, 과제명: IT조명통신융합 380~780 나노미터 가시광 RGB 선별 무선통신 연구].
최근 LED(Light-emitting diode)를 광원으로 이용한 조명기기의 보급이 확대됨에 따라, LED를 이용하여 조명과 통신 동시에 수행할 수 있는 가시광 무선통신(Visible Light Communication, 이하 VLC) 기술이 개발되고 있다.
VLC 기술은 인간이 눈으로 인지할 수 있는 가시광 파장 대역의 빛에 정보를 실어 무선으로 전달하는 통신 기술이다. VLC 기술은 가시광 파장 대역을 이용하므로 조명의 기능과 통신의 기능이 둘 다 가능한 것에 있어서 레이저 다이오드(LD, Laser Diode)를 이용한 통신기술, 적외선(Infrared) 또는 자외선(UV, Ultraviolet) 대역을 이용한 통신기술과 구별된다.
인간이 사용하는 조명기기는 눈 보호(Eye-safety)를 위해 깜박거림(flickering)이 없도록 해야 하며, 목적에 따른 충분한 조도를 유지하도록 하고, 경우에 따라 빛의 밝기를 조절하는 디밍(Dimming)기능이 있어야 한다. 또한, 무선통신기기는 무선으로 데이터를 전송하는 기능이 있어야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 VLC 장치는 LED를 이용한 송신장치(100) 및 수신장치(200)로 구성된다. 여기서, 종래의 VLC 장치는 LED에서 나오는 빛의 파장을 가시광 대역으로 조정하여 조명 및 데이터 통신을 수행한다. 송신장치(100)는 복수의 LED를 직렬 또는 병렬로 연결한 어레이(Array) 광원(120)과, 어레이 광원(120)을 구동시키는 구동부(140)와, 어레이 광원(120)의 빠른 온/오프(On/Off)에 데이터를 실어 보내는 변조부(160), 및 제어를 담당하는 제어부(180)로 구성된다. 수신장치(200)는 PD(Photo-diode)를 포함하고 가시광을 통해 수신된 데이터를 전기적인 신호로 변환하는 광전변환부(220)와, 광전변환부(220)에서 변환된 데이터를 복조하는 복조부(240), 및 복조부(240)에서 복조된 데이터를 해당 응용기기(Application)에 맞춰 처리하는 데이터처리부(260)로 구성된다. 이때, 송신장치(100)의 변조부(160) 및 수신장치(200)의 복조부(240)는 OOK(On-Off Keying), PPM(Pulse Position Modulation), OFDM, CDMA, PAM 등의 변복조 통신기술이 적용될 수 있다.
도 2는 종래의 LED 광원을 이용한 통신용 조명의 디밍 제어 방법, 즉, 광원(120)의 광량을 제어하는 방법에 관한 것이다. 종래에는 LED에 인가되는 전류량(10)을 제어하는 방법(도 2의 (a))과, 정전류(Constant current)를 공급하면서 펄스 폭(20) 변조(Pulse Width Modulation; 이하 PWM)를 통하여 LED 광원을 이용한 통신용 조명의 디밍(빛의 밝기)을 제어하는 방법(도 2의 (b) 내지 (d))이 사용되고 있다. PWM의 경우 점멸(Flickering)이 없는 주파수를 가지면서 그 주파수 내에서 듀티(Duty) 비율 변경을 통해 광량을 조절한다. 이때, 듀티 비율의 반복적인 주기인 듀티 싸이클(Duty Cycle)은 하기의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112010049854780-pat00001
여기서, 도 2에 도시된 그래프는 듀티 싸이클의 변화를 보여주는 예이고, LED 조명의 밝기는 듀티 싸이클이 클수록 밝아진다. 즉, 도 2에서는 듀티 싸이클의 크기에 따라 (d)>(c)>(b)의 순서대로 조명 밝기가 밝다.
도 3은 VLC 기술을 이용한 응용서비스의 한 예이다. VLC 기능이 탑재된 조명에서 반복적인 메시지를 브로드캐스트(Broadcast)하면서 조명기기마다 서로 다른 메시지를 송신하는 경우이다.
송신장치#1(100a)에서 광원과 함께 출력되는 메시지#1은 제1조명지역(300a)에 전달되며, 송신장치#2(100b)에서 광원과 함께 출력되는 메시지#2는 제2조명지역(300b)에, 송신장치#n(100c)에서 광원과 함께 출력되는 메시지#n은 제n조명지역(300c)에 전달된다. 즉, 이동하는 수신장치(200a, 200b, 200c)는 각 조명지역(300)에 전달되는 메시지를 수신하게 된다. 이때, 수신장치(200a, 200b, 200c)는 서로 다른 이동속도로 조명지역(300)을 통과한다. 여기서, VLC 기능을 갖는 하나의 조명에서 반복적인 메시지를 브로드캐스팅하는 경우, 해당 조명이 그 VLC 조명지역에서 메시지의 수신은 일부 메시지 수신에 오류가 있더라도 다음 메시지의 수신이 성공하면 수신장치(200)의 구조가 비교적 간단해 질 수 있다.
상술한 바와 같이, 종래에는 전류량 제어방법, PWM 방법 등을 이용하여 조명의 밝기를 제어한다. 하지만, 전류량 제어방법, PWM 방법은 통신을 위한 변조방법으로는 적합하지 않기 때문에 다른 변조방법이 사용되고 있다. 즉, 종래의 발명에서 사용되는 통신을 위한 변조 방법은 통신기능과 디밍 기능이 동시에 이루어지는 변조 방법, 통신속도를 중심으로 하는 변조 방법이 사용된다. 하지만, 변조방법을 이용하는 종래의 VLC 기술에서는 조명 지역을 통과하는 이동체의 속도에 따른 조명기능과 디밍 기능이 고려되어 있지 않아 효율적인 VLC 통신이 어려운 문제점이 있었다.
또한, VLC 조명은 그 조명기기가 가지는 최대 조도가 있는데, 메시지의 송신시 동일한 시간 내에 LED 어레이의 꺼짐(off)구간이 증가할수록 조도가 떨어진다. 따라서, 데이터 전송과 함께 사용자가 원하는 수준의 디밍 수준을 유지할 수 있는 VLC 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 감안하여 제안된 것으로서, 그 목적은 수신장치의 이동속도와 조명의 디밍 수준(Dimming Level)의 정보를 입력받아 데이터 전송의 간격의 시간을 결정하고, 송수신장치의 인코딩/디코딩에 상관없이 디밍이 가능하도록 하는 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 장치의 송신장치는, 수신장치 이동속도 및 디밍정보를 근거로 광출력 신호에서 광원이 출력되는 펄스의 폭을 설정하는 광출력 설정부; 입력되는 메시지 데이터를 인코딩하여 광출력 설정부로부터의 광출력 신호와 병합하는 메시지 처리부; 및 수신장치 이동속도를 근거로 메시지 처리부로부터의 광출력 신호의 송신 주기를 설정하여 광출력 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부를 포함한다.
이 때, 상기 제어신호 생성부는 광원 켜짐 구간, 메시지 데이터 출력 구간, 광원 꺼짐 구간을 포함하는 광출력 제어신호를 생성하고, 상기 광출력 제어신호의 송신 주기는 100㎐ 이상으로 설정하고, 상기 수신장치 이동속도가 높을수록 상기 광출력 제어신호의 송신 주기를 짧게 설정할 수 있다.
이 때, 상기 광출력 설정부는 상기 수신장치 이동속도가 높을수록 광원이 출력되는 펄스의 폭을 좁게 설정할 수 있다.
이 때, 상기 메시지 처리부는 상기 메시지 데이터를 동일한 길이를 갖는 신호로 인코딩하되, 상기 광출력 제어신호에서 광출력 켜짐 구간의 전단부, 중간부, 후단부 중에 어느 한 곳에 상기 인코딩된 메시지 데이터를 병합할 수 있다.
이 때, 상기 메시지 처리부는 상기 메시지 데이터를 인코딩하는 인코더; 및
상기 인코더에서 인코딩된 메시지 데이터를 상기 광출력 설정부로부터의 광출력 신호와 병합하는 광신호 병합부를 포함하되, 상기 인코더는, 메시지 데이터의 데이터 비트 시간을 N시간으로 나누고 광원 꺼짐 구간을 최소 4/N 이상 구간만큼 유지하고, 비트 0인 데이터는 로직 H 레벨에서 로직 L 레벨로 천이한 뒤 4/N이상 구간 뒤에 다시 로직 H 레벨로 천이되고, 비트 1인 경우는 로직 H 레벨을 메시지 데이터의 비트 시간만큼 유지하여 메시지 데이터의 인코딩시에 로직 L 레벨을 최소화해 광량의 감소를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 방법은 송신장치에 의해, 수신장치 이동속도 및 디밍정보를 근거로 메시지 데이터와 병합된 광출력 신호의 송신주기를 설정하여 광출력 제어신호를 생성하는 제어신호 생성단계; 상기 송신장치에 의해, 상기 제어신호 생성단계에서 생성된 광출력 제어신호에 근거하여 메시지 데이터가 포함된 광을 출력하도록 광원을 제어하는 광출력단계; 및 수신장치에 의해, 상기 광출력단계에서 출력된 광원으로부터 검출한 메시지 데이터와 상기 광원의 조도 감지값 및 색상 감지값을 근거로 데이터 패킷을 생성하는 데이터 패킷 생성단계를 포함한다.
이 때, 상기 제어신호 생성단계에서는, 상기 송신장치에 의해, 켜짐 구간, 메시지 데이터 출력 구간, 꺼짐 구간을 포함하는 광출력 제어신호를 생성하고, 상기 광출력 제어신호의 송신 주기는 100㎐ 이상으로 설정하고, 상기 수신장치 이동속도가 높을수록 상기 광출력 제어신호의 송신 주기를 짧게 설정할 수 있다.
이 때, 상기 제어신호 생성단계에서는, 상기 송신장치에 의해 상기 수신장치 이동속도가 높을수록 펄스의 폭을 좁게 설정되게 할 수 있다.
이 때, 상기 제어신호 생성단계에서는, 상기 송신장치에 의해 메시지 데이터의 데이터 비트 시간을 N시간으로 나누고 광원 꺼짐 구간을 최소 4/N 이상 구간만큼 유지하고, 비트 0인 데이터는 로직 H 레벨에서 로직 L 레벨로 천이한 뒤 4/N이상 구간 뒤에 다시 로직 H 레벨로 천이되고, 비트 1인 경우는 로직 H 레벨을 메시지 데이터의 비트 시간만큼 유지하여 메시지 데이터의 인코딩시에 로직 L 레벨을 최소화해 광량의 감소를 최소화할 수 있다.
이 때, 상기 데이터 패킷 생성단계에서는, 상기 수신장치에 의해 광원 꺼짐 구간이 최소 4/N 이상 구간만큼 유지되면, 최소 4/N 이상의 로직 H 레벨의 신호를 출력하고, 천이가 없는 비트 1이 수신되면 상기 로직 L 레벨의 신호를 출력하고, 상기 출력된 신호에서 4/N 이상의 로직 H 레벨이 유지되면 비트 0으로 디코딩하고 데이터 비트 시간 동안 천이가 없으면 비트 1로 디코딩될 수 있다.
본 발명에 의하면, 송신장치는 송신장치의 이동속도 및 디밍정보를 이용하여 출력되는 광원을 제어함으로써, 복잡도가 매우 적으면서도 VLC 조명의 눈 보호를 위해 깜박거림이 없으며 이동 및 통신 중에도 디밍이 가능한 효과가 있다.
부수적으로, 송신장치는 메시지 데이터의 데이터 비트 시간을 N시간으로 나누고 광원 꺼짐 구간(즉, Bit 0 구간)을 최소 4/N 이상 구간만큼 유지하고, 비트 0인 데이터는 로직 H 레벨에서 로직 L 레벨로 천이한 뒤 4/N이상 구간 뒤에 다시 로직 H 레벨로 천이되고, 비트 1인 경우는 로직 H 레벨을 메시지 데이터의 비트 시간만큼 유지하여 메시지 데이터의 인코딩시에 로직 L 레벨을 최소화함으로써, 광량의 감소를 최소화할 수 있다.
부수적으로, 송신장치는 메시지 데이터의 길이를 수신장치의 이동속도와 관계없이 항상 동일한 것이 특징이다. 그에 따라, 수신장치를 단순화게 설계할 수 있는 효과가 있다.
부수적으로, 데이터 판독장치를 이용함으로써 수신장치에서 수신된 데이터와 센서를 통해 매체를 통과한 빛의 파장변화를 동시에 처리할 수 있다. 즉, 본 발명의 수신장치에서 메시지 데이터, 조도 감지값, 색상 감지값을 무선통신을 통해 데이터 판독장치로 송신함으로써, 데이터를 수신한 데이터 판독장치는 매질의 양, 매질의 색상을 판단할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 종래의 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 장치를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 장치를 설명하기 위한 도면.
도 5는 도 4의 송신장치를 설명하기 위한 도면.
도 6은 도 5의 광출력 설정부를 설명하기 위한 도면.
도 7 및 도 8은 도 5의 인코더를 설명하기 위한 도면.
도 9는 도 5의 광신호 병합부를 설명하기 위한 도면.
도 10 내지 도 12는 도 5의 제어신호 생성부를 설명하기 위한 도면.
도 13은 도 4의 수신장치를 설명하기 위한 도면.
도 14는 도 13의 광전변환부를 설명하기 위한 도면.
도 15는 도 13의 메시지 검출부를 설명하기 위한 도면.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 데이터 판독장치를 설명하기 위한 도면.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 방법의 메시지 데이터 송신방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 방법의 메시지 데이터 수신방법을 설명하기 위한 흐름도.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
(가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 장치)
이하, 본 발명의 실시예에 따른 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 장치는 복수의 송신장치(400) 및 복수의 수신장치(500)로 구성된다.
송신장치(400)는 각각 일정한 조명구역을 갖는다. 예를 들어, 송신장치#1(400a)은 조명구역 A를 조명하고, 송신장치#2(400b)는 조명구역 B를 조명하고, 송신장치#n(400c)은 조명구역 C를 조명한다. 이때, 송신장치(400)는 소정 메시지 데이터를 포함하는 광원을 이용하여 해당 조명구역을 조명한다. 송신장치(400)는 해당 조명구역에 위치하는 수신장치(500)의 이동속도에 따라 펄스 폭(Pulse Width)이 상이한 광원을 출력한다.
수신장치(500)는 송신장치(400)로부터 출력되는 광원을 수신하여 광원에 포함된 메시지 데이터를 검출하고 이를 처리한다. 수신장치(500)는 각각 다른 이동속도로 이동하며, 검출한 메시지 데이터를 후술할 데이터 판독장치(미도시)에게로 전송한다.
도 5는 도 4의 송신장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 5의 광출력 설정부를 설명하기 위한 도면이고, 도 7 및 도 8은 도 5의 인코더를 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 도 5의 광신호 병합부를 설명하기 위한 도면이고, 도 10 내지 도 12는 도 5의 제어신호 생성부를 설명하기 위한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 송신장치(400)는 제어통신부(420), 인코딩-모듈레이션부(440), 광출력부(460)를 포함하여 구성된다.
제어통신부(420)는 제어와 통신을 담당한다. 제어통신부(420)는 통신선을 통하여 메시지 데이터(송신할 정보 브로드캐스트(Information Broadcast) 메시지), 수신장치(500)의 이동속도, 광원의 밝기 설정에 관한 디밍(Dimming)정보를 통신입력을 통하여 수신한다. 제어통신부(420)는 수신된 메시지 데이터, 수신장치(500)의 이동속도, 디밍정보를 제어선을 통하여 전송하고, 인코딩-모듈레이션부(440)를 제어한다. 또한, 제어통신부(420)는 제어의 상태결과 정보를 서버(미도시) 또는 사용자 단말(미도시)에게로 통신선을 통하여 출력할 수도 있다. 이를 위해, 제어통신부(420)는 인코딩-모듈레이션부(440)를 제어하는 제어부(422), 및 메시지 데이터, 수신장치(500)의 이동속도, 디밍정보를 수신하는 통신부(424)를 포함하여 구성된다.
인코딩-모듈레이션부(440)는 수신장치(500)의 이동속도와 광원의 디밍정보(즉, 광원의 밝기 정보)를 받아 광원의 밝기를 조절하기 위한 데이터(신호) 및 메시지 데이터를 포함하는 제어신호를 생성하고, 이를 광출력부(460)로 출력한다. 인코딩-모듈레이션부(440)는 제어통신부(420)의 제어에 따라 수신한 메시지 데이터, 수신장치(500)의 이동속도, 디밍정보에 근거하여 광출력부(460)에 입력할 파형을 생성한다. 이를 위해, 인코딩-모듈레이션부(440)는 광출력 설정부(442), 메시지 처리부(444), 제어신호 생성부(448)로 구성된다.
광출력 설정부(442)는 수신장치(500)의 이동속도와 디밍정보를 제어통신부(420)로부터 수신하여 광원의 밝기 조절을 위해 펄스 폭 변조(PWM; Pulse Width Modulation)를 이용하여 광원(즉, 조명)이 켜져 있는 구간에 해당하는 펄스의 폭을 설정한다. 이때, 광출력 설정부(442)는 수신장치(500)의 이동속도가 높을수록 광원이 출력되는 펄스의 폭을 좁게 설정한다. 예를 들면, 도 6에 도시된 바와 같이, 광출력 설정부(442)에서 펄스 폭이 설정된 경우, 수신장치(500)의 이동속도가 빠른 순서대로 배열하면 (a)>(b)>(c)의 순서가 된다. 즉, 광원이 켜져 있는 구간에 해당하는 펄스의 폭이 좁을수록 수신장치(500)의 이동속도가 빠른 것을 의미한다.
메시지 처리부(444)는 입력되는 메시지 데이터를 인코딩하고, 광출력 설정부(442)로부터의 광출력 신호와 인코딩한 메시지 데이터를 병합한다. 이때, 메시지 처리부(444)는 메시지 데이터를 동일한 길이를 갖는 신호로 인코딩하되, 광출력 제어신호에서 광출력 켜짐 구간의 전단부, 중간부, 후단부 중에 어느 한 곳에 인코딩된 메시지 데이터를 병합한다. 이를 위해, 메시지 처리부(444)는 인코더(445) 및 광신호 병합부(446)를 포함하여 구성된다.
인코더(445)는 메시지 데이터를 인코딩한다. 즉, 인코더(445)는 메시지 데이터를 동일한 길이(예를 들면, 도 7의 d)를 갖는 신호로 인코딩한다. 이때, 도 8에 도시된 바와 같이, 인코더(445)는 메시지 데이터의 데이터 비트 시간을 N시간으로 나누고 광원 꺼짐 구간(즉, 비트 0 구간)을 최소 4/N 이상 구간만큼 로직 L 레벨로 유지하고, 비트 0인 데이터는 로직 H 레벨에서 로직 L 레벨로 천이한 뒤 4/N이상 구간 뒤에 다시 로직 'H'로 천이되고, 비트 1인 경우는 로직 H 레벨을 메시지 데이터의 비트 시간만큼 유지하여 메시지 데이터의 인코딩시에 로직 L 레벨을 최소화해 광량의 감소를 최소화한다.
광신호 병합부(446)는 광출력 설정부(442)에서 설정된 펄스 폭을 갖는 광원의 파형과 인코더(445)에서 인코딩된 메시지 파형을 병합한다. 즉, 광신호 병합부(446)는 펄스 에더(Pulse Adder)로 구성되어, 광출력 설정부(442)의 출력 파형과 인코더(445)의 출력 파형을 논리합이 되도록 병합한다. 여기서, 광신호 병합부(446)는 광출력 제어신호에서 광원 켜짐 구간(tPWM)의 후단부(도 9의 (a)), 중간부(도 9의 (b)), 전단부(도 9의 (c)) 중에 어느 한 곳에 인코딩된 메시지 데이터를 병합한다.
제어신호 생성부(448)는 수신장치(500)의 이동속도를 근거로 메시지 처리부(444)로부터의 광출력 신호의 송신 주기를 설정한 광출력 제어신호를 생성한다. 즉, 제어신호 생성부(448)는 수신장치(500)의 이동속도를 기반으로 메시지 데이터의 송신 간격을 설정한다. 이때, 도 10에 도시된 바와 같이, 제어신호 생성부(448)는 한 주기(T)에 광원 켜짐 구간(t1), 메시지 데이터 출력 구간(t2), 광원 꺼짐 구간(t3)을 포함하는 광출력 제어신호를 생성한다.
제어신호 생성부(448)는 송신 간격이 설정된 광원 출력 파형을 광출력부(460)로 전송한다. 이때, 제어신호 생성부(448)는 광출력 제어신호의 송신 주기는 100㎐ 이상으로 설정하고, 수신장치(500)의 이동속도가 높을수록 광출력 제어신호의 송신 주기를 짧게 설정한다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 제어신호 생성부(448)는 인간이 깜빡임을 느낄 수 없는 최소 100Hz이상의 주파수(Flicker Free frequency)의 주기를 갖도록 광출력 파형의 송신 주기(Ts)를 설정한다. 여기서, 제어신호 생성부(448)는 수신장치(500)의 이동속도에 따라 인간이 깜빡임을 느낄 수 없는 최소 주기(즉, 대략 100㎐)를 기준으로 속도가 빠른 수신장치(500)일수록 송신 주기는 줄어든다.
제어신호 생성부(448)는 광원 켜짐 구간(t1), 메시지 데이터 출력 구간(t2; 메시지 데이터 브로드캐스트 구간), 디밍정보에 의한 광원 꺼짐 구간(t3)으로 구성된 광출력 제어신호를 생성한다. 예를 들어, 도 12의 (a)는 듀티 싸이클(Duty Cycle)이 25%인 경우의 광출력 제어신호이고, 도 12의 (b)는 듀티 싸이클이 50%인 경우의 광출력 제어신호이고, 도 12의 (c)는 듀티싸이클이 99%인 경우의 광출력 제어신호이다. 이때, 광원의 밝기는 광원 켜짐 구간(t1)이 큰 도 12의 (c)에 도시된 파형이 가장 밝고, 도 12의 (b)에 도시된 파형, 도 12의 (a)에 도시된 파형 순서로 밝다. 여기서, 조명의 밝기를 결정하는 펄스의 폭은 광원 켜짐 구간인 t1 구간이며, 메시지 데이터 출력구간인 t2는 고정된 메시지 길이를 가진다. 제어신호 생성부(448)는 수신장치(500)의 이동속도가 증가할수록 광원 켜짐 구간의 펄스 폭을 줄여 송신되는 메시지의 간격을 좁게 한다. 그에 따라, 동일시간(428) 내에 수신장치(500)의 이동속도가 증가함에 따라 메시지 데이터의 송신도 많아지게 된다.
광출력부(460)는 인코딩-모듈레이션부(440)에서 출력된 광출력 제어신호에 따라 메시지 데이터가 포함된 광원을 출력한다. 여기서, 광출력부(460)는 복수의 LED 소자로 구성된 광원, 및 제어신호 생성부(448)로부터의 광출력 제어신호에 따라 광원을 구동시키는 광원 구동부(462)를 포함하여 구성된다.
도 13은 도 4의 수신장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 14는 도 13의 광전변환부를 설명하기 위한 도면이고, 도 15는 도 13의 메시지 검출부를 설명하기 위한 도면이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 수신장치(500)는 광전변환부(510), 메시지 검출부(520), 조도센서(530), 컬러센서(540), 제어처리부(550), 송신부(560)를 포함하여 구성된다.
광전변환부(510)는 송신장치(400)로부터 출력되는 광원을 수신하여 전기신호로 변환한다. 이를 위해, 광전변환부(510)는 데이터를 수신하는 포토 다이오드(photo diode; 미도시)를 포함한다. 이때, 광전변환부(510)는 송신장치(400)로부터 수신된 광원의 광원 꺼짐 구간이 최소 4/N 이상 구간만큼 유지되면, 최소 4/N 이상의 로직 L 레벨을 유지하는 전기신호를 메시지 검출부(520)로 출력하고, 천이가 없는 비트 1이 수신되면 로직 L 레벨의 전기신호를 메시지 검출부(520)로 출력한다. 예를 들면, 송신장치(400)로부터 출력된 광원이 4/N 이상의 구간에서 광원 꺼짐 구간(로직 L 레벨)이 유지되면(즉, 도 14 (a)의 A 구간), 광전변환부(510)는 최소 4/N 이상이 로직 H 레벨을 유지하는 파형의 전기신호(즉, 도 14 (b)의 C 구간)을 메시지 검출부(520)로 출력한다. 송신장치(400)로부터 출력된 광원이 천이가 없는 경우(즉, 도 14 (a)의 B 구간), 광전변환부(510)는 로직 L 레벨을 유지하는 파형의 전기신호(즉, 도 14 (b)의 D 구간)을 메시지 검출부(520)로 출력한다.
메시지 검출부(520)는 광전변환부(510)로부터의 전기신호로부터 메시지 데이터를 검출한다. 즉, 메시지 검출부(520)는 광전변환부(510)로부터의 전기신호를 디코딩하여 디지털 신호(즉, 비트정보)로 변환하고, 변환된 디지털 신호를 데이터 패킷으로 처리하여 메시지 데이터를 검출한다. 이를 위해, 메시지 검출부(520)는 광전변환부(510)로부터 수신된 전기신호를 디코딩하여 비트정보로 변환하는 디코더(522), 및 디코더(522)로부터 수신되는 비트정보를 데이터 패킷으로 변환하는 신호처리모듈(524)를 포함한다.
메시지 검출부(520)는 광전변환부(510)로부터 수신되는 전기신호에서 4/N 이상이 로직 H 레벨로 유지되면 비트 0으로 디코딩하고, 데이터 비트 시간 동안 천이가 없으면 비트 1로 디코딩한다. 예를 들면, 메시지 검출부(520)는 광전변환부(510)로부터 수신한 전기신호에서 최소 4/N 이상이 로직 H 레벨로 유지되면(즉, 도 15의 C 구간) 비트 0으로 변환한다(즉, 도 15의 E 구간). 메시지 검출부(520)는 광전변환부(510)로부터 수신한 전기신호에서 데이터 비트시간 동안 천이가 없으면(즉, 도 15의 D 구간) 비트 1로 변환한다(즉, 도 15의 F 구간).
조도센서(530)는 송신장치(400)로부터 출력되는 광원의 조도를 감지하여 제어처리부(550)로 전송한다. 즉, 조도센서(530)는 송신장치(400)로부터 출력된 광원의 조도를 감지하고, 이를 조도 감지값으로 하여 제어처리부(550)로 전송한다.
컬러센서(540)는 송신장치(400)로부터 출력되는 광원의 색상을 감지하여 제어처리부(550)로 전송한다. 즉, 컬러센서(540)는 송신장치(400)로부터 출력된 광원의 색상을 감지하고, 이를 색상 감지값으로 하여 제어처리부(550)로 전송한다.
제어처리부(550)는 광원에 실린 정보를 디코딩하여 검출한 메시지 데이터와, 광원의 조도 감지값 및 색상 감지값을 근거로 데이터 패킷을 생성하여 출력한다. 즉, 제어처리부(550)는 메시지 검출부(520)로부터의 메시지 데이터와, 조도센서(530)의 조도 감지값 및 컬러센서(540)의 색상 감지값을 하나의 데이터로 병합한 데이터 패킷을 출력한다.
송신부(560)는 제어처리부(550)로부터 출력된 데이터 패킷을 Zigbee, 무선랜, 블루투스 및 USB 중에 하나의 무선통신망을 통해 데이터 판독장치(600)에 송신한다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 데이터 판독장치를 설명하기 위한 도면이다.
데이터 판독장치(600)는 수신장치(500)로부터 무선통신을 통해 수신된 데이터 패킷을 가공처리한다. 즉, 데이터 판독장치(600)는 데이터 패킷에 포함된 메시지 데이터, 조도 감지값, 색상 감지값을 이용하여 송신장치(400) 및 수신장치(500)의 현재상태를 파악하고, 메시지 데이터를 변환하여 각 장치(예를 들면, 서버, 사용자 단말 등)에 제공할 수도 있다. 물론, 데이터 판독장치(600)는 송신장치(400)로부터 메시지 데이터를 직접 수신하여 상기한 기능을 수행할 수도 있다.
송신장치(400)에서 출력된 광원은 액체, 가스, 연기 등의 매질을 통과함에 따라 파장 및 에너지 상관 파워가 변화한다. 여기서, 광원이 통과하는 매질의 양이 광원의 파장 및 에너지 상관 파워를 변화시키는 요인이 된다. 예를 들어, 수신장치(500)가 설치된 투명용기(650)에 색깔을 가진 액체(700)가 담겨있다(도 16의 (a) 참조). 이때, 투명용기(650)에 담긴 액체(700)가 G 레벨에서 H 레벨까지 감소하게 되면 수신장치(500)에서의 광원의 파장은 'I'만큼 변화하고, 에너지 상관 파워는 "J"만큼 낮아지게 된다(도 16의 (b) 참조).
데이터 판독장치(600)는 매질 통과에 따른 파장 및 에너지 상관 파워의 변화를 이용하여 매질의 양, 매질의 색상 등을 판단한다. 즉, 데이터 판독장치(600)는 수신장치(500)로부터 메시지 데이터, 조도 감지값, 색상 감지값을 포함하는 데이터 패킷을 수신하여 가공처리하며, 데이터 패킷을 이용하여 광원이 통과한 매질의 양 및 색상 등을 판단할 수 있다.
(가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 방법)
이하, 본 발명의 실시예에 따른 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 방법의 메시지 데이터 송신방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 송신장치(400)는 메시지 데이터, 수신장치(500)의 이동속도, 디밍정보를 포함하는 데이터를 입력받는다(S110). 즉, 송신장치(400)의 제어통신부(420)는 통신선을 통해 메시지 데이터, 수신장치(500)의 이동속도, 디밍정보를 입력받는다.
송신장치(400)는 입력된 수신장치(500)의 이동속도 및 디밍정보를 근거로 광출력 신호의 펄스 폭을 설정한다(S120). 즉, 송신장치(400)는 수신장치(500)의 이동속도 및 디밍정보를 가지고 출력된 광원의 펄스에서 광원 켜짐 구간의 펄스 폭을 설정한다. 여기서, 송신장치(400)는 수신장치(500)의 이동속도가 높을수록 광원이 출력되는 펄스의 폭을 좁게 설정한다.
송신장치(400)는 입력된 메시지 데이터를 인코딩한다(S130). 이때, 송신장치(400)는 메시지 데이터를 동일한 길이를 갖는 신호로 인코딩한다. 여기서, 송신장치(400)는 메시지 데이터의 데이터 비트 시간을 N시간으로 나누고 광원 꺼짐 구간(즉, 비트 0 구간)을 최소 4/N 이상 구간만큼 유지하고, 비트 0인 데이터는 로직 H 레벨에서 로직 L 레벨로 천이한 뒤 4/N이상 구간 뒤에 다시 로직 H 레벨로 천이되고, 비트 1인 경우는 로직 H 레벨을 메시지 데이터의 비트 시간만큼 유지하여 메시지 데이터의 인코딩시에 로직 L 레벨을 최소화해 광량의 감소를 최소화한다.
송신장치(400)는 펄스 폭이 설정된 광출력 신호와 인코딩된 메시지 데이터를 병합한다(S140). 즉, 송신장치(400)는 출력 광원과 인코딩된 메시지 데이터를 논리합이 되도록 병합한다. 이때, 송신장치(400)는 광출력 제어신호에서 광원 켜짐 구간의 후단부, 중간부, 전단부 중에 어느 한 곳에 인코딩된 메시지 데이터를 병합한다.
송신장치(400)는 수신장치(500)의 이동속도를 근거로 광출력 제어신호를 생성한다(S150). 즉, 송신장치(400)는 수신장치(500)의 이동속도를 근거로 병합된 신호(즉, 광원 및 메시지 데이터)의 송신 주기를 설정하여 광출력 제어신호를 생성한다. 이때, 송신장치(400)는 출력되는 광출력 제어신호의 송신 주기를 100㎐ 이상으로 설정하고, 수신장치(500)의 이동속도정보가 높을수록 짧은 송신 주기를 갖는 광출력 제어신호를 생성한다. 송신장치(400)는 수신장치(500)의 이동속도에 따라 인간이 깜빡임을 느낄 수 없는 최소 주기(즉, 대략 100㎐)를 기준으로 속도가 빠른 수신장치(500)일수록 송신 주기는 줄어든다.
송신장치(400)는 생성한 광출력 제어신호에 따라 광신호(광원)를 출력한다(S160). 즉, 송신장치(400)는 송신 간격이 설정된 광원 출력 파형을 광출력부(460)로 전송하여 광원을 출력하도록 제어한다. 그에 따라, 광출력부(460)는 수신한 광출력 제어신호에 따라 광원을 출력한다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 방법의 메시지 데이터 수신방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
수신장치(500)는 소정속도로 이동하면서 송신장치(400)로부터 출력되는 광원을 수신하고(S210), 수신한 광원을 전기신호로 변환한다(S220). 이때, 광전변환부(510)는 송신장치(400)로부터 수신된 광원의 광원 꺼짐 구간이 최소 4/N 이상 구간만큼 유지되면 최소 4/N 이상의 로직 H 레벨을 유지하는 전기신호로 변환하고, 천이가 없는 비트 1이 수신되면 로직 L 레벨의 전기신호로 변환한다.
수신장치(500)는 변환한 전기신호로부터 메시지 데이터를 검출한다(S230). 즉, 수신장치(500) 변환한 전기신호를 디코딩하여 디지털 신호(즉, 비트정보)로 변환하고, 변환된 디지털 신호를 데이터 패킷으로 처리하여 메시지 데이터를 검출한다. 이때, 수신장치(500)는 변환한 전기신호에서 4/N 이상의 로직 H 레벨이 유지되면 비트 0으로 디코딩하고, 데이터 비트 시간 동안 천이가 없으면 비트 1로 디코딩하여 메시지 데이터를 검출한다.
수신장치(500)는 수신한 광원의 조도 및 색상을 감지한다(S240). 즉, 수신장치(500)는 조도센서(530) 및 컬러센서(540)를 이용해 수신되는 광원의 조도 및 색상을 감지한다. 수신장치(500)는 감지한 조도값 및 색상을 각각 조도 감지값 및 색상 감지값으로 설정한다.
수신장치(500)는 검출한 메시지 데이터와 조도 감지값 및 색상 감지값을 병합하여 데이터 패킷을 생성하고(S250), 생성한 데이터 패킷을 데이터 판독장치(600)로 출력한다(S260).
수신장치(500)는 광원에 실린 정보를 디코딩하여 생성한 메시지 데이터와, 광원의 조도 감지값 및 색상 감지값을 근거로 데이터 패킷을 생성하고, 이를 데이터 판독장치(600)로 출력한다. 이때, 수신장치(500)는 Zigbee, 무선랜, 블루투스 및 USB 중에 하나의 무선통신망을 통해 데이터 패킷을 출력한다.
상술한 바와 같이, 송신장치(400)는 송신장치(400)의 이동속도 및 디밍정보를 이용하여 출력되는 광원을 제어함으로써, 복잡도가 매우 적으면서도 VLC 조명의 눈 보호를 위해 깜박거림이 없으며 이동 및 통신 중에도 디밍이 가능한 효과가 있다.
부수적으로, 송신장치(400)는 메시지 데이터의 데이터 비트 시간을 N시간으로 나누고 광원 꺼짐 구간(즉, Bit 0 구간)을 최소 4/N 이상 구간만큼 유지하고, 비트 0인 데이터는 로직 H 레벨에서 로직 L 레벨로 천이한 뒤 4/N이상 구간 뒤에 다시 로직 H 레벨로 천이되고, 비트 1인 경우는 로직 H 레벨을 메시지 데이터의 비트 시간만큼 유지하여 메시지 데이터의 인코딩시에 로직 L 레벨을 최소화함으로써, 광량의 감소를 최소화할 수 있다.
부수적으로, 송신장치(400)는 메시지 데이터의 길이를 수신장치(500)의 이동속도와 관계없이 항상 동일한 것이 특징이다. 그에 따라, 수신장치(500)를 단순화게 설계할 수 있는 효과가 있다.
부수적으로, 데이터 판독장치(600)를 이용함으로써 수신장치(500)에서 수신된 데이터와 센서를 통해 매체를 통과한 빛의 파장변화를 동시에 처리할 수 있다. 즉, 본 발명의 수신장치(500)에서 메시지 데이터, 조도 감지값, 색상 감지값을 무선통신을 통해 데이터 판독장치(600)로 송신함으로써, 데이터를 수신한 데이터 판독장치(600)는 매질의 양, 매질의 색상을 판단할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
400: 송신장치 420: 제어통신부
422: 제어부 424: 통신부
440: 인코딩-모듈레이션부 442: 광출력 설정부
444: 인코더 446: 광신호 병합부
448: 제어신호 생성부 460: 광출력부
462: 광원 구동부 464: 광원
500: 수신장치 510: 광전변환부
520: 메시지 검출부 522: 디코더
524: 신호처리모듈 530: 조도센서
540: 컬러센서 550: 제어처리부
560: 송신부 600: 데이터 판독장치
650: 투명용기 700: 액체

Claims (10)

  1. 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 장치의 송신장치에 있어서,
    수신장치 이동속도 및 디밍정보를 근거로 광출력 신호에서 광원이 출력되는 펄스의 폭을 설정하는 광출력 설정부;
    입력되는 메시지 데이터를 인코딩하여 상기 광출력 설정부로부터의 광출력 신호와 병합하는 메시지 처리부; 및
    상기 수신장치 이동속도를 근거로 상기 메시지 처리부로부터의 광출력 신호의 송신 주기를 설정하여 광출력 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어신호 생성부는
    광원 켜짐 구간, 메시지 데이터 출력 구간, 광원 꺼짐 구간을 포함하는 광출력 제어신호를 생성하고, 상기 광출력 제어신호의 송신 주기는 100㎐ 이상으로 설정하고, 상기 수신장치 이동속도가 높을수록 상기 광출력 제어신호의 송신 주기를 짧게 설정하는 것을 특징으로 하는 송신장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 광출력 설정부는 상기 수신장치 이동속도가 높을수록 광원이 출력되는 펄스의 폭을 좁게 설정하는 것을 특징으로 하는 송신장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 메시지 처리부는,
    상기 메시지 데이터를 동일한 길이를 갖는 신호로 인코딩하되, 상기 광출력 제어신호에서 광출력 켜짐 구간의 전단부, 중간부, 후단부 중에 어느 한 곳에 상기 인코딩된 메시지 데이터를 병합하는 것을 특징으로 하는 송신장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 메시지 처리부는
    상기 메시지 데이터를 인코딩하는 인코더; 및
    상기 인코더에서 인코딩된 메시지 데이터를 상기 광출력 설정부로부터의 광출력 신호와 병합하는 광신호 병합부를 포함하되,
    상기 인코더는, 메시지 데이터의 데이터 비트 시간을 N시간으로 나누고 광원 꺼짐 구간을 최소 4/N 이상 구간만큼 유지하고, 비트 0인 데이터는 로직 H 레벨에서 로직 L 레벨로 천이한 뒤 4/N이상 구간 뒤에 다시 로직 H 레벨로 천이되고, 비트 1인 경우는 로직 H 레벨을 메시지 데이터의 비트 시간만큼 유지하여 메시지 데이터의 인코딩시에 로직 L 레벨을 최소화해 광량의 감소를 최소화하는 것을 특징으로 하는 송신장치.
  6. 송신장치에 의해, 수신장치 이동속도 및 디밍정보를 근거로 메시지 데이터와 병합된 광출력 신호의 송신주기를 설정하여 광출력 제어신호를 생성하는 제어신호 생성단계;
    상기 송신장치에 의해, 상기 제어신호 생성단계에서 생성된 광출력 제어신호에 근거하여 메시지 데이터가 포함된 광을 출력하도록 광원을 제어하는 광출력단계; 및
    수신장치에 의해, 상기 광출력단계에서 출력된 광원으로부터 검출한 메시지 데이터와 상기 광원의 조도 감지값 및 색상 감지값을 근거로 데이터 패킷을 생성하는 데이터 패킷 생성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어신호 생성단계에서는,
    상기 송신장치에 의해, 켜짐 구간, 메시지 데이터 출력 구간, 꺼짐 구간을 포함하는 광출력 제어신호를 생성하고, 상기 광출력 제어신호의 송신 주기는 100㎐ 이상으로 설정하고, 상기 수신장치 이동속도가 높을수록 상기 광출력 제어신호의 송신 주기를 짧게 설정하는 것을 특징으로 하는 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어신호 생성단계에서는,
    상기 송신장치에 의해 상기 수신장치 이동속도가 높을수록 펄스의 폭을 좁게 설정되는 것을 특징으로 하는 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어신호 생성단계에서는,
    상기 송신장치에 의해 메시지 데이터의 데이터 비트 시간을 N시간으로 나누고 광원 꺼짐 구간을 최소 4/N 이상 구간만큼 유지하고, 비트 0인 데이터는 로직 H 레벨에서 로직 L 레벨로 천이한 뒤 4/N이상 구간 뒤에 다시 로직 H 레벨로 천이되고, 비트 1인 경우는 로직 H 레벨을 메시지 데이터의 비트 시간만큼 유지하여 메시지 데이터의 인코딩시에 로직 L 레벨을 최소화해 광량의 감소를 최소화하는 것을 특징으로 하는 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 데이터 패킷 생성단계에서는,
    상기 수신장치에 의해 광원 꺼짐 구간이 최소 4/N 이상 구간만큼 유지되면, 최소 4/N 이상의 로직 H 레벨의 신호를 출력하고, 천이가 없는 비트 1이 수신되면 상기 로직 L 레벨의 신호를 출력하고, 상기 출력된 신호에서 4/N 이상의 로직 H 레벨이 유지되면 비트 0으로 디코딩하고 데이터 비트 시간 동안 천이가 없으면 비트 1로 디코딩하는 것을 특징으로 하는 가시광 무선 통신을 이용한 데이터 통신 방법.
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