[논문]스마트 LED 시스템을 이용한 실내위치인식 정밀도 개선

이동수; 허형석

doi:10.5762/kais.2021.22.1.786

[국내논문] 스마트 LED 시스템을 이용한 실내위치인식 정밀도 개선
Improvement of Indoor Positioning Accuracy using Smart LED System Implementation 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.1, 2021년, pp.786 - 791

이동수 (유한대학교 정보통신공학과) , 허형석 (페이스시스템)

초록
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본 논문에서는 기존 실내 위치인식 시스템들이 가지는 신호 간섭과 측위 오차 등 제한점들을 최소화하고자, 전파 가시성이 뛰어나고 정밀 측위가 가능한 스마트 LED 기반 측위 시스템을 구성하여 실내 위치인식 정밀도를 개선하고자 한다. 이를 위해 스마트 LED의 SMPS 보드에 IEEE 802.4 Zigbee 모듈을 탑재하고 이동체 태그로부터 RSSI와 LQI 신호를 수신하여 게이트웨이를 통해 측위 서버로 전달하는 시스템을 구성하였다. 실험을 위해 게이트웨이, 스마트 LED 모듈 등 필요한 하드웨어는 별도로 설계하였으며, 외부 현장 사무실에서 시스템 구성 후 실험을 진행하였다. 스마트 LED에서 수신되는 이동체의 신호와 함께, 방향 센서로부터 획득한 이동체의 벡터 값을 전달하여 측위 서버에서 복합연산을 수행한 결과, 측위 오차가 70cm 이내로 이루어짐을 확인하였다. 이 결과는 기존 근거리 무선통신 기반 시스템보다 측위오차가 대폭 개선된 결과로서, 상용화 제품을 구현할 수 있는 수준을 보여준 것이라 할 수 있다. 또한, 본 실험 결과를 기반으로, 향후 신호 간섭이 상존하는 다양한 환경에서 시스템 성능을 튜닝할 경우, 신규 LED 설치 건물에서 위치 측위용으로 다양한 응용으로 사용이 가능할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, in order to minimize limitations such as signal interference and positioning errors in existing indoor positioning systems, a smart LED-based positioning system for excellent line-of-sight radio environments and precise location tracking is proposed to improve accuracy. An IEEE 802.4 Zigbee module is mounted on the SMPS board of a smart LED; RSSI and LQI signals are received from a moving tag, and the system is configured to transmit the measured data to the positioning server through a gateway. For the experiment, the necessary hardware, such as the gateway and the smart LED module, were separately designed, and the experiment was conducted after configuring the system in an external field office. The positioning error was within 70cm as a result of performing complex calculations in the positioning server after transmitting a vector value of the moving object obtained from the direction sensor, together with a signal from the moving object received by the smart LED. The result is a significantly improved positioning error, compared to an existing short-range wireless communications-based system, and shows the level at which commercial products can be implemented.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Smart LED system architecture for precise indoor positioning.
그림 Fig. 2. The architecture of IEC 62386 standard and Part 104 protocol. (Source: Report of Digital Illumination Interface Alliance, March 2018)
표 Table 1. Wireless transmission frame structure
그림 Fig. 3. The principle of trilateration based localization.
그림 Fig. 4. Operation flow of LED modules for a moving tag.
그림 Fig. 5. Operation of direction sensor to recognize the direction of a moving tag.
그림 Fig. 6. Pictures of tag and LED communication board containing Zigbee module. (a) Tag (b) LED communication board
그림 Fig. 7. Positioning server for control and measurement.
그림 Fig. 8. Display of radio signals in positioning server.
그림 Fig. 9. Display of tag location and LED module in positioning server.
표 Table 2. Test report of KTR(Korea Testing and Research Institute).

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존 방식들에서 가지는 전파 간섭을 최소화하고자 스마트 LED 조명기구회로 내에 무선통신 모듈을 탑재하여 이동체가 가진 태그(tag)와 통신함으로써, 실내에서 송수신 기기간 우수한 가시성을 확보하였다. 또한, 송수신 기기간 짧은 거리 간격으로 마이크로 셀 개념을 적용하고, RSSI 및 LQI(Link Quality Indicator) 값과 함께 이동체 방향 감지 센서로부터 데이터를 받아 이동체의 정밀 위치인식을 위한 복합 계산을 수행하였다.
본 논문에서는 기존 실내위치인식 시스템들이 가지는 신호 간섭과 측위 오차 등 제한점들을 최소화하고자, 전파 가시성이 뛰어나고 정밀 측위가 가능한 스마트 LED 기반 측위 시스템을 구성하여 실내위치인식 정밀도를 개선하고자 하였다. 스마트 LED의 SMPS 보드에 IEEE 802.

제안 방법

또한, 송수신 기기간 짧은 거리 간격으로 마이크로 셀 개념을 적용하고, RSSI 및 LQI(Link Quality Indicator) 값과 함께 이동체 방향 감지 센서로부터 데이터를 받아 이동체의 정밀 위치인식을 위한 복합 계산을 수행하였다.
8은 측위 서버에 수집되는 태그의 신호 값 화면을 보여주고 있다. 본 실험에서는 약 3초 간격으로 태그를 움직여 신호를 측정하였으며, 10회 측정하여 평균값을 별도로 계산하였다.
위치가 계산된다. 이동체의 장소에 따라 중첩되는 LED 영역이 차이가 나게 되는데, 본 실험에서는 수신되는 전파세기 크기가 강한 신호 3개 또는 4개를 선택하여 3변 측량 또는 4변 측량 방법을 사용하여 태그의 위치를 파악하였다.
알 수 없다. 이러한 약점을 보완하기 위해서 Fig. 5 에 나타낸 바와 같이, 이동체의 방향과 속도를 감지하는 고정좌표의 방향감지 센서를 설치함으로써, 현재 이동체의 방향 정보와 속도 정보를 벡터값으로 전달하도록 하였다. 이때, RSSI 값 자체는 동일 장소에서 미세한 움직임에도 변화할 수 있으므로, 센서에서 감지하는 RSSI 값을 3단계로 그레이딩(grading)하여, RSSI 그레이드가 변화하는 기준으로 방향을 감지한다.
9은 인식된 태그의 위치를 측위 서버에서 보여주고 있다. 태그의 RSSI 신호는 측정 때마다 2개에서 4개 LED 모듈에서 유효한 값이 동시 감지되었으며, 3.1절에서 설명한 다변 측량과 복합 연산 알고리즘으로 위치를 계산하였다. 태그의 위치 좌표 계산 결과 값과 GUI에 표시되는 위치는 다소 오차가 발생하였으나, 측정 위치 값은 실제 위치 값 대비 70cm 이내로 측정됨을 확인하였다.
방법에 대해 기술하였다. 하드웨어는 이동체에 탑재하는 송신용 태그, 수신기가 탑재된 스마트 LED 및 데이터 그룹핑을 위한 게이트웨이(gateway), 방향감지 센서, 측위서버 등으로 구성하였으며, DALI(Digital Addressable Lighting Interface) 기반의 프로토콜을 정의하였다. 3 장에서는 실제 사무실 환경에서 위치측정 시스템을 구성한 방법과 실험을 수행한 결과를 기술하였으며, 4장에서는 결론 및 향후 과제에 대해 고찰해 보고자 한다.
스마트 LED의 Zigbee 모듈은 브릿지 모드(bridge mode)로 동작하면서 게이트웨이로 정보를 전달한다. 효율적인 데이터 전송을 위해 DALI 규격을 활용하여 LED 모듈과 게이트웨이 간 전송프로토콜을 정의하였다. 송신 및 수신 프레임 구조를 무선통신 신호에 맞추어 간결하게 정의하였으며, 2.

대상 데이터

무선통신은 다수의 송신기를 수용할 수 있도록 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.15.4 기반 Zigbee 모듈을 사용하였으며, Zigbee 모듈은 MAC(Medium Access Control) 레벨에서 LQI 값을 제공하므로 RSSI와 함께 전파신호 값으로 사용하였다. 태그로부터 전달되는 신호를 LED 모듈에서 게이트웨이로 전달하고 동시에 제어신호를 LED 모듈로 전달하기 위해서, 디지털 조명제어 표준인 IEC([International Electrotechnical Commission) 62386 DALI(Digital Addressable Lighting Interface) 규격[7]을 활용하였다.
본 논문에서의 실험 내용은 자체 실험과 별도로 한국화학융합시험연구원(KTR: Korea Testing and Research Institute)에 시험조건 및 시험 결과를 의뢰하였다. 그 결과, 측위 결과에 대해서는 유사한 결과를 얻었으며, LED 의 고조파 함유율, Tag의 전력소모 등 종합적인 시험 결과를 얻을 수 있었다(Table 2).

이론/모형

본 논문에서는 무선 통신을 통한 제어를 위해 IEC 62386 DALI 표준에서 Part 104 "General requirements - Wireless and alternative wired systems" 규격을 사용하였다(Fig. 2).
4 기반 Zigbee 모듈을 사용하였으며, Zigbee 모듈은 MAC(Medium Access Control) 레벨에서 LQI 값을 제공하므로 RSSI와 함께 전파신호 값으로 사용하였다. 태그로부터 전달되는 신호를 LED 모듈에서 게이트웨이로 전달하고 동시에 제어신호를 LED 모듈로 전달하기 위해서, 디지털 조명제어 표준인 IEC([International Electrotechnical Commission) 62386 DALI(Digital Addressable Lighting Interface) 규격[7]을 활용하였다.

성능/효과

시험조건 및 시험 결과를 의뢰하였다. 그 결과, 측위 결과에 대해서는 유사한 결과를 얻었으며, LED 의 고조파 함유율, Tag의 전력소모 등 종합적인 시험 결과를 얻을 수 있었다(Table 2).
본 시험 결과에서 나타난 것처럼 대부분의 하드웨어 성능 항목에서는 세계 최고 수준인 필립스(Philips) 제품과 동일한 수준의 성능을 얻었으며, 측위 정밀도 항목에서는 기존 근거리 무선통신 방식보다 2배이상 우수한 성능을 얻을 수 있었다.
본 실험에서 2미터 간격의 고정좌표를 가지는 스마트 LED를 활용한 마이크로셀 기반의 위치인식 시스템은 WiFi AP 기반의 위치인식 시스템에 비해 셀 반경이 적어 위치 오차가 적어지나, 실제 거리에 따른 RSSI 신호 세기가 선형특성을 유지하지 않아 일정 오차범위를 가지게 되며, 위치인식 범위 내 이동체의 이동 방향에 대해서는 전혀 알 수 없다. 이러한 약점을 보완하기 위해서 Fig.
하였다. 스마트 LED의 SMPS 보드에 IEEE 802.4 Zigbee 모듈을 탑재하고 이동체 태그로부터 RSSI와 LQI 신호를 수신하여 측위 서버로 전달하고, 동시에 방향 센서로부터 이동체의 벡터 값을 전달하여 복합연산을 수행한 결과, 측위 오차가 70cm 이내로 달성함을 확인하였다. 이는 조명 장치를 사용하는 실내 환경에서 실내위치인식 시스템으로 활용할 수 있는 최고 수준의 실내 정밀 측위 결과이며, 향후 신호 간섭이 상존하는 다양한 환경에서 시스템 성능을 튜닝할 경우, 상용화 제품을 구현할 수 있는 가능성을 보여준 것이라 할 수 있다.
이 방식에서는 BLE(Bluetooth Low Energy)의 전파맵을 학습 데이터 셋으로 구성하여 RNN(Recurrent Neural Networks)기반 LSTM(Long Short-Term Memory) 모델에 적용, 측위 정확도를 실험한 바 있다. 정확도 결과는 2.152미터 정도로 기존 기술과 유사한 정도였으나, BLE와 딥러닝 모델을 접목한 방법은 주목할 만한 새로운 시도라고 할 수 있다.
1절에서 설명한 다변 측량과 복합 연산 알고리즘으로 위치를 계산하였다. 태그의 위치 좌표 계산 결과 값과 GUI에 표시되는 위치는 다소 오차가 발생하였으나, 측정 위치 값은 실제 위치 값 대비 70cm 이내로 측정됨을 확인하였다.

후속연구

또한 DALI 규격을 활용하여 송수신 프로토콜을 효율적으로 정의하였으며, 이는 LED 조명제어를 위한 응용에도 효과적으로 활용할 수가 있을 것으로 예상한다.
본 실험을 위해 개발한 이동체 태그의 경우 향후 출입증 카드의 형태로 소형화할 경우 각 기업, 병원 등 단위기관에서도 본 시스템을 활용할 수 있을 것으로 예상한다. 또한 DALI 규격을 활용하여 송수신 프로토콜을 효율적으로 정의하였으며, 이는 LED 조명제어를 위한 응용에도 효과적으로 활용할 수가 있을 것으로 예상한다.
4 Zigbee 모듈을 탑재하고 이동체 태그로부터 RSSI와 LQI 신호를 수신하여 측위 서버로 전달하고, 동시에 방향 센서로부터 이동체의 벡터 값을 전달하여 복합연산을 수행한 결과, 측위 오차가 70cm 이내로 달성함을 확인하였다. 이는 조명 장치를 사용하는 실내 환경에서 실내위치인식 시스템으로 활용할 수 있는 최고 수준의 실내 정밀 측위 결과이며, 향후 신호 간섭이 상존하는 다양한 환경에서 시스템 성능을 튜닝할 경우, 상용화 제품을 구현할 수 있는 가능성을 보여준 것이라 할 수 있다.

참고문헌 (8)

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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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