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웨어러블(wearable) 기기에 있어서 인체내 무선통신의 응용


자료집필: 국제테크노정보연구소
관련자료안내: 무선전송 제어 시스템

서 론

정보통신과 전자 디바이스의 눈부신 발전으로 정보기기가 소형화됨에 따라, 휴대형(portable)에서 몸에 붙일 수(wearable) 있을 정도로 발전하고 있다. 이와 같은 여러 대의 웨어러블 기기를 몸에 붙였을 경우, 기기간의 접속은 무선으로 하는 것이 바람직하다. 인체 근방을 커버하는 무선으로서는 300~400MHz대를 사용하는 미약무선이나, 근년 급속히 보급되고 있는 Bluetooth(2.4GHz) 등이 있지만, 이러한 공중을 전파하는「전파」를 이용한 무선통신과는 별도로, 도전체인 인체를 매체로 한 인체내 통신은 향후 정보기기의 또 다른 하나의 통신방식으로 자리잡을 가능성이 있다.
인체내 통신의 특징중에서, 그 하나는 인체가 기기와 물리적으로 접촉함으로써만 신호가 전달되므로 은닉성의 면에서 유리하고, 또 새로운 커뮤니케이션 수단을 창출할 가능성이 있다. 본 보고에서는 디지털 데이터 전송모듈의 시제와, 그것을 이용한 생체센서 데이터의 전송에 대해 보고한다.

공중으로 방사하는 전파의 억제

본 연구에서는 인체내 통신의 주된 응용으로, 같은 사람이 장착한 복수 기기간의 통신을 상정하고 있으며, 전송방식은 기본적으로 인체 외부 환경과의 정전결합을 필요로 하지 않는다(그림 1). 이 방식의 인체내 통신의 반송주파수는 10MHz 전후에서 효율이 높은 것으로 알려져 있으며, 따라서 반송주파수 10.7MHz의 FM 변조를 이용한 아날로그 신호 전송 모듈을 시제한 것이다.
시제한 인체내 통신모듈의 회로구성은 기본적으로 일반적인 FM 송수신기와 같으며, 안테나를 접속하면 통상적인 공중 무선통신을 할 수 있다. 따라서, 접촉했을 때만 전송된다고 하는 인체내 통신의 특징을 살리기 위해서는 공중으로 방사하는 것을 억제할 필요가 있다.
시제기에서는 인체에 접촉하는 전극으로 직경 20mm의 얇은 스텐리스판을 사용하고 있다. 공중으로 방사되는 전파를 억제하기 위해서는 전극 및 전극의 리드선은 가능한 짧게 한다. 그림 2는 송수신 모듈을 인체에 접촉시키지 않은 상태에서 약 30cm 거리를 두고, 1kHz의 사인파 신호를 송신했을 때 수신신호의 주파수 성분을 나타낸 것인데, 1kHz의 피크가 없으며, 신호가 전송되고 있지 않다는 것을 알 수 있다.
그림 3은 전극을 인체에 접촉시켰을 때 수신신호의 주파수 성분이며, 1kHz의 신호가 전송되고 있다. 고조파 성분은 송수신 모듈의 특성에 기인하는 일그러짐이다. 그림 4는 공중에 적극적으로 전파를 방사하기 위해, 안테나를 접속했을 때 수신신호의 주파수 성분인데, 신호는 전송되고 있지만, SN비는 인체내 전송에 비해 떨어지고 있다.

디지털 데이터 전송 모듈의 시제

아날로그 신호전송 모듈의 회로를 변경하여, FSK 변조에 의한 9600bps의 디지털 신호전송 모듈을 시제했다. 크기는 송수신 모두 아날로그 신호 전송 모듈과 같은 30mm×30mm이다. FSK의 변조폭은 2.2kHz이다. 그림 5에 외관을 나타낸다.

생체정보의 인체내 통신

인체내 통신의 한가지 응용 예로서, 반지형 펄스 옥시미터로부터 출력되는 데이터를 신체의 다른 장소에 붙어있는 정보기기(예를 들면 웨어러블 컴퓨터)에 송신하는 것을 상정하여 실험을 했다.
반지형 펄스 옥시미터(MC 메디컬사의 제품)는 혈중 산소농도, 맥박, 맥진폭이라고 하는 생체정보를 검출하여, 미약무선으로 실내의 중계기에 송신하는 기능을 가지고 있다. 여기서는 미약무선 송신부에 입력되는 디지털 신호(9600bps)를 꺼내어, 인체내 통신을 이용하여 송수신을 시도했다(그림 6).

그림 7(a)는 인체내 통신에 의해 전송된 시리얼 신호이며, 변복조에 의한 일정의 시간지연(180μs)이 있지만, 디지털 신호로서의 판독에는 전혀 문제는 없었다. 한편, 그림 7(b)는, 통신모듈의 전극을 인체로부터 떨어진 상태에서의 수신 신호이며, 전송이 이루어지지 않는다는 것을 알 수 있다.

금후의 전망

인체내 디지털 통신으로 9600 bps의 시리얼 통신에 의해 생체정보를 전송하는 실험에 대해 보고했다. 현재 상태에서는 인체에 접촉시키는 입출력부의 회로는 공중에 전파를 방사하는 회로를 그대로 유용하고 있으며, 입출력 임피던스의 정합성은 전혀 고려하고 있지 않다.
따라서 현 단계에서는 공중의 전파를 이용한 방식과 소비전력 등의 엄격한 비교는 할 수 없지만, 인체내 통신이 SN비를 높게 취할 수 있다는 것을 보이고 있으며, 인체에 적합한 회로를 설계하면 소비전력을 한층 더 낮출 수 있고, 소형화, 장기수명화 가능성이 높다. 향후는 디바이스의 개발과 함께 어플리케이션 개발을 추진해 나갈 예정이다.

■ 참고문헌
(1) T.C.Zimmerman,"Personal Area Network(PAN): Near-Field Intra-Body Communication", M.S. hesis, MIT Media Laboratory, 1995
(2) E.Rehmi Post, et al, "Intrabody Buses for Data and Power", Proc.lst Intl.Symp.on Wearable Computers, 1997
(3) N.Matsushita, et al, "Wearable Key: Device for Personalizing nearby Environment", Proc.4th Intl.Symp. on Wearable Computers, PP.119-126, 2000
(4)「wearable 기기에 있어서 생체내 통신기술에 관한 기초 검토」, 제16회 일렉트로닉스 실장학회 학술강연대회 강연논문집, 2002
 

 

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