생체신호 전송을 위한 Zigbee 라우팅에 대한 연구 = A Study of Zigbee routing for vital-sign transmission

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently ubiquitous health which can monitor individual health condition always and everywhere is being researched. Ubiquitous health is required a stable and continuous vitar-sign transmission and monitoring. This research is fir studying an efficient routing system to transfer a vital-sign which is measured in sensing node to think node with Zigbee routing protocol.
In this research, HBE-ZigbeX module was used, TempMon and Tree program which are based on TinyOS 1.0, was modified and used. Regarding routing protocol, Flooding, Gossiping, LEACH, Tree were used in this research. Sampling, the number of sensing nodes and routers for each routing protocols observed to has influenced on transmission rate. Continuous operating hour of each routing protocol is measured. Flooding routing protocol, in case of test condition that sensing nodes are 2 and sampling is above 250Hz, ECG waveform was checked a serious distortion. When routers are connected more than 2, ECG waveform wasn't showed normaly because of the packet implosion and bottleneck. In case of Gossiping and LEACH routing protocol, ECG waveform is generated a distortion and transmission rate are decreased to 90% when the sensing nodes are over 2. If sampling is increased, transmission rates are decreased inversly. In case of Gossiping routing protocol, if router is used, transmission rates are under 60% because of the probability packet transmission. In case of LEACH routing protocol, if routers are more than 2, ECG waveform is generated a distortion. In case of tree routing protocol, when the sensing nodes are more than 5, sampling is over 200Hz, ECG waveform is generated a distortion. Continuous running time is checked as followed, Flooding(45 hours), LEACH(45 hours 30 min), Gossiping(46 hours 20 min), Tree(46 hours 40 min). In the test of transmission rate and continuous running time, tree routing protocol is tested best of all.
Flooding routing protocol, even sensing nodes are increasede, transmission rates are not changed clearly, but it made a network problem because of bottleneck or implosion of packet. Gossiping routing protocol, this is upgraded from the problem of flooding such as bottleneck or implosion of packet, but it still has a few problems, such as decreasing transmission rates, distortion of ECG waveform. LEACH routing protocol, ECG waveform is stable during packet transmission, as to time delay of coordinator fixing or node synchronization, transmission rates is decreased. Tree routing protocol, ECG waveform and transmission rates are generated satisfied, but periodic beacon packet which is designed to set is caused decreasing transmission rates. Routing of hierarchical topology and prompt processing for topology change of ad hoc will be possible ubiquitous health system with greater mobility.

국문 초록 (Abstract)

최근에 언제 어디서나 개인의 건강상태를 모니터링 할 수 있는 유비쿼터스 헬스가 연구되고 있다. 유비쿼터스 헬스가 이루어지기 위해서는 지속적이고 안정적인 생체신호 전송 및 모니터링이 필수적이다. 본 연구에서는 Zigbee 통신 방식을 이용하여 센싱노드에서 측정된 생체신호를 싱크노드로 전송하기 위한 효율적인 라우팅 방식에 대하여 연구하고자 한다.
본 연구에서는 한백전자의 HBE-ZigbeX 모듈을 사용하였고, 프로그램은 TinyOS 1.0을 기반으로 하는 Tree 프로그램과 TempMon 프로그램을 수정하여 사용하였다. 라우팅 프로토콜은 Flooding 라우팅 프로토콜, Gossiping 라우팅 프로토콜, LEACH 라우팅 프로토콜, Tree 라우팅 프로토콜을 사용하였다. 각각의 라우팅 프로토콜에서 샘플링, 센싱노드와 라우터의 개수 변화가 전송률에 미치는 영향에 대해서 관찰하였다. 그리고 각각의 라우팅 프로토콜의 연속사용시간을 측정하였다.
Flooding 라우팅 프로토콜은 센싱노드가 2개 이상이고, 샘플링은 250Hz 이상인 경우, 심전도 파형의 심각한 왜곡이 발생하는 것을 관찰하였다. 라우터가 2개 이상이 되었을 경우에는 데이터의 중복수신과 병목현상으로 인하여 정상적인 심전도 파형을 관찰할 수 없었다. Gossiping 라우팅 프로토콜과 LEACH 라우팅 프로토콜은 센싱노드가 2개 이상이 되었을 경우, 심전도 파형의 왜곡이 발생하고, 전송률도 90% 이하로 감소하였다. 샘플링이 증가할수록 전송률이 반비례하게 감소하였다. Gossiping 라우팅 프로토콜은 라우터를 사용하였을 경우, 확률적인 데이터 전송으로 인하여 60% 이하의 낮은 전송률을 보였다. LEACH 라우팅 프로토콜은 라우터가 2개 이상이 되었을 경우, 심전도 파형의 왜곡이 발생하였다. Tree 라우팅 프로토콜은 센싱노드 개수가 5개 이상이고, 샘플링이 200Hz 이상일 경우, 심전도 파형의 왜곡이 발생하였다. 연속사용시간은 Flooding(45시간 30분), LEACH(45시간 40분), Gossiping(46시간 20분), Tree(46시간 40분)의 순으로 나타났다. 전송률과 연속사용시간 실험에서 Tree 라우팅 프로토콜이 가장 양호한 것으로 관찰되었다. Flooding 라우팅 프로토콜은 센싱노드의 개수가 증가해도 전송률의 감소가 크게 나타나지 않았지만, 병목현상이나 패킷의 중복 수신으로 네트워크에 문제를 야기시켰다. Gossiping 라우팅 프로토콜은 Flooding의 중복 수신이나 병목현상을 보완하여 만든 프로토콜이지만 확률적으로 패킷을 전송하여 패킷 손실이 일어나서 전송률을 감소시키고, 심전도 파형의 심각한 왜곡을 발생시켰다. LEACH 라우팅 프로토콜은 데이터를 전송하는 동안은 심전도 파형이 안정된 상태를 보였지만, 코디네이터 선정이나 노드간의 동기화에 의한 시간지연으로 전송률의 저하를 가져왔다. Tree 라우팅 프로토콜은 심전도 파형이나 전송률이 전반적으로 양호하게 나타났지만, 홉 설정하기 위한 주기적인 비콘 패킷의 전송이 전송률 감소의 요인이 되었다. 결론적으로 실시간 생체신호 전송을 위한 Zigbee 라우팅에서 Ad hoc 라우팅을 사용하기 위해서 중복수신, 병목현상 등의 문제점을 해결해야 하고, 계층적 구조 라우팅에서는 네트워크 동기화로 인한 시간지연 문제를 해결하여야 할 것이다. 이러한 문제점을 해결하여 이동성이 큰 유비쿼터스 헬스시스템을 구축하기 위해서는 계층적 구조 라우팅의 경로설정과 Ad hoc 라우팅의 토폴로지 변화에 대한 신속한 대응을 잘 접목시켜야 할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 1
• Ⅱ. 이론 = 4
• 2-1 Zigbee 개요 = 4
• 2-1-1 Zigbee의 특징 = 4
• 2-1-2 Zigbee 프로토콜 스택 = 5
• 2-2 Zigbee 네트워크 토폴로지 = 5
• 2-2-1 Star 토폴로지 = 5
• 2-2-2 Peer-to-Peer 토폴로지 = 6
• 2-3 Zigbee 네트워크 라우팅 = 7
• 2-3-1 계층적 구조 라우팅 = 8
• 2-3-2 AODV 기반 라우팅 = 8
• 2-4 Zigbee 네트워크 라우팅 응용 = 8
• 2-4-1 Flooding 라우팅 프로토콜 = 9
• 2-4-2 Gossiping 라우팅 프로토콜 = 10
• 2-4-3 LEACH 라우팅 프로토콜 = 11
• 2-4-4 Tree 라우팅 프로토콜 = 13
• 2-5 심전도 = 14
• 2-5-1 심장의 구조와 기능 = 14
• 2-5-2 심전도 파형 = 14
• 2-6 TinyOS = 15
• Ⅲ. 실험재료 = 16
• 3-1 실험장비 = 16
• 3-2 장비 구성도 = 18
• 3-3 프로그래밍 = 18
• 3-4 모니터링 프로그램 구현 = 22
• 3-4-1 시리얼 포트 설정 = 22
• 3-4-2 시리얼 데이터 읽기 = 23
• 3-4-3 데이터 파싱 = 24
• 3-4-4 데이터 모니터링 = 25
• 3-4-5 데이터 저장 = 26
• Ⅳ. 실험방법 = 27
• 4-1 샘플링과 센싱노드 개수에 따른 전송률 = 27
• 4-2 라우터와 센싱노드 개수에 따른 전송률 = 29
• 4-3 연속사용시간 측정 = 32
• Ⅴ. 실험결과 = 34
• 5-1 샘플링과 센싱노드 개수에 따른 전송률 = 34
• 5-1-1 Flooding 라우팅 프로토콜 = 34
• 5-1-2 Gossiping 라우팅 프로토콜 = 36
• 5-1-3 LEACH 라우팅 프로토콜 = 38
• 5-1-4 Tree 라우팅 프로토콜 = 40
• 5-1-5 심전도 파형 비교 = 42
• 5-2 라우터와 센싱노드 개수에 따른 전송률 = 44
• 5-2-1 Flooding 라우팅 프로토콜 = 44
• 5-2-2 Gossiping 라우팅 프로토콜 = 46
• 5-2-3 LEACH 라우팅 프로토콜 = 47
• 5-2-4 Tree 라우팅 프로토콜 = 49
• 5-2-5 심전도 파형 비교 = 51
• 5-3 연속사용시간 = 53
• Ⅵ. 결론 = 55
• 참고문헌 = 57
• 영문초록 = 59
• 국문초록 = 62