네트워크 인프라 환경과 센서 및 IoT 디바이스 기술의 발전에 따라 사용자나 건물, 환경에 대한 모니터링 및 이에 따른 상호작용 기술에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히, 사회적 약자인 노인, 장애인, 어린이들과 관련된 모니터링 기술에 대한 수요가 급증하고 있다. 본 연구에서는 IoT 케어 로봇 기반의 효율적인 병실 관리 시스템을 제안한다. IoT 디바이스와 클라우드 기반 플랫폼을 활용함으로써 보다 효율적이고 직관적으로 병실의 상태를 확인하고 제어할 수 있다. 본 연구에서는 ARTIK 디바이스와 ARTIK Cloud 플랫폼 기반의 프로토타입 구현을 통하여 제안하는 시스템의 활용 가능성을 확인하였으며, 센서 정보 수집 및 경고 상황 대응에 각각 약 600ms와 130ms가 소요되어 제안하는 시스템이 실시간으로 동작 가능함을 확인하였다.
네트워크 인프라 환경과 센서 및 IoT 디바이스 기술의 발전에 따라 사용자나 건물, 환경에 대한 모니터링 및 이에 따른 상호작용 기술에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히, 사회적 약자인 노인, 장애인, 어린이들과 관련된 모니터링 기술에 대한 수요가 급증하고 있다. 본 연구에서는 IoT 케어 로봇 기반의 효율적인 병실 관리 시스템을 제안한다. IoT 디바이스와 클라우드 기반 플랫폼을 활용함으로써 보다 효율적이고 직관적으로 병실의 상태를 확인하고 제어할 수 있다. 본 연구에서는 ARTIK 디바이스와 ARTIK Cloud 플랫폼 기반의 프로토타입 구현을 통하여 제안하는 시스템의 활용 가능성을 확인하였으며, 센서 정보 수집 및 경고 상황 대응에 각각 약 600ms와 130ms가 소요되어 제안하는 시스템이 실시간으로 동작 가능함을 확인하였다.
Recent advances in network infrastructures, sensors, and IoT devices have accelerated the research and development of monitoring and interaction technologies designed for people, buildings, and environments. In particular, there has been an increasing demand for monitoring technologies for vulnerabl...
Recent advances in network infrastructures, sensors, and IoT devices have accelerated the research and development of monitoring and interaction technologies designed for people, buildings, and environments. In particular, there has been an increasing demand for monitoring technologies for vulnerable people such as the infirm, disabled, and children. In this paper, we propose an efficient hospital room management system based on IoT care robots. The status of hospital rooms can be monitored and controlled more efficiently and intuitively by utilizing IoT devices and a cloud platform. We demonstrated the feasibility of the proposed system through the implementation of a prototype based on ARTIK IoT devices and the ARTIK Cloud platform. We found that the proposed system requires approximately 600 ms and 130 ms to collect sensor data and respond to alerts, respectively, which demonstrates it can operate in real-time.
Recent advances in network infrastructures, sensors, and IoT devices have accelerated the research and development of monitoring and interaction technologies designed for people, buildings, and environments. In particular, there has been an increasing demand for monitoring technologies for vulnerable people such as the infirm, disabled, and children. In this paper, we propose an efficient hospital room management system based on IoT care robots. The status of hospital rooms can be monitored and controlled more efficiently and intuitively by utilizing IoT devices and a cloud platform. We demonstrated the feasibility of the proposed system through the implementation of a prototype based on ARTIK IoT devices and the ARTIK Cloud platform. We found that the proposed system requires approximately 600 ms and 130 ms to collect sensor data and respond to alerts, respectively, which demonstrates it can operate in real-time.
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문제 정의
본 논문에서는 IoT 케어봇 기반의 병실 관리를 위한 시스템을 제안하였다. 제안하는 시스템은 터치스크린 디스플레이가 탑재되어 있는 로봇 형태의 시스템을 바탕으로 사용자들이 보다 손쉽게 병원/병실의 정보와 상태를 조회할 수 있고, 클라우드 기반의 데이터 공유를 통하여 의료진 및 보호자들이 보다 효과적으로 병실과 환자의 상태를 케어 할 수 있는 서비스를 제공한다.
본 연구에서는 IoT 케어 로봇 기반의 병실 관리 시스템을 제안함으로써 기존의 연구들이 가지고 있었던 비용 문제와 모바일/웹 인터페이스 의존성에 의한 사용성에 관련된 문제들을 해결하고자 한다. 제안하는 시스템은 저비용 고성능 IoT 디바이스를 활용하여 다양한 형태의 병실 정보를 측정하고, 수집된 정보들을 클라우드 플랫폼을 활용하여 축적 및 이상 상태 감지에 따른 액션을 수행함으로써 디바이스 간의 상호 운용성을 극대화한다.
예를 들어, 병실 내 특정 환자의 유린백이 포화 상태에 다다를 경우 아틱 클라우드의 룰 엔진을 통하여 의료진 디바이스로 푸쉬 알람을 전달하는 액션을 수행할 수 있다. 본 연구에서는 웨어러블 디바이스로 삼성전자의 Gear Fit2를 이용하였으며 서비스 제공을 위하여 Tizen Web Device API와 HTML5 기반의 웹 앱을 개발하였다. 웨어러블 클라이언트를 이용할 경우 병실과 환자 관련 정보를 조회하는 기능뿐만 아니라 이상 상태 발생 시 조치사항에 대한 내용을 알람 서비스로 제공받을 수 있다.
제안 방법
아틱 클라우드 디바이스 및 룰엔진 세팅이 완료된 후각 환경 정보 별로 특이 상황을 임의로 발생시켜 해당 상황에 대한 액션 수행 여부와 반응속도 등을 실험하였다. 특이 상황을 위한 규칙으로는1) 쓰레기통 높이가 2500일 때 경고 발생 규칙, 2) 유린백 포화도가 500 이상일 때 경고 발생 규칙, 3) 비상호출 발생 시 경고 발생 규칙을 등록하였다. 표 3은 센서 모듈에 측정된 데이터와 특이 상황을 발생시키는 데이터 및 액션 수행에 대한 데이터 로그의 일부를 나타내고 있다.
본 절에서는 제안하는 시스템의 프로토타입 구현과 관련된 내용에 대하여 상세히 설명한다. 본 연구에서는 프로토타입 구현을 위하여1) IoT 케어봇의 하드웨어 및 소프트웨어 개발, 2) 센서 모듈의 하드웨어 구성 및 소프트웨어 개발, 3) 웨어러블 클라이언트 소프트웨어 개발, 4) 병실 관리를 위한 아틱 클라우드 디바이스 및 룰 엔진 세팅을 수행하였다.
IoT 케어봇의 디스플레이에는 병실 관리를 위한 웹앱이 출력되며 이를 위하여 Node.JS와 HTML5, CSS3, Javascript 기반의 웹 서버를 제작하였다. 또한, 의료진에 병실 영상 스트리밍 서비스를 제공하기 위하여 MJPG streamer 기반의 경량 스트리밍 서버를 구축하였다.
먼저, 병실의 환경 정보 (온/습도, 유린백, 링거액, 쓰레기통 포화도 등) 측정 및 실시간 조회를 위하여 임의의 병실 환경을 구성하고 그림 9의 센서 모듈들을 설치한 후 모듈 별로 약 10~60초 주기로 아틱 클라우드에 측정치를 전송하도록 설정하였다. 그 후, 아틱 클라우드, IoT 케어봇 및 웨어러블 클라이언트를 이용하여 병실 환경 정보 조회를 수행하였다. 표 2는 아틱 클라우드에 축적된 온/습도 센서 모듈의 측정 정보에 대한 데이터 로그의 일부를 나타내고 있다.
JS와 HTML5, CSS3, Javascript 기반의 웹 서버를 제작하였다. 또한, 의료진에 병실 영상 스트리밍 서비스를 제공하기 위하여 MJPG streamer 기반의 경량 스트리밍 서버를 구축하였다. 그림 8은 의료진용 웹 어플리케이션의 인터페이스로서 각 병실에 존재하는 케어봇을 통하여 스트리밍 되는 병실 내의 영상 정보를 조회할 수 있을 뿐만 아니라 우측의 메뉴들을 활용하여 해당 병실의 회진 정보와 환경 정보 등을 확인할 수 있다.
먼저, 병실의 환경 정보 (온/습도, 유린백, 링거액, 쓰레기통 포화도 등) 측정 및 실시간 조회를 위하여 임의의 병실 환경을 구성하고 그림 9의 센서 모듈들을 설치한 후 모듈 별로 약 10~60초 주기로 아틱 클라우드에 측정치를 전송하도록 설정하였다. 그 후, 아틱 클라우드, IoT 케어봇 및 웨어러블 클라이언트를 이용하여 병실 환경 정보 조회를 수행하였다.
반면, 아틱 7 시리즈는 낮은 지연시간과 신속한 반응성이 요구되는 고성능 게이트웨이 디바이스 개발에 적합한 모듈로서, 1GB 램과 8-core 프로세서를 바탕으로 멀티미디어 프로세싱과 같은 고비용 연산을 무리 없이 수행 가능하다. 본 논문에서는 병실 내 환경 정보의 측정과 사용자간 상호작용을 위한 멀티미디어 프로세싱을 위하여 아틱 0와 아틱 7 타입 디바이스를 이용한다.
본 절에서는 병실 관리를 위하여 구현한 프로토타입을 바탕으로 병실 환경의 실시간 조회 기능과 특이 상황 발생에 대한 액션 수행 과정을 실험하였다.
아틱 클라우드 디바이스 및 룰엔진 세팅이 완료된 후각 환경 정보 별로 특이 상황을 임의로 발생시켜 해당 상황에 대한 액션 수행 여부와 반응속도 등을 실험하였다. 특이 상황을 위한 규칙으로는1) 쓰레기통 높이가 2500일 때 경고 발생 규칙, 2) 유린백 포화도가 500 이상일 때 경고 발생 규칙, 3) 비상호출 발생 시 경고 발생 규칙을 등록하였다.
앞서 언급한 특이 상황 발생에 대한 액션 수행 동작 여부를 실험하기 위하여 그림 13 및 그림 14와 같이 아틱 클라우드의 디바이스 및 룰 엔진 세팅을 수행하였다. 그림 13의 (a)는 아틱 클라우드와 통신을 수행할 아틱 디바이스를 등록하기 위한 인터페이스로서 공개된 디바이스 설정을 이용하거나 도메인에 맞게 수정하여 등록할 수 있다.
그림1 은 제안하는 시스템의 전체적인 구성도를 나타내고 있다. 제안하는 시스템은 병실의 허브 역할을 수행할 수 있는 IoT 케어봇과 다양한 병실 상태/환경 정보를 측정할 수 있는 아틱 기반의 센서 디바이스, 병실 및 환자의 상태 정보를 실시간으로 확인할 수 있는 웨어러블 클라이언트로 구성되어 있으며 각각의 디바이스와 서비스들은 아틱 클라우드를 통하여 서로 연결되어 있다. 아틱 기반의 센서 디바이스들은 병실의 온/습도와 같은 기본 환경뿐만 아니라 링거액 및 소변주머니 잔량, 쓰레기통 포화도와 같이 환자와 병실의 건강과 청결도에 직접적인 영향을 미치는 요소들에 대한 정보를 실시간으로 측정한다.
본 연구에서는 IoT 케어 로봇 기반의 병실 관리 시스템을 제안함으로써 기존의 연구들이 가지고 있었던 비용 문제와 모바일/웹 인터페이스 의존성에 의한 사용성에 관련된 문제들을 해결하고자 한다. 제안하는 시스템은 저비용 고성능 IoT 디바이스를 활용하여 다양한 형태의 병실 정보를 측정하고, 수집된 정보들을 클라우드 플랫폼을 활용하여 축적 및 이상 상태 감지에 따른 액션을 수행함으로써 디바이스 간의 상호 운용성을 극대화한다. 또한, IoT 기반 케어 로봇을 통하여 환자와 상호작용함으로써 보다 효과적으로 병실 및 환자의 상태를 관찰하고 케어할 수 있다.
본 논문에서는 IoT 케어봇 기반의 병실 관리를 위한 시스템을 제안하였다. 제안하는 시스템은 터치스크린 디스플레이가 탑재되어 있는 로봇 형태의 시스템을 바탕으로 사용자들이 보다 손쉽게 병원/병실의 정보와 상태를 조회할 수 있고, 클라우드 기반의 데이터 공유를 통하여 의료진 및 보호자들이 보다 효과적으로 병실과 환자의 상태를 케어 할 수 있는 서비스를 제공한다. 프로토타입 구현과 시연을 통하여 본 연구에서 제안하는 시스템이 병실 및 환자 관리에 효과적으로 활용될 수 있음을 확인하였으며, 향후 연구로서 지능형 액츄에이팅 서비스의 확장과 IoT 케어봇과의 상호작용 방법의 개선을 위한 대화 및 제스처 기반 정보 요청, 조회 기능에 대한 연구를 수행할 예정이다.
그림 7은 IoT 케어봇의 프로토타입을 나타내고 있다. 프로토타입의 하드웨어는 IBM TJBOT의 3D 프린팅 소스파일을 바탕으로 병실 지원에 맞게 개선한 후, 3D 프린트 결과물을 아틱 710 보드과 결합하였다. IoT 케어봇의 디스플레이에는 병실 관리를 위한 웹앱이 출력되며 이를 위하여 Node.
대상 데이터
또한, 케어봇 디스플레이 상의 “Emergency” 버튼을 터치할 경우 아틱 클라우드를 거쳐 의료진 및 보호자에게 응급/비상 상황에 대한 지원을 요청할 수 있다. IoT 케어봇으로 부터 아틱 클라우드 서버로의 데이터 전송은 그림 5와 같이 아틱의 웹 소켓 데이터 채널을 활용한다.
이론/모형
아틱 클라우드는 아틱 디바이스와의연결 및 데이터 송수신을 위하여 Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), Constrained Application Protocol (CoAP), Representational State Transfer (REST) 및 WebSockets 프로토콜을 지원하고 있다. 본 논문에서는 케어 로봇의 관리 및 병실 정보의 축적 및 규칙 기반 서비스 제공을 위하여 아틱 클라우드를 활용한다.
성능/효과
제안하는 시스템은 저비용 고성능 IoT 디바이스를 활용하여 다양한 형태의 병실 정보를 측정하고, 수집된 정보들을 클라우드 플랫폼을 활용하여 축적 및 이상 상태 감지에 따른 액션을 수행함으로써 디바이스 간의 상호 운용성을 극대화한다. 또한, IoT 기반 케어 로봇을 통하여 환자와 상호작용함으로써 보다 효과적으로 병실 및 환자의 상태를 관찰하고 케어할 수 있다.
마지막으로, IoT 케어봇의 전면부에 설치되어 있는 카메라 모듈을 이용하여 의료진이 언제든지 환자의 상태를 시각적으로 확인할 수 있다. 영상 데이터의 전송을 위하여 IoT 케어봇에 경량형 스트리밍 서버를 구현하고 해당 서버를 이용하여 클라이언트 측에서 병실 영상 정보를 재생할 수 있다.
유사하게, 11행의 비상 상황 호출에 대한 액션이 12행에서 수행됨을 확인할 수 있다. 실험 과정동안 아틱 클라우드에 측정된 데이터들을 바탕으로 분석한 결과 각 이상 상황 발생 시 그에 대한 액션이 수행되는데 평균적으로 113ms 소요되어 실시간으로 병실 환경 이상 상태에 대처할 수 있음을 확인하였다.
아틱 클라우드의 데이터 로그에서는 측정 시간과 클라우드 수신 시간 및 상세한 센서 데이터의 내용을 실시간으로 확인할 수 있고 그림 10과 같은 차트 형태로 시각화하여 확인할 수 있다. 실험 과정동안 아틱 클라우드에 측정된 데이터들을 바탕으로 분석한 결과 센서 모듈에서 측정한 데이터가 클라우드에 전송되는데 평균적으로 580ms 소요되어 실시간으로 병실의 환경을 조회할 수 있음을 확인할 수 있었다.
표 4는 제안하는 시스템과 기존의 병실 및 환자를 케어하기 위한 시스템들과의 정성적 비교 결과를 나타낸 표이다. 제안하는 시스템은 비용적인 측면과 기능적인 측면에서 기존에 제안된 시스템들에 비하여 우수한 모습을 보임을 확인할 수 있다.
후속연구
제안하는 시스템은 터치스크린 디스플레이가 탑재되어 있는 로봇 형태의 시스템을 바탕으로 사용자들이 보다 손쉽게 병원/병실의 정보와 상태를 조회할 수 있고, 클라우드 기반의 데이터 공유를 통하여 의료진 및 보호자들이 보다 효과적으로 병실과 환자의 상태를 케어 할 수 있는 서비스를 제공한다. 프로토타입 구현과 시연을 통하여 본 연구에서 제안하는 시스템이 병실 및 환자 관리에 효과적으로 활용될 수 있음을 확인하였으며, 향후 연구로서 지능형 액츄에이팅 서비스의 확장과 IoT 케어봇과의 상호작용 방법의 개선을 위한 대화 및 제스처 기반 정보 요청, 조회 기능에 대한 연구를 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
아틱 클라우드에서는 디바이스 연결 및 데이터 송수신을 위해 어떠한 프로토콜을 지원하고 있는가?
뿐만 아니라, 실시간으로 수집된 데이터에 대한 시각화 기능을 제공하며 상황에 따라 클라우드에 연결된 아틱 디바이스 및 서비스들에게 특정 Action을 수행할 수 있도록 하는 자체 Rules Engine 서비스를 제공한다. 아틱 클라우드는 아틱 디바이스와의연결 및 데이터 송수신을 위하여 Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), Constrained Application Protocol (CoAP), Representational State Transfer (REST) 및 WebSockets 프로토콜을 지원하고 있다. 본 논문에서는 케어 로봇의 관리 및 병실 정보의 축적 및 규칙 기반 서비스 제공을 위하여 아틱 클라우드를 활용한다.
아틱 클라우드란 무엇인가?
아틱 클라우드 [11]는 아틱 호환성을 유지하고 있는 IoT 센서나 디바이스로부터 데이터를 수집하고 처리하며 피드백을 전달하기 위한 클라우드 플랫폼으로서 아틱 디바이스간의 커뮤니케이션뿐만 아니라 타사의 클라우드 서비스와의 연동 또한 지원한다. 뿐만 아니라, 실시간으로 수집된 데이터에 대한 시각화 기능을 제공하며 상황에 따라 클라우드에 연결된 아틱 디바이스 및 서비스들에게 특정 Action을 수행할 수 있도록 하는 자체 Rules Engine 서비스를 제공한다.
아틱 0 시리즈는 어떠한 개발 환경에 적합한가?
아틱 0 시리즈는 초소형 컴퓨팅 모듈로서 BLE, ZigBee, WiFi connectivity를 보유하고 있고, Tizen Realtime OS (Tizen RT)를 구동하며 오픈소스 개발을 위한 SDK/API들이 제공된다. 기초적인 동작을 요구하는 저전력 경량형 센서, 액츄에이터류의 디바이스 타입 개발에 적합하다. 반면, 아틱 7 시리즈는 낮은 지연시간과 신속한 반응성이 요구되는 고성능 게이트웨이 디바이스 개발에 적합한 모듈로서, 1GB 램과 8-core 프로세서를 바탕으로 멀티미디어 프로세싱과 같은 고비용 연산을 무리없이 수행 가능하다.
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