KR20190064086A - Multi to one 가시광 통신을 이용한 IoT 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 RF 통신이 제한적인 공간에서 Multi to One 가시광 통신을 이용하여 다양한 정보를 수집하고 확인할 수 있도록 하는 Multi to One 가시광 통신을 이용한 IoT 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 Multi to One 가시광 통신을 이용한 IoT 시스템은 센서를 통하여 수집되는 데이터를 모니터링 하기 위한 IoT 시스템에 있어서, 복수의 센서(111)들에 의해 측정되는 데이터를 인코딩된 가시광 통신 데이터로 변환하여 송출하는 센서 데이터 송신부(100)와; 상기 센서 데이터 송신부(100)를 통하여 송출되는 인코딩된 가시광 통신 데이터를 Multi to One 방식으로 수신하여, 인코딩된 가시광 통신 데이터를 디코딩하여 원래의 센서 데이터로 복원하고, 복원된 센서 데이터를 화면에 표시하여 모니터링하는 센서 데이터 수신부(200);를 포함하여 이루어져, Multi to One 방식의 가시광 통신을 활용하여 다양한 센서의 데이터를 수집하고 모니터링 할 수 있도록 제공된다.

Description

Multi to one 가시광 통신을 이용한 IoT 시스템 {IoT System using Multi-to-one Visible Light Communication}

본 발명은 가시광 통신을 이용한 IoT 시스템에 관한 것으로, 특히 RF 통신이 제한적인 공간에서 Multi to One 가시광 통신을 이용하여 다양한 정보를 수집하고 확인할 수 있도록 하는 Multi to One 가시광 통신을 이용한 IoT 시스템에 관한 것이다.

인터넷의 사용이 증가하면서 촉발된 기기들 간의 상호작용이 활발히 일어나는 IoT가 산업 전반에 확산되고 있다. 이러한 IoT(Internet of Things)는 1999년 MIT Auto-ID Sensor의 Kevin Ashton에 의해서 탄생 되었는데, 무선 통신기술을 통하여 모든 사물이 인터넷으로 연결되어, 이를 기반으로 지능적 서비스를 제공할 수 있도록 제공된다.

이러한 IoT 기술이 적용된 IoT 시스템은 스마트폰과 연동되어 각종 센서 등의 사물의 동작 상태를 모니터링할 수 있도록 제공되고 있는데, 일반적으로 IoT 시스템에서 스마트폰과 사물 간의 통신은 Wi-Fi, LTE 등의 RF 통신을 이용하게 된다. 하지만, IoT 시스템에 적용되는 RF 통신은 장애물을 넘어서 통신이 가능하기 때문에 비교적 광범위한 영역에서 활용될 수 있지만, 불필요한 영역에까지 신호가 전달되어 보안문제가 발생할 수 있으며, RF 신호 사용이 제한되는 장소에는 이용할 수 없는 문제점이 있었다.

한편, 근래에는 특정 장소에 특정 정보를 전송할 수 있는 가시광 통신이 개발되어 다양한 시스템에 이용되기도 하지만, 종래 가시광 통신 기술은 One to One 통신에 국한되어 있어 사용 범위가 제한적인 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1635200호 (2016.06.24. 등록)

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 Multi to One 방식의 가시광 통신을 이용하여 IoT 시스템을 구현함으로써 보다 정확하고 많은 정보를 한꺼번에 수집하여 활용할 수 있도록 하는 Multi to one 가시광 통신을 이용한 IoT 시스템을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 Multi to one 가시광 통신을 이용한 IoT 시스템은 센서를 통하여 수집되는 데이터를 모니터링 하기 위한 IoT 시스템에 있어서, 복수의 센서들에 의해 측정되는 데이터를 인코딩된 가시광 통신 데이터로 변환하여 송출하는 센서 데이터 송신부와; 상기 센서 데이터 송신부를 통하여 송출되는 인코딩된 가시광 통신 데이터를 Multi to One 방식으로 수신하여, 인코딩된 가시광 통신 데이터를 디코딩하여 원래의 센서 데이터로 복원하고, 복원된 센서 데이터를 화면에 표시하여 모니터링하는 센서 데이터 수신부;를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 센서 데이터 송신부는 센서를 통하여 측정되는 데이터를 가시광 통신을 위한 데이터로 변환하는 MCU와, 상기 MCU의 제어에 의해 발광하여 데이터를 가시광 통신으로 전송하는 LED가 구비된, 복수의 센서 데이터 송신모듈을 포함한다.

또한, 상기 MCU는 센서 측정 데이터를 인코딩하여 인코딩 데이터를 생성하고 이를 가시광 통신 데이터로 변환하되, 상기 인코딩 데이터의 헤더에는 해당 센서를 식별할 수 있는 고유 식별 정보가 등록된다.

한편, 상기 센서 데이터 수신부는 안드로이드 운영체계 계열의 스마트 폰으로 이루어져, 상기 센서 데이터 송신부의 LED로부터 전송되는 LED 발광 신호를 롤링 셔터(Rolling Shutter)를 이용하여 촬영하는 롤링 셔터 촬영모듈과, 상기 롤링 셔터를 통하여 촬영된 영상을 분석하여 인코딩된 데이터를 인식하고 이를 디코딩하여 원래의 센서 데이터로 복원하여 화면에 표시하는 데이터 출력모듈이 구비된 모니터링 앱이 탑재된다.

여기서, 상기 데이터 출력모듈은 롤링 셔터를 통하여 촬영된 영상을 프리뷰 화면으로 표시한 후, 이미지 프로세싱을 통해 원 형태의 이미지 프레임을 생성하고, 생성된 원 형태의 이미지 프레임 영상에서 보이는 검은색과 흰색 막대를 통하여 1과 0을 구분하고 그 값을 디코딩하여 원래의 센서 데이터로 복원하게 된다.

또한, 상기 데이터 출력모듈은 인코딩된 데이터의 디코딩시 인코딩 데이터의 헤더에 포함된 센서 정보를 파악하여, 데이터베이스의 센서 테이블에 복원된 해당 센서 데이터를 등록하게 된다.

상기 데이터 출력모듈은 복원된 센서 데이터를 해당 센서 정보와 함께 웹 서버에 등록하여 웹 상에서 확인이 가능하도록 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 IoT 시스템은 Multi to One 방식의 가시광 통신을 활용하여 다양한 센서의 데이터를 수집하고 확인할 수 있으며, 종래 RF 통신에 비하여 보안성이 뛰어나고 반 영구적으로 사용할 수 있으며, LED를 통해 데이터를 송신하도록 함으로써 별도의 추가적인 기기의 설치가 필요 없어 설비 비용 및 운영 비용이 적게 소요되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 Multi to One 방식의 가시광 통신을 이용함으로써 종래 One to One 통신에서 제한적인 부분을 극복하여, 여러 개의 LED로부터 정보를 수신받게 되기 때문에 정보의 조합을 통하여 보다 정확한 정보를 획득할 수 있고, 한 번에 다양한 정보를 수집하여 전달할 수 있기 때문에 통신 효율성이 높은 효과가 있다. 예를 들면, 전파가 제한되는 병원에서 로봇을 이용하여 물건을 옮길 때 One to One 가시광 통신의 경우 1개의 LED로부터 정보를 수신하여 위치 정보를 파악하게 되지만, 본 발명의 Multi to One 가시광 통신의 경우 여러 개의 LED로부터 정보를 수신하여 위치 정보를 파악하게 되어 자신의 위치 혹은 목적지의 위치에 대한 정보를 보다 정확하게 획득할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 IoT 시스템의 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 IoT 시스템의 전체적인 네트워크 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 센서 데이터 송신부와 센서 데이터 수신부의 가시광 통신 과정 일례,
도 4는 본 발명에 따른 MCU에 의해 변환되는 패킷 데이터의 일례,
도 5는 본 발명에 따른 센서 데이터 수신부에서 데이터를 인식하는 과정을 나타낸 일례,
도 6은 본 발명에 따른 센서 데이터 수신부의 동작 과정을 나타낸 흐름도,
도 7은 본 발명에 따른 데이터 출력모듈에 의해 이미지 처리된 원 형태의 이미지 프레임 영상 일례를 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 IoT 시스템의 개념도이고, 도 2는 IoT 시스템의 전체적인 네트워크 구성도를 나타낸 것이다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 IoT 시스템은 실내 또는 실외에 설치된 각 센서(111)의 동작 데이터를 수집하여 가시광 통신으로 송신하는 센서 데이터 송신부(100)와, 상기 센서 데이터 송신부(100)로부터 가시광 통신을 통해 전달되는 수집 데이터를 식별하여 출력하는 센서 데이터 수신부(200)와, 상기 센서 데이터 수신부(200)를 통하여 식별된 센서 데이터를 저장하여 웹 상에서 제공하는 웹 서버(300)를 포함하여 이루어진다.

상기 센서 데이터 송신부(100)는 실내 또는 실외에 설치되어 주변 환경, 예를 들면 온도, 습도, 가스, 연기, 음악 등의 정보, 또는 가전제품의 동작 상태를 측정하여 센서 데이터를 수집하고 이를 가시광 통신으로 송출하는 장치이다.

상기 센서 데이터 송신부(100)에는 복수의 센서 데이터 송신모듈(110)이 구비되는데, 각 센서 데이터 송신모듈(110)에는 실내외의 각종 데이터를 측정하는 센서(111)와, 상기 센서(111)를 통하여 측정되는 데이터를 패킷 데이터로 인코딩한 후 가시광 통신 데이터로 변환하는 MCU(Micro Controller Unit)(112)와, 상기 MCU(112)의 제어에 의해 발광하여 데이터를 가시광 통신으로 송신하는 LED(113)가 구비된다.

본 발명에서 명칭되는 센서(111)는 주변 환경 데이터를 측정하는 온도 센서나 습도 센서 및 가스 센서 등의 감지 장치 뿐만 아니라, 도어 장치나 TV, 보일러 등 사물 인터넷이 적용될 수 있는 모든 전자 장치를 포함하는 개념으로 명칭되는데, 이러한 각 센서 별로 센서 데이터 송신모듈(110)이 구성되어 측정되는 데이터를 가시광 통신으로 센서 데이터 수신부(200)에 전송하게 된다.

상기 센서 데이터 수신부(200)는 센서 데이터 송신부(100)로부터 가시광 통신을 통해 전송되는 데이터를 식별하고 이를 화면에 표시하여 사용자가 확인할 수 있도록 제공하는 단말장치로서, 본 발명의 실시예에서 상기 센서 데이터 수신부(200)는 사용자가 휴대하는 안드로이드 운영체계 계열의 스마트 폰으로 구현된다. 이 센서 데이터 수신부(200)를 구성하는 스마트 폰에는 센서 데이터 송신부(100)의 LED 발광신호를 롤링 셔터(Rolling Shutter)를 통해 촬영하는 롤링 셔터 촬영모듈(211)과, 상기 롤링 셔터 촬영모듈(211)을 통해 촬영된 영상을 분석하여 인코딩된 패킷 데이터를 인식하고 이를 디코딩하여 화면에 표시하는 데이터 출력모듈(212)과, 상기 데이터 출력모듈(212)에 의해 식별되는 센서 데이터를 저장하는 데이터베이스(213)를 포함하는 모니터링 앱(210)이 탑재된다.

상기 데이터 출력모듈(212)은 롤링 셔터 촬영모듈(211)에 의해 촬영된 영상을 분석하여 인코딩된 센서 데이터를 인식하여, 인식된 인코딩 데이터를 디코딩하여 원래의 센서 데이터로 복원하여 화면에 표출함으로써 사용자가 실시간으로 실내 또는 실외의 상태를 모니터링할 수 있도록 제공한다. 또한, 데이터 출력모듈(212)은 복원된 센서 데이터를 웹 상에서 확인할 수 있도록 센서 데이터를 무선 통신을 통해 웹 서버(300)에 전송하게 된다.

상기 웹 서버(300)는 센서 데이터 수신부(200)를 통하여 식별된 센서 데이터를 전송받아 이를 웹 상에서 제공하는 서버 컴퓨터로서, 이 웹 서버(300)는 네트워크 망을 통해 접속하는 스마트 폰이나 태블릿 PC 등의 통신 단말기(400)에 센서 데이터를 제공하게 된다. 따라서, 센서 데이터를 확인하고자 하는 사용자는 자신이 소지하는 통신 단말기(400)를 이용하여 웹 서버(300)에 접속하여 원격에서도 센서 데이터를 확인할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 센서 데이터 송신부와 센서 데이터 수신부의 가시광 통신 과정 일례를 나타낸 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 센서 데이터 송신부(100)에 구비된 각 센서 데이터 송신모듈(110)은 센서(111)를 통하여 측정되는 데이터를 MCU(112)에서 패킷 데이터로 인코딩한 후, 가시광 통신 데이터로 변환하여 LED(113) 발광을 통해 센서 데이터 수신부(200)에 전송하게 된다.

본 발명의 실시예에서 상기 MCU(112)는 Atmel사의 Atmega328p 아두이노로 이루어지는데, 이 MCU(112)는 아두이노 코딩을 통해 센서 데이터를 패킷 데이터로 변환하고 이를 가시광 통신 데이터로 변환한 후 LED(113)를 통해 송신하게 된다. 본 발명에서는 Multi to One 통신을 하기 때문에 각 센서(111)를 구분하여야 하는데, 이를 위해 MCU(112)는 센서(111)마다 백의 자리수를 다르게 하여 헤더 정보로 설정하게 된다.

도 4는 MCU에 의해 변환되는 패킷 데이터의 일례를 나타낸 것으로, MCU(112)는 패킷 데이터 인코딩 시 인코딩 데이터의 앞뒤에 헤더(Header)와 ETX를 추가하게 되는데, 헤더에는 각 센서(111)를 구분할 수 있는 센서별 고유 식별 정보가 저장된다. 이와 같이, 센서 데이터 송신모듈(110)에 구비된 MCU(112)는 센서(111)로부터 전송되는 측정 데이터를 인코딩하고 헤더를 추가하여 패킷 데이터로 변환한 후, LED(113)를 통하여 가시광 통신으로 모니터링부에 전송하게 된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 센서 데이터 수신부에서 데이터를 인식하는 과정을 나타낸 일례이다.

상기 센서 데이터 수신부(200)는 사용자가 휴대하는 안드로이드 운영체제 계열의 스마트폰으로 구현되는데, 이 스마트폰에는 CMOS 센서에 채용되는 전자식 셔터인 롤링 셔터(Rolling Shutter) 메카니즘이 적용된다. 이 롤링 셔터는 스마트폰의 촬영 속도보다 빠르게 변하는 물체를 촬영할 때 해당 이미지의 행(가로, Row) 값을 순차적으로 읽어들이게 되는데, 도 5에서 보이는 바와 같이 이러한 원리로 인해 촬영된 이미지가 흰색과 검은색의 밴드로 이루어지는 것을 확인할 수 있다.

이러한 롤링 셔터의 기능은 안드로이드 스튜디오 코딩을 생성된 모니터링 앱(210)에 구비된 롤링 셔터 촬영모듈(211)에 의해 활성화되어, 센서 데이터 송신부(100)로부터 송출되는 LED 가시광 신호를 촬영하게 된다. 데이터 출력모듈(212)은 롤링 셔터를 통해 촬영된 영상을 분석하여 원래의 센서 데이터를 디코딩한 후, 데이터베이스(213)의 센서 테이블에 저장하고 화면에 표시하게 된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 센서 데이터 수신부의 동작 과정을 나타낸 흐름도이다.

단계 S100, S110 : 먼저, 센서 데이터 송신부(100)로부터 전송되는 가시광 통신 데이터를 식별하기 위해, 센서 데이터 수신부(200)에 해당하는 스마트 폰의 카메라가 롤링 셔터 촬영모듈(211)에 의해 활성화되어(S100), 센서 데이터 송신부(100)의 각 LED 영상의 촬영하게 된다(S110).

단계 S120, S130 : 스마트 폰 카메라의 롤링 셔터 기능에 의해 촬영되는 LED 영상은 프리뷰(preview) 화면으로 스마트 폰 화면에 표시되는데(S120), 데이터 출력모듈(212)은 비트맵 단위의 이미지 프로세싱을 통하여 각 LED 마다 카메라가 인식하는 원 형태의 이미지 프레임을 생성하게 된다(S130). 도 7은 데이터 출력모듈에 의해 이미지 처리된 원 형태의 이미지 프레임 영상 일례를 나타낸 것이다.

단계 S140, S150 : 상기 이미지 처리 과정을 통해 원 형태의 이미지 프레임 영상이 확보되면 데이터 출력모듈(212)은 디코딩을 시작하게 되는데(S140), 디코딩 과정은 이미지 처리를 통하여 확보된 원 형태의 이미지 프레임 영상에서 보이는 검은색과 흰색 막대로 1과 0을 구분하고 그 값을 디코딩하여 원래의 센서 데이터로 복원하는 절차를 거치게 된다(S150).

단계 S160 : 데이터 출력모듈(212)은 디코딩되어 복원된 센서 데이터 값을 화면에 표시하여 사용자가 확인할 수 있도록 제공하고, 디코딩시 확인되는 센서 정보에 따라 복원된 센서 데이터를 데이터베이스(213)의 해당 센서 테이블에 저장하여 관리하게 된다. 또한, 복원된 센서 데이터를 원격의 웹 서버(300)에 전송하여 등록함으로써, 다른 사용자들도 스마트 폰이나 태블릿 PC 등의 통신 단말기(400)를 이용하여 해당 센서 데이터를 확인할 수 있도록 제공한다.

단계 S170 : 이러한 가시광 통신 과정은 센서 데이터 송신부(100)의 가시광 데이터 송신이 종료될 때까지 반복하여 수행된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 IoT 시스템은 센서 데이터 송신부(100)에서 복수의 센서(111)를 통하여 수집되는 데이터를 가시광 통신을 통해 Multi to one 방식으로 센서 데이터 수신부(200)에 전송할 수 있으며, 센서 데이터 수신부(200)에서는 가시광 통신을 통해 수신된 신호를 디코딩하여 원래의 데이터로 복원하여 인식하고 표출함으로써 모니터링 할 수 있도록 제공된다.

한편, 상술한 실시예에서는 센서 데이터 송신부(100)와 센서 데이터 수신부(200)가 가시광 통신을 통해 직접 센서 데이터를 송수신하는 것으로 설명하였지만, 센서 데이터 송신부(100)와 센서 데이터 수신부(200) 사이에 가시광 통신을 중계하는 중계 서버를 두어, 이 중계 서버를 통해 센서 데이터 송신부(100)와 센서 데이터 수신부(200) 간에 가시광 통신이 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 실내를 대상으로 데이터를 가시광 통신으로 전송하는 것으로 설명하였지만, 이는 실내 뿐만 아니라 실외에서도 적용될 수 있음은 당연하다. 예를 들면, 공항이나 교통시스템 등에서 자동차의 앞뒤에 있는 LED를 통하여 교통정보를 순차적으로 전달하는 경우, 사고가 발생했을 경우 연속 추돌 사고를 방지할 수 있도록 할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

100 : 센서 데이터 송신부 110 : 센서 데이터 송신모듈
111 : 센서 112 : MCU(Micro Controller Unit)
113 : LED 200 : 센서 데이터 수신부
210 : 모니터링 앱 211 : 롤링 셔터 촬영모듈
212 : 데이터 출력모듈 213 : 데이터베이스
300 : 웹 서버 400 : 통신 단말기

Claims (7)

1. 센서를 통하여 수집되는 데이터를 모니터링 하기 위한 IoT 시스템에 있어서,
   복수의 센서(111)들에 의해 측정되는 데이터를 인코딩된 가시광 통신 데이터로 변환하여 송출하는 센서 데이터 송신부(100)와;
   상기 센서 데이터 송신부(100)를 통하여 송출되는 인코딩된 가시광 통신 데이터를 Multi to One 방식으로 수신하여, 인코딩된 가시광 통신 데이터를 디코딩하여 원래의 센서 데이터로 복원하고, 복원된 센서 데이터를 화면에 표시하여 모니터링하는 센서 데이터 수신부(200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 Multi to one 가시광 통신을 이용한 IoT 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 센서 데이터 송신부(100)는
   상기 센서(111)를 통하여 측정되는 데이터를 가시광 통신을 위한 데이터로 변환하는 MCU(112)와, 상기 MCU(112)의 제어에 의해 발광하여 데이터를 가시광 통신으로 전송하는 LED(113)가 구비된, 복수의 센서 데이터 송신모듈(110)을 포함하는 것을 특징으로 하는 Multi to one 가시광 통신을 이용한 IoT 모니터링 시스템.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 MCU(112)는 센서 측정 데이터를 인코딩하여 인코딩 데이터를 생성하고 이를 가시광 통신 데이터로 변환하되, 상기 인코딩 데이터의 헤더에는 해당 센서(111)를 식별할 수 있는 고유 식별 정보가 등록되는 것을 특징으로 하는 Multi to one 가시광 통신을 이용한 IoT 모니터링 시스템.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 센서 데이터 수신부(200)는 안드로이드 운영체계 계열의 스마트 폰으로 이루어져,
   상기 센서 데이터 송신부(100)의 LED(113)로부터 전송되는 LED 발광 신호를 롤링 셔터(Rolling Shutter)를 이용하여 촬영하는 롤링 셔터 촬영모듈(211)과,
   상기 롤링 셔터를 통하여 촬영된 영상을 분석하여 인코딩된 데이터를 인식하고 이를 디코딩하여 원래의 센서 데이터로 복원하여 화면에 표시하는 데이터 출력모듈(212)이 구비된 모니터링 앱(210)이 탑재된 것을 특징으로 하는 Multi to one 가시광 통신을 이용한 IoT 모니터링 시스템.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 데이터 출력모듈(212)은
   상기 롤링 셔터를 통하여 촬영된 영상을 프리뷰 화면으로 표시한 후, 이미지 프로세싱을 통해 원 형태의 이미지 프레임을 생성하고,
   생성된 원 형태의 이미지 프레임 영상에서 보이는 검은색과 흰색 막대를 통하여 1과 0을 구분하고 그 값을 디코딩하여 원래의 센서 데이터로 복원하는 것을 특징으로 하는 Multi to one 가시광 통신을 이용한 IoT 모니터링 시스템.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 데이터 출력모듈(212)은
   상기 인코딩된 데이터의 디코딩시 인코딩 데이터의 헤더에 포함된 센서 정보를 파악하여,
   데이터베이스(213)의 센서 테이블에 복원된 해당 센서 데이터를 등록하는 것을 특징으로 하는 Multi to one 가시광 통신을 이용한 IoT 모니터링 시스템.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 데이터 출력모듈(212)은 복원된 센서 데이터를 해당 센서 정보와 함께 웹 서버(300)에 등록하여 웹 상에서 확인이 가능하도록 제공하는 것을 특징으로 하는 Multi to one 가시광 통신을 이용한 IoT 모니터링 시스템.

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