소프트웨어교육 현장에서 가상화 기술에 기반한 아두이노 키트 VR콘텐츠 모듈화 연구 Study on Arduino Kit VR contents modularization based on virtualization technology in software education field원문보기
스마트폰 사용의 대중화로 촉발된 4차 산업혁명시대에는, 인간의 일상생활과 모든 산업현장이 소프트웨어화 및 지능화되어 가고 있다. 2018년부터 전국 모든 학생을 대상으로 소프트웨어 보편교육을 실시함에 따라, 수요가 폭증하고 소프트웨어 기술과 아두이노를 활용하여 하드웨어를 연동하고 있다. 그러나 고비용의 콘트롤 보드와 수십 종에 이르는 다양한 전자부품을 별도로 준비해야 하고 문제가 발생하고 있다. 또한 동일한 실습교육을 반복 실시할 경우, 상당히 많은 부품이 분실되거나 망가진다. 새롭게 수업을 시작할 상태로 준비하는 것도 매우 심각한 문제가 되고 있다. 본 연구에서는 아두이노 보드와 각종 전자부품들을 가상화 기술을 기반으로 VR기술로 구현한다. 또한 3D 그래픽 실감형 아두이노 키트와 각종 전자부품들을 API 형태로 제공한다. 가상화 기반에서 소프트웨어와 가상의 하드웨어를 연동하여 처리하는 방안을 제안한다.
스마트폰 사용의 대중화로 촉발된 4차 산업혁명시대에는, 인간의 일상생활과 모든 산업현장이 소프트웨어화 및 지능화되어 가고 있다. 2018년부터 전국 모든 학생을 대상으로 소프트웨어 보편교육을 실시함에 따라, 수요가 폭증하고 소프트웨어 기술과 아두이노를 활용하여 하드웨어를 연동하고 있다. 그러나 고비용의 콘트롤 보드와 수십 종에 이르는 다양한 전자부품을 별도로 준비해야 하고 문제가 발생하고 있다. 또한 동일한 실습교육을 반복 실시할 경우, 상당히 많은 부품이 분실되거나 망가진다. 새롭게 수업을 시작할 상태로 준비하는 것도 매우 심각한 문제가 되고 있다. 본 연구에서는 아두이노 보드와 각종 전자부품들을 가상화 기술을 기반으로 VR기술로 구현한다. 또한 3D 그래픽 실감형 아두이노 키트와 각종 전자부품들을 API 형태로 제공한다. 가상화 기반에서 소프트웨어와 가상의 하드웨어를 연동하여 처리하는 방안을 제안한다.
In the fourth industrial revolution era triggered by the popularization of smart phones, Human daily life and all industrial sites are becoming software and intelligent. With the universal software education for all students nationwide from 2018, Demand is surging, and hardware is interlocked using ...
In the fourth industrial revolution era triggered by the popularization of smart phones, Human daily life and all industrial sites are becoming software and intelligent. With the universal software education for all students nationwide from 2018, Demand is surging, and hardware is interlocked using software technology and Arduino. However, expensive control boards and dozens of different electronic components have to be prepared separately and problems are occurring. In addition, if the same training is repeated, Significantly many parts are lost or destroyed. Being prepared to start a new class is also becoming a very serious problem. In this study, we implement VR technology based on virtualization technology of Arduino board and various electronic parts. In addition, 3D graphics realistic Arduino kit and various electronic components are provided in API form. In this paper, we propose a method of interworking software and virtual hardware on virtualization base.
In the fourth industrial revolution era triggered by the popularization of smart phones, Human daily life and all industrial sites are becoming software and intelligent. With the universal software education for all students nationwide from 2018, Demand is surging, and hardware is interlocked using software technology and Arduino. However, expensive control boards and dozens of different electronic components have to be prepared separately and problems are occurring. In addition, if the same training is repeated, Significantly many parts are lost or destroyed. Being prepared to start a new class is also becoming a very serious problem. In this study, we implement VR technology based on virtualization technology of Arduino board and various electronic parts. In addition, 3D graphics realistic Arduino kit and various electronic components are provided in API form. In this paper, we propose a method of interworking software and virtual hardware on virtualization base.
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문제 정의
본 연구에서는 소프트웨어 교육에서 사용되는 실물 아두이노 보드와 각정 전자부품들을 가상화 기술을 이용하여 VR콘텐츠로 모듈화 하여 컴퓨터 개발 환경의 가상 실습장 화면에서 클라우드 서버에 접속하여 VR기술로 구현된 3D 그래픽 실감형 보드나 부품 콘텐츠를 사용 할 수 방안과 가상 실습장 화면에서 이들 VR콘텐츠를 활용하여 하드웨어의 조립과정을 실습할 수 있게 하고 조립된 하드웨어장치를 구동시킬 프로그램 작업도 API 형태로 모듈화 하여 알고리즘과 제어기능구현 방안을 제안하고자 한다.
그리고 가상 실습장 화면에서, 이들 VR콘텐츠를 활용해서 하드웨어의 조립과정을 실습할 수 있게 한다. 이렇게 조립된 하드웨어장치를 구동시킬 프로그램 작업도, 어려운 C 언어와 코딩을 배우지 않아도 프로그램 알고리즘과 제어기능 구현이 가능한 인공지능(AI)기술 기반의 GUI방식 프로그램 학습 도구를 제공하도록 한다.
제안 방법
가상 실습장에서 GUI방식으로 제작한 산출물을 저장 및 관리할 파일 구조를 설계하고, 실제로 파일을 저장하고 읽어오는 기능이 가능하게 설계한다. 가상 실습장에서 GUI방식으로 제작한 산출물의 구성을 분석해서 실제 실행 가능한 C언어코드로 자동 변환하는 translator가 가능하게 설계한다. 또한 보드로 전달되는 명령어를 해석해서 주변 장치를 실제 작동시키는 기능을 제공하여 콘트롤 보드를 사용 가능하게한다.
VR기반의 콘트롤 보드 제어 기능은 아두이노 및 브레드 보드를 3D그래픽 객체로 구현하고 가상 실습장에서 전자기기를 조립하는 실습 작업의 근간이 되는 아두이노 및 브레드 보드를 3D그래픽 객체로 구현하고 그 내부의 접속 단자와 세부작동 기능들이 실물 보드처럼 동작 하도록 프로그래밍 작업도록 하여야 한다. 가상보드를 DLL형태의 VR콘텐츠로 제작하여 PC환경 가상실습장에서 클라우드 서버에 접속하여 제작도구를 활용 가능하도록 가상보드를 DLL형태 VR콘텐츠로 제작한다.
가상 실습장에서 GUI방식으로 제작한 산출물의 구성을 분석해서 실제 실행 가능한 C언어코드로 자동 변환하는 translator가 가능하게 설계한다. 또한 보드로 전달되는 명령어를 해석해서 주변 장치를 실제 작동시키는 기능을 제공하여 콘트롤 보드를 사용 가능하게한다. 자체실행모드와 원격제어 모드를 동시 지원하는 듀얼모드를 지원하고, PC에서 가상 실습장 학습도구에서 원격제어하는 기능을 제공하는 방안을 제안한다.
본 연구에서 구성하는 클라우드 플랫폼 환경은 퍼블릭 클라우드를 활용하여 IaaS(Infrastructure as a Service) 방식 또는 PaaS(Platform as a Service) 방식을 기반 환경으로 구축하는 방안을 제안한다. 그림6은 클라우드 환경 구성 방안에 대한 구성도를 나타낸다.
본 연구에서 제안하는 그림4는 3D그래픽과 가상화 기술을 접목해서, 실물과 동일한 아두이노 보드와 각종 전자부품을 VR콘텐츠 형태로 제공하는 아두이노 프로그램 학습 콘텐츠 서비스 체계이다. 클라우드 서비스에서 VR콘텐츠 모듈을 다운로드 받아 개인 PC의 가상 실습장 환경에서 제작도구를 활용하여 개발이 가능하게 제공하여 개발이 완료되고 테스트가 정상적으로 되면, 아두이노 실용 보드에 실행모듈을 업로드 하여 실제 개발된 하드웨어에서 바로 적용이 가능하게 한다.
본 연구에서 제안하는 클라우드 환경에 가상 실습장을 및 학습도구의 구성 방안은 PC Windows 환경에 가상 실습장 및 앱 제작도구 플랫폼을 활용하여 아두이노 보드로 다양한 하드웨어 장치를 제어할 프로그램을 제작·실행 시키는 가상 실습장 환경에서 PC 가상 실습장과 아두이노 보드간 시리얼 통신 이 가능한 상태의 모듈을 API 형태고 개발하고, USB, WIFI, Bluetooth 등을 통한 실시간 원격 제어 에이전트 모듈로 개발하여 다양한 플랫폼 제작도구에서 사용이 가능하게 설계한다.
클라우드 환경을 통하여 사용자가 독립적으로 응용소프트웨어, 데이터를 사용할 수 있게 한다. 사용자별로 격리된 테넌트를 제공하고, 사용자가 독점적으로 사용할 수 있는 독립적인 공간을 제공하고 보안 정책과 가용성, 확장성을 충족하여 제공할 수 있는 환경을 구성한다.
또한 보드로 전달되는 명령어를 해석해서 주변 장치를 실제 작동시키는 기능을 제공하여 콘트롤 보드를 사용 가능하게한다. 자체실행모드와 원격제어 모드를 동시 지원하는 듀얼모드를 지원하고, PC에서 가상 실습장 학습도구에서 원격제어하는 기능을 제공하는 방안을 제안한다.
후속연구
본 연구에서 제안하는 클라우드 기반에서 VR콘텐츠를 모듈화하여 제공하게 되면 가상화 실습장을 실제 전자기기 조립 작업하는 것과 유사한 3D그래픽 기반 가상 실습장을 이용하고, C언어 선행학습 없이도 프로그램 알고리즘을 할 수 있는 제작도구를 활용하여 로직컬 컴퓨팅과 피지컬 컴퓨팅 원리를 결합한 소프트웨어 교육 기술적 환경을 제공 할 수있다. 또한 실물 하드웨어(아두이노 및 각종 부품 ) 구입하지 않고 소프트웨어 교육이 가능하다.
향후 연구로는 구성 방안에 대한 실제적인 개발이 필요하고 소프트웨어 교육현장에 테스트 함으로써 추가로 개발할 사항이나 모듈을 사용자가 확장 할 수 있는 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
아두이노란 무엇인가?
아두이노(Arduino)는 오픈 소스로서 누구나 IoT제품을 제작하는데 필요한 회로도 등의 디자인을 누구나 활용 할 수 있게 공개하여 배우고 사용할 수 있다. 회로도를 사용자의 특성에 맞게 수정하고 활용이 가능한 하드웨어이다.
아두이노는 어떤 학습 도구인가?
소프트웨어에 대한 지식이나 관심이 없는 일반 학생들을 대상으로 초기에 흥미를 유발하고 습득하는 수단이 결과물을 바로 보여 줄 수 있는 소프트웨어 플랫폼과 다양한 센서와 연동할 수 있는 아두이노 이다. 아두이노는 오픈소스 기술을 표방한 콘트롤(MCU)장치로서 LED램프, 전동모터, 다양한 센서 등 다양한 하드웨어 장치를 직접 작동 및 제어 할 수 있어서, 소프트웨어 교육 초기에 비교적 쉽게 접근 할 수 있고 흥미를 유발시킬 수 있는 피지컬 컴퓨팅 학습 도구이다. 관련 분야에 전문지식이나 기술이 거의 없는 일선교사 입장에서는 명칭도 생소하고 기능과 용도가 식별하기 어려운 여러 가지 장치와 부품을 다루며 수업을 진행하는 것 자체가 쉽지 않고, 각 학급별로 동일한 진도의 실습교육을 반복 실시할 경우 상당히 많은 부품이 분실되거나 망가지는 사례가 빈발하고 새롭게 수업을 시작할 상태로 준비하는 것도 문제로 지적되고 있다.
아두이노(Arduino)에 사물인터넷에 관련한 다양한 센서를 연동한 제품으로 무엇이 있는가?
아두이노(Arduino)에 사물인터넷에 관련한 다양한 센서를 연동하여 다양한 제품을 쉽게 구현할 수 있다. 영국의 라즈베리파이(Raspberry Pi), 인텔의 아두이노 플랫폼, 인텔의 아킥텍처 기반의 갈릴레오(Galileo), 인텔의 에디슨(Edison) 등의 다양한 오픈 소스 하드웨어가 있다[3][4].
참고문헌 (6)
Chang Younghyun, "A Study on App. Factory Design for Improving App. Development Software Productivity", The Journal of the Convergence on Culture Technology, Vol. 3, No. 1, pp. 35-41, 2017. DOI: https://doi.org/10.17703/JCCT.2017.3.1.35.
Seongjae Kim, Wonsup Kim, "The Improvement of Interactive Prototyping Contents for Designers:Focused on Effective Applications of Arduino Prototyping", Journal of Integrated Design Research, Vol. 14, No. 3, pp. 73-86, 2015.
Sung-Woo Ahn, "Design and Implementation of Smart LED Bicycle Helmet using Arduino", Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 20, No. 6, pp. 1148-1153, 2016. DOI: https://doi.org/10.6109/jkiice.2016.20.6.1148
Y. M. Oh and S. W. Lee, "IoT and the Open Source Development Platform", Communications of KIISE, Vol. 32, No. 6, pp. 25-30, 2014.
Jin Kim, Sung-Min Byun, "A Study on Application Virtualization System's Scheduling Techniques for Smart Learning Environment", Proceedings of KIIT Summer Conference, pp. 228-231, 2014.
Y. M. Oh and S. W. Lee, "Open platform Arduino:Utilizing Arduino's lighting control controller", The Proceedings of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 28, No. 6, pp. 40-47, 2014.
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