EPC Sensor Network, which is being researched by Auto-ID lab, is a global network consisting of RFID tags and sensor nodes of Wireless Sensor Network. EPC Sensor Network is extended from EPCglobal Network, which is a framework for RFID, to support Wireless Sensor Networks (WSN), so it can provides global services based on various sensors and actuators. The Sensor nodes, which can sense and communicate with other nodes, are more suitable to the Things mentioned in the Internet of Things rather than RFID tags, which can be identified only, Auto-ID lab has developed EPC Sensor Network as an infrastructure of the Internet of Things.
The RFID reader interface of EPCglobal Network, Low Level Reader Protocol (LLRP), is ratified by EPCglobal and is used as a standard reader protocol. The advantages of LLRP for integration include the flexibility in addition of new protocols and a complete control set of underlying air protocol. However, LLRP was not designed for WSN sensor nodes and sensor data. There are many heterogeneous WSN protocols and LLRP cannot support inter-communication between them.
In this research, we propose adaptation methods to adapt the sensor nodes to RFID tag and extended LLRP which can control WSN protocol for integrating various WSN protocols to EPC Sensor Network and accessing those WSN base station and RFID readers with one common protocol. To implement proposed protocol and the base station for it, we used ZigBee protocol.
As the first adaption, EPC translation provides a method of global identification for ZigBee nodes. The short address and extended address used in ZigBee is essential for ZigBee node communication, but they cannot be used in global environment due to the lack of uniqueness. Hence, we assign EPC to each ZigBee node, and put EPC translation table in the base station. This table does EPC-ZigBee address conversion in run-time. Whenever data goes out or comes in, the table translates the identifier. It provides a method for accessing sensor nodes with minimized overhead due to addition of EPC. The second adaption method, Universal Virtual Tag Memory (UVTM), provides a method to operate sensor nodes with RFID tag memory read/write commands. The applications of ZigBee are implemented in forms of endpoints and there are many ZigBee Clusters to access them. Each endpoint is mapped to a certain section in UVTM and connected with proper ZigBee Cluster, LLRP client can access sensor data as like RFID tag memory read, and operate actuators as like RFID tag memory write.
For providing control of ZigBee protocol through LLRP, extended LLRP contains new air protocol converted from ZigBee primitives, new messages to deliver commands to destination ZigBee node without tag singulation. New data type for floating points and data type ID are also provided in extended LLRP for sensor data processing and sensor data based filtering and event generation.To show the effectiveness of proposed protocol and adaptation methods, we implemented on a hardware platform and evaluated them. As the result, we could connect ZigBee nodes to EPC Sensor Network and operate them with less than 20ms additional delay. Although we used ZigBee protocol for implementation, proposed adaptation methods and extended LLRP can be a good start point for further integration with other WSN protocols.
Auto-ID Lab에서 연구 중인 EPC 센서 네트워크는 기존의 RFID를 위한 인프라스트럭처인 EPCglobal 네트워크를 다양한 무선 센서 네트워크(WSN)를 지원하도록 확장하여 RFID 태그와 센서노드로 이루어진 글로벌 네트워크이다. EPC 센서 네트워크는 수동형 RFID 태그만을 지원하고 있는 EPCglobal 네트워크와는 달리 WSN의 센서 노드를 지원함으로서 다양한 종류의 센서와 액추에이터를 활용하는 글로벌 서비스가 가능하다. 또한 센서 노드는 기능면에서 RFID태그보다 Internet of Things(IoT)에서 언급하는 Things에 보다 적합하므로 EPC 센서 네트워크는 IoT의 인프라스트럭처로도 손색이 없다.
기존의 EPCglobal 네트워크의 RFID리더 인터페이스인 Low Level Reader Protocol(LLRP)은 이미 RFID리더용 표준으로 사용되고 있으며 다양한 air protocol을 추가할 수 있고 air protocol의 모든 기능을 제어할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 LLRP는 WSN 센서 노드나 센서 데이터의 수집 및 가공은 고려되어 있지 않으며 이기종의 다양한 WSN은 각각의 네트워크가 로컬 네트워크이기 때문에 글로벌 환경에서는 센서 노드를 액세스할 수 없고 이기종의 센서 노드간의 통신도 지원할 수 없다는 문제가 있다.
따라서 본 연구는 이기종의 다양한 WSN 프로토콜을 EPC 센서 네트워크로 통합하고 WSN 베이스 스테이션과 RFID리더를 액세스하기 위해서 센서 노드를 C1G2태그로 adaptation하는 방안과 WSN 프로토콜의 기능을 제어하기 위해 확장된 LLRP을 제시하여 위의 문제를 해결하고자 한다. 실제 구현을 위하여 TinyOS, IP-USN, 블루투스와 같은 다양한 WSN 프로토콜중에서 가장 널리 쓰이는 ZigBee를 사용하였다.
센서노드 adaptation의 첫 번째 방안인 EPC 변환은 로컬 네트워크인 ZigBee를 글로벌 환경에서 식별할 수 있는 방법을 제공한다. ZigBee내에서만 사용되는 short address와 extended address, 2가지의 주소는 ZigBee 통신에서는 필수적이나, 글로벌 네트워크에서는 유일성의 부재로 전혀 쓸 수가 없기 때문에 각 노드에 EPC를 부여하여 글로벌 식별자로서 사용하고 베이스 스테이션에 EPC 변환 테이블을 두어 데이터가 ZigBee 네트워크를 나가거나 들어올 때 EPC-ZigBee주소를 상호변함으로서, ZigBee 네트워크에 EPC추가에 따른 오버헤드를 최소화 시킨채는 동시에 EPC를 이용한 ZigBee 노드 액세스를 제공한다. 두 번째 adaptation 방안인 Universal Virtual Tag Memory (UVTM)는 베이스 스테이션에 존재하는 가상의 태그 메모리로 ZigBee 노드를 RFID 태그에서 사용되는 메모리 읽기/쓰기 명령으로 제어할 수 있게 해준다. ZigBee의 응용은 Endpoint의 형태로 구현이 되며 이를 동작시키기 위해 다양한 클러스터들이 존재한다. 각각의 Endpoint를 UVTM에 메모리 영역을 할당하여 적절한 ZigBee primitive를 이용해 연결시킴으로서 ZigBee 노드에서 RFID태그를 읽고 쓰듯이 센서 데이터를 획득할 수 있으며 actuator를 작동시킬수 있다.
완전한 ZigBee 프로토콜의 지원을 위해서 확장된 LLRP에는 ZigBee primitive가 Air protocol의 OpSpec의 형태로 추가 되었으며, RFID 액세스에서만 필요했던 singulation과정을 생략하고 ZigBee 네트워크로 명령을 보낼 수 있는 새로운 메시지가 추가 되어 빠르게 센서 노드에 명령을 전달하고 응답을 받을수 있다. 또한 센서 데이터 가공을 위해 데이터 타입 ID와 센서 데이터 값에 기반한 노드 필터링 및 이벤트 생성 등이 제공된다.
제안된 adaptation방안과 확장된 프로토콜의 유용성을 보이기 위해 실제 하드웨어에 구현을 하였으며 기존의 ZigBee네트워크와의 비교를 통해 베이스 스테이션이 20ms 딜레이 이하에서 ZigBee네트워크를 EPC Sensor Network에 연결시키고 ZigBee 노드의 기능을 작동 시킬수 있음을 보였다. 비록 이 연구는 ZigBee네트워크를 기반으로 구현하였지만 위에서 제안된 adaptation 방안과 확장된 LLRP을 활용해서 다른 WSN프로토콜을 지원하는데 있어서도 좋은 시작점이 될 수 있을 것이다.
