*정회원, 울산대학교, 전기공학부
**정회원, 울산대학교, 전기공학부 (교신저자)
접수일자 2013년 11월 18일, 수정완료 2013년 12월 28일 게재확정일자 2014년 2월 7일
Received: 18 November, 2013 / Revised: 28 December, 2013 Accepted: 7 February, 2014
*Corresponding Author: [email protected]
School of Electrical Engineering, University of Ulsan, Korea http://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2014.14.1.23
JIIBC 2014-1-4
VLC 기반의 스마트 기기를 이용한 실내 내비게이션 시스템 구현
Implementation of Indoor Navigation System using VLC based-Smart Devices
이영두
*, 구인수
**Young-doo Lee
*, Insoo Koo
**요 약 LED 조명기구로의 전환은 홈네트워크 등에서 단순히 기계적 연동에 의해 전원제어만이 고려되던 조명기구 를 조명과 무선통신이 결합된 하나의
IT
컨버전스(Convergence)
로 변환시켰고,
그 구체적인 예가 바로Visible Light Communication(VLC)
즉 가시광 무선통신이다. VLC
의 대표적인 응용으로 고정밀의 실내 위치측정을 기반으로 하는 실내 내비게이션 시스템을 들 수 있다.
본 논문에서는 대형 건물에서 주로 사용되는 형광등 타입의LED
조명기구와 현재 사용자 단말로 가장 흔하게 사용되는 스마트 기기를 실내 내비게이션 시스템의 구성요소로 고려하는VLC
기반 의 스마트 기기를 이용한 실내 내비게이션 시스템을 모델링하고 구현함으로써VLC
응용개발의 구현성과 스마트 기 기와의 융합성 연구를 보다 용이하게 하고자 한다.
Abstract Recently, Light Emitting Diode(LED) light is changing the light equipment, which was considered just as a power-controlled device in home-network, into a IT convergence device by combining illumination function with wireless communication. As a result, Visible Light Communication(VLC) becomes a more practical solution to ubiquitous networks due to the more spread of LED light. One of representative applications using VLC is a VLC-based indoor navigation system which can provide high-accuracy indoor localization. In this paper, we model and implement a VLC based-indoor navigation system in which a fluorescent light type of LED lamp, which is normally used in large buildings, and smart devices, which are usually used by users, are utilized as main components for indoor navigation. Subsequently, it is expected that the paper can contribute to make VLC applications be more active.
Key Words : Visible Light Communication, Indoor navigation system, Indoor localization, IT convergence
Ⅰ. 서 론
기존의 조명기구로 각광을 받아왔던 백열등 및 형광 등의 시대가 가고 바야흐로 LED를 이용한 조명기구가 조명시장을 잠식해 가고 있다. 이와 관련하여 우리나라
의 경우 지식 경제부를 중심으로 2015년까지 전체 조명 의 30%를 LED 조명으로 전환하는 1530 프로젝트가 추 진되고 있으며, 미국은 조명 시장의 50%를 LED 조명으 로 확산한다는 Vision 2020 프로젝트를 추진 중에 있다.
또한, 유럽 연합(EU)은 이미 2012년 9월부터 모든 종류
의 백열등에 대한 생산, 수입, 판매를 금지하였다. 이와 같이 기존 조명기구에서 LED 조명기구로의 전환은 실제 적인 법안과 국가적인 노력들에 힘입어 빠르게 전 세계 적으로 일어나고 있다.
[1-3]LED 조명기구로의 전환은 홈네트워크 등에서 단순히 기계적 연동에 의한 전원제어만이 고려되던 조명기구를 조명과 무선통신이 결합된 하나의 IT 컨버전스 (Convergence)로 변환시켰다. 디지털 반도체로서 LED 조명은 ON-OFF 깜빡임 제어를 통해 가시광 무선통신 (이하 VLC, Visible Light Communication)을 수행할 수 있는데 이것은 초당 70번 이상의 깜빡임에서는 사람의 눈이 이를 인식하지 못함을 이용한 것이다. LED 조명기 구를 이용한 VLC와 관련하여 유비쿼터스 통신서비스, 홈네트워크 응용서비스, 교통정보서비스, 위치정보서비 스, ID-Tag를 활용한 물품정보서비스, 휴대용 Peripheral 통신, 긴급재난서비스 등의 다양한 응용 분야가 예상되 지만 그중 대표적인 것으로 위치정보서비스 분야의 실내 위치측정을 이용한 실내 내비게이션 시스템을 들 수 있 다.
[4-8]일반적으로 알려진 바와 같이, 실내 그리고 지하철과 같은 지하 공간 등에서는 GPS 신호를 수신하기가 어렵 기 때문에 위치 측정의 정밀도가 상당히 떨어지고, 기존 의 WSN (Wireless Sensor Network)와 Wifi를 이용한 위치 측정은 자신의 위치를 알고 있는 비콘노드(Beacon Node)나 다수의 AP(Access Point)가 요구되는 등의 부 가적인 인프라가 소요되어 시스템 구현 비용이 상대적으 로 높고 전파의 특성상 그 정밀도 또한 보장하기 어렵다.
그러나 VLC의 경우, 통신의 매체가 되는 가시광을 눈으 로 볼 수 있으므로 전송 범위를 쉽게 확인할 수 있고, 설 계자의 의도에 따라 그 전송 범위를 조절 할 수 있으므로 통신이 수행되는 위치를 이론상 mm단위까지 측정이 가 능하다.
[9-11]본 논문에서는 VLC와 현재 사용자 단말기로 가장 많 이 사용되고 있는 스마트 기기를 결합하여 실내 내비게 이션을 제공하는 시스템을 구현한다. 실내 내비게이션은 그 목적상 대상이 관공서, 콘서트장, 박물관, 병원, 백화 점, 마트 등의 대형 건물이 될 것이므로 본 논문에서는 대형 건물에서 일반적으로 사용되는 형광등 타입의 LED 조명기구를 이용한다. 또한, VLC 신호로 많이 사용되고 있는 IPPM(Inverse Pulse Position Modulation)의 밝기 를 개선하기 위한 DIPPM(Double IPPM)을 제안하고 사
용한다. 본 논문은 구체적인 하드웨어/소프트웨어 구성 및 구현을 제공함으로 VLC 응용개발의 구현성을 용이하 게 하고 스마트 기기와의 융합성을 증진시키는데 좋은 연구 자료가 될 것으로 사료된다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. II장에서 구현하고자 하는 VLC 기반의 스마트 기기를 이용한 실내 내비게이 션 시스템의 시스템 모델을 설명한다. III장에서는 II장에 서 제시한 시스템 모델의 실제적인 구현을 도시하고 설 명한다. IV장에서 구현된 VLC 기반의 스마트 기기를 이 용한 실내 내비게이션 시스템의 시연결과를 간략히 설명 한다. 그리고 V장에서 본 논문의 결론을 맺는다.
Ⅱ. 시스템 모델 1. 하드웨어 구성
그림 1. 전체 시스템의 하드웨어 구성
Fig. 1. Hardware configuration of whole system
본 논문에서 설계하는 전체 시스템의 하드웨어 구성 은 그림1과 같이 크게 LED 조명 기구의 on-off 스케줄링 을 제어함으로써 LED 조명기구를 통해 VLC 신호를 전 송하는 VLC 송신기와, VLC 수신부를 통해 VLC 송신기 로부터 전송된 VLC 신호를 수신하고 위치정보를 추출하 여 사용자에게 해당 위치를 디스플레이하는 스마트 기기 (Smart Device)로 구성된다. 여기에서 스마트 기기는 스 마트 폰, 스마트 패드 등과 같은 사용자 단말기를 총칭하 는 용어로 사용되었다.
그림 2는 LED 조명기구를 on-off 제어하는 VLC 송신
기의 하드웨어 구성도를 보여준다. 제어부(MCU)는 VLC
송신기의 전체 동작을 제어하고, 전원부(Power Supply)
는 VLC 송신기에 전원을 담당한다. LED 드라이버(LED driver)는 LED 조명기구로 공급되는 전원을 제어함으로 써 LED 조명의 실제적인 on-off 동작을 제어하는 역할 을 수행한다. 제어부는 자신에게 할당된 위치정보를 LED 조명기기를 통해 스마트 기기로 송신하기 위하여 미리 약속된 라인코딩심볼(line coding symbol)에 맞추 어 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 만들어 LED 드라이버에 입력 값으로서 전송한다. LED 드라이버는 입력 받은 PWM 신호의 on-off 스케줄링에 따라 LED 조명기구에 전원을 공급함으로써 VLC 신호를 생산한다.
그림 2. VLC 송신기의 하드웨어 구성도
Fig. 2. Hardware diagram of VLC transmitter
그림 2는 LED 조명기구를 on-off 제어하는 VLC 송신 기의 하드웨어 구성도를 보여준다. 제어부(MCU)는 VLC 송신기의 전체 동작을 제어하고, 전원부(Power Supply) 는 VLC 송신기에 전원을 담당한다. LED 드라이버(LED driver)는 LED 조명기구로 공급되는 전원을 제어함으로 써 LED 조명의 실제적인 on-off 동작을 제어하는 역할 을 수행한다. 제어부는 자신에게 할당된 위치정보를 LED 조명기기를 통해 스마트 기기로 송신하기 위하여 미리 약속된 라인코딩심볼(line coding symbol)에 맞추 어 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 만들어 LED 드라이버에 입력 값으로서 전송한다. LED 드라이버는 입력 받은 PWM 신호의 on-off 스케줄링에 따라 LED 조명기구에 전원을 공급함으로써 VLC 신호를 생산한다.
그림 3. 스마트 기기 하드웨어 구성도
Fig. 3. Hardware diagram of smart device
그림 3에서 보는 바와 같이, 스마트 기기는 VLC 송신 기로부터 전송된 VLC 신호를 받아 디코딩(decoding)후 추출된 위치정보를 직렬통신으로 스마트 기기 본체로 송 신하는 VLC 수신부와, 실내지도 데이터베이스를 이용하 여 VLC 수신부로부터 수신 받은 위치정보를 실내지도에 맵핑(mapping)하는 메인 제어부와, 입수된 위치정보가 맵핑된 실내지도를 사용자에게 디스플레이(display)하는 LCD, 그리고 전원부로 구성된다.
그림 4. VLC 수신부의 하드웨어 구성도
Fig. 4. Hardware diagram of VLC receiver
그림 4는 스마트 기기의 VLC 수신부에 대한 하드웨 어 구성도을 보여준다. 포토센서를 통해 감지된 LED 조 명기기의 VLC 신호는 ADC에 의해 샘플링(sampling)되 어 VLC 수신부의 제어부로 전달된다. 제어부에서는 입 수한 샘플들을 이용하여 VLC 송신기로부터 전송된 라인 코딩심볼을 디코딩함으로써 위치정보를 추출하고, 이를 직렬통신을 통해 스마트 기기의 메인 제어부로 송신한다.
2. DIPPM 기반의 라인코딩
본 논문에서는 VLC 라인코딩심볼로서 PPM(Pulse Position Modulation) 기반의 DIPPM(Double Inverse PPM)을 제안하고 구현에 사용한다.
가. PPM / IPPM
PPM(Pulse Position Modulation)은 기본적으로 주어
진 신호폭에 대해 펄스의 위치가 바뀌는 형태의 변조기
법이다. 주요한 장점은 복잡도 낮아서 구현이 용이하다
는 것이며, 따라서 낮은 구현비용을 요구하는 VLC 실내
내비게이션 시스템에 아주 접합한 변조기법이라 할 수
있다. 전송하고자 하는 비트의 수가 n 이라 할 때 PPM에
서 고려하는 라인코딩심볼의 수
이 되며,
m-PPM으로 표기한다. 아래 그림 5는 PPM의 한 예로 2비트를 다루는 4-PPM을 도시하고 있다.
그림 5. 4-PPM 의 한 예
Fig. 5. An example for 4-PPM
4-PPM의 경우, 4개의 심볼을 사용함으로 하나의 심 볼주기
는 4개의 슬롯(slot)으로 분할되며, 각각 의 위치에 펄스가 출력됨으로써 2비트가 표현된다.
m-PPM은 m 개의 슬롯 가운데 오직 하나의 슬롯에만 펄
스를 할당함으로 LED 조명기기의 밝기가 무변조와 비교 할 때 로 낮아지는 문제점을 가진다. VLC에서 LED 조명기기는 통신의 매체인 동시에 조명기기로서의 역할을 충실히 수행하여야 함으로 m-PPM을 VLC에 그 대로 적용하는 것은 적합하지 않다. PPM 구조를 그대로 유지하면서 조명의 밝기를 높이기 위한 방법으로서 IPPM(Inverse PPM)이 고려되었다. IPPM은 기존의
m-PPM 신호를 뒤집은 형태를 가지며, m 개의 슬롯 가운데 오직 하나의 슬롯에만 펄스를 할당하지 않고 나머 지 슬롯에 펄스를 할당한다. 그림 6은 그림 5의 4-PPM에 대한 4-IPPM을 보여준다.
그림 6. 4-IPPM 의 한 예
Fig. 6. An example for 4-IPPM
나. DIPPM(Double Inverse PPM)
주어진 심볼주기
내에서 결정되는 듀티비 (duty rate)가 곧 LED 조명기기의 밝기를 나타내므로, 본 논문에서는 주어진 심볼주기 내에서 LED의 조명기기의 밝기를 높이기 위한 방법으로 DIPPM(Double IPPM)을 제안한다. DIPPM은 기존 IPPM의 구조를 그대로 사용하 면서 단지 선택된 슬롯에 기존 IPPM의 심볼 가운데 하 나를 축소하여 삽입한다. 축소되어 삽입되는 심볼신호를
본 논문에서는 SYL(Sub-sYmboL)이라 지칭하기로 한 다. DIPPM은 그 구현이 간단하면서도 기존 IPPM에 비
하여
%의 듀티비를 가진다. 그림 7은 4-IPPM에 대한 4-DIPPM을 도시한다. SYL로 사용된 심볼는 그림 6의 데이터 01에 대한 심볼이다.
그림 7. 4-DIPPM 의 구조 Fig. 7. Structure for 4-DIPPM
3. 프레임(frame) 구조
본 논문에서 고려하는 VLC의 프레임 구조는 아래 그 림 8과 같이 프레임의 시작을 알리는 프리엠블 (Preamble), 송수신 주소 및 프레임 타입(Type)을 담고 있는 헤더(Header), 그리고 위치정보를 표현하는 데이터 (DATA)로 구성된다. 위치정보는 건물식별을 위한 B_ID(Building_IDentification), 층수를 구별하기 위한 F_ID(Floor__IDentification), 그리고 LED 조명기구의 위 치정보를 나타내는 P_ID(Position__IDentification)로 구 성된다.
그림 8. 프레임 구조 Fig. 8. Frame structure
실내 내비게이션 시스템에서는 VLC 송신기가 불특정
다수의 스마트 기기를 대상으로 위치정보를 송신함으로
도착지 주소인 D_addr(Destination_address)는 브로드캐 스트(broadcast)가 되고 출발지 주소인 S_addr(Source_
address)는 VLC 송신기의 ID로 설정된다.
III. 시스템 구현
1. VLC 송신기 구현
그림 9는 구현하고자 하는 VLC 송신기의 전체 회로 도를 도시한다. 본 논문의 시스템 구현에서 고려하는 LED 조명은 대형 건물 등에 실제적으로 적용될 수 있는 12W 1200mm 형광등 타입이다. AC 전원(AC plug)으로 부터 VLC 송신기와 LED 조명에 전원을 공급하기 위하 여 입력 220V 출력 48V SMPS인 RS-75 시리즈와 입력 48V 출력 5V 인 IQ4805SA를 사용하였다. IQ4805SA는 VLC 송신기의 제어부(MCU)인 AVR128과 입력되는 PWM 신호에 대해 디지털 리피터(Repeater)의 역할을 수행하는 74LS08에 전원을 공급하고, RS-75는 IQ4805SA와 LED 조명에 전원을 공급한다. 74LS08과 TIP41C 사이의 50 ohm 저항은 TIP41C에 대해 적절한 입력 전압과 전류를 걸어주기 위하여 사용되었다. 그림 10은 구현된 VLC 송신기 3 세트를 보여준다.
그림 9. VLC 송신기 회로도
Fig. 9. Circuit diagram of VLC transmitter
그림 10. 구현된 VLC 송신기
Fig. 10. Implemented VLC transmitter
2. 스마트 기기/VLC 수신부 구현
스마트 기기로서 S5PV210(ARM Cortex A8)을 탑재 한 CM-V210 보드와 CM-V210 확장보드로 구성된 Mango-210을 사용하였다. 구현의 편리성을 위하여 VLC 수신부를 제작하고, 이것을 II.1에서 설명한 바와 같이 시 리얼 인터페이스(Serial Interface)로 스마트 기기에 연결 하였다. 그림 11은 VLC 수신부의 회로도를 도시한다.
VLC 수신부의 제어부(MCU)로 VLC 샘플링 해상도 (Resolution)을 고려하여 STM32F103을 사용하였고, 포 토센서로서 TSL252를 사용하였다. TSL252의 출력단의 10 K ohm은 적절한 ADC 범위를 설정하기 위하여 사용 되었다. 그림 11의 Con4Pin은 그림 4에 표기된 직렬통신 과 메인전원에 대한 구현부이며, 스마트 기기로 사용된 Mango-210과 VLC 수신부 사이의 연결부이다. 본 연결 부를 통하여 VLC 수신부는 Mango-210으로부터 전원을 공급받고 직렬통신을 수행한다.
그림 11. VLC 수신부 회로도
Fig. 11. Circuit diagram of VLC receiver
파일 역할 Java Source Code
ActivityMain.java 주메뉴 화면 구성 First.java 제작진 화면 구성 Help_main.java 도움말 메인화면 구성
Help.java 내비게이션 시작 도움말 화면 구성 Help2.java 현재위치 도움말 화면 구성 Help3.java 길찾기 도움말 화면 구성 Help4.java 기타 도움말 화면 구성 Information_list.java 길찾기의 방 리스트 화면 구성
SetFloorList.java 길찾기의 층 리스트 화면 구성 Setinformation.java 길찾기 화면 구성
MainActivity.java 메인 화면 구성
show_map.java 지도 화면 구성 XML Code for Layout Code mainactivity.xml 메뉴 화면 레이아웃 activity_main.xml 메뉴 화면 레이아웃 first1.xml 제작진 화면 레이아웃 help_main.xml 도움말 메인 화면 레이아웃
help.xml 내비게이션 시작
도움말 화면 레이아웃 help2.xml 현재위치 도움말 화면 레이아웃 help3.xml 길찾기 도움말 화면 레이아웃 help4.xml 기타 도움말 화면 레이아웃 set_information.xml 길찾기 화면 레이아웃
show_map.xml 지도 화면 레이아웃 activity_main.xml 주메뉴 화면 레이아웃
XML Code for Menu Code activity_show_map.xml 지도화면의 옵션메뉴 그림 12. VLC 수신부가 결합된 스마트 기기
Fig. 12. Smart device with VLC receiver
그림 12는 구현된 VLC 수신부를 장착한 Mango-210 의 전/후면을 보여준다. 그림 12 (a)에서 메뉴버튼과 취 소버튼은 일반적인 스마트 기기(ex, 스마트 폰)의 것과 동일하게 기능한다.
3. 실내 내비게이션 어플
개발 OS 환경은 Ubuntu 12.04이며, 안드로이드 진저 브레드(Gingerbread) 2.3.3 버전으로 개발되었다. 본 실내 내비게이션 어플의 파일은 Java source code, XML code 로 구성되며, 역할에 따라 크게 Activity와 Function type 으로 구분될 수 있다. Activity는 화면을 구성하는 파일 들이며, 레이아웃과 이벤트 처리를 수행한다. 표 1은 Activity type 파일들과 그 역할을 요약한다.
표 1. Activity type의 파일과 그 역할 Table 1. Files and role of Activity type
일반적으로 안드로이드 어플 프로그래밍에서 Activity는 Function을 포함하여 동작하지만 본 논문에서는 코드가 긴 Activity의 기능을 분리하여 Function type으로 정의 하고 별도로 구성하였다. Function type 은 Activity처럼 하나의 창을 구성하는 것이 아니라, 해당 창에서 사용되 는 데이터들을 제어하고 가공하는 역할을 한다.
표 2. Function type의 파일과 기능
Table 2. Functions and files of Function type.
파일 기능
Java Source Code ComposeMap.java y 현재위치/길찾기 DimensionInformation.java y 목적지/거리정보 저장
Floor.java
y 각층의 방 리스트 정보 저장, y ComposeMap와 Room의 중간
자 역할 ImagView.java y 이미지 이동/확대
Path.java y 최적경로 도출 Room.java y 각 방의 관련 정보 저장
VariableInformation.java y 사용자가 지정한 층 및 방 정보 를 저장
그림 13의 (a)와 (b)는 구현된 실내 내비게이션 어플의
메인화면과 메뉴화면 등을 보여준다. 그림 13의 (c)에서
(f)는 그림 13의 (b)에 나와 있는 도움말을 통해서 어플에
서 제공하는 기능을 상술한다.
그림 13. 구현된 실내 내비게이션 어플 기능별 화면 Fig. 13. Display of indoor navigation application
implemented according to functions
그림 14는 실내 내비게이션 한 예를 보여준다. 102 호 에서 105호를 찾아가는 것이며, 그림 14의 (b)에서 보는 바와 같이 경로를 확인할 수 있다.
그림 14. 구현된 실내 내비게이션의 예
Fig. 14. An example for implemented indoor navigation
IV. 시연결과
시연은 그림 10에서 보인 3개의 VLC 송신기를 이용 하여 101호에서 1층 출입문으로 이동하는 상황을 보이는 시나리오를 고려하였다. 3개의 VLC 송신기에 대해 101 호, 중간지점, 그리고 1층 출입문 순으로 위치값을 각각
할당하였다. 그림 15의 (a)는 사용된 형광등 타입의 LED 조명기구이며, (b)는 그림 14의 (a)에 도시된 바와 같이 길찾기 기능을 사용하여 경로를 설정하는 것을 보여준다.
그림 15의 (c)부터 (e)는 안내된 경로를 따라 이동시 101 호, 중간지점, 1층 출입구의 각 위치를 스마트 기기를 통 해 확인할 수 있음을 보여준다.
그림 15. 시연 결과 Fig. 15. Test results
V. 결 론
본 논문에서는 VLC 기반의 스마트 기기를 이용한 실 내 내비게이션 시스템을 모델링하고 실제로 구현하였다.
VLC 기반의 스마트 기기를 이용한 실내 내비게이션 시 스템은 크게 VLC 송신기와 VLC 수신부를 포함하는 스 마트 기기, 그리고 스마트 기기에서 동작하는 실내 내비 게이션 어플로 구분될 수 있다. 구현의 실제성을 더하기 위하여 대형 건물에서 사용되기 시작하고 있는 형광등 타입의 LED 조명기구를 사용하였으며, 사용자가 자신의 스마트 기기에 다운로드된 어플을 사용하여 VLC를 통해 실내 내비게이션 서비스를 받을 수 있도록 하였다. II 장 에서 모델링된 VLC 기반의 스마트 기기를 이용한 실내 내비게이션 시스템의 실제구현을 III장에서 보였으며, 제 대로 동작함을 IV장 시연결과에서 확인 할 수 있었다.
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This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Education(2013R1A1A2063779)
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저자 소개
이 영 두(정회원)
∙2007년 2월 : 울산대학교 전기전자정 보시스템공학부 졸업 (학사)
∙2009년 2월 : 울산대학교 전기전자정 보시스템공학부 졸업 (석사)
∙2013년 8월 : 울산대학교 전기전자정 보시스템공학부 졸업 (박사)
∙2013년 9월 ～ : 울산대학교 전기전자 정보시스템공학부 리서치펠로우 <주관심분야 :인지무선시스템, 무선센서네트워크>
구 인 수(정회원)
