WSN (Wireless Sensor Networks)
무선 통신 기술의 발달과 장치의 소형화가 가속화 되면서 무선 통신이 가능한 센서를 이용한 응용이 증가하고 있다. 이러한 무선 센서 노드는 해당 지역의 정보 수집을 위하여 수많은 노드가 뿌려지고 측정된 정보는 센서간의 무선 통신 네트워크를 통하여 사용자에 전달되어 사용자는 해당 지역의 정보를 인프라 구축 없이 즉흥적으로 수집할 수 있게 된다. 이러한 무선 센서 네트워크에 대한 연구는 적진에 대한 정찰이 필요한 군사용을 기점으로 다양한 응용에 활용할 수 있는 형태로 연구가 진행되고 있다.
센서 노드들은 센싱 능력, 계산 능력, 무선 통신 능력을 가지고 있으며 소형, 배터리로 동작하는 물리적인 특징을 가지고 있다. 이러한 센서 노드는 계산과 센싱 및 통신을 수행하므로 전력에 대한 문제와 무선 통신 대역폭에 대한 문제를 항상 가지고 있다. 센서 네트워크의 특성상 노드의 전원을 교체하기가 매우 어려우며 같은 영역에서 다수의 노드가 통신을 하기 위해서는 사용하는 무선 통신 대역의 효과적인 사용이 필수적이다.
센서 노드가 측정한 센서 정보는 보통 온도, 습도, 모션 감지 등과 같은 환경 탐색에 대한 수집이 가능하며 부착된 센서의 종류에 따라 다양한 센싱이 가능하다. 이러한 환경 정보들은 넓은 영역에 걸쳐서 비슷한 값을 갖고 있는 경우가 대다수 이며 이러한 정보를 잘 분류하고 요약하여 전달하여야 불필요한 통신으로 인한 낭비가 줄어들게 된다.
본 연구실에서는 이러한 무선 센서 네트워크에 대한 특징 및 장단점을 이해하고 다양한 응요에서 활용할 수 있는 시스템을 다수 개발하고 있다. 개발하고 있는 연구과제로 센서 네트워크 환경에서 센서 노드의 위치를 측정할 수 있는 실시간 위치 추적 시스템 (RTLS, real time locating system) 이나 항만 컨테이너의 보안을 위한 CSD (container security device) 등의 연구를 진행하고 있다.
본 연구실에서는 이러한 무선 센서 네트워크에 대한 특징 및 장단점을 이해하고 다양한 응요에서 활용할 수 있는 시스템을 다수 개발하고 있다. 개발하고 있는 연구과제로 센서 네트워크 환경에서 센서 노드의 위치를 측정할 수 있는 실시간 위치 추적 시스템 (RTLS, real time locating system) 이나 항만 컨테이너의 보안을 위한 CSD (container security device) 등의 연구를 진행하고 있다.
RTLS (Real-Time Locating System)
유비쿼터스 시대가 도래함에 따라 위치인식은 정보의 활용성에 매우 중요한 역할을 하게 되었습니다. 산업의 발전에 따라 스마트폰을 이용하는 사용자가 폭발적으로 증가하였으며 GPS(global positioning system) 수신기는 네비게이션 장비 이외에도 스마트폰에 탑재되어 사용자의 위치를 제공함으로써 정보의 활용성을 증대시키는 효과를 가져왔습니다. 그러나 GPS는 위성정보를 수신하기 어려운 실내 환경이나 복잡한 도심환경에서 활용하기 어려우며 가격이 비싸며 전력소모가 큰 단점이 있으며, 이러한 GPS의 근본적인 문제를 보완하기 위해 무선센서네트워크(WSN, wireless sensor network)를 이용한 위치 측정 시스템이 연구 및 개발 되었습니다.
실시간 위치 측정 시스템(RTLS, real time locating system)은 사물이나 사람의 위치를 실시간으로 측정하는 시스템이며 적용환경에 따라 무선 신호를 이용한 거리 측정을 이용한 삼변측량을 이용한 방법과 무선 신호의 세기 정보를 이용하는 방법 등을 많이 사용합니다. 일반적으로 RTLS는 추적대상이 되는 태그와 태그 정보를 수신하는 리더 및 수집된 정보를 이용하여 위치를 계산하는 엔진으로 구성됩니다. 정밀한 위치 측정을 위해 주로 사용되는 측정방법은 삼변측량법이며 계산을 위해 무선 신호의 전달시간을 측정하고 이용합니다. 위치 측정 시스템의 정밀도는 이러한 장치들간의 거리 측정 결과에 따라 달라지며 정밀한 위치값을 얻기 위해 정밀한 거리 정보를 측정하기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있습니다.
현재 상용화된 RTLS는 1~3미터 정보의 위치 정밀도를 가집니다. 그러나 이는 사방이 뚫려있는 개활지 (open field)에서의 측정 성능이며, 실제로는 장애물에 의한 무선신호의 반사로 인해 다중경로(multi-path)의 발생하므로 그 정밀도가 환경에 따라 크게 변화하며 위치 측정을 할 수 없는 경우도 빈번히 발생합니다. 본 연구실에서는 항만과 같은 무선통신이 열악한 환경에서 적용가능한 RTLS를 연구하고 있으며, 현재 상용화된 대부분의 RTLS가 갖는 문제점인 ‘통신 거리의 한계와 장애물에 취약한 점’을 해결하는데 중점을 두고 있습니다. 통신거리가 길수록 하나의 리더가 넓은 영역을 커버할 수 있어 설치할 리더의 수를 줄일 수 있으며, 장애물로 인하여 전파가 닿지 않는 음영지역 문제나 반사되는 경우에 대한 문제를 해결하여 복잡한 환경이나 실내에서도 정밀도를 유지하며 활용할 수 있습니다.
현재 상용화된 RTLS는 1~3미터 정보의 위치 정밀도를 가집니다. 그러나 이는 사방이 뚫려있는 개활지 (open field)에서의 측정 성능이며, 실제로는 장애물에 의한 무선신호의 반사로 인해 다중경로(multi-path)의 발생하므로 그 정밀도가 환경에 따라 크게 변화하며 위치 측정을 할 수 없는 경우도 빈번히 발생합니다. 본 연구실에서는 항만과 같은 무선통신이 열악한 환경에서 적용가능한 RTLS를 연구하고 있으며, 현재 상용화된 대부분의 RTLS가 갖는 문제점인 ‘통신 거리의 한계와 장애물에 취약한 점’을 해결하는데 중점을 두고 있습니다. 통신거리가 길수록 하나의 리더가 넓은 영역을 커버할 수 있어 설치할 리더의 수를 줄일 수 있으며, 장애물로 인하여 전파가 닿지 않는 음영지역 문제나 반사되는 경우에 대한 문제를 해결하여 복잡한 환경이나 실내에서도 정밀도를 유지하며 활용할 수 있습니다.
본 연구실에서는 시스템의 국산화를 위한 기반 기술을 개발하였을 뿐만 아니라 음영지역을 극복하는 기술 및 500미터 이상의 장거리 통신 성능 등의 세계 최고의 기술력을 보유하고 있습니다. 특히 세계 최초로 항만에 적용 가능한 RTLS를 개발하고 4개의 항만에 직접 적용하였으며 과제 내용과 관련된 이십여 개의 특허를 가지고 있습니다. 본 연구실의 RTLS 시스템은 국토해양부 U_PORT 사업인 ‘지능형 항만자동화시스템(RTLS/USN 기반의 Green U-PORT)’의 핵심적인 기술로 적용되어, 사업추진 주체인 현대유앤아이가 아시아 최대 전자상거래 협의체인 아태전자상거래이사회(AFACT)에서 최우수상을 수상하는 성과를 거두었습니다.
Radio Frequency IDentification(RFID)
RFID는 무선 주파수를 이용하여 수 cm에서 수십 수백 미터 거리에 떨어져 있는 사물이나 사람에 부착된 태그를 인식하고, 인식된 태그가 지니고 있는 정보를 주고 받을 수 있도록 하는 ‘비접촉식 정보인식 기술’입니다. RFID는 기존에 많이 사용되고 있는 바코드가 비, 눈, 오염 등 환경적 요인에 의해 제약을 받을 수 있고, 마그네틱 카드가 극히 제한된 거리에서만 인식이 된다는 단점을 대체할 수 있는 기술로 주목 받고 있습니다. 특히 모든 대상 사물에 통신 기능이 있는 태그를 부착하고, 이를 통해 사물의 정보 및 주변의 환경 정보를 탐지, 네트워크를 통해 모든 정보를 관리한다는 USN(Ubiquitous Sensor Network) 개념을 실현하기 위한 필수적인 기술입니다. RFID 시스템은 기본적으로 고유 ID와 데이터 메모리를 내장한 초소형 IC와 안테나, 전원으로 구성된 태그, 태그로부터 데이터를 수신하여 호스트 컴퓨터로 전송하는 리더, 태그와 리더 사이의 교환되는 정보를 받아들이는 서버, 그리고 네트워크로 정보를 전달해주는 미들웨어로 구성됩니다. RFID는 태그의 배터리 사용 유무에 따라 Passive와 Active 방식으로 나눠지며, Active 방식은 배터리를 사용하기 때문에 보다 높은 프로세싱 능력과 더 먼 거리를 통신할 수 있습니다. 본 연구실에서는 Active RFID 방식에 초점을 두고 연구를 진행하고 있습니다.
Active RFID는 리더가 RF 신호를 통해 Command를 전송하고, 태그가 그에 대한 응답을 RF 신호를 통해 전송하여 태그(또는 사물)의 종류를 식별하는 기술로, 각종 물품에 소형의 태그를 부착해 사물의 정보와 주변 환경 정보를 무선으로 전송, 처리하는 비접촉식 인식시스템에 사용됩니다. Active RFID 표준으로는 433MHz Active RFID 국제 표준인 ISO/IEC 18000-7이 있으며 ISO JTC1/SC31/WG4/SG3에 의해 표준 작업이 지속적으로 진행되고 있습니다. 그러나 국내에서 433MHz 대역은 항만 물류 환경에서만 사용이 가능하기 때문에 이를 대처하기 위해 2.4GHz 대역을 사용하는 Active RFID 시스템들이 개발되고 있고, 2.4GHz 대역은 ISM(Industrial, scientific and Medical) band이기 때문에 주파수 사용에 대한 제약이 적으며, 장거리 및 고속 통신이 가능하다는 장점을 가지고 있습니다. RFID 태그는 소형화, 저전력 설계 등을 통해 한번의 배터리 장착으로 오랫동안 사용되는 형태를 취하며, 높은 computing power를 제공하기 위해 ARM core를 사용한 Tag도 고려되고 있습니다. 본 연구실에서는 개발한 RFID 태그는 저전력 동작, 센싱, 능동적 경보 기능 등의 특징을 가지며 아래와 같은 형태로 개발되었습니다.
Active RFID는 리더가 RF 신호를 통해 Command를 전송하고, 태그가 그에 대한 응답을 RF 신호를 통해 전송하여 태그(또는 사물)의 종류를 식별하는 기술로, 각종 물품에 소형의 태그를 부착해 사물의 정보와 주변 환경 정보를 무선으로 전송, 처리하는 비접촉식 인식시스템에 사용됩니다. Active RFID 표준으로는 433MHz Active RFID 국제 표준인 ISO/IEC 18000-7이 있으며 ISO JTC1/SC31/WG4/SG3에 의해 표준 작업이 지속적으로 진행되고 있습니다. 그러나 국내에서 433MHz 대역은 항만 물류 환경에서만 사용이 가능하기 때문에 이를 대처하기 위해 2.4GHz 대역을 사용하는 Active RFID 시스템들이 개발되고 있고, 2.4GHz 대역은 ISM(Industrial, scientific and Medical) band이기 때문에 주파수 사용에 대한 제약이 적으며, 장거리 및 고속 통신이 가능하다는 장점을 가지고 있습니다. RFID 태그는 소형화, 저전력 설계 등을 통해 한번의 배터리 장착으로 오랫동안 사용되는 형태를 취하며, 높은 computing power를 제공하기 위해 ARM core를 사용한 Tag도 고려되고 있습니다. 본 연구실에서는 개발한 RFID 태그는 저전력 동작, 센싱, 능동적 경보 기능 등의 특징을 가지며 아래와 같은 형태로 개발되었습니다.
본 연구실에서 개발한 433MHz Active RFID Tag [ LS산전에 기술이전 ]
본 연구실에서 개발한 2.4GHz Active RFID Tag들 [ (주)KPC에 기술이전 ]
Electronic Seal (e-Seal)
국제표준화 기구 ISO TC104(화물 컨테이너) 기술 위원회에서는 컨테이너 관리를 목적으로 하는 전자 봉인 표준으로 ISO 18185 (Electronic seals for freight containers)을 제정했으며 물리적 계층은 433MHz 무선 인터페이스 규격을 정의하는 ISO/IEC 18000-7을 기반으로 합니다. e-Seal은 야적장이나 공해상 등의 이동 중 부적절하게 컨테이너가 개봉된 경우 실시간으로 봉인 파손 상황을 알려 주거나, 봉인 훼손 상황에 대한 이력을 기록하는 역할을 합니다. 이 기술의 핵심은 봉인의 생존율과 검증의 안정성을 보장하는 것에 있으며, 현재까지 진행된 표준작업 기술로는 취약점이 많이 존재하며, 전자 봉인의 보안성과 높은 신뢰성을 위해서는 풀어야 할 문제점이 많습니다.
본 연구실에서 개발한 433MHz e-Seal [ LS산전에 기술이전 ]
Conveyance Security Device(CSD: 컨테이너 보안장치)
CSD(Conveyance Security Device or Container Security Device)는 미국 국토안보부(Department of the Homeland Security[DHS])에서 규격을 정의하였으며, 컨테이너 내부에 부착되어 컨테이너 도어를 통한 침입을 감지하는 장치입니다. DHS의 표준 규격에 의해 2.4GHz 대역 IEEE 802.15.4를 기반으로 통신하며, CSD 리더와의 모든 데이터를 암호화하여 보안성을 높였고, 컨테이너에 장착된 이후부터 최종 목적지에 전송될 때까지의 모든 이벤트를 기록합니다. 본 연구실에서는 DHS의 표준 규격을 준수하며, CSD의 전력 소모를 줄이기 위해, 독자적으로 개발한 저전력 기능을 사용하여 에너지 소비를 줄여 CSD가 해제될 때까지 이상 없이 동작할 수 있도록 하였습니다.
Advanced Container Security Device(ACSD)는 미국 CSD 문서 상에 기재되어 있고, 문 열림 감지 등의 공통적인 스펙은 CSD와 동일하며, 상태 측정 등의 기능들이 개별적으로 추가된 것이 특징입니다. 본 연구실에서 개발한 ACSD는 GPS, 온도, 습도, 충격 센싱 기능이 추가되어 있습니다. ACSD는 CSD에 비해 많은 기능들이 탑재되어 있기 때문에 배터리를 얼마나 효율적으로 사용하느냐가 관건이며, 순간적인 높은 전류 소모를 원활히 처리하기 위해 배터리와 전원부의 연구가 진행 중에 있습니다(케이스는 동아대학교에서 개발).
Advanced Container Security Device(ACSD)는 미국 CSD 문서 상에 기재되어 있고, 문 열림 감지 등의 공통적인 스펙은 CSD와 동일하며, 상태 측정 등의 기능들이 개별적으로 추가된 것이 특징입니다. 본 연구실에서 개발한 ACSD는 GPS, 온도, 습도, 충격 센싱 기능이 추가되어 있습니다. ACSD는 CSD에 비해 많은 기능들이 탑재되어 있기 때문에 배터리를 얼마나 효율적으로 사용하느냐가 관건이며, 순간적인 높은 전류 소모를 원활히 처리하기 위해 배터리와 전원부의 연구가 진행 중에 있습니다(케이스는 동아대학교에서 개발).
CSD System Flow
본 연구실에서 개발한 2.4GHz/433MHz ACSD