센서의 종류는 매우 많아 모두 언급할 수가 없다.
최신형 스마트폰에 들어가는 센서의 종류만 해도 20가지 내외이며
항공기 엔진 하나에 들어가는 센서의 개수는 무려 1800개에 달할 정도이다.
RFID나 NFC 태그도 엄밀한 의미에서는 센서에 해당하며 블루투스 LE 기반의 비콘도 센서의 일종이다.
스마트폰에 사용되는 센서
동작인식 센서로 분류되는 센서는 3축에 대해 가속력과 회전력을 측정하여 스마트 디바이스의 움직임을 알려주는데 이용된다.
| 가속도 센서 - 단위 시간 당 직선 운동에 대한 속도의 변화를 측정하는 센서이다. - 가속도의 값은 보통 동적 가속도 값과 정적 가속도 값을 함께 이용한다. - 동적 가속도는 진동이나 충격에 의해 발생하는 가속도이고 정적 가속도는 중력 가속도라 생각하면 된다. 중력 센서 - 중력이 어느 방향으로 작용하는지를 탐지하는 센서 - 가속도 센서의 정보를 소프트웨어적으로 가공하여 중력 가속도를 산출해 내게 된다. 선형 가속도 센서 - 가속도 센서가 제공하는 값 중에서 중력 값을 뺀 값을 제공한다. - 즉, 중력 값을 뺀 3차원 벡터 값을 제공한다. 자이로 센서 - 한 축 또는 여러 축의 회전 움직임의 각 변화량, 즉 각속도를 측정한다. - 보통 스마트 디바이스에서 동작을 감지하는 메인 센서로 사용된다. 회전 벡터 센서 - 각과 축의 조합으로써 디바이스의 방향을 나타내는데 이용되는 센서이다. - 가속도 센서, 지자기 센서, 자이로 센서의 값들을 합성해서 이용한다. |
위치 센서로 분류되는 센서들은 디바이스의 물리적인 위치를 측정하는 역할을 한다.
| 지자기 센서 - 지자계를 이용하여 절대적인 방향을 측정하기 위해 사용한다. - 네비게이션이 내장한 지도에서 정확한 방향을 알려주기 위해 사용 - 지자계의 세기가 작기때문에 센서 데이터는 주위의 다른 자기 성분에 쉽게 영향을 받게 된다. - 정확성을 유지하기 위해 지자기 센서는 잦은 보정을 필요로 한다. 방향 센서 - x, y, z 3축에 대해 변화하는 회전각을 측정하는 센서 근접 센서 - 디바이스에서 측정 대상까지의 근접도를 측정하는 센서 - 디바이스와 측정대상 사이의 거리를 센티미터 단위로 측정한다. |
환경 센서로 분류되는 센서들은 다양한 환경적 요소를 측정하는데 이용된다.
| 주변 온도 센서 - 스마트 디바이스 주변의 온도를 측정하는데 이용하는 센서 - 주변 온도를 섭씨 온도로 반환한다. 온도 센서 - 디바이스의 온도를 측정하는 센서 - CPU의 발열량을 측정하기 위한 목적으로 만들어졌다. - 최근에는 주변 온도 센서로 대체되어 더는 이용되지 않는다. 조도 센서 - 디바이스 주변의 빛의 밝기를 측정하는 센서 - 일반적으로 1 lux에서 30,000 lux 사이의 측정 범위를 갖는다. - 근접 센서가 없는 디바이스에서는 제한적이지만 근접 센서 역할을 할 수도 있다. 기압 센서 - 대기압을 측정하는 센서 - hPa, mbar 단위로 반환된다. - 기압 센서는 고도와 기상 상태를 가늠할 수 있는 정보로 기상 상태에 따라 수시로 변하는 물리량이다. - 고도의 변화를 감지하는데 사용된다. 상대 습도 센서 - 공기 중에 포함되어 있는 수분의 양 또는 비율을 측정하여 백분률(%)로 반환한다. - 주변 온도 센서의 측정값과 함께 이슬점이나 절대 습도를 계산하는데 이용된다. |
MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)
MEMS는 미세가공기술을 이용하여 만들어지는 소형화된 기께 및 전기기계 소자에 사용되는 기술이다.
MEMS 이외에도 마이크로 시스템 기술, 마이크로머신 장치라고도 불린다.
물리적인 값들을 전기적인 신호로도 변환해 주기 때문에 센서로 구분되기도 한다.
MEMS 장치의 크기는 마이크로미터(μm) 이하부터 수 밀리미터(mm)에 이르기까지 다양하다.
MEMS의 기능 요소
| 소형화된 구조, 센서, 액츄에이터, 초소형 전자공학을 포함한다. MEMS의 센서에는 온도, 압력, 관성력, 화학 성분, 자기장, 방사능 등 이 있다. 최근에는 마이크로 밸브, 광학 스위치나 광학 거울, 마이크로 거울 배열, 마이크로 펌프, 초소형 덮개 등의 MEMS 장치들이 개발되고 있다. |
RFID (Radio Frequency IDentification)
RFID는 사물인터넷을 위해 일찌감치 사용되었던 핵심 기술 중의 하나로, 태그 리더가 방출하는 전자기 신호에 반응하는 작은 태그를 말한다.
RFID 기술은 제 2차 세계대전 당시 영국군이 아군 전투기와 적군 전투기를 구분하기 위해 처음으로 사용하였다.
라디오 주파수를 이용하는 도난 방지 시스템에 최초로 상업적으로 이용되기 시작했다.
이 시스템은 1-bit의 메모리를 갖는 전자식 도난방지 감시 태그를 이용하고 있다.
이 시스템은 이후 1980년대 중반에 지금 우리가 사용하는 하이패스와 같은 고속도로 이용료 자동정산 시스템에 도입되기 시작했다.
RFID의 동작
RFID 시스템은 태그, 리더, RFID 미들웨어의 세가지 요소로 구성된다.
RFID Tag
Tag는 다시 칩과 안테나로 구성된다.
칩: 내장하고 있는 메모리의 유형에 따라 고유한 일련번호나 다른 정보들을 저장한다.
메모리 유형: 읽기만 가능, 읽기-쓰기 가능, 한 번만 쓰기 가능
안테나: 칩으로부터 리더로 정보를 전송하는데 사용되며, 크기가 크면 클수록 더 멀리 떨어진 곳에서 신호를 수진할 수 있게 된다.
RFID Tag의 형태
수동형 태그, 능동형 태그, 반수동형 태그와 같은 형태로 존재
| 수동형 태그 - 가장 단순한 RFID 태그의 유형으로 배터리와 같은 자체적인 전력원을 가지고 있지 않다. - 주로 대규모로 사용될 목적으로 개발된다. - 대중교통 카드, 건물출입카드, 소비재 등이 해당 능동형 태그 - 칩과 안테나 외에 자체적인 전력원과 송신기를 가지고 있다. - 수동형 태그에 훨씬 비싸며, 먼 거리에서도 정보를 읽어야 하는 고가 제품들을 위해 사용된다. 반수동형 태그(반능동형 태그) - 배터리를 내장하고 있지만, 리더와의 통신을 먼저 개시하지 않는다. |
RFID 리더
제대로 태그를 읽은 후 미들웨어에 그 값을 전달한다.
태그와 통신하기 위해 자신의 안테나를 이용한다.
RFID 리더는 RF 인터페이스와 제어부와 같은 기능 블록들로 구성된다.
| RF 인터페이스 - 고주파 전력을 생성함으로써 RFID 응답기에 전력을 공급 - 신호를 변조하여 응답기로 전송 - 응답기로부터 신호를 수신하고 역변조 제어부 - 응용 소프트웨어와의 통신과 응용 소프투웨어로부터의 명령 실행 - 태그와의 통신 제어 - 신호의 코딩과 디코딩 - 충돌 방지 알고리즘의 수행 - 태그와 리더간에 전달될 데이터의 암호화와 암호 해독 - 태그와 리더간의 인증 수행 |
RFID 미들웨어
사용되는 RFID 리더의 유형에 상관없이 상위 어플리케이션이 서비스를 제공할 수 있도록 해주는 역할을 한다.
이기종의 RFID 리더를 관리하는 기능 외에도 RFID 데이터를 처리하는 기능 및 응용 시스템과의 연동 기능을 제공한다.
실시간으로 대용량의 데이터를 수집하고 필터링한 후 처리할 수 있어야 된다.
RFID 시스템의 동작 주파수
RFID 주파수들은 세 가지 영역으로 구분된다.(LF, HF, UHF)
| LF(Low Frequency) - 통상적으로 30~500 KHz 대역을 나타내지만 125~134KHz가 가장 일반적으로 사용되는 영역이다. - 가축 관리, 자동차 도난방지, 출입 관리, 자산 관리 등의 분야에 이용된다. - 대부분의 LF 시스템은 태그 내부에 내장 배터리 없이 동작하며, 가격이 싸고 통신 거리가 짧은 특징이 있다. HF(High Frequency) - 10~15MHz 영역이 고주파 영역에 해당되나 13.56MHz가 가장 많이 이용된다. - 가격은 비싸지 않으나 LF 시스템보다는 비싸며, LF 시스템보다 더 긴 통신 거리와 빠른 통신 속도를 제공한다. - 출입 관리, 스마트 카드 등의 분야에 주로 사용된다. UHF(Ultra High Frequency) - 400~1000MHz의 주파수 대역과 2.4~2.5GHz의 극초단파 대역이 UHF 영역에 해당한다. - LF, HF 시스템에 비해 훨씬 비싸지만, UHF 태그는 인식 거리와 인식 속도, 여러개의 태그를 읽을 수 있는 능력들 사이에서 가장 좋은 균형감을 제공한다. - 다른 시스템들과 달리 리더와 태그 사이에 가시선이 확보되어야만 한다. - 철도차량 추적, 통행료 징수 등과 같은 분야에 사용된다. |
NFC (Near Field Communication)
13.56MHz의 주파수 대역을 이용하는 RFID의 일종이다.
최대 424Kbps의 속도로 통신이 가능하다.
NFC는 사물뿐만 아니라 스마트폰을 비롯한 다양한 모바일 기기에 포함되어 10cm 이내의 아주 가까운 거리에서 비접촉식으로 통신을 할 수 있게 해준다.
NFC는 다른 기술들과 비교했을 때 더 느린 통신속도와 더 짧은 통신거리를 제공하지만 비용이 싸고 별도의 전원이 필요 없는 장치와도 연결하여 이용할 수 있다.
장치간의 검색 및 페이링이 필요없다는 장점을 가지고 있다.
NFC의 구성 및 동작
보안 모듈은 결제 및 이용자와 관련된 정보를 관리하는 기능을 담당한다.
(보안 모듈: NFC를 RFID 칩과 구분해 주는 것)
따라서 보안 모듈의 위치는 NFC에서 매우 중요한 이슈이다.
보안 모듈의 위치
1. 단말기 내부의 메모리나 NFC칩에 탑재
2. USIM에 보안 모듈을 포함시키는 방식
NFC 표준화 현황
비콘(Beacon)
무선 신호를 방송하는 작은 장치를 총칭하는 말이다.
사물인터넷 분야에서 비콘이라 함은 뒤에서 설명할 블루투스 LE 기술을 이용하여 주기적으로 자신의 위치 정보 혹은 사전에 저장된 정보를 방송하는 장치들을 말한다.
스마트폰이 특정 비콘 주변에 진입하게 되면 그때부터는 거리 측정을 할 수 있다. 거리측정은 블루투스 LE의 수신신호, 즉 RSSI 값을 이용해서 이루어진다. 수신신호세기 값을 이용해서 거리를 구하는 방법은 아래에 보이는 자유공간에서 전파의 손실에 대한 Friis의 공식을 이용해서 구할 수 있다.
엑츄에이터(Actuator)
클라우드나 다른 디바이스에서 받은 데이터를 이용하여 디바이스를 움직이거나 제어하는데 사용되는 장치 혹은 소자를 말한다.
엑추에이터는 어떤 기계장치나 시스템을 움직이는데 사용되는 모터나 혹은 모터의 회전운동을 직선운동이나 왕복운동으로 변환시키는 장치들을 의미했다.
그러나 최근에는 전기적인 신호는 물론 전자기나 열전기 등에 반응을 보이는 모든 장치나 소자도 엑추에이터로 생각한다.
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