스마트폰의 블루투스 통신기술을 원격 제어 시스템에 적용하였을 때, 전파 감쇠와 간섭 등으로 인한 통신오류는 원격 조종 거리의 제한 및 제어 대상 기기의 조종 불능과 오동작의 원인이 된다. 본 연구에서는 통신 오류의 영향을 최소화하고, 또한 통신 장애로 인해 제어 대상 기기가 조종 불능상태에 빠졌을 때 시스템이 이를 감지하고 대처하도록 하기 위한 방편으로, 블루투스 원격 통신 시스템에 재전송 지속성이 조절되는 S/W ARQ를 이용하는 방법을 제안한다. 본 연구에서는 블루투스 모듈이 장착된 RC카(Remote control car)와 이를 조종하기 위한 스마트폰 애플리케이션을 구현한 다음, 제안하는 방법을 시험하였다. 몇 가지 통신 환경에서 시스템을 실험한 결과, S/W ARQ를 적용하였을 때 통신 가능한 거리가 최소한 30% 이상 늘어났음을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 통신 장애가 발생하여 조종이 어려운 경우 S/W ARQ가 적용된 시스템은 즉시 구동을 멈추어 오동작을 회피함을 확인하였다.
스마트폰의 블루투스 통신기술을 원격 제어 시스템에 적용하였을 때, 전파 감쇠와 간섭 등으로 인한 통신오류는 원격 조종 거리의 제한 및 제어 대상 기기의 조종 불능과 오동작의 원인이 된다. 본 연구에서는 통신 오류의 영향을 최소화하고, 또한 통신 장애로 인해 제어 대상 기기가 조종 불능상태에 빠졌을 때 시스템이 이를 감지하고 대처하도록 하기 위한 방편으로, 블루투스 원격 통신 시스템에 재전송 지속성이 조절되는 S/W ARQ를 이용하는 방법을 제안한다. 본 연구에서는 블루투스 모듈이 장착된 RC카(Remote control car)와 이를 조종하기 위한 스마트폰 애플리케이션을 구현한 다음, 제안하는 방법을 시험하였다. 몇 가지 통신 환경에서 시스템을 실험한 결과, S/W ARQ를 적용하였을 때 통신 가능한 거리가 최소한 30% 이상 늘어났음을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 통신 장애가 발생하여 조종이 어려운 경우 S/W ARQ가 적용된 시스템은 즉시 구동을 멈추어 오동작을 회피함을 확인하였다.
When the bluetooth technology of smartphone is applied to a remote control system, communication errors caused by wave attenuation and interference results in the shortening of communication distance, loss of the target device control and malfunctioning. In this study, we propose a method to adopt a...
When the bluetooth technology of smartphone is applied to a remote control system, communication errors caused by wave attenuation and interference results in the shortening of communication distance, loss of the target device control and malfunctioning. In this study, we propose a method to adopt a retransmission persistence controlled S/W ARQ in bluetooth communication to minimize the effect of the communication failure and to detect and handle the state where the target device gets lost control. We implemented a motor-driven RC car equpped with a bluetooth communication module and a steering application program on smartphone to test the proposed method. The experiments are conducted in three communication environments, and have resulted in the increase of the communication distance by at least 30% when S/W ARQ is applied. Moreover, when the communication was disrupted due to environmental disturbances, the S/W ARQ based system stopped immediately any undergoing operations to avoid possible malfunction.
When the bluetooth technology of smartphone is applied to a remote control system, communication errors caused by wave attenuation and interference results in the shortening of communication distance, loss of the target device control and malfunctioning. In this study, we propose a method to adopt a retransmission persistence controlled S/W ARQ in bluetooth communication to minimize the effect of the communication failure and to detect and handle the state where the target device gets lost control. We implemented a motor-driven RC car equpped with a bluetooth communication module and a steering application program on smartphone to test the proposed method. The experiments are conducted in three communication environments, and have resulted in the increase of the communication distance by at least 30% when S/W ARQ is applied. Moreover, when the communication was disrupted due to environmental disturbances, the S/W ARQ based system stopped immediately any undergoing operations to avoid possible malfunction.
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문제 정의
본 연구에서는 스마트폰의 블루투스 통신 기능으로 구성한 원격 제어 시스템에 오류 제어 프로토콜로 S/W ARQ를 적용하고 그 효용성을 시험하여 검증하고자 하였다. 이를 위해 RC카 시스템을 제작한 다음, S/W ARQ를 적용하여 원격 조종 시험을 수행한 결과와 S/W ARQ를 적용하지 않고 같은 시험을 수행한 결과를 비교하였다.
본 연구에서는 스마트폰의 블루투스 통신 기능을 이용하여 원격 조종 완구나 가전제품 등을 원격에서 조종하는 시스템에 통신오류 제어 프로토콜의 하나인 S/W ARQ(Stop-and-Wait Automatic Response reQuest)을 적용하는 방안을 검토하고 그효율성을 실험한다.
본 연구에서는 원격 제어 시스템에 S/W ARQ 프로토콜을 적용했을 때의 특성과 효용성을 알아보기 위해, 블루투스 모듈을 장착한 RC카(Remote control car)와 RC카를 조종하는 스마트폰 애플리케이션으로 이루어진 원격 제어 시스템(이하 블루투스 RC카 시스템)을 구현하고, 세 가지 환경에서 이를 구동하여 실험을 수행하였다. 실험결과 S/W ARQ를 적용한 경우 조종 가능 거리가 상당히 늘어났으며, 또한 RC카가 사용자의 제어 범위를 벗어나 통신이 두절되었을 때 RC카가 이를 감지하여 대처함을 확인하였다.
제안 방법
ARQ 모드와 비 ARQ 모드로 각각 스마트폰과RC카 사이의 연결을 설정한 뒤, 스마트폰으로 RC카 앞바퀴의 방향을 조작하는 명령을 전송하여 동작 여부를 확인하였다. 스마트폰과 RC카 사이의 거리를 10m씩 늘여가며 시험하였고, 각 시험당 10회씩 명령전송을 반복하면서 앞바퀴가 동작한 횟수를 계수하였다.
S/W ARQ를 적용하였을 때 성능 향상 정도를 알기 위해, 모든 시험환경에서 S/W ARQ를 적용한 ARQ 모드와 S/W ARQ를 적용하지 않은 비 ARQ 모드의 시험을 같이 수행하여 그 결과를 비교하였다. ARQ 모드에서는 S/W ARQ를 통해 스마트폰과 RC카 사이에 프레임이 송수신된다.
ARQ의 한 종류인 S/W ARQ는 프레임 하나를 전송하고 확인응답을 기다리다가, 확인응답이 수신되면 다음 프레임을 전송하는 방식이다. S/W ARQ의 경우 버퍼 공간 소요가 적고 제어 구조가 단순하여[5] 구현과 관리 측면에서 이점을 갖추었으므로, 본 연구에서는 S/W ARQ를 RC카 시스템에 적용하고 그 성능을 시험하였다.
본 연구에서 다루고자 하는 RC카 시스템에서는, 스마트폰의 버튼이나 터치스크린으로 입력된 조종 명령이 블루투스를 통해 RC카로 전달된다.
ARQ 모드와 비 ARQ 모드로 각각 스마트폰과RC카 사이의 연결을 설정한 뒤, 스마트폰으로 RC카 앞바퀴의 방향을 조작하는 명령을 전송하여 동작 여부를 확인하였다. 스마트폰과 RC카 사이의 거리를 10m씩 늘여가며 시험하였고, 각 시험당 10회씩 명령전송을 반복하면서 앞바퀴가 동작한 횟수를 계수하였다.
이 때문에 블루투스의 전파 수신율은 실내와 실외에서 많은 차이를 보이고, 실내에서도 공간의 넓이와 벽면의 재질, 내부 집기 등의 요인이 전파 수신율에 영향을 미친다[3]. 이를 고려하여 다양한 통신 환경에서 S/W ARQ의 효용을 시험하기 위해, 모두 세 가지 환경에서 시험을 시행하였다. 시험 환경 1 및 2를 Figure 7~8에 보였으며, 각 환경의 특성을 Table 2에 요약하였다.
본 연구에서는 스마트폰의 블루투스 통신 기능으로 구성한 원격 제어 시스템에 오류 제어 프로토콜로 S/W ARQ를 적용하고 그 효용성을 시험하여 검증하고자 하였다. 이를 위해 RC카 시스템을 제작한 다음, S/W ARQ를 적용하여 원격 조종 시험을 수행한 결과와 S/W ARQ를 적용하지 않고 같은 시험을 수행한 결과를 비교하였다. S/W ARQ를 적용하였을 때 조종 명령의 수신율이 개선되었고, 이로 인하여 S/W ARQ를 적용하지 않았을 때에 비해 조종 명령의 전반적인 통달 거리가 증가하였다.
대상 데이터
RC카 시스템에 적용된 S/W ARQ의 효용을 검증하기 위해 3장의 설계에 따라 구현된 RC카 시스템을 시험하고 그 결과를 수집하였다.
Android OS 기반의 애플리케이션에서 버튼으로 입력된 조종 명령은 블루투스 모듈을 통해 RC카에 전송된다. RC카는 ATMega128 MCU와 블루투스 모듈, 모터 등으로 구성되었다. 스마트폰의 조종 명령이 블루투스 모듈을 통해 MCU로 전달되면, MCU는 이 명령에 따라 RC카를 구동하고 스마트폰에 확인응답을 전송한다.
성능/효과
ARQ 모드를 적용하였을 때의 통신 성공률은 모든 시험 환경의 모든 거리에서 비 ARQ 모드와 같거나 그보다 높았으며, 이에 따라 조종이 가능한 거리도 증가하였다. 특히 시험 환경 3의 경우, ARQ 모드에서 100%의 통신 성공률을 기록한 최장거리는 20m인데, 이것은 비 ARQ 모드에 비해 두 배로 증가한 것이다.
이를 위해 RC카 시스템을 제작한 다음, S/W ARQ를 적용하여 원격 조종 시험을 수행한 결과와 S/W ARQ를 적용하지 않고 같은 시험을 수행한 결과를 비교하였다. S/W ARQ를 적용하였을 때 조종 명령의 수신율이 개선되었고, 이로 인하여 S/W ARQ를 적용하지 않았을 때에 비해 조종 명령의 전반적인 통달 거리가 증가하였다. 또한 S/W ARQ를 통해 RC카 시스템이 통신 상황을 감지하여, 통신 상태가 좋지 않을 경우 기동을 멈추고 Buzzer와 LED 신호를 발생시켜 대응할 수 있음을 확인하였다.
같은 방법으로 비교하였을 때 50m 구간의 통신 성공률은 ARQ 모드 적용 시 350% 증가하였고, 60m 구간의 통신 성공률은150% 증가하였다.
비ARQ 모드로 시스템을 운용하였을 때 개활지인운동장(시험 환경 3)의 100% 통달 거리는 10m였다. 건물 내 복도인 시험 환경 1과 2의 100% 통달 거리는 이보다 더 길었는데, 두 벽면 대부분이 콘크리트로 이루어진 시험 환경 1의 통달 거리(40m)가, 벽면의 재질에서 유리창과 목재의 비율이 높은 시험 환경 2의 통달 거리(30m)보다 길었다.
S/W ARQ를 적용하였을 때 조종 명령의 수신율이 개선되었고, 이로 인하여 S/W ARQ를 적용하지 않았을 때에 비해 조종 명령의 전반적인 통달 거리가 증가하였다. 또한 S/W ARQ를 통해 RC카 시스템이 통신 상황을 감지하여, 통신 상태가 좋지 않을 경우 기동을 멈추고 Buzzer와 LED 신호를 발생시켜 대응할 수 있음을 확인하였다. 이처럼 S/W ARQ의 적용을 통해 조종 명령의 수신율과 통달 거리를 증가시키고 통신 상황에 대한 대응 능력을 부여하는 기법은, RC카와 같은 완구류와 여러 가전제품 등 실생활에 밀접한 전자제품을 스마트폰으로 제어할 때의 효용성을 증가시킬 수 있을 것으로 생각된다.
본 연구에서는 원격 제어 시스템에 S/W ARQ 프로토콜을 적용했을 때의 특성과 효용성을 알아보기 위해, 블루투스 모듈을 장착한 RC카(Remote control car)와 RC카를 조종하는 스마트폰 애플리케이션으로 이루어진 원격 제어 시스템(이하 블루투스 RC카 시스템)을 구현하고, 세 가지 환경에서 이를 구동하여 실험을 수행하였다. 실험결과 S/W ARQ를 적용한 경우 조종 가능 거리가 상당히 늘어났으며, 또한 RC카가 사용자의 제어 범위를 벗어나 통신이 두절되었을 때 RC카가 이를 감지하여 대처함을 확인하였다.
한편 ARQ 모드에서 시험 중 프레임 누락이 빈번히 일어나거나 통신이 두절될 경우, RC카의 모터 동작이 멈추고 LED와 Buzzer가 동작함을 확인하였다.
후속연구
이처럼 S/W ARQ의 적용을 통해 조종 명령의 수신율과 통달 거리를 증가시키고 통신 상황에 대한 대응 능력을 부여하는 기법은, RC카와 같은 완구류와 여러 가전제품 등 실생활에 밀접한 전자제품을 스마트폰으로 제어할 때의 효용성을 증가시킬 수 있을 것으로 생각된다. 또한 향후 본 연구의 결과를, 각종 원격 제어 시스템에 대한 블루투스 프로파일 제작에 응용할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스마트폰의 블루투스 통신기술을 원격 제어 시스템에 적용하였을 때, 통신오류는 어떠한 문제의 원인이 되는가?
스마트폰의 블루투스 통신기술을 원격 제어 시스템에 적용하였을 때, 전파 감쇠와 간섭 등으로 인한 통신오류는 원격 조종 거리의 제한 및 제어 대상 기기의 조종 불능과 오동작의 원인이 된다. 본 연구에서는 통신 오류의 영향을 최소화하고, 또한 통신 장애로 인해 제어 대상 기기가 조종 불능상태에 빠졌을 때 시스템이 이를 감지하고 대처하도록 하기 위한 방편으로, 블루투스 원격 통신 시스템에 재전송 지속성이 조절되는 S/W ARQ를 이용하는 방법을 제안한다.
ARQ란?
ARQ(Automatic Response reQuest, 자동 재전송)는 송신측이 프레임을 전송하면 수신측에서 수신 여부를 확인응답 프레임을 통해 송신측에 알리는 방식의 통신오류 제어 프로토콜이다. 프레임 재전송 타이머를 갖는 ARQ가 적용된 시스템의 경우, 송신측은 확인응답 프레임을 받지 못하거나 오류를 알리는 확인응답 프레임을 수신하였을 때 프레임을 재전송하여 오류 복구를 시도한다[4][5].
지금까지 블루투스 기술은 어디에 많이 활용되었는가?
스마트폰에는 여러 가지 통신기술이 적용되어 있는데, 그중에서도 블루투스는 통신 모듈의 크기가 작고 전력소모가 적을 뿐 아니라 모듈의 가격 또한 저렴하여 활용 가능성이 매우 높은 근거리 통신기술이다[1]. 이 기술은 지금까지 주로 데스크탑 컴퓨터 혹은 포터블 컴퓨터와 주변기기 사이의 파일 전송, 각종 무선 음향기기 및 무선 입력장치 등에 많이 활용되었으며, 실생활과 밀접한 원격 제어 시스템의 통신수단으로도 유용하게 쓰일 수 있을 것이다.
참고문헌 (7)
Bluetooth Special Interest Group, Bluetooth specification version 4.1, http://www.bluetooth.org, Accessed December 3, 2013.
Y. J. Yoon, J. W. Kim, K. H. Kim, S. W. Choi, and S. H Lee, A Study on Indoor Propagation Characteristics for a Short Distance Radio Communication Service in ISM Band, M.S. Thesis, Department of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University, Korea, 2002 (in Korean).
Bluetooth Special Interest Group, Audio/Video Remote Control Profile V15, http://www.bluetooth.org, Accessed November 13, 2013.
William stallings, Data and Computer Communications, 8th Ed., Prentice Hall, 2007.
S. Lin, Daniel J. Costello, and Michael J. Miller, "Automatic-repeat-request error control schemes", IEEE Communications Magazine, vol. 22, no. 12, pp. 5-17, 1984.
G. Fairhurst and L. Wood, Advice to Link Designers on Link Automatic Repeat Request (ARQ), http://www.ietf.org/rfc/rfc3366.txt, Accessed November 13, 2013
B. J. Kim, "A buffer size-based retransmission persistence control for ARQ protocols," The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 6, no. 4, pp. 487-492, 2011 (in Korean).
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