위치인식 기술은 사물이나 사람의 위치를 측정하여 서로 정보를 교환하고 환경을 제어하는데 필요한 핵심기술이다. 현재도 위치인식 기술은 다양한 방법들로 연구되고 있으며, 물류, 의학, 로봇 분야 등에 적용될 수 있다. 그러나 위치인식 기술을 적용하려면 많은 비용이 필요하다. 이에 본 논문에서는 적은 비용으로 구현 가능한 Zigbee기반 AoA 위치인식 시스템을 제안한다. 본 시스템은 흔히 이용하는 스텝 모터, 지향성 안테나, Zigbee 모듈을 사용하여 비컨에 지향성 안테나를 회전시켜 RSSI값을 측정하였다. RSSI값이 가장 큰 값을 가질 때 스텝 모터의 회전각을 계산하여 수신기가 위치한 각도를 판단하고 AoA 방식을 적용하여 수신기의 위치를 측정하였다. 수신기의 위치를 옮겨가며 측정한 결과 35~36cm 정도의 오차가 있었다.
위치인식 기술은 사물이나 사람의 위치를 측정하여 서로 정보를 교환하고 환경을 제어하는데 필요한 핵심기술이다. 현재도 위치인식 기술은 다양한 방법들로 연구되고 있으며, 물류, 의학, 로봇 분야 등에 적용될 수 있다. 그러나 위치인식 기술을 적용하려면 많은 비용이 필요하다. 이에 본 논문에서는 적은 비용으로 구현 가능한 Zigbee기반 AoA 위치인식 시스템을 제안한다. 본 시스템은 흔히 이용하는 스텝 모터, 지향성 안테나, Zigbee 모듈을 사용하여 비컨에 지향성 안테나를 회전시켜 RSSI값을 측정하였다. RSSI값이 가장 큰 값을 가질 때 스텝 모터의 회전각을 계산하여 수신기가 위치한 각도를 판단하고 AoA 방식을 적용하여 수신기의 위치를 측정하였다. 수신기의 위치를 옮겨가며 측정한 결과 35~36cm 정도의 오차가 있었다.
The technique of localization is the core technology for information exchange or environment monitering to measure the position of an object or person. Today, the techniques of localization have been studied extensively and it can be applied to logistics, medical, robotics, etc. But, a lot of money ...
The technique of localization is the core technology for information exchange or environment monitering to measure the position of an object or person. Today, the techniques of localization have been studied extensively and it can be applied to logistics, medical, robotics, etc. But, a lot of money to apply technique of localization is needed. Hence in this paper, we proposed AoA localization system based on Zigbee at low cost. The System measured the RSSI value by rotating the directional antenna using a step motor and Zigbee module. When the measured RSSI is the largest, the receiver measures the angles from beacons which are located at the corners with the rotating angle of a stepping motor and the position of the receiver will be calculated by appling AoA localization method. The measured results show an error about 35~36 cm.
The technique of localization is the core technology for information exchange or environment monitering to measure the position of an object or person. Today, the techniques of localization have been studied extensively and it can be applied to logistics, medical, robotics, etc. But, a lot of money to apply technique of localization is needed. Hence in this paper, we proposed AoA localization system based on Zigbee at low cost. The System measured the RSSI value by rotating the directional antenna using a step motor and Zigbee module. When the measured RSSI is the largest, the receiver measures the angles from beacons which are located at the corners with the rotating angle of a stepping motor and the position of the receiver will be calculated by appling AoA localization method. The measured results show an error about 35~36 cm.
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문제 정의
본 논문에서는 Zigbee의 RSSI를 이용하여 각을 측정하고, 측정된 각을 이용한 AoA 위치인식 시스템을 구현하였다. 본 논문에서 사용한 Maxstream사의 Zigbee 모듈을 이용하여 각도측정이 가능하다는 것을 입증하기 위해 다음과 같은 실험을 진행했다.
본 논문에서는 Zigbee기반의 AoA 위치인식 시스템을 구현하였다. Zigbee의 RSSI를 이용하여 위치측정을 하게 되면 지향성 안테나의 방사패턴이나 다중경로 페이딩에 의해서 오차가 많이 발생한다.
본 논문에서는 Zigbee기반의 AoA 위치인식 시스템을 구현하였다. Zigbee의 RSSI를 이용하여 위치측정을 하게 되면 지향성 안테나의 방사패턴이나 다중경로 페이딩에 의해서 오차가 많이 발생한다.
본 논문에서는 거리뿐만 아니라 AoA 기법을 사용하기 위한 각도 측정 실험을 하였다. 그림 9는 각도 측정 사진이다.
이에 본 논문에서는 Zigbee의 RSSI와 AoA방식을 이용하여 RFID나 UWB 등의 다른 기술에 비해 적은 비용으로 위치인식 시스템을 구현하고자 하였다. 본 시스템은 Zigbee와 지향성 안테나를 이용하여 위치인식의 정확도를 알아보기 위한 실험을 하였다. 실험은 두 가지 형태로 직선상에서 2m 간격으로 수신기를 배치하여 14m 까지 측정하였고, 각도의 측정은 5m 거리에서 -35°~55°까지 5°의 간격으로 측정하였다.
실험의 결과 직선거리는 각 거리가 구별될 정도의 오차를 보이며, 각도의 경우 지향성 안테나가 가장 정면으로 바라보는 경우 RSSI 값이 가장 큰 값이 확인되어 시스템 구현에 문제가 없음을 확인 할 수 있었다. 이 실험은 흔히 사용하는 Zigbee와 안테나, 스텝 모터를 사용한 것으로 저렴한 비용으로 구현 가능여부를 연구한 것이다. 실험 후 2D 평면에 사각형의 각 모서리에 비컨을 하나씩 배치하고 지향성 안테나를 스텝 모터로 회전시켜 RSSI 로 방향각을 측정하고 AoA 방식과 삼각측량 기법을 이용하여 물체의 위치를 측정하는 시스템을 구현하였다.
본 논문의 시스템 구성에 사용된 Zigbee 모듈 사용에 관한 실험으로 구현이 가능하다는 결과를 도출할수 있었다. 이에 간단한 시스템을 구현하여 확인하였다. 저렴한 비용으로 구현이 가능한 Zigbee 모듈의 RSSI를 사용하면 정확도가 낮기 때문에 위치인식 방법 중 비교적 정확도가 높은 AoA방법을 이용하여 hybrid 방식으로 구현하였다.
하지만 위치인식 기술의 구현은 많은 비용을 필요로 한다. 이에 본 논문에서는 Zigbee의 RSSI와 AoA방식을 이용하여 RFID나 UWB 등의 다른 기술에 비해 적은 비용으로 위치인식 시스템을 구현하고자 하였다. 본 시스템은 Zigbee와 지향성 안테나를 이용하여 위치인식의 정확도를 알아보기 위한 실험을 하였다.
향후 다중경로 페이딩 환경에서 RSSI 값을 찾을수 있는 오차 보정 알고리즘을 통하여 보다 정확한 위치인식 시스템을 구현할 것이며, 스텝 모터의 회전 없이 위치를 측정하는 방안을 모색하여 이동하는 물체의 위치인식 시스템을 구현하는 것이 최종 목표이다.
제안 방법
각도 측정은 5m 거리에서 총 90°를 측정하였으며 간격은 5° 간격으로 각각 100번씩 측정 하였다.
저렴한 비용으로 구현이 가능한 Zigbee 모듈의 RSSI를 사용하면 정확도가 낮기 때문에 위치인식 방법 중 비교적 정확도가 높은 AoA방법을 이용하여 hybrid 방식으로 구현하였다. 구현 환경은 다중경로 페이딩의 영향이 적게 미치는 곳을 골라 실내에서 구현 하였다. 2D 평면상에 그림 12와 같은 방법으로 4개의 비컨과 하나의 수신기로 구성되며 각 비컨들은 2m 혹은 4m 의 거리로 구현하였다.
실험 후 2D 평면에 사각형의 각 모서리에 비컨을 하나씩 배치하고 지향성 안테나를 스텝 모터로 회전시켜 RSSI 로 방향각을 측정하고 AoA 방식과 삼각측량 기법을 이용하여 물체의 위치를 측정하는 시스템을 구현하였다. 구현에서 각 비컨의 거리는 2m 혹은 4m로 직사각형 형태였으며, 이를 그리드로 분할하여 측정된 위치에 해당하는 그리드를 수신기의 위치로 추정하였다. 본 논문의 시스템 구현 결과 35~36cm 정도의 오차를 보였으며, 이러한 오차와 스텝 모터의 회전이 필요하다는 것을 고려했을 때, 물체의 이동이 많지 않은 기자재 창고나 온실 등에 적용하기 적합하다.
Zigbee의 RSSI를 이용하여 위치측정을 하게 되면 지향성 안테나의 방사패턴이나 다중경로 페이딩에 의해서 오차가 많이 발생한다. 그래서 RSSI로는 방향각만 측정하고 위치측위 기법 중 비교적 정확도가 높은 AoA를 혼합하여 사용하였다. Zigbee는 저전력으로 오래 사용이 가능하여 물체의 움직임이 적은 곳에 적용하기 알맞다.
본 논문에서는 Zigbee의 RSSI를 이용하여 각을 측정하고, 측정된 각을 이용한 AoA 위치인식 시스템을 구현하였다. 본 논문에서 사용한 Maxstream사의 Zigbee 모듈을 이용하여 각도측정이 가능하다는 것을 입증하기 위해 다음과 같은 실험을 진행했다.
본 논문에서는 Zigbee 기반의 AoA 위치인식 시스템을 구현 하였다. 시스템을 구현하기 위해 Zigbee의 RSSI값을 이용하여 직선거리를 측정하는 실험과 지향성 안테나를 사용하여 RSSI값으로 각도의 구별여부를 실험 하였다. 실험의 결과 직선거리는 각 거리가 구별될 정도의 오차를 보이며, 각도의 경우 지향성 안테나가 가장 정면으로 바라보는 경우 RSSI 값이 가장 큰 값이 확인되어 시스템 구현에 문제가 없음을 확인 할 수 있었다.
이 실험은 흔히 사용하는 Zigbee와 안테나, 스텝 모터를 사용한 것으로 저렴한 비용으로 구현 가능여부를 연구한 것이다. 실험 후 2D 평면에 사각형의 각 모서리에 비컨을 하나씩 배치하고 지향성 안테나를 스텝 모터로 회전시켜 RSSI 로 방향각을 측정하고 AoA 방식과 삼각측량 기법을 이용하여 물체의 위치를 측정하는 시스템을 구현하였다. 구현에서 각 비컨의 거리는 2m 혹은 4m로 직사각형 형태였으며, 이를 그리드로 분할하여 측정된 위치에 해당하는 그리드를 수신기의 위치로 추정하였다.
실험은 거리에 따른 RSSI의 값을 확인했으며, 각도에 따른 RSSI의 값을 확인하였다. 실험에 사용한 안테나는 Coms Intellinet사의 Directional 안테나이며 RP-SMA 타입으로 Zigbee와 연결하였다.
실험은 두 가지 형태로 직선상에서 2m 간격으로 수신기를 배치하여 14m 까지 측정하였고, 각도의 측정은 5m 거리에서 -35°~55°까지 5°의 간격으로 측정하였다.
실험은 두 가지 형태로 직선상에서 2m 간격으로 수신기를 배치하여 14m 까지 측정하였고, 각도의 측정은 5m 거리에서 -35°~55°까지 5°의 간격으로 측정하였다. 실험을 토대로 실제 구현된 시스템에서는 수신신호강도를 이용하여 모서리에 비컨을 배치하고 각 비컨의 좌표를 알고 있다는 가정 하에 AoA와 Zigbee의 RSSI를 이용한 위치인식 시스템을 구현 하였다.
그림 7은 직선거리에 따른 RSSI 값을 확인하는 실험이다. 이 실험은 멀티패스 페이딩의 영향을 받지 않는 넓은 공터에서 측정하였으며 2m부터 시작하여 14m까지 2m 간격으로 측정하여 각 거리마다 100번의 RSSI 값을 측정 후 평균을 구했다.
같은 방법으로 각 비컨에서의 거리를 구하여 각 좌표를 확인하였다. 확인된 좌표 내에 물체가 있다고 판단하고 각 비컨에서 구해진 수신기 좌표 네 개의 중심점을 구하여 중심점의 좌표에 해당하는 그리드를 위치로 측정하였다.
대상 데이터
실험은 거리에 따른 RSSI의 값을 확인했으며, 각도에 따른 RSSI의 값을 확인하였다. 실험에 사용한 안테나는 Coms Intellinet사의 Directional 안테나이며 RP-SMA 타입으로 Zigbee와 연결하였다. 안테나의 주파수 범위는 2.
이론/모형
각 비컨들은 자신의 좌표를 알고 있으며각 비컨 사이의 거리도 알고 있다. 비컨에서 스텝 모터로 지향성 안테나를 회전 시켜 구한 RSSI 값으로 찾아진 수신기의 각도를 AoA 방식으로 삼각측량 기법을 이용하여 위치를 측정하였다. 수신기를 다른 곳에 배치하며 반복 실험 결과 평균 35~36cm 정도의 오차를 가지는 값을 얻을 수 있었다.
이에 간단한 시스템을 구현하여 확인하였다. 저렴한 비용으로 구현이 가능한 Zigbee 모듈의 RSSI를 사용하면 정확도가 낮기 때문에 위치인식 방법 중 비교적 정확도가 높은 AoA방법을 이용하여 hybrid 방식으로 구현하였다. 구현 환경은 다중경로 페이딩의 영향이 적게 미치는 곳을 골라 실내에서 구현 하였다.
성능/효과
또한 0° 에서의 오차 율도 매우 낮은 것을 확인하면서 Zigbee의 RSSI를 이용한 거리 및 각도 측정이 가능하다는 것이 확인되어 위치인식 시스템 구현을 하였다.
그림 8은 각 거리마다 RSSI를 측정한 값의 평균을 나타낸 것이다. 본 논문에서는 이 실험을 통하여 Zigbee를 이용한 RSSI값으로 거리를 측정 할 수 있다는 것을 입증하였다.
본 논문의 시스템 구성에 사용된 Zigbee 모듈 사용에 관한 실험으로 구현이 가능하다는 결과를 도출할수 있었다. 이에 간단한 시스템을 구현하여 확인하였다.
구현에서 각 비컨의 거리는 2m 혹은 4m로 직사각형 형태였으며, 이를 그리드로 분할하여 측정된 위치에 해당하는 그리드를 수신기의 위치로 추정하였다. 본 논문의 시스템 구현 결과 35~36cm 정도의 오차를 보였으며, 이러한 오차와 스텝 모터의 회전이 필요하다는 것을 고려했을 때, 물체의 이동이 많지 않은 기자재 창고나 온실 등에 적용하기 적합하다.
비컨에서 스텝 모터로 지향성 안테나를 회전 시켜 구한 RSSI 값으로 찾아진 수신기의 각도를 AoA 방식으로 삼각측량 기법을 이용하여 위치를 측정하였다. 수신기를 다른 곳에 배치하며 반복 실험 결과 평균 35~36cm 정도의 오차를 가지는 값을 얻을 수 있었다.
시스템을 구현하기 위해 Zigbee의 RSSI값을 이용하여 직선거리를 측정하는 실험과 지향성 안테나를 사용하여 RSSI값으로 각도의 구별여부를 실험 하였다. 실험의 결과 직선거리는 각 거리가 구별될 정도의 오차를 보이며, 각도의 경우 지향성 안테나가 가장 정면으로 바라보는 경우 RSSI 값이 가장 큰 값이 확인되어 시스템 구현에 문제가 없음을 확인 할 수 있었다. 이 실험은 흔히 사용하는 Zigbee와 안테나, 스텝 모터를 사용한 것으로 저렴한 비용으로 구현 가능여부를 연구한 것이다.
하지만 위치 인식을 위해서는 RSSI 값이 가장 높은 것만 찾으면 되기 때문에 원하는 값인 0° 에서는 RSSI 값이 가장 높다는 것을 확인 할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
위치인식 기술에는 무엇이 있는가?
위치인식 기술은 컴퓨터나 사물이 자신의 위치를 알고 환경의 변화에 따라 주어진 임무를 제어 및 처리를 하는 기술이다. 위치인식 기술에는 신호의 세기를 이용하여 거리를 측정하는 RSSI(Received Signal Strength Indicator), 송 신에서 수신까지 도달하는데 소요되는 절대적인 시각을 측정하여 거리를 측정하는 ToA(Time of Arrival), 두 개 이상의 수신측에서 수신된 신호의 도착 시간의 차이로 위치를 계산하는 TDoA(Time Difference of Arrival), Array 안테나를 이용하여 수신된 신호의 방향각으로 위치를 측정하는 AoA(Angle of Arrival)가 있으며 위치인식 기술의 연구는 계속 되고 있다 [1],[2].
위치인식 기술이란?
컴퓨터나 사물이 자동화 되어 실생활에 이익을 주려면 위치인식 기술이 필수이다. 위치인식 기술은 컴퓨터나 사물이 자신의 위치를 알고 환경의 변화에 따라 주어진 임무를 제어 및 처리를 하는 기술이다. 위치인식 기술에는 신호의 세기를 이용하여 거리를 측정하는 RSSI(Received Signal Strength Indicator), 송 신에서 수신까지 도달하는데 소요되는 절대적인 시각을 측정하여 거리를 측정하는 ToA(Time of Arrival), 두 개 이상의 수신측에서 수신된 신호의 도착 시간의 차이로 위치를 계산하는 TDoA(Time Difference of Arrival), Array 안테나를 이용하여 수신된 신호의 방향각으로 위치를 측정하는 AoA(Angle of Arrival)가 있으며 위치인식 기술의 연구는 계속 되고 있다 [1],[2].
ToA방식은 어떤 방법인가?
ToA방식은 전파도달시간 기반의 위치인식 기술이다. ToA는 수신기와 비컨 사이에 신호가 도달하는 절대적인 시간을 측정하여 거리를 계산하는 방법이다. ToA는 수신기와 비컨간의 동기화 (Synchronization)가 되어야 한다.
참고문헌 (11)
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한세대학교, "CSS 방식의 근거리 위치인식 솔루션개발-최종보고서," 한국전파진흥원, December. 2009.
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C. McGillem and D. Rappaport, T.S., "A beacon navigation method for autonomous vehicles," Vehicular Technology, IEEE Transactions on., pp. 132-139, Aug. 1989.
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