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문제 정의
- 본 논문에서는 RSS를 이용한 효율적인 실시간 실외 위치 추적 알고리즘과 그에 기반 한 시스템을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 AP로 수신되는 태그의 신호의 세기 중 적용하고자하는 공간 내에서의 신호 세기를 DB화하여 칼만필터 이론을 적용한 예측을 통한보다 정확한 좌표를 선별하는 방법을 통해 정상 데이터만을 추출하는 방법을 적용하여 위치의 정확도를 높였으며, 특히 신호세기에 기반 한 정상 데이터 구간을 위치별로 DB화하여 보다 정확한 위치 추정이 가능하도록 하였다.
- 본 논문에서는 직접 제작한 무선통신 장비인 태그, AP, 데이터 수집기 등으로 구성된 IEEE 802.15.4 네트워크 환경에서 외적요인에 따른 RSS 특성을 분석하고, 지정된 공간의 실외 위치 추적 시스템을 위한 실험 환경을 구축하여 개선된 RSS 알고리즘을 기반으로 보다 정확한 지정된 공간의 실외 위치 추적 시스템을 구현한다. TI사[2]의 MSP430 마이크로프로세와 2.
제안 방법
- TOA를 이용한 거리 측정 방식은 태그와 AP 사이에서 신호가 전달되는데 걸린 시간차를 측정하여 이를 거리로 변환해 위치추적에 이용하는 방식이다[5],[6],[7]. AP와 태그 사이의 시간 차이가 일정한 지점들을 이용해 태그의 위치를 계산한다. TOA를 사용한 위치 추적 시스템이 RSS를 사용한 방식보다 높은 정확도를 보여주기는 하나, 위치 계산과정이 복잡하고 계산 양도 많으며 모든 AP들에 대해 고정밀 타이머를 제공해야 한다.
- 4 네트워크 환경에서 외적요인에 따른 RSS 특성을 분석하고, 지정된 공간의 실외 위치 추적 시스템을 위한 실험 환경을 구축하여 개선된 RSS 알고리즘을 기반으로 보다 정확한 지정된 공간의 실외 위치 추적 시스템을 구현한다. TI사[2]의 MSP430 마이크로프로세와 2.4GHz 대역의 무선통신이 가능하며 IEEE 802.15.4를 지원하는 CC2420 무선통신 칩을 기반으로 무선통신 장비를 설계한다. 또한 데이터 수집기에서 무선통신을 통해 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 다시 중앙 관리 센터에 전송하여 응용프로그램을 통해 위치를 추적하는 방법으로 시스템을 구성한다.
- 실험에 필요한 무선통신 장비는 태그, AP, 데이터 수집기로 나뉘어지며, 각각의 무선통신 장비는 크게 제어부, 무선통신부 전원부로 구성된다. 각 부분은 그림 2에서와 같이 MSP430 마이크로프로세서를 사용하여 전반적인 시스템을 제어하도록 하였으며, CC2420 무선통신 칩을 사용하여 저 전력, 사용의 용이성을 가진 근거리 무선 센서네트워크의 대표적 기술인 ZigBee 표준을 이용하여 무선 네트워크를 구성하였고, CP2102 USB-UART 브리지를 사용하여 마이크로프로세서 통신환경인 UART와 USB사이의 원활한 통신을 가능하게 했으며, MSP430의 ROM에 펌웨어를 다운로드하는 모드와 ROM에 저장된 펌웨어를 실행하는 모드를 결정해주는 스위치로 이루어져있다.
- 각각의 모든 구역에 대하여 태그의 위치가 화면에 300번씩 출력될 때 까지 AP로부터 데이터를 수집하여 각각의 데이터를 분석하였다. 25개의 구역 중에서 M구역에 태그가 부착된 모자를 착용한 사람을 위치시킨 후 300회 측정하여 얻은 계산된 좌표의 분포도, 기준점과 계산된 좌표와의 오차는 각각 그림 18, 그림 19와 같다.
- 기준범위를 벗어난 데이터가 수신될 경우 카운트를 연속해서 하고, 기준범위 내에 들어오는 정지 상태 데이터가 수신될 경우 카운트 변수를 초기화한다. 다수의 실험을 통해 얻은 가장 부드러운 위치추적을 수행하는 카운트 횟수인 12회를 카운트 한계치로 정하고, 그림 5에서와 같이 기준범위를 벗어난 데이터의 연속적인 카운트 횟수가 12회 미만까지는 정지한 상태로 판단하여 현재 좌표에 태그를 출력 하고, 연속적인 카운트 횟수가 12회 이상이 되는 경우에는 태그가 이동한 것으로 판단하여 태그의 이동반경을 예측한다. 한편 보통 사람 20명의 뛸 때 보폭을 측정하여 최댓값인 120cm를 한 번의 이동으로 움직일 수 있는 예측범위로 정하여 예측범위 내에 새로 계산된 좌표가 들어오는지 비교한다.
- AP는 태그로부터 정보를 받아 데이터 수집기로 전달하게 된다. 데이터 수집기는 AP로부터 전송되는 데이터들을 수집하여 LAN 또는 CDMA 방식을 사용하여 중앙 관리 센터에 전송한다. 중앙 관리 센터에서는 이 데이터들을 종합 및 분석하고, 사용자가 필요한 정보로 변환시켜 사용자에게 전달해준다.
- 그러나 주변 환경에 영향을 받아 안정하지 않은 RSS를 사용하여 실외 위치 추적을 하였을 경우에 정확한 위치를 추적하는데 어려움이 있게 된다. 따라서 본 논문에서는 환경에 영향을 많이 받는 RSS를 제안한 비정상 데이터 선별 알고리즘 이용하여 안정화 시킨 후에, 개선된 RSS를 사용하여 보다 정확한 위치를 추적한다.
- 4를 지원하는 CC2420 무선통신 칩을 기반으로 무선통신 장비를 설계한다. 또한 데이터 수집기에서 무선통신을 통해 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 다시 중앙 관리 센터에 전송하여 응용프로그램을 통해 위치를 추적하는 방법으로 시스템을 구성한다. 한편 위치추적에 필요한 태그와 AP간 거리는 RSS를 측정하여 거리를 산출하고, 중앙 관리 센터의 응용프로그램 내에서 위치를 계산한 후 알고리즘을 통해 오차를 개선시키는 방법을 사용한다.
- 5m로 일정한 간격을 유지시키고, 태그의 전원은 전원 공급 장치(Power Supply)를 사용하여 일정한 전원을 공급하도록 하여 RSS 값을 측정하였다. 매 시각마다 온도와 습도를 측정하고, 1시간 동안 수집된 데이터들의 평균값으로 RSS 값을 산출하여 각각의 데이터를 분석하였다. 실내와 실외의 온도에 따른 RSS 특성은 각각 그림 12, 그림 13과 같고, 실내와 실외의 습도에 따른 RSS 특성은 각각 그림 14, 그림 15와 같다.
- 설계과정에 따라 하드웨어가 설계된 이후에 TI사 MSP430 MCU를 위한 GCC toolchain인 MSPGCC 컴파일러를 사용하여 크로스컴파일 환경을 구축 하였다. 무선통신을 제어하기 위해 장비에 탑재할 OS(Operation System)는 CC2420 무선통신 칩을 동작하게 하는 드라이버 부분과 backoff 및 CCA 알고리즘이 구현되어 있는 TinyOS를 사용하였다.
- 앞서 기술한 3가지의 거리측정기술중 본 논문에서는 설계가 용이하며, 추가적인 장치가 필요하지 않아 저렴한 가격으로 센서 장비를 만들 수 있는 RSS에 기반한 거리측정기술을 적용하며, 위치추정을 위한 삼각 측량법[9],[10],[11]을 이용하여 지정된 공간에서의 실외 위치 추적 시스템을 구현한다. 그러나 주변 환경에 영향을 받아 안정하지 않은 RSS를 사용하여 실외 위치 추적을 하였을 경우에 정확한 위치를 추적하는데 어려움이 있게 된다.
- 외적요인에 따른 RSS 특성을 알아보기 위해 온도와 습도의 차이가 있는 실내와 실외 두 장소에서 태그와 AP간의 거리는 1.5m로 일정한 간격을 유지시키고, 태그의 전원은 전원 공급 장치(Power Supply)를 사용하여 일정한 전원을 공급하도록 하여 RSS 값을 측정하였다. 매 시각마다 온도와 습도를 측정하고, 1시간 동안 수집된 데이터들의 평균값으로 RSS 값을 산출하여 각각의 데이터를 분석하였다.
- 본 논문에서는 RSS를 이용한 효율적인 실시간 실외 위치 추적 알고리즘과 그에 기반 한 시스템을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 AP로 수신되는 태그의 신호의 세기 중 적용하고자하는 공간 내에서의 신호 세기를 DB화하여 칼만필터 이론을 적용한 예측을 통한보다 정확한 좌표를 선별하는 방법을 통해 정상 데이터만을 추출하는 방법을 적용하여 위치의 정확도를 높였으며, 특히 신호세기에 기반 한 정상 데이터 구간을 위치별로 DB화하여 보다 정확한 위치 추정이 가능하도록 하였다. RSS 기반의 위치 추적 시스템을 구축하여 태그의 위치를 추적한 결과는 실내와 실외 환경에서 온도와 습도, 거리에 따른 RSS 특성을 살펴본 결과 비교적 안정한 RSS 값을 갖는 실외 환경에서 제안한 알고리즘이 오차범위 50cm 이내의 보다 정확한 위치 추적을 가능하게 하였음을 확인 할 수 있었다.
- 중앙 관리 센터에서는 데이터 수집기로부터 수신된 데이터를 사용하여 위치추적을 한 후에 사용자에게 사용자가 원하는 정보를 제공하기 위하여, 그림 11과 같이 화면상에 태그의 현재 위치를 실시간으로 출력해주는 응용 프로그램을 구현하였다. 태그가 실시간으로 움직임에 따라 화면상에 출력되는 반응속도는 1초 내외로 실시간 위치추적이 가능하게 구현하였다.
- 본 실험에 사용한 무선통신 장비인 태그, AP, 데이터 수집기 등은 MSP430 마이크로컨트롤러, CC2420 무선통신 칩, 안테나 등으로 구성되어 있다. 태그, AP, 데이터 수집기가 각각의 기능으로 작동하도록 펌웨어를 수정하여 다운로드하고, 위치 측정을 위해 개발된 응용프로그램을 사용하여 태그의 위치를 측정한다. 실험 환경은 그림 10에서와 같이 개활지(옥상)에서 가로, 세로 2.
- AOA를 이용한 거리 측정 방식은 수신된 신호의 방향에 대한 정보를 사용하여 위치를 추적하는 방식이다. 하나의 AP에 4~12개의 안테나를 각 방향별로 배치하고, 태그로부터 신호를 수신받은 각각의 AP 안테나의 방향이 서로 만나는 지점을 이용해 태그의 위치를 계산한다[8]. AOA를 사용한 위치 추적 시스템이 높은 정확도를 보여주기는 하나, 빔 포밍(Beam Forming)을 위한 지향성 안테나가 요구되고 규모가 작은 AP에 여러 개의 안테나를 장착할 경우 안테나 사이의 위치가 가까워 효과적인 각도 산출에 어려움이 있기 때문에 시스템의 규모가 커지게 된다.
대상 데이터
- 그림 17에서와 같이 가로, 세로 각각 2.5m로 만들어진 실험장소를 50cm 간격으로 나누어 총 25개의 구역을 만들어 준다. 이때 위치 측정은 25개의 모든 구역에서 실시되었다.
- 본 실험에 사용한 무선통신 장비인 태그, AP, 데이터 수집기 등은 MSP430 마이크로컨트롤러, CC2420 무선통신 칩, 안테나 등으로 구성되어 있다. 태그, AP, 데이터 수집기가 각각의 기능으로 작동하도록 펌웨어를 수정하여 다운로드하고, 위치 측정을 위해 개발된 응용프로그램을 사용하여 태그의 위치를 측정한다.
- 태그, AP, 데이터 수집기가 각각의 기능으로 작동하도록 펌웨어를 수정하여 다운로드하고, 위치 측정을 위해 개발된 응용프로그램을 사용하여 태그의 위치를 측정한다. 실험 환경은 그림 10에서와 같이 개활지(옥상)에서 가로, 세로 2.5m로 만들어진 실험장소의 4개의 모서리에 AP1, AP2, AP3, AP4를 각각 고정시키고 태그는 모자에 부착시켜 사람이 직접 착용한 후에 위치를 측정하였다.
- 실험에 필요한 무선통신 장비는 태그, AP, 데이터 수집기로 나뉘어지며, 각각의 무선통신 장비는 크게 제어부, 무선통신부 전원부로 구성된다. 각 부분은 그림 2에서와 같이 MSP430 마이크로프로세서를 사용하여 전반적인 시스템을 제어하도록 하였으며, CC2420 무선통신 칩을 사용하여 저 전력, 사용의 용이성을 가진 근거리 무선 센서네트워크의 대표적 기술인 ZigBee 표준을 이용하여 무선 네트워크를 구성하였고, CP2102 USB-UART 브리지를 사용하여 마이크로프로세서 통신환경인 UART와 USB사이의 원활한 통신을 가능하게 했으며, MSP430의 ROM에 펌웨어를 다운로드하는 모드와 ROM에 저장된 펌웨어를 실행하는 모드를 결정해주는 스위치로 이루어져있다.
이론/모형
- 설계과정에 따라 하드웨어가 설계된 이후에 TI사 MSP430 MCU를 위한 GCC toolchain인 MSPGCC 컴파일러를 사용하여 크로스컴파일 환경을 구축 하였다. 무선통신을 제어하기 위해 장비에 탑재할 OS(Operation System)는 CC2420 무선통신 칩을 동작하게 하는 드라이버 부분과 backoff 및 CCA 알고리즘이 구현되어 있는 TinyOS를 사용하였다.
성능/효과
- 동일한 방법으로 25개의 모든 구역에 대하여 위치를 측정하여 얻은 오차의 평균과 표준편차를 계산한 결과는 표 1과 같다. 25개 구역에 대한 총 오차의 평균은 19.12cm, 총 오차의 표준편차는 5.31cm로 측정되었다. 따라서 25개의 모든 구역에서 오차 범위 50cm 이내의 태그가 부착된 모자를 착용한 사람의 위치 측정이 가능하다는 것을 확인하였다.
- 제안된 알고리즘은 AP로 수신되는 태그의 신호의 세기 중 적용하고자하는 공간 내에서의 신호 세기를 DB화하여 칼만필터 이론을 적용한 예측을 통한보다 정확한 좌표를 선별하는 방법을 통해 정상 데이터만을 추출하는 방법을 적용하여 위치의 정확도를 높였으며, 특히 신호세기에 기반 한 정상 데이터 구간을 위치별로 DB화하여 보다 정확한 위치 추정이 가능하도록 하였다. RSS 기반의 위치 추적 시스템을 구축하여 태그의 위치를 추적한 결과는 실내와 실외 환경에서 온도와 습도, 거리에 따른 RSS 특성을 살펴본 결과 비교적 안정한 RSS 값을 갖는 실외 환경에서 제안한 알고리즘이 오차범위 50cm 이내의 보다 정확한 위치 추적을 가능하게 하였음을 확인 할 수 있었다. 한편 온도와 습도에 따른 비선형적인 변화와 내부 구조에 의해 불안정한 RSS 값을 갖는 실내 환경에서는 제안 한 알고리즘과 그에 기반 한 시스템이 정확한 위치 추적에 다소 어려움이 있음을 확인 할 수 있었다.
- 31cm로 측정되었다. 따라서 25개의 모든 구역에서 오차 범위 50cm 이내의 태그가 부착된 모자를 착용한 사람의 위치 측정이 가능하다는 것을 확인하였다.
- 또한, 기준점과 계산된 좌표점간의 직선거리를 계산하여 오차를 확인한 결과 그림 19에서와 같이 오차는 50cm를 넘지 않는 범위에 존재한다는 것을 확인하였다.
- 한편 위치추적에 필요한 태그와 AP간 거리는 RSS를 측정하여 거리를 산출하고, 중앙 관리 센터의 응용프로그램 내에서 위치를 계산한 후 알고리즘을 통해 오차를 개선시키는 방법을 사용한다. 실험을 통해 외적요인에 따른 RSS 특성을 확인하고, 본 논문에서 제안한 비정상 데이터 선별 알고리즘이 보다 정확한 위치 추적을 가능하게 함을 확인한다.
- 실외에서 습도에 따른 RSS 특성을 나타낸 그림 14의 그래프에서 알 수 있듯이 실외에서 습도가 증가하면 RSS 값도 증가하는 선형적인 변화를 확인 할 수 있다. 즉 습도가 증가하면 신호의 감쇠가 줄어든다는 것을 확인하였다. 한편 실내에서 습도에 따른 RSS 특성을 나타낸 그림 15의 그래프에서는 습도에 따라 선형적인 변화를 보이는 실외환경과 달리 비선형적인 변화를 확인하였다.
- 실외에서 온도에 따른 RSS 특성을 나타낸 그림 12의 그래프에서 알 수 있듯이 실외에서 온도가 증가하면 RSS 값은 감소하는 선형적인 변화를 확인 할 수 있다. 즉 온도가 증가하면 신호의 감쇠가 늘어난다는 것을 확인하였다. 한편 실내에서 온도에 따른 RSS 특성을 나타낸 그림 13의 그래프에서는 온도에 따라 선형적인 변화를 보이는 실외환경과 달리 비선형적인 변화를 확인하였다.
- 중앙 관리 센터에서는 데이터 수집기로부터 수신된 데이터를 사용하여 위치추적을 한 후에 사용자에게 사용자가 원하는 정보를 제공하기 위하여, 그림 11과 같이 화면상에 태그의 현재 위치를 실시간으로 출력해주는 응용 프로그램을 구현하였다. 태그가 실시간으로 움직임에 따라 화면상에 출력되는 반응속도는 1초 내외로 실시간 위치추적이 가능하게 구현하였다.
- RSS 기반의 위치 추적 시스템을 구축하여 태그의 위치를 추적한 결과는 실내와 실외 환경에서 온도와 습도, 거리에 따른 RSS 특성을 살펴본 결과 비교적 안정한 RSS 값을 갖는 실외 환경에서 제안한 알고리즘이 오차범위 50cm 이내의 보다 정확한 위치 추적을 가능하게 하였음을 확인 할 수 있었다. 한편 온도와 습도에 따른 비선형적인 변화와 내부 구조에 의해 불안정한 RSS 값을 갖는 실내 환경에서는 제안 한 알고리즘과 그에 기반 한 시스템이 정확한 위치 추적에 다소 어려움이 있음을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- 향후 실내에서 이동하는 태그의 실시간 위치 추적 시스템의 구현을 위해서는 간섭을 제거하는 프로토콜이 내장되고, 마이크로프로세서와 무선통신 칩이 하나로 제작된 SoC(System On a Chip)를 사용하여 신호의 감쇠를 최소화 하고, 예측을 통해 새로 계산된 좌표를 선별하는 알고리즘의 효율성 향상 연구가 필요하다.
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