학술논문
저전력 센서신호처리 SoC플랫폼에 관한 연구 : . / A Study of Low-Power Sensor Signal Processing SoC Platform
Document Type
Dissertation/ Thesis
Author
Source
Subject
Language
Korean
Abstract
Along with the recent advancement of Sensor device such as Ubiquitous Sensor Network, Intelligent Robot, Environmental Hazards detecting system, the demand for device which can grasp chemical and physical status and convert them to electrical signal is increasing. However, the data integrity measured by the sensor becomes lower due to weak sensor signal, variance of signal level and noise caused by the spatial and temporal variation in measurement condition. Also, the signal processing of measured data is performed by the part which collects and saves overall signals, not by sensor device. Sensor device is simple. But, when the number of sensor device is increasing, the data transmission to data acquisition device is also increasing, so it causes waste of transmission bandwidth, increased power consumption and overload of data acquisition device. Therefore, this thesis proposes to use multiple sensor devices in array to improve the reliability of measured sensor signal. Also, using spatial and temporal relationship based on multiple sensor data, digital signal processing technology that improves and adjusts sensor signal was included in the platform to reduce waste of wireless bandwidth and load of data acquisition device, and a communication protocol was developed, which supports various sensor types and minimizes the transmission data. Thus, multiple arrayed sensor device, signal processing system and communication protocol were combined to implement a demo system to verify sensor signal processing platform. Finally, to increase availability of sensor signal processing platform which is operated with the limited battery power, a low power sensor technology which performs power management at overall platform level, considering the characteristics of platform components, is proposed and realized. And, for the battery management technology, algorithms of Ubiquitous Sensor Network device was used to measure the battery use time and optimize with the time data and the battery management algorithms were applied to image transmission application. As a result, by compromising the performance and life time of battery according to the characteristic of image data, performance waste was minimized while achieving maximum use lifetime of battery.
유비쿼터스 센서 네트워크(USN), 지능형로봇, 환경위해요소 감시시스템과 같이 최근 센서 장치(Sensor device) 기술의 발전으로 화학적, 물리적 상태를 파악하고 전기신호로 전달할 수 있는 장치의 수요가 증가하고 있다. 그러나 센서 신호의 미약함, 측정 조건의 공간적/시간적 변화에 따른 신호레벨의 변화, 잡음 등의 이유로 센서에서 측정된 데이터의 신뢰성이 낮아진다. 또한 측정 데이터의 신호처리는 센서장치가 아닌 전체신호를 수집하고 저장되는 부분에서 이루어진다. 센서장치는 간단하지만, 센서장치의 개수가 증가되면, 데이터수집장치(DAQ)에 데이터전송이 증가하여 전송대역폭의 낭비와 그로인한 센서장치의 전원소모의 증가와 수집장치의 과부하를 야기한다. 그러므로 본 논문에서는 센서 측정신호의 신뢰성 향상을 위하여 다중의 센서장치를 배열형태로 사용하는 구조를 제안한다. 그리고 무선 대역폭의 낭비와 데이터 수집장치 부하를 줄이기 위하여 센서장치에 다수의 센서 데이터를 기반으로 공간적 / 시간적 상관관계를 이용하여 센서신호(Sensor signal)의 향상과 보정을 수행하는 디지털 신호처리 기술을 플랫폼에 포함하였고, 다양한 센서 형식을 지원하고 전송데이터를 최소화하는 통신프로토콜을 제작하였다. 이와 같이 다중 어레이형태의 센서장치, 신호처리시스템과 통신프로토콜을 모두 결합하여 센서신호처리 플랫폼을 검증하는 데모 시스템을 구현하였다. 마지막으로 한정적인 배터리 전원을 사용하는 센서신호처리플랫폼의 사용시간 증가를 위하여 전체 플랫폼 수준에서 전력 관리를 수행하고 플랫폼 구성 요소의 특성을 고려한 저전력 기술을 제안하고 구현한다. 그리고 배터리 관리 기술은 USN기기에 관리 알고리즘을 이용하여 실험을 통해서 배터리 사용시간 측정하고 그 시간데이터를 이용하여 최적화를 진행하였고, 배터리 관리 알고리즘을 영상전송 어플리케이션에 적용하였다. 그래서 전송될 영상데이터의 특성에 맞추어서 성능과 배터리시간의 절충하여 성능의 손실은 최소화하고 최대의 배터리 시간 향상을 달성하였다.
유비쿼터스 센서 네트워크(USN), 지능형로봇, 환경위해요소 감시시스템과 같이 최근 센서 장치(Sensor device) 기술의 발전으로 화학적, 물리적 상태를 파악하고 전기신호로 전달할 수 있는 장치의 수요가 증가하고 있다. 그러나 센서 신호의 미약함, 측정 조건의 공간적/시간적 변화에 따른 신호레벨의 변화, 잡음 등의 이유로 센서에서 측정된 데이터의 신뢰성이 낮아진다. 또한 측정 데이터의 신호처리는 센서장치가 아닌 전체신호를 수집하고 저장되는 부분에서 이루어진다. 센서장치는 간단하지만, 센서장치의 개수가 증가되면, 데이터수집장치(DAQ)에 데이터전송이 증가하여 전송대역폭의 낭비와 그로인한 센서장치의 전원소모의 증가와 수집장치의 과부하를 야기한다. 그러므로 본 논문에서는 센서 측정신호의 신뢰성 향상을 위하여 다중의 센서장치를 배열형태로 사용하는 구조를 제안한다. 그리고 무선 대역폭의 낭비와 데이터 수집장치 부하를 줄이기 위하여 센서장치에 다수의 센서 데이터를 기반으로 공간적 / 시간적 상관관계를 이용하여 센서신호(Sensor signal)의 향상과 보정을 수행하는 디지털 신호처리 기술을 플랫폼에 포함하였고, 다양한 센서 형식을 지원하고 전송데이터를 최소화하는 통신프로토콜을 제작하였다. 이와 같이 다중 어레이형태의 센서장치, 신호처리시스템과 통신프로토콜을 모두 결합하여 센서신호처리 플랫폼을 검증하는 데모 시스템을 구현하였다. 마지막으로 한정적인 배터리 전원을 사용하는 센서신호처리플랫폼의 사용시간 증가를 위하여 전체 플랫폼 수준에서 전력 관리를 수행하고 플랫폼 구성 요소의 특성을 고려한 저전력 기술을 제안하고 구현한다. 그리고 배터리 관리 기술은 USN기기에 관리 알고리즘을 이용하여 실험을 통해서 배터리 사용시간 측정하고 그 시간데이터를 이용하여 최적화를 진행하였고, 배터리 관리 알고리즘을 영상전송 어플리케이션에 적용하였다. 그래서 전송될 영상데이터의 특성에 맞추어서 성능과 배터리시간의 절충하여 성능의 손실은 최소화하고 최대의 배터리 시간 향상을 달성하였다.