가전기기를 위한 BLE 리모컨 및 통신 프로토콜 구현 = BLE Remote Controller and Communication Protocol Implementation for Home Appliances

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

BLE remote controller is a new market that sustainable development is expected with the growth of BLE market. Such market existing technologies for the development of the implementation communication using BLE module
for the development of products that are required to realize the commercialized product to release a product for the market and meet the user's needs change in the improved ease of using the algorithm requires that the communication protocol of the new pattern, the situation requires a study for implementing them.
This research shows that, in order to control a plurality of home appliances by a single remote control, it is necessary to operate the remote control as a master, the remote controller must be turned on for the use. When using the remote controller as a slave for the purpose of low energy consumption of the BLE, it is impossible to control a plurality of home appliances by a single remote control. In order to solve this problem, by mounting two module BLE one remote control, we have proposed a method of controlling a plurality of home appliances. The low power modules in the BLE Bluetooth remote control, and was designed as a multi-remote controller using the BLE and alternative modules in the remote control in a manner that implements existing protocols and develop a new algorithm for the communication between the controller, a model similar to the model of the product BLE easily applied when it was possible to design a communication protocol developed by. In addition, the remote control modules has been developed in a more convenient products with continuous updates design in
the remote controller design and the design of the remote control LCD UI.
In the future, we will develope products that can be controlled by Android and IOS apps. in smartphones, a communication algorithm and H /W which can lead to the development a stable and user-friendly BLE remote
control modules.

국문 초록 (Abstract)

최근 IT 기술의 발달, 그 중에서도 무선 통신의 발달로 인해 우리 생활이 더욱 편리해 졌다. 그로 인하여 가정 및 사회에서도 선이 많이 없어지고 있는데, 그 예로 무선 인터넷, 무선 키보드와 마우스, 무선 청소기, 무선 휴대폰 충전기 등이 있다.
무선의 종류도 다양하게 있는데 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), NFC(Near Field Communication), 지그비(Zigbee), IR(Infrared Ray), RF(Radio Frequency) 등이 있다.[1] 하지만 무선에서도 성능은 좋지만, 전력소모가 많아 고정된 곳에서만 사용해야 되는 경우도 있고, 초 근거리 무선 통신만 가능한 경우도 있다. 그리하여 최근 들어 무선 통신에서도 저 전력(Low Energy), 저 전파 방해, 호환성 등이 이슈가 되고 있는데, 이 모든 걸 갖춘 블루투스가 각광 받고 있다.
블루투스는 1994년 스웨덴의 통신기기 제조회사인 에릭슨에서 처음 연구되기 시작했으며, 1998년에 블루투스 SIG(Special Internet Group)가 발족하였고, 현재 마이크로소프트, 루슨트 테크롤로지, 스리콤 등 세계적인 기업이 참여하며 전 세계적인 표준 규격으로 자리 잡았다.[2]
블루투스의 장점은 저렴한 가격과 저 전력(100mW)으로 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있으며, 주파수 대역을 나누기 때문에 데이터 전송을 여러 주파수에 걸쳐서 분할해 보낼 수 있다.[3] 이 때문에 무선 전송에 따른 보안 위협에서도 상대적으로 안전하다. 그리고 블루투스 신호는 벽이나 가방 등을 통과해서 전송될 수 있으므로 배선이나 연결 상황을 육안으로 확인할 필요가 없고 장애물이 있어도 신호를 주고받을 수 있다. 주파수 특성도 전 방향으로 신호가 전송되므로 각 장치를 연결하기 위해 일정한 각도를 유지할 필요가 없어 사용하기에 편리하다. 마지막으로 무엇보다 전 세계 수많은 국가가 블루투스 표준 규격을 준수하기 때문에 세계 어느 곳에서나 같은 기술을 이용할 수 있다.[4]
블루투스는 1세대부터 현재 4세대까지 출시되었다. 1세대부터 3세대까지는 속도 업그레이드가 주였다면, 4세대부터 BLE(Bluetooth Low Energy)로 바뀌며, 손목시계용 코인 배터리로도 수년간 쓸 수 있을 정도로 소비 전력을 낮춘 저 전력으로 업그레이드가 되었다. 가장 많이 사용하는 블루투스 버전으로는 2세대 버전이며 1년 전 까지 출시되었던 스마트폰에도 주로 2세대 버전이 장착이 되었고, 다른 디바이스에도 2세대 버전이 많이 사용되어왔다. 얼마 전까지 BLE를 사용한 디바이스는 많이 출시되지 않았지만, 최근에 나온 스마트폰을 주축으로 4세대 버전이 사용되고 있어 저 전력의 중요성을 실감하고 있다.
이자인 등은 스마트폰 Wi-Fi로 외부 노트북, 데스크 탑 등의 디바이스에 원격으로 휴대폰 동작을 컨트롤 하는 연구를 하였고[5], 김형수 등은 와이파이 모듈을 이용하여 모형 자동차를 제어하는 시스템을 구현하였고[1], 이창무는 지그비를 이용하여 스마트 디바이스 환경의 망고보드에서 저 전력 시스템을 제안하였다.[6] 블루투스 통신을 이용한 연구로는 박준훈 등은 입체 변위 센서를 이용해 사용자와 장애물 사이의 거리를 측정하여 이를 블루투스 통신을 통해 전달하고 최종적으로 측정된 결과를 음성으로 전환하여 소형 스피커를 통해 경고 메시지와 함께 알려주는 시스템을 구현하였으며,[7] 고덕영 등은 블루투스 기술을 이용하여 차량에서 사용되는 핸즈프리용 헤드셋과 베이스를 설계, 제작 하였고,[8] 백정훈은 블루투스 모듈을 기저귀에 부착시켜 배뇨 발생을 보호자의 스마트폰에게 알려주는 배뇨 알람 장치의 구현 기술에 대하여 제시하였고,[9] 최용우 등은 스마트폰의 블루투스 기능을 이용하여 DC 모터를 제어하는 연구를 하였다.[10] 여러 가지 무선 통신을 이용한 디바이스 제어에 대한 연구 결과는 많이 발표되었지만, 최근에 발표된 저 전력 블루투스 모듈인 BLE를 이용한 디바이스 제어 관련 연구는 그리 많지 않다. 그리고 한 대의 리모컨으로 여러 대의 가전기기를 제어하기 위해서는 리모컨을 마스터로 하여야 하며, 이로 말미암아 리모컨은 항시 켜져 있어야 하며 이는 BLE의 목적과는 배치된다. BLE의 저 전력이라는 목적을 달성하기 위해서 리모컨을 슬레이브로 하였을 경우는 한 대의 리모컨으로 여러 대의 가전기기를 제어할 수 없게 된다.
본 논문에서는 이를 해결하기 위하여 저 전력 블루투스 모듈을 설계하고, 설계한 BLE 모듈을 포함한 가전기기 제어용 리모컨을 설계하며, 이를 이용하여 컨트롤러가 내장된 가전기기와 블루투스 통신을 이용한 가전기기 제어 방법을 연구하고자 한다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서 저 전력 블루투스 모듈 설계와 블루투스 통신 알고리즘을 구현하고 3장에서는 가전기기 제어를 위한 리모컨을 설계하며, 4장에서는 MCU(Micro Control Unit)를 사용하여 BLE 지원 리모컨 H/W(Hardware)를 구현하고 블루투스 통신을 위한 F/W(Firmware)를 구현하며, BLE 지원 리모컨과 가전기기 간 성능 테스트를 하여 본 논문에서 설계한 BLE를 사용한 리모컨이 가전기기를 잘 동작시킴을 확인하므로 설계 및 구현이 잘 되었음을 보이며, 5장에서는 결론을 도출하고 향후 연구 방향을 제시하고자 한다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• Ⅱ. 블루투스 통신 구조 및 모듈 설계 4
• 2.1 무선통신 종류 및 특징 4
• 2.2 블루투스 통신 6
• 2.3 블루투스 모듈 설계 11
• 2.4 블루투스 통신 알고리즘 12
• Ⅲ. 가전기기 제어를 위한 리모컨 설계 15
• 3.1 리모컨의 사양 및 기능 15
• 3.2 리모컨 요구 사항 및 화면 설계 16
• 3.3 리모컨 통신 프로토콜 및 알고리즘 20
• Ⅳ. BLE 지원 리모컨 구현 26
• 4.1 BLE 지원 리모컨 H/W 26
• 4.2 F/W 29
• 4.3 리모컨과 가전기기 간 성능 테스트 38
• Ⅴ. 결론 41
• 참고문헌 42
• Abstract 44