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첩 스펙트럼 확산(CSS) 방식을 기반으로 한 실시간 위치 추적 시스템

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실시간 위치 추적 시스템은 실시간으로 사물 또는 사람의 위치를 찾아주고 추적하는 시스템 또는 서비스를 말하며, 위치기반 서비스의 한 종류이다. 기존의 GPS나 이동통신망을 이용한 위치기반 서비스는 넓은 범위에서 위치 추적이 가능하나, GPS의 음영지역인 실내 등에서 활용할 때 위치 정확도에 대한 문제점이 대두된다. 그러므로 실내 및 근거리 위치 추적 기술로서 IrDA, RFID, Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth, RTLS, UWB와 같은 무선통신을 이용한 방법이 거론되고 있다. 현재 실내 및 근거리 위치 추적에 관련된 국제 및 국내 표준으로 제정된 RTLS에 대해 알아본다. < 편집자 주>
글_ 이상원, 세연테크놀로지
RFID/USN을 기반으로 물리적 공간을 전자적 공간으로 연결하여 사람, 사물, 컴퓨터를 유기적으로 네트워크화시키는 유비쿼터스(Ubiquitous) 시대가 도래함에 따라 위치인식 기반의 응용 서비스에 대한 시장의 요구에 의해 관련 기술 및 시스템이 주목을 받고 있다. 국내에서는 IT 산업뿐만 아니라 유비쿼터스 네트워킹의 핵심 분야로 예측되는 객체의 인식과 위치 추적에 관련된 기술 및 서비스 개발에 대한 연구가 필요하다.
기존 위치 추적 서비스는 GPS를 활용한 실외 환경 중심으로 개발되었지만 현재는 다양한 기술의 보급과 사용자의 요구로 인하여 실내 환경에서 위치 추적에 대한 관심과 필요성이 증가되고 있다. 실내 환경에서의 위치 추적 시스템은 다양한 분야에 활용될 수 있는데, 대표적인 예로 유통물류 분야에서의 사용자의 구매 프로세스를 추적하고 분석함으로써 다양한 서비스 제공 및 부가가치를 창출할 수 있다. 유비쿼터스가 제시하는 많은 사용자 위주의 서비스들은 사용자의 주 생활 공간인 실내에서 제공된다. 그러나 GPS와 같은 기존의 위치 추적 서비스는 실내 환경에 부적합한 특성을 보이므로 실내 환경에 적합한 위치 추적 시스템에 대한 연구들이 진행되고 있다.
실시간 위치 추적 시스템 (RTLS: Real-Time Location System)은 실시간으로 사물 또는 사람의 위치를 찾아주고 추적하는 시스템 또는 서비스를 말하며, 위치기반 서비스 (LBS: Location Based Service)의 한 종류이다. 기존에 일반적으로 사용중인 GPS (Global Positioning Service)나 이동통신망을 이용한 위치기반 서비스는 넓은 범위에서 위치 추적이 가능하나, GPS의 음영지역인 실내 등에서 활용할 때 위치 정확도에 대한 문제점이 대두된다. 그러므로 실내 및 근거리 위치 추적 기술로서 IrDA, RFID, Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth, RTLS, UWB와 같은 무선통신을 이용한 방법이 거론되고 있다. 현재 실내 및 근거리 위치 추적에 관련된 국제 및 국내 표준으로 제정된 RTLS에 대해 알아보고자 한다.
실내에서의 실시간 위치 추적
실내 위치 인식 방법은 크게 클라이언트 기반 (Client Based Design)과 기준 노드 기반 (Beacon Based)의 두 가지 방식으로 나눌 수 있다. 클라이언트 기반은 W-LAN의 Fingerprint와 같은 방식으로 AP (Access Point)에서 클라이언트에게 전파를 송신하여 위치를 결정하는 방식이다. 기준 노드 기반 방식은 Beacon의 신호세기/신호방향/전파시간차를 이용하여 위치를 결정한다. 기준 노드의 변위에 따라 Fixed/Moving/Beacon Free 등으로 구분되며, Beacon으로부터 수신된 전파에 따라 거리 기반 (Range Based)방식과 거리 독립 (Range Free)방식으로 구분되며, 거리 기반 방식의 위치 측정은 삼각측량법 등이 쓰이고, 거리 독립 방식은 셀 단위의 좌표 분류에 의해 위치를 측정한다.
일반적으로 많이 사용되는 위치 추정 방법은 다음과 같다. 가장 기본이 되는 것은 Beacon 신호의 유무로 존재 범위를 측정하는 Proximity Sensing 방법이다. 초창기 이동통신에서 기지국의 위치로 단말기 사용자의 위치를 알려주는 서비스가 이 방식에 해당한다. Lateration 방식은 복수점에서 대상까지 파일럿 신호의 도착 시간 차이, 신호 강도 차이를 계산하여 위치를 추정하는 방식으로 일반적으로 가장 많이 사용되며 주로 삼각측량법을 활용한다. Angulation은 복수점에서 대상까지의 방위 (각도)를 계측해 위치를 추정하는 방식이며, Dead Reckoning은 기존 위치로부터의 방위와 거리를 계산해 위치를 추정하는 방식이다. 마지막으로 Computer Vision은 화상정보 데이터를 처리하여 위치를 추정하는 Image Processing 방식이다.
위에 거론한 전파의 신호 강도 차이를 이용하여 거리를 측정하는 방식을 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 위치 측정이라고 한다. 그림 1과 같이 거리에 의해 전파 강도의 감쇠로부터 각 발신기와 수신기의 거리를 산출하며, 멀티 패스나 노이즈가 측정 정밀도에 영향을 주는 특징이 있다. 도착 시간 차이를 이용하여 거리를 측정하는 방식을 ToA (Time of Arrival)라 하며, 그림 2와 같이 발신 시간과 도착 시간의 차이를 측정해 거리를 산출한다. Beacon 발신기와 수신기의 사이에 고정밀의 시간 동기가 필요하며, 전파 또는 초음파를 이용한다. 대표적인 ToA 방식의 시스템으로는 GPS가 있다.
TDoA (Time Difference of Arrival) 방식은 그림 3과 같이 Beacon 발신기의 신호 (전파 또는 초음파)를 복수의 포인트에서 수신해서 각 개소의 도달 시간 차이로부터 거리를 산출하는 방법이다. 발신기와 수신기간의 시간 동기가 필요하며, 수신기 간의 시간 동기도 필요하며, ToA와는 달리 수신된 시간차만을 측정하기 때문에 ToA보다 구현이 쉽다는 장점이 있다. 초음파를 기반으로 한 위치 측정 방법은 그림 4와 같이 초음파 수신기를 천정이나 벽 등에 1~2미터 간격으로 설치한 후 사용자나 물건에 부착된 발신기에서 초음파 신호를 발신하여 위치를 측정하며, 정밀도는 약 5cm로 좋으나 구축 비용이 많이 들고 환경의 영향에 취약하다는 단점이 있다. Wi-Fi 기반의 위치 측정 방법은 그림 5와 같이 기준 노드 방식을 사용하며 거리 측정은 RSSI와 TDoA 방식을 병합하여 사용한다. 이 경우 TDoA 방식은 멀티 패스나 장애물의 영향을 적게 받지만, 2.4GHz 대역을 사용하는 블루투스나 ZigBee와 같은 이기종 제품들의 전파 영향에 의해 정밀도가 떨어지는 단점이 있다.
RTLS는 그림 6과 같이 RTLS Reader, Base Station, RTLS Transmitter, Exciter와 Base Station Server로 구성되며, 동작 원리는 다음과 같다. Transmitter가 각 RTLS Reader와 통신하여 거리를 측정하고 그 값을 Base Station에 전달하고 Base Station Server는 각 Base Station으로부터 데이터를 수집한다. Base Station Server에서는 RTLS Engine이 수집한 데이터를 기초로 RTLS Transmitter의 위치를 계산하고 계산된 위치 정보를 Web Server나 DB Server에 전송하고, 이용자들은 Web이나 Client Application을 이용하여 위치 정보를 이용하게 된다. 그림에서 Exciter는 RTLS가 구현되는 지역에 Transmitter가 진입할 시에 동작시키도록 하는 역할을 하나 반드시 필요한 사항은 아니다.
국제 표준 및 구성
RTLS에 관련된 표준은 표 1과 같으며, ISO/IEC 24730-1의 API는 소프트웨어 애플리케이션이 RTLS 송신기가 부착되어 있는 자산의 위치를 파악하기 위한 RTLS 구조를 이용할 수 있도록 한다. 이 규격은 애플리케이션 소프트웨어가 RTLS 구조로부터 수신한 RTLS 태그 블링크에 포함된 정보를 수집하기 위한 프로그래밍 언어의 기능을 사용하는 경계를 정의한다. ISO/IEC 24730-2의 2.4GHz 에어 인터페이스 프로토콜에 대한 규격은 X-Y 좌표와 데이터 원격 측정(telemetry) 데이터를 제공하는 네트워크화된 위치추적 시스템을 정의한다. 이 시스템은 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 방식의 무선 주파수 표지 신호를 자율적으로 발생하는 RTLS 송신기를 이용한다. 이 장치는 현장에서 프로그램 가능하며 RTLS 장치의 위치 추적과 위치 갱신 빈도의 수정을 허용하는 선택 사양의 여진기(exciter) 모드를 지원한다. 이 규격은 또한 이 모드를 정의하지만 어떻게 수행할 것인지 방법에 대해서는 정의하지 않는다.
ISO/IEC 24730-5는 2.4GHz 첩 스펙트럼 확산에 대한 규격은 다중경로와 방해 전파가 심각한 실내 환경에서도 정밀한 위치측정 및 견고한 데이터 통신을 가능하게 하는 첩 스펙트럼 확산(CSS : Chirp Spread Spectrum) 기술 방식을 이용한 에어 인터페이스 프로토콜이며, 현재 위원회 초안(CD : Committee Draft) 단계이다.
RTLS 에어 인터페이스 프로토콜은 ISO/IEC 24730-2는 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 방식을 ISO/IEC 24730-5는 첩 스펙트럼 확산을 사용한다. CSS 방식의 특징은 간섭과 멀티 패스에 강하며 긴 인식거리와 짧은 접속 시간 또한 정확한 거리 측정이 가능하다. DSSS와 CSS 방식에 대한 주요 특징을 표 2에 나타냈다.
RTLS Software는 그림 7과 같이 구성된다. RTLS Engine Software는 Application의 Tracker와 Finder의 정확성을 올리기 위해 측위 기술 및 필터 기법을 적용한 엔진과 Base Station 및 RTLS Reader의 설정 및 시스템 관리를 위한 Interface를 제공하는 Web과 Application API, RTLS가 구축된 장소를 관리하기 위한 Site Survey API, RTLS 장비를 관리하기 위한 Device API로 구성된다. Application Software는 시간별 RTLS Transmitter의 위치를 추적하여 궤적을 표시하는 Tracker와 현재 위치를 표시하는 Finder로 구성된다.
다양한 응용 방안
RTLS의 응용 분야는 물류 및 창고 관리, 병원의 환자 및 자산관리, 야적지의 자산 관리, 댁내 환경에서 방재, 위치인식 지능형 로봇 도우미, 어린이 안전사고 예방, 실시간 신체관리 모니터링을 통한 u-Health 서비스 등 다양하다.
물류 및 창고 관리 분야에서 컨테이너, 팔레트, 부품, 장비 등에 RTLS를 적용할 경우 생산관리, 재고통제, 완성품 저장 및 위치검색 등의 서비스를 통하여 업무 효율화를 기대할 수 있다. 병원관리에 있어서도 환자와 의사의 위치를 추적하여 위급 상황 발생시 즉각적인 대처가 가능하고 환자들의 병원이탈에 대한 대처도 즉시 가능하므로 환자에 대한 서비스 및 관리의 효율화가 증대되며 또한 고가의 병원 자산에 대한 정보를 실시간으로 추적 및 관리함으로써 고객 만족도 및 업무 프로세스가 증진된다.
넓은 야적장에 위치한 방대한 자재나 반제품에 대한 관리도 실시간 위치 모니터링을 통해 정확한 자재파악과 선입고 및 선출고 프로세스가 가능하여 장기방치 및 손실을 줄여 자재 관리의 효율성을 높인다.
또한 놀이공원과 백화점 등의 미아 방지 등에도 활용할 수도 있다. 보안 분야에 있어서도 건물 내 사람 및 중요 자산의 이동 정보를 실시간 추적함으로써 보안 관리 및 자산의 효율적 운용이 가능하며 건물 내 보안 등급을 설정하여 허가받지 않은 사용자를 제재하는 보안 업무뿐만 아니라 안전사고도 사전에 방지할 수 있다.
*세연테크놀로지㈜ 소개
세연테크놀로지는 2001년에 RFID 리더기 개발 업체로 설립되어 주파수 전대역에 걸쳐 30종 이상의 리더기를 자체 개발하였다. 2007년부터는 USN 기술 또한 자체 개발 확보하여 국내외에 판매하고 있는 RFID/USN 전문기업으로 성장하고 있다.
아이씨엔 매거진 2008년 06월호

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힐셔, 산업용사물인터넷 지원 netIOT 활용방안 제시

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힐셔 netIOT

산업용 통신 솔루션 선두업체인 힐셔(Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH)는 11월 2일(금), 인터컨티넨탈 서울 코엑스에서 기자 간담회를 개최하여 힐셔의 혁신적인 netIOT 전략 및 netIOT 인터페이스의 다양한 솔루션을 활용한 IoT 기술 활성화 방안에 대해 소개하는 자리를 가졌다.

힐셔 netIOT

netIOT

힐셔 프로덕트 매니저인 크리스토프 훙어(Christof Hunger)는 “IoT 시장이 성장함에 따라 설비 제조업체들은 필드 디바이스의 정보를 기반으로 예방적 유지보수, 상태 모니터링과 같은 새로운 클라우드 기반의 부가가치 서비스를 구현하고자 한다”며 “힐셔는 디바이스 제조업체들이 힐셔의 netIOT 인터페이스 솔루션을 이용해서 산업용 이더넷, 트랜스페어런트 이더넷(Transparent Ethernet)과 함께 OPC UA 서버 및 MQTT 클라이언트 기능을 쉽게 추가할 수 있도록 더욱 집중하였고, 힐셔 솔루션을 통해 고객들이 스마트 팩토리를 구축하는데 도움이 되길 바란다.” 라고 말했다.

인더스트리 4.0과 IIoT는 4차 산업혁명으로 센서에서 클라우드까지 지속적인 통신을 요구한다. 힐셔는 이를 산업용 클라우드 통신이라 칭하고 고객들이 Industry 4.0, 스마트팩토리 및 IoT를 구현하도록 돕기 위해서 힐셔 netIOT 제품군이라는 솔루션을 구축하고, 지속적으로 프로모션을 진행하고 있다. netIOT는 netIOT 서비스(Service), netIOT 엣지(Edge), netIOT 인터페이스(Interface)와 같이 총 3개의 영역으로 구분된다. 특히 netIOT 인터페이스는 IoT 기능을 갖는 netX기반의 통신제품으로 netIC IOT와 같은 모듈형 제품을 생산 및 공급하고 있다.

힐셔 넷프록시

netPROXY

 

netIC IOT는 필드 디바이스용 지능형 멀티 프로토콜 모듈로 하나의 하드웨어만으로 모든 Real-Time Ethernet 슬레이브 프로토콜을 지원한다. OEM 고객들은 엔지니어링 툴을 이용하여 고객 어플리케이션 소프트웨어에서 한번만 개발하면 되는 고객 디바이스용 프로토콜 독립형 객체 모델을 생성한다. 네트워크 프로토콜 변경은 툴 내에서 ‘Build Process’를 통해 전적으로 진행되기 때문에 어플리케이션에 필요한 네트워크 별 조정이 없으며 OEM은 정확히 하나의 하드웨어와 소프트웨어 설계로 진정한 멀티 프로토콜 디바이스를 구현할 수 있다.

힐셔코리아 원일민 지사장은 “스마트 팩토리의 구축에 있어 가장 중요한 포인트는 IT영역과 OT영역의 연결에 있다”고 언급하며, “힐셔는 netIOT를 통해 시스템 설치시 발생할 수 있는 리스크를 최소화시킬 수 있게 하고자 한다. 기존OT영역의 사용자들이 IT영역으로 데이터를 전송하거나 클라우드에 연결함에 있어서 사용자의 실수나 의도치 않은 수고를 덜어줄 수 있는 제품과 서비스를 지원하고 있어 시스템 설계나 설치시 발생할 수 있는 오류나 리스크를 최소화 시켜준다”고 덧붙혔다.

힐셔 netIOT 제품에 대한 자세한 설명은 홈페이지 https://www.hilscher.com/products/product-groups/industrial-internet-industry-40/ 에서 확인할 수 있다.

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[포토] PTC, 3D CAD에 증강현실 접목해 디지털 트윈 현실화

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'2018 코리아 CAD 서밋'에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다.

'2018 코리아 CAD 서밋'에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다.

(사진. PTC 코리아)


PTC코리아가 10월 18일 개최한 ‘2018 코리아 CAD 서밋’에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다. PTC의 3D CAD 소프트웨어 크레오(Creo®) 5.0은 디지털 트윈 솔루션을 현실화한 세계 최초이자 유일한 기술로 제품의 면면에 증강현실을 적용하여 물리적 세계와 디지털 세계를 연결한다. (사진. PTC 코리아)

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2016 스마트테크쇼, 6월 8~10일 코엑스서 개최

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인공지능 시대를 전망하고 사람을 위한 스마트 기술을 소개하는 ‘2016 스마트테크쇼(Smart Tech Show 2016)’가 6월 8일부터 10일까지 코엑스에서 개최된다. 

본 행사는 ‘Smart Tech for Human’라는 슬로건 아래, ▲드론/로봇 ▲가상/증강현실 ▲에듀테크 ▲스마트 모빌리티 ▲리테일테크 ▲3D프린팅 등 주요 이슈를 선정하여 국내 대표 스마트 기술 컨퍼런스 및 전시회를 개최하며, 관련 산업 간의 시너지를 창출할 수 있는 비즈니스의 장을 마련한다. KT, LG전자, ADT 시큐리티, 프로차일드, 한국과학기술원, 경북대학교 산학협력단 등 각 분야별 주요 기업·기관 125개사 400부스 규모로 이루어질 예정이다. 

유통과 IT산업의 융합을 위한 자리로 스마트 기기 체험과 첨단 리테일 솔루션을 접목한 리테일&테크 특별관이 구성되어 IT/유통산업 관계자를 대상으로 앞으로의 IT 리테일샵이 나아갈 방향을 제시한다. 더불어 한국마이크로소프트와 SGA임베디드 주최로 ‘스마트 리테일에 최적화된 MS IoT 솔루션 세미나’를 개최하여 리테일에 스마트한 혁신을 가져올 솔루션을 소개하는 자리를 마련한다. 

◇인공지능 시대, 일자리 전망 콘퍼런스 개최 

본 전시회와 더불어 ‘인공지능 시대의 일자리 창출과 직업능력 개발’을 주제로 분야별 전문가를 초빙하는 전문 콘퍼런스가 6월 8일과 9일 이틀간 열린다. 

첫째 날은 IBM 김연주 상무와 국내 대표 뇌공학자인 카이스트 정재승 교수의 기조강연과 핀란드 미래학자 마르쿠 윌레니우스(Markku wilenius) 교수의 특별강연을 시작으로 스마트기술의 산업과 일자리에 대해 블록체인OS 박창기 대표와 한국직업능력개발원 김영생 박사의 강연이 이어질 예정이다. 

둘째 날은 ‘새로운 일자리 창출 엔진으로서의 VR 그리고 교육훈련 플랫폼으로서의 가능성’에 대한 한국VR산업협회 현대원 회장의 발표와 ‘에듀테크가 가져올 교육의 혁명적 변화를 주제’로 휴넷 조영탁 대표의 기조연설 후에 스타트업 케이스 스터디를 통해 스마트시대에서 일하기 위한 우리의 성공 전략을 짚어볼 예정이다. 

◇드론에 스마트 기술의 미래를 담다 

드론 관련 신기술 촉진과 국내 드론산업 활성화를 목적으로 6월 대규모 드론 이벤트가 열린다. 드론톤은 우수한 엔지니어와 창의적인 메이커들이 드론 관련 기술을 뽐내는 자리로, 4인 1조로 팀을 꾸려 드론을 직접 제작하고 완성된 기체로 드론 게임을 진행하여 완성도와 비행능력을 종합하여 우승자를 가리게 된다. 

드론 조작에 능숙한 유저라면 도전해 볼 만한 대회도 있다. 다양한 장애물 통과 미션을 통해 드론 실력자를 가리는 ‘드론챌린지’가 9일 개최된다. 우승자에게는 최신 스마트 모빌리티가 수여되며, 참가를 원하는 이는 한국FPV협회 홈페이지를 통해 신청 가능하다. 

그밖에 스마트카, O2O, 핀테크 등 분야별로 이루어지는 테크니컬 세미나와 국내 대표 엑셀러레이터간 의 공동 데모데이를 통해 참가기업과 바이어 간의 비즈니스 기회를 마련한다. 

본 행사는 홈페이지에서 온라인 사전등록 시 무료로 관람할 수 있다.

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