KR20110018670A - 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템 및 그 풍향 제어 방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템 및 그 풍향 제어 방법 Download PDF

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KR20110018670A
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박귀태
임재훈
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템 및 그 풍향 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 공기조화 시스템은 상기 무선 센서 네트워크 상에 연결되며, 온도값 및 습도값를 포함하는 노드 환경값을 각각 감지하는 복수의 센서 노드와, 바람을 송풍하는 송풍부와, 상기 송풍부로부터 송풍되는 바람의 방향을 조절하는 풍향 조절부와, 상기 각 센서 노드에 의해 감지된 상기 노드 환경값을 수신하는 무선 수신부와, 상기 송풍부 및 상기 풍향 조절부를 제어하는 메인 제어부를 갖는 공조기기를 포함하며; 상기 메인 제어부는, 상기 무선 수신부를 통해 수신된 상기 각 센서 노드에 대한 상기 노드 환경값 각각에 대해 퍼지 로직(Fuzzy logic)을 적용하여 상기 각 센서 노드에 대한 퍼지 결과값들을 추출하여 상기 복수의 센서 노드에 대한 우선 순위를 결정하며, 상기 우선 순위에 따라 상기 송풍부로부터 송풍되는 바람의 방향이 결정되도록 상기 풍향 조절부를 제어하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 무선 센서 네트워크에 연결된 복수의 센서 노드에 의해 감지된 온도값 및 습도값을 포함하는 노드 환경값에 따라 공조기기로부터 송풍되는 바람의 풍향을 제어하여 실내 공간 내의 위치에 따른 편차를 최소화함으로써, 실내 환경이 실내 공간 전체적으로 균일하게 쾌적한 상태를 유지할 수 있게 된다.

Description

무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템 및 그 풍향 제어 방법{AIR CONDITIONING SYSTEM USING WIRELESS SENSOR NETWORK AND WIND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템 및 그 풍향 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선 센서 네트워크에 연결된 복수의 센서 노드에 의해 감지된 온도값 및 습도값을 포함하는 노드 환경값에 따라 공조기기로부터 송풍되는 바람의 풍향을 제어하여 보다 쾌적한 실내 환경을 조성할 수 있는 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템 및 그 풍향 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 공기기기(Air conditioner)는 실내의 냉방 또는 난방을 목적으로 사용되는 장치로, 냉매가 순환되는 냉동사이클이 적용되어 액체 상태의 냉매가 기화될 때에 주위의 열을 흡수하고 액화될 때 그 열을 방출하는 특성에 의해 열교환된 공기, 즉 냉기 또는 온기를 토출하여 실내 온도를 조절하는 장치이다.
공조기기는 일반 가정에서 사용하는 실내 에어컨이나 큰 강당 등에 사용되는 고용량 에어컨과 같이 주변에서 쉽게 접할 수 있을 정도로 현대 사회에서 필수적인 생활용품으로 자리매김하고 있으며, 단순하게 실내 온도를 높이거나 낮추는 기능을 넘어서, 인간이 가장 쾌적함을 느낄 수 있는 실내 환경을 조성하기 위한 장치로 진화되고 있으며, 보다 쾌적한 실내 환경을 조성할 수 있는 공조기기에 대한 사용자의 요구는 지속적으로 증가하고 있다.
이에 본 발명은 무선 센서 네트워크에 연결된 복수의 센서 노드에 의해 감지된 온도값 및 습도값을 포함하는 노드 환경값에 따라 공조기기로부터 송풍되는 바람의 풍향을 제어하여 실내 공간 내의 위치에 따른 편차를 최소화함으로써, 실내 환경이 실내 공간 전체적으로 균일하게 쾌적한 상태를 유지할 수 있게 하는 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템 및 그 풍향 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템에 있어서, 상기 무선 센서 네트워크 상에 연결되며, 온도값 및 습도값를 포함하는 노드 환경값을 각각 감지하는 복수의 센서 노드와, 바람을 송풍하는 송풍부와, 상기 송풍부로부터 송풍되는 바람의 방향을 조절하는 풍향 조절부와, 상기 각 센서 노드에 의해 감지된 상기 노드 환경값을 수신하는 무선 수신부와, 상기 송풍부 및 상기 풍향 조절부를 제어하는 메인 제어부를 갖는 공조기기를 포함하며; 상기 메인 제어부는, 상기 무선 수신부를 통해 수신된 상기 각 센서 노드에 대한 상기 노드 환경값 각각에 대해 퍼지 로직(Fuzzy logic)을 적용하여 상기 각 센서 노드에 대한 퍼지 결과값들을 추출하여 상기 복수의 센서 노드에 대한 우선 순위를 결정하며, 상기 우선 순위에 따라 상기 송풍부로부터 송풍되는 바람의 방향이 결정되도록 상 기 풍향 조절부를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 메인 제어부는 상기 각 센서 노드에 대한 상기 노드 환경값 각각에 대해 맥스-민 컴포지션(Max-Min composition) 방식을 적용하여 상기 각 센서 노드에 대한 상기 퍼지 결과값들을 추출할 수 있다.
그리고, 상기 메인 제어부는, 상기 노드 환경값 중 상기 온도값을 3 단계로 구분하고, 상기 습도값을 3단계로 구분하여 상기 퍼지 로직(Fuzzy logic)의 멤버쉽 함수(Membership function)를 설정할 수 있다.
한편, 상기 목적은 본 발명의 다른 실시 형태에 따라, 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템의 풍향 제어 방법에 있어서, 상기 무선 센서 네트워크 상에 연결된 복수의 센서 노드에 의해 온도값 및 습도값을 포함하는 노드 환경값이 감지되는 단계와; 상기 각 센서 노드에 의해 감지된 상기 노드 환경값이 공조기기로 전송되는 단계와; 상기 각 센서 노드에 대한 상기 노드 환경값 각각에 대해 퍼지 로직이 적용되어 상기 각 센서 노드에 대한 퍼지 결과값들이 추출되는 단계와; 상기 추출된 퍼지 결과값들에 기초하여 상기 복수의 센서 노드에 대한 우선 순위가 결정되는 단계와; 상기 우선 순위에 따라 상기 공조기기로부터 송풍되는 바람의 방향이 결정되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템의 풍향 제어 방법에 의해서도 달성될 수 있다.
여기서, 상기 퍼지 결과값들을 산출하는 단계에서는 상기 각 센서 노드에 대한 상기 노드 환경값 각각에 대해 맥스-민 컴포지션(Max-Min composition) 방식이 적용될 수 있다.
그리고, 상기 퍼지 결과값들을 산출하는 단계에서는 상기 노드 환경값 중 상기 온도값을 3 단계로 구분하고, 상기 습도값을 3단계로 구분하여 상기 퍼지 로직(Fuzzy logic)의 멤버쉽 함수(Membership function)를 설정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 무선 센서 네트워크에 연결된 복수의 센서 노드에 의해 감지된 온도값 및 습도값을 포함하는 노드 환경값에 따라 공조기기로부터 송풍되는 바람의 풍향을 제어하여 실내 공간 내의 위치에 따른 편차를 최소화함으로써, 실내 환경이 실내 공간 전체적으로 균일하게 쾌적한 상태를 유지할 수 있게 하는 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템 및 그 풍향 제어 방법이 제공된다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 공기조화 시스템의 구성을 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 공기조화 시스템은 복수의 센서 노드(10a,10b,10c,10d)와 공조기기(30)를 포함한다.
본 발명에 따른 복수의 센서 노드(10a,10b,10c,10d)와 공조기기(30)는 무선 센서 네트워크를 구성하여 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)에서 검출된 감지 결과가 무선 네트워크를 통해 공조기기(30)로 전송되며, 공조기기(30)가 무선 센서 네트워크 상의 비콘 노드(Beacon node) 또는 베이스 스테이션(Base station)의 기능을 수행한다.
여기서, 본 발명에서는 복수의 센서 노드(10a,10b,10c,10d)와 공조기기(30)로 구성된 무선 센서 네트워크가 IEEE802.15.4 기반의 지그비 프로토콜(ZigBee protocol)을 이용하며, 20~250kbps의 주파수 대역을 사용하는 것을 예로 한다.
한편, 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)는 본 발명에 따른 공기조화 시스템이 설치된 실내 공간의 주요 위치들에 각각 설치된다. 도 2에서는 평면이 사각 형태의 실내 공간에 4개의 센서 노드(10a,10b,10c,10d)가 실내 공간의 4 모서리 영역에 각각 설치되는 것을 일 예로 하고 있다.
그리고, 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)는 주변 환경에 대한 노드 환경값을 감지한다. 여기서, 노드 환경값은 실내 환경을 평가하는데 영향을 미칠 수 있는 요소들, 예를 들어, 온도, 습도, 사람의 움직임 여부, 채광 정도 등을 포함할 수 있으며, 본 발명에서는 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d) 주변의 온도값 및 습도값이 노드 환경값으로 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)에 의해 감지되는 것을 일 예로 한다.
즉, 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)는 온도 및 습도를 감지하도록 마련되고, 감지된 온도값 및 습도값을 무선 네트워크를 통해 공조기기(30)로 전송한다. 이하에서는 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)에 의해 감지되는 노드 환경값이 온도값과 습도값인 것을 예로 하여 설명한다.
공조기기(30)는 복수의 센서 노드(10a,10b,10c,10d)와 무선 센서 네트워크를 구성하여, 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)로부터 온도값 및 습도값을 수신한다. 그리고, 공조기기(30)는 수신된 온도값 및 습도값에 기초하여, 공조기기(30)로부터 송풍되는 바람의 풍향을 결정한다.
도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 공조기기(30)는 송풍부(34), 풍향 제어부, 무선 수신부(32) 및 메인 제어부(31)를 포함할 수 있다.
무선 수신부(32)는 무선 네트워크를 통해 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)로부터 온도값 및 습도값을 수신한다. 여기서, 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)는 온도값 및 습도값을 전송할 때 자신에게 부여된 아이디(ID)에 대한 정보를 함께 전송하며, 무선 수신부(32)는 아이디에 따라 센서 노드(10a,10b,10c,10d)를 구별한다.
송풍부(34)는 공조기기(30) 외부로 바람을 송풍한다. 여기서, 송풍부(34)는 냉동 사이클의 동작을 위한 압축기(미도시)를 구동하는 압축기 구동부(34b)와, 냉동 사이클의 동작에 따라 발생한 냉기(또는 온기)를 공조기기(30) 외부로 송풍하기 위한 송풍팬(34a)을 포함할 수 있다.
풍향 조절부(33)는 송풍부(34)에 의해 공조기기(30) 외부로 송풍되는 바람의 방향을 조절한다. 여기서, 풍향 조절부(33)는 공조기기(30) 외부로 송풍되는 바람의 방향을 조절할 수 있는 다양한 구조로 마련될 수 있다. 예컨대, 풍향 조절부(33)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 바람이 공조기기(30) 외부로 송풍되는 송풍구에 설치된 루버와, 바람의 방향이 조절되도록 루버를 상하 및/또는 좌우로 회동시키는 구동 모터(미도시)를 포함할 수 있다.
메인 제어부(31)는 바람의 세기나 온도가 조절되도록 송풍부(34)를 제어하고, 바람의 방향이 조절되도록 풍향 조절부(33)를 제어한다. 여기서, 본 발명에 따른 메인 제어부(31)는 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)로부터 무선 수신부(32)를 통해 수신되는 온도값 및 습도값에 기초하여 바람의 방향이 조절되도록 풍향 조절부(33)를 제어한다.
이하에서는 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 메인 제어부(31)가 온도값 및 습도값에 기초하여 바람의 방향을 조절하는 과정에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)가 주변 온도값 및 습도값을 감지하여 무선 네트워크를 통해 공조기기(30)로 전송하고(S40), 공조기기(30)는 무선 수신부(32)를 통해 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)로부터 전송되는 온도값 및 습도값을 수신한다(S10).
그런 다음, 공조기기(30)의 메인 제어부(31)는 무선 수신부(32)를 통해 수신된 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)로부터의 온도값 및 습도값에 기초하여, 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)별로 해당 온도값 및 습도값에 대해 퍼지 로직(Fuzzy logic)을 적용하여(S42) 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)별로 퍼지 출력값을 추출한다(S43).
여기서, 본 발명에서는 퍼지 로직(Fuzzy logic)의 여러 퍼지 세트 간의 관계를 보기 위한 방식 중 맥스-민 컴포지션(Max-Min composition) 방식을 적용하는 것을 일 예로 한다.
맥스-민 컴포지션(Max-Min composition) 방식은 서로 다른 영역의 대상의 입력(Input)들을 주어진 규칙(Rule)에 의해 대입하고, 그 결과가 특정 출력(Output)으로 나오는가를 확인하기 위한 방식으로 [수학식 1]과 같이 정의된다.
[수학식 1]
Figure 112009050399289-PAT00001
상기 [수학식 1]은 입력이 2개인 경우를 예로 한 것으로, P와 Q가 입력이 되고, 본 발명에서는 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)에 대한 온도값 및 습도값이 된다. 그리고, x와 y는 각각 입력에서의 가로축을 나타내고, y가 퍼지 로직(Fuzzy logic)의 멤버쉽 함수(Membership function) 값인 세로축을 의미한다. 여기서, 입력이 3개 이상인 경우, 즉 본 발명에서 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)에서 감지되어 전송되는 노드 환경값이 온도값 및 습도값 외에 상술한 바와 같이 채광 정도나 사람의 움직임에 대한 정보값을 더 포함하는 경우, 상기 [수학식 1]의 확장을 통해 사용 가능하다.
또한, 본 발명에서는 퍼지 로직(Fuzzy logic)을 적용하는데 있어 온도값과 습도값을 각각 3단계로 나누고, 각각의 조합에 대하여 5단계의 결과를 설정하는 것을 예로 하고 있다. [표 1]은 3단계로 나누어진 온도값 및 습도값의 조합에 따른 5 단계의 결과를 나타낸 테이블이다.
[표 1]
Figure 112009050399289-PAT00002
상기 [표 1]에 기초하여 멤버쉽 함수(Membership function)가 설정된다. 본 발명에서는 멤버쉽 함수(Membership function)로 가우시안 함수(Gaussian fuction)가 사용되는 것을 일 예로 한다. 그리고, 온도값은 10~30℃ 사이의 범위를 3 단계로 멤버쉽 함수(Membership function)를 분할하고, 습도값은 50~100 사이의 범위를 3단계로 멤버쉽 함수(Membership function)를 분할하는 것을 예로 한다. 그리고, 퍼지 결과값은 0~10 사이의 값을 두어 5 단계로 구분하는 것을 예로 한다.
도 5의 (a)는 습도값에 대한 멤버쉽 함수(Membership function)를 도시한 도면이고, 도 5의 (b)는 온도값에 대한 멤버쉽 함수(Membership function)를 도시한 도면이고, 도 6은 퍼지 결과값에 대한 멤버쉽 함수(Membership function)를 도시한 도면이다.
다시 도 4를 참조하여 설명하면, 상기와 같은 과정을 통해 모든 센서 노 드(10a,10b,10c,10d)에 대하여 해당 온도값 및 습도값을 입력으로 퍼지 로직(Fuzzy logic)의 적용이 완료되면(S44), 메인 제어부(31)는 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)에 대해 추출된 퍼지 결과값들에 기초하여 센서 노드(10a,10b,10c,10d)들에 대한 우선 순위를 결정한다(S45). 여기서, 우선 순위는, 상기 [표 1] 및 도 6에 도시된 바와 같이, Urgent > Little Urgent > Moderate > Little Idle > Idle의 순으로 결정된다.
그리고, 메인 제어부(31)는 우선 순위에 따라 송풍부(34)로부터 송풍되는 바람의 방향이 결정되도록 풍향 조절부(33)를 제어하는데, 실내 공간에서 최우선 순위에 해당하는 센서 노드(10a,10b,10c,10d)가 설치된 방향으로 송풍부(34)로부터의 바람이 전달되도록 풍향 조절부(33)를 제어하게 된다(S46).
상기와 같이, 무선 센서 네트워크를 구성하는 복수의 센서 노드(10a,10b,10c,10d)를 공조기기(30)가 설치된 실내 공간의 요소요소의 위치에 설치하고, 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)에 의해 감지된 노드 환경값, 예컨대 온도값 및 습도값에 퍼지 로직(Fuzzy logic)을 적용하여 각 센서 노드(10a,10b,10c,10d)에 대한 우선 순위를 결정하고, 우선 순위에 따라 공조기기(30)로부터 송풍되는 바람의 풍향을 제어함으로써, 실내 공간 내의 위치에 따른 온도 및 습도의 편차를 해소할 수 있게 된다. 따라서, 실내 환경이 실내 공간 전체적으로 균일하게 쾌적한 상태를 유지할 수 있게 되어 사용자가 실내 공간 내에서의 위치에 무관하게 쾌적함을 느낄 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발 명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 공기조화 시스템의 구성을 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명에 따른 공조기기의 구성을 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 공기조화 시스템의 풍향 제어 방법을 설명하기 위한 도면이고,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 공기조화 시스템에 적용되는 퍼지 로직(Fuzzy logic)의 멥버쉽 함수(Membership function)의 예들을 도시한 도면이다.
<도면의 주요 번호에 대한 설명>
10a,10b,10c,10d : 센서 노드
30 : 공조기기 31 : 메인 제어부
32 : 무선 수신부 33 : 풍향 조절부
34 : 송풍부

Claims (6)

  1. 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템에 있어서,
    상기 무선 센서 네트워크 상에 연결되며, 온도값 및 습도값를 포함하는 노드 환경값을 각각 감지하는 복수의 센서 노드와,
    바람을 송풍하는 송풍부와, 상기 송풍부로부터 송풍되는 바람의 방향을 조절하는 풍향 조절부와, 상기 각 센서 노드에 의해 감지된 상기 노드 환경값을 수신하는 무선 수신부와, 상기 송풍부 및 상기 풍향 조절부를 제어하는 메인 제어부를 갖는 공조기기를 포함하며;
    상기 메인 제어부는,
    상기 무선 수신부를 통해 수신된 상기 각 센서 노드에 대한 상기 노드 환경값 각각에 대해 퍼지 로직(Fuzzy logic)을 적용하여 상기 각 센서 노드에 대한 퍼지 결과값들을 추출하여 상기 복수의 센서 노드에 대한 우선 순위를 결정하며, 상기 우선 순위에 따라 상기 송풍부로부터 송풍되는 바람의 방향이 결정되도록 상기 풍향 조절부를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메인 제어부는 상기 각 센서 노드에 대한 상기 노드 환경값 각각에 대해 맥스-민 컴포지션(Max-Min composition) 방식을 적용하여 상기 각 센서 노드에 대한 상기 퍼지 결과값들을 산출하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메인 제어부는,
    상기 노드 환경값 중 상기 온도값을 3 단계로 구분하고, 상기 습도값을 3단계로 구분하여 상기 퍼지 로직(Fuzzy logic)의 멤버쉽 함수(Membership function)를 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템.
  4. 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템의 풍향 제어 방법에 있어서,
    상기 무선 센서 네트워크 상에 연결된 복수의 센서 노드에 의해 온도값 및 습도값을 포함하는 노드 환경값이 감지되는 단계와;
    상기 각 센서 노드에 의해 감지된 상기 노드 환경값이 공조기기로 전송되는 단계와;
    상기 각 센서 노드에 대한 상기 노드 환경값 각각에 대해 퍼지 로직이 적용되어 상기 각 센서 노드에 대한 퍼지 결과값들이 추출되는 단계와;
    상기 추출된 퍼지 결과값들에 기초하여 상기 복수의 센서 노드에 대한 우선 순위가 결정되는 단계와;
    상기 우선 순위에 따라 상기 공조기기로부터 송풍되는 바람의 방향이 결정되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시 스템의 풍향 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 퍼지 결과값들을 산출하는 단계에서는 상기 각 센서 노드에 대한 상기 노드 환경값 각각에 대해 맥스-민 컴포지션(Max-Min composition) 방식이 적용되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템의 풍향 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 퍼지 결과값들을 산출하는 단계에서는 상기 노드 환경값 중 상기 온도값을 3 단계로 구분하고, 상기 습도값을 3단계로 구분하여 상기 퍼지 로직(Fuzzy logic)의 멤버쉽 함수(Membership function)를 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크를 이용한 공기조화 시스템의 풍향 제어 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101231282B1 (ko) * 2011-05-24 2013-02-07 한양대학교 에리카산학협력단 유비쿼터스 센서 네트워크 기반의 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템 및 방법

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KR101231282B1 (ko) * 2011-05-24 2013-02-07 한양대학교 에리카산학협력단 유비쿼터스 센서 네트워크 기반의 무선 덕트 영역 네트워크 제공 시스템 및 방법

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