산업혁명과 사물인터넷 기술은 필요한가?

사물인터넷(IoT)는 인간의 능력을 대신하여 인간의 삶의 방식을 좀 더 편리하고 안전하며, 더 나아가게 해주어 모든 생활 공간을 스마트화 되고, 스마트시티 시장이 크게 성장하는 전망적인 제4차 산업혁명의 핵심적인 기술입니다. 손으로 글씨를 쓰는 시대에서 자판으로 글씨를 쓰는 시대로 변화하는 것과 같이 시간적인 단축과 시대적인 흐름을 느끼게 해주는 하나에 과학의 발전으로서 세기가 변할수록 세계가 변하듯 사물인터넷(IoT) 또한 세기 변화의 밑받침이 되는 소재입니다. 미래는 사람이 가만히 있어도 모든 것을 처리하는 세계로 만드는 것을 영화나 사람들을 통해서 예측하고 소망하고 있습니다. 그것은 앞으로 다가올 제5차 산업혁명을 대비하는 것과 동시에 미래지향적인 하나의 매개체라고 생각합니다. 그러므로 이 기술은 제4차 산업혁명을 위해서도 미래를 위해서도 꼭 필요한 기술입니다. 제4차 산업혁명을 위한 우리의 대응전략은 간단하게 생각하면 제4차 산업혁명의 기술들인 IoT, CPS, 빅데이터, 인공지능, 지능로봇 등 공공장소나 거주지에 도입하여 지능적인 사물들의 중요성과 활용도를 사람들에게 일반화시켜야 합니다. 우리는 전자기기들을 처음 접하였을 때, 어색하면서도 편리하므로 일반화하여 사용해왔습니다. 이 또한 마찬가지로 일반화하여 사용되어야 앞으로 다가올 미래에 더 접근할 수 있으며, 정부는 법과 제도를 논의하여 기존의 법제도가 제4차 산업혁명의 새로운 기술 발전에 장애적인 부분이 생기지 않도록 마련하여야 합니다. 또한 이 기술을 일반화하기 위한 효율성과 편리성을 국민들에게 보여주어야 하며, 국민들은 이것을 국민들은 꺼려하지 않고 받아드리는 자세를 취하여 정부와 국민의 역할분담을 통한 협력적 규제 시스템을 재설계함과 동시에 연구개발과 국민의 다양한 아이디어를 고려하고 반영하여 선정하고 추진하여야 합니다.

 

적외선 기반 측위, 초음파 기반 측위, Wi-Fi 기반 측위, RFID 기반 측위, UWB 기반 측위의 장단점에 대하여 토론하고, 이 방법들의 성능향상을 위한 방법

 

 

적외선 기반 측위

액티브 배지는 위치 인식 시스템이며, 사무실 천장에 적외선 센서를 설치하고 사람들에게 액티브 배지라고 하는 배지 형태의 적외선 발생기를 부착하여 해당 신호를 감지하고 특정 사용자의 위치를 파악합니다. 이것의 장점은 회사를 예로 들어 원하는 부원의 회사원을 찾지 않아도 센서를 통한 위치 추정이 가능하여 쉽게 찾고 대화할 수 있으며, 출퇴근에 대한 양식 또한 편리해집니다. 장점으로는 액티브 배지는 시스템 구성이 비교적 간단하여 저렴한 비용으로 사용할 수 있습니다. 단점으로는 적외선의 전파속도가 다르기 때문에 고정밀도의 위치 인식 시스템을 구성할 수 없습니다. 이 적외선 기반 측위의 성능향상을 위해서는 시장에서 저렴한 비용으로 판매하여 대중들에게 회사나 매장 등 직장동료에게 사용하게끔 대표가 직접적으로 활용해야 합니다. 또한 고정밀도의 위치의 성능을 연구하여 개선하고, 출퇴근 길 기상변화나 부품훼손 등 방수와 높은 재질로 제작하는 방식으로 가야 할 것 같습니다.

 

초음파 기반 측위

초음파는 위치보다는 거리 측정 시스템에 많이 사용됩니다. 초음파를 이용한 위치 인식 시스템으로는 액티브 배트, 크리켓, Medusa가 있습니다. 액티브 배트는 액티브 배지와 비슷하게 사람의 몸에 부착하고, 크리켓은 단말기로 쓰입니다. 장점으로는 적외선 기반 측위와 같으며, 적외선보다 신호처리에 의한 오차율이 적습니다. 단점으로는 위치보다는 거리 측정에 유용한 신호이므로 위치 측정으로는 좋지 않습니다. 이 초음파 기반 측위의 성능향상을 위해서는 방수와 높은 재질로 제작하며, 이 초음파를 위한 시스템은 위치보다는 거리이기 때문에 거리 측정을 위한 시스템으로 성능을 연구하고 개발하는게 좋을 것 같습니다.

 

 

Wi-Fi 기반 측위

장점으로는 별도의 부가 장치 없이 무선RAN 환경을 이용할 수 있습니다. RSSI를 이용하기 위한 장치의 구조가 간단하고 기존의 근거리 무선통신기술들이 RSSI 정보를 이용할 수 있는 구조를 취하고 있기 때문에 위치 추적과 관련된 분야에서 광범위하게 사용하고 있습니다.

단점으로는 실제 환경에 따라 센서 모듈 및 AP, 안테나 방향성, 송신기와 수신기 사이에 존재하는 장애물, 사무실의 칸막이나 벽의 재질은 신호의 경로손실에 큰 영향을 미치고, 불안정성을 가집니다. 따라서 이 와이파이 기반 측위의 성능향상을 위해서는 신호장애물 같은 경우 그 때에 불안정한 신호를 감지하여, 그러한 신호가 잡혔을 때, 신호를 안정적으로 변화시켜주는 시스템을 개발하여야하며, 같은 와이파이를 쓰는 사람들의 혼잡도를 막기 위해서는 현재 미국의 WiFox라고 불리는 기술은 혼잡 정도가 일정 수준 이상이면 이를 감지해서, 액세스 포인트가 통신 채널을 완전히 통제하는 모드로 들어가서 데이터를 정리하고 재빨리 보통 모드로 돌아가는 방식이며 약 7배 정도의 처리용량이 증가했다고 합니다. 그러므로 이 WiFox와 같은 기술이 도입되고 개발되어야 합니다.

 

RFID 기반 측위

RF 신호의 수신강도를 측정하여 신호감쇄로 인한 신호 전달거리를 측정하여 위치를 인식하는 기술이며 장점으로는 무선RAN 또는 ISM 대역의 무선 RF가 많이 사용됩니다. RF 신호는 반사, 굴절되며 창문, 벽, 사람 등에 의해서 감쇄가 발생합니다. 이러한 감쇄에 의한 손실은 예측하기 어려우나 이미 알려진 특성들을 이용하여 전파 환경을 설정하고 감쇄를 추정하는 모델을 설정합니다. 단점이 찾기가 어려운 기반 측위입니다. 성능향상을 위해서는 더 많은 종류의 감쇄에 의한 손실 정보를 주입하여 더 좋은 기반으로 쓰이게 해야합니다.

 

UWB 기반 측위

UWB는 단거리 구간에서 저전력으로 넓은 스펙트럼 주파수를 통해 많은 양의 디지털 데이터를 전송하기 위한 무선기술입니다. 장점으로는 변복조 기능이 필요 없고 낮은 전력 밀도를 가집니다. 이는 투과성이 좋아서 건물 내의 벽이나 비금속 칸막이 등을 통과할 수 있고 음영지역에서도 사람이나 사물의 위치를 파악할 수 있습니다. 또한 아주 짧은 무선 펄스를 연속적으로 전송함으로써 수 GHz의 광대역 스펙트럼을 차지하고 매우 낮은 전력 밀도를 가집니다. 이 측위는 RFID의 성능향상을 위한 조건을 이미 갖춘 측위이므로 단점은 더 더욱 찾기 힘든 측위입니다. 이 UWB 기반 측위의 성능 향상을 위해서는 정확도를 더 세밀하고 간결하게 높이는 데에 기여하여 실내 환경에서 수 센티미터 이내의 정확도를 갖는 고정밀 측위 시스템으로 개발해야 합니다.

 

 

One-way ranging과 two-way ranging에 대하여 송신시각과 수신시각이 주어졌을 때 거리를 구하는 식

 

 

 

송신 시각 , 수신시각 라 할 때, 도착시간 는 송신시각과 수신시각의 차이다. 그러므로 식은

 

 

① One-way ranging : 단방향 거리 추정에서는 수신만 하는 수동 상황에서 송신 신호원으로부터 수신기까지의 도착시간에 의하여 거리를 추정합니다. 전파 도착시간에 전파의 이동속도를 곱하면 전파 이동거리를 구할 수 있습니다.

 

② two-way ranging : 양방향 거리 추정에서는 신호를 송신하는 능동 상황에서 표적물에 반사되는 신호가 송신 방향으로 돌아오는 양방향 신호를 이용하여 거리 추정합니다. 전파 도착시간의 반에 전파의 이동속도를 곱하면 전파 이동거리를 구할 수 있습니다.

 

전파의 이동속도는 , 이동거리를 One-way ranging은 ,

two-way ranging은 라고 할 때,

 

① One-way ranging

 

② two-way ranging

 

 

 

펌프에서 나오는 물의 양을 여러 가지로 조절하려면 스마트폰 앱과 스케치 프로그램의 소스코드를 어떻게 수정해야하는가?

 

 

루프 함수에서 습도가 700미만으로 될 시 모터가 실행되어 물이 공급됩니다. 본래에 헤더와 입력, 모터start, stop, setup, loop, LCD출력은 동일하게 하며, 여기서 모터의 시작과 정지를 수동이 아닌 자동으로서 루프 함수에 모터의 시작과 정지를 추가하고 습도가 750이상 될 때 모터가 정지되는 것과, 800이상 될 때 모터가 정지되는 것을 추가하여 물의 양을 습도가 오르는 수치에 맞게 조절합니다. 그런 후에 블루투스 설정에서 습도가 750이상이 될 때 모터가 정지되는 것을 a, 800일 때 b, 이런 식으로 원하는 값을 저장을 하고, 키 설정에서 a를 물50, b를 물100이라고 설정하면 될 것 같습니다.

 

 

지그비 통신 대신 블루투스 통신을 사용하여 구성하고자 한다면 소프트웨어 소스코드와 하드웨어의 구성을 어떻게 바꾸어야 하는지?

 

 

①하드웨어 구성

 

라즈베리파이와 블루투스를 아두이노에 연결하고 아두이노를 TV에 연결합니다.

블루투스는 RX는 3번핀, TX는 2번핀, GND는 GND, VCC는 5V, LED를 13번핀에 연결합니다.

블루투스는 지그비에 비해 스택크기와 대역폭이 크므로 높은 용량을 표시할 수 있지만, 수명과 노드가 적으므로, 오래 쓰지 못합니다.

표준	지그비	블루투스
주요 어플리케이션	모니터링 및 제어	케이블대체
스택크기 (kBytes)	4 - 64	250+
배터리 수명(일)	100 - 1000+	1 - 7
네트워크 사이즈 (노드)	무한대(65536)	7
대역폭(kbps)	250	~1000
거리(미터)	100+	10+
칩 가격($)	3	5

 

②소프트웨어 소스코드

 

#include<SoftwareSerial.h> // 블루투스 통신관련 헤더

#define LED 9

 

SoftwareSerial BTSerial(2, 3); // 블루투스 RX, TX 설정

 

void setup()

{

pinMode(LED,OUTPUT);

Serial.begin(9600);

Serial.printin("Start bluetooth test"); // PC의 시리얼 모니터에 표시합니다.

BTSerial.begin(9600); // 소프트 시리얼로 라즈베리 파이와 통신하게 됩니다.

}

void loop() {

// 라즈베리 파이에서 넘어온 데이터가 있으면 PC로 넘겨줍니다.

if(BTSerial.available())

Serial.write(BTSerial.read());

// PC에서 넘어온 데이터가 있으면 라즈베리 파이로 넘겨줍니다.

if(Serial.available())

BTSerial.write(Serial.read());

// 라즈베리 파이에서 넘어온 데이터 a를 통해 LED를 1초간 키고 끕니다.

if(BTSerial.read()=='a') {

digitalWrite(LED,HIGH);

delay(100.);

digitalWrite(LED,LOW);

}

}