Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 16, No. 10 pp. 6888-6894, 2015 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2015.16.10.6888 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 블루투스 4.0 과 WiFi 센서기술을이용한관광안내시스템설계 김희숙 1* 1 한국폴리텍대학서울강서캠퍼스통신전자과 Design of Tour Guide System using Bluetooth 4.0 and WiFi Sensor Technology Hee-Sook Kim 1* 1 Department of communications-electronics, Kangseo Campus of Korea Polytechnic 요약블루투스 4.0 은기존영역을확장하고다양한용도와영역으로확대할수있는사물인터넷에가장적합한기술이다. 본논문에서는사물인터넷의서비스의한예로, 블루투스4.0 기술과 WiFi 센서기술을이용한관광안내시스템을개발하였다. ibeacon 기반푸시서비스는대부분 ios 스마트폰에국한되어있어비 ios 계열의스마트폰과 ios 6이하의스마트폰들은 ibeacon 기반푸시서비스를받을수없다는단점이있다. 본논문에서제안한 ibeacon과 WiFi 센서를이용하면기존시스템을유지하면서보다많은관광객들 ( 비 ios 스마트폰사용자 ) 에게서비스를제공할수있다. 서비스를통하여관광정보뿐만아니라그와연계된광고서비스도제공할수있다. 국내에서사용되는스마트폰 10종으로 MAC정보수집에대한실험을진행하였다. 이실험은관광객의행동이력을추적하여맞춤형서비스를제공할수있는기반이될수있다. 관광지뿐만아니라놀이공원, 휴양지등사람이붐비는곳에이시스템을적용할경우사용자행동이력에대한정보수집기능으로조회를통한미아방지기능, 위험알림기능등다양한응용이가능하다. Abstract Bluetooth 4.0 is the most appropriate technology for Internet of Things, which can be used to enhance and expand the existing areas and areas with a variety of applications. In this paper, an example of the services of the Internet of Things, we developed a tour guide system using the Bluetooth 4.0 and WiFi sensor technology. ibeacon-based push service have been limited to ios smart phone series, non-ios family and lower version of ios 6 smart phones can not receive push-based services. This paper proposed in ibeacon and WiFi sensor is more than tourists, while maintaining the existing system (non-ios smartphone users) can provide the service to you. Service tourist information as well as that can provide the advertising associated with the service. With 10 kinds of smart phones used in Korea was the experiment on the MAC information collected. This experiment is to track the behaviour of tourists in history can provide customized services can be based. Tourist destinations as well as amusement parks, resorts, etc. If you want to apply this system in a crowded place for user behavior information-gathering feature views over the a prevention of a missing child features such as notifications, risk, prevention is possible for a variety of applications. Keywords : Bluetooth, BLE, IoT, WiFi, Smart phone 1. 서론 유 무선통신의시작으로모바일세대를지나최근사람과사물, 사물과사물주위의모든사물을연결하여정 * Corresponding Author : Hee-Sook Kim(Kangseo Campus of Korea Polytechnic) Tel: +82-2-2186-5844 email: prima@kopo.ac.kr Received September 21, 2015 Revised October 5, 2015 Accepted October 8, 2015 Published October 31, 2015 보를교류하고상호소통하는사물인터넷 (IoT, Internet of Things) 에대한관심이집중되고있다. 사물간의통신인 M2M(Machine to Machine) 과모든사물이네트워크에연결되는사물인터넷은지능적형태로전세계의모 6888
블루투스 4.0 과 WiFi 센서기술을이용한관광안내시스템설계 든사물및객체가상호연결될것이다. 가정내가전기기들간의통신은사물인터넷을통하여전력사용량최소화를위해실생활을바꾼가장대표적인예라고할수있다. 사물인터넷의주요서비스로는스마트홈, 스마트카, 헬스케어, 원격검침등다양한서비스가이루어지고있다 [1]. 다양한무선통신기술중 2010년에채택된블루투스 4.0은 BLE(Bluetooth Low Energy) 로바뀌며전력소비를낮춘저전력을포함한규격이다. 이전기술인블루투스3.0까지전송속도를높이는기술이었다면블루투스 4.0은전력소비를낮춘기술로최근사물인터넷에적합한무선통신기술이라고할수있다 [2]. 본논문에서는이렇게다양한형태로공유되고변환되어우리의실생활에적용되고있는사물인터넷의서비스의한예로블루투스 4.0과 WiFi 센서기술을이용한관광안내시스템을설계하고자한다. 논문의구성은다음과같다. 2장에서는블루투스4.0의기술현황, 3장에서는시스템구성및동작원리 4장에서는결론을기술한다. 2. 블루투스4.0 기술현황블루투스는 1994년에릭슨의무선통신네트워크연구소에서처음시작된이후노키아, IBM, 도시바, 인텔등으로구성된회원사들이추가로가입하며블루투스 SIG(Special Internet Group) 로발전해왔다 [3]. 개인사용자들이근거리에서스마트폰이나핸즈프리같은기기간의통신을위한저전력무선통신을위한표준으로 1999년버전1.0B가처음발표되었다. 이후 AFH(Adaptive Frequency Hopping) 를적용한버전1.2 가 2003년에채택되었고, 2004년에는데이터전송속도를 3배향상시킨 2.0+EDR(Secure Data Rate), 2007년에는보안기능을강화한 2.1+EDR이발표되었다. 2.1+EDR은 SSP(Secure Simple Paring) 가포함되었고, 2009년 8배이상의속도가향상된버전3.0+HS(High Speed) 가발표되어기기간의데이터스트리밍, 동영상전송과같은대용량의데이터전송서비스제공이가능하게되었다. EDR 기능이탑재됨에따라전송속도를 2~3배향상시켰지만스트리밍서비스등과같은고속데이터전송에는무리가있었다. 이러한단점을극복해 8 배이상의속도가향상된 2009년발표되어기기간의데 이터스트리밍, 동영상전송과같은대용량의데이터전송서비스제공하게되었다. 또한전력관리기능을기본으로내장해이전버전에비해저전력으로구현이가능하였다. 2007년표준화를진행중이던초저전력응용기술인 Wibee 기술을블루투스규격으로흡수하면서블루투스 SIG(Special Interest Group) 는 2010년에 Low Energy 기술이탑재된블루투스4.0을발표하게된다 [2]. 블루투스4.0의 BLE(Bluetooth Low Energy) 기술은전력소모의효율성과사용자접근성을높인무선통신기술로사용자의위치를파악하여정보를제공하는마케팅에가장적합한특성을지닌다. 블루투스3.0이 15~ 20mW 전력을소비했던것에비해블루투스4.0의전력소비량은 1.5~2mW에그쳐전력소비량을최대 90% 까지줄였다. 따라서블루투스4.0을채택한제품들은동전모양의초소형배터리로수년간사용할수있을정도의소비전력을낮춘저전력으로업그레이드되었다. 또한표준화가잘되어있어안드로이드와 ios등 OS에관계없이블루투스4.0을지원하는대부분의스마트폰에서사용이가능하다. 안드로이드스마트폰의 NFC(Near Filed Communication) 와 BLE를비교해본다면 NFC는정보전송을위해기기를아주가까이접근시켜야하지만 BLE는최대 50m의통신범위를지니고있어사용자가해당범위에있다면추가적인행위없이정보전달이가능하다는장점이있다. 이러한장점으로 BLE를활용하는방법은마케팅에서활용되도록설계되었다. 사용자가마켓이나특정위치를지나면 BLE 비콘 (Beacon) 이신호를송신하게되고스마트폰에서수신되는신호의강도를파악하여사용자의위치를감지하여마케팅정보를사용자의스마트폰에보내게된다. 이는비콘이초저전력블루투스로작은단위의위치확인과소용량의데이터전송이가능한특징을가지고있어더효율적이다 [4]. BLE를활용한새로운서비스로 2013년미국의애플사는아이비콘 (ibeacon) 을발표했다. 아이비콘은 ios7 업데이트에기본적으로포함되어있으며, 매장에방문한고객들의정확한위치를파악하고, 이를통한맞춤형정보를제공할수있는플랫폼이다. 아이비콘은사용자들의비콘신호를 ios의디바이스의 BLE를통해사용자의위치를정확히감지하고그에따른서비스를제공해준다. 미국내 254개애플스토어에서아이비콘을활용하여제품과이벤트등맞춤형정보를제공하는알림서비 6889
한국산학기술학회논문지제 16 권제 10 호, 2015 스를시작했다. 샵킥 (Shopkick) 에서는아이비콘과연동되는샵비콘 (shopbeacon) 이란 BLE 기기를개발하였다. 2013년미국의메이시스 (Macy's) 백화점의뉴욕과샌프란시스코지점에서시범가동되고있다. 에스티모드 (Estimote) 라는스타트업업체는아이비콘을활용하여아이폰및안드로이드사용자들에게다양한장소에서아이비콘을활용하여아이폰및안드로이드사용자들에게다양한장소에서아이비콘을활용할수있도록 BLE센서가탑재된에스티모트비콘을개발하여판매중에있으며, 미국모바일광고업체인인마켓 (inmarket) 에서는 2014년아이비콘을활용하여고객들에게매장내위치정보를제공하고, 광고나관련정보를전송하는모바일투타서비스 (Mobile to Mortar) 를발표하였다 [4,9]. 결과적으로블루투스 4.0은기존의전통적인블루투스에저에너지기술과고속의블루투스기술을모두결합된형태라할수있다. 따라서기존영역을확장하고다양한용도와영역으로확대할수있는사물인터넷에가장적합한기술이된다. 또한 WiFi가내장되어있는스마트폰의보급률과가장널리보급되고설치되어있는무선랜을이용하여마켓팅, 결재등의다양한서비스와연구가진행중이다. 따라서본논문에서는이러한블루투스4.0 BLE 기술과 WiFi 센서기술을이용한관광안내시스템을설계하고, 실생활에서활용되고확장될수있음을제시하고자한다. 성도이다. 시스템은블루투스4.0과 WiFi 센서를탑재한단말, 스마트폰앱, 서버로구성한다. 블루투스4.0은 ibeacon 메시지를송신하여 ios계열의스마트폰사용자들에게현재의위치를알리고, ios 스마트폰에설치된어플을통해푸시서비스를제공한다. ibeacon을이용한푸시서비스는현재다방면에서서비스가제공되고있다. 하지만 ibeacon을지원하지않는 Android 계열의스마트폰과 ios 6 이하버전의 ios에서는 ibeacon을이용한서비스가불가능하다. 이러한단점을보완하기위해본논문에서는 WiFi 센서를이용하였다. WiFi 센서를통해주변단말기의 MAC 정보를수집하여서버로전송하고서버에서는전송받은 MAC을기반으로사용자스마트폰에푸시서비스를제공한다. 또한전송되는주변 MAC 정보를통해사용자의행동이력을파악할수있고이를기반으로하여사용자에게꼭필요한맞춤형서비스를제공할수있다. 그림2 는제안한시스템하드웨어블록도이다. 표1, 표 2는하드웨어기능과소프트웨어기능에대한기술이다. 3. 시스템구성및동작원리 3.1 시스템구성 Fig. 2. Block Diagram Table 1. H/W Feature Fig. 1. System Configuration 그림 1 은본논문에서제안하는관광안내시스템구 Main Module Wi-Fi ESP8266EX Bluetooth nrf51822 WAN Option Physical Interface DC Power 5V/1A Reset Switch Factory Reset Air Interface WiFi 2.4GHz 802.11/b/g/n Bluetooth V2.1+EDR, v3.0+hs, V4.0(LE) 6890
블루투스 4.0 과 WiFi 센서기술을이용한관광안내시스템설계 Table 2. S/W Feature AP Software ibeacon Software ibeacon Server Software iphone App FreeRTOS Network Protocol(ARP, DHCP, TCP, UDP, ICMP, DNS, SNTP, SMTP) SSL/TLS Network Security Wi-Fi client &AP mode Wireless WAN/WDS ibeacon Middleware Wi-Fi Traffic Monitoring Module ibeacon Driver module Server Interface Module ibeacon Interface Module iphone Interface Module Push module User Application Interface Module Server Interface Module Beacon Interface Module 팅후인터넷이연결되면서버에 config를요청한다. 요청할때자신의 device_id를같이보내며요청받은 device_id를인증서버를통해확인과정을거친후인증된단말인경우에 config를내려준다. 그순서는그림 3과같고, 표 3은 config 파라미터정의표이다. Fig. 3. Authentication process 본논문에서제안한 ibeacon+wifi로구성된단말기 ( 이하 iw단말기라칭한다 ) 는세부분으로구성된다. ibeacon 메시지전송부분과주변 MAC 정보를수집하는부분그리고수집된정보를서버로전송하는부분이다. 먼저관광안내를위한관광지셀구성을하고구성된셀에맞게단말기를설치한후인터넷이가능하도록 AP 에무선으로연결되어있어야한다. 다음, ios 스마트폰을가진관광객이 iw단말기주변으로접근할때관광객이소지한 ios 스마트폰에미리설치된어플이 ibeacon 정보를수신하면서버에서는관광객에게필요한관광정보를관광객스마트폰에정보를푸시한다. 비 ios 계열스마트폰또는 ibeacon이지원되지않는 ios 스마트폰을소지한관광객의경우관광객이 iw단말기영역에위치해있다면스마트폰의 MAC 정보를통하여관광정보를서비스받을수있다. 3.2 개발환경 iw 단말기의펌웨어개발을위한환경은표 3과같다. ibeacon은윈도우환경에서 WiFi는리눅스환경에서개발한후빌드한다. Ubuntu 12.04(ESP8266EX) Windows 7(nRF51822) 의 OS 환경에서 C, C++ Language를사용하였다. Table 3. Config parameter definition Item Parameter Described dev_id Device ID Dev f_version Firmware Version f_size Firmware Size uuid UUID ibeacon major Major Value minor Minor Value Network d_url Info collected to send URL i_s_url Image Server URL 관광지에설치된 iw단말기의관리및소프트웨어업 그레이드를위해원격업그레이드기능을추가하였다. iw단말기의오동작이나기능추가를위해추가적인인 력과비용문제를해결하기위한방안이다. 그림 4는원 격업그레이드과정을나타낸다. 먼저 iw단말기가서버 에접속하여 config를내려받은다음펌웨어버전을확 인한다. 현재버전보다상위버전이서버에있을경우펌 웨어다운로드를요청하고다운로드가완료되면 iw단말 기에펌웨어를설치한다. 또한업그레이드중문제가발 생할경우실시간복구가가능하도록 iw단말기의펌웨 어영역을듀얼로구성하였다. 그림 5는펌웨어구성도 이다. 3.3 동작원리 iw 단말기의동작원리는다음과같다. iw 단말기는부 6891
한국산학기술학회논문지제 16 권제 10 호, 2015 스마트폰의 WiFi 가 On 상태의단말에한해서만 MAC 정보수집이가능한것으로제한한다. 그림 6 은수집된 MAC 정보이다. Fig. 4. Remote upgrade flow Fig. 6. Collect MAC information Fig. 5. Firmware configuration 3.3.1 메시지송출기능설계 iw단말기는서버로부터내려받은 config중 ibeacon 관련정보 (uuid, major, minor) 를블루투스모듈에설정한다. 블루투스모듈은설정값을주기적으로송출하고관광지주변의 ios 스마트폰사용자들에게이정보는수신된다. 수신된정보는관광객스마트폰어플을통하여다시서버에전송되고서버는해당위치에관련된관광정보를관광객에게푸시한다. 3.3.2 MAC 정보수집설계 WiFi 센서는주기적으로 2.4GHz 대역의채널 (1~14 채널 ) 을호핑 (hopping) 해가며 MAC 정보를수집한다. 각채널당 1초씩정보를수집하여총 14초간 2.4GHz의전채널을스캔한다. WiFi 단말기가주변의 AP를검색하기위해주기적으로 probe request 패킷을전송하는데 AP에연결되지않은스마트폰일경우 probe request 패킷을통하여수집하고, AP에연결되어있는스마트폰의경우 data packet이나 management packet을이용하여 MAC 정보를수집한다. 수집된 MAC 정보는서버로전송되고, 서버는수집된 MAC 정보중스마트폰어플이설치된사용자에게푸시서비스를제공한다. 단, 사용자 또한국내에서사용되는스마트폰 10종으로 MAC정보수집시간에대한테스트를진행하였다. 스마트폰의 WiFi 가켜져있으나 AP 에연결되어있지않은상태 (Case 1), 스마트폰의 WiFi가 AP에연결되어있으나데이터통신을하지않는상태 (Case 2), 스마트폰의 WiFi 가 AP에연결되어데이터통신중인상태 (Case 3), 스마트폰의 WiFi가꺼진상태 (Case 4) 4가지경우로테스트를진행하였다. 각스마트폰마다각기다른측정시간을보였으나그중가장큰시간을대표값으로설정하여데이터결과를표 4로정리하였다. 이실험은추후관광객의행동이력을추적하여맞춤형서비스를제공할수있는기반이될수있다. Table 4. MAC data collection time S Co. 5 kinds L Co. 3kinds A Co. 2kinds Case 1 2min 2min 3min Case 2 30sec 30sec 1min Case 3 15sec 15sec 15sec Case 4 Do not search 3.4 화면구성본논문에서제안한관광안내시스템은불국사로모델을제시한다. 제안한시스템구성을위해서먼저 iw단 6892
블루투스 4.0 과 WiFi 센서기술을이용한관광안내시스템설계 말기가설치되어있어야한다. 관광객이불국사에도착하게되면불국사에관한전체적인정보가관광객의스마트폰에푸시되어관광객은관광정보를얻을수있다. 4. 결론 ibeacon 기반의푸시서비스는대부분 ios 스마트폰에국한되어있어비 ios 계열의스마트폰과 ios 6이하의스마트폰들은 ibeacon 기반푸시서비스를받을수없다. 본논문에서제안한 ibeacon과 WiFi 센서를이용하면기존시스템을유지하면서보다많은관광객들 ( 비 ios 스마트폰사용자 ) 에게푸시서비스를제공할수있다. 푸시서비스를통하여관광정보는물론이고그와연계된광고서비스도제공할수있다. 또한관광지뿐만아니라놀이공원, 휴양지등사람이붐비는곳에이시스템을적용할경우사용자행동이력에대한정보수집기능으로조회를통한미아방지기능, 위험알림기능등다양한응용이가능하다. Reference Fig. 7. Map screen 그다음으로관광객이대웅전을지나갈경우관광객의스마트폰에대웅전의정보가푸시되어대웅전에대한정보를보여준다. 관광객이다음장소로이동할경우관광객은푸쉬된정보를본시스템으로부터관광정보를바로받아활용할수있다. [1] Hong yong geun, Shin myung gi, Kim hyung jun, "Internet of Things (Iot/M2M) Standardization", OSIA Standard & Technology Review Journal, June 2013, Vol.26, No.2 [2] Jang young jae, " [WPAN] Bluetooth v4.0 - low energy (Low Energy) Technology Trends", TTA Publications ICT Standard Weekly, 2011. 4. [3] ITU-T Internet Report "the Internet of Things-Executive Summary", 2005.11 [4] Ma jung min, "Daily through to Bluetooth LE", Creative Technology in Marketing Press release, 2014. 6.11. [5] "Specification of the bluetooth system core v4.0", Bluetooth SIG, June 2010, http://www.bluetooth.com [6] Beacon, emerging as a critical infra-structure location based services, Communication promotion bureau Media industry promotion department, Trend and prospect [7] Nam gung hyeon, Lim il kwon, Lee jaeg wang, "Using ibeacon positioning system location estimation techniques", Journal of the Korea Institute of Information and Communication Sciences 19(4), 2015. 4. [8] Electronic Information Center, "Bluetooth Industry Status" 2003. [9] http://www.bluetooth.com, "Specification of Bluetooth system" [10] http://cheilblog.com/100206014666 [11] http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=122& contents_id=5531&leafid= Fig. 8. Information screen 6893
한국산학기술학회논문지제 16 권제 10 호, 2015 김희숙 (Hee-Sook Kim) [ 종신회원 ] 1996 년 8 월 : 원광대학교교육대학원전자계산교육전공 ( 교육학석사 ) 2003 년 2 월 : 원광대학교대학원컴퓨터공학과 ( 공학박사 ) 2001 년 10 월 ~ 현재 : 한국폴리텍대학서울강서캠퍼스통신전자과교수 < 관심분야 > 유비쿼터스컴퓨팅, 임베디드시스템, 인터넷콘텐츠, 사물인터넷 6894