[논문]Remotely Controllable Smart Mobile System Using Arduino and Raspberry Pi for Infants

Park, Hyun-Wook; Shin, Young-Weon; Kim, Jin-Yeob; Kong, Ki-Sok

doi:10.9708/jksci.2020.25.11.017

Remotely Controllable Smart Mobile System Using Arduino and Raspberry Pi for Infants 원문보기

韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.25 no.11, 2020년, pp.17 - 25

Park, Hyun-Wook (Dept. of Computer Engineering, Korea Polytechnic University) , Shin, Young-Weon (Dept. of Computer Engineering, Korea Polytechnic University) , Kim, Jin-Yeob (Dept. of Computer Engineering, Korea Polytechnic University) , Kong, Ki-Sok (Dept. of Computer Engineering, Korea Polytechnic University)

초록
AI-Helper

본 논문은 아두이노, 라즈베리파이를 통해 모빌의 동작을 원격으로 제어하는 시스템을 다루었다. 유아 주변의 온도, 습도, 미세 먼지 데이터를 사용자에게 제공하고, 애플리케이션을 통해 모빌의 동작을 원격으로 제어한다. 안드로이드 앱의 기능은 첫째, 유아의 주변 온도, 습도, 미세 먼지 데이터를 수신하고, 둘째, 모빌 작동을 원격으로 제어하며. 셋째, 목소리를 녹음하고 재생한다. 원격 제어 모듈의 동작 시간을 측정하는 실험을 통해 애플리케이션에서 시스템에 빠르게 접근할 수 있음을 확인하였다. 기존 시중의 제품은 신생아 주변의 환경 정보를 제공하지 않고, 애플리케이션을 통한 여러 기능을 제공하지 않는다. 본 시스템은 부모에게 유아 주변의 환경정보를 제공하고, 원격 제어 기능과 애플리케이션의 여러 편리 기능을 제공함으로써 기존 제품 대비 육아의 편의성을 향상할 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we deal with a system that provides temperature, humidity and fine dust data around infants to parents through Arduino and Raspberry Pi. It controls the operation of the mobiles remotely through applications. Android applications can perform the following functions. First, the infant's surrounding temperature, humidity and fine dust data are received. Second, mobile controls the smart mobile remotely. Third, recording and playing the voices of parents and enhancing the convenience of parenting. Through the experiment of measuring the operating time of the remote control module, it was confirmed that the application can quickly access the system. Existing products on the market do not provide environmental information around the infants and application that has various functions. The system covered in this paper is expected to improve child-rearing convenience by providing parents environmental information around infants, remotely controllable function and convenient functions of the application.

주제어

표/그림 (22)

표 Table 1. Related Products
표 Table 2. Hardware Development Environment
표 Table 3. Comparison of Humidity and Temperature Measurement Sensors
표 Table 4. Comparison of Fine Dust Measurement Sensors
표 Table 5. Software Development Environment
그림 Fig. 1. System Configuration Diagram
그림 Fig. 2. Software Configuration Diagram
그림 Fig. 3. Flowchart for Environmental Data
그림 Fig. 4. Environmental Information Activity of Smart Mobile App
그림 Fig. 5. LED Color Adjustment Function of Smart Mobile App
그림 Fig. 6. Music Player(select, play, stop) Function of Smart Mobile App
그림 Fig. 7. Motion Controller Function of Smart Mobile App
그림 Fig. 8. Streaming Activity of Smart Mobile App
그림 Fig. 9. Child-Care Information Activity of SmartMobile App
그림 Fig. 10. D-day Calender Activity of Smart Mobile App
그림 Fig. 11. Record Player Activity of Smart Mobile
그림 Fig. 12. Flow Chart of Voice Recording, Upload, and Playback Functions App
그림 Fig. 13. SOS Function of Smart Mobile App
그림 Fig. 14. URL, Phone Number and SOS Text Settings Activity of Smart Mobile App
그림 Fig. 15. Actual Implementation of System
표 Table 6. Test Results
표 Table 7. Time Measurement by Function (Seconds)

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문에서 다루는 영아를 위한 원격 제어 모빌 시스템은 기존 제품들의 단점을 보완하여 신생아 온도, 습도, 미세먼지 데이터를 제공한다. 그리고 애플리케이션을 통해 모빌 동작을 원격으로 제어할 수 있다.

가설 설정

b. Motion Control Module 해당 모듈은 ‘무드등‘, ‘음악‘, ‘모빌 동작‘의 3가지 기능으로 나누어진다.
h. Other Modules

기타 모듈에는 URL 설정, SOS 번호 설정, SOS 문구 설정기능이 있다. URL 설정을 통해 SmartMobile 앱과 라즈베리 파이 서버를 연결한다.

제안 방법

IV. Experiment and Results

모듈의 정확한 데이터 수집과 애플리케이션의 올바른 동작 수행을 검증하기 위하여 미세먼지, 온습도, 체온 데이터를 측정하였고, 애플리케이션의 사용자 검증을 시행하였다.
이에 반해 본 논문의 스마트 모빌은 신생아 주변의 환경 데이터인 온도, 습도, 미세먼지 정보를 제공하고, 비접촉식 온도 센서를 통해 신생아의 체온을 확인할 수 있다. 감각자극 발달에 도움을 주기 위해 목소리 녹음 기능, LED의 색 조정 기능, 모빌 동작 방향 제어의 기능을 구현하였다.
아기 영상 스트리밍 모듈은 SmartMobile 앱의 ‘실시간 아기 영상’ 메뉴에서 실시간으로 아기 영상을 시청할 수 있는 기능이다. 라즈베리 파이에 연결된 카메라 모듈로 촬영된 영상을 UV4L[23]서버를 통해 웹으로 출력하고, 해당 영상을 WebView로 확인할 수 있도록 구현하였다. ‘아기 얼굴 캡처’ 버튼 터치 시, 현재 스트리밍 화면을 ‘/DCIM/Screenshots/ ’ 폴더에 ’SmartMobile_Streaming.
아래 그림 3과 그림 4는 순서도와 애플리케이션 환경 정보 제공 화면이다. 라즈베리 파이의 고질적인 무선 랜 연결 끊김 현상이 발생하여 데이터 수신이 안 되는 문제점을 개발 과정에서 확인하였는데, 이는USB WIFI 무선 랜 카드[21]를 삽입하여 연결이 원활하게 되는 것을 확인하였다.
과도하게 많은 양의 데이터가 웹 통신을 통해서 송수신되는 것을 확인하였고, 전송 속도를 낮추며 문제를 해결하였다. 시스템 과부하, 응답 시간 속도 테스트, 프로세스 테스트, 사용자 불편 테스트를 진행하였다.

대상 데이터

하드웨어 개발 환경은 표 2와 같다. 개발을 위한 하드웨어 부품은 1개의 아두이노 우노 보드와 1개의 라즈베리 파이 보드, 3개의 측정 센서, 라즈베리 카메라 모듈, DC 모터와 3색 LED 모듈이다. 아두이노 우노(UNO) R3 보드는 온습도와 미세먼지, 체온 데이터와 같은 환경 데이터 수집을 제어를 담당한다.
그림 2는 소프트웨어 구성도이다. 소프트웨어는 환경 정보 제공 모듈, 모빌 주변기기, 움직임 제어 모듈, 아기 영상 스트리밍 모듈, 목소리/녹음 재생 모듈, SOS 전송 모듈로 구성된다. 서버에서 데이터를 송수신하는 기능은 jsoup 라이브러리[20]를 사용하여 구현하였다.
그림 1은 원격 제어 모빌 시스템 구성도이다. 시스템은 환경 정보 데이터를 수집하기 위한 여러 센서가 연결된 아두이노 UNO R3, 동작을 제어하고 원격 스트리밍을 수행하는 라즈베리 파이 4, 라즈베리 파이와 통신하며 데이터를 송수신하는 애플리케이션으로 구성되어 있다.
개발을 위한 하드웨어 부품은 1개의 아두이노 우노 보드와 1개의 라즈베리 파이 보드, 3개의 측정 센서, 라즈베리 카메라 모듈, DC 모터와 3색 LED 모듈이다. 아두이노 우노(UNO) R3 보드는 온습도와 미세먼지, 체온 데이터와 같은 환경 데이터 수집을 제어를 담당한다.

이론/모형

SmartMobile 앱 무드등 탭의 화면에 있는 색상표의 색상을 선택 시, 해당 R, G, B값에 따라 아두이노에 연결된 LED 색상을 변경한다. 색상 선택 뷰는 ColorPickerView API[22]를 사용하여 구현하였다.
예를 들어, 위도 37, 경도 126일때 ’경기도 파주시 야당동 385-8로 변환한다. 지도는 kakaomap API[27]를 사용하여 구현하였다. 아래 그림 13은 애플리케이션의 SOS 기능 화면이다.

성능/효과

Fig. 4. Environmental Information Activity of Smart Mobile App

순서도에서 볼 수 있듯이, 앱을 실행한 사용자는 URL, SOS 번호, SOS 문구 설정을 마친 후 URL이 유효할 시에 앱의 화면을 통해 영아 주변 미세먼지, 온도, 습도 그리고 체온 정보를 확인할 수 있다.
Ⅴ. Conclusions

현재 시중에 판매되고 있는 육아 편의성 증진을 위한 스마트 모빌 제품들은 영아 주변 환경 데이터를 제공하지 않는다. 또, 애플리케이션과 연동하여 모빌의 동작을 제어하거나, 애플리케이션을 통한 부가 기능을 제공하지 않는다.
c. Video Streaming Module 아기 영상 스트리밍 모듈은 SmartMobile 앱의 ‘실시간 아기 영상’ 메뉴에서 실시간으로 아기 영상을 시청할 수 있는 기능이다.
리스트의 항목을 터치 시 스피커를 통해 녹음을 재생한다. 개발 과정 속에서 애플리케이션에서 녹음된 파일이 라즈베리 파이의 서버에서 재생이 안 되는 현상을 발견하였다. 이는 미디어 파일 포맷의 문제로, 안드로이드 OmRecorder API[26]를 사용하여 wav 녹음을 구현하여 해결하였다.
하지만 해당 논문의 내용을 통해 라즈베리파이 3B+에서 발열, 스로틀링, Frame Rate 저하 등 소프트웨어 성능 부분에서 제약이 발생함을 확인하였다. 본 논문의 스마트 모빌에서는 라즈베리파이 4를 사용하여 소프트웨어 성능 제약을 최소화 하였다. 라즈베리파이 3B+는 1GB램만을 지원하는 반면, 라즈베리파이 4는 최대 8GB의 램을 지원하므로 개발 단계에서의 제약을 완화하였다.
라즈베리 파이에서 고질적으로 발생하는 무선 랜 연결 끊김 문제의 경우, 유선 랜을 사용하거나 무선 랜 카드를 사용함으로써 해결할 수 있다. 애플리케이션에서 녹음한 파일이 라즈베리 파이 서버에서 재생이 되지 않는 문제는, 안드로이드 녹음 미디어 파일 포맷을 웹 서버에서 재생할 수 있게 해주는 서버 라이브러리를 사용하거나, 안드로이드에서 wav 파일로 녹음을 할 수 있게 해주는 OmRecorder API를 사용함으로써 해결할 수 있을 것으로 판단된다.
인용한 논문에서 사용한 DHT-11 온습도 센서는 오차 범위가 습도 ±5%, 온도 ±2℃인 반면, 본 논문에서는 DHT-22 온습도 센서를 사용하여 측정 데이터의 오차 범위가 습도 ±2%, ±0.5℃로 높은 정확성을 확보하였다.
노진호의 논문[16]에서는 PM1001 미세먼지 측정 센서를 이용하여 사물 인터넷 기반 미세먼지 측정 시스템을 구현하였다. 인용한 논문에서 사용한 PM1001 미세먼지 측정 센서는 지름 1.0㎛ 이상의 먼지를 측정할 수 있으나, 본 논문에서는 PM2008M 미세먼지 측정 센서를 이용하여 더 작은 크기인 지름 0.3㎛ 미세먼지까지 검출할 수 있다.
표 7은 애플리케이션에서 모빌로의 데이터 전송시간을 장소별로 3가지 기능을 각각 10회씩 측정하여 도출한 평균 데이터이다. 측정 결과, 집, 카페, 학교 순서로 최대 0.5초의 전송시간의 차이가 존재하였다. 이는 사용자가 불편함을 느끼지 않는 범위 내에서 시스템이 정상 동작하는 것으로 판단된다.
함승훈의 논문[6]에서 연구한 딥러닝과 영상처리를 활용한 영유아 사고 방지 스마트 모빌은 웹 스트리밍 기능을 제공한다는 점에서 본 논문의 스마트 모빌과 공통점이 존재한다. 하지만 해당 논문의 내용을 통해 라즈베리파이 3B+에서 발열, 스로틀링, Frame Rate 저하 등 소프트웨어 성능 부분에서 제약이 발생함을 확인하였다. 본 논문의 스마트 모빌에서는 라즈베리파이 4를 사용하여 소프트웨어 성능 제약을 최소화 하였다.

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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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