LED 조명기구로의 전환은 홈네트워크 등에서 단순히 기계적 연동에 의해 전원제어만이 고려되던 조명기구를 조명과 무선통신이 결합된 하나의 IT컨버전스(Convergence)로 변환시켰고, 그 구체적인 예가 바로 Visible Light Communication(VLC) 즉 가시광 무선통신이다. VLC의 대표적인 응용으로 고정밀의 실내 위치측정을 기반으로 하는 실내 내비게이션 시스템을 들 수 있다. 본 논문에서는 대형 건물에서 주로 사용되는 형광등 타입의 LED 조명기구와 현재 사용자 단말로 가장 흔하게 사용되는 스마트 기기를 실내 내비게이션 시스템의 구성요소로 고려하는 VLC 기반의 스마트 기기를 이용한 실내 내비게이션 시스템을 모델링하고 구현함으로써 VLC 응용개발의 구현성과 스마트 기기와의 융합성 연구를 보다 용이하게 하고자 한다.
LED 조명기구로의 전환은 홈네트워크 등에서 단순히 기계적 연동에 의해 전원제어만이 고려되던 조명기구를 조명과 무선통신이 결합된 하나의 IT 컨버전스(Convergence)로 변환시켰고, 그 구체적인 예가 바로 Visible Light Communication(VLC) 즉 가시광 무선통신이다. VLC의 대표적인 응용으로 고정밀의 실내 위치측정을 기반으로 하는 실내 내비게이션 시스템을 들 수 있다. 본 논문에서는 대형 건물에서 주로 사용되는 형광등 타입의 LED 조명기구와 현재 사용자 단말로 가장 흔하게 사용되는 스마트 기기를 실내 내비게이션 시스템의 구성요소로 고려하는 VLC 기반의 스마트 기기를 이용한 실내 내비게이션 시스템을 모델링하고 구현함으로써 VLC 응용개발의 구현성과 스마트 기기와의 융합성 연구를 보다 용이하게 하고자 한다.
Recently, Light Emitting Diode(LED) light is changing the light equipment, which was considered just as a power-controlled device in home-network, into a IT convergence device by combining illumination function with wireless communication. As a result, Visible Light Communication(VLC) becomes a more...
Recently, Light Emitting Diode(LED) light is changing the light equipment, which was considered just as a power-controlled device in home-network, into a IT convergence device by combining illumination function with wireless communication. As a result, Visible Light Communication(VLC) becomes a more practical solution to ubiquitous networks due to the more spread of LED light. One of representative applications using VLC is a VLC-based indoor navigation system which can provide high-accuracy indoor localization. In this paper, we model and implement a VLC based-indoor navigation system in which a fluorescent light type of LED lamp, which is normally used in large buildings, and smart devices, which are usually used by users, are utilized as main components for indoor navigation. Subsequently, it is expected that the paper can contribute to make VLC applications be more active.
Recently, Light Emitting Diode(LED) light is changing the light equipment, which was considered just as a power-controlled device in home-network, into a IT convergence device by combining illumination function with wireless communication. As a result, Visible Light Communication(VLC) becomes a more practical solution to ubiquitous networks due to the more spread of LED light. One of representative applications using VLC is a VLC-based indoor navigation system which can provide high-accuracy indoor localization. In this paper, we model and implement a VLC based-indoor navigation system in which a fluorescent light type of LED lamp, which is normally used in large buildings, and smart devices, which are usually used by users, are utilized as main components for indoor navigation. Subsequently, it is expected that the paper can contribute to make VLC applications be more active.
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문제 정의
본 논문에서는 VLC 기반의 스마트 기기를 이용한 실내 내비게이션 시스템을 모델링하고 실제로 구현하였다. VLC 기반의 스마트 기기를 이용한 실내 내비게이션 시스템은 크게 VLC 송신기와 VLC 수신부를 포함하는 스마트 기기, 그리고 스마트 기기에서 동작하는 실내 내비게이션 어플로 구분될 수 있다.
본 논문에서는 VLC와 현재 사용자 단말기로 가장 많이 사용되고 있는 스마트 기기를 결합하여 실내 내비게이션을 제공하는 시스템을 구현한다. 실내 내비게이션은그 목적상 대상이 관공서, 콘서트장, 박물관, 병원, 백화점, 마트 등의 대형 건물이 될 것이므로 본 논문에서는 대형 건물에서 일반적으로 사용되는 형광등 타입의 LED 조명기구를 이용한다.
주어진 심볼주기 Tsymbol 내에서 결정되는 듀티비 (duty rate)가 곧 LED 조명기기의 밝기를 나타내므로, 본 논문에서는 주어진 심볼주기 내에서 LED의 조명기기의 밝기를 높이기 위한 방법으로 DIPPM(Double IPPM)을 제안한다. DIPPM은 기존 IPPM의 구조를 그대로 사용하면서 단지 선택된 슬롯에 기존 IPPM의 심볼 가운데 하나를 축소하여 삽입한다.
제안 방법
LED 조명기구로의 전환은 홈네트워크 등에서 단순히 기계적 연동에 의한 전원제어만이 고려되던 조명기구를 조명과 무선통신이 결합된 하나의 IT 컨버전스 (Convergence)로 변환시켰다. 디지털 반도체로서 LED 조명은 ON-OFF 깜빡임 제어를 통해 가시광 무선통신 (이하 VLC, Visible Light Communication)을 수행할 수있는데 이것은 초당 70번 이상의 깜빡임에서는 사람의 눈이 이를 인식하지 못함을 이용한 것이다.
system 본 논문에서 설계하는 전체 시스템의 하드웨어 구성은 그림1과 같이 크게 LED 조명 기구의 on-off 스케줄링을 제어함으로써 LED 조명기구를 통해 VLC 신호를 전송하는 VLC 송신기와, VLC 수신부를 통해 VLC 송신기로부터 전송된 VLC 신호를 수신하고 위치정보를 추출하여 사용자에게 해당 위치를 디스플레이하는 스마트 기기 (Smart Device)로 구성된다. 여기에서 스마트 기기는 스마트 폰, 스마트 패드 등과 같은 사용자 단말기를 총칭하는 용어로 사용되었다.
VLC 기반의 스마트 기기를 이용한 실내 내비게이션 시스템은 크게 VLC 송신기와 VLC 수신부를 포함하는 스마트 기기, 그리고 스마트 기기에서 동작하는 실내 내비게이션 어플로 구분될 수 있다. 구현의 실제성을 더하기 위하여 대형 건물에서 사용되기 시작하고 있는 형광등 타입의 LED 조명기구를 사용하였으며, 사용자가 자신의 스마트 기기에 다운로드된 어플을 사용하여 VLC를 통해 실내 내비게이션 서비스를 받을 수 있도록 하였다. II 장에서 모델링된 VLC 기반의 스마트 기기를 이용한 실내내비게이션 시스템의 실제구현을 III장에서 보였으며, 제대로 동작함을 IV장 시연결과에서 확인 할 수 있었다.
스마트 기기로서 S5PV210(ARM Cortex A8)을 탑재한 CM-V210 보드와 CM-V210 확장보드로 구성된 Mango-210을 사용하였다. 구현의 편리성을 위하여 VLC 수신부를 제작하고, 이것을 II.1에서 설명한 바와 같이 시리얼 인터페이스(Serial Interface)로 스마트 기기에 연결 하였다. 그림 11은 VLC 수신부의 회로도를 도시한다.
실내 내비게이션은그 목적상 대상이 관공서, 콘서트장, 박물관, 병원, 백화점, 마트 등의 대형 건물이 될 것이므로 본 논문에서는 대형 건물에서 일반적으로 사용되는 형광등 타입의 LED 조명기구를 이용한다. 또한, VLC 신호로 많이 사용되고 있는 IPPM(Inverse Pulse Position Modulation)의 밝기를 개선하기 위한 DIPPM(Double IPPM)을 제안하고 사용한다. 본 논문은 구체적인 하드웨어/소프트웨어 구성및 구현을 제공함으로 VLC 응용개발의 구현성을 용이하게 하고 스마트 기기와의 융합성을 증진시키는데 좋은 연구 자료가 될 것으로 사료된다.
본 논문에서는 VLC 라인코딩심볼로서 PPM(Pulse Position Modulation) 기반의 DIPPM(Double Inverse PPM)을 제안하고 구현에 사용한다.
그림 11의 Con4Pin은 그림 4에 표기된 직렬통신과 메인전원에 대한 구현부이며, 스마트 기기로 사용된 Mango-210과 VLC 수신부 사이의 연결부이다. 본 연결부를 통하여 VLC 수신부는 Mango-210으로부터 전원을 공급받고 직렬통신을 수행한다.
시연은 그림 10에서 보인 3개의 VLC 송신기를 이용 하여 101호에서 1층 출입문으로 이동하는 상황을 보이는 시나리오를 고려하였다. 3개의 VLC 송신기에 대해 101호, 중간지점, 그리고 1층 출입문 순으로 위치값을 각각 할당하였다.
본 논문에서는 VLC와 현재 사용자 단말기로 가장 많이 사용되고 있는 스마트 기기를 결합하여 실내 내비게이션을 제공하는 시스템을 구현한다. 실내 내비게이션은그 목적상 대상이 관공서, 콘서트장, 박물관, 병원, 백화점, 마트 등의 대형 건물이 될 것이므로 본 논문에서는 대형 건물에서 일반적으로 사용되는 형광등 타입의 LED 조명기구를 이용한다. 또한, VLC 신호로 많이 사용되고 있는 IPPM(Inverse Pulse Position Modulation)의 밝기를 개선하기 위한 DIPPM(Double IPPM)을 제안하고 사용한다.
일반적으로 안드로이드 어플 프로그래밍에서 Activity는 Function을 포함하여 동작하지만 본 논문에서는 코드가긴 Activity의 기능을 분리하여 Function type으로 정의하고 별도로 구성하였다. Function type 은 Activity처럼 하나의 창을 구성하는 것이 아니라, 해당 창에서 사용되는 데이터들을 제어하고 가공하는 역할을 한다.
대상 데이터
시연은 그림 10에서 보인 3개의 VLC 송신기를 이용 하여 101호에서 1층 출입문으로 이동하는 상황을 보이는 시나리오를 고려하였다. 3개의 VLC 송신기에 대해 101호, 중간지점, 그리고 1층 출입문 순으로 위치값을 각각 할당하였다. 그림 15의 (a)는 사용된 형광등 타입의 LED 조명기구이며, (b)는 그림 14의 (a)에 도시된 바와 같이 길찾기 기능을 사용하여 경로를 설정하는 것을 보여준다.
본 논문의 시스템 구현에서 고려하는 LED 조명은 대형 건물 등에 실제적으로 적용될 수 있는 12W 1200mm 형광등 타입이다. AC 전원(AC plug)으로 부터 VLC 송신기와 LED 조명에 전원을 공급하기 위하여 입력 220V 출력 48V SMPS인 RS-75 시리즈와 입력 48V 출력 5V 인 IQ4805SA를 사용하였다. IQ4805SA는 VLC 송신기의 제어부(MCU)인 AVR128과 입력되는 PWM 신호에 대해 디지털 리피터(Repeater)의 역할을 수행하는 74LS08에 전원을 공급하고, RS-75는 IQ4805SA와 LED 조명에 전원을 공급한다.
그림 11은 VLC 수신부의 회로도를 도시한다. VLC 수신부의 제어부(MCU)로 VLC 샘플링 해상도 (Resolution)을 고려하여 STM32F103을 사용하였고, 포토센서로서 TSL252를 사용하였다. TSL252의 출력단의 10 K ohm은 적절한 ADC 범위를 설정하기 위하여 사용되었다.
본 논문에서 고려하는 VLC의 프레임 구조는 아래 그림 8과 같이 프레임의 시작을 알리는 프리엠블 (Preamble), 송수신 주소 및 프레임 타입(Type)을 담고 있는 헤더(Header), 그리고 위치정보를 표현하는 데이터 (DATA)로 구성된다. 위치정보는 건물식별을 위한 B_ID(Building_IDentification), 층수를 구별하기 위한 F_ID(Floor__IDentification), 그리고 LED 조명기구의 위치정보를 나타내는 P_ID(Position__IDentification)로 구성된다.
그림 9는 구현하고자 하는 VLC 송신기의 전체 회로도를 도시한다. 본 논문의 시스템 구현에서 고려하는 LED 조명은 대형 건물 등에 실제적으로 적용될 수 있는 12W 1200mm 형광등 타입이다. AC 전원(AC plug)으로 부터 VLC 송신기와 LED 조명에 전원을 공급하기 위하여 입력 220V 출력 48V SMPS인 RS-75 시리즈와 입력 48V 출력 5V 인 IQ4805SA를 사용하였다.
스마트 기기로서 S5PV210(ARM Cortex A8)을 탑재한 CM-V210 보드와 CM-V210 확장보드로 구성된 Mango-210을 사용하였다. 구현의 편리성을 위하여 VLC 수신부를 제작하고, 이것을 II.
이론/모형
VLC에서 LED 조명기기는 통신의 매체인 동시에 조명기기로서의 역할을 충실히 수행하여야 함으로 m-PPM을 VLC에 그대로 적용하는 것은 적합하지 않다. PPM 구조를 그대로 유지하면서 조명의 밝기를 높이기 위한 방법으로서 IPPM(Inverse PPM)이 고려되었다. IPPM은 기존의 m-PPM 신호를 뒤집은 형태를 가지며, m개의 슬롯 가운데 오직 하나의 슬롯에만 펄스를 할당하지 않고 나머지 슬롯에 펄스를 할당한다.
후속연구
또한, VLC 신호로 많이 사용되고 있는 IPPM(Inverse Pulse Position Modulation)의 밝기를 개선하기 위한 DIPPM(Double IPPM)을 제안하고 사용한다. 본 논문은 구체적인 하드웨어/소프트웨어 구성및 구현을 제공함으로 VLC 응용개발의 구현성을 용이하게 하고 스마트 기기와의 융합성을 증진시키는데 좋은 연구 자료가 될 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED를 이용한 조명기구가 조명시장을 잠식해가며 유럽 연합은 어떠한 행보를 걸어왔는가?
이와 관련하여 우리나라의 경우 지식 경제부를 중심으로 2015년까지 전체 조명의 30%를 LED 조명으로 전환하는 1530 프로젝트가 추진되고 있으며, 미국은 조명 시장의 50%를 LED 조명으로 확산한다는 Vision 2020 프로젝트를 추진 중에 있다. 또한, 유럽 연합(EU)은 이미 2012년 9월부터 모든 종류의 백열등에 대한 생산, 수입, 판매를 금지하였다. 이와 같이 기존 조명기구에서 LED 조명기구로의 전환은 실제 적인 법안과 국가적인 노력들에 힘입어 빠르게 전 세계 적으로 일어나고 있다.
VLC의 특징은?
일반적으로 알려진 바와 같이, 실내 그리고 지하철과 같은 지하 공간 등에서는 GPS 신호를 수신하기가 어렵기 때문에 위치 측정의 정밀도가 상당히 떨어지고, 기존의 WSN (Wireless Sensor Network)와 Wifi를 이용한 위치 측정은 자신의 위치를 알고 있는 비콘노드(Beacon Node)나 다수의 AP(Access Point)가 요구되는 등의 부가적인 인프라가 소요되어 시스템 구현 비용이 상대적으로 높고 전파의 특성상 그 정밀도 또한 보장하기 어렵다. 그러나 VLC의 경우, 통신의 매체가 되는 가시광을 눈으로 볼 수 있으므로 전송 범위를 쉽게 확인할 수 있고, 설계자의 의도에 따라 그 전송 범위를 조절 할 수 있으므로 통신이 수행되는 위치를 이론상 mm단위까지 측정이 가능하다.[9-11]
1530 프로젝트란?
기존의 조명기구로 각광을 받아왔던 백열등 및 형광등의 시대가 가고 바야흐로 LED를 이용한 조명기구가 조명시장을 잠식해 가고 있다. 이와 관련하여 우리나라의 경우 지식 경제부를 중심으로 2015년까지 전체 조명의 30%를 LED 조명으로 전환하는 1530 프로젝트가 추진되고 있으며, 미국은 조명 시장의 50%를 LED 조명으로 확산한다는 Vision 2020 프로젝트를 추진 중에 있다. 또한, 유럽 연합(EU)은 이미 2012년 9월부터 모든 종류의 백열등에 대한 생산, 수입, 판매를 금지하였다.
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