과학관 인터랙티브 전시를 위한 무선 인덕티브 위치추적 시스템

** 본 논문은 이탈리아 페루자 대학과 과학기술센터(POST) 공동으로 개발한 ‘Science and Technology Center Interactive Exhibition System’를 소개한다. 전시관 내에서 관람객이 착용하는 배지형 센서를 통해 실시간 2차원 위치 정보를 획득하고, 이를 기반으로 다양한 게임·교육 애플리케이션을 제공함으로써 관람 경험을 향상시키는 것이 목표이다. 시스템은 크게 세 부분으로 구성된다. 첫 번째는 위치 측정 서브시스템으로, 네 개의 고정 전송 코일(앵커)과 사용자가 착용하는 수신 코일(모바일 노드)로 이루어진다. 각 앵커는 고유 주파수(34.482 kHz, 35.398 kHz, 36.144 kHz, 36.922 kHz)로 구동되며, 전송 코일은 7 cm 반경, 20회 감은 구리선으로 125 µH 인덕턴스를, 160 nF 커패시터와 결합해 35.6 kHz에서 공명한다. 모바일 노드의 수신 코일은 2.5 cm 반경, 60회 감은 200 µH 인덕턴스를 가지고 동일 주파수에 맞춘다. 전송 코일에서 발생하는 교류 자기장은 인덕티브 결합을 통해 수신 코일에 전압을 유도하고, 이 전압은 100배 증폭 후 12‑bit ADC(200 kSa/s)로 샘플링된다. 300개의 샘플을 BLE(블루투스 저전력) 모듈을 통해 PC로 전송하고, 전송 주기는 약 0.5 초(2 Hz)이다. PC에서는 수신된 신호의 진폭을 선형 최소제곱법으로 추정하고, 전압‑거리 관계를 전력법칙 V = α·d^β 로 모델링한다. α와 β는 현장 교정 단계에서 알려진 거리의 5점 데이터를 이용해 최소제곱 피팅으로 결정한다. 이후 4개의 거리 추정값을 이용해 삼변측량(trilateration)으로 (x, y) 좌표를 계산한다. 이때 코일이 동일 평면에 놓여 있다는 가정하에 β≈3을 사용하지만, 실제 환경에서는 금속 구조물 등에 의해 변동될 수 있기에 교정이 필수적이다. 두 번째는 Position Controlled Application(PCA)이라는 소프트웨어 프레임워크이다. PCA는 Position Receiver(소켓 서버)와 Execution Environment(관찰자)로 구성된다. Position Receiver는 모바일 노드로부터 좌표를 실시간으로 수신하고, 이를 Observer 패턴을 통해 Execution Environment에 전달한다. Execution Environment는 좌표를 물리적 범위와 화면 해상도 사이의 선형 매핑으로 변환하고, ‘UserMoved’ 이벤트를 발생시켜 현재 실행 중인 앱에 전달한다. 동일 좌표가 일정 횟수(5회) 연속으로 유지되면 ‘UserClicked’ 이벤트를 발생시켜 마우스 클릭과 동일한 동작을 제공한다. PCA는 홈 앱, 게임 앱, 유틸리티 앱 등 여러 애플리케이션을 리스트 형태로 제공한다. 사용자는 배지를 움직여 화면상의 커서를 이동시키고, 클릭 동작을 통해 원하는 앱을 선택한다. 각 게임 앱은 사용자의 위치 정보를 기반으로 물리적 움직임을 가상 환경에 매핑해 인터랙티브한 경험을 제공한다. 예를 들어, 사용자가 특정 구역에 들어가면 해당 구역에 대한 과학 설명이 나타나거나, 미니게임이 시작되는 식이다. 세 번째는 시스템 구현 및 실험 결과이다. 실험은 2.66 m × 4.66 m 크기의 직사각형 실내에 앵커를 코너에 배치하고, 레이저 토탈스테이션(TS‑06)으로 기준점을 측정해 정확도를 평가하였다. 교정 단계에서 각 앵커의 α와 β 값을 도출했으며, 실험 중 위치 업데이트는 2 Hz, 평균 오차는 약 5 cm(최대 8 cm)로 측정되었다. 금속 구조물이 없는 일반 전시실 환경에서는 센티미터 수준 정확도를 유지했으며, 배터리 구동 시간은 약 8시간으로 충분히 전시 기간 동안 사용 가능했다. 시스템은 사용자에게 별도의 설정을 요구하지 않으며, 배지는 케이블이 없고 가볍게 착용할 수 있다. 하드웨어는 저전력·저비용 부품으로 구성되어 전시관의 기존 인프라에 쉽게 통합될 수 있다. 또한, 위치 기반 인터랙션을 통해 과학 원리(전자기 유도, 자기장 분포 등)를 직접 체험하게 함으로써 교육적 효과도 기대된다. 향후 연구 과제로는 3차원 위치 추적, 다중 사용자 동시 추적, 코일 배열 최적화, 그리고 증강현실(AR) 디스플레이와의 연동이 있다. 특히, 코일의 평면성을 유지하기 어려운 복잡한 전시 환경에서의 보정 알고리즘 개발과, 실시간 다중 사용자 충돌 방지 메커니즘이 필요하다. 이러한 개선을 통해 보다 정밀하고 확장 가능한 실내 위치 기반 인터랙티브 전시 시스템을 구현할 수 있을 것이다. **