KR102232083B1 - 초음파 센서를 이용하여 실시간 혼잡도를 검출하기 위한 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 명세서는 초음파 센서를 이용하여 혼잡도를 검출하기 위한 방법을 제공한다.
보다 구체적으로, 상기 방법은 3개의 채널을 포함하는 초음파 센서에서 제 1 방향으로 또는 제 2 방향으로의 측정 값에 기초하여 사람의 입장 또는 퇴장 여부를 판단하는 단계, 상기 제 1 방향은 제 1 채널에서 제 2 채널로의 방향이며, 상기 제 2 방향은 제 3 채널에서 제 2 채널로의 방향이며; 상기 초음파 센서에서 측정된 폭의 값과 임계값을 비교하여 상기 초음파 센서가 설치된 장소를 지나가는 사람의 인원 수를 계산하는 단계; 및 상기 사람의 입장 또는 퇴장 여부와, 상기 사람의 인원 수에 기초하여 상기 장소에서의 혼잡도를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초음파 센서를 이용하여 실시간 혼잡도를 검출하기 위한 방법 및 이를 위한 장치{Method for detecting real-time congestion using ultrasonic sensor and apparatus therefor}

본 발명은 혼잡도를 검출하기 위한 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초음파 센서를 이용하여 실시간으로 혼잡도를 검출하기 위한 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.

현대 사회가 발전하면서 사람들은 주로 실내에서 시간을 많이 소비하고 있다. 실내의 인원 통계 분석 자료, 혼잡도 분석 자료는 다양한 서비스 개발 등을 위한 기반 자료로 유용하게 사용될 수 있으나, 이에 대한 구체적인 방법 또는 알고리즘을 제시하고 있는 것은 현재 드물다.

그리고, 화재 발생 시, 비상구에 사람들이 밀집되어 있는 경우, 대피 시간이 지연될 수 있어 큰 피해가 발생할 수 있다. 이 경우, 비상구 등 혼잡도를 계산하여 최적 (대피) 경로를 탐색해서 대피시키기 위해 실내 인원 카운팅 및 혼잡도 검출시스템이 필요하다.

본 명세서는 초음파 센서를 이용하여 사람의 입장 또는 퇴장 여부를 판단하고, 초음파 센서를 이용하여 사람의 폭을 측정함으로써 특정 장소에서의 실시간 혼잡도를 검출할 수 있는 방법을 제공함에 목적이 있다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서는 초음파 센서를 이용하여 혼잡도를 검출하기 위한 방법에 있어서, 3개의 채널을 포함하는 초음파 센서에서 제 1 방향으로 또는 제 2 방향으로의 측정 값에 기초하여 사람의 입장 또는 퇴장 여부를 판단하는 단계, 상기 제 1 방향은 제 1 채널에서 제 2 채널로의 방향이며, 상기 제 2 방향은 제 3 채널에서 제 2 채널로의 방향이며; 상기 초음파 센서에서 측정된 폭의 값과 임계값을 비교하여 상기 초음파 센서가 설치된 장소를 지나가는 사람의 인원 수를 계산하는 단계; 및 상기 사람의 입장 또는 퇴장 여부와, 상기 사람의 인원 수에 기초하여 상기 장소에서의 혼잡도를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 명세서에서 상기 제 1 방향으로의 측정 값이 0이 아닌 경우, 사람의 입장으로 판단하고, 상기 제 2 방향으로의 측정 값이 0이 아닌 경우, 사람의 퇴장으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로, 사람의 입장 또는 퇴장에 대한 방향의 결정은 예를 들어 초음파 센서에 포함된 채널 A, B 및 C 중 0이 아닌 값이 검출되었을 때 검출된 시간에 따라 수행된다.

또한, 본 명세서에서 상기 초음파 센서에서 측정된 폭의 값은 기 설정된 최소값보다 크고, 기 설정된 최대값보다 작은 것을 특징으로 한다.

본 명세서는 초음파 센서를 이용하여 사람의 입장 또는 퇴장 여부를 판단하고, 초음파 센서를 이용하여 사람의 폭을 측정함으로써 특정 장소에서의 실시간 혼잡도를 검출할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 특징을 설명한다.
도 1은 본 명세서에서 제안하는 혼잡도 시스템의 개념도의 일례를 나타낸 도이다.
도 2는 초음파 센서를 이용하여 사람의 폭을 계산하는 방법의 일례를 나타낸 도이다.
도 3은 초음파 센서 거리를 구하는 방법의 일례이다.
도 4는 초음파 센서를 통과할 때 사람(또는 인원)의 폭의 값을 계산하는 방법의 일례를 나타낸다.
도 5 및 도 6은 각각 평상 시와 화재 시에 비상구에 설치된 혼잡도 시스템에서 본 명세서에서 제안하는 방법을 통해 구한 결과 값을 나타낸다.
도 7 및 도 8은 시간에 따른 초음파 설치 간격 및 파형 간격의 예들을 나타낸 도이다.
도 9는 시간에 따른 인원의 폭의 값의 일례를 나타낸 도이다.
도 10은 시간에 따른 인원의 폭의 값의 또 다른 일례를 나타낸 도이다.
도 11은 본 명세서에서 제안하는 혼잡도 판단 방법의 일례를 나타낸 순서도이다.
도 12는 본 명세서에서 제안하는 방법을 적용한 일례를 나타낸다.
도 13은 본 명세서에서 제안하는 블루투스 저전력 에너지 기술을 이용하는 무선 통신 시스템의 일 예를 나타낸 개략도이다.
도 14는 본 명세서에서 제안하는 방법들을 구현할 수 있는 서버 디바이스 및 클라이언트 디바이스의 내부 블록도의 일 예를 나타낸다.
도 15는 블루투스 저전력 에너지 토폴로지(Topology)의 일 예를 나타낸다.
도 16은 블루투스 BR(Basic Rate)/EDR(Enhanced Data Rate)의 아키텍처의 일 예를 나타내며, 도 17은 블루투스 LE(Low Energy)의 아키텍처의 일 예를 나타낸다.
도 18은 블루투스 저전력 에너지의 GATT Profile 구조의 일 예를 나타낸 도이다.
도 19는 블루투스 저전력 에너지 기술에서 연결 절차 방법의 일 예를 나타낸 흐름도이다.
도 20은 블루투스 저전력 에너지 기술에서 객체 전송 서비스(Object Transfer Service)를 제공하는 방법의 일 예를 나타낸 흐름도이다.
도 21은 블루투스 BR/EDR 기술에서 연결 절차 방법의 일 예를 나타낸 흐름도이다.
도 22는 서버와 블루투스 디바이스 간의 신호 송수신 방법을 나타낸 도이다.
도 23은 본 명세서에서 제안하는 신호 송수신 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 24는 제 1 메시지 포맷의 일례를 나타낸다.
도 25는 제 2 메시지 포맷의 일례를 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 설명되는 이동 단말기에는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 PC(slate PC), 태블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultrabook), 웨어러블 디바이스(wearable device, 예를 들어, 워치형 단말기 (smartwatch), 글래스형 단말기 (smart glass), HMD(head mounted display)) 등이 포함될 수 있다.

본 명세서는 초음파 센서를 이용하여 (1) 특정 장소에서의 사람의 입장(IN) 또는 사람의 퇴장(OUT)을 판단하고, (2) 이를 기초로 특정 장소에서의 실시간 인원 계수 및 혼잡도를 검출하는 방법을 제공한다.

초음파 센서를 이용한 사람의 IN, OUT 판단

후술할 발명은 초 단위, 마이크로 초 단위까지 사용함으로써, 초음파 센서를 이용한 사람의 입장 또는 사람의 퇴장을 판단할 수 있다.

즉, 후술할 발명은 (후술할 도 2를 참고) 사람이 (1) 초음파 센서(또는 초음파 채널) A 또는 A, B를 먼저 지나가는지 또는 (2) 초음파 센서 C 또는 초음파 센서 C, B를 먼저 지나가는지에 따라 사람의 입장 또는 퇴장에 대한 확인이 가능하다.

초음파 센서 기반의 실시간 인원 계수 및 혼잡도 검출

사람 한 명이 초음파 센서 기반 혼잡도 검출 시스템을 지나가는데 걸리는 시간(T) 동안 초음파 센서로 구한 인원 폭의 값들 중에서 최대값을 인원 수로 변환한다. 여기서, 인원 폭은 사람의 양 어깨의 폭으로 계산될 수 있다.

예를 들어, 2T 동안의 혼잡도를 구하고 싶은 경우, 0~T초 동안 지나간 최대 인원수를 R, T~2T 동안 지나간 최대 인원수를 2R이라 하면, R+2R이 2T 동안 특정 장소(예: 비상구)에서의 인원 혼잡도로 볼 수 있다.

사람의 IN 또는 OUT 판단과 인원 계수를 이용한 혼잡도 검출

특정 장소(예: 비상구)를 입장하는 사람들은 '+'로 카운트하고, 퇴장하는 사람들은 '-'로 카운트하여 인원 수를 구한다.

그리고, 2번의 혼잡도 공식을 사용하여 입장 혼잡도와 퇴장 혼잡도를 구할 수 있다.

초음파 센서 기반의 실시간 인원 계수 및 혼잡도 검출 시스템

이하, 초음파 센서 기반의 실시간 인원 계수 및 혼잡도 검출 시스템은 설명의 편의상 '혼잡도 시스템' 또는 '시스템'이라 표현하기로 한다.

도 1은 본 명세서에서 제안하는 혼잡도 시스템의 개념도의 일례를 나타낸 도이다.

혼잡도 시스템(10)은 적어도 하나의 초음파 센서(100), 통신 모듈(200), 센서 모듈(300), 알고리즘 처리부(400), 메모리(500), 모니터링부(600) 등을 포함할 수 있다.

초음파 센서는 초음파 채널(channel) 또는 채널로 표현될 수 있다. 예를 들, 3개의 초음파 센서는 각각 Channel A, Channel B, Channel C일 수 있다.

통신 모듈은 유선/무선 통신을 가능하게 하는 하나 또는 그 이상의 모듈들을 포함할 수 있다.

즉, 통신 모듈은 근거리 통신 모듈, 이동통신 모듈, 무선 인터넷 모듈, 이더넷 모듈 등을 포함할 수 있다.

상기 근거리 통신 모듈은 근거리 통신을 위한 모듈을 말한다. 근거리 통신(short range communication) 기술로 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(IrDA: infrared Data Association), UWB(Ultra Wideband), ZigBee 등이 이용될 수 있다.

상기 이동통신 모듈은, 이동 통신망 상에서 기지국, 외부의 단말, 서버 중 적어도 하나와 무선 신호를 송수신한다. 상기 무선 신호는, 음성 호 신호, 화상 통화 호 신호 또는 문자/멀티미디어 메시지 송수신에 따른 다양한 형태의 데이터를 포함할 수 있다.

상기 무선 인터넷 모듈은 무선 인터넷 접속을 위한 모듈을 말하는 것으로, 단말기에 내장되거나 외장될 수 있다. 무선 인터넷 기술로는 WLAN(Wireless LAN)(Wi-Fi), Wibro(Wireless broadband), Wimax(World Interoperability for Microwave Access), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access) 등이 이용될 수 있다.

이외에도, 통신 모듈은 방송 수신 모듈, 위치정보 모듈을 추가적으로 포함할 수 있다.

방송 수신 모듈은 방송 채널을 통하여 외부의 방송 관리 서버로부터 방송 신호 및/또는 방송 관련된 정보를 수신한다.

상기 방송 채널은 위성 채널, 지상파 채널을 포함할 수 있다. 상기 방송 관리 서버는, 방송 신호 및/또는 방송 관련 정보를 생성하여 송신하는 서버 또는 기 생성된 방송 신호 및/또는 방송 관련 정보를 제공받아 단말기에 송신하는 서버를 의미할 수 있다. 상기 방송 신호는, TV 방송 신호, 라디오 방송 신호, 데이터 방송 신호를 포함할 뿐만 아니라, TV 방송 신호 또는 라디오 방송 신호에 데이터 방송 신호가 결합한 형태의 방송 신호도 포함할 수 있다.

상기 방송 관련 정보는, 방송 채널, 방송 프로그램 또는 방송 서비스 제공자에 관련한 정보를 의미할 수 있다. 상기 방송 관련 정보는, 이동통신망을 통하여도 제공될 수 있다. 이러한 경우에는 상기 이동통신 모듈에 의해 수신될 수 있다.

상기 방송 관련 정보는 다양한 형태로 존재할 수 있다. 예를 들어, DMB(Digital Multimedia Broadcasting)의 EPG(Electronic Program Guide) 또는 DVB-H(Digital Video Broadcast-Handheld)의 ESG(Electronic Service Guide) 등의 형태로 존재할 수 있다.

상기 방송 수신 모듈은, 예를 들어, DMB-T(Digital Multimedia Broadcasting-Terrestrial), DMB-S(Digital Multimedia Broadcasting-Satellite), MediaFLO(Media Forward Link Only), DVB-H(Digital Video Broadcast-Handheld), ISDB-T(Integrated Services Digital Broadcast-Terrestrial) 등의 디지털 방송 시스템을 이용하여 디지털 방송 신호를 수신할 수 있다. 물론, 상기 방송 수신 모듈은, 상술한 디지털 방송 시스템뿐만 아니라 다른 방송 시스템에 적합하도록 구성될 수도 있다.

방송 수신 모듈을 통해 수신된 방송 신호 및/또는 방송 관련 정보는 메모리에 저장될 수 있다.

위치정보 모듈은 단말기의 위치를 획득하기 위한 모듈로서, 그의 대표적인 예로는 GPS(Global Position System) 모듈이 있다.

알고리즘 처리부는 인원 카운팅 알고리즘을 위한 제 1 모듈, 혼잡도 계산 알고리즘을 위한 제 2 모듈, 비상구 확인을 위한 제 3 모듈 등을 포함할 수 있다.

메모리는 데이터베이스(database, DB)로 표현될 수도 있으며, 센서 DB, 카운팅 인원 DB, 혼잡도 계산 DB, 비상구 위치 DB 등을 포함할 수 있다.

모니터링부는 혼잡도 확인, 비상구 위치 확인, 센서 상태 확인, 실시간 인원 확인 등을 처리한다.

즉, 도 1의 시스템을 통해, 특정 장소에서의 사람의 입장과 퇴장의 판단이 가능하고, 또한 실시간 인원 수의 파악도 가능함으로써, 원하는 시간대의 혼잡도 계산을 할 수 있다.

초음파 센서 기반의 실시간 인원 계수 및 혼잡도 검출 방법

도 2를 참고하여 초음파 센서 기반 실시간 인원 계수 및 혼잡도 검출 방법에 대해 보다 구체적으로 살펴본다.

즉, 도 2는 초음파 센서를 이용하여 사람의 폭을 계산하는 방법의 일례를 나타낸 도이다.

도 2(a)는 사람 한 명이 지나가는 경우, 도 2(b)은 사람 2명이 지나가는 경우의 일례를 나타낸다.

혼잡도 시스템은 3개의 초음파 센서들(Channel A, Channel B, Channel C)을 이용하여 해당 센서를 지나가는 사람들을 카운팅한다.

그리고, 혼잡도 시스템은 Channel A(A, B 방향)를 먼저 지났는지 또는 Channel C(C, B 방향)를 먼저 지났는지를 감지하고, 이에 따라 사람의 IN 또는 OUT을 판단한다.

만약 상기 혼잡도 시스템이 Channel A에서 Channel B로의 즉, 제 1 방향으로의 값을 검출한 경우, 상기 혼잡도 시스템은 사람이 입장하였다고 판단한다.

그리고, 상기 혼잡도 시스템이 Channel C에서 Channel B로의 즉, 제 2 방향으로의 값을 검출한 경우, 사람이 퇴장하였다고 판단한다.

만약 Channel A 방향으로 지나간 경우, 입장 인원을 카운트하고, Channel C 방향으로 지나간 경우, 퇴장 인원을 카운트한다.

도 2에서, da는 양 끝 벽면 각각에 초음파 센서가 설치된 장소의 폭에 해당하며, 일례로, 200cm일 수 있다.

dw는 해당 장소를 지나가는 사람의 폭에 대한 합을 나타내는 값으로, 사람 1명이 지나가는 경우, dw는 20~90cm이고, 2명이 지나가는 경우, dw는 91~160cm이고, 3명이 지나가는 경우, 161~200cm일 수 있다.

상기 혼잡도 시스템은 마이크로초 단위로 앞서 설명한 사람의 입장과 퇴장을 판단할 수 있다.

즉, 사람의 입장은 Channel A 또는 Channel A, B에서 0이 아닌 측정 값이 나오게 되고, 사람의 퇴장은 Channel C 또는 Channel B, C에서 0이 아닌 측정 값이 나오게 된다.

도 3 및 도 4를 참고하여 본 명세서에서 제안하는 방법에 대해 보다 구체적으로 살펴본다.

먼저, 도 3은 초음파 센서 거리를 구하는 방법의 일례이다.

초음파 센서 거리는 아래 수학식 1을 통해 정의된다.

t는 신호가 물체에 반사되어 올 때까지 걸리는 시간이며, v는 음속을 나타낸다.

도 4는 초음파 센서를 통과할 때 사람(또는 인원)의 폭의 값을 계산하는 방법의 일례를 나타낸다.

도 4에 도시된 바와 같이, 초음파 센서를 통과할 때 인원의 폭(dw)은 수학식 2을 통해 정의될 수 있다.

여기서, da는 비상구의 전체 폭의 값이고, dr은 오른쪽 초음파 센서의 측정 값이고, dl은 왼쪽 초음파의 측정 값을 나타낸다.

도 5 및 도 6은 평상 시와 화재 시에 비상구에 설치된 혼잡도 시스템에서 본 명세서에서 제안하는 방법을 통해 구한 결과 값을 나타낸다.

먼저, 도 5를 통해 평상 시에 측정되는 d 값을 살펴본다.

여기서, 비상구로 향하는 복도는 일자로 이루어졌으며, 초음파 센서는 비상구가 아닌 복도에 설치되었다고 가정한다.

표 1은 초음파 설치 간격에 따른 파형 간격의 값을 나타낸다.

도 6은 화재 시 측정되는 d 값을 나타낸 도이다.

표 2는 초음파 설치 간격에 따른 파형 간격의 또 다른 값을 나타낸다.

도 7 및 도 8은 시간에 따른 초음파 설치 간격 및 파형 간격의 예들을 나타낸 도이다.

도 7은 평상 시의 도면이고, 도 8은 화재 시의 도면을 나타낸다.

도 7 및 8에서

는 du와 반비례 관계이고, d와 비례 관계임을 볼 수 있다.

즉, 평상 시에는 사람들이 걷기 때문에

의 간격은 크고, 화재 시에는 사람들이 뛰어가기 때문에

의 간격이 작은 것을 볼 수 있다.

도 9는 시간에 따른 인원의 폭의 값의 일례를 나타낸 도이다.

아래 수학식 3은 t1에서 t2까지 통과하는 인원 폭의 값들을 나타내는 식이다.

여기서, C(t)는 t1 ~ t2까지 통과하는 인원 폭의 값들을 나타낸다.

는 사람의 폭을 측정하기 위한 초음파 센서의 첫 번째 측정 값을 나타내고,

는 두 번째 측정 값을 나타내고,

는

의 마지막 측정 값을 나타낸다.

도 9에서, dw는 한 사람의 폭을 나타내고, a는 주기를 나타내고, t는 시간을 나타낸다.

도 10은 시간에 따른 인원의 폭의 값의 또 다른 일례를 나타낸 도이다.

아래 수학식 4는 시간에 따른 인원 폭의 값들을 나타내는 식이다.

여기서, M(t)는 C(t) 값들 중 최대 폭의 값을 인원 수로 변환한 값을 나타낸다.

여기서, k는 1인의 최대폭, Max(C(t))는 t1 ~ t2 사이의 최대 폭의 값으로 통과한 인원의 폭을 나타낸다.

여기서, Q는 최근(t2 ~ t6)까지 측정된 인원의 수를 나타낸다.

R은 최근부터 과거에 측정을 원하는 시간까지 구역(즉, 이동 평균)이며, t_k는 t_k와 t_k-1는 사이의 구간을 나타내며(예: t₅ ~ t₆ 구간), R은 반드시 정수이다.

도 10에서, dw는 한 사람의 폭을 나타내고, t는 시간을 나타내며, M(t)는 최대 진폭을 나타낸다.

도 11은 본 명세서에서 제안하는 혼잡도 판단 방법의 일례를 나타낸 순서도이다.

먼저, 혼잡도 시스템은 인원의 최대 폭(dw)의 값을 측정한다.

다음, 상기 혼잡도 시스템은 dw가 최소값(min)보다 작고, dw가 최대값(max)보다 큰지 여부를 판단한다. 여기서, 최소값은 20cm이고, 최대값은 200cm이다.

상기 판단 결과, dw가 최소값보다 작고, 최대값보다 큰 경우, 상기 혼잡도 시스템은 판단을 할 수 없는 에러(error)로 판단한다.

상기 판단 결과, dw가 최소값보다 크고 최대값보다 작은 경우, 상기 혼잡도 시스템은 제 1 범위 값에 해당하는지를 판단한다. 여기서, 제 1 범위 값은 160cm를 나타낼 수 있다.

상기 판단 결과, 상기 dw가 상기 최대값보다 작고 제 1 범위 값보다 큰 경우, 상기 혼잡도 시스템은 3명이 통과했다고 판단한다.

상기 판단 결과, 상기 dw가 상기 제 1 범위 값보다 작고 제 2 범위 값에 해당하는지를 판단한다. 여기서, 제 2 범위 값은 90cm를 나타낼 수 있다.

만약 상기 dw가 상기 제 1 범위 값보다 작고 상기 제 2 범위 값보다 큰 경우, 상기 혼잡도 시스템은 2명이 통과했다고 판단한다.

만약 상기 dw가 상기 제 2 범위 값보다 작은 경우, 상기 혼잡도 시스템은 A 절차를 수행한다.

다음, A 절차에 대해 구체적으로 살펴본다.

상기 dw가 최소값보다 큰지 여부를 먼저 판단한다. 상기 판단 결과, dw가 최소값보다 작은 경우, 상기 혼잡도 시스템은 지나간 사람은 없는 것으로 판단한다.

상기 dw가 최소값보다 큰 경우, 상기 혼잡도 시스템은 지나간 인원이 1명이라고 판단한다.

다음, 상기 혼잡도 시스템은 DB에 위의 결과에 대한 데이터를 저장한다.

다음, 상기 혼잡도 시스템은 혼잡도를 계산 및 해당 절차를 종료한다.

여기서, dw의 단위는 cm이다.

앞서 살핀, 최소값, 최대값, 제 1 범위 값, 제 2 범위 값은 모두 일례로서, 다른 값으로 설정되고 위에서 언급한 절차를 동일하게 적용할 수 있다.

도 12는 본 명세서에서 제안하는 방법을 적용한 일례를 나타낸다.

먼저, 실내에 있는 인원은 100명, 외부에서 들어오는 인원을 100명으로 가정한다.

그리고, 입장하는 사람은 '+'로, 퇴장하는 사람은 '-'로 판단한다.

여기서, 입장 혼잡도는 원하는 시간대 동안 입장한 최대 인원수(M(t))를 전부 더한 값이고, 퇴장 혼잡도는 원하는 시간대 동안 퇴장한 최대 인원수(M(t))를 전부 더한 값이다.

각 비상구의 혼잡도(Q)가 0~50%이면 '안전'이라고 판단하고, 51~80%이면 '주의'라고 판단하고, 81~100%이면 '위험'으로 판단한다.

상기 판단에 따라, 사람들에게 혼잡을 피하기 위한 다른 경로로 이동할 것을 추천할 수 있다.

도 12에 도시된 바와 같이, 혼잡도 시스템은 해당 장소의 끝 쪽으로 4군데 즉, 4군데의 비상구에 설치되어 있음을 알 수 있다.

앞서 살핀 수학식을 이용하여 각 비상구에서의 혼잡도 비율은 아래 수식으로 계산할 수 있다.

여기서,

는 전체 비상구 혼잡도를 나타내고, Q는 각 비상구의 혼잡도를 나타낸다.

예를 들어,

가 100이고, 1번 비상구의 Q가 30인 경우, 1번 비상구의 혼잡도는 30%이다.

BLE (Bluetooth Low Energy)

이하, BLE 기술에 대해 간략히 설명하고, 앞서 살핀 내용을 BLE에 적용하는 방법에 대해 살펴본다.

도 13은 본 명세서에서 제안하는 블루투스 저전력 에너지 기술을 이용하는 무선 통신 시스템의 일 예를 나타낸 개략도이다.

무선 통신 시스템(100)은 적어도 하나의 서버 디바이스(Server Device,110) 및 적어도 하나의 클라이언트 디바이스(Client Device,120)를 포함한다.

서버 디바이스와 클라이언트 디바이스는 블루투스 저전력 에너지(Bluetooth Low Energy:BLE, 이하 편의상 'BLE'로 표현한다.) 기술을 이용하여 블루투스 통신을 수행한다.

먼저, BLE 기술은 블루투스 BR/EDR(Basic Rate/Enhanced Data Rate) 기술과 비교하여, 상대적으로 작은 duty cycle을 가지며 저 가격 생산이 가능하고, 저속의 데이터 전송률을 통해 전력 소모를 크게 줄일 수 있어 코인 셀(coin cell) 배터리를 이용할 경우 1년 이상 동작이 가능하다.

또한, BLE 기술에서는 디바이스 간 연결 절차를 간소화하였으며, 패킷 사이즈도 블루투스 BR/EDR 기술에 비해 작게 설계되어 있다.

BLE 기술에서, (1) RF 채널수는 40개이며, (2) 데이터 전송 속도는 1Mbps를 지원하며, (3) 토폴로지는 스타 구조이며, (4) latency는 3ms 이며, (5) 최대 전류는 15mA이하이며, (6) 출력 전력은 10mW(10dBm)이하이며, (7) 휴대폰, 시계, 스포츠, 헬스케어, 센서, 기기제어 등의 어플리케이션에 주로 사용된다.

상기 서버 디바이스(110)는 다른 디바이스와의 관계에서 클라이언트 디바이스로 동작할 수 있고, 상기 클라이언트 디바이스는 다른 디바이스와의 관계에서 서버 디바이스로 동작할 수 있다. 즉, BLE 통신 시스템에서 어느 하나의 디바이스는 서버 디바이스 또는 클라이언트 디바이스로 동작하는 것이 가능하며, 필요한 경우, 서버 디바이스 및 클라이언트 디바이스로 동시에 동작하는 것도 가능하다.

상기 서버 디바이스(110)는 데이터 서비스 디바이스(Data Service Device), 마스터(Master) 디바이스, 마스터(Master), 서버, 컨덕터(Conductor), 호스트 디바이스(Host Device), 오디오 소스 디바이스(Audio Source Device), 제 1 디바이스 등으로 표현될 수 있으며, 상기 클라이언트 디바이스는 슬레이브(Slave) 디바이스, 슬레이브(Slave), 클라이언트, 멤버(Member), 싱크 디바이스(Sink Device), 오디오 싱크 디바이스(Audio Sink Device), 제 2 디바이스 등으로 표현될 수 있다.

서버 디바이스와 클라이언트 디바이스는 상기 무선 통신 시스템의 주요 구성요소에 해당하며, 상기 무선 통신 시스템은 서버 디바이스 및 클라이언트 디바이스 이외에도 다른 구성요소를 포함할 수 있다.

상기 서버 디바이스는 클라이언트로부터 데이터를 제공 받고, 클라이언트 디바이스와 직접 통신을 수행함으로써, 클라이언트 디바이스로부터 데이터 요청을 수신하는 경우, 응답을 통해 클라이언트 디바이스로 데이터를 제공하는 디바이스를 말한다.

또한, 상기 서버 디바이스는 클라이언트 디바이스로 데이터 정보를 제공하기 위해 클라이언트 디바이스에게 알림(Notification) 메시지, 지시(Indication) 메시지를 보낸다. 또한, 상기 서버 디바이스는 상기 클라이언트 디바이스로 지시 메시지를 전송하는 경우, 상기 클라이언트로부터 상기 지시 메시지에 대응하는 확인(Confirm) 메시지를 수신한다.

또한, 상기 서버 디바이스는 알림, 지시, 확인 메시지들을 클라이언트 디바이스와 송수신하는 과정에서 출력부(Display Unit)을 통해서 사용자에게 데이터 정보를 제공하거나 입력부(User Input Interface)를 통해 사용자로부터 입력되는 요청을 수신할 수 있다.

또한, 상기 서버 디바이스는 상기 클라이언트 디바이스와 메시지를 송수신하는 과정에서 메모리(memory unit)로부터 데이터를 읽어 오거나 새로운 데이터를 해당 메모리에 쓸 수 있다.

또한, 하나의 서버 디바이스는 다수의 클라이언트 디바이스들과 연결될 수 있으며, 본딩(Bonding) 정보를 활용하여 클라이언트 디바이스들과 쉽게 재 연결(또는 접속)이 가능하다.

상기 클라이언트 디바이스(120)는 서버 디바이스에게 데이터 정보 및 데이터 전송을 요청하는 장치를 말한다.

클라이언트 디바이스는 상기 서버 디바이스로부터 알림 메시지, 지시 메시지 등을 통해 데이터를 수신하고, 지시 메시지를 상기 서버 디바이스로부터 수신하는 경우, 상기 지시 메시지에 대한 응답으로 확인 메시지를 보낸다.

상기 클라이언트 디바이스도 마찬가지로 상기 서버 디바이스와 메시지들을 송수신하는 과정에서 출력부를 통해서 사용자에게 정보를 제공하거나 입력부를 통해서 사용자로부터의 입력을 수신할 수 있다.

또한, 상기 클라이언트 디바이스는 상기 서버 디바이스와 메시지를 송수신하는 과정에서 메모리로부터 데이터를 읽어 오거나 새로운 데이터를 해당 메모리에 쓸 수 있다.

상기 서버 디바이스 및 클라이언트 디바이스의 출력부, 입력부 및 메모리 등과 같은 하드웨어 구성요소에 대해서는 도 2에서 구체적으로 살펴보기로 한다.

또한, 상기 무선 통신 시스템은 블루투스 기술을 통해 개인 영역 네트워킹(Personal Area Networking:PAN)을 구성할 수 있다. 일 예로, 상기 무선 통신 시스템에서는 디바이스 간 개인적인 피코넷(private piconet)을 확립함으로써 파일, 서류 등을 신속하고 안전하게 교환할 수 있다.

BLE 디바이스(또는 기기)는 다양한 블루투스-관련 프로토콜, 프로파일, 처리 등을 지원하도록 동작 가능할 수 있다.

도 14는 본 명세서에서 제안하는 방법들을 구현할 수 있는 서버 디바이스 및 클라이언트 디바이스의 내부 블록도의 일 예를 나타낸다.

서버 디바이스는 적어도 하나의 클라이언트 디바이스와 연결될 수 있다.

또한, 필요에 따라 각 디바이스의 내부 블록도는 다른 구성 요소(모듈, 블록, 부)를 더 포함할 수도 있고, 도 14의 구성 요소 중 일부가 생략될 수도 있다.

도 14에 도시된 바와 같이, 서버 디바이스는 출력부(Display Unit,111), 입력부(User Input Interface,112), 전력 공급부(Power Supply Unit,113), 프로세서(Processor,114), 메모리(Memory Unit,115), 블루투스 인터페이스(Bluetooth Interface,116), 다른 통신 인터페이스(Other Interface,117) 및 통신부(또는 송수신부, 118)를 포함한다.

상기 출력부(111), 입력부(112), 전력 공급부(113), 프로세서(114), 메모리(115), 블루투스 인터페이스(116), 다른 통신 인터페이스(117) 및 통신부(118)는 본 명세서에서 제안하는 방법을 수행하기 위해 기능적으로 연결되어 있다.

또한, 클라이언트 디바이스는 출력부(Display Unit,121), 입력부(User Input Interface,122), 전력 공급부(Power Supply Unit,123), 프로세서(Processor,124), 메모리(Memory Unit,125), 블루투스 인터페이스(Bluetooth Interface,126) 및 통신부(또는 송수신부, 127)를 포함한다.

상기 출력부(121), 입력부(122), 전력 공급부(123), 프로세서(124), 메모리(125), 블루투스 인터페이스(126), 및 통신부(127)는 본 명세서에서 제안하는 방법을 수행하기 위해 기능적으로 연결되어 있다.

상기 블루투스 인터페이스(116,126)는 블루투스 기술을 이용하여 디바이스들 간의 요청/응답, 명령, 알림, 지시/확인 메시지 등 또는 데이터 전송이 가능한 유닛(또는 모듈)을 말한다.

상기 메모리(115,125)는 다양한 종류의 디바이스에 구현되는 유닛으로서, 다양한 종류의 데이터가 저장되는 유닛을 말한다.

상기 프로세서(114,124)는 서버 디바이스 또는 클라이언트 디바이스의 전반적인 동작을 제어하는 모듈을 말하며, 블루투스 인터페이스 및 다른 통신 인터페이스로 메시지를 전송 요청 및 수신받은 메시지를 처리하도록 제어한다.

상기 프로세서(114,124)는 제어부, 제어 유닛(Control Unit), 컨트롤러 등으로 표현될 수 있다.

상기 프로세서(114,124)는 ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로 및/또는 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다.

상기 메모리(115,125)는 ROM(read-only memory), RAM(random access memory), 플래쉬 메모리, 메모리 카드, 저장 매체 및/또는 다른 저장 장치를 포함할 수 있다.

상기 통신부(118,127)는 무선 신호를 처리하기 위한 베이스밴드 회로를 포함할 수 있다. 실시 예가 소프트웨어로 구현될 때, 상술한 기법은 상술한 기능을 수행하는 모듈(과정, 기능 등)로 구현될 수 있다. 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다.

상기 메모리(115,125)는 프로세서(114,124) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서(114,124)와 연결될 수 있다.

상기 출력부(111,121)는 디바이스의 상태 정보 및 메시지 교환 정보 등을 화면을 통해서 사용자에게 제공하기 위한 모듈을 말한다.

상기 전력 공급부(전원 공급부,113,123)는 제어부의 제어 하에 외부의 전원, 내부의 전원을 인가 받아 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급해주는 모듈을 말한다.

앞에서 살핀 것처럼, BLE 기술에서는 작은 duty cycle을 가지며, 저속의 데이터 전송률을 통해 전력 소모를 크게 줄일 수 있어, 상기 전력 공급부는 적은 출력 전력으로도(10mW(10dBm)이하) 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급할 수 있다.

상기 입력부(112,122)는 화면 버튼과 같이 사용자의 입력을 제어부에게 제공하여 디바이스의 동작을 사용자가 제어할 수 있게 하는 모듈을 말한다.

도 15는 블루투스 저전력 에너지 토폴로지(Topology)의 일 예를 나타낸다.

도 15를 참조하면, 디바이스 A는 디바이스 B와 디바이스 C를 슬레이브(slave)로 가지는 피코넷(피코넷 A, 음영부분)에서 마스터(master)에 해당한다.

여기서, 피코넷(Piconet)이란, 다수의 디바이스들 중 어느 하나가 마스터이고, 나머지 디바이스들이 마스터 디바이스에 연결되어 있는 공유된 물리 채널을 점유하고 있는 디바이스들의 집합을 의미한다.

BLE 슬레이브는 마스터와 공통 물리 채널을 공유하지 않는다. 각각의 슬레이브는 별개의 물리 채널을 통해 마스터와 통신한다. 마스터 디바이스 F와 슬레이브 디바이스 G를 가지는 또 다른 피코넷(피코넷 F)이 있다.

디바이스 K는 스캐터넷(scatternet K)에 있다. 여기서, 스캐터넷(scatternet)은 다른 피코넷들 간 연결이 존재하는 피코넷의 그룹을 의미한다.

디바이스 K는 디바이스 L의 마스터이면서, 디바이스 M의 슬레이브이다.

디바이스 O 역시 스캐터넷(scatternet O)에 있다. 디바이스 O는 디바이스 P의 슬레이브이면서, 디바이스 Q의 슬레이브이다.

도 15에 도시된 바와 같이, 5개의 다른 디바이스 그룹들이 존재한다.

디바이스 D는 광고자(advertiser)이고, 디바이스 A는 개시자(initiator)이다.(그룹 D)

디바이스 E는 스캐너(scanner)이며, 디바이스 C는 광고자이다.(그룹 C)

디바이스 H는 광고자이며, 디바이스 I 및 J는 스캐너들이다.(그룹 H)

디바이스 K 또한 광고자이며, 디바이스 N은 개시자이다.(그룹 K)

디바이스 R은 광고자이며, 디바이스 O는 개시자이다.(그룹 R)

디바이스 A와 B는 하나의 BLE 피코넷 물리 채널을 사용한다.

디바이스 A와 C는 또 다른 BLE 피코넷 물리 채널을 사용한다.

그룹 D에서, 디바이스 D는 광고 물리 채널 상으로 연결 가능한 광고 이벤트를 사용하여 광고하며, 디바이스 A는 개시자이다. 디바이스 A는 디바이스 D와 연결을 형성할 수 있고, 피코넷 A로 디바이스를 추가할 수 있다.

그룹 C에서, 디바이스 C는 스캐너 디바이스 E에 의해 캡쳐되는 광고 이벤트의 어떤 타입을 사용하여 광고 물리 채널 상으로 광고를 한다.

그룹 D와 그룹 C는 충돌을 피하기 위해 서로 다른 광고 물리 채널을 사용하거나 다른 시간을 사용할 수 있다.

피코넷 F에는 하나의 물리 채널이 있다. 디바이스 F와 G는 하나의 BLE 피코넷 물리 채널을 사용한다. 디바이스 F는 마스터이고, 디바이스 G는 슬레이브이다.

그룹 H에는 하나의 물리 채널이 있다. 디바이스 H, I 및 J는 하나의 BLE 광고 물리 채널을 사용한다. 디바이스 H는 광고자이며, 디바이스 I 및 J는 스캐너이다.

스캐터넷 K에서, 디바이스 K와 L은 하나의 BLE 피코넷 물리 채널을 사용한다. 디바이스 K와 M은 또 다른 BLE 피코넷 물리 채널을 사용한다.

그룹 K에서, 디바이스 K는 광고 물리 채널 상으로 연결 가능한 광고 이벤트를 사용하여 광고를 하며, 디바이스 N은 개시자이다. 디바이스 N은 디바이스 K와 연결을 형성할 수 있다. 여기서, 디바이스 K는 두 디바이스들의 슬레이브가 되면서 동시에 한 디바이스의 마스터가 된다.

스캐터넷 O에서, 디바이스 O와 P는 하나의 BLE 피코넷 물리 채널을 사용한다. 디바이스 O와 Q는 또 다른 BLE 피코넷 물리채널을 사용한다.

그룹 R에서, 디바이스 R은 광고 물리 채널 상으로 연결 가능한 광고 이벤트를 사용하여 광고를 하며, 디바이스 O는 개시자이다. 디바이스 O는 디바이스 R과 연결을 형성할 수 있다. 여기서, 디바이스 O는 두 디바이스들의 슬레이브가 되면서 동시에 한 디바이스의 마스터가 된다.

도 16 및 도 17은 본 명세서에서 제안하는 방법들이 적용될 수 있는 블루투스 통신 아키텍처(Architecture)의 일 예를 나타낸 도이다.

구체적으로, 도 16은 블루투스 BR(Basic Rate)/EDR(Enhanced Data Rate)의 아키텍처의 일 예를 나타내며, 도 17은 블루투스 LE(Low Energy)의 아키텍처의 일 예를 나타낸다.

먼저, 도 16에 도시된 바와 같이, 블루투스 BR/EDR 아키텍처는 컨트롤러 스택(Controller stACK,410), HCI(Host Controller Interface,420) 및 호스트 스택(Host stACK,430)을 포함한다.

상기 컨트롤러 스택(또는 컨트롤러 모듈, 410)은 2.4GHz의 블루투스 신호를 받는 무선 송수신 모듈과 블루투스 패킷을 전송하거나 수신하기 위한 하드웨어를 말하며, BR/EDR Radio 계층(411), BR/EDR Baseband 계층(412), BR/EDR Link Manager 계층(413)을 포함할 수 있다.

상기 BR/EDR Radio 계층(411)은 2.4 GHz 무선 신호를 송수신하는 계층으로, GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modulation을 사용하는 경우 79 개의 RF 채널을 hopping 하여 데이터를 전송할 수 있다.

상기 BR/EDR Baseband 계층(412)은 Digital Signal을 전송하는 역할을 담당하며, 초당 1600번 hopping 하는 채널 시퀀스를 선택하며, 각 채널 별 625us 길이의 time slot을 전송한다.

상기 Link Manager 계층(413)은 LMP(Link Manager Protocol)을 활용하여 Bluetooth Connection의 전반적인 동작(link setup, control, security)을 제어한다.

상기 Link Manager 계층은 아래와 같은 기능을 수행할 수 있다.

- ACL/SCO logical transport 및 logical link setup 및 control을 한다.

- Detach: connection을 중단하고, 중단 이유를 상대 디바이스에게 알려준다.

- Power control 및 Role switch를 한다.

- Security(authentication, pairing, encryption) 기능을 수행한다.

상기 Host Controller Interface 계층(420)은 Host 모듈(430)과 Controller 모듈(410) 사이의 인터페이스 제공하여 Host 가 command와 Data를 Controller에게 제공하게 하며, Controller가 event와 Data를 Host에게 제공할 수 있도록 해준다.

상기 호스트 스택(또는 호스트 모듈,430)은 L2CAP(437), SDP(Service Discovery Protocol,433), BR/EDR Protocol(432), BR/EDR Profiles(431), Attribute Protocol(436), Generic Access Profile(GAP,434), Generic Attribute Profile(GATT,435)을 포함한다.

상기 Logical Link Control and Adaptation Protocol(L2CAP,437)은 특정 protocol 또는 profile 에게 데이터를 전송하기 위한 하나의 양방향 채널을 제공한다.

상기 L2CAP은 블루투스 상위에서 제공하는 다양한 protocol, profile 등을 multiplexing한다.

블루투스 BR/EDR의 L2CAP에서는 dynamic 채널 사용하며, protocol service multiplexer, retransmission, streaming mode를 지원하고, Segmentation 및 reassembly, per-channel flow control, error control을 제공한다.

상기 SDP(Service Discovery Protocol,433)는 블루투스 디바이스에서 지원하는 서비스(Profile 및 Protocol)을 찾기 위한 프로토콜을 말한다.

상기 BR/EDR Protocol 및 Profiles(432,431)은 블루트스 BR/EDR를 이용하는 서비스 (profile)의 정의 및 이들 데이터를 주고 받기 위한 application 프로토콜을 정의한다.

상기 Attribute Protocol(436)은 Server-Client 구조로, 상대 디바이스의 data를 접근하기 위한 규칙을 정의한다. 아래와 같이 6가지 메시지(Request message, Response message, Command message, Notification message, Indication message) 유형이 있다.

- Request message from client to server with Response message from server to client

- Command message from client to server without Response message

- Notification message from server to client without Confirm message

- Indication message from server to client with Confirm message from client to server

상기 Generic Attribute Profile(GATT,435)은 attribute의 type을 정의한다.

상기 Generic Access Profile(GAP,434)은 디바이스 발견, 연결, 사용자에게 정보를 제공하는 방안을 정의하며, privacy를 제공한다.

도 17에 도시된 바와 같이, BLE 구조는 타이밍이 중요한 무선장치 인터페이스를 처리하도록 동작가능한 컨트롤러 스택(Controller stACK)과 고레벨(high level) 데이터를 처리하도록 동작가능한 호스트 스택(Host stACK)을 포함한다.

상기 Controller stACK은 Controller로 호칭될 수도 있으나, 앞서 도 2에서 언급한 디바이스 내부 구성요소인 프로세서와의 혼동을 피하기 위해 이하에서는 Controller stACK으로 표현하기로 한다.

먼저, 컨트롤러 스택은 블루투스 무선장치를 포함할 수 있는 통신 모듈과, 예를 들어, 마이크로프로세서와 같은 프로세싱 디바이스를 포함할 수 있는 프로세서 모듈을 이용하여 구현될 수 있다.

호스트 스택은 프로세서 모듈 상에서 작동되는 OS의 일부로서, 또는 OS 위의 패키지(pACKage)의 인스턴스 생성(instantiation)으로서 구현될 수 있다.

일부 사례들에서, 컨트롤러 스택 및 호스트 스택은 프로세서 모듈 내의 동일한 프로세싱 디바이스 상에서 작동 또는 실행될 수 있다.

호스트 스택은 GAP(Generic Access Profile,510), GATT based Profiles(520), GATT(Generic Attribute Profile,530), ATT(Attribute Protocol,540), SM(Security Manage,550), L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol,560)을 포함한다. 다만, 호스트 스택은 이것으로 한정되지는 않고 다양한 프로토콜들 및 프로파일들을 포함할 수 있다.

호스트 스택은 L2CAP을 사용하여 블루투스 상위에서 제공하는 다양한 프로토콜, 프로파일 등을 다중화(multiplexing)한다.

먼저, L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol,560)은 특정 프로토콜 또는 프로파일에게 데이터를 전송하기 위한 하나의 양방향 채널을 제공한다.

L2CAP은 상위 계층 프로토콜들 사이에서 데이터를 다중화(multiplex)하고, 패키지(pACKage)들을 분할(segment) 및 재조립(reassemble)하고, 멀티캐스트 데이터 송신을 관리하도록 동작 가능할 수 있다.

BLE 에서는 3개의 고정 채널(signaling CH을 위해 1개, Security Manager를 위해 1개, Attribute protocol을 위해 1개)을 사용한다.

반면, BR/EDR(Basic Rate/Enhanced Data Rate)에서는 동적인 채널을 사용하며, protocol service multiplexer, retransmission, streaming mode 등을 지원한다.

SM(Security Manager,550)은 디바이스를 인증하며, 키 분배(key distribution)를 제공하기 위한 프로토콜이다.

ATT(Attribute Protocol,540)는 서버-클라이언트(Server-Client) 구조로 상대 디바이스의 데이터를 접근하기 위한 규칙을 정의한다. ATT에는 6가지의 메시지 유형(Request, Response, Command, Notification, Indication, Confirmation)이 있다.

즉, ① Request 및 Response 메시지: Request 메시지는 클라이언트 디바이스에서 서버 디바이스로 특정 정보를 요청하기 위한 메시지이며, Response 메시지는 Request 메시지에 대한 응답 메시지로서, 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 전송되는 메시지를 말한다.

② Command 메시지: 클라이언트 디바이스에서 서버 디바이스로 특정 동작의 명령을 지시하기 위해 전송하는 메시지로, 서버 디바이스는 Command 메시지에 대한 응답을 클라이언트 디바이스로 전송하지 않는다.

③ Notification 메시지: 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 이벤트 등과 같은 통지를 위해 전송하는 메시지로, 클라이언트 디바이스는 Notification 메시지에 대한 확인 메시지를 서버 디바이스로 전송하지 않는다.

④ Indication 및 Confirm 메시지: 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 이벤트 등과 같은 통지를 위해 전송하는 메시지로, Notification 메시지와는 달리, 클라이언트 디바이스는 Indication 메시지에 대한 확인 메시지를 서버 디바이스로 전송한다.

GAP(Generic Access Profile)는 BLE 기술을 위해 새롭게 구현된 계층으로, BLE 디바이스들 간의 통신을 위한 역할 선택, 멀티 프로파일 작동이 어떻게 일어나는지를 제어하는데 사용된다.

또한, GAP는 디바이스 발견, 연결 생성 및 보안 절차 부분에 주로 사용되며, 사용자에게 정보를 제공하는 방안을 정의하며, 하기와 같은 attribute의 type을 정의한다.

① Service : 데이터와 관련된 behavior의 조합으로 디바이스의 기본적인 동작을 정의

② Include : 서비스 사이의 관계를 정의

③ Characteristics : 서비스에서 사용되는 data 값

④ Behavior : UUID(Universal Unique Identifier, value type)로 정의된 컴퓨터가 읽을 수 있는 포맷

GATT-based Profiles은 GATT에 의존성을 가지는 profile 들로 주로 BLE 디바이스에 적용된다. GATT-based Profiles은 Battery, Time, FindMe, Proximity, Time, Object Delivery Service 등일 수 있다. GATT-based Profiles의 구체적인 내용은 하기와 같다.

Battery : 배터리 정보 교환 방법

Time : 시간 정보 교환 방법

FindMe : 거리에 따른 알람 서비스 제공

Proximity : 배터리 정보 교환 방법

Time : 시간 정보 교환 방법

GATT는 서비스들의 구성 시에 ATT가 어떻게 이용되는지를 설명하는 프로토콜로서 동작가능할 수 있다. 예를 들어, GATT는 ATT 속성들이 어떻게 서비스들로 함께 그룹화되는지를 규정하도록 동작가능할 수 있고, 서비스들과 연계된 특징들을 설명하도록 동작가능할 수 있다.

따라서, GATT 및 ATT는 디바이스의 상태와 서비스들을 설명하고, 특징들이 서로 어떻게 관련되며 이들이 어떻게 이용되는지를 설명하기 위하여, 특징들을 사용할 수 있다.

컨트롤러(Controller) 스택은 물리 계층(Physical Layer,590), 링크 계층(Link Layer,580) 및 호스트 컨트롤러 인터페이스(Host Controller Interface,570)를 포함한다.

물리 계층(무선 송수신 모듈,590)은 2.4 GHz 무선 신호를 송수신하는 계층으로 GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modulation과 40 개의 RF 채널로 구성된 frequency hopping 기법을 사용한다.

링크 계층(580)은 블루투스 패킷을 전송하거나 수신한다.

또한, 링크 계층은 3개의 Advertising 채널을 이용하여 Advertising, Scanning 기능을 수행한 후에 디바이스 간 연결을 생성하고, 37개 Data 채널을 통해 최대 42bytes 의 데이터 패킷을 주고 받는 기능을 제공한다.

HCI(Host Controller Interface)는 Host 스택과 Controller 스택 사이의 인터페이스를 제공하여, Host 스택에서 command와 Data를 Controller 스택으로 제공하게 하며, Controller 스택에서 event와 Data를 Host 스택으로 제공하게 해준다.

이하에서, 블루투스 저전력 에너지(Bluetooth Low Energy:BLE) 기술의 절차(Procedure)들에 대해 간략히 살펴보기로 한다.

BLE 절차는 디바이스 필터링 절차(Device Filtering Procedure), 광고 절차(Advertising Procedure), 스캐닝 절차(Scanning Procedure), 디스커버링 절차(Discovering Procedure), 연결 절차(Connecting Procedure) 등으로 구분될 수 있다.

디바이스 필터링 절차(Device Filtering Procedure)

디바이스 필터링 절차는 컨트롤러 스택에서 요청, 지시, 알림 등에 대한 응답을 수행하는 디바이스들의 수를 줄이기 위한 방법이다.

모든 디바이스에서 요청 수신 시, 이에 대해 응답하는 것이 불필요하기 때문에, 컨트롤러 스택은 요청을 전송하는 개수를 줄여서, BLE 컨트롤러 스택에서 전력 소비가 줄 수 있도록 제어할 수 있다.

광고 디바이스 또는 스캐닝 디바이스는 광고 패킷, 스캔 요청 또는 연결 요청을 수신하는 디바이스를 제한하기 위해 상기 디바이스 필터링 절차를 수행할 수 있다.

여기서, 광고 디바이스는 광고 이벤트를 전송하는 즉, 광고를 수행하는 디바이스를 말하며, 광고자(Advertiser)라고도 표현된다.

스캐닝 디바이스는 스캐닝을 수행하는 디바이스, 스캔 요청을 전송하는 디바이스를 말한다.

BLE에서는, 스캐닝 디바이스가 일부 광고 패킷들을 광고 디바이스로부터 수신하는 경우, 상기 스캐닝 디바이스는 상기 광고 디바이스로 스캔 요청을 전송해야 한다.

하지만, 디바이스 필터링 절차가 사용되어 스캔 요청 전송이 불필요한 경우, 상기 스캐닝 디바이스는 광고 디바이스로부터 전송되는 광고 패킷들을 무시할 수 있다.

연결 요청 과정에서도 디바이스 필터링 절차가 사용될 수 있다. 만약, 연결 요청 과정에서 디바이스 필터링이 사용되는 경우, 연결 요청을 무시함으로써 상기 연결 요청에 대한 응답을 전송할 필요가 없게 된다.

광고 절차(Advertising Procedure)

광고 디바이스는 영역 내 디바이스들로 비지향성의 브로드캐스트를 수행하기 위해 광고 절차를 수행한다.

여기서, 비지향성의 브로드캐스트는 특정 방향으로의 브로드캐스트가 아닌 전(모든) 방향으로의 브로드캐스트를 말한다.

이와 달리, 지향성 브로드 캐스트는 특정 방향으로의 브로드캐스트를 말한다. 비지향성 브로드캐스트는 광고 디바이스와 리스닝(또는 청취) 상태에 있는 디바이스(이하, 리스닝 디바이스라 한다.) 간에 연결 절차 없이 발생한다.

광고 절차는 근처의 개시 디바이스와 블루투스 연결을 확립하기 위해 사용된다.

또는, 광고 절차는 광고 채널에서 리스닝을 수행하고 있는 스캐닝 디바이스들에게 사용자 데이터의 주기적인 브로드캐스트를 제공하기 위해 사용될 수 있다.

광고 절차에서 모든 광고(또는 광고 이벤트)는 광고 물리 채널을 통해 브로드캐스트된다.

광고 디바이스들은 광고 디바이스로부터 추가적인 사용자 데이터를 얻기 위해 리스닝을 수행하고 있는 리스닝 디바이스들로부터 스캔 요청을 수신할 수 있다. 광고 디바이스는 스캔 요청을 수신한 광고 물리 채널과 동일한 광고 물리 채널을 통해, 스캔 요청을 전송한 디바이스로 스캔 요청에 대한 응답을 전송한다.

광고 패킷들의 일 부분으로서 보내지는 브로드캐스트 사용자 데이터는 동적인 데이터인 반면에, 스캔 응답 데이터는 일반적으로 정적인 데이터이다.

광고 디바이스는 광고 (브로드캐스트) 물리 채널 상에서 개시 디바이스로부터 연결 요청을 수신할 수 있다. 만약, 광고 디바이스가 연결 가능한 광고 이벤트를 사용하였고, 개시 디바이스가 디바이스 필터링 절차에 의해 필터링 되지 않았다면, 광고 디바이스는 광고를 멈추고 연결 모드(connected mode)로 진입한다. 광고 디바이스는 연결 모드 이후에 다시 광고를 시작할 수 있다.

스캐닝 절차(Scanning Procedure)

스캐닝을 수행하는 디바이스 즉, 스캐닝 디바이스는 광고 물리 채널을 사용하는 광고 디바이스들로부터 사용자 데이터의 비지향성 브로드캐스트를 청취하기 위해 스캐닝 절차를 수행한다.

스캐닝 디바이스는 광고 디바이스로부터 추가적인 사용자 데이터를 요청 하기 위해, 광고 물리 채널을 통해 스캔 요청을 광고 디바이스로 전송한다. 광고 디바이스는 광고 물리 채널을 통해 스캐닝 디바이스에서 요청한 추가적인 사용자 데이터를 포함하여 상기 스캔 요청에 대한 응답인 스캔 응답을 전송한다.

상기 스캐닝 절차는 BLE 피코넷에서 다른 BLE 디바이스와 연결되는 동안 사용될 수 있다.

만약, 스캐닝 디바이스가 브로드캐스트되는 광고 이벤트를 수신하고, 연결 요청을 개시할 수 있는 개시자 모드(initiator mode)에 있는 경우, 스캐닝 디바이스는 광고 물리 채널을 통해 광고 디바이스로 연결 요청을 전송함으로써 광고 디바이스와 블루투스 연결을 시작할 수 있다.

스캐닝 디바이스가 광고 디바이스로 연결 요청을 전송하는 경우, 스캐닝 디바이스는 추가적인 브로드캐스트를 위한 개시자 모드 스캐닝을 중지하고, 연결 모드로 진입한다.

디스커버링 절차(Discovering Procedure)

블루투스 통신이 가능한 디바이스(이하, '블루투스 디바이스'라 한다.)들은 근처에 존재하는 디바이스들을 발견하기 위해 또는 주어진 영역 내에서 다른 디바이스들에 의해 발견되기 위해 광고 절차와 스캐닝 절차를 수행한다.

디스커버링 절차는 비대칭적으로 수행된다. 주위의 다른 디바이스를 찾으려고 하는 블루투스 디바이스를 디스커버링 디바이스(discovering device)라 하며, 스캔 가능한 광고 이벤트를 광고하는 디바이스들을 위해 찾기 위해 리스닝한다. 다른 디바이스로부터 발견되어 이용 가능한 블루투스 디바이스를 디스커버러블 디바이스(discoverable device)라 하며, 적극적으로 광고 (브로드캐스트) 물리 채널을 통해 다른 디바이스가 스캔 가능하도록 광고 이벤트를 브로드캐스트한다.

디스커버링 디바이스와 디스커버러블 디바이스 모두 피코넷에서 다른 블루투스 디바이스들과 이미 연결되어 있을 수 있다.

연결 절차(Connecting Procedure)

연결 절차는 비대칭적이며, 연결 절차는 특정 블루투스 디바이스가 광고 절차를 수행하는 동안 다른 블루투스 디바이스는 스캐닝 절차를 수행할 것을 요구한다.

즉, 광고 절차가 목적이 될 수 있으며, 그 결과 단지 하나의 디바이스만 광고에 응답할 것이다. 광고 디바이스로부터 접속 가능한 광고 이벤트를 수신한 이후, 광고 (브로트캐스트) 물리 채널을 통해 광고 디바이스로 연결 요청을 전송함으로써 연결을 개시할 수 있다.

다음으로, BLE 기술에서의 동작 상태 즉, 광고 상태(Advertising State), 스캐닝 상태(Scanning State), 개시 상태(Initiating State), 연결 상태(connection state)에 대해 간략히 살펴보기로 한다.

광고 상태(Advertising State)

링크 계층(LL)은 호스트 (스택)의 지시에 의해, 광고 상태로 들어간다. 링크 계층이 광고 상태에 있을 경우, 링크 계층은 광고 이벤트들에서 광고 PDU(PACKet Data Unit)들을 전송한다.

각각의 광고 이벤트는 적어도 하나의 광고 PDU들로 구성되며, 광고 PDU들은 사용되는 광고 채널 인덱스들을 통해 전송된다. 광고 이벤트는 광고 PDU가 사용되는 광고 채널 인덱스들을 통해 각각 전송되었을 경우, 종료되거나 광고 디바이스가 다른 기능 수행을 위해 공간을 확보할 필요가 있을 경우 좀 더 일찍 광고 이벤트를 종료할 수 있다.

스캐닝 상태(Scanning State)

링크 계층은 호스트 (스택)의 지시에 의해 스캐닝 상태로 들어간다. 스캐닝 상태에서, 링크 계층은 광고 채널 인덱스들을 리스닝한다.

스캐닝 상태에는 수동적 스캐닝(passive scanning), 적극적 스캐닝(active scanning)의 두 타입이 있으며, 각 스캐닝 타입은 호스트에 의해 결정된다.

스캐닝을 수행하기 위한 별도의 시간이나 광고 채널 인덱스가 정의되지는 않는다.

스캐닝 상태 동안, 링크 계층은 스캔윈도우(scanWindow) 구간(duration) 동안 광고 채널 인덱스를 리스닝한다. 스캔인터벌(scanInterval)은 두 개의 연속적인 스캔 윈도우의 시작점 사이의 간격(인터벌)으로서 정의된다.

링크 계층은 스케쥴링의 충돌이 없는 경우, 호스트에 의해 지시되는 바와 같이 스캔윈도우의 모든 스캔인터벌 완성을 위해 리스닝해야한다. 각 스캔윈도우에서, 링크 계층은 다른 광고 채널 인덱스를 스캔해야한다. 링크 계층은 사용 가능한 모든 광고 채널 인덱스들을 사용한다.

수동적인 스캐닝일 때, 링크 계층은 단지 패킷들만 수신하고, 어떤 패킷들도 전송하지 못한다.

능동적인 스캐닝일 때, 링크 계층은 광고 디바이스로 광고 PDU들과 광고 디바이스 관련 추가적인 정보를 요청할 수 있는 광고 PDU 타입에 의존하기 위해 리스닝을 수행한다.

개시 상태(Initiating State)

링크 계층은 호스트 (스택)의 지시에 의해 개시 상태로 들어간다.

링크 계층이 개시 상태에 있을 때, 링크 계층은 광고 채널 인덱스들에 대한 리스닝을 수행한다.

개시 상태 동안, 링크 계층은 스캔윈도우 구간 동안 광고 채널 인덱스를 리스닝한다.

연결 상태(connection state)

링크 계층은 연결 요청을 수행하는 디바이스 즉, 개시 디바이스가 CONNECT_REQ PDU를 광고 디바이스로 전송할 때 또는 광고 디바이스가 개시 디바이스로부터 CONNECT_REQ PDU를 수신할 때 연결 상태로 들어간다.

연결 상태로 들어간 이후, 연결이 생성되는 것으로 고려된다. 다만, 연결이 연결 상태로 들어간 시점에서 확립되도록 고려될 필요는 없다. 새로 생성된 연결과 기 확립된 연결 간의 유일한 차이는 링크 계층 연결 감독 타임아웃(supervision timeout) 값뿐이다.

두 디바이스가 연결되어 있을 때, 두 디바이스들은 다른 역할로 활동한다.

마스터 역할을 수행하는 링크 계층은 마스터로 불리며, 슬레이브 역할을 수행하는 링크 계층은 슬레이브로 불린다. 마스터는 연결 이벤트의 타이밍을 조절하고, 연결 이벤트는 마스터와 슬레이브 간 동기화되는 시점을 말한다.

마스터(Master, Central)는 다른 디바이스(슬레이브, Peripheral)와 Connection을 맺기 위해, Connectable Advertising Signal을 주기적으로 스캔하다가, 적절한 디바이스에 연결을 요청하는 디바이스이다.

또한, 마스터 디바이스는 슬레이브 디바이스와 연결이 되고 나면, timing을 설정하고 주기적인 데이터 교환을 주도한다.

여기서 timing이란, 두 디바이스가 매번 같은 Channel에서 데이터를 주고 받기 위해 정하는 hopping 규칙일 수 있다.

슬레이브(Slave, Peripheral) 디바이스는 다른 디바이스(Master)와 Connection을 맺기 위해, Connectable Advertising Signal을 주기적으로 전송하는 디바이스이다.

따라서, 이를 수신한 마스터 디바이스가 Connection Request를 보내면, 이를 수락하여 Connection을 맺는다.

슬레이브 디바이스가 마스터 디바이스와 Connection을 맺고 나면 마스터 디바이스가 지정한 timing에 맞추어 Channel을 같이 hopping 하면서 주기적으로 데이터를 교환한다.

이하에서, 블루투스 인터페이스에서 정의되는 패킷에 대해 간략히 살펴보기로 한다. BLE 디바이스들은 하기에서 정의되는 패킷들을 사용한다.

패킷 포맷(PACKet Format)

링크 계층(Link Layer)은 광고 채널 패킷과 데이터 채널 패킷 둘 다를 위해 사용되는 단지 하나의 패킷 포맷만을 가진다.

각 패킷은 프리앰블(Preamble), 접속 주소(Access Address), PDU 및 CRC 4개의 필드로 구성된다.

하나의 패킷이 광고 물리 채널에서 송신될 때, PDU는 광고 채널 PDU가 될 것이며, 하나의 패킷이 데이터 물리 채널에서 전송될 때, PDU는 데이터 채널 PDU가 될 것이다.

광고 채널 PDU(Advertising Channel PDU)

광고 채널 PDU(PACKet Data Unit)는 16비트 헤더와 다양한 크기의 페이로드를 가진다.

헤더에 포함되는 광고 채널 PDU의 PDU 타입 필드는 하기 표 3에서 정의된 바와 같은 PDU 타입을 나타낸다.

광고 PDU

아래 광고 채널 PDU 타입들은 광고 PDU로 불리고 구체적인 이벤트에서 사용된다.

ADV_IND: 연결 가능한 비지향성 광고 이벤트

ADV_DIRECT_IND: 연결 가능한 지향성 광고 이벤트

ADV_NONCONN_IND: 연결 가능하지 않은 비지향성 광고 이벤트

ADV_SCAN_IND: 스캔 가능한 비지향성 광고 이벤트

상기 PDU들은 광고 상태에서 링크 계층(Link Layer)에서 전송되고, 스캐닝 상태 또는 개시 상태(Initiating State)에서 링크 계층에 의해 수신된다.

Scanning PDUs

아래 광고 채널 PDU 타입은 스캐닝 PDU로 불리며, 하기에서 설명되는 상태에서 사용된다.

SCAN_REQ: 스캐닝 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 광고 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.

SCAN_RSP: 광고 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 스캐닝 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.

Initiating PDUs

아래 광고 채널 PDU 타입은 개시 PDU로 불린다.

CONNECT_REQ: 개시 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 광고 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.

데이터 채널 PDU(Data Channel PDU)

데이터 채널 PDU는 16 비트 헤더, 다양한 크기의 페이로드를 가지고, 메시지 무결점 체크(Message Integrity Check:MIC) 필드를 포함할 수 있다.

앞에서 살펴본, BLE 기술에서의 절차, 상태, 패킷 포맷 등은 본 명세서에서 제안하는 방법들을 수행하기 위해 적용될 수 있다.

도 18은 블루투스 저전력 에너지의 GATT Profile 구조의 일 예를 나타낸 도이다.

상기 도 18을 참조하면 블루투스 저전력 에너지의 프로파일 데이터(Profile Data) 교환을 위한 구조를 살펴볼 수 있다.

구체적으로, GATT(Generic Attribute Profile)는 블루투스 LE 장치 간의 서비스(Service), 특성(Characteristic)을 이용해서 데이터를 주고 받는 방법을 정의한 것이다.

일반적으로, 페리페럴(Peripheral) 장치(예를 들면, 센서 장치)가 GATT 서버(Server)역할을 하며, 서비스(Service), 특성(Characteristic)에 대한 정의를 가지고 있다.

데이터를 읽거나 쓰기 위해서 GATT 클라이언트는 GATT 서버로 데이터 요청을 보내게 되며, 모든 동작(Transaction)은 GATT client에서 시작되어 GATT 서버로부터 응답을 받게 된다.

블루투스 LE에서 사용하는 GATT 기반 동작 구조는 프로파일(Profile), 서비스(Service), 특성(Characteristic)에 기초하며, 상기 도 6과 같은 수직 구조를 이룰 수 있다.

상기 프로파일(Profile)은 하나 또는 그 이상의 서비스들로 구성되어 있으며, 상기 서비스는 하나 이상의 특성 또는 다른 서비스들로 구성되어 있을 수 있다.

상기 서비스(Service)는 데이터를 논리적인 단위로 나누는 역할을 하며 하나 이상의 특성(Characteristic) 또는 다른 서비스들을 포함하고 있을 수 있다.

각 서비스는 UUID(Universal Unique Identifier)라 불리는 16 bit 또는 128 bit의 구분자를 가지고 있다.

상기 특성(Characteristic)은 GATT 기반 동작 구조에서 가장 하위 단위이다. 상기 특성은 단 하나의 데이터를 포함하며, 상기 서비스와 유사하게 16 bit 또는 128 bit의 UUID를 가지고 있다.

상기 특성은 여러 가지 정보들의 값으로 정의되고, 각각의 정보를 담기 위해서 속성(Attribute) 하나씩을 필요로 한다. 상기 특성은 여러 개의 연속된 속성을 사용할 수 있다.

상기 속성(Attribute)는 네 개의 구성 요소로 이루어지며, 아래와 같은 의미를 가진다.

- handle: 속성의 주소

- Type: 속성의 유형

- Value: 속성의 값

- Permission: 속성에 대한 접근 권한

이하에서, 블루투스 LE에서 connection procedure(연결 절차)에 대해 간략히 살펴보고, 이의 일례로서, 블루투스 LE에서 객체 전송 서비스를 제공하는 방법을 살펴보기로 한다.

도 19는 블루투스 저전력 에너지 기술에서 연결 절차 방법의 일 예를 나타낸 흐름도이다.

서버는 클라이언트로 3개의 광고 채널을 통해 광고 메시지를 전송한다(S1910).

상기 서버는 Connection 전에는 광고자(Advertiser)로 호칭될 수 있고, Connection 이후에는 Master로 호칭될 수 있다. 상기 서버의 일례로, 센서들(온도 센서 등)이 있을 수 있다.

또한, 상기 클라이언트는 Connection 전에는 스캐너(Scanner)로 호칭될 수 있고, Connection 이후에는 Slave로 호칭될 수 있다. 상기 클라이언트의 일례로, 스마트폰을 들 수 있다.

살핀 것처럼, 블루투스는 2.4GHz 밴드를 통해 총 40개의 채널로 나누어 통신을 한다. 40개 채널 중 3개의 채널은 광고 채널로써, 각종 광고 패킷(Advertising Packet)을 비롯하여 Connection을 맺기 위해 주고 받는 Packet들의 교환에 이용된다.

나머지 37개의 채널들은 데이터 채널로 Connection 이후의 Data Packet 교환에 이용된다.

상기 클라이언트는 상기 광고 메시지를 수신한 후, 상기 서버로부터 추가적인 데이터(예: 서버 디바이스 이름 등)을 획득하기 위해 상기 서버로 Scan Request를 전송할 수 있다.

그러면, 상기 서버는 상기 클라이언트로 Scan Request에 대한 응답으로 나머지 데이터를 포함하여 Scan Response를 전송한다.

여기서, Scan Request와 Scan Response는 광고 패킷의 한 종류로서, 광고 패킷은 31 bytes 이하의 User Data만을 포함할 수 있다.

따라서, data의 크기가 31 bytes보다는 크지만, Connection까지 맺어서 data를 보내기에는 오버헤드가 큰 데이터가 있을 경우, Scan Request/Scan Response를 이용하여 두 번에 걸쳐서 data를 나눠 보낸다.

다음, 상기 클라이언트는 상기 서버와 블루투스 연결 설정을 위한 연결 요청(Connection Request)를 상기 서버로 전송한다(S1920).

이를 통해, 상기 서버와 클라이언트 간에 Link Layer(LL)의 연결이 확립(establish)된다.

이후, 상기 서버와 상기 클라이언트는 보안 설립 절차를 수행한다.

상기 보안 설립 절차는 Secure Simple Pairing으로 해석되거나 이를 포함하여 수행될 수 있다.

즉, 상기 보안 설립 절차는 Phase 1 단계 내지 Phase 3 단계를 거쳐 수행될 수 있다.

구체적으로, 서버와 클라이언트 간에 페어링 절차(Phase 1)를 수행한다(S1930).

상기 페어링 절차는 클라이언트가 서버로 페어링 요청(Pairing Request)을 전송하고, 서버가 클라이언트로 페어링 응답(Pairing Response)을 전송한다.

다음, Phase 2로서, 서버와 클라이언트 간에 레거시 페어링(Legacy Pairing) 또는 Secure Connections를 수행한다(S1940).

다음, SSP Phase 3으로서, 서버와 클라이언트 간에 키 분배(Key Distribution) 절차를 수행한다(S1950).

이를 통해, 서버와 클라이언트 간에 보안 연결이 확립되고, 암호화된 데이터를 송수신할 수 있게 된다.

도 20은 블루투스 저전력 에너지 기술에서 객체 전송 서비스(Object Transfer Service)를 제공하는 방법의 일 예를 나타낸 흐름도이다.

객체 전송 서비스(Object Delivery Service or Object Transfer Service)는 블루투스 통신에서 벌크 데이터(bulk data)와 같은 객체 또는 데이터를 송/수신하기 위해 BLE에서 지원하는 서비스를 말한다.

서버 디바이스와 클라이언트 디바이스 간에 블루투스 연결 설정을 위해 S810~S830 단계에 해당하는 광고 과정 및 스캐닝 과정이 진행된다.

먼저, 서버 디바이스는 객체 전송 서비스를 포함하여 상기 서버 디바이스 관련 정보를 알리기 위해 클라이언트 디바이스로 광고 메시지를 전송한다(S2010).

상기 광고 메시지는 광고 PDU(PACKet Data Unit), 광고 패킷, 광고, 광고 프래임, 광고 물리 채널 PDU 등으로 표현될 수 있다.

상기 광고 메시지는 서버 디바이스에서 제공하는 서비스 정보(서비스 이름 포함), 서버 디바이스의 이름, 제조자 데이터 등을 포함할 수 있다.

또한, 상기 광고 메시지는 브로드캐스트 방식 또는 유니캐스트(unicast) 방식으로 상기 클라이언트 디바이스로 전송될 수 있다.

이후, 상기 클라이언트 디바이스는 서버 디바이스 관련 보다 자세한 정보를 알기 위해 스캔 요청(Scan Request) 메시지를 상기 서버 디바이스로 전송한다(S2020).

상기 스캔 요청 메시지는 스캐닝(Scanning) PDU, 스캔 요청 PDU, 스캔 요청, 스캔 요청 프래임, 스캔 요청 패킷 등으로 표현될 수 있다.

이후, 상기 서버 디바이스는 상기 상기 클라이언트 디바이스로부터 수신된 스캔 요청 메시지에 대한 응답으로 스캔 응답(Scan Response) 메시지를 상기 클라이언트 디바이스로 전송한다(S2030).

상기 스캔 응답 메시지에는 상기 클라이언트 디바이스에서 요청한 서버 디바이스 관련 정보가 포함된다. 여기서, 상기 서버 디바이스 관련 정보는 객체 전송 서비스 제공과 관련하여 서버 디바이스에서 전송할 수 있는 객체 또는 데이터 등일 수 있다.

광고 과정 및 스캐닝 과정이 종료하는 경우, 상기 서버 디바이스와 상기 클라이언트 디바이스는 S2040~S2070 단계에 해당하는 연결 개시(Initiating Connection) 과정, 데이터 교환(Data Exchange) 과정을 수행한다.

구체적으로, 상기 클라이언트 디바이스는 상기 서버 디바이스와 블루투스 통신 연결을 위해 상기 서버 디바이스로 연결 요청(Connect Request) 메시지를 전송한다(S2040).

상기 연결 요청 메시지는 연결 요청 PDU, 개시(Initiation) PDU, 연결 요청 프래임, 연결 요청 등으로 표현될 수 있다.

S2040 단계를 통해, 상기 서버 디바이스와 상기 클라이언트 디바이스 간에 블루투스 연결이 확립되며, 이후 상기 서버 디바이스와 상기 클라이언트 디바이스는 데이터를 교환하게 된다. 상기 데이터 교환 과정에서 데이터는 데이터 채널 PDU를 통해 송수신될 수 있다.

상기 클라이언트 디바이스는 데이터 채널(Data Channel) PDU를 통해 객체 데이터 요청을 상기 서버 디바이스로 전송한다(S2050). 상기 데이터 채널 PDU는 데이터 요청 메시지, 데이터 요청 프래임 등으로 표현될 수 있다.

이후, 상기 서버 디바이스는 상기 클라이언트 디바이스에서 요청한 객체 데이터를 데이터 채널 PDU를 통해 상기 클라이언트 디바이스로 전송한다(S2060).

여기서, 상기 데이터 채널 PDU는 Attribute protocol에서 정의한 방식으로 상대 디바이스에게 데이터를 제공하거나 데이터 정보를 요청하기 위해 사용된다.

이후, 상기 서버 디바이스에서 데이터의 변경이 발생하는 경우, 상기 서버 디바이스는 데이터 또는 객체의 변경을 알리기 위해 상기 클라이언트 디바이스로 데이터 채널 PDU를 통해 데이터 변경 지시(Data Changed Indication) 정보를 전송한다(S2070).

이후, 상기 클라이언트 디바이스는 변경된 데이터 또는 변경된 객체를 찾기 위해 상기 서버 디바이스로 변경된 객체 정보를 요청한다(S2080).

이후, 상기 서버 디바이스는 상기 변경된 객체 정보 요청에 대한 응답으로 상기 클라이언트 디바이스로 상기 서버 디바이스에서 변경된 객체 정보를 전송한다(S2090).

이후, 상기 클라이언트 디바이스는 상기 수신된 변경된 객체 정보와 현재 상기 클라이언트 디바이스가 가지고 있는 객체 정보와 비교 분석을 통해 변경된 객체를 찾는다.

다만, 상기 클라이언트 디바이스는 변경된 객체 또는 데이터를 찾을 때까지 S2080 및 S2090 단계를 반복적으로 수행한다.

이후, 상기 호스트 디바이스와 상기 클라이언트 디바이스 간에 연결 상태가 유지될 필요가 없는 경우, 상기 호스트 디바이스 또는 상기 클라이언트 디바이스는 해당 연결 상태를 종료(Disconnect)시킬 수 있다.

도 21은 블루투스 BR/EDR 기술에서 연결 절차 방법의 일 예를 나타낸 흐름도이다.

도 21에 도시된 바와 같이, 블루투스 BR/EDR에서의 연결 절차(connection procedure)는 아래와 같은 단계들로 구성될 수 있다.

상기 연결 절차는 페어링 절차(pairing procedure)로도 표현될 수 있다.

블루투스 페어링 절차(pairing procedure)는 대기 상태(Standby State)와 연결 상태(Connected State)로만 구분된다.

블루투스 페어링이 완료된 디바이스는 상기 연결 상태(Connected State)가 되고, 접속이 종료된 장치는 대기 상태(Standby State)로 동작한다.

또한, 블루투스 디바이스들은 특정 디바이스와 연결 절차를 통해 연결 되었다가, 이후 재 연결하기 위해 재 연결 절차를 수행할 수 있다.

재 연결 절차는 연결 절차와 동일한 절차를 통해 수행될 수 있다.

구체적으로, 마스터 디바이스는 전원이 입력되면 기본적으로 대기 상태에 진입한다.

이후, 블루투스를 연결하기 위해 주변 디바이스들을 발견하기 위한 인쿼리(Inquiry) 절차(S2111)를 수행한다.

즉, 마스터 디바이스는 주변의 연결할 수 있는 디바이스(슬레이브)를 발견(Discovery)하기 위해서 인쿼리 상태(Inquiry State)가 될 수 있으며, 슬레이브 디바이스는 주변의 디바이스(마스터)가 인쿼리 상태에서 전송하는 ID 패킷을 수신하기 위해서 인쿼리 스캔 상태(Inquiry scan State)가 될 수 있다.

상기 인쿼리 상태가 된 마스터 디바이스는 주변의 연결할 수 있는 디바이스를 발견하기 위해, 일회 또는 소정 시간 간격마다 ID 패킷을 이용한 인쿼리 메시지를 전송한다.

상기 ID 패킷은 GIAC(General Inquiry Access Code) 또는 DIAC(Dedicated Inqury Access Code)일 수 있다.

슬레이브 디바이스는 마스터 디바이스가 전송한 ID 패킷인 GIAC 또는 DIAC를 수신한 후, 상기 마스터 디바이스와 블루투스 페어링을 하기 위해서, 주파수 호핑 시퀸스(Frequency Hoppinf Sequence, FHS)를 전송한다.

또한, 필요에 의해서, 전송할 데이터가 존재하는 경우 확장된 인쿼리 응답(Extended Inquiry Response, 이하 EIR이라고 한다.)를 마스터 디바이스로 전송할 수 있다.

상기 인쿼리 절차를 통해서 주변의 연결 가능한 블루투스 디바이스를 찾아내면, 페이징 절차(S2112)를 수행한다.

상기 페이징 절차(S2112)는 상기 인쿼리 절차를 통해서 주변의 연결 가능한 블루투스 디바이스를 찾아내면, 어드레스와 클럭 정보 등으로 호핑 시퀸스를 동기화하여 실제 커넥션을 수행하는 단계를 말한다.

구체적으로, 상기 페이징 절차는 (1) 마스터 디바이스가 슬레이브 디바이스로 Page를 전송하는 단계, (2) 슬레이브 디바이스가 마스터 디바이스로 Slave Page Response를 전송하는 단계, (3) 마스터 디바이스가 슬레이브 디바이스로 Master Page Response를 전송하는 단계로 구분될 수 있다.

상기 인쿼리 절차와 상기 페이징 절차가 완료되면, 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스는 보안 설립(Security Establishment) 단계(S2114)를 수행하고, 이후 L2CAP 연결 및 서비스 디스커버리(Service Discovery) 단계(S2115)를 수행한다.

상기 보안 설립 단계를 수행하기 전에, 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스는 I(Input)/O(Output) 능력을 서로 교환한다(S2113).

이는 I/O capability request와 I/O capability response를 통해 수행될 수 있다.

또한, 상기 보안 설립 단계는 후술할 Secure Simple Pairing 절차를 포함하거나 같은 의미로 해석될 수도 있다.

상기 L2CAP(Logical Link Control and Adaption Protocol)은 패킷 방식의 프로토콜로서 UDP 프로토콜과 비슷한 특징을 가지고 있다. 기본 최대 672 byte의 패킷 사이즈를 가지지만 통신이 시작되면 최대 65,535 byte까지 변경이 가능하다.

상기 L2CAP연결 및 서비스 디스커버리 단계를 수행한 후, 마스터 디바이스는 사용자로부터 입력받은 데이터를 슬레이브 디바이스로 전송할 수 있다(S2116).

이와 같은 연결 절차를 수행한 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스는 일정 시간 동안 서로 간의 데이터 교환이 없게 되면, 에너지 소모를 방지하기 위하여 슬립(Sleep) 상태로 전환되며, 연결 상태는 종료하게 된다.

이후, 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스가 다시 데이터를 송/수신하기 위해서는 재 연결 절차를 수행한다.

재 연결 절차는 앞서 살핀 연결 절차와 동일한 단계를 통해 수행될 수 있다.

도 22는 서버와 블루투스 디바이스 간의 신호 송수신 방법을 나타낸 도이다.

상기 블루투스 디바이스는 비상구에 설치된 비콘 A 타입으로, 초음파 센서를 포함한다.

먼저, 블루투스 디바이스는 블루투스 디바이스의 상태와 관련된 제 1 메시지를 서버로 전송한다.

여기서, 제 1 메시지는 Push_Beacon_A_status_dec로 표현될 수 있다.

상기 제 1 메시지는 congestion_Calc, Beacon_A_status, Beacon_A_ID, Beacon_A_position 등의 파라미터를 포함할 수 있다.

제 1 메시지의 구체적인 포맷은 도 24에서 살펴보기로 한다.

다음, 서버는 상기 블루투스 디바이스로 상기 제 1 메시지에 대한 응답으로, ACK 메시지를 전송한다.

상기 제 1 메시지와 상기 ACK 메시지는 기 설정된 횟수(N, N은 자연수)만큼 주기적으로 전송될 수 있다.

그리고, 제 1 메시지 이후 다음 제 1 메시지는 미리 설정된 시간 이후에 전송될 수 있으며, 상기 미리 설정된 시간은 일례로 7sec일 수 있다.

도 23은 본 명세서에서 제안하는 신호 송수신 방법을 나타낸 흐름도이다.

블루투스 디바이스와 초음파 센서 간의 신호 송수신이거나 초음파 센서들 간의 신호 송수신일 수 있다.

블루투스 디바이스와 초음파 센서 간의 신호 송수신으로 예를 들어 설명하고, 상기 블루투스 디바이스는 비상구에 설치되어 있으며, 초음파 센서를 포함한다고 가정한다.

초음파 센서는 앞서 살핀 내용을 바탕으로 인원 수를 카운트하고, 블루투스 디바이스로 카운트된 인원 수 값을 포함하는 제 2 메시지를 전송한다.

여기서, 제 2 메시지는 Count_the_user_value로 표현될 수 있고, 상기 제 2 메시지는 기 설정된 시간만큼 기 설정된 횟수 전송될 수 있다.

도 24는 제 1 메시지 포맷의 일례를 나타낸다.

즉, 제 1 메시지는 블루투스 디바이스가 서버로 전송하는 메시지이다.

도 24를 참고하면, 제 1 메시지는 헤더(header), 페이로드(payload) 및 CRC(cyclic redundancy check)로 구성될 수 있다.

상기 헤더는 Destination address 필드, Source address 필드, Sequence Number 필드, ACK 필드, Length 필드, CMD 필드, Payload ID 필드 등을 포함할 수 있다.

또한, 상기 페이로드는 Beacon_A_status 필드, Beacon_A_ID 필드, Beacon_A_Position 필드, Congestion_Calc 필드 등을 포함할 수 있다.

여기서, 표 4는 CMD 필드의 일례를 나타낸다.

CMD는 Beacon A에서 서버로 프로토콜을 응답, 요청하기 전에 기능들을 주소에 할당하는 것을 나타낸다.

도 25는 제 2 메시지 포맷의 일례를 나타낸다.

즉, 제 2 메시지는 초음파 센서가 블루투스 디바이스로 전송하는 메시지이다.

도 25를 참고하면, 제 2 메시지는 헤더, 페이로드 및 CRC로 구성될 수 있다.

상기 헤더는 Destination address 필드, Source address 필드, Sequence Number 필드, Length 필드, Payload ID 필드 등을 포함할 수 있다.

또한, 상기 페이로드는 Left distance 필드, Right distance 필드, dw 필드, second 필드, microsecond 필드 등을 포함할 수 있다.

이상에서 설명된 실시 예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려되어야 한다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시 예를 구성하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시 예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시 예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시 예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.

본 발명에 따른 실시 예는 다양한 수단, 예를 들어, 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 일 실시 예는 하나 또는 그 이상의 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서, 콘트롤러, 마이크로 콘트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.

펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 일 실시 예는 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차, 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리는 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.

본 발명은 본 발명의 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 상술한 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

본 발명은 블루투스 시스템에 적용되는 예를 중심으로 설명하였으나, 블루투스 시스템 이외에도 다양한 무선 통신 시스템에 적용하는 것이 가능하다.

100: 무선 통신 시스템
110: 서버 디바이스 120: 클라이언트 디바이스

Claims (4)

1. 초음파 센서(100)를 이용하여 혼잡도(Q)를 검출하기 위한 방법에 있어서,
   3개의 채널을 포함하는 초음파 센서(100)에서 제 1 방향으로 또는 제 2 방향으로의 측정 값에 기초하여 사람의 입장 또는 퇴장 여부를 판단하는 단계,
   여기서 상기 초음파 센서(100)는 복수의 통로에 각각 설치되고, 상기 제 1 방향은 제 1 채널(A)에서 제 2 채널(B)로의 방향이고, 상기 제 2 방향은 제 3 채널(C)에서 제 2 채널(B)로의 방향이고;
   상기 초음파 센서(100)에서 측정된 폭의 값(dw)과 임계값을 비교하여 상기 복수의 통로 각각에 대해 지나가는 사람의 수를 계산하는 단계; 및
   상기 사람의 입장 또는 퇴장 여부와, 상기 사람의 수에 기초하여 상기 복수의 통로 각각에 대해 혼잡도(Q)를 검출하는 단계를 포함하고,
   상기 혼잡도(Q)는 입장 혼잡도와 퇴장 혼잡도를 포함하고,
   상기 입장 혼잡도는 측정을 원하는 시간대 내의 각 시간 구간별로 상기 초음파 센서(100)를 입장하는 방향으로 통과하는 최대 인원수의 평균값이고,
   상기 퇴장 혼잡도는 측정을 원하는 시간대 내의 각 시간 구간별로 상기 초음파 센서(100)를 퇴장하는 방향으로 통과하는 최대 인원수의 평균값인 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제 1 방향으로의 측정 값이 0이 아닌 경우, 사람의 입장으로 판단하고, 상기 제 2 방향으로의 측정 값이 0이 아닌 경우, 사람의 퇴장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 초음파 센서(100)에서 측정된 폭의 값은 기 설정된 최소값보다 크고, 기 설정된 최대값보다 작은 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 혼잡도(Q)는 아래 수학식에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 방법.
   

   

   
   R은 측정을 원하는 시간대 내의 각 시간 구간의 수를 나타내며, M(t)는 측정을 원하는 시간대 내의 특정 시간 구간에서 측정된 값들 중 최대값을 인원 수로 변환한 값을 나타냄.

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