KR20180083570A - 모바일 단말의 레인징 주기를 조절할 수 있는 실내 측위 방법 및 시스템 - Google Patents

모바일 단말의 레인징 주기를 조절할 수 있는 실내 측위 방법 및 시스템 Download PDF

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KR20180083570A
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김태준
정석원
이솔이
박원배
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충북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 상호 이격되어 둘 이상의 비콘 노드들이 배치되어 있는 실내에서, 상기 비콘 노드들이 송출하는 비콘 신호를 이용하여 실내 측위를 하기 위한, 모바일 단말의 실내 측위 방법에서, 상기 모바일 단말이 주기적으로 레인징(Ranging)을 수행하여 주변의 비콘 신호를 탐지하는 단계, 상기 모바일 단말은 비콘 신호를 수신하면, 해당 비콘 신호를 송출한 비콘 노드의 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 값을 획득하는 단계 및 상기 모바일 단말은 획득한 RSSI 값의 변화가 미리 정해진 문턱값(threshold)보다 크면, 레이징 수행 주기를 증가시키고, 반대로 상기 RSSI 값의 변화가 상기 문턱값보다 작으면 레이징 수행 주기를 감소시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 실내 측위에 있어서 상황에 따라 모바일 단말의 레인징 주기를 조절함으로써, 배터리 사용량을 최소화하고, 에너지 효율을 향상시키며, 보다 정확한 위치 정보를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

모바일 단말의 레인징 주기를 조절할 수 있는 실내 측위 방법 및 시스템 {Indoor positioning method and system are capable of adjusting ranging cycle in mobile terminal}
본 발명은 비콘 신호를 이용한 실내 측위 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모바일 단말의 레인징(ranging) 주기를 조절하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 실내 측위 기술에 관한 것이다.
비콘(Beacon)은 근거리 내의 스마트 기기를 감지하고 각종 정보와 서비스를 제공하는 근거리 데이터 통신 기술이다.
비콘은 여러 종류로 나눌 수 있지만, 2013년 6월에 애플의 iBeacon 발표 이후부터는 BLE(Bluetooth Low Energy) 기반의 비콘 기술을 일반적으로 비콘(beacon)이라고 부른다.
비콘은 소량의 패킷 전송으로 동작이 가능하고, 두 기기를 연결시키는 페어링(pairing)이 불필요하며, 저전력으로 통신하기 때문에, 다른 근거리 무선통신 기술에 비해 저비용으로 위치를 인식할 수 있다.
한편, 실내 측위는 건물 내에서 사용자의 위치를 파악하는 기술이다. 위성과 통신이 가능한 외부에서 주로 사용되는 GPS는 실내에서 작동하기 어렵고, 군사적 이유 등으로 의도적인 오차를 두어 오차범위가 커서, 실내에서 세밀한 목적으로 사용하기에는 적합하지 않기 때문에, 별도의 실내 측위 기술이 필요하다. 실내 측위에서는 주로 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 자이로 센서 등의 기술을 이용하여 위치를 연산하게 된다.
비콘은 신호가 사용되지 않는 상황에서도 계속해서 비콘 신호를 송출하고 있다. 그리고, 모바일 단말(Mobile device)이 비콘 신호를 이용하여 실내 측위를 하는 경우, 레인징(ranging)이라는 절차를 주기적으로 수행하여, 주변의 비콘 신호를 탐지하게 된다. 이때, 모바일 단말은 이러한 레인징을 주기적으로 수행하면서 상당한 전력을 소모하게 된다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 10-2015-0132781
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 실내에서 모바일 단말의 레인징(ranging) 수행 주기를 조절하여, 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 실내 측위 방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 상호 이격되어 둘 이상의 비콘 노드들이 배치되어 있는 실내에서, 상기 비콘 노드들이 송출하는 비콘 신호를 이용하여 실내 측위를 하기 위한, 모바일 단말의 실내 측위 방법에서, 상기 모바일 단말이 주기적으로 레인징(Ranging)을 수행하여 주변의 비콘 신호를 탐지하는 단계, 상기 모바일 단말은 비콘 신호를 수신하면, 해당 비콘 신호를 송출한 비콘 노드의 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 값을 획득하는 단계 및 상기 모바일 단말은 획득한 RSSI 값의 변화가 미리 정해진 문턱값(threshold)보다 크면, 레이징 수행 주기를 증가시키고, 반대로 상기 RSSI 값의 변화가 상기 문턱값보다 작으면 레이징 수행 주기를 감소시키는 단계를 포함한다.
γi가 i번째 비콘 노드의 RSSI이고, γi가 i번째 비콘에서 RSSI의 차이라고 할 때, 상기 모바일 단말은 획득한 RSSI 값의 변화를 나타내는 지표 η를,
Figure pat00001
의 수학식을 이용하여 계산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 모바일 단말은 실내 측위 결과, 현재 위치의 변화 정도가 이전 위치의 변화 정도보다 크면 레이징 수행 주기를 증가시키고, 현재 위치의 변화 정도가 이전 위치의 변화 정도보다 작으면 레이징 수행 주기를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실내 측위 시스템은 실내에 상호 이격되어 배치된 둘 이상의 비콘 노드들 및 상기 비콘 노드들이 배치된 실내에서, 상기 비콘 노드들이 송출하는 비콘 신호를 이용하여 실내 측위를 하기 위한 모바일 단말을 포함하되, 상기 모바일 단말은 주기적으로 레인징(Ranging)을 수행하여 주변의 비콘 신호를 탐지하고, 비콘 신호를 수신하면, 해당 비콘 신호를 송출한 비콘 노드의 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 값을 획득하고, 획득한 RSSI 값의 변화가 미리 정해진 문턱값(threshold)보다 크면, 레이징 수행 주기를 증가시키고, 반대로 상기 RSSI 값의 변화가 상기 문턱값보다 작으면 레이징 수행 주기를 감소시킨다.
γi가 i번째 비콘 노드의 RSSI이고, γi가 i번째 비콘에서 RSSI의 차이라고 할 때, 상기 모바일 단말은 획득한 RSSI 값의 변화를 나타내는 지표 η를,
Figure pat00002
의 수학식을 이용하여 계산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 모바일 단말은 실내 측위 결과, 현재 위치의 변화 정도가 이전 위치의 변화 정도보다 크면 레이징 수행 주기를 증가시키고, 현재 위치의 변화 정도가 이전 위치의 변화 정도보다 작으면 레이징 수행 주기를 감소시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 실내 측위에 있어서 상황에 따라 모바일 단말의 레인징 주기를 조절함으로써, 배터리 사용량을 최소화하고, 에너지 효율을 향상시키며, 보다 정확한 위치 정보를 제공할 수 있는 효과가 있다.
즉, 종래 모바일 단말이 일정한 주기로 레인징을 수행하는 경우, 레인징이 필요하지 않은 상황에서도 레인징을 계속 수행하여 상당한 전력을 소모한다거나, 반대로 빠른 업데이트가 필요한 상황임에도 일정한 주기로 레인징을 수행함으로써 정확도가 떨어지게 되는 문제점이 있다.
이에 본 발명에서는 레인징을 자주 할 상황이 아니면 레인징 수행 주기를 증가시켜서 배터리 사용량을 최소화하고, 반대로 레인징이 많이 필요한 상황이면 레인징 수행 주기를 감소시켜서, 필요한 RSSI 값을 빠르게 업데이트함으로써, 위치 정보에 대한 정확성을 높일 수 있다는 효과가 있다. 따라서, 본 발명에서는 배터리를 더욱 효율적으로 사용할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 실내 공간에 비콘을 배치한 예시도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 실내 공간에서 모바일 단말의 이동거리를 보여주는 도면이다.
도 4는 비콘의 패킷 구조를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일 단말의 실내 측위 방법을 보여주는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
현재 비콘(beacon) 기반의 거리 측정 알고리즘에서 이용되는 주된 매개변수(parameter)는 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 값이다. 도 4는 비콘의 패킷 구조를 보여주는 도면이다.
RSSI는 수신된 신호 강도의 지표라고 해석할 수 있다. RSSI값의 레인지(range)는 통상 -99dBm 에서 -35dBm까지 이며, 숫자가 높을수록 신호의 강도가 강하다고 볼 수 있다. RSSI는 어느 한 비콘과 모바일 단말 간의 거리를 측정할 때에 있어서 가장 기본적이자 유일하게 이용되는 지표라고 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 실내 공간에 비콘을 배치한 예시도이다.
도 1과 같은 공간이 있다고 가정할 때, 모바일 단말이 이 공간에 있다고 하면, 5개의 비콘(1~5)으로부터 신호가 수신되고, 모바일 단말이 그 신호를 읽어 들이면 RSSI 값을 알 수 있다. 이때, 모바일 단말의 위치에 따라서 각각의 비콘의 RSSI 값은 차이가 있을 것이다.
일반적으로 모바일 단말이 레인징(ranging)을 수행하게 되면 일정한 주기를 가지고 RSSI값을 얻어오게 된다. 이때, 이 모바일 단말이 수행하는 레인징의 주기에 따라 배터리 소모량이 크게 달라진다. iOS의 경우 1초 동안 받은 비콘 신호를 모아서 한 번에 어플리케이션(application)으로 전달해 주는 방식을 취하고 있다.
도 2 및 도 3은 도 1의 실내 공간에서 모바일 단말의 이동거리를 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 3과 같은 실내 배치의 경우, 모바일 단말(100)은 5개의 비콘 노드(1~5)로부터 각각 5개의 값들을 계속 레인징하는 중에 상대적으로 RSSI 값의 변화가 적은 상황이 있을 것이다.
예를 들어, 모바일 단말(100)에서 5 ~ 7초 정도 레인징을 하는 중에 RSSI 값의 변화가 1에서 2정도 라고 가정하면, 도 2에서 보는 바와 같이, 모바일 단말(100)의 이동거리의 변화가 상대적으로 작다고 볼 수 있다. 이러한 상황이 되면, 본 발명에서는 모바일 단말(100)의 레인징(ranging) 수행 주기를 증가시켜서, 상대적으로 천천히 레인징을 수행하도록 하는 것이다.
반대로 모바일 단말(100)에서 레인징(ranging)을 수행하는데 RSSI 값의 변화폭이 크면, 도 3에서 보는 바와 같이, 모바일 단말(100)의 이동거리가 상대적으로 큰 경우라고 볼 수 있다. 이때, 본 발명에서는 모바일 단말(100)의 레인징 수행 주기를 감소시켜서, 보다 빨리 레인징이 수행되도록 하여, 보다 정확한 위치 측정이 가능하도록 하는 것이며, 결과적으로 RSSI 값들이 변화에 적응적으로 대응되도록 하는 것이다.
모바일 단말(100)의 레인징 주기가 짧으면 위치 측정의 정확도가 높아지지만, 배터리 소모가 많다. 반대로 모바일 단말(100)의 레인징 주기가 길어지면 위치 측정의 정확도가 낮아지지만 배터리 소모량은 줄어든다.
이처럼, 본 발명에서는 상황에 따라 레인징 수행 주기를 적절하게 조절함으로써, 실내 측위의 정확도를 유지함과 동시에 단말의 배터리 소모를 감소시키고자 한다.
이제 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 측위 시스템에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실내 측위 시스템은 비콘 노드들(1~5)과 모바일 단말(100)을 포함한다.
비콘 노드들(1~5)은 실내에 상호 이격되어 배치되어 있다.
모바일 단말(100)은 비콘 노드들(1~5)이 배치된 실내에서, 비콘 노드들(1~5)이 송출하는 비콘 신호를 이용하여 실내 측위를 한다. 본 발명에서 모바일 단말(100)은 이동통신망을 통해 통신 가능한 단말을 의미하는 것으로서, 스마트폰, 휴대폰, 태블릿 PC 등을 포함하는 개념이다.
본 발명에서 모바일 단말(100)은 주기적으로 레인징(Ranging)을 수행하여 주변의 비콘 신호를 탐지하고, 비콘 신호를 수신하면, 해당 비콘 신호를 송출한 비콘 노드의 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 값을 획득한다.
그리고, 모바일 단말(100)은 획득한 RSSI 값의 변화가 미리 정해진 문턱값(threshold)보다 크면, 레이징 수행 주기를 증가시키고, 반대로 RSSI 값의 변화가 문턱값보다 작으면 레이징 수행 주기를 감소시킨다.
본 발명의 다른 실시예에서 모바일 단말(100)은 실내 측위 알고리즘의 결과, 현재 위치의 변화 정도가 이전 위치의 변화 정도보다 크면 레이징 수행 주기를 증가시키고, 현재 위치의 변화 정도가 이전 위치의 변화 정도보다 작으면 레이징 수행 주기를 감소시킬 수 있다.
모바일 단말(100)의 RSSI 변화를 판단하는 기준은 여러 가지가 있을 수 있다. 본 발명에서는 RSSI의 변화를 나타내는 지표로서, 현재 RSSI와 이전 RSSI의 상대적인 차이에 대한 표준편차를 사용하는 것을 제안한다.
γi가 i번째 비콘 노드의 RSSI이고, γi가 i번째 비콘에서 RSSI의 차이라고 할 때, 모바일 단말(100)은 RSSI 값의 변화를 나타내는 지표 η를 다음 수학식과 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00003
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일 단말의 실내 측위 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 모바일 단말(100)이 블루투스를 포함하는 근거리 통신망에 연결되면(S510), 주기적으로 레인징(Ranging)을 수행하여 주변의 비콘 신호를 탐지한다. 그리고, 모바일 단말(100)이 비콘 신호를 수신하면, 해당 비콘 신호를 송출한 비콘 노드의 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 값을 획득한다(S520).
다음, 모바일 단말(100)은 모바일 단말은 획득한 RSSI 값의 변화를 나타내는 지표 η를 계산한다(S530).
모바일 단말(100)은 획득한 RSSI 값의 변화가 미리 정해진 문턱값(threshold)보다 크면, 레이징 수행 주기를 증가시키고(S540, S560), 반대로 RSSI 값의 변화가 문턱값보다 작으면 레이징 수행 주기를 감소시킨다(S540, S550).
본 발명의 다른 실시예에서 모바일 단말(100)은 실내 측위 결과, 현재 위치의 변화 정도가 이전 위치의 변화 정도보다 크면 레이징 수행 주기를 증가시키고, 현재 위치의 변화 정도가 이전 위치의 변화 정도보다 작으면 레이징 수행 주기를 감소시킬 수 있다.
기존 모바일 단말이 일정한 주기로 레인징을 수행하는 경우, 레인징이 필요하지 않은 상황에서도 레인징을 계속 수행하여 상당한 전력을 소모한다거나, 반대로 빠른 업데이트가 필요한 상황임에도 일정한 주기로 레인징을 수행함으로써 정확도가 떨어지게 되는 문제점이 있다.
이에 본 발명에서는 레인징을 자주 할 상황이 아니면 레인징 수행 주기를 증가시켜서 배터리 사용량을 최소화하고, 반대로 레인징이 많이 필요한 상황이면 레인징 수행 주기를 감소시켜서, 필요한 RSSI 값을 빠르게 업데이트함으로써, 위치 정보에 대한 정확성을 높일 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 배터리를 더욱 효율적으로 사용할 수 있게 된다.
본 발명은 비콘 신호를 사용해서 실내에서 위치를 측정하는 곳이면 어디든지 적용이 가능하다. 예를 들어, 대형 쇼핑몰이나, 공연장, 공공시설 등으 실내 측위를 이용하여 실내에서도 정밀한 길 안내를 할 수 있다.
가령, 미술관이나 박물관에서 작품을 관람하는 경우, 보통 서 있거나 천천히 걷게 되는데, 이 때에는 레인징 수행 주기를 늘려서 레인징을 천천히 수행하도록 하는 편이 더 효율적이다. 그리고, 미술관이나 박물관을 벗어나서 다시 이동하면 이에 맞춰 레인징 수행 주기를 감소시킬 수 있다.
그리고, 본 발명에서는 상대적으로 이동이 많은 경우, 레인징 수행 주기를 감소시켜서 레인징 수행 횟수를 증가시킨다. 따라서, 본 발명은 정확한 위치정보가 필요하고 이동이 많은 위험지역을 가지고 있는 공장이나 연구단지 내에서 매우 효율적으로 사용될 수 있을 것이다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
100 모바일 단말 1, 2, 3, 4, 5 비콘 노드

Claims (6)

  1. 상호 이격되어 둘 이상의 비콘 노드들이 배치되어 있는 실내에서, 상기 비콘 노드들이 송출하는 비콘 신호를 이용하여 실내 측위를 하기 위한, 모바일 단말의 실내 측위 방법에서,
    상기 모바일 단말이 주기적으로 레인징(Ranging)을 수행하여 주변의 비콘 신호를 탐지하는 단계;
    상기 모바일 단말은 비콘 신호를 수신하면, 해당 비콘 신호를 송출한 비콘 노드의 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 값을 획득하는 단계; 및
    상기 모바일 단말은 획득한 RSSI 값의 변화가 미리 정해진 문턱값(threshold)보다 크면, 레이징 수행 주기를 증가시키고, 반대로 상기 RSSI 값의 변화가 상기 문턱값보다 작으면 레이징 수행 주기를 감소시키는 단계를 포함하는 모바일 단말의 실내 측위 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    γi가 i번째 비콘 노드의 RSSI이고, γi가 i번째 비콘에서 RSSI의 차이라고 할 때,
    상기 모바일 단말은 획득한 RSSI 값의 변화를 나타내는 지표 η를,
    Figure pat00004

    의 수학식을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 모바일 단말의 실내 측위 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 모바일 단말은 실내 측위 결과, 현재 위치의 변화 정도가 이전 위치의 변화 정도보다 크면 레이징 수행 주기를 증가시키고, 현재 위치의 변화 정도가 이전 위치의 변화 정도보다 작으면 레이징 수행 주기를 감소시키는 것을 특징으로 하는 모바일 단말의 실내 측위 방법.
  4. 실내에 상호 이격되어 배치된 둘 이상의 비콘 노드들; 및
    상기 비콘 노드들이 배치된 실내에서, 상기 비콘 노드들이 송출하는 비콘 신호를 이용하여 실내 측위를 하기 위한 모바일 단말을 포함하되,
    상기 모바일 단말은 주기적으로 레인징(Ranging)을 수행하여 주변의 비콘 신호를 탐지하고, 비콘 신호를 수신하면, 해당 비콘 신호를 송출한 비콘 노드의 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 값을 획득하고, 획득한 RSSI 값의 변화가 미리 정해진 문턱값(threshold)보다 크면, 레이징 수행 주기를 증가시키고, 반대로 상기 RSSI 값의 변화가 상기 문턱값보다 작으면 레이징 수행 주기를 감소시키는 것을 특징으로 하는 실내 측위 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    γi가 i번째 비콘 노드의 RSSI이고, γi가 i번째 비콘에서 RSSI의 차이라고 할 때,
    상기 모바일 단말은 획득한 RSSI 값의 변화를 나타내는 지표 η를,
    Figure pat00005

    의 수학식을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 모바일 단말은 실내 측위 결과, 현재 위치의 변화 정도가 이전 위치의 변화 정도보다 크면 레이징 수행 주기를 증가시키고, 현재 위치의 변화 정도가 이전 위치의 변화 정도보다 작으면 레이징 수행 주기를 감소시키는 것을 특징으로 하는 실내 측위 시스템.
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