A Low Power Consumption Management Scheme Based on Touch & Play for Smart Memory Tags

(1)

ⓒ IEMEK J. Embed. Sys. Appl. 2017 June 12(3) 131-138 ISSN : 1975-5066

http://dx.doi.org/10.14372/IEMEK.2017.12.3.131

Ⅰ. 서 론

QR/NFC 태그는 현장의 객체에 부착되어 태그를 스캔한 사용자에게 많은 정보를 준다. 이 외에도 상 거래를 가능하게 하는 등 진화하고 있다. 그 예로 단순히 관람의 목적을 갖던 전시공간이 NFC 태그 를 통하여 상거래에 활용되는 비즈니스 모델이 등 장하였다 [1]. 다른 연구에서는 NFC 태그가 박람 회 참관객의 만족도를 높이는 주요 인자라는 결론 을 도출하였다 [2].

QR/NFC 태그는 다양한 분야에서 활용되고 있 다. 그러나 읽기 기능 외에도 쓰기 기능을 사용하는 다양한 응용이 요구된다. 예를 들어 주기적인 현장 방문이 필요한 장소에 부착된 NFC 태그에 사용자 의 식별자를 저장하면 현장 방문의 증거로 활용할 수 있다. 또한, 약속 장소에 늦게 도착했을 때 친구 의 메모를 태그에서 확인할 수 있을 것이다.

본 논문에서는 NFC 태그와 플래시 메모리를 결 합하여 쓰기 기능을 추가한 스마트 메모리 태그 (이 하 멤태그)를 제안한다. 멤태그는 NFC 태그, MCU, 플래시 메모리, 블루투스 모듈, 배터리로 구성되며 사용자의 스마트폰과 블루투스로 연동한다. 멤태그 를 터치하면 블루투스 연동 정보 등을 넘겨받아 자 동으로 연결한다. 멤태그에 저장되어 있던 웹페이지 가 스마트폰에 전송되고, 웹페이지의 지정된 기능을 수행한다. 그 결과 웹페이지의 내용에 따라 다양한 기능을 수행할 수 있다. 그러나 멤태그는 배터리로 동작하므로 전력 소모를 최소화하는 작업이 필요하 다.

논문 2017-12-15

스마트 메모리 태그를 위한 Touch & Play 기반 저전력 소모 관리 기법

(A Low Power Consumption Management Scheme Based on Touch & Play for Smart Memory Tags)

윤 영 선, 하 선 주, 손 경 아, 은 성 배^* (Young-Sun Yun, Sunju Ha, Kyung A Son, Seongbae Eun)

Abstract : QR/NFC tags have been utilized in various fields like exhibition, museum, and so on, but they have a drawback that they are read-only fundamentally. We devise a novel device called a smart memory tag (below mem-tag) which is supplemented with the write function through combining a flash memory into a NFC tag. A mem-tag is composed of an NFC tag, an MCU, a flash memory, a bluetooth module, and a battery, and is inter-operating with smartphones via bluetooth communication. It can be used in a bulletin board to support writing replies and in a check-in service to verify the presence of the site. What matters is that users’

inter-operations are borne to be asynchronous, which leads to the energy consumption to wait for users’ actions. Sleep mechanisms and asynchronous MAC protocols used in ubiquotous sensor networks cannot avoid the consumption of battery. In this paper, we propose a touch and play scheme for minimizing the consumption of battery that the MCU wakes up and PLAY when a user TOUCH the mem-tag. We implemented the system to show that our scheme lets the mem-tag work 50 times longer than the sleep and wake-up scheme.

Keywords : Touch and Play, Mem-tag, Smartphone, NFC tag, Interrupt

*Corresponding Author ([email protected]) Received: May 12 2017, Revised: May 19 2017, Accepted: May 24 2017.

Y. Yun, S. Ha,, S. Eun: Hannam University K.A. Son: Ulsan National Institute od Science and Technology

※ 이 논문은 2016년도 한남대학교 학술연구조성 비 지원에 의하여 연구되었음

(2)

비동기적인 통신의 슬립주기를 조절하기 위하여 MAC 레벨에서 저 전력 소모 통신 프로토콜들이 연 구되었다 [6-9]. 비동기 통신 시에 슬립주기를 크 게 줄이지 않으면서 대기시간을 줄이는 방식에 관 한 것이다. 그러나 이들 프로토콜들은 스마트 디바 이스의 WPAN 통신, 즉 WI-FI, Bluetooth, Zigbee 등에 적용하기는 어렵다.

본 논문에서는 멤태그의 전력소모를 최소화하기 위해 Touch&Play 기반 멤태그 연동 체계를 연구 하였다. Touch&Play 연동체계는 다음과 같다.

① 멤태그에 포함되어있는 NFC 태그에 사용자의 스마트 디바이스로 터치한다.

② NFC 태그와 연결된 MCU가 인터럽트로 wake-up되어 멤태그를 Play 한다.

스마트폰은 멤태그를 터치하여 자동으로 블루투 스 페어링을 하고 응용 웹을 얻는 UI/UX를 활용한 다. 멤태그는 사용자가 터치할 때 wake-up함으로 써 동기화에 요구되는 전력 소모를 최소화할 수 있 다. 아두이노를 활용하여 멤태그와 Touch&Play 체 계의 프로토타입을 구현하고 실험한다.

Ⅱ. 관련 연구

1. 동기 슬립 정책

기존의 무선 센서 네트워크에서는 센서 노드의 전력 소모를 줄이기 위하여 센서 노드들이 동기화 되어 주기적으로 슬립하는 방식을 사용한다 [3]. 이 를 위해 고성능 처리 모듈은 슬립시키고 별도의 Wake-up모듈이 이벤트를 감지하는 구조를 제안하 였다 [4]. 이벤트 감지는 저전력을 소모하는 웨이크 업 모듈이 처리하고 이벤트 발생 시 신호처리는 고 성능의 신호처리 모듈을 깨우는 방식이다. 슬립 기 간을 늘일수록 전력 소모를 줄일 수 있다.

하지만 멤태그에서는 이런 방식을 사용할 수 없다.

그림 1. 125KHz Wake-up 모듈 Fig. 1 125KHz Wake-up Module

사용자가 NFC 태그를 터치하면서 동작이 시작 되는데 터치 시기를 알 수 없기 때문이다. 멤태그의 슬립시간을 증가시키면 이는 사용자가 태그를 터치 하고도 멤태그의 응답을 기다려야 하며 최악의 경 우 대기시간이 슬립주기만큼 길어진다. 역으로 슬립 주기를 줄이면 사용자의 대기시간은 짧아지겠지만 전력소모는 커진다.

2. 비동기적 웨이크업 방식

슬립 상태의 센서 노드를 강제로 깨우는 방식이 있다. 이는 125KHz 주파수를 갖는 전자기파를 이 용하여 에너지를 공급하고 이를 통하여 센서 노드 에 인터럽트를 거는 방식이다 [9]. 이 방식은 사용 자가 원할 때에 언제나 깨울 수 있고 센서 노드는 주기적으로 깨어날 필요가 없다는 장점을 갖는다.

하지만 그림 1에서처럼 센서 노드에 125KHz 전자 기파 수신기를 부착해야 하고 일반사용자가 송신기 를 휴대해야 하는 것이 단점이다.

3. 저전력 소모 MAC 프로토콜들

저전력 소모를 위한 MAC 프로토콜들이 연구되 었다. S-MAC [6]은 활성구간과 수면구간을 주기 적으로 반복하면서 대부분의 시간을 수면구간으로 할당하여 에너지 소모를 줄이는 방법이다. T-MAC [7]은 송수신 데이터가 없는 경우에 일찍 휴면 구 간으로 전환하도록 S-MAC을 개선시킨 방법이다.

S-MAC, T-MAC 프로토콜은 동기식으로 주변 노 드들과 활성구간의 스케줄링을 위해 제어 메시지를 유발 시킨다.

반면 B-MAC [8]과 X-MAC [9]은 비동기 방 식으로서 송수신 노드들이 서로 독립적인 듀티 사 이클을 가지고 동작한다. B-MAC은 데이터 전송 시

(3)

그림 2. 시스템 구조 Fig. 2 System architecture

활성구간 사이의 시간 간격보다 긴 프리앰블 (long preamble)을 미리 전송하여 수신노드에게 알린 후 전송하는 방법이다. 이 방법은 동기를 위한 별도의 제어 메시지 유발이 없어 통신이 효율적이다.

X-MAC은 짧은 프리엠블 (short preamble)을 사용 하여 수신 노드가 더 빠른 응답 (early ACK)을 가 능하게 하였다. 또한 짧은 프리엠블 내 목적지 주소 를 송신하여 다른 노드들이 자기를 대상으로 하는 지를 더 빨리 판단할 수 있게 하였다.

이러한 MAC 프로토콜들은 비동기 통신 시에 슬 립주기를 크게 줄이지 않으면서 대기시간을 줄이는 방식에 관한 것이다. 문제는 이들 프로토콜들이 스 마트 디바이스의 WPAN 통신, 즉 WIFI, Bluetooth, Zigbee 등에 적용하기는 어렵다는 것이다.

Ⅲ. 스마트 메모리 태그 설계

1. 시스템 구성

그림 2는 멤태그 활용 체계의 전체 구조도이다.

그림과 같이 멤태그에는 플래시 메모리, 블루투스, 모듈, NFC 태그가 포함되어 있다. 사용자의 스마트 디바이스에는 Touch&Play를 위한 앱이 장착되어 있다. 멤태그에서 데이터에 접근하는 응용 프로그램 은 웹 문서로 구성되어 서비스 제공자가 지원하는 웹서버에 저장되거나 멤태그 내부의 저장 공간에 저장된다.

동작 시나리오는 다음과 같다.

① 사용자가 게시판에서 게시글에 부착된 멤태그를 발견한다.

② 사용자의 스마트폰에는 Touch&Play 앱이 설치 되어 있거나 또는 스토어에서 다운받는다.

그림 3. 스마트 메모리 태그 내부 구조 Fig. 3 Smart memory internal structure

③ 사용자는 Touch&Play 앱을 구동시키고 멤태그 를 Scan한다.

④ 멤태그의 MCU는 NFC 태그가 제공하는 인터럽 트 신호를 수신하여 wake-up한다.

⑤ 사용자 앱은 현장의 통신환경에 따라 2가지 방 식으로 동작한다.

가) 모바일 인터넷이 가능할 때에는 NFC 태그에 저장된 URL을 참조하여 웹 문서를 검색한다.

나) 모바일 인터넷이 불가능할 때에는 NFC 태그 에서 지정하는 WPAN 통신 방식에 따라 멤태 그와 연동하여 웹 문서를 검색한다.

⑥ 사용자 앱에 웹문서가 브라우징되어 UI를 표현 하며 적절한 조치를 통하여 멤태그의 데이터를 수집, 표시한다.

⑦ 사용자 앱은 검색한 웹문서를 저장하며 차후에 사용한다.

2. 설계의 주안점

그림 3은 멤태그의 내부 구조를 보여준다. 크게 3 부분으로 구성되며 설계 시 주안점은 다음과 같다.

① 내장 플래시메모리는 멤태그의 기능을 담당하는 웹문서를 저장하여야 하며 다양한 응용을 지원 할 수 있도록 충분히 커야 한다.

② Bluetooth 통신은 사용자가 페어링 시에 직접 제어할 필요 없이 자동으로 연동되어야 한다.

③ NFC 태그는 크게 2가지의 기능을 갖는다. 첫째 는 사용자 앱과 블루투스 통신을 자동으로 할 수 있는 정보를 제공해야 한다. 그와 동시에 멤 태그의 MCU를 슬립에서 깨어나게 해야 한다.

④ 멤태그는 배터리로 동작하며 가능한 최저 가격 을 갖도록 구현하여야 한다.

(4)

Fig. 4 NFC internal structure

NAME Role

HTML Defines the names and IDs of the components required in the UI

CSS

Defines the appearance and location of the components included

in the UI

Javascript The role of reflecting received sensing data in UI

표 1. UI 웹 문서의 구성

Table 1. Configuration of UI Web document

3. NFC 태그 내부 구조

그림 4는 NFC 태그의 내부 정보를 보여준다.

NFC 태그는 2가지 정보를 저장한다.

① 멤태그의 통신 모듈에 대한 정보

Bluetooth 모듈의 MAC 주소를 저장하며 페어 링을 위한 PIN 번호를 저장한다.

② UI 웹이 저장되어 있는 서버의 URL

모바일 인터넷이 되는 환경에서 그 URL을 이용 하여 웹 문서를 검색하고 그렇지 않은 경우에는 스마트센서 내부의 플래시 메모리에서 UI 웹을 접근한다.

4. UI 웹문서

표 1과 같이 UI 웹문서는 기본적으로 Touch&Play 앱 내부의 브라우저에서 수행되는 웹 문서이다. 이 웹문서의 기능은 3가지이다.

① 멤태그의 현재 버전과 UI 웹문서의 버전이 일치 하는 지 비교하는 기능이다. 만약 일치하지 않다 면 다시 NFC을 스캔하여 새로운 웹문서를 다운 로딩 해야 한다.

그림 5. Scan&Play 앱 내부 구조 Fig. 5 Scan&Play App internal structure

② 멤태그에 적합한 UI를 표시한다. HTML과 CSS 를 사용하여 UI를 기술한다.

③ 멤태그에 Bluetooth로 접근하여 실제 데이터를 가져와서 표시하고 멤태그의 플래시메모리에 저 장하는 기능이다. 응용의 종류에 따라 다양한 데 이터가 가능하지만 이는 웹 문서의 Javascript에 서 처리할 수 있다.

5. Touch&Play 앱 구조

그림 5는 사용자 스마트 디바이스에서 수행되는 Touch&Play 앱의 구성을 보여준다.

① 웹뷰는 웹서버 또는 멤태그의 내부 플래시메모 리에 저장된 웹문서를 표시하는 역할을 한다. 스 마트폰에서 사용되는 표준 웹뷰로서 안드로이드 나 iOS에서 모두 지원한다.

② NFC 리더는 NFC태그를 Scan하여 저장된 데이 터를 가져오는 역할을 한다. NFC 태그에서 발 생된 전력이 멤태그 MCU의 인터럽트 신호가 된 다. QR 리더는 MCU 인터럽트 신호 처리 기능 을 줄 수 없으므로 선택적으로 사용할 수 있다.

③ Bluetooth 매니저는 NFC 태그로부터 얻은 정보 를 기반으로 멤태그와 페어링을 하고 센서 데이 터를 가져오는 역할을 수행한다. UI웹문서를 멤 태그로부터 가져오기도 한다.

④ 디바이스 매니저는 표준 웹의 기능이 지원되지 않는 스마트 디바이스의 다양한 자원들을 활용 하도록 지원한다. 예를 들어, 표준 웹문서에서는 스마트폰 내부의 다양한 센서들을 활용할 수 없 는데 이 매니저가 웹문서의 Javascript와 스마트 폰 OS의 연결 기능을 지원한다.

(5)

그림 6. MCU Wake-up 구조 Fig. 6 MCU Wake-up structure

그림 7. 시스템 형상 Fig. 7 System configuration

6. MCU Wake-up 구조

그림 6은 NFC 태그를 이용한 MCU Wake-up 구조를 제시한다. 그림과 같이 멤태그의 MCU는 평 소에 deep 슬립 상태이다. 사용자가 정보를 얻기 위하여 NFC 태그를 스캔할 때 그때 얻은 리더의 에너지를 MCU 인터럽트로 변환하여 이 때 슬립에 서 벗어난다.

Ⅳ. 구현 및 성능평가

1. 구현

1.1 스마트 메모리 태그

그림 7은 구현된 멤태그의 형상을 보여준다. 멤 태그는 아두이노 보드를 이용하여 구성하였으며 Bluetooth 모듈, 센서, NFC 태그와 인터럽트 신호 선으로 구성된다.

그림 8. 평상시 NFC에서 출력되는 전류 Fig. 8 Current normally output from NFC

그림 9. NFC 태그 스캔 후 출력되는 전류 Fig. 9 Current output after NFC tag scan

그림 10. 기존 NFC 태그의 수정 Fig. 10 Modification of NFC Tag

1.2 MCU Wake-up 구조

그림 8과 그림 9는 아두이노 보드와 연결된 NFC 태그에서 나오는 전류를 오실로스코프로 측정 한 것이다. 평상시에는 그림 8과 같이 매우 미약한 전류가 출력되고 있음을 확인 할 수 있다. 하지만 스마트 디바이스로 NFC 태그를 스캔하면 NFC 태 그에 감긴 코일을 통해 전류가 생성되어 그림 9와 같이 아두이노 보드에 충분히 인터럽트를 걸 수 있 는 전류가 생기는 것을 확인할 수 있다.

그림 10은 기존의 NFC태그의 안테나 부분에 인 터럽트 선을 부착한 모습을 보여준다. 그림에서처럼 기존의 NFC 태그를 바로 사용할 수 있으면서 MCU에 인터럽트를 걸 수 있다.

2. 성능평가

표 2는 스마트 디바이스로 NFC 태그를 스캔한 후 UI에 센서 데이터가 출력되기까지 걸리는 시간 을 측정한 것이다.

스마트 디바이스와 멤태그의 연동이 완료되기까 지의 시간은 대략 5초정도가 걸리는 것을 확인할 수 있다. NFC만의 연동시간은 그것보다 짧지만 이 프로토타입에서는 센서가 준비되서 동작하는 시간과

(6)

Suggested

method Comparison item polling method Average 5

sec Connection time Average 5 sec

0sec

Activation time when waiting for 1

hour

327sec

8.32mA Current Consumption

(Wake-up state) 8.32mA 15.4uA Current Consumption

(Sleep state) 15.4uA

162,337 Hour

When using a 2500mAh battery,

the maximum operating time

3,246 Hour

method and existing method

블루투스로 연동하는 시간까지 포함되서 더 많은 시간이 필요했다.

3. 전력 소모량 비교 분석

비교분석을 위하여 제안한 방법과 주기적인 폴 링 방법의 전력소모량을 도출하였다. 폴링 방식은 5 초 정도의 평균 대기시간을 갖기 위해서는 10초의 슬립 시간과 1초의 활성화 시간을 갖는다. 그 결과 1시간에는 3,600초/11초 = 327번 활성화되며 327 초의 활성화 시간을 갖는다.

제안한 방식의 경우, 연동요청이 여러 번 있더라 도 연동요청 자체는 NFC 태그가 제공하는 에너지 에 의하여 수행되기 때문에 연동 요청을 위한 전력 소모는 0이다.

표 3에서 제안방식과 폴링 방식의 최대 동작 가 능 시간을 보였다. 표 4에서는 폴링방식의 대기시간 의 변화에 따른 최대 동작 가능 시간을 보였다. 이 때 사용자의 연동 요청은 없다고 가정하였는데 연 동 시의 전력소모량은 제안 방식이나 폴링 방식이 나 동일하기 때문이다.

20 3512 88 0.22 11363

표 3과 표 4에서 보는 것과 같이 제안하는 방식 이 기존의 폴링 방식보다대기시간이 약 50배 더 긴 것을 확인할 수 있었다. 따라서 슬립상태에서 소 모되는 전력이 매우 적으므로 연동이 불규칙적이고 장시간 활성화되지 않는 환경에서 적용하면 큰 효 과를 볼 수 있다.

Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 NFC 태그와 플래시 메모리를 결 합하여 쓰기 기능을 추가한 멤태그를 제안하였다.

멤태그는 NFC 태그, MCU, 플래시 메모리, 블루투 쓰 모듈, 배터리로 구성되며 사용자의 스마트폰과 블루투스로 연동한다. 사용자가 멤태그를 터치하면 블루투스 연동 정보 등을 넘겨받고 자동으로 연결 한다. 그 결과 멤태그에 저장되어 있던 웹페이지가 스마트폰에 전송되어 지정된 기능을 수행한다. 웹페 이지의 내용에 따라 다양한 기능을 수행할 수 있다.

멤태그가 사용자와의 연동을 위해 대기하는 동 안 소모되는 전력의 증가를 해결하기 위하여 본 논 문에서는 NFC 태그가 스마트폰의 에너지를 MCU 의 인터럽트로 변환하도록 설계하여 문제를 해결하 였다. 사용자와의 연동을 위하여 주기적으로 Wake-up하는 방식에 비하여 전력소모가 약 50배 감소되었고 사용자 대기시간도 감소되었다.

향후 연구로는 Touch&Play 방식으로 동작하는 멤태그의 응용 수를 늘리고 표준화하여 멤태그를 상용화하고자 한다.

References

[1] J. Jun, K.J. Lee, “Design and Analysis of Business Model using Mobile RFID in theExhibition Space and its Cases,“ Journal of

(7)

Intelligence and Information Systems, Vol. 14, No. 4, pp. 47-68, 2008 (in Korean).

[2] N.H. Chung, H.H. Jeong, K.J. Lee, J.H. Jun,

“The Impact of Exhibition Attendee’s Big 5 Personality Traits and Organizational Support on the Exhibition Satisfaction: Mediating Role of NFC Adoption and Playfulness Value,”

Korean Journal of Hotel Administration, Vol.

23, No. 3, pp. 201-223, 2014 (in Korean).

[3] Part 15.4: Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), IEEE Computer Society, 2011.

[4] S.G. Hong, N.S. Kim, W.W. Kim, “Sensor Module Architecture and Data Processing Framework for Energy Efficient Seamless Signal Processing in WSN,” Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea CI, Vol. 48, No. 6, pp. 9-16, 2011 (in Korean).

[5] AS3933 Demo Kit Manual, Austriamicrosystems, www.austriamicrosystems.com, Revision 1.00.

[6] W. Ye, J. Heidemann, D. Estrin, “An

Energy-efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks,” Proceedings of the IEEE INFOCOM 2002 Twenty-First Annual Joint Conference of Computer and Communications Societies, Vol. 3. pp. 1567-1576, 2002.

[7] T.V. Dam, K. Langendoen, “An Adaptive Energy-efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks,” Proceedings of the 1st ACM international conference on Embedded networked sensor systems, pp.171-180, 2003.

[8] J. Polastre, J. Hill, D. Culler, “Versatile low Power Media Access for Wireless Sensor Networks,” Proceedings of the 2nd ACM international conference on Embedded networked sensor systems, pp. 95-107, 2004.

[9] M. Buettner, G. V. Yee, E. Anderson, R. Han,

“X-MAC: a Short Preamble MAC Protocol for Duty-cycled Wireless Sensor Networks,”

Proceedings of the 4th ACM international conference on Embedded networked sensor systems, pp. 307-320, 2006.

(8)

of Science and Technology, Daejeon, Republic Of Korea.

1992-1995, online character and gesture recognition at Handysoft Corp.

1995-2001, acoustic modeling using trajectory modeling. 2001, Joined the Hannam University as Assistant Professor in the Department of Information and Communication En- gineering.

Apr. 2006 - Feb. 2007, visiting researcher of Electronics and Telecommunications Research Institute, Daejeon, Korea.

Aug. 2012 - Jul. 2013, visiting scholar at University of Washington, USA.

His research interests include all issues related to speech recognition and understanding, especially acoustic modeling, speaker adaption and utterance verification. Nowadays, he is expanding the research areas to IoT, embedded system, Web accessibility, and micro-web system using QR code.