[논문]코딩 교육용 제어 보드와 3D 프린팅 융복합 콘텐츠 개발

염성관; 김영상

doi:10.15207/jkcs.2018.9.9.001

코딩 교육용 제어 보드와 3D 프린팅 융복합 콘텐츠 개발
Development of Control Board for Coding Education and Convergence Contents based on 3D Printing 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.9 no.9, 2018년, pp.1 - 8

염성관 (원광대학교 정보통신공학과) , 김영상 (제주한라대학교 컴퓨터멀티미디어과)

초록
AI-Helper

3D 프린팅 기반의 교육용 콘텐츠 제작과 보급은 창의적 문제 해결의 코딩 교육을 리드하고 활성화하는데 중요한 역할을 한다. 본 논문에서는 아두이노를 활용하여 특화된 기능을 제공하는 8비트 MCU 기반 제어 보드 및 3D 프린팅 기반의 다양한 융합 콘텐츠를 개발하였다. 개발된 제어 프로그램은 양방향 통신을 기본 지원하므로 다양한 모니터링 패킷 지원으로 초당 10회 이상 수행한다. 또한, 다양한 정보 전달을 위한 최적화된 통신 프로토콜을 사용하여 여러 콘텐츠 제어가 가능해진다. 개발된 제어 보드와 3D 프린팅으로 제작된 콘텐츠들은 코딩의 원리와 개념을 교육하는 프로그래밍 교육 도구로 유용하게 활용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is a key role in leading and activating coding education as a process to solve problems creatively to produce and provide the educational contents on the basis of 3D printing. In this paper, we develop a variety of fusion contents to use 3D printing and 8bit MCU base control board which provides specific functions through Arduino. The developed control program conducts various packet monitoring more than ten times per a second, supporting intrinsically full duplex. In addition, communication protocol optimized in conveying a lot of information enables to control different contents. The contents produced with the control board and 3D printing are useful as a programming education tool to train the principle and the concept of coding.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 아두이노를 활용하여 특화된 기능을 제공하는 8비트 MCU 기반의 제어 보드 및 3D 프린팅 기반의 다양한 융합 콘텐츠를 개발하므로서 창의적인 코딩교육 적용방안을 제안한다. 2장에서는 아두이노 활용 제어 보드 및 3D 프린팅 콘텐츠 개발 연구동향을 살펴보고, 3장에서는 제어 보드 및 3D 프린팅으로 제작된 드론, 로봇 팔, 자동차의 설계안을 제안한다.
[16]에서는 아두이노와 블루투스를 활용하여 드론을 제어할 수 있는 보드를 설계하여 설계과정과 드론을 운영할 수 있는 코딩 기술을 습득하는 할 수 있는 교육용 드론을 제작하였다. 본 논문에서는 코딩 교육용 제어 보드를 직접 접목한 미니급 드론 콘텐츠를 설계 개발하였다. 탑재되는 드론 제어 프로그램은 비행 및 제어, 통신 등의 원리와 코딩 교육이 쉽게 이루어질 수 있는 기능을 제공한다.
본 논문에서는 코딩 교육을 위한 특화 제어 보드를 개발하였다. 제안된 제어보드의 MCU는 Fig.
아두이노를 활용하여 3D 프린터로 자동차를 만드는 경우, PWM 제어를 통해서 모터를 구동시킬 수 있고, 통신기능을 이용하여 제어할 수 있다. 본 연구에서는 Fig.7과 같이 제어 보드에 자동차의 구동이 가능한 2륜과 4륜 칩을 결합 탑재하여 별도 모터 구동용 모듈이 필요없이 4륜 구동이 가능한 자동차 콘텐츠를 개발하였다.
IoT 활용이 확대되면서 기존의 산업용 및 교육용 임베디드 시스템에 사용하는 아두이노 보드는 BLE와 같은 별도 통신 장치를 연결해야 하는 불편함이 있었다. 본 연구에서는 코딩 교육용으로 BLE가 내장된 ATmega328 특화 제어 보드를 개발하였다. 개발된 제어 보드는 3D 프린팅으로 제작된 다양한 콘텐츠들을 융합함으로써 드론 비행이나 로봇 팔 제어, 통신, 자동차 조종의 원리를 교육하는 프로그래밍 교육도구로 활용할 수 있다.
또한, 통신 모듈을 별도로 추가하지 않으므로 제작단가를 낮추는 경제성을 갖추었으며, 3D 프린팅과 결합함으로써 전 세계적으로 변화하는 코딩 교육에 적용하여 창의성 교육 효과를 도출하기 적합하다고 하겠다. 창의적인 코딩 교육 활성화를 위한 과제로는 미니급 드론 대신에 240m급을 제작하여 간이 촬영이나 레이싱 등이 가능하도록 업그레이드하는 등 다양한 융합 콘텐츠를 개발하여 학생들의 실무능력을 향상시킬 수 있는 연구를 지속 추진하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서 개발된 3종의 콘텐츠에 대한 RF 도달거리 실측은 433Mhz 통신 모듈을 적용하였다. 433Mhz는 낮은 주파수로서 도달거리가 최대 1km인데 비해서, 본 연구에서는 도달거리 500m 더 가능한 433Mhz 모듈을 개발하였다. 실측 거리 판정은 공인인증기관을 통하여 Line of Sight가 가능한 지역을 후보지로 하여 실제 거리를 구글 맵을 통하여 확인하였다.
한화는 군사분야에서 초소형 무인항공기의 개발 사업에 참여하기 위하여 초소형 무인항공시스템 크로우(CRAW)의 제작사인 마이크로에어로봇사를 인수하였다. LG CNS와 LG유플러스는 SW와 HW가 합쳐진 무인헬기 토탈 솔루션을 개발 추진 중이며, 무인헬기 제조사인 원신스카이텍을 인수하고 LTE망을 이용한 드론 제어 기술을 확보하였다. 드론은 3D 프린팅과 가장 접목이 쉬운 콘텐츠이다.
그리고 가속도 센서를 이용하여 속도 제어 교육도 가능하다. 기압계 센서를 이용하면, 고도 조절 교육이 이루어질 수 있고, 지자기 센서를 이용하면 방향 설정 교육도 가능하도록 특화하여 더 이상의 센서 추가없이도 코딩 학습이 가능하도록 제작되었다
실측 거리 판정은 공인인증기관을 통하여 Line of Sight가 가능한 지역을 후보지로 하여 실제 거리를 구글 맵을 통하여 확인하였다. 보드 동작 검증은 멀티위 2.4 소스코드 기반으로 적용하였으며, 무선 조종거리는 20m의 거리에서 실측 확인하였다.
본 연구에서 개발된 제어 보드와 코딩 교육용 콘텐츠의 성능평가 결과에 대해서 Table 3과 같이 개발 전·후를 비교 제시하였다.
4의 특화된 제어 보드로 자동차를 무선 제어할 수 있도록 하였다. 본 연구에서는 드론과 자동차의 제어를 10m 보다 더 확장하기 위한 제어 확장 팩을 적용하였다. 제어 확장 팩을 이용하면 433Mhz 이용하는 무선 제어통신을 적용하므로 최대 1Km까지 제어가 가능하다.
433Mhz는 낮은 주파수로서 도달거리가 최대 1km인데 비해서, 본 연구에서는 도달거리 500m 더 가능한 433Mhz 모듈을 개발하였다. 실측 거리 판정은 공인인증기관을 통하여 Line of Sight가 가능한 지역을 후보지로 하여 실제 거리를 구글 맵을 통하여 확인하였다. 보드 동작 검증은 멀티위 2.
BLE 모듈은 별도의 안테나가 탑재되지 않기 때문에 전송 거리의 한계를 지닌다. 이를 보완하기 위해 안테나의 Gain에 따라 도달 거리가 달라지게 하여 안정적인 데이터 전달이 가능하도록 하였다. Fig.
본 논문에서는 코딩 교육을 위한 특화 제어 보드를 개발하였다. 제안된 제어보드의 MCU는 Fig. 1의 ATmega328을 사용하여 기본 아두이노 기능을 유지하도록 하였으며, 기존 아두이노와 차별화를 위해서는 추가로 자세 제어 교육, 속도 제어 교육, 고도 조절 교육, 방향설정 교육 등이 가능하도록 여러 센서를 특화 설계하였다. 따라서 더 이상의 센서를 추가하지 않고도 바로 코딩 학습이 가능하다는 장점이 있다.

대상 데이터

본 연구에서 개발된 3종의 콘텐츠에 대한 RF 도달거리 실측은 433Mhz 통신 모듈을 적용하였다. 433Mhz는 낮은 주파수로서 도달거리가 최대 1km인데 비해서, 본 연구에서는 도달거리 500m 더 가능한 433Mhz 모듈을 개발하였다.
본 연구에서는 Fig. 6과 같이 4 DoF(Degree of Freedom)인 로봇 팔 콘텐츠를 제작했으며, 모두 4개의 서보 모터로 작동한다. 무선 제어 및 좌우 회전이 가능하고, 두 군데의 관절 제어 및 집게 부분제어도 가능하다.
자동차의 모든 부품은 Autodesk 2015 Professional 프로그램에서 설계하여 3D 프린터로 출력한 것이며, 크게 기구와 9V 전원을 사용한 대용량 모터와 고속 회전을 위한 일반 DC모터를 사용하였다. 기본적으로 블루투스를 이용하여 Fig.

성능/효과

본 연구에서는 코딩 교육용으로 BLE가 내장된 ATmega328 특화 제어 보드를 개발하였다. 개발된 제어 보드는 3D 프린팅으로 제작된 다양한 콘텐츠들을 융합함으로써 드론 비행이나 로봇 팔 제어, 통신, 자동차 조종의 원리를 교육하는 프로그래밍 교육도구로 활용할 수 있다. 또한, 제어 보드와 결합하여 드론, 자동차, 로봇 팔 등의 콘텐츠를 직접 제어하는 스마트 폰용 프로그램은 어플리케이션 코딩교육이 쉽게 이루어지도록 개발되었다.

후속연구

또한, 통신 모듈을 별도로 추가하지 않으므로 제작단가를 낮추는 경제성을 갖추었으며, 3D 프린팅과 결합함으로써 전 세계적으로 변화하는 코딩 교육에 적용하여 창의성 교육 효과를 도출하기 적합하다고 하겠다. 창의적인 코딩 교육 활성화를 위한 과제로는 미니급 드론 대신에 240m급을 제작하여 간이 촬영이나 레이싱 등이 가능하도록 업그레이드하는 등 다양한 융합 콘텐츠를 개발하여 학생들의 실무능력을 향상시킬 수 있는 연구를 지속 추진하고자 한다.
드론은 크게 단순 기구 설계와 간단한 설계도구가 가능한 기구와 아두이노 기반으로 블루투스가 탑재된 보드 그리고 제어 가능한 모터 등 3개 파트로 이루어진다. 본 연구에서 개발한 드론은 130mm 급의 미니 드론으로 블루투스를 통하여 제어되므로 조종 거리가 기본 10미터이내로 제한된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3D 프린팅 기반의 교육용 콘텐츠 제작과 보급의 역할은?	3D 프린팅 기반의 교육용 콘텐츠 제작과 보급은 창의적 문제 해결의 코딩 교육을 리드하고 활성화하는데 중요한 역할을 한다. 본 논문에서는 아두이노를 활용하여 특화된 기능을 제공하는 8비트 MCU 기반 제어 보드 및 3D 프린팅 기반의 다양한 융합 콘텐츠를 개발하였다.
	아두이노를 이용한 로봇 활용의 사례는?	아두이노를 직접 수업에 사용하는 것은 쉽지 않다[6]. 이동 로봇의 경우, 객체 추적할 때 움직이는 장애물이 발견되어 완전하게 객체를 가리면 초음파 센서를 같이 이용하여 잠깐 로봇의 이동을 멈추어서 이동 로봇의 추적 정확도를 유지하는 알고리즘도 개발되었다[7]. 탐사로봇 설계는 사물인터넷 기반으로 원격제어 모니터링하여 기업 중심의 서비스에 활용하고 있다[8].
	코딩 교육의 효과는 무엇인가?	구체적 코딩 교육의 효과는 창의적 문제해결력 신장을 위한 로봇 프로그래밍을 적용하여 문제해결과정이 로봇에 의해 시각화되므로 학생들의 사고가 진작되고, 학생들은 실제로 이러한 과정을 좋아하는 것으로 탐색되었다[4]. 따라서 컴퓨터를 문제 해결의 코딩 교육 도구로서 활용하기 위해서는 사용자가 무엇을 어떻게 활용할 것인지 분석과 이해가 필요하다[5].

참고문헌 (16)

K. H. Chon & E. H. Kim. (2017). An Analysis of Character Education and Evaluation Components for Selecting Creative Convergent Talents. The Korean Journal of The Korea Convergence Society, 8(2), 197-204. DOI : 10.15207/JKCS.2017.8.2.197

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J. H. Lee, M. B. Yoon, S. R. Ryu, H. S. Kim. (2017). Development Convergence Education Program for Elementary and Middle School Using Design. Journal of The Korea Convergence Society, 8(10), 173-183. DOI : 10.15207/JKCS.2017.8.10.173

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https://scratch.mit.edu/projects/14748939/
I. H. Yoo. (2005). The Possibility of Robot Programming to Enhance Creative Problem-Solving Ability. The Journal of Educational Studies, 36(2), 109-128.
H. R. Kim. (2005). A Study on Speciality Development of Computer Subject Matter of Elementary School, Journal of The Korean Association of information Education, 9(1), 147-158.
D. G. Lee & Y. J. Lee. (2016). Arduino Compatible Board Schema Design for effective physical computing education, Proceeding of 2016 Summer Conference of The Korean Association of Computer Education, 20(2), 43-45.
S. J. Yu & C. Y. Yoon. (2017). Android based Robot Vision Tracking System for Mobile Robot. Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, 27(4), 283-288. DOI : 10.5391/JKIS.2017.27.4.283
B. C. Kim. (2015). A Internet of Things(IoT) based Exploration Robot Design for Remote Control and Monitoring. Journal of Digital Convergence, 13(1), 185-190. DOI : 10.14400/JDC.2015.13.1.185

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Y. O. Song. (2017). Design and Implementation of Reflection-based Coding Education: Case Study of "SW and Computational Thinking" Courses at H University. Journal of Educational Technology, 33(3), 709-736. DOI : 10.17232/KSET.33.3.709

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https://learn.sparkfun.com/tutorials/what-is-an-arduino
http://www.daejonilbo.com/news/newsitem.asp?pk_no1136719
Signed for printing. (2017). https://www.bcg.com/en-ru/d/news/8apr2017-signed-for-printing-156427
H. W. Park. (2014). "3D Printing Technology Application Conception". Journal of the KSME, 54(4), 32-35.
K. Park. (2014). "Education Application in 3D Printing Technology". Journal of the KSME, 54(4), 41-45.
Martin, Robert L.; Bowden, Nicholas S.; Merrill, Chris. (2014). "3D Printing in Technology and Engineering Education", Technology and Engineering Teacher, 73(8), 30-35.

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S. M. Kim, Z. Ying. (2017). "A Study on the Development of Educational Drone Using Aduino", Proceeding of 2017 Conference of The Korean Institute of Information Technology and Digital Contents Society, 22-24.

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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