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문제 정의
- 본 논문에서는 블루투스 네트워크 상에서 발생될 수 있는 간섭현상을 배제하고 보안성을 향상시키기 위하여 인증과정에서 사용되는 PIN(Personal Identification Number) 코드를 하나의 피코넷을 구성하는 블루투스 기기들에 동일하게 부여함으로써 피코넷상에서의 블루투스 기기간 통신 보안을 강화하였다. 보안성이 강화된 블루투스 피코넷을 구성한 후, 피코넷 운영 프로그램을 설계하여 이를 수신기, 지문 인식기, 도어 개폐기 등과 같은 기기들에 대한 접속 관리를 통하여 시험하였고 임베디드 블루투스 하드웨어 모듈을 이용한 피코넷을 이용하여 영상, 음성, 문자 및 데이터의 전송을 효과적으로 처리할 수 있는 블루투스 네트워크 시스템을 검증하였다.
- 본 논문에서는 제안된 블루투스 피코넷 시스템을 효과적으로 운영하기 위하여 이에 적합한 운영프로그램을 설계하고 실제 운영을 통하여 블루투스 기기들의 상태를 파악하고 제어하는 등 운영프로그램의 범용성을 확인하였다.
제안 방법
- 기본적으로 USB, UART 지원이 가능하도록 블루투스 HCI 를 이용하여 영상 및 음성, 그리고 데이터의 전송을 행하였고, [2] 슬레이브에서의 조회 스캔명령에서 조회의 시간간격 및 수행시간을 규정하게 되는데, 여기서는 시간간격의 경우 약 0.64 초, 수행시간은 약 0.32 초로 할당하였다. 이러한 과정 이후 마스터는 슬레이브의 블루투스 어드레스와 클럭을 동기할 수 있게 되었고, 또한 Create Connection 과정을 통하여 링크 매니저에서 비동기 접속이 이루어지고, 다음에 동기 접속과정을 통하여 동기 접속이 수행되어 두 블루투스 기기 간의 데이터 및 음성 전송이 가능하게 되었다.
- [1] 이는 CPU 자원을 많이 차지하게 되므로 windows의 event 객체를 이용하여 이 문제를 해결하였는데, 미리 생성된 event 객체를 사용하여 다음과 같이 while ( SendxxxBPI (xxx, &event)==0 ){WaitForSingleObject(event, 100);}//while로 프로그램을 작성하여 CPU 자원 문제를 해결하였다. 또한 특정 시스템에 적용하기가 용이한 내장 커널 방식을 사용하여 데이터의 처리 속도를 개선하였다. 결과적으로 block 인수가 있는 함수들을 nonblocking로 동작하게 하고 동시에 일반적인 커널과 비교시 1/4정도인, 약 20Kbyte 로 커널을 간소화하여 그렇지 않은 경우보다 과부하시 CPU 의 효율을 약 30% 정도 높일 수 있었다.
- 강화하였다. 보안성이 강화된 블루투스 피코넷을 구성한 후, 피코넷 운영 프로그램을 설계하여 이를 수신기, 지문 인식기, 도어 개폐기 등과 같은 기기들에 대한 접속 관리를 통하여 시험하였고 임베디드 블루투스 하드웨어 모듈을 이용한 피코넷을 이용하여 영상, 음성, 문자 및 데이터의 전송을 효과적으로 처리할 수 있는 블루투스 네트워크 시스템을 검증하였다.
- 블루투스 기기간의 데이터 포맷을 다음과 같이 정의하여 응용 기기별 데이터의 원활한 처리를 수행하였다.
- 블루투스의 접속상태를 관리하고 수신기, 지문인식기 및 출입문 제어에 모두 사용되어질 수 있도록 범용으로 설계하여, 네트워크 상에서 블루투스와의 접속 블루투스 간 테이터 송수신을 관리하고 수신기의 발생 신호를 호스트에 전송함은 물론 지문인식기의 출입자 정보를 호스트에 전송하고 호스트의 도어 개방정보를 수신하여 도어를 개방시키는 제어기능을 수행하였다.[7]
- 비동기 접속에 있어 블루투스 기기간의 통신시 적용되는 패킷을 매 경우 변화하는 통신 채널 상태에 따라 2 가지로 분류하고 적용하였는데, 이는 블루투스 기기간의 초기 통신 접속 시 헤더와 페이로드는 전송되지 않고 엑세스 코드만으로 조회와 호출과정이 이루어지는 점에 착안하여 엑세스 코드의 BER을 이용한 1/3 FEC로, 확률에 따른 패킷선택을 함으로써 가능하였다.
- 상위 어플리케이션 계층인 mam 디렉토리를 제외한 모든 계층은 모두 library로 관리하였고, hal 디레토리는 ARM 프로세서(EP7312)의 각 장치를 사용하기 위해서 계층화한 라이브러리로써, boot code, timer, interrupt, I/O port, debug 등의 관련 코드를 내장하였으며, uCOS-II 디렉토리는 OS 커널 부분과 하드웨어 의존적인 코드만 분류해 놓은 디렉토리를 따로 두어 관리하였다.
- 설계한 블루투스 피코넷 시스템의 시험을 위하여 피코넷의 제어 및 운용이 용이 하도록 블루투스 기기들에 고유의 ID를 구분하고 기기간 데이터 포맷을 달리하여 이를 이용한 통신 알고리즘을 설계하였고, 또한 USB, UART 지원이 가능하도록 HCI 를 이용한 임베디드 블루투스 하드웨어 모듈을 구현하였으며, 이를 별도의 운영 프로그램을 통하여 제안된 블루투스 피코넷 시스템을 검증하였다.
- 구현된 블루투스 피코넷에서 임베디드 모듈은 수신기 및 지문인식기를 블루투스 하드웨어와 연결하기 위한 일종의 중계기로써 동작하며 수신기, 지문인식기 및 도어를 부착할 수 있도록 하였다. 수신기 및 지문인식기의 RS-232 인터페이스, CASIRA RS-232 인터페이스, 블루투스 모듈 인터페이스가 가능하도록 하였다.[8]
- 운영 프로그램으로써 제안된 네트워크 시스템에 대한 정보를 관리하고 제어하게 되는데, 이것은 일종의 출입관리 시스템으로도 사용 가능하며 In-door프로그램 Out-door 프로그램 파일 전송 창, 포트 설정 창, 설정대기 창, 기기 제어 창, 블루투스 데몬 모니터를 위한 부분으로 구성하였다. 구현된 블루투스 피코넷에서 임베디드 모듈은 수신기 및 지문인식기를 블루투스 하드웨어와 연결하기 위한 일종의 중계기로써 동작하며 수신기, 지문인식기 및 도어를 부착할 수 있도록 하였다.
- 조회 명령으로써 블루투스 기기를 조회 모드로 동작 시켜 주변에 있는 다른 블루투스 기기를 찾게 되는데, 이를 위하여 조회 스캔모드가 수행되어야 하고 조회 스캔을 위하여 연속적인 조회 스캔 간의 시간 간격 및 조회 지속시간을 전달하게 되는데, 조회 스캔간의 시간간격으로 0.64 초, 조회 스캔의 지속시간으로 0.32 초를 할당하였다.
- 따라서 더욱 효과적인 영상 및 음성의 전송을 위하여 제안된 피코넷의 경우 전파 환경이 비교적 양호한 실내환경이란 가정하에 패킷의 종류와 슬롯의 길이를 고려한 비동기 접속 링크를 구성하였다. 즉, 채널의 상태가 좋은 경우 데이터율을 높이기 위해서 DH5 패킷을, 그리고 채널의 상태가 좋지 않을 경우 재전송에 많은 슬롯이 필요하므로 DM1 패킷을 사용하였다. 패킷의 확인 이외에 엑세스 코드는 수신 신호와 관련된 동기화와 옵셋을 보상하는데 이용되기도 한다.
- 피코넷 시스템에 사용한 임베디드 하드웨어 모듈의 경우, uCOS-II RTOS를 기반으로한 32 비트 ARM 프로세서를 사용함으로써 다양한 어플리케이션에 대응이 가능하도록 하였다. 또한 상대적으로 많은 부하가 걸리는 경우에 block 인수가 있는 함수들을 nonblocking 화하여 동작시키고 커널의 간소화를 통하여 그렇지 않은 경우보다 CPU 의 효율을 약 30 %정도 증가시켜 저용량의 CPU 를 사용한 임베디드 모듈 구성 및 access point로 사용이 가능하게 하였다.
이론/모형
- 어플리케이션과의 인터페이스 즉, 음성처리를 위하여 GSM06.10 음성 압축방식의 WaveIO Class 를, 영상처리를 위하여 JPEG형식 압축방식의 VideoCapture Class를 사용하였다. 소켓을 통하여 어플리케이션에서 블루투스 데몬 인터페이스로 들어온 영상, 음성등의 압축신호와 파일 및 메시지는 블루투스 데몬 내의 BufList에 저장되고 블루투스 스택을 지난 다음 USB 드라이버를 통하여 블루투스 H/W모듈로 전달된다.
성능/효과
- 개개의 어플리케이션과 블루투스 H/W와의 인터페이스는 소켓을 통한 통신을 구현하여 어플리케이션에 대한 프로그래밍을 분리함으로써 블루투스 모듈을 효과적으로 사용할 수 있었다.
- 거주자와 방문자 프로그램의 '파일 전송' 버튼을 누르면 나타나는 창으로, 어플리케이션 인터페이스와 블루투스 데몬 인터페이스의 다중 라인을 사용해서 파일 분할 및 동시 다중파일 전송이 가능하였다. 속도는 회선 상태에 따라 100-200 kbps 정도가 된다.
- 또한 특정 시스템에 적용하기가 용이한 내장 커널 방식을 사용하여 데이터의 처리 속도를 개선하였다. 결과적으로 block 인수가 있는 함수들을 nonblocking로 동작하게 하고 동시에 일반적인 커널과 비교시 1/4정도인, 약 20Kbyte 로 커널을 간소화하여 그렇지 않은 경우보다 과부하시 CPU 의 효율을 약 30% 정도 높일 수 있었다.
- 35 초 정도의 차이를 보였다. 부하량이 650인 때에는 약 0.6 초 정도의 차이가 발생함을 알 수 있었으며, 따라서 CPU 의 효율을 최대 약 30 % 정도 증가시킬 수 있었다. 또한 현재까지 보편화되지 않은 고가의 ARM 코아를 대체하여 보다 저가의 16 비트 CPU로서 임베디드 모듈 구현이 가능할 것으로 예상된다.
- 블루투스 기기 초기 접속과정에서의 BER 을 체크하여 통신 채널의 상태를 파악한 후 이에 대응되는 비동기 접속 패킷을 선택하여 적용함으로써 더욱 효율적인 데이터의 전송이 가능하였다. 운영 프로그램의 실행 결과.
- 설계, 제작한 임베디드 하드웨어 모듈에는 block 인수를 포함하는 함수들에 대한 nonblocking 화를 적용하고 일반적인 경우에 비하여 약 1/4 크기인, 약 20 Kbyte로 커널을 간소화함으로써 네트워크상에서 부하가 증가될 때에도 임베디드 모듈에의 데이터 처리가 무리없이 수행되어 피코넷 상에서의 블루투스 기기간 정상적인 통신이 이루어질 수 있도록 하였다.
후속연구
- 영상신호 처리의 경우 최대 10 frames 까지 전송이 가능하였고 메시지 처리는 실시간 전송이 가능하였다. 또한 하나의 access point 에서 블루투스 네트워크상에 연결되어 있는 모든 블루투스 기기의 상태를 관리하고 제어할 수 있어 범용적으로 응용될 수 있을 것으로 판단되며, 이로써 블루투스 기술을 이용한 원격제어 시스템의 상용화 가능성을 제시하였다.
- 6 초 정도의 차이가 발생함을 알 수 있었으며, 따라서 CPU 의 효율을 최대 약 30 % 정도 증가시킬 수 있었다. 또한 현재까지 보편화되지 않은 고가의 ARM 코아를 대체하여 보다 저가의 16 비트 CPU로서 임베디드 모듈 구현이 가능할 것으로 예상된다.
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