서론

팀 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 2012430006 김현우

서울시립대학교 기계정보공학과 2012430011 송지원

서울시립대학교 기계정보공학과 2012430024 이용희

서울시립대학교 기계정보공학과 2011430021 신현호

개발 기간

2017.09.06 ~ 2017.12.20

개발과제의 개요

개발 과제 요약

기존의 자전거는 결박도구의 한계성으로 인해 도난의 위험성에 지속적으로 노출되어왔다. 하지만 기술의 진보로 인해 다양한 기능을 수행할 수 있는 잠금장치 개발이 가능해진 바, 물리적 결박만을 수행하는 것에 그치지 않는 스마트 잠금 장치 시스템을 개발하고자 한다. 보다 정확히는 도난을 감지하고 사이렌을 울리는 기능, NFC를 이용한 개폐를 수행하는 기능을 추가하고자 하며 실시간으로 사용자의 자전거의 위치를 파악할 수 있고 도난상황을 사용자에게 알릴 수 있도록 어플리케이션 역시 개발하고자 한다.

개발 과제의 배경

자전거는 건강, 환경, 경제성을 고려하는 현대인에게 다시금 주목받고 있다. 이에 따라 자전거 시장이 활성화되고 자전거 이용자가 늘어나면서 자전거 도난사고 역시 함께 증가하고 있는 실태이다. 덧붙여 고가의 자전거가 계속 등장하고 이에 대한 수요가 증가하여 1000만원 이상의 자전거도 주변에서 흔히 볼 수 있음에 따라 자전거 결박도구의 안정성에 대한 문제가 꾸준히 제기되어 왔다. 현재 상용화된 자전거 자물쇠는 4차 산업혁명 시대의 도래에도 불구하고 아직 물리적 결박만을 수행하는 도구에 머물러있다. 이에 우리는 도난을 방지하고, NFC, 어플리케이션과 같은 사용자에게 보다 편리한 인터페이스를 제공하는, 안정성과 기능의 다양성을 높인 자전거용 스마트 잠금장치를 고안하였다.

추가로 자물쇠의 형태 또한 사용하기에 불편한 점이 존재한다. 기존의 끈 형태의 자물쇠는 사람의 손으로 직접 개폐해야 하고, 운전에 방해가 되기도 한다. 심지어 겨울철에는 자물쇠가 얼어 유연성을 잃는 경우도 발생한다. 따라서 우리는 잠금장치를 자전거에 장착하여 자동 개폐가 가능한 형태로 설계하고자 한다.

개발 과제의 목표

NFC를 통한 개폐 기능과 도난방지 기능이 탑재된 자전거용 스마트 잠금장치 및 어플리케이션 일체를 개발한다. 도난방지 기능은 도난 상황 시 경보음 발생뿐만 아니라 사용자 스마트폰에 알림을 주는 것까지 포함한다.

즉, NFC 태그를 통한 잠금장치의 작동 및 개폐, 사용자 ID 저장 및 삭제 기능, 가속도 센서를 이용한 도난의 감지, 스마트폰으로의 푸시알림 그리고 GPS센서를 이용한 자전거의 실시간 위치확인까지 가능하도록 개발하는 것이 우리의 최종 목표이다.

상세 내용

사용자 인증 기능

NFC를 통한 사용자 인증
- 본 프로젝트에서는 사용자 인증을 NFC 태그를 통하여 수행하고자 한다. NFC 태그 내부 저장장치에는 NFC 태그 고유의 ID를 저장하고 있다. 이 ID를 인식하는 방법이 하나의 인증 방법을 제공한다. 또한 NFC는 NDEF 표준에 의거하여 메시지를 주고 받을 수 있는데 이를 통하여 미리 저장해 놓은 ID를 통하여 인증하는 방법 또한 가능하다.
사용자 ID의 저장ㆍ삭제 관리 기능
- 자전거를 단 하나의 사용자만 사용하는 경우도 있지만, 여러 사용자가 :공유하여 사용하는 경우도 있다. 따라서 저장장치는 새로운 ID를 등록 및 삭제하는 기능까지 포함한다.

도난 방지 기능

도난 감지 알고리즘
- 잠금장치에 내장되어 있는 가속도 센서와 GPS 센서를 이용하여 도난 상황을 감지하는 알고리즘을 작성한다. 자전거의 도난은 크게 두 가지 경우으로 생각해 볼 수 있는데 하나는 자전거의 잠금장치를 파괴하려고 하는 등의 큰 충격이 가해지는 경우이고 또 하나는 잠금장치를 분리하지 않고 통째로 훔쳐가는 경우이다. 알고리즘은 어떠한 경우에서라도 자전거가 도난상황이라는 것을 인식해야 한다.
스마트폰 어플리케이션
- 자전거의 위치 확인, 자전거 알람 종료 등의 기능을 수행하는 어플리케이션을 제작한다. 어플리케이션은 핵심적인 기능을 중심으로 간편한 인터페이스가 되도록 제작한다.
네트워크 서버 및 푸시 알림
- 자전거의 잠금장치와 사용자의 스마트폰이 언제 어디서나 통신을 주고 받기 위해서는 이들 사이에 네트워크가 형성되어 있어야 한다. 이를 위하여 둘 사이의 통신을 매개해주는 서버를 구현하고 각 통신의 메시지 형식과 순서를 정의하는 프로토콜을 자체 제작한다. 또한 잠금장치에서 도난 감지 상황을 알리게 되면 이를 바로 스마트 폰에 푸시 알림을 줄 수 있도록 서버를 구현한다.

소프트웨어 상태 머신

잠금장치 내부에서 수행되는 소프트웨어는 사용자 인증 및 도난 상황 인식에 따라서 각기 다른 기능을 수행해야하기 때문에 다소 복잡하다. 따라서 각 상황에서 어떤 프로시져를 수행해야 하는지 관리해 줄 필요가 있다. 이를 위하여 잠금장치의 사용 시나리오를 예상하고 상태 머신을 작성한다.

하드웨어

아두이노 회로 제작
- 자전거용 스마트 잠금장치는 디자인을 고려하려 제작할 것이다. 따라서 플렛폼으로 사용되는 아두이노 보드를 작고 깔끔한 디자인에 맞춰서 새로 제작한다.
개폐 메커니즘 및 디자인
- 잠금장치는 자전거 뒤바퀴 위쪽, 자전거의 브레이크가 위치한 부분에 설치된다. 잠금장치는 수갑의 형태로 잠금상태 시 뒷바퀴를 고정시킨다. 아래 그림은 우리가 밴치마킹한 잠금장치의 형태이다. 잠금장치의 외관은 작고 심플한 스타일로 만든다.

관련 기술의 현황

State of art

1. 디자인

1) 메커니즘 설계

디자인에서 가장 우선적인 고려사항은 바로 자전거를 어떻게 결박할 것인가 부분이다. 현존하는 자전거 결박 기구들을 아래 그림에 간단히 나타내었다. 우선 가장 일반적으로 많이 쓰고 있는 결박 기구가 바로 고리형 자물쇠이다. 하지만 고리형 자물쇠의 경우 쉽게 절단이 가능하다는 문제점이 있어 최근에는 관절형 자물쇠도 많이 쓰이고 있다. 하지만 두 자물쇠의 매커니즘은 굉장히 자유도가 많고 부피도 커서 본 제품에 도입하기에는 어려움이 있다. 한편 독특한 디자인의 자물쇠도 최근에는 등장하고 있는데 그 중 하나가 바로 수갑형 자물쇠이다. 이 자물쇠는 자전거의 뒷바퀴 브레이크 부분에 설치하여 사용하는 자물쇠로 크게 가이드와 내부 고리 2개의 파트로 구성되어 있어 자유도가 하나이다. 즉, 하나의 모터로 개폐의 제어가 가능하다. 또한 부피도 작아서 본 프로젝트에서 제안하는 잠금장치의 매커니즘으로 가장 적합하다고 판단하였다.

고리형	관절형	수갑형

2) 외형제작

위 그림은 바로 아이패드를 각 부품 별로 분해한 모습이다. 부품 중에서 가장 큰 부피를 차지하는 부분은 디스플레이 모듈이며, 그 다음은 배터리 팩이다. 아이패드를 제어하는 핵심적인 임베디드 시스템은 아래에 가늘게 늘어선 기판에 모두 집적되어 있다. 이처럼 최신 제품들은 소비자들에게 매력적인 디자인을 위하여 제품 설계에 많은 공을 들이고 있다. 본 프로젝트에서 제안하는 장금 장치 역시 자전거의 개폐를 수행하는 매커니즘뿐만 아니라 이를 제어하고 도난방지 및 사용자 인증 기능을 수행하기 위한 임베디드 시스템이 내장된다. 본 프로젝트도 제품의 심미성을 고려하여 디자인한다.

2. 도난 방지

자전거에 부착하는 형태의 도난방지 시스템은 이제 막 도입되고 있는 IOT기술 영역이다. 이는 기존에 잘 축적되어 온 센서 기술과 통신 기술을 사용하지만 자전거의 도난 방지라는 목적에 맞게 정립된 기술 사항은 사실상 아직 존재하지 않는다. 하지만 이 시장에 관심을 갖고 시작하는 스타트업이 속속이 등장하고 있으며 도난 방지를 위한 도난 감지, 도난 알림에 적용하는 기술적 사항은 어느정도 일치하는 경향을 보이고 있다.

1) 도난 감지

가속도ㆍ자이로	GPS

도난 감지를 위한 기술은 크게 두가지 종류로 나눌 수 있다. 하나는 가속도ㆍ자이로 센서를 통한 관성력의 측정이고 다른 한가지 방법은 GPS 센서를 통한 자전거의 위치 확인이다. 각 기술은 각기 장단점이 존재하는데 가속도ㆍ자이로 센서를 통한 관성력의 측정은 별다른 방해 요인 없이 자전거에 가해진 충격이나, 자전거의 움직임을 감지하는데에는 효과적이지만 바람이나 의도치 않은 건드림 등 도난과 무관한 다양한 경우의 움직임에 대하여 이를 선택적으로 판별할 수 있어야 한다. 반면에 GPS를 통한 자전거의 위치 확인은 자전거의 위치의 확실한 변화를 통하여 도난을 판별할 수 있기 때문에 자전거에 움직임을 주는 다양한 변수에 대해서는 어느 정도 강점이 있다고 할 순 있지만, GPS 오차를 이내의 위치의 변화 중에는 도난임을 판별할 수 없으므로 그만큼 대응이 늦을 수 있다는 점과 건물 내부나 전파 잡음이 심한 지역에서의 불안정성, 도난 감지 장치를 분리한 후의 도난에 대해서는 대응할 수 없다는 단점을 가지고 있다.
이를 극복하기 위하여 알고리즘을 통해 가속도 센서로부터 얻은 데이터가 실제로 도난인지 판별하는 시스템, GPS가 내장된 도난 감지 시스템을 외부에서 보이지 않게 숨기는 방법, 가속도 센서와 GPS 센서의 데이터를 종합하여 판별하는 시스템 등을 고려할 수 있고, 실제로 일부 스타트업에서는 이를 적용하고 있다.

2) 도난 알림

경보음	스마트폰 APP

도난 상황을 알리는 방법도 크게 두가지로 구분된다. 하나는 경보음을 통하여 외부에 이를 알리는 방법이고, 또 다른 하나는 사용자 스마트폰으로 푸시 알림을 주어서 사용자가 도난 상황을 알 수 있게 하는 방법이다. 스마트폰으로 푸시 알림을 주는 방법에도 크게 두가지 종류가 있는데 하나의 블루투스 통신을 사용하여 도난 방지 장치에서 직접 스마트폰으로 도난 상황을 알려주는 방법이다. 이 방법은 시스템이 간단하다는 장점이 있지만 사용자가 자전거로부터 블루투스 통신 도달거리를 벗어나게 되며 이 알림을 받을 수 없게 된다는 단점이 존재한다. 또 다른 방법은 도난 감지 시스템이 인터넷에 접속하여 일종의 클라우드 시스템으로 도난상황을 알리고, 클라우드 시스템이 스마트폰에 푸시 알림을 보내주는 시스템이다. 이 방법은 다소 복잡하지만 사용자가 어디에 있든 자전거의 도난 알림을 받을 수 있다는 장점이 있다.

3. 사용자 인증

조사된 대부분의 관련 제품은 사용자 인증 방법으로 블루투스 기술을 사용한다. 블루투스는 현재 대부분의 스마트폰에 내장되어 있어 접근이 편하고 한 번의 핀 연결만 하면 자동으로 연결되는 점, 자체 보안기능이 존재하고, 상대적으로 전력 소모가 작은 점에 있어서 강점이 있어 많은 스타트업에서 이를 적용하고 있다. 하지만 본 프로젝트에서는 NFC기술을 사용한다. 스마트폰 어플리케이션을 통한 개폐제어 보다 태그를 접촉하는 방식이 훨씬 더 직관적이기 때문에 사용자에게 심리적 안정감을 줄 수 있다. 뿐만 아니라 NFC는 블루투스보다 더 적은 전력을 사용하기 때문에 제품의 지속시간 측면에서 더 합리적이다.

기술 로드맵

특허 조사

<선행 기술 1>
출원 번호	10-2010-0009817	출원인	추숙희, 라신종
특허명칭	위치추적 기능과 RF카드 인식 기능을 갖는 자전거 거치 장치
개요도
내용	무선통신망을 통해 통합관리 서버 시스템과 연결하여, RF카드 리더 모듈로부터 잠금장치의 상태 정보와 사용자 정보를 전송받아 통합관리 할 수 있고, GPS송수신 모듈이 장착되어 자전거의 현재 위치와 분실 또는 도난시 위치를 쉽게 파악할 수 있다. 와이어를 손쉽게 당길 수 있고 당겼다가 놓으면 자동으로 감기는 와이어 자동 감김 장치를 사용하여 쉽게 자전거를 주차할 수 있도록 하는 위치추적 기능과 RF카드 인식 기능을 갖는 자전거 거치 장치에 대한 것이다.

<선행 기술 2>
출원 번호	10-2009-0133478	출원인	주식회사 센스큐브
특허명칭	자전거 거치대의 잠금시스템 및 그 해제방법
개요도
내용	태양광을 이용해 전력을 발생하여 전원을 공급하는 전원수단과, 거치대에 거치되는 자전거의 압력을 감지하는 압력센서와, 오픈 스위치 역할을 하는 텍트 스위치와, 요입부에 진입한 자전거를 잠그거나 잠금을 해제하는 걸림쇠와, 정역 회전에 의해 상기 걸림쇠를 전진 또는 후퇴하는 모터와, RGB의 LED로 구성되는 발광부와, RFID MCU로 구성되어 있다. RFID 카드를 인식하여 RFID를 독출하고 저장하되, 상기 감지신호가 입력되고 RFID 카드가 인식되는 경우에 모터를 제어하여 잠금 상태가 되도록 하고, 잠금 상태에서 택트스위치의 신호가 입력되고 RFID 카드가 인식되면 저장 RFID와 새롭게 독출한 RFID를 비교하여, 동일 한 경우에 모터를 제어하여 잠금 상태를 해제하는 RFID MCU로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

특허 전략

특허 등록을 위하여 신규성, 진보성을 만족해야 하며 선출원주의에 따라 출원 전 동일한 발명의 출원을 확인하여 보았다. 조사 결과 계획과 동일한 특허는 없었다. 신규성, 선출원주의는 만족할 수 있음으로 보이나 비슷한 내용의 기술을 사용하는 특허가 존재하여 진보성과 관련하여 문제가 될 가능성이 있다.
선행기술 1은 위치추적 기능과 RF카드 인식 기능을 갖는 자전거 거치 장치에 관한 내용이 개시되고, 선행기술 2는 자전거 거치대의 잠금시스템 및 그 해제방법에 관한 내용이 개시되어 있다는 점에서 일부 유사성이 존재하고 것으로 보인다. 직접적으로 대응되거나 완전히 동일하다고는 할 수 없으나, 선행기술 1은 RFID 태그가 내장된 RF카드, 자전거의 위치추적 기능, 와이어 자동 감김 장치를 제공한다는 점, 선행기술 2는 RFID 카드를 이용한 자전거 거치대의 잠금 시스템 구성이 제공된다는 점에서 일부 유사성이 인정되므로, 추후 출원 진행 시에는 이러한 부분을 유의하여 작업이 진행되어야 할 것으로 판단된다.
특허등록가능성을 위하여, 자전거 잠금장치의 구체적인 기계부 도면과 자전거 페달을 밟을 때 에너지를 이용하는 등의 자가발전에 의한 구성 등의 추가적인 차별점을 두어야 할 필요성이 보인다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

자전거 도난 방지의 새 지평
- 부저 알림을 통하여 도난의 1차 방어가 가능하다.
- 이동 통신 기술을 통하여 실시간으로 사용자에게 알림을 준다.
- 도난 방지에 새로운 알고리즘을 도입하여 정확한 도난 감지를 한다.
사용자 친화적인 인터페이스 구축
- NFC 기술을 이용하여 직관적인 잠금장치의 개폐가 이루어 진다.
- 제품을 모듈형으로 함으로써 어떠한 자전거에도 장착할 수 있는 범용성을 지닌다.
- APP과 연동함으로써 사용자가 알기 쉽도록 시각적으로 정보를 제공한다.

경제적 및 사회적 파급효과

자전거 시장 변화
- 도난의 감소로 소비자에게 도난발생을 막아 재구입의 비용을 줄인다.
- 정부, 기업과의 협력하는 사업을 통해 수익을 창출할 수 있으며 나아가 해외에 진출 할 수 있다.
- 자전거를 공유하는 우버, 에어비앤비와 같은 온디맨드 경제를 실현 시킬 수 있다.
이상적인 자전거 사회 형성
- 도난발생률이 감소하고, 도난 발생시의 검거율은 증가하여 치안이 확보 된다.
- 3G를 통해 실시간으로 감시가 이루어져 소비자에게 심리적인 안정감을 준다.
- 자전거 도난에 대한 위험이 줄어들어 자전거 이용 인구가 증가하고 나아가 자전거 도로나 자전거 사회활동이 이루어지며 자전거 라이딩의 인프라가 구축된다.

구성원 및 추진체계

구성원 역할분담

팀원 명	역 할
김현우	아두이노 및 모듈 프로그램, 서버 코딩, 소프트웨어 통합
송지원	어플리케이션 제작, 모듈 프로그래밍, 서버 어플리케이션 연동
이용희	CAD설계(catia), 하드웨어 배선 설계
신현호	기술 서류 작성, 하드웨어 제작

세부 개발 일정표

추진 계통도

설계

설계 사양

제품 요구사항

구분	번호	요구사항	D or W	중요도
하드웨어	1	적은 수의 동력원과 파트로 잠금 메커니즘을 구현한다.	D	상
	2	제품의 부피는 작아야 한다.	D	중
	3	아름다운 디자인을 구현한다.	W	중
도난 방지	4	도난감지 알고리즘으로 자전거의 도난만을 감지하여 경보음을 울린다.	D	상
도난 방지	5	스마트폰을 통해 사용자가 자전거의 정보를 확인 할 수 있도록 한다.	D	상
사용자 인증	6	NFC 카드를 사용하여 사용자를 인증 할 수 있다.	D	상
	7	다수의 NFC카드(혹은 스마트폰)을 등록/삭제할 수 있다.	D	상
	8	스마트폰 NFC를 사용하여 사용자를 인증 할 수 있다.	W	하
시스템관리	9	상황에 알맞은 대처를 할 수 있도록 시스템 관리 S/W를 작성한다.	D	상
기타	10	단가가 저렴해야 한다.	W	중
기타	11	한 번의 충전으로 오래도록 사용할 수 있어야 한다.	W	중

목적 계통도

자전거용 스마트폰 잠금 장치를 설계하는데 있어서 중요하게 생각되는 가치는 보안성, 편의성, 안정성, 심미성, 경제성 다섯 가지가 있다. 여기에 앞서 작성한 제품 요구사항을 매치시켰다.

개념 설계안

개폐 메커니즘

앞선 시장조사에서 잠금장치의 구조를 수갑형 자물쇠 형태로 가기로 결정하였다. 그리고 이 매커니즘을 효과적으로 구동시킬 수 있는 매커니즘를 고민하던 중 왼쪽 그림과 같이 웜기어에서 아이디어를 착안하여 오른쪽 그림과 같은 자물쇠 구조를 고안할 수 있었다. 이 구조는 웜기어를 돌려주는 한 개의 동력원만으로 전체 자물쇠의 개폐를 제어할 수 있다는 장점이 있으며, 구속 부품의 수도 3개밖에 되지 않아 심플하고 신뢰성이 높다. 또한 기어의 특성상 인위적으로 아래의 개폐 고리에 힘을 가하여 움직일 수도 없으므로 자물쇠의 개폐 메커니즘으로 적절하다고 판단하였다.

도난 감지 알고리즘

도난 감지 알고리즘을 작성하기에 앞서 우리는 자전거의 도난 상황을 크게 두 가지 경우가 있다고 가정하였다. 하나는 바로 자전거에 설치된 잠금장치를 파괴하여 제거하고 도난을 하는 경우이고, 다른 하나는 자전거 잠금 장치가 부착된 상태 그대로 도난을 하는 경우이다. 각 경우에서 잠금 장치 내부에 장착된 가속도 센서가 감지하는 데이터를 기준으로 알고리즘을 작성할 필요가 있다. 아래 그래프는 각 경우에서 가속도 센서가 감지하는 가속도 데이터를 나타낸다.

충격을 가하는 경우
들고 이동하는 경우

두 경우에서 가속도 센서가 감지하는 데이터의 경향성이 크게 다른 것을 알 수 있다.

충격을 가하는 경우에는 가속도 값이 굉장히 가파르게 상승하였다가 떨어지는 것을 알 수 있고, 그 진폭 또한 매우 컸다.
들고 이동하는 경우에는 가속도의 진폭은 높지 않지만 긴 시간에 걸쳐 비교적 완만하게 변하는 것을 알 수 있었다. 또한 두 경우 모두 x축, y축, z축 가속도 값이 거의 같은 순간에 peak를 찍는다는 것을 확인할 수 있었다.

이러한 측정결과를 기준에 두고 서로 다른 대역의 주파수로 가속도 값을 센싱하면 두 가지의 경우를 구분하여 감지할 수 있다는 결론을 내렸다. 이에 따라 도난이 아닌 여러 다른 경우의 흔들림에 대해서도 효과적으로 상황을 구분할 수 있는 잠재 능력도 갖추게 되었다.

도난 알림 시스템

이동통신으로써 블루투스를 채택한 많은 제품들이 블루투스의 허용 통신 범위를 넘어가면 도난을 알려주지 못한다는 사실을 우리는 시장조사를 통해서 알게 되었다. 따라서 우리는 이동통신 기술로써 3G 통신을 채택하여 사실상 전 국토에 어디에 있던지 내 자전거가 도난 위험에 처하면 알 수 있는 시스템을 고안하였다.

위 그림처럼 자전거가 도난을 감지하게 되면 3G 통신을 통해 서버에게 자전거의 현 상황을 알린다. 서버는 자전거가 알려오는 상황 정보를 분석하고, 도난 상황이라는 것을 알게 되면 Push 서버에 이를 알려서 사용자 스마트폰에 도난 알림 메시지가 오도록 한다. 사용자는 도난 알림 메시지를 보고 자전거의 위치 정보를 서버에 요청하여 받아볼 수 있고, 도난 상황이 아니라고 판단하여 자전거의 경보음을 끄고 싶으면 이 명령을 서버를 통해 자전거로 전송할 수도 있다.

시스템 관리

자전거용 스마트 잠금장치는 상황에 따라 다양한 여러 가지 기능을 수행한다. 따라서 각 기능을 수행하는 프로그램의 프로시져는 상황에 따라 작동 여부를 취사선택할 수 있어야 한다. 이렇게 자전거의 현 상황을 파악하여 전체 시스템을 관리해주는 프로시져를 위 그림과 같이 상태 다이어그램으로 고안하였다.

자전거는 총 4가지 상태로 존재하게 되는데 아무것도 하지 않는 휴면 상태인 IDLE상태를 기본으로 하여 자전거 개폐를 수행하는 MOTOR CONTROL 상태, 사용자 등록ㆍ삭제를 수행하는 REGISTER 상태, 도난 상황에 대처하는 ALARM 상태로 구분된다. 그리고 각 상태로 전이가 되는 조건에 해당하는 이벤트를 정의하여 전체 시스템이 깔끔하게 동작하도록 하였다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

이론적 계산

웜기어를 제작하기 위해서는 6개의 파라미터 값과 이론 식이 필요하다. 즉, 웜의 줄수와 웜휠의 기어잇수, 축방향 모듈, 압력각, 틈새비율, 피치원 지름 값을 설정해주면 이론 식을 통해 제작에 필요한 파라미터 값들이 얻어지게 된다. 아래는 각 파라미터에 해당되는 이론식이며, 이 과정을 통해 얻어진 값들로 CATIA 내에서 웜기어를 구현 및 3D프린팅할 수 있게 된다.

시뮬레이션

웜과 웜기어

CATIA를 통해 하드웨어를 제작하고 시뮬레이션을 실시하였다. 이론적 계산에서 언급한 6개의 초기 파라미터 값을 설정하고 이론 식을 기입하였으며, 이를 바탕으로 DMU를 돌려본 결과, 웜기어의 동력전달에 따른 잠금고리의 개폐가 정상적으로 작동함을 확인하였다.

도난 감지 데이터

도난 상황별 유의성을 파악하기 위해 1차 반복 시뮬레이션을 실시하였다. 따라서 위 그래프와 같은 두가지로 도난 상황을 항목화할 수 있었다. 그리고 작은 충격이나 지속적이지 않은 충격에 대해서는 도난으로 감지하지 않도록 예외적 상황을 고려하기 위해 2차 반복 시뮬레이션을 실시하였다. 이를 통해 파손을 통해 도난을 시도하는 경우, 자전거를 통째로 들고 도난을 시도하는 경우에 대한 각각의 적절 가속도 임계값을 찾을 수 있었고, 그 값을 4000, 600으로 설정하게 되었다.

조립도

제품 최종 모습 및 치수 (단위 : mm)

※ 84.2mm의 지름은 웜기어의 내측지름을 의미

부품 및 소 조립체 목록

부품 목록
1. TOP Case_1 2. TOP Case_2 3. Bottom Case_1 4. Bottom Case_2 5. 리튬 Case	6. 부저 7. NFC 8. 웜 9. 웜기어 10. 아두이노 Micro	11. 보조배터리 12. 가속도/자이로 센서 13. 모터 14. 모터드라이버 15. FONA 3G 모듈	16. 웜 케이스 17. 모터 홀더 18. 웜 홀더 19. 리튬전지 20. GPS 안테나

조립 순서

※ 소프트웨어 제품끼리는 모두 기존에 연결되어 있다고 가정
※ 아래 괄호는 부품번호에 기재된 각 부품에 해당하는 번호를 의미

회로도를 참고하여 부품간의 연결이 제대로 되어있는 지 확인한다.
바텀케이스_1(3)의 원형 홈 부분에 웜기어(9)를 놓는다.
바텀케이스_2(4)와 바텀케이스_1(3)을 연결한다.
웜(8)과 모터홀더(17), 웜 홀더(18)를 연결한다.
웜(8번)을 웜기어(9번)와 맞물리도록 하고 모터 홀더(17)와 웜 홀더(18)를 연결된 바텀케이스 홈에 끼운다.
모터(13)를 모터홀더(17)와 웜(8) 연결부에 연결한다.
모터드라이버(14)는 모터(13) 위에, 가속도센서(12)는 웜 홀더(18)옆에 둔다.
웜 케이스(16)와 홀더들(17,18)간의 윗부분 홈을 연결하여 장착한다.
탑 케이스_1(1)의 윗부분 홈에 보조배터리(11)를, 아랫부분 홈에 NFC(7)를 장착한다.
리튬전지(19)를 리튬케이스에 넣고 리튬케이스(5)와 바텀케이스_2(4)의 홈을 서로 연결하여 닫는다.
아두이노(10)와 3G 모듈(15) 그리고 부저(6)는 그림 상 나와있는 위치에 배치한다.
탑케이스_1(1)과 탑케이스_2(2)의 홈을 연결함과 동시에 바텀케이스와도 함께 부착한다.

부품도

크게 웜, 웜기어, 외관부로 나눠 모델링을 실시하였다. 웜/웜기어와 관련한 치수들은 2D 도면 상에서 모두 표현할 수 없으므로 ‘이론적 계산’의 자료를 참고하여 추가적인 치수 표를 첨부하였다. 제작 예산 부족으로 인해 모든 부품은 3D 프린팅을 통해 제작한다. 따라서 별다른 열처리 없이 제작을 진행할 것이며 표면 마무리는 거칠기의 정도에 따라 부분적 사포질을 할 예정이다. 3개 파트에 해당하는 부품도는 아래와 같다.

웜

웜기어

웜, 웜기어 치수 표

구분	이름	치수
BASE	줄 수	2
	웜기어 잇수	48
	모듈	2mm
	압력각	20도
	틈새비율	0.25
	리드	12.57mm
Worm	피치원지름	18mm
	이끝원지름	22mm
	이뿌리원지름	13mm
Worm Gear	피치원지름	96mm
	이끝원지름	100mm
	이뿌리원지름	91mm
	웜기어축각	80도

외관부 Part

제어부 및 회로설계

NFC 모듈, mpu6050(가속도/자이로센서), 3G&GPS 모듈, 모터 드라이버, 부저, 스위치는 아두이노 마이크로에 직접 연결되어 통신한다. 모터는 모터 드라이버와 연결된다. 아두이노는 보조배터리를 이용하여 전원을 공급받고 리튬폴리머 배터리는 3G&GPS 모듈의 전원 공급을 위해서만 사용된다. 아두이노와 통신할 때 NFC 모듈은 SPI, mpu6050은 I2C, 3G&GPS 모듈은 UART를 이용한 통신을 하며 부저는 일반 GPIO핀과 연결된다.

소프트웨어 설계

아두이노 탑재 - 사용자 인증

아두이노에 탑재된 S/W 내부의 사용자 인증 알고리즘을 도식화한 모습. 사용자는 평상시에는 NFC 태그로 모터를 제어하여 자물쇠를 개폐한다. 사용자가 새로운 카드를 등록하거나 등록된 카드를 삭제할 때는 스위치를 이용한다.

아두이노 탑재 - 도난 판별

아두이노에 탑재된 S/W 내부의 도난 판별 알고리즘을 도식화한 모습. 50ms 마다 가속도/자이로 센서에서 가속도 데이터를 받아 그 최고치를 미리 설정한 충격 파라미터와 비교하여 충격을 판단한다. 동시에 600ms 마다 50ms의 데이터를 평균 내여 그 최고치를 이동 파라미터와 비교하여 이동을 판단한다.

도난 알림

아두이노는 사용자가 자신에게 접근할 때 필요한 정보(ID/PW), 가속도/자이로 센서를 이용하여 획득한 도난 정보(WR), GPS를 이용한 위도 경도 정보(LA/LO), 그리고 위도 경도 정보를 수집한 시간 정보(TM)을 서버에 3G 통신을 이용하여 보낸다. 이 때 ID/PW 값은 하나의 아두이노에서는 고정된 값이며 WR, LA, LO, TM 값은 변할 수 있는 값이다.

서버에 저장된 사용자 정보 파일

아두이노는 기본적으로 5분마다 도난 정보를 서버에 전송한다. 하지만 도난 발생 시에는 10초마다 정보를 전송하여 실시간에 가까운 위치 확인이 가능하도록 하였다.

난이 발생했을 경우 아두이노에 의해 부저에서 소리가 난다. 또한 서버는 WR 사인을 체크하여 구글 FCM 서버에 푸시를 요청한다. 푸시는 아두이노의 ID와 동일한 토픽을 구독하는 스마트폰에만 전달된다. 이를 통해 같은 자전거를 공유하는 모든 사용자에게 알림을 전달할 수 있다.

여러 자전거의 알림을 수신할 수도 있다.

APP 로그인

사용자가 APP을 통해 아두이노의 정보를 수신하기 위해서는 로그인 작업이 필요하다. 로그인은 아두이노에 부여된 고유 ID와 PW를 이용하여 이루어진다. APP은 사용자가 미리 알고 입력한 ID와 PW와 함께 “APP”이라는 문자열을 서버에 보내어 자신이 APP이라는 것을 알린다. 서버는 아두이노가 보낸 정보와 ID/PW를 대조하여 인증에 성공하면 APP에 “TALK”라는 문자열을 보내 APP이 다음 요쳥을 하도록 유도한다.

알림 정지

APP의 메인 메뉴에서는 종료 외에 두 가지 동작을 수행할 수 있다. ‘알림 정지’버튼을 누르면 APP은 서버에 ID/PW와 “STOP”이라는 문자열을 보내고 서버는 아두이노에 알림을 정지하라는 명령을 내린다. 메인 메뉴에서 ‘자전거 위치 확인’버튼을 누르면 서버에 ID/PW와 “GET”이라는 문자열을 함께 보낸다. 그 후 서버는 다시 APP에 자신이 가지고 있는 자전거의 위치정보와 그 시간을 보낸다. 정보를 전달받은 APP은 구글맵 api를 통해 자전거의 정보를 지도에 표시하게 된다.

어플리케이션으로 자전거의 위치를 확인해 본 모습

ID와 PW를 하나의 동작을 수행할 때마다 보내는 것이 비효율적이라고 생각될 수 있다. 하지만 APP이 종료되어도 수신할 수 있는 PUSH 알림의 특성 상 연결을 유지할 필요가 없다. 굳이 폴링하지 않아도 실시간에 가까운 동작을 구현할 수 있기 때문에 매번 새로운 연결을 수립하는 것이 효과적이다. 이는 USIM 카드의 데이터를 더 오래 쓰기위한 장치이기도 하다.

자재소요서

평가 내용

부품번호	부품명	수량	구매, 외주, 제작
01	Top Case_1	1	제작
02	Top Case_2	1	제작
03	Bottom Case_1	1	제작
04	Bottom Case_2	1	제작
05	리튬 Case	1	제작
06	디지털 부저 모듈 [DFR0032]	1	구매
07	PN532 아두이노 NFC/RFID breakout Module [EF03081]	1	구매
08	웜	1	제작
09	웜기어	1	제작
10	아두이노 Micro 보드	1	구매
11	보조 배터리	1	구매
12	MPU-6050 6축 자이로 가속도 센서 모듈 [SZH-EK007]	1	구매
13	스테핑 모터 [11HS1006-12]	1	구매
14	DRV8834 Low-Voltage Stepper Motor Driver Carrier	1	구매
15	Adafruit FONA 3G Cellular Breakout	1	구매
16	웜 케이스	1	제작
17	모터 홀더	1	제작
18	웜 홀더	1	제작
19	500mAh 리튬폴리머 배터리 [TW392263]	1	구매
20	GPS Antenna [ada-960]	1	구매

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

각각 자전거에 부착되어 있는 형태, 위에서 본 부착 상태, 잠금이 되어 있는 상태를 나타낸다.

포스터

특허출원번호 통지서

개발사업비 내역서

항목(품명, 규격)		수량	단가	금액(현금)	비고
직접개발비	디지털 부저 모듈 [DFR0032]	1	4,510	4,510	-
	PN532 아두이노 NFC/RFID breakout Module [EF03081]	1	26,400	26,400	-
	아두이노 Micro 보드	1	7,100	7,100	보유
	보조 배터리	1	14,000	14,000	-
	MPU-6050 6축 자이로 가속도 센서 모듈 [SZH-EK007]	1	2,310	2,310	-
	스테핑 모터 [11HS1006-12]	1	11,000	11,000	-
	DRV8834 Low-Voltage Stepper Motor Driver Carrier	1	7,920	7,920	-
	Adafruit FONA 3G Cellular Breakout	1	114,040	114,040	-
	500mAh 리튬폴리머 배터리 [TW392263]	1	5,170	5,170	-
	GPS Antenna [ada-960]	1	17,160	17,160	-
	합계	1	209,610	209,610	-

완료 작품의 평가

기능	평가항목	평가방법	적용기준	개발 목표치	비중(%)	평가결과
사용자 인증	NFC 태그 인식	NFC 태그 10회 접촉	성공횟수*10점	90	15	100
사용자 인증	ID 삭제ㆍ등록	ID 삭제ㆍ등록 10회	성공/실패	성공	10	성공
도난 방지 \|	도난 감지 \|	충격 10회	성공횟수*10점	70	10	80
	도난 감지 \|	이동 10회	성공횟수*10점	70	10	90
	푸시 알림	도난 감지 후 알림 확인	성공/실패	성공	15	성공
	지도 표시	GPS 오차 범위 내에서 표시 확인	성공/실패	성공	10	성공
	알람 끄기	앱을 통한 알람 끄기 제어	성공/실패	성공	5	성공
디자인	개폐 수행	개폐 수행	성공/실패	성공	15	성공
디자인	디자인	팀원 평가	팀원 점수 평균	70	10	65

향후 평가

분류	평가항목	평가방법	적용기준	개발 목표치	비중(%)
제품 경쟁력	1. 가격	동일 기능 대비 경쟁사 가격 비교	'디퍼 락'제품 가격(20만원) 보다 낮은 가격	18(만원)	-
	2. 기능	기능의 추가	추가 기능 개수 x 10점	50	-
	3. 크기	현재 크기에 대한 축소화 비율	축소화 부피/ 현재 부피 x 100 (%)	70	-
정상작동	4. 불량률	판매 시작 이후 오작동 접수 건수의 비율	오작동 접수 건수/전체 판매수 × 100 (%)	전체 판매수의 1% 이하	-

향후 평가는 우리의 개발 제품을 시중에 판매할 목적에 대한 내용으로 구성하였다. 아직 미흡한 점이 많으므로 좀 더 보완을 실시하고 시판 이후에 위와 같은 항목을 기준으로 향후평가를 진행해나갈 것이다.

	O	T
S	Strength-Opportunity Strategy ⋅ 대중적인 유사 제품이 없기 때문에 친숙한 디자인과 기능으로 소비자에게 다가간다. ⋅ 기존의 잠금장치 사용으로도 도난을 막기 힘들다는 것을 강조한다.	Strength-Threat Strategy ⋅ 강점을 기반으로 자전거 업체, 서울시(따릉이) 등과 협력하여 시장에서의 입지를 다진다. ⋅ 탄탄한 기능과 디자인을 바탕으로 소비자에게 어필한다.
W	Weakness-Opportunity Strategy ⋅ 소비자가 옵션으로 3G or Wifi, 자전거 발전기 등을 선택할 수 있도록 한다. ⋅ 유사 제품들 보다 좋은 가성비를 목표로 개발한다.	Weakness-Threat Strategy ⋅ 자물쇠 이외에 자전거 거치대 등의 개발을 고려한다.

4조 - 호호s

목차

서론