[논문]무선센서 네트워크를 이용한 웨어러블 자기장 센서 장치

여희주

doi:10.5762/kais.2021.22.1.294

무선센서 네트워크를 이용한 웨어러블 자기장 센서 장치
Wearable Magnetic Sensor Device Using Wireless Sensor Network 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.1, 2021년, pp.294 - 298

초록
AI-Helper

최근 많은 전자 기기들이 무선센서 네트워크 기술들을 접목하면서, 다양한 종류의 센서들이 무선센서 네트워크로 연결하여 사용할 수 있게 되었다. 하지만, 이런 무선센서 네트워크 장비들은 다양한 종류의 네트워크 기술들을 사용하는 데, 각각의 네크워크 기술에 따라 장단점이 존재한다. 따라서 이런 장단점을 잘 고려하여 적용하려는 분야와 목적에 부합할 수 있도록 최적으로 잘 선택하여야 한다. 특히 자기장 관련 센서는 다른 센서들과 달리 복잡한 센서 데이터를 처리함에 있어서, 자기장 센서만의 독특한 특징과 성질이 존재하기 때문에, 개발 초기에 잘 이해한 후에 설계를 하여야 한다. 본 논문에서는 자기장 필드에 발생하는 자기장 센서 데이터의 비선형 데이터를 처리할 수 있는 저가이면서 소형의 웨어 러블 장비를 제안하였다. 또한 무선 센서 네트워크 기술들을 선택하는 방법에 대해서 논의를 하고, 실제 자기장 센서 장치들이 네트워크로 구성하는 방법을 소개하였다. 결론적으로 개발된 웨어러블 자기장 센서장치가 구성하는 무선 센서 토포러지를 제시하고, 이 무선센서 네트워크 망에서 실제 데이터 전송의 성능 및 효능을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, many electronic devices have been integrated with various kinds of wireless sensor network technologies that have been enabled with wireless network connections. These wireless sensor network devices have adopted various kinds of wireless network technologies. On the other hand, because each wireless network technology has its advantages and disadvantages, the target and purposes should be considered carefully at the beginning of the development. In particular, the approach to the magnetic sensor should be considered carefully because it has its own characteristic compared to general sensors. The magnetic field generates nonlinear data. This paper introduces the design aspects to reflect low cost and wearable devices to use in a wireless sensor network. In addition, this paper addresses how to select proper sensor network technology. As a result, wireless sensor network devices were integrated using Zigbee and showed the performance of the throughput.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. A general joystick and the design of wearable joystick. (a) Installation of 4 magnets and sensor pad around wrist, (b) Magnetic sensor wrist pad, (c) System block diagram and (d) Main system board.
그림 Fig. 2. An example of mesh topology of Zigbee
표 Table 1. Relative comparison over wireless communication protocols
표 Table 2. Pros and cons of each topology
그림 Fig. 3. Transfer rate measurement. (a) Data throughput over 3 different gestures, such as L-R : Left and Right gesture. U-D : Up and Down gesture. Circle: Circle gesture. (b) Transfer rate measurement with different dummy values.
그림 Fig. 4. Average connection latency vs number of sensor nodes.
표 Table 3. Detail packet information over sensor network

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서 웨어러블 자기장 센서 디바이스가 하드웨어적으로 어떻게 구성되는지를 소개하였다. 이러한 배경에서 센서 네트워크를 적용할 때 고려해야할 점들을 지적하고, 문제점들을 해결하기 위한 방법들을 제시하였다.
본 논문에서는 실험을 통하여 지그비 센서 네트워크 위에서 실제 웨어러블 자기장 센서 디바이스가 운영 중일 때 데이터 전송률의 결과를 제시하였다. 또한 센서 네트워크에서 포토로지와 관계된 센서 노드의 개수에 따른 네트워크 연결지연 결과들을 보였다.
본 논문에서는 웨어러블 자기장 센서 디바이스들이 무선센서 네트워크를 적용할 때의 한계와 문제점들을 다시 살펴보고, 무선 네트워크 프로토콜 선정 시 주의해야 할 점들을 제시하였다. 또한, 무선 네트워크 프로토콜 중의 하나인 지그비를 실제로 사용하여 웨어러블 자기장 센서 디바이스를 개발하였고, 이 네트워크를 통해서 손목의 제스처에 따라 데이터를 전송함으로써, 전송률과 센서 노드의 개수에 따른 연결 지연률 관계를 보였다.
본 논문의 시스템은 웨어러블 조이스틱 장치가 센서 네트워크상에서 운영될 때의 효과와 결과를 보이기 위한 것으로, 성능 향상을 위해서 그 외의 기능은 최소한으로 하거나 제거하였다.
어떻게 구성되는지를 소개하였다. 이러한 배경에서 센서 네트워크를 적용할 때 고려해야할 점들을 지적하고, 문제점들을 해결하기 위한 방법들을 제시하였다. 특히 무선통신 프로토콜 중에 하나인 지그비를 사용하여 웨어러블 자기장 센서 디바이스에 구현하여, 무선센서 네트워크를 통해서 통신하는 방법을 소개하였다.

가설 설정

여기서 센서 노드는 본 논문의 웨어러블 자기장 센서 디바이스를 지칭한다. 특히, 메쉬 토포러지를 사용한 이유는 자체복구 (self-healing)를 지원하기 때문에, 본 논문에서는 사용자에 따라서 자주 출몰하고 없어지는 경우를 가정하고 개발을 하였고, 여기에 메쉬 토포러지가 가장 적합하다고 할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 Fig.

제안 방법

데이터 전송률을 평가하기 위해서, 더미(dummy) 100bytes의 데이터를 10msec 샘플링을 하고, 평균값을 필터링한 후에, 데이터의 변화가 없으면 보내지 않고, 변화가 있을 때만 보내는 식으로 각각의 손목 제스쳐에 따라서 전송률을 Fig. 3(a)와 같이 측정하였다. 원을 그리는 제스쳐가 가장 많은 데이터의 전송이 필요했고, 앞뒤 좌우에서는 다소 낮은 전송률을 보였다.
데이터 전송을 위해서 특정 데이터 패킷 포맷을 사용하는, Table 3과 같이 데이터 전송률을 테스트하기 위해서 더미 필드를 두고 실제 전송되는 데이터 패킷 사이즈를 변경할 수 있게 하여, 소프트웨어 변경 없이도 여러 가지의 전송패킷 사이즈들을 테스트함으로써, 다양한 데이터 전송량을 측정할 수 있게 설계를 하였다.
따라서 본 논문에 사용된 소프트웨어는 CPU (ATmega128)에서 실시간 운영체제(RTOS)는 사용하지 않고, 이런 운영체제 없이 베어메탈(bare metal) 펌웨어 (firmware)만으로 구성하였다[4].
제시하였다. 또한, 무선 네트워크 프로토콜 중의 하나인 지그비를 실제로 사용하여 웨어러블 자기장 센서 디바이스를 개발하였고, 이 네트워크를 통해서 손목의 제스처에 따라 데이터를 전송함으로써, 전송률과 센서 노드의 개수에 따른 연결 지연률 관계를 보였다.
1(c)와 같이 지그비 모듈을 부착하여 무선 센서 네트워크를 구성하게 설계하였다. 이렇게 무선센서 네트워크를 구성함으로써, 여러 개의 입력들을 한 번에 받아들일 수 있고, 센서 입력부와 컨트롤하는 부분을 분리할 수 있게 하였다. 따라서 무선센서 네트워크를 이용함으로써, 여러 사람이 하나의 로봇을 제어하거나 여러 사람의 손목의 제스쳐를 하나의 장치에서 처리가 가능하게 된다.
이러한 배경에서 센서 네트워크를 적용할 때 고려해야할 점들을 지적하고, 문제점들을 해결하기 위한 방법들을 제시하였다. 특히 무선통신 프로토콜 중에 하나인 지그비를 사용하여 웨어러블 자기장 센서 디바이스에 구현하여, 무선센서 네트워크를 통해서 통신하는 방법을 소개하였다. 여러 무선통신 프로토콜들 중에 지그비를 선택한 배경을 제시하였다.
여러 무선통신 프로토콜들 중에 지그비를 선택한 배경을 제시하였다. 특히 웨어러블 자기장 센서 디바이스의 특징을 잘 고려한 상태에서 적용하였다.

성능/효과

블루투스와 지그비를 비교해 보면, 블루투스는 마스터와 슬레이브의 네트워트 구조를 가지고 있지만, 지그비는 센서 네트워크의 프로토콜의 특징을 가지고 있다. 따라서, 저전력 소형의 본 논문의 장치를 개발하기 위해서는 지그비가 가장 적합다고 할 수 있다.
또한 센서 네트워크에서 포토로지와 관계된 센서 노드의 개수에 따른 네트워크 연결지연 결과들을 보였다. 따라서, 지그비의 데이터 전송량이 30K 바이트에서 40K 바이트의 성능을 보여서 본 논문의 시스템에 적합하다고 증명하였다. 센서 노드의 접속 지연률을 고려할 때 3~4개 이상의 센서 노드가 있을 때 3초 내로 존재함으로, 일정 개수 이상의 노드가 필요함을 증명하였다.
따라서, 지그비의 데이터 전송량이 30K 바이트에서 40K 바이트의 성능을 보여서 본 논문의 시스템에 적합하다고 증명하였다. 센서 노드의 접속 지연률을 고려할 때 3~4개 이상의 센서 노드가 있을 때 3초 내로 존재함으로, 일정 개수 이상의 노드가 필요함을 증명하였다.
여러 개의 센서 노드가 움직이고 있을 때의 접속 지연률을 측정하였는데, 지그비의 안정적인 전송거리는 방 (room) 거리가 적합하고, 이 거리안에 여러 개의 센서가 존재하면 크게 네트워크의 토포로지가 손상되지 않기 때문에, Fig. 4에서 보인 바와 같이 지그비의 전송거리 안에 여러 개의 센서 노드를 두는 것이 안정되게 전송 할 수 있음을 보여 주었다.

참고문헌 (6)

H. Ketabdar and et al., "Towards using embedded magnetic field sensor for around mobile device 3D interaction" Proceedings of the 12th international conference on human compture interaction, September 2010. DOI: https://doi.org/10.1145/1851600.1851626
Firdaus and et al., "ZigBee and wifi network interface on Wireless Sensor Networks" 2014 Makassar International Conference on Electrical Engineering and Informatics, March 2014. DOI: https://doi.org/10.1109/MICEEI.2014.706731
I.F. Akyildiz and et al., "Wireless sensor networks: a survey" Elsevier Volume 38, Issue 4, pp393-422, March 2009. DOI: https://doi.org/10.1016/S1389-1286(01)00302-4

상세보기
Hee-Joo Yeo, "Data Analysis and Processing Methods of Magnetic Sensor for Measuring Wrist Gesture", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 21, No. 11, pp.28-36, 2020. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2020.21.11.28

원문보기 상세보기
Y. Kim, B. Sok, and S. Lee, "A new wearable input device: Scurry" IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 52, No. 6, pp. 1490-1499, Dec. 2005. DOI: https://10.1109/TIE.2005.858736

상세보기
M. Kohvakka and et al., "Performance analysis of IEEE 802.15.4 and ZigBee for large-scale wireless sensor network applications" Proceddings of the 3rd ACM international workshop on performance evaluation of wireless ad hoc, sensor and ubiquitous networks pp. 48-57, 2006. DOI: https://doi.org/10.1145/1163610.1163619

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증