Ubiquitous Networks RFID & USN -

Presentation on theme: "Ubiquitous Networks RFID & USN -"— Presentation transcript:

1 Ubiquitous Networks - 5 - RFID & USN -
Laboratory of Intelligent Networks Youn-Hee Han 한국기술교육대학교

2 RFID (Ch.12)

3 1. RFID의 개념과 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

4 1. RFID의 개념과 특성 RFID 시스템 구성 요소 RFID 태그: 데이터를 저장할 수 있으며 사물에 부착됨
안테나: 정의된 주파수와 프로토콜로 태그에 저장된 데이터 교환 RFID 서버: 리더에서 수신된 사물에 대한 정보를 활용하여 응용 처리를 수행

5 1. RFID의 개념과 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

6 1. RFID의 개념과 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

7 1. RFID의 개념과 특성 RFID 태그의 분류 RFID 기술의 대중화 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

8 1. RFID의 개념과 특성 바코드와 RFID의 비교

9 1. RFID의 개념과 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

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

11 1. RFID의 개념과 특성 RFID 분류 및 특징 (2/2)

12 1. RFID의 개념과 특성 RFID 분류 및 특징 (2/2)

13 1. RFID의 개념과 특성 무선 통신 접속 기술에 따른 RFID의 분류 상호유도(Inductively Coupled) 방식
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

14 1. RFID의 개념과 특성 주파수에 따른 RFID의 분류
1. RFID의 개념과 특성 대한민국 하이패스(Highpass) : RFID 방식(5.8GHz) 주파수에 따른 RFID의 분류 가장 널리 사용

15 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

16 3. RFID 응용 방법 RFID 응용 방법 분류

17 3. RFID 응용 방법 정보 흐름_태그-태그 사이의 정보 흐름 정보유지형 정보확산형 정보수렴형 정보혼합형
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 과정에 여러 개의 태그 정보가 하나의 태그에 집적되는 경우 예) 조립 PC 정보혼합형 정보의 확산과 수렴이 복합되는 경우

18 3. RFID 응용 방법 정보 흐름_태그-리더 사이의 정보 흐름 1:1 정보처리형 n:1 정보처리형 1:n 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

19 3. RFID 응용 방법 장치이동성 태그고정-리더이동형 태그이동-리더고정형 태그이동-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

20 USN (Ch.13)

21 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 자기 센서 용도 – 방향 감지

22 2. 센서의 개념 및 특징 센서의 구비 조건 센싱 기능의 고도화 초소형화 센서 노드 수명 최대화를 위한 저전력
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

23 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

24 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

25 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조

26 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.

27 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 센서 네트워크 구성 요소 싱크 노드의 역할을 게이트웨이가 수행할 수도 있음
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

28 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조

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

30 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 수행하고 어떤 센서는 Sleep 모드로 들어감

31 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 센서 네트워크 프로토콜 아키텍처 [물리/데이터 링크 계층 기술 후보] 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 을 기반으로 한 Zigbee와 6LowPAN 기술이 주력 (주파수 대역: 915MHz 및 2.4GHz ISM) 2) WLAN (IEEE ), UWB (IEEE ) 기술 활용도 가능

32 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 [Zigbee 네트워크 프로토콜]
전력 소모를 최대한 줄인 IEEE WPAN(Wireless Personal Area Network) 물리 계층과 MAC 계층 규격 송수신이 필요한 경우에만 수면 모드에 있는 노드들을 활동 상태로 변경

33 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 기술비교표

34 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

35 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조

36 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

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

38 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.

39 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

40 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

41 5. 유비쿼터스 센서 네트워크의 미들웨어 다양한 질의 유형 지원

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

43 6. RFID/USN 응용 분야

44 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

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

46 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

47 6. RFID/USN 응용 분야 사회 안전 행정 서비스
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

48 6. RFID/USN 응용 분야 경제산업 분야 생산/제조 물류/유통 교통/운수
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

49 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

50 6. RFID/USN 응용 분야 생활복지 분야 생활/문화/교육 관광/레저 환경
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 제공하거나 지불수단으로도 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

51 6. RFID/USN 응용 분야 해양환경 정보 수집 시스템

52 6. RFID/USN 응용 분야 의료/복지 운동 건강 관리
운동하는 사람의 맥박과 호흡을 몸에 부착된 센서로 관찰하고, 운동 후에 관찰 정보가 컴퓨터에 보내짐 가정용 건강 관리 가정에서 비만인 사람이 체중 관리를 해야 하는 경우 개인의 체중 정보가 컴퓨터에 보내지고, 당뇨병이 있는 사람의 경우는 그날의 혈당량 및 영향 섭취에 정보가 무선으로 컴퓨터에 보내짐 제약 분야 RFID 태그를 이용하여 약품용기에 처방 정보, 투약 방법, 경고 등을 넣은 태그를 부착하여 약품의 유통 관리 등에 응용 병원 주변 약국들은 RFID 카드를 통하여 병원의 전자 처방전을 입수하여 조제에 활용 가능