[논문]무선 센서 네트워크에서 초음파를 이용한 전방향 거리 측정

이우식; 김남기

무선 센서 네트워크에서 초음파를 이용한 전방향 거리 측정
Omnidirectional Distance Estimation using ultrasonic in Wireless Sensor Networks 원문보기

한국인터넷방송통신·TV학회논문지 = The Journal of The Institute of Webcasting, Internet Television and Telecommunication, v.9 no.5, 2009년, pp.85 - 91

이우식 (경기대학교 컴퓨터과학과) , 김남기 (경기대학교 컴퓨터과학과)

초록
AI-Helper

IT기술의 발전과 함께 유비쿼터스 (Ubiquitous)환경이 도래하여, 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Networks)기반 연구가 다방면에서 활발히 진행 중에 있다. 본 논문에서는 무선 센서 네트워크에서 센서간 거리를 전방위로 측정할 수 있는 간단한 방안에 대해 제안한다. 그리고 이를 직접 설계하고 구현하여 실험을 통해 검증해 본다. 전방향성 장치를 이용하면 거리 측정 최대 거리는 줄어드는 단점이 있지만 $360^{\circ}$ 방향을 측정 할 수 있다는 장점이 있다. 본 논문에서는 실제 환경에서 실험을 통하여 전방향성 장치가 존재할 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 초음파를 통한 거리측정 방식의 누락율 및 정확도를 분석해 본다.

Abstract ▼ AI-Helper

Because ubiquitous environment has come with growing IT technology, Researches wireless sensor network are actively on going in many aspects. In this paper, we proposed simple method of distance measurement for omnidirectional distance calculation in wireless sensor network. In addition, we design and implement the proposed method. Then, we verify it through experiments at real environments. when we use the proposed method, maximum distance of measurement is decreased, but we measure distance from degrees. In this paper, we show drop rate and accuracy rate of ultrasonic distance estimation with and without omnidirectional device through experiments at real environments.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그러나 초음파를 이용한 기존 기술들은 대부분 초음파 활용 시 직진성을 이용하여 측정 하는 한계를 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 TOA방식을 활용하여 초음파를 통해 거리를 측정할 때 전방향으로 거리를 측정할 수 있는 간단한 방법에 대해 제안하고 이를 구현한다. 그리고 이 방법의 효율성에 대해 실험을 통해 검증한다 [1][2].
따라서 본 논문에서는 실내에서 거리 측정하는데 높은 정확도를 가지는 초음파를 이용해 전방향 거리 측정 방법에 대해 제안한다. 제안하는 전방위 거리 측정 방식은 초음파 센서 앞에 간단한 전방향성 장치를 설치하여 초음파 신호가 모든 방향으로 퍼져 나갈 수 있게끔 설계하였다.
본 논문에서는 초음파 이용한 거리 측정을 설계 및 구현 하였다. 그리고 전방향성 장치를 제안해 기존의 것과 비교 및 분석 하였다.
본 논문은 전반향성 장치가 달린 Cricket 모트와 전방향성 장치가 안달린 Cricket 모트의 실험을 가지고 비교 분석 하였다. 향후 과제로는 전방향성 장치를 활용한 위치 추적과 확장된 전방향성 기능에 대해 연구할 계획을 가지고 있다.
적외선을 이용한 거리 측정 방법은, 1992년 AT&T 캠브리지 연구소에서 개발한 액티브 배지(Active Badge)가 있다 [6]. 이 시스템은 제록스에서 개발한 것으로 고객관리 지원이 자리에 없을 경우, 고객의 연락을 자동으로 그 직원이 위치한 곳에 착신하게 하기 위해 개발된 것이다. 이 시스템은 적외선 센서가 천장에 배치되어 있고 사람은 액티브 배지라고 하는 적외선 발생기를 몸에 지니고 있다.

제안 방법

본 논문에서는 초음파 이용한 거리 측정을 설계 및 구현 하였다. 그리고 전방향성 장치를 제안해 기존의 것과 비교 및 분석 하였다. 제안한 전방향성 장치를 이용할 경우, 최대 측정 거리는 전방향성 장치가 없는 것에 비해 2배 정도 최대 거리가 줄어드는 반면 360°방향으로 거리 측정이 가능하다는 장점을 확인 할 수 있었다.
초음파는 직진성이 강하기 때문에 송신자와 수신자 간에 서로 마주보게 설치해야 하는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 초음파 장치에 원뿔형태의 반사판을 설치하여 초음파가 전방향성을 띄게 구축 하였다. 이에 따라 기존 직진 거리에서만 거리측정이 가능했던 초음파 장치는 360°방향으로 거리 측정이 가능 하게 된다.
본 논문의 실험 환경은 연구실과 복도를 병행하여 실험을 하였다. 그리고 실험은 Cricke 모트 2대와 노트북 1대를 가지고 실험을 하였으며 전방향성 장치가 달린 모트와 전방향성 장치가 없는 모트를 가지고 실험을 하였다.
오차거리 다음으로 1000개의 메시지를 보냈을 때 1000개중 몇 개의 메시지를 손실 하였는지 거리 누락율을 판단하여 분석하였다. 우선 전방향성 장치가 달린 Cricket으로 실험한 경우, 0.
따라서 본 논문에서는 실내에서 거리 측정하는데 높은 정확도를 가지는 초음파를 이용해 전방향 거리 측정 방법에 대해 제안한다. 제안하는 전방위 거리 측정 방식은 초음파 센서 앞에 간단한 전방향성 장치를 설치하여 초음파 신호가 모든 방향으로 퍼져 나갈 수 있게끔 설계하였다.

대상 데이터

그림 6은 실제 초음파를 이용하여 거리 측정을 한 결과를 보여주고 있다. 거리 측정은 1000개의 샘플 데이터를 수집하여 분석 하였으며 6m 까지는 연구실에서 실험을 하였고 6m 이상거리는 복도에서 실험을 하였다. 우선 전방향성 장치가 있는 Cricket 모트의 실험 결과를 살펴보면 약 3m 까지는 10cm 미만의 오차가 측정 되었지만 3m 이상거리에서는 오차가 약 10^~20cm 정도로 측정 되 었다.
본 논문의 실험 환경은 연구실과 복도를 병행하여 실험을 하였다. 그리고 실험은 Cricke 모트 2대와 노트북 1대를 가지고 실험을 하였으며 전방향성 장치가 달린 모트와 전방향성 장치가 없는 모트를 가지고 실험을 하였다. 그림 5는 실제 전방향성 장치가 달린 모트를 보여주고 있다.
본 논문의 전방향 장치를 실험하기 위한 하드웨어 구성은 호스트 컴퓨터 1대와, Cricket모트 2개로 이뤄진다. 1개의 Cricket모트는 Sender역할을 하며 Receiver에게 RF신호와 초음파 신호를 동시에 보낸다.

이론/모형

초음파를 이용한 시스템에는 액티브 배트(Active Bat) 시스템 [6], MIT에서 개발한 크리켓(Cricket) 시스템 [4], UCLA에서 개발한 Medusa 노드 [8]등이 대표적이다. 초음파는 RF 신호에 비해 상대적으로 속도가 느리기 때문에 생기는 시간차이로 TOA방식과 TDOA방식을 사용하여 계산한다. 이런 초음파 시스템은 실내에서 거리 측정이 용이 하다는 장점이 있다.

성능/효과

제안한 전방향성 장치를 이용할 경우, 최대 측정 거리는 전방향성 장치가 없는 것에 비해 2배 정도 최대 거리가 줄어드는 반면 360°방향으로 거리 측정이 가능하다는 장점을 확인 할 수 있었다. 그리고 전방향성 장치를 사용하는 경우에는 3m 미만에서는 오차 거리가 10cm 미만, 전방향성 장치가 없는 경우에는 7.2m 미만에서 오차거리가 10cm 미만인 것을 확인 할 수 있었다. 누락율은 각 경우 최대 거리인 6.
그리고 최대거리로 도달 할수록 누락율이 증가하여 최대 거리에 갔을 때에는 누락율이 90% 이상으로 증가하여 거리 측정이 불가능함을 알수 없었다. 또한 전방향성 장치가 있는 경우, 초음파의 반향파가 더 많이 생겨 누락율이 전방향성 장치가 없는 경우보다 많이 생기는 것을 확인할 수 있었다.
그 이유는 초음파 신호가 수신 측까지 도달하지 못하고 분산하기 때문이며 따라서 1000개의 샘플 데이터가 다 수집되지 않았다는 것을 의미한다. 반면 전방향 장치가 없는 경우 전방향성 장치가 있는 것에 비해 대체적으로 오차거리의 차이가 적으며 최대 약 13m 까지 거리 측정이 가능한 것을 확인 할 수 있었다. 이런 실험 결과로 보아 전방향 장치가 있는 경우에는 최대 측정 가능 거리가 2배 정도 성능이 떨어지는 것으로 판단된다.
8% 정도의 누락율이 나타났다. 이 실험 결과로 보았을 때 전방향성 장치가 있는 경우와 없는 경우 모두 2m 미만에서는 누락율이 거의 약 30% 정도로 나타났으며 각각의 최대거리의 중간 지점에서는 누락율이 10% 미만을 보이는 특성을 확인 할 수 있었다. 그리고 최대거리로 도달 할수록 누락율이 증가하여 최대 거리에 갔을 때에는 누락율이 90% 이상으로 증가하여 거리 측정이 불가능함을 알수 없었다.
반면 전방향 장치가 없는 경우 전방향성 장치가 있는 것에 비해 대체적으로 오차거리의 차이가 적으며 최대 약 13m 까지 거리 측정이 가능한 것을 확인 할 수 있었다. 이런 실험 결과로 보아 전방향 장치가 있는 경우에는 최대 측정 가능 거리가 2배 정도 성능이 떨어지는 것으로 판단된다. 또 다른 특성으로 전방향성이 있는 Cricket의 경우에는 3m 까지, 전방향성이 없는 경우에는 7.
그리고 최대 거리는 전방향성 장치가 달린 Cricket보다 2배 정도 크게 나타난 약 13m 정도로 측정 되었다. 이와 같은 실험 결과로 우리는 초음파를 이용한 거리 측정에서 전방향성 장치를 사용할 경우 초음파가 넓은 범위로 분산 되기 때문에 전방향성 장치가 없는 경우 보다 최대 거리가 줄어드는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고, 약 3m 이하 거리에서는 10cm 미만의 오차가 나기 때문에 3m 미만의 거리 측정 할 때에는 전방향 위치 측정 방식이 매우 유용할 것으로 판단된다.
제안한 전방향성 장치를 이용할 경우, 최대 측정 거리는 전방향성 장치가 없는 것에 비해 2배 정도 최대 거리가 줄어드는 반면 360°방향으로 거리 측정이 가능하다는 장점을 확인 할 수 있었다.

후속연구

본 논문은 전반향성 장치가 달린 Cricket 모트와 전방향성 장치가 안달린 Cricket 모트의 실험을 가지고 비교 분석 하였다. 향후 과제로는 전방향성 장치를 활용한 위치 추적과 확장된 전방향성 기능에 대해 연구할 계획을 가지고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	거리측정에서 가장 널리 사용되는 방식은 무엇인가?	무선 센서 네트워크에서 거리 측정은 매우 중요하다. 현재 거리측정에서 가장 널리 사용되는 방식은 GPS(global positioning system)를 이용한 방식이다. 그러나 GPS방식은 가격이 비싸고, 위성에서 GPS신호를 받을 때 장애물이 없어야 하기 때문에 실내에서는 측정이 잘 안되는 단점이 있다.
	액티브 배지의 장단점은 무엇인가?	그리고 이 액티브 배지는 자기 고유의 인식 번호를 가지고 주기적으로 적외선 센서에게 알려주면서 자신의 위치를 파악하게 해주는 시스템이다. 이 시스템은 전체 시스템이 간단하다는 장점을 가지는 반면 정밀한 측정이 불가능 하다는 단점을 가지고 있다.
	위치를 추정하기 위한 기술에는 무엇이 있는가?	이중 한 분야가 무선 센서 네트워크에서 위치를 추정하는 기술이다. 위치를 추정하기 위한 기술로는 신호의 도착 시간을 이용하는 TOA(Time of Arrival)방식, 두 개 이상의 센서의 도착 시간을 쌍곡선을 이용하여 계산하는 TDOA(Time Difference of Arrival)방식, 각도를 이용하여 위치를 추정하는 AOA(Angle of Arrival)방식, 신호의 세기를 이용한 RSSI(Received signal Strength)방식, 그리고 3개의 노드를 이용하여 거리를 측정하는 삼각 측량법 등이 있다. 이런 위치 추정 방법을 이용하면, 무선 센서 네트워크에서 기본이 되는 상황 인식 서비스(context-aware service)에 위치 정보를 제공해 줄 수 있다.

참고문헌 (9)

Crossbow (http://www.xbow.com)
TinyOS (http://tinyos.net)
A. Harter, A. Hooper, P. Steggles, A. Ward and P.Webster, "The Anatomy of a Context Aware Application", Proceedings of ACM MobiCom, August 1999
N. Pritantha, A. Chakraborty, H. Balakrishnan, "The Cricket location-support system", Proceedings of ACM MobiCom'00, August 2000, pp. 32-43
Bill N. Schilit and Marvin M. Theimer., "Disseminating active map information to mobile hosts", IEEE Network, Sep/Oct 1994, pp. 22-32
R Want, A Hopper, VFJ GIBBONS, "The active badge location system", ACM Transactions on Information, January 1992, pp. 91-103
J Hightower, G Borriello, "Location systems for ubiquitous computing", IEEE Computer, August 2001, pp. 57-66
A. Savvides, C. Han, M. Srivastava, "Dynamic fine-grained localization in ad-hoc networks of sensors", Proceedings of ACM MobiCom'01, July 2001, pp. 166-179
The Cricket Indoor Location System (http://cricket.csail.mit.edu)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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