Design of A Low Power Memory Tag for Storing Emergency Manuals

긴급 매뉴얼 저장용 저전력 메모리 태그의 설계

Abstract

Since the communication networks like the Internet collapses at disaster and calamity sites, a maintenance system that can be operated offline is required for the maintenance of various facilities. In this paper, we propose a system that memory tags attached on the facilities may transmit the emergency manual to a smart-phone, and the smart phone displays it off-line. The main issue is to design low energy mode memory tags. This study presents two kinds of methods and analyzes each's energy consumption mode. The first one is to develop memory tags by using one chip, and the next one is to design memory tags by forming multi-modules. Both ways show proper application fields under the low energy mode. This research selects the off-line maintenance system by using one chip design, and proposes the direction of contents for enhancing the effectiveness of the system. And we expect that this memory tags will be valuable for disaster scenes as well as battle fields.

1. 서론

국방분야에서 스마트폰 등의 정보단말의 활용이 증가하고 있다. 예를 들어 스마트폰 앱을 이용하여 군수지원[1]을 하는 경우나 저격수의 조준을 돕는 앱[2] 등이 스마트폰과 연동하여 활용되기도 하며, 직접적인 전투 지휘를 위한 연구도 진행되었다[3]. 또한, 적진의 민간인과 대화하는 것을 돕는 번역 프로그램[4]도 활용된다. 하지만 전투 현장이나 재난/재해 현장에서는 자체의 전술 이동통신 네트워크나 이동통신망과 같은 통신 인프라가 쉽게 붕괴된다. 따라서 정보단말이 인터넷에 접근하여 정보를 활용하는 방식의 앱은 활용할 수 없다.

제주공항 관제시설에서 통신 장비의 고장으로 인하여 관제가 마비된 경우[5]엔 현장에서 즉시 지원되는 매뉴얼이 있었다면 좀 더 쉽게 고장을 극복할 수 있었을 것으로 분석된다. 대부분의 항공 및 군용장비의 정비 매뉴얼이 단순 텍스트 형식이라서 즉각적인 대응이 어려운 상황[6-8]이다. 이러한 문제를 해결하는 방안으로 증강현실 기술을 바탕으로 자동차 정비 매뉴얼[9]을 지원하는 경우도 있으나 전투현장과 같이 통신 인프라가 붕괴된 경우엔 동작하지 못한다. QR/NFC 태그에 URL을 저장하고 이를 스캔했을 때 적절한 유지보수 매뉴얼을 획득하게 하는 방식은 현장에서 문제를 해결할 수 있는 적절한 방식이나 이 또한 통신 인프라가 지원되어야만 한다[18].

통신이 지원되지 않는 유사한 경우에 동작 가능한 스마트 메모리 태그가 제안되었다[10]. 스마트 메모리 태그는 NFC 태그에 플래시 메모리를 부착하여 매뉴얼과 같은 문서를 저장해 두었다가 사용자가 태그를 스캔했을 때, 그 문서를 블루투스로 사용자 스마트폰에 전달하는 방식으로 동작한다. 통신 인프라를 사용하지 않기 때문에 전투 현장이나 재난/재해 현장에서 활용이 가능하다. 하지만 구체적인 설계나 목표에 따른 컨텐츠의 설계에 대하여서는 고려하지 않았다.

본 논문에서는 메모리 태그의 설계를 위하여 블루투스와 MCU를 SoC, 1칩으로 구현한 cc2541 칩을 이용한 설계와 전력소모가 낮은 것으로 잘 알려져 있는 MSP430과 외장 블루투스 칩을 활용한 설계를 비교 분석한다. 이는 SoC 기반 설계가 일반적으로 전력소모를 최소화할 것이라는 인식이 실제인지를 분석하려는 것이다. 구체적인 설계를 제시하고 이를 바탕으로 전력소모를 분석한다. 또한, 유지보수 매뉴얼을 새롭게 구성하고 이를 설계한 보드를 이용하여 구현한 사례를 소개한다.

2. 관련 연구

2.1 국방 스마트 단말 활용

스마트폰 등의 스마트 단말이 일상생활 곳곳에서 다양하게 활용된다. 이러한 스마트폰을 국방 분야에서도 활용하려는 시도들이 진행되었는데 무기체계의 군수지원을 위하여 스마트폰을 활용하는 사례[1]가 보고되었다. 또한 아이팟 터치에 저격수의 조준을 돕는 응용 앱[2]인 ‘불릿 플라이트’는 저격수가 자리잡고 있는 위치에서 목표물까지의 거리·풍속·온도·습도 등 변수를 계산해 저격 성공률을 높이도록 고안되었다. ‘브이 커뮤니케이터’라는 앱은 영어를 아랍어·쿠르드어·파슈툰어 등 미군의 주요 작전 지역에서 통용되는 언어로 번역해준다[4]. 이처럼 스마트폰은 국방분야에서 자신의 영역을 넓혀가고 있으나 인터넷 등의 통신 인프라가 붕괴되는 전투현장에서는 활용에 어려움이 있다.

2.2 현장즉시형 유지보수의 필요성

2015년 12월 제주공항 관제시설 통신장애가 발생 하여 항공기 관제가 마비되었다. 당시 복구에 투입된 한국공항공사 직원들은 엉뚱한 장치만 손보다가 시간을 허비하였고 매뉴얼 해석의 어려움이 처리지연의 주요 원인으로 파악되었다[5]. 항공 및 군용 장비의 정비는 Fig. 1과 같이 점검절차 자체가 복잡할 뿐만 아니라 전문용어의 사용과 각 절차의 구체적인 설명 부족으로 인해 매뉴얼만으로는 즉각적인 대응이 쉽지 않은 것이 현실이다[6]. 매뉴얼 내용을 기억 하는 평균기억률도 텍스트를 듣거나(5%) 홀로 읽기(10%) 등의 수동적인 경우보다는 듣고 보거나(20%), 시연(30%), 연습(75%), 가르치는(90%) 등의 멀티미디어를 활용하고 참여하는 경우가 월등히 높은 것으로 파악되었다[11].

Fig. 1. Maintenance and Repair Procedure for Military Devices[6].

원자력 발전소 장치의 대부분은 유지보수 절차가 복잡하고 이를 다룰 수 있는 전문가 또한 한정되어 있어 실시간 유지보수가 어렵다[8]. 자동차 사용법 매뉴얼을 증강현실 콘텐츠로 제공하는 연구[9]에서는 스마트폰 앱으로 K9 자동차의 사용자 매뉴얼을 3D 증강현실로 구현하고 이에 대한 사용자 학습 효과를 분석하였다.

다양한 유사한 연구들에서 현장에서 즉시 활용 가능한 매뉴얼의 필요성은 지적하고 있지만 매뉴얼을 획득하는 과정에서 유선이든 무선이든 인터넷을 접근한다는 점은 실질적인 실용화를 위한 커다란 장애이다. 전투 현장이나 재난/재해 현장에서는 인터넷을 접근할 수 있는 통신 인프라가 붕괴됐다고 가정하는 것이 현실적이기 때문이다. 또한 장비의 유지보수는 장시간에 걸쳐서 진행되기 때문에 유지보수를 위한 실시간 매뉴얼 시스템은 전력 소모를 최소화 할 수 있도록 설계되어야 한다.

2.3 스마트 메모리 태그

QR/NFC 태그는 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그러나 읽기 기능 외에도 쓰기 기능을 사용하는 다양한 응용이 요구된다. 예를 들어 주기적인 현장 방문이 필요한 장소에 부착된 NFC 태그에 사용자의 식별자를 저장하면 현장 방문의 증거로 활용할 수 있다. 또한, 약속 장소에 늦게 도착했을 때 친구의 메모를 태그에서 확인할 수 있을 것이다.

NFC 태그와 플래시 메모리를 결합하여 쓰기 기능을 추가한 스마트 메모리 태그가 제안되었다[10]. 메모리 태그는 NFC 태그, MCU, 플래시 메모리, 블루투스 모듈, 배터리로 구성되며 사용자의 스마트폰과 블루투스로 연동한다. 메모리 태그를 터치하면 블루투스 연동 정보 등을 넘겨받아 자동으로 연결한다. 메모리 태그에 저장되어 있던 웹페이지가 스마트폰에 전송되고, 웹페이지의 지정된 기능을 수행한다. 메모리 태그는 배터리로 동작하므로 전력 소모를 최소화하는 작업이 필요하다.

3. 스마트 단말 설계

3.1 시스템 구조

Fig. 2는 전체 시스템 구조를 보여준다. 그림에서 주요 장치는 3가지이다. 각각을 설명하면 다음과 같다.

Fig. 2. The architecture of the proposed system.

1) 스마트 단말

보통 스마트폰이며 NFC 리더 기능을 갖는 것으로 가정한다.

2) 메모리 태그

블루투스 통신 기능을 가지며 플래시 메모리를 내장한다.

3) NFC 태그 안테나

메모리 태그는 NFC 태그 안테나를 갖고 있는데 스마트 단말의 RFID 리더의 에너지 공급에 의하여 메모리 태그에게 인터럽트 걸어주는 역할을 수행한다. 그 결과 대부분의 시간을 외부 인터럽트를 기다리는 Deep Sleep 상태에 있을 수 있어서 전력 소모를 최소화 하는데 핵심적인 역할을 한다.

Fig. 2에서 오른쪽의 NFC 기기는 별도의 기기를 상정하지 않고 스마트 단말이 NFC 리더의 기능을 갖는 것으로 가정하며 4단계의 동작이 수행된다.

1) 스마트 단말은 NFC 리더 기능을 활성화한 후 메모리 태그를 스캔한다.

2) NFC 안테나는 NFC 리더로부터 에너지를 받은 후 이를 기반으로 메모리 태그에 인터럽트를 건다.

3) 메모리 태그는 블루투스 통신을 활성화하고 스마트 단말과 페어링을 수행한다.

4) 메모리 태그는 스마트 단말에게 저장된 내용을 전송한다.

3.2 NFC 안테나 기반 인터럽트 체계

기존의 무선 센서 네트워크는 센서 노드의 전력 소모를 줄이기 위하여 센서 노드들이 동기화되어 주기적으로 슬립하는 방식을 사용한다[13]. 또한, 고성능 처리 모듈은 슬립시키고 별도의 Wake-up 모듈이 이벤트를 감지하는 구조도 제안되었다[14]. 슬립상태의 센서 노드를 125KHz 주파수를 갖는 전자기파를 이용하여 에너지를 공급하고 센서노드에 인터럽트를 거는 방식으로 깨우는 방법도 연구되었다[15].

제안된 방식은 스마트 단말의 NFC 리더 기능을 이용하는 것인데 리더가 메모리 태그에 부착된 NFC 태그 안테나에 전력을 공급하고 이 에너지가 메모리 태그의 MCU를 깨우는 방식이다. Fig. 3과 4는 NFC 태그에서 나오는 전류를 오실로스코프로 측정한 것이다. 평상시에는 Fig. 3과 같이 매우 미약한 전류가 출력되고 있음을 확인할 수 있다. 하지만 스마트 디바이스로 NFC 태그를 스캔하면 NFC 태그에 감긴 코일을 통해 전류가 생성되어 Fig. 4와 같이 충분히 인터럽트를 걸 수 있는 전류가 생기는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3. Current normally output from NFC [9].

Fig. 4. Current output after NFC tag scan[9].

3.3 메모리 태그의 설계

메모리 태그의 기능은 1) 콘텐츠 저장 기능, 2) 블루투스 전송 기능의 2가지이다. 따라서 메모리 태그의 구조는 매우 단순하며 설계의 주요 개념은 전력소모를 최소화하는 것이다. 본 논문에서는 3가지 방법으로 배터리의 전력 소모를 최소화한다.

1) 메모리 태그의 HW를 최적화하여 전력소모를 최소화한다.

2) MCU는 deep sleep 상태에 있어서 전력소모를 최소화한다. MCU가 깨어나는 것은 NFC 태그 안테나가 스마트 단말의 NFC 리더 기능으로 에너지를 받아서 발생하는 외부 인터럽트에 의한 것이다.

3) 기타 장치들, 외장 플래시 메모리나 브루투스칩 등에는 HW 스위치를 부착하고 MCU가 슬립 시에 전원을 off하여 전력 소모를 최소화한다.

3.3.1 설계 시 이슈

메모리 태그의 설계 시 전력소모를 최소화하기 위하여 2가지 설계 방식을 고려하였다. 첫 번째는 MCU와 블루투스 모듈이 SoC화한 1칩 설계 방식인데 일반적으로 SoC화한 칩들이 전력소모나 기타 여러 가지 면에서 좋을 것으로 기대되기 때문이다. 두 번째는 전력소모가 작다고 잘 알려진 MSP430과 블루투스 칩을 선택하여 설계하는 방식이다. MSP430은 일반적인 마이크로콘트롤러보다 특별히 전력소모가 낮은 편이라서 그 특징을 기대한 것이다.

다수의 모듈을 1개의 칩으로 SoC화 할 때 기존 모듈을 단순히 하나의 칩으로 합친다면 전력 소모가 줄어든다고 할 수는 없다. SoC화하면서 주변 회로들을 최적화하고 좀 더 고도화된 회로 설계 기술을 적용하였을 때 전력소모를 최소화할 수 있다[17]. 본 논문에서는 이렇게 SoC화한 칩과 같은 기능을 같는 전력소모가 최소라고 인식되는 모듈기반 설계가 최종적으로 어떤 결과를 산출하는 지를 분석하고자 한다.

3.3.2 SoC 기반 설계

Fig. 5는 1칩 기반으로 설계한 메모리 태그를 표시한다. 그림에서 cc2541은 8051 core와 Bluetooth 통신 모듈이 1칩으로 구현된 것이다. 오른편에 M25P16이라는 2MByte 외장 플래시메모리를 장착한다. 이때 ADG719라는 전원 스위치를 달아서 플래시 메모리의 전원을 켜거나 끄도록 하였다. MCU가 슬립할 때에는 플래시 메모리의 전원을 꺼서 전력소모를 줄이고 플래시 메모리에 저장된 데이터를 읽을 때에만 전원을 켜는 방식이다. NFC 태그 안테나는 스마트 단말이 스캔했을 때 에너지를 받아서 MCU를 깨우는 역할을 수행한다.

Fig. 5. SoC based design for the proposed system.

Table 1은 cc2541 칩 기반으로 설계할 때 주요 부품 구성 및 기능을 보여준다.

Table 1. Specifications for the components of the cc2541 based design

3.3.3 저전력 모듈 기반 설계

Fig. 6은 저전력 모듈 기반으로 HW를 설계했을 때의 구조를 보여준다. cc2541 칩대신 MSP430과 HC-05로 대치된 것을 알 수 있다. HC-05 앞에는 ADG719 전원 스위치를 달아서 MCU가 sleep 상태일 때 전원을 끄도록 하였다. 다른 부품들은 Fig. 6과 동일하다.

Fig. 6. The MSP430 based design for the proposed sys-tem.

Table 2는 MSP430 기반으로 설계했을 때 부품 구성과 기능을 보여준다.

Table 2. Specifications for the components of the MSP 430 based design

3.3.4 전력 소모 분석

Table 3은 2가지 방식의 전력소모를 보여준다. 표에서 A는 cc2541 기반의 설계이며 B는 MSP430 기반의 설계이다. A 방식과 B 방식 모두 active 상태일 때와 sleep 상태일 때의 전력소모를 구분하여 분석하였다. 전체적으로 보았을 때 A의 전력소모는 active 상태일 때 53.2 mA이고 B의 전력소모는 45.28 mA이다. sleep 상태일 때는 A의 전력소모는 1 uA이고 B의 전력소모는 3.1 uA이다. 이는 A의 경우에는 sleep이 긴 경우에 유리하며 B는 좀 더 자주 블루투스 통신을 할 때 유리하다는 것을 보여준다.

Table 3. The analysis of power consumption for the cc2541 based design and MSP430 based de-sign

3.4 태그의 수명 분석

먼저, 3.1 절의 메모리 태그의 사용절차에 따라 메모리 태그의 전력 소모가 어떤 형태인지 분석한다. 사용절차와 전력 소모량 분석 내용을 Table 4에서 제시한다.

Table 4 Assumptions and power consumption analysis​​​​​​​

전력 소모량을 분석하기 위하여 다음의 조건을 가정한다.

1) CR 시리즈 코인 배터리: 1000 mAH * 3V, 즉, 1000 mAH, 배터리 용량은 상수로 가정한다.

2) 컨텐츠 전송 시간: 20초, 블루투스 페어링 시간을 상수로 가정하면 컨텐츠의 크기에 따라 시간이 달라지지만 본 논문에서는 20초로 가정한다.

3) sleep 시의 전력소모와 active때의 전력소모는 Fig. 7의 내용을 따른다.

Fig. 7. The graph of 2 design’s life time.​​​​​​​

4) 사용자가 메모리 태그를 스캔할 때마다 전력이 소모되므로 그 횟수를 X로 정의한다.

5) 메모리 태그가 최종적으로 동작 가능한 시간을 Y로 정의한다.

이때, 2가지 방식의 전력소모량에 따른 지속가능 수명은 다음 수식과 같다. 이때 변수 X는 태그로부터 매뉴얼을 얻은 횟수이고 Y는 동일한 배터리를 사용할 때 예상 수명이다. 예상수명은 sleep때의 전력소모량과 매뉴얼을 전송할 때의 전력소모량의 합이므로 아래의 수식으로 정리된다.

1) SoC 기반 설계

\(\begin{aligned} 1000 \mathrm{mAH}=0.0218 \mathrm{~mA} * \mathrm{Y} \mathrm{H}+20 / 3600 \mathrm{H} * \\ 53.2 \mathrm{~mA} * \mathrm{X}=\mathrm{Y} \mathrm{H}=(1000 \mathrm{mAH}-1064 \mathrm{~mA} / 3600\\ \mathrm{H} * \mathrm{X}) / 0.0218 \mathrm{~mA}=(1000 \mathrm{H}-0.3 \mathrm{H} * \mathrm{X}) / 0.0218 \\ =45872-14 * \mathrm{X} \end{aligned}\)       (1)

2) 전전력 모듈 기반 설계

\(\begin{aligned} {1000 \mathrm{mAH}=0.0258 \mathrm{~mA} * \mathrm{Y} \mathrm{H}+20 / 3600 \mathrm{H} *} \\ 45.3 \mathrm{~mA} * \mathrm{X}=>\mathrm{Y}=(1000 \mathrm{mAH}-906 \mathrm{~mA} / 3600 \mathrm{H}\\ * \mathrm{X}) / 0.0258 \mathrm{~mA}=(1000 \mathrm{H}-0.25 \mathrm{H} * \mathrm{X}) / 0.0258 \\ =38760-9.7 * \mathrm{X} \end{aligned}\)       (2)

식 (1)과 (2)를 X 축과 Y축의 그래프를 그리면 Fig. 7과 같다. 그림에서 Y 측은 수명을 나타내며 X 축은 태그를 스캔하여 매뉴얼 정보를 얻은 횟수이다. Y축은 시간인데 수식(1)은 태그를 1번도 스캔하지 않으면 5.2년을 사용할 수 있다는 의미이다. 태그를 많이 스캔할수록 수명은 줄어드는데 1일에 1번씩 스캔한다고 가정하면 수식 (1)의 경우 4.6년을 사용한다는 의미이다. 수식 (2)의 경우에도 충분히 내구년 한을 갖는다고 볼 수 있다. Fig. 7에서 1653번 이상 스캔할 경우 SoC에 의한 설계보다 저전력 모듈을 이용한 설계가 더 오래 사용한다는 의미이므로 구현시 이를 반영하면 좀 더 적절한 메모리태그를 구현할 수 있다.

4. 오프라인 매뉴얼 시스템

Fig. 8은 1칩 기반으로 설계하고 제작된 cc2541보드의 모습을 보여준다. 그림에서 NFC 태그 안테나, 외장 플래시 메모리, cc2541 칩 등을 확인할 수 있다. 그림의 오른쪽 스마트폰 앱에서 NFC 리더 기능을 활성화한 후에 스마트폰을 스캔하면 Fig. 9와 같이 플래시 메모리에 저장된 매뉴얼이 스마트폰으로 전달되어 출력되는 것을 알 수 있다.

Fig. 8. Implementation of the cc2541 based H/W and antenna.​​​​​​​

FIg. 9. A manual for the device.​​​​​​​

보조발전기 매뉴얼은 텍스트를 간결화하고 이미지, 사진 등의 멀티미디어 자료를 적극 사용함으로써 기존 텍스트 위주의 매뉴얼 해석 어려움에 따른 문제 처리 지연의 주요 원인을 해결할 수 있다. 모바일 기기에 내장되는 매뉴얼의 형태는 매뉴얼의 활용 목적(문제해결, 교육시범, 사용법 등), 현장 특성(전투, 재난, 응급 등), 사용자 요구(직종, 수준 등) 등에 따라 멀티미디어 요소를 다양하게 활용하여 온라인 콘텐츠로 개발할 수 있다[12]. 플래시 메모리의 저장 용량에 따라서도 매뉴얼의 분량과 멀티미디어 요소 등을 조절할 수 있다.

5. 향후 연구 및 결론

전투 현장이나 재난/재해 현장은 통신 인프라가 쉽게 붕괴되기 때문에 인터넷과 같은 온라인 통신을 기대하기 어렵다. 이때 전투장비 등의 유지보수 매뉴얼이나 인명구조 장비의 사용법, 또는 탈출 경로 지정지도 등을 스마트폰으로 오프라인에서 얻을 수 있다면 매우 유용할 것이다. 본 논문에서는 전투장비나 구호장비에 부착된 메모리 태그가 사용자의 스마트단말과 연동하여 오프라인으로 유지보수 매뉴얼을 전송하고 표시하는 체계를 제안한다.

문제는 메모리 태그가 저전력 소모로 설계되어야 하는데 본 논문에서는 2가지 방안, SoC 1칩으로 구현 하는 방안과 저전력소모 모듈을 구성하여 설계하는 방안을 제시하고 각각의 전력소모를 분석하였다. 2 가지 방안 모두 충분히 저전력 소모를 지원하는 것을 보였으며 각각의 방식이 전력소모 특성을 제시하였다. 그 중 1칩으로 설계하고 구현한 오프라인 유지보수 체계를 제시하였다. 이러한 메모리 태그는 전투현장 뿐만 아니라 재난/재해 현장에서도 충분히 활용될 수 있을 것으로 기대한다.