Ubiquitous Networks - 5 - RFID & USN -

Ubiquitous Networks - 5- RFID & USN - Laboratory ofIntelligent Networks (LINK)@KUT http://link.kut.ac.kr Youn-Hee Han 한국기술교육대학교

RFID (Ch.12)

1. RFID의개념과 특성 • RFID/USN 개요 • 바코드를 대체하여 상품관리를 네트워크화하고 지능화함 • 기본적인 사물의 인식 정보는 물론이고, 센싱 기술과 결합될 경우 주변의 환경 정보(온도, 습도, 오염 정보, 균열 정보 등)까지 탐지하여 이를 실시간으로 네트워크에 연결, 그 정보를 관리 • 궁극적으로 모든 사물에 ID를 부여하게 되어 사물의 자동인식이 가능해지며, 이들 간의 상호 통신 네트워크가 형성되어 유비쿼터스 센서 네트워크 형태로 발전

1. RFID의개념과 특성 • RFID 시스템 구성 요소 • RFID 태그: 데이터를 저장할 수 있으며 사물에 부착됨 • RFID 리더: 무선 송수신용 안테나를 내장, 데이터에 대한 읽기와 쓰기가 가능 • 안테나: 정의된 주파수와 프로토콜로 태그에 저장된 데이터 교환 • RFID 서버: 리더에서 수신된 사물에 대한 정보를 활용하여 응용 처리를 수행

1. RFID의개념과 특성 • 기본 동작 원리 • 리더는 주어진 주파수 대역에 맞게 RF(Radio Frequency) 캐리어 신호와 에너지를 RFID 태그에 송신 • RFID 태그는 이 RF 캐리어 신호가 들어오면, 위상이나 진폭 등을 변조하여 태그에 저장된 데이터를 리더로 되돌려줌 • 되돌려 받은 변조 신호는 리더에서 복조하여 태그 정보를 해독 • 리더는 유무선 통신 방식에 의해 서버로 전달

1. RFID의개념과 특성 • RFID 태그 • 제품, 동물, 또는 사람에게 부착되는 것 • 실리콘 IC 칩, 무선 주파수 질의를 수신하고 응답하기 위한 안테나 및 패키징으로 구성 • 패키징은 적용 분야에 따라 다양한 형태 및 재질로 제작 가능

1. RFID의개념과 특성 • RFID 태그의 분류 • Read-Only 태그 • 제조시 기록되며 정보 내용을 변경할 수 없음. • 가격이 저렴하여 단순 인식을 요하는 RFID 분야에 사용 • WORM(Write Once Read Many) • 사용자가 데이터를 프로그램하며 프로그램한 후에는 변경 불가능 • Read/Write 태그 • 몇 번이고 프로그램 및 데이터 변경이 가능한 구조 • RFID 기술의 대중화 • 초저가형 태그 구현 • 1센트 이하의 단순 기능 칩, 초저가 칩리스(Chipless) 기술로 발전될 전망 • 초소형 태그 실현 • 안테나를 웨이퍼상에 직접 구현하는‘안테나온 칩(Antenna On Chip)’기술이 요구되며, 안테나 온 칩화에 따른 짧은 인식거리를 늘릴 필요가 있음

1. RFID의개념과 특성 • 바코드와 RFID의 비교 http://www.etnews.co.kr/news/detail.html?id=200703290087

1. RFID의개념과 특성 • RFID의 장점 • 비접촉식으로 원거리 인식 가능, 인식 시간이 짧으며, 충돌방지 기능이 있음 • 동시에 여러 개를 인식할 수 있고, 인식률 99.9% 이상 • 장애물의 투과도 가능 • 태그에 대용량의 데이터를 저장할 수 있고, 반영구적으로 사용 가능 • 바코드에 비해 활용 범위가 넓고 월등히 많은 정보를 축적할 수 있음

1. RFID의개념과 특성 • RFID 분류 및 특징 (1/2) : 리더기의 전자기 유도, 마이크로파에 의해 작동되는 태그

1. RFID의개념과 특성 • RFID 분류 및 특징 (2/2)

1. RFID의개념과 특성 • 무선 통신 접속 기술에 따른 RFID의 분류 • 상호유도(Inductively Coupled) 방식 • 현재 대부분의 저주파 RFID에서 적용되는 원리 • 전원 에너지 및 데이터 전송이 코일 루프 안테나 전류에 의해 형성되는 자계 에너지에 의해 전송 • 전자기파(Electromagnetic Wave) 방식 • 전파통신에서 전파 전송 원리를 적용한 것 • 리더에서 전송되는 마이크로파 전자계 신호를 태그가 반사하며, 반사된 신호를 리더가 수신

http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=yes_id&logNo=90081482089&redirect=Dlog&widgetTypeCall=truehttp://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=yes_id&logNo=90081482089&redirect=Dlog&widgetTypeCall=true 1. RFID의개념과 특성 대한민국 하이패스(Highpass): RFID 방식(5.8GHz) • 주파수에 따른 RFID의 분류 가장 널리 사용

2. EPC 기반 RFID 네트워크 시스템 • 전자 제품 코드(Electronic Product Code; EPC) • RFID 태그에 내장되어 있는 코드로서 비트 크기에 따라 EPC-64, EPC-96 등으로 구분됨 • 현존하는 모든 사물뿐만 아니라 그 외의 다른 여러 가지에 각각의 고유번호를 부여할 수 있을 만큼 데이터 표현 범위가 넓음

3. RFID 응용 방법 • RFID 응용 방법 분류

3. RFID 응용 방법 • 정보 흐름_태그-태그 사이의 정보 흐름 • 정보유지형 • 처음부터 마지막까지 RFID 태그가 동일한 정보를 가지는 경우 • 정보확산형 • 하나의 제품이 여러 개의 제품으로 분할되는 과정에서, 태그 정보도 여러 개의 태그로 복사 또는 분배되는 경우 • 예) 한 마리의 소에 대한 이력 정보를 그 소의 고기로 만들어진 모든 쇠고기 제품에 인계 • 정보수렴형 • 여러 개의 부품이 하나의 제품으로 완성되는 과정에여러 개의 태그 정보가 하나의 태그에 집적되는 경우 • 예) 조립 PC • 정보혼합형 • 정보의 확산과 수렴이 복합되는 경우

3. RFID 응용 방법 • 정보 흐름_태그-리더 사이의 정보 흐름 • 1:1 정보처리형 • 태그나 리더가 각각 하나인 경우로, 하나의 태그가 부착된 제품 하나하나를 하나의 리더에 순차적으로 통과시켜 처리하는 경우 • n:1 정보처리형 • 복수의 태그와 하나의 리더를 사용하는 경우로, 하나의 태그가 부착된 여러 개의 제품을 동시에 하나의 리더에 통과시켜 처리하는 경우 • 지하철 개찰구, 대형 쇼핑마트의 계산대, 재고관리 등 • 1:n 정보처리형 • 하나의 태그와 여러 대의 리더를 사용하는 경우로, 하나의 태그가 부착된 제품을 동시에 여러 대의 리더가 읽는 경우 • 예) 미술관의 작품 소개 등의 경우는 하나의 작품 주변에 여러 명의 사람이 모여서 각각의 PDA에서 작품 정보를 읽음 • m:n 정보처리형 • 여러 개의 태그와 여러 대의 리더를 사용하는 경우

3. RFID 응용 방법 • 장치이동성 • 태그고정-리더이동형 • 태그 측이 고정되어 있고, 정보를 읽어들이는 리더 쪽을 움직임 • 예) 미술관에서의 작품의 정보 제공을 들 수 있다. 이 예에서는 전시하는 작품에 태그를 붙여두고, PDA를 가진 견학자가 움직여서 작품 정보를 읽어들임 • 태그이동-리더고정형 • 리더가 고정되어 있고, 태그 쪽을 움직임 • 예) 물류관리에서 태그가 부착된 상품이 리더를 가진 게이트를 통과할 때마다 인식되는 경우 • 예) 서점이나 대여점의 경우 결제되지 않은 RFID 태그가 붙은 상품이 입구를 통과하면 경고를 울리는 것 • 태그이동-리더이동형 • 태그와 리더 모두가 이동하는 형태 • 예) 재고 관리와 검품 처리를 들 수 있다. RFID 태그를 사용하면 실내의 물건이 어디로 이동해도 관리할 수 있음

USN (Ch.13)

1. 개요 • 센서(Sensor) 또는 센서 노드(Sensor Node) • 센서 네트워크에서 외부의 변화를 감지하여 유비쿼터스 컴퓨팅의 입력장치 역할을 하는 것 • 일반적으로 측정 대상물을 감지 또는 측정하여 그 측정량을 전기적인 신호로 변환하는 장치, 즉 물리량이나 화학량의 절대치나 변화, 소리, 빛, 전파의 강도를 감지하여 유용한 신호로 변환하는 소자 또는 장치를 의미 PIR: Passive InfraRed 용도 – 열감지, 동작감지 http://tvpot.daum.net/my/MyClipView.do?ownerid=LM6FiQSaYpI0&clipid=7177515&order=date&svcid=8&page=10&idx=7&totalcnt=158 자기 센서 용도 – 방향 감지

2. 센서의 개념 및 특징 • 센서의 구비 조건 • 센싱 기능의 고도화 • 감도를 높이는 기능 고도화 연구 필요 • 첨단 신소재 개발과 소자 구조의 최적화 연구 필요 • 초소형화 • 집적화 다기능 센서가 구현되어야 하며 아울러 SoC(System On Chip) 개념의 소형화 칩으로 개발되어야 함 • 현재 센서 분야에서 SoC 기술에 관한 연구가 활발히 진행되고 있음 • MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 기술의 발달로 소자의 소형화를 위한 기술적 전망은 밝은 편 • 센서 노드 수명 최대화를 위한 저전력 • 이식이 쉬운 칩형의 구현 • 이식이 쉬운 센서 칩을 개발하기 위해 생체 또는 사물에 부합성이 양호한 몰딩 재료의 개발과 아울러 칩 구조의 최적화가 이루어져야 함

2. 센서의 개념 및 특징 • 미세 전자 기계 시스템 - MEMS(Micro Electro Mechanical System) • 반도체 공정 기술을 기반으로 성립되는 마이크론(㎛)이나 ㎜ 크기의 초소형 정밀기계 제작 기술을 말함 • 스마트 센서(Smart Sensor) • 인간의 능력과 가까운 판단력을 가진 센서 • 미국 항공우주국(NASA)의 우주선 개발 과정에서 탄생 • 비행 중인 우주선의 온도, 압력, 자세, 위치 등의 관측 데이터가 시시각각 지상으로 전송됨 • 차량용 스마트 센서(에어백 센서, 타이어 압력 모니터링 시스템 등), 스마트 환경 센서, 전자코 시스템, 스마트 홈을 위한 시스템 등에 응용됨 • 스마트 센서의 구성 • 일반 센서 개념인 측정 센서 프로세서와 고성능의 CPU(Central Processing Unit)를 내장한 시스템으로 구성 • 미세 전자 기계 시스템(MEMS)을 기반

3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 유비쿼터스 센서 네트워크(USN) • 여러 개의 센서 네트워크 영역이 게이트웨이를 통해 외부 네트워크에 연결되는 구조 • 센서 노드는 집적된 데이터를 가까운 싱크 노드(Sink Node)를 거쳐 게이트웨이로 전송 • 네트워크를 구성하는 일정 지역에 크기가 1㎣ 정도의 작은 센서 노드(또는 센서)들이 수백 개에서 수천 개까지 설치되어 통신 • 노드들이 주고받는 데이터는 그 크기도 작고 데이터의 발생 빈도 또한 매우 낮아 통신하는 양은 많지 않을 것으로 가정 SINK

3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조

3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 센서 네트워크 구성 요소 • 센서 노드(Sensor Node): 저가의 초소형 저전력장치 • i) computing subsystem consisting of a microprocessor or microcontroller • ii) communication subsystem consisting of a short range radio for wireless communication • iii) sensing subsystem that links the node to the physical world and consists of a group of sensors and actuators • iv) power supply subsystem, which houses the battery and the dc-dc converter, and powers the rest of the node.

3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 센서 네트워크 구성 요소 • 싱크 노드(Sink Node) • 센서 네트워크 내의 각각의 센서 노드에서 센싱된 데이터는 싱크 노드에 의하여 수집되어 인터넷 등의 외부 네트워크를 통하여 사용자에게 제공 • 싱크 노드는 센서 네트워크 내의 센서 노드들을 관리하고 제어 • 센서 노드들이 센싱한 데이터를 수집하고 외부 네트워크로의 게이트웨이 역할을 수행 • 싱크 노드의 역할을 게이트웨이가 수행할 수도 있음

3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 센서 네트워크 요소 기술 • 센서 네트워크 프로토콜 아키텍처

3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 전력 관리 측면(Power Management Plane) • 센서 노드에서의 전력을 어떻게 효율적으로 관리하는 것 • 이웃하는 다른 노드에서 데이터 메시지를 수신한 후에는 자신의 전원을 끄도록 하는 방식 • 이동성 관리 측면(Mobility Management Plane) • 센서 노드의 움직임을 감지하고, 등록하여 센서가 이동을 하더라도 센싱 데이터를 Sink 및 게이트웨이까지 올바르게 전달 될 수 있도록 함 • 업무 관리 측면(Task Management Plane) • 특정 지역에 주어진 센싱 작업에 균형과 스케줄링을 부여 • 그 지역에서 모든 센서 노드가 동시에 센싱 작업을 수행하도록 요구되지 않기 때문에 어떤 센서는 전력 레벨에 따라 더 많은 작업을 수행하고어떤 센서는 Sleep 모드로 들어감

3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 센서 네트워크 프로토콜 아키텍처 • 물리 계층 • 주파수 선정, 반송파 신호의 생성, 신호 감지, 변복조 및 데이터 암호화 등을 주로 담당하는 계층 • 데이터 링크 계층 • MAC(Medium Access Control) • 매체 접근 및 에러 제어를 담당하는 계층으로 데이터 전송을 위한 통신 링크의 구성과 한정된 자원의 효율적인 공유를 목적으로 함 [물리/데이터 링크 계층 기술 후보] 1) IEEE 802.15.4을 기반으로 한 Zigbee와 6LowPAN기술이 주력 (주파수 대역:915MHz 및 2.4GHz ISM) 2) WLAN (IEEE 802.11), UWB (IEEE 802.15.3) 기술 활용도 가능

3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 [Zigbee 네트워크 프로토콜] • Zigbee 연합에서 무선 센서에 다양한 응용이 가능하도록 하는 기능과 보안 기능에 대한 정의를 수행 • 전력 소모를 최대한 줄인 IEEE 802.15.4 WPAN(Wireless Personal Area Network) 물리 계층과 MAC 계층 규격 • 송수신이 필요한 경우에만 수면 모드에 있는 노드들을 활동 상태로 변경

기술비교표 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조

3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 센서 네트워크 프로토콜 아키텍처 • 네트워크 계층 • 라우팅을 통해 점대점(End-to-end) 데이터 전송을 지원하는 계층 • 라우팅 제약 • 센서 노드가 저전력 장치이므로 에너지 제약을 받게 된다. • 센서 노드의 데이터 처리 능력을 감안하여 라우팅 • 데이터 중심적(Data-centric) 라우팅, 속성 기반의 네이밍(Attribute Based Naming) 기법 사용 • 특정 데이터 속성값을 가진 노드들에게 데이터를 요구하거나 라우팅을 방식 • 예) “40 도 이상 되는 온도를 센싱한 노드만 데이터 전송” • 데이터 통합(Data aggregation) 기법 연구 • 데이터 전송에 따른 전력 소모를 줄이기 위해 2개 이상의 센서 노드의 데이터를 취합하여 한 번만 보내거나 중복 데이터를 삭제하여 보내는 기법

3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 애드 혹 네트워킹 • 중앙집중식 기지국이나 접근점(Access Point)의 도움이 없이 이동 센서간의 통신을 수행 • 각 센서는 라우팅, 데이터의 송수신 등 모든 통신 절차를 수행하기 위해 자신이 라우터의 역할까지 담당 • 효율적인 통신링크 설정을 위한 최적의 라우팅 기법이 요구됨 • 시간과 자원의 낭비로 인하여 비효율적이고 비현실적인 시스템이 되는 문제점 해결 • 이동성 문제 해결 방안 필요

D G C F B E H A 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 애드 혹 네트워킹 • 이동성에 의한 라우팅의 어려움 X X X

3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 애드 혹 네트워크의 특징 • 망이 기존의 기간망과는 독립적으로 운영되고, 노드 간의 연결성에 대한 예측이 불가능하며 위상이 자주 변화한다. • 모든 작업들이나 서비스가 노드 간에 골고루 분산되어 있기 때문에 노드 간에 긴밀한 협력 관계를 유지해야 한다. • 노드들의 배터리 파워가 중요하기 때문에 파워를 절약할 수 있는 방안이 중요하다. • 보안 문제로는 키의 배분을 지원하거나 사용자와 노드의 인증을 위한 전역적인 식별자를 저장하거나, 정적인 데이터 베이스가 지원되지 않으며, 방화벽에 기초한 보안 정책도 적용할 수 없다.

5. 유비쿼터스 센서 네트워크의 미들웨어 • 유비쿼터스 센서 네트워크(USN) 미들웨어 개념 • 응용 서비스 지원을 위하여 서버 시스템에 설치 • 노드들의 원활한 동작과 성능 향상을 위하여 센서 노드와 싱크 노드에도 설치 • 서버 시스템에 설치되는 경우는 서버 측 미들웨어 • 노드에 설치되는 경우는 네트워크-내부 미들웨어 또는 센서 노드 미들웨어

5. 유비쿼터스 센서 네트워크의 미들웨어 • 유비쿼터스 센서 네트워크 미들웨어의 주요 기능 • USN 응용 서비스에서는 센서 노드의 수가 급격히 증가하므로 이러한 센서들의 Management를 올바르게 수행하여야 함 • 응용 서비스에게 QoS (Quality of Service)를 보장해야 함 • 다중 센서 네트워크들 간의 연계와 같은 고수준의 기능을 필요로 하게 됨 • u-시티 구축 사업과 같이 행정, 의료, 교통, 환경, 재난 방재 등의 다양한 USN 응용 서비스 분야들이 통합되어 있는 경우에는 USN 미들웨어에 대한 요구가 더욱 커짐

5. 유비쿼터스 센서 네트워크의 미들웨어 • 다양한 질의 유형 지원

5. 유비쿼터스 센서 네트워크의 미들웨어 • 유비쿼터스 센서 네트워크 미들웨어의 기본 시스템 구성

6. RFID/USN 응용 분야

6. RFID/USN 응용 분야 • 공공안전 분야 • 재난재해 관리 시스템 • 자연재해 발생 빈도가 높은 지역에 실시간 센서를 통한 모니터링 시스템과 경보 시스템을 설치, 센서에 의해 수집된 데이터 변화를 재난상황실에서 분석 • 재난재해 발생 가능성을 예측하여 경보 시스템을 통해 미리 대응할 수 있도록 알려주는 시스템

6. RFID/USN 응용 분야 • 구조물 관리 • 구조물은 물리적으로 큰 공간으로 둘러싸여있다. • 제어 공간에서 구조물을 관리하기 위해서는 사람이 화면을 이용하여 공장의 물리적인 상태를 관찰하고 제어할 수 있어야 함

6. RFID/USN 응용 분야 • 국방 • 군수 조달ㆍ관리, 보안 시설 관리, 물체 식별, 상황 정보 취득 등을 위하여 RFID 시스템을 활용 • 위험한 방어 지역 인근에 아군이 안전하게 감시할 수 있는 감시용으로 사용 가능 • 센서는 소형으로 바위나 나무 등과 구별되지 않도록 위장되어 적에게 들킬 염려가 적고, 전투시에 파괴되지 않도록 분포되어 제어기를 가지고 있음 • 광학적, 초음파, 화학적, 생물학적 센서는 사람을 추적하는 데 효율적으로 사용됨

6. RFID/USN 응용 분야 • 사회 안전 • RFID 태그는 백화물, 쇼핑센터, 대규모 도서관 등에서 부정 침입, 도난 방지, 위조 방지, 출입 관리 등을 위하여 활용 가능 • 공항의 경우, 수상한 화물을 분별하여 테러를 방지하는 효과 • 주택, 건물에 대한 방범성, 편리성 향상을 목적으로 도어 잠금/해제 시스템으로 RFID 카드 이용 • RFID 태그는 사람 외에도, 컴퓨터, 가구, 서류철, 그리고 추적 대상이나 도난방지 대상이 되는 어떤 형태의 자산에도 적용될 수 있음 • 행정 서비스 • 개인 신상에 대한 성명, 주소, 성별, 생년월일, 주민등록번호, 지문 등의 기본 정보를 기록한 주민등록증이나 건강보험증, 운전면허증, 여권 등을 RFID 카드화함으로써 본인 확인이 요구되는 행정서비스를 원스톱으로 제공할 수 있음

6. RFID/USN 응용 분야 • 경제산업 분야 • 생산/제조 • 생산/제조 과정에서 부품에 RFID 태그를 부착하여, 전 공정에 걸쳐 추적을 자동화할 수 있고, 조립공정에 필요한 부품의 조달을 자동화하도록 관리 시스템에 통합 가능 • 물류/유통 • 물품 관리 시스템, 항공화물이나 항공수하물 추적 통제, 수출입 국가 물류 시스템, 수입쇠고기 추적, 항만 물류 효율화 사업 분야에서 적용 가능 • 교통/운수 • 교통 부문에서 통행료 자동 징수, 텔레매틱스, 차량 이력 및 교통 정보 등에서 활발하게 활용

6. RFID/USN 응용 분야 • 농축수산 • RFID 태그에 제품의 제조원, 원산지, 제조 과정, 사육 과정, DNA 정보, 병력(육류의 경우), 기타(인터넷 사이트, 음성 자동응답 시스템(ARS) 전화번호 등) 정보를 기록하여 구매시에 태그 리더를 통하여 제품 정보를 구매자에게 제공할 수 있음 • 농작물을 재배 환경에서 센서 노드는 필요한 온도, 수분, 조도, 토양 성분, CO2 등에 대한 정보를 제공할 수 있음

6. RFID/USN 응용 분야 • 생활복지 분야 • 생활/문화/교육 • 생활하는 환경 관리, 즉 건물의 가열, 환기, 냉방 장치(Heating, Ventilating, and Air Conditioning; HVAC)에 사용될 수 있다. • 관광/레저 • 호텔, 식당, 위락시설 방문자에게 RFID 태그를 부여하여, 현금을 대신하는 지불수단으로 활용 • 호텔 방이나 헬스클럽, 기타 시설에 대한 출입 통제 수단 • 놀이공원과 이벤트 사업에서는 방문자들에게 RFID 칩이 내장된 팔찌나 ID 태그를 부착하게 하여 위치를 추적하여 미아방지나 그룹 간의 위치 확인 서비스 제공하거나지불수단으로도 활용 가능 • 환경 • 폐기물 관리 및 환경 오염 관리 분야 등에 RFID 태그가 많이 사용될 전망 • 상품의 라이프 사이클을 생산·판매에서부터 소비·이용을 거쳐 폐기·재활용까지 포함한‘밸류 체인 매니지먼트’로 생각

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