KR20140143975A - 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템 - Google Patents

가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템에 관한 것으로서, 가시광 ID 데이터를 가시광 신호로 송신하는 가시광 송신기; 상기 가시광 송신기로부터 가시광 신호를 수신하여 가시광 ID 데이터를 복원하고 복원된 가시광 ID 데이터를 관측 노드로 전송하는 가시광 수신기; 상기 가시광 수신기로부터 가시광 ID 데이터를 수신하여 주 노드로 전송하는 관측 노드; 및 상기 관측 노드로부터 가시광 ID 데이터를 수신하는 주 노드를 포함하되, 상기 관측 노드 및 주 노드는 무선 네트워크를 구성하고, 상기 무선 네트워크를 통해 상기 가시광 ID 데이터를 송수신하기 위한 무선 데이터 송수신부를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템을 제공한다.

Description

가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템{HYBRID POSITIONING SYSTEM WITH VISIBLE LIGHY COMMUNICATION AND WIRELESS NETWORK}
본 발명은 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템에 관한 것으로서, 가시광 통신 방식과 무선 네트워크를 융합한 하이브리드 방식의 측위 시스템에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 가시광 통신(Visible Light Communication, VLC)이란 눈에 보이는 가시광을 이용하여 통신하는 것으로 가시광 파장 영역내의 빛을 이용한 무선 통신 기술이다. 이러한 가시광 통신은 LED(Light Emitting Diode)의 확산과 더불어 최근 다양한 형태의 기술이 개발되고 있다.
일반적인 가시광 통신에서 가시광 송신기에서는 색상과 조도의 제어가 가능한 LED 또는 LD(laser Diode) 등을 광원으로 사용하여 가시광을 송신하고 가시광 수신기에서는 가시광을 PD(Photo Detector) 등을 이용하여 수신하고 수신된 가시광을 처리함으로써 가시광을 이용한 통신이 이루어지게 된다. 이러한 가시광 통신은 사용자의 위치를 파악하는 측위 서비스에 적용될 수 있다.
대상물의 위치를 측정하기 위한 대부분의 위치 측위 기술은 GPS, 셀률라 이동 통신 또는 무선 랜 기반 실내 통신의 인프라를 사용하는 무선 기반 측위 기술이다. 전술한 바와 같이, 가시광 통신은 이러한 측위 서비스에 적용될 수 있는데, LED 조명의 플리커(flicker)와 디밍(dimming) 문제를 극복하는 가시광 통신 변복조 기법도 연구되며 LED 조명과 실내 무선 네트워킹을 사용하여 목표물을 찾는 가시광 기반 측위 연구도 최근 시작되고 있다.
대부분의 측위는 실내 또는 실외 환경에서 수신된 신호의 매개변수를 이미 알고 있는 기준 지점과 목표물 위치사이 거리로 변환시켜 목표물 위치를 찾는 기법들을 사용한다. 대개 종래 측위 기법들은 측위 추정 오차, 고비용의 시스템 인프라, 그리고 제한된 서비스 범위 등의 문제들로 인한 어려움을 가진다.
또한, 가시광 송신기와 수신기 사이에서 가시광을 통해 통신이 이루어지기 때문에 원거리에서의 위치 측정이 쉽지 않다는 한계점도 있다.
등록특허공보 10-1174126호(2012.08.08.공고)는 "실내 위치 측정 장치 및 방법"에 관한 것으로서, 가시광 통신을 이용하여 실내 위치를 측정하는 방법에 대하여 개시하고 있다. 여기에 의하면, 변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호를 수신받아 광신호로 변환시켜 조사하는 발광다이오드 조명과; 상기 발광다이오드 조명과 이격되도록 설치되어 광신호를 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력하는 듀얼 이미지 센서와; 상기 듀얼 이미지센서로부터 각각 출력되는 전기신호를 수신받아 변조하여 다수개의 발광다이오드의 위치정보를 획득하고, 획득된 다수개의 발광다이오드의 위치정보를 이용하여 목표위치의 좌표를 산출하는 제어기로 구성되며, 상기 발광다이오드 조명은 발광다이오드가 가로와 세로방향으로 각각 다수개가 배열되어 설치되며, 상기 변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호는 발광다이오드 조명에서 각각 모서리에 배치되어 서로 이격된 4개의 발광다이오드의 설치위치를 나타내고, 상기 듀얼 이미지센서는 동일 평면상에서 서로 이격되도록 위치되고 각각 광신호를 조사받아 투과시키는 광학렌즈와, 상기 광학렌즈의 하측에 설치되어 광학렌즈를 투과한 광신호를 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력하는 이미지소자로 이루어지며, 상기 제어기는 복수의 광학렌즈의 중심을 연결하는 직선의 중간위치를 목표위치의 좌표로 산출하는 것을 특징으로 하는 실내 위치측정장치를 개시하고 있다.
이러한 기술은 듀얼 이미지 센서를 이용하여 실내 위치를 비교적 정확하게 측정할 수 있다는 효과는 인정되지만, 실내에서 원거리에 있는 송신기의 위치를 파악하는 데에는 여전히 한계점을 가지고 있다.
등록특허공보 10-1174126호(2012.08.08.공고)
본 발명은 상기한 바와 같은 한계점을 감안하여 안출된 것으로서, 종래 측위 기법들의 문제점을 해결하고, 특히 측위 정확도를 개선하고 서비스 범위를 확장하기 위해 새로운 하이브리드 측위 설계 기법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 환경 친화적 기반의 측위 시스템을 위한 두 가지 설계 기법을 제공하는 것을 목적으로 하는 바, 최소 신호수신 오차를 갖는 가시광 통신 방식과 무선 네트워크를 융합한 하이브리드 방식의 측위 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 예컨대 지그비(Zigbee)와 같은 애드혹 무선 네트워크를 이용하여 저전력, 뛰어난 보안성, 그리고 네트워크 확장성에 의한 큰 측위 범위 특성을 갖는 하이브리드 방식의 측위 시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 좁은 범위의 가시광 수신, 장거리 측위 범위, 예를 들면, 자동차 충돌방지, 대형 쇼핑몰에서 상품 추적과 보안 서비스를 위한 비캐리어 가시광 통신 기반의 하이브리드 측위 시스템과, 고속 광 센싱, 송신기로부터 넓은 범위의 가시광 수신, 중거리 범위 측위, 예로써, 국부 방송 서비스 또는 비디오 단말기를 사용한 차량 항법 장치 등의 서비스를 위한 캐리어를 사용하는 가시광 통신 기반의 하이브리드 측위 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템으로서, 가시광 ID 데이터를 가시광 신호로 송신하는 가시광 송신기; 상기 가시광 송신기로부터 가시광 신호를 수신하여 가시광 ID 데이터를 복원하고 복원된 가시광 ID 데이터를 관측 노드로 전송하는 가시광 수신기; 상기 가시광 수신기로부터 가시광 ID 데이터를 수신하여 주 노드로 전송하는 관측 노드; 및 상기 관측 노드로부터 가시광 ID 데이터를 수신하는 주 노드를 포함하되, 상기 관측 노드 및 주 노드는 무선 네트워크를 구성하고, 상기 무선 네트워크를 통해 상기 가시광 ID 데이터를 송수신하기 위한 무선 데이터 송수신부를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템을 제공한다.
여기에서, 상기 관측 노드와 주 노드 사이에 연결되어 관측 노드 및 주 노드와 함께 무선 네트워크를 구성하는 중계 노드를 더 포함하고, 상기 관측 노드는 가시광 ID 데이터를 중계 노드로 전송하고, 상기 중계 노드는 관측 노드로부터 수신한 가시광 ID 데이터를 주 노드로 전송하고, 상기 무선 네트워크를 통해 상기 가시광 ID 데이터를 송수신하기 위한 무선 데이터 송수신부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가시광 송신기는, 가시광 ID 데이터를 수신하여 구동 회로부로 전달하는 데이터 버퍼부; 상기 데이터 버퍼부를 통해 수신하는 가시광 ID 데이터에 상응하는 가시광 신호를 생성하도록 조명 장치를 구동하는 구동 회로부; 및 상기 구동 회로부에 의해 가시광 ID 데이터에 상응하는 가시광 신호를 생성하여 송신하는 발광 다이오드로 구성되는 조명 장치를 포함하고, 상기 가시광 수신기는, 상기 가시광 송신기로부터 가시광 신호를 수신하는 광 다이오드; 상기 광다이오드를 구동하며 상기 광다이오드로부터 가시광 신호를 수신하는 광 다이오드 구동 회로부; 상기 광 다이오드 구동 회로부로부터 가시광 신호를 수신하여 증폭함으로써 가시광 ID 데이터를 복원하는 저잡음 증폭기; 및 상기 저잡음 증폭기를 통해 복원된 가시광 ID 데이터를 관측 노드로 전송하는 데이터 송신부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가시광 송신기는, 가시광 ID 데이터를 수신하여 미리 설정된 대역의 캐리어 신호로 변조하는 변조부; 상기 변조 가시광 ID 데이터를 수신하여 구동 회로부로 전달하는 데이터 버퍼부; 상기 데이터 버퍼부를 통해 수신한 변조 가시광 ID 데이터에 상응하는 가시광 신호를 생성하도록 조명장치를 구동하는 구동 회로부; 및 상기 구동 회로부에 의해 변조 가시광 ID 데이터에 상응하는 가시광 신호를 생성하여 송신하는 발광 다이오드로 구성되는 조명 장치를 포함하고, 상기 가시광 수신기는, 상기 가시광 송신기로부터 가시광 신호를 수신하는 광 다이오드; 상기 광다이오드를 구동하며 상기 광다이오드로부터 가시광 신호를 수신하는 광 다이오드 구동 회로부; 상기 광 다이오드 구동 회로부로부터 가시광 신호를 수신하여 증폭하는 저잡음 증폭기; 상기 증폭된 가시광 신호를 소정 주파수 범위로 필터링하는 대역 통과 필터; 상기 필터링된 가시광 신호를 검파하여 가시광 ID 데이터를 복원하는 검출기; 및 상기 검출기를 통해 복원된 가시광 ID 데이터를 관측 노드로 전송하는 데이터 송신부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가시광 ID 데이터는 가시광 송신기의 위치를 식별할 수 있도록 고유하게 부여되는 식별자일 수 있다.
또한, 상기 무선 네트워크는 지그비(Zigbee)에 의해 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 주 노드와 연결되어 주 노드로부터 가시광 ID 데이터를 수신하여 이에 기초하는 관측 노드 또는 가시광 수신기의 위치 정보를 결정하는 시스템 제어기를 더 포함하도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 시스템 제어기는 상기 결정된 위치 정보를 디스플레이부를 통해 표시하도록 구성할 수도 있다.
또한, 상기 시스템 제어기는 가시광 ID 데이터를 분석하기 위한 프로토콜 분석기를 더 포함하도록 구성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 종래 측위 기법들의 문제점을 해결하고, 특히 측위 정확도를 개선하고 서비스 범위를 확장하기 위해 새로운 하이브리드 측위 설계 기법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 환경 친화적 기반의 측위 시스템을 위한 두 가지 설계 기법을 제공하는 것을 목적으로 하는 바, 최소 신호수신 오차를 갖는 가시광 통신 방식과 무선 네트워크를 융합한 하이브리드 방식의 측위 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명에 의하면, 예컨대 지그비(Zigbee)와 같은 애드혹 무선 네트워크를 이용하여 저전력, 뛰어난 보안성, 그리고 네트워크 확장성에 의한 큰 측위 범위 특성을 갖는 하이브리드 방식의 측위 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 좁은 범위의 가시광 수신, 장거리 측위 범위, 예를 들면, 자동차 충돌방지, 대형 쇼핑몰에서 상품 추적과 보안 서비스를 위한 비캐리어 가시광 통신 기반의 하이브리드 측위 시스템과, 고속 광 센싱, 송신기로부터 넓은 범위의 가시광 수신, 중거리 범위 측위, 예로써, 국부 방송 서비스 또는 비디오 단말기를 사용한 차량 항법 장치 등의 서비스를 위한 캐리어를 사용하는 가시광 통신 기반의 하이브리드 측위 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템(100)의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 가시광 송신기(10) 및 가시광 수신기(20)의 구성의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 가시광 송신기(10) 및 가시광 수신기(20)의 구성의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 관측 노드(30), 중계 노드(40) 및 주 노드(50)로 구성되는 무선 네트워크의 구성의 일실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 관측 노드(30), 중계 노드(40) 및 주 노드(50)의 내부 구성의 일예를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 측위 시스템(100)의 전체적인 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 본 발명에 의한 측위 시스템(100)의 실제 구성의 일예를 나타낸 화면이다.
도 8 및 도 9는 가시광 송신기(10) 및 가시광 수신기(20)의 실제 회로의 구성예를 나타낸 것이다.
도 10은 도 8 및 도 9의 회로에 의한 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 11 및 도 12는 본 발명에 의한 시스템에 의한 실험 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 지그비 신호 검출기와 프로토콜 분석기를 사용하여 위치 정보를 분석한 결과를 나타낸 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템(100)의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템(100, 이하 간단히 '측위 시스템(100)'이라 한다)은, 가시광 송신기(10), 가시광 수신기(20), 관측 노드(30), 중계 노드(40), 주 노드(50)를 포함한다.
여기에서, 관측 노드(30), 중계 노드(40), 주 노드(50)는 무선 네트워크(wireless network)를 구성한다. 무선 네트워크는 예컨대 지그비(Zigbee)에 의해 구성되는 애드-혹(ad-hoc) 무선 네트워크인 것이 바람직하다.
이러한 구성의 측위 시스템(100)의 동작을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
우선, 가시광 송신기(10)는 각 가시광 송신기(10)에 부여되는 고유의 가시광 ID 데이터를 가시광 신호로 방사하고, 가시광 수신기(20)는 가시광 신호를 수신하여 이로부터 가시광 ID 데이터를 복원한 후, 관측 노드(30) 및 중계 노드(40)를 통해 주 노드(50)로 가시광 ID 데이터를 무선 네트워크에 의해 전송한다. 주 노드(50)는 예컨대 컴퓨터와 연결되어 있으며, 수신된 가시광 ID 데이터에 해당하는 위치를 컴퓨터 디스플레이부에 표시할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명에 의한 측위 시스템(100)의 각 구성요소에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 가시광 송신기(10) 및 가시광 수신기(20)의 구성의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 가시광 송신기(10)는 파워 서플라이(11), 구동 회로부(12), 조명 장치(13), 데이터 버퍼부(14)를 구비한다. 한편, 가시광 수신기(20)는 파워 서플라이(21), 광다이오드 구동회로부(22), 광다이오드(23), 저잡음 증폭기(24)를 구비한다. 이들은 모두 각각의 내부에 구비된 신호 흐름 버스(signal flow bus)에 연결되어 있다. 파워 서플라이(11,21)는 가시광 송신기(10) 및 수신기(20)에 전원을 공급하는 수단이다.
이러한 구성의 가시광 송신기(10) 및 가시광 수신기(20)는 다음과 같이 동작한다.
우선, 가시광 ID 데이터가 데이터 버퍼부(data buffer, 14)에 입력된다. 이 때, 가시광 ID 데이터는 NRZ(Non-Return-to-Zero) 형식의 이진 데이터인 것이 바람직하다. 여기서, 데이터 버퍼부(14)는 인버터(inverter)로 구성할 수 있다. 데이터 버퍼부(14)는 수신되는 가시광 ID 데이터를 구동 회로부(12)로 전달하는 기능을 수행한다. 한편, 파워 서플라이(11)는 이진 데이터가 "1"인 경우에만 공급되어 가시광 ID 데이터를 생성하도록 한다.
한편, 가시광 ID 데이터는 각 가시광 송신기(10)의 위치를 식별할 수 있도록 고유하게 부여되는 가시광 송신기(10)의 식별자(identifier)를 의미한다.
구동 회로부((LED driving circuit, 12)는 데이터 버퍼부(14)를 통해 수신하는 가시광 ID 데이터에 상응하는 가시광 신호를 생성하도록 조명 장치(13)를 구동하는 기능을 수행한다. 즉, 데이터 버퍼부(14)를 통해 전달되는 가시광 ID 데이터에 상응하는 가시광 신호가 조명 장치(13)에서 방사되도록 조명 장치(13)를 제어하는 기능을 수행한다. 예컨대, NRZ 입력 데이터가 "1"인 경우 온 오프 키잉(OOK) 변조를 사용하여 가시광 신호를 생성할 수 있다.
조명 장치(13)는 발광 다이오드(LED)로 구성되며, 구동 회로부(12)에 의해 전송되는 가시광 ID 데이터에 상응하는 가시광 신호를 방사하기 위한 제어 신호에 따라 가시광을 방사하게 된다. 조명 장치(13)는 예컨대 3×3 사각형 형태의 흰색 LED 배열일 수 있으며, 람버틴 특성의 380~780 THz 가시광 채널을 통해 100msec 주기로 가시광 신호를 방출시키는 것이 바람직하다.
이와 같이 가시광 송신기(10)의 조명 장치(13)에서 가시광 신호가 방출되면, 가시광 신호는 가시광 수신기(20)의 광 다이오드(photo diode, 23)로 전달된다. 광 다이오드(23)는 수신되는 가시광 신호를 광 다이오드 구동 회로부(22)로 전달한다.
광 다이오드 구동 회로부(photo diode driving circuit, 22)는 광 다이오드(23)를 제어하는 제어 신호를 통해 광 다이오드(23)를 구동하며 수신되는 가시광 신호를 저잡음 증폭기(24)로 신호 흐름 버스를 통해 전달한다.
저잡음 증폭기(Low noise amplifier, 24)는 수신되는 가시광 신호를 증폭하여 가시광 ID 데이터를 복원하는 기능을 수행한다. 증폭되어 복원되는 가시광 ID 데이터는 예컨대 NRZ 이진 데이터로 가시광 ID 데이터가 입력된 경우 NRZ 이진 데이터 형식으로 출력되고, 출력된 NRZ 이진 데이터는 가시광 ID 데이터로 재변환된다. 재변환된 가시광 ID 데이터는 데이터 송신부(25)를 통해 후술하는 관측 노드(30)로 전송된다.
도 2의 실시예에서 설명한 가시광 송신기(10) 및 가시광 수신기(20)는 캐리어를 사용하지 않는 가시광 통신을 수행한다는 점을 특징으로 한다. 캐리어를 사용하지 않는 경우에는 저속 가시광 데이터 센싱에 적합하며 예컨대 대형 쇼핑몰에서 상품 추적과 보안 서비스 등의 저속 장거리 데이터 수신 서비스 도는 이와 유사한 서비스를 위한 측위 시스템에 적합하다. 다만, 이러한 방식은 위치 정보 신호와 영향을 주는 전원 잡음과 같은 저주파 잡음에 취약하다는 단점을 가진다.
도 3은 가시광 송신기(10) 및 가시광 수신기(20)의 구성의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3의 실시예는 도 2의 실시예와 비교해 볼 때, 캐리어(carrier)를 사용한다는 점에서 차이가 있으며 따라서 이를 위해 가시광 송신기(10)에 변조부(15) 및 오실레이터(16)가 포함되어 변조된 가시광 신호를 생성하고, 가시광 수신기(20)에는 대역 통과 필터(26) 및 검출기(27)가 포함되어 변조된 가시광 신호를 복조하여 가시광 ID 데이터를 복원하게 된다.
한편, 기타 구성은 도 2의 경우와 마찬가지이므로 이들에 대해서는 상세 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 우선, 가시광 ID 데이터는 데이터 버퍼부(data buffer, 14)에 입력되기 이전에 변조부(modulator, 15)로 입력된다. 이 때, 가시광 ID 데이터는 도 2에서와 마찬가지로 NRZ(Non-Return-to-Zero) 형식의 이진 데이터인 것이 바람직하다.
변조부(15)는 입력되는 NRZ 이진 데이터를 오실레이터(16)로부터 입력되는 미리 설정된 대역 예컨대 4MHz의 캐리어(carrier) 신호로 온 오프 키잉(OOK) 변조된 가시광 ID 데이터를 생성한다.
변조된 가시광 ID 데이터는 구동 회로부(12)로 전달되고, 구동 회로부(12)는 이에 따라 도 2에서와 마찬가지로 조명 장치(13)가 가시광 ID 데이터에 상응하는 가시광 신호를 방출하도록 하는 제어 신호를 조명 장치(13)로 전달하고 조명 장치(13)는 이에 따라 가시광 신호를 생성하여 방출하게 된다.
방출되는 가시광 신호는 도 2에서와 마찬가지로 광 다이오드(23), 광 다이오드 구동 회로부(22) 및 저잡음 증폭기(24)로 전달된다.
저잡음 증폭기(24)에서 증폭되는 가시광 신호는 대역 통과 필터(26)으로 전달된다. 대역 통과 필터(Band pass filter, BPF, 26)는 증폭된 가시광 신호를 소정 주파수 범위로 필터링하는 기능을 수행하며 필터링된 신호는 검출기(27)로 전송된다.
검출기(detector, 27)는 필터링된 가시광 신호를 검파하여 가시광 ID 데이터를 복원하는데 예컨대 가시광 송신기(10)로 NRZ 이진 데이터가 입력된 경우 검출기(27)는 NRZ 이진 데이터를 출력하게 된다. 출력되는 NRZ 이진 데이터는 가시광 ID 데이터로 재변환되어 도 2에서와 마찬가지로 데이터 송신부(25)를 통해 관측 노드(30)로 전송된다.
도 3의 실시예는 예컨대 4MHz 캐리어를 사용하는 방식으로서 이는 고속의 가시광 데이터 센싱 및 회로 설계 특성으로 인해 가시광 송신기(10)로부터 넓은 범위의 가시광 수신에 적합하다는 특징을 갖는다. 고속 데이터 전송과 잡음 면역성이 강하므로 비디오 단말기를 사용하는 건물 안내 또는 위치 안내 기능의 국부 방송 등의 중단거리 서비스에 특히 적합하다.
도 4는 관측 노드(30), 중계 노드(40) 및 주 노드(50)로 구성되는 무선 네트워크의 구성의 일실시예를 설명하기 위한 도면으로서, 무선 네트워크가 지그비(Zigbee)에 의해 구성된 경우를 나타낸 것이다.
도 4는 지그비에 의한 무선 네트워크를 예시적으로 나타낸 것이지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 각 노드 사이에 직접 데이터를 무선으로 송수신할 수 있는 무선 애드혹 네트워크인 것이 바람직하며 예컨대 블루투스에 의해 무선 네트워크를 구현할 수도 있다.
도 4를 참조하면, 시스템 제어기(system controller, 60)는 PC로 구성될 수 있으며 주 노드(main node, 50)와 예컨대 직렬 통신 방식으로 연결될 수 있다.
주 노드(50)는 지그비 무선 네트워크 상에서 네트워크를 형성하고 네트워크 주소를 정하는 코디네이터(coordinator) 역할을 담당한다. 주 노드(50)의 주요 기능은 직렬 접속 기능과 지그비 송수신 모뎀 기능이며 중계 노드(40)와 예컨대 최대 10mW 출력의 지그비 신호를 교환함으로써 데이터를 송수신한다.
중계 노드(relay node, 40)는 지그비 무선 네트워크 상에서 라우터(router) 역할을 담당하며 코디네이터(주 노드, 50)가 정한 네트워크 주소를 공유한다.
관측 노드(monitoring node, 30)는 가시광 수신기(20)와 예컨대 직렬 통신 방식으로 연결되며 지그비 무선 네트워크 상에서 라우터 또는 종단 소자(End device) 역할을 하며, 코디네이터(주 노드, 50) 및 라우터(중계 노드, 40)와 함께 네트워크 주소를 공유한다.
이러한 구성의 지그비 무선 네트워크상의 각 노드는 다음과 같이 동작한다. 즉, 전술한 바와 같이 가시광 수신기(20)에서 가시광 신호가 수신되어 가시광 ID 데이터가 복원되면, 복원된 가시광 ID 데이터는 예컨대 직렬 인터페이스를 통해 직렬 통신 방식으로 관측 노드(30)로 전달된다. 관측 노드(30)는 지그비 모뎀을 통해 중계 노드(40)로 가시광 ID 데이터를 무선 전송하고 중계 노드(40)의 지그비 모뎀은 이를 수신하고 다중 홉(hop) 방식으로 주 노드(50)에 전달한다. 주 노드(50)에 전달된 가시광 ID 데이터는 시스템 제어기(60)로 전달되고 시스템 제어기(60)는 해당 가시광 ID 데이터에 상응하는 위치 정보를 예컨대 디스플레이부를 통해 전자 지도상에 표시할 수 있다.
도 5는 관측 노드(30), 중계 노드(40) 및 주 노드(50)의 내부 구성의 일예를 나타낸 도면이다.
관측 노드(30), 중계 노드(40) 및 주 노드(50) 각각은 크게 네 가지 블록, 즉 CPU불록, 메모리블록, 무선블록, 그리고 입출력장치 블록으로 구성될 수 있다.
CPU블록(51,52)은 예컨대 32MHz 클록을 사용하는 8051 CPU 코어(51)와 CPU 동작 없이 대규모 데이터 블록 이동이 가능하게 하는 DMA 제어기(52)와 그 주변회로로 구성될 수 있다.
메모리 블록(53)은 예컨대 8kB SRAM과 128kB 플래시 메모리를 사용할 수 있으며, SRAM은 시스템 동작에 필요한 프로그램 메모리로 사용되며, 플래시 메모리는 데이터 메모리 용도로 사용된다.
무선 블록(54)은 지그비 무선 통신의 핵심모듈로 변복조기, 채널 중재 CSMA-CA 방식의 MAC 알고리즘 로직, 주파수 합성기 로직으로 구성될 수 있다. 무선블록은 실제 데이터 코딩된 비트 데이터를 프레임 포맷, 변조, 채널중재 할당 등을 거쳐, 2.4 GHz 지그비 신호로 변경해 휩 안테나를 통해 신호를 전송한다.
입출력 장치 블록(55)은 타이머, ADC, UART 등이 있으며 시스템 제어기와 직렬통신 인터페이스로 연결된다. 그리고 각 블록은 주 버스에 8비트로 연결될 수 있다.
다음으로, 전술한 바와 같은 측위 시스템(100)에서 가시광 ID 데이터가 전송되는 방법에 대해 설명한다.
앞서 설명한 측위 시스템(100)에서 가시광 송신기(10)와 가시광 수신기(20) 사이의 가시광 ID 데이터는 지그비를 통해 전송되는 것이 아니라 예컨대 380nm~780nm 파장 사이의 가시광 신호 채널을 통해 이루어진다.
가시광 송신기(10)의 조명 장치(13)의 LED 배열을 통해 전송되는 가시광 신호는 가시광 송신기(10)의 대략적인 위치를 나타내며 이는 다음과 같은 형태의 K-bit 이진 디지털 데이터로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기에서,
Figure pat00002
는 신호 세기(signal intensity),
Figure pat00003
는 펄스 형태(pulse shape),
Figure pat00004
는 비트 길이(bit duration)이다.
가시광 송신기(10)와 가시광 수신기(20) 사이의 가시광 신호 채널은 직접 경로(direct path)와 다중 반사 경로(multiple reflected path)로 이루어지는데 다중 반사 경로는 다수의 반사에 기인하는 것이다. 종래 기술에 의하면, 가시광 신호의 임펄스 응답(impulse response)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00005
여기에서,
Figure pat00006
는 직접 경로 신호의 채널 게인(channel gain)이고,
Figure pat00007
는 반사 경로 신호의 채널 게인이고,
Figure pat00008
는 임펄스 함수이며,
Figure pat00009
는 가시광 수신기(20)에 수신될 때 직접 경로 신호와 반사 경로 신호 사이의 시간 차(time difference)이다. 채널 임펄스 응답
Figure pat00010
의 응답 특성은 여러 가지 값을 가질 수 있으나, 가시광 송신기(10)와 가시광 수신기(20) 사이의 가시광 통신의 기능은 데이터 통신이 아니라 목표 위치 추정을 위한 것이다. 또한, 가시광 송신기(10)와 가시광 수신기(20) 사이의 거리는 짧고 주로 직접 경로를 통해 약간의 펄스만이 전송되기만 하면 충분하다. 따라서, 수학식 2의 가시광 신호의 채널 임펄스 응답은 반사 경로 전송을 무시하면 다음과 같이 간단히 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00011
한편,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
및
Figure pat00014
를 각각 광학 필터의 게인, 광 집진기의 게인 및 광 디이오드의 가시광 신호의 수신 면적이라고 하고,
Figure pat00015
를 입사각(incident angle)이라 한다. 입사각은 가시광 수신기(20)의 필드-오브-뷰(Field-of-View, FoV) 범위내라고 가정한다. 즉,
Figure pat00016
이다.
조명 장치(13)의 LED의 가시광 신호가 람버틴 방사 형식(Lambertian emission pattern)의 확산 성질을 갖는 것으로 가정하면, 방출 각도
Figure pat00017
인 LED의 조도 밀도(light intensity)는 다음과 같다.
[수학식 4]
Figure pat00018
여기에서,
Figure pat00019
은 람버틴 방사의 오더(order)로서
Figure pat00020
이다(
Figure pat00021
는 LED의 반전력 각도(half-power angle)).
Figure pat00022
이면
Figure pat00023
이고, 수학식 4는
Figure pat00024
로 간단히 표현될 수 있다.
가시광 송신기(10)의 전송 전력(transmitted power)는 다음과 같이 주어진다.
[수학식 5]
Figure pat00025
여기에서,
Figure pat00026
는 LED 배열의 파워이다.
직접 경로 채널 게인은 다음과 같이 주어진다.
[수학식 6]
Figure pat00027
그러면, 수신 신호는 수학식 1과 수학식 6으로부터
Figure pat00028
로 나타낼 수 있으며, 따라서 다음과 같이 ㅍ표현된다.
[수학식 7]
Figure pat00029
여기서
Figure pat00030
는 제로 평균(zero mean)과 단일 변수(unity variance)를 갖는 부가 가우시안 잡음(additive Gaussian noise)이다.
도 1 내지 도 3에서 관측 노드(30)는 가시광 송신기(10)의 조명 장치(13)의 LED(위치 A)에 근접해 있으므로 가시광 송신기(10)의 가시광 신호를 수신하는 노드는 조명 장치(13)의 LED로부터 방출되는 가시광 ID 데이터((0A)_hex) 또는 K-비트 가시광 ID 데이터를 수신할 수 있다. 수신된 가시광 신호는 수학식 7에 나타낸 바와 같이 입사각(
Figure pat00031
), 조도 밀도(
Figure pat00032
) 및 가시광 송신기(10)와 가시광 수신기(20) 사이의 거리의 제곱에 의존한다. 관측 노드(30)가 다른 장소(N)으로 이동할 때, 다른 장소(N)에서 가시광으로부터 전달되는 가시광 ID 데이터((0N)hex)를 수신하여 현재 위치에 대한 정보를 식별하게 된다. 그러면, 가시광 ID 데이터의 수신 신호 크기(Received Signal Strength, RSS)를 나타내는 매개변수
Figure pat00033
는 예컨대
Figure pat00034
실험(
Figure pat00035
)의 표본 평균 추정 방법(sample-mean estimation method)을 통해 다음과 같이 추정될 수 있다.
[수학식 8]
Figure pat00036
따라서, 관측 노드(30)에서의 가시광 ID 데이터의 수신 신호 크기의 추정은 수학식 8에 의해 이루어질 수 있다.
도 1 내지 도 3의 시스템에서, 가시광 ID 데이터 즉, 위치 정보는 예컨대 지그비(Zigbee) 무선 송수신 기능을 구비하는 관측 노드(30)를 통해 지그비 무선 네트워크로 전달될 수 있다. 지그비 무선 네트워크를 통해 데이터의 전송이 이루어지는 경우 관측 노드(30)를 통과하면서 가시광 ID 데이터는 원래의 K-비트 이진 데이터에서 다음과 같은 신호로 변환된다.
[수학식 9]
Figure pat00037
여기서
Figure pat00038
는 변환된 신호 세기(transformed signal intensity),
Figure pat00039
은 독립 데이터 비트(independent data bits)를 나타내는 펄스 형태(pulse shape),
Figure pat00040
는 지그비 디지털 데이터 비트의 지속주기(duration)이다.
관측 노드(30)의 지그비 송수신기가 가시광 ID 데이터의 이진 디지털 데이터를 중계 노드(40)로 전송할 때, 통신 특성(communication characteristics)은 2.4 GHz 협대역 실내 무선 채널(narrow-band indoor wireless channel), 즉, 일반적인 협대역 실내 무선 채널 모델의 특성을 따른다. 또한, 지그비 채널의 임펄스 응답은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 10]
Figure pat00041
여기에서,
Figure pat00042
,
Figure pat00043
은 각각 m번째 클러스터의 i번째 경로의 신호 크기(signal magnitude) 및 m번째 클러스터의 i번째 경로의 도착 시간(arrival time)이다.
Figure pat00044
은 클러스터의 개수이며
Figure pat00045
는 클러스터안의 다중 경로 개수이다.
관측 노드(30)의 지그비 송신기에서 생성되는 지그비 펄스는 M개의 클러스터안의 Z개의 다중 경로인 협대역 실내 무선 채널을 통해 중계 노드(40)의 지그비 수신기로 도착한다. 실제 채널 환경에 따라 클러스터의 개수는 M보다 작거나 클 수 있다. 전송되는 지그비 신호가 중계 노드(40)의 수신기에 도달할 때, 수신되는 신호는 수학식 9 및 수학식 10로부터
Figure pat00046
로 나타낼 수 있으며, 이는 다음과 같다.
[수학식 11]
Figure pat00047
Figure pat00048
회 실험 이후 수신 신호 세기(RSS) 매개변수의 추정치는 다음과 같이 주어진다.
[수학식 12]
Figure pat00049
임펄스 응답
Figure pat00050
의 무선 네트워크를 통해 주 노드(50) 또는 중계 노드(40)에서의 가시광 ID 데이터의 수신 신호 세기의 추정은 상기 수학식 12에 의해 획득될 수 있다.
도 6은 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 측위 시스템(100)의 전체적인 동작을 설명하기 위한 흐름도로서, 관측 노드(30)와 주 노드(50)만으로 무선 네트워크를 우선적으로 구성하고 추후 중계 노드(40)를 중간에 개입시켜 무선 네트워크를 확장하는 과정을 포함한다.
우선, 관측 노드(30)와 주 노드(50)의 전원을 공급하고, 각 노드의 초기화 완료 후, 각 노드들의 지그비 송수신 모듈사이에 네트워크 바인딩 과정을 통해 각 노드 사이의 지그비 무선 네트워크를 구축하여, 무선 데이터 전송이 가능하게 한다(S100).
다음으로, 가시광 송신기(10)는 예컨대 PC에서 생성된 8비트 가시광 ID 데이터를 LED 조명 장치(13)를 통해 방출시킨다. 이는 도 2 내지 도 3에서 설명한 바와 같은 방식으로 캐리어를 사용하지 않는 방식이나 캐리어를 사용하는 방식에 의해 예컨대 OOK-NRZ 형식으로 가시광 ID 데이터를 변환시켜 람버틴 특성의 380~780 THz 가시광 채널을 향해 100 msec 주기로 흰색 LED 배열로 된 조명 장치(13)을 통해 방출시킨다(S110).
그리고, 관측 노드(30)에 포함되거나 관측 노드(30)와 연결된 가시광 수신기(20)는 일반 광학 필터와 광학 집진기를 통해, 가시거리 영역 안의 최단 거리 경로로 경로손실 만큼 감쇠된 크기의 가시광 신호를 광다이오드(23)로 수신하고, 도 2 및 도 3에서 설명한 바와 같이 예컨대 대역 통과 필터로 검파하여 가시광 ID 신호를 본래의 8비트 가시광 ID 디지털 데이터로 복원하는 과정을 주기적으로 수행한다(S120).
가시광 수신기(20)로부터 복원된 8비트 가시광 ID 디지털 데이터는 관측 노드(30)는 지그비 송수신 모듈의 직렬포트로 입력되어 지그비 모뎀을 통해 DSSS-OQPSK 변조를 거쳐 최대 250kbps 속도로 휩 안테나를 거쳐 2.4GHz 협대역 무선 채널로 지그비 신호가 방출되고, 방출된 지그비 신호는 주 노드(50)로 전달된다(S130).
주 노드(50)의 휩 안테나를 통해 수신된 지그비 신호는 OQPSK 검파와 DSSS 역확산 과정을 거쳐 8비트 가시광 ID 디지털 데이터는 다시 직렬 포트를 통해 시스템 제어기(60)로 전달되고 예컨대 PC인 시스템 제어기(60)는 이에 기초하여 관측 노드(30)의 위치를 디스플레이부에 표시함으로써 관측 노드(30)의 위치를 파악하게 된다(S140).
한편, 측위 거리의 확장이 필요한 경우, 관측 노드(30)와 주 노드(50) 사이의 거리를 확장하고, 중계 노드(40)를 그 사이에 동작시켜 다중 홉 기능의 지그비 무선 네트워크를 구축하고, 전술한 과정을 다시 수행한다(S150,S160).
도 6에서 설명한 지그비 무선 신호 전송을 위해, 각 노드들에 내장된 임베디드 소프트웨어의 동작 순서는 다음과 같다.
각 노드에 있는 임베디드 소프트웨어 역할은 각 노드의 하드웨어 소자 초기화와 구동이며, IEEE 802.15.4 표준과 지그비 스택 프로토콜에 따라 하이브리드 측위에 필요한 여러 가지 기능을 제공한다. 계층 구조로 보면, 하드웨어인 물리계층, 펌웨어인 맥 계층은 IEEE 표준 규격, 소프트웨어인 네트워크 계층, 보안의 ZDO 계층, 응용계층 등은 지그비 스택을 따른다. 도 6의 흐흠도에 따른 구체적인 시스템 신호 흐름은 다음과 같다.
우선, 각 노드의 전원이 ON상태가 되면 주 프로그램이 구동되어 하드웨어 보드 초기화, 내장 메모리 초기화, 드라이버 초기화, 그리고 운영체체 초기화가 수행한 후, 부프로그램으로 이동하여 시스템 내 이벤트 발생 여부를 점검하고 기다린다. 이벤트가 발생되면 지그비 스택용 운영체제 프로그램 내로 이동하여 운영체제 메모리 할당, 맥 계층 초기화, 네트워크 계층 초기화, 응용 지원계층과 보안 계층 초기화, 그리고 일반모드 응용 프로그램 초기화를 수행한 후, 일반 모드 응용 프로그램으로 이동한 후, 관련 이벤트 발생 여부를 점검한다. 지그비 네트워크 접속을 위한 네트워크 바인딩을 시도하면 담당 함수가 구동되어 지그비 바인딩 프로토콜에 따라 비콘 신호를 전체로 전송시킨다. 또한 위치 정보 데이터가 LED와 포토 다이오드의 가시광 송수신을 거치고, 다시 관측 노드(30)로 직렬 전송이 시작되면, 담당 함수가 구동이 되고, 관측 노드(30)는 위치 정보 데이터를 시스템 내부 메모리에 저장한다. 그런 후, 저장된 위치 데이터를 원거리 상에 있는 중계 노드(40) 또는 주 노드(50)로 지그비 무선 전송을 한다. 다음, 주 노드(50)에 수신된 위치 데이터는 직렬 전송으로 시스템 제어기(60)로 전송되고, 사용자 인터페이스 프로그램에 의해 압축데이터가 복원되고 PC 화면에 표시된다.
도 7은 본 발명에 의한 측위 시스템(100)의 실제 구성의 일예를 나타낸 화면이다.
도 7을 참조하면, 가시광 ID 데이터를 생성하기 위한 한 대의 PC와 가시광 송신기(visible light transmitter) 및 가시광 수신기(visible light receiver), 관측 노드(monitoring node), 중계 노드(relay node), 주 노드(main node), 시스템 제어기(system controller)가 있다. 또한, 지그비 신호 검출기(Zigbee signal detector)와 지그비 프로토콜 분석기(Zigbee Protocol Analyzer)도 나타나 있다.
시스템 제어기(60)는 측위 결과를 알 수 있는 사용자 인터페이스 프로그램이 포함되며, 지그비 프로토콜 분석기는 지그비 방식의 데이터 전송 분석을 위한 기능을 수행한다.
도 8 및 도 9는 가시광 송신기(10) 및 가시광 수신기(20)의 실제 회로의 구성예를 나타낸 것이다. 도 8은 도 2에서 설명한 비캐리어 가시광 통신 기반의 송수신기 회로이고 도 9는 도 3에서 설명한 4 MHz 캐리어 가시광 통신 기반의 송수신기 회로이다.
우선 가시광 송신기(10)에서 LED 소자는 고휘도 백색의 3x3 배열이며, LED 구동회로는 NPN 트랜지스터, 데이터 버퍼는 일반 AND 게이트와 NOT 게이트로 구현되고, 가시광 수신기(20)에는 한 개의 포토다이오드, 저잡음 증폭기로 비반전 증폭기가 사용된다. 가시광 송수신기 거리에 따라 비반전 증폭기 이득을 조절해 수신신호 크기를 조절할 수 있는데, 도 9의 예는 증폭을 하지 않은 0dB 경우이다
도 9의 4 MHz 캐리어 기반 수신기에서는 대역 통과 필터, 신호 검출(검파), 4MHz 발진기 회로를 설치하였다.
도 10은 도 8 및 도 9의 회로에 의한 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 10을 참조하면, 33~40.3cm의 좁은 범위에서는 비캐리어 기반의 송수신기 회로가 오류가 없는 가시광 송수신 전송 결과를 가지며, 이 보다 더 넓은 범위의 0.057~47.9cm에서 4MHz 캐리어를 사용하는 가시광 송수신기 회로가 오류가 없는 전송결과를 가졌음을 알 수 있다. 또한, 이득 G를 증가시키면, 가시광 수신 범위는 308cm 범위가지도 증가시킬 수 있다.
다음으로, 전술한 측위 시스템(100)에 의한 실제 실험예에 대해 설명한다.
도 7에 나타낸 바와 같은 개발 프로토 시스템을 사용하여 비가시거리 하이브리드 채널과 지그비 다중홉( 3홉과 5홉) 무선 네트워크 전송, 그리고 비캐리어와 4MHz 캐리어의 두 가지 제안 가시광 통신 방식 환경에서 두 가지 하이브리드 측위 실험을 수행하였다.
먼저, 중거리 범위의 하이브리드 측위 실험이 다음 실험 조건으로 수행되었다. 관찰자로부터 비가시거리로 대략 2400cm 정도에 목표물이 있으며, 지그비 관측노드를 가진 목표물 주위에는 4MHz 캐리어 OOK NRZ 형식의 가시광 신호가 수신되며, 관찰자는 실내에 있다. 이 실험 목표는 관찰자가 그 목표물을 보지 못해도 직접 목표물 위치를 추정하는 것이다. 이 실험을 위해 도 11과 같이 실험 세트를 설치하였다.
도 11(a)의 관측 노드(30)인 목표물과 도 11(c)에 있는 주 노드(50)인 관찰자 사이의 거리를 2368cm로 하고 3홉 무선 네트워크 전송이 되게 구축하였다. 무선 채널을 통해 전송된 지그비 패킷 데이터 분석은 도 11(c)에 있는 SNA 장비인 프로토콜 분석기로 수집하여 수행하였다.
도 11에서 수집된 패킷 데이터로부터, 목표물 주변에 있는 가시광 ID 데이터를 얻었고, 획득된 가시광 ID 데이터로 근접 측위 기법을 사용하여 목표물 위치를 추정한다. 추가로, 지그비 프로토콜 분석기를 사용하여 목표물과 관찰자 사이 주변을 통해 전달되는 데이터 패킷과 무선채널 상태도 파악이 가능하다.
한편, 도 12와 같이 공학관 건물 3층 복도에 목표물이 있고 대략 7800cm 떨어진 비가시거리 환경에서 동일 건물내 1319호 방안에 있는 관찰자가 있는 조건을 가지는 장거리 범위의 측위 실험을 수행하였다. 관찰자 주변에는 비캐리어 OOK NRZ 형식의 가시광 송수신기가 있으면서 1351호 방 앞면에 있는 목표물에게 위치 ID 데이터를 제공하고, 또한 멀리 떨어진 목표물 조건에서의 추정 실험 환경을 만들기 위해 추가로 중계 기능의 노드들, 중계 노드1, 중계 노드2, 중계 노드3을 도 12와 같이, 1344호, 1339호, 1326호 방 앞에 각각 설치하였다. 지그비 신호 패킷과 노드들 사이의 바인딩과정을 관측하기 위해 시스템 제어기 주변에 지그비 신호 검출기와 프로토콜 분석기도 설치하였다.
도 6에서 설명한 측위 과정에 따라 5홉 하이브리드 측위실험을 다음과 같이 수행하였다. PC들, 주 노드, 관측 노드들의 전원을 인가하면, 두 노드들 사이의 지그비 바인딩 과정이 수행되고 지그비 프로토콜 분석기로 점검한다. 가시광 송신기를 사용하여 도 12의 우측에 있는 PC로부터 위치 데이터를 생성한 후, 가시광 채널을 통해 가시광 수신기로 전송한다. 그러면 수신 신호는 관측 노드에 의해 디지털 데이터로 변환되고, 2.4 GHz OQPSK-DSSS 형식의 지그비 무선 신호로 다시 변환되고, RF 신호는 무선 채널을 통해 주 노드로 전달된다.
주 노드가 전달된 RF 신호를 수신한 후, 주 노드 동작의 역변환 관정이 수행된다. 마지막으로 복원된 위치 데이터는 도 12의 좌측에 있는 PC에 표시되고, 하이브리드 측위를 위한 시스템 동작이 반복적으로 계속된다.
측위 가능한 면적을 키우기 위해, 가시광 송수신기, 데이터 생성PC, 그리고 관측 노드를 1339호 앞으로 이동한 후, 중계 노드 3을 투입하고, 3홉 무선 네트워크 전송을 위해 1326호 방 앞에서 동작을 시킨다. 추가 측위면적 확장을 위해서 4홉 무선 네트워크 전송을 위해 중계노드 2를 1339호 방 앞에 투입 동작시키고, 5홉 무선 네트워크 전송을 위해 중계노드 1를 1334호 방 앞에 투입하여 동작시킨다. 메시 무선 네트워크 연결을 관측하고 지그비 데이터 패킷과 프로토콜을 분석하기 위해, 지그비 신호 검출기와 프로토콜 분석기를 사용하여 도 13과 같은 결과를 얻었다. 도 13으로부터 5홉 무선 네트워크 전송이 잘 수행되었고, 관찰자가 목표물 주변의 위치 데이터를 또한 잘 추정되었고, 마지막으로 5홉 무선 네트워크기반의 하이브리드 측위 시험이 성공적으로 수행된 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며 다양한 수정/변형 실시가 가능함은 물론이다.
예컨대, 가시광 수신기(20)와 관측 노드(30)는 일체로 형성할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 무선 네트워크로서 지그비에 의해 구성되는 무선 네트워크를 설명하였으나 지그비 이외에 블루투스, RFID, 무선랜, NFC 등의 무선 네트워크에도 본 발명이 그대로 적용될 수 있음은 물론이다.
10...가시광 송신기
20...가시광 수신기
30...관측 노드
40...중계 노드
50...주 노드

Claims (9)

  1. 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템으로서,
    가시광 ID 데이터를 가시광 신호로 송신하는 가시광 송신기;
    상기 가시광 송신기로부터 가시광 신호를 수신하여 가시광 ID 데이터를 복원하고 복원된 가시광 ID 데이터를 관측 노드로 전송하는 가시광 수신기;
    상기 가시광 수신기로부터 가시광 ID 데이터를 수신하여 주 노드로 전송하는 관측 노드; 및
    상기 관측 노드로부터 가시광 ID 데이터를 수신하는 주 노드
    를 포함하되,
    상기 관측 노드 및 주 노드는 무선 네트워크를 구성하고, 상기 무선 네트워크를 통해 상기 가시광 ID 데이터를 송수신하기 위한 무선 데이터 송수신부를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관측 노드와 주 노드 사이에 연결되어 관측 노드 및 주 노드와 함께 무선 네트워크를 구성하는 중계 노드를 더 포함하고,
    상기 관측 노드는 가시광 ID 데이터를 중계 노드로 전송하고, 상기 중계 노드는 관측 노드로부터 수신한 가시광 ID 데이터를 주 노드로 전송하고, 상기 무선 네트워크를 통해 상기 가시광 ID 데이터를 송수신하기 위한 무선 데이터 송수신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가시광 송신기는,
    가시광 ID 데이터를 수신하여 구동 회로부로 전달하는 데이터 버퍼부;
    상기 데이터 버퍼부를 통해 수신하는 가시광 ID 데이터에 상응하는 가시광 신호를 생성하도록 조명 장치를 구동하는 구동 회로부; 및
    상기 구동 회로부에 의해 가시광 ID 데이터에 상응하는 가시광 신호를 생성하여 송신하는 발광 다이오드로 구성되는 조명 장치
    를 포함하고,
    상기 가시광 수신기는,
    상기 가시광 송신기로부터 가시광 신호를 수신하는 광 다이오드;
    상기 광다이오드를 구동하며 상기 광다이오드로부터 가시광 신호를 수신하는 광 다이오드 구동 회로부;
    상기 광 다이오드 구동 회로부로부터 가시광 신호를 수신하여 증폭함으로써 가시광 ID 데이터를 복원하는 저잡음 증폭기; 및
    상기 저잡음 증폭기를 통해 복원된 가시광 ID 데이터를 관측 노드로 전송하는 데이터 송신부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가시광 송신기는,
    가시광 ID 데이터를 수신하여 미리 설정된 대역의 캐리어 신호로 변조하는 변조부;
    상기 변조 가시광 ID 데이터를 수신하여 구동 회로부로 전달하는 데이터 버퍼부;
    상기 데이터 버퍼부를 통해 수신한 변조 가시광 ID 데이터에 상응하는 가시광 신호를 생성하도록 조명장치를 구동하는 구동 회로부; 및
    상기 구동 회로부에 의해 변조 가시광 ID 데이터에 상응하는 가시광 신호를 생성하여 송신하는 발광 다이오드로 구성되는 조명 장치
    를 포함하고,
    상기 가시광 수신기는,
    상기 가시광 송신기로부터 가시광 신호를 수신하는 광 다이오드;
    상기 광다이오드를 구동하며 상기 광다이오드로부터 가시광 신호를 수신하는 광 다이오드 구동 회로부;
    상기 광 다이오드 구동 회로부로부터 가시광 신호를 수신하여 증폭하는 저잡음 증폭기;
    상기 증폭된 가시광 신호를 소정 주파수 범위로 필터링하는 대역 통과 필터;
    상기 필터링된 가시광 신호를 검파하여 가시광 ID 데이터를 복원하는 검출기; 및
    상기 검출기를 통해 복원된 가시광 ID 데이터를 관측 노드로 전송하는 데이터 송신부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 가시광 ID 데이터는 가시광 송신기의 위치를 식별할 수 있도록 고유하게 부여되는 식별자인 것을 특징으로 하는 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 무선 네트워크는 지그비(Zigbee)에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 주 노드와 연결되어 주 노드로부터 가시광 ID 데이터를 수신하여 이에 기초하는 관측 노드 또는 가시광 수신기의 위치 정보를 결정하는 시스템 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 시스템 제어기는 상기 결정된 위치 정보를 디스플레이부를 통해 표시하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 시스템 제어기는 가시광 ID 데이터를 분석하기 위한 프로토콜 분석기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광 통신 및 무선 네트워크를 이용한 하이브리드 측위 시스템.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102620093B1 (ko) * 2022-11-29 2024-01-02 (주) 다음기술단 건설근로자의 안전 확보를 위한 위치기반 웨어러블 디바이스 및 이를 포함하는 웨어러블 안전가시화 시스템

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