[논문 리뷰] A New Vision for Smart Objects and the Internet of Things: Mobile Robots and Long-Range UHF RFID Sensor Tags

Jennifer Wang, Erik Schluntz외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 09.

Modular Robots and Swarm IntelligenceEngineering참고 문헌 23인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 모바일 로봇이 장거리, 배터리가 필요 없는 UHF RFID 센서 태그와 상호작용하여 실제 환경에서 직접적인 몸체 기반 센싱을 가능하게 하는 인터넷 오브 things에 대한 새로운 비전을 제안한다. 배터리가 필요 없는 장거리 UHF RFID 리더를 장착한 자율 주행 및 비행 로봇을 사용하여, 토양 수분 측정, 수질 감시, 인프라 점검, 원격 센서 배치 등의 프로토타입 응용을 구현하였으며, 최대 10미터 거리에서 태그를 성공적으로 읽는 데 성공하였다.

ABSTRACT

We present a new vision for smart objects and the Internet of Things wherein mobile robots interact with wirelessly-powered, long-range, ultra-high frequency radio frequency identification (UHF RFID) tags outfitted with sensing capabilities. We explore the technology innovations driving this vision by examining recently-commercialized sensor tags that could be affixed-to or embedded-in objects or the environment to yield true embodied intelligence. Using a pair of autonomous mobile robots outfitted with UHF RFID readers, we explore several potential applications where mobile robots interact with sensor tags to perform tasks such as: soil moisture sensing, remote crop monitoring, infrastructure monitoring, water quality monitoring, and remote sensor deployment.

연구 동기 및 목표

• 장거리, 배터리가 필요 없는 UHF RFID 센서 태그와 모바일 로봇을 통합하여 직접적인 환경 센싱을 수행하는 것을 탐색하는 것.
• 자율 로봇이 실외 환경에서 RFID 태그로부터 센서 데이터를 읽는 것이 실현 가능한지 입증하는 것.
• UHF RFID 센서 태그가 로봇 및 IoT 응용 분야에서 확장 가능하고 저비용이며 내구성이 뛰어난 센싱 솔루션으로서의 잠재력을 입증하는 것.
• 접근하기 어려운 또는 원거리 위치에 있는 곳에 로봇을 활용해 센서 탑재 RFID 태그를 설치하고 상호작용하는 실용성 평가.
• 직접 센싱이 요구되는 로봇 응용 분야에서 기존 기술인 블루투스 저전력(BLE) 기술에 비해 UHF RFID 센서 태그의 장점 비교

제안 방법

• 상업용 UHF RFID 리더를 장착한 지상 로봇과 큐브로터 드론을 사용하여 센서 탑재 RFID 태그와 상호작용함.
• 장거리, 배터리가 필요 없는 환경 파rameter 측정이 가능한 Farsens Hydro 태그를 토양 수분 측정에 사용함.
• 드론에 장착된 보머 암을 통해 태그를 벽이나 나무 꼬리머리에 부착하여 배치함.
• 드론을 수면 위를 비행시켜 저항 감지 기능이 있는 RFID 태그를 사용해 전도도를 측정함으로써 원격 센싱 실험 수행.
• 건물의 지지 보에 부착된 태그에서 수분 함량을 읽는 방식으로 인프라 점검 수행.
• 수동 제어를 통해 최대 10미터 거리에서 태그의 가독성을 평가하고, 세 태그 모두에서 성공적인 데이터 확보를 확인함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실외 실생활 환경에서 장거리, 배터리가 필요 없는 UHF RFID 태그로부터 센서 데이터를 모바일 로봇이 신뢰성 있게 읽을 수 있는가?
• RQ2 자율 로봇이 건물 외벽이나 나무 우거진 수관과 같은 접근하기 어려운 곳에 센서 탑재 RFID 태그를 설치하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 직접 환경 센싱이 요구되는 로봇 응용 분야에서 UHF RFID 센서 태그가 기존의 블루투스 저전력(BLE) 센서에 비해 실질적인 장점이 있는가?
• RQ4 UHF RFID 센서 태그가 토양 수분, 수질, 구조적 안정성 등의 환경 파라미터를 장기적으로 저비용으로 확장 가능하게 모니터링할 수 있는가?
• RQ5 로봇과 센서 탑재 RFID 태그를 통합하여 IoT 및 로봇 응용 분야에서 시스템 수준의 과제와 기회는 무엇인가?

주요 결과

• 저지대 로봇과 드론이 UHF RFID 리더를 장착하고 현장에서 Farsens Hydro 태그를 사용해 직접적인 토양 수분 측정을 성공적으로 수행함.
• 10미터 떨어진 세 개의 센서 탑재 RFID 태그가 모두 지상 로봇에 의해 성공적으로 읽혀져 장거리 통신과 데이터 확보의 신뢰성을 확인함.
• 드론이 보머 암을 사용해 벽에 접착식 센서 태그를 부착하고 이후 재읽기 성공하여 접근하기 어려운 지역에서의 원격 태그 설치의 실현 가능성을 입증함.
• RC 제어 드론을 사용해 물속에 매달린 저항 감지 기능이 있는 RFID 태그에서 전도도 측정을 수행함으로써 장기적인 수질 모니터링 잠재력 입증.
• 드론이 나무에 부착된 빛 감지 기능이 있는 RFID 태그를 성공적으로 읽어 농업 분야에서 식물 수준의 모니터링 가능성을 시사함.
• 연구는 UHF RFID 센서 태그가 로봇 응용 분야에서 기존 센서 기술에 비해 실현 가능하고 저비용이며 배터리가 필요 없는 대안임을 확인하였으며, 무한한 수명과 단가 0.10달러 이하의 단가를 확보함.