[첨단 헬로티]

최근 학생들의 등하교 시에 안심 안전을 보장하기 위한 보호장치나 치매 등으로 배회하는 고령의 행방불명자를 위한 보호/수색장치에 대한 사회적 요구가 높아지고 있다. GPS 기능이 있는 휴대단말을 가지고 다니는 방식도 제공되고 있는데, 며칠마다 충전해야 하는 번거로움과 휴대단말이라도 GPS 위치 계측 정확도의 과제 등이 있어 보급에는 이르지 못했다.

우리는 소형 경량(5g 정도)이며 버튼 전지로 1년 이상 동작하는 BLE 비콘을 사용하고, 또한 서버와의 통신에 있어서는 LPWA 통신을 이용한 보호 시스템 ‘지킴이 플러스’에 대해 연구 개발과 사회실험을 했다. 

특히 BLE 비콘을 몸에 붙여서 사용할 때, (1) BLE 비콘의 안테나 입력 임피던스와 전송 회로의 임피던스가 불일치하기 때문에 본래 전송 전력의 3분의 1 정도밖에 방출되지 않는 것, (2) 인체 측으로 방사되는 전파는 인체에 흡수되어 버리므로 쓸데없는 전력이 되는 것 등의 과제를 해결하기 위해 임피던스 정합을 취하고, 또한 인체 전방으로 지향성을 갖는 안테나를 새롭게 설계 제작해 이러한 과제 해결을 도모했다.

또한, 보호 대상이 되는 BLE 비콘 신호를 수신하기 위해서는 스마트폰에 특정 앱을 인스톨해 둠으로써 수신하고 서버로 전송할 수 있는데, 앱이 인스톨된 스마트폰에만 의존하면 꾸준하게 보호 대상이 되는 BLE 비콘 신호를 수신하는 것은 곤란하다. 

그래서 보호 대상 지역 전체에 BLE 비콘 신호를 수신할 수 있는 고정형 수신기를 설치해 두는 것이 바람직하다. 고정형 수신기는 보호 대상이 되는 BLE 비콘 신호를 수신, 수신 정보를 서버로 전송하는 기능을 갖고 있는 것이 필요하다.

그래서 우리는 최근 IoT 시대의 통신 수단으로서 주목받고 있는 LPWA(Low Power Wide Area) 통신, 특히 보급이 전망되는 LoRa 통신을 이용해 고정형 수신기에서 일단 근처의 통합국에 BLE 비콘 신호의 수신 정보를 전송하고, 통합국에서 서버에 수신 정보를 전송하는 방법을 채용하기로 했다. 일반적으로 수신 정보를 서버로 전송하는 방법으로서는 휴대전화 통신망을 이용하게 되는데, 모든 고정형 수신기에서 휴대전화 통신망을 이용하게 되면 월정액 통신비가 큰 부담이 된다. 통합국에는 이미 인터넷 회선이 부설되어 있다고 생각되기 때문에 통합국에서 서버로 전송하는 통신비용은 새롭게 발생하는 것은 아니다. 따라서 LPWA(LoRa) 통신을 이용함으로써 대폭적인 운영 코스트의 절감을 도모할 수 있다.

이 글에서는 개량형 BLE 비콘과 LPWA(LoRa) 통신을 이용한 보호 시스템 ‘지킴이 플러스’에 대해 소개한다. 

BLE 안테나 특성을 고도화해, BLE 비콘의 통신 거리를 늘리는 기술 개발

1. 개량형 BLE 비콘 Type A 

BLE 비콘 안테나 입력 임피던스 및 전송 회로의 임피던스 정합을 취하고, 인체 전방으로 지향성을 갖는 안테나를 새롭게 설계 제작했다. 그림 1에 설계한 BLE 안테나의 구조를 나타냈다. 이 안테나는 기존의 2.4GHz용 전송 다이버어시티 안테나를 기초로 설계했다. 이 안테나는 역 F 구조로 되어 있으며, 인체 표면에 설치될 때에 입력 임피던스가 회로 임피던스와 일치하도록 전자계 시뮬레이션을 통해 각 부분의 치수가 조정되고 있다. 

여기에서는 BLE 안테나는 목에 매달아 인체 흉부에서 사용되는 것을 가정하고 있다. 이때에 안테나와 인체의 간격이 인체의 움직임에 따라 변화하면 안테나 측에서 본 부하가 변동하고, 즉 안테나 입력 임피던스가 변화해 임피던스의 정합이 불안정해진다. 이 격리판을 덧붙임으로써 안테나 측에서 본 부하가 안정되고, 인체와의 간격 변동에 따른 임피던스 부정합이 경감된다. 또한, 이 격리판 자체도 전송 신호가 인체에 입사되는 것을 막고, 외부로 반사하는 역할을 일부 하고 있다. 또한, 이 안테나를 BLE 안테나 Type A라고 부른다.

2. 개량형 BLE 비콘 Type B

이 Type A의 격리판(안테나면에 상대하는 기판) 안쪽 측에 버튼 전지(CR2032)를 설치한다. 그러기 위해 BLE 모듈에 실장할 때에는 안테나 전체의 두께는 11mm가 된다. 한편 버튼 전지의 직경은 20mm로 되어 있으며, 안테나에 대해 충분한 크기를 갖기 때문에 이 버튼 전지에 격리판으로서의 역할을 부여할 수 있으면 안테나 전체를 박형으로 할 수 있는 가능성이 있다. 이것을 고려해 새롭게 설계한 평면 BLE 안테나를 그림 2에 나타냈다.

그림 2와 같이 비콘의 전체 두께는 6mm가 되고, BLE 비콘 Type A의 두께 11mm에 비해 약 절반의 두께로 억제할 수 있었다. 이 비콘을 개량형 BLE 비콘 Type B라고 부른다.

3. 전파 암실 내의 특성 평가

개량형 BLE 비콘 Type A, Type B의 통신 특성 향상에 대해 실험적 평가를 했다. 비교를 위해 현재 시판되고 있는 기존의 BLE 비콘과 비교도 했다. 시판 비콘의 안테나는 1/4 파장 모노폴 안테나로 되어 있으며, 전송 칩에 들어가도록 접는 구조로 되어 있다. 그림 3에 제작한 설계 안테나를 실장한 BLE 비콘 Type A, Type B와 시판 BLE 비콘을 각각 나타냈다.

이들 3가지 BLE 비콘은 동일한 BLE 칩을 탑재하고 있으며, 그 전송 전력은 0dBm이다. 또한, 전원으로서는 버튼 전지(CR2032)를 이용하고 있다. 이 3가지 BLE 비콘에 대해 안테나 지향성, 거리 특성을 측정해 비교를 했다.

먼저 안테나의 지향성에 대해 전파 암실 내에서 특성 평가를 했다. 이 측정에서는 실제 사용을 가정해, 피험자의 흉부에 BLE 비콘을 배치하고 있다. BLE 비콘에서 2m 떨어진 위치에 수신 안테나로서 다이폴 안테나를 배치, RSSI의 지향성을 스펙트럼 애널라이저를 이용해 측정을 했다. 그림 4에 지향성의 측정 결과를 나타냈다.

BLE 비콘과 수신 안테나가 정면으로 마주한 상태를 0°으로 하고 22.5°씩 각도를 변화시켜 수신 전력을 측정했다. BLE는 그 규격 대역 내에서 주파수를 호핑해 신호를 전송하는 것으로 규정되어 있다. 그렇기 때문에 2분 동안의 BLE 대역 내에서 관측된 최대의 수신 전력을 그 각도의 수신 전력으로 했다.

그림 4에서 모든 모듈이 인체 전방에 대해 신호가 방사되고 있는데, 시판 모듈을 이용한 경우에는 수신 전력이 최대라도 –57dBm인 것에 대해, 이번에 제작한 개량형 비콘에서는 최대 –42dBm의 측정 결과를 얻을 수 있어 15dB 이상의 안테나 이득의 개선 효과를 얻을 수 있었다. 앞에서 말했듯이 이러한 모듈은 동일한 전송 칩을 이용하고 있기 때문에 안테나만으로 개선됐다고 할 수 있다. 덧붙여서 인체 전방 방향으로 안테나 이득이 10dB 개선되면, 전자계 계산에 의해 통신 거리가 3배 늘어나게 된다.

또한, BLE 모듈 Type B의 최대 방사 이득은 -43dBm로, 최대 방사 이득 -42dBm인 BLE 모듈 Type A와의 차이는 거의 없다. 따라서 Type B는 Type A에 대해 절반의 두께로 동등한 성능을 갖는 것을 알 수 있었다.

4. 실외의 특성 평가

2018년 1월 21일, 한 학생에게 고정형 수신기 ID2, 3, 6의 근처를 차례로 천천히 고정형 수신기와의 거리를 확인하면서 걷게 했다. 이때의 BLE 비콘 Type B와 시판 비콘의 RSSI 값과 검지 횟수를 그림 5, 6에 나타냈다. 덧붙여서 Type A, Type B 모두 기술 적합 심사를 받았으며, 실외 사용 허가를 얻었다.

그림 5의 RSSI 값 측정 결과, 그림 6의 검지 횟수 측정 결과에서 시판 비콘에 대해 개선형 BLE 비콘 Type B의 특성은 우위를 나타내고 있다. 특히 그림 6의 검지 횟수는 거리 15m 이상에서는 양자의 차이가 분명하다. 시판 모듈은 20m 이상의 거리에서는 25m에서 8회,  35m에서 7회, 40m 이상에서는 0회의 검지 횟수로 되어 있는데, 모듈 Type B는 거리 65m까지 검지할 수 있었다.

LPWA(LoRa) 통신과 사회실험

우리는 LPWA(Low Power Wide Area) 통신, 특히 가장 보급될 것으로 전망되는 LoRa 통신을 사용해 고정형 수신기에서 일단 근처의 통합국에 BLE 비콘 신호의 수신 정보를 전송하고, 통합국에서 서버에 수신 정보를 전송하는 방법을 채용하기로 했다. LPWA는 그림 7에 나타냈듯이 저소비전력으로 넓은 영역을 대상으로 할 수 있는 무선통신 기술인데, 100bps에서 몇 십 kbps 정도로 데이터 통신 속도는 빠르지 않다. 

무선 LAN(Wi-Fi)의 데이터 전송 속도는 최대 약 54Mbps로 고속의 통신이 가능한데, 통신 거리는 100m 정도, Bluetooth의 데이터 통신 속도는 최대 24Mbps이고 통신 거리는 10～100m 정도이다.

여기에서는 LPWA 중에서도 특히 보급될 것으로 전망되는 LoRa 통신을 이용해 고정형 수신기에서 일단 근처의 통합국에 BLE 비콘 신호의 수신 정보를 전송하고, 통합국에서 서버에 수신 정보를 전송하는 방법을 채용하기로 했다.

1. 지킴이 플러스 사회실험 시스템 개요 

국립대학법인 나고야공업대학과 주부전력주식회사는 2017년 12월부터 2018년 2월까지 오부시 쿄와니시자치구 지구 내에서 전주를 활용한 치매 노령자 배회 보호 시스템 ‘지킴이 플러스’의 실증실험을 했다.

이 실증실험에서는 전주에 설치한 고정형 수신기나 앱을 인스톨한 스마트폰(iPhone)이 협력자(대상자)의 몸에 붙인 ‘지킴이 플러스’(BLE 비콘)의 신호를 검지한다. 고정형 수신기는 그 검지 정보를 LoRa 통신을 통해 기지국에 보내고, 서버 측에 축적한다. 보호자는 스마트폰이나 퍼스널컴퓨터로 협력자(대상자)의 위치 정보를 확인할 수 있다. 

이 실증실험 시스템 개요도를 그림 7에 나타냈다. 다음의 순서로 ‘지킴이 플러스’에 넣은 BLE 비콘 신호가 서버에 축적된다.

① BLE 비콘에서 개별 ID 정보를 포함한 비콘 신호가 발신된다. 

② 개별 ID 정보를 포함한 비콘 신호를 전주에 설치된 고정형 수신기 내의 BLE 수신기로 수신 받는다. (BLE 통신) 

③ 30초 내에 수신된 개별 ID 정보의 수신 횟수, 평균 RRSI 값을 LoRa 자기에서 발신한다. (LoRa 통신)

④ 30초 내에 수신된 개별 ID 정보의 수신 횟수, 평균 RRSI 값을 LoRa 친기에서 수신한다. (LoRa 통신) 

⑤ 30초 내에 수신된 개별 ID 정보의 수신 횟수, 평균 RRSI 값을 LoRa 게이트웨이에서 클라우드 서버로 전송한다. (Ethernet 통신)

2. 사회실험 기간 중의 LoRa 통신 상황

그림 8에 LoRa 통신 통합국 위치와 25대의 고정형 수신기(LoRa 통신 단말)의 전주 설치 위치를 나타냈다. 이번 실증실험에서는 LoRa 통신 통합국에서 가장 먼 고정형 수신기(LoRa 통신 단말)는 ID25의 고정형 수신기, 거리는 662.93m였다.

실증 기간 동안 매일 지역주민의 행동에 기초하는 비콘 신호의 검지가 서버에 기록되어 있으며, 이것으로부터 시스템은 실증 기간 동안 순조롭게 가동하고 있었다는 것을 알 수 있다. 

또한, 고정형 수신기로부터는 1시간에 1회, ALIVE 신호가 서버로 전송되기로 되어 있는데, 실증 기간 동안 25대의 고정형 수신기에서 ALIVE 신호는 끊임없이 계속 전송되고 있으며, 25대의 고정형 수신기는 3개월간의 실증 기간 동안 정상으로 동작하고 있는 것을 확인할 수 있었다.

3. 이동경로 추정

서버에는 지역주민 협력자가 가지고 있는 BLE 비콘 신호를 수신한 고정형 수신기 ID, BLE 비콘 번호, 수신 시간, 30초간의 평균 RSSI 값, 30초간의 수신 횟수가 기록되어 있다. 이들 기록으로부터 지역주민 협력자의 이동경로를 추정, 지도상에 표시하는 소프트웨어를 개발했다. 

지킴이 플러스 서버에 기록되는 고정형 수신기 ID로부터, 그 고정형 수신기의 위도·경도를 알 수 있다. 시간적인 순서로 이러한 고정형 수신기의 위도·경도를 따라가면 대략적인 이동경로는 추정할 수 있다. 그러나 고정형 수신기의 위도·경도를 연결하는 것만으로는 단순한 꺾임선 경로가 되어 버려 부자연스럽다.

그래서 ‘전파 강도가 최대가 된 시간에 고정형 수신기를 통과했다’는 가정을 두고, Google Maps API의 경로 탐색 기능을 이용해 이동경로 가시화 도구를 개발했다. 

여기에서는 대상의 BLE 비콘 번호로서 가장 수신 기록 수가 많은 ‘나고야공업대학(27)’을 선택, 검색 기간으로서 ‘2017년 12월 26일 0시 0분부터 23시 55분까지’를 지정한다. 그리고 ‘전송’ 버튼을 누르면, 그림 9에 나타낸 이동경로 추정 결과가 표시된다. 

이와 같이 서버에 기록된 지역주민 협력자의 이동 기록으로부터 지역주민 협력자의 이동경로를 추정해 표시할 수 있다.

AI에 의한 행동 분석

사회실험 중 학생에 의한 모의 배회 행동에 의해 획득된 이동 기록을 해석, 치매 증상으로 볼 수 있는 행동 특징의 검출을 시도했다. 초기 치매 혹은 치매의 조기 발견을 위해서는 전문적인 지식과 경험, 그리고 고도의 기기가 기존에는 필요했다. 그러나 이번 연구에서는 최근 인공지능 분야에서 주목받는 기계학습 방법을 이용해 비콘에 의해 기록된 경로 데이터에 기초하는 치매의 식별을 시도했다. 

모의 배회 행동의 데이터는 그림 10에 나타낸 ‘반복 경로’, ‘랜덤 경로’, ‘보통 경로’의 3가지 경로를 준비했다.

최근의 기계학습 방법에서 학습에 이용하는 데이터량은 그 획득된 모델의 성능을 결정하는 중요한 요인이다. 그렇기 때문에 데이터량의 증폭은 반드시 필요한 과정이다. 이번 연구에서는 ‘반복 경로’, ‘랜덤 경로’, 그리고 ‘보통 경로’의 3가지 경로 특성을 유지하면서 데이터량을 약 400에서 증폭했다. 그 결과 보통 경로의 데이터 수는 14341, 반복 경로는 11264, 랜덤 경로가 12297가 되어, 총 데이터 수는 37902로 증가했다. 이번 연구에서 구축한 경로 데이터에서 그 행동 특성을 식별하는 CNN(Convolutional Neural Network)을 그림 11에 나타낸다.

 

그림 12에 나타냈듯이 앞에서 말한 데이터 세트에 대해, 학습 시행 1회째의 종료 시에 매우 높은 식별률을 모델은 나타냈다. 또한 그 후에 계속된 학습에서도 동등한 수준의 식별률을 유지하고 있으며, 높은 정도의 식별 능력을 모델이 획득했을 가능성이 보였다. 또한 손실함수의 값은 학습과 함께 큰 상승을 보이지 않았다. 이것은 제안하는 CNN의 학습 과정에서 과학습이 발생하지 않은 것을 의미한다.

맺음말

이상, 근거리 통신 센서의 수신 거리 확장과 위치 정보 추측 기술의 실현에 의한 스마트폰을 활용한 치매 고령자 보호기구에 대해 많은 연구 성과를 얻었다. 앞으로는 이 방식을 개량해서 실용화를 목표로 노력할 계획이다.

岩田 彰·王 建青·白松 俊·須藤 正時·クグレ マウリシオ, 나고야공업대학

我妻 伸彦, 도쿄전기대학 이공학부