유호균
(Ho-Gyun You)
1
김예은
(Ye-Eun Kim)
2
김희정
(Hee-Jeong Kim)
2
장우희
(Woo-Hee Jang)
2
국중진
(Joongjin Kook)
2
이광재
(Kwangjae Lee)
3†
-
(Dept. of Information Protection Engineering, Sang Myung University, Korea)
-
(Dept. of Information Security Engineering, Sang Myung University, Korea)
-
(Dept. of Information Security Engineering, Sang Myung University, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Visible doorbell, Energy-saving technology, Internet of things, Bluetooth low energy
1. 서론
최근 사회가 고령화에 접어듦에 따라 독거노인의 수가 점점 늘어나고 있는 추세이다. 2016년을 기준으로 국가에 등록된 청각장애인의 수가 약 27만
명으로 전체 인구의 0.5%에 이르렀다
(1). 이런 청각장애인이나 노인성난청을 앓고 있는 노인들의 경우 초인종을 누르거나 문을 아무리 두드려도 소리를 제대로 들을 수 없어 타인의 방문을 인지
못하는 장애에 따른 생활에 불편을 겪고 있다. 이 불편을 해결하기 위한 상용제품들은 제품을 주시하고 있지 않으면 타인의 방문을 알아차리기 어렵다.
그리고 송·수신기 한 벌로 구성되어 있는 경우, 고가의 발신기의 도난 방지를 위해 자물쇠와 함께 설치해야 되는 불편함과 외관을 망친다는 단점이 있다
(2). 최근의 연구에서는 사용자의 위치를 파악하여 보다 효율적으로 알림을 전달하는 기술들이 발표되고 있다. 이 연구들은 비전 신호처리 방식이 주류이므로,
보이는 부분만 사용자 위치를 파악이 가능하고 사생활침해의 문제가 있다
(3,4). 또한 비전센서 및 추가 배터리를 구비해야하기 때문에 비용이 많이 드는 단점이 있다.
따라서 본 논문에서는 IoT(Internet of Things) 기술을 적용하여 집안의 전등을 점멸하는 저 전력 시각적 알림 시스템을 제안한다. 또한
효율적인 에너지 사용을 위해 전류센서를 사용한다. 전류센서는 에너지 사용량을 측정할 뿐 아니라 측정공간의 에너지 사용패턴을 분석하여 사용자 위치를
파악할 수 있다.
그림. 1. 제안하는 전등점멸 초인종의 개념도
Fig. 1. A proposed doorbell with blinking light function
2. 본론
제안하는 IoT 기술을 활용한 에너지 절약형 전등점멸 초인종은 타인의 방문을 알릴 수 있는 초인종 및 인터폰으로 이루어진 현관기, 무선통신이 가능한
마이크로컨트롤러가 내장된 전등 스위치로 구성된다. 이 때, 스위치는 전등을 점멸을 전기 신호로 제어하기 위해 릴레이를 포함한다. 그리고 재실자의 위치를
파악할 수 있도록 전류 센서 또한 포함되어 있다.
그림. 2. IoT 기술이 적용한 전등점멸 초인종 구성요소
Fig. 2. Design components of the proposed system
2.1 방문자 시각적 알림
현관기는 세대 현관에 설치되는 현관카메라, 타인의 방문을 알릴 수 있는 기능을 하는 기존 가정에서 흔히 쓰는 초인종, 사용자의 집에 방문한 타인을
영상으로 알릴 수 있는 인터폰이 포함된다. 초인종은 타인이 사용자의 집을 방문 할 시 방문자의 호출 신호를 각 방의 스위치로 전달하고, 추가로 벨소리를
울려 청각적으로도 타인의 방문을 알린다. 또한 현관기의 초인종은 방문자의 영상 또는 음성을 인터폰으로 전달하여 타인의 방문을 시각적으로 알린다.
전등 스위치는 무선통신이 가능한 마이크로컨트롤러, 전기적으로 스위치를 On/Off 제어 할 수 있는 릴레이 그리고 전류 센서로 구성된다. 이 스위치는
각 방의 스위치 뒤 공간에 설치한다. 예를 들어 N개의 방이 있다면 통신부를 각 방에 적어도 하나씩 적어도 총 N개 설치한다. 또한, 마이크로컨트롤러는
무선통신을 통해 초인종으로부터 수신된 타인의 방문신호를 송신하고, 릴레이는 각 방에 설치된 전등으로의 전원 공급을 제어하여 전등을 On/Off 시킬
수 있다. 추가로 각 방의 에너지 사용 패턴을 추적하여 사용자의 위치를 파악 할 수 있도록 하기 위한 전류 센서를 세대 내의 각 방에 설치한다. 이때,
전류 센서는 센서가 위치하는 해당 방의 재실자 유무를 판단하여 재실자가 존재하는 방의 전등만을 점멸하여 효육적인 에너지 사용이 가능하게 한다. 전등은
사용자가 거주하는 세대 내의 각 방에 설치한다. 전등은 릴레이로부터의 신호를 수신할 수 있다.
그림. 3은 IoT 기술을 활용한 스위치와 전등이 설치된 세대를 나타내는 그림이다. 방문자의 영상 또는 음성을 전달할 인터폰은 세대 내에 설치 될 수 있고,
타인의 방문을 알리는 역할을 하는 초인종의 경우 사용자의 현관에 설치 될 수 있다. 또한 청각장애인을 포함한 사용자가 거주하는 세대 내의 제 1에서
제 N 방 각각에는 전등을 On/Off 하는 스위치가 벽에 설치 될 수 있다.
그림. 3. IoT 기술을 활용한 전등점멸 초인종 구성도
Fig. 3. A structure of the proposed system
만약 방문자가 초인종을 눌러 사용자에게 자신의 방문을 알릴 경우, 초인종 버튼이 눌림으로 인한 호출 신호가 인터폰으로 전달되어 사용자 주택에 초인종
소리를 들려주어 청각적으로도 타인의 방문을 알릴 수 있고, 인터폰으로 방문자의 영상을 사용자에게 전달 할 수 있다. 또한 인터폰으로 초인종의 상태를
설정 할 수 있어, 타인의 방문을 청각적으로 알리고 싶지 않을 경우 초인종의 소리가 들리지 않게 설정하여 타인의 방문을 시각적으로만 알 수 있다.
또한 방문자의 호출 신호가 무선통신을 통해 스위치로 전달 될 수 있다.
2.2 재실자 위치 파악
무선통신이 가능한 마이크로컨트롤러는 저전력 통신방식인 BLE 통신모듈을 포함하는 블루두이노를 사용하였다. 블루두이노의 블루투스를 통해 스위치로 전달된
방문자의 호출신호는 릴레이로 전달되어 사용자의 세대 내의 복수의 전등을 On/Off 제어 할 수 있다. 미리 전류 측정 센서를 통해 사용자의 세대
내의 방의 재실 여부를 파악한다. 재실은 전류 센서를 통해 사용자의 에너지 사용 패턴을 분석하여 판단 할 수 있다.
그림. 4는 전류 센서를 통해 각 방의 전류 사용량을 측정한 그래프이다
(5).
그림. 4(a)그래프의 경우 전류 사용량의 total 그래프가 lamp의 전류 사용량 그래프와 유사한 것을 볼 때, lamp가 사용되고 있는 방이다. 또한
그림. 4(b)그래프의 경우 전류 사용량의 total 그래프가 PC 그래프의 전류 사용량 그래프와 유사 한 것을 볼 때, PC가 사용되고 있는 방이다. 이를 볼
때, 가전기구를 사용하고 있는 방에 사용자가 재실하고 있는 가능성이 크기 때문에 각 방의 총 전류 사용량 그래프와 각 가전 기구의 전류 사용량 그래프를
확인해보면, 사용자가 위치하고 있는 방의 위치를 파악가능하다.
그림. 4. 각 방의 전기사용량 그래프
Fig. 4. An electricity consumption graph of each room
3. 구현
3.1 구현 환경
실험은 구성은 아래와 같다.
|
- 초인종, 인터폰이 포함된 현관기(KDP-502A)
- 인터폰 내부의 BLE+MCU(블루두이노)
- 전등스위치 (릴레이+블루두이노+전류 센서)
- LED 전등
|
인터폰에 초인종 신호를 인식하는 블루두이노를 연결하여 초인종이 눌릴 시 LED 전등이 점멸하는 명령을 BLE 통신으로 전등스위치에 전달한다. 신호를
전달받은 전등스위치는 일정시간동안 릴레이를 제어하여 점등한다. 그리고 재실자 위치를 파악을 위해 전류 센서를 통해 에너지 사용량을 분석한다.
3.2 LED 전등 점멸 실험
초인종이 눌릴 시 LED 전등의 점멸을 확인하기 위해 초인종과 인터폰, 블루두이노, LED 전등으로 구성하였다. 초인종에서 발생한 호출신호를 LED
전등으로 전달하기 위해 인터폰과 전등스위치에 BLE 모듈과 마이크로컨트롤러를 각각 연결하였다. 그리고 스위치에는 사용자 세대 내의 복수의 전등을 On/Off
제어하기 위해 릴레이를 추가로 연결하였다.
그림. 5. 블루두이노를 사용한 LED 전등 On/Off 제어 실험
Fig. 5. An LED light control experiment using blueduino
3.3 전류사용량 그래프 측정
가전기구 사용여부에 따른 전류사용량 그래프를 측정하기 위해 전류 측정 센서에 인터폰, LED 전등, 컴퓨터 모니터 그리고 대형 TV를 연결하여 실험을
진행하였다.
그림. 6(a)의 초반에서 볼 수 있듯이 모든 가전기구의 전원이 Off 된 대기전력 상태의 전류사용량 그래프이고, 후반의 전류 변화는 초인종을 눌렀을 때 전류사용량
그래프이다. 이는 초인종이 눌렸을 때 전류사용량 그래프가 대기전력 상태에서 변화하는 것을 확인 할 수 있다.
그림. 6(b)는 모니터의 전원을 On 했을 시, 전류사용량의 이벤트를 확인할 수 있다. 그리고
그림. 6(c)는 모니터 전원 On과 동시에 대형 TV의 전원을 On 했을 시 전류사용량 그래프이다. 대기전력에서 모니터와 TV가 동작하면 전류 이벤트가 발생하는
것을 확인할 수 있고, 대형 TV를 사용 할 경우, 전류사용량 그래프가 더 크게 변화하는 것을 확인 할 수 있다. 이 실험을 통해 각 방의 전류사용량을
확인하여 이벤트를 체크하고 사용자의 재실 여부를 판단하며, 해당 방의 전등을 점멸할 수 있다.
그림. 6. 상황별 에너지 사용량 그래프
Fig. 6. An electricity consumption graph by various situation(doorbell, monitor, TV)
4. 결론 및 향후 연구 방향
본 논문에서 제안한 아이디어는 청각장애인은 물론, 여러 가지 이유로 듣는 것에 대해 불편한 사람들을 대상으로 한다. 주택이 청각장애인을 고려하여 설계되지
않았기 때문에 가장 편해야 할 집 안에서조차 불편함을 느낀다. 이에 초인종과 전등만으로 청각장애인의 생활에 편의를 줄 수 있는 시스템을 제안했다.
이 시스템은 인터폰 혹은 스위치 내부에 블루투스 모듈, 마이크로컨트롤러 및 릴레이를 연결하므로 외관상의 어색함이 없다. 또한 쉽게 살 수 있는 저렴한
IoT 기기들로 구성되어, 제작비용이 저렴하다. 마지막으로 전류 센서를 통해 각 방의 에너지 사용량을 체크하고, 센서 값의 변화를 분석해 거주자의
위치 추적하기 때문에 특정 공간의 전등만 점멸하여 전기를 절약할 수 있다.
보다 확장하여 전류 센서의 기본목적인 에너지 사용량을 활용하여 전기 사용량을 측정할 수 있고, 각 방의 전기 사용 추이를 분석하여 앞으로 효율적인
전기 사용법을 알려주기 때문에 에너지 절약에 효과적이다. 그리고 기존에 있는 전등과 초인종에 설치하기 때문에 추가로 공간이 필요하지 않아 간편하고,
저렴한 가격으로 공동주택에 널리 이용가능 하다. 이렇게 개별가정에서의 이점뿐 아니라 사회적 약자에게도 편리함을 증대시켜, 사회공동체에도 선한 영향력을
행사할 수 있다. 제안하는 아이디어는 누구에게나 평등하고 따뜻하며 보다 편리하게 살아갈 수 있는 사회를 만들 수 있는 첫 발걸음이 될 것이다.
References
Employment Development Institute , 2016, 2016 Disability Statistics at a Glance, Korea
Employment Agency for the Disabled Research, pp. 4-8
Nest , Nest Expands into Home Security with First Security System Designed to Be Easy
on Residents, Tough on Intruders, https://nest. com/press/nest-expands-into-home-security
PAJO Kati, 2013, The occurrence of ‘what’, ‘where’, ‘what house’and other repair initiations
in the home environment of hearing impaired individuals, International journal of
language & communication disorders, Vol. 48, No. 1, pp. 66-77
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FTIR and Projector-Camera System, Academic Conf., pp. 7-8
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IEEE Pervasive Computing, Vol. 10, No. 1, pp. 40-48
저자소개
상명대학교 정보보호공학과 재학.
주관심분야 : 정보보안, 임베디드시스템, 머신러닝
E-mail :
ghy1675@naver.com
상명대학교 정보보안공학과 재학.
주관심분야 : 정보보안
E-mail :
yeni2172@naver.com
상명대학교 정보보안공학과 재학.
주관심분야 : 정보보안
E-mail :
heej1422@naver.com
상명대학교 정보보안공학과 재학.
주관심분야 : 임베디드시스템
E-mail :
koo03129@naver.com
2012년 숭실대학교 졸업(공박).
2005~ 2017년 전자부품연구원 VR/AR연구센터 연구원.
현재 상명대학교 정보보안공학과 조교수
E-mail :
kookkwang@smu.ac.kr
2014년 고려대학교 전자컴퓨터공학과 졸업(공박).
2012~2017년 전자부품연구원 정보통신미디어본부 연구원.
현재 상명대학교 정보보안공학과 조교수.
E-mail :
begleam@smu.ac.kr