[논문]LoRa 모듈을 이용한 GPS기반 무선 분실 방지 시스템 구현

고준혁; 한동균; 이세라; 박하연; 김동회

doi:10.9728/dcs.2017.18.4.761

LoRa 모듈을 이용한 GPS기반 무선 분실 방지 시스템 구현
Implementation of GPS-based Wireless Loss Prevention System using the LoRa Module 원문보기

디지털콘텐츠학회 논문지 = Journal of Digital Contents Society, v.18 no.4, 2017년, pp.761 - 768

고준혁 (강원대학교 전기전자공학부 전자통신공학전공) , 한동균 (강원대학교 전기전자공학부 전자통신공학전공) , 이세라 (강원대학교 전기전자공학부 전자통신공학전공) , 박하연 (강원대학교 전기전자공학부 전자통신공학전공) , 김동회 (강원대학교 전기전자공학부 전자통신공학전공)

초록
AI-Helper

블루투스 통신을 이용한 분실 방지기는 짧은 통신거리를 가지기 때문에 일정한 거리를 벗어나면 분실물의 위치를 알 수 없다는 단점을 가지고 있다. 기존 분실 방지기의 단점을 극복하기 위하여 본 논문에서는 상대적으로 긴 통신거리를 가지는 LoRa 통신과 위치 추적을 위한 통신료가 필요 없는 GPS 기반 무선 분실 방지 시스템을 제안한다. 제안하는 분실 방지기는 원격 제어 애플리케이션을 스마트 폰에서 실행하여 Lora 통신을 이용해 분실 방지기의 장거리 GPS 좌표 정보를 구글 지도상에서 확인할 수 있는 시스템이다. 구현된 제안시스템의 성능 평가를 위해 개활지, 실내, 실내-실외에서 데이터 송수신 실험을 진행하였고 실험 결과는 제안된 시스템이 장거리에서도 성능이 우수함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the loss prevention system using bluetooth has a short communication range, it has a problem which its location is not known if it is strayed out of a certain distance. To overcome shortcoming of such an existing loss prevention system, this paper proposes a GPS-based wireless loss prevention system without communication fee using the LoRa Communication with a long distance. The proposed system performs a remote control application on the smart-phone and then is able to get a long-distance GPS coordinates about the location of the loss prevention system on the google map. For performance evaluation of the implemented proposed system, the experiments for transmitting and receiving data are done in open terrain, indoor and outdoor areas and the experiment results identified the superiority of the proposed system in the long-distance.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

기존 블루투스 기반 분실 방지기의 위치를 찾을 수 없다는 문제점을 보완하기 위해 본 논문에서는 2개의 LoRa 통신 모듈을 이용하여 GPS 값을 교환하는 분실 방지기 시스템을 제안한다. 그림 4는 제안하는 분실 방지 시스템의 시퀀스 다이어그램 이다.
전달받은 GPS 좌표를 스마트 폰 애플리케이션으로 구글맵에 입력하여 GPS 송신 장치의 위치 파악을 위한 정보를 제공한다. 또한 RSSI와 SNR 등의 값을 제공하여 데이터의 신뢰성을 높이고자 한다.
기존의 분실 방지기는 블루통신을 사용하여 10m 내외의 통신범위를 가지며, 해당 범위를 벗어날 경우 분실방지기의 위치를 찾기란 어려운 일이다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 본 논문에서는 LoRa 통신을 이용해 GPS 좌표를 전달하는 분실 방지 시스템을 제안하고, 구현하였다. 본 논문에서 제안하는 분실 방지 시스템은 최대 통신거리 720m로 기존의 블루투스를 이용한 분실 방지기보다 긴 통신거리를 가진다.

제안 방법

그림 14와 그림 15은 시나리오 2에 대한 실험 결과이다. GPS 수신기를 옥상(6)층에 올려둔 상태에서 한 층씩 내려가면서 실험을 진행하였다. 그림에서 0층은 실외의 환경을 의미한다.
본 논문에서는 제안하는 분실 방지기의 통신 성능을 평가하기 위해 다음 3 가지의 시나리오에서 실험을 진행하였다. 시나리오 1은 개활지(400m 트랙의 운동장), 시나리오 2는 실내(건물의 옥상과 다른 층), 시나리오 3은 실내-실외(건물 내부와 외부)이다.
통신 모듈 제조사의 LoRa 모뎀 계산기 툴의 권장 범위 하에 통신거리와 속도, GPS 송신에 요구되는 전송 속도에 따라 표 1과 같이 Case 1, Case 2, Case 3, Case 4로 구분하여 각각 실험을 진행하였다. 성능 평가를 위한 지표로 RSSI와 SNR을 측정하였다.
그림 9 는 제안하는 분실 방지기의 원격 제어 애플리케이션을 스마트 폰에서 실행한 화면이다. 애플리케이션은 MIT App Inventor2로 개발하였으며, Designer Editor로 디스플레이 되어질 화면을 디자인하고, Block Editor로 Designer Editor에서 디자인한 컴포넌트 요소들이 동작하도록 구현하였다.[11] Disconnected와 Connected로 현재 블루투스 페어링 상태를 나타내며, ‘Disconnected’ 버튼을 누르면 그림 우상단의 블루투스 통신을 위해 페어링이 가능한 장치들의 목록에서 연결하고자 하는 기기를 선택하여 페어링 한다.
위 두 가지의 제품의 단점들을 보완하기 위해 본 논문에서는 Short-Range Network인 Wi-Fi나 Bluetooth보다 통신 범위가 넓고 Celluar Network보다 가격이 저렴한 LoRa 통신을 이용하는 1대1 통신 기반의 분실 방지 시스템을 제안한다. 사용하는 LoRa 모듈은 기기 간 최대 무선 통신거리가 약 1km이고, 별도의 통신비가 필요하지 않다는 장점을 가진다.
제안하는 분실 방지 시스템은 LoRa 모듈 간의 무선 통신으로 GPS 좌표를 사용자에게 전달한다. 전달받은 GPS 좌표를 스마트 폰 애플리케이션으로 구글맵에 입력하여 GPS 송신 장치의 위치 파악을 위한 정보를 제공한다. 또한 RSSI와 SNR 등의 값을 제공하여 데이터의 신뢰성을 높이고자 한다.
사용하는 LoRa 모듈은 기기 간 최대 무선 통신거리가 약 1km이고, 별도의 통신비가 필요하지 않다는 장점을 가진다. 제안하는 분실 방지 시스템은 LoRa 모듈 간의 무선 통신으로 GPS 좌표를 사용자에게 전달한다. 전달받은 GPS 좌표를 스마트 폰 애플리케이션으로 구글맵에 입력하여 GPS 송신 장치의 위치 파악을 위한 정보를 제공한다.
시나리오 1은 개활지(400m 트랙의 운동장), 시나리오 2는 실내(건물의 옥상과 다른 층), 시나리오 3은 실내-실외(건물 내부와 외부)이다. 통신 모듈 제조사의 LoRa 모뎀 계산기 툴의 권장 범위 하에 통신거리와 속도, GPS 송신에 요구되는 전송 속도에 따라 표 1과 같이 Case 1, Case 2, Case 3, Case 4로 구분하여 각각 실험을 진행하였다. 성능 평가를 위한 지표로 RSSI와 SNR을 측정하였다.

이론/모형

GPS 수신부는 Arduino 보드, LoRa 모듈, GPS 수신기로 이루어져있으며, 통신부는 Arduino 보드, LoRa 모듈, 블루투스 모듈로 이루 어져있다. 각각의 모듈 제어를 위한 마이크로프로세서로 Arduino를 사용한다. 하드웨어단에서는 GPS수신과 LoRa모듈 간의 정보 교환이 주를 이룬다.

성능/효과

그림 13와 표 2는 시나리오 1에 대한 실험 결과이다. 4 가지의 Case에서 GPS 수신부와 통신부 사이의 거리가 멀어질수록 RSSI 값이 감소했으며, Case 3의 경우 최대 통신거리가 가장 길었다.
그림 16과 표 3은 시나리오 3에 대한 실험 결과이다. 4 가지의 Case에서 GPS 수신부와 통신부 사이의 거리가 멀어질수록 장애물도 많아져, RSSI 값이 감소할 때의 감소폭 또한 시나리오 1에 비해 큰 것을 확인하였다. 시나리오 3에서는 Case 3의 통신거리가 가장 길었다.
실험은 각층마다 10회씩 측정하였고 그림은 각 case에서의 평균값을 의미한다. 4가지의 Case에서 GPS 수신부와 통신부 사이의 거리가 멀어질수록 RSSI 값과 SNR 값이 감소하였다. 다만 통신부가 실외에 있을 경우 통신 장애물이 없어, 같은 높이의 실내에 통신부가 있을 경우보다 훨씬 높은 SNR 값을 얻을 수 있었다.
4가지의 Case에서 GPS 수신부와 통신부 사이의 거리가 멀어질수록 RSSI 값과 SNR 값이 감소하였다. 다만 통신부가 실외에 있을 경우 통신 장애물이 없어, 같은 높이의 실내에 통신부가 있을 경우보다 훨씬 높은 SNR 값을 얻을 수 있었다. Case 간의 RSSI 차이는 큰 특징을 보이지 못했으나, SNR의 경우 상대적으로 Case 1과 Case 3에서 높은 값을 보였다.
이러한 단점을 극복하기 위해서 본 논문에서는 LoRa 통신을 이용해 GPS 좌표를 전달하는 분실 방지 시스템을 제안하고, 구현하였다. 본 논문에서 제안하는 분실 방지 시스템은 최대 통신거리 720m로 기존의 블루투스를 이용한 분실 방지기보다 긴 통신거리를 가진다. 하지만 통신사가 망과 같이 넓은 커버리지를 확보하지는 못한다는 한계가 존재한다.

후속연구

또한 저전력 통신으로 잦은 배터리의 충전이 필요가 없다는 장점을 가진다. 향후에는 애플리케이션을 이용해 사용자의 스마트 폰에서 GPS 수신부에서 소리나 불빛 알림을 제어하도록 한다면, 사용자가 분실 방지기를 찾을 때 더 용이 할 것이다. 또한 지오펜싱 기술을 통해 설정 범위를 벗어났을 경우의 알림을 줄 수 있고, 여러개의 통신부를 두어 상호 통신을 한다면 통신거리를 몇 배로 늘릴 수도 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	블루투스 동작을 위한 두가지 역할은 무엇이며 그 두가지를 어떻게 정의할 수 있는가?	그림 2는 블루투스 기반 분실 방지기의 동작 방식이다. 블루투스는 Master와 Slave로 역할을 나누어 동작하는데, 통상적으로 Inquiry(검색)와 Page(연결 요청)을 하는 쪽을 Master라고 정의하고, Inquiry Scan(검색 대기) 및 Page Scan(연결 대기)를 하는 쪽을 Slave라고 한다. Master가 주변의 Slave를 찾으면, Slave 는 그에 응답하여 자신의 정보를 Master에 보내고, Slave의 정보가 Master와 일치하면 상호 연결이 이루어져 데이터 전송이 가능해진다.
	블루투스 기반 분실 방지기의 한계점은 무엇인가?	그림 2 하단과 같이 사용자의 스마트폰과 분실 방지기 사이의 거리가 멀어져 페어링이 끊기면, 진동으로 알림을 주는 방식이다. 통신거리가 약 10m인 블루투스 통신을 이용하는 방식은 단지 10m이상의 거리로 물건이 이탈했음을 알려 줄 수 있을 뿐 10m밖의 거리에 어느 곳에 위치해 있는지 찾는 데에는 도움을 주지 못한다.
	시중 대부분의 분실 방지기는 어떤 방식을 이용하고 있는가?	이와 같은 분실물 발생 문제를 해결하기 위해 ‘분실 방지’ 혹은 ‘위치 추적’ 시스템을 탑재한 단말기가 시중에 판매되고 있다. 시중 대부분의 분실 방지기는 블루투스 통신을 이용하여, 통신거리가 10m 내외인 블루투스 연결이 끊기면 알림을 주는 방식을 사용한다. 하지만 10m 반경 밖의 모든 공간이 분실물의 존재 가능성이 있으므로, 분실 방지기의 위치를 찾아내는 것은 매우 어려우며, 이는 분실 방지기의 역할을 수행하는데 걸림돌이 된다[1][2].

참고문헌 (12)

Soo-Hyeon Lim, Ki-Hoon Kim, Hyung-Seok Kim, Dong-Jin Yoo, Seong-Hyeok Kang, SangJin Kim, Young-Jin Goh, "Loss-Prevention System Using Bluetooth Communication", The Korean Institute of Electrical Engineers Conference Proceedings, Gwangju, pp. 103-104, 2016-11.
Jae-seong Noh, Seong-chan Son "Performance Analysis of Short Range High Speed Wireless Data Communication System" Journal of Digital Contents Society,Vol. 7, No.3, pp. 139-145, Sep 2006.
Our family's peace of mind KEYCO GPS location reminder [Internet]. Available: http://mykeyco.com
Gper collects position via GPS [Internet]. Available:http://www.gper.me/ko/index.php#section_usecase
Tae-Jun.Park, "LPWA IoT Network Technology Trends" Elecronics and Telecommunications Trends,Vol. 32, No.1, pp. 46-53, Feb 2017.
Deuknyeong Ko, "Low Power Wide Area Technology Trend for Internet of Small tihngs", OSIA S&TR Journal, Vol.29, No.3, pp.8-13, Sep 2016.
Low -Throughput Devices which are Ultra Low Coast and Low Power Consumption [Internet]. Available:https://lora.sktiot.com/introduction/technology/main.do
HOPERF ELECTRONIC, RFM95/96/97/98(W) - Low Power Long Range Transceiver Module, HOPERF ELECTRONIC: China, pp. 26.
Glossary of ICT. Coding rate [Internet]. Available:http://www.ktword.co.kr/abbr_view.php?m_temp13202&m _searchcoding+rate
Jun-Yeong Lim, Jae-Min Lee, Dong-Hyun Kim, Jong-Deok Kim,"Performance Analysis of LoRa(Long Range) according to the Distance in indoor and outdoor space", Korea Information Science Society 2016 Winter Conference, Pyeongchang, pp.933-935, Dec 2016.
David Wolber, Hal Abelson, Ellen Spertus, Liz Looney, "App Inventor 2", Hanbityacademy, pp.98-151, 2015.
Glossary of ICT. SNR Signal Noise Ratio [Internet]. Available:http://www.ktword.co.kr/abbr_view.php?m_temp11214& m_searchsnr

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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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