KR20190084642A - 산업장비 위치확인 시스템 및 산업장비 위치확인 방법 - Google Patents

Abstract

산업장비 위치확인 시스템은, 산업장비에 장착되어 상기 산업장비의 GPS 위치 정보를 생성하며, 상기 GPS 위치 정보에서 GPS 좌표를 추출하고, 상기 GPS 좌표를 포함하는 로라(LoRa, Long range) 패킷을 생성하며, 상기 LoRa 패킷을 LoRa 통신 기술을 이용하여 외부에 송신하는 LoRa 단말; 상기 LoRa 패킷을 전송하는 LoRa 게이트웨이; 및 상기 LoRa 패킷에 기초하여 상기 산업장비에 위치에 관한 모니터링 정보를 생성하는 모니터링 서버를 포함한다.

Description

산업장비 위치확인 시스템 및 산업장비 위치확인 방법{SYSTEM OF MONITORING LOCATION OF INDUSTRIAL EQUIPMENT AND METHOD OF MONITORING LOCATION OF INDUSTRIAL EQUIPMENT}

본 발명은 위치확인 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, LoRa(Long range) 통신 기술(또는, 저전력 장거리 통신 기술(LPWA, low power wide area))을 이용하여 산업장비의 위치를 확인하는 산업장비 위치확인 시스템 및 산업장비 위치확인 방법에 관한 것이다.

LoRa는 Long Range의 약어로서, 대규모 저 전력 장거리 무선 기술이며, 소량의 데이터를 전송하고 장거리 통신이 가능하다. LoRaWAN의 통신속도는 0.3kbps에서 5.5kbps, 전파 도달 거리는 최대 14km까지 가능하다.

LoRaWAN 기술은 소형 센서와 통신할 수 있도록 설계할 수 있다. 비록 오디오나 비디오 같은 높은 데이터 속도를 필요로 하는 응용프로그램을 지원할 수는 없지만 원격으로 카메라에 데이터 전송 및 비디오 스트림을 열 필요가 없을 때 저 전력 모드를 이용하여 사용할 수 있다. LoRaWAN 기술은 스마트 도시, 공장 및 산업, 시설 관리 또는 특정 분야의 전용 네트워크에 사용 될 수 있다.

기존 무선통신에 적용 된 ZigBee나 FSK 방식의 Sub-GiGa는 전송거리가 약 100m 이내로 근거리에 속하며 가구 밀집지역에선 거리가 더욱 짧아져 네트워크 시스템에선 통신률이 낮은 편이다. 이러한 무선 통신의 단점을 보완하기 위해 LoRa 기술을 적용한 시스템 구축이 개발되고 있다.

한국공개특허 제2017-0050119호(2017.05.11.공개) “위치 추적 방법 및 이를 위한 장치” 한국등록특허 제1,742,997호(2017.06.15.공고) “데이터 송수신 방법 및 이를 위한 장치”

서울시립대학교 과학기술대학원 논문(2017.08.) "LoRa 기술을 적용한 RF 통신 모듈 개발"

본 발명의 일 목적은 LoRa 통신 기술을 이용하여 산업장비의 위치를 확인할 수 있는 산업장비 위치확인 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 목적은 GPS 위치 정보의 확인이 불가능 한 음영구역 내에서도 산업장비의 위치를 확인할 수 있는 산업장비 위치확인 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 산업장비 위치확인 시스템은, 산업장비에 장착되어 상기 산업장비의 GPS 위치 정보를 생성하며, 상기 GPS 위치 정보에서 GPS 좌표를 추출하고, 상기 GPS 좌표를 포함하는 로라(LoRa, Long range) 패킷을 생성하며, 상기 LoRa 패킷을 LoRa 통신 기술을 이용하여 외부에 송신하는 LoRa 단말; 상기 LoRa 패킷을 전송하는 LoRa 게이트웨이; 및 상기 LoRa 패킷에 기초하여 상기 산업장비에 위치에 관한 모니터링 정보를 생성하는 모니터링 서버를 포함 할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 상기 산업장비 위치확인 시스템은, 블루투스 통신 기술을 이용하는 사용자 단말을 더 포함 할 수 있다. 이 경우, 상기 LoRa 단말은, 상기 GPS 위치 정보를 생성하는 GPS 모듈; 상기 LoRa 통신 기술을 이용하여 상기 LoRa 패킷을 상기 LoRa 게이트웨이에 전송하는 제1 통신 모듈; 상기 산업장비에 인접하여 위치하는 상기 사용자 단말과 블루투스 통신망을 형성하고, 상기 사용자 단말의 단말 식별 정보를 수신하는 제2 통신 모듈; 및 상기 GPS 위치 정보가 유효한 경우, 상기 GPS 위치 정보로부터 상기 GPS 좌표를 추출하여 상기 상기 LoRa 패킷을 생성하며, 상기 GPS 위치 정보가 유효하지 않는 경우, 상기 단말 식별 정보에 기초하여 상기 패킷을 생성하는 제어 모듈을 포함 할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 상기 모니터링 서버는, 상기 LoRa 패킷으로부터 상기 GPS 좌표 및 상기 단말 식별 정보 중 적어도 하나를 획득하며, 상기 GPS 좌표를 획득한 경우, 상기 GPS 좌표에 기초하여 상기 산업장비에 대한 현재 위치 정보를 갱신하고, 상기 단말 식별 정보를 획득한 경우, 상기 단말 식별 정보를 포함하는 단말 식별자들 및 사용자들 간의 관계들을 저장한 사용자 데이터로부터 상기 단말 식별자에 대응하는 사용자의 사용자 정보를 추출하고, 상기 사용자 정보에 기초하여 상기 산업장비에 대한 실 사용자 정보를 갱신 할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 상기 LoRa 단말은, 가속도 센서 및 자이로스코프를 이용하여 상기 산업장비에 대한 관성 정보를 생성하는 관성 모듈을 더 포함하고, 상기 제어 모듈은, 상기 GPS 위치 정보가 유효하지 않는 경우, 상기 관성 정보에 기초하여 상기 패킷을 생성하며, 상기 모니터링 서버는, 상기 관성 정보에 기초하여 상기 산업장비의 위치를 추정 할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 상기 LoRa 단말은 업 링크 채널을 통해 상기 LoRa 패킷을 송신하고, 다운 링크 채널을 통해 상기 LoRa 게이트웨이로부터 상기 LoRa 패킷의 송신 주기에 대한 비콘(beacon)을 수신하되, 상기 업 링크 채널의 제1 주파수 대역은 상기 다운 링크 채널의 제2 주파수 대역보다 낮게 설정 될 수 있다. 이 경우, 상기 LoRa 게이트웨이는, 상기 LoRa 단말을 포함하는 복수의 단말들에 각각 대응하는 복수의 수신부들을 포함 할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 상기 LoRa 단말은, 상기 LoRa 게이트웨이로부터 3회 이상 상기 비콘을 수신하지 못한 경우, 상기 비콘을 수신하기 위한 주기의 활성화 시간을 증가시키는 비콘리스(beacon-less) 동작을 수행하고, 상기 LoRa 게이트웨이는 주기 K회 시간 동안 LoRa 단말로 보낼 데이터가 없다고 예측되는 경우, 핑(ping) 슬롯을 상기 주기 K회 시간 동안 비활성화 시키는 슬롯 제어 신호를 상기 비콘과 함께 송신 할 수 있다.

본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 산업장비 위치확인 방법은, 산업장비에 장착된 로라(LoRa, Long range) 단말, LoRa 게이트웨이 및 모니터링 서버를 포함하는 산업장비 위치확인 시스템에서 수행될 수 있다. 상기 산업장비 위치확인 방법은, 상기 LoRa 단말을 통해 GPS 위치 정보를 획득하는 단계; 상기 GPS 위치 정보가 유효한 경우, 상기 GPS 위치 정보로부터 GPS 좌표를 추출하고, 상기 GPS 좌표에 기초하여 LoRa 패킷을 생성하는 단계; 상기 GPS 위치 정보가 유효하지 않은 경우, 상기 산업장비에 인접한 사용자 단말로부터 블루투스 통신망을 통해 상기 사용자 단말의 단말 식별 정보를 획득하고, 관성 모듈로부터 획득한 상기 산업장비의 관성 정보 및 상기 단말 식별 정보 중 적어도 하나에 기초하여 상기 LoRa 패킷을 생성하는 단계; 및 상기 LoRa 패킷을 상기 LoRa 게이트웨이를 통해 상기 모니터링 서버에 전송하는 단계를 포함 할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 산업장비 위치확인 시스템은 LoRa 통신 기술을 이용함으로써, 저비용(또는, 상대적으로 낮은 구축 비용, 관리 비용)을 가지고 산업장비의 위치를 확인 또는 모니터링 할 수 있다.

또한, 산업장비 위치확인 시스템은 LoRa 단말을 이용하여 산업장비의 GPS 정보, 관련된 사용자 단말의 단말 식별 정보 및 관성 정보를 획득함으로써, 산업장비의 위치를 보다 정확하게 모니터링 하며, 특히, GPS 위치 정보의 획득이 불가능한 지역에서도 산업장비의 위치를 보다 용이하게 파악하거나 추정할 수 있다.

다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 산업장비 위치확인 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 산업장비 위치확인 시스템에 포함된 LoRa 단말의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2의 LoRa 단말에서 생성되는 LoRa 패킷의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5는 도 1의 산업장비 위치확인 시스템에 포함된 모니터링 서버에서 산업장치의 위치를 추정하는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1의 산업장비 위치확인 시스템의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 7은 도 6의 산업장비 위치확인 시스템에 포함된 제1 LoRa 게이트웨이의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 8a는 도 1의 산업장비 위치확인 시스템에서 사용되는 비콘 및 핑 슬롯을 설명하는 도면이다.
도 8b는 도 1의 산업장비 위치확인 시스템에서 사용되는 LoRaWAN의 프로토콜 구조를 나타내는 도면이다.
도 8c는 도 1의 산업장비 위치확인 시스템에 포함된 LoRa 단말의 비콘리스 동작을 설명하는 도면이다.
도 8d는 도 1의 산업장비 위치확인 시스템에 포함된 LoRa 단말에서 통신 방식을 변경하는 절차를 설명하는 순서도이다.
도 8e는 도 1의 산업장비 위치확인 시스템에 포함된 LoRa 단말의 비콘리스 동작을 설명하는 도면이다.
도 8f는 도 1의 산업장비 위치확인 시스템에 포함된 LoRa 단말의 핑 슬롯 비활성화 동작을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 산업장비 위치확인 방법을 나타내는 순서도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

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. 이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

LoRa는 Long Range의 약자로 LoRa 통신의 가장 두드러지는 특성인 긴 통신거리를 표현한다. LoRa 통신의 통신 구조는 스타 토폴로지 기반의 Aloha 프로토콜 방식을 채택하고 전파 도달 거리는 최대 20km이고, 통신 속도는 0.3kbps에서 50kbps 사이이다. 속도와 전송 시간 등을 고려하여 주로 2km의 범위를 사용한다. LoRa 통신의 또 다른 특징으로는, Low Energy, 다중 센서 기능, 암호화 이며, 안전한 양방향 통신과 이동성이 있으며, LoRa는 LTE-M, LTE NB-IoT와 비교하여 비면허 대역에서 운영이 가능하고 표준화가 완료되었다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 산업장비 위치확인 시스템을 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 산업장비 위치확인 시스템(100)은 LoRa 단말(110), LoRa 게이트웨이(120)(또는, LoRa 중계기) 및 모니터링 서버(130)를 포함할 수 있다. 또한, 산업장비 위치확인 시스템(100)은 사용자 단말(140)과 연동되거나, 사용자 단말(140)과의 사이에서 데이터를 송수신 할 수 있다.

LoRa 단말(110)은 산업장비(10)에 장착되고, 산업장비(10)의 GPS 위치 정보를 획득 또는 생성하고, GPS 위치 정보에 기초하여 LoRa 패킷을 생성하며, LoRa 통신 기술을 이용하거나, LoRa 통신망을 통해 LoRa 패킷을 LoRa 게이트웨이(120)에 전송할 수 있다. 여기서, 산업장비(10)는 제조업 등에서 사용되는 장비로, 예를 들어, 용접기, 계측기 등일 수 있고, 이에 국한되는 것은 아니다.

일 실시예에서, LoRa 단말(110)은 제1 모드(또는, sleep mode) 및 제2 모드(또는, wake-up mode, operation mode) 중 하나에서 동작할 수 있다. 여기서, 제1 모드는 전력 소모를 최소화하는 모드로, 제1 모드에서 LoRa 단말(110)은 GPS 위치 정보를 생성하지 않고 LoRa 패킷을 생성하지 않을 수 있다. 제2 모드는 정상적인 동작 모드일 수 있다. 예를 들어, LoRa 단말(110)은 평상시 제1 모드를 유지하고, 제1 동작 주기 및 외부 제어 신호 중 적어도 하나에 기초하여 제2 모드로 전환하여 LoRa 패킷을 전송하고, LoRa 패킷의 전송이 완료된 경우 제1 모드로 다시 전환하여 유지할 수 있다. 여기서, 제1 동작 주기는 사용자 등에 의해 기 설정되며, 예를 들어, 1일 2회로, 12시간 간격으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 외부 제어 신호는 사용자의 입력 동작 등을 통해 사용자로부터 제공되는 웨이크업(wake-up) 신호일 수 있다.

일 실시예에서, LoRa 단말(110)은 사용자 단말(140)과 블루투스 통신 기술(또는, BLE 기술)을 이용하거나, 블루투스 통신망을 통해 연결되고, 사용자 단말(140)로부터 단말 식별자 또는 단말 식별 정보를 획득할 수 있다. 여기서, 사용자 단말(140)은 산업장비(10)를 이용하거나 산업장비(10)에 인접하여 위치하는 사용자가 소지하거나 이용하는 단말로, 예를 들어, 스마트폰일 수 있다. 단말 식별자 또는 단말 식별 정보는 사용자 단말(140)을 다른 단말과 구별하기 위해 부여된 사용자 단말(140) 고유의 정보로, 예를 들어, 사용자 단말(140)의 시리얼 넘버(S/N), 이동통신 전화번호 등일 수 있다. 사용자 단말(140)로부터 획득된 단말 식별자는 산업장비(10)의 대략적인 위치를 확인 또는 파악하는데 이용될 수 있다. 단말 식별자를 이용하여 산업장비(10)의 위치를 확인하는 구성에 대해서는 도 4를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

일 실시예에서, LoRa 단말(110)은 가속도 센서(및 자이로스코프)로부터 산업장비(10)의 관성 정보를 획득하고, 관성 정보에 기초하여 LoRa 패킷을 생성할 수 있다. 여기서, 가속도 센서는, 도 2를 참조하여 설명하겠지만, LoRa 단말(110) 내에 포함되어 산업장비(10)의 가속도(또는, 3축 가속도)는 회전 정보를 생성할 수 있다. 관성 정보는 산업장비(10)의 대략적인 위치를 추정하는데 이용되며, 관성 정보를 이용하여 산업장비(10)의 위치를 추정하는 구성에 대해서는 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.

한편, LoRa 단말(110)은 산업장비(100)의 가속도 정보가 유효한 경우(즉, 값을 가지는 경우), 가속도 정보에 기초하여 제1 모드에서 제2 모드로 전환시키는 wake-up 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 가속도 정보가 일정 시간 동안 발생하는 경우, LoRa 단말(110)은 산업장비(100)의 위치가 크게 이동하는 것으로 판단하여, GPS 위치 정보를 획득하여 모니터링 서버(130)에 전송할 수 있다. 따라서, LoRa 단말(110)은 불필요한 전력 소모(예를 들어, 위치 변화가 없는 경우에도 위치 정보를 생성하기 위해 소모하는 전력)을 감소시키면서도, 산업장비(100)의 위치 변화를 신속하게 전파할 수 있다.

LoRa 게이트웨이(120)는 LoRa 통신 기술을 이용하여 LoRa 단말(110)로부터 LoRa 패킷을 수신하고, 유/무선 통신망을 통해 LoRa 패킷을 서버(130)에 전송할 수 있다. 예를 들어, LoRa 게이트웨이(120)는 LoRa 패킷을 유무선 통신망에서 이용되는 패킷으로 변환하고, 복수의 LoRa 단말(110)로부터 수신한 LoRa 패킷들을 종합하여 서버에 전송할 수 있다.

모니터링 서버(130)는 LoRa 패킷에 기초하여 산업장비(10)의 위치를 확인하여 모니터링 정보를 생성할 수 있다. 예를 들어, 모니터링 서버(130)는 LoRa 패킷에 포함된 산업장비(10)의 GPS 위치 정보(또는, GPS 좌표)를 확인하고, 산업장비(10)의 GPS 위치 정보를 시간에 따라 저장하거나, 기 설정된 지도(MAP) 상에 시각적으로 표시하는 방식으로 모니터링 정보를 생성 및 출력할 수 있다.

한편, LoRa 패킷이 GPS 위치 정보 대신에(또는, GPS 위치 정보 이외에) 사용자 단말(140)의 단말 식별자를 포함하는 경우, 모니터링 서버(130)는 산업장비(10)가 사용자 단말(140)을 소유/이용하는 사용자가 이용하고 있는 것으로 판단하거나, 해당 사용자에 인접하여 산업장비(10)가 위치하는 것으로 판단할 수 있다.

또한, LoRa 패킷이 GPS 위치 정보 대신에 산업장비(10)의 관성 정보를 포함하는 경우, 모니터링 서버(130)는 산업장비(10)의 관성 정보에 기초하여 산업장비(10)의 대략적인 위치를 추정할 수 있다.

도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 산업장비 위치확인 시스템(10)은 LoRa 통신 기술을 이용함으로써, 저비용(또는, 상대적으로 낮은 구축 비용, 관리 비용)을 가지고 산업장비(10)의 위치를 확인 또는 모니터링 할 수 있다. 또한, 산업장비 위치확인 시스템(10)은 LoRa 단말(110)을 이용하여 산업장비의 GPS 정보, 관련된 사용자 단말(140)의 단말 식별자(또는, 단말 식별 정보) 및 관성 정보를 획득함으로써, 산업장비(10)의 위치를 보다 정확하게 모니터링 하며, 특히, GPS 위치 정보의 획득이 불가능한 지역에서도 산업장비(10)의 위치를 보다 용이하게 파악하거나 추정할 수 있다.

도 2는 도 1의 산업장비 위치확인 시스템에 포함된 LoRa 단말의 일 예를 나타내는 블록도이고, 도 3은 도 2의 LoRa 단말에서 생성되는 LoRa 패킷의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, LoRa 단말(110)은 GPS 수신 모듈(210), 제1 통신 모듈(220), 제2 통신 모듈(230), 관성 모듈(240) 및 제어 모듈(250)을 포함할 수 있다.

GPS 수신 모듈(210)은 위성항법시스템(global positioning system; GPS)를 이용하여 GPS 위치 정보를 생성할 수 있다. GPS 수신 모듈(210)은 일반적인 GPS 수신기로 구현될 수 있다.

제1 통신 모듈(220)은 후술하는 제어 모듈(250)에서 생성된 LoRa 패킷을 LoRa 망을 통해 LoRa 게이트웨이(120)에 전송할 수 있다. 제1 통신 모듈(220)은 LoRa 통신 기술을 적용한 RF 통신 모듈로 구현될 수 있다. LoRa 통신 기술을 적용한 RF 통신 모듈은 공지되어 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

제2 통신 모듈(230)은 블루투스 기술(또는, BLE 기술)을 이용하여 사용자 단말(140) 간에 블루투스 통신망을 형성하고, 사용자 단말(140)에 대한 단말 식별 정보 전송 요청을 통해 사용자 단말(140)의 단말 식별 정보를 획득할 수 있다. 제2 통신 모듈(230)은 일반적인 블루투스 모듈로 구현될 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

관성 모듈(240)은 산업장비(240)의 이동시 발생하는 가속도 정보 및 회전 정보 등을 생성하며, 예를 들어, 관성 모듈(240)은 3축 가속도 센서 및 자이로스코프를 포함할 수 있다.

제어 모듈(250)은 GPS 수신 모듈(210), 제1 통신 모듈(220), 제2 통신 모듈(230) 및 관성 모듈(240)의 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어 모듈(250)은 GPS 수신 모듈(210)로부터 획득한 GPS 위치 정보, 제2 통신 모듈(230)로부터 획득한 사용자 단말(140)의 단말 식별자 및 관성 모듈(240)로부터 획득한 관성 정보(240) 중 적어도 하나에 기초하여 LoRa 패킷을 생성할 수 있다. 생성된 LoRa 패킷은 제1 통신 모듈(220)을 통해 LoRa 게이트웨이(120)에 전송될 수 있다.

도 3을 참조하면, LoRa의 패킷 구조는 Preamble, Header, Payload로 구성된다. Preamble은 수신 데이터 흐름과 수신기를 동기화 하는데 이용된다.

패킷은 기본적으로 12 Symbol로 구성되지만 가변적일 수 있다. LoRa 게이트웨이(120)는 주기적으로 재시작하는 Preamble 검출 프로세스를 수행하고, 이를 위해 LoRa 단말(110) 및 LoRa 게이트웨이(120)의 Preamble의 길이는 동일하게 구성 될 수 있다.

Header는 Explict Mode와 Implicit Mode로 나뉘는데 Explict Mode는 Payload의 길이, 오류 정정률, Payload CRC의 존재여부와 같은 Payload에 대한 정보를 제공 할 수 있다. Implicit Mode에서는 Header가 패킷에서 제거되는데 Payload의 길이, 오류 정정율 및 Payload CRC의 존재 여부는 송수신부 양쪽에 수동으로 구성되어야 한다. Payload는 실제 데이터가 포함된 가변 길이의 필드이고 선택적으로 Payload CRC가 추가 될 수 있다.

Spreading Factor는 비트 개수 관점에서 원래의 데이터 비트가 몇 개의 비트 열로 확산되는지에 대한 확산률이다. Coding Rate는 아래의 수학식 1과 같이 실제 정보 비트가 포함된 비율을 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

도 4 및 도 5는 도 1의 산업장비 위치확인 시스템에 포함된 모니터링 서버에서 산업장치의 위치를 추정하는 일 예를 나타내는 도면이다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 산업 현장의 일 예로서, 건조 구조물(STR)이 도시되어 있다. 예를 들어, 건조 구조물(STR)은 건조 중인 대형 선박의 일 블록으로, 엔진룸(engine room) 블록, 탱크(tank) 블록 등 일 수 있다. 건조 구조물(STR)은 직육면체 형상을 가지고, 외면이 모두 폐쇄되고, 임시 통로(GATE)를 통해 사용자들(USER1 내지 USER3)은 건조 구조물(STR)의 내외부로 이동할 수 있다. 건조 구조물(STR)은 제1 내지 제4 층들(1st FLOOR 내지 4th FLOOR)로 구성될 수 있다. 한편, 제1 내지 제3 산업장비들(11 내지 13)은 용접기들로 가정하며, 제1 내지 제3 LoRa 단말들(411 내지 413)을 각각 포함하며, 제1 내지 제3 LoRa 단말들(411 내지 413) 각각은 도 2를 참조하여 설명한 LoRa 단말(110)과 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 내지 제3 사용자 단말들(441 내지 443)은 제1 내지 제3 사용자들(USER1 내지 USER3)이 소지하고 있을 수 있다.

먼저, 제1 사용자(USER1)의 경우, 건조 구조물(STR)의 제4 층(4th FLOOR)에서 제1 산업장비(11)를 가지고 작업(예를 들어, 용접 작업)을 수행할 수 있다. 건조 구조물(STR)의 제4 층(4th FLOOR)은 개방(open)되어 있을 수 있다.

이 경우, 제1 LoRa 단말(411)은 GPS 모듈을 통해 제1 산업장비(11)에 대한 제1 GPS 위치 정보를 획득하고, GPS 위치 정보에서 GPS 좌표만을 추출하여 LoRa 패킷을 생성하고, 이를 송신할 수 있다. LoRa 게이트웨이(420)는 LoRa 패킷을 수신하여 모니터링 서버(130)에 전송할 수 있다.

한편, 제2 사용자(USER2)의 경우, 건조 구조물(STR)의 제3 층(3th FLOOR)에서 제2 산업장비(12)를 가지고 작업을 수행할 수 있다. 건조 구조물(STR)의 제3 층(3th FLOOR)은 폐쇄(close)되어 있을 수 있다.

이 경우, 제2 LoRa 단말(412)은 GPS 모듈을 통해 정상적으로 제2 GPS 위치 정보를 획득하지 못할 수 있다. 제2 GPS 위치 정보를 획득하지 못하는 경우, 제2 LoRa 단말(412)은 제2 통신 모듈을 통해 블루투스 연결 요청을 송신할 수 있고, 제2 LoRa 단말(412)(또는, 제2 산업장비(12))에 인접하여 위치하는 제2 사용자(USER2)의 제2 사용자 단말(442)은 제2 LoRa 단말의 블루투스 연결 요청에 응답하여 제2 LoRa 단말(412)과 제2 사용자 단말(442) 간에 블루투스 통신망을 구성할 수 있다. 이후, 블루투스 통신망이 정상적으로 구성된 경우, 제2 LoRa 단말(412)은 제2 사용자 단말(442)에 제2 단말 식별 정보의 제공을 요청하며, 제2 사용자 단말(442)은 해당 요청에 응답하여 제2 사용자 단말(442)의 제2 단말 식별 정보를 제2 LoRa 단말(412)에 제공할 수 있다. 제2 LoRa 단말(412)은 제2 단말 식별 정보를 포함시켜 LoRa 패킷을 생성하고, 이를 송신할 수 있다. LoRa 게이트웨이(420)는 LoRa 패킷을 수신하여 모니터링 서버(130)에 전송할 수 있다. 이 경우, 모니터링 서버(130)는 기 저장된 룩업 테이블을 이용하여 제2 단말 식별 정보에 대응하는 제2 사용자(USER2)의 제2 사용자 정보를 확인할 수 있다.

또한, 제2 LoRa 단말(412)은 GPS 모듈을 통한 GPS 위치 정보의 획득하지 못하는 시점부터, 관성 센서를 통해 제2 산업장비(12)의 관성 정보(또는, 이동 관련 정보)를 획득할 수 있다. 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 관성 정보는 제2 산업장비(12)의 3축 가속도 정보들 및 회전 정보를 포함할 수 있다. 이후, 제2 LoRa 단말(412)은 관성 정보를 포함시켜 LoRa 패킷을 생성하고, 이를 LoRa 게이트웨이(420)를 통해 모니터링 서버(130)에 전송할 수 있다. 이 경우, 모니터링 서버(130)는 관성 정보에 기초하여 제2 산업장비(12)의 건조 구조물(STR) 내부에서의 위치를 추정할 수 있다.

참고로, 제2 LoRa 단말(412)(또는, LoRa 단말(110))의 전송 주기와 데이터 전송량의 한계로 인하여, 관성 정보의 부분적인 손실(또는, 누락)이 문제될 수 있다. 그러나, 제2 산업장비(12)(또는, 산업장비(10))의 특성상 실내에서 빠르게 이동하거나 회전하기 어렵다는 점에서, LoRa 통신망의 제한적인 전송 주기와 데이터 전송량을 이용하더라도, 모니터링 서버(130)는 LoRa 통신망을 통해 전송되는 관성 정보만으로도 상대적으로 높은 정확도를 가지고 제2 산업장비(12)의 위치를 추정할 수 있다.

도 5를 참조하면, 시간에 따른 관성 정보 중 제1 축(예를 들어, X축) 방향으로의 제1 가속도 값(ax)가 도시되어 있다. 모니터링 서버(130)는 최종적으로 제1 주기(T1) 마다 제1 가속도 값을 획득할 수 있다. 산업장비(10)의 특성상 가속도의 변화가 크지 않으므로, 모니터링 서버(130)는 가속도 값들을 연결하는 가속도 그래프를 도출하고, (산업장비(10)의 회전 변화 등을 고려하지 않은 경우) 가속도 그래프를 누적함으로써, 산업장비(10)의 제1 방향으로의 이동 거리를 산출할 수 있다.

다시 도 4를 참조하면, 산업장비 위치확인 시스템(100)은, 제2 산업장비(12)의 위치를 확인하는 방식과 동일한 방식을 이용하여, 제3 산업장비(13)의 위치를 확인 또는 모니터링 할 수 있다.

한편, 도 4를 참조하여 제2 LoRa 단말(12)은, 제2 GPS 정보를 획득하지 못한 이후 제2 사용자 단말(442) 와 블루투스 연결이 성공적으로 이루어진 시점에(또는, 블루투스 통신을 통해 재연결이 이루어진 시점에), 즉, 1회(또는, 수 회)에 한하여, 제2 단말 식별 정보를 포함하는 LoRa 패킷을 전송함으로써, 불필요한 제2 단말 식별 정보의 반복적인 전송을 방지할 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 LoRa 단말(10)은 우선적으로 GPS 위치 정보(또는, GPS 좌표)를 포함시켜 LoRa 패킷을 생성할 수 있다. 한편, LoRa 단말(10)은 GPS 위치 정보를 획득하지 못하는 경우(즉, GPS를 이용하여 산업장비(10)의 위치 확인이 불가한 경우), 제2 통신 모듈(220)을 통해 산업장비(10)에 인접하여 위치하는 사용자(USER)가 소지한 사용자 단말(120)의 단말 식별 정보를 포함시켜 LoRa 패킷을 (1회) 생성하며, 이와 동시에 관성 모듈(240)을 통해 획득한 관성 정보를 포함시켜 LoRa 패킷을 생성할 수 있다. 따라서, 모니터링 서버(130)는 관성 정보에 기초하여 GPS 음영 구역(예를 들어, 실내)에서의 산업장비(10)의 위치를 상대적으로 정확하게 추정할 수 있을 뿐만 아니라, 단말 식별 정보에 기초하여 해당 산업장비(10)의 사용자(USER)(또는, 근처에 위치하는 사용자)를 확인할 수 있다.

한편, 산업장비(10)를 두고 사용자(USER)가 현장을 이탈한 경우, 산업장비 위치확인 시스템(100)은 산업장비(10)에 인접하는 타 사용자(또는, 산업장비(10)에 인접하는 타 산업장비(10)를 이용하는 타 사용자)를 확인하여, 타 사용자를 통한 산업장비(10)의 회수 등을 가능하게 할 수 있다.

도 6은 도 1의 산업장비 위치확인 시스템의 일 예를 나타내는 블록도이다.

도 1 및 도 6을 참조하면, 산업장비 위치확인 시스템(600)은 LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-N), LoRa 게이트웨이(620-1, 620-2, 620-3) 및 모니터링 서버(630)를 포함할 수 있다. 또한, 산업장비 위치확인 시스템(600)은 사용자 단말들(640-1, 640-2 내지 640-N)과 연동될 수 있다. LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-N), LoRa 게이트웨이(620-1, 620-2, 620-3) 및 모니터링 서버(630)은 도 1을 참조하여 설명한 LoRa 단말(110), LoRa 게이트웨이(120)(또는, LoRa 중계기) 및 모니터링 서버(130)와 각각 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명은 반복하지 않기로 한다.

LoRa 게이트웨이들(620-1, 620-2, 620-3)은 다운 링크 채널(DN)을 이용하여 LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-N)에 데이터(예를 들어, 비콘)를 송신할 수 있다.

LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-N)은 다운 링크 채널(DN)과는 구별되는 업 링크 채널(UP)을 이용하여 LoRa 게이트웨이들(620-1, 620-2, 620-3)에 데이터(예를 들어, LoRa 패킷)을 송신할 수 있다.

이 경우, LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-N)은 다른 단말이 전송하는 데이터를 수신할 수 없으며, 산업장비 위치확인 시스템(600)은 스타형 토폴로지(STAR TOPOLOGY)만을 지원 할 수 있다. 여기서, 스타형 토폴로지는 LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-N)의 통신에 대한 모든 제어를 LoRa 게이트웨이들(620-1, 620-2, 620-3)(또는, 모니터링 서버(630))에서 관리하는 방식으로, 단말의 추가가 용이하고, 데이터 오류 발생에 쉽게 대처할 수 있다.

도 7은 도 6의 산업장비 위치확인 시스템에 포함된 제1 LoRa 게이트웨이의 일 예를 나타내는 도면이다.

LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-M)은 제1 LoRa 게이트웨이(620-1)과 1:1 통신을 수행함에 따라 1개의 무선통신(RF) 칩을 사용하지만, 제1 LoRa 게이트웨이(620-1)는 LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-M)과 통신을 수행해야 하므로 복수의 RF 칩들을 포함할 수 있다.

도 7을 참조하면, 제1 LoRa 게이트웨이(620-1)는 하나의 송신부(710)(또는, RF 송신부), 복수의 수신부들(720-1 내지 720-M)(또는, RF 수신부들), 복수의 증폭기들(731, 732-1 내지 732-M) 및 처리부(740)을 포함할 수 있다.

여기서, 송신부(710) 및 수신부들(720-1 내지 720-M)은 대칭 반이중 통신 방식(SYMMETRIC HALF-DUPLEX)을 지원하는 WPAN용 RF 칩으로 구현될 수 있고, 두 종류의 WPAN 칩을 이용하여 비대칭 링크 시스템(ASYMMETRIC LINK SYSTEM)을 구성할 수 있다.

송신부(710)는 처리부(740)(또는, 데이터 프로세서)로부터 전달받은 송신 데이터(TX DATA)를 LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-M)에 송신 할 수 있다.

수신부들(720-1 내지 720-M) 각각은 이들 각각에 대응하는 LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-M)로부터 데이터(예를 들어, LoRa 패킷)을 수신할 수 있다. 수신부들(720-1 내지 720-M)은 업 링크 채널(UP)과 다운 링크 채널(DN)의 주파수 채널 할당을 설정하기 위하여 복수 개로 구현될 수 있다.

제1 LoRa 게이트웨이(620-1)는 LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-M)에 비해 저비용, 저전력에 대한 자유도를 가지며, 다운 링크 채널(DN)에서의 링크 버짓(LINK BUDGET)을 향상시키기 위하여 증폭기(731)(또는, 저잡음 증폭기)를 사용하여 출력 신호를 향상 시킬 수 있다. 다운 링크 채널(DN)에 연결된 증폭기(731)는 링크 버짓을 향상시키기 위하여 출력 신호를 증폭시킬 수 있다. 송신 안테나에서 적절한 최대 전력으로 신호를 방출하는 경우, LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-M)이 위치한 곳까지 전파가 도달할 수 있다.

한편, 제1 LoRa 게이트웨이(620-1)는 LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-M)로부터 수신된 데이터(또는, 신호)에 대한 수신 감도(RECEIVE SENSITIVITY)를 향상시키기 위하여, 증폭기들(732-1 내지 732-M)을 사용할 수 있다.

상향 링크 채널(UP)에 연결된 증폭기들(732-1 내지 732-M) 각각은 LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-M)로부터 수신된 신호의 잡음을 제거하고, 수신된 신호의 세기를 증폭시킬 수 있다. 외부에서 수신된 신호는 크기가 매우 작으며, 잡음을 포함 할 수 있다. 따라서, 제1 LoRa 게이트웨이(620-1)는 상향 링크 채널(UP)에 연결된 증폭기들(732-1 내지 732-M)을 이용하여 잡음을 최소화하면서 수신된 신호의 크기를 증폭(LOW NOISE AMPLIFICATION) 할 수 있다.

한편, LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-M) 각각은 하나의 WPAN RF 칩을 이용하여 제1 통신 모듈(220)(도 2 참조)을 이용하여 제1 LoRa 게이트웨이(620-1)과 데이터를 송수신할 수 있다.

제1 통신 모듈(220)의 RF 칩의 송신 설정과 수신 설정을 서로 다른 주파수 대역 및 서로 다른 데이터 전송 속도로 설정하는 경우, Half Duplex로 운영될 수 있으나, 하나의 WPAN용 RF 칩을 이용하여 비대칭 링크 시스템(ASYMMETRIC LINK SYSTEM)을 구성할 수 있다.

한편, 제1 LoRa 게이트웨이(620-1)가 사용하는 다운 링크 채널(DN)은 LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-M)이 데이터를 전송하기 위하여 사용하는 업 링크 채널(UP)에 비하여 높은 주파수 및 넓은 주파수 대역을 사용할 수 있다.

반면, LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-M)은 전원의 제약으로 인하여, 높은 출력의 데이터 전송이 어렵고, 설치 및 비용의 문제로 높은 이득을 가지는 안테나의 사용이 어려우므로, 링크 버짓을 만족시키기 위하여 상대적으로 좁은 대역폭을 사용하여 데이터를 전송할 수 있다.

일 실시예에서, 제1 LoRa 게이트웨이(620-1)가 단말(300A, 300B, 300C)들 LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-M)과 통신을 수행하는 경우, 업 링크 채널(UP)은 LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-M)마다 별도의 주파수 대역을 갖는 채널들을 포함할 수 있다.

제1 LoRa 게이트웨이(620-1)은 LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-M)의 개수(M)에 상응하도록 업 링크 채널(UP)의 주파수 대역을 분할할 수 있고, 분할된 주파수 대역을 이용하여 LoRa 단말들(610-1, 610-2 내지 610-M)로부터 데이터를 수신할 수 있다.

도 8a는 도 1의 산업장비 위치확인 시스템에서 사용되는 비콘 및 핑 슬롯을 설명하는 도면이다.

도 1 및 도 8a를 참조하면, LoRaWAN은 LoRa 단말(110)의 통신 방법에 따라 클래스 A, B, C로 나뉘며, LoRa 게이트웨이(120)는 주기적으로 비콘(beacon)(B)(또는, 비콘 메시지)을 브로드캐스팅 할 수 있다.

클래스 B로 설정된 LoRa 단말(110)은 비콘 주기에 맞춰 활성화하여 LoRa 게이트웨이(120)(및 모니터링 서버(130))와 동기화를 진행하며, 동기화된 LoRa 단말(110)은 비콘들 사이에 핑(Ping)이라 불리는 다운링크 시간에 활성화하여 LoRa 게이트웨이(120)(또는 모니터링 서버(130))로부터 데이터를 받을 수 있다.

종래의 LoRa 표준은 클래스 B에서 불필요한 에너지를 소모하는 두 가지 문제점을 가지고 있다. 첫 번째는, LoRa 단말이 비콘 주기에 비콘을 수신하지 못할 경우 서버간의 동기화를 맞추기 위하여 곧바로 비콘리스(Beaconless) 동작(beacon-less operation: BLO)을 실행한다. 비콘리스 동작은 LoRa 단말이 비콘을 받기 위하여 주기의 활성화 시간을 더 증가시키는 동작이다. 만약 동기는 맞지만 비콘 전송 중 패킷손실로 비콘리스 동작이 실행되면 LoRa 단말은 활성화 되어있는 시간이 늘어나므로 LoRa 단말의 불필요한 배터리 소모가 커지는 결과를 초래한다.

두 번째는 LoRa 단말이 LoRa 게이트웨이(또는, 모니터링 서버)로부터 데이터를 받기위해 다운링크인 Ping 슬롯을 개방하는데, 모니터링 서버에서 보낼 메시지가 없음에도 불구하고 지속적으로 Ping 슬롯을 개방하여 LoRa 단말의 불필요한 배터리 소모를 가중시킨다.

LoRa 단말은 배터리 잔량과 비콘 세기에 따라 Ping 슬롯의 개수와 데이터 속도를 결정하는데, 두 가지 불필요한 에너지 소모 문제점은 잦은 Ping 슬롯 개수 변화와 데이터 속도 변화를 일으키며, 이는 곧 LoRa 망의 혼잡을 발생시키는 요인이 될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 산업장비 위치확인 시스템(100)은, LoRa 단말로 하여금 LoRa 게이트웨이로부터 3회 이상 상기 비콘을 수신하지 못한 경우, 비콘을 수신하기 위한 주기의 활성화 시간을 증가시키는 비콘리스(beacon-less) 동작을 수행하도록 하고, 또한, LoRa 게이트웨이로 하여금 주기 K회 시간 동안 LoRa 단말로 보낼 데이터가 없다고 예측되는 경우, 핑(ping) 슬롯을 상기 주기 K회 시간 동안 비활성화 시키는 슬롯 제어 신호를 상기 비콘과 함께 송신함으로써, LoRa 단말의 전력 효율을 향상시킬 수 있다.

도 8b는 도 1의 산업장비 위치확인 시스템에서 사용되는 LoRaWAN의 프로토콜 구조를 나타내는 도면이고, 도 8c는 도 1의 산업장비 위치확인 시스템에 포함된 LoRa 단말의 비콘리스 동작을 설명하는 도면이며, 도 8d는 도 1의 산업장비 위치확인 시스템에 포함된 LoRa 단말에서 통신 방식을 변경하는 절차를 설명하는 순서도이다.

먼저 도 8b를 참조하면, LoRaWAN 계층에서 3가지 MAC 프로토콜 옵션으로, 클래스 A, 클래스 B, 클래스 C를 제공한다.

클래스 A는 LoRa 단말(110)에 이벤트가 일어났을 경우만 모니터링 서버(130)(또는, LoRa 게이트웨이(120))로 이벤트 값을 보내며, 클래스 B는 클래스 A와 같은 단조로운 작업보다 동기화를 통하여 모니터링 서버(130)와 LoRa 단말(110) 측이 원하는 시각에 통신을 하여 사용자가 원하는 행동을 할 수 있다.

참고로 클래스 A는 LoRa 단말(110) 측이 송신할 데이터가 있을 때만 활성화 하여 LoRa 게이트웨이(120)에게 데이터를 전송한 후 LoRa 게이트웨이(120)의 응답을 받기 위해 두 개의 타임 슬롯 동안 활성화 상태로 있다가 비활성화 상태로 전환된다. 3가지 클래스 중에서 가장 에너지 소모가 적은 옵션이며, 클래스 B, C는 클래스 A에 기능을 더한 옵션이다. 즉, 클래스 B, C에서도 전송을 하고 난 후 2개의 타임슬롯 동안 활성화 상태로 있으며 각 옵션 특징별로 행동을 한다.

클래스 C는 전원이 계속 공급될 때 사용하는 매우 단순한 동작의 프로토콜로서 항상 활성화 상태로 있고, 항상 도 8a에 도시된 비콘 수신 윈도우(BRW)를 열어두다가 업로드 할 때만 잠시 닫는다.

클래스 B는 클래스 A를 기본으로 동기화 주기와 다운링크 주기인 비콘 주기와 Ping 주기가 더해진 옵션이다. 비콘 주기는 LoRa 게이트웨이(120)와 LoRa 단말(110)간 동기를 맞추기 위하여 사용되며, 예를 들어, 128s 마다 주기적으로 LoRa 게이트웨이(120)가 비콘을 브로드캐스팅 한다. LoRa 단말(110)은 비콘 주기마다 활성화 하여 비콘을 바탕으로 동기화를 하며, Ping 주기는 비콘 주기 안에 LoRa 게이트웨이(120)로부터 데이터를 받을 수 있도록 정확한 시간에 활성화 하는 주기이다. 비콘 주기 당 Ping 슬롯 개수는 2ⁿ(1?n?7)개로 사용자가 정할 수 있으며 Ping 주기는 2¹²/슬롯개수 이다. 예를 들어, 한 슬롯 당 시간은 30ms이며, "Ping 주기 ? 1" 범위의 슬롯들 중에서 임의의 슬롯을 선택할 수 있다.

도 8c를 참조하면, 만약 비콘이 분실되면 LoRa 단말(110)은 마지막에 받았던 비콘 기준으로 자신의 클럭을 특정 시간(예를 들어, 120분) 동안 유지해야 하며 동기를 맞추기 위해 비콘 수신 윈도우(BRW)를 지속적으로 증가시키는데, 이러한 행동을 Beacon-less 동작(이하 BLO)이라고 한다.

도 8d를 참조하면, LoRa 단말(110)의 초기 설정은 클래스 A, B, C 옵션 중 클래스 A로 시작될 수 있다(S810).

LoRa 단말(110)가 클래스 B로 변경이 필요할 경우, 도 8b에 도시된 응용(APPLICATION) 계층에서 LoRaWAN 계층으로 클래스 전환을 요청을 할 수 있다.(S820).

이후, LoRaWAN 계층은 비콘을 검색하고(S830). 검색 결과를 응용 계층에게 전달 할 수 있다(S840).

응용 계층은 전달받은 결과에 따라 다시 비콘을 검색하거나 검색된 비콘의 수신세기 및 배터리 용량에 따라 단말장치의 Ping 슬롯의 데이터속도 및 주기를 선택하여(S850), LoRaWAN 계층에게 이를 요청할 수 있다(S860).

이후, 클래스 B로 변경되면 MAC 계층에서 전송된 모든 업링크 프레임은 FCTRL 필드를 1로 설정하여 LoRa 단말(110)이 클래스 B로 전환된 것을 알릴 수 있다(S870). 만약 클래스 B에서 120분 동안 비콘이 수신되지 않으면 LoRaWAN 계층은 다시 클래스 A로 전환되었다는 것을 응용에게 알린 후 모든 업링크에서 FCTRL 필드를 0으로 설정하고 클래스 A로 변경할 수 있다.

도 8e는 도 1의 산업장비 위치확인 시스템에 포함된 LoRa 단말의 비콘리스 동작을 설명하는 도면이며, 도 8f는 도 1의 산업장비 위치확인 시스템에 포함된 LoRa 단말의 핑 슬롯 비활성화 동작을 설명하는 도면이다.

도 8e를 참조하면, 한편, 종래의 시스템은 비콘이 한 번만 분실되면 바로 BLO가 동작하였지만, 본 발명의 산업장비 위치확인 시스템(100)은 연속 3회 이상 비콘 분실 시 BLO를 실행하며, 비콘 주기 3회 이내에 비콘을 수신하였을 경우 BLO를 실행하지 않을 수 있다.

도 8f를 참조하면, LoRa 단말(110)의 배터리와 비콘의 세기로 LoRa 단말(110)이 Ping 횟수와 데이터 속도를 조절하여 에너지 소모를 줄일 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예들에 따른 산업장비 위치확인 시스템(100)은 모니터링 서버(130)(또는, LoRa 게이트웨이(120))의 명령(예를 들어, 슬롯 제어 신호)을 추가하여 LoRa 단말(110)의 빈 Ping 슬롯을 억제하여 에너지를 소모를 줄일 수 있다.

모니터링 서버(130)는 이후 주기 n회 시간동안 단말장치로 보낼 데이터가 없다고 예측되면 LoRa 단말(110)에게 마지막 비콘을 기준으로 n회 주기만큼 Ping 슬롯을 비활성화 하도록 명령하거나, 이에 대한 슬롯 제어 신호를 생성할 수 있다. LoRa 단말(110)은 마지막 비콘을 받은 후의 Ping 슬롯까지만 정상적으로 활성화 후 다음 비콘 주기 이후 모니터링 서버(130)에서 전송 받은 n회 주기 동안 Ping 슬롯을 활성화 하지 않을 수 있다. 또한, LoRa 단말(110)에서 이벤트가 발생하면 종래의 방법대로 전송 후 2 슬롯 동안 다운링크를 열며 비콘 슬롯도 기존 방법대로 주기마다 동기화를 실시할 수 있다.

도 8a 내지 도 8f를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 산업장비 위치확인 시스템(100)은, 3회 이상 상기 비콘을 수신하지 못한 경우에 한하여, 비콘을 수신하기 위한 주기의 활성화 시간을 증가시키는 비콘리스(beacon-less) 동작을 수행하도록 하고, 또한, 주기 K회 시간 동안 LoRa 단말로 보낼 데이터가 없다고 예측되는 경우 핑(ping) 슬롯을 상기 주기 K회 시간 동안 비활성화 시키는 슬롯 제어 신호를 생성함으로써, LoRa 단말(110)의 전력 효율을 향상시킬 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 산업장비 위치확인 방법을 나타내는 순서도이다.

도 1 및 도 9를 참조하면, 도 9의 방법은 도 1의 산업장비 위치확인 시스템(100)(또는, LoRa 단말(110))에서 수행될 수 있다.

도 9의 방법은 산업장비(10)에 대한 GPS 위치 정보를 생성 또는 획득할 수 있다(S910).

GPS 위치 정보가 유효(valid)한 경우(또는, GPS 위치 정보가 유효한 경우)(S920), 도 9의 방법은 GPS 위치 정보로부터 GPS 좌표를 추출할 수 있다(S930). 참고로, GPS 위치 정보는 GPS 좌표 외에 GPS 좌표의 생성/획득 시점 등의 정보를 포함하므로, 도 9의 방법은 GPS 위치 정보를 파싱하는 방식으로 GPS 좌표만을 추출할 수 있다.

이후, 도 9의 방법은 GPS 좌표에 기초하여 LoRa 패킷을 생성 할 수 있다(S940).

이와 달리, GPS 위치 정보가 유효하지 않는 경우(invalid), 도 9의 방법은 블루투스 연결 요청을 송신 또는 브로드캐스팅(broadcasting)하고, 사용자 단말(140)이 이에 응답한 경우(즉, 사용자 단말(140)과 블루투스 연결이 이루어진 경우), 사용자 단말(140)에 단말 식별 정보(또는, 단말 식별자)의 송신을 요청할 수 있다(S950). 사용자 단말(140)의 단말 식별 정보를 정상적으로 수신 또는 획득한 경우, 도 9의 방법은 단말 식별 정보에 기초하여 LoRa 패킷을 생성할 수 있다(S960).

앞서 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 단말 식별 정보에 기초한 LoRa 패킷은, 블루투스 연결이 이루어진 경우에 한하여 일시적으로 생성되어 전송되고, 이와 동시에, 또한, 이후 GPS 위치 정보가 정상적으로 획득될 때까지, 도 9의 방법은 관성 정보를 이용하여 LoRa 패킷을 생성할 수 있다.

이후, 도 9의 방법은 LoRa 패킷을 송신하고(S970), 모니터링 서버(130)는 LoRa 패킷에 기초하여 산업장비(10)의 위치(실외에서의 위치 뿐만 아니라 실내에서의 위치) 및 관련 사용자 정보를 확인 및 관리할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시예들에 따른 실내 운동기에 대하여 도면을 참조하여 설명하였지만, 상기 설명은 예시적인 것으로서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 수정 및 변경될 수 있을 것이다.

100: 산업장비 위치확인 시스템
110: LoRa 단말
120: LoRa 게이트웨이
130: 모니터링 서버
140: 사용자 단말
210: GPS 수신 모듈
220: 제1 통신 모듈
230: 제2 통신 모듈
240: 관성 모듈
250: 제어 모듈
411 내지 413: 제1 내지 제3 LoRa 단말들
420: LoRa 게이트웨이
441 내지 443: 제1 내지 제3 사용자 단말들

Claims (8)

1. 산업장비에 장착되어 상기 산업장비의 GPS 위치 정보를 생성하며, 상기 GPS 위치 정보에서 GPS 좌표를 추출하고, 상기 GPS 좌표를 포함하는 로라(LoRa, Long range) 패킷을 생성하며, 상기 LoRa 패킷을 LoRa 통신 기술을 이용하여 외부에 송신하는 LoRa 단말;
   상기 LoRa 패킷을 전송하는 LoRa 게이트웨이; 및
   상기 LoRa 패킷에 기초하여 상기 산업장비에 위치에 관한 모니터링 정보를 생성하는 모니터링 서버를 포함하는 산업장비 위치확인 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 LoRa 단말은 전력 소모를 최소화하는 제1 모드를 유지하고, 제1 동작 주기 및 외부 제어 신호 중 적어도 하나에 기초하여 제2 모드로 전환하여 상기 LoRa 패킷을 전송하고, 상기 LoRa 패킷의 전송이 완료된 경우 제1 모드로 전환하여 유지하는 것을 특징으로 하는 산업장비 위치확인 시스템.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   블루투스 통신 기술을 이용하는 사용자 단말을 더 포함하고,
   상기 LoRa 단말은,
   상기 GPS 위치 정보를 생성하는 GPS 모듈;
   상기 LoRa 통신 기술을 이용하여 상기 LoRa 패킷을 상기 LoRa 게이트웨이에 전송하는 제1 통신 모듈;
   상기 산업장비에 인접하여 위치하는 상기 사용자 단말과 블루투스 통신망을 형성하고, 상기 사용자 단말의 단말 식별 정보를 수신하는 제2 통신 모듈; 및
   상기 GPS 위치 정보가 유효한 경우, 상기 GPS 위치 정보로부터 상기 GPS 좌표를 추출하여 상기 상기 LoRa 패킷을 생성하며, 상기 GPS 위치 정보가 유효하지 않는 경우, 상기 단말 식별 정보에 기초하여 상기 패킷을 생성하는 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 산업장비 위치확인 시스템.
   
4. 제 3 항에 있어서, 상기 모니터링 서버는,
   상기 LoRa 패킷으로부터 상기 GPS 좌표 및 상기 단말 식별 정보 중 적어도 하나를 획득하며,
   상기 GPS 좌표를 획득한 경우, 상기 GPS 좌표에 기초하여 상기 산업장비에 대한 현재 위치 정보를 갱신하고,
   상기 단말 식별 정보를 획득한 경우, 상기 단말 식별 정보를 포함하는 단말 식별자들 및 사용자들 간의 관계들을 저장한 사용자 데이터로부터 상기 단말 식별자에 대응하는 사용자의 사용자 정보를 추출하고, 상기 사용자 정보에 기초하여 상기 산업장비에 대한 실 사용자 정보를 갱신하는 것을 특징으로 하는 산업장비 위치확인 시스템.
   
5. 제 4 항에 있어서, 상기 LoRa 단말은, 가속도 센서 및 자이로스코프를 이용하여 상기 산업장비에 대한 관성 정보를 생성하는 관성 모듈을 더 포함하고,
   상기 제어 모듈은, 상기 GPS 위치 정보가 유효하지 않는 경우, 상기 관성 정보에 기초하여 상기 패킷을 생성하며,
   상기 모니터링 서버는, 상기 관성 정보에 기초하여 상기 산업장비의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 산업장비 위치확인 시스템.
   
6. 제 1 항에 있어서, 상기 LoRa 단말은 업 링크 채널을 통해 상기 LoRa 패킷을 송신하고, 다운 링크 채널을 통해 상기 LoRa 게이트웨이로부터 상기 LoRa 패킷의 송신 주기에 대한 비콘(beacon)을 수신하되,
   상기 업 링크 채널의 제1 주파수 대역은 상기 다운 링크 채널의 제2 주파수 대역보다 낮게 설정되며,
   상기 LoRa 게이트웨이는, 상기 LoRa 단말을 포함하는 복수의 단말들에 각각 대응하는 복수의 수신부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 산업장비 위치확인 시스템.
   
7. 제 6 항에 있어서, 상기 LoRa 단말은, 상기 LoRa 게이트웨이로부터 3회 이상 상기 비콘을 수신하지 못한 경우, 상기 비콘을 수신하기 위한 주기의 활성화 시간을 증가시키는 비콘리스(beacon-less) 동작을 수행하고,
   상기 LoRa 게이트웨이는 주기 K회 시간 동안 LoRa 단말로 보낼 데이터가 없다고 예측되는 경우, 핑(ping) 슬롯을 상기 주기 K회 시간 동안 비활성화 시키는 슬롯 제어 신호를 상기 비콘과 함께 송신하는 것을 특징으로 하는 산업장비 위치확인 시스템.
   
8. 산업장비에 장착된 로라(LoRa, Long range) 단말, LoRa 게이트웨이 및 모니터링 서버를 포함하는 산업장비 위치확인 시스템에서 수행되는 산업장비 위치확인 방법에서,
   상기 LoRa 단말을 통해 GPS 위치 정보를 획득하는 단계;
   상기 GPS 위치 정보가 유효한 경우, 상기 GPS 위치 정보로부터 GPS 좌표를 추출하고, 상기 GPS 좌표에 기초하여 LoRa 패킷을 생성하는 단계;
   상기 GPS 위치 정보가 유효하지 않은 경우, 상기 산업장비에 인접한 사용자 단말로부터 블루투스 통신망을 통해 상기 사용자 단말의 단말 식별 정보를 획득하고, 관성 모듈로부터 획득한 상기 산업장비의 관성 정보 및 상기 단말 식별 정보 중 적어도 하나에 기초하여 상기 LoRa 패킷을 생성하는 단계; 및
   상기 LoRa 패킷을 상기 LoRa 게이트웨이를 통해 상기 모니터링 서버에 전송하는 단계를 포함하는 산업장비 위치 확인 방법.
   

Images