[논문]사물인터넷 환경에서 표준 Profile 데이터 상호운용을 위한 DDS 기반 BLE 어댑터

오정훈; 백문기; 오길탁; 이규철

doi:10.3745/ktccs.2016.5.11.403

사물인터넷 환경에서 표준 Profile 데이터 상호운용을 위한 DDS 기반 BLE 어댑터
DDS-Based BLE Adaptor for Standard Profile Data Interoperation in Internet of Things 원문보기

정보처리학회논문지. KIPS transactions on computer and communication systems 컴퓨터 및 통신 시스템, v.5 no.11, 2016년, pp.403 - 410

오정훈 (충남대학교 컴퓨터공학과) , 백문기 (충남대학교 컴퓨터공학과) , 오길탁 (충남대학교 컴퓨터공학과) , 이규철 (충남대학교 컴퓨터공학과)

초록
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사물 인터넷(IoT: Internet of Things)은 모든 것들 간 상호 운용을 통하여 기존에 제공하지 못 했던 새로운 형태의 서비스 제공을 목적으로 한다. 이러한 사물 인터넷의 발달을 통하여 기존 인터넷 기반 컴퓨터 모델에서 이기종 사물 간 분산 연결 모델로 진화하고 있다. 이기종 사물 간 통신하기 위해서는 서로 다른 프로토콜 간 통신이 안 되는 이질성 문제를 해결해야만 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 미들웨어 구조의 어댑터를 통해 각 사물의 데이터를 추상화하여 통일된 데이터 단위를 만들고 이를 바탕으로 각 사물 간 상호 연동할 수 있다. 본 논문에서는 실시간 표준 미들웨어인 DDS(Data Distribution Service)를 기반으로 사물 간 데이터를 상호 연동하는 BLE(Bluetooth Low Energy) 어댑터를 제안한다. BLE 어댑터를 통하여 BLE 장치 간 데이터 연동이 가능할 뿐만 아니라 서로 다른 프로토콜 장치와도 양방향 데이터 연동이 가능하다. 또한 기존 BLE 장치 및 연구들은 Bluetooth SIG에서 제정한 표준 데이터 포맷인 프로파일을 사용하지 않고 개별적으로 정의한 데이터 포맷을 사용하여 BLE 장치의 종류와 제조사에 따라 데이터 교환이 안 되는 문제가 있다. BLE 어댑터는 이러한 문제를 해결하고자 12개의 프로파일을 분류 및 분석하여 프로파일 기반의 공통 데이터 포맷을 만들어 적용하였다. 프로파일 기반의 공통 데이터 포맷을 사용함에 따라 표준 프로파일 데이터 상호 운용을 위한 BLE 어댑터는 BLE 장치의 종류와 제조사에 영향 받지 않는 폭넓은 상호 운용성을 얻을 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

IoT(Internet of Things) has purpose for providing new kind of service though interaction with everything. With development of IoT, computer model which is based on internet is changed to distributed connection model between heterogeneous things. There is a problem that it is impossible to connect between each other different protocols. To solve this problem, we should abstract each of things of data through using adaptor of middleware structure in order to make consistent data unit. In this paper, we propose BLE(Bluetooth Low Energy) adaptor, which is interaction with things, based on DDS(Data Distribution Service) that is real-time standard middleware. It is possible to data interaction between BLE Devices as well as two-way data interaction with different protocol devices. Also existing BLE Devices and study have a problem that Data exchange without using a standard data format of a profile defined by the Bluetooth SIG. Using the data formats defined independently by a problem that should not exchange data according to the type and manufacturer of the device BLE. The BLE adapter to solve this problem, the classification and analysis of the 12 stand profile was applied to create a profile based on the standard data format. It is possible to get wide interoperability of not affected on the BLE devices type and manufacturer of the device because it is applied a profile that standard data format.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi로부터 정보를 추출하고 추출한 정보를 URI (Uniform Resource Identifier)로 변환하여 CoAP을 통하여 사용자 또는 클라우드(Cloud)에 서비스를 제공한다. [10]은 사물 인터넷 장비 간 상호 운용성을 확보하는 연구로 사용자의 위치를 기반으로 홈오토메이션 환경에서 사용자에 서비스를 제공하는 것을 목적으로 한다. BLE, CoAP, KNX로 부터 수집된 정보와, 사용자의 위치 정보를 매트릭스 매핑을 통하여 사용자에게 적합한 서비스를 찾아 CoAP을 통하여 서비스를 제공한다.
본 논문은 BLE 장치로부터 수집한 BLE 데이터를 사물 인터넷의 다른 인프라스트럭처 프로토콜 장치와 상호 연동 하기 위한 DDS 기반의 BLE 어댑터(Adaptor)를 제안한다.일반적으로 BLE 장치에서만 사용 가능한 BLE 데이터를 지그비와 같은 다른 인프라스트럭처 프로토콜 장치와 상호 연동함으로써 BLE 데이터는 BLE 영역을 넘어서 다른 인프라스트럭처 프로토콜 영역에서도 사용 가능함에 따라 폭넓은 활용이 가능하다.
또한 BLE의 경우 Bluetooth SIG에서 제정한 표준 데이터 양식인 프로파일이 존재함에도 불구하고 개별적으로 정의한 데이터 포맷을 사용함에 따라 BLE 장치 간에도 이질성 문제가 발생한다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고자 표준 프로파일 상호 운용을 위한 DDS 기반 BLE 어댑터를 연구하였다. BLE 어댑터는 BLE 프로파일을 바탕으로 표준 IDL 기반의 분야별 공통 데이터 포맷을 BLE 어댑터 내의 데이터 포맷으로 사용함에 따라 내부 데이터 표준화를 이루었고 이를 바탕으로 프로파일 Topic을 만들어 DDS에 발간한다.
또한 대부분의 BLE 장치들은 표준 데이터 포맷인 프로파일을 적용하지 않고 사용자 정의 데이터 포맷을 사용함으로 기기의 종류와 제조사에 따라 상호 연동이 안되는 문제가 있다. 본 연구인 BLE 어댑터에서는 프로파일 기반의 IDL 정의를 통하여 기기의 종류와 제조사에 영향을 받지 않는 폭넓은 상호 호환성을 확보하였다.
본 장은 사물 인터넷 환경에서 블루투스 또는 BLE 장치와 다른 인프라스트럭처 프로토콜 장치 간 상호 연동하는 연구를 살펴본다. 관련 연구는 플랫폼 독립성, 확장성, 프로 파일 사용 여부, 내부 데이터 표준화 관점에서 살펴본다.
사물 인터넷(Internet of Things)은 사람, 사물, 공간 등 모든 것들이 인터넷에 연결되어 모든 것들에 대한 정보를 생성, 수집, 공유, 활용하는 것을 의미한다[1]. 이러한 사물 인터넷의 목적은 모든 것들 간 상호 작용을 통하여 스마트 시티, 홈오토메이션 시스템, 스마트 헬스케어, 그리고 스마트 운송 수단 등 기존에 제공하지 못했던 새로운 형태의 서비스를 제공하는 것에 있다.

제안 방법

본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고자 표준 프로파일 상호 운용을 위한 DDS 기반 BLE 어댑터를 연구하였다. BLE 어댑터는 BLE 프로파일을 바탕으로 표준 IDL 기반의 분야별 공통 데이터 포맷을 BLE 어댑터 내의 데이터 포맷으로 사용함에 따라 내부 데이터 표준화를 이루었고 이를 바탕으로 프로파일 Topic을 만들어 DDS에 발간한다. 또한 반대로 발간된 프로파일 Topic을 구독하여 BLE 어댑터에서 외부 영역 및 다른 프로토콜 데이터를 사용할 수 있다.
일반적으로 BLE 장치에서만 사용 가능한 BLE 데이터를 지그비와 같은 다른 인프라스트럭처 프로토콜 장치와 상호 연동함으로써 BLE 데이터는 BLE 영역을 넘어서 다른 인프라스트럭처 프로토콜 영역에서도 사용 가능함에 따라 폭넓은 활용이 가능하다. BLE 어댑터는 사물 인터넷의 다른 인프라스트럭처 프로토콜 장치와 표준 데이터 형태로 통신하기 위하여 프로파일 형태의 IDL을 정의하고 BLE 어댑터에 적용하였다. 또한 대부분의 BLE 장치들은 표준 데이터 포맷인 프로파일을 적용하지 않고 사용자 정의 데이터 포맷을 사용함으로 기기의 종류와 제조사에 따라 상호 연동이 안되는 문제가 있다.
[10]은 사물 인터넷 장비 간 상호 운용성을 확보하는 연구로 사용자의 위치를 기반으로 홈오토메이션 환경에서 사용자에 서비스를 제공하는 것을 목적으로 한다. BLE, CoAP, KNX로 부터 수집된 정보와, 사용자의 위치 정보를 매트릭스 매핑을 통하여 사용자에게 적합한 서비스를 찾아 CoAP을 통하여 서비스를 제공한다. [11]은 스마트 헬스 케어 장비 간 상호 운용성 확보가 목적이며 BLE, 지그비, Wi-Fi로부터 정보를 수집한 다음 시맨틱 웹을 활용하여 상호 운용성을 확보하고 사용자 또는 클라우드에 Restful API를 통하여 서비스를 제공한다.
특성에 대한 요구 사항에서는 각 특성에 대해 Mandatory, Optional, Conditional로 구분되어있다. 각각의 특성에 대해 필수적인 요소인 Mandatory 부분만 추출 및 분류하여 분야별 프로파일 간 공통 데이터 포맷을 만들었다. 3단계에서는 2단계에서 만들어진 프로파일 분야별 공통 데이터 포맷을 바탕으로 Fig.
본 장은 사물 인터넷 환경에서 블루투스 또는 BLE 장치와 다른 인프라스트럭처 프로토콜 장치 간 상호 연동하는 연구를 살펴본다. 관련 연구는 플랫폼 독립성, 확장성, 프로 파일 사용 여부, 내부 데이터 표준화 관점에서 살펴본다. 본저자들은 기존 어댑터 연구[6]을 통하여 플랫폼 독립성, 확장성이 사물 인터넷 아키텍처에서 중요 포인트임을 인식하여 분석하였으며 본 연구 내용과 부합되는 프로파일 사용 여부, 내부 데이터 표준화 여부를 분석하여, Table 1과 같이 분석 결과를 정리하였다.
관련 연구는 플랫폼 독립성, 확장성, 프로 파일 사용 여부, 내부 데이터 표준화 관점에서 살펴본다. 본저자들은 기존 어댑터 연구[6]을 통하여 플랫폼 독립성, 확장성이 사물 인터넷 아키텍처에서 중요 포인트임을 인식하여 분석하였으며 본 연구 내용과 부합되는 프로파일 사용 여부, 내부 데이터 표준화 여부를 분석하여, Table 1과 같이 분석 결과를 정리하였다.
위와 같이 12개의 프로파일을 기능에 따라 분류하여 Health, Exercise, Alert, Location으로 구분하였다. 분류된 프로파일의 데이터 형태를 분석하여 필수적인 요소를 추출 하고 공통 데이터 포맷을 Fig. 1과 같이 만들었다. 이 공통 데이터 포맷을 BLE 어댑터에 적용하여 어댑터 내에서 표준 IDL 기반의 프로파일 분야별 공통 데이터를 사용할 수 있게 만들었다.
위와 같이 12개의 프로파일을 기능에 따라 분류하여 Health, Exercise, Alert, Location으로 구분하였다. 분류된 프로파일의 데이터 형태를 분석하여 필수적인 요소를 추출 하고 공통 데이터 포맷을 Fig.
1과 같이 만들었다. 이 공통 데이터 포맷을 BLE 어댑터에 적용하여 어댑터 내에서 표준 IDL 기반의 프로파일 분야별 공통 데이터를 사용할 수 있게 만들었다. 이를 통해 BLE 어댑터는 4 종류의 데이터 포맷을 통하여 12개의 프로파일을 사용할 수 있고, 프로파일 형태의 데이터를 사용함에 따라 BLE 장치의 종류와 제조사에 영향을 받지 않는 폭넓은 상호 호환성을 제공할 수 있다.

대상 데이터

6과 같다. 시뮬레이션에서 사용하는 BLE 어댑터와 ZigBee 어댑터를 Intel NUC Mini PC 환경에 탑재를 하고 BLE 패킷과 ZigBee 패킷을 수신하기 위해 각각 Bless ZIO BT40 동글과 Mega ZigBee 보드를 사용하였다. BLE Device(Peripheral)는 zephyr hxm 2 smart를 사용하여 Heart Rate를 측정 및 송신하고 DDS는 Prismtech에서 개발한 OpenSlice DDS Community Edition v5.

이론/모형

시뮬레이션에서 사용하는 BLE 어댑터와 ZigBee 어댑터를 Intel NUC Mini PC 환경에 탑재를 하고 BLE 패킷과 ZigBee 패킷을 수신하기 위해 각각 Bless ZIO BT40 동글과 Mega ZigBee 보드를 사용하였다. BLE Device(Peripheral)는 zephyr hxm 2 smart를 사용하여 Heart Rate를 측정 및 송신하고 DDS는 Prismtech에서 개발한 OpenSlice DDS Community Edition v5.5.1을 사용하였다. BLE 어댑터의 Central은 BLE Device의 Peripheral에서 전송한 BLE heart rate profile 패킷을 수신하고 Profile Translator에 전달한다.
가상 어댑터는 사물 인터넷의 인프라스트럭처 프로토콜을 다루며 ZigBee 프로토콜을 다루는 ZigBee 어댑터, Bluetooth 프로토콜을 다루는 Bluetooth 어댑터, Wi-Fi 프로토콜을 다루는 Wi-Fi 어댑터 등이 있다. BLE 어댑터를 통한 데이터 연동 시뮬레이션을 보이기 위하여 가상 어댑터로 ZigBee 어댑터[12]를 사용하였다. 시뮬레이션을 위한 환경은 Fig.
내부 데이터 표준화 관점에서 [9], [10]은 표준화된 데이터 교환 단위 없이 Key Value, XML을 바탕으로 구성한 사용자 정의 데이터 포맷으로 데이터를 교환하기 때문에 동일한 정보임에도 불구하고 다양한 데이터 형태로 만들어지는 한계점을 지니고 있다. XML의 경우 이러한 다양성 문제를 해결 ㅈ하기 위하여 [11]에서 사용하는 IETF(Internet Engineering Task Force)에서 정의한 데이터 양식 중 하나인 SenML (Media Types for Sensor Markup Language)을 활용한다. 하지만 SenML은 아직 표준 단계가 아닌 초안(Draft) 단계인 한계가 있다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 BLE 프로 파일을 적용한다. BLE 프로파일을 BLE 어댑터에 적용하기 위하여 3단계 과정을 거친다.

성능/효과

RACP의 경우 HRP에서 사용하지 않는 데이터 값이기에 0의 값이 들어가 있다. Fig. 7의 Publish_DATA를 통하여 표준 BLE 프로파일 중 하나인 HRP를 DDS에 발간함을 확인할 수 있었고 Fig. 7의 Subscribe_Data에 따라 ZigBee 어댑터가 전달한 ZigBee heart rate 값을 구독함을 확인할 수 있다. 이에 따라 BLE 어댑터를 통하여 BLE 프로토콜과 ZigBee 프로토콜 간의 상호 이질성을 해결할 뿐만 아니라 표준 BLE Profile 을 상호 운용할 수 있다.
ID는 Device의 식별자 정보이며 BLE Device는 B로 시작되고 ZigBee Device는 Z로 시작되는 식별자를 가지게 된다. Profile Type를 통하여 프로파일의 종류를 파악할 수 있으며 180D를 통하여 프로파일의 종류가 HRP임을 확인 할 수 있다. 또한 Measurement를 통하여 heart rate 값과 heart rate의 주기를 파악할 수 있다.
프로파일에는 서로 다른 기능을 가진 여러 종류의 프로파일이 존재하며 각각의 프로파일은 서비스와 서비스의 특성, 특성에 대한 요구 사항, 특성에 대한 포맷을 비롯하여 다른 프로파일과의 의존성, 사용자 인터페이스 형태, 그리고 프로파일에 의해 사용되는 블루투스 스택 등이 포함되어 있다. 이러한 프로파일 사용을 통하여 각 기능별로 BLE 장치의 종류, BLE 장치 제조사에 영향을 받지 않는 상호 호환성을 제공할 수있다. 하지만 많은 연구 및 상용 제품에서 이러한 프로파일을 적용하지 않고 개별적으로 정의한 데이터 포맷을 사용함에 따라 BLE 장치의 종류 및 BLE 장치의 제조사에 따라 상이한 데이터 포맷을 사용하고 있다.
이 공통 데이터 포맷을 BLE 어댑터에 적용하여 어댑터 내에서 표준 IDL 기반의 프로파일 분야별 공통 데이터를 사용할 수 있게 만들었다. 이를 통해 BLE 어댑터는 4 종류의 데이터 포맷을 통하여 12개의 프로파일을 사용할 수 있고, 프로파일 형태의 데이터를 사용함에 따라 BLE 장치의 종류와 제조사에 영향을 받지 않는 폭넓은 상호 호환성을 제공할 수 있다.
또한 BLE 어댑터는 표준 프로파일을 바탕으로 분류한 분야별 공통 데이터 포맷을 표준 IDL 기반의 데이터로 생성한다. 표준 IDL 기반의 공통 데이터 포맷을 BLE 어댑터 내부 데이터 포맷으로 사용함에 따라 BLE 어댑터는 내부 데이터 표준화를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 BLE 장비의 종류 및 BLE 장비 제조사에 상관없이 연동이 가능한 폭넓은 상호 호환성을 얻을 수 있다.

후속연구

또한 Bluetooth SIG에서는 계속하여 프로파일들을 제정하고 있다. 이러한 추세에 맞추어 향후 연구 방향으로 BLE 어댑터에 12개의 서비스 프로파일 이외에도 더 많은 서비스 프로파일을 추가하여 더욱더 폭넓은 서비스를 제공해야만 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사물 인터넷은 무엇인가?	사물 인터넷(Internet of Things)은 사람, 사물, 공간 등 모든 것들이 인터넷에 연결되어 모든 것들에 대한 정보를 생성, 수집, 공유, 활용하는 것을 의미한다[1]. 이러한 사물 인터넷의 목적은 모든 것들 간 상호 작용을 통하여 스마트 시티, 홈오토메이션 시스템, 스마트 헬스케어, 그리고 스마트 운송 수단 등 기존에 제공하지 못했던 새로운 형태의 서비스를 제공하는 것에 있다.
	사물 인터넷 환경에서 사용되는 인프라스트럭처 프로토콜은 어떤 것들이 있는가?	사물 인터넷 환경에서 사용되는 다양한 프로토콜들은 응용 레벨에서 사용되는 애플리케이션 프로토콜(Application Protocol)과 센서 레벨에서 사용되는 인프라스트럭처 프로토 콜(Infrastructure Protocol)로 나누어진다[3]. 인프라스트럭처 프로토콜의 경우 블루투스(Bluetooth), 지그비(ZigBee), RFID (Radio-Frequency Identification), BLE(Bluetooth Low Energy) 등이 존재한다.
	사물 인터넷의 목적은 무엇인가?	사물 인터넷(Internet of Things)은 사람, 사물, 공간 등 모든 것들이 인터넷에 연결되어 모든 것들에 대한 정보를 생성, 수집, 공유, 활용하는 것을 의미한다[1]. 이러한 사물 인터넷의 목적은 모든 것들 간 상호 작용을 통하여 스마트 시티, 홈오토메이션 시스템, 스마트 헬스케어, 그리고 스마트 운송 수단 등 기존에 제공하지 못했던 새로운 형태의 서비스를 제공하는 것에 있다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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