오픈소스 기반 실시간 실내 위치 측정 시스템

오늘은 오픈소스 기반 실시간 실내 측위 시스템(RTLS. Real time Location System)을 간략히 소개해 보도록 하겠습니다. 앞으로 측위 정보는 IoT(Internet of Things. 사물인터넷) 데이터를 사용하는 서비스 등에 필수적인 요소가 될 것입니다.

1.  개요
RTLS의 가장 보편적 인 예는 GPS입니다. GPS는 실내에서 위성 신호를 수신할 수 없으므로, 작동하지 않습니다. 이 경우, GPS가 제공하는 모든 추적 및 위치 기능이 갑자기 사라집니다. 창고 자재 관리, 공장 자동화, 건축물 실내 위치 기반 서비스, 건설 터널 시공 관리 등 광범위한 산업 분야에서 정확한 위치 정보를 사용하면, 많은 경우 해당 비즈니스를 변화 시키거나 비용을 크게 개선 할 수 있습니다. 이런 이유로, 실내 측위 기술의 필요성이 높아지고 있습니다.

2. OpenRTLS
OpenRTLS는 말 그대로, 오픈소스 기반으로 개발된 실시간으로 현재 위치를 측정하는 시스템입니다. 누구나 소스를 변경할 수 있고, 라이센스 사용료도 무료입니다.ㅎ

OpenRTLS

OpenRTLS 클라이언트

지금까지 RTLS 솔루션의 문제점은 다음과 같았습니다. 

• 위치 정밀도 
• 전력 소비 가격 
• 간섭 및 다중 경로 환경 
• 의존 맞춤형 시스템 

OpenRTLS는 저가격, 고품질의 DW1000을 사용합니다. Fabless 반도체 업체인 Decawave의 DW1000은 IEEE 802.15.4 UWB(초광대역. Ultra-wideband) 표준을 기반으로하는 싱글칩 CMOS Ultra-Wideband IC를 제공하여, 이런 문제를 해결하고 있습니다.

DW1000-ORTLS 보드(OpenRTLS shop)

OpenRTLS는 다음과 같은 실내 측위 기준을 만족합니다.

• 정확성 - OpenRTLS UWB 솔루션은 10 ~ 30 cm의 정확도를 제공합니다. EU commision research에 따르면 UWB 시스템 만이 실내에서 안정적인 위치 정확도를 제공합니다. 많은 비UWB 시스템은 고정된 로컬 조건과 기준점에 근접한 범위에서 동작합니다. 실험실에서 블루투스 저에너지 및 Wi-Fi는 sub meter 급 정확도를 제공합니다. 실용적인 응용 프로그램에서는 참조점이 수 미터 떨어져 있고, 사람과 물체의 양이 변하면 시스템 성능이 몇 미터의 정확도로 떨어집니다. UWB 기반 RTLS 시스템은 시뮬레이션 상황에서도 센티미터 단위정확도로만 저하됩니다. 
• 범위 - 실내는 30 미터 및 옥외는 300 미터 (Line of Sight. LOS = 시선, 110 kbps) 측정을 지원합니다. 추적 할 수 있는 모바일 태그의 한계는 200평방미터 당 10,000 노드입니다. 
• 하드웨어 및 설치 비용 - Decawave openRTLS의 경우, 건물 유형에 따른 설치를 포함해 평방미터 당 2 ~ 6 US 달러 수준입니다. 정말 싸죠.
• 전력 소비 - UWB 태그의 전력 소모는 최저 한 번의 충전으로 9년 이상 지속될 수 있습니다. Idle / sleep 시 전류는 65 nA이며, 이는 8년의 수명을 제공합니다. 일반적인 600 mAh 배터리를 사용하여 10 초당 1번의 위치 업데이트 시 태그는 5 년 간 동작될 수 있습니다.

OpenRTLS는 다양한 곳에 활용되고 있습니다. 병원, 건설, 제조, 접근 통제, 창고 관리 등 다양한곳에 사용되고 있습니다.

UWB,  WiFi case study for a large hospital

Warehouses and DC's

3. PolyPoint
PolyPoint는 오픈소스 기반 실내 측위 시스템입니다. 미시간대학의 Embedded Systems Research인 Lab11에서 개발하였습니다. 

미시간대 Lab11

이 시스템은 UWB(초광대역. Ultra-wideband) RF time-of-flight를 사용합니다. DecaWave DW1000을 UWB로 사용하여, 패킷 전송 및 수신 시간의 정확한 타임 스탬프를 제공합니다. DW1000칩은 가격이 매우 저렴한 Indoor Precision Location & Communication 칩입니다. 

PolyPoint (Accurate RF indoor localization, Lab11)

이 칩은 UWB호환, 무선 통신 기능을 내장하고, 기본적으로 10cm 실내 측위 정밀도를 지원합니다. 아두이노 등 라이브러리를 제공하고 있어, 개발에 편리합니다. 

PolyPoint는 소스를 GitHub에서 제공하고 있습니다(미시간대 Lab11에서 수행하는 대부분의 프로젝트는 오픈소스로 제공되고 있다.존경스러움ㅎ). 

• PolyPoint GitHub

다음 명령으로 PolyPoint 소스를 모두 다운로드 받을 수 있습니다.

git clone --recursive https://github.com/lab11/polypoint.git

PolyPoint 시스템은 여러 가지 하드웨어로 구성됩니다. 핵심 하드웨어 및 소프트웨어를 모두 포함하는 측면 삼각형에 TriPoint 모듈이 있습니다. 보드는 UWB 안테나와 블루투스 저에너지 라디오 및 배터리 충전 회로를 포함합니다. PolyPoint는 DW1000 칩보다 정밀한 측위정보를 얻을 수 있습니다. PolyPoint는 모바일폰 애플리케이션에 거리 측위정보를 제공 할 수 있습니다.

Lab11은 PolyPoint외에도 Harmonia와 같은 다양한 프로젝트가 오픈소스로 제공되고 있습니다. 

Lab11의 Harmonia 프로젝트 (GitHub)

4. 마무리

요즘에는 오픈소스를 통한 공헌과 공유문화가 활성화된 곳이 기술 선진국이라는 생각이 드네요. 엔지니어링 분야도 오픈소스 문화가 거셉니다. 저는 오픈소스라는 것이 아이디어를 보호하는 문화속에 한곳에 집중할 수 있는 여유와 잉여시간이 보장된 곳에서만 꽃 필수 있다고 생각합니다. ㅎ가져다 사용하기만 하는 우리나라는 언제 오픈소스 선진국이 될까요. 

레퍼런스

1. Arduino DW1000 Library
2. OpenRTLS