[논문]날씨 정보와 아두이노를 이용한 스마트 알람 시계

허경용; 김광훈

doi:10.6109/jkiice.2019.23.8.889

날씨 정보와 아두이노를 이용한 스마트 알람 시계
Smart Alarm Clock using Weather Information and Arduino 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.23 no.8, 2019년, pp.889 - 895

허경용 (Department of Electronic Engineering, Dong-eui University) , 김광훈 (Department of Electronic Engineering, Dong-eui University)

초록
AI-Helper

현대인의 복잡한 일상생활에서 시간 약속을 지키는 일은 쉽지 않다. 특히 차량의 증가는 출근 시간 교통 체증을 유발하여 지각으로 이어지고 이는 기상 상황에 따라 많은 변화를 보인다. 이 논문에서는 기상 상황에 따라 알람 시간을 자동으로 변경하여 교통 체증에 대비할 수 있도록 해주는 스마트 알람 시계를 제안한다. 제안하는 스마트 알람 시계는 일반적인 알람 시계의 기능을 터치를 통해 조작할 수 있도록 설계하였다. 여기에 오픈 API를 사용하여 날씨 정보를 알아내고 이를 활용하여 자동으로 알람 시간을 변경함으로써 예상되는 시간 지연에 대비할 수 있도록 하였다. 제안하는 설계는 아두이노 메가2560과 터치 TFT-LCD를 바탕으로 구현하였으며 인터넷 연결을 위한 WiFi 모듈, 시계 기능을 위한 RTC 모듈, 알람 소리 재생을 위해 MP3 플레이어 모듈 등이 함께 사용되었다. 제안하는 설계는 특허로 출원되어 현재 심사가 진행 중이다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is not easy to keep time promises in the complex daily lives. Especially, the increase in the number of vehicles causes traffic congestion in commuting time, which results in the delayed arrival and varies greatly depending on the weather conditions. In this paper, proposed is a smart alarm clock that automatically adjusts the alarm time according to weather conditions and suggests ways to deal with traffic congestion. The proposed smart alarm clock is designed to operate the functions of a normal alarm clock using touch functionality. In addition, it is designed to find weather information using open API and to automatically change alarm time to prepare for expected time delay. The proposed design was implemented based on Arduino Mega2560 and a touch TFT-LCD. WiFi module for internet connection, RTC module for clock function and MP3 player module for alarm sound playback were used together. The proposed design has been filed as a patent and is currently under review.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Connection diagram for the smart alarm clock
표 Table. 1 Main controller and expansion modules for the smart alarm clock
그림 Fig. 2 Alarm time correction with respect to current weather
표 Table. 2 Weather information in JSON
표 Table. 3 Weather groups and icons
그림 Fig. 3 Alarm time correction with respect to current temperature
그림 Fig. 4 Main screen
그림 Fig. 5 Alarm setting screen
그림 Fig. 6 Alarm playing screen
그림 Fig. 7 Flowchart
그림 Fig. 8 Implemented smart alarm clock

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 오픈 API를 통해 실시간으로 날씨 정보를 수집하고[9, 10] 이를 바탕으로 출근 소요 시간을 확보할 수 있는 시간으로 알람 시간을 조절함으로써 지각을 면할 수 있다는 시나리오를 바탕으로 한다. 다만 조정 시간은 경로와 이동수단 등 다양한 변수에 영향을 받으므로 이 논문에서는 대학생들의 등교 시간에 날씨가 미치는 영향을 조사하고 그 데이터를 기반으로 조정 시간을 결정하였다. 이러한 스마트 알람 시계의 구성 및 동작은 특허로 출원되어 심사 중에 있다[11].
지각을 면하기 위해서는 출근 소요 시간 이전에 일어나야 하지만 출근 소요 시간은 날씨에 따라 변할 수 있다. 따라서 오픈 API를 통해 실시간으로 날씨 정보를 수집하고[9, 10] 이를 바탕으로 출근 소요 시간을 확보할 수 있는 시간으로 알람 시간을 조절함으로써 지각을 면할 수 있다는 시나리오를 바탕으로 한다. 다만 조정 시간은 경로와 이동수단 등 다양한 변수에 영향을 받으므로 이 논문에서는 대학생들의 등교 시간에 날씨가 미치는 영향을 조사하고 그 데이터를 기반으로 조정 시간을 결정하였다.
이 논문에서는 날씨 정보를 반영하여 출근 소요 시간을 예측하고 이를 바탕으로 알람 시간을 자동으로 조절하는 스마트 알람 시계를 제안하였다. 날씨 정보는 공공 데이터로 제공되는 정보를 오픈 API를 통해 수집하였으며, 획득한 날씨 정보에 따라 규칙 기반으로 알람 시간을 조정하였다.

제안 방법

표 2는 OpenWeather 사이트에서 사용하는 오픈 API 요청 형식과 이를 통해 얻어온 JSON 형식의 날씨 정보 일부를 나타낸다. OpenWeather 사이트에서 제공하는 정보의 종류는 다양하지만, 이 논문에서는 기상 상황을 나타내는 weather.id와 기온을 나타내는 main.temp 필드를 사용하였다.
그림 2는 9개 기상 상황에 따라 조정되는 알람 시간을 나타낸 것으로 날씨가 맑은(clear sky) 경우에는 설정된 시간을 유지하고, 약한 비가 오는(rain) 경우에는 20분을 앞당기는 등의 조정이 이루어지도록 하였다. 기상 상황에 따라 조정되는 시간은 대학생들의 날씨와 등교 시간에 관한 조사를 바탕으로 결정하였으며 알람 시간은 최대 30분 앞당겨지는 것으로 설정하였다.
이 논문에서는 날씨 정보를 반영하여 출근 소요 시간을 예측하고 이를 바탕으로 알람 시간을 자동으로 조절하는 스마트 알람 시계를 제안하였다. 날씨 정보는 공공 데이터로 제공되는 정보를 오픈 API를 통해 수집하였으며, 획득한 날씨 정보에 따라 규칙 기반으로 알람 시간을 조정하였다. 스마트 알람 시계 구현을 위해서는 대표적인 오픈 소스 플랫폼의 하나인 아두이노를 사용하였다.
이 논문에서 제안하는 스마트 알람 시계(Smart Alarm Clock)는 날씨 정보를 사용하여 알람 시간을 자동으로 조절하는 기능을 포함하고 있다. 날씨 정보를 사용하는 것은 날씨가 차량 운용 대수에 영향을 미치고 이는 다시 출근 소요 시간에 영향을 미치기 때문이다.
즉, 궂은 날씨에는 차량 운용 대수가 증가하고 기온이 일정 기온 이상이거나 이하일 때 차량 운용 대수가 증가하는 식이다[1]. 차량 운용 대수를 정확하게 파악할 수 있다면 출근 소요 시간 역시 어느 정도 예측할 수 있겠지만 이는 현실적으로 어려우므로 이 논문에서는 날씨 정보를 사용하여 출근 소요 시간을 간접적으로 예측하는 방법을 사용한다.

대상 데이터

이러한 TFT-LCD의 처리 방식은 WiFi 통신을 위한 모듈과 MP3 플레이어 모듈에도 적용된다. WiFi 통신을 위한 모듈은 ESP8266을 기반으로 만들어진 모듈을 사용하였으며 ESP8266은 고속의 WiFi 통신을 처리하는 전용 프로세서를 포함하고 있다.
스마트 알람 시계의 알람 시간 자동 조절을 위해서는 현재 날씨 정보를 반영하여야 하며, 현재 날씨 정보는 오픈 API를 통해 날씨 정보 서버에서 얻어올 수 있다. 날씨 정보를 얻을 수 있는 서버는 여러 가지가 있지만, 이 논문에서는 전 세계의 도시별 날씨 정보를 제공하는 OpenWeather 사이트[12]를 사용하였다. 오픈 API는 TCP 연결을 통해 일반 웹 페이지를 요청하는 것과 유사한 요청 형식을 사용하여 JSON(JavaScript Object Notation) 또는 XML(eXtended Markup Language) 형식의 날씨 정보를 얻을 수 있다[13].
날씨 정보는 공공 데이터로 제공되는 정보를 오픈 API를 통해 수집하였으며, 획득한 날씨 정보에 따라 규칙 기반으로 알람 시간을 조정하였다. 스마트 알람 시계 구현을 위해서는 대표적인 오픈 소스 플랫폼의 하나인 아두이노를 사용하였다. 스마트 알람 시계는 날씨에 따라 변하는 교통량을 반영하므로 출근 시간 이외의 일반적인 시간 약속에도 적용할 수 있을 것이며, 스마트 알람 시계의 구성 및 동작은 특허 심사가 진행 중이다.
시계 기능을 위한 RTC는 DS1307 칩을 사용한 Tiny RTC 모듈을 사용하였다. Tiny RTC 모듈은 다른 모듈과 달리 I2C 통신을 사용한다.
메인 컨트롤러와 4개의 확장 모듈은 그림 1과 같이 연결하였다. 아두이노 메가2560의 4개 하드웨어 시리얼 포트 중 1번과 2번 시리얼 포트는 터치 TFT-LCD 모듈과 WiFi 모듈을 위해 사용되었고, 0번 시리얼 포트는 컴퓨터와 연결하여 아두이노의 스케치 업로드 및 디버깅 메시지를 출력을 위해 사용하였다. 3번 시리얼 포트는 추후 시스템 확장을 위해 사용하지 않았으며, MP3 플레이어 모듈은 SoftwareSerial 클래스를 통해 소프트웨어 시리얼 포트에 연결하였다.
이 논문에서 제안하는 스마트 알람 시계는 아두이노 메가2560을 메인 컨트롤러로 사용한다. 아두이노 보드 중 가장 기본이 되는 보드는 아두이노 우노지만, 이 논문에서 사용하는 여러 확장 모듈이 UART 시리얼 통신을 사용하므로 4개의 하드웨어 UART 시리얼 포트를 지원하는 아두이노 메가2560을 선택하였다. 아두이노 우노에서도 에뮬레이션을 통해 여러 개의 UART 시리얼 포트를 사용할 수 있지만, 에뮬레이션을 통해 제공되는 UART 시리얼 포트는 고속에서 데이터 오류가 빈번히 발생하므로 시스템의 안정성을 위해 아두이노 메가 2560을 사용하였다.
아두이노 보드 중 가장 기본이 되는 보드는 아두이노 우노지만, 이 논문에서 사용하는 여러 확장 모듈이 UART 시리얼 통신을 사용하므로 4개의 하드웨어 UART 시리얼 포트를 지원하는 아두이노 메가2560을 선택하였다. 아두이노 우노에서도 에뮬레이션을 통해 여러 개의 UART 시리얼 포트를 사용할 수 있지만, 에뮬레이션을 통해 제공되는 UART 시리얼 포트는 고속에서 데이터 오류가 빈번히 발생하므로 시스템의 안정성을 위해 아두이노 메가 2560을 사용하였다. 표 1은 스마트 알람 시계에 사용된 메인 컨트롤러와 확장 모듈을 나타낸 것이다.
이 논문에서 사용한 TFT-LCD는 24비트 색상 깊이와 800×480 해상도를 지원한다.
이 논문에서 제안하는 스마트 알람 시계는 아두이노 메가2560을 메인 컨트롤러로 사용한다. 아두이노 보드 중 가장 기본이 되는 보드는 아두이노 우노지만, 이 논문에서 사용하는 여러 확장 모듈이 UART 시리얼 통신을 사용하므로 4개의 하드웨어 UART 시리얼 포트를 지원하는 아두이노 메가2560을 선택하였다.
아두이노는 이들 모듈의 조합을 통해 필요한 기능과 동작을 쉽게 확인하는, 즉, 프로토타이핑 도구로 사용이 가능하며 실제 교육 현장에서도 적용되고 있다[7, 8]. 이 논문에서도 제안하는 스마트 알람 시계를 아두이노 메가2560과 확장 모듈을 사용하여 구현하였다.

후속연구

이 논문에서는 대학생의 등교 시간을 바탕으로 알람 조정 시간을 결정하였지만, 자료 수집 및 분석을 통해 보다 객관적이고 다양한 상황에 적용할 수 있을 것으로 기대한다. 또한, 날씨 정보 이외에도 교통사고 정보 등 출근 소요 시간에 영향을 주는 다른 공공데이터를 추가함으로써 보다 정확한 예측이 가능할 것으로 기대되며 이에 관한 연구가 진행 중이다.
제안하는 스마트 알람 시계는 몇 가지 보완해야 할 점이 있으며 그림 2와 그림 3의 알람 조정 시간 결정 방법이 그중 하나다. 이 논문에서는 대학생의 등교 시간을 바탕으로 알람 조정 시간을 결정하였지만, 자료 수집 및 분석을 통해 보다 객관적이고 다양한 상황에 적용할 수 있을 것으로 기대한다. 또한, 날씨 정보 이외에도 교통사고 정보 등 출근 소요 시간에 영향을 주는 다른 공공데이터를 추가함으로써 보다 정확한 예측이 가능할 것으로 기대되며 이에 관한 연구가 진행 중이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아두이노란?	오픈 API를 통해 제공되는 정보는 아두이노와 같이 컴퓨팅 능력이 제한된 기기에서도 활용할 수 있다. 아두이노는 비전문가를 위한 오픈 소스 마이크로컨트롤러플랫폼으로 8비트 16MHz의 중앙처리장치(CPU)를 기본으로 한다[6]. 아두이노를 위한 WiFi 모듈 역시 다양한 종류가 존재하므로 WiFi 모듈을 사용하여 간단하게 인터넷에 연결하고 공공 데이터를 제공하는 서버에서 오픈 API를 통해 필요한 정보를 수집하여 활용할 수 있다.
	시계 기능을 위한 RTC는 무엇을 사용하여 제작하였는가?	시계 기능을 위한 RTC는 DS1307 칩을 사용한 Tiny RTC 모듈을 사용하였다. Tiny RTC 모듈은 다른 모듈과 달리 I2C 통신을 사용한다.
	P3 플레이어 모듈은 스마트 알람 시계의 확장이 가능하도록 소프트웨어 에뮬레이션 포트에 연결한 이유는?	MP3 플레이어 모듈은 알람 재생을 위해 사용되며 마이크로 SD 카드에 저장된 MP3 형식의 파일을 재생하는 전용 디코더 칩이 포함되어 있다. MP3 플레이어 모듈에서 MP3 파일 재생은 많은 연산이 필요하지만 메인 컨트롤러로부터는 재생, 일시 정지, 정지 등의 간단한 명령어를 수신하는 것으로 충분하다. 따라서 MP3 플레이어 모듈은 스마트 알람 시계의 확장이 가능하도록 소프트웨어 에뮬레이션 포트에 연결하였다.

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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