[논문]이미지 블록 디바이스를 위한 BLE 다중 접속기술 기반 이미지 분할 송수신 기술의 설계 및 구현

곽창섭; 이영순

doi:10.9717/kmms.2021.24.6.825

이미지 블록 디바이스를 위한 BLE 다중 접속기술 기반 이미지 분할 송수신 기술의 설계 및 구현
Design and Implementation of Image Segmentation Tx/Rx Technology Based On BLE(Bluetooth Low Energy) Multiple Access Technology for Image Block Devices 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.24 no.6, 2021년, pp.825 - 837

곽창섭 (Department of Electronic Engineering, Kumoh National Institute of Technology) , 이영순 (Department of Electronic Engineering, Kumoh National Institute of Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

The Bluetooth Low Energy profile has the advantage of continuing wireless communication with very little power consumption compared to the existing Bluetooth, so it is widely applied to smart devices. Most of them are applied to Point-to-Point (1:1) communication between Central (Master) and Peripheral (Slave), but can be applied to Point-to-Multiple (1:N) wireless communication through the use of multiple threads and timers. Therefore, in this paper, a precise timer was designed in the BLE profile to devise an image segmentation transmission/reception structure based on multiple access, and a smart image block device applied to it was designed and verified.

주제어

표/그림 (28)

그림 Fig. 1. Image Block Device Product Breakdown Structure.
그림 Fig. 2. Image Block device inner design and LCD Panel dots.
그림 Fig. 3. Light Frame Header Structure.
그림 Fig. 4. NUS Queue Process using Timer.
그림 Fig. 5. Block device and Base station Structure.
그림 Fig. 6. Magnetic Charge part concept.
그림 Fig. 7. Image Puzzle and Multi Access Concept.
그림 Fig. 8. Concept of Puzzle Block and Application operation on Multi Access.
그림 Fig. 9. Protocol Service Structure support by Chip Manufacturer.
그림 Fig. 10. Device MCU pin map.
그림 Fig. 11. nRF52832 Block diagram.
그림 Fig. 12. ST7789V Driver IC Schematics.
표 Table 1. 4-line(CSX, WRX, DCX, SDA) Serial data interface.
그림 Fig. 13. Charge board Schematics made of LED and FET.
그림 Fig. 14. RF/MCU, LCD Driver IC, Charge board, Assembled parts (From the left).
그림 Fig. 15. Magnetic pogo pin and module with base station structure.
그림 Fig. 16. Developed Smart Image Block Puzzle.
그림 Fig. 17. Implemented Application page.
그림 Fig. 18. Application Flow Chart.
그림 Fig. 19. Image Frame select function.
그림 Fig. 20. Select image Auto Scale function.
그림 Fig. 21. Auto movie play function when block device puzzle is successful.
그림 Fig. 22. Test and Evaluation scene using application and device hardware.
표 Table 2. Block device display time result for each NUS-based multiple access, 10 times average.
표 Table 3. Block device display time result for each Custom Service multiple access, 10 times average.
표 Table 4. Comparison of data parsing and LCD demonstration speed of NUS and Custom Service.
그림 Fig. 23. Assessment and activity using image block devices.
표 Table 5. Changes in visual perception and cognitive function before and after Activity (*p<0.5)

AI 본문요약
AI-Helper

제안 방법

어플리케이션의 경우 스마트폰 내 저장된 모든 이미지, 카메라로 바로 촬영한 이미지의 해상도(Reso- lution)에 관계없도록 이미지를 표준화하기 위해 Fig. 19와 같이 Decoding, Scaleoptimize, Split, Resizing, Transform을 수행하는 알고리즘을 고안하여 최종적으로 모든 스마트폰 내 이미지(라이브 촬영, 캡쳐 포함)을 실시간으로 연동하여 스마트 퍼즐블록으로 송신, 제어 가능하도록 구현하였다.
본 논문에서는 이미지 블록 디바이스와 스마트폰어플리케이션 간 일대 일(1:1), 일대 다수(1:N) 간 Throughput을 구한다음 거리에 따른 실제 전송 Throughput을 컨트롤러 제조사에서 제공하는 기본서비스인 NUS와 이미지 전송 지연을 최적화 하는 형태로 구성한 CUS를 비교하여 다중접속 간 이미지 분할 전송을 평가하였다. 칩 제조사에서 제공하는 UART통신을 사용할때는 1Mbps의 Throughput 제약이 존재하였으나 Custom Service를 구현하여 2MbpsThroughput을 확보하였으며 다중접속 상황에서 NUS대비 최대 65%의 속도개선을 확인하였다.

대상 데이터

RF/MCUController는 Nordic社의 nRF52832패키지를 활용하였으며 Fig.10과 같이 LCDDriverIC 와 SPI interface를 구성하였다. 또한 Fig.
14는 최종 개발된 RF/MCU보드, LCDDriver IC 보드, 충방전 보드이다. 개발의 용의성을 위해 nRF52832는 패키지를 그대로 활용하였으며 구조안정을 위해 보드간 20핀 커넥터를 활용하여 직접 결합하였다.
스마트 이미지 퍼즐 블록을 위한 이미지 블록 디바이스에는 TFT-LCDDriverIC보드, RF/MCU 보드, 배터리 충/방전 보드의 PCB가 포함되며 3.7V 220mAh리튬폴리머 배터리나 외부 5V전압에 대응하여 동작하도록 개발되었다.
우선 LCDDriver IC보드는 Gate320개, Source 720개의 Sitronix社의 ST7789V를 선택하여 Table 1과 같이 최대 4-line(CSX, WRX, DCX, SDA)Serial datainterface에서 262K(6-6-6bitRGB)구현이 가능하도록 하였다. 이에 대응하는 TFT-LCD는 Shenz- henFridaLCD社의 1.
이미지 블록 디바이스는 Fig.1과 같이 1.54inch TFT-LCD, 드라이버 보드, BLE 5.0(with MCU). 220mAh리튬폴리머 배터리, 충전 및 방전 보호회로와 충전 커넥터 등으로 구성된다.
이에 대응하는 TFT-LCD는 Shenz- henFridaLCD社의 1.54inch, 240(H)×RGB×240(V) Resolution, SPI interface가 적용된 제품을 선택하였다.
인지장애 시니어를 대상으로 주 3회, 1회 30분, 총 4주간 중재활동을 진행하였으며 테스트 대상자는 총 12명으로 남성이 4명(33%)여성이 8명(67%)이었다. 연령은 70대(66%)가 가장 많았고 60대(16%), 80대 (16%)로 나타났다.

성능/효과

BLE를 활용하여 모바일과 이미지 퍼즐블록을 1:1 로 페어링하여 시험한 결과 LCD시연에 소요되는 시간은 2Mbps로 Throughput이 개선되어 NUS 대비 약 50%가량 개선(1:1페어링 기준)되는 것을 확인하였다. 1:1페어링부터 1:10까지의 다중접속 시 LCD 시연속도는 Table 3과 같다.
BLE를 활용하여 모바일과 이미지 퍼즐블록을 1:1 로 페어링하여 시험한 결과 LCD시연에 소요되는 시간이 무선망을 사용하지 않을 때와 유사한 정도로 확인되었으며 1:3, 1:5, 1:7, 1:9의 다중접속에서 LCD 시연 속도가 저하되는 현상을 확인할 수 있었다. NUS기반 다중접속 전송 측정시간은 Table2와 같다.
다음으로 UART대신 CustomService로 구현하여 데이터 Parsing및 LCD시연속도를 확인한 결과 2400byte/125ms(19.2Kbyte/s)로 48번의 총 Packet 전송 시간은 평균 6.5s로 측정되었다.
또한 개발된 이미지 블록 디바이스와 샘플 콘텐츠를 활용하여 약식으로 진행된 시니어 대상 중재 및 평가 활동의 결과로 통계학적으로 유의한 결과를 확인하였으나 임상테스트 기간이 짧고 대상자 시니어의 수가 적어 일반화되기 어려운 한계점에도 불구하고 ICT제품과 콘텐츠를 응용한 제품을 활용하는 새로운 재활기법의 활용 가능성을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 이미지 블록 디바이스와 스마트폰어플리케이션 간 일대 일(1:1), 일대 다수(1:N) 간 Throughput을 구한다음 거리에 따른 실제 전송 Throughput을 컨트롤러 제조사에서 제공하는 기본서비스인 NUS와 이미지 전송 지연을 최적화 하는 형태로 구성한 CUS를 비교하여 다중접속 간 이미지 분할 전송을 평가하였다. 칩 제조사에서 제공하는 UART통신을 사용할때는 1Mbps의 Throughput 제약이 존재하였으나 Custom Service를 구현하여 2MbpsThroughput을 확보하였으며 다중접속 상황에서 NUS대비 최대 65%의 속도개선을 확인하였다.

후속연구

하지만 2Mbps의 Throughput은 충분한 정도의 전송속도라 볼 수 없으며 특히 1:10정도의 다중접속을 위해서는 3Mbps이상의 Throughput이 요구되며 이에 적합한 상위 칩셋을 적용하고 현재와 같은 Data ParsingTimer활용의 한계는 충분한 내부 Flash 메모리가 지원된다면 동기화 기반으로 설계가 가능하며 처리속도 또만 상당부분 개선될 것으로 판단된다. 이에 향후 개발방향을 CustomService를 최적화하여 다중접속시 지연속도를 현재보다 30%이상 개선하는 것을 목표로 추가 연구를 진행하고자 한다.
하지만 2Mbps의 Throughput은 충분한 정도의 전송속도라 볼 수 없으며 특히 1:10정도의 다중접속을 위해서는 3Mbps이상의 Throughput이 요구되며 이에 적합한 상위 칩셋을 적용하고 현재와 같은 Data ParsingTimer활용의 한계는 충분한 내부 Flash 메모리가 지원된다면 동기화 기반으로 설계가 가능하며 처리속도 또만 상당부분 개선될 것으로 판단된다. 이에 향후 개발방향을 CustomService를 최적화하여 다중접속시 지연속도를 현재보다 30%이상 개선하는 것을 목표로 추가 연구를 진행하고자 한다.

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Nordic Semiconductor, nRF52832-Product Specification v1.0, 50. Universal Asynchronous receiver/transmitter, Peripheral inteface, pp. 526-534, 2020.

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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