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Zigbee 기반 AoA 위치인식 시스템 실험 및 구현
AoA Localization System based on Zigbee Experimentation and Realization 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.15 no.1 = no.46, 2011년, pp.83 - 90  

조호성 (순천대학교) ,  박철영 (순천대학교) ,  박대헌 (순천대학교) ,  박장우 (순천대학교)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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 ...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (11)

  1. D. Niculescu and B. Nath, "Ad hoc positioning system (APS) using aoa," 22nd Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies., vol. 3, pp. 1734-1743, April. 2003. 

  2. Xinwei Wang, Ole Bischoff, Rainer Laur and Steffen Paul, "Localization in wireless Ad-hoc sensor networks using multilateration with rssi for logistic applications," Institute for Electromagnetic Theory and Microelectronics (ITEM)., vol. 1, pp. 461-464, September. 2009. 

  3. D. Niculescu and B. Nath, "Ad hoc positioning system (APS)," Global Telecommunications Conference., vol. 5, pp. 2926-2931, 2001. 

  4. M. Betke and L. Gurvits, "Mobile robot localization using landmark," Robotics and Automation, IEEE Transactions on., pp. 251-263, Apr. 1997. 

  5. Dragos Niculescu and Badri Nath, "VOR base stations for indoor 802.11 positioning," 10th annual international conference on Mobile computing and networking., pp. 58-69, September. 2004. 

  6. M. Sugano, "Indoor localization system using rssi measurement of wireless sensor network based on zigbee standard," in Wireless Sensor Network., 2006. 

  7. Asis Nasipuri, Kai Li, "A diretionality based location discovery scheme for wireless sensor networks," WSNA'02., September 28. 2002. 

  8. K. W. Cheung, H. C. So, W.-K. Ma, and Y. T. Chan, "Least squares algorithms for time-of-arrival-based mobile location," IEEE Transactions on Signal Processing., vol. 5, no. 4, April. 2004. 

  9. 한세대학교, "CSS 방식의 근거리 위치인식 솔루션개발-최종보고서," 한국전파진흥원, December. 2009. 

  10. Rong Peng, "Angle of arrival localization for wireless for sensor networks," Sensor and Ad Hoc Communications and Networks, SECON'06. 2006 3rd Annual IEEE Communications Society., vol. 1, September. 2006. 

  11. 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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