Bio-Medical Data Transmission System using Multi-level Visible Light based on Resistor Ladder Circuit

Bio-Medical Data Transmission System using Multi-level Visible Light based on Resistor Ladder Circuit

Jinyoung An¹ and Wan-Young Chung^2,+

Abstract

In this study, a multilevel visible light communication (VLC) system based on resistor ladder circuit is designed to transmit medical data. VLC technology is being considered as an alternative wireless communication due to various advantages such as ubiquity, license free operation, low energy consumption, and no radio frequency (RF) radiation characteristics. With VLC even in places where tra- ditional RF communication (e.g., Wi-Fi) is forbidden, significant bio-medical signal including the electrocardiography (ECG) and pho- toplethysmography (PPG) data can be transmitted. More lives could be saved anywhere by this potential advantage of VLC with a fast emergency response time. A multilevel transmission scheme is adopted to improve the data capacity with keeping simplicity, where data transmission rate can increase by log

m times (m is the number of voltage levels) than that of conventional VLC transmission based on on/off keying. In order to generate multi-amplitudes, resistor ladder circuit, which is a basic principle of digital to analog convertor, is employed, and information is transferred through LED (Light-Emitting Diode) with different voltage level. In the receiver side, mul- tilevel signal is detected by optical receiver including a photo diode. Then, the collected data are analyzed to serve the necessary medical care to the concerned patient.

Keywords: Visible light communication, Electrocardiography, Photoplethysmography, Multilevel transmission, Resistor ladder circuit

1. 서 론

가시광통신(VLC: Visible Light Communication)은 RF 무선 통신 시스템을 대체할 수 있는 대안 기술중 하나로써 최근 많 은 연구가 이루어 지고 있는 분야다. LED(Light-Emitting Diode) 를 이용하여 광신호를 전송하는 가시광통신은 주변 어디에나 있 는 LED조명에 쉽게 적용할 수 있고 큰 에너지 효율을 가지며,

특히 조명 (illumination) 기능과 데이터 전송을 동시에 할 수 있 는 장점이 있다[1]. 전자기파 스펙트럼의 한 부분으로 380 nm

~780 nm의 파장을 가지며, 특정범위의 파장마다 서로 다른 컬 러로 표현된다[2]. 가시광은 전자기파 스펙트럼임에도 불구하고, 여전히 규제가 없으며, 라이센스 없이 사용가능하고, 안전한 대 역폭으로 분류된다[3,4]. 또한 인체에 무해하기 때문에 응급실 등과 같은 RF 제한구역에서 자유롭게 사용 가능하며, 자동차 추 돌사고 방지, 실내 네비게이터, 수중 광통신, 의료신호 전송 등 으로 널리 응용되고 있다[5].

최근 의료신호 (PGG, ECG, 체온 등) 전송을 위해 가시광 통 신을 이용하는 다양한 전송 시스템이 연구되고 있다[6-8]. 여기 서 PPG (Photoplethysmography) 신호는 체내 혈액의 부피 변화 를 나타내는 신호로써 동맥혈압을 측정하기 위해 사용되며, ECG (Electrocadiograph) 신호는 심박수 측정을 위해 사용된다. 특히 논문[8]에서는 파장분할 다중화 (WDM: Wavelength Division Multiplexing) 기술을 이용하여 3개의 OOK(On/Off Keying) 변 조 기반의 광원을 사용하는 송신기와 이 신호를 분리 시키기 위 해 하나의 컬러센서를 포함하는 복조회로를 설계하여 의료신호 의 전송속도가 향상된 결과를 보였다.

1부경대학교 차세대 u-헬스케어 기술개발 사업팀(Team for Next

Generation U-Healthcare Technology Development, Pukyong National University)

2부경대학교 전자공학과 (Department of Electronic Engineering, Pukyong National University)

Room2147, Building A13, Pukyong National University, 45 Yongso-ro, Nam- gu, Busan 608-737, Korea

+Corresponding author: [email protected]

(Received : Jan. 26, 2016, Revised : Mar. 16, 2016, Accepted : Mar. 21, 2016)

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/

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한편 근거리 무선통신 기술중 하나로, 홈 네트워크의 핵심기 술로 주목받는 초광대역 통신에서는 전송속도 향상을 위해 M- ary PAM(Pulse Amplitude Modulation), PWM(Pulse Width Modulation), PPM (Pulse Position Modulation) 등의 다중레벨전 송 기법을 사용한다[9,10]. 여기서 PAM 변조는 심볼의 크기에 비트신호를 싣는 전송방법이고, PWM 변조는 심볼의 폭에 비 트신호를 실어 보내며, PPM 변조는 심볼의 위치에 따라 다른 비트신호를 전송하는 방법이다. 상기 다중레벨전송은 하나의 심 볼에 k개의 비트정보(비트수 k에 대한 상태 표현은 m = 2

, 즉 k = log

m) 를 실어 보내는 전송 방법으로, 동일한 환경에서 레 벨 수(m)에 따라 log

m 배의 속도향상을 얻을 수 있어 RF 무 선통신 분야에 사용되기도 한다[11]. 여기서 만약 다중레벨전송 기술이 OOK 변조 기반의 가시광통신에 적용된다면, 간단한 회 로를 유지하는 동시에 대역폭 효율을 얻을 수 있다.

본 연구에서는 환자의 생체신호 전송을 위해 LED와 컬러센 서를 이용하여 다중 레벨의 전압 데이터 신호를 송신하는 단거 리 무선 의료신호 전송시스템을 설계하고자 한다. Fig. 1은 다 중레벨 기반 가시광 통신 기술을 의료 조명시설에 접목시킨 응 용 시스템의 예시를 보여준다. 환자로부터 수집된 생체신호 데 이터(PPG, ECG, 체온)는 실시간으로 다중레벨 송신기 모듈을 통해 광신호 형태로 전송된다. 모니터나 스마트폰에 부착된 수 신기는 조명시설 아래서 동일한 데이터를 수신하게 되며, 신호 를 모니터링하고 분석하여 환자의 상태에 맞게 필요한 의료 처 방을 진행할 수 있다. 다중레벨 신호 기반의 가시광통신 시스템 이 의료신호 전송을 위해 적용되거나 응용된 사례는 현재까지 없는 것으로 보이며, 기존에 설계된 가시광통신 기반의 의료신 호 전송 시스템과 하드웨어 사이즈는 거의 같지만, 전송속도 향 상 효과를 얻을 수 있다. 제안하는 다중 레벨 송신기는 DAC(Digital to Analog Convertor) 회로의 기본 원리인 저항 사다리 회로를 응용하였으며[12], 프로그래밍이 용이한 ATmega 128 마이크로 컨트롤러, 교육용 PCB, 컬러센서를 이용하여 간단히 설계하였다.

2. 시스템 디자인

의료 신호 전송을 위한 다중 레벨 가시광 통신 시스템의 전 체 송수신 블록도가 Fig. 2에 제시되었다. 그림에서 시스템은 크 게 (a) 송신기 모듈, (b) 수신기 모듈, (c) 신호처리 모듈, (d) 사 용자 단말기로 구성된다. 송신기 모듈에서는 환자의 ECG, PPG, 체온와 같은 생체신호가 다중레벨 신호로 변조되어 LED 구동 회로를 통해 광신호 형태로 전송되며, photo diode를 포함하는 광수신 회로를 통해 광신호는 다시 다중레벨 전압신호 형태로 전환된다. 이제 신호처리 모듈에서 입력된 아날로그 신호는 디 지털 신호로 복조되며, 모니터링 시스템을 통해 환자의 생체신 호를 관찰할 수 있다. 각 블록별 세부 설명은 다음과 같다.

2.1 저항 사다리 회로를 이용한 다중레벨신호 전송 시스템 설계

디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 DAC의 기본 구조 는 Fig. 3과 같은 저항 사다리 회로 구조이다[12]. 그림은 8bit 입력에 대해 256레벨(2

=256) 의 전압 출력을 가지는 DAC의 예 시이며, 각 비트 입력에 대해 R과 2R 저항의 쌍으로 연결 되어 있다. 출력전압의 선형성(linearity) 유지를 위해, LSB 비트 입력 연결 끝단(초록색 영역)은 2R저항으로 연결해 주어야 하며, MSB 입력 끝단(붉은색 영역)에 2R/R 저항 쌍을 추가하거나 제거해 줌으로써 DAC의 입출력 레벨을 확장하거나 축소할 수 있다.

Fig. 4 는 저항 사다리 회로를 적용한 (a) 다중레벨 광신호 전 Fig. 1. Combining multilevel VLC system and medical lighting facil-

ities

Fig. 2. Multilevel transmission-based VLC system

Fig. 3. DAC structure based on R/2R resistor ladder circuit.

송 테스트 회로 (b) A지점 출력신호(전송신호) (c) B지점 출력 신호(컬러센서출력) (d) C지점 출력신호(수신기 출력)을 보여준 다. 송신기 회로에서 저항 사다리 회로 끝단에 연결될 LED소 자는 동작을 위한 최소 전압(TOV: Turn-On Voltage)이 필요하 며, Fig. 4(c)에서 보는 바와 같이 LED 출력과정에서 TOV 이 하의 전압에서는 신호가 전송되지 않는다. 본 논문에서는 TOV 문제 해결 및 4-level 전압 신호 생성을 위해 Fig. 4(b)와 같이 3bit 디지털 입력으로 생성되는 8개의 전압 중 Fig. 4(d)와 같이 4 개의 출력을 선택하여 DAC 회로를 구성하였으며(TOV 이상 의 전압 레벨 선택), R=470Ω, 2R=1KΩ의 저항을 사용하였다.

여기서 4-level 전압신호(V

, V

, V

, V

) 는 각각 ‘00’, ‘01’, ‘10’,

‘11’ 의 2 bit 신호 묶음에 해당한다.

2.2 송신기 모듈

가시광 통신을 위한 송신기 구조는 Fig. 5(a)와 같고, ATmega128 마이크로컨트롤러를 사용하였다. 먼저 멀티레벨 신호 전송을 위 해 생체 신호(PPG, ECG, 체온)는 마이크로컨트롤러에서 변조과 정을 거치며, 그 출력이 저항 사다리 회로로 입력된다. 회로에 서 생성된 다중 레벨 전압 신호는 트렌지스터(2N3907)로 입력 되어 전류가 제어되고, LED(Hyper Flux 5pie, 블루컬러)를 통 해 광신호가 전송된다. 전송 신호는 프레임 단위로 1개의 동기 화 바이트(byte), 1개의 헤더 바이트, 4 개의 데이터 바이트 (멀 티레벨 변조 후에는 32 bits(4 bytes)정보가 16개의 심볼 형태로 변환, 즉 2 byte에 해당하는 시간만 사용), 1개의 종료 바이트의 포맷으로 구성되었다. 여기서 동기화 및 헤더 바이트는 수신기 에서 동기화 과정 및 데이터 시작점을 찾기 위해 사용하고, 종 료 바이트는 한 프레임의 종료를 알려준다. 데이터 바이트는 멀 티레벨 변조 과정을 통해 2개의 비트신호를 하나의 전압 레벨 심볼로 변환하며, 2byte (16 bits) 데이터 전송시간 동안, 16개의

멀티레벨 전압 심볼을 전송한다.

실험에서 사용한 마이크로컨트롤러, LED등의 디바이스를 고 려할 때, 40 kbps 이하의 비트전송률에서 안정적인 신호 전송이 가능하다. 일반적으로 인간의 눈은 200 Hz 이상(즉, 심볼간 간 격이 5 ms 이하)의 주파수 깜박임에서 안전하다고 보고되고 있 으며[13], 상기 전송속도(심볼신호 간격이 25 μs)의 디밍 제어에 서 인간의 눈은 LED의 깜박임을 인지할 수 없다. 여기서 기존 의 OOK 전송의 관점에서 데이터 전송률은 5개의 바이트(1 프 레임)중에 2개의 바이트 즉, 16 kbps(=40×2/5)의 속도를 가진 다. 멀티레벨 전송 기법을 사용하는 본 연구에서는 다중전압 레 벨 개수(m)에 따라log

m 배의 전송률 상승 효과를 얻을 수 있으 며, 최종 데이터전송률은 32kbps(=16×log

4) 가 된다.

2.3 수신기 모듈

수신기에서 광신호 검출을 위해 S7505-01 컬러센서를 사용하 였다. Fig. 5(b)는 컬러센서를 포함하는 전체 수신기 구조이고, 버퍼, 증폭기, 비교기로 구성된다. 컬러센서의 출력은 저항 및 버퍼(buffer)를 통해 잡음이 제거된 4레벨 신호로 출력되고, 증 폭기(amplifier) 회로를 통해 전압을 증폭시킨다. 증폭된 신호는 비교기(comparator)를 통해 RS232규격의 신호로 전환된다. 여 기서 전송되는 프레임 신호의 동기화 바이트, 헤더바이트, 종료 바이트는 신호의 시작점 및 끝점을 찾기위해 ATmega128의 일 반 입출력용 포트로 입력되고, 동기화 과정 후에는 멀티레벨 심 볼이 (데이터정보) 내장된 ADC (Analog to Digital Convertor) 포트로 입력된다.

2.4 신호처리 모듈 및 모니터링 시스템

수신회로의 출력은 다중레벨 전압 형태의 아날로그 신호이며 마이크로컨트롤러를 통해 다중 비트 신호로 복원된다. 비트신호 Fig. 4. Transmission of multilevel optical signal based on resistor

ladder circuit. ((a) circuit, (b) signal output at part A (trans- mitter), (c) signal output at part B (color sensor) , and (d) sig- nal output at part C (receiver))

Fig. 5. Multilevel visible light communication ((a) transmitter mod-

ule and (b) receiver module)

복원을 위한 알고리즘은 Fig. 6과 같고, (a) 동기화, (b) 다중레 벨신호 복조, (c) 사용자 단말기로 데이터를 전송하는 3단계로 구성된다. 마이크로컨트롤러로 입력되는 신호는 먼저 (a) 동기 (Sync.: synchronization) 바이트 (0xFF)와 헤더 바이트 (0x80)를 검출하고, (b) 내장된 ADC를 통해 다중레벨의 전압 (V0, V1, V2, V3)을 각각 2개의 비트신호 (00, 01, 10, 11)로 복원한다.

여기서 단계 (b)는 (b1) Byte (8bit) 신호 완성 체크 단계, (b2) 내장된 ADC로부터 디지털 값을 읽어오는 단계(Atmega 128에 서는 ADC 변환값이10bit 형태이며, ADCL 및 ADCH 레지스 터에 각각 8bit, 2bit 정보가 저장된다), (b3) 변환된 ADC 값을 bit 신호로 복조하는 단계, (b4) 두 개의 레지스터에 각각의 비 트값을 저장하는 단계로 진행된다. 16개의 심볼이 32개의 비트 신호(4 바이트)로 복조된 이후에는 (c) Fig. 7과 같은 데이터 포 맷으로 정렬한 후, UART(Universal Asynchronous Receiver/

Transmitter) 커넥터로 연결된 사용자 단말기로 신호가 전송되 며, 자체 제작된 모니터링 시스템을 통해 의료 신호를 분석할 수 있다.

PC환경에서의 모니터링 프로그램을 제작하기 위해 Visual Basic Studio 가 사용되었다. 제작된 프로그램은 환자의 심박수 를 관찰하기 위해 사용되며, Fig. 8과 같다. 캡쳐된 화면 왼쪽 상단에서 포트를 설정하고, 연결 (‘CONNCT’) 단추를 클릭하면

아래쪽 그래프 영역에서 ECG신호가 실시간으로 출력되며, 심 박수가 50 이상 120이하일때는 ‘Normal’ 의 문구가, 그 외에는

‘Alert’ 의 문구가 뜨도록 제작하였다.

3. 시스템 평가

실험을 위한 전체 시스템 구조는 Fig. 9와 같고, 송수신기간 의 거리는 10 cm, 20 cm, 30 cm로 설정하였다. 가시광 통신을 위해 파란색의 LED를 사용하였으며, 전송하는 생체 신호는 Physionet 데이터 베이스로부터 수집된 샘플을 사용한다. LED 광원은 정확히 컬러 센서의 사정거리안을 비추는 LOS(line of sight) 환경을 가정하였다.

실험에서 성능비교를 위해 기존의 OOK 기반 VLC 시스템 ([8]) 이 동일한 조건에서 평가되었다. 제안하는 메디컬 신호 전 송 기법과 OOK 기반 RGB 멀티채널 전송 기법의 주요 차이점 은 Table 1과 같다. 표에서 N과 W는 각각 초당 전송되는 비트 수 와 사용된 대역폭을 의미하며, 기존의 OOK 기반 VLC시스 템은 대역폭 W에 대해 초당 N개의 비트를전송한다고 가정할 경우 대역폭 효율은 N/W [(bits/s)/Hz] 가 된다. 한편 동일한 대 역폭 조건에 대해 다중레벨변조 기반의 VLC 메디컬 신호 전송 은 다중레벨 수 m에 대해 N

/W [(bits/s)/Hz]의 대역폭 효율을 가지며(여기서N

= N x log

m), OOK 전송 기반 시스템과 비 교할 때, 레벨수 m 에 따라 log

m 배 대역폭 향상을 얻을 수 있 다(본 실험에서는 m = 4 이므로 2배). OOK 기반 다중채널 VLC 전송은 RGB 3가지 컬러에 대해 3개의 송신기 회로와 3개의 수 신기 회로를 사용하여 전송속도를 개선하는 반면, 제안하는 다 중레벨 기반 전송기법은 하나의 송신기와 수신 회로만으로 속 도를 개선할 수 있기 때문에 송신기 및 수신기의 구조가 더 간 Fig. 6. Demodulation algorithm at Rx microcontroller

Fig. 7. Frame format for transmission to user terminal

Fig. 8. ECG monitoring program (PC version)

단한 장점이 있다.

먼저, 생성한 다중레벨신호 및 수신신호 확인을 위해, ‘0x36, 0x55, 0x56, 0x1D’ 의 16진수 신호를 참조신호로 전송하고, 오

실로스코프를 이용하여 수신기 출력 신호를 확인하였다. 여기서 전송 되는 다중레벨 신호는 0x36과 0x55의 비트쌍, 0x56과 0x1D 의 비트쌍을 이용하여 생성하며, Table 2와 같이 정리할 수 있 다. 최종적으로 전송되는 다중레벨 신호는 [V

, V

, V

, V

, V

, Fig. 9. Experimental setup for multilevel VLC transmission

Table 1. Comparison between multilevel-based VLC system and OOK-based RGB-VLC system

Multilevel-based VLC OOK-based RGB-VLC [8]

Bandwidth efficiency

(bits/s)/Hz N/W x log

m N/W

Transmitter module Single color transmitter Three transmitters for RGB colors Receiver module A demodulation circuit

for one color

Three demodulation circuits for three colors Table 2. Example of Transmitted Multilevel Signal

Original Signal

2bits pair Multilevel Signal

Hex Bit Hex Bit

36

0

55

0 00 V

0 1 01 V

1 0 10 V

1 1 11 V

0 0 00 V

1 1 11 V

1 0 10 V

0 1 01 V

56

0

1D

0 00 V

1 0 10 V

0 0 00 V

1 1 11 V

0 1 01 V

1 1 11 V

1 0 10 V

0 1 01 V

Fig. 10. Example of multilevel transmission

Fig. 11. ECG outputs according to the distance conditions, such as

(a) 10 cm, (b) 20 cm, and (c) 30 cm

V

, V

, V

, V

, V

, V

, V

, V

, V

, V

, V

] 이 된다. Fig. 10에서 상하 두 그래프는 각각 전송신호와 수신기에서 수신된 신호의 오실로스코프 출력을 나타내며, 동기 바이트 0xFF와 헤더바이 트 0x80를 수신 후, 입력되는 멀티레벨 신호는 Table 2의 신호 와 동일한 것을 관찰할 수 있다.

송신기와 수신기간 거리 조건((a) 10 cm, (b) 20 cm, (c) 30 cm) 에 따른 출력을 자체 제작한 모니터링 프로그램을 통해 캡쳐한 자료가 Fig. 11에 제시되었고, 실험에서 ECG데이터를 다중레벨 변조하여 전송하였다. Table 3에서 거리에 따른 다중레벨변조 기반의 PER 값을 참조하면, 30 cm 거리에서 PER 결과는 10 cm 거리에서 PER 값과 동일하게 측정되는 결과를 보인다. 따라서 송수신기간 거리가 30 cm 인 환경에서 모니터링한 신호는 10 cm 거리에서 측정한 신호 출력과 같이 깨끗하게 수신되는 것을 관 찰할 수 있다. 여기서 사용자 단말기로 전송된 환자의 ECG의 료 데이터는 수식 (1)을 통해, 심박수로 계산된다.

(1)

수식 (1)에서 R-to-R 간격계산을 위해 ECG 입력의 두 피크 값을 이용하였다.

Table 3 은 거리에 따른 패킷오율(PER: Packet Error Rate)을 보여준다. PER 측정을 위해 100,000개의 패킷 데이터를 전송하 였으며, 수신된 신호를 UART 방식으로 PC로 전송하여 오율값 을 측정하였다. 성능 비교를 위해 기존의 OOK 기반 VLC 시스 템([8])에 대한 PER 값을 동일한 조건에서 평가 하였다. 송수신 기간 거리가 10 cm부터 30 cm인 조건에서 설계된 다중레벨 전 송 시스템의 PER결과가 OOK전송 기반의 수신 PER 결과와 일 치함을 알 수 있다. 한편 40 cm 거리조건의 신호 전송에서 다 중레벨 전송시스템의 PER 값이 OOK 기법의 PER보다 나쁜 결 과를 보이는 것은 빛의 강도가 약해지면서 다중레벨간의 신호 간격이 가까워지고, 모호해진 경계로 인해 신호 복조과정에서 오류가 발생하는 것으로 분석된다.

4. 결 론

본 연구에서는 PPG, ECG 및 체온과 같은 의료신호 전송을 위해 다중레벨 변조를 이용하는 가시광통신 송수신기가 설계되

적이다. 따라서 향후 연구계획으로 렌즈 등을 활용한 전송거리 확장, 전압 레벨 변화에 관계없이 유연하게 신호 검출이 가능한 의료 신호 가시광 전송 시스템을 설계하고자 한다. 추가적으로 고속으로 동작하는 마이크로컨트롤러, LED, photo diode 소자 를 활용한다면, 기존의 의료신호 전송 시스템의 성능을 대폭 향 상 시킬 수 있을 것이며, 간단한 생체신호 데이터 전송에서 환 자에 대한 상세 의료정보, x-ray 사진 및 기타 의료신호관련 대 용량 자료 또한 가시광 전송이 가능할 것으로 기대한다.

감사의 글

본 논문은 교육부 및 한국연구재단의 BK21 플러스 사업으로 지원된 연구임.

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