[논문]스마트 도어록 시스템을 위한 IoT 기반의 실시간 스트리밍 및 원격 제어

이성원; 유제훈; 심귀보

doi:10.5391/jkiis.2015.25.6.565

스마트 도어록 시스템을 위한 IoT 기반의 실시간 스트리밍 및 원격 제어
Real-time Streaming and Remote Control for the Smart Door-Lock System based on Internet of Things 원문보기 논문타임라인

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.25 no.6, 2015년, pp.565 - 570

이성원 (중앙대학교 전자전기공학과) , 유제훈 (중앙대학교 전자전기공학과) , 심귀보 (중앙대학교 전자전기공학과)

초록
AI-Helper

본 논문은 사물인터넷을 사용하여 원격으로 도어록과 주변 디바이스를 제어하는 스마트 도어록 시스템을 개발하였다. 사물인터넷은 인터넷망을 사용하여 사람과 사물, 사물과 사물 간에 상호 소통을 돕는 지능형 시스템으로 최근 하드웨어 기술의 발전과 빅데이터 등으로 인하여 주목받고 있는 기술이다. 이러한 사물인터넷 기반인 스마트홈 시스템을 응용하여 구현한 스마트 도어록 시스템은 서버인 라즈베리 파이와 도어록, 센서를 사용하여 구현하였다. 이 스마트 도어록 시스템은 스마트폰으로 라즈베리 파이 서버에 접속하여 도어록을 제어할 수 있도록 하였다. 또한 스마트폰으로 센서를 통해 사람의 접근을 확인하고, 도어록 주변을 카메라로 촬영하여 실시간으로 확인할 수 있도록 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we implemented the smart door lock system that control remotely devices using the concept of internet of things. Internet of things is intelligent system that can help devices to communicate with people and devices. And recently internet of things is getting attention because of advance of hardware technology and big data. The smart doorlock system based on internet of things used raspberry pi, sensor and doorlock. Using the smart phone, doorlock can be controlled from the raspberry pi server. And the user can identify some people that is in front of doorlock. also user can check around of doorlock in realtime using the raspberry pi camera.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 실시간으로 도어록 주변의 상황을 확인하고 센서를 통해 사람의 유무와 머물러 있는 시간을 판단하여 사용자의 스마트폰으로 경고 알람을 전송하는 스마트 도어록 시스템을 구현하였다. 또한 출입문을 급하게 열어야할 때나 지인의 방문이 있을 경우 도어록을 원격으로 제어할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 위에서 언급한 단점들을 보완하고, 편리성과 보안성을 향상시킨 스마트 도어록 시스템을 제안한다. 사람의 접근을 판단하고 원격으로 도어록을 제어할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 이러한 내용을 포함하고 스마트폰으로 먼 거리에서도 도어록을 제어할 수 있는 스마트 도어록 시스템을 구현하고자 한다.
본 연구에서는 센서로부터 측정된 데이터 값이 조건에 따라 사용자의 스마트폰으로 경고 알람을 전송하기 위해 사용하였다. 초음파 센서가 거리를 측정하여 50cm 이내에 5초 이상 사람이 접근해 있으면 서버는 자동으로 GCM에 메시지를 전송되며 GCM은 사용자에게 실시간으로 경고 알람을 전송하여 상황을 인지할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 스마트폰을 이용하여 보안성과 안전성을 높여 도어록을 제어하는 무선 스마트 도어록 시스템을 개발하였다. 스마트 도어록은 현관에 사람이 접근하면 센서의 조건 값에 따라 사용자에게 경고 푸시 알람을 전송하도록 하였다.
센서는 ZigBee와 연결되어 측정된 값을 휴대전화로 전송하도록 하였다. 이러한 시스템으로 보안성을 증가시키도록 하였다. 침입의 여부는 판단할 수 있지만 침입자의 신원을 확인할 수 없다.

가설 설정

아두이노 마이크로 컨트롤러는 도어록과 블루투스 모듈은 스마트폰과 블루투스로 통신으로 제어하였다. 기존의 인체감지센서가 아닌 이러한 시스템으로 사전에 범죄를 예방하기 효율적일 것이다.
사용자의 편리성이 높아졌지만 외부로부터의 해킹의 우려가 있다. 이를 보완하면 도어록 보안성이 높아질 것이다.

제안 방법

휴대전화와 마이크로 컨트롤러를 시리얼 포트로 연결하였다. PIR 센서와 진동 센서, 자기 접촉 감지 센서를 사용하여 침입을 검출하도록 하였다. 이 센서가 작동하면 사용자로 메시지를 보내도록 하였다.
방문자가 있으면 방문자를 캡처하여 얼굴을 식별 한 후 사용자의 스마트폰으로 이메일이나 SMS로 이미지를 전송한다. Web 서버를 통해 카메라를 확인할 수 있으며, 도어록을 제어할 수 있도록 하였다.
그림 4는 도어록의 구성도이다. 구성한 스마트 도어록 시스템은 서버인 라즈베리 파이가의 서버 환경을 계속 유지할 수 있도록 시스템이 재부팅 되더라도 프로그램이 자동으로 실행되는 daemon을 설정하였다.
위의 내용을 구현하기 위해 라즈베리 파이의 GPIO port를 사용하여 센서와 도어록을 제어하였고, GCM을 이용해서 스마트폰 푸시 알람을 전송하도록 하였다. 그리고 카메라 센서는 라즈베리 파이 카메라 모듈을 사용하였고, RTSP 프로토콜을 사용하는 GStreamer 애플리케이션을 사용하여 라즈베리 파이에서 카메라 영상을 업로드하였다. 그림 4는 도어록의 구성도이다.
그림 5는 도어록 개폐 스위치와 라즈베리 파이의 GPIO 포트를 연결한 회로 구성도이다. 도어록의 잠금장치를 on/off 하는 스위치와 GPIO 포트 사이에 포토커플러를 연결하였다. 포토커플러는 GPIO 포트의 신호가 지속적으로 출력되는 것을 방지하기 위해 사용하였다.
휴대폰은 자동 호출 서비스로 방문자가 누구인지 파악할 수 있도록 하였고, 도어록은 홈 서버를 통해 DTMF 신호를 이용하여 도어록을 제어하였다. 또한 도어록 제어 시 패스워드 및 화자 인증으로 혼합하여 보안을 증대시키도록 하였다. 화자인식은 DTW 알고리즘을 사용하여 구현하였다.
이 초음파센서는 사람과 센서의 거리가 50cm 이내로 5초 동안 유지되면 스마트폰으로 경고 푸시 알람을 전송하도록 하였다. 또한 사용자의 스마트폰으로 푸시 알람이 반복되어 전송되는 경우를 방지하기 위해 delay() 함수를 사용하여 알람이 전송된 후 3분 동안은 다시 전송되지 않도록 하였다.
센서로부터 측정된 데이터 값은 라즈베리 파이의 서버에서 확인할 수 있도록 하였으며, 측정된 데이터 값은 조건에 따라 스마트폰으로 푸시 알람을 전송하도록 하였다. 또한 스마트폰은 라즈베리 파이의 해당 IP 주소로 접속하여 도어록을 제어하도록 하였고 카메라를 통해 실시간 영상을 볼 수 있도록 하였다.
라즈베리 파이에 서버를 개설하고 스마트폰의 스마트 도어록 애플리케이션을 실행하면 자동으로 라즈베리 파이의 서버 IP로 접속을 하도록 하였다.
그림 2는 Gstreamer의 API 구조이다. 라즈베리 파이에 연결된 카메라 모듈은 Gstreamer 애플리케이션을 통해 영상을 업로드하였다.
도어록의 비밀번호 입력 시 PCA(Principal Component Analysis) 알고리즘을 통해 얼굴을 인식하였다. 방문자가 비밀번호 입력 시 입력한 키 정보와 얼굴을 캡처하여 사용자에게 알려 현관문의 개폐 여부를 판단하도록 구현하였다. 침입자인 경우 신고가 가능하도록 하였다.
본 논문에서는 위에서 언급한 단점들을 보완하고, 편리성과 보안성을 향상시킨 스마트 도어록 시스템을 제안한다. 사람의 접근을 판단하고 원격으로 도어록을 제어할 수 있도록 하였다.
Yuksekkaya 외 4인은 GSM과 음성 인식을 통해 홈오토메이션 시스템을 구현하였다[17]. 사용자는 휴대 전화, 음성을 통해 시스템을 제어할 수 있도록 하였다. 휴대전화로는 GSM 네트워크를 사용하여 원격으로 도어록을 제어할 수 있도록 하였다.
그림 3은 스마트 도어록 시스템을 제안한 구성도이다. 서버로 구현된 라즈베리 파이와 도어록 그리고 카메라를 연결하였고, 서버는 가정 내의 Wi-Fi 연결하여 데이터 값을 업로드하였다. 인체감지 센서는 사람의 여부를 판단하고, 초음파 센서는 인체감지 센서가 작동할 경우 도어록과 사람의 거리를 측정하였다.
센서로부터 측정된 데이터 값은 라즈베리 파이의 서버에서 확인할 수 있도록 하였으며, 측정된 데이터 값은 조건에 따라 스마트폰으로 푸시 알람을 전송하도록 하였다. 또한 스마트폰은 라즈베리 파이의 해당 IP 주소로 접속하여 도어록을 제어하도록 하였고 카메라를 통해 실시간 영상을 볼 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 스마트폰을 이용하여 보안성과 안전성을 높여 도어록을 제어하는 무선 스마트 도어록 시스템을 개발하였다. 스마트 도어록은 현관에 사람이 접근하면 센서의 조건 값에 따라 사용자에게 경고 푸시 알람을 전송하도록 하였다. 그리고 만약 사용자는 경고 메시지가 전송되지 않더라도 임의로 현관 앞을 모니터링할 수 있도록 하였다.
스마트폰은 스마트 도어록 애플리케이션을 통해 TCP / IP 프로토콜을 사용하여 서버와 통신하도록 하였다. 애플리케이션은 서버의 IP 주소에 접속하여 도어록을 제어할 수 있으며 카메라를 통해 실시간 영상을 볼 수 있도록 하였다.
이때 비밀번호의 기록을 조회할 수 있다. 아두이노 마이크로 컨트롤러는 도어록과 블루투스 모듈은 스마트폰과 블루투스로 통신으로 제어하였다. 기존의 인체감지센서가 아닌 이러한 시스템으로 사전에 범죄를 예방하기 효율적일 것이다.
스마트폰은 스마트 도어록 애플리케이션을 통해 TCP / IP 프로토콜을 사용하여 서버와 통신하도록 하였다. 애플리케이션은 서버의 IP 주소에 접속하여 도어록을 제어할 수 있으며 카메라를 통해 실시간 영상을 볼 수 있도록 하였다.
위의 내용을 구현하기 위해 라즈베리 파이의 GPIO port를 사용하여 센서와 도어록을 제어하였고, GCM을 이용해서 스마트폰 푸시 알람을 전송하도록 하였다. 그리고 카메라 센서는 라즈베리 파이 카메라 모듈을 사용하였고, RTSP 프로토콜을 사용하는 GStreamer 애플리케이션을 사용하여 라즈베리 파이에서 카메라 영상을 업로드하였다.
인체감지센서에서 사람이 감지되면 초음파센서를 작동하도록 하였다. 이 초음파센서는 사람과 센서의 거리가 50cm 이내로 5초 동안 유지되면 스마트폰으로 경고 푸시 알람을 전송하도록 하였다. 또한 사용자의 스마트폰으로 푸시 알람이 반복되어 전송되는 경우를 방지하기 위해 delay() 함수를 사용하여 알람이 전송된 후 3분 동안은 다시 전송되지 않도록 하였다.
서버로 구현된 라즈베리 파이와 도어록 그리고 카메라를 연결하였고, 서버는 가정 내의 Wi-Fi 연결하여 데이터 값을 업로드하였다. 인체감지 센서는 사람의 여부를 판단하고, 초음파 센서는 인체감지 센서가 작동할 경우 도어록과 사람의 거리를 측정하였다. 이때 초음파 센서는 도어록과 거리를 측정하여 일정거리 안에 접근하였을 경우에만 사용자에게 경고 알람을 전송하도록 하였다.
스마트 도어록의 센서로는 인체감지센서와 초음파센서를 사용하였다. 인체감지센서에서 사람이 감지되면 초음파센서를 작동하도록 하였다. 이 초음파센서는 사람과 센서의 거리가 50cm 이내로 5초 동안 유지되면 스마트폰으로 경고 푸시 알람을 전송하도록 하였다.
본 연구에서는 센서로부터 측정된 데이터 값이 조건에 따라 사용자의 스마트폰으로 경고 알람을 전송하기 위해 사용하였다. 초음파 센서가 거리를 측정하여 50cm 이내에 5초 이상 사람이 접근해 있으면 서버는 자동으로 GCM에 메시지를 전송되며 GCM은 사용자에게 실시간으로 경고 알람을 전송하여 상황을 인지할 수 있도록 하였다.
이 시스템은 도난, 화재 방지, 가스 누출과 같이 홈오토메이션 기반으로 구현하였다. 출입문 개폐는 TFT LCD 비밀번호 다이얼 패드와 RFID 판독기로 출입문을 개폐하였다. 또한 현관문이 강제로 개방되거나 센서가 감지되면 CDMA를 통해 단일 메시지나 MMS로 통지한다.
방문자가 비밀번호 입력 시 입력한 키 정보와 얼굴을 캡처하여 사용자에게 알려 현관문의 개폐 여부를 판단하도록 구현하였다. 침입자인 경우 신고가 가능하도록 하였다.
Eize 외 4인은 얼굴 인식을 하여 방문자를 인증하고, GSM 네트워크를 통해 SMS 보안 문자를 보내도록 하였다[13]. 카메라를 통해 방문자의 얼굴 인식을 인식하여 출입 여부를 판단하였고, 마이크로 컨트롤러로 도어록을 제어할 수 있도록 하였고, GSM 모뎀에 접속하여 스마트폰으로 SMS를 보낼 수 있도록 하였다. 또한 PC의 마이크와 스피커는 방문자의 음성이나 메시지를 녹음하기 위해 사용하였다.
사용자는 휴대 전화, 음성을 통해 시스템을 제어할 수 있도록 하였다. 휴대전화로는 GSM 네트워크를 사용하여 원격으로 도어록을 제어할 수 있도록 하였다. 웹 서버는 클라이언트인 휴대 전화로부터의 명령을 처리하고 사용자 계정으로 접속하여 시스템을 설정 및 제어할 수 있도록 제작 되었다.
Ahmad 외 3인은 ZigBee와 GSM을 사용하여 센서와 가전제품을 제어할 수 있도록 하였다[16]. 휴대전화와 마이크로 컨트롤러를 시리얼 포트로 연결하였다. PIR 센서와 진동 센서, 자기 접촉 감지 센서를 사용하여 침입을 검출하도록 하였다.
권순량은 휴대폰을 이용해 원격으로 도어록을 제어하고 방문자를 판단할 수 있도록 하였다[14]. 휴대폰은 자동 호출 서비스로 방문자가 누구인지 파악할 수 있도록 하였고, 도어록은 홈 서버를 통해 DTMF 신호를 이용하여 도어록을 제어하였다. 또한 도어록 제어 시 패스워드 및 화자 인증으로 혼합하여 보안을 증대시키도록 하였다.

대상 데이터

Sahani 외 3인은 GSM 네트워크 기반으로 현관문을 개폐하는 방법을 제안하였다[11]. 라즈베리 파이로 현관문을 제어하였으며 통신은 Zigbee를 사용하였다. 방문자가 있으면 방문자를 캡처하여 얼굴을 식별 한 후 사용자의 스마트폰으로 이메일이나 SMS로 이미지를 전송한다.
그림 6은 스마트 도어록 시스템에 사용된 센서이다. 스마트 도어록의 센서로는 인체감지센서와 초음파센서를 사용하였다. 인체감지센서에서 사람이 감지되면 초음파센서를 작동하도록 하였다.
사용자와 연락이 되지 않는다면 방문자는 녹화 유무를 선택할 수 있다. 휴대폰에서 스마트폰으로 변하면서[14]에서 제안된 논문의 적용이 어려우나 본 연구의 참고가 되었다.

이론/모형

임지민 외 6인은 얼굴 인식을 통하여 도어록 시스템을 제어하도록 하였다[12]. 도어록의 비밀번호 입력 시 PCA(Principal Component Analysis) 알고리즘을 통해 얼굴을 인식하였다. 방문자가 비밀번호 입력 시 입력한 키 정보와 얼굴을 캡처하여 사용자에게 알려 현관문의 개폐 여부를 판단하도록 구현하였다.
웹 서버는 클라이언트인 휴대 전화로부터의 명령을 처리하고 사용자 계정으로 접속하여 시스템을 설정 및 제어할 수 있도록 제작 되었다. 음성 인식은 DTW 알고리즘 사용하여 도어록을 제어하였다. 또한 움직임이 감지되면 카메라를 통해 캡처하여 서버로 전송한다.
또한 도어록 제어 시 패스워드 및 화자 인증으로 혼합하여 보안을 증대시키도록 하였다. 화자인식은 DTW 알고리즘을 사용하여 구현하였다. 초인종을 누르면 사용자가 외출 여부를 센서로 판단하고, 자동으로 가정 내의 인터폰이나 휴대폰으로 연결될지 판단하여 알린다.

성능/효과

또한 움직임이 감지되면 카메라를 통해 캡처하여 서버로 전송한다. 기존의 GSM에 음성 인식으로 편리성을 증가시키도록 하였고, 서버를 통해 시스템을 제어할 수 있도록 하여 편리성을 높였다.

후속연구

앞으로의 연구는 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 도어록 애플리케이션에 로그인 서비스와 도어록에 키패드를 추가할 것이며 해킹의 우려를 최소화하기 위해 스마트 도어록 내부에 암호화를 위한 기술을 추가할 계획이다. 또한 스마트 도어록은 가정의 인터폰과 연결하여 홈 네트워크 시스템을 구현하는 연구를 진행할 예정이다.
앞으로의 연구는 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 도어록 애플리케이션에 로그인 서비스와 도어록에 키패드를 추가할 것이며 해킹의 우려를 최소화하기 위해 스마트 도어록 내부에 암호화를 위한 기술을 추가할 계획이다. 또한 스마트 도어록은 가정의 인터폰과 연결하여 홈 네트워크 시스템을 구현하는 연구를 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사물인터넷이란?	사물인터넷(IoT)은 인터넷망을 사용하여 사람과 사물, 사물과 사물 간에 상호 소통을 돕는 지능형 시스템으로 최근 네트워크의 고속화, 멀티미디어, 대용량, 유, 무선 센서 네트워크 등 다양한 기술이 발달함에 따라 사물인터넷의 연구가 활발히 진행되고 있다[1][2]. 사물인터넷이 주로 산업단지나 자동화 시스템, 관리 체계, 스마트 웨어러블, 홈 네트워크 등 다양한 분야에 접목될 수 있어 신산업 창출, 생산성ㆍ효율성 제고, 사회현안 해결 및 삶의 질 향상 등에 크게 기여할 것으로 전망하고 있다 [3].
	구글의 Cloud API를 이용하기위해 프로젝트별, 개인별 발급되는 key는?	프로젝트를 생성하면 API key와 Project Number가 생성된다. 이 API key로 구글 서버에 등록하여 다른 사용자에게 알람을 전송할 수 있도록 해준다. 만약 GCM 서비스를 사용하지 않고 기존의 방법을 사용할 경우 알람을 전송하려면 해당 스마트폰과 서버가 항상 연결되어 있어야 하고 배터리의 소모량이 많은 단점이 있다.
	사물인터넷은 어떤 분야에 접목될 수 있는가?	사물인터넷(IoT)은 인터넷망을 사용하여 사람과 사물, 사물과 사물 간에 상호 소통을 돕는 지능형 시스템으로 최근 네트워크의 고속화, 멀티미디어, 대용량, 유, 무선 센서 네트워크 등 다양한 기술이 발달함에 따라 사물인터넷의 연구가 활발히 진행되고 있다[1][2]. 사물인터넷이 주로 산업단지나 자동화 시스템, 관리 체계, 스마트 웨어러블, 홈 네트워크 등 다양한 분야에 접목될 수 있어 신산업 창출, 생산성ㆍ효율성 제고, 사회현안 해결 및 삶의 질 향상 등에 크게 기여할 것으로 전망하고 있다 [3].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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