모션 MEMS 및
지그비 기반 무선 게임 플랫폼
이 글은 무선 게임 플랫폼의 구동에 대한 설명이다. 무선 게임 플랫폼은 휴대용 배터리 유닛들과 USB-지그비(ZigBee) 동글로 구성되어 있다. 휴대용 유닛에는 가속도 센서, 지자력 센서, 압력 센서 및 온도 센서가 탑재되어 있다. 온도, 고도 및 자북과 같은 파라미터들은 로컬 디스플레이에 표시될 수 있으며 필요할 때는 PC 데스크톱 애플리케이션에 무선으로 전송될 수 있다. 이는 파라미터들의 분석과 표기를 보기 편하게 하는 방식이기도 하다.
글: 마노 쿠마(Manoj Kumar),프라샨트 판데이(Prashant Pandey)
ST마이크로일렉트로닉스 / www.st.com
'가젯'이라고도 불리는 이 휴대용 유닛들은 전송지연 거의 없이 데이터를 USB-지그비 동글로 전송할 수 있다. 가속도 센서의 데이터는 약 100밀리 초 만에 PC 애플리케이션에 전송될 수 있다. 이러한 특성으로 거의 실시간에 가까운 피드백을 주고 받는 무선 게임 컨트롤러로 사용되는 것이다.
이 개념을 입증하기 위해서 기존 키보드 기반 게임을 적용해 봤다. 기존 PC 게임에서 사용되는 대로 왼쪽, 오른쪽, 앞으로, 뒤로 키들을 모션 MEMS 동작들에 대응하여 매핑했다. 이는 이러한 컨셉을 적용한 게임 몇 개를 바로 테스트 해보는 것이 같은 결과를 가져올 것이다.
이 솔루션은 게임 컨트롤러 또는 USB-지그비 동글을 마스터로 역할하게 하는 방식으로 설계됐다. 게임 모드에서 USB-지그비 동글은 마스터로 작동하기 때문에 다수의 게임 컨트롤러들이 이 동글에 연결될 수 있다. 이 모드에서는 한 명, 최대 두 명의 플레이어 키보드 게임들을 주로 지원한다.
모션 MEMS가 캡쳐되어 PC 드라이버 상에서 대응하는 키 입력으로 변환된다. 이 개념을 따른다면 하드웨어는 키 입력을 입력으로 취하도록 고안된 모든 게임에 적용될 수 있다.
이 솔루션의 주요 특징은 다음과 같다:
● USB-지그비 프리젠테이션 포인터
● MEMS 기반 게임 제어
● 센서 데이터 디스플레이 및 메뉴 내비게이션을 위한OLED 디스플레이 사용자 인터페이스
● 온-보드 MEMS 센서들: 가속도 센서, 지자력 센서
● 기압 및 고도 측정
● 온도 센서 측정
● 편리한 USB-지그비 인터페이스
● 다른 센서 노드로부터의 데이터 판독 가능
● USB 스토리지 디바이스로 사용될 수 있는 USB-지그비 동글
그림 1. 시스템 블록도
솔루션의 구성
이 솔루션은 핸드헬드 가젯/게임 컨트롤러, USB-지그비 동글, 센서 노드들, 그리고 PC 소프트웨어 애플리케이션으로 이루어져 있다.
가젯/게임기
이 가젯은 센서들 모두를 탑재한 배터리 구동형 휴대용 유닛이다. 이 유닛은 디지털 온도 센서(STLM75), MEMS 압력 센서(LPS331AP), 가속도 센서 및 지자력 센서(LSM303DLHC)를 내장한 복합 관성 모듈로 구성되어 있으며, 이 보드는 다른 USB-지그비 동글과 무선 지그비 통신을 할 수 있다. 이 가젯은 센서/데이터 정보를 보여주는 온보드 디스플레이 탑재하고 있으며, 제어 및 설정을 위한 메뉴 기능도 갖추고 있다. 비용과 사이즈를 줄이기 위해서는 ST마이크로일렉트로닉스 사의 STM32W108CB와 같이 라디오 모듈이 통합도니 마이크로컨트롤러를 사용하는 것을 권장한다.
그림 2. 휴대용 유닛/게임기
가젯 보드는 3.3V 배터리로 구동되며On/Off 스위치가 제공된다. 이 가젯의 리튬 이온 충전식 배터리는 컴퓨터의 5V USB나 독립형 5V USB 전력 공급 장치로 충전될 수 있다. 이 가젯은 열 조절이 가능한 독립형 리니어 리튬이온 배터리 충전기(STC4054GR)를 포함하고 있다. 로우 드롭아웃(LDO) 레귤레이터(STC4054GR)는 전압 조절을 위해서 사용된다. 게임기 유닛은 가시성을 높이기 위해서 OLED 디스플레이를 탑재하고 있는데 STOD1812PUR와 같은 OLED 전압 부스터가 OLED 디스플레이 구동을 위해 필요하다.
가젯 보드는 두 개의 작동 모드가 있다.
● PC 모드
● 독립 모드
그림 3. 가속도 센서를 이용한 게임 제어
PC 모드
PC모드는 PC연결 작동 모드를 말한다. 이 모드에서 휴대용 유닛은 지그비를 통해서 USB-지그비 동글로 연결된다. 아래의 특징들을 얻을 수 있다.
● 가젯 상에 센서 데이터 표시: 디폴트 오토-스크롤 가젯 모드
● 무선 게임 플레이: 가젯 게임 모드
● 마이크로소프트·오피스 파워포인트용 무선 프리젠테이션 포인터: 가젯 프리젠테이션 모드
● PC GUI로 센서 데이터 업로드: 가젯 센서 모드
● 스톱워치
동글이 가젯 후에 켜지는 경우에는 지그비의 연결 여부가 보드의 오른쪽 구석의 커넥션 아이콘으로 표시된다. 동글이 연결되지 않으면 아이콘이 보이지 않는다.
독립 모드
독립 모드는 가젯이 PC에 연결되지 않은 상태를 말하며 일반적으로 온보드 센서로 데이터를 표시한다. 외부 무선 센서가 연결될 필요가 없으면, 지그비는 이 모드에서는 꺼져 있다. 이 모드에서의 기능들은 다음과 같다.
● 가젯 상의 센서 데이터 표시
● 스톱워치
● 센서 데이터 표시: 디폴트 오토-스크롤 모드
● 외부 무선 센서 노드에서 센서 데이터 표시
동글
동글은 컴퓨터와 가젯 유닛 간의 USB로 구동되는 USB-지그비 브릿지(bridge)이며 WE_GADGET와 컴퓨터 사이에서 데이터/명령을 주고 받는다. 보드의 주요 부품은 STM32W108CB(지그비 통신) 및 STM32F102C8T6(USB 액세스 라인)이다. 동글은 USB 대량 기억장치, USB 키보드, USB 커스텀 HID 인터페이스로 구성된 복합 USB 디바이스 형태이다.
그림 4. USB-지그비 동글
USB 대량 저장 모드는 USB 저장 디바이스로 사용되는 온보드 슬롯 상의 마이크로 SD카드에 접속하기 위해 사용된다. 따라서 프리젠테이션 포인터로 사용할 때 디바이스 자체에 프리젠테이션 내용을 저장할 수 있다.
이 외부형 디스크 드라이브는 보드가 성공적으로 부팅되면 '내 컴퓨터' 폴더에 나타난다. USB 키보드 인터페이스는 게임과 멀티미디어 컨트롤에 쓰인다. 커스텀 HID 인터페이스는 GUI 애플리케이션과 관련될 때 쓰인다. 동글 보드는 USB로 구동되며 USB 'A'커넥터를 사용해서 컴퓨터에 직접 연결된다. HID 프로토콜을 사용하기 때문에 드라이버 설치도 필요가 없다. 보드는 마이크로소프트 윈도우 내장 HID 드라이버를 활용한다.
무선 센서 노드
휴대용 유닛은 원하면 외부 무선 센서 노드에 연결이 가능하다. PC 모드일 때 센서 데이터를 PC로 전달 할 수 있는데, 이 경우 휴대용 유닛은 지그비 라우터로 작동한다. 독립 모드에서 로컬 디스플레이에 표시할 수도 있다. PC 모드에서 외부 센서에 연결되면 휴대용 디바이스는 지그비 메쉬 네트워크를 형성한다. 센서 노드들은 독립형 소형 저전력 센서 디바이스로 보통 지그비 트랜시버와 함께 마이크로컨트롤러와 단일 센서로 구성된다. 이 센서 노드들은 STM32W108CB와 같은 저전력 지그비 마이크로컨트롤러로 구현될 수 있다.
메뉴 내비게이션
여러 다른 기능을 작동하기 위한 메뉴 내비게이션은 센터 키를 누르는 방식이다. 키 기능은 다음과 같다.
● 센터 키: 메뉴 옵션을 열기 위함
● 위로/아래로 키: 초기 화면 디스플레이 모드에서 메뉴 내비게이션을 위해서 그리고 프리젠테이션 모드에서 슬라이드 제어
PC 소프트웨어
이 시스템은 시스템을 구성하고 관리하기 위한 n-MoSeCo 컨트롤 센터라고 불리는 전용 PC 애플리케이션 스위트를 가지고 있다. 이 소프트웨어 애플리케이션 패키지는 USB-지그비 동글과 번들을 이루어 마이크로-SD 카드 상에 구현될 수 있다. 필요한 요건은 다음과 같다.
그림 5. PC 소프트웨어를 위한 아키텍처
그림 6. PC 그래픽 유저 인터페이스
유연한 구동을 위해서는 최소 1GB RAM, 500MB HDD 공간, 2GHz 프로세서가 필요하다. 추천 구성은 2GB RAM, 500MB HDD 공간, 2GH 멀티-코어 프로세서, DX10 그래픽 카드이다. n-MoSeCo 컨트롤 센터는 n-MoSeCo 디바이스의 능력을 시연하는데 매우 직관적인 소프트웨어이다.
소프트웨어 애플리케이션의 다양한 작동 모드
PC모드 작동 중일 때, 휴대용 유닛의 작동 모드를 변경하면 PC에 구동하는 소프트웨어 애플리케이션에 명령을 보내서 그 작동 모드도 똑같이 변경한다. 다음 모드들이 이에 해당된다.
프리젠테이션 모드
프리젠테이션 모드는 마이크로소프트 오피스 파워포인트의 무선 슬라이드 내비게이션 컨트롤이다. 이 모드에서 휴대용 컨트롤러 가젯의 버튼 명령은 슬라이드들을 움직이는데 사용된다. 프리젠테이션 모드에서 사용자는 휴대용 컨트롤러의 위아래 키를 사용하여 프레젠테이션 슬라이드를 앞뒤로 움직일 수 있다.
이 모드는 맞춤형이며, 미디어 플레이어 애플리케이션을 위해서는 키들을 리맵핑 할 수 있다.
게임 모드
게임 모드는 가젯 보드 3축 가속도 센서를 사용하는 컴퓨터 기반 게임을 위한 무선 게임 제어이다. 무선 가젯/게임 컨트롤러는 PC 모드로 설정한 다음에 게임 모드로 전환해야 한다. 멀티 게임을 위해 게임 컨트롤러를 한 개 더 추가할 수 있다. n-MoSeCo 디바이스는 위, 아래, 왼쪽 및 오른쪽 화살키 입력으로 게임을 컨트롤하고 MEMS 기울기를 써서 게임을 플레이 할 수 있다. 화살표 기가 플레이어 1을 위한 게임 컨트롤에 리맵핑 됐다면, 플레이어 2는 'W', 'S','A','D' 와 같은 알파벳 키를 써서 게임을 할 수 있다.
센서 모드
센서 모드는 가젯 보드에 탑재된 모든 센서들의 무선 데이터 업로드 모드이다. 온도 센서, 압력 센서, 가속도 센서 및 지자력 센서의 모든 데이터는 PC 애플리케이션상에 디스플레이 된다. 또한 사용자가 추후 참고할 수 있게 이 데이터를 파일에 저장할 수 있다. 만약, 센서 노드가 추가적으로 연결된다면 그 데이터도 PC 애플리케이션에 라우팅되어 디스플레이가 가능하다.
결론
이 플랫폼은 지그비가 파워 및 데이터율 프로토콜로 쓰임에도 불구하고 빠른 속도의 컴퓨터 게임 컨트롤에 사용될 수도 있다는 것을 보여준다. 기능을 추가하거나, 표준 HID 기반 통신으로 주요 구동 시스템과 호환도 가능하다. 이 플랫폼 상에서는 지그비 및 모션 MEMS이 자바 기반 게임만 컨트롤 가능한 것이 아니라, 컴퓨터 키보드로 컨트롤 되는 모든 게임에도 적용이 가능하다. 컴퓨터 기반 게임 산업이 크게 진화하면서 이러한 게임들을 상당수 만날 수 있게 됐다.
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