WO2014081072A1 - 생체 삽입형 센서 태그 기반 가축 이력 관리 시스템 - Google Patents

생체 삽입형 센서 태그 기반 가축 이력 관리 시스템 Download PDF

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WO2014081072A1
WO2014081072A1 PCT/KR2012/011647 KR2012011647W WO2014081072A1 WO 2014081072 A1 WO2014081072 A1 WO 2014081072A1 KR 2012011647 W KR2012011647 W KR 2012011647W WO 2014081072 A1 WO2014081072 A1 WO 2014081072A1
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sensor tag
wireless power
battery
livestock
mfan
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Application number
PCT/KR2012/011647
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원윤재
김영한
임용석
문연국
임승옥
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전자부품연구원
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    • A01K—ANIMAL HUSBANDRY; AVICULTURE; APICULTURE; PISCICULTURE; FISHING; REARING OR BREEDING ANIMALS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NEW BREEDS OF ANIMALS
    • A01K11/00—Marking of animals
    • A01K11/006—Automatic identification systems for animals, e.g. electronic devices, transponders for animals
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
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    • G06K19/067—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components
    • G06K19/07—Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with integrated circuit chips
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • G06K7/10009—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation sensing by radiation using wavelengths larger than 0.1 mm, e.g. radio-waves or microwaves
    • G06K7/10158—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation sensing by radiation using wavelengths larger than 0.1 mm, e.g. radio-waves or microwaves methods and means used by the interrogation device for reliably powering the wireless record carriers using an electromagnetic interrogation field
    • G06K7/10178—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation sensing by radiation using wavelengths larger than 0.1 mm, e.g. radio-waves or microwaves methods and means used by the interrogation device for reliably powering the wireless record carriers using an electromagnetic interrogation field including auxiliary means for focusing, repeating or boosting the electromagnetic interrogation field

Definitions

  • the present invention relates to a biometric sensor tag-based livestock history management system, and more particularly, to a biometric sensor-based livestock history management system capable of wireless communication and wireless power transmission.
  • bio-sensing technology has been developed to enable rapid prescriptions for livestock disease outbreaks.
  • all of these developed systems are difficult to obtain accurate biometric information because they are installed outside of the body, the installations may be damaged by the movement of livestock, and the semi-manual system that the livestock farmers have to carry out additional tasks.
  • New livestock traceability systems are needed to collect biometric data.
  • the present invention has been made in the technical background as described above, the object is to provide a system capable of managing livestock history based on the bio-insertable sensor tag.
  • Another object of the present invention is to provide a livestock history management system based on a bio-insertable sensor tag that can be inserted and operated without a power supply in the livestock, and can transmit information even at a distance.
  • a MFAN / RFID convergence repeater for inserting a batteryless sensor tag into a living body of a livestock and installing it at the neck of the livestock to secure power to be supplied to the sensor tag.
  • the MFAN / RFID convergence repeater supplies wireless power to the sensor tag, collects sensing data from the sensor tag, and transmits the sensing data to the magnetic field communication and wireless power transmitter.
  • a batteryless sensor tag which is inserted into a living body of a livestock and monitors a change in body temperature of the livestock.
  • a power management unit for supplying stable power by converting the power to the tag;
  • a power on / off circuit configured to wake up the sensor tag when power is supplied through the power manager;
  • CMOS temperature sensor for measuring the body temperature of the livestock;
  • a signal demodulator for demodulating a signal by an EPCglobal Class 1 Generation 2 Protocol received from the outside;
  • a signal modulator for modulating the sensor tag ID and the measured temperature data into a signal according to the EPCglobal Class 1 Generation 2 Protocol;
  • a memory for storing the ID of the sensor tag and the measured temperature data.
  • the batteryless sensor tag may further include a flag circuit which is a memory circuit that flags a plurality of batteryless sensor tags to simultaneously communicate with a reader system external to the batteryless sensor tag.
  • a flag circuit which is a memory circuit that flags a plurality of batteryless sensor tags to simultaneously communicate with a reader system external to the batteryless sensor tag.
  • a Magnetic Field Area Network (MFAN) / Radio-Frequency IDentification (RFID) fusion repeater for use in livestock history management system using a battery-free biometric sensor tag, the MFAN / RFID fusion repeater
  • the magnetic field communication and wireless power transmission unit includes an antenna for MFAN communication and wireless power transmission and reception, a MFAN communication unit, a wireless power receiving unit, and a wireless power charging unit including a power management unit and a battery;
  • a UHF RFID communication unit including a UHF RFID reader antenna, a sensor tag wake-up unit for waking up the battery-free biometric sensor tag, and a UHF RFID reader unit;
  • a sensing data and ID information storage memory wherein the magnetic field communication and the wireless power transmitter receive wireless power from the outside in a wireless power transmission method using a magnetic field, charge the wireless power to the battery, and charge the battery.
  • the wireless power charged in the wireless sensor is transmitted to the battery-free biometric sensor tag by a wireless power transmission method using a magnetic field, and the UHF RFID communication unit wakes up the battery-free biometric sensor tag, the battery-free biometric sensor tag ID information and sensing data of the battery-less biometric sensor tag are received from the batteryless bio-insertable sensor tag and stored in the sensing data and ID information storage memory.
  • a batteryless bio-insertable sensor tag-based livestock history management system includes a batteryless bio-insertable sensor tag inserted into a living body of a livestock and monitoring a change in body temperature of the livestock; Wireless power is transmitted to the battery-less biometric sensor tag by a wireless power transmission method using a magnetic field, and the battery-less biometric sensor tag is woken up to recover the battery-free biometric sensor tag from the battery-free biometric sensor tag.
  • a fusion repeater for receiving ID information and sensing data as a signal based on the EPCglobal Class 1 Generation 2 Protocol; And transmitting wireless power to the fusion repeater through a wireless power transmission method using a magnetic field, and receiving ID information and sensing data of the battery-less biometric sensor tag from the fusion repeater as a signal based on a magnetic field area network (MFAN) protocol. And a data collection and wireless power transmitter.
  • MFAN magnetic field area network
  • the MFAN / RFID fusion repeater is preferably installed to hang on the neck of the livestock.
  • the MFAN / RFID fusion repeater periodically receiving the sensing data and ID information from the biometric sensor tag; Storing the received sensing data and ID information in the sensing data and ID information storage memory; And transmitting the sensing data and ID information stored in the sensing data and ID information storage memory to the magnetic field communication and wireless power transmitter at a predetermined time determined by the MFAN / RFID fusion repeater.
  • Livestock history management system using MFAN, RFID, wireless charging technology can be linked to the existing livestock management system, there is no fear of damage by installing in the body of the livestock, additional work of livestock farmers As an automated, real-time livestock livestock monitoring system that does not require, the livestock history management and disease management system can be greatly improved.
  • FIG. 1 is a view showing the overall configuration of a livestock history management system using a battery-free biometric sensor tag using a wireless network technology according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 illustrates a physical layer structure of a magnetic field area network (MFAN) used in a livestock history management system according to an embodiment of the present invention.
  • MFAN magnetic field area network
  • FIG. 3 is a view showing the configuration of a battery-free biometric tag-based livestock history management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a super frame structure of a medium access control layer of MFAN.
  • 5 is a state diagram of the MFAN coordinator.
  • 6 is a state diagram of an MFAN node.
  • FIG. 7 is a structural diagram of a batteryless RFID sensor tag according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 shows an MFAN coordinator board and an antenna
  • FIG. 9 shows an MFAN node board and an antenna.
  • FIG. 10 illustrates an environment for testing an MFAN system using the MFAN coordinator board and antenna and the MFAN node board and antenna shown in FIGS. 8 and 9, respectively.
  • FIG. 11A and 11B illustrate a MFAN communication and a wireless charging fusion antenna.
  • FIG. 11A shows a transmitting antenna and
  • FIG. 11B shows a receiving antenna.
  • FIG. 12A illustrates a test environment using the antennas of FIGS. 11A and 11B
  • FIG. 12B illustrates the input return loss of the manufactured antenna using a network analyzer.
  • 13 is a wireless charging receiving terminal hardware manufactured for applying to the fusion repeater used in the livestock history management system according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 14A is a photograph of an IC fabricated in a CMOS process
  • Fig. 14B is a measurement result of communication with a reader using an oscilloscope.
  • FIG. 1 is a view showing the overall configuration of a livestock history management system using a battery-free biometric sensor tag using a wireless network technology according to an embodiment of the present invention.
  • a livestock comprehensive history management system includes a UHF RFID (Ultra High Frequency Radio Frequency Identification) technology, a magnetic field communication technology (MFAN), wireless It is designed with wireless power transfer technology.
  • UHF RFID Ultra High Frequency Radio Frequency Identification
  • MFAN magnetic field communication technology
  • UHF RFID technology is used to monitor the temperature information of livestock in real time by using sensor tag with built-in temperature sensor in livestock, and can be inserted and operated without power supply in livestock. There is an advantage to deliver.
  • the entire livestock traceability management system uses a biometric sensor tag to collect real-time livestock body temperature information, and transmits collected data and algorithms for interpreting the biometric information by making the transmitted biometric information into a DB and interpreted biometric information. It is composed of a system that can manage livestock history information using.
  • the livestock history management system uses an RFID / MFAN bio-insertable sensor tag, which is a MFAN system, MFAN / RFID fusion repeater, bio-insertable sensorless tag, and the protocol for each communication It is composed.
  • RFID system is applied to payment system and history management system in the fields of logistics, transportation, and distribution by assigning unique ID to tags embedded with semiconductor for wirelessly reading or writing information and collecting and managing information. It is used. It uses frequencies in the LF (124-134 kHz), HF (13.56 MHz) and UHF (860-960 MHz) bands, tags, readers, antennas, middleware, object history servers, object information servers, and retrieval and management software. System is configured. LF and HF bands are mainly used in systems requiring recognition below 10cm, and UHF can be recognized within a few meters, so they are used when large scale recognition such as logistics and distribution is needed.
  • a battery-free biometric sensor is inserted into a livestock living body and senses and monitors biometric information, a plurality of pieces of tag information can be read at a certain distance.
  • UHF band RFID technology is used to make the antenna smaller.
  • MFAN technology can be used in conjunction with high transparency in any environment, compensation of communication distance loss when the sensor tag is inserted into the living body, and wireless power transmission technology.
  • Wireless power transmission is used as a method for wirelessly supplying power to live cell-less sensor tags.
  • the MFAN system is a wireless communication system using a magnetic field region. Since the MFAN system is a wireless communication based on energy transmission, data transmission and simultaneous energy transmission are possible.
  • the 2 shows a physical layer structure of MFAN. It consists of preamble, header and payload.
  • the preamble includes a wakeup signal and a sync signal.
  • the header includes a data rate, a coding method, a payload length, and an error check code.
  • the wake-up signal is included only when the coordinator sends data to the nodes. The nodes are in a sleep state when not in data communication, and then wake up from the point where the coordinator sends data to start communication.
  • the wireless power transmission system uses a phenomenon in which energy is transmitted by attenuation wave coupling when a frequency between a transmitting and receiving coil resonates in a near field.
  • Magnetic resonance technology which can transmit power wirelessly from tens of centimeters to several meters, has a very high degree of directional freedom of the transmitting and receiving coils, which can transmit and receive power regardless of location within a near field. It also transmits power only to materials with the same frequency, so there is little impact from other devices located between the charging system and the charger.
  • a single transmitting coil can be used to transmit power to a plurality of chargers.
  • the above-described magnetic resonance A wireless sensor tag is implemented using wireless wireless power transfer.
  • the necklace type repeater is used, and the necklace type repeater is applied with uW-class wireless power transmission included in RFID technology. Whenever and wherever, you can store the information from the sensor tag in real time, and use the wireless power transmission technology combined with the MFAN technology. Allow wireless charging to take place.
  • FIG. 3 is a view showing the configuration of a battery-free biometric tag-based livestock history management system according to an embodiment of the present invention.
  • the battery-free biometric insertion tag-based livestock history management system As shown in Figure 3, the battery-free biometric insertion tag-based livestock history management system according to an embodiment of the present invention, the battery-free tag 100 is inserted into the living body of the livestock, and communication and power installed outside the living body of the livestock And a data collection and wireless power transmission apparatus 300 capable of data communication and wireless power transmission with the fusion repeater 200 and the communication and power fusion repeater.
  • Livestock biometric tag-based livestock history management system inserts the sensor tag 100 into the livestock of the livestock, the livestock history that can monitor the change in the livestock, such as body temperature without affecting the external environment Management system.
  • the tag 100 inserted into the living body is a tag that operates without a battery (battery-free) because it must be ultra-small / low power.
  • a plurality of tags 100 per livestock can monitor the biological changes of each site.
  • a communication and power fusion repeater 200 is used to secure power to be supplied to the tag 100 inserted into a livestock of a livestock.
  • Communication and power convergence repeater 200 may be installed in the form of a necklace on the neck of the livestock.
  • the communication and power fusion repeater 200 Since the communication and power fusion repeater 200 is installed outside of the living body and not in the living body, an antenna larger than the size of the tag antenna is used to easily receive data and power.
  • the data collection and wireless power transmission apparatus 300 for transmitting wireless power to the communication and power convergence repeater 200 is an MFAN coordinator, and as shown in FIG. 3, when power is supplied to the MFAN node included in the repeater 200. After accumulating power in a battery included in the repeater 200, the data is periodically supplied when the data is required to be collected, and the sensing data is collected at the same time.
  • the livestock status data collected in the repeater 200 is transmitted from the repeater 200 to the coordinator 300 when the livestock is located around the coordinator, and the livestock data transmitted to the coordinator 300 manages each coordinator 300. It is stored in a database of a server (not shown) and used as data for managing livestock history.
  • livestock data collected by the MFAN coordinator can be transferred to a nationwide livestock history management system via the Internet for integrated management.
  • the MFAN system is a communication method capable of simultaneously transmitting data and transmitting power in extreme environments with respect to radio waves around water and soil
  • the MFAN system is suitable for transmitting power and transmitting and receiving data to the data and power fusion repeater 200 mounted on livestock. It is a power transmission system.
  • the MFAN system consists of MFAN / wireless power transmission converged antenna, communication and power transmission analog circuit, MFAN physical layer, MFAN media access control layer, and livestock data management application SW.
  • the livestock data management application SW receives livestock data from the repeater control application SW via the MFAN communication system.
  • FIG. 4 shows a super frame structure of a medium access control layer of MFAN.
  • One super frame is divided into a request section, a response section, and a spontaneous section.
  • a coordinator sends a request packet to a node in the request section
  • the node sends the requested data to the coordinator.
  • the spontaneous section the node can send data arbitrarily without request of the coordinator.
  • the spontaneous section can send data randomly.
  • the coordinator schedules the power transmission based on the received information, and transmits the power transmission scheduling information to the nodes through the request packet in the next super frame, and then transmits power to each node in the response period.
  • FIG. 5 is a state diagram of the coordinator
  • FIG. 6 is a state diagram of the node.
  • the coordinator performs data transmission and wireless power transmission while switching between standby and packet analysis, packet generation, and power transmission.
  • the node transmits data to and from the sleep, active, standby, packet analysis, packet generation, power blocking, power transmission, sleep packet analysis, and sleep packet generation states. Do this.
  • MFAN / RFID fusion repeater 200 is designed to be placed on the neck of the livestock.
  • Cattle such as cattle and pigs, have the least contact with their necks, so they are already using cattle bio-monitoring systems or exercise tracking systems. Accordingly, the relay module 200 can be hooked to the neck of the livestock, thereby delivering data and power between the sensor tags 100 and the data collection module 300.
  • the MFAN can be used to communicate with the coordinator 300 in an environment where livestock are gathered, receive power, and transmit power to the sensor tag 100 in real time using RFID technology, and sense and ID data. Can be received.
  • the MFAN / RFID convergence repeater 200 is composed of a portion for receiving MFAN / wireless power, a portion for UHF RFID communication, and a sensing and ID data information storage memory.
  • the part for receiving MFAN / wireless power includes an antenna, an MFAN communication analog 220, a MFAN communication controller 222, a wireless power receiver 232, a wireless power charger 230 including a power manager and a battery, and repeater control software ( 280).
  • the antenna 210 has impedance matching to have a high Q-factor so that MFAN communication and wireless power reception can be optimally performed.
  • the wireless power receiver 232 is composed of a rectifier, a DC-DC converter, a static electricity regulator, and the like
  • the wireless power charger 230 is composed of a charging module and a battery that protects overvoltage and overcurrent, and receives an RF signal and converts it into DC. Use a power source to charge the battery.
  • the UHF RFID communication part includes a UHF RFID reader antenna 240, a sensor tag wake-up unit 260, a reader system 250, a memory 290, and the like.
  • the MFAN / RFID convergence repeater 200 periodically communicates with the tag 100 (for example, once an hour) to receive sensing and ID data, and to store the data in memory. Thereafter, the data is transmitted to the data collection and wireless power transmission apparatus 300 through MFAN communication at a predetermined time (for example, about three times a day).
  • the sensor tag 100 operates at an interval of one hour, and since the MFAN communication and the wireless power transmission are performed at a specific time, power consumption can be reduced and a lot of readers for operating the sensor tag 100 are not required. This can also reduce hardware costs.
  • Bio-insertable battery-free sensor tag 100 used in the livestock history management system according to an embodiment of the present invention is composed of ultra-small low-power chip, antenna, etc., the size of the animal to minimize the pain and increase the compatibility in vivo
  • the packaging technology uses biocompatible materials to minimize and reliably transmit data without damaging the livestock in vivo.
  • FIG. 7 is a structural diagram of a batteryless RFID sensor tag according to an embodiment of the present invention.
  • the sensor tag 100 includes a voltage multiplier 160 for converting wireless power into a total system power supply, a voltage limiter 166, a voltage regulator 168 for supplying a stable power supply, a bias voltage and a current, a bias circuit 170, and the like.
  • This power management part is constituted.
  • the signal demodulator 162 and the signal modulator 164 demodulate the signals according to the EPCglobal Class 1 Generation 2 Protocol transmitted from the MFAN / RFID fusion repeater 200, and use the load modulation to transmit the ID and temperature data to the repeater 200. It serves to transmit.
  • the power on / off circuit 174 wakes up the entire system, and the oscillation circuit 176 supplies a pulse signal to the digital controller 180 and the memory 182.
  • the flag circuit 178 is a memory circuit that allows multiple tags 100 to communicate with a reader at the same time.
  • the 512-bit nonvolatile memory 182 stores ID and sensing information by using an EPC code and a user memory.
  • the CMOS temperature sensor 172 generates a voltage level that does not change with temperature change and a voltage level that varies with temperature by using a band-gap reference of a semiconductor structure to measure temperature information.
  • the battery-free biometric insertion tag-based livestock history management system is largely fused with the MFAN-based magnetic field communication and wireless power transmission system 300 and the biometric insertion RFID fusion sensor system 100.
  • System. There is an MFAN / RFID / Wireless Charge Fusion Repeater 200 to fuse the two systems, and the MFAN / RFID Fusion Repeater 200 relays data and power transmission between the MFAN system and the RFID system.
  • the MFAN system developed a coordinator board and a node board based on the MAC / PHY SoC chip for magnetic field communication.
  • the RFID system is a MFAN / RFID convergence repeater with a MFAN node and an RFID reader, and a bio-insertable sensor tag incorporating a sensor and an RFID tag.
  • FIG. 8 shows an MFAN coordinator board and an antenna
  • FIG. 9 shows an MFAN node board and an antenna
  • FIG. 10 illustrates an environment for testing an MFAN system using the MFAN coordinator board and antenna and the MFAN node board and antenna shown in FIGS. 8 and 9, respectively.
  • MFAN / RFID convergence repeaters have developed and tested MFAN communication module, RFID reader module and wireless charging module respectively.
  • the configuration of the MFAN communication module is the same as shown in Figures 8 and 9, the wireless charging module was tested by manufacturing a transmitter and a receiver.
  • FIG. 11A and 11B illustrate a MFAN communication and a wireless charging fusion antenna.
  • FIG. 11A shows a transmitting antenna and
  • FIG. 11B shows a receiving antenna.
  • 12A illustrates a test environment using the antennas of FIGS. 11A and 11B.
  • the transmission and reception antennas were manufactured in consideration of the size of the antenna when mounted on livestock, and the wireless power transmission was tested. Since the transmission antenna is free to expand in size compared to the reception antenna applied to small terminals such as repeaters, the size and distance are increased. The efficiency can be easily improved.
  • the fabricated transmission antenna is about twice the size of the reception antenna, and designed according to the resonance frequency of 370 kHz.
  • Fig. 12A charging is possible up to an effective charging distance of 60cm when the transmission output is 10W, and the efficiency is about 15%. As the distance gets closer, the charging efficiency is higher, and it is confirmed that power is transmitted at an efficiency of 10% or less even up to 1 m.
  • FIG. 12B illustrates the measurement of the input return loss of the fabricated antenna using a network analyzer
  • FIG. 13 is a wireless charging receiving terminal hardware fabricated for application to a fusion repeater.
  • the sensor tag was manufactured and tested using the CMOS process except for the temperature sensing part.
  • the antenna was designed by flip chip bonding the fabricated IC, tested using an RFID reader, and tested in an antireflection chamber.
  • Fig. 14A is a photograph of an IC fabricated in a CMOS process
  • Fig. 14B is a measurement result of communication with a reader using an oscilloscope.
  • the minimum input power required to read the data was 17 dBm
  • the total current consumption was 3.3 uA
  • the recognition distance was about 10 m.

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Abstract

무전지 센서 태그를 가축의 생체 내에 삽입하고, 센서 태그에 공급할 전력을 확보하기 위해서 가축의 목 부위에 설치하는 통신 및 전력전송을 위한 MFAN/RFID 융합 중계기를 사용한다. MFAN/RFID 융합 중계기는 센서 태그로 무선 전력을 공급하고, 센서 태그로부터 센싱 데이터를 수집하여 자기장 통신 및 무선 전력전송부로 전송한다. 즉, 본 발명의 무전지 생체 삽입형 센서 태그 기반 가축 이력 관리 시스템은, 가축의 생체 내에 삽입되어 상기 가축의 체온 변화를 모니터링하는 무전지 생체 삽입형 센서 태그; 자기장을 이용한 무선 전력전송 방식으로 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그에 무선 전력을 송신하고, 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그를 웨이크업하여, 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그로부터 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그의 ID 정보 및 센싱 데이터를 EPCglobal Class 1 Generation 2 Protocol에 의한 신호로 수신하는 융합 중계기; 및 자기장을 이용한 무선 전력전송 방식으로 상기 융합 중계기에 무선 전력을 송신하고, 상기 융합 중계기로부터 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그의 ID 정보 및 센싱 데이터를 MFAN(Magnetic Field Area Network) Protocol에 의한 신호로 수신하는 데이터 수집 및 무선 전력전송부를 포함한다.

Description

생체 삽입형 센서 태그 기반 가축 이력 관리 시스템
본 발명은 생체 삽입형 센서 태그 기반 가축 이력 관리 시스템에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 무선통신과 무선 전력전송이 가능한 생체 삽입형 센서 태그 기반 가축 이력 관리 시스템에 관한 것이다.
최근 정부는 미국 광우병 발생 등으로 인한 소비자의 축산 식품에 대한 불안감 해소를 위해 축산물 이력 제도 및 원산지 표시 제도를 대폭 강화하기로 했다. 이에 따라 IT가 접목되어 축산물 이력 관리를 위한 생체 데이터 수집, 생체 데이터 분석 및 감시, 정보 모니터링을 위한 네트워크 기술들이 개발되고 있다. 이로써 가축 개체별로 식별번호를 부여하고, 귀표를 장착하여 사육에서부터, 도축, 가공, 출하에 이르는 전 과정을 DB화하여 모니터링하고 소비자들이 쉽게 알 수 있도록 표시하는 시스템을 운영 중에 있다. RFID/USN 기술을 이용해서 개체 이력을 체크해서 각 개체에 따라 질병, 체중, 사료 섭취 등을 관리하는 시스템이 있고, 가축 체외에 센서를 장착하여 발정 징후를 효율적으로 파악하고 관리할 수 있는 시스템이 구현되어 서비스되고 있다. 또한 생체 센싱 기술을 이용해서 체온, 맥박, pH(수소 이온 농도), 운동량을 실시간 측정하여 모니터링하는 기술이 개발되어 가축 질병 발생에 빠른 처방이 가능하게 하고 있다. 하지만 현재 개발된 이 시스템들은 전부 체외에 설치하여 정확한 생체 정보를 얻기 힘들고, 가축들의 움직임에 의해서 설치물들이 파손될 염려도 있고, 축산업자들이 부가적인 업무를 부담해야 하는 반수동 시스템이기 때문에, 더욱 정확한 실시간 생체 데이터 수집을 위해 새로운 가축 이력 관리 시스템이 필요한 상황이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 생체 삽입형 센서 태그를 기반으로 하여 가축 이력을 관리할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 그 과제로 한다.
본 발명의 다른 과제는 가축 내 전원 장치 없이 삽입하여 동작할 수 있고 원거리에서도 정보 전달이 가능한 생체 삽입형 센서 태그 기반 가축 이력 관리 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는, 무전지 센서 태그를 가축의 생체 내에 삽입하고, 센서 태그에 공급할 전력을 확보하기 위해서 가축의 목 부위에 설치하는 통신 및 전력전송을 위한 MFAN/RFID 융합 중계기를 사용한다. MFAN/RFID 융합 중계기는 센서 태그로 무선 전력을 공급하고, 센서 태그로부터 센싱 데이터를 수집하여 자기장 통신 및 무선 전력전송부로 전송한다.
본 발명의 일 면에 따른 생체 삽입형 무전지 센서 태그는, 가축의 생체 내에 삽입되어 상기 가축의 체온 변화를 모니터링하는 무전지 센서 태그로서, 자기장을 이용한 무선 전력전송 방식으로 수신된 무선 전력을 상기 센서 태그용 전원으로 변환하여 안정적인 전원을 공급하는 전력 관리부; 상기 전력 관리부를 통해 전원이 공급되면 상기 센서 태그를 웨이크업하는 동작을 하는 파워 온/오프 회로; 상기 가축의 체온을 측정하는 CMOS 온도 센서; 외부로부터 수신되는 EPCglobal Class 1 Generation 2 Protocol에 의한 신호를 복조하는 신호 복조기; 상기 센서 태그의 ID 및 측정된 상기 체온 데이터를 상기 EPCglobal Class 1 Generation 2 Protocol에 의한 신호로 변조하는 신호 변조기; 및 상기 센서 태그의 ID 및 측정된 상기 체온 데이터를 저장하는 메모리를 포함한다.
상기 무전지 센서 태그는, 다수의 상기 무전지 센서 태그가 동시에 상기 무전지 센서 태그 외부의 리더 시스템과 통신할 수 있도록 플래그를 지정하는 메모리 회로인 플래그 회로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 면에 따르면, 무전지 생체 삽입형 센서 태그를 이용한 가축 이력 관리 시스템에서 사용되는 MFAN(Magnetic Field Area Network)/RFID(Radio-Frequency IDentification) 융합 중계기가 제공되며, 상기 MFAN/RFID 융합 중계기는, MFAN 통신 및 무선전력 송수신을 위한 안테나, MFAN 통신부, 무선전력 수신부, 및 전력 관리부와 배터리를 포함하는 무선 전력 충전부를 포함하는 자기장 통신 및 무선 전력전송부; UHF RFID 리더 안테나, 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그를 웨이크업하는 센서 태그 웨이크업부, 및 UHF RFID 리더부를 포함하는 UHF RFID 통신부; 및 센싱 데이터 및 ID 정보 저장 메모리를 포함하며, 상기 자기장 통신 및 무선 전력전송부는 외부로부터 자기장을 이용한 무선 전력전송 방식으로 무선 전력을 수신하고, 수신한 상기 무선 전력을 상기 배터리에 충전하며, 상기 배터리에 충전된 상기 무선 전력을 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그로 자기장을 이용한 무선 전력전송 방식으로 송신하고, 상기 UHF RFID 통신부는 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그를 웨이크업하여, 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그로부터 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그의 ID 정보 및 센싱 데이터를 수신하여 상기 센싱 데이터 및 ID 정보 저장 메모리에 저장한다.
본 발명의 또 다른 면에 따른 무전지 생체 삽입형 센서 태그 기반 가축 이력 관리 시스템은, 가축의 생체 내에 삽입되어 상기 가축의 체온 변화를 모니터링하는 무전지 생체 삽입형 센서 태그; 자기장을 이용한 무선 전력전송 방식으로 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그에 무선 전력을 송신하고, 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그를 웨이크업하여, 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그로부터 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그의 ID 정보 및 센싱 데이터를 EPCglobal Class 1 Generation 2 Protocol에 의한 신호로 수신하는 융합 중계기; 및 자기장을 이용한 무선 전력전송 방식으로 상기 융합 중계기에 무선 전력을 송신하고, 상기 융합 중계기로부터 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그의 ID 정보 및 센싱 데이터를 MFAN(Magnetic Field Area Network) Protocol에 의한 신호로 수신하는 데이터 수집 및 무선 전력전송부를 포함한다.
여기에서, 상기 MFAN/RFID 융합 중계기는 상기 가축의 목에 걸도록 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 면에 따른 가축 이력 통합 관리 방법은, 상기 MFAN/RFID 융합 중계기가 주기적으로 상기 생체 삽입형 센서 태그로부터 상기 센싱 데이터 및 ID 정보를 수신하는 단계; 수신한 상기 센싱 데이터 및 ID 정보를 상기 센싱 데이터 및 ID 정보 저장 메모리에 저장하는 단계; 및 상기 MFAN/RFID 융합 중계기가 미리 정한 특정한 시간에 상기 센싱 데이터 및 ID 정보 저장 메모리에 저장된 상기 센싱 데이터 및 ID 정보를 상기 자기장 통신 및 무선 전력전송부로 송신하는 단계를 포함한다.
본 발명의 무전지 생체 삽입형 센서 태그 기반 가축 이력 관리 시스템을 통하여 체계적이고 자동화된 가축 관리를 수행함으로써 이루어져 가축의 상태를 정확하게 모니터링하고 예방 및 진단함으로써 가축농가의 생산성 향상에 기여할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 MFAN, RFID, 무선충전 기술을 이용한 가축 이력 관리 시스템은 기존의 가축 관리 시스템에 연계될 수 있으며, 가축의 체내에 설치하여 파손의 염려가 없고, 축산업자들의 부가적인 업무가 필요없는 자동화된 실시간 가축 생체 모니터링 시스템으로서, 가축 이력 관리 및 질병 관리 시스템을 크게 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 네트워크 기술을 이용한 무전지 생체 삽입형 센서 태그를 이용한 가축 이력 관리 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가축 이력 관리 시스템에서 사용되는 자기장 통신(MFAN: Magnetic Field Area Network)의 물리계층 구조를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무전지 생체 삽입형 태그 기반 가축 이력 관리 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 MFAN의 매체접근제어계층의 슈퍼 프레임 구조를 나타낸다.
도 5는 MFAN 코디네이터의 상태도이다.
도 6은 MFAN 노드의 상태도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무전지 RFID 센서 태그의 구조도이다.
도 8은 MFAN 코디네이터 보드 및 안테나를 나타내며, 도 9는 MFAN 노드 보드 및 안테나를 나타낸다.
도 10은 도 8 및 도 9에 각각 나타낸 MFAN 코디네이터 보드 및 안테나와 MFAN 노드 보드 및 안테나를 사용하여 MFAN 시스템을 테스트하는 환경을 나타낸다.
도 11a와 도 11b는 MFAN 통신과 무선충전 융합 안테나를 나타낸 것으로서, 도 11a는 송신측 안테나, 도 11b는 수신측 안테나를 각각 나타낸다.
도 12a는 도 11a와 도 11b의 안테나를 사용한 테스트 환경을 나타내고, 도 12b는 제작된 안테나의 입력 반사 손실을 네트워크 분석기를 이용해서 측정한 내용을 나타낸다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 가축 이력 관리 시스템에서 사용되는 융합 중계기에 적용하기 위해 제작한 무선충전 수신 단말 하드웨어이다.
도 14a는 CMOS 공정으로 제작한 IC의 사진이고, 도 14b는 리더와의 통신 결과를 오실로스코프를 이용해서 측정한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하에서, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 생체 삽입형 센서 태그 기반 가축 이력 관리 시스템에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 네트워크 기술을 이용한 무전지 생체 삽입형 센서 태그를 이용한 가축 이력 관리 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가축 종합 이력관리 시스템은 초고주파 무선 주파수 인식 기술(UHF RFID: Ultra High Frequency Radio Frequency Identification), 자기장 통신 기술(MFAN: Magnetic Field Area Network), 무선 전력 전송(Wireless Power Transfer) 기술을 적용하여 설계되었다.
UHF RFID 기술은 가축 생체 내에서 온도 센서를 내장한 센서 태그를 이용해서 실시간으로 가축 생체 내의 온도 정보를 모니터링하기 위해서 사용되며, 가축 내 전원 장치 없이 삽입하여 동작할 수 있고, 10m 정도의 거리에서도 정보 전달이 가능한 장점이 있다.
전체 가축 이력관리 시스템은 생체 삽입형 센서 태그를 이용하여 실시간 가축 체온 정보를 수집하는 기술과, 수집한 데이터를 전송하고, 전송된 생체 정보를 DB화하여 생체 정보를 해석하기 위한 알고리즘 및 해석된 생체 정보를 이용해서 가축 이력 정보를 관리할 수 있는 시스템으로 구성된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 가축 이력관리 시스템에서는 RFID/MFAN 생체 삽입형 센서 태그를 사용하는데, 이는 MFAN 시스템, MFAN/RFID 융합 중계기, 생체 삽입형 무전지 센서 태그, 그리고 각각의 통신을 위한 프로토콜로 구성된다.
이하에서 상기한 각각의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
RFID 시스템은 무선으로 정보를 읽거나 쓰기 위한 반도체가 내장된 태그에 고유 ID를 부여하고 이에 대한 정보를 수집하여 관리함으로써 물류, 교통, 유통 등의 분야에서 결제 시스템, 이력 관리 시스템에 적용되어 폭 넓게 사용되고 있다. 이는 LF(124~134 kHz), HF(13.56 MHz), UHF(860~960 MHz) 대역의 주파수를 이용하고, 태그, 리더, 안테나, 미들웨어, 객체이력 서버, 객체정보 서버, 그리고 검색 및 관리 소프트웨어 등으로 시스템이 구성되어 있다. LF, HF 대역은 10cm 이하에서 인식이 필요한 시스템에서 주로 사용되고, UHF는 수m 안에서도 인식할 수 있기 때문에 물류, 유통 등 대단위 인식이 필요한 경우에 사용되고 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가축 이력 관리 시스템에서는, 가축 생체 내부에 삽입되어 생체 정보를 센싱하여 모니터링하는 무전지 생체 삽입형 센서 태그를 사용하므로, 어느 정도 거리에서 다수의 태그 정보를 읽을 수 있고, 태그 안테나 크리를 더욱 작게 만들 수 있는 UHF 대역 RFID 기술을 사용한다.
MFAN 기술은 어떤 환경에서든 투과성이 높은 점, 센서 태그가 생체 내에 삽입되었을 경우 통신 거리 손실 보완, 무선 전력전송 기술과 연동하여 사용할 수 있다. 무선 전력전송은 가축 생체 내 무전지 센서 태그에 전원을 무선으로 공급하기 위한 방법으로 사용된다.
MFAN 시스템은 자기장 영역을 이용한 무선통신 시스템이다. MFAN 시스템은 에너지 전송을 기반으로 무선통신을 하는 방식이기 때문에 데이터 전송과 동시 에너지 전송이 가능하다.
도 2는 MFAN의 물리계층 구조를 나타낸다. 크게 프리엠블과 헤더, 페이로드로 구성되고 프리엠블에는 웨이크업 신호와 싱크 신호를 포함하며, 헤더에는 데이터 속도와 코딩 방법, 페이로드 길이, 에러 체크 코드를 포함한다. 특히, 웨이크업 신호는 코디네이터가 노드들에게 데이터를 보낼 때만 포함되는데, 노드들은 데이터 통신을 하지 않을 때 슬립(sleep) 상태에 있다가 코디네이터가 데이터를 보내는 시점부터 깨어나 통신을 시작하게 된다.
무선 전력 전송 시스템은 근거리 자기장 내에서 송수신 코일 간의 주파수가 공진할 때 감쇄파 결합에 의하여 에너지가 전달되는 현상을 이용한 기술이다. 수십 cm에서 수 m까지 무선으로 전력을 전송할 수 있는 자기공진 기술은 송수신 코일의 방향성 자유도가 매우 높아서 근거리 장 이내에서는 위치에 관계없이 전력을 송수신할 수 있다. 또한 같은 주파수를 갖는 물질에만 전력을 전송하므로 충전시스템 및 충전기기 사이에 위치한 다른 기기들에 의한 영향이 거의 없다. 공진 주파수가 일치하는 전자기기에 동시에 전력을 전송할 수 있는 특징이 있어 자기유도 방식과는 달리 한 개의 송신 코일을 사용하여 다수의 충전기기에 전력을 전송할 수 있다.
가축 생체 내에 삽입되는 센서 태그에 배터리를 이용하여 전력을 공급하는 것은 센서 태그의 크기를 증가시키고, 배터리를 교환하기 어렵다는 문제점이 있으므로, 본 발명의 실시예에 따른 가축 이력 관리 시스템에서는 상술한 자기공진 방식 무선 전력전송을 이용하여 무전지 센서 태그를 구현하고 있다.
그러나, 무선전력 전달 거리 또한 감쇠가 있기 때문에, 가축 생체 내의 센서 태그에 저주파 무선충전 안테나를 넣는 대신 목걸이형 중계기를 사용하고, 목걸이형 중계기에 RFID 기술에 포함된 uW급 무선 전력 전송을 적용하여 가축이 언제, 어디에 있건 센서 태그로부터의 체내 정보를 실시간으로 저장할 수 있고, MFAN 기술과 결합된 무선 전력 전송 기술을 이용해서 중계기의 전력이 부족할 시에는 밤이나 사료를 먹을 때 정해진 공간 내에서 mW급의 무선 충전이 실시되도록 한다.
이제, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 무전지 생체 삽입형 센서 태그 기반 가축 이력 관리 시스템 및 그 각 구성요소에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무전지 생체 삽입형 태그 기반 가축 이력 관리 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무전지 생체 삽입형 태그 기반 가축 이력 관리 시스템은, 가축의 생체 내에 삽입되는 무전지 태그(100)와, 가축의 생체 외부에 설치되는 통신 및 전력 융합 중계기(200) 및 통신 및 전력 융합 중계기와 데이터 통신 및 무선 전력전송을 할 수 있는 데이터 수집 및 무선 전력전송 장치(300)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 무전지 생체 삽입형 태그 기반 가축 이력 관리 시스템은 센서 태그(100)를 가축의 생체 내에 삽입하여 외부 환경의 영향을 받지 않고 체온 등 가축의 생체 변화를 모니터링할 수 있는 가축 이력 관리 시스템이다.
특히, 생체 내에 삽입되는 태그(100)는 초소형/저전력이어야 하므로 배터리 없이 동작하는(무전지) 태그이다. 이때, 가축당 여러 개의 태그(100)를 삽입하여 각 부위의 생체 변화를 모니터링할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 무전지 생체 삽입형 태그 기반 가축 이력 관리 시스템에서는 가축의 생체 내에 삽입된 태그(100)에 공급할 전력을 확보하기 위해서 통신 및 전력 융합 중계기(200)를 사용한다. 통신 및 전력 융합 중계기(200)는 가축의 목 부위에 목걸이 형태로 설치할 수 있다.
통신 및 전력 융합 중계기(200)는 생체 내부가 아닌 외부에 설치하므로 데이터 및 전력을 용이하게 수신할 수 있도록 태그 안테나의 크기보다 큰 안테나를 사용한다.
통신 및 전력 융합 중계기(200)로 무선전력을 송신하는 데이터 수집 및 무선 전력송신 장치(300)는 MFAN 코디네이터로서, 도 3에 나타난 바와 같이, 중계기(200)에 포함된 MFAN 노드에게 전력을 공급하면 중계기(200)에 포함된 배터리에 전력을 축적한 후에 주기적으로 데이터 수집이 필요할 때 삽입형 태그(100)에 전력을 공급하고 동시에 센싱 데이터를 수집한다. 중계기(200)에 수집된 가축 상태 데이터는 가축이 코디네이터 주변에 위치할 때 중계기(200)에서 코디네이터(300)로 전송되고 코디네이터(300)에 전송된 가축 데이터는 각각의 코디네이터(300)를 관리하는 서버(도시하지 않음)의 데이터베이스에 저장되어 가축 이력 관리를 위한 데이터로 활용된다. 또한, MFAN 코디네이터에 의해 수집된 가축 데이터는 인터넷을 통해 전국적인 가축 이력 관리 시스템으로 전달되어 통합 관리될 수 있다.
MFAN 시스템은 물, 흙 주변의 전파에 대한 극한 환경에서도 데이터 통신과 동시에 전력전송이 가능한 통신 방식이므로 가축에 장착된 데이터 및 전력 융합 중계기(200)에 전력을 전송하고 데이터를 송수신하기에 적합한 통신 및 전력전송 시스템이다. MFAN 시스템은 MFAN/무선전력전송 융합 안테나, 통신 및 전력전송 아날로그 회로, MFAN 물리계층, MFAN 매체접근제어계층, 가축 데이터 관리 응용 SW로 구성된다. 가축 데이터 관리 응용 SW는 MFAN 통신 시스템을 거쳐 중계기 제어 응용 SW로부터 가축 데이터를 제공받는다.
도 4는 MFAN의 매체접근제어계층의 슈퍼 프레임 구조를 나타낸다.
하나의 슈퍼 프레임은 요청구간과 응답구간, 자발구간으로 나누어지며 요청구간에서 코디네이터가 노드에게 요청 패킷을 전송하면 해당 노드는 응답구간에 요청된 데이터를 코디네이터에게 보낸다. 자발구간에서는 코디네이터의 요청 없이 노드가 임의로 데이터를 보낼 수 있는 구간이다. 자발구간에서는 랜덤하게 데이터를 보낼 수 있다. 전력전송을 할 경우, 하나의 슈퍼프레임에서 코디네이터가 전력전송 요청 패킷을 보내면 전력전송이 필요한 노드는 이 때, 전송전력 응답 패킷을 코디네이터에게 보낸다. 그러면 코디네이터는 응답받은 정보를 기반으로 전력전송 스케쥴을 하고 그 결과를 다음 슈퍼 프레임에서 요청 패킷을 통해서 전력전송 스케쥴링 정보를 노드에게 보낸 후, 응답구간에 각 노드들에게 전력을 전송한다.
도 5는 코디네이터의 상태도이고, 도 6은 노드의 상태도이다.
도 5에 나타난 바와 같이, 코디네이터는 전원을 켠 후, 대기와 패킷분석, 패킷생성, 파워 전송의 상태를 오가며 데이터 전송과 무선전력전송을 수행한다. 노드는 전원을 켠 후, 도 6에 나타난 바와 같이, 수면, 활성, 대기, 패킷분석, 패킷생성, 파워차단, 파워전송, 수면 패킷분석, 수면 패킷생성의 상태를 오가며 데이터를 전송과 무선전력수신을 수행한다.
도 3에 나타난 바와 같이 MFAN/RFID 융합 중계기(200)는 가축의 목에 걸 수 있도록 설계한다. 소, 돼지 등의 가축은 목 부위가 가장 접촉이 적기 때문에 이미 소 생체 모니터링 시스템이나 운동량 측정 시스템을 걸어서 사용하고 있다. 이에 따라 중계 모듈(200)을 가축의 목에 걸 수 있게 하여 센서 태그(100)들과 데이터 수집 모듈(300) 사이에 데이터와 전력을 전달하는 역할을 한다.
이와 같이 MFAN을 이용해서 가축들이 모여 있는 난환경에서 코디네이터(300)와 통신을 할 수 있고, 전력을 충전받고, RFID 기술을 이용해서 센서 태그(100)에 전력을 실시간으로 전송하고 센싱 및 ID 데이터를 받을 수 있다.
MFAN/RFID 융합 중계기(200)는 MFAN/무선전력 수신을 위한 부분, UHF RFID 통신을 위한 부분, 그리고 센싱 및 ID 데이터 정보 저장 메모리로 구성된다.
MFAN/무선전력 수신을 위한 부분은 안테나, MFAN 통신 아날로그(220), MFAN 통신 컨트롤러(222), 무선전력 수신부(232), 전력 관리부와 배터리를 포함하는 무선 전력 충전부(230), 중계기 제어 소프트웨어(280)로 이루어져 있다. 안테나(210)는 MFAN 통신과 무선전력 수신을 최적의 상태로 할 수 있도록 높은 Q-factor를 갖도록 임피던스 매칭을 하였다. 무선전력 수신부(232)는 정류기, DC-DC 변환기, 정전원 레귤레이터 등으로 구성되어 있고, 무선전력 충전부(230)는 과전압, 과전류를 보호해주는 충전 모듈과 배터리로 이루어져 RF 신호를 받아 DC로 변환하고 정전원을 이용해서 배터리를 충전한다. UHF RFID 통신을 위한 부분은 UHF RFID 리더 안테나(240), 센서 태그 wake-up부(260), 리더 시스템(250), 메모리(290) 등으로 구성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, MFAN/RFID 융합 중계기(200)는 주기적으로(예를 들면, 한 시간에 한 번) 태그(100)와 통신하여 센싱 및 ID 데이터를 전송받고, 메모리에 저장을 한 후, 미리 정한 특정한 시간(예를 들면, 하루에 3번 정도)에 MFAN 통신을 통해서 데이터를 데이터 수집 및 무선 전력전송 장치(300)로 전송한다.
이에 따라, 센서 태그(100)는 한 시간을 주기로 동작을 하고, MFAN 통신과 무선전력 전송이 특정한 시간에 이루어지기 때문에 전력 소비를 줄일 수 있고 센서 태그(100)를 동작시키기 위한 리더가 많이 필요 없기 때문에 하드웨어 비용 또한 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가축 이력 관리 시스템에서 사용되는 생체 삽입형 무전지 센서 태그(100)는 초소형 저전력 칩, 안테나 등으로 구성되어 있고, 가축에게 고통을 최소화하고 생체 내의 적합성을 높일 수 있도록 크기를 최소화하고 태그가 생체 내에서 가축에게 손상을 주지 않으면서 안정적으로 데이터를 전송하기 위한 생체 적합성 재질을 이용한 패키징 기술을 사용한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무전지 RFID 센서 태그의 구조도이다.
센서 태그(100)는 무선 전력을 전체 시스템 전원으로 변환해주는 전압 체배기(160), 전압 리미터(166)와 안정적인 전원과 바이어스 전압 및 전류를 공급해주기 위한 전압 레귤레이터(168), 바이어스 회로(170) 등이 전력 관리 부분을 구성하고 있다. 신호 복조기(162)와 신호 변조기(164)는 MFAN/RFID 융합 중계기(200)로부터 전송된 EPCglobal Class 1 Generation 2 Protocol에 의한 신호를 복조하고, 부하 변조를 이용해서 중계기(200)로 ID 및 온도 데이터를 전송하는 역할을 한다. 파워 온/오프 회로(174)는 전체 시스템을 Wake-up 하는 동작을 하고, 발진 회로(176)는 디지털 컨트롤러(180)와 메모리(182)에 펄스 신호를 공급해 준다. 플래그 회로(178)는 동시에 다수의 태그(100)가 동시에 리더와 통신할 수 있도록 하는 메모리 회로이다. 512 비트 비휘발성 메모리(182)는 EPC 코드와 유저 메모리를 이용해서 ID 와 센싱 정보를 저장하는 역할을 한다. 마지막으로 CMOS 온도 센서(172)는 반도체 구조의 band-gap reference를 이용해서 온도 변화에 따라 변하지 않는 전압 레벨과 온도에 따라 변화하는 전압 레벨을 생성해서 온도 정보를 측정하는 동작을 한다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 가축 이력 관리 시스템의 실제 구현 예에 대하여 설명한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무전지 생체 삽입형 태그 기반 가축 이력 관리 시스템은 크게 MFAN 기반의 자기장통신 및 무선전력전송 시스템(300)과 생체 삽입형 RFID 융합 센서 시스템(100)이 융합된 시스템이다. 두 시스템을 융합하기 위해서 MFAN/RFID/무선충전 융합 중계기(200)가 있고, MFAN/RFID 융합 중계기(200)는 MFAN 시스템과 RFID 시스템 사이의 데이터 및 전력 전송을 중계한다.
MFAN 시스템은 자기장통신용 MAC/PHY SoC 칩을 기반으로 코디네이터용 보드와 노드용 보드를 개발하였고 RFID 시스템은 MFAN 노드와 RFID 리더가 적용된 MFAN/RFID 융합 중계기, 센서와 RFID 태그가 융합된 생체 삽입형 센서 태그를 개발했다.
도 8은 MFAN 코디네이터 보드 및 안테나를 나타내며, 도 9는 MFAN 노드 보드 및 안테나를 나타낸다. 도 10은 도 8 및 도 9에 각각 나타낸 MFAN 코디네이터 보드 및 안테나와 MFAN 노드 보드 및 안테나를 사용하여 MFAN 시스템을 테스트하는 환경을 나타낸다.
도 10과 같은 환경에서의 테스트 결과, 1.5m 거리에서 8Kbps 데이터 속도로 전송이 가능함을 알 수 있었다.
MFAN/RFID 융합 중계기는 각각 MFAN 통신 모듈, RFID 리더 모듈, 무선충전 모듈을 개발해서 테스트하였다. MFAN 통신 모듈의 구성은 도 8 및 도 9에 나타난 바와 동일하고, 무선충전 모듈은 송신기와 수신기를 제작하여 테스트하였다.
도 11a와 도 11b는 MFAN 통신과 무선충전 융합 안테나를 나타낸 것으로서, 도 11a는 송신측 안테나, 도 11b는 수신측 안테나를 각각 나타낸다. 도 12a는 도 11a와 도 11b의 안테나를 사용한 테스트 환경을 나타낸다.
가축에 장착시의 안테나 크기를 고려하여 송신 및 수신 안테나를 제작하여 무선전력 전송을 테스트하였으며, 송신 안테나는 중계기와 같은 소형 단말기에 적용되는 수신 안테나에 비해 크기 확장이 자유롭기 때문에 크기를 확장해 거리 및 효율을 쉽게 향상시킬 수 있다.
제작된 송신 안테나의 크기는 수신 안테나의 두 배 정도이며, 공진 주파수 370 kHz에 맞추어져 설계하였다.
도 12a에 나타낸 바와 같이, 송신 출력이 10W일 때 유효 충전 거리 60cm까지 충전이 가능하고 효율은 대략 15 % 정도이다. 거리가 가까워질수록 충전 효율은 높아지고, 1m까지도 10 % 이하의 효율로 전력 전송되는 것을 확인하였다.
도 12b는 제작된 안테나의 입력 반사 손실을 네트워크 분석기를 이용해서 측정한 내용을 나타내며, 도 13은 융합 중계기에 적용하기 위해 제작한 무선충전 수신 단말 하드웨어이다.
센서 태그는 온도 센싱 부분을 제외한 통신 부분을 CMOS 공정을 이용해서 제작하고 테스트하였다. 제작한 IC를 플립칩 본딩하여 안테나를 설계해 RFID 리더를 이용해서 테스트하였고, 무반사 챔버에서 테스트를 하였다.
도 14a는 CMOS 공정으로 제작한 IC의 사진이고, 도 14b는 리더와의 통신 결과를 오실로스코프를 이용해서 측정한 것이다.
측정 결과, 데이터를 읽기 위해 필요한 최소한의 입력 파워는 17 dBm, 전체 소모 전류는 3.3 uA, 인식 거리는 10 m 정도로 측정되었다.
이상에서 바람직한 실시예를 기준으로 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 장치 및 방법은 반드시 상술된 실시예에 제한되는 것은 아니며 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (8)

  1. 가축의 생체 내에 삽입되어 상기 가축의 체온 변화를 모니터링하는 무전지 센서 태그로서,
    자기장을 이용한 무선 전력전송 방식으로 수신된 무선 전력을 상기 센서 태그용 전원으로 변환하여 안정적인 전원을 공급하는 전력 관리부;
    상기 전력 관리부를 통해 전원이 공급되면 상기 센서 태그를 웨이크업하는 동작을 하는 파워 온/오프 회로;
    상기 가축의 체온을 측정하는 CMOS 온도 센서;
    외부로부터 수신되는 EPCglobal Class 1 Generation 2 Protocol에 의한 신호를 복조하는 신호 복조기;
    상기 센서 태그의 ID 및 측정된 상기 체온 데이터를 상기 EPCglobal Class 1 Generation 2 Protocol에 의한 신호로 변조하는 신호 변조기; 및
    상기 센서 태그의 ID 및 측정된 상기 체온 데이터를 저장하는 메모리를 포함하는 무전지 센서 태그.
  2. 제1항에 있어서,
    다수의 상기 무전지 센서 태그가 동시에 상기 무전지 센서 태그 외부의 리더 시스템과 통신할 수 있도록 플래그를 지정하는 메모리 회로인 플래그 회로를 더 포함하는 무전지 센서 태그.
  3. 무전지 생체 삽입형 센서 태그를 이용한 가축 이력 관리 시스템에서 사용되는 MFAN(Magnetic Field Area Network)/RFID(Radio-Frequency IDentification) 융합 중계기로서,
    MFAN 통신 및 무선전력 송수신을 위한 안테나, MFAN 통신부, 무선전력 수신부, 및 전력 관리부와 배터리를 포함하는 무선 전력 충전부를 포함하는 자기장 통신 및 무선 전력전송부;
    UHF RFID 리더 안테나, 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그를 웨이크업하는 센서 태그 웨이크업부, 및 UHF RFID 리더부를 포함하는 UHF RFID 통신부; 및
    센싱 데이터 및 ID 정보 저장 메모리를 포함하며,
    상기 자기장 통신 및 무선 전력전송부는 외부로부터 자기장을 이용한 무선 전력전송 방식으로 무선 전력을 수신하고, 수신한 상기 무선 전력을 상기 배터리에 충전하며, 상기 배터리에 충전된 상기 무선 전력을 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그로 자기장을 이용한 무선 전력전송 방식으로 송신하고,
    상기 UHF RFID 통신부는 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그를 웨이크업하여, 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그로부터 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그의 ID 정보 및 센싱 데이터를 수신하여 상기 센싱 데이터 및 ID 정보 저장 메모리에 저장하는 MFAN/RFID 융합 중계기.
  4. 가축의 생체 내에 삽입되어 상기 가축의 체온 변화를 모니터링하는 무전지 생체 삽입형 센서 태그;
    자기장을 이용한 무선 전력전송 방식으로 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그에 무선 전력을 송신하고, 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그를 웨이크업하여, 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그로부터 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그의 ID 정보 및 센싱 데이터를 EPCglobal Class 1 Generation 2 Protocol에 의한 신호로 수신하는 융합 중계기; 및
    자기장을 이용한 무선 전력전송 방식으로 상기 융합 중계기에 무선 전력을 송신하고, 상기 융합 중계기로부터 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그의 ID 정보 및 센싱 데이터를 MFAN(Magnetic Field Area Network) Protocol에 의한 신호로 수신하는 데이터 수집 및 무선 전력전송부를 포함하는 무전지 생체 삽입형 센서 태그 기반 가축 이력 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그는,
    자기장을 이용한 무선 전력전송 방식으로 수신된 무선 전력을 상기 센서 태그용 전원으로 변환하여 안정적인 전원을 공급하는 전력 관리부;
    상기 전력 관리부를 통해 전원이 공급되면 상기 센서 태그를 웨이크업하는 동작을 하는 파워 온/오프 회로;
    상기 가축의 체온을 측정하는 CMOS 온도 센서;
    외부로부터 수신되는 EPCglobal Class 1 Generation 2 Protocol에 의한 신호를 복조하는 신호 복조기;
    상기 센서 태그의 ID 및 측정된 상기 체온 데이터를 상기 EPCglobal Class 1 Generation 2 Protocol에 의한 신호로 변조하는 신호 변조기; 및
    상기 센서 태그의 ID 및 측정된 상기 체온 데이터를 저장하는 메모리를 포함하는 무전지 생체 삽입형 센서 태그 기반 가축 이력 관리 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 융합 중계기는,
    MFAN 통신 및 무선전력 송수신을 위한 안테나, MFAN 통신부, 무선전력 수신부, 및 전력 관리부와 배터리를 포함하는 무선 전력 충전부를 포함하는 자기장 통신 및 무선 전력전송부;
    UHF RFID 리더 안테나, 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그를 웨이크업하는 센서 태그 웨이크업부, 및 UHF RFID 리더부를 포함하는 UHF RFID 통신부; 및
    센싱 데이터 및 ID 정보 저장 메모리를 포함하며,
    상기 자기장 통신 및 무선 전력전송부는 외부로부터 자기장을 이용한 무선 전력전송 방식으로 무선 전력을 수신하고, 수신한 상기 무선 전력을 상기 배터리에 충전하며, 상기 배터리에 충전된 상기 무선 전력을 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그로 자기장을 이용한 무선 전력전송 방식으로 송신하고,
    상기 UHF RFID 통신부는 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그를 웨이크업하여, 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그로부터 상기 무전지 생체 삽입형 센서 태그의 ID 정보 및 센싱 데이터를 수신하여 상기 센싱 데이터 및 ID 정보 저장 메모리에 저장하는 생체 삽입형 센서 태그 기반 가축 이력 관리 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 상기 융합 중계기는,
    상기 가축의 목에 걸도록 설치되는 생체 삽입형 센서 태그 기반 가축 이력 관리 시스템.
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항의 생체 삽입형 센서 태그 기반 가축 이력 관리 시스템에 의한 가축 이력 통합 관리 방법으로서,
    상기 융합 중계기가 주기적으로 상기 생체 삽입형 센서 태그로부터 상기 센싱 데이터 및 ID 정보를 수신하는 단계;
    수신한 상기 센싱 데이터 및 ID 정보를 상기 센싱 데이터 및 ID 정보 저장 메모리에 저장하는 단계; 및
    상기 융합 중계기가 미리 정한 특정한 시간에 상기 센싱 데이터 및 ID 정보 저장 메모리에 저장된 상기 센싱 데이터 및 ID 정보를 상기 자기장 통신 및 무선 전력전송부로 송신하는 단계를 포함하는 가축 이력 통합 관리 방법.
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