[논문]스마트폰을 이용한 가시광통신 기반 실내 IoT 모니터링 시스템

오훈; 이연재; 박수빈; 안현식; 안병구

doi:10.5573/ieie.2017.54.4.35

스마트폰을 이용한 가시광통신 기반 실내 IoT 모니터링 시스템
Indoor IoT Monitoring System based on Visible Light Communication using Smart Phone 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.54 no.4 = no.473, 2017년, pp.35 - 43

오훈 (홍익대학교 컴퓨터정보통신공과) , 이연재 (홍익대학교 컴퓨터정보통신공과) , 박수빈 (홍익대학교 컴퓨터정보통신공과) , 안현식 (홍익대학교 컴퓨터정보통신공과) , 안병구 (홍익대학교 컴퓨터정보통신공과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 최근 무선통신분야에서 주목 받고 있는 가시광통신과 IoT(Internet of Things) 시스템을 융합한 실내 IoT 모니터링 시스템을 제안한다. 제안 개발된 시스템의 주요한 특징과 기여도는 다음과 같다. 첫째, 실내에서 발생하는 실제 데이터를 가시광 통신만을 사용하여 오직 서버를 통하여 가공 처리 할 수 있다. 둘째, 가시광 통신을 이용하여 스마트폰으로 수집된 데이터를 모니터링 한다. 성능평가는 보통의 형광등이 비추는 곳에서 실험을 하였다. 먼저 데이터 수집 시스템의 송신 및 수신모듈간의 전송성공여부를 확인 한다. 모니터링 시스템은 LED의 집광 정도와 거리를 변화시켜 전송여부를 실험하고 제안된 스마트폰 어플리케이션의 디코딩 성공률을 실험 하였다. 본 논문에서 제안한 시스템은 실내뿐만 아니라 실외 IoT 분야에도 응용 적용 될 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose indoor IoT monitoring system based on visible light communication using smart phone with attracting attentions in recent wireless communication. The main features and contributions of the proposed system developed in this paper are as follows. First, the actual data generated within indoor can be processed via the server by using only the visible light communication. Second, the collected data by using the visible light communication can be monitered by smart phone. Performance evaluation of the proposed system is performed under illumination of the normal fluorescent lamps. We first check successful transmission between transmitting module and receiving module of the data collection system. The monitoring system is tested according to the change of the degree of condensing and distance of the LED and the decoding success rate of the proposed smart phone application. We expect that the proposed system can be applied for indoor and outdoor IoT areas together.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 위의 논문들에서의 데이터 수집과 모니터링 방법으로 RF통신 기술을 사용하고 있다. 따라서 본 논문에서는 RF통신을 하지 않고 가시광통신기반 IoT 모니터링 시스템을 제안 한다.
그림 16은 전체 시스템 성능평가 환경을 보여준다. 본 논문에서 성능평가 진행은 LED-to-LED 데이터 수집 가능 여부를 확인하고 LED-to-SmartPhone 모니터링 시스템의 성능을 평가한다. 실험은 렌즈의 집광률에 따른 데이터 수신 거리를 측정하고, 본 논문이 제안한 어플리케이션의 디코딩 성공률을 측정한다.
본 논문에서는 가시광통신만을 사용하여 데이터를 모니터링 할 수 있는 스마트폰을 이용한 실내 IoT 시스템을 제안 하였다. 먼저 LED-to-LED 양방향 가시광통신 시스템을 이용하여 센서와 라즈베리파이를 부착하여 데이터 수집 시스템 모델을 제안 설계 하였다.
14cm부터 낮아지는 디코딩 성공률은 제안된 스마트폰의 영상 처리과정에서 수신 모듈의 중심과 반지름의 길이를 측정하는 부분에서 더욱 정밀한 측정방법을 고안한다면 13cm 이후 거리에서도 높은 디코딩 성공률을 보여줄 것이라고 생각한다. 본 연구로 IoT 플랫폼에 가시광통신 적용 가능성을 확인하였다. 앞으로의 계획은 구현된 시스템에 동기화 부분을 연구하여 실시간 모니터링 시스템으로 발전시키고 다양한 데이터를 동시 수집 가능하게 하며, 수집된 대량의 데이터를 가공 처리를 위한 빅데이터 분석 기능을 탑재 시키도록 연구할 계획이다.

제안 방법

White Balance는 촬영하는 영상의 밝기를 직접적으로 조절하는 API로서 FALSE로 설정하였다. Antibanding, AutoFocus는 촬영된 이미지의 밴드에 영향을 주는 API로서 Anti banding은 화면에 줄무늬가 가지 않게 하는 API로서 Rolling Shutter 메커니즘에 영향을 주므로 ANTIBAND ING_OFF로 설정하였고 AutoFocus는 FALSE로 설정하였다^[8～11].
그림 3은 LED-to-Smart Phone 모니터링 시스템 개념도로 그림 1의 B부분을 나타낸다. 논문에서 제안한 모니터링 시스템은 실시간 모니터링 시스템이 아닌 비실시간 모니터링 시스템이다. 이유는 안드로이드의 하드웨어의 성능이 제한적이며 이미지 프레임의 범위가 규칙적이지 않아 그에 따른 동기화 문제와 데이터의 유실 및 오류 문제가 있으므로^[8], 비실시간 모니터링 전환이 더 효과적이기 때문이다.
이유는 안드로이드의 하드웨어의 성능이 제한적이며 이미지 프레임의 범위가 규칙적이지 않아 그에 따른 동기화 문제와 데이터의 유실 및 오류 문제가 있으므로^[8], 비실시간 모니터링 전환이 더 효과적이기 때문이다. 따라서 본 연구진은 동일한 데이터를 10초간 보내고 스마트폰에서 디코딩이 된 값들 중 최빈값을 찾아 데이터의 정확성을 높이고 10초 후 값을 갱신하는 방법을 사용하였다.
수신모듈은 전달 받은데이타를 시리얼로 연결된 라즈베리파이서버에 전송한다. 라즈베리파이의 운영체제는 라즈비언이며 출력값은 Python을 이용한 간단한 스크립트를 작성하여 실험하였다.
본 논문에서는 가시광통신만을 사용하여 데이터를 모니터링 할 수 있는 스마트폰을 이용한 실내 IoT 시스템을 제안 하였다. 먼저 LED-to-LED 양방향 가시광통신 시스템을 이용하여 센서와 라즈베리파이를 부착하여 데이터 수집 시스템 모델을 제안 설계 하였다.제안된 시스템에서의 최고의 성능을 가지는 집광각도를 찾고, 그에 따른 디코딩 성공률을 측정하기 위해 실험을 두 가지로 구성하였다.
본 논문에서 제안한 시스템은 보통의 형광등이 비추는 실험실에서 성능평가를 하였다. 그림 16은 전체 시스템 성능평가 환경을 보여준다.
본 논문에서는 선행기술로 구현한 LED-to-LED 가시광 통신에 라즈베리파이를 이용하여 데이터수집 시스템과 LED-to-Smart Phone 모니터링 시스템을 각각 개발하고 두 가지 시스템을 합쳐 실제 센서 값들을 모니터링 하는 가시광통신 기반 실내 IoT 시스템을 구현한다.
그림 7은 LED-to-LED 데이터 수집 시스템의 전송부 모듈로서 그림 5의 D부분을 나타낸다. 부착된 센서를 통하여 얻은 실제 데이터를 RS-232방식을 통하여 데이터를 전송한다^[7].
표 2는 LED-to-SmartPhone 모니터링 시스템 송신 모듈 집광각도의 변화에 따른 전송 성공여부를 나타낸다. 송신부 LED는 1W Power LED를 사용하였으며 Diffuzer Lens의 집광각도와 거리를 변화 시켜, 스마트폰의 수신 여부를 실험하였다. 송신부 데이터는 ‘26’을 반복적으로 보내어 스마트폰에서 디코딩 과정을 거쳐 어플리케이션 TextView에 26을 출력하는 방식으로 실험을 하였다.
실험은 LED-to-LED 데이터 수집부 사이의 거리를 8cm로 고정하고 온도 센서값은 ‘26’도로 고정시켜 데이터를 전송한다. 스마트폰은 스마트폰과 LED사이 거리를 변화시키며 10000개의 데이터를 디코딩하여 정확히 디코딩이 안된 경우 갯수를 카운트하여 측정하였다. 그림 18은 디코딩 가능 최소 거리인 6cm부터 13cm까지 비교적 정확한 디코딩 성능을 보여준다.
제안된 시스템에서의 최고의 성능을 가지는 집광각도를 찾고, 그에 따른 디코딩 성공률을 측정하기 위해 실험을 두 가지로 구성하였다. 스마트폰을 이용한 모니터링 시스템을 구성하여 집광각도 변화에 따른 전송 성공 여부를 실험을 하였고, 데이터 수집 시스템과 모니터링 시스템을 합친 전체 시스템 평가로는 거리 변화에 따른 제안된 스마트폰 소프트웨어의 디코딩 성공률을 실험 하였다. 성능 평가 결과에서 LED의 집광 각도가 20도 일 때 가장 먼 거리까지 데이터 전송이 가능하였고, 6cm부터 13cm까지 높은 디코딩 성공률을 보여준다.
본 논문에서 성능평가 진행은 LED-to-LED 데이터 수집 가능 여부를 확인하고 LED-to-SmartPhone 모니터링 시스템의 성능을 평가한다. 실험은 렌즈의 집광률에 따른 데이터 수신 거리를 측정하고, 본 논문이 제안한 어플리케이션의 디코딩 성공률을 측정한다.
의 시스템 모델은 센서노드, 서버, 안드로이드 기반 스마트폰 어플리케이션으로 구성 되어 있다. 제안된 시스템 모델은 센서노드를 통하여 얻은 온도, 습도, 밝기, 공기 질 등의 실내에서 발생하는 데이터 값 들을 Zigbee 프로토콜을 사용하여 수집하며 어플리케이션과 서버의 데이터베이스 연동을 통하여 실시간 모니터링 시스템을 연구하였다. 논문^[7]의 시스템 모델은 라즈베리파이와 센서노드로 구성되어 있다.
먼저 LED-to-LED 양방향 가시광통신 시스템을 이용하여 센서와 라즈베리파이를 부착하여 데이터 수집 시스템 모델을 제안 설계 하였다.제안된 시스템에서의 최고의 성능을 가지는 집광각도를 찾고, 그에 따른 디코딩 성공률을 측정하기 위해 실험을 두 가지로 구성하였다. 스마트폰을 이용한 모니터링 시스템을 구성하여 집광각도 변화에 따른 전송 성공 여부를 실험을 하였고, 데이터 수집 시스템과 모니터링 시스템을 합친 전체 시스템 평가로는 거리 변화에 따른 제안된 스마트폰 소프트웨어의 디코딩 성공률을 실험 하였다.
논문^[7]의 시스템 모델은 라즈베리파이와 센서노드로 구성되어 있다. 제안된 시스템은 센서노드를 라즈베리파이에 부착하여 시리얼로 즉시 데이터 값을 수집하며 라즈베리파이는 수집과 동시에 서버 역할도 하여 모바일기기나 PC에서 웹을 통해 데이터를 실시간 모니터링 하는 연구를 하였다.
그림 1은 전체적인 시스템 구조를 설명한다. 제안된 시스템은 실내 네트워크에서 작동이 되며 외부로부터의 접근은 오로지 서버를 통하여 접근가능하다. 그림 1의 구조는 크게 두 부분으로 나눌 수 있다.

대상 데이터

표 1은 LED-to-SmartPhone 모니터링 시스템의 성능평가에 사용되는 안드로이드 구현환경을 나타낸다. 시스템에서 사용한 디바이스는 삼성 갤럭시 노트 3를 이다. Frame Rate는 디바이스에서 지원하는 최대 프레임으로 설정하였고 이미지 프레임의 크기는 640 x 480으로 설정하였다.

이론/모형

설정 값이 크다면 촬영한 이미지의 밴드가 형성이 안 되고 뭉쳐지는 것을 확인 할 수 있었다. White Balance는 촬영하는 영상의 밝기를 직접적으로 조절하는 API로서 FALSE로 설정하였다. Antibanding, AutoFocus는 촬영된 이미지의 밴드에 영향을 주는 API로서 Anti banding은 화면에 줄무늬가 가지 않게 하는 API로서 Rolling Shutter 메커니즘에 영향을 주므로 ANTIBAND ING_OFF로 설정하였고 AutoFocus는 FALSE로 설정하였다^[8～11].
그림 14는 디코딩 위치를 지정해준 모습을 보여준다. 기준은 HoughCircle 메소드를 통하여 얻은 반지름과 중심위치를 이용하여 지정해준다. 본 논문에서 이용한 기준선위치는 중심에서 반지름의 1.
그림 11은 LED-to-SmartPhon 모니터링 시스템의 패킷 구조를 나타낸다. 시리얼로 연결된 라즈베리파이 서버로부터 받은 8비트의 데이터를 맨체스터 인코딩 방식을 이용하여 16비트의 데이터로 인코딩한다. 그리고 헤더와 ETX를 붙여 23비트의 패킷으로 패킷화 시킨다.
이후 스트링 변수에 추출된 데이터는 KMP 알고리즘을 사용하여 문자열의 헤더인 ‘01110’을 찾는다.

성능/효과

송신부 데이터는 ‘26’을 반복적으로 보내어 스마트폰에서 디코딩 과정을 거쳐 어플리케이션 TextView에 26을 출력하는 방식으로 실험을 하였다. LED의 집광렌즈의 각도가 4도 일 땐 0, 1의 밴드가 만들어지지 않고 많이 일그러지는 것을 확인 할 수 있었다. 집광각도가 8도 일 때부터 촬영된 이미지상의 밴드가 뚜렷히 나타났으며 20도 일 때는 최대 거리가 20cm까지 데이터 수신이 가능하였다.
이후 30도부터 점차적으로 거리가 멀어질수록 데이터 수신을 할 수 없었으며 30도에서 60도 사이 수신가능 거리가 급격히 감소함을 확이 할 수 있었다. 결과적으로 집광각도가 20도일 때 수신가능 거리가 가장 길었으며 스마트폰과 LED사이 거리가 멀어질수록 전송 성공률이 감소하는 것을 볼 수 있다.
스마트폰을 이용한 모니터링 시스템을 구성하여 집광각도 변화에 따른 전송 성공 여부를 실험을 하였고, 데이터 수집 시스템과 모니터링 시스템을 합친 전체 시스템 평가로는 거리 변화에 따른 제안된 스마트폰 소프트웨어의 디코딩 성공률을 실험 하였다. 성능 평가 결과에서 LED의 집광 각도가 20도 일 때 가장 먼 거리까지 데이터 전송이 가능하였고, 6cm부터 13cm까지 높은 디코딩 성공률을 보여준다. 14cm부터 낮아지는 디코딩 성공률은 제안된 스마트폰의 영상 처리과정에서 수신 모듈의 중심과 반지름의 길이를 측정하는 부분에서 더욱 정밀한 측정방법을 고안한다면 13cm 이후 거리에서도 높은 디코딩 성공률을 보여줄 것이라고 생각한다.
집광각도가 8도 일 때부터 촬영된 이미지상의 밴드가 뚜렷히 나타났으며 20도 일 때는 최대 거리가 20cm까지 데이터 수신이 가능하였다. 이후 30도부터 점차적으로 거리가 멀어질수록 데이터 수신을 할 수 없었으며 30도에서 60도 사이 수신가능 거리가 급격히 감소함을 확이 할 수 있었다. 결과적으로 집광각도가 20도일 때 수신가능 거리가 가장 길었으며 스마트폰과 LED사이 거리가 멀어질수록 전송 성공률이 감소하는 것을 볼 수 있다.

후속연구

성능 평가 결과에서 LED의 집광 각도가 20도 일 때 가장 먼 거리까지 데이터 전송이 가능하였고, 6cm부터 13cm까지 높은 디코딩 성공률을 보여준다. 14cm부터 낮아지는 디코딩 성공률은 제안된 스마트폰의 영상 처리과정에서 수신 모듈의 중심과 반지름의 길이를 측정하는 부분에서 더욱 정밀한 측정방법을 고안한다면 13cm 이후 거리에서도 높은 디코딩 성공률을 보여줄 것이라고 생각한다. 본 연구로 IoT 플랫폼에 가시광통신 적용 가능성을 확인하였다.
본 연구로 IoT 플랫폼에 가시광통신 적용 가능성을 확인하였다. 앞으로의 계획은 구현된 시스템에 동기화 부분을 연구하여 실시간 모니터링 시스템으로 발전시키고 다양한 데이터를 동시 수집 가능하게 하며, 수집된 대량의 데이터를 가공 처리를 위한 빅데이터 분석 기능을 탑재 시키도록 연구할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가시광통신의 장점은 무엇이 있나?	또한 가시광통신은 이외에도 여러 가지 장점이 있다. 가시광통신 기반 무선통신의 경우 RF 무선통신과 같은 사용 주파수 대역에 대해서 전 세계적으로나 각 국가별로 법 규제가 없어 자유롭게 사용이 가능하고 전파가 제한된 곳에서의 활용성이 높다. 가시광을 주파수 대역에서 보면 수백THz 이상의 고주파 대역에 위치하므로, 이에 비해 상대적으로 낮은 저주파 대역에 민감한 전자 전기 정밀기기들에 대한 전자기파의 영향이 없으며, 기존 RF통신기술 기반의 단거리 및 실내 무선 통신 서비스 등에 효과적으로 적용이 가능하다. 또한 가시광통신에 사용되는 LED 조명은 기존에 사용하던 형광등과 백열등에 비해 광원 효율이 뛰어나며, 응답시간이 빠르고 5만 시간이상의 긴 수명을 가지고 있다. 에너지 전환 효율이 뛰어나 열 손실이 거의 없어 90%의 전기 효율을 향상시킨다[3～5].
	가시광통신이 외부 칩임을 막을 수 있는 이유는?	가시광통신은 이러한 외부 침입에 의한 보안문제를 해결할 수 있는 대안 기술로 판단되고 있다. 가시광통신은 RF무선통신과는 달리 장애물을 통과 할 수 가 없다. 따라서 외부 침입을 막을 수 있다.
	LED-to-LED 양방향 가시광통신 시스템을 이용하여 제안된 시스템에서 최고의 성능을 가지는 집광각도를 찾고 디코딩 성공률 측정을 위해 진행한 실험은?	제안된 시스템에서의 최고의 성능을 가지는 집광각도를 찾고, 그에 따른 디코딩 성공률을 측정하기 위해 실험을 두 가지로 구성하였다. 스마트폰을 이용한 모니터링 시스템을 구성하여 집광각도 변화에 따른 전송 성공 여부를 실험을 하였고, 데이터 수집 시스템과 모니터링 시스템을 합친 전체 시스템 평가로는 거리 변화에 따른 제안된 스마트폰 소프트웨어의 디코딩 성공률을 실험 하였다. 성능 평가 결과에서 LED의 집광 각도가 20도 일 때 가장 먼 거리까지 데이터 전송이 가능하였고, 6cm부터 13cm까지 높은 디코딩 성공률을 보여준다.

참고문헌 (11)

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원문보기 상세보기
Michail Vasilakis, "DynaLight: A Dynamic Visible Light Communication Link for Smartphones," Delft University of Technology, December 2015.
Christos Danakis, "Using a CMOS CameraSensor for Visible Light Communication," IEEE Workshop on Optical Wireless Communications,1244-1248, December 2012.
Keith B. Hunter, James M. Conrad and Andrew R. Willis, "Visible Light Communication Using a Digital Camera and an LED Flashlight," IEEE SOUTHEASTCON 2014, Lexington, 1-5, March 2014.
Kil-Sung Park, "Development of tranceiver using Flashlight and camera in VLWC," Advanced Science and Technology Letters, Vol. 77, 23-32, December 2014.

저자의 다른 논문 :

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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