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인도어 포지셔닝과 실시간 위치 추적 시스템의 백본으로 PoE 사용하기

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글/파르시브 판디야(Parthiv Pandya), 온세미 산업 애플리케이션 마케팅부

연결성의 지속적인 진화에 발맞춰, 이제는 새로운 또는 보수된 사무실 건물과 창고에서 기반 시설로 PoE를 지원하는 것은 흔한 일이다. 이더넷과 마찬가지로 PoE는 감시 카메라나 지능형 조명, 기타 ‘스마트’ 센서와 같은 디바이스들을 연결하는 데 사용된다. 많은 경우 스마트 빌딩은 또한 자산 추적이나 물건 위치 추적 시스템과 같은 혁신적인 기술들을 지원한다. 이러한 서비스는 BLE가 지원하는 인도어 포지셔닝 및 실시간 위치 추척 시스템과 같은 기술을 기반으로 한다. 여기서는 인도어 포지셔닝과 실시간 위치 추적 시스템을 구현하는 방법과 이 둘의 차이점을 설명한다. 또한 PoE가 이러한 위치 서비스와 이를 구현하는 데 사용되는 디바이스에 이상적인 고속의 전송속도와 전원을 공급하는 백본의 역할을 어떻게 수행하는지에 대해서도 설명한다.

실시간 위치 추적 시스템(RTLS)

실시간 위치 추적 시스템은 무선 기술을 사용해 자산을 추적 및 위치 확인을 할 수 있다. 이는 위성 신호가 약해 정확도가 떨어지는 대규모 상업 공간, 창고, 학교 및 병원 건물과 같은 실내 장소에서 동작하도록 설계됐다. 실외 GPS 시스템은 오차 범위가 수 미터인 정확도를 제공할 수 있는 반면, 실내 RTLS 시스템은 10cm의 오차범위 이내의 정확도를 제공할 수 있다. 이는 안전, 위험 구역 모니터링 및 물체 위치 파악 등의 응용 분야에서 상당한 장점을 가진다. RTLS 시스템이 어떻게 사용될 수 있는지에 대한 예로는 창고 안의 팔레트나 지게차를 추적하거나 초음파 기기 또는 인공호흡기와 같이 병원에서의 이동이 잦은 의료 장비의 위치 파악 등이 있다.

RTLS 구현

RTLS 시스템은 일반적으로 RF, IR, 가시광선 또는 초음파와 같은 무선 매체를 통해 구현된다. 적절한 사례로는 블루투스 위치 서비스를 사용하는 태그가 있는데, 이는 삼변 측량을 사용하여 물체의 위치를 결정하는 RSSI로 알려진 기능을 기반으로 한다. 위치 정보는 서버로 전송되며 휴대폰 또는 PC와 같은 단말 장치로 서버에 접속, 자산을 추적 할 수 있다. 이러한 유형의 RTLS는 1~10미터 사이의 위치 정확도를 제공한다.

블루투스는 RSSI를 지원하는데, 최신 버전의 블루투스 사양에 방향 찾기 기능이 도입됐다. 이를 통해 수신기는 블루투스 신호가 전송되는 방향을 결정할 수 있다. 이 방향 탐지 기능은 AoA(Angle of Arrival) 및 AoD(Angle of Departure)의 두 가지 위치 기능을 지원하는데, 블루투스 기반의 RTLS는 AoA를 사용한다.

AoA 방식에서 송신 장치는 단일 안테나만 필요로 하는 반면 수신기나 위치 확인 장치는 배열 안테나를 사용한다. 전송된 신호가 수신기의 안테나에 도달하면 안테나 간의 물리적 거리에 따라 수신되는 각 신호 간에 고유한 위상 차이가 발생한다. 수신기는 이러한 신호 간의 위상 차이를 사용해 도달 각도를 계산하여 신호가 온 방향을 효과적으로 산출한다. 그림 1은 송신기와 수신기의 안테나 배열을 보여준다.

[그림 1] AoA 방식의 송신기 및 수신기 배치

인도어 포지셔닝 시스템(IPS)

IPS는 사용자가 공항의 안내 데스크나 박물관의 전시물과 같은 건물 내부의 주요 관심 지점을 찾을 수 있게 해주며, 일반적으로 승객을 공항 입국심사대로 안내하거나 방문객을 박물관의 특정 전시로 안내하는 것과 같이 POI에 대한 사용자의 경로를 표시하는 데에 사용된다.

또한 IPS는 BLE 연결을 통해 구현할 수도 있다. 이러한 경우는 로케이터 비콘으로 알려진 다수의 BLE 송신기들이 건물의 지정된 위치에 설치된다. 스마트폰 앱을 통해 블루투스 라디오는 로케이터 비콘에서 나오는 신호를 들을 수 있다. 각 비콘의 RSSI 및 전송 위치를 가지고 삼변 측량을 사용해 앱은 전화기의 현재 위치를 계산할 수 있다. 이 방법도 RSSI를 사용하므로 약 1~10미터 내외의 오차범위를 가진다.

RTLS와 IPS의 차이

RTLS 시스템을 사용하면 자산의 위치가 중앙 서버로 전송된다. 스마트폰이나 PC와 같은 단말 장치는 서버에 접속하여 자산의 위치를 요청한다. RTLS 접근 방식은 일반적으로 창고에서 지게차, 팔레트, 움직일 수 있는 기타 자산을 추적하거나 병원에서 의료 장비 또는 환자의 위치를 찾는 데 사용된다.

IPS 접근 방식에서는 디바이스가 직접 단말 장치로 위치를 전송해야 하며, 가장 흔하게 사용되는 것은 스마트폰 앱이다. 인도어 포지셔닝 시스템을 사용하는 사례로는 공항 내의 네비게이션이나 박물관의 전시물에 대한 세부 정보와 같은 위치 기반 정보에 액세스하는 것이 대표적이다. 또한 이 기술은 특정 제품에 대한 할인과 같은 정보를 소비자가 매장을 지나갈 때 노출되도록 사용할 수도 있다.

IPS는 블루투스 5.1 버전이 제공하는 AoD 기능을 사용한다. AoD에서 로케이터 비콘은 배열된 여러 안테나를 사용하여 신호를 전송하며, 단일 안테나가 있는 스마트폰은 비콘이 전송한 여러 신호를 수신, 신호의 I(In-Phase) 및 Q(Quadrature) 구성 요소를 계산한다. 이렇게 샘플링된 데이터를 기반으로 스마트폰 앱은 상대적인 신호 방향을 계산할 수 있다. AoD 방식은 1미터 내의 정확도를 제공한다. 그림 2는 AoD에서 송신기와 수신기의 안테나 배열을 보여준다.

[그림 2] AoD 방식의 송신기 및 수신기 배열

IPS를 가능하게 하는 또 다른 기술로는 VLC이 있다. Li-Fi라고도 불리는 VLC는 백색 LED 조명을 고유 코드로 변조하는 데이터 통신 기술로, 5m 이상의 거리에서 500Mbit/s로 전송된다. 스마트폰과 같은 단말 장치가 3개 이상의 이러한 조명 또는 조명 기구의 범위 내에 있는 경우, 삼각 측량 알고리즘을 사용하여 각 조명 기구까지의 거리를 계산하고 이를 토대로 기기 자체의 위치를 계산할 수 있다. 이러한 방법은 오차범위 30센티미터 이내의 정확도로 위치를 제공한다. 시그니파이 옐로우닷 프로그램은 VLC 기반 인도어 포지셔닝 시스템 중 하나이다.

[그림 3] VLC 기반 IPS 방법

PoE

앞서 언급한 것처럼 PoE 네트워크를 지원하는 것은 산업, 상업 및 병원에서 점점 더 일반화되고 있다. 그러나 이것이 위치 기반 서비스에 어떤 도움이 될까? 이더넷 기술은 단일 이더넷 케이블을 통해 데이터와 전원을 제공할 수 있기 때문에, 개별 케이블들을 설치해야 하는 필요성을 줄이거나 아예 없앨 수 있다. 이를 통해 사업의 전반적인 전력 및 네트워크 인프라의 비용을 줄일 수 있다. 하지만 PoE를 사용하면 전원 콘센트가 설치되지 않은 건물 일부의 조명 기구와 같은 추가적인 장비에 전력을 더 쉽게 확장할 수 있다.

오늘날 PoE 연결 조명 기구는 전원과 데이터를 모두 가지고 있기 때문에 위와 같은 사실이 중요하다. 이는 조명 기구가 빠르게 발전하는 데 도움이 됐으며, 이제는 사용 감지, 습도 및 온도 센서와 같은 스마트 센서를 포함한다. 이러한 센서는 고정 장치에 직접 통합되고 PoE를 통해 연결되므로, 본질적으로 ‘플러그 앤 플레이’라고 할 수 있다. 스마트 센서는 건물의 입주자뿐만 아니라 실제 건물 내 인원수를 모니터링하는 데에도 사용될 수 있다. 이러한 정보를 바탕으로 건물관리시스템은 조명의 밝기나 비상구 전구의 조명 같은 환경을 보다 세밀하게 제어하여 건물 입주자에게 안전하고 생산적인 환경을 조성한다.

이더넷 네트워크를 통해 추가 기술을 구현하여 RTLS 및 IPS 서비스를 활성화할 수 있다. BLE 모듈과 VLC 송신기가 조명 기구에 통합되어 더 이상의 전원 콘센트나 유선 통신이 필요하지 않으므로 구현 비용은 더욱 절감된다. 고객들은 위치 서비스를 설치하고 운영하는 프로젝트의 관점에서 복잡성을 줄일 수 있다.

그림 4는 시스템의 블록 다이어그램을 보여준다.

[그림 4] PoE를 백본으로 사용하는 애플리케이션의 예

이러한 연결 조명이 새로운 솔루션에 어떤 영향을 미치는지에 대한 예시로, 통합 조명 솔루션의 선두 공급업체인 줌토벨과 RTLS 기술의 선두 공급업체인 쿠파 간의 파트너십을 살펴보자. 이 경우 줌토벨은 PoE를 지원하는 연결 조명기구를 개발했고, 쿠파는 BLE 모듈 기반의 RTLS를 설계하고 공급했다. 이러한 협업의 결과로 PoE가 지원되는 조명 설비에 통합된 RTLS 모듈이 탄생했다. 다음의 그림 5는 이러한 구성을 보여준다.

[그림 5] 쿠파 RTLS BLE 센서를 사용하는 줌토벨의 PoE 네트워크(Quuppa 제공)

RTLS의 도입은 기업이 자산을 정확하게 추적하고 파악할 수 있게 하여 전체 공급망을 더욱 효율적으로 만드는 것을 돕는다. IPS의 개발은 공항에 있는 여행객과 쇼핑몰에 있는 쇼핑객, 박물관의 방문객이 길을 찾는 데 도움을 준다. PoE는 이러한 혁신을 실현하는 데 필요한 전력과 데이터 인프라를 제공한다.

온세미는 RTLS 및 IPS를 보다 빠르게 운영할 수 있는 다양한 기술 솔루션을 제공한다. 예를 들면, RSL10 Quuppa AoA RTLS CMSIS 팩과 같은 소프트웨어 키트로 RTLS 개발을 지원하는 초저전력 BLE 디바이스인 RSL10 제품군이 있다.

온세미는 증가하는 PoE 솔루션 포트폴리오와 최근 발표된 NCL31000 지능형 LED 드라이버로 조명 기구를 스마트 조명 네트워크로 바꾸어 주는 빌딩 블록을 제공한다. 이러한 네트워크는 모든 수직 시장군에 부가가치 서비스의 제공을 위한 VLC, RTLS 및 IPS를 지원할 수 있다.

실내 내비게이션과 실시간 위치추적이 사람과 자율 장치에서 더 중요해짐에 따라, 이러한 시스템의 이점은 빠르게 증가할 것으로 예상할 수 있다. 시스템 통합 업체는 PoE 백본을 구현함으로써 수요를 충족시킬 수 있을 것이다. 

leekh@seminet.co.kr
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