일부 조사에 따르면 지능형 운전자 지원 시스템을 통해 교통사고를 20~30% 까지 예방할 수 있다. 앞으로 수년 내에 운전자 지원 시스템은 옵션이 아니라 필수 안전 기능이 될 것이다. 자동차 업계의 주된 과제는 운전자 지원 시스템의 비용 효율을 높여 고급 모델뿐 아니라 중소형 차량에도 장착할 수 있도록 하는 것이다.
현재의 운전자 지원 시스템은 레이더, 컴퓨터 영상 및 센서와 같은 여러 기술을 기반으로 한다. 일반적으로 이러한 모든 기술을 하나의 시스템으로 통합하면 비용이 많이 드는 복잡한 솔루션이 된다. 이제 지그비 프로토콜의 비용 효율적인 저전력 보안 무선 네트워크 기능을 활용하는 완벽한 지그비(ZigBee짋) 기반의 운전자 지원 시스템 솔루션을 제안하고자 한다. 이 솔루션은 차량이 도로에서 사전 설정된 웨이포인트에 도착하면 운전자에게 이를 경보 및 알리는 것을 목표로 한다. 각 웨이포인트에는 지그비 기반 유닛이 설치되어 접근하는 차량에 내장된 대응 지그비 유닛으로 관련 정보를 방송한다. 이러한 시스템을 통해 인간의 시각과 도로의 조명 조건에 대한 의존도를 현저히 낮출 수 있다. 이 유연성 높은 구상은 다음과 같은 기능을 수행할 수 있다.
- 접근 차량, 도로 공사 구간, 학교 및 병원 지구, 사각 지대로 접근하는 차량 및 기타 다양한 위험 조건에 대해 운전자에게 경보
- 이정표, 도로 표지판 또는 인근 드라이브인(drive-in) 식당의 메뉴와 같은 간단한 광고로 활용 가능
- 교차로를 통과하는 차량 수 등의 교통량 통계를 기록 및 전송하는 웨이포인트 노드로 사용 가능. 이러한 노드를 도시 내 주요 위치의 대기 품질, 온도 또는 습도를 측정하는 센서와 연결하고, 다양한 웨이포인트 노드로 구성된 메시 네트워크를 통해 모든 판독치를 차량 내 유닛 및 중앙 게이트웨이 노드에 방송하여 추가로 처리할 수 있다.
- 차량이 진입 지점에 도달하기 전에 통행료 계산을 처리할 수 있는 보안 지그비 연결을 활용하여 주차장 및 유료 도로의 자동화 무인 통행료 징수 시스템 구축
요약하자면, 이 솔루션은 차량 대 도로 통신에서 적절한 양의 데이터 처리가 필요한 모든 분야에서 활용될 수 있다.
지그비 네트워크
지그비 네트워킹 스택은 저속 데이터 전송, 저전력 네트워크에 사용되는 PHY(물리) 계층과 MAC (Medium Access Control) 계층을 정의하는 IEEE짋 802.15.4 표준을 기반으로 구성된다. 지그비는 802.15.4에 NWK(네트워크) 및 APL(애플리케이션) 계층 사양을 추가하여 표준 지그비 스택이라 불리는 솔루션을 완성하는 역할을 한다. 지그비 네트워크에 대한 자세한 내용은 Beyond Bits 4의 지그비/IEEE 802.15.4를 사용한 위치 모니터링(Loca-tion Monitoring Using ZigBee/IEEE 802.15.4) 기사에서 확인할 수 있다. 솔루션 네트워크에는 다음과 같은 유형의 지그비 노드가 포함된다.
- 게이트웨이 노드: 교통 통제소 또는 경찰서에 배치되어 인근에 있는 웨이포인트 노드에서 정보를 수집하고 동기화하는 노드이다. 각 게이트웨이 노드는 이더넷 연결을 통해 인터넷에 연결되는데, 인터넷이 모든 게이트웨이 노드를 함께 연결하는 백본의 역할을 한다. 교통 데이터 기록 애플리케이션과 더불어 일반적으로 도시 행정 범위에 속하거나 포괄적인 적용 범위가 필요한 모든 종류의 애플리케이션에는 웨이포인트 노드의 네트워크가 필요하다. 이는 중앙 데이터 수집 및 분석뿐 아니라 원격 노드의 업데이트 및 유지보수에도 활용된다.
- 웨이포인트 노드: 웨이포인트 노드에는 네트워크형 및 독립형의 두 가지 유형이 있다. 네트워크형 노드는 대량의 데이터 기록 작업을 수행하며 게이트웨이 노드에 영구적으로 연결되며, 주요 도로, 고속도로 진입로 및 출구, 주요 교차로 등에 배치할 수 있다. 교통 정보의 획득 및 전송 외에도 가까운 주유소 또는 병원 등과 같이 유용한 운전자 정보를 자동차 유닛 노드로 방송할 수 있다. 각 자동차 유닛이 웨이포인트 노드에 행선지를 알리고, 웨이포인트 노드는 관련 정보로 이에 응답하기 위해서 웨이포인트 노드는 도로의 양방향 교통량을 처리할 수 있어야 한다. 네트워크형 노드는 게이트웨이 노드를 사용하여 메시 네트워크로 연결되므로 인근의 주요 신설 건물 및 공익 시설에 대한 정보를 업데이트할 수 있다.
독립형 노드는 임시로 배치되는 노드이며 해당 지역 내의 게이트웨이 노드와 연결되거나 연결되지 않을 수도 있다. 이는 접근하는 차량에 사고, 공사 중, 기타 도로의 위험 상황에 대해 경고하는 비상 알림 노드로 사용되며, 위험 상황이 해결되면 제거가 가능하다. 또한 독립형 웨이포인트는 광고로 사용될 수도 있으며, 이 경우에는 도시 행정 웨이포인트 네트워크와 연결할 필요가 없다.
- 자동차 유닛 노드: 각 자동차에 배치되어 웨이포인트 노드와 통신하는 노드이다. 이 노드는 사용자가 편리하게 시스템에 액세스할 수 있도록 키패드, LED 디스플레이 또는 LCD 등과 같은 휴먼 인터페이스를 갖추게 된다.
그림 1에서 1~4로 표시된 웨이포인트는 다음과 같은 기능을 제공한다.
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1. 잠재적인 사각 지대의 차량 접근 경보 제공
2. 주유소, 쇼핑 센터, 병원 등과 같은 다양한 표지물에 대한 정보 제공
3. 철도 건널목의 기차 접근 정보 제공
4. 공사 및 기타 교통 장애물에 대한 경보 임시 제공
설정 및 애플리케이션
모든 지그비 자동차 유닛에는 차량 등록 번호와 유사한 고유의 ID가 할당되어 있다. 자동차 유닛은 주기적인 간격으로 ID가 포함된 ‘핑(ping)’ 패킷을 전송한다. 웨이포인트 유닛은 핑을 수신하면 이에 대응하여 특정 메시지를 전송한다. 크게 볼 때 애플리케이션은 다음과 같은 세 가지 범주로 구분할 수 있다.
- 경보 시나리오
- 정보 방송
- 데이터 기록
경보 시나리오
정보를 사용하여 앞쪽 도로의 위험 상황에 대해 운전자에게 경보를 제공하는 시나리오이다. 웨이포인트 유닛이 접근하는 차량을 감지하고 도래할 다음과 같은 위험을 알리는 경보 메시지를 전송한다.
- 과속 방지턱 또는 감속 차선
- 시야 불량 모퉁이
- 도로 유지보수
- 주차 금지, 진입 금지 또는 학교 지구 등 제한속도 변경
- 횡단보도, 병원 또는 소방서 출입구
- 특히 경사 지대를 포함한 편도 1차선 곡선 도로에서의 차량 접근
그림 2에는 적절한 시기에 사전 경고를 하여 자동차 운전자가 정정 조치를 취하도록 만들 수 있는 웨이포인트 유닛 배치 방법이 나와있다. 시야 불량 모퉁이 지역에서 차량에 경고가 전달되는 과정은 다음과 같다.
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- 그림 2에서 웨이포인트 노드는 교차로에 접근하는 차량 A를 감지(해당 자동차 핑 수신)
- 웨이포인트 노드는 차량 A의 ID를 기록하고 ‘시야 불량 모퉁이’ 경보를 전송한다.
- 이 경고 패킷이 수신되면 차량 A의 자동차 유닛이 운전자에게 ‘시야 불량 모퉁이’ 경보를 시청각 경고로 알린다.
- 이제 차량 A가 아직 웨이포인트 노드의 범위 내에 있는 상태에서 차량 B가 웨이포인트 노드의 범위 내로 들어온다.
- 웨이포인트 노드는 차량 B를 감지하고 방송 메시지를 ‘복수 차량이 시야 불량 모퉁이로 접근 중’으로 변경한다. 이 메시지는 방송이므로 두 차량이 모두 수신하게 된다.
- 다시 두 차량의 자동차 유닛이 경고음을 울리고 적색 LED를 점등한다. 또한 각 자동차의 LCD에는 경고 메시지가 표시된다.
- 두 자동차의 운전자는 필요에 따라 속도를 낮추거나 정지한다.
- 두 차량이 모두 웨이포인트 노드의 범위를 벗어나면 방송이 중지된다.
모든 경보 시나리오에서는 운전자가 대응할 시간을 충분히 가질 수 있도록 조기에 메시지를 보낼 수 있는 위치에 웨이포인트 유닛을 배치해야 한다. 유닛의 올바른 배치는 다음과 같은 요소에 따라 결정된다.
- 요소 1: 웨이포인트 유닛 또는 자동차 유닛의 방송 범위(짧은 쪽 기준)
- 요소 2: 자동차 유닛과 웨이포인트 유닛 간 지그비 연결의 데이터 전송 속도
- 요소 3: 인간의 평균 반응 시간
- 요소 4: 규정 제한 속도, 차량이 정지하기까지 필요한 평균 거리를 판단하는 데 사용됨
차량 A와 차량 B가 동시에 규정 제한 속도(요소 4)인 70Km/h(19.44m/s)의 속도로 시야 불량 모퉁이에 접근하는 상황을 가정해 보자. 요소 1은 50m(예상치)이고 요소 2인 데이터 전송 속도는 50Kbps이다. 70Km/h의 속도에서 대략적인 정지 거리는 운전자의 반응 시간을 포함하여 43m이다. 경고 메시지는 800비트 길이라고 할 수 있다.
차량 A 및 B는 웨이포인트 노드에서 50m 떨어진 곳에서 감지되며, 데이터 전송 속도가 50Kbps이므로 800비트 경보 메시지를 전송하는 데 16ms가 소요되고 이 시간 동안 차량은 약 32cms의 거리를 이동한다. 50m에서 이 값을 빼더라도 아직 43m의 정지 거리에 충분한 여유가 있다.
정보 방송
이 애플리케이션 범주는 핵심 안전보다 1단계 낮은 범위에서 다양한 상업 주체의 간단한 광고에 이르는 정보를 운전자에게 제공한다. 여기에는 다음과 같은 예가 있다.
- 도로 표지판
- 가장 가까운 주유소
- 가장 가까운 병원, 호텔, 시장, 자동차 정비소 및 기타 표지물 정보
- 위치 안내(예: 목적지 A는 2km 직진, 목적지 B는 우회전 후 3km, 목적지 C는 현재 위치에서 좌회전 후 3km 등)
- 도로변 식당 광고
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데이터 기록
주요 교차로와 고속도로 진입로 및 출입로에 있는 웨이포인트 유닛은 통과하는 차량의 ID와 타임스탬프 기록을 보관한다. 노드는 작동 범위 내에서 차량의 진입 및 이탈 시간의 타임스탬프를 만들고 이 범위 내에서 머문 시간을 기록한다. 도시 계획 담당자는 이를 통해 교통 패턴 및 통행량을 분석할 수 있다.
위치에 따라 수십 개의 웨이포인트 유닛이 메시 네트워크를 통해 게이트웨이 노드에 연결되고, 게이트웨이 노드는 행정기관의 LAN과 통합될 수 있다. 게이트웨이 노드는 메시 네트워크에 속한 각 웨이포인트 유닛을 정기적으로 조회하여 마스터 로그를 업데이트한다. 마스터 로그에 기록된 정보를 검색하면 일별 또는 월별 기준으로 통합 보고서를 작성할 수 있다. 또한 대기 품질, 온도, 습도 센서를 단일 웨이포인트 유닛으로 통합하면 해당 지역의 대기 품질도 효율적으로 모니터링할 수 있다. 이러한 애플리케이션에는 다량의 데이터 기록이 필요하므로, 웨이포인트 유닛에 오류 정정 기능을 갖춘 내구성 높은 고속 비휘발성 메모리가 사용되어야 한다. 이 솔루션은 다음과 같은 단계를 통해 도난 차량 또는 도주 차량을 추적하는 데에도 사용될 수 있다.
- 특정 차량에 대한 경보가 발령되면 각 게이트웨이 노드에 해당 차량의 지그비 유닛 ID가 전송된다.
- 게이트웨이 노드는 이 정보를 ‘적색 경보’ 패킷과 함께 소속 웨이포인트 유닛으로 전달한다.
- 그러면 웨이포인트 유닛은 각 차량 ID를 ‘적색 경보’ ID와 비교할 수 있는 특수 모드를 시작한다. 웨이포인트 유닛에서 일치하는 차량을 발견하면 이를 게이트웨이 노드로 통보한다.
- 각 웨이포인트 유닛에서 차량을 식별한 시간을 포함하여 대략적인 차량 경로를 추적할 수 있다.
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시스템 정보
여기에서는 ‘이동 유닛’과 ‘고정 유닛’이란 용어를 소개하겠다. 차량에 설치된 지그비 유닛을 이동 유닛, 도로의 웨이포인트 유닛을 고정 유닛이라 부른다. 이동 유닛에서는 차량 대시보드의 LCD 화면과 LED 어레이가 오디오 경고와 함께 운전자에게 메시지를 표시하고 경보를 알리는 역할을 한다. 사용되는 LCD의 종류(구성 또는 컬러)는 사용되는 MCU의 종류와 유닛 가격에 따라 결정된다. MCF1322x PiP(Platform in a PackageTM)를 사용하는 경우 LCD는 SPI를 통해 연결할 수 있다.
LED는 GPIO 또는 RGPIO를 통해 구성될 수 있으며, LCD를 대체하는 저가형 솔루션으로 사용된다. 또한 웨이포인트 노드와 게이트웨이 노드에는 LCD가 필요 없으며, 기술자는 디버그 및 유지보수를 수행하는 동안에 노드를 노트북에 연결하여 정보를 확인할 수 있다. 오디오 경보 기능은 모든 이동형 노드에 필수적인 기능이다.
고정 유닛은 전력 절감을 위해 대부분의 시간 동안 휴면 모드로 유지되며, 접근하는 차량을 감지하면 작동이 시작된다. 또한 웨이포인트 구동과 배터리 충전에 태양열 에너지를 사용하여 24시간 배터리 효율을 높일 수 있다.
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프리스케일의 경쟁력
프리스케일은 하드웨어, 소프트웨어, 도구 및 레퍼런스 디자인을 비롯한 완벽한 지그비 호환 플랫폼 솔루션을 개발하는 데 사용되는 모든 구성 요소를 제공한다. 프리스케일은 지그비 트랜시버(무선) 및 저전력 MCU(마이크로 컨트롤러)로 첨단 싱글 칩 지그비 호환 PiP[1]에서 간소화된 2칩 솔루션에 이르는 범위의 하드웨어 솔루션을 제공한다. 2칩 솔루션의 경우 MCU에 LCD 컨트롤러 또는 2개 이상의 SPI 인터페이스가 포함되어야 한다.
다른 무선 네트워크의 간섭 없이 한 채널에서 안전하게 메시지를 전송하는 기능과 같은 지그비 고유의 기능을 통해 데이터의 손상 없는 전달이 보장된다. 모든 모듈에는 다음과 같은 기능의 프리스케일 MC1322x MCU가 포함된다.
- 128KB 직렬 플래시
- 96KB 정적 RAM
- 80KB ROM
- IEEE 802.15.4용 하드웨어 가속
차량 유닛에는 다음과 같은 추가 온보드 구성요소가 포함된다.
- 경보 및 기타 주요 정보를 표시하는 LED 패널
- 웨이포인트 노드에서 전송되는 메시지가 표시되는 LCD 패널(옵션)
데이터 로그 기능이 있는 웨이포인트 노드의 경우 SPI 플래시도 장착되며, MC1322x MCU에 내장된 SPI를 통해 인터페이스가 구성된다. 프리스케일은 또한 임베디드 애플리케이션 개발용으로 완벽한 IDE(통합 개발 환경)도 제공한다. 이 IDE는 무선 네트워킹 라이브러리, 애플리케이션 템플릿, 샘플 애플리케이션의 포괄적인 패키지인 BeeKitTM 무선 연결 툴키트로 보완된다.
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