KR20200067457A - 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템 - Google Patents

스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보다 경제적으로 Li-Fi 시스템을 사용할 수 있는 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템에 관한 것으로, 송신하고자 하는 데이터를 Li-Fi 광신호로 변환해 송신하는 정보 전송부(100), 다수의 LED(210)를 포함하고, 상기 정보 전송부(100)로부터 Li-Fi 광신호를 수신하며, 수신한 Li-Fi 광신호에 따라 다수의 상기 LED(210)의 점멸을 제어하여 광신호를 송신하는 LED조명부(200) 및 상기 LED(210)들의 점멸을 감지할 수 있는 광센서(310)를 포함하는 스마트폰(300)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템{Light-fidelity system using smartphone and LED}
본 발명은 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템에 관한 것이다.
현재 4차 산업혁명이 일어나면서, 통신 분야에서는 보다 빠르고 정확하게 정보를 주고받는 것이 경쟁력이 됨에 따라 새로운 방식의 통신이 요구되고 있다.
빛을 이용한 통신인 Li-Fi(Light-Fidelity)는 이러한 요구 방식에 따른 통신방법으로, 빛의 깜빡임을 이용해 빠른 통신 속도를 구현하는 무선 통신 기술이다. Li-Fi의 가장 큰 장점은 현재 일반적으로 사용되는 Wi-Fi(Wireless-Fidelity)보다 약 100배 정도 빠른 속도를 갖는다는 것이고, 이 외에도 빛의 직진성으로 인하여 빛이 진행하는 경로 사이에 다른 물체가 가로막지 않는 이상, 도청 및 감청의 위험이 없으며, 지하, 비행기, 병원 등 전파가 잘 통하지 않는 장소에서도 사용할 수 있다는 것이다.
일반적인 LED 조명을 활용한 Li-Fi의 방식을 간략히 설명하면, 베이스 밴드(데이터 통신에서 반송파를 변조하는 신호의 주파수 대역)에 정보를 보내고, LED가 그 신호를 받아 약 30~250ns의 속도로 빛 신호를 보내며, 수신기가 빛 신호를 수신한 후 이를 전기적 신호로 전환하여 통신한다.
현재 상용화된 Li-Fi는 빛을 송수신할 수 있는 전용의 송수신기가 필요한데, 이러한 송수신기의 가격은 다소 높아 Li-Fi 보급이 늦어지고 있는 실정이다.
한국 공개특허공보 제10-2018-0112240호(“Li-Fi를 활용한 IoT 제어 시스템 및 그 제어 방법”, 공개일 2018.10.12.)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에 의한 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템의 목적은 보다 경제적으로 Li-Fi 시스템을 사용할 수 있는 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템은, 송신하고자 하는 데이터를 Li-Fi 광신호로 변환해 송신하는 정보 전송부(100), 다수의 LED(210)를 포함하고, 상기 정보 전송부(100)로부터 Li-Fi 광신호를 수신하며, 수신한 Li-Fi 광신호에 따라 다수의 상기 LED(210)의 점멸을 제어하여 광신호를 송신하는 LED조명부(200), 상기 LED(210)들의 점멸을 감지할 수 있는 광센서(310)를 포함하는 스마트폰(300)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 LED(210)는 2차원적으로 서로 일정간격 이격되어 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 LED조명부(200)에서 점멸시키는 상기 LED(210)의 개수는 N개인 것을 특징으로 한다.(N은 상기 LED의 최대개수를 넘지 않는 자연수)
또한, 상기 LED조명부(200)는 동시에 복수개의 상기 LED(210)를 점멸시키되, 서로 인접한 복수개의 상기 LED(210)는 동시에 점멸시키지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 LED(210)는 방향 인식용 LED, 데이터 전송 시작 알림용 LED, 데이터 전송 종료 알림용 LED, 조명용 LED 및 데이터 송신용 LED를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 복수의 상기 LED(210)는 사각형 형상으로 2차원적으로 배열되고, 상기 방향 인식용 LED는 상기 조명용 LED와 다른 색상으로, 꼭짓점에 위치한 LED의 옆에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 LED조명부(200)가 켜져 있는 동안 상기 조명용 LED는 데이터의 송수신과 무관하게 켜져 있으며, 상기 데이터 송신용 LED는 점멸되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 LED조명부(200)가 광신호의 송신을 시작하면, 상기 데이터 전송 시작 알림용 LED는 꺼지며, 상기 LED조명부(200)가 마지막 광신호를 송신하면, 상기 데이터 전송 종료 알림용 LED가 꺼지는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템에 의하면, 스마트폰이 Li-Fi 통신에서의 수신기 역할을 하고, 일반적인 LED조명부가 광신호를 송신하는 송신기 역할을 하므로, 보다 저렴한 가격으로 Li-Fi 시스템을 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템의 LED조명부의 LED의 배치구조의 개략도.
도 3은 본 발명의 LED와 스마트폰 사이의 거리에 따른 LED의 인식 실험 결과.
도 4는 본 발명의 LED에 난반사판이 있을 경우 단일의 LED의 점멸/꺼짐 인식 실험 결과.
도 5는 본 발명의 LED에 난반사판이 있을 경우 다수의 LED의 점멸/꺼짐 인식 실험 결과.
도 6은 본 발명의 LED와 스마트폰이 향하는 방향 사이의 각도에 따른 LED의 점멸/꺼짐 인식 실험 결과.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템은 정보 전송부(100), LED조명부(200) 및 스마트폰(300)을 포함할 수 있다.
정보 전송부(100)는 송신하고자 하는 데이터를 Li-Fi용 광신호로 변환해, 후술할 LED조명부(200)로 전송하는 역할을 한다.
정보 전송부(100)는 상술한 바와 같은 동작을 하는 기기로서, 개인용 컴퓨터 또는 스마트폰과 같은 전자기기일 수 있다.
LED조명부(200)는 평상시에는 조명으로 사용되되, 정보 전송부(100)로부터 Li-Fi 광신호를 수신하는 경우 Li-Fi의 송신기로 동작하는 장치이다.
LED조명부(200)는 상술한 바와 같은 동작을 위해 다수의 LED를 포함하고, 정보 전송부(100)로부터 Li-Fi 광신호를 수신하며, 수신한 Li-Fi 광신호에 따라 다수의 LED의 점멸을 제어하며, 이를 위해 LED조명부(200)는 정보 전송부(100)로부터 Li-Fi 광신호를 수신할 수 있는 수신모듈(220)과, LED(210)의 점멸을 제어하는 제어부(230)를 더 포함할 수 있다.
제어부(230)는 임베디드 인쇄회로기판(Embedded Printed Circuit Board)과 같은 형태로 상기 LED들과 인접해 설치될 수 있으며, 수신모듈(220)은 상기 정보 전송부(100)와 유/무선으로 연결될 수 있다.
도 2는 LED조명부(200)에 포함되는 다수의 LED(210)를 평면으로 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 LED(210)는 2차원적으로 배열되되, 서로 일정간격 이격되는 형태일 수 있으며, 다수의 LED(210)는 방향 인식용 LED(210a), 데이터 전송 시작 알림용 LED(210b), 데이터 전송 종료 알림용 LED(210c), 데이터 송신용 LED(210d)를 포함할 수 있으며, 방향 인식용, 데이터 전송 시작 알림용, 데이터 전송 종료 알림용, 데이터 송신용 LED를 제외한 LED는 조명용 LED(210e)로 사용될 수 있다.
다수의 LED(210)가 2차원적으로 배열되되, 서로 일정간격 이격되는 형태인 것은 LED(210)는 전면에 형성된 난반사판을 포함해, LED에서 발산되는 빛이 어느 정도 번지기 때문에 비교적 광감지 성능이 떨어지는 스마트폰으로 해당 LED의 점멸여부를 확인하지 못할 수 있기 때문이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 데이터 송신용 LED(210d)는 제어부(230)의 제어에 의해 다양한 패턴으로 점멸됨으로써 광신호를 송신한다. 상술한 바와 같이 광신호를 수신하는 스마트폰(300)은 Li-Fi 전용 수신기에 비해 성능이 떨어질 수 있으므로, 데이터 송신용 LED(210d)는 서로 인접해 있는 LED가 아닌, 적어도 하나의 LED만큼 이격된 LED가 사용될 수 있다.
제어부(230)에 의해 점멸되는 데이터 송신용 LED(210d)는 특정 LED가 지속적으로 사용되는 것이 아닌, 다른 LED가 사용될 수 있다. 예를 들어, 총 데이터의 처음부터 50%를 송신할 때에는 도 2에 도시된 데이터 송신용 LED(210d)가 사용되되, 나머지 부분을 송신할 때에는 도 2에 도시된 데이터 송신용 LED(210d)가 아닌 조명용 LED(210e) 중 일부가 데이터 송신용으로 사용될 수 있다. 단, 동시에 데이터 송신용으로 사용되는 LED는 서로 인접하지 않는 종류의 LED로, 이 또한 상술했던 이유와 마찬가지로, 일반적인 스마트폰(300)에 포함되는 광센서의 성능이 Li-Fi 전용 수신기의 성능에 비해 떨어질 수 있기 때문이다.
제어부(230)가 데이터 송신용 LED(210d)를 이용해 데이터를 송신할 때, 조명용 LED(210e)는 항시 켜져, 본래 조명의 역할을 수행할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 LED(210)는 N개의 행과 M개의 열(N과 M은 자연수)을 가지는 사각형의 2차원적으로 배열될 수 있으며, 방향 인식용 LED(210a)는 사각형의 행렬 중 꼭짓점에서 하나의 LED만큼 이격된 위치에 배치되되, 총 세 개가 사용될 수 있다.
방향 인식용 LED(210a)는 다른 종류의 LED들과 다른 색상일 수 있으며, 본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 붉은색의 LED가 방향 인식용 LED(210a)로 사용될 수 있다. 또한, 방향 인식용 LED(210) 뿐 아니라 본 실시예에서 사용되는 서로 다른 종류의 LED들은 다른 색상일 수 있다.
데이터 전송 시작 알림용 LED(210b)는 제어부(230)에서 데이터의 전송을 시작하기 위해 데이터 송신용 LED의 점멸을 시작할 때, 데이터 전송의 시작을 알리기 위해 꺼진다.
도 2에 도시된 바와 같이 데이터 전송 시작 알림용 LED(210b)는 2차원적으로 배치된 LED(210)들 중, 좌측 모서리 부분에 위치할 수 있다.
데이터 전송 종료 알림용 LED(210c)는 제어부(230)에서 데이터의 전송을 종료할 때, 데이터 전송의 종료를 알리기 위해 꺼진다.
도 2에 도시된 바와 같이, 데이터 전송 종료 알림용 LED(210c)는 2차원적으로 배치된 LED(210)들 중, 우측 모서리 부분에 위치할 수 있다. 즉, 데이터 전송 시작 알림용 LED(210b)와 데이터 전송 종료 알림용 LED(210c)는 서로 동일한 모서리에 위치하지 않고 서로 다른 모서리에 위치하여 동작할 수 있으며, 바람직하게는 서로 가장 먼 모서리 방향에 위치할 수 있다.
또한, 데이터 전송 시작 알림용 LED(210b)와 데이터 전송 종료 알림용 LED(210c)는 복수개의 LED가 사용될 수 있는데, 이는 스마트폰(300)에서 해당 알림용 LED를 보다 명확하게 인식할 수 있도록 하기 위함이다.
스마트폰(300)은 Li-Fi 통신에서 수신기 역할을 하며, 렌즈(320)를 통해 입사되는 광을 분석해 LED(210)들의 점멸을 감지하고, 이를 전기적 신호로 변환하는 광센서(310)를 포함한다.
상술한 LED조명부(200)에 포함되는 다수개의 LED(210)들 중, 일부는 점멸되거나 꺼진다(데이터 전송용 LED, 데이터 전송 시작 알림용 LED, 데이터 전송 종료 알림용 LED). 단, 본 발명에서 LED조명부(200)는 일반적인 조명이되, 필요시 Li-Fi 통신의 송신기로 활용하는 것이기 때문에, LED조명부(200)의 조도가 조명에 비해 과도하게 낮지 않도록, 점멸되거나 꺼지는 LED의 개수를 한정한다.
일예로, 도 2에 도시된 바와 같이 LED조명부(200)에 포함되는 LED(210)의 개수가 12×12로 총 144개라면, 점멸되거나 꺼지는 LED의 개수는 15개로 한정하며, 이를 퍼센트로 환산하면 총 LED개수의 약 11% 가량이 Li-Fi 통신의 데이터 송신에 사용될 수 있다.
본 실시예에서 사용할 수 있는 코드의 개수는 동시에 점멸하거나 꺼지는 LED개수를 X개라고 할 때, 아래 수학식 1을 통해 계산할 수 있으며, 일반적인 사용자는 아래 수학식 1을 통해 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템을 설계할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
(N과 M은 각각 2차원 행렬로 배치되는 LED의 행의 개수와 열의 개수, K는 복수개의 LED가 동시에 점멸되거나 꺼질 때, 해당 LED 사이의 간격, C는 조합(Combination))
상기 LED조명부(200)가 조명역할을 용이하게 하기 위해, LED(210)의 전압, 저항 및 트랜지스터 값은 한정될 수 있으며, 구체적으로는 LED(210)에 인가되는 전압은 9V, 베이스 저항은 7.5kΩ, LED에 흐르는 전류는 58mA, 컬렉터 저항은 100Ω 일 수 있다.
또한, 본 실시예에서 LED(210)와 스마트폰 사이의 거리는 5m을 넘지 않는 것이 바람직하다. 이는 스마트폰(300)의 광센서의 한계 때문에 스마트폰(300)과 LED(210) 사이의 거리가 더 벌어질 경우, 스마트폰(300) 내부의 셔터스피드를 조절하지 않고는 LED의 점멸여부를 확인하기 용이하지 않기 때문이다.
도 3은 상술한 바와 같은 LED(210)와 스마트폰(300) 사이의 거리에 따른 LED의 점멸/꺼짐 인식 실험 결과로, 1~3.5m까지는 LED(210)의 점멸여부를 인식할 수 있지만 그 이상의 거리가 되면 셔터스피드를 제어하지 않고는 LED(210)의 점멸 여부를 인식할 수 없으며, 이는 도 4 및 도 5에 각각 도시된 LED(210)의 전면에 난반사판이 있을 경우 단일/다수의 LED(210)의 점멸/꺼짐 인식여부를 확인한 실험 결과에서도 나타난다.
셔터스피드를 조절하여 노출을 제어하면 LED(210)와 스마트폰(300) 사이의 거리가 5m 이상일 때도 점멸여부를 인식할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 LED(210)가 향하는 방향과, 스마트폰(300)의 렌즈가 향하는 방향 사이의 간격은 0~45°로 한정한다. 이는 LED(210)와 스마트폰(300) 사이의 간격에 따라 LED(210)의 방향과 스마트폰(300)의 렌즈 사이의 각도가 45°를 벗어날 경우 LED(210)의 점멸/꺼짐을 인식하기 어렵기 때문이다.
도 6은 상술한 LED(210)와 스마트폰(300)의 렌즈 사이의 간격과 각도에 따른 LED(210)의 점멸/꺼짐 인식 실험 결과이다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 정보 전송부
210 : LED
210a : 위치 확인용 LED
210b : 데이터 전송 시작 알림용 LED
210c : 데이터 전송 종료 알림용 LED
210d : 데이터 전송용 LED
210e : 조명용 LED
220 : 수신모듈
230 : 제어부
300 : 스마트폰
310 : 광센서
320 : 렌즈

Claims (7)

  1. 송신하고자 하는 데이터를 Li-Fi 광신호로 변환해 송신하는 정보 전송부(100);
    다수의 LED(210)를 포함하고, 상기 정보 전송부(100)로부터 Li-Fi 광신호를 수신하며, 수신한 Li-Fi 광신호에 따라 다수의 상기 LED(210)의 점멸을 제어하여 광신호를 송신하는 LED조명부(200);
    상기 LED(210)들의 점멸을 감지할 수 있는 광센서(310)를 포함하는 스마트폰(300);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 LED(210)는 2차원적으로 서로 일정간격 이격되어 배열되는 것을 특징으로 하는 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 LED조명부(200)는 동시에 복수개의 상기 LED(210)를 점멸시키되, 서로 인접한 복수개의 상기 LED(210)는 동시에 점멸시키지 않는 것을 특징으로 하는 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 LED(210)는 방향 인식용 LED, 데이터 전송 시작 알림용 LED, 데이터 전송 종료 알림용 LED, 조명용 LED 및 데이터 송신용 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    복수의 상기 LED(210)는 사각형 형상으로 2차원적으로 배열되고,
    상기 방향 인식용 LED는 상기 조명용 LED와 다른 색상으로, 꼭짓점에 위치한 LED의 옆에 배치되는 것을 특징으로 하는 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 LED조명부(200)가 켜져 있는 동안 상기 조명용 LED는 데이터의 송수신과 무관하게 켜져 있으며, 상기 데이터 송신용 LED는 점멸되는 것을 특징으로 하는 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 LED조명부(200)가 광신호의 송신을 시작하면, 상기 데이터 전송 시작 알림용 LED는 꺼지며, 상기 LED조명부(200)가 마지막 광신호를 송신하면, 상기 데이터 전송 종료 알림용 LED가 꺼지는 것을 특징으로 하는 스마트폰과 LED를 이용한 Li-Fi 시스템.
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