[논문]물류 시스템에서 RFID 태그 수신감도를 이용한 태그 오인식 검출

김영민; 강의선

doi:10.5392/jkca.2015.15.08.009

문제 정의

RFID 리더는 이동유무에 따라 고정형 리더와 휴대형 리더로 구분된다. 본 논문에서는 물류 시스템 환경에서 태그의 수신 감도를 측정하기 위하여 고정형 RFID 리더에서 테스트 하였으며 이 정보를 이용하여 태그의 정보를 검출하였다.
이런 이유로 인하여 물류 현장에서는 대량의 태그를 인식 하고자 할 때 실제 인식해야 하는 태그 외에 다른 태그가 인식되는 문제가 발생한다. 본 논문에서는 물류 환경에서 파랫트나 기타 이동체에 적재되어 이동하는 태그와 물류 창고에 적재된 태그의 수신 감도를 분석하고 이를 바탕으로 소프트웨어적으로 구분하였다. 이로써 다량의 태그를 일괄 이송하는 물류 시스템에서 인식에 대한 오류를 개선할 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 논문은 RFID 리더가 RFID 태그를 인식하는 과정에서 움직임이 없는 물체에 부착된 태그의 인식으로 이동 중인 태그의 인식률을 떨어뜨리는 문제를 해결하기 위하여 실제 물류환경에서의 태그 수신 감도를 실험하였다. 물류 창고에서의 RF 출력에 따른 태그의 거리별 수신 감도를 측정하기 위한 시험 조건은 RFID 리더 1대, 안테나 1대를 사용하고 RFID 리더 출력은 20dBm으로 고정하였다.
실험에서는 물류 이송 작업자가 10개의 태그가 각각 부착된 물품이 적재된 파랫트를 RFID 리더와 안테나가 설치된 위치로 이동했을 때 인식된 태그의 정보를 확인해 보았다. 여기서 파랫트는 각 RFID 태그가 부착된 다량의 제품들이 적재되어 있는 이동 가능한 적재함을 의미한다.
이런 문제점을 해결하기 위하여 본 논문에서는 이동중인 태그와 움직임이 없는 태그를 소프트웨어로 구별할 수 있는 방법을 소개하고자 한다. 이를 위해 2장에서는 RFID 리더와 인식거리의 관계를 실험하였고 3장에서는 2장의 내용을 바탕으로 물류환경에서 움직임이 없는 태그와 적재 운반대위의 이동성이 있는 태그에 대한 수신감도 차이를 기술하였다.

제안 방법

정의된 RF출력에 따른 태그의 거리 별 수신 감도 계산식에 근거하여 무반사실 환경에서 RFID 리더의 출력과 인식 거리를 고정하고 태그의 거리를 변화해 가면서 태그의 수신 감도를 측정하였다. 그리고 태그 거리 별 태그의 수신 감도 세기가 정의된 식(1)에 대응 되는지에 대하여 검증해 보았다. 시험 환경은 최대한 전파의 간섭이나 왜란에 의한 전파의 출력 변화를 최소화하기 위하여 [그림 4]처럼 무반사실 챔버(Chamber)를 이용하여 측정하였다.
이를 위해 2장에서는 RFID 리더와 인식거리의 관계를 실험하였고 3장에서는 2장의 내용을 바탕으로 물류환경에서 움직임이 없는 태그와 적재 운반대위의 이동성이 있는 태그에 대한 수신감도 차이를 기술하였다. 그리고 태그 수신감도에 따른 필터링 기준을 소개하였다. 마지막으로 4장에서는 필터링 적용 후 실험결과를 기술하였다.
태그 칩이 RFID 리더로부터 RF 전파를 수신하여 동작 할 수 있는 전력을 -15dBm으로 정의하고 태그의 안테나 이득을 -1dB, 리더의 안테나 이득을 6dBi로 정의하였다. 리더 운용을 위한 RF 중심 주파수를 국내에서 사용되는 918MHz에 고정하여 RF Power를 1dBm에서 30dBm으로 변환하여 태그가 동작 할 수 있는 거리를 환산 하였다. 운용 환경은 전파의 간섭이 이론적으로 발생 하지 않는 무반사실 공기 중에서 시험하였다.
본 논문은 RFID 리더가 RFID 태그를 인식하는 과정에서 움직임이 없는 물체에 부착된 태그의 인식으로 이동 중인 태그의 인식률을 떨어뜨리는 문제를 해결하기 위하여 실제 물류환경에서의 태그 수신 감도를 실험하였다. 물류 창고에서의 RF 출력에 따른 태그의 거리별 수신 감도를 측정하기 위한 시험 조건은 RFID 리더 1대, 안테나 1대를 사용하고 RFID 리더 출력은 20dBm으로 고정하였다. 실험에서는 30개의 소포에 각각 태그를 부착하였다.
본 논문에서는 Matlab을 통하여 변환된 태그 수신감도의 함수를 바탕으로 [표 1]의 실험데이터에 적용해 보았다. 오인식 필터링 알고리즘을 적용하여 취득된 태그 데이터를 필터링하여 비교한 결과 이동된 물체에 부착된 태그의 경우 태그의 수신 감도가 점차적으로 안테나에 근접함에 따라 정상적으로 인식된 태그의 정보로 데이터를 취득 할 수 있었고 고정된 물체에 부착된 태그의 경우 필터링 알고리즘에 의하여 수신된 정보가 제거되어 오인식 태그 정보로 추출할 수 있게 되었다.
본 논문에서는 물류 환경에서 오인식을 발생시키는 움직임이 없는 태그들을 선별하기 위하여 이동 중에 인식된 태그의 RF수신 감도 데이터에 대해 Matlab을 이용하여 [표 3]처럼 태그 수신감도 추이 변환식으로 구성하였다. [표 3]의 Matlab은 태그가 안테나로부터 멀어진 곳에서 점점 가까워진 상태의 데이터를 리더가 인식된 시간별로 수집된 정보이기 때문에 인식된 순서에 따라 태그의 수신 감도가 점점 높아지는 것으로 표현된다.
능동형 태그는 태그 자체 전력을 포함하고 있으며 수동형 태그에 비해 정확도가 높고 인식 거리가 길다. 본 논문에서는 수동형 태그를 이용하여 수신감도를 측정하였다.
(이하 중복 번호인 30301234567는 생략) 여기서 #001∼#010 태그는 RFID리더와 안테나를 통과하는 물체에 부착된 태그들이며 나머지 #101∼#110과 #201∼#210은 물류이동 경로에 속하지 않는 좌,우에 적재된 이동 대기 중인 물체에 부착된 태그들을의미한다. 실험에서는 30개의 태그에 대해 각 10번씩 실험을 수행하였고 각 회마다 인식된 횟수를 기술하였다. 예를 들어 #001의 경우 10번 시험을 수행하였으며 1번째 실험에서는 12번, 2번째 실험에서도 12번을 인식했음을 의미한다.
여기서 10개의 소포는 RFID 리더를 통과할 태그가 부착된 것이다. 이동하는 태그와 이동대기 중인 물류창고의 환경을 재현하기 위하여 [그림 6]처럼 이동 경로 주변 좌, 우에 각각 10개의 태그를 부착한 소포들을 배치하였다.
입력된 태그의 정보가 정확히 Matlab에 의해 변환된 수식을 추종하지 않기 때문에 ±오차를 수용할 수 있는 Limit를 두고 태그의 수신 감도를 함수에 대입하여 Low 및 High Limit을 벗어나지 않는 범위 내에서 태그정보를 인식하였다. 이로써 Limit범위를 벗어난 태그데이터를 고정 위치에 있는 태그로 인식함으로써 이동중인 태그와 그렇지 않은 태그로 분리하였다.
본 논문에서 다루는 태그의 수신감도 역시 안테나의 이득에 의하여 상대적인 세기가 결정되게 된다. 이를 위해 적재 통로의 입구에 안테나를 설치하고 태그 이동시 안테나로 수신된 태그의 정보를 통하여 태그의 수신 감도를 측정하였다.
입력된 태그의 정보가 정확히 Matlab에 의해 변환된 수식을 추종하지 않기 때문에 ±오차를 수용할 수 있는 Limit를 두고 태그의 수신 감도를 함수에 대입하여 Low 및 High Limit을 벗어나지 않는 범위 내에서 태그정보를 인식하였다.
정의된 RF출력에 따른 태그의 거리 별 수신 감도 계산식에 근거하여 무반사실 환경에서 RFID 리더의 출력과 인식 거리를 고정하고 태그의 거리를 변화해 가면서 태그의 수신 감도를 측정하였다. 그리고 태그 거리 별 태그의 수신 감도 세기가 정의된 식(1)에 대응 되는지에 대하여 검증해 보았다.
여기에서 움직임이 없는 태그들 중 인식되지 않은 태그는 제외하였다. 즉 이동중인 모든 태그들(#001~#010)과 움직임이 없는 태그들(#103, #105, #108, #210)의 수신감도를 기술하였다. [표 2]에서 -51.

대상 데이터

실험 환경에서 RFID 리더는 국내 M사 ITP-900제품을 사용하였고 사용 주파수는 917Mhz∼923Mhz까지 주파수 Hopping방식[12]을 이용하여 주파수를 변화시켰다. RFID 리더 파워는 30dBm으로 고정하고 인식에 사용된 안테나 이득은 6dBi의 특성을 갖는 안테나를 사용하였다. 적용되는 태그는 Alien사의 ALN-9540을 활용하여 0~540cm 인식거리 범위 내에서 실험한 결과 [그림 5]와 같은 인식거리에 따른 태그의 수신 감도를 확인 할 수 있었다.
그리고 태그 거리 별 태그의 수신 감도 세기가 정의된 식(1)에 대응 되는지에 대하여 검증해 보았다. 시험 환경은 최대한 전파의 간섭이나 왜란에 의한 전파의 출력 변화를 최소화하기 위하여 [그림 4]처럼 무반사실 챔버(Chamber)를 이용하여 측정하였다.
실험 환경에서 RFID 리더는 국내 M사 ITP-900제품을 사용하였고 사용 주파수는 917Mhz∼923Mhz까지 주파수 Hopping방식[12]을 이용하여 주파수를 변화시켰다.
실험에 적용한 태그는 총 30개 중 실제 목적지로 이동하고자 하는 대상 태그는 10개, 그밖에 이송 대기 중인 태그는 좌측 10개, 우측 10개로 태그 수신 감도를 추적하지 않은 일반 시스템에서는 정상 인식 태그 10개와 좌측 대기 태그 3개, 우측 대기 태그 1개를 포함한 14개의 태그가 인식 되었다. 이 때 정상 인식 태그는 10개, 오인식 태그는 4개가 발생 하였다.
물류 창고에서의 RF 출력에 따른 태그의 거리별 수신 감도를 측정하기 위한 시험 조건은 RFID 리더 1대, 안테나 1대를 사용하고 RFID 리더 출력은 20dBm으로 고정하였다. 실험에서는 30개의 소포에 각각 태그를 부착하였다. 여기서 10개의 소포는 RFID 리더를 통과할 태그가 부착된 것이다.
인식 실험을 위하여 사용된 30개 태그의 식별번호는 30301234567로 시작하는 30301234567001∼30301234567010, 30301234567101 ∼ 30301234567110, 30301234567201∼30301234567210이다.

이론/모형

물류 이동환경에서 움직임이 없는 물체에 부착된 태그 인식에 의해 발생되는 오인식률을 줄이기 위해 먼저 이동 중인 태그의 수신 감도와 움직임이 없는 태그 수신 감도를 분석할 필요가 있다. 이를 위해 우선 자유공간의 경로손실 모델인 Friis 공식[5]에 따라 RFID 리더출력에 따른 태그의 인식거리의 관계를 실험하였다.

성능/효과

물체에 부착된 1개의 태그에 대해서 5번을 반복 시험한 결과 [그림 5]처럼 각각의 수집 데이터가 비슷한 추이의 측정값을 갖는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 무반사실에서 1개의 태그에 대하여 거리 별 태그의 RF 수신 감도를 측정 해본 결과 RF출력에 따른 태그 인식거리를 계산한 결과와 반대되는 특성을 확인 할 수 있다. 그리고 태그가 부착된 물체가 안테나에 가까워짐에 따라 태그의 RF출력이 수식에 전개된 변화 추이와 같이 태그의 수신 감도가 변화됨을 알 수 있었으며 고정된 위치의 태그는 0.
그리고 무반사실에서 1개의 태그에 대하여 거리 별 태그의 RF 수신 감도를 측정 해본 결과 RF출력에 따른 태그 인식거리를 계산한 결과와 반대되는 특성을 확인 할 수 있다. 그리고 태그가 부착된 물체가 안테나에 가까워짐에 따라 태그의 RF출력이 수식에 전개된 변화 추이와 같이 태그의 수신 감도가 변화됨을 알 수 있었으며 고정된 위치의 태그는 0.1dB가량의 차이 내에서 일정한 태그 수신 감도변화가 있음을 확인 할 수 있었다. 즉 무반사실 시험 환경에서 외부 환경에 대한 전파 영향이 전혀 없다고 가정한다면 이동성이 있는 태그의 RF 수신 감도는 안테나에 가까워짐에 따라 그 세기가 RF출력에 따른 거리별 태그 RF 수신 감도 식에 의해 계산된 결과와 유사하게 변화됨을 확인 할 수 있었다.
물체에 부착된 1개의 태그에 대해서 5번을 반복 시험한 결과 [그림 5]처럼 각각의 수집 데이터가 비슷한 추이의 측정값을 갖는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 무반사실에서 1개의 태그에 대하여 거리 별 태그의 RF 수신 감도를 측정 해본 결과 RF출력에 따른 태그 인식거리를 계산한 결과와 반대되는 특성을 확인 할 수 있다.
[표 3]의 Matlab은 태그가 안테나로부터 멀어진 곳에서 점점 가까워진 상태의 데이터를 리더가 인식된 시간별로 수집된 정보이기 때문에 인식된 순서에 따라 태그의 수신 감도가 점점 높아지는 것으로 표현된다. 변환 결과 RF거리 별 태그의 인식거리의 수식(1)에서와 같이 RFID태그가 안테나로부터 인식 거리가 가까워짐에 따라 수신감도가 높아짐을 수식으로써 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 Matlab을 통하여 변환된 태그 수신감도의 함수를 바탕으로 [표 1]의 실험데이터에 적용해 보았다. 오인식 필터링 알고리즘을 적용하여 취득된 태그 데이터를 필터링하여 비교한 결과 이동된 물체에 부착된 태그의 경우 태그의 수신 감도가 점차적으로 안테나에 근접함에 따라 정상적으로 인식된 태그의 정보로 데이터를 취득 할 수 있었고 고정된 물체에 부착된 태그의 경우 필터링 알고리즘에 의하여 수신된 정보가 제거되어 오인식 태그 정보로 추출할 수 있게 되었다.
본 논문에서는 물류 환경에서 파랫트나 기타 이동체에 적재되어 이동하는 태그와 물류 창고에 적재된 태그의 수신 감도를 분석하고 이를 바탕으로 소프트웨어적으로 구분하였다. 이로써 다량의 태그를 일괄 이송하는 물류 시스템에서 인식에 대한 오류를 개선할 수 있음을 확인할 수 있었다.
여기서 파랫트는 각 RFID 태그가 부착된 다량의 제품들이 적재되어 있는 이동 가능한 적재함을 의미한다. 인식 실험 결과 태그의 이동 경로를 따라 RFID리더와 안테나가 설치된 물류 이송 적재 통로로 이동된 태그와 이동을 대기하고 있는 태그가 인식됨을 [표 1]과 같이 확인 할 수 있었다.
하지만 태그 수신 감도를 필터링한 결과 이동 태그 10개만 인식하는 결과로 0%의 오인식률을 얻을 수 있다. 인식률로 환산을 하면 필터링을 거치지 않는 태그는 71.4%, 필터링을 거친 태그는 100%의 인식률을 얻을 수 있었다.
RFID 리더 파워는 30dBm으로 고정하고 인식에 사용된 안테나 이득은 6dBi의 특성을 갖는 안테나를 사용하였다. 적용되는 태그는 Alien사의 ALN-9540을 활용하여 0~540cm 인식거리 범위 내에서 실험한 결과 [그림 5]와 같은 인식거리에 따른 태그의 수신 감도를 확인 할 수 있었다.
1dB가량의 차이 내에서 일정한 태그 수신 감도변화가 있음을 확인 할 수 있었다. 즉 무반사실 시험 환경에서 외부 환경에 대한 전파 영향이 전혀 없다고 가정한다면 이동성이 있는 태그의 RF 수신 감도는 안테나에 가까워짐에 따라 그 세기가 RF출력에 따른 거리별 태그 RF 수신 감도 식에 의해 계산된 결과와 유사하게 변화됨을 확인 할 수 있었다.
이와 같은 결과를 갖는 태그는 #103을 포함하여 모두 4개(#105, #108, #210)의 태그가 이동 중인 태그로 인식되었다. 즉 이동 경로를 통하여 이동되는 태그를 정상인식 태그로 정의하고 이동 대기 중인 좌우에 배치된 태그의 인식 정보를 인식하지 말아야할 오인식 태그로 정의 하였을 때 물류 창고에서의 RFID 거리별 태그의 수신 감도 측정 결과 다수의 오인식이 포함된 태그의 수신 감도가 인식됨을 확인 할 수 있었다.
즉 인식된 태그의 수신 감도 정보를 분류해 본 결과 이동하면서 인식된 태그 #001∼#010의 수신 감도의 변화 추이는 거리 별 태그의 RF 수신 감도 식을 통하여 확인했던 결과와 같이 태그가 RFID 안테나에 가까워질수록 수신 감도가 특정 변화를 가지며 높아짐을 확인 할 수 있었다.
이는 40%의 오인식률을 갖는 시스템으로 평가 되었다. 하지만 태그 수신 감도를 필터링한 결과 이동 태그 10개만 인식하는 결과로 0%의 오인식률을 얻을 수 있다. 인식률로 환산을 하면 필터링을 거치지 않는 태그는 71.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RFID와 바코드의 차이점은 무엇인가?	RFID(Radio Frequency Identification)란 RF(Radio Frequency)전파를 이용하여 먼 거리에서 사물의 정보를 인식하는 자동 인식 시스템으로써 바코드(Bar Code)를 대신할 목적으로 사용되고 있다. 바코드는 빛을 이용하여 짧은 거리의 한정된 정보를 판독하는 반면에 RFID는 먼 거리의 정보를 읽을 수 있으며 물체를 통과하여 정보를 수신할 수 있는 특징을 갖고 있다. RFID는 RFID 태그(Tag)와 RFID 리더(Reader)로 구성된다.
	RFID는 무엇인가?	RFID(Radio Frequency Identification)란 RF(Radio Frequency)전파를 이용하여 먼 거리에서 사물의 정보를 인식하는 자동 인식 시스템으로써 바코드(Bar Code)를 대신할 목적으로 사용되고 있다. 바코드는 빛을 이용하여 짧은 거리의 한정된 정보를 판독하는 반면에 RFID는 먼 거리의 정보를 읽을 수 있으며 물체를 통과하여 정보를 수신할 수 있는 특징을 갖고 있다.
	물류시스템에서 움직이는 태그만을 인식하기 위해 RFID 리더 주변에 차폐기를 설치할 경우 어떤 문제가 있는가?	다른 방법은 리더 주변에 차폐기를 설치하는 것이다. 하지만 전파 차폐를 통해서 모든 전파를 100% 차단 할 수 없기 때문에 물류환경에서 이동 대상이 되는 물품만을 구분하여 인식하는 것에 대한 근본적인 문제는 해결 될 수 없다. 뿐만 아니라 시스템 구성단계에서 추가 RFID인식 시스템 외에 별도의 구조물 설치에 대한 비용 및 공간을 구비해야 하는 문제가 있다.

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