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문제 정의
- 이러한 환경에 의한 임피던스의 변화에 따라 현장에 설치할 때 조정 작업을 수행하는 불편함이 있었다. 따라서 본 연구에서는 설치 작업자의 편리와 시공 공정의 단순화를 위하여 환경에 의한 임피던스변화에 자동적으로 적응하는 임피던스 정합회로를 설계하였다. 또한 다수개의 출입구를 가지는 매장에서 기존에는 개별 출입구마다의 송수신 기능이 필요하였지만, 본 연구를 통해 수행되어진 듀얼밴드 무선통신기능을 가지는 자명식 EAS시스템에서는 하나의 수신기에서 다수개의 게이트 경보를 처리할 수 있도록 자명식 EAS 송신장치에서 각 장치마다의 고유한 정보를 송신하는 주파수 변복조 회로 및 프로토콜이 설계되어졌다.
- 본 논문은 우선 VLF(Very Low Frequency, 초장파)대역의 자기장통신과 UHF(Ultra High Frequency, 극초단파)대역의 무선통신을 융합하여 환경에 대한 자기장신호 수신 성능향상 과 오보 발생빈도가 개선된 듀얼밴드 자명식 EAS시스템 구현 방안을 제시하였다. 구현된 시스템들은 태그 수신부의 VLF 수신코일 회로 변경설계 및 공진회로 개선연구를 통해 태그의 인식범위 향상 및 수신 특성 개선이 이루어 졌는지 실험을 통하여 검증하였다.
- 태그와 수신기사이의 도난경보신호의 수신거리 감쇄 및 신호 왜곡현상은 인테리어 전등, 철재 구조물, 인테리어 가구, 내벽등과 같은 건축 환경요소들에 기인하여 발생되어진다. 본 실험은 구현된 태그와 수신기의 UHF대역의 무선데이터통신에 대한 성능을 실제 상품매장에서 측정하여, 기존 자명식 시스템의 자기장 통신으로 인한 송신거리의 한계극복 및 신호의 왜곡 문제점 해결이 가능한지를 검증하는데 목적이 있다.
- 본 연구에서는 자기장 통신을 담당하는 VLF 대역과 경보전송을 담당하는 UHF대역의 듀얼밴드 무선통신기술 적용 및 외부환경에 자율적으로 자기장 송신신호 임피던스 조절기능을 가지는 지능형 자명식 도난방지(EAS) 시스템을 구현하였다.
제안 방법
- 본 논문은 우선 VLF(Very Low Frequency, 초장파)대역의 자기장통신과 UHF(Ultra High Frequency, 극초단파)대역의 무선통신을 융합하여 환경에 대한 자기장신호 수신 성능향상 과 오보 발생빈도가 개선된 듀얼밴드 자명식 EAS시스템 구현 방안을 제시하였다. 구현된 시스템들은 태그 수신부의 VLF 수신코일 회로 변경설계 및 공진회로 개선연구를 통해 태그의 인식범위 향상 및 수신 특성 개선이 이루어 졌는지 실험을 통하여 검증하였다. 또한 UHF대역 무선통신기술을 태그 통신부에 구현함으로써 통신거리 증대 및 데이터 무결성 향상, 오보 발생빈도가 최소화 되는지 실험을 통하여 검증하였다.
- 구현된 태그의 자기장신호 수신 성능향상 및 오보 발생 빈도에 대한 검증은 자기장 신호의 수신거리 와 데이터 수신율을 기록하는 실험을 수행하였다. 실험을 위한 측정모형은 그림 14에 도시 하였다.
- 분석한 기능 리스트에 따라 하드웨어 구현은 표 4와 그림 6의 구성으로 회로를 구성하며, 지능화된 저전력 운영로직은 그림 7에 따라 구현하였다. 그리고 외부환경에 의한 오보발생을 줄이기 위해 기존의 37.5KHz VHF 단일 밴드 방식 대신 자기장 신호의 수신은 기존의 37.5KHz VHF 대역을 사용하고, 경보 송신은 400MHz UHF대역을 사용하는 듀얼밴드 방식을 구현하였다. 400MHz의 UHF 대역을 채택한 이유는 UHF대역의 주파수가 RFID에 사용되는 주파수중 인테리어 구조물 과 실내 건축물이 많은 상품매장의 환경 영향이 가장 적고, 인식거리가 출력에 따라 실내에서 최대 50~100m까지 이르는 중·장거리 통신 특성을 가지고 있기 때문이다.
- 기구의 특징으로는 고리형태로 상품에 고정하는 방식으로 설계하여 도난방지 태그의 착·탈 작업이 간단하고, 태그 부착으로 인한 상품의 변형이나 손상을 최소로 줄여주도록 제작하였다.
- 도난방지 태그에서 발생하는 무선신호는 데이터 통신의 신뢰성을 위하여 FM 모듈레이션방식 과 NRZ 코딩방식을 선정 하였다. 수신된 태그의 무선정보를 유선정보로 변환 가공하는 기능을 주요 기능으로 하며, 동일 장소에서 매장 분류 적용을 위한 표 6의 SHOP-ID 설정 기능 동일 매장의 멀티 게이트들을 분류하는 GATE-ID를 설정하는 사용자 인터페이스 부분도 구현하였다.
- [9] 기존의 자명식 EAS 시스템은 자기장 신호를 경보신호로 송·수신하는 방식을 사용하였는데, 수신기의 안테나의 설치 주변에 금속물질 또는 철골구조물이 있는 경우에는 수신안테나에 인가되는 유도 기전력이 낮아지고 수신신호 감쇄 및 왜곡이 일어남으로써 알람 오경보가 빈번하게 발생되었다. 따라서 수신기 시스템에서는 기존의 자기장 신호를 송신하는 무선회로 부분을 UHF대역의 무선회로로 구성하였다. 태그 시스템 구현과는 다르게 무선회로는 UHF 주파수 대역의 무선신호의 수신 및 무선신호 수신감도 감시, 무선통신 부하의 분산을 위하여 RF 원칩을 적용하였다.
- 구현된 시스템들은 태그 수신부의 VLF 수신코일 회로 변경설계 및 공진회로 개선연구를 통해 태그의 인식범위 향상 및 수신 특성 개선이 이루어 졌는지 실험을 통하여 검증하였다. 또한 UHF대역 무선통신기술을 태그 통신부에 구현함으로써 통신거리 증대 및 데이터 무결성 향상, 오보 발생빈도가 최소화 되는지 실험을 통하여 검증하였다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
- 태그의 배터리 용량의 최대 활용 및 생산 단가 절감을 위하여 RF원칩 대신 L, R, C 및 3체배 회로를 내장한 447MHz 크리스털(X-Tal)을 적용하여 디스크리트 회로로 RF 회로를 구현하였다. 또한 국내 무선기기의 형식승인을 위하여 447MHz대역을 사용하였고, 특정 소출력 무선 기기 인증규격에 적합한 구성을 하였다.[9] 표 5에 적용된 인증규격의 주요사항을 나타내었다.
- 따라서 본 연구에서는 설치 작업자의 편리와 시공 공정의 단순화를 위하여 환경에 의한 임피던스변화에 자동적으로 적응하는 임피던스 정합회로를 설계하였다. 또한 다수개의 출입구를 가지는 매장에서 기존에는 개별 출입구마다의 송수신 기능이 필요하였지만, 본 연구를 통해 수행되어진 듀얼밴드 무선통신기능을 가지는 자명식 EAS시스템에서는 하나의 수신기에서 다수개의 게이트 경보를 처리할 수 있도록 자명식 EAS 송신장치에서 각 장치마다의 고유한 정보를 송신하는 주파수 변복조 회로 및 프로토콜이 설계되어졌다.
- 자기장 신호 송신기 안테나에 평행한 균일자계로 이루어진 자기 영역 안, 특히 매장의 출입구 게이트부분의 자기영역에서 유도되는 기전력을 증대시키기 위하여 태그시스템의 페라이트 코어의 기구 및 권선의 방향을 실제 매장의 운영을 고려하여 정해진 자기장 신호 감지영역에서 최대의 자기장 수신이 이루어지도록 설계하였다. 또한 수신회로 부분에서의 자기장 신호의 전송 주파수와의 정합을 위한 설계도 고려하였다.
- [10,11] 수신기의 그래픽 LCD는 태그로부터 무선으로 수신된 데이터를 관리자가 실시간으로 확인할 수 있도록 제공한다. 또한 자체 부저와 릴레이를 통한 외부 제어용 단자를 지원하고, 외부와의 연계를 위하여 RS-232 시리얼방식의 호스트 인터페이스를 구비하였다. 이러한 호스트 인터페이스는 원격지에서 매장에 설치된 수신기 시스템들의 제어와 중앙에서의 원격업무처리를 요하는 고객들의 기존 전산 시스템과의 연동에 쉽게 적용되도록 설계 되어 졌다.
- 또한 정보보안을 위해서 Packet Data Unit(PDU)의 Body부분을 스크램블 처리하도록 하였고, 송신기 코일 과 태그의 수신코일 사이의 거리 및 그 사이의 주변 환경에 따라 발생되어지는 신호 왜곡현상에 대한 강인성 향상을 위하여 각 데이터 비트의 패킷처리 마진은 ±15% 여유분을 가지도록 설계 및 구현하였다.
- 신호처리부분의 설계에서는 주변 환경의 영향으로 인한 자기장 신호의 뒤틀림 과 위상변화에 의한 신호왜곡 특성이 최소화되도록 신호처리 기술을 설계하였다. 또한, 매장 게이트에서의 경보수신에 대한 오보를 줄이기 위해서는 기존의 자기장 송신 방식이 아닌 신뢰성 있는 통신 방식의 무선기술들을 검토하였고, 그 결과 장애물이 많은 실내 환경에서 저 전력으로 최소 10m이상의 거리를 송신할 수 있는 무선 방식을 설계하였다. 태그의 유지보수의 편의를 위하여 배터리 용접 방식에서 배터리 교환을 용이하게 하도록 홀더부분의 기구를 설계하였고, 태그시스템이 경보상황 감지를 위해 대기상태(슬립모드운영)에 노출된 시기가 전체 전력운영시간의 75%이상을 차지하는바 대기상태에서의 최소의 전력 소모가 소요되는 CPU의 선정과 불필요한 포트감시전류 소모를 최소화 하기위한 전류사용 최소화 운영로직을 설계하였다.
- 수신된 태그의 무선정보를 유선정보로 변환 가공하는 기능을 주요 기능으로 하며, 동일 장소에서 매장 분류 적용을 위한 표 6의 SHOP-ID 설정 기능 동일 매장의 멀티 게이트들을 분류하는 GATE-ID를 설정하는 사용자 인터페이스 부분도 구현하였다. 또한, 태그와 FM 무선 통신을 할 때 전파간섭으로부터 표 6의 패킷 손실 최소화 및 보정을 위하여 Preamble의 구성과 상태비트의 길이를 조정하며, 구분자를 삽입하는 캡슐화 로직을 구현하였다. 이 로직을 이용하여 수신기에서는 태그가 송신한 신호가 일부 손상된 미약신호라도 도난 경보 정보를 온전하게 추론할 수 있도록 하였다.
- 본 논문에서 구현할 자명식 도난방지시스템은 송신장치 및 태그, 수신기로 크게 3가지형태로 나누어진다. 3가지로 분류된 자명식 EAS(도난방지)시스템의 운영 및 주요 기능은 그림 2와 같다.
- 본 연구를 통하여 구현된 태그는 그림 8에 나타내었으며, 기타 구성요소로는 Wire(고리)의 고정 및 착·탈 모듈과 경보표시를 위한 LED램프, 부저소리가 울리는 부저 홀, 유지보수의 편이를 위한 배터리홀더를 부가적으로 구현하였다.
- 설계방향에 따라 주장치는 송신장치의 안테나(또는 Loop Antenna라고도 함)의 매립된 형상 및 안테나 주변 환경에 의한 안테나의 임피던스변화를 측정하며, 스스로 임피던스의 변화 상황을 판단하여 자율적으로 임피던스의 조절이 자동으로 이루어지는 상황 판단 제어가 가능한 지능형 시스템이 되도록 구현 하였다. 환경요인으로 변화하는 인덕턴스의 값에 대하여 커패시터의 값의 조합이 자동으로 이루어지는 커패시터 모듈제어 회로구성이 자명식 EAS시스템 지능화 기능의 주요 포인트가 된다.
- 도난방지 태그에서 발생하는 무선신호는 데이터 통신의 신뢰성을 위하여 FM 모듈레이션방식 과 NRZ 코딩방식을 선정 하였다. 수신된 태그의 무선정보를 유선정보로 변환 가공하는 기능을 주요 기능으로 하며, 동일 장소에서 매장 분류 적용을 위한 표 6의 SHOP-ID 설정 기능 동일 매장의 멀티 게이트들을 분류하는 GATE-ID를 설정하는 사용자 인터페이스 부분도 구현하였다. 또한, 태그와 FM 무선 통신을 할 때 전파간섭으로부터 표 6의 패킷 손실 최소화 및 보정을 위하여 Preamble의 구성과 상태비트의 길이를 조정하며, 구분자를 삽입하는 캡슐화 로직을 구현하였다.
- 신호처리부분의 설계에서는 주변 환경의 영향으로 인한 자기장 신호의 뒤틀림 과 위상변화에 의한 신호왜곡 특성이 최소화되도록 신호처리 기술을 설계하였다. 또한, 매장 게이트에서의 경보수신에 대한 오보를 줄이기 위해서는 기존의 자기장 송신 방식이 아닌 신뢰성 있는 통신 방식의 무선기술들을 검토하였고, 그 결과 장애물이 많은 실내 환경에서 저 전력으로 최소 10m이상의 거리를 송신할 수 있는 무선 방식을 설계하였다.
- 주장치의 자기장 신호출력은 태그의 측정모형의 좌표 원점에서 최대 출력의 80%로 조정한다. 신호출력이 높아질수록 도난방지 성능도 향상되지만 매장 내부에 정상적으로 장착되어 있는 태그에서 오경보가 발생할 수 있으므로 출입구에서만 태그가 인식이 되도록 송신출력을 조정하였다.
- 실험 방법은 수신기를 매장 내부에 고정하고 태그를 매장 내부에서 외부로 이동하면서 거리별로 RF 신호를 100회 송신하고 무선데이터 수신율을 테스트하고 표 14에 그 결과를 기술하였다. 표 14의 실험결과에 따르면 수신기 하나당 인식영역은 반경 10m로 설치하여야 오경보가 없다는 것을 보여준다.
- 실험 방법은 출입구가 2개 이상일 때, 송신장치를 2대 이상 설치하고 송신장치의 아이디를 각각 다르게 설정하여 태그가 각 출입구의 아이디를 구분하여 인식하는지를 테스트 하였다. 알람이 발생한 위치정보를 인식하는 성능 실험은 도난경보의 수신실험과 병행하여 진행하였고, 다수개의 태그에 대한 동시 인식률도 부가적으로 실험하여 표 15에 인식결과를 나타내었다.
- 실험 방법은 출입구가 2개 이상일 때, 송신장치를 2대 이상 설치하고 송신장치의 아이디를 각각 다르게 설정하여 태그가 각 출입구의 아이디를 구분하여 인식하는지를 테스트 하였다. 알람이 발생한 위치정보를 인식하는 성능 실험은 도난경보의 수신실험과 병행하여 진행하였고, 다수개의 태그에 대한 동시 인식률도 부가적으로 실험하여 표 15에 인식결과를 나타내었다.
- 자명식 태그와 수신기의 무선통신 프로토콜은 표 6과 같이 설계되어진다. 연구되어진 프로토콜에서 프리앰블(Preamble)은 태그와의 데이터 송수신율의 최대화 및 비동기 특성을 가지도록 데이터 패턴을 설계하였다. 또한 구현된 프로토콜은 태그 배터리 소모량을 최소화 하기위해 최소한의 정보로만 구성하였다.
- 자기장 송신신호 송출은 외부환경에 민감한 자기장 신호의 특성을 고려하여 송신기의 고유 ID값을 Start Bit, Bit "1", Bit "0"으로 표현되는 단위 신호들로 조합하여 송출하도록 하였다.
- 태그의 저주파 수신부는 자기장 신호를 감지하는 수신 코일(Coil-Antenna)과 신호 증폭부, AD변환부로 구성되어 있다. 자기장 신호 송신기 안테나에 평행한 균일자계로 이루어진 시스템 구성모델에서 자기장 신호의 수신 성능을 향상시키기 위해서 수신코일 과 송신기 안테나의 방향이 평행해지도록 수신 코일의 페라이트 기구부분을 재설계 하였다. 회로 부분에서의 구현을 통한 신호 수신 감도 향상은 수신코일의 공진 주파수가 송신기의 자기장 신호 전송 주파수에 정확히 정합되도록 하였다.
- 본 연구의 게이트 입구에서의 자기장 신호 수신 성능 개선을 위한 하드웨어적인 설계사항은 다음과 같다. 자기장 신호 송신기 안테나에 평행한 균일자계로 이루어진 자기 영역 안, 특히 매장의 출입구 게이트부분의 자기영역에서 유도되는 기전력을 증대시키기 위하여 태그시스템의 페라이트 코어의 기구 및 권선의 방향을 실제 매장의 운영을 고려하여 정해진 자기장 신호 감지영역에서 최대의 자기장 수신이 이루어지도록 설계하였다. 또한 수신회로 부분에서의 자기장 신호의 전송 주파수와의 정합을 위한 설계도 고려하였다.
- 따라서 수신기 시스템에서는 기존의 자기장 신호를 송신하는 무선회로 부분을 UHF대역의 무선회로로 구성하였다. 태그 시스템 구현과는 다르게 무선회로는 UHF 주파수 대역의 무선신호의 수신 및 무선신호 수신감도 감시, 무선통신 부하의 분산을 위하여 RF 원칩을 적용하였다.
- 태그의 배터리 용량의 최대 활용 및 생산 단가 절감을 위하여 RF원칩 대신 L, R, C 및 3체배 회로를 내장한 447MHz 크리스털(X-Tal)을 적용하여 디스크리트 회로로 RF 회로를 구현하였다. 또한 국내 무선기기의 형식승인을 위하여 447MHz대역을 사용하였고, 특정 소출력 무선 기기 인증규격에 적합한 구성을 하였다.
- 또한, 매장 게이트에서의 경보수신에 대한 오보를 줄이기 위해서는 기존의 자기장 송신 방식이 아닌 신뢰성 있는 통신 방식의 무선기술들을 검토하였고, 그 결과 장애물이 많은 실내 환경에서 저 전력으로 최소 10m이상의 거리를 송신할 수 있는 무선 방식을 설계하였다. 태그의 유지보수의 편의를 위하여 배터리 용접 방식에서 배터리 교환을 용이하게 하도록 홀더부분의 기구를 설계하였고, 태그시스템이 경보상황 감지를 위해 대기상태(슬립모드운영)에 노출된 시기가 전체 전력운영시간의 75%이상을 차지하는바 대기상태에서의 최소의 전력 소모가 소요되는 CPU의 선정과 불필요한 포트감시전류 소모를 최소화 하기위한 전류사용 최소화 운영로직을 설계하였다. 구현된 태그의 주요 기능들은 그림 5에 나타내었다.
대상 데이터
- 구현한 수신기의 회로구성은 그림 9와 같으며, 전원부, MCU, 입력부, 출력부, 무선 통신부, 유선 통신부로 구성되었다.
- 현재 까지 시장에 적용된 RFID기술을 응용한 EAS 시스템들은 판매 매장의 출입구에 설치된 전용 감응장치가 상품에 부착된 기능성재료로 만들어진 태그에 반응하는 방식이다. 따라서 현재까지 EAS 시스템의 성능 향상을 위한 연구대상은 주로 태그에 적용되는 기능성 재료의 개발 및 성능향상에 대한 것이었다.[5,6]
- 본 논문에서 사용된 자기장 신호의 송신장치의 회로 구성은 그림 12와 같이 전원부와 MCU, 입력부, 출력부, 저주파신호 증폭부, 루프안테나(Loop Antenna)로 구성되었다. 또한 구현된 송신장치의 사양은 표 11과 같다.
- 적용된 주요 하드웨어는 정의된 기능의 입출력 포트의 수용과 무선데이터의 무결성 처리, 저전력 지원, 시스템 확장성을 만족하는 ATmega-128과 국내 무선규격인 협대역(narrow band) 무선통신에 적합한 Chipcon의 CC1020이다.[10,11] 수신기의 그래픽 LCD는 태그로부터 무선으로 수신된 데이터를 관리자가 실시간으로 확인할 수 있도록 제공한다.
성능/효과
- [9] 기존의 자명식 EAS 시스템은 자기장 신호를 경보신호로 송·수신하는 방식을 사용하였는데, 수신기의 안테나의 설치 주변에 금속물질 또는 철골구조물이 있는 경우에는 수신안테나에 인가되는 유도 기전력이 낮아지고 수신신호 감쇄 및 왜곡이 일어남으로써 알람 오경보가 빈번하게 발생되었다.
- 구현된 태그의 자기장 신호의 수신 성능은 기존 시스템보다 인식높이 즉 태그의 수신감도가 17.64%향상되었고, 매장내부 및 출입구 주변에 미치는 영향이 50% 줄어들어 송신장치의 작동에 의한 매장 내부의 오보 발생률을 줄이는 효과를 가지게 되었다. 또한 경보발생시 신호 수신은 자기장 송신장치의 감지영역 안에서는 100%의 수신 성능을 가짐으로써 도난 감지에 대한 오보 발생률이 0%가 됨을 보여주었다.
- 도난방지시스템에서는 매장의 출입구를 통해 불법적으로 유출되는 상품을 감지하는 성능이 주요한 성능지수로 작용한다. 따라서 구현된 자명식 태그는 매장 출입구 자기장신호의 수신 성능 개선 및 매장 출입구에서의 경보 수신에 대한 오보 최소화, 태그의 유지보수 작업자의 편의를 위한 배터리 관리기능 개선, 시스템 운영시간 증대 요구를 만족하도록 설계되어졌다.
- 64%향상되었고, 매장내부 및 출입구 주변에 미치는 영향이 50% 줄어들어 송신장치의 작동에 의한 매장 내부의 오보 발생률을 줄이는 효과를 가지게 되었다. 또한 경보발생시 신호 수신은 자기장 송신장치의 감지영역 안에서는 100%의 수신 성능을 가짐으로써 도난 감지에 대한 오보 발생률이 0%가 됨을 보여주었다. 또한 자명식 EAS시스템의 태그에 송신장치의 고유한 ID정보를 분석할 수 있는 자기장 신호 패턴 분석 기능이 부가되어 다수개의 게이트를 가지는 매장에서 도난방지 경보 지역의 위치정보까지 파악되는 멀티게이트 처리 기능을 가지게 되었다.
- 이 같은 결과를 바탕으로 본 논문에서 구현한 듀얼밴드 무선통신을 이용한 지능형 자명식 EAS시스템이 다수 개의 출구 구분능력 과 낮은 오보발생을 요구하는 고 신뢰성 고가 상품용 도난방지시스템에 유용하게 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 향후에는 본 연구에서 미흡한 결과를 가진 멀티게이트와 멀티 태그의 인식률을 높이기 위하여 자명식 EAS 시스템에 최적화된 태그와 수신기간의 Anti-Collision 무선 프로토콜의 연구가 필요하다.
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