KR20110069264A - 무선 센서 네트워크에서의 전력 충전장치 및 방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크에서의 전력 충전장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 센서 노드 간의 무선 채널을 통해 전력을 충전하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일실시 예에 따른 센서 네트워크에서 종속 센서 노드가 내부 배터리를 충전하는 방법은, 주 센서 노드와의 스캔 절차에서 시간당 충전 가능 전력량을 예측하는 과정; 상기 주 센서 노드의 존재를 인지한 후 상기 주 센서 노드로의 결합을 요청하는 결합 요청 메시지를 통해 상기 예측한 시간당 충전 가능 전력량을 전송하는 과정; 내부 배터리의 전력 레벨이 충전이 요구되는 상황이면, 상기 주 센서 노드로 충전을 요청하여 무선 충전을 수행하는 과정; 상기 무선 충전이 수행되는 동안 소정 주기에 의해 상기 무선 충전에 의해 변화되는 상기 내부 배터리의 전력 레벨을 상기 주 센서 노드로 보고하는 과정; 및 상기 주 센서 노드로 보고된 전력 레벨이 미리 결정된 전력 레벨에 도달할 시에 상기 무선 충전을 중단하는 과정을 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 무선 채널을 통해 전력을 지속적으로 충전하여 센서 노드의 수명을 연장시킬 수가 있다.
무선 센서 네트워크, 센서 노드, 배터리, 충전

Description

무선 센서 네트워크에서의 전력 충전장치 및 방법{Apparatus and method for supplying power in a wireless sensor network}
본 발명은 무선 센서 네트워크에서의 전력 충전장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 무선 센서 노드 간의 무선 채널을 통해 전력을 충전하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로 무선 센서 네트워크는 이벤트, 표적 감지, 모니터링, 추적 등과 같은 폭넓은 응용 분야에 적용되고 있다. 이러한 응용 분야에서는 대량의 센서 노드가 밀집해서 배치되기 때문에 계획적으로 설계될 필요가 있다. 즉 에드-훅(ad-hoc)을 통해 각 센서 노드별로 관리 지역이 보장되어야 한다.
특히 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network: USN)란, 사물에 대한 인식정보 또는 주변의 환경정보를 감지할 수 있는 센서가 탑재된 센서 노드를 통해 무선 센서 네트워크를 구성하고, 다양한 센서들을 통해 입력되는 정보를 실시간으로 네트워크를 통해 외부와 연결하여 정보를 처리하고 관리하는 네트워크 시스 템을 의미한다.
이러한 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드들은 외부로부터 동작 전원을 공급받을 수 없는 위치에 설치되는 것이 통상적이다. 따라서 센서 네트워크에 있어서는 센서 노드들의 경우에는 네트워크를 구성한 후 배터리 소모가 끝나면 더 이상 사용하지 못하거나, 태양전지, 진동 등 독자적인 충전 방식을 이용하여 사용하는 경우가 대부분이다.
이러한 점들로 인해 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드의 소모 전력을 최소화하면서 외부로부터 전력을 공급할 수 있는 방안 마련이 절실하다고 할 것이다.
따라서 본 발명의 목적은, 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드에 구비된 배터리를 충전하고, 상기 센서 노드의 동작에 따른 소모 전력을 최소화하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
그 외의 본 발명에서 제공하고자 하는 목적은, 하기의 설명 및 본 발명의 실시 예들에 의하여 파악될 수 있다.
이를 위하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 주 센서 노드(Master Sensor Node)와 상기 주 센서 노드와 결합하는 적어도 하나의 종속 센서 노드(Slave Sensor Node)를 구비하는 센서 네트워크에서 종속 센서 노드가 내부 배터리를 충전하는 방법은, 상기 주 센서 노드와의 스캔 절차에서 시간당 충전 가능 전력량을 예측하는 과정; 상기 주 센서 노드의 존재를 인지한 후 상기 주 센서 노드로의 결합을 요청하는 결합 요청 메시지를 통해 상기 예측한 시간당 충전 가능 전력량을 전송하는 과정; 내부 배터리의 전력 레벨이 충전이 요구되는 상황이면, 상기 주 센서 노드로 충전을 요청하여 무선 충전을 수행하는 과정; 상기 무선 충전이 수행되는 동안 소정 주기에 의해 상기 무선 충전에 의해 변화되는 상기 내부 배터리의 전력 레벨을 상기 주 센서 노드로 보고하는 과정; 및 상기 주 센서 노드로 보고된 전력 레벨이 미리 결정된 전력 레벨에 도달할 시에 상기 무선 충전을 중단하는 과정을 포함한다.
상기 내부 배터리의 전력 레벨은 완충 상태, 일반 상태, 충전 필요 상태, 위험 상태로 분류되며, 상기 내부 배터리의 전력 레벨이 충전 필요 상태와 비상 상태일 경우에 충전이 요구되는 상황이라 판단할 수 있다.
상기 미리 결정된 전력 레벨은 완충 상태와 일반 상태 중 하나일 수 있다.
상기 내부 배터리의 전력 레벨이 충전 필요 상태인 경우에는 상기 주 센서 노드와의 데이터 통신을 수행하면서 상기 무선 충전을 수행하며, 상기 내부 배터리의 전력 레벨이 위험 상태인 경우에는 최소한으로 전력을 소비하는 대기 모드에서 상기 무선 충전을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 주 센서 노드 (Master Sensor Node)와 상기 주 센서 노드와 결합하는 적어도 하나의 종속 센서 노드(Slave Sensor Node)를 구비하는 센서 네트워크에서 상기 주 센서 노드에 의한 종속 센서 노드의 내부 배터리 충전방법은, 스캔 절차를 통해 임의의 종속 센서 노드의 존재를 인지한 후 상기 임의의 종속 센서 노드로부터 예측된 시간당 충전 가능 전력량을 포함하는 결합 요청 메시지를 수신하는 과정; 상기 적어도 하나의 종속 센서 노드로부터 보고된 시간당 충전 가능 전력량에 의해 전력 테이블을 생성하는 과정; 상기 적어도 하나의 종속 센서 노드로부터 충전 요청이 접수되면 상기 생성된 전력 테이블을 기반으로 해당 종속 센서 노드에 대한 무선 충전을 수행하는 과정; 상기 무선 충전이 수행되고 있는 종속 센서 노드로부터 소정 주기로 상기 무선 충전에 의해 변화되는 내부 배터리의 전력 레벨을 보고받아 상기 전력 테이블을 갱신하는 과정; 및 상기 무선 충전이 수행되고 있는 종속 센서 노드로부터 보고된 전력 레벨이 미리 결정된 전력 레벨에 도달하였다고 판단되면 상기 무선 충전을 중단하는 과정을 포함한다.
상기 내부 배터리의 전력 레벨은 완충 상태, 일반 상태, 충전 필요 상태, 위험 상태로 분류되며, 상기 내부 배터리의 전력 레벨이 충전 필요 상태와 비상 상태일 경우에 충전이 요구될 수 있다.
상기 미리 결정된 전력 레벨은 완충 상태와 일반 상태 중 하나일 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 주 센서 노드 (Master Sensor Node)와 상기 주 센서 노드와 결합하는 적어도 하나의 종속 센서 노드(Slave Sensor Node)를 구비하는 센서 네트워크에서 내부 배터리를 충전하는 종속 센서 노드는, 상기 주 센서 노드와의 스캔 절차에서 시간당 충전 가능 전력량을 예측하고, 내부 배터리의 전력 레벨이 충전이 요구되는 상황에서 상기 주 센서 노드에 의한 무선 충전을 수행하는 무선 충전 수신 모듈; 및 상기 주 센서 노드의 존재를 인지한 후 상기 주 센서 노드로의 결합을 요청하는 결합 요청 메시지를 통해 상기 예측한 시간당 충전 가능 전력량을 전송하고, 상기 내부 배터리의 전력 레벨이 충전이 요구되는 상황에서 상기 주 센서 노드로 충전을 요청하며, 상기 무선 충전이 수행되는 동안 소정 주기에 의해 상기 무선 충전에 의해 변화되는 상기 내부 배터리의 전력 레벨을 상기 주 센서 노드로 보고함으로써 상기 변화된 전력 레벨이 미리 결정된 전력 레벨에 도달할 시에 상기 무선 충전을 중단하는 송/수신부를 포함한다.
상기 내부 배터리의 전력 레벨은 완충 상태, 일반 상태, 충전 필요 상태, 위 험 상태로 분류되며, 상기 내부 배터리의 전력 레벨이 충전 필요 상태와 비상 상태일 경우에 충전이 요구되는 상황이라 판단할 수 있다.
상기 미리 결정된 전력 레벨은 완충 상태와 일반 상태 중 하나일 수 있다.
상기 내부 배터리의 전력 레벨이 충전 필요 상태인 경우에는 상기 주 센서 노드와의 데이터 통신을 수행하면서 상기 무선 충전을 수행하며, 상기 내부 배터리의 전력 레벨이 위험 상태인 경우에는 최소한으로 전력을 소비하는 대기 모드에서 상기 무선 충전을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 주 센서 노드 (Master Sensor Node)와 상기 주 센서 노드와 결합하는 적어도 하나의 종속 센서 노드(Slave Sensor Node)를 구비하는 센서 네트워크에서 종속 센서 노드의 내부 배터리를 충전하기 위한 상기 주 센서 노드는, 스캔 절차를 통해 임의의 종속 센서 노드의 존재를 인지한 후 상기 임의의 종속 센서 노드로부터 예측된 시간당 충전 가능 전력량을 포함하는 결합 요청 메시지를 수신하고, 상기 적어도 하나의 종속 센서 노드로부터 보고된 시간당 충전 가능 전력량에 의해 전력 테이블을 생성하며, 무선 충전이 수행되고 있는 종속 센서 노드로부터 소정 주기로 상기 무선 충전에 의해 변화되는 내부 배터리의 전력 레벨을 보고받아 상기 전력 테이블을 갱신하는 제어부; 상기 스캔 절차와 종속 센서 노드로의 데이터 전송 및 상기 적어도 하나의 종속 센서 노드로부터의 충전 요청 접수 각각에 대응하여 상기 생성된 전력 테이블을 기반으로 해당 종속 센서 노드에 대한 무선 충전을 위한 전력을 공급하는 무선 충전 송신 모듈; 및 상기 무선 충전이 수행되고 있는 종속 센서 노드로부터 보고된 전력 레벨이 미리 결정된 전력 레벨에 도달하였다고 판단되면 상기 무선 충전이 수행되고 있는 종속 센서 노드로 활성화 요청 메시지를 전송하는 웨이크-업 무선 주파수부를 포함한다.
상기 내부 배터리의 전력 레벨은 완충 상태, 일반 상태, 충전 필요 상태, 위험 상태로 분류되며, 상기 내부 배터리의 전력 레벨이 충전 필요 상태와 비상 상태일 경우에 충전 요청이 접수될 수 있다.
상기 미리 결정된 전력 레벨은 완충 상태와 일반 상태 중 하나일 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 클러스터 토폴로지로 구성된 무선 센서 네트워크에서 다수 경로로 인해 클러스터 헤드 센서 노드로 전달되는 동일 데이터를 효율적으로 처리함으로써, 상기 클러스터 헤드 센서 노드에서의 무선 전송 횟수를 줄일 수 있다. 이는 상기 클러스터 헤드 센서 노드에서의 에너지의 낭비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 클러스터 헤드 센서 노드의 수명을 연장시킬 수가 있다.
한편 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 그리고 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 된 용어들로서 이는 사용자 및 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
후술될 본 발명은, 무선 충전 시에 거리가 증가하면 충전 량이 감소하는 특징을 고려하여 무선 충전 방식을 이용하는 센서 네트워크를 운영하는 방안을 마련하고자 한다. 이를 위해 종속 센서 노드 (Slave Sensor Node)에 구비된 배터리의 상태를 4단계로 구분하여 주 센서 노드 (Master Sensor Node)로 하여금 필요에 따라 무선 전력 충전이 이루어지도록 한다. 이때 무선 충전 효율을 최대한 높이고, 기존의 Zigbee 및 IEEE802.15.4와의 호환성이 최대한 유지될 수 있도록 한다.
그리고 본 발명에서 제안하는 새로운 프로토콜을 기반으로 하여도 센서 네트워크가 가지는 특징을 그대로 살릴 수 있도록 한다. 이를 위해 주 센서 노드 및 종속 센서 노드에서 통신을 위한 메시지 절차 및 충전 과정에 대해 구체적으로 설명할 것이다. 또한 본 발명을 통해 장기간 운영이 가능한 센스 네트워크를 운영할 수 있도록 하여, 실내외의 다양한 응용의 적용을 할 수 있도록 한다.
먼저 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 사용될 용어들을 정의하면 다음과 같다.
주 센서 노드 (Master Sensor Node): 무선 센서 네트워크를 구성하는 하나의 센서 노드로서, 소정의 서비스 영역 내에 존재하는 종속 센서 노드와의 데이터 송/수신 및 상기 종속 센서 노드에 대한 무선 전력 충전을 위한 전력을 공급함.
종속 센서 노드 (Slave Sensor Node): 무선 센서 네트워크를 구성하는 하나의 센서 노드로서, 특정 주 센서 노드와의 데이터 송/수신 및 상기 특정 주 센서 노드로부터 공급되는 전력을 이용하여 내부 배터리의 전력을 충전함.
스캔 단계 (Scan Phase): 주 센서 노드와 종속 센서 노드 상호간에 그 존재를 인식하기 위한 절차를 수행하는 단계.
결합 단계 (Association Phase): 상호간의 인식이 이루어진 주 센서 노드와 종속 센서 노드 간에 결합을 위한 절차를 수행하는 단계.
데이터 송/수신 및 충전 단계: 결합이 이루어진 주 센서 노드와 종속 센서 노드 간에 데이터를 송신 및 수신하며, 상기 주 센서 노드에 의해 공급되는 전력에 의해 상기 종속 센서 노드에 구비된 배터리를 충전하는 절차를 수행하는 단계.
슬립 모드 (Sleep Mode): 센서 노드의 배터리 충전 상태가 즉시 충전이 필요한 위험 상태인 경우 수행되는 최소한의 전력을 소비하는 동작 상태로써, 외부의 인터럽트에 의해 깨어나기 위한 기능만을 수행할 수 있을 정도의 동작 상태를 의미함.
활성 모드 (Active Mode): 센서 노드가 배터리의 충전 상태가 정상 동작이 가능한 상태인 경우에 센서 노드에서 수행하는 동작 모드.
한편 후술될 본 발명의 실시예는 센서 노드에 구비된 배터리의 상태를 완충 상태 (FULL STATUS), 일반 상태 (NORMAL STATUS), 충전 필요 상태 (NEED STATUS) 및 위험 상태 (EMERGENCY STATUS)인 네 개의 단계로 구분하고, 상기 충전 필요 상태와 위험 상태인 센서 노드를 대상으로 하여 무선 전력 충전에 의한 배터리 충전 이 이루어질 수 있도록 한다.
이를 위해 센서 노드는 스캔 단계에서 상위 센서 노드로부터 공급되는 전력에 의해 시간당 충전 가능 전력량을 예측하고, 이를 상위 센서 노드로 전달한다. 또한 상기 센서 노드는 주기적으로 자신의 배터리 상태를 검사하여 상기 상위 센서 노드로 보고한다.
상기 상위 센서 노드는 자신의 서비스 영역 내에 위치하는 적어도 하나의 센서 노드로부터 보고되는 시간당 충전 가능 전력량과 배터리 상태 정보를 이용하여 전력 테이블을 생성하고, 관리한다.
또한 상기 상위 센서 노드는 자신과 결합이 이루어진 센서 노드들과의 데이터 송/수신을 수행하며, 상기 전력 테이블에 의해 관리되고 있는 정보에 의해 충전이 필요하다고 판단되는 센서 노드에 대한 무선 전력 충전을 위해 전력을 공급한다.
보다 구체적으로 센서 노드는 자신의 배터리 충전 상태가 위험 상태인 경우, 최소한의 전력이 소비될 수 있는 슬립 모드로 전환한 후 충전을 요청하며, 상기 충전 요청에 의해 상위 센서 노드로부터 무선을 통해 공급되는 전력에 의해 배터리의 전력을 충전한다. 그리고 상기 충전에 의해 일반 상태 또는 완충 상태까지 배터리의 충전이 이루어지거나 동일한 이유로 인해 상위 센서 노드로부터 깨어날 것이 요청되는 인터럽트가 발생되는 경우에 충전을 중단한 후 활성 모드로 전환한다.
그렇지 않고 자신의 배터리 충전 상태가 충전 필요 상태인 경우, 전송할 데이터가 존재하면 전송할 데이터와 함께 충전 요청 메시지를 상위 센서 노드로 전송 하고, 전송할 데이터가 존재하지 않으면 충전 요청 메시지만을 상기 상위 센서 노드로 전송한다. 그리고 상기 충전 요청 메시지에 대응하여 상위 센서 노드로부터 무선을 통해 공급되는 전력에 의해 배터리의 전력을 충전한다. 그리고 상기 충전에 의해 일반 상태 또는 완충 상태까지 배터리의 충전이 이루어지거나 동일한 이유로 인해 상위 센서 노드로부터 깨어날 것이 요청되는 인터럽트가 발생되는 경우에 충전을 중단한 후 활성 모드로 전환한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 센서 네트워크의 구성을 보이고 있다.
도 1을 참조하면, 게이트웨이(Gateway)(110)는 최상위 마스터 센서 노드로서, 센서 네트워크의 구성을 대표하는 노드이다. 상기 게이트웨이(110)는 센서 네트워크의 무선 자원 활용을 관리하고 외부 망과의 연동을 위한 역할을 수행한다.
마스터 센서 노드 (Master Sensor Node)(120, 130, 140)는 하위 센서 노드로부터의 센싱 정보를 수집하고, 상기 수집된 센싱 정보를 상기 게이트웨이(110)로 중계(Routing)하는 역할을 수행한다. 또한 상기 마스터 센서 노드(120, 130, 140)는 주 센서 노드로써 하위 센서 노드에 대한 전원을 공급하거나 상기 게이트웨이(110)로부터 공급되는 전력에 의한 충전이 모두 가능하다. 물론 무선 전력 충전을 위해 하위 센서 노드로의 전력 공급만이 가능하도록 구현하는 것도 가능하다.
그리고 상기 게이트웨이(110)와 상기 마스터 센서 노드(120, 130, 140) 각각 은 물리적인 전파 도달 거리에 상응하는 서비스 영역(150, 160, 170)을 가진다. 상기 서비스 영역(150, 160, 170)은 점선(dotted line)으로 표시되어 있으며, 상기 서비스 영역(150, 160, 170) 내에 위치하는 하위 센서 노드들은 해당 서비스 영역을 형성하는 상기 게이트웨이(110)와 상기 마스터 센서 노드(120, 130, 140)로 센싱 정보를 전달한다. 그리고 상기 하위 센서 노드들은 상기 마스터 센서 노드(120, 130, 140)로부터 공급되는 전력에 의해 내부 배터리를 충전한다.
또한 상기 하위 센서 노드들은 비활성(InActive 또는 Sleep) 구간에서 최소한의 전원을 사용하며, 상기 비활성 구간에서 외부의 인터럽트 신호에 의해 활성화 (Active)되는 방식을 취한다. 또한 웨이크업(Wake-Up)의 RF 수신을 통한 인터럽트 발생이나, 배터리의 전원 측정 모듈로부터의 인터럽트 발생을 통해 비활성 상태에서 활성 상태로의 전환이 이루어진다.
도 2는 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드에서 저 전력을 위해 운영되는 활성/비활성(Active/InActive) 구간을 보이고 있다.
도 2를 참조하면, 각 센서 노드들의 전원 소비를 최소한으로 사용하기 위해 사용되지 않는 구간인 비활성 구간(Inactive Period)동안은 센서 노드들의 전원을 최소로 한다. 그리고 활성 구간(Active Period)만 전원을 사용하여 통신이 이루어지도록 한다.
따라서 센서 네트워크의 전체 전원 사용을 최소로 하도록 MAC　프로토콜을 구성한다.　이러한 구성을 위해서 활성/비활성 구간의 구성(무선 자원의 설계)은 제1 코디네이터(Coordinator)에서 설정하여, 제1 코디네이터 및 나머지 코디네이터들의 주기적인 비컨 패킷 전송을 통해 각 코디네이터에 속한 자식 노드들에게 송신한다. 이 때 비컨 메시지에 포함된 무선 활성/비활성 구간의 시간 동기에 맞추어 동작하게 된다. 이런 주기적 비컨 메시지의 전송에 의한 네트워크 사용은 항상 활성/비활성 구간을 유지해야 한다.
상술한 바와 같이 무선 센서 네트워크를 구성하는 방법에서는 전력 소비를 최소화하기 위해 활성/비활성 구간을 갖는 방식을 사용한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 종속 센서 노드의 구성을 보이고 있다.
도 3을 참조하면, 종속 센서 노드는, 운영 소프트웨어가 탑재되는 MCU(Micro Controller Unit)(310), 데이터를 전송하기 위한 주 송수신부(Main Transceiver,312), 저전력으로 유지되며 단순한 정보만의 송수신이 가능한 웨이크업(Wake-Up) RF(314), 충전이 가능한 내부 배터리(316), 무선으로 전력 송수신이 가능한 전원 송수신 모듈(Power Receiver/Donor)(320), 배터리의 충전 및 전원 측정 모듈(318) 및 안테나, 케이스, 센서 등의 기타 모듈을 포함한다.
센서 네트워크를 구성하는 게이트웨이(Gateway)는 내부 배터리 대신 상전을 이용할 수 있고, 전원의 수신부(Power Receiver)가 없이 전원 공급 장치(Power Donor)만으로 구성할 수 있다. 그리고 주 센서 노드는 전원의 공급/수신이 모두 가능하거나, 공급만이 가능한 형태를 가질 수 있다. 하지만 종속 센서 노드는 무선으로 전원을 수신하는 형태를 갖는다.
비활성 구간에서 센서 노드는 최소한의 전원을 사용하기 위해 외부의 인터럽트 신호에 의해 활성(Active)되는 방식을 취하며, 웨이크업의 RF 수신을 통한 인터럽트가 발생하거나, 배터리의 전원 측정 모듈로부터 인터럽트가 발생할 경우에 비활성(Inactive)에서 활성(Active) 상태로의 전환이 이루어진다.
또한 도면에서 보이고 있는 모든 구성은 경우에 따라 한 개 이상의 칩에서 구성이 가능하다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 종속 센서 노드에 구비되어 내부 배터리의 충전을 위한 구성을 보이고 있다. 도 4를 참조하면, 내부 배터리(316)는 2차 전지로서, 리튬이온, 리튬폴리머 등 충전을 통해 재사용이 가능한 배터리이다. 상기 내부 배터리(316)는 주 센서 노드로부터 공급되는 전력에 의해 충전된다.
배터리 관리부 (BMS: Battery Management System)(420)는 상기 내부 배터리(316)의 충전 및 최소한의 전원 유지 등을 위해 상기 내부 배터리(316)의 보호 및 충전에 따른 동작을 제어한다. 배터리 식별부(Battery Indicator)(410)는 무선 충전 거리가 증가함에 따라 충전 가능한 전력양도 감소하는 특징을 고려하여 종속 센서 노드에서 무선으로 충전되는 시간당 충전 가능 전력량을 예측하고, 상기 내부 배터리(316)의 용량을 측정한다. 뿐만 아니라 상기 내부 배터리(316)의 충전 레벨이 정해진 값을 넘으면, 종속 센서 노드를 깨우기 위한 웨이크업 인터럽트를 발생한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 종속 센서 노드에 구비된 내부 배터리의 전 력 상태를 보이고 있다.
도 5를 참조하면, 종속 센서 노드에 구비된 내부 배터리의 전력 상태는 네 개의 단계로 구분할 수 있다. 즉 완충 상태 (FULL STATUS), 일반 상태 (NORMAL STATUS), 충전 필요 상태 (NEED STATUS), 위험 상태 (EMERGENCY STATUS)로 구분할 수 있다.
상기 완충 상태 (FULL STATUS)는 내부 배터리가 완전히 충전된 상태를 의미하고, 상기 일반 상태 (NORMAL STATUS)는 종속 센서 노드가 정상적으로 동작하는데 부족하지 않은 정도의 전력이 충전되어 있는 상태를 의미한다. 그리고 상기 충전 필요 상태 (NEED STATUS)는 종속 센서 노드가 기본적인 동작을 수행할 수는 있으나 충전이 요구되는 상태를 의미하며, 상기 위험 상태 (EMERGENCY STATUS)는 즉시 충전이 요구되는 상태를 의미한다.
따라서 본 발명의 실시예에서는 종속 센서 노드에 구비된 내부 배터리의 전력 레벨이 충전 필요 상태 (NEED STATUS) 또는 위험 상태 (EMERGENCY STATUS)인 경우에 주 센서 노드로부터 공급되는 전력에 의해 충전이 이루어질 수 있도록 한다. 그리고 무선 전력 충전에 의해 종속 센서 노드에 구비된 내부 배터리의 전력 레벨이 완충 상태 (FULL STATUS) 또는 일반 상태 (NORMAL STATUS)로 변경될 시에는 무선 전력 충전이 중단되도록 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 주 센서 노드와 종속 센서 노드 간에 수행되는 시그널링을 보이고 있다. 이때 상기 주 센서 노드는 주 송수신부 (Main Transceiver), 웨이크업 RF 부 및 무선 충전 송신 모듈을 구비하며, 상기 종속 센서 노드는 주 송수신부 (Main Transceiver), 웨이크업 RF 부 및 무선 충전 수신 모듈을 구비하는 것으로 가정한다.
도 6을 참조하면, 주 센서 노드와 종속 센서 노드 간의 시그널링은 스캔 단계 (SCAN PHASE), 결합 단계 (ASSOCIATION PHASE) 및 데이터 전송/충전 단계로 구분할 수 있다.
상기 스캔 단계 (SCAN PHASE)는 주 센서 노드가 종속 센서 노드를 인식하고, 상기 종속 센서 노드는 상기 주 센서 노드를 인식하기 위해 이루어지는 시그널링이다. 한편 상기 스캔 단계는 수동 스캔 (Passive Scan)과 능동 스캔 (Active Scan)으로 분리된다. 상기 수동 스캔 (Passive Scan)은 주 센서 노드에 의해 주관적으로 전송되는 비컨 메시지에 의해 상기 주 센서 노드를 인식하도록 하는 것이며, 상기 능동 스캔 (Active Scan)은 종속 센서 노드가 요청하여 주 센서 노드로부터 전송되는 비컨 메시지에 의해 상기 주 센서 노드를 인식하도록 하는 것이다.
한편 본 발명의 실시예에서는 주 센서 노드는 주 송수신부에 의해 비컨 메시지가 전송될 때에 무선 충전 송신 모듈이 무선 전력 충전을 위한 전력을 함께 전송하도록 한다. 따라서 종속 센서 노드의 무선 충전 수신 모듈은 상기 무선 충전 송신 모듈에 의해 전송되는 전력을 이용하여 시간당 충전 가능 전력량을 예측한다.
그리고 종속 센서 노드는 스캔 단계에 의해 주 센서 노드를 인식한 후에 자신의 내부 배터리의 전력 레벨을 측정하도록 한다. 이는 향후에 상기 인식이 이루어진 주 센서 노드로 결합을 요청할 시에 전력 레벨을 보고할 수 있도록 하기 위함 이다.
상기 결합 단계 (ASSOCIATION PHASE)는 상기 스캔 단계에서 상호간에 인식이 이루어진 주 센서 노드와 종속 센서 노드 간의 결합을 위해 이루어지는 시그널링이다.
즉 상기 종속 센서 노드와 상기 주 센서 노드는 상호간에 인식이 이루어지면, 상기 종속 센서 노드를 구성하는 주 송수신부의 요청에 의해 결합 단계를 수행한다. 즉 상기 종속 센서 노드의 주 송수신부는 상기 주 센서 노드의 주 송수신부로 결합 요청 메시지를 전송하면, 상기 주 센서 노드의 주 송수신부는 이에 대한 응답으로 확인 메시지를 상기 종속 센서 노드의 주 송수신부로 전송한다. 이때 상기 종속 센서 노드의 주 송수신부는 상기 결합 요청 메시지에 앞에서 예측한 시간당 충전 가능 전력량을 포함시켜 전송한다. 뿐만 아니라 상기 종속 센서 노드의 주 송수신부는 해당 시점에서 상기 내부 배터리의 전력 레벨을 상기 결합 요청 메시지에 포함시켜 전송할 수도 있다.
상기 종속 센서 노드의 주 송수신부는 상기 주 센서 노드의 주 송수신부로부터 확인 메시지를 수신하면 데이터 요청 메시지를 전송하며, 상기 주 센서 노드의 주 송수신부는 상기 데이터 요청 메시지에 대응 응답으로 확인 메시지와 함께 결합 응답 메시지를 상기 종속 센서 노드의 주 송수신부로 전송한다. 상기 결합 응답 메시지를 수신한 종속 센서 노드의 주 송수신부는 이에 대한 응답으로 확인 메시지를 상기 주 센서 노드의 주 송수신부로 전송한다.
마지막으로 데이터 전송/충전 단계는 종속 센서 노드의 주 송수신부와 주 센 서 노드의 주 송수신부 간에 데이터를 전송하거나 주 송수신부의 무선 충전 송신 모듈과 종속 센서 노드의 무선 충전 수신 모듈 간에 무선 전력 충전을 위해 수행하는 시그널링이다.
즉 주 센서 노드와 종속 센서 노드는 상호간의 결합이 이루어지면, 종속 센서 노드의 주 송수신부는 주 센서 노드의 주 송수신부로 데이터를 전송하고, 상기 주 센서 노드의 주 송수신부는 상기 데이터에 응답한 확인 메시지를 상기 종속 센서 노드의 주 송수신부로 전송한다. 이때 상기 주 센서 노드의 무선 충전 송신 모듈은 무선 충전을 위한 전력을 상기 종속 센서 노드의 무선 충전 수신 모듈로 공급한다.
그리고 상기 종속 센서 노드의 주 송수신부로부터 충전 요청이 상기 주 센서 노드의 주 송수신부로 수신되면, 상기 주 센서 노드의 충전 송신 모듈은 무선 충전을 위한 전력을 상기 종속 센서 노드의 무선 충전 수신 모듈로 공급한다.
그리고 상기 주 센서 노드의 웨이크업 RF부는 무선 전력 충전에 의해 상기 종속 센서 노드에 구비된 내부 배터리의 전력 레벨이 원하는 만큼 증가하였다면, 상기 종속 센서 노드의 웨이크업 RF부로 웨이크업 메시지를 전송한다. 상기 웨이크업 메시지를 수신한 종속 센서 노드는 상기 주 송수신부를 통해 데이터 전송을 재개하며, 상기 주 센서 노드의 주 송수신부는 상기 재개된 데이터에 대한 응답으로 확인 메시지를 상기 종속 센서 노드의 주 송수신부로 전송한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 센서 네트워크에서 종속 센서 노드가 내부 배터리를 무선 전력 충전하기 위한 제어 흐름을 보이고 있다.
도 7을 참조하면, 단계(710)에서 종속 센서 노드의 전원이 온 되면, 단계(712)에서 주 센서 노드로부터의 비컨 메시지가 수신되는지를 판단한다. 상기 비컨 메시지는 무선 자원의 사용 계획, 즉 활성/비활성 구간의 정의 및 주 센서 노드에 대한 정보를 포함한다.
상기 종속 센서 노드는 상기 주 센서 노드로부터 비컨 메시지가 수신되면, 단계(714)에서 수동 스캔 절차를 통해 상기 주 센서 노드를 인지한다. 상기 주 센서 노드를 인지하기 위해 수행되는 수동 스캔 절차는 앞에서 이미 설명되었음에 따라 구체적인 설명은 생략한다. 그리고 상기 종속 센서 노드는 상기 수동 스캔 절차를 진행하는 중에 상기 주 센서 노드로부터 무선 전력 충전을 위해 제공되는 전력을 수신한다.
하지만 상기 주 센서 노드로부터 비컨 메시지가 수신되지 않으면, 상기 종속 센서 노드는 단계(716)에서 능동 스캔 절차를 통해 상기 주 센서 노드를 인식한다. 상기 주 센서 노드를 인지하기 위해 수행되는 능동 스캔 절차는 앞에서 이미 설명되었음에 따라 구체적인 설명은 생략한다. 그리고 상기 종속 센서 노드는 상기 능동 스캔 절차를 진행하는 중에 상기 주 센서 노드로부터 무선 전력 충전을 위해 제공되는 전력을 수신한다.
상기 종속 센서 노드는 상기 수동 스캔 또는 능동 스캔을 통해 주 센서 노드를 인식한 후 단계(718)에서 시간당 충전 가능 전력량을 예측한다. 즉 상기 종속 센서 노드는 상기 수동 스캔 또는 능동 스캔 절차를 진행하는 중에 상기 주 센서 노드로부터 수신한 전력을 이용하여 충전 가능한 전력량을 측정한다. 이때 상기 종속 센서 노드는 노드 간의 거리에 비례하여 충전되는 전력향이 감소하는 특성을 고려한다. 그리고 상기 측정한 충전 가능한 전력량을 사용하여 상기 시간당 충전 가능 전력량을 예측할 수 있다.
한편 상기 종속 센서 노드는 앞에서 설명한 바에 의해 상기 주 센서 노드를 인식하면, 결합 단계를 진행한다. 즉 상기 종속 센서 노드는 앞에서 인식한 주 센서 노드와의 결합을 위한 절차를 진행한다. 이때 상기 종속 센서 노드는 단계(720)에서 상기 예측한 시간당 충전 가능 전력량을 상기 주 센서 노드로 보고한다. 상기 종속 센서 노드가 상기 예측한 시간당 충전 가능 전력량을 보고하는 일예로써 상기 주 센서 노드와의 결합을 위해 전송되는 결합 요청 메시지에 상기 예측한 시간당 충전 가능 전력량을 포함시킬 수 있다.
상기 종속 센서 노드는 상기 주 센서 노드와의 결합이 이루어지면, 단계(722)에서 내부 배터리의 전력 레벨을 검사한다. 앞에서도 밝힌 바와 같이 내부 배터리의 전력 레벨은 완충 상태 (FULL STATUS), 일반 상태 (NORMAL STATUS), 충전 필요 상태 (NEED STATUS), 위험 상태 (EMERGENCY STATUS)로 분류할 수 있다. 그리고 본 발명의 실시예에서는 완충 상태 (FULL STATUS)와 일반 상태 (NORMAL STATUS)는 충전이 필요 없는 전력 레벨이라 가정하고, 충전 필요 상태 (NEED STATUS)와 위험 상태 (EMERGENCY STATUS)는 충전이 필요한 전력 레벨이라 가정한다.
상기 종속 센서 노드는 내부 배터리의 전력 레벨 검사가 완료되면, 단계(724)에서 전력 레벨의 상태를 판단한다. 즉 상기 검사된 전력 레벨에 대응하여 진행할 단계를 판단한다. 도 7에 의하면 상기 종속 센서 노드는 내부 배터리의 전력 레벨이 위험 상태라고 판단하면 단계(728)로 진행하고, 내부 배터리의 전력 레벨이 충전 필요 상태라고 판단하면 단계(732)로 진행한다.
하지만 그 외의 전력 레벨, 즉 완충 상태 또는 일반 상태라고 판단하면 단계(726)로 진행한다. 상기 종속 센서 노드는 단계(726)로 진행하면, 내부 배터리에 대한 충전이 필요 없다고 판단하여 일반적인 활성 모드에서의 동작을 수행한다. 그리고 상기 종속 센서 노드는 단계(740)에서 앞선 검사에서의 내부 배터리 전력 레벨을 상기 주 센서 노드로 보고한다.
상기 종속 센서 노드는 단계(728)로 진행하면, 상기 주 센서 노드로 무선 충전을 요청하기 위한 충전 요청 메시지를 상기 주 센서 노드로 전송한다. 그리고 상기 종속 센서 노드는 단계(730)에서 현재 내부 배터리의 전력 레벨이 정상적인 기능을 수행하기 위해 충분한 상태가 아님에 따라 최소한의 전력을 소비하기 위한 슬립 모드로의 동작을 수행한다. 일예로써 상기 슬립 모드는 외부로부터의 인터럽트 신호에 의해 활성 모드로 전환하기 위해 요구되는 전력 소비만을 유지하는 정도의 동작을 수행하는 상태를 의미한다.
그리고 상기 종속 센서 노드는 슬립 모드 상태에서 상기 주 센서 노드로부터 공급되는 전력에 의해 내부 배터리의 전력을 충전한다. 즉 상기 종속 센서 노드는 상기 주 센서 노드와의 무선 전력 충전을 수행한다. 뿐만 아니라 상기 종속 센서 노드는 단계(740)에서 앞선 검사에서의 내부 배터리 전력 레벨을 상기 주 센서 노드로 보고한다. 하지만 상기 종속 센서 노드에 의해 내부 배터리의 전력 레벨이 상 기 주 센서 노드로 보고되는 시점은 상기 충전 요청 메시지를 전송하기에 앞서 이루어질 수도 있다.
한편 단계(732)로 진행하면, 상기 종속 센서 노드는 상기 주 센서 노드로 전송할 데이터가 존재하는 지를 판단한다. 상기 종속 센서 노드는 전송할 데이터가 존재한다면 단계(734)로 진행하고, 그렇지 않고 전송할 데이터가 존재하지 않으면 단계(736)로 진행한다.
상기 종속 센서 노드는 단계(734)로 진행하면, 전송할 데이터와 함께 충전 요청 메시지를 상기 주 센서 노드로 전송한다. 이때 상기 데이터와 충전 요청 메시지는 하나의 메시지로 상기 주 센서 노드로 전송되거나 서로 다른 메시지를 통해 상기 주 센서 노드로 전송될 수도 있다. 그렇지 않고 단계(736)로 진행하면, 상기 종속 센서 노드는 충전 요청 메시지를 상기 주 센서 노드로 전송한다.
상기 종속 센서 노드는 상기 충전 요청 메시지를 상기 주 센서 노드로 전송한 후 단계(738)에서 활성 모드에서 상기 주 센서 노드로부터 공급되는 전력에 의해 내부 배터리의 전력을 충전한다. 즉 상기 종속 센서 노드는 상기 주 센서 노드와의 무선 전력 충전을 수행한다. 뿐만 아니라 상기 종속 센서 노드는 단계(740)에서 앞선 검사에서의 내부 배터리 전력 레벨을 상기 주 센서 노드로 보고한다. 하지만 상기 종속 센서 노드에 의해 내부 배터리의 전력 레벨이 상기 주 센서 노드로 보고되는 시점은 상기 충전 요청 메시지를 전송하기에 앞서 이루어질 수도 있다.
상술한 바를 통해 확인할 수 있는 바와 같이 종속 센서 노드는 내부 배터리의 전력 레벨이 충전 필요 상태 또는 위험 상태인 경우에 한하여 주 센서 노드로부 터 공급되는 전력에 의해 내부 배터리를 충전하고, 완충 상태 또는 일반 상태에서는 내부 배터리의 충전 없이 통상적인 활성 모드에서의 동작을 수행한다.
한편 도 7에서는 보이고 있지 않으나 종속 센서 노드는 내부 배터리의 전력 레벨이 위험 상태에 있어 슬립 모드로 동작하는 중에 무선 전력 충전에 의해 전력 레벨이 변화될 때에는 활성 모드로 전환할 수 있다. 즉 슬립 모드로 동작하는 상황에서 주기적으로 이루어지는 내부 배터리의 전력 레벨 검사에서 내부 배터리의 전력 레벨이 일반 상태 또는 완충 상태라고 검사되면, 단계(726)에서 활성 모드에서의 통상적인 동작을 수행한다. 그렇지 않고 주 센서 노드로부터 모드 전환을 요청하는 인터럽트 신호가 수신될 시에 활성 모드로 전환하여 통상적인 활성 모드에서의 동작을 수행할 수 있다. 이때 기존에 이루어지고 있던 무선 전력 충전은 중단될 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 센서 네트워크에서 주 센서 노드에서 종속 센서 노드의 내부 배터리에 대한 전력을 충전하기 위해 수행하는 제어 흐름을 보이고 있다.
도 8을 참조하면, 단계(810)에서 주 센서 노드의 전원이 온 되면, 상기 주 센서 노드는 단계(812)에서 비컨 메시지와 함께 무선 전력 충전을 위한 전력을 공급한다. 이때 전송되는 비컨 메시지는 상기 주 센서 노드의 입장에서 능동 스캔을 위해 전송되는 것이다. 하지만 종속 센서 노드의 입장에서는 수동 스캔을 위해 전송되는 비컨 메시지가 될 것이다.
상기 주 센서 노드는 단계(814)에서 임의의 종속 세서 노드로부터 비컨 요청 메시지가 수신되는 지를 감시한다. 즉 상기 주 센서 노드는 단계(814)에서 상기 종속 센서 노드에 의한 능동 스캔을 위해 전송되는 비컨 요청 메시지의 수신을 감시한다.
상기 주 센서 노드는 비컨 요청 메시지가 수신되면 단계(812)로 진행하여 비컨 메시지와 함께 무선 전력 충전을 위한 전력을 공급한다. 이때 전송되는 비컨 메시지는 상기 종속 센서 노드의 입장에서 능동 스캔을 위해 전송되는 비컨 메시지가 될 것이다.
상기 수동 스캔 또는 능동 스캔과 무관하게 상기 주 센서 노드로부터 전송되는 비컨 메시지는 무선 자원의 사용 계획, 즉 활성/비활성 구간의 정의 및 주 센서 노드에 대한 정보를 포함한다.
상기 주 센서 노드는 비컨 메시지의 송신에 의해 자신과의 결합이 가능한 적어도 하나의 종속 센서 노드를 인식한 후 단계(816)에서 앞서 인식이 이루어진 임의의 종속 센서 노드로부터 결합 요청 메시지가 수신되는 지를 감시한다. 상기 결합 요청 메시지는 임의의 종속 센서 노드에 의해 상기 주 센서 노드와의 결합을 요청하는 메시지이다. 그리고 상기 결합 요청 메시지는 상기 임의의 종속 센서 노드에 의해 예측된 시간당 충전 가능 전력량을 포함한다.
상기 주 센서 노드는 임의의 종속 센서 노드로부터 결합 요청 메시지가 수신되면, 단계(818)에서 전력 테이블을 생성하고, 상기 결합 요청 메시지를 전송한 임의의 종속 센서 노드와의 결합 절차를 수행한다. 상기 결합 절차는 센서 네트워크 에서 통상적인 절차에 해당하므로, 구체적인 설명은 생략한다.
한편 상기 주 센서 노드에 의해 생성되는 전력 테이블에 의해 관리되는 정보는 언제, 어떤 종속 센서 노드를 대상으로 무선 충전을 시도할지를 결정하기 위한 판단 기준이 된다.
상기 주 센서 노드는 상기 결합을 요청한 종속 센서 노드와의 결합이 이루어지면, 단계(820)에서 데이터 송/수신을 수행한다. 이때 필요에 따라 상기 종속 센서 노드로부터 충전 요청 메시지가 함께 제공될 수 있다. 또한 상기 종속 센서 노드로부터 수신할 데이터가 존재하지 않거나 상기 종속 센서 노드로 전송할 데이터가 존재하지 않을 경우에 단계(820)는 생략될 수도 있다. 하지만 상기 데이터의 송/수신은 생략되더라도 상기 종속 센서 노드가 필요에 의해 전송하는 충전 요청 메시지는 수신하도록 한다.
또한 상기 주 센서 노드는 단계(820)에서 데이터뿐만 아니라 상기 종속 센서 노드로부터 주기적으로 보고되는 내부 배터리의 전력 레벨이 함께 보고될 수 있다. 그리고 송/수신할 데이터가 존재하지 않을 때에는 상기 내부 배터리의 전력 레벨만이 상기 종속 센서 노드로부터 제공될 수 있다. 상기 주 센서 노드는 단계(822)에서 상기 종속 센서 노드로부터 보고된 전력 레벨에 의해 이미 생성된 전력 테이블에 의해 관리되고 있는 정보를 갱신한다.
상기 주 센서 노드는 단계(824)에서 상기 종속 센서 노드로부터 충전 요청 메시지가 수신되는지 또는 수신되었는지를 판단한다. 즉 데이터의 송/수신시에 상기 종속 센서 노드로부터 수신된 충전 요청 메시지가 존재하는지 아니면 상기 데이 터의 송/수신과는 별도로 상기 종속 센서 노드로부터 수신되는 충전 요청 메시지가 존재하는지를 판단한다.
상기 주 센서 노드는 상기 종속 센서 노드로부터 충전 요청 메시지가 수신되었다고 판단되면, 단계(826)에서 상기 종속 센서 노드의 내부 배터리에 대한 무선 전력 충전을 위한 전력을 공급한다. 이때 도면상에서는 명확하게 도시하고 있지 않으나 상기 무선 전력 충전을 위한 전력의 공급은 데이터의 송/수신과 함께 수행될 수 있다.
하지만 상기 주 센서 노드는 상기 종속 센서 노드로부터 충전 요청 메시지가 수신되지 않으면, 단계(828)에서 앞서 보고된 전력 레벨의 상태를 검사한다. 즉 앞서 보고된 종속 센서 노드의 전력 레벨의 상태가 위험 상태, 충전 필요 상태, 일반 상태 및 완충 상태 중 어떠한 상태인지를 판단한다.
상기 주 센서 노드는 상기 종속 센서 노드의 내부 배터리의 전력 레벨이 위험 상태 또는 충전 필요 상태라고 판단되면, 단계(820)로 진행한다. 하지만 상기 주 센서 노드는 상기 종속 센서 노드의 내부 배터리의 전력 레벨이 일반 상태 또는 완충 상태라고 판단하면, 단계(830)로 진행한다.
상기 주 센서 노드가 상기 종속 센서 노드의 내부 배터리의 전력 레벨이 위험 상태 또는 충전 필요 상태라고 판단될 시 단계(820)로 진행하는 것은 이미 앞에서 충전 요청 메시지에 의해 무선 전력 충전이 수행되고 있기 때문이다. 하지만 상기 주 센서 노드가 상기 종속 센서 노드의 내부 배터리의 전력 레벨이 일반 상태 또는 완충 상태라고 판단될 시 단계(830)로 진행하는 것은 무선 전력 충전에 의해 상기 종속 센서 노드의 내부 배터리에 대한 충전이 충분히 이루어졌는지를 판단하기 위함이다.
상기 주 센서 노드는 단계(830)에서 상기 종속 센서 노드의 내부 배터리의 전력 레벨에 변경이 발생하였는지를 판단한다. 이는 앞에서 생성 또는 갱신된 전력 테이블에 의해 이루어질 수 있다. 여기서 전력 레벨의 변경이 이루어지지 않았다는 것은 이전에 무선 전력 충전이 이루어지지 않고 있는 상황임을 암시한다. 하지만 상기 전력 레벨의 변경이 이루어졌다는 것은 이전에 무선 전력 충전이 이루어지고 있는 상황이었음을 암시한다.
따라서 상기 주 센서 노드는 전력 레벨의 변경이 발생하지 않았다고 판단되면, 단계(820)로 진행한다. 하지만 상기 주 센서 노드는 전력 레벨의 변경이 발생하였다고 판단되면, 단계(832)로 진행한다.
상기 주 센서 노드는 단계(832)에서 슬립 모드에 있는 종속 센서 노드에게 활성 모드로 전환할 것을 요청하는 Walk-Up 메시지를 전송한다. 그리고 상기 주 센서 노드는 단계(834)에서 해당 종속 센서 노드에 대한 전력 충전이 필요 없다고 판단하여 진행 중이던 무선 전력 충전을 중단한다.
한편 도 8에서는 충전 요청 메시지와 보고된 전력 레벨의 상태에 의한 동작을 분리하여 구현하고 있는 예를 개시하고 있다. 하지만 보고된 전력 레벨의 상태가 위험 상태 또는 충전 필요 상태인 경우에 충전 요청 메시지가 수신된 것으로 대치하여 구현하는 것도 가능할 것이다. 또한 도 8에서는 마치 데이터 송/수신이 이루어지는 경우에만 종속 센서 노드의 전력 레벨 또는 충전 요청 메시지가 보고되는 것과 같이 도시되고 있으나 데이터의 송/수신과 무관하게 상기 종속 센서 노드로부터의 전력 레벨 보고가 주기적으로 보고되거나 충전 요청 메시지가 수신될 수 있음은 당연하다.
또한 도 7과 도 8에 의한 설명에서는 종속 센서 노드가 위험 상태에서 충전 필요 상태로 전력 레벨이 변경되는 경우에는 슬립 모드에서 활성 모드로 전환하는 것을 고려하고 있지 않다. 하지만 종속 센서 노드의 전력 레벨이 위험 상태에서 충전 필요 상태로 변경되는 경우에도 동작 모드를 슬립 모드에서 활성 모드로 전환하도록 구현할 수 있음은 자명하다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 주 센서 노드에 의해 관리되는 전력 테이블의 일예를 보이고 있다.
도 9를 참조하면, 전력 테이블에 의해서는 8비트의 종속 센서 노드 (Slave Node Address), 3비트의 전력 레벨 (Energy Level), 2비트의 상태 (Status), 1비트의 충전 여부 정보 (IsCharge), 2비트의 예비 정보 (Reserved) 및 8비트의 시간당 충전 가능 전력량 (Charge Power/Sec)가 관리된다.
상기 8비트의 종속 센서 노드 (Slave Node Address)는 종속 센서 노드를 식별하기 위한 주소 정보를 의미한다. 상기 3비트의 전력 레벨 (Energy Level)은 해당 종속 센서 노드에 대응한 내부 배터리의 전력 레벨을 의미한다. 예컨대 완충 상태는 "011", 일반 상태는 "010", 충전 필요 상태는 "001", 위험 상태는 "000", 전력 레벨을 알 수 없는 경우에는 "100"으로 정의한다.
상기 2비트의 상태 (Status)는 해당 종속 센서 노드의 현재 동작 상태를 식별하기 위한 정보이다. 예컨대, "00"은 해당 종속 센서 노드의 주 센서 노드와 결합이 이루어진 활성 모드인 상황을 의미하고, "01"은 해당 종속 센서 노드의 전원이 꺼져 있는 상황을 의미하며, "10"은 종속 센서 노드가 최소한의 전력을 소모하고 있는 슬립 모드인 상황을 의미한다. 그리고 "11"은 해당 종속 센서 노드와의 논리적인 연결이 완전히 끊어진 상황을 의미한다.
상기 1비트의 충전 여부 정보 (IsCharge)는 해당 종속 센서 노드에 대한 무선 전력 충전이 이루어지고 있는지에 대한 여부를 나타낸다. 예컨대, 현재 충전이 이루어지고 있는 상태라면 "1", 그렇지 않고 충전이 이루어지고 있지 않은 상태라면 "0"이 기록된다.
상기 2비트의 예비 정보 (Reserved)는 필요시에 다른 용도로 사용될 수 있도록 지정된 영역이며, 상기 8비트의 시간당 충전 가능 전력량 (Charge Power/Sec)은 해당 종속 센서 노드에 의해 예측되어 보고된 시간당 충전 가능 전력량을 기록하기 위한 영역이다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 실시 예에 따라 무선 전력 충전을 위해 주 센서 노드와 종속 센서 노드 간에 전송되는 메시지들을 정의하고 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따라 스캔 절차를 위해 주 센서 노드에 의해 전송되는 비컨 메시지의 일예를 보이고 있으며, 도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 종속 센서 노드에 의해 전송될 수 있는 메시지의 일예를 보이고 있다.
그리고 도 12는 본 발명의 실시 예에 따라 도 11의 메시지를 구성하는 명령 프레임 식별자 (Command Frame Identifier) 필드에 기록되는 정보의 예를 보이고 있다.
또한 도 13은 본 발명의 실시 예에 따라 도 11의 메시지를 구성하는 성능 정보 (Capability Information) 필드에 기록되는 정보의 예를 보이고 있다.
예컨대 종속 센서 노드는 결합 요청 메시지를 전송할 경우에 도 11의 메시지 포맷에서 명령 프레임 식별자 (Command Frame Identifier) 필드에 결합 요청 메시지임을 의미하는 "0x01"을 기록한다. 그리고 도 11의 메시지를 구성하는 성능 정보 (Capability Information) 필드에 전력 레벨에 상응하는 "11", "10", "01", "00" 중 하나가 기록된다. 상기 성능 정보 (Capability Information) 필드에 기록되는 전력 레벨에 대해서는 앞에서 이미 정의하였음에 따라 그 설명은 생략한다.
한편 종속 센서 노드는 충전 요청 메시지를 전송할 경우에 도 11의 메시지 포맷에서 명령 프레임 식별자 (Command Frame Identifier) 필드에 결합 요청 메시지임을 의미하는 "0x10"을 기록한다. 그리고 도 11의 메시지를 구성하는 성능 정보 (Capability Information) 필드를 구성하는 예비 영역에 "00"을 기록한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것 이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 센서 네트워크의 구조를 보이고 있는 도면,
도 2는 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드에서 저 전력을 위해 운영되는 활성/비활성(Active/InActive) 구간을 보이고 있는 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 종속 센서 노드의 구성을 보이고 있는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 종속 센서 노드에 구비되어 내부 배터리의 충전을 위한 구성을 보이고 있는 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 종속 센서 노드에 구비된 내부 배터리의 전력 상태를 보이고 있는 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 주 센서 노드와 종속 센서 노드 간에 수행되는 시그널링을 보이고 있는 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 센서 네트워크에서 종속 센서 노드가 내부 배터리를 무선 전력 충전하기 위한 제어 흐름을 보이고 있는 도면,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 센서 네트워크에서 주 센서 노드에서 종속 센서 노드의 내부 배터리에 대한 전력을 충전하기 위해 수행하는 제어 흐름을 보이고 있는 도면,
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 주 센서 노드에 의해 관리되는 전력 테이블의 일예를 보이고 있는 도면,
도 10 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 따라 무선 전력 충전을 위해 주 센 서 노드와 종속 센서 노드 간에 전송되는 메시지들을 정의하고 있는 도면.

Claims (14)

  1. 주 센서 노드 (Master Sensor Node)와 상기 주 센서 노드와 결합하는 적어도 하나의 종속 센서 노드(Slave Sensor Node)를 구비하는 센서 네트워크에서 종속 센서 노드가 내부 배터리를 충전하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
    상기 주 센서 노드와의 스캔 절차에서 시간당 충전 가능 전력량을 예측하는 과정;
    상기 주 센서 노드의 존재를 인지한 후 상기 주 센서 노드로의 결합을 요청하는 결합 요청 메시지를 통해 상기 예측한 시간당 충전 가능 전력량을 전송하는 과정;
    내부 배터리의 전력 레벨이 충전이 요구되는 상황이면, 상기 주 센서 노드로 충전을 요청하여 무선 충전을 수행하는 과정;
    상기 무선 충전이 수행되는 동안 소정 주기에 의해 상기 무선 충전에 의해 변화되는 상기 내부 배터리의 전력 레벨을 상기 주 센서 노드로 보고하는 과정; 및
    상기 주 센서 노드로 보고된 전력 레벨이 미리 결정된 전력 레벨에 도달할 시에 상기 무선 충전을 중단하는 과정
    을 포함하는 종속 센서 노드에서의 내부 배터리 충전방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내부 배터리의 전력 레벨은 완충 상태, 일반 상태, 충전 필요 상태, 위험 상태로 분류되며, 상기 내부 배터리의 전력 레벨이 충전 필요 상태와 비상 상태일 경우에 충전이 요구되는 상황이라 판단하는 종속 센서 노드에서의 내부 배터리 충전방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 미리 결정된 전력 레벨은 완충 상태와 일반 상태 중 하나인 종속 센서 노드에서의 내부 배터리 충전방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 내부 배터리의 전력 레벨이 충전 필요 상태인 경우에는 상기 주 센서 노드와의 데이터 통신을 수행하면서 상기 무선 충전을 수행하며, 상기 내부 배터리의 전력 레벨이 위험 상태인 경우에는 최소한으로 전력을 소비하는 대기 모드에서 상기 무선 충전을 수행하는 종속 센서 노드에서의 내부 배터리 충전방법.
  5. 주 센서 노드와 상기 주 센서 노드와 결합하는 적어도 하나의 종속 센서 노 드를 구비하는 센서 네트워크에서 상기 주 센서 노드에 의한 종속 센서 노드의 내부 배터리 충전방법에 있어서, 상기 방법은,
    스캔 절차를 통해 임의의 종속 센서 노드의 존재를 인지한 후 상기 임의의 종속 센서 노드로부터 예측된 시간당 충전 가능 전력량을 포함하는 결합 요청 메시지를 수신하는 과정;
    상기 적어도 하나의 종속 센서 노드로부터 보고된 시간당 충전 가능 전력량에 의해 전력 테이블을 생성하는 과정;
    상기 적어도 하나의 종속 센서 노드로부터 충전 요청이 접수되면 상기 생성된 전력 테이블을 기반으로 해당 종속 센서 노드에 대한 무선 충전을 수행하는 과정;
    상기 무선 충전이 수행되고 있는 종속 센서 노드로부터 소정 주기로 상기 무선 충전에 의해 변화되는 내부 배터리의 전력 레벨을 보고받아 상기 전력 테이블을 갱신하는 과정; 및
    상기 무선 충전이 수행되고 있는 종속 센서 노드로부터 보고된 전력 레벨이 미리 결정된 전력 레벨에 도달하였다고 판단되면 상기 무선 충전을 중단하는 과정
    을 포함하는 주 센서 노드에 의한 종속 센서 노드의 내부 배터리 충전방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 내부 배터리의 전력 레벨은 완충 상태, 일반 상태, 충전 필요 상태, 위 험 상태로 분류되며, 상기 내부 배터리의 전력 레벨이 충전 필요 상태와 비상 상태일 경우에 충전이 요구됨을 특징으로 하는 주 센서 노드에 의한 종속 센서 노드의 내부 배터리 충전방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 미리 결정된 전력 레벨은 완충 상태와 일반 상태 중 하나인 주 센서 노드에 의한 종속 센서 노드의 내부 배터리 충전방법.
  8. 주 센서 노드와 상기 주 센서 노드와 결합하는 적어도 하나의 종속 센서 노드를 구비하는 센서 네트워크에서 내부 배터리를 충전하는 종속 센서 노드에 있어서,
    상기 주 센서 노드와의 스캔 절차에서 시간당 충전 가능 전력량을 예측하고, 내부 배터리의 전력 레벨이 충전이 요구되는 상황에서 상기 주 센서 노드에 의한 무선 충전을 수행하는 무선 충전 수신 모듈; 및
    상기 주 센서 노드의 존재를 인지한 후 상기 주 센서 노드로의 결합을 요청하는 결합 요청 메시지를 통해 상기 예측한 시간당 충전 가능 전력량을 전송하고, 상기 내부 배터리의 전력 레벨이 충전이 요구되는 상황에서 상기 주 센서 노드로 충전을 요청하며, 상기 무선 충전이 수행되는 동안 소정 주기에 의해 상기 무선 충 전에 의해 변화되는 상기 내부 배터리의 전력 레벨을 상기 주 센서 노드로 보고함으로써 상기 변화된 전력 레벨이 미리 결정된 전력 레벨에 도달할 시에 상기 무선 충전을 중단하는 송/수신부를 포함하는 종속 센서 노드.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 내부 배터리의 전력 레벨은 완충 상태, 일반 상태, 충전 필요 상태, 위험 상태로 분류되며, 상기 내부 배터리의 전력 레벨이 충전 필요 상태와 비상 상태일 경우에 충전이 요구되는 상황이라 판단하는 종속 센서 노드.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 미리 결정된 전력 레벨은 완충 상태와 일반 상태 중 하나인 종속 센서 노드.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 내부 배터리의 전력 레벨이 충전 필요 상태인 경우에는 상기 주 센서 노드와의 데이터 통신을 수행하면서 상기 무선 충전을 수행하며, 상기 내부 배터리의 전력 레벨이 위험 상태인 경우에는 최소한으로 전력을 소비하는 대기 모드에서 상기 무선 충전을 수행하는 종속 센서 노드.
  12. 주 센서 노드와 상기 주 센서 노드와 결합하는 적어도 하나의 종속 센서 노드를 구비하는 센서 네트워크에서 종속 센서 노드의 내부 배터리를 충전하기 위한 상기 주 센서 노드에 있어서,
    스캔 절차를 통해 임의의 종속 센서 노드의 존재를 인지한 후 상기 임의의 종속 센서 노드로부터 예측된 시간당 충전 가능 전력량을 포함하는 결합 요청 메시지를 수신하고, 상기 적어도 하나의 종속 센서 노드로부터 보고된 시간당 충전 가능 전력량에 의해 전력 테이블을 생성하며, 무선 충전이 수행되고 있는 종속 센서 노드로부터 소정 주기로 상기 무선 충전에 의해 변화되는 내부 배터리의 전력 레벨을 보고받아 상기 전력 테이블을 갱신하는 제어부;
    상기 스캔 절차와 종속 센서 노드로의 데이터 전송 및 상기 적어도 하나의 종속 센서 노드로부터의 충전 요청 접수 각각에 대응하여 상기 생성된 전력 테이블을 기반으로 해당 종속 센서 노드에 대한 무선 충전을 위한 전력을 공급하는 무선 충전 송신 모듈; 및
    상기 무선 충전이 수행되고 있는 종속 센서 노드로부터 보고된 전력 레벨이 미리 결정된 전력 레벨에 도달하였다고 판단되면 상기 무선 충전이 수행되고 있는 종속 센서 노드로 활성화 요청 메시지를 전송하는 웨이크-업 무선 주파수부
    를 포함하는 주 센서 노드.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 내부 배터리의 전력 레벨은 완충 상태, 일반 상태, 충전 필요 상태, 위험 상태로 분류되며, 상기 내부 배터리의 전력 레벨이 충전 필요 상태와 비상 상태일 경우에 충전 요청이 접수되는 주 센서 노드.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 미리 결정된 전력 레벨은 완충 상태와 일반 상태 중 하나인 주 센서 노드.
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