유비쿼터스 센서 네트워크 기술

1. 유비쿼터스 센서 네트워크 기술 1장 서비스 원리 USN Ubiquitous Senser Network

2. 목차 • USN의 정의 • 기술개념 • 적용시장 및 적용 사례 • 시장 동향 • 응용과 매체 • 기술 Road Map

3. USN의 정의 (세부목차) RFID/USN이란? RFID System & Tag UWB IPv6 센서 노드 운영체제

4. USN의 정의-RFID/USN이란? RFID/USN은 모든 사물에 부착된 RFID 또는 Sensing 기술을 초소형 무선장치에 접목하여 상호 간의 네트워킹과 통신하여 실시간으로 정보를 획득, 처리, 활용하는 네트워크 시스템. RFID/USN에서는 사물의 이력정보 및 사물을 둘러싸고 변화하는 물리 환경계의 다양한 정보를 획득함으로써 생산성, 안정성 및 인간생활 수준의 고도화를 실현함. RFID/USN은 먼저 인식정보를 제공하는 RFID를 중심으로 발전하고 이에 Sensing 기능이 추가되어 이들 상호간의 네트워크가 구축되는 USN 형태로 발전 Ubiquitous 모든 사물에 태그 부착 Sensor 사물 정보 및 환경정보까지 감지 Network 네트워크에 연결하여 실시간 관리

5. USN의 정의-USN 서비스 개념

6. USN의 정의-RFID System & Tag 태그 구분 전원유무에 따라 Passive, semi-passive, active 주파수에 따라 LF(124~134kHz): 접근제어, 동물관리 등 HF(13.56MHz): IC 카드, 신분증 UHF(400~915MHz): 유통 물류 등 컨테이너 식별 마이크로웨이브 태그(2.45GHz): 히타치의 뮤칩에서 사용됨 기능에 따라 Identity tag: 기본형태, 변경 불가한 EPC코드와 데이터 통신에서 발생할 수 있는 오류를 수정하기 위한 CRC(Cyclic Redundancy Checking)정보만을 가짐 Functional tag: 식별태그의 기본정보 외에 임의의 사용자 정보를 저장할 수 있는 기능을 가짐 Antenna Antenna Tag /Transponder Reader Database A simplified Model of RFID System

7. USN의 정의-UWB UWB의 개요 기존 무선기술을 사용하던 무선 반송파를 이용하지 않고, 기저대역 상태에서 수 GHz이상의 넓은 주파수대역 및 매우 짧은 펄스 폭(1~4nsec)를 이용한 단거리 고속 통신 기술 장점 저전력 및 속도 면에서 구현 유리 광대역, 저전력에 의한 낮은 간섭 벽과 같은 장애물에 대한 투과율이 좋음 단점 전송거리 제한 타 기기에 간섭 유발됨으로 전력제한 등 저전력화 필수

8. 기술개념-IPv6 1994년 IPng(The IP Next Generation)이라는 Working Group명으로 시작 1998년 대부분의 주요 핵심 표준이 개발 완료 2001년 IPv6 Working Group으로 명칭 변경 IPv4의 대안으로써 자리를 잡음 2005년 6월, KT는 유비쿼터스 시대의 핵심인프라 중 하나인 차세대 인터넷주소를 17조개확보 개당 64대역까지 할당이 가능해 수천억개의 단말을 서브네트워크로구성할 수 있음(대한믹국 국민 1인당 36만개의 개별 네트워크 구성 가능) 독일 도이치텔레콤에 이어 두 번째로 많은 양

9. 기술 개념-센서노드운영체제 운영체제 설계 시 고려 사항 작은 크기의 RAM 사용 Task들은 Stack을 공유, 오버헤드를 줄이기 위해 선점(Preemption)을 허용하지 않는 경우도 있음 전력 관리자를 두어 마이크로 컨트롤러와 RF Chip의 다양한 Sleep Mode와 세부기능의 전력 공급을 제어, 센서 자체의 전력 공급을 제어함 제한된 병렬처리, 하드웨어 구조, 원시적인 I/O장치들 어떠한 응용에서도 효과적으로 사용할 수 있도록 유연성과 모듈성을 갖추어야 함 저 전력 Ad-hoc 라우팅 프로토콜, 위치인식, Clock Synchronization 지원

10. 기술 개념-센서노드운영체제의 종류 미국 Berkeley의 TinyOS 운영체제 및 다양한 미들웨어와 개발환경을 가짐 오픈 커뮤니티 활동을 통해 표준 플랫폼으로 성장 콜로라도 대학의 Mantis 유럽의 EYES OS ETRI의 Nana Qplus IT839전략을 구사하고 있는 정보통신부의 RFID/USN과 관련된 다양한 국책 사업에 활용될 수 있도록 다양한 요구사항 하에 개발되었기 때문에 한국형 유비커터스 센서 네트워크의 표준 플랫폼으로 자리잡을 전망

11. TinyOS 대표적인 이벤트 기반 USN 운영체제 이벤트 발생에 의한 상태 전이 방식을 채택한 상태 머신 기반의 프로그래밍 개념을 사용 제한된 메모리 공간의 효율적인 이용과 프로세싱의 동시성 등을 지원 시스템 자원의 제약으로 IP프로토콜, 소켓, 쓰레드 개념은 사용하지 않음 하드웨어 센서를 통해 외부 데이터를 받아 Level2에서 이벤트를 발생시킴 Level2에서는 이를 Task로 처리하거나 아니면 Level1에 이벤트를 발생시킴 Level1은 이벤트에 따라 Task를 실행하거나 Level2에 Command를 요청함 Scheduler는 Task, 이벤트 작업을 총괄함

12. Nano-Qplus 제한된 메모리 사용을 최소화 하기 위해 멀티 쓰레드간의 스택을 공유 멀티 쓰레드 스케줄러(FIFO 방식, 시간 기반 라운드 로빈방식, 우선순위에 따른 쓰레드 선점 방식)로 다양한 무선 통신 방식(433RF, ZigBee)을 지원 표준형 및 마이크로 임베디드 OS와 동일한 API세트를 지원하여 기존 시스템 프로그램 개발자에게 친밀감을 제공함 nHAL(nano Hardware Abstract Layer)계층에서 센서노드의 하드웨어(LED, CLOCK, RFM, UART, ADC 등)를 컴포넌트별로 추상화시켜 상위 기능 모듈들이 쉽게 하드웨어 컴포턴트들을 제어할 수 있도록 함 OS의 주요 기능을 모듈단위로 구현하여 전체 시스템을 구성하는 단계에서 추가/삭제가 가능하도록 함

13. 적용시장 국내외 시장 국내외 동향 RFID/UWB 전망

14. 적용 시장 1/2 • 세계시장 • RFID • 2005년 30억 달러 에서 2010년 100억 달러로 성장 • UWB • 2003년 1억 8,800만 달러에서 2007년 13억 8,500만 달러로 급격히 성장 • 국내시장 (세계시장의 약 5%) • RFID • 2003년 660억 원 에서 2007년 3,180억 원으로 성장 • UWB • 2003년 100억 원 에서 2007년 700억원 규모로 급성장

15. 적용 시장 2/2 • RFID 및 UWB의 국내외 시장 규모 전망 • UWB는 홈네트워크의 핵심 기술로 시장의 급격한 성장 예상 자료: IDTechEx 2005

16. 시장 동향-해외 동향 미국, 유럽, 일본을 중심으로 민간, 공공 및 학계에서 다양한 USN관련 시범사업을 진행 중이며, 일부 상용화 단계에 접근한 서비스가 개발 및 운영 중 미국 국방성의 Smart Dust, CENS의 오염물질 전파 모니터링 등 국방, 과학, 환경 분야의 실시간 센싱이 필요한 영역에서 USN을 이용한 다양한 서비스 연구가 진행 중 일본은 총무성을 주축으로 의료, 건강, 방범, 보안, 방재, 교육, 시설제어, 농산물 등의 각종 생산과정, 환경문제 등 사회의 안전, 생활의 쾌적성, 여유로움, 생산/업무의 효율화 등에 대한 응용서비스를 추진 EU에서는 프레임 워크(FP)프로그램에 입각하여 ‘사라지는 컴퓨팅 계획’사업을 중심으로 16개 연구 프로젝트를 진행하여 RFID/USN 기술 개발과 보급에 박차를 가하고 있음

17. U-City 서비스 사례 유럽연합은 2008년까지 지식기반 사회 구현의 일환으로 IT기반의 지능형 도시인’Intelcities’ 프로젝트를 활발히 추진 중 말레이시아는 약 17억 달러를 투입해IT 거점도시인 ‘MSC(Multimedia Super Corridor)’ 건설에 박차를가함으로써 2020년까지 IT 선진국진입을 완료하는 ‘vision 2020’ 프로젝트를 적극 추진 중 일본의 오카야마시, 인도의 뱅갈시는광대역 정보통신 인프라 제공을 통한고도의 정보서비스 제공을 위해 노력하고있고 싱가포르의 ‘One-North’, 덴마크코펜하겐의 ‘Corssroads’. 필란드 헬싱키의‘arabianranta’, 미국 샌프란시스코의‘Mission Bay’ 등도 도시 주민들에게 첨단 IT 서비스제공을 위한 신도시 건설을 위해 다양한 시도를 추진 중

18. 필란드 헬싱키아라비안란타 버추얼빌리지(Arabianranta verkkolehti) 2010년까지 IT,디자인,문화도시의 완성을 목표 1Gbps의 백본망과 더불어 아라비안센터나 비즈니스파크 등의 업무 및 상업시설에 WLAN, 공동주택엔 광케이블, VoIP전화서비스 제공 인터넷, VoIP 전화, TV네트워크는 LAN&WAN Service Center에 의해 운영 Helsinki Virtual Village라는 포털이 운영, 지도정보, 버스정류장 및 시간표, 회사 접촉 정보, 주택건설 정보, 온라인 잡지 등의 공공 서비스가 제공됨 개인회원: 개인, 비즈니스 카드, 구인구직정보, 토론방 서비스 아라비안란타 거주자: 아파트 회사의 멥버십, 엑스트라넷, 동호회, 공동시설 예약, 회사에는 인터넷 홈페이지 작성 및 운영, 기술적 솔루션, 네트워크 서비스가 제공됨 특히, 거주자 중 선정된 eHouse-매니저가 정보 업그레이드, 토론방 관리 등 주거단지의 웹사이트를 운영함 http://www.helsinkivirtualvillage.fi/

19. 말레이시아의 MSC(Multimedia Super Corridor) 국가 전역에 초고속정보통신망을 구축하여 사람, 자연, 기술이 조화되는 도시를 개발하는 것이 목표, 1996년부터 정부 주도하에 15km x 50km 규모로 시작됨 실리콘밸리와 같은 첨단 정보산업단지를 2020년까지 완공하는 것을 목표로 업무, 주거, 교육, 문화를 종합하여 친환경적으로 개발되고 있음 MSC는 크게 쿠알라룸푸르 국제공항(KLIA), 기술공원, 정보산업단지인 사이버자야(CyberJaya)등으로 구성되어 있음 사이버자야는 MSC의 핵심지역으로 17,297에이커에 IT업체의 업무시설을 중심으로, 상업, 주거시설 및 멀티미디어대학 등 교육시설이 있으며, 도시 관제센터(Cyberjaya City Command Center)에서 모니터링과 도시 관리를 하고 있다. 10Gbps급 네트워크가 구축되며, 전자정부, 스마크카드, 원격의료 등이 구현됨

20. 홍콩의 사이버포트(Cyberport) 홍콩은 디지털미디어산업의 유치를 목표로 정부가 주도하는 ‘사이버포트(Cyber Port)’건설을 추진 중 7만평 규모로 130억 홍콩달러를 유치해 조성되는 사이버포트는 지난 2002년부터 시작돼 올해 말 완공됨 디지털 미디어센터, 홍콩 무선 IT센터(HKWDC), i-자원센터, 전시 및 홍보시설 등 초고속통신망 기반의 인텔리전트 오피스 구현이 개발의 핵심

21. USN 서비스 사례 미국 로체스터 대학의 스마트 의료 홈(Smart Medical Home) 프로젝트 다섯 개의 방으로 구성 적외선 센서, 컴퓨터, 바이오 센서, 비디오 카메라 등으로 구성됨 스마트 거울: 피부의 변화는 물론 암 발병의 가능성까지 체크 개인의료 상담 서비스(PMA, Personal Medical Advisor): 자연스러운 대화를수행하는 인터페이스 제공 스마트 밴드: 상처의 치유 상태를 지속적으로 체크함 곳곳에 설치된 센서로부터 수집된 정보는 개인의 의료 상담 시스템에 전달되어 의사에게 전송되며 개인은 데이터 전송을 통제할 수 있음

22. 일본 마쓰시다 전기의 산업용 공장의 모니터링 MERL(MITSIBISHI Electric Research LAB)에서 산업 공장에 대한 모니터링 (IPM: Industrial plant monitoring)을 위한 응용 프로그램을 개발하기 위한 프로파일과 ZigBee 및 센서 기술 기반의 모니터링 시스템의 프로토타입을 개발하고 있음 필요한 기술: 센서에 의해 얻어진 정보를 전달하기 위한 즉, 데이터를 전송할 때 단편화하고 수신 측에서 재조립하는 과정에 대한 프로토콜이 필요함 가장 큰 고려사항: 여러 다른 벤더들 사이에서 호환되는 프로파일을 만드는 것

23. 일본 마쓰시다 전기산업의 건강화장실 변기에 앉으면 체중, 체지방, 당뇨수치를 자동으로 측정 매일의 건강상태를 확인한다. 네트워크를 경유해 홈 서버는 물론 건강상태 등에 대해 필요한 조언이나 조치를 취하는 조력기관과 연결됨

24. 시장 동향-국내 동향 국내의 USN 서비스는 현재까지 RFID를 중심으로 이루어지고 있어 USN 응용서비스는 개념 기획 단계임 NCA를 중심으로 ETRI, KETI 등 일부 연구소 및 대학 등에서 USN을 이용한 응용서비스를 연구하고 있으나, 실용화 단계까지는 관련 기술 및 서비스에 대한 연구가 더 필요한 상황 최근 정통부를 중심으로 u-Korea 구축계획, u-City 구축계획 등 USN 기술을 활용한 국가적인 서비스에 대한 체계적인 전략이 수립 중에 있음

25. 시장 동향-국내 u-City 진행 현황 1

26. 시장 동향-국내 u-City 진행 현황 2 서울은 2015년까지 8천여 억원을 투입해 U-서울 마스터플랜을 추진중 유비쿼터스 기반의 국제 비지니스 도시 건설을 위해 서울시는 복지와 문화·환경·교통·산업·행정 및 도시관리 등 6대 분야별 목표를 설정하고, 24개 뉴타운을 개발함한다. 1단계 선도사업으로 추진되는 은평 뉴타운은 통합관제센터(동사무소)와 원격영상진료서비스(보건소) 등을 제공하는데 주안점을 둠 부산은 2012년까지 1조원을 투입해 동북아 물류허브도시를 위한 ‘흐름과 연결의 유비쿼터스 게이트웨이’를 건설 중 민간기업과 공동으로 추진하는 이 사업은 U-포트(항만), U-트래픽(교통환경), U-관광·컨벤션, U-헬스 등 4개 분야 39개 전략사업을 채택해 인프라와 서비스 구축을 진행 중 인천경제자유구역은 2014년까지 6조 3천 억원을 투입해 동북아 국제 비지니스 중심도시 건설을 목표로 비즈니스 중심의 송도, 물류산업 클러스터인 영종지구, 관광산업 클러스터 청라 지구를 개발하고 있음 대전시는 대덕 연구개발특구의 기존 연구개발(R&D) 인프라를 바탕으로 '시민 만족형 U-웰빙 도시 건설'을 목표로 U-스마트 타운, U-트래픽, U-R&D 클러스터, U-웰빙 도시 건설 등 4개 분야를 중점적으로 추친함. U-시범단지로 국내 최대 규모의 도심형 복합 타운인 ‘은행동 퓨처렉스’를 건설 중

27. USN기반의 불국사 문화재 관리시스템

28. 설치장비

29. 센서노드

30. 베이스스테이션 및 네트워크카메라

31. 운영화면

32. 시장 동향 1/2- RFID 시스템과 RFID 시스템과 Smart Tag ISO산하 IEC JTC1/SC31/WG4 에서 표준(안) 개발, 운용, 관리 단말기 측: 반도체 칩을 이용한 RF Tag (Transponder Chip + Antenna) 기술에 의존 Low-end 시장 바코드를 대체할 수 있는 단가 10원 대의 초저가격 무 칩(Chipless)의 스마트 라벨까지 등장할 전망 High-end 시장(비교적 고가의 의료, 군수용) 다양한 종류의 센서 네트워크와 Smart Tag 기술의 결합 예) 태양전지, 통신모듈, 광센서를 4.8mm2크기로 집적한 Smart Dust Low price, Battery less => 고용량의 MLCC(Multi-Layer Ceramic Condenser)를 사용 M/W 에너지로부터 전원 생성

33. 시장 동향 2/2-UWB로의 확장 • UWB의 확장 • 개인거리 10m이내의 공간에서 Bluetooth를 제치고 UWB로 통일 된다면 • 무선 PAN(Personal Area Network), BPN(Body Area Network)내에서 동작하는 스마트 라벨은 인체를 포함한 모든 사물에 내장되거나 부착될 수도 있음

34. 응용과 매체 • 최상위 사용자 레벨에서 • 생활 서비스 • 시스템 구성 • 전파 UWB 매체 • 요구사항을 분석 u-sensor SoC의 개발 방향 제시

35. 응용과 매체-생활 서비스 • ‘Smart Its Project’ • 일상 사물에 소형 내장형 디바이스인 ‘Smart-Its’을 삽입감지, 인식, 컴퓨팅, 통신 서비스 수행 • 사업성이 있는가? • 가정(개인) 생활 사용자의 요구 콘텐츠, 부착의 편의성, 기기별 요구 품질을 만족해야 함

36. 응용과 매체-생활 서비스 유비쿼터스 센서 네트워크에 대한 사용자 요구 서비스 고려사항 상태변수, Sensing 대상, 부착/삽입 여부, 기능성 소프트웨어, 전기전자회로, 인터넷접속포트, 기준클록, 전원공급 특히 Sensor노드 SoC단말은 저전력소비

37. 응용과 매체-USN 관련 기술 USN 장치 관리 기술 RFID리더, 싱크노드, USN게이트웨어 등의 분산된 네트워크 자원들을 연결하기 위한 통합 인터페이스 제공, 원격으로 자원들을 모니터링하고 센서장치를 설정 제어하는 기술 센서 데이터 관리 기술 싱크노드 및 RFID리더로부터 제공되는 대용량의 실시간 데이터를 수집, 가공하여 DB에 저장하고 질의 처리 및 정보 분석을 수행하는 기술 상황 인식 기술 센서 데이터로부터 실시간 상황정보를 마이닝하여 응용서비스에 전달하고 지능적으로 상황을 판단하여 자율적 의사 결정 및 서비스 실행이 가능한 에이전트 기능을 제공하는 기술 U-web 서비스 기술 다양한 단말기와 시스템이 네트워크에 구애 받지 않고 원하는 서비스를 이용할 수 있게 해주는 기술, XML표준 사용 이기종 분산 웹 환경 지원 표준화된 컴포넌트를 개발하는 기술

38. 응용과 매체-USN 관련 기술-공통 USN 네트워크 관리 망사업자의 네트워크 관리 방식과 연계하여 USN 네트워크 및 서비스 인프라에 대한 통합적 관리 방식 개발 USN 상황인지 정보 검색 센서 네트워크 정보 및 센싱 정보 등 USN 정보를 검색 활용하기 위한 상황인지 검색서비스 기술 개발 USN 네트워크 보안 사물이 전자거래 주체로 새로이 등장하는 USN환경에 적합한 디지털 인증/증명 인프라 확충 및 경량 객체보안 기술 개발 USN 센서 및 노드 보안 보안 위협 요소에 효율적으로 대처하기 위한 센서 및 노드 핵심 정보보호 기술 개발

39. 응용과 매체-시스템 구성1 U-센서 Tag의 유형과 Soc화 될 내부 구성 요소 Sensor Array ADC MCU IPv6 MAC USB# 유선 인터넷 접속이 가능한 유비쿼터스 센서 Tag Sensor Array ADC MCU IPv6 MAC UWB 무선 인터넷 접속이 가능한 유비쿼터스 센서 Tag Sensors ADC MCU DisplayDriver Display 인터넷 접속이 불필요한 유비쿼터스 센서 Tag

40. 응용과 매체-시스템 구성2 • 단일 칩 구성 • 유무선 접속에 불편이 없는 • 작은 크기, 유연한 필름 같은 스마트 태그 구현 Sensor Array Analog-Digital Converter Micro Computer Unit IPv6 Media Access Controller

41. 응용과 매체-전파 UWB 매체 SoC설계자는 개별 센서들의 아날로그, 디지털 센서의 개별적인 인터페이스 규격을 데이터 쉬트를 통해 이해한 다음, 그 센서들이 있어야 하는 장소 위치 모양을 간파하여 그게 적합한 집적화를 시도해야 함 예) 가전제어용 센서 가전기기마다 IPv6 접속포트를 가지게 되거나 가전기기의 새로운 제품 모델마다 기존의 내부 MCU기능에 IPv6 MAC의 확장 기능을 부가할 것이므로 센서집적화로부터 분뢰되어야 한다. 무선 인터넷 접속이 가능하려면, 유비쿼터스 센서 Tag의 포트가 스마트 홈 서버의 액세스 포인트 또는 휴대폰에 직접 접속되도록 전판 매체는 UWB(또는 Bluetooth)방식의 BRF(Baseband + RF) 일체형 칩이 되어야 함 칩에는 Bluetooth Dongle처럼 UWB Dongle하나에 안테나와 RF송수신기가 910~914MHz의 M/W특성을 반영하여 SoC로서 서례제작이 필요

42. 기술 Road Map 출처: 공공부문 USN 도입 방안에 관한 연구 2006.12 한국정보사회진흥원