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문제 정의
- 본 논문에서는 IoT 기반의 통신 기술인 BLE를 확장하여 시각장애인이 가고자 하는 방향의 음향신호기를 스마트폰으로 동작시킬 수 있는 비연결 방식의 BLE 기반 음향신호기 기술을 제안하였다. 기존 BLE 단방향 광고모드를 확장하여 양방향으로 통신하여 운용할 수 있도록 시스템을 설계하고 구현하였다.
- 본 논문에서는 상기에서 기술된 요구사항을 고려하여 BLE 4.0 기반 비컨 통신 방식을 제안한다. 기존에 사용되던 블루투스 통신은 마스터(master)와 슬레이브(slave) 방식으로 하나의 마스터는 최대 7개의 주변장치가 연결되는 피코넷(Piconet)으로 구성이 가능하며, 비교적 빠른 1~3Mbps의 데이터 전송이 가능하다.
- 현재 설치되어 있는 음향신호기는 시각장애인이 작동시키는 방식에 몇 가지 문제점을 가지고 있으며, 이에 대한 개선 요구는 지속적으로 제기되고 있으나 아직까지 마땅한 해결책이 없는 상황이다. 본 논문에서는 음향신호기의 동작 방식을 개선하기 위하여 IoT 기반의 통신 기술인 BLE를 확장하여 시각장애인이 원하는 음향신호기만을 스마트폰으로 동작시킬 수 있는 기술을 제안한다.
제안 방법
- 횡단보도의 양 끝에는 음향신호기가 마주보고 설치되므로, 본 실험에서는 총 8대의 음향신호기가 설치되어 있는 사지교차로 환경을 대상으로 실험 환경을 구성하였다. 교차로의 음향신호기는 에뮬레이터 S/W를 구현하여 노트북에 설치하였으며, 노트북의 에뮬레이터와 BLE 모듈은 RS232로 연결하여 실제 교차로 환경과 동일한 환경으로 구성하였다. 다수의 스마트폰 및 BLE 장치가 혼재되어 있는 상황에서도 BLE 기능을 이용하여 사용자가 원하는 음향신호기만을 선택하여 동작시킬 수 있음을 확인하였다.
- 본 논문에서는 IoT 기반의 통신 기술인 BLE를 확장하여 시각장애인이 가고자 하는 방향의 음향신호기를 스마트폰으로 동작시킬 수 있는 비연결 방식의 BLE 기반 음향신호기 기술을 제안하였다. 기존 BLE 단방향 광고모드를 확장하여 양방향으로 통신하여 운용할 수 있도록 시스템을 설계하고 구현하였다. 본 논문에서 제안한 시스템은 시각장애인용 음향신호기 규격서에 제시된 10m 거리에서 음향신호기를 동작시키는 것이 가능하며, 다수의 음향신호기와 다수의 사용자가 존재하는 상황에서도 사용자가 원하는 음향신호기를 동작 가능함을 실험을 통해 보여주었다.
- Broadcaster는 비연결의 광고패킷을 송출하는 역할을 하며, Observer는 초기 연결 없이 광고패킷을 스캔할 수 있다. 기존 단방향 무선 리모컨이 가지는 문제점을 해결하기 위해서 음향신호기와 시각장애인용 스마트폰 간에는 양방향 통신 구성이 필요하며, 본 논문에서 제안하는 시스템은 각각의 장치가 Broadcaster와 Observer 역할을 동시에 가지는 특징이 있다.
- 광고패킷의 경우 Payload는 최대 39bytes로 정의되어 있으며, 사용자가 사용 가능한 부분은 Broadcast Data에 정의된 31Bytes에서 패킷타입 등 사용할 수 없는 오버헤드를 빼면 29Bytes 정도만 사용 가능하다. 따라서, BLE 광고 패킷에는 적은 양의 데이터만 전송이 가능하므로, 음향 신호기의 이름이 긴 경우는 2개 이상의 패킷으로 나눠서 순차 송신할 수 있도록 설계하였다.
- 특히, 스마트폰 단말의 경우는 자신의 MAC 주소를 불규칙적으로 바꾸면서 통신하기 때문에 광고 패킷을 이용한 1:1 통신에서 MAC 주소를 스마트폰의 식별자로 사용할 수 없다. 따라서, 본 논문에서는 사용자가 요청한 위치 및 신호 활성화 정보에 대한 반영여부는 주기적으로 송출되는 보행신호상태정보 광고 패킷에 사용자 요청에 대한 수신 여부를 나타내는 필드를 추가하였다. 따라서, 사용자 스마트폰에서는 BLE 모듈로 요청한 내용의 수신 여부를 보행신호상태정보 광고패킷에 수신여부 필드에 체크하여 사용자의 요청이 수신되어 반영되었는지를 확인한다.
- 따라서, 본 논문에서는 사용자가 요청한 위치 및 신호 활성화 정보에 대한 반영여부는 주기적으로 송출되는 보행신호상태정보 광고 패킷에 사용자 요청에 대한 수신 여부를 나타내는 필드를 추가하였다. 따라서, 사용자 스마트폰에서는 BLE 모듈로 요청한 내용의 수신 여부를 보행신호상태정보 광고패킷에 수신여부 필드에 체크하여 사용자의 요청이 수신되어 반영되었는지를 확인한다.
- 실제 환경에서 통신성능을 실험하기 위하여 대전시 중리동의 교차로를 대상으로 야외 실험을 실시하였다. 보행신호등이 설치된 지주에 음향신호기용 BLE 모듈을 설치하고, 스마트폰을 파지한 사용자가 2m 단위로 이동하면서 업링크와 다운링크에 대한 통신 성공률 (PER: Packet Error Rate)을 측정하였다.
- 본 논문에서 제안하는 시스템의 성능 및 시연을 위한 에뮬레이터를 기반으로 시스템을 개발하였으며, 구성은 그림 6과 같다.
- 본 연구에서는 기존 음향신호기의 문제점을 개선하기 위하여 사용자 요구사항으로 3가지 항목을 고려하였다. 첫째, 기존에 설치되어 있는 무선 리모컨 방식과 같이 사용이 가능하여야 한다.
- 스마트폰의 통신 모듈은 수정할 수 없기 때문에 음향신호기에서 요구되는 10m 수준의 통신거리를 확보하기 위하여 CC2592 파워앰프와 수신 감도를 향상시키기 위한 저잡음증폭기(LNA)를 추가하였으며, 그림 7은 본 논문에서 구현한 BLE 모듈 하드웨어 구조 및 시제품이다. 스마트폰 앱은 시각장애인들이 많이 사용하는 안드로이드와 아이폰에서 구현을 하였다.
- 그리고, 스마트폰이 요청한 음향신호기 활성화 요청을 정상적으로 수신하여 처리하였다는 정보를 보행신호등상태정보 패킷의 요청상태 필드에 반영하여 송신한다. 스마트폰의 BLE기능은 기본적으로 MS949 인코딩을 사용하고 있어 데이터 전송 효율이 떨어지게 되므로, 본 논문에서는 한글 데이터의 전송 효율을 높이기 위하여 Base64 인코딩을 선행한 다음 MS949 인코딩을 적용하였다. 그림 8에는 Base64 인코딩 전후의 패킷 정보를 함께 표현하고 있다.
- BLE 광고모드는 3개의 광고채널을 활용하여 주파수 호핑 방식으로 광고패킷을 보낼 수 있으며, 연결여부(Connectability), 스캔응답여부(Scannability), 대상지정여부(Directability)에 따라 패킷을 구분할 수 있다. 음향신호기는 누구에게나 서비스가 가능하며, 단방향이 아닌 양방향 통신이 지원되어야 하며, 사용자 요청에 따른 데이터 수신이 가능해야 되므로, 비연결 패킷에 대한 응답 불요와 패킷수신자를 지정하지 않는 ADV_NONCONN_IND 타입의 패킷을 사용하였다.
- 음향신호기는 시리얼통신 기반으로 PC에서 에뮬레이터로 구현을 하였으며, 음향신호기에 연동되는 BLE 모듈은 8051 마이크로컨트롤로가 장착된 싱글칩 BLE 솔루션인 TI사의 CC2540로 구현하였다. 스마트폰의 통신 모듈은 수정할 수 없기 때문에 음향신호기에서 요구되는 10m 수준의 통신거리를 확보하기 위하여 CC2592 파워앰프와 수신 감도를 향상시키기 위한 저잡음증폭기(LNA)를 추가하였으며, 그림 7은 본 논문에서 구현한 BLE 모듈 하드웨어 구조 및 시제품이다.
대상 데이터
- 음향신호기는 시리얼통신 기반으로 PC에서 에뮬레이터로 구현을 하였으며, 음향신호기에 연동되는 BLE 모듈은 8051 마이크로컨트롤로가 장착된 싱글칩 BLE 솔루션인 TI사의 CC2540로 구현하였다. 스마트폰의 통신 모듈은 수정할 수 없기 때문에 음향신호기에서 요구되는 10m 수준의 통신거리를 확보하기 위하여 CC2592 파워앰프와 수신 감도를 향상시키기 위한 저잡음증폭기(LNA)를 추가하였으며, 그림 7은 본 논문에서 구현한 BLE 모듈 하드웨어 구조 및 시제품이다. 스마트폰 앱은 시각장애인들이 많이 사용하는 안드로이드와 아이폰에서 구현을 하였다.
- 실제 환경에서 통신성능을 실험하기 위하여 대전시 중리동의 교차로를 대상으로 야외 실험을 실시하였다. 보행신호등이 설치된 지주에 음향신호기용 BLE 모듈을 설치하고, 스마트폰을 파지한 사용자가 2m 단위로 이동하면서 업링크와 다운링크에 대한 통신 성공률 (PER: Packet Error Rate)을 측정하였다.
- 그림 9는 BLE 모듈이 달린 음향신호기 에뮬레이터와 안드로이드 및 아이폰을 활용한 실험 모습이다. 횡단보도의 양 끝에는 음향신호기가 마주보고 설치되므로, 본 실험에서는 총 8대의 음향신호기가 설치되어 있는 사지교차로 환경을 대상으로 실험 환경을 구성하였다. 교차로의 음향신호기는 에뮬레이터 S/W를 구현하여 노트북에 설치하였으며, 노트북의 에뮬레이터와 BLE 모듈은 RS232로 연결하여 실제 교차로 환경과 동일한 환경으로 구성하였다.
성능/효과
- EVM의 경우는 거리가 떨어질수록 급격하게 통신 성공률이 떨어졌으나, 본 시스템은 20m 떨어진 거리에서도 100% 통신 성공률을 보여주고 있다. 그림 10(b)는 제안하는 시스템에서 단말에서 업링크에 대한 실험 결과로 아이폰은 100%, 안드로이드는 80% 이상의 성공률을 보여 주고 있다.
- 그림 10(a)는 CC2540 EVM 보드를 이용하여 구현한 장치와 본 논문에서 제안한 시스템에서 안드로이드폰과 아이폰에 대한 실험결과를 보여주고 있다. EVM의 경우는 거리가 떨어질수록 급격하게 통신 성공률이 떨어졌으나, 본 시스템은 20m 떨어진 거리에서도 100% 통신 성공률을 보여주고 있다. 그림 10(b)는 제안하는 시스템에서 단말에서 업링크에 대한 실험 결과로 아이폰은 100%, 안드로이드는 80% 이상의 성공률을 보여 주고 있다.
- 교차로의 음향신호기는 에뮬레이터 S/W를 구현하여 노트북에 설치하였으며, 노트북의 에뮬레이터와 BLE 모듈은 RS232로 연결하여 실제 교차로 환경과 동일한 환경으로 구성하였다. 다수의 스마트폰 및 BLE 장치가 혼재되어 있는 상황에서도 BLE 기능을 이용하여 사용자가 원하는 음향신호기만을 선택하여 동작시킬 수 있음을 확인하였다.
- 횡단보도마다 2대 이상의 음향신호기가 있으며, 동일횡단보도에 여러 명의 시각장애인이 존재할 수 있다. 둘째, 보행신호등의 신호안내를 위해 10m 거리에 있는 음향신호기를 동작시킬 수 있어야 된다. 셋째, 스마트폰과 음향신호기간 전송 데이터의 양은 매우 적고, 빠른 응답이 필요하다는 점이다.
- 이미 국내에는 무선 리모컨을 지원하는 27,355여대의 음향신호기가 설치·운용 되고 있으므로, 음향신호기의 개선은 기존 무선 리모컨과 병행하여 사용이 가능하여야 한다. 둘째, 음향신호 기용 무선 리모컨 구입 등의 추가 비용 부담과 유지 보수를 고려해야 된다. 시각장애인에게 무선 리모컨 구입, 배터리 교체, AS 문제 등은 금전적인 부담 및 관리에 불편 사항으로 제기되고 있다.
- 본 논문에서 제안한 시스템은 시각장애인용 음향신호기 규격서에 제시된 10m 거리에서 음향신호기를 동작시키는 것이 가능하며, 다수의 음향신호기와 다수의 사용자가 존재하는 상황에서도 사용자가 원하는 음향신호기를 동작 가능함을 실험을 통해 보여주었다. 따라서 기존 단방향 통신 방식인 358.5MHz 무선 리모컨이 가지고 있던 음향신호기의 동시 동작 문제를 해결하였으며, 별도의 무선 리모컨 없이 스마트폰만으로도 음향신호기 동작이 가능하다.
- 기존 BLE 단방향 광고모드를 확장하여 양방향으로 통신하여 운용할 수 있도록 시스템을 설계하고 구현하였다. 본 논문에서 제안한 시스템은 시각장애인용 음향신호기 규격서에 제시된 10m 거리에서 음향신호기를 동작시키는 것이 가능하며, 다수의 음향신호기와 다수의 사용자가 존재하는 상황에서도 사용자가 원하는 음향신호기를 동작 가능함을 실험을 통해 보여주었다. 따라서 기존 단방향 통신 방식인 358.
- 둘째, 보행신호등의 신호안내를 위해 10m 거리에 있는 음향신호기를 동작시킬 수 있어야 된다. 셋째, 스마트폰과 음향신호기간 전송 데이터의 양은 매우 적고, 빠른 응답이 필요하다는 점이다.
- 시각장애인에게 무선 리모컨 구입, 배터리 교체, AS 문제 등은 금전적인 부담 및 관리에 불편 사항으로 제기되고 있다. 셋째, 시각장애인들이 신규 설치된 음향신호기를 쉽게 인지할 수 있어야 된다. 일반적으로 시각장애인들은 음향신호기의 신규 설치 정보를 쉽게 인지하기가 어렵기 때문에 음향신호기가 시각장애인에게 설치 정보를 사전에 알려주는 방법도 중요한 고려대상이다.
- 본 연구에서는 기존 음향신호기의 문제점을 개선하기 위하여 사용자 요구사항으로 3가지 항목을 고려하였다. 첫째, 기존에 설치되어 있는 무선 리모컨 방식과 같이 사용이 가능하여야 한다. 이미 국내에는 무선 리모컨을 지원하는 27,355여대의 음향신호기가 설치·운용 되고 있으므로, 음향신호기의 개선은 기존 무선 리모컨과 병행하여 사용이 가능하여야 한다.
후속연구
- 향후에는 시각장애인이 보다 편리하게 이용할 수 있도록 동작 가능한 음향신호기를 시각장애인의 위치와 방향에 따라 가까운 순서로 정렬하여 표출하는 기능에 대한 연구가 필요하다.
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