ICT기반의 피부 수분 및 자외선 측정이 가능한 스마트 밴드 및 데이터 모니터링 시스템 구현 A Implementation of Smart Band and Data Monitoring System available of Measuring Skin Moisture and UV based on ICT원문보기
현재 각종 스마트 기기가 발전되고 최근엔 인간의 신체에 부착되어 스마트 컴퓨팅이 가능한 Wearable Device 가 다양하게 연구되고 있다. 또한 인간의 환경적, 유전적 요인으로 인해 기미, 여드름, 아토피, 두피트러블 등의 피부 질환들이 지속적으로 증가하고 있어 치료를 위한 개인의 의료 부담이 증가하고 있는 실정이다. 이에 따라 피부 미용과 관련된 다양한 피부 트러블을 분석하고, 관리할 수 있는 높은 휴대성과 진단 정확성을 가진 스마트폰이나 태블릿 기반의 스마트 헬스케어이미징 시스템 개발의 필요성이 대두되고 있다. 이에 본 논문에서는 IoT를 기반으로 수분 및 UV 센서를 활용한 Wearable Device인 스마트 미밴드 H/W 및 센서정보 모니터링 S/W를 결합한 통합 시스템을 제안한다.
현재 각종 스마트 기기가 발전되고 최근엔 인간의 신체에 부착되어 스마트 컴퓨팅이 가능한 Wearable Device 가 다양하게 연구되고 있다. 또한 인간의 환경적, 유전적 요인으로 인해 기미, 여드름, 아토피, 두피 트러블 등의 피부 질환들이 지속적으로 증가하고 있어 치료를 위한 개인의 의료 부담이 증가하고 있는 실정이다. 이에 따라 피부 미용과 관련된 다양한 피부 트러블을 분석하고, 관리할 수 있는 높은 휴대성과 진단 정확성을 가진 스마트폰이나 태블릿 기반의 스마트 헬스케어 이미징 시스템 개발의 필요성이 대두되고 있다. 이에 본 논문에서는 IoT를 기반으로 수분 및 UV 센서를 활용한 Wearable Device인 스마트 미밴드 H/W 및 센서정보 모니터링 S/W를 결합한 통합 시스템을 제안한다.
Today all kinds of smart devices are being developed with various researches on wearable devices that support smart computing on the human body. Skin diseases continue to rise including freckles, pimples, atopy, and scalp trouble due to the environmental and genetic factors, and people pay bigger me...
Today all kinds of smart devices are being developed with various researches on wearable devices that support smart computing on the human body. Skin diseases continue to rise including freckles, pimples, atopy, and scalp trouble due to the environmental and genetic factors, and people pay bigger medical bills to treat their skin diseases. There is thus a need to develop a smart-phone or table-based smart healthcare imaging system of high portability and diagnostic accuracy capable of analyzing and managing various skin problems related to skin care. This study proposed an integrated system combining the Smart Mi Band, a wearable device using moisture and UV sensors based on IoT, on the hardware part with the sensor information monitoring software.
Today all kinds of smart devices are being developed with various researches on wearable devices that support smart computing on the human body. Skin diseases continue to rise including freckles, pimples, atopy, and scalp trouble due to the environmental and genetic factors, and people pay bigger medical bills to treat their skin diseases. There is thus a need to develop a smart-phone or table-based smart healthcare imaging system of high portability and diagnostic accuracy capable of analyzing and managing various skin problems related to skin care. This study proposed an integrated system combining the Smart Mi Band, a wearable device using moisture and UV sensors based on IoT, on the hardware part with the sensor information monitoring software.
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문제 정의
리튬이온 배터리를 사용함으로써 경량화 및 소형화를 실현하였으며 안정적인 충전을 위한 스마트 충전회로를 적용하여 시스템의 전력 안정화에 추진한다. 또한 상시 충전상태와 충전 완료 상태를 알려주기 위한 소형 LED를 설계하여 사용자가 편리하게 알 수 있도록 한다. 안정적인 전원을 M CU에 공급하기 위해 전류 Feedback을 받는 스위칭 레귤레이터를 사용한다.
스마트 밴드 모니터링 시스템은 안드로이드 기반의 모바일 UI, C#기반의 스마트 밴드 통합 관리 프로그램 UI, JSP 기반의 웹 UI로 구성한다. 본 논문에서 스마트 밴드 S/W 설계는 UML을 기반으로 설계 내용을 제시한다.
본 논문에서는 IoT를 기반으로 수분 및 UV 센서를 활용한 Wearable Device인 스마트 미밴드 H/W 및 측정 정보를 분석할 수 있는 미밴드 관리 모니터링 S/W를 제안하였다. 센서를 이용하여 사용자의 피부 지수 및 외부 자외선 지수를 측정하고 측정된 결과를 서버와 스마트기기에 전송하여 데이터를 가공 및 저장하도록 하였다.
이에 본 논문에서는 ICT를 기반으로 피부 수분 및 자외선 측정이 가능한 스마트 밴드 H/W 및 측정 데이터를 효율적으로 관리할 수 있는 모니터링 S/W를 제안한다. 손목형 밴드 타입의 스마트 밴드 H/W는 피부 수분 지수 측정과 자외선 지수를 측정할 수 있는 센서를 포함하고 있으며, 측정 정보 전송을 위하여 Beacon 통신 회로를 포함한다.
시스템의 전체 구성은 스마트 밴드, 제어 어플리케이션, 멀티 전자 디퓨저로 구성되도록 제안하였다. 해당 연구를 통해 시간의 소모 없이 사용자의 스트레스를 줄이고 업무의 효율성을 증대시키는 효과를 확인하고 제시하였다.
제안 방법
스마트 밴드에 내장되어 있는 자이로 센서를 활용하여 운동량을 측정하게 되고 와이파이 모듈을 이용하여 운동정보를 서버에 저장할 수 있도록 하였다. 각 운동별로 측정범위를 설정하여 운동 횟수를 계산하였다. 실제로 측정범위에 따라 운동 횟수의 정확성을 측정하였고 약 1%내외의 오차율을 확인하였다.
통합관리 UI에서 관리자는 회원들의 정보, 게시판, 팁 관리가 가능하도록 구성하였다. 관리자가 3가지 정보를 하나의 UI에서 조회하고 수정할 수 있도록 사용자 인터페이스를 구성하였다. 그림 19는 JSP 웹페이지의 로그인화면과, 팁 조회 화면이다.
센서를 이용하여 사용자의 피부 지수 및 외부 자외선 지수를 측정하고 측정된 결과를 서버와 스마트기기에 전송하여 데이터를 가공 및 저장하도록 하였다. 단순히 측정된 피부 정보를 알려주는데 그치지 않고 측정된 데이터를 분석하여 사용자에게 알맞은 정보를 제공하도록 하였다. 향후 연구로는 측정된 데이터를 자세히 분석하여 사용자가 필요한 영양소, 음식 등을 추천할 수 있는 시스템을 추가할 예정이다.
측정 부위는 얼굴을 기준으로 이마, 눈가, 볼, 코, 목으로 구분하여 측정된 데이터를 저장하게 된다. 또한 기간별로 사용자의 데이터를 볼 수 있도록 설계한다. 앱 관리 프로그램은 정형화된 데이터를 기반으로 얼굴 모양의 그래픽 형태인 시각적 GUI도 추가로 설계한다.
3V를 사용하며 상시 충전을 할 수 있도록 Micro U SB 단자를 추가한다. 리튬이온 배터리를 사용함으로써 경량화 및 소형화를 실현하였으며 안정적인 충전을 위한 스마트 충전회로를 적용하여 시스템의 전력 안정화에 추진한다. 또한 상시 충전상태와 충전 완료 상태를 알려주기 위한 소형 LED를 설계하여 사용자가 편리하게 알 수 있도록 한다.
[1]의 연구에서는 웨어러블 디바이스의 종류인 스마트 밴드를 이용하여 사용자의 운동을 관리해주는 시스템을 구현하였다. 사용자는 스마트폰과 스마트 T V를 이용 운동 정보를 저장하고 관리할 수 있도록 하였다. 제안된 시스템에서는 운동의 종류를 5가지로 구성하였으며 사용자의 선택에 따라 운동을 할 수 있도록 하였다.
시스템은 윈도우 10 환경의 Eclipse에서 Java를 이용하여 구현하였으며, 시스템 설계는 오픈 플랫폼인 Star UML을 이용하였다. 서버는 Apache에서 제공하는 Tomcat을 사용하였고 모바일 사용자의 스마트폰 애플리케이션은 Android를 기반으로 구현하였다. DBMS는 Oracle 11g를 활용하였다.
본 논문에서는 IoT를 기반으로 수분 및 UV 센서를 활용한 Wearable Device인 스마트 미밴드 H/W 및 측정 정보를 분석할 수 있는 미밴드 관리 모니터링 S/W를 제안하였다. 센서를 이용하여 사용자의 피부 지수 및 외부 자외선 지수를 측정하고 측정된 결과를 서버와 스마트기기에 전송하여 데이터를 가공 및 저장하도록 하였다. 단순히 측정된 피부 정보를 알려주는데 그치지 않고 측정된 데이터를 분석하여 사용자에게 알맞은 정보를 제공하도록 하였다.
그림 16은 수분 및 자외선 센서를 활용한 스마트 밴드 H/W이다. 센서를 이용하여 사용자의 피부 지수를 측정하고 측적된 결과를 서버와 스마트기기에 전송하여 데이터를 저장하도록 하였다.
피부의 수분측정 값을 할 때 임의의 출력설정 값을 주어서 타이머에 의해 소리가 울리고 불빛이 켜진 후 잠시 후에 측정기 가능하도록 변수값을 정해준다. 수분 값을 측정 후에는 저전력 프로그램 내용으로 초기화되도록 하여서 경고 소리와 함께 자동으로 리셋이 되도록 하여 배터리 소모를 줄일 수 있도록 프로그램을 설계한다. 수분측정 프로그램과 연동해 자외선 센서를 통하여 피부에 남은 수분 선크림 양을 측정하여 밴드에 디스플레이 할 수 있도록 설계 한다.
수분 값을 측정 후에는 저전력 프로그램 내용으로 초기화되도록 하여서 경고 소리와 함께 자동으로 리셋이 되도록 하여 배터리 소모를 줄일 수 있도록 프로그램을 설계한다. 수분측정 프로그램과 연동해 자외선 센서를 통하여 피부에 남은 수분 선크림 양을 측정하여 밴드에 디스플레이 할 수 있도록 설계 한다. 스마트 밴드 모니터링 시스템 S/W는 스마트 밴드에 무선 통신을 활용하여 모바일 및 웹 서버로 측정 데이터를 전송한다.
손목형 밴드 타입의 스마트 밴드 H/W는 피부 수분 지수 측정과 자외선 지수를 측정할 수 있는 센서를 포함하고 있으며, 측정 정보 전송을 위하여 Beacon 통신 회로를 포함한다. 스마트 밴드 데이터 모니터링 S/W는 사용자의 측정 데이터를 효율적으로 관리하기 위하여 모바일, 웹, 관리자 인터페이스를 구분하여 제안한다.
제안된 시스템에서는 운동의 종류를 5가지로 구성하였으며 사용자의 선택에 따라 운동을 할 수 있도록 하였다. 스마트 밴드에 내장되어 있는 자이로 센서를 활용하여 운동량을 측정하게 되고 와이파이 모듈을 이용하여 운동정보를 서버에 저장할 수 있도록 하였다. 각 운동별로 측정범위를 설정하여 운동 횟수를 계산하였다.
스마트 밴드는 영․유아의 체온, 심장박동 수, 혈중산소포화도 등을 측정하여 스마트 밴드에 탑재된 무선통신 인터페이스를 이용하여 보호자의 스마트폰으로 영․유아의 상황정보를 전달한다. 스마트폰에 탑재된 헬스케어 어플리케이션에서는 스마트 밴드로부터 전달받은 데이터를 기반으로 영․유아의 상황정보에 대한 모니터링을 제공하고, 고열이나 저체온 상태, 호흡곤란 상태와 같은 보호자의 적절한 조치가 필요한 상황에 대한 알림을 제공하도록 구현하였다.
사용자의 상태를 파악하는 기준이 되는 심박 수는 나이, 성별, 운동습관과 관계있으며 사용자의 활동 상태에 따라 변한다. 시스템의 전체 구성은 스마트 밴드, 제어 어플리케이션, 멀티 전자 디퓨저로 구성되도록 제안하였다. 해당 연구를 통해 시간의 소모 없이 사용자의 스트레스를 줄이고 업무의 효율성을 증대시키는 효과를 확인하고 제시하였다.
자외선 센서에서 자외선 세기를 전기적 신호로 변환하여 mV입력신호를 증폭하여 MCU에게 전압으로 세기를 전달하는 역할을 한다. 외부 환경의 자외선 강도를 측정하기 위해 고효율 자외선 센서를 이용하여 센서의 mV신로를 입력으로 받아 빠른 응답에 대응하고 이를 증폭하기 위해서 OP-AMP 증폭회로로 구성한다. 또한 MCU의 입력전압에 맞추어 0~3 V내에서 범위를 설정한다.
그림 4는 수분 및 자외선 센서 측정 회로 설계도이다. 외부 환경의 자외선 강도를 측정하기 위해 고효율 자외선 센서를 이용하여 센서의 mV신호를 입력으로 받아 빠른 응답에 대응하고 이를 증폭하기 위해서 O P-AMP 증폭회로로 구성한다.
User가 모바일에서 피부데이터 정보 조회 요청을 하면 조회할 조건 데이터 들을 파싱하고, 데이터베이스와 연결 후 조회할 조건에 따라 데이터베이스에 데이터를 요청한다. 요청결과를 JSP측에 출력하고, 출력된 데이터를 파싱한 후, 파싱된 데이터를 모바일로 전송한다.
사용자는 스마트폰과 스마트 T V를 이용 운동 정보를 저장하고 관리할 수 있도록 하였다. 제안된 시스템에서는 운동의 종류를 5가지로 구성하였으며 사용자의 선택에 따라 운동을 할 수 있도록 하였다. 스마트 밴드에 내장되어 있는 자이로 센서를 활용하여 운동량을 측정하게 되고 와이파이 모듈을 이용하여 운동정보를 서버에 저장할 수 있도록 하였다.
[2]의 연구에서는 영·유아의 상황정보를 수집할 수 있는 스마트 밴드를 이용한 헬스케어 시스템을 제안 하였다. 제안한 시스템은 스마트 밴드를 이용하여 영․유아의 다양한 상황정보를 수집하고 스마트폰을 통해 영․유아의 상황에 대한 모니터링 및 알림을 제공한다. 스마트 밴드는 영․유아의 체온, 심장박동 수, 혈중산소포화도 등을 측정하여 스마트 밴드에 탑재된 무선통신 인터페이스를 이용하여 보호자의 스마트폰으로 영․유아의 상황정보를 전달한다.
이론/모형
또한 스마트 밴드 사용자는 모바일 앱처럼 사용자 정보를 시각적으로 볼수 있다. 사용자의 데이터를 시각적으로 나타내기 위해 GoogleChart를 사용하였다.
제안하는 시스템의 구현 환경은 표 1과 같다. 시스템은 윈도우 10 환경의 Eclipse에서 Java를 이용하여 구현하였으며, 시스템 설계는 오픈 플랫폼인 Star UML을 이용하였다. 서버는 Apache에서 제공하는 Tomcat을 사용하였고 모바일 사용자의 스마트폰 애플리케이션은 Android를 기반으로 구현하였다.
성능/효과
저전력으로 구동하기 위해 각 디스플레이마다 시분할하여 이를 순차적으로 표시하도록 한다. 사용자에게 많은 정보를 주기위하여 4채널 Display를 사용하였으며 UV센서의 값을 분석하여 현재상태의 값을 정확하게 전달한다. 평소에는 off 되어 있으며 자외선 신호를 측정하기 위해 스위치를 누르면 약 t초 후에 값을 분석하여 이를 표시하고 t초 후에 idle mode로 진입하여 모두 off된다.
각 운동별로 측정범위를 설정하여 운동 횟수를 계산하였다. 실제로 측정범위에 따라 운동 횟수의 정확성을 측정하였고 약 1%내외의 오차율을 확인하였다.
후속연구
단순히 측정된 피부 정보를 알려주는데 그치지 않고 측정된 데이터를 분석하여 사용자에게 알맞은 정보를 제공하도록 하였다. 향후 연구로는 측정된 데이터를 자세히 분석하여 사용자가 필요한 영양소, 음식 등을 추천할 수 있는 시스템을 추가할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
헬스 케어의 장점은 무엇인가?
특히, 웨어러블 기기[7-8] 는 인간의 신체를 활용하기 때문에 많은 연구가 헬스 케어와 관련된 연구를 주로 하고 있는 실정이다. 헬스 케어는 신체에 나오는 다양한 정보를 모니터링하고 신체정보를 가공하여 관련 정보를 재생산할 수 있는 장점을 포함하고 있다.
스마트 밴드 모니터링 시스템 S/W에서 전송된 데이터는 누구에게 보여지는가?
스마트 밴드 모니터링 시스템 S/W는 스마트 밴드에 무선 통신을 활용하여 모바일 및 웹 서버로 측정 데이터를 전송한다. 전송된 데이터는 가공되어 사용자에게 보여준다. 측정 부위는 얼굴을 기준으로 이마, 눈가, 볼, 코, 목으로 구분하여 측정된 데이터를 저장하게 된다.
웨어러블 기술이란?
현재 각종 스마트 기기가 발전되고 최근엔 인간의 신체에 부착되어 스마트 컴퓨팅이 가능한 웨어러블 기기가 다양하게 연구되고 있다. 웨어러블 기술은 “정보통신 디바이스를 인간의 소목, 머리, 팔, 목 등 목에 지니고 다닐 수 있는 디바이스로 만드는 기술”로 초소형 부품과 초박막형의 플렉서블(Flexible) 디스플레이, 스마트 센서, 저 전력 무선 통신, 모바일 운영 체제 드 정보통신 기술이 일상생활에서 사용되는 시계, 안경, 옷, 헬멧 등에 접목되어 사용자에게 언제 어디서나 컴퓨팅 환경을 제공한다. 이러한 웨어러블 기기는 수많은 학계에서 연구중[1-6]이며, 이동통신사를 이용한 다양한 서비스를 제공하고 있다.
참고문헌 (9)
J. Park, H. Hwang, J. Yun, G. Park, and I. Moon, "User Motion Recognition Healthcare System Using Smart-Band," J. of Advanced Navigation Technology, vol. 18, no. 6, 2014, pp. 619-624.
M. Yu, D. Lee, and J. Lim, "Design of Health-care System for Baby using Smart Band," Proc. of the Korean Society for Internet Information Conf., Daejeon, Korea, May, 2014, pp. 227-228.
M. Kim and M. Moon, "Individual Customized Aroma Therapy System Using Smart band," Proc. of Korea Information Science Society Conf., Jeju, Korean, June, 2016, pp. 1929-1931.
K. Jeong, H. Lee, B. Lee, J. Lee, and J. Oh, "Wearable computing technology - today and future," The J. of Korean Institute of Information Technology, vol. 2, no. 1, 2004, pp. 83-90.
H. Park and H. Kim, "Case studies and development on wearable healthcare design - mainly with diverse types of user perspectives," The J. of Korea Digital Design Council, vol. 14, no. 3, 2014, pp. 135-144.
D. Park and M. Yeoun, "A study on the system and interaction configuration of health-band," Proc. of Korea Digital Design Council Conf., Seoul, Korean, May, 2014, pp. 113-114.
Y. Lee and P. Moon, "Comparison and Analysis of Function Features of IoT Operating Systems," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 12, no. 2, 2017, pp. 337-344.
J. Lee, M. Kim, and M. Jun, "Design of Acute Heart Failure Prevention System based on QRS Pattern of ECG in Wearable Healthcare Environment," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 11, no. 11, 2016, pp. 1141-1148.
W. Lee and Y. Ko, "A Study on the Development of High-intensity focused Ultrasound Device for the Beauty Treatment Health Care," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 11, no. 12, 2016, pp. 1259-1264.
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