[논문]사물인터넷 기반의 스마트 기숙사 시스템 구현

이우영; 고화문; 유제훈; 심귀보

doi:10.5391/jkiis.2016.26.4.295

사물인터넷 기반의 스마트 기숙사 시스템 구현
An Implementation of Smart Dormitory System Based on Internet of Things 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.26 no.4, 2016년, pp.295 - 300

이우영 (중앙대학교 전자전기공학부) , 고화문 (중앙대학교 전자전기공학부) , 유제훈 (중앙대학교 전자전기공학부) , 심귀보 (중앙대학교 전자전기공학부)

초록
AI-Helper

사물들에 네트워크를 연결하여 사람과 사물, 사물과 사물의 상호 소통을 돕는 지능형 시스템인 사물인터넷이 발달하고 있다. 사물인터넷과 네트워크 기술, 스마트 기기의 발달에 따라 홈 네트워크 시스템에 관한 관심이 증가하고 있다. 본 논문에서는 압력 센서와, 적외선 센서, 초음파 센서, 스위치, 아두이노, 라즈베리파이, 안드로이드 어플리케이션을 이용하여 홈 네트워크를 기숙사에 적용한 사물인터넷 기반의 스마트 기숙사 시스템을 제안한다. 사물인터넷 기반의 스마트 기숙사 시스템은 기숙사의 대표적인 공동물품인 세탁기, 컴퓨터, 러닝머신의 사용여부와 택배의 도착여부를 안드로이드 어플리케이션을 통하여 파악할 수 있도록 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Internet of things which helps communication between human and thing and between things by connecting networks on them is developing. Develops of Internet of things, network technique, and smart machine result interest on home network system. In this paper, we suggested a system with the home network to the dormitory using pressure sensors, infrared sensor, ultrasonic sensor, switch, arduino, raspberrypi, android application. Smart dormitory system based on the internet of things provide information whether public things in dormitory like laundry machine, computer, treadmill is being used now, and package is arrived through android application.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 사물인터넷 관련 응용분야 중 홈 네트워크 분야를 기숙사에 적용한 사물인터넷 기반의 스마트 기숙사 시스템을 구현하였다. 여러 가지 센서와 아두이노를 이용하여 회로를 구성한 뒤 아두이노에서 공동물품의 사용여부를 판단했다.
본 논문에서는 아두이노와 라즈베리파이를 이용하여 기숙사의 대표적인 공동물품인 세탁기, 컴퓨터, 러닝머신의 사용여부와 택배의 도착여부를 실시간으로 파악하는 것을 목표로 설정했다. 아두이노와 센서를 이용하여 구성한 회로와 라즈베리파이를 직렬로 연결하여 전체 시스템의 회로를 구성하였다.
본 논문에서는 홈 네트워크를 기숙사에 적용한 사물인터넷 기반의 스마트 기숙사 시스템을 제안한다. 사물인터넷 기반의 스마트 기숙사 시스템은 아두이노와 라즈베리파이, 센서 등을 이용하여 구현하였고 안드로이드 스튜디오 프로그램을 이용하여 스마트폰 어플리케이션을 만들어 기숙사의 공용물품의 사용여부를 확인할 수 있도록 하였다.
이러한 불편함을 해결하기 위하여 본 논문에서는 사물인터넷 기반의 스마트 기숙사를 제안한다. 사물인터넷 기반의 스마트 기숙사는 기숙사에 있는 대표적인 공용물품인 세탁기, 컴퓨터, 러닝머신의 사용여부와 택배의 도착여부를 센서를 이용하여 알아낸 뒤, 각 물품의 정보를 사용자가 스마트폰 어플리케이션을 통해 실시간으로 모니터링 할 수 있게 하여 기숙사의 공동 시설을 편리하게 이용할 수 있도록 돕는 시스템이다.

가설 설정

컴퓨터의 사용여부 판단은 사람이 컴퓨터 앞에 앉아 있으면 사람의 몸에서 나오는 적외선을 감지하므로 적외선센서의 값을 디지털로 받아 high일 경우 사용 중, low일 경우 사용 중이 아니라고 판단했다. 세탁기는 동작할 경우 전원이 켜져 있고 동작하지 않을 경우 전원이 꺼져 있다고 가정하고 스위치의 전압을 디지털로 받아 high일 경우 사용 중, low일 경우 사용 중이 아니라고 판단했다. 택배의 도착여부는 택배함에 택배가 있을 경우 바닥에 압력이 가해지므로 300이상의 센서 값이 나오면 택배가 있다고 판단했고 러닝머신의 사용여부 판단은 사람이 러닝머신을 사용하고 있으면 일정 거리를 유지하며 사용하니 초음파센서로 측정된 거리가 10cm 이하일 경우 사용 중이라고 판단했다.

제안 방법

아두이노와 센서를 이용하여 구성한 회로와 라즈베리파이를 직렬로 연결하여 전체 시스템의 회로를 구성하였다. 각 센서의 값을 이용하여 아두이노가 각 물품의 사용여부를 판단하였고 판단결과를 라즈베리파이로 전송하였다. 그 다음 라즈베리파이에서 실시간으로 물품의 사용여부를 웹으로 올린 뒤 안드로이드 어플리케이션을 이용하여 각 기기의 사용여부를 실시간으로 사용자가 확인할 수 있도록 하였다.
공동물품의 사용여부는 아두이노에 입력되는 센서의 값을 이용하여아두이노에서 판단하였다. 일반적으로 세탁기는 사용 중일 때는 전원이 켜져 있고 사용하지 않을 때는 전원이 꺼져있으므로 스위치를 이용하여 사용여부를 구현하였고 컴퓨터는 사용 중일때 사람이 앞에 있으므로 적외선센서를 이용하여 사용여부를 파악하였다.
공용기기의 사용여부는 구성한 회로의 아두이노로 들어오는 센서의 값들을 이용하여 판단했다. 컴퓨터의 사용여부 판단은 사람이 컴퓨터 앞에 앉아 있으면 사람의 몸에서 나오는 적외선을 감지하므로 적외선센서의 값을 디지털로 받아 high일 경우 사용 중, low일 경우 사용 중이 아니라고 판단했다.
각 센서의 값을 이용하여 아두이노가 각 물품의 사용여부를 판단하였고 판단결과를 라즈베리파이로 전송하였다. 그 다음 라즈베리파이에서 실시간으로 물품의 사용여부를 웹으로 올린 뒤 안드로이드 어플리케이션을 이용하여 각 기기의 사용여부를 실시간으로 사용자가 확인할 수 있도록 하였다.
그리고 적외선센서는 모형 앞에 인체를 대는 동작을 통하여 성능을 확인하였고 초음파센서는 센서 앞에 물건을 가져다놓는 방법을 이용하여 성능을 확인하였다. 그림 12는 라즈베리파이에서 실행한 아두이노를 이용하여 각 기기들의 사용여부를 판단하고 공동물품의 사용여부의 실시간 확인을 위한 어플리케이션 화면이 동작하는지 확인한 실험 화면의 예시이다.
그림 6과 그림 7은 74LS153 IC와 센서를 이용하여 회로를 구성하는 방법을 간략하게 표현한 그림이다. 그림 6의 74LS153 IC와 센서를 이용한 회로 연결 방법을 이용하여 4개의 회로를 구성한 뒤 그림 7과 같이 각 74LS153 IC의 7번 핀을 아두이노에 연결하여 한 번에 4개의 공동물품 사용여부를 파악하도록 구현했다.
라즈베리파이는 아두이노를 실행시키고 아두이노에서 판단한 공동용품의 사용여부를 웹으로 올리는 역할을 한다. 라즈베리파이와 아두이노는 직렬로 연결했고 웹 기반의 SSH 터미널 접속 프로그램을 이용하여 웹으로 기숙사 공동용품의 사용여부를 실시간으로 전송하였다. 사용자는 안드로이드 어플리케이션을 이용하여 공동물품의 사용여부를 실시간으로 확인할 수 있는 웹으로 접속하여 공동용품의 사용여부를 확인할 수 있다.
본 논문에서는 홈 네트워크를 기숙사에 적용한 사물인터넷 기반의 스마트 기숙사 시스템을 제안한다. 사물인터넷 기반의 스마트 기숙사 시스템은 아두이노와 라즈베리파이, 센서 등을 이용하여 구현하였고 안드로이드 스튜디오 프로그램을 이용하여 스마트폰 어플리케이션을 만들어 기숙사의 공용물품의 사용여부를 확인할 수 있도록 하였다. 사물인터넷 기반의 스마트 기숙사 시스템은 기숙사의 공동물품을 더욱 편리하게 사용할 수 있도록 도울 것이다.
그림 3은 라즈베리파이2이다. 사물인터넷 기반의 스마트 기숙사 시스템의 구현 목표인 세탁기, 컴퓨터, 러닝머신의 사용여부와 택배의 도착여부를 파악하는 것을 위하여 기숙사의 모형을 만들고 회로를 구성한 뒤 모형에 센서를 연결했다. 공동물품모형은 물품 하나당 4개씩 총 16개를 만들었다.
센서와 스위치의 출력을 74LS153 IC의 3, 4, 5, 6번 핀으로 넣어준 뒤 아두이노를 이용하여 74LS153 IC에 00, 01, 10, 11의 디지털신호를 일정한 주기로 번갈아가며 넣어주었고 한 번에 하나의 입력만을 7번 핀으로 나오게 하였다. 그림 6과 그림 7은 74LS153 IC와 센서를 이용하여 회로를 구성하는 방법을 간략하게 표현한 그림이다.
안드로이드 어플리케이션은 구글의 안드로이드 스튜디오 프로그램을 이용하여 만들었고 어플리케이션을 실행하여 웹으로 접속한 뒤 실시간으로 기숙사의 공동물품의 사용여부를 확인할 수 있었다. 스위치의 사용여부는 스위치를 켰다 껐다를 반복하면서 어플리케이션에 실시간으로 스위치의 상태가 표시되는 것을 확인하는 실험을 통하여 확인하였고 압력센서의 사용여부는 실제로 물건을 올려놓고 어플리케이션을 통하여 택배함의 상태가 실시간으로 표시되는지 확인하는 방법을 통하여 성능을 테스트했다.
여러 가지 센서와 아두이노를 이용하여 회로를 구성한 뒤 아두이노에서 공동물품의 사용여부를 판단했다. 아두이노와 라즈베리파이를 종속으로 연결하여 아두이노에서 판단한 사용여부를 라즈베리파이로 전달한 뒤 라즈베리파이에서 웹으로 올려주어 공동물품까지 직접 찾아가지 않고 어플리케이션에서 공동물품의 사용여부를 확인할 수 있었다. 사물인터넷 기반의 스마트 기숙사 시스템을 통하여 사용자들은 공동기기들의 사용여부를 편리하게 파악하여 사용할 수 있을 것이고 시설 관리자는 어플리케이션을 이용하여 사용하지 않는 기기들을 파악한 뒤 전원을 끄면 낭비되는 에너지 절약에도 도움이 될 것이다.
본 논문에서는 아두이노와 라즈베리파이를 이용하여 기숙사의 대표적인 공동물품인 세탁기, 컴퓨터, 러닝머신의 사용여부와 택배의 도착여부를 실시간으로 파악하는 것을 목표로 설정했다. 아두이노와 센서를 이용하여 구성한 회로와 라즈베리파이를 직렬로 연결하여 전체 시스템의 회로를 구성하였다. 각 센서의 값을 이용하여 아두이노가 각 물품의 사용여부를 판단하였고 판단결과를 라즈베리파이로 전송하였다.
본 논문에서는 사물인터넷 관련 응용분야 중 홈 네트워크 분야를 기숙사에 적용한 사물인터넷 기반의 스마트 기숙사 시스템을 구현하였다. 여러 가지 센서와 아두이노를 이용하여 회로를 구성한 뒤 아두이노에서 공동물품의 사용여부를 판단했다. 아두이노와 라즈베리파이를 종속으로 연결하여 아두이노에서 판단한 사용여부를 라즈베리파이로 전달한 뒤 라즈베리파이에서 웹으로 올려주어 공동물품까지 직접 찾아가지 않고 어플리케이션에서 공동물품의 사용여부를 확인할 수 있었다.
택배가 도착하면 택배의 무게에 의하여 택배함 바닥에 압력이 가해지므로 압력센서를 이용하여 사용여부를 파악하였다. 그림 8과 9은 스마트 기숙사 시스템의 구현을 위하여 만든 모형과 센서를 합쳐놓은 그림이다.

대상 데이터

압력센서는 FSR-402, 적외선센서는 TCRT5000, 초음파센서는 HC-SR04를 사용하였다. 각 센서는 대부분 정확하게 측정이 되었고 측정가능거리 또한 데이터시트에 있는 범위를 만족하는 것을 확인하였다.
총 16개의 공동물품 사용여부 중 한 번에 4개의 사용여부를 확인하기 위하여 3가지의 센서와 스위치를 각각 4개씩 사용하였고, 4개의 74LS153 IC를 사용하여 회로를 구성했다. 74LS153 IC는 00, 01, 10, 11의 디지털신호에 따라 입력 1, 2, 3, 4를 그대로 출력으로 내보내주는 역할을 한다.

성능/효과

압력센서는 FSR-402, 적외선센서는 TCRT5000, 초음파센서는 HC-SR04를 사용하였다. 각 센서는 대부분 정확하게 측정이 되었고 측정가능거리 또한 데이터시트에 있는 범위를 만족하는 것을 확인하였다. 그림 4는 회로 구성에 사용한 압력센서, 적외선센서, 초음파센서를 나타낸 그림이고 표 1과 표 2는 각 센서의 사양을 나타낸 표이다.
회로는 기숙사 모형 아래에 구성하였고 그림 11은 구성한 회로의 실제 모습이다. 안드로이드 어플리케이션은 구글의 안드로이드 스튜디오 프로그램을 이용하여 만들었고 어플리케이션을 실행하여 웹으로 접속한 뒤 실시간으로 기숙사의 공동물품의 사용여부를 확인할 수 있었다. 스위치의 사용여부는 스위치를 켰다 껐다를 반복하면서 어플리케이션에 실시간으로 스위치의 상태가 표시되는 것을 확인하는 실험을 통하여 확인하였고 압력센서의 사용여부는 실제로 물건을 올려놓고 어플리케이션을 통하여 택배함의 상태가 실시간으로 표시되는지 확인하는 방법을 통하여 성능을 테스트했다.

후속연구

아두이노와 라즈베리파이를 종속으로 연결하여 아두이노에서 판단한 사용여부를 라즈베리파이로 전달한 뒤 라즈베리파이에서 웹으로 올려주어 공동물품까지 직접 찾아가지 않고 어플리케이션에서 공동물품의 사용여부를 확인할 수 있었다. 사물인터넷 기반의 스마트 기숙사 시스템을 통하여 사용자들은 공동기기들의 사용여부를 편리하게 파악하여 사용할 수 있을 것이고 시설 관리자는 어플리케이션을 이용하여 사용하지 않는 기기들을 파악한 뒤 전원을 끄면 낭비되는 에너지 절약에도 도움이 될 것이다. 향후 연구에서는 예약, 사용시간 체크 등의 기능을 추가하여 사용자의 편의성을 높일 계획이다.
사물인터넷 기반의 스마트 기숙사 시스템을 통하여 사용자들은 공동기기들의 사용여부를 편리하게 파악하여 사용할 수 있을 것이고 시설 관리자는 어플리케이션을 이용하여 사용하지 않는 기기들을 파악한 뒤 전원을 끄면 낭비되는 에너지 절약에도 도움이 될 것이다. 향후 연구에서는 예약, 사용시간 체크 등의 기능을 추가하여 사용자의 편의성을 높일 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기숙사의 공용공간의 불편함에는 무엇이 있는가?	기숙사의 공용공간의 경우 이용하려는 사람의 수에 비해 사용할 수 있는 공용물품들의 수가 부족하거나 특정 시간대에 사람이 몰려 기기를 사용할 수 없는 경우가 있다는 문제점이 있다. 그리고 대부분의 공용물품들의 사용여부를 알고 싶을 경우 직접 그 물품이 있는 공간으로 가서 직접 사용여부를 확인해야한다는 불편함이 있다.
	사물인터넷이란 무엇인가?	사물인터넷(Internet of Things; IoT)은 사물들에 네트워크를 연결하여 사람과 사물, 사물과 사물의 상호 소통을 돕는 지능형 시스템으로, 스마트폰을 뒤이은 차기 주력 IT 성장 동력으로 주목받으면서 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다[1,2]. 사물인터넷은 네트워크, 센싱, 저전력 배터리, 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅 등의 관련 기술을 기반으로 인간에게 편리한 환경을 제공하고 자동화 시스템, 스마트 웨어러블, 홈 네트워크 등 다양한 분야에 적용 가능하여 막대한 경제적인 부가가치를 창출할 수 있는 분야이다[2,3].
	스마트 기숙사는 무엇인가?	이러한 불편함을 해결하기 위하여 본 논문에서는 사물인터넷 기반의 스마트 기숙사를 제안한다. 사물인터넷 기반의 스마트 기숙사는 기숙사에 있는 대표적인 공용물품인 세탁기, 컴퓨터, 러닝머신의 사용여부와 택배의 도착여부를 센서를 이용하여 알아낸 뒤, 각 물품의 정보를 사용자가 스마트폰 어플리케이션을 통해 실시간으로 모니터링 할 수 있게 하여 기숙사의 공동 시설을 편리하게 이용할 수 있도록 돕는 시스템이다. 이 시스템을 이용할 경우 사용여부를 알고 싶은 물품이 있는 장소에 직접 가지 않고 어플리케이션을 실행하는 것만으로도 실시간으로 공용물품의 사용여부를 알 수 있다는 장점이 있다.

참고문헌 (8)

Woo-Soo Jeong, Sa-Hyuk Kim, and Kyoung-Sik Min, "An Analysis of the Economic Effects for the IoT Industry." Journal of Internet Computing and Services, vol.14(5), pp. 119-128, 2013

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Sung-Won Lee, Je-Hun Yu, and Kwee-Bo Sim, "Real-time Streaming and Remote Control for the Smart Door-Lock System based on Internet of Things," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, vol.25(6), pp.565-570, 2015

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Sae-Rom Lee, and Jung-Joo Jahng, "The Diffusion of Internet of Things: Forecasting Technologies and Company Strategies using Qualitative and Quantitative Approach," Journal of Society for e-Business Studies, vol.20(4), 2016
Hwa-jeong Suh, Dong-gun Lee, Jong-seok Choe, and Howon Kim, "IoT security technology trends," The Korea Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol.24(4), pp. 27-35, July. 2013

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Raj. S. V, "Implementation of pervasive computing based high-secure smart home system," Computational Intelligence & Computing Research (ICCIC), 2012 IEEE International Conference on, pp. 1-8, Dec. 2012
Jung-Eun Kim, and Mi-Kyoung Kim, "The Planning of Common and Living Space in the Dormitory Buildings on Campus - Focusde on the Dormitory Buildings in Chungchung Province-," Journal of the Korean Institute of Interior Design, vol.22, pp.274-282, 2013

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Joohyeung Lee, "Access Control for Arduino based Smart Home Using Web interface," Korea Computer Congress 2014, vol. 1, pp. 297-299, June. 2014.
J. Y. Yoon and K. Kim, "Raspberry Pi Smart Life," Digital Books, 2013

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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