KR102153911B1 - 센서 노드의 저전력 운용 방법 - Google Patents

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김대웅
문경식
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주식회사 노드톡스
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Abstract

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 센서 노드의 저전력 운용 방법은 센서부가 측정한 센싱값을 읽어오는 센싱값 확인 동작 및 상기 센싱값을 외부 중앙장치로 전송하는 동작을 수행하는 전송 동작을 반복적으로 수행하는 비콘 모드를 수행하는 단계를 포함하고, 상기 비콘모드를 수행하는 단계는 상기 센싱값이 기 설정된 정상 범위에 속하였는지 여부에 따라, 비콘 신호의 송신과 관련된 설정값 중 적어도 하나를 변경하여 센싱값 송신 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

센서 노드의 저전력 운용 방법{Method for operating a sensor node with low power consumption}
본 발명은 센서 노드의 저전력 운용 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 BLE 통신 기능을 수행하는 센서 노드를 저전력으로 운용하는 방법에 관한 것이다.
최근, 인간과 사물간, 사물과 사물간 네트워크화에 관한 IT 산업군의 핵심을 형성할 것으로 전망됨에 따라, 어느곳에나 부착할 수 있는 태그나 센서로부터 사물 및 환경정보를 감지, 가공하고자 하는 기술 개발이 진행되고 있다. 이에 따라 센서 노드에 관한 개발의 필요성이 대두되고 있다. 센서 노드는 센서로부터 주위 환경을 모니터링하고 획득된 센싱 정보를 통신기술을 이용하여 전송하기 위한 구성으로써, USN 환경의 가장 기본적 요소이다.
특히, 이러한 센서 노드는 다수의 노드를 광범위한 환경에서 분산 배치하여 이용되므로, 노드의 전원을 자주 교환하는 것이 어렵기에 저전력 센서노드의 개발이 요구된다.
본 발명은 비콘으로 동작하는 BLE 센서 노드를 저전력으로 운용하기 위한 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 센서 노드의 저전력 운용 방법은 센서부가 측정한 센싱값을 읽어오는 센싱값 확인 동작 및 상기 센싱값을 외부 중앙장치로 전송하는 동작을 수행하는 전송 동작을 반복적으로 수행하는 비콘 모드를 수행하는 단계를 포함하고, 상기 비콘모드를 수행하는 단계는 상기 센싱값이 기 설정된 정상 범위에 속하였는지 여부에 따라, 비콘 신호의 송신과 관련된 설정값 중 적어도 하나를 변경하여 센싱값 송신 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 센서에서 얻어진 정보를 토대로 BLE 센서 노드의 상태를 설정하고, 노드 상태에 따라 비콘 모드에서의 데이터 송신 패턴을 제어함을 통해 센서 노드의 전력 사용량을 감소시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 센서 노드의 구성을 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시 예에 따른 센서 노드에서의 BLE 기반의 신호 처리 동작에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 센서 노드에서 전송되는 비콘 신호의 형식에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 센서 노드의 동작 과정에 대하여 설명한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 센서 노드의 게시 정보 포함 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 BLE 센서노드를 초저전력으로 구동하는 방법에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
명세서에서 사용되는 "부" 또는 “모듈”이라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부" 또는 “모듈”은 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부" 또는 “모듈”은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부" 또는 “모듈”은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부" 또는 “모듈”은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부" 또는 “모듈”들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부" 또는 “모듈”들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부" 또는 “모듈”들로 더 분리될 수 있다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성요소와 다른 구성요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들어, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서, 컴퓨터는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 모든 종류의 하드웨어 장치를 의미하는 것이고, 실시 예에 따라 해당 하드웨어 장치에서 동작하는 소프트웨어적 구성도 포괄하는 의미로서 이해될 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터는 스마트폰, 태블릿 PC, 데스크톱, 노트북 및 각 장치에서 구동되는 사용자 클라이언트 및 애플리케이션을 모두 포함하는 의미로서 이해될 수 있으며, 또한 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 바람직하게, 본 명세서에서 개시되는 센서 노드는 저전력 블루투스 (Bluetooth Low Energy, BLE)프로토콜에 기반하여 통신 동작을 수행하는 BLE 센서 노드를 의미할 수 있다. 이 때 상기 저전력 블루투스는 기존의 클래식 블루투스 (Bluetooth Classic, BR/EDR) 보다 저전력으로 운용 가능하도록 제안된 근거리 무선 통신 기술을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 센서노드의 구성을 도시한 도면이다.
도 1에서 도시되는 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 센서노드 100는 센서부 110, 제어부 120, 통신부 130를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 센서부 110는 다양한 종류의 환경 정보(예, 온도, 습도, 전압, 조도 등)에 대한 값을 센싱할 수 있다.
그리고 상기 제어부 120는 예컨대, MCU(마이크로컨트롤러) 등으로 구현될 수 있다. 상기 MCU는 노드에 부착된 센서의 데이터 처리 및 외부 인터페이스를 위한 SPI, UART, I2C 등의 주변장치, Timer 등으로 구성될 수 있다. 이러한 주변 인터페이스들은 MCU 부하를 최소화하도록 제공되어야 한다.
센서노드에 부착된 센서의 종류 및 노드의 사용 목적에 따라 다양한 성능의 MCU가 요구될 수 있으며, 이에 따라 센서노드에 사용되는 MCU는 구조가 호환성을 유지하면서 탄력적인 구조를 가질 수 있다. 최근 기술의 소형화, 집적화에 따라 소형 메모리가 내장된 저전력 초소형 MCU를 이용하는 기술이 발달되고 있다. 그에 따라 본 발명의 실시 예에 따른 제어부 120는 소형 메모리가 내장된 저전력 초소형 MCU로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 제어부 120는 전체 시스템 제어를 수행하되, 본 발명의 실시 예에 따라 센서 노드의 저전력 운용을 위하여 적어도 하나의 설정값을 변경하도록 제어할 수 있다.
또한 상기 통신부 130는 송수신 형태 및 주파수, 기능에 따라 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 특히 본 발명의 실시 예에 따른 상기 통신부 130는 저전력 블루투스(BLE)에 기반하여 외부 BLE 장치와의 무선 연결 및 신호 송수신 동작을 수행할 수 있다. 상기 통신부 130는 센서부 110에서 측정된 정보를 무선 통신 기능을 통해 타 장치(예, 중앙 장치)측으로 전송할 수 있다.
도 1에서 명시되지는 않았지만, 상기 언급된 구성들 외에도, 상기 센서노드 100는 센서부 110에서 센싱한 값을 읽기 위한 시리얼 인터페이스와, 측정된 센싱 정보를 임시 저장하는 저장부 그리고 각 구성에 전력을 공급하는 전원 공급부 등을 포함하여 구성될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시 예에 따른 센서 노드에서의 BLE 기반의 신호 처리 동작에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 2a는 BLE기반의 게시 동작 시 전류 상태를 도시하고 있고, 송신-수신 단계에서 소비하는 전류를 나타낸 그래프이다.
센서 노드로 작동하는 BLE 장치는 BLE 주변기기(peripheral)에 속하며, 이러한 장치가 무선 연결 없이 자신의 정보를 송신하는 것을 게시(advertising)이라고 한다. 그러나 BLE 무선 연결을 필요로 하는 주변기기 장치의 경우, 도 2a에서 도시되는 바와 같이, 게시 단계에서 송신과 수신을 모두 수행할 수 있다.
도 2b는 BLE 비콘에서의 게시 동작 시 전류 상태를 도시하고 있다.
일반적으로 BLE 장치 중 신호를 수신하지 않고 송신만 하는 장치를 비콘이라고 부르며, 비콘으로 동작하는 BLE 장치의 경우 별도의 무선 신호를 수신하지 않기 때문에 다른 BLE 장치와의 무선 연결이 불가능하다.
도 2b에서 볼 수 있듯이 비콘으로 동작하는 BLE 장치의 경우 게시 단계에서 무선 신호를 수신하지 않으므로, 통신부 130에서 비콘으로 동작하지 않는 경우에 비하여 적은 전류를 소모하게 된다. (본 명세서에서 언급하는 BLE 비콘은 아래 그림과 같이 게시 단계에서 수신 동작을 수행하지 않는 모든 BLE 장치를 의미할 수 있다. )
요컨대, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 센서 노드 100는 BLE 통신을 수행할 수 있는데, 상기 센서 노드 100는 센싱값을 측정하고, 측정된 센싱값을 중앙 장치로 전송할 시, BLE 기반의 비콘 신호를 이용할 수 있다. (이 때 상기 센서 노드 100는 중앙 장치 입장에서는 BLE 주변기기가 된다.) 그리고 센서에서 측정된 정보는 센서 노드 100의 통신부 130를 통해 송신되는데, 이 때 상기 센서 노드 100에서 무선 연결 없이 데이터를 송신하는 것을 게시 (advertising)라고 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 센서 노드에서 전송되는 비콘 신호의 형식에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
Bluetooth 5.0에서 제안된 데이터 확장 (Data Length Extension, DLE) 기능을 이용하지 않는 경우 BLE 장치에서 한 번에 게시 가능한 실질적인 데이터의 길이는 최대 31 bytes이다. 비콘 형식 중 가장 잘 알려진 iBeacon 길이는 30 bytes이다. 애플에서 제안한 iBeacon 형식의 경우 비콘을 구분하기 위한 16 bytes 길이로 지정한 고유 식별자 (universally unique identifier, UUID) 영역을 포함하여 대부분의 데이터 영역을 정적으로 사용하고 있으며, 각각 2 bytes 길이의 Major와 Minor 영역만을 동적 데이터 영역으로 제한하고 있다. 본 명세서에서는 이러한 데이터 필드를 따로 구분하지 않기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 센서 노드의 동작 과정에 대하여 설명한 순서도이다.
도 4에서 도시되는 바와 같이, 상기 센서 노드 100는 전원 인가 후 초기화 단계를 수행하고, 그 이후, 게시모드에서 동작한 뒤, 일정 시간 이후 비콘모드를 동작하도록 설계될 수 있다. 이 때 상기 게시모드는 중앙장치로부터 신호의 수신과 중앙장치로의 송신이 모두 가능하고, 외부 BLE장치(중앙장치, Central)에서 센서 노드로 연결하는 것이 가능하다.
특정 센서의 경우 동작 전 파라미터 보정 단계가 필요할 수 있으며, 파라미터 보정값은 각각의 센서마다 상이하게 설정될 수 있다. 센서 노드 100의 제어부 120는 비콘 모드에 진입하기 전 게기 모드에서 이러한 메타 데이터 처리 동작을 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 제어부 120는 중앙장치로부터 수신된 신호에 포함된 정보에 따라, 센서별 파라미터 보정(예, 센싱값의 정상 범위, 비정상범위, 비정상범위 중 문제 상황 범위 설정 등) 동작을 수행할 수 있다.
상기 비콘모드는 신호를 송신만 하는 모드이다. 따라서 비콘 모드에서는 외부 장치와의 무선 연결을 수립할 수 없으므로, 외부 장치와의 연결이 요구되는 동안은 게시모드로 동작하고, 기 설정된 시간이 경과한 이후 게시모드에서 비콘 모드로 전환될 수 있다. 또는 다양한 실시 예에 따라 외부장치(예, 중앙 장치)로부터 특정 신호를 전달받고 그에 대응하여 게시모드를 종료하고 일정 시간(N초) 후 비콘모드에 진입할 수 있다.
상기 비콘모드는 센서에 의해 확인된 센싱 값을 읽고 외부로 전송하는 방식을 다양하게 변경하는 것이 가능하다. 제어부 120는 이 때 상기 센싱 값에 대응하여 전송 방식을 변경할 수 있다. 제어부 120가 비콘모드에서 센싱 값을 외부로 전송하는 방식으로는 기 설정된 주기로 센싱값을 확인하고 외부로 전송하는 IDLE 모드와, 센싱값의 송신 주기를 줄여, 상대적으로 빈번히 센싱값을 외부로 전송하는 FAST 모드 등을 포함할 수 있다.
상기 제어부 120는 일 실시 예에 따라 센싱값에 대응하여 IDLE 모드를 구동할 지, FAST 모드를 구동할 지 여부를 판단하고 이를 제어할 수 있다.
구체적으로 상기 제어부 120는 비콘모드에서 저전력으로 운용하기 위해, 센서에서 측정된 센싱값의 이상 여부를 판단할 수 있다. 상기 제어부 120는 센싱값의 정상 범위에 대한 정보를 미리 지정받을 수 있으며, 그에 기반하여 센서에서 측정된 값이 정상 범위에 속하는지 여부를 판단할 수 있다. 상기 제어부 120는 센싱값이 정상 범주에 해당하는 것으로 판단되는 경우, IDLE 모드를 동작할 수 있다. 그리고 상기 제어부 120는 센싱값이 정상 범주에 속하지 않는 것으로 판단되는 경우, FAST 상태로 비콘모드를 동작할 수 있다.
예를 들면, 상기 제어부 120는 냉동 창고의 온도를 측정하기 위해 센서 노드에 온도 센서를 부착하여 냉동창고에 설치할 수 있다. 이와 같은 상황에서 냉동 창고 내부의 온도를 측정 시, 정상 측정값은 예컨대, -5도로 지정될 수 있다. 이와 같은 정상 측정값 범위는 게시 단계에서 중앙 장치에 의해 수신한 값에 의해 재지정될 수 있다. 상기 제어부 120는 측정된 센싱 값이 -5도이면, 정상 범위에 속한 값이므로, IDLE 모드로 비콘 송신 동작을 수행할 수 있다. 정상치에 속하는 값이 센싱되는 경우, 해당 정보를 빠르게 반복적으로 알려줄 필요가 없으며, 그에 따라 상대적으로 비콘 송신 주기가 긴 IDLE 모드로 동작하게 된다. 상기 IDLE 상태는 상대적으로 비콘 송신 주기가 길기 때문에 전력 소모를 줄일 수 있게 된다.
반면 상기 제어부 120는 센서에 의해 측정된 값이 정상 범위에 속하지 않는 경우, 이를 중앙장치 측에 빈번히 송신하기 위해, FAST 상태로 비콘모드를 수행할 수 있다.
앞선 예시에 이어서 냉동 창고 내부에 센서 노드 100를 설치할 경우, 평소 -5도(˚C)로 설정된 냉동 창고의 온도가 0도 정도가 되어도 당장에 큰 문제는 발생하지 않을 것이다. 다만, 이러한 경우, 내부 환경 변화(온도 변화)를 보다 자주 체크해야 할 필요성이 제기되므로, 그에 따라 상기 제어부 120는 센서 노드 100가 FAST 모드(비콘 신호의 송신 주기를 단축, 상대적으로 빈번히 비콘 신호를 송신함)로 비콘모드를 수행하도록 제어할 수 있다. 이로써, 중앙장치 측은 냉동 창고 내부 환경의 변화를 보다 빠르게 확인할 수 있게 된다.
그 밖에 상기 제어부 120는 센서에서 측정된 값에 치명적인 문제가 있는 것으로 판단되는 측정값 범위(문제 상황 범위)를 지정할 수 있다. 상기 제어부 120는 상기 문제 상황 범위에 해당하는 값 또한 중앙장치 측으로부터 수신하여 지정할 수 있다. 상기 문제 상황 범위에 해당하는 값은 게시모드가 수행되는 단계에서 센서 노드 100측으로 수신될 수 있다.
상기 제어부 120는 문제 상황 범위에 해당하는 센싱 값이 측정되면, 비콘모드의 동작 상태를 변경하는 대신, 예외 처리 신호에 의한 예외적 처리 방식을 수행할 수 있다.
센서가 측정한 센싱값이 문제 상황 범위에 해당하는 경우, 이는 주변 환경에 문제가 발생했을 수도 있고, 내부 파라미터를 변경해줘야 하는 경우일 수도 있다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 제어부 120는 센서 노드 100가 비콘모드에서 다시 게시모드로 회귀하여, 게시모드에서 동작하도록 처리할 수 있다. 이 때 상기 제어부 120는 센싱값의 문제 원인을 확인하기 전까지 게시모드에 머무르도록 설정할 수 있다.
문제 상황에 대응하여 예외적 처리 동작을 수행한 후, 상기 센서 노드 100를 비콘모드로 동작시키기 위해, 상기 센서 노드 100는 BLE 중앙장치로부터 예외 처리 신호를 제거하고, 비콘 모드 진입을 허가하는 특정 신호를 전달받을 수 있다. 이에 따라 상기 제어부 120는 비콘 모드 진입을 허가하는 신호를 확인하고, 그에 대응하여 센서 노드 100의 모드를 게시모드에서 일정 시간 후에 비콘모드로 재진입하도록 제어할 수 있다.
요컨대, 상기 제어부 120는 센서 노드 100의 동작 시, 먼저 데이터 수신동작이 활성화되고, 외부 BLE 장치(중앙장치)와 무선 통신이 연결되는 것이 가능한 게시모드에 진입하도록 제어할 수 있다. 이후 상기 센서 노드 100는 외부 BLE장치(중앙장치)로부터 비콘모드로의 진입을 허가하는 특정 신호를 수신할 수 있고, 그에 대응하여, 상기 제어부 120는 게시모드에서 일정 시간(N초) 대기 후 비콘모드로 진입하도록 제어할 수 있다.
특정 센서의 경우 동작 전 파라미터 보정(Calibration)단계가 필요하며, 해당 파라미터 값은 각각의 센서마다 다를 수 있다. 비콘 모드에 진입한 이후에는, 센서 노드가 데이터를 수신하는 동작을 수행하지 않으므로, 비콘 모드 진입 전 이러한 메타 데이터(Meta data) 처리를 위해 일정시간 게시 모드로 동작되는 것이 필요하다. 그리고 상기 비콘 모드는 무선 신호를 수신하지 않고, 전송하는 동작만을 수행하며, 그에 따라 보다 적은 전류를 소모하게 된다.
앞서, 센서 노드 100의 동작 방식에 대한 설명을 기술하였다. 이하에서는 센서 노드 100를 구동할 시 보다 저전력으로 운용하는 방안에 대하여 기술하기로 한다.
상기 제어부 120는 본 발명의 실시 예에 따라, 비콘모드를 저전력으로 운용하기 위한 동작 제어 전반을 수행할 수 있다.
일반적으로 BLE 장치의 경우 데이터 송신 단계에서 무선 통신 기능이 수행될 때 전력 소모가 크다. 따라서 통신부 130에서 센서 노드의 상태에 따라 송신 강도, 주기, 채널 개수 등을 제어하는 것은 센서 노드에서의 소비 전류를 줄이는 것과 밀접한 연관이 있게 된다.
먼저, 상기 제어부 120는 저전력 운용을 위해, IDLE 상태에서 송신주기를 연장하도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부 120는 센서 측정 값이 정상적이지 않은 경우(비정상 범위), 본 발명의 BLE 기반의 센서 노드 100는 FAST 모드로 동작하며 TF의 주기로 데이터를 전송할 수 있다. 센서 값이 정상 범위의 수치로 돌아올 경우 센서 노드 100는 IDLE 모드로 진입하며 데이터 송신 주기를 TL로 설정한다. 이때, TL은 (TL > TF) 관계를 만족하게 된다. 그리고, 상기 제어부 120는 TL와 TF에 대하여 '20 ms < TL , TF < 10.24 secs' 조건을 만족하도록 송신 주기를 지정할 수 있다.
또한, 상기 제어부 120는 IDLE 모드에서의 송신 강도를 변경하는 방식에 의해 센서노드 100의 저전력 운용 동작을 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부 120는 센서 데이터에 문제가 없는 경우, FAST 모드에서 IDLE 모드로의 진입할 수 있으며, 이 경우, BLE 송신 강도를 PF에서 PL로 변경할 수 있다. 이 때 PL은 'PF > PL' 관계를 만족한다. 즉, 상기 제어부 120는 IDLE 모드에서 BLE 송신 강도를 감소시켜 저전력 운용을 수행할 수 있다.
또한, 상기 제어부 120는 IDLE 모드에서의 게시 채널의 개수를 조절(감소)하는 방법에 의해, 저전력 운용을 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부 120는 FAST 모드에서 IDLE 모드 진입 시, BLE 게시 채널의 수를 조절할 수 있다. 일 실시 예에 따라, BLE 장치는 게시모드를 수행하는 동작 단계에서 37, 38, 39 채널로 데이터를 송신한다. 이 때 게시동작이 수행되는 채널의 개수 또한 전력 소모와 연관되며, 채널 개수를 줄이는 것으로 전력 소모를 줄일 수 있다. (Nordic Semiconductor 사에서 제작된 nRF52832 칩을 기준으로, 입력 전원 3V, 송신 파워 0 dBm, Tx PDU(Protocol Data Unit) 길이 30 bytes, 송신 주기 1000 ms 설정 시 세 개의 채널을 모두 이용하는 경우의 평균 소비 전류는 33.7 uA 이지만, 두 채널을 이용하는 경우는 28.2 uA, 하나의 채널만을 이용하는 경우에는 22.6 uA의 평균 소비 전류를 갖는다.)
이 때, 상기 제어부 120는 센서 노드의 정보를 비콘 게시 데이터에 포함하여, 데이터를 수신하는 BLE 장치(예, 중앙장치)에서 현재 센서 노드 100의 동작 상태(예, IDLE모드, FAST모드, EXCEPTION모드)를 알 수 있도록 할 수 있다. 이에 따라 해당 정보를 토대로 데이터를 수신하는 BLE 스캐너 등의 외부 타 BLE 장치에서도 효율적으로 데이터 수신하는 것이 가능하게 된다. (예를 들어, BLE 센서 노드에서 37번 채널만을 이용하는 경우, 이를 수신하는 다른 BLE 장치에서도 스캔 채널을 37번으로 고정하여 원활한 데이터 수신이 가능하도록 할 수 있다)
도 5는 31 bytes의 게시 데이터 중 1 byte 데이터에 센서 노드 100의 게시 정보를 포함시키는 방법의 예를 도시하고 있다. 도 5에서 도시되는 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 BLE 센서 노드 100가 IDLE 모드에서 -16 dBm의 송신 파워로 39번 채널만 이용해서 데이터를 송신할 경우, 이를 게시 정보 byte의 값을 0b0111_1001 (0x79) 로 설정함으로써 해당 정보를 전달할 수 있다.
이와 같이 IDLE모드와 FAST 모드간 설정값은 비콘 신호(설정값 데이터가 포함된 신호) 송신 주기, 송신 강도, 송신 채널의 개수에서 차이가 발생될 수 있다.
다양한 실시 예에 따라, 상기 제어부 120는 기 설정된 센싱값의 분류 항목을 다양화하고, 그에 대응하여 송신 주기, 송신 강도, 송신 채널 개수의 항목을 다양한 방법으로 조합하여 저전력 모드를 단계별로 구동할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 저전력 구동 1단계에서는 송신 주기, 송신 강도, 송신 채널 개수 중 어느 1항목을 변경하고, 저전력 구동 2단계에서는 어느 2항목을 변경하고, 저전력 구동 3단계에서는 3가지 항목 모두의 설정값을 변경하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부 120는 다양한 실시 예에 따라 초저전력으로 비콘 모드를 운영할 수 있다.
본 발명의 센서 노드는 일 실시 예에 따라, 일반적인 상황에서는 저전력 모드(FAST 모드와 IDLE 모드의 설정값 변경을 통한 전력 소비 감소)로 구동될 수 있으나, 특수 상황 하에서 저전력 모드보다 한 단계 더 전력 소모를 줄이는 초저전력 모드로 구동될 수 있다. 예컨대, 상기 센서 노드는 중앙장치의 명령 신호(초저전력 모드 구성 요청 신호)에 대응하여 초저전력 모드를 수행할 수 있다. 또는 상기 센서 노드는 전원부에서 공급 가능한 잔여 전력량, FAST 모드 시행 비율(예, 연중 FAST 모드의 시행 횟수가 기준치 이하일 경우 초저전력 모드 구동) 또는 중앙장치에 의해 기 설정된 초저전력 모드로 구동되는 것이 바람직한 조건(시간대 등)에 부합하는 경우에, 초저전력 모드를 구동할 수 있다.
상기, 상기 제어부 120는 초저전력으로 BLE 센서 노드 100를 운영하기 위해 비콘모드에서의 송신 주기를 일반 저전력모드에서보다 더 연장할 수 있다. BLE 장치 자체의 최대 송신 주기는 예컨대, 10.24 secs이더라도, 프로세서 내부의 타이머를 이용하여 BLE 센서 노드의 송신 주기를 임의로 연장하여, 보다 저전력으로 운영할 수 있다.
상기 제어부 120는 비콘 데이터를 아예 게시(송신)하지 않는 게시 대기 주기 (advertising standby period, ASP)와, 일정 시간동안 일정 패킷 만을 게시하는 게시 주기(short time advertising period, STAP)를 따로 구분할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따라, 제어부 120(마이크로프로세서)가 BLE 센서노드를 초저전력으로 구동하는 방법에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 제어부 120는 도 6에서 도시되는 바와 같이, 30분 동안 게시 동작 없이 대기하다가, 10초 동안 10개의 비콘 데이터를 전송하는 방법으로 전력 소모를 줄일 수 있다. 이 때 도 6에서 도시하는 방식은 일정 시간 간격으로 데이터를 게시하므로 동기식 주기 연장 기법에 해당한다.
또한 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제어부 120는 도 7에서 도시되는 바와 같이, 센서 데이터가 정상 범위인 것으로 판단된 경우에는 비콘 데이터를 게시(송신)하지 않고, 비정상 범위에 있는 데이터가 측정되었을 때만 게시(송신)하도록 제어할 수 있다. 상기 도 7에서 도시되는 방식은 게시 동작을 수행하는 시간 간격이 일정하지 않으므로, 비동기식 주기 연장 기법에 해당한다. 도 7에서 도시되는 것처럼 비동기식 주기 연장 기법을 이용해 센서를 구동할 경우, 상기 제어부 120는 특정 이벤트가 발생하는 임의의 시간마다 게시 주기에 진입하도록 제어할 수 있다.
요컨대, 본 발명의 실시 예에 따른 센서 노드의 저전력 운용 방법은 센서부가 측정한 센싱값을 읽어오는 센싱값 확인 동작 및 상기 센싱값을 외부 중앙장치로 전송하는 동작을 수행하는 전송 동작을 반복적으로 수행하는 비콘 모드를 수행하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다. 이 때, 상기 비콘모드를 수행하는 단계는 상기 센싱값이 기 설정된 정상 범위에 속하였는지 여부에 따라, 비콘 신호의 송신과 관련된 설정값 중 적어도 하나를 변경하여 센싱값 송신 동작을 수행할 수 있다.
그리고, 본 발명은 비콘 모드 수행 전, 외부 중앙장치와 무선 통신을 수행하며, 상기 외부 중앙장치로부터 데이터를 수신하는 동작이 활성화된 게시모드를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 게시 모드를 수행하는 단계는 센싱값의 정상 범위를 지정하기 위한 정보를 외부 중앙장치로부터 수신하여 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 제어부 120는 상기 비콘 모드를 수행하는 단계에서 센싱 값이 기 설정된 정상 범위에 속한 값으로 판단되면 IDLE모드를 수행하고, 센싱 값이 기 설정된 정상 범위에 속하지 않은 것으로 판단되면, FAST모드를 수행하되, 상기 IDLE 모드의 신호 송신 주기(TL)를 FAST 모드의 신호 송신 주기(TF) 대비 큰 값으로 설정할 수 있다.
그리고 상기 비콘 모드를 수행하는 단계는 센싱값이 비정상 범위에서 정상범위로 변경됨에 따라, 상기 FAST모드에서 상기 IDLE 모드로 진입하는 경우, 제어부 120에 의해, 상기 FAST 모드의 데이터 송신 강도(PF)를 IDLE 모드의 신호 송신 강도(PL)로 변경하고, 신호 송신 강도는 PF > PL 의 조건을 만족하도록 설정될 수 있다.
상기 비콘 모드를 수행하는 단계는 센싱값이 비정상 범위에서 정상범위로 변경됨에 따라, 상기 FAST모드에서 상기 IDLE 모드로 진입하는 경우, 신호 송신을 수행하는 채널의 개수를 감소시키는 동작을 수행할 수 있다.
그리고 상기 비콘 모드를 수행하는 단계는 초저전력으로 센서 노드를 운영하고자 할 경우, 제어부 내부 타이머를 이용하여 BLE 장치 자체 최대 송신 주기 이상으로 송신 주기를 연장하는 주기 연장 기법을 사용하되, 상기 주기 연장 기법은 비콘 신호를 송신하지 않는 게시 대기 주기와, 일정 패킷만을 송신하는 게시 주기를 구분하고, 일정 시간 간격으로 센싱값을 비콘 신호로 송신하는 동기식 연장 기법과, 센싱값이 정상 범위에 해당하는 경우 비콘 신호를 송신하지 않고, 비정상 범위에 해당하는 센싱값이 검출된 경우에만 임의로 비콘 신호를 송신하는 비 동기식 연장 기법을 포함할 수 있다.
상기 비콘 모드를 수행하는 단계는 센싱값이 기 설정된 문제 상황 범위에 해당하는 값인 것으로 판단되는 경우, 비콘 모드의 동작 모드를 FAST 모드와 IDLE 모드 간 변환 대신, 비콘 모드에서 게시모드로 회귀하여, 예외적 처리 동작을 수행하는 모드인 EXCEPTION모드를 수행할 수 있다.
상술한 예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 본 예들에 대한 개조, 변경 및 변형을 가할 수 있다. 요컨대 본 발명이 의도하는 효과를 달성하기 위해 도면에 도시된 모든 기능 블록을 별도로 포함하거나 도면에 도시된 모든 순서를 도시된 순서 그대로 따라야만 하는 것은 아니며, 그렇지 않더라도 얼마든지 청구항에 기재된 본 발명의 기술적 범위에 속할 수 있음에 주의한다.
100 : 센서 노드
110 : 센서부
120 : 제어부
130 : 통신부

Claims (9)

  1. 센서 노드의 저전력 운용 방법에 있어서,
    센서부가 측정한 센싱값을 읽어오는 센싱값 확인 동작 및 상기 센싱값을 외부 중앙장치로 전송하는 동작을 수행하는 전송 동작을 반복적으로 수행하는 비콘 모드를 수행하는 단계;를 포함하고,
    상기 비콘모드를 수행하는 단계는
    상기 센싱값이 기 설정된 정상 범위에 속하였는지 여부에 따라, 비콘 신호의 송신과 관련된 설정값 중 적어도 하나를 변경하여 센싱값 송신 동작을 수행하는 것과,
    센싱값이 기 설정된 문제 상황 범위에 해당하는 값인 것으로 판단되는 경우, 비콘 모드의 동작 모드를 FAST 모드와 IDLE 모드 간 변환 대신, 비콘모드에서 게시모드로 회귀하여, 예외적 처리 동작을 수행하는 모드인 EXCEPTION모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 저전력 운용 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    비콘 모드 수행 전, 외부 중앙장치와 무선 통신을 수행하며, 상기 외부 중앙장치로부터 데이터를 수신하는 동작이 활성화된 게시모드를 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 저전력 운용 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 게시 모드를 수행하는 단계는
    센싱값의 정상 범위를 지정하기 위한 정보를 외부 중앙장치로부터 수신하여 적용하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 저전력 운용 방법.
  4. ◈청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 1항에 있어서
    상기 비콘 모드를 수행하는 단계는
    센싱 값이 기 설정된 정상 범위에 속한 값으로 판단되면 IDLE모드를 수행하고,
    센싱 값이 기 설정된 정상 범위에 속하지 않은 것으로 판단되면, FAST모드를 수행하되,
    상기 IDLE 모드의 신호 송신 주기(TL)를 FAST 모드의 신호 송신 주기(TF) 대비 큰 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 저전력 운용 방법.
  5. 제 4항에 있어서
    상기 비콘 모드를 수행하는 단계는
    센싱값이 비정상 범위에서 정상범위로 변경됨에 따라, 상기 FAST모드에서 상기 IDLE 모드로 진입하는 경우,
    상기 FAST 모드의 데이터 송신 강도(PF)를 IDLE 모드의 신호 송신 강도(PL)로 변경하고, 신호 송신 강도는 PF > PL 의 조건을 만족하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 저전력 운용 방법.
  6. 제 4항에 있어서
    상기 비콘 모드를 수행하는 단계는
    센싱값이 비정상 범위에서 정상범위로 변경됨에 따라, 상기 FAST모드에서 상기 IDLE 모드로 진입하는 경우, 신호 송신을 수행하는 채널의 개수를 감소시키는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 저전력 운용 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 비콘 모드를 수행하는 단계는
    초저전력으로 센서 노드를 운영하고자 할 경우, 제어부 내부 타이머를 이용하여 BLE 장치 자체 최대 송신 주기 이상으로 송신 주기를 연장하는 주기 연장 기법을 사용하되,
    상기 주기 연장 기법은
    비콘 신호를 송신하지 않는 게시 대기 주기와, 일정 패킷만을 송신하는 게시 주기를 구분하고, 일정 시간 간격으로 센싱값을 비콘 신호로 송신하는 동기식 연장 기법을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 저전력 운용 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 비콘 모드를 수행하는 단계는
    초저전력으로 센서 노드를 운영하고자 할 경우, 제어부 내부 타이머를 이용하여 BLE 장치 자체 최대 송신 주기 이상으로 송신 주기를 연장하는 주기 연장 기법을 사용하되,
    상기 주기 연장 기법은
    센싱값이 정상 범위에 해당하는 경우 비콘 신호를 송신하지 않고, 비정상 범위에 해당하는 센싱값이 검출된 경우에만 임의로 비콘 신호를 송신하는 비 동기식 연장 기법을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 저전력 운용 방법.
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