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위치 추적 모니터링, IEEE 802.15.4/지그비(ZigBee) 기술 활용

이 글에서는 다른 위치 추적 시스템에서 일반적으로 성능이 만족스럽지 못한 실내 환경에 대응하는 저렴한 저전력 위치 모니터링 시스템을 프리스케일 및 지그비 기술을 활용하여 구현하는 방법에 대해 알아본다. 이 문서는 또한 시스템 설계자들이 합동 위치 추적의 아주 기본적인 개념을 이해하는 데에도 유용하다.

글_ 프리스케일 / 오지엘 헤르난데즈(Oziel Hernandez), 바룬 자인(Varun Jain), 수하스 차크라바르티(Suhas Chakravarty), 프라샨트 바르가바(Prashant Bhargava)

GPS 없는 위치 모니터링, 그 작동 원리

믿기 어려울 수도 있지만 고가의 GPS(Global Positioning System, 위성 위치 확인 시스템) 디바이스를 사용하지 않고도 실내 환경에서 사람 또는 기타 물체의 위치를 확인하는 것이 가능하다. 더욱이 GPS는 GPS 위성의 LOS(Line Of Sight, 가시 범위) 악화로 인해 건물 내부에서는 성능이 매우 제한적이다.

저렴한 IEEE 802.15.4 임베디드 디바이스를 사용하는 지그비 메시 네트워크로 적절한 성능의 위치 모니터링 시스템을 개발할 수 있다. 하지만 때로 지그비 기술과 IEEE 802.15.4를 서로 바꾸어 잘못 사용하는 경우도 있기에 이 시점에서 각 기술이 어떤 것인지 분명히 하는 것이 중요하다.

IEEE 802.15.4는 PHY(물리) 계층과 MAC(Medium Access Control, 매체 접근 제어) 계층을 정의하는 무선 표준이고, 지그비 기술은 802.15.4에 NWK(네트워크) 계층과 APL(애플리케이션) 계층을 추가하여 표준 지그비 스택이라 불리는 솔루션을 완성하는 기반이다. 메시 네트워킹 기능이 NWK 계층에서 구현되므로 이 문서에서는 지그비 호환 디바이스를 솔루션으로 제시한다.

그림 1에 각 디바이스가 네트워크 내의 다른 디바이스와 직접 또는 인접한 디바이스를 통해 통신하는 지그비 메시 네트워크가 나와있다. 노드 간의 연결은 어려운 조건에서 동적으로 업데이트 및 최적화된다. 메시 네트워크는 각 노드가 자체적으로 경로를 설정하며 필요에 따라 다른 노드에 연결할 수 있는 분산 형태이다. 메시 토폴로지의 특성은 AODV(Ad hoc On Demand Distance Vector, 애드혹 주문형 거리 벡터) 라우팅 프로토콜 덕분에 변하는 환경(자체 구성) 또는 단일 노드 오류(자체 복구) 상황에서 뛰어난 안정성을 제공한다. 그림 1에 나온 지그비 메시 네트워크의 경우 노드의 유형은 3가지로, 모두 동일한 IEEE 802.15.4 물리 링크에서 작동한다.

GN(Gateway Node, 게이트웨이 노드)은 지그비 네트워크를 외부 컴퓨터 또는 컴퓨터 네트워크에 연결하거나 접속하는 데 사용되며(그림 2), 항상 AC 전원을 사용하고 상당히 높은 연산 성능을 갖춘 비이동 장치이다. GN 노드는 일반적으로 ZC(ZigBee Coordinator, 지그비 코디네이터)라고 불린다.

SN(Static Node, 고정 노드)은 일반적으로 AC 전원으로 구동되며, 위치를 확인하려는 나머지 노드에 대한 레퍼런스 역할을 하므로 알려진 고정 위치(이동되지 않음)에 배치되고, 상당히 높은 연산 성능을 가진다. SN은 GPS 시스템에서 위성과 유사한 기능을 하며, ZR(ZigBee Router, 지그비 라우터)로 불린다.

마지막으로 배터리로 구동되는 MN(Mobile Node, 이동 노드)은 연산 기능이 낮더라도 가능한 소형이어야 한다(그림 4). 이는 MN은 네트워크 전반의 정보를 저장하지 않으며 네트워크 관련 서비스를 수행할 필요도 없기 때문이다. 건물 내부에 있는 사람의 위치를 확인하려면 MN을 배지, 팔찌 또는 기타 액세서리 형태로 착용하면 된다. 배지 또는 ID 애플리케이션의 경우 사용자가 프로그래밍한 정보를 저장할 수 있는 메모리 카드 또는 손쉬운 조작이 가능한 LCD 디스플레이 인터페이스를 지원할 수도 있다. MN은 ZR 또는 ZED(ZigBee End Device, 지그비 엔드 디바이스) 중 하나가 될 수 있다.

예를 들어 병원 또는 학교에서 MN을 재고 위치 파악을 위한 태그로 사용하는 경우 키패드나 LCD 패널을 옵션으로 적용할 수 있다(자세한 내용은 위치 추적 애플리케이션 부분 참조).

위치 모니터링 시스템에 적절한 유효 범위를 제공하도록 SN을 영역 전반에 전략적으로 배치해야 한다. 시스템에 SN이 많을수록 성능이 더 높아진다.

지금까지 모든 구성요소에 대해 알아보았다. 그렇다면 이 저렴하고 복잡하지 않은 저전력 지역 위치 추적 시스템은 어떻게 작동하는가? 다시 그림 1로 돌아가 MN1(이동 노드 1)을 찾아야 하는 경우를 가정해보자. MN1은 세 고정 노드에 인접(각각의 전송 반경 내)하고 있으므로, RSSI(Received Signal Strength Indicator, 수신 신호 강도 표시기)를 사용한 범위 측정 또는 AOA(Angle Of Arrival, 도착 각도) 측정을 기반으로 하는 쌍곡선 위치 측정법(Multilateration Technique)으로 위치를 예측할 수 있다. AOA에는 여러 개의 안테나를 사용해야 하므로 RSSI 기반의 범위 측정을 사용하는 것이 더 간편하고 더 저렴하다.

지그비 기반의 위치 모니터링 시스템에서는 디바이스 삼각측량을 위해 충분한 유효 범위를 확보하는 것이 중요하다. 기억해야 할 요점은 위치를 확인하고자 하는 SN에서 노드까지 최소한 3가지의 다른 거리를 수집해야 한다는 것이다. 하지만 MN이 SN 노드에 직접 연결되지 않은 경우에는 어떻게 할 것인가?

일반적인 Wi-Fi 기반 위치 모니터링 시스템의 경우 위치를 확인하려는 MN이 서로 직접 연결되어 있고, 최소한 3개의 레퍼런스 노드를 언제든 확보할 수 있는 것으로 가정한다. 그림 1에서 예로 든 지그비 네트워크는 모든 MN이 최소한 3개의 SN에 직접 연결되어 있다.

한편, 그림 5에 나와있는 또 다른 지그비 메시 네트워크의 경우 MN2와 MN3이 단 2개의 SN에만 직접 연결되어 있다. 하지만 이러한 경우에도 지그비 기술에서 제공하는 멀티홉(multihop) 라우팅 기능을 활용하면 두 MN의 위치를 확인할 수 있다. 즉, MN2에서 MN3을 중간 홉으로 사용하여 MN3 위에 있는 SN과 통신을 구축하고 거리를 계산할 수 있는 것이다. 이 경우 MN3은 ZR 기능을 가진 노드여야 한다는 점을 유념해야 한다.

멀티홉 위치 모니터링은 지그비에서 매우 중요한 기능이다.

hilscher

IEEE 802.15.4 무선 통신은 최대 300m의 아주 뛰어난 “자유 공간” 범위를 제공하므로 위치 추적 시스템의 유효 범위를 확장하는 데 활용할 수 있다. 실내의 경우 건물의 배치, 부피, 구조에 따라 범위가 25 ~ 75m로 축소된다.

지그비 기술의 특징 및 장점

지그비 기술을 최상의 옵션으로 만들어 주는 몇 가지 중요한 특징을 활용하면 임시적이며 주문형의 저렴한 저전력 위치 모니터링 시스템을 구현할 수 있다. 예를 들어 효율적인 위치 모니터링 시스템을 구현하는 데 배터리 구동 방식의 이동 노드가 필요할 경우에 배터리를 매일 교체해야 한다면 어떻겠는가? 지그비는 저렴한 가격의 저전력 기능으로 이 문제를 비롯한 다양한 문제를 해결할 수 있다.

지그비 기술의 비용 효율적인 특징:

• 사용 허가가 필요하지 않은 2.4GHz 대역 또는 GHz 미만의 지역 대역에서 작동

• 표준 기반의 솔루션

• 센서, 모니터링, 제어 애플리케이션을 지원하도록 특별히 설계

• 복잡성 낮음(낮은 메모리 점유 공간)

• 저전력(배터리 구동 디바이스)

• 메시 네트워킹(대부분의 무선 네트워킹 표준에서 지원하지 않는 기능)
– 자체 복구
– 자체 구성
– 멀티홉 라우팅 프로토콜(AODV 라우팅 프로토콜)

표 1에서 지그비 기술의 장점을 다른 무선 표준과 비교하여 확인할 수 있다. 참고로 모니터링 또는 제어 애플리케이션에 대응하도록 설계된 표준은 지그비 기술이 유일하다.

RSSI 기반의 위치 모니터링 알고리즘

RSSI를 사용하면 통상적으로 3m 미만의 허용 오차 범위 내에서 SN에 상대적인 MN의 좌표를 결정할 수 있다.

RSSI 기반의 위치 모니터링 알고리즘은 2단계로 작동한다.

• 확정적(deterministic) 단계: 위치가 알려진 각 SN의 RSSI 값을 캘리브레이션하는 단계이다. 무선 통신의 전파 패턴은 다양한 전송 매체와 방향으로 인해 서로 다른 비등방성(non-isotropic) 경로 손실을 보이게 된다. 이는 MN을 사용함으로써 해결된다. SN으로부터 다양한 사전 정의 거리에서 원시 RSSI 값이 수집되며, 캘리브레이션된 값을 사용하여 각 SN에 적합한 전파 상수(Propagation Constant)를 결정하게 된다.

– SN 주변의 다양한 매체(자유 공간, 유리 및 벽)는 신호 감쇠에 서로 다른 영향을 준다. 따라서 모든 SN에 대해 단일 전파 상수만을 사용하면 거리 계산 착오가 발생할 수 있다. 캘리브레이션된 전파 상수에는 장애물이 고려되며, 다음과 같은 방법으로 계산할 수 있다.

[연산식1 자리]

여기서,
n: 신호 전파 상수 또는 지수
d: 발신 위치로부터의 거리
A: 1m 거리에서 수신된 신호의 강도

– 값 A는 장애물이 없는 상태에서 SN으로부터 1m 거리의 신호 강도를 측정하여 얻는다.

• 확률적(probabilistic) 단계: 위 단계에서 구한 전파 상수를 사용하여 거리와 위치를 예측하는 단계이다.

– 거리 예측: 이 방법은 이동이 가능한 사용자가 무작위로 움직이는 것이 아니라, 현재 위치와 이전 위치 간에 상관 관계가 있다는 사실을 근거로 한다.

– 수신되는 신호의 강도는 동적으로 변화하므로, MN이 이동하고 있지 않은 상황에서도 복잡성이 낮은 평활 알고리즘(Smoothing Algorithm)을 적용하여 MN이 이동 중일 때 각 SN에서 수신되는 무선 신호의 동적 변동량을 최소화하는 것이 중요하다. 하지만 저가형 솔루션의 경우 일반적으로 검색 대상의 대략적인 위치만으로 충분할 수 있다.

– 이 평활 알고리즘에서는 기본적으로 일정한 속도의 이동이 일정한 데이터 변화 속도와 고정적인 노이즈 프로세스로 이어진다고 가정한다.

– 평활 알고리즘의 예측 및 예상 단계는 다음과 같다.

예측:
[연산식2 자리]

예상:
[연산식3 자리]

여기서,
@@: i차 평활 예측 범위
@@: i차 예상 범위
@@: i차 측정 범위
@@: i차 평활 예측 범위 비율
@@: i차 예측 범위 비율
@@: 게인 상수
@@: i차 업데이트 시의 시간 세그먼트

– 위치 예측: MN의 위치를 예측하려면 네트워크에 속한 최소 3개의 SN에서 MN의 신호 강도를 감지 및 측정할 수 있어야 한다. 삼변측량(Trilateration)이란 위치가 알려진 3개의 SN에서 이루어진 동시 범위 측정을 기반으로 대상의 위치를 결정하는 데 사용되는 방법이다. 삼변측량은 삼각측량법으로도 알려져 있으며, 관심 대상 노드의 위치를 예측하는 데 필요한 첫 번째 단계에 불과하다. 예를 들어 3개의 SN에서 거리를 측정할 수 있다면 삼각형을 만들 수 있지만, 위치를 찾고자 하는 노드의 초기 위치를 파악하려면 해당 삼각형의 중심을 찾아야 한다. 그런 다음 잘 알려진 위치 예측 반복 방식 중 한 가지를 시도할 수 있다.

– 가중 선형 최소 자승법(weighted linear least squares) 또는 최대 우도(maximum likelihood)와 같은 반복 방식을 적용하여 필터가 적용된 RSSI 및 캘리브레이션된 상수에서 얻은 예측 거리에 따라 MN의 위치를 유추한다. 이 알고리즘에는 최소한 3개의 SN 좌표(xi, yi), MN와 각 SN 간 거리(di)가 필요하며, 이는 확정적 단계에서 예측된다.

– 예상되는 오류는 예측 단계에서 정정된다. 반복은 오류가 용인 가능한 수준이 될 때까지 반복된다.

MN 위치 예측의 전체 흐름이 그림 6의 흐름도에 나와있다.

위치 추적 적용 분야

위치 추적 모니터링은 다음과 같은 분야에서 사용될 수 있다.

1. 위치 모니터링
학교 당국이 교내에 있는 학생들의 위치를 추적하거나 비상 시 교사의 위치를 추적하는 데 유용하도록 설계되었다.

그림 7에 학교 실내 및 실외 환경에 3가지 유형의 노드를 배치한 예가 나와있다.

그림의 배치도에서 게이트웨이 노드는 교무실에 배치되어 있다. 다층 건물일 경우 각 층마다 게이트웨이 노드를 배치할 수 있으며, 모든 게이트웨이 노드를 교무실에 있는 메인 컴퓨터에 네트워크로 연결할 수 있다. 고정 노드는 사각(고정 노드에서 감지되지 않는 부분)을 최소화하고 최대한의 유효 범위를 확보할 수 있는 방식으로 건물 곳곳에 분산되어 있다. 모든 이동 노드가 3개의 고정 노드와 지속적으로 접속되도록 하는 것이 목표이다.

MN은 학교 내에서 항상 착용하는 학생 및 교사의 ID 카드에 내장된다. 게이트웨이 노드는 고정 노드에 주기적으로 방송 메시지를 송신하여 네트워크 정보를 업데이트한다.

이 네트워크는 교무 부서에 다음과 같은 기능을 제공한다.

• 학생의 활동 추적

• 교내 조회와 같은 다양한 행사에 대한 메시지 방송

• 학생이 특정 활동 영역에서 소비하는 시간을 모니터링 및 학교와 학부모의 검토를 위한 학생 활동 보고서 개발

• 학생의 출석 기록 자동화

• 도움이 필요할 경우 교사에게 연락

학생이 교실에 없거나 위치를 찾아야 할 경우 교사는 메시 네트워크 또는 인터넷을 통해 GN에 연결된 컴퓨터에서 학생의 ID를 입력하기만 하면 된다. 그러면 GN에서 SN에 해당 지그비 이동 노드 ID의 위치를 확보하도록 명령을 내린다.

2. 환자 모니터링
학교에 적용하는 경우와 유사하며, 다음과 같이 활용할 수 있다.

• 여러 병실의 환자를 모니터링하고 환자의 생명 정보를 GN에 연결된 중앙 서버에 전송, 중앙 서버는 담당 의사에게 해당 정보를 전달

• 의사 및 의료진을 빠르게 찾을 수 있도록 주기적으로 위치 확인

• 신규 환자 및 직원이 병원 시설을 손쉽게 파악할 수 있도록 지원

• 저장된 품목을 빠르게 찾을 수 있도록 병원 재고품 모니터링
– 이 경우 이동 노드에 디스플레이나 키보드 버튼이 필요 없으므로 요구되는 기능이 적다. 비상 시에 빠르게 위치를 찾을 수 있도록 MN을 병원 재고품에 부착하는 간단한 꼬리표로 만들어 환자 치료에 중요한 시간을 절감할 수 있다.

3. 지역 네비게이션
이전 부분에서 설명한 지역 위치 추적 시스템과 연계하여 활용할 수 있는 분야이다. GN에 모든 네트워크 정보가 포함되어 있으므로 MN을 소지한 사용자는 건물 내에서 특정 목적지를 찾을 수 있다. 사용자가 사전 설정 메뉴에서 위치를 입력하면 MN의 지역 위치 모니터링 기능을 기반으로 구현된 네비게이션 소프트웨어에서 사용자를 원하는 위치로 안내한다.

4. 정보 교환
넓은 지역에서 열리는 대형 행사에도 유사한 설정을 활용할 수 있으며, 참가자와 주최측에게 네트워크에 속한 MN과 같은 역할을 하는 ID 카드를 배부할 수 있다. 사용자를 모니터링하고 복잡한 부스와 회의실을 찾도록 안내하는 동시에, ID 카드에 추가 애플리케이션을 내장하여 사용자가 비즈니스 정보와 연락처를 교환하도록 할 수 있다. 사용자는 스크롤 가능한 메뉴를 통해 다음과 같은 애플리케이션 기능을 선택할 수 있다(그림 8 참조).

• 사람 찾기
– 학생 위치 추적 및 환자 모니터링과 유사한 기능
– 운영 인력 또는 동료 세미나 참가자를 추적하도록 지원

• 지역 네비게이션 기능을 사용하여 행사 지역의 행사장 또는 회의실의 위치 파악

• 연락처 및 메모 교환
– 사용자가 연락처, 메모(대용량 메시지는 소량으로 분할하여 수신한 다음 다시 조합할 수 있음), 명함 등을 교환하고, 행사장에서 PC에 다운로드한 다음 CD 또는 플래시 드라이브로 전송하여 개인적으로 활용할 수 있음
– 동료 참가자 또는 주최측에 간단한 메시지 전송

프리스케일, 지그비 기술을 통해 위치 모니터링 지원

프리스케일은 지그비 호환 네트워크에 이상적인 플랫폼을 구성할 수 있는 다수의 지그비 호환 IC와 저전력 MCU 제품군을 보유하고 있다.

MC13224V ZigBee PiP(플랫폼 인 패키지)는 프리스케일의 지그비 디바이스용 저전력 플랫폼에 가장 최근 추가된 제품이다. 고집적 MC13224V PiP는 RF 설계를 간소화하여 RF에 대한 폭넓은 지식이 없는 대다수의 고객들도 안정적인 지그비 호환 제품을 설계할 수 있다. 프리스케일은 또한 개발 키트에 포함된 하드웨어와 관련된 설계 정보가 수록된 레퍼런스 디자인을 다수 보유하고 있다. 고객들은 자재 명세서, 거버(gerber) 파일, 도면을 참조하거나 레퍼런스 디자인을 복사하여 자사 제품에 통합할 수 있다. 이와 같은 완전한 플랫폼 방식을 통해 개발 시간을 절감하고 제품화 기간을 단축할 수 있다.

MC13224V PiP의 주요 특징
• IEEE 802.15.4 표준 호환 온칩 트랜시버/모뎀
– 2.4GHz
– 선택 가능한 16개의 채널
– 첨단 암호화/복호화 하드웨어 엔진(AES 128비트)

• 저전력
– MCU 작동 시 RX 모드에서 통상 21mA의 소비 전류
– MCU 작동 시 TX 모드에서 통상 29mA의 소비 전류

• 최대 26MHz(통상 24MHz)까지 성능 프로그래밍 가능한 32비트 ARM7TDMI-S CPU 코어

• 광범위한 온보드 메모리 리소스
– 128KB의 직렬 플래시 메모리(RAM으로 미러링 가능)
– 96KB SRAM
– 80KB ROM

• 동급 최상의 소비 전력

• 포괄적인 MCU 주변기기 세트
– 플래시 메모리 관리를 위한 전용 NVM SPI 인터페이스
– 2Mbps 및 CTS/RTS를 지원하는 전용 UART 모듈 2개
– 마스터 및 슬레이브 모드로 프로그래밍 가능한 SPI 포트
– 최대 4×4 매트릭스를 지원하는 8핀 키보드 인터페이스(KBI)
– 8개의 입력 채널을 공유하는 12비트 ADC(아날로그-디지털 컨버터)
– 최대 64개의 프로그래밍 가능한 I/O를 주변기기 및 GPIO에서 공유

• 외부 RF 구성부품 불필요
– 안테나만으로 싱글 엔디드 50Ω RF 인터페이스(발룬 포함) 구현 가능
– 주 발진기에 필요한 수정 1개, 프로그래밍 가능한 수정 부하 콘덴서 온칩 내장
– 모든 바이패스 콘덴서가 포함된 패키지

자세한 내용은 MC13224v 참조 설명서에서 확인할 수 있다.

BeeKit 무선 툴키트가 포함된 프리스케일의 BeeStack ZigBee 호환 스택은 네트워크 매개변수를 간편하게 구성할 수 있는 소프트웨어 환경을 제공한다. 프리스케일이 독점 제공하는 이 도구는 마법사와 드롭다운 메뉴를 통해 지그비 네트워크 매개변수를 구성하는 기능을 지원한다.

프리스케일 MC13224V 지그비 평가 키트(부품 번호 1322xEVK)는 지그비 호환 제품 개발을 위해 특별히 구성되었으며, 개발 프로세스를 능률화하는 데 필요한 하드웨어 및 소프트웨어 도구를 제공한다. 다양한 저전력 MCU가 필요한 지그비 프로토콜을 운영하는 고객의 경우 MC13202 RF 트랜시버와 Flexis QE128 MCU를 사용할 수 있다. MC1320x-QE128-DSK는 간편하고 비용 효율적인 개발 플랫폼을 제공한다.

MCF520x ColdFire 컨트롤러 제품군은 유연한 저가형 메모리 컨트롤러에 대한 요구에 대응하는 솔루션으로, 외부 SRAM 및 플래시 메모리의 조합과 더불어 SDR(Single-Data Rate), DDR(Double-Data Rate) 또는 M-DDR(Mobile-Double-Data Rate) SDRAM 메모리를 지원한다. 완벽한 기능을 제공하며 사용하기 쉽고 비용 효율적인 M5208EVB 키트를 활용하면 MCF5208 제품 개발을 간소화하고 제품화 기간을 단축할 수 있다.

결론

요약하자면, IEEE 802.15.4/지그비 기술을 사용한 프리스케일 기반의 위치 모니터링을 통해 더 안전하고 건강한 삶을 영위할 수 있다. MC13224V PiP와 같은 제품을 활용하면 다양한 환경에서 효율적인 위치 모니터링 기능을 제공하는 비용 효율적인 저전력 지그비 메시 네트워크를 구현할 수 있다.

저자인 오지엘 헤르난데즈 살가도는 프리스케일의 멕시코 무선 연결기술 사업부에 근무하는 소프트웨어 엔지니어로, 컴퓨터 공학 학사 학위와 정보통신학 석사 학위를 가지고 있다. 바룬 자인, 수하스 차크라바르티, 프라샨트 바르가바는 프리스케일 인도 설계 센터에서 근무하는 설계 엔지니어이며, 모두 전자통신공학 학사 학위를 가지고 있다.

아이씨엔 매거진 2009년 09월호

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