1조-스마투스

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 스마트폰 버튼 악세서리

영문 : Smartphone button accessory

과제 팀명

스마투스

지도교수

신동헌 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20164300** 김**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20164300** 문**

서울시립대학교 기계정보공학과 20144300** 조**

서울시립대학교 기계정보공학과 20174300** 김**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 노년층의 스마트폰 사용능력 문제를 해결하는 것을 목적으로 나아가 노년층의 스마트폰 보급률을 높이기 위한 스마트폰 추가버튼 하드웨어를 설계한다. 사용자가 실시간으로 스마트폰 액세서리로 구성된 “외부 버튼”을 누르는 것으로 통화, 문자, 사진 등등의 특정한 작업을 수행할 수 있다. 이 제품은 마이크로 프로세서과 스마트폰을 무선 통신을 통하여 연결되도록 설계하고 이를 위한 동작 설정을 자유롭게 정할 수 있는 시스템을 개발하고자 한다.

개발 과제의 배경

2020년 한국지능정보사회진흥원의 디지털 정보격차 실태조사에 따르면, 70대 이상 스마트폰 보급률은 전국민 92.3%의 절반 이하인 44.9%로 고령층의 스마트폰 접근성이 크게 떨어지는 것으로 나타났다. 한국의 스마트폰 보급률이 전세계적으로 최상위권에 해당되나, 70대 이상의 고령층은 포함되지 않다는 것이다. 오늘날 국민 대다수가 정보화사회에 적응하여 네트워크 상에서 상호작용하는 초 연결 사회에서 살아가고 있다. 하지만 전체 인구의 15%인 고령층은 디지털 정보격차로 사회생활에 골치를 썩고 있다.

특히 정보통신정책연구원에서 연령이 높을수록 타 세대보다 떨어지는 스마트 기기 활용능력을 가지고있다고 디지털 디바이스 실태 보고서를 통해 발표했다. 조사에 참여한 2000명의 65세 이상의 고령층 중62.1%만이 문자를 열람할 수 있다 밝혔고 어플리케이션의 삭제 및 설치는 오직 7.5%만 가능하다 응답했다. 연구원은 디지털 격차를 줄이기 위해 노년가구의 스마트폰 활용능력 개선이 필요하다고 주장했다.

최근 스마트폰에서 볼륨과 전원버튼 등 물리적인 버튼이 없어지고 있다. 삼성전자는 전원버튼과 인공지능 비서 빅스비 버튼과 통합했고 LG전자는 19년 4월 특허청으로부터 버튼 없는 스마트폰에 대한 특허를 출원했다. 물리 버튼을 없애는 것으로 디자인을 개선하고 내부공간을 효율적으로 바꿀 수 있다는 장점을 취할 수 있으나, 조작이 불편해지고 실용성이 떨어질 수 있다. 그런데 정보화진흥청의 장노년층 정보격차 실태조사에 따르면 고령층이 스마트폰을 쓰지 않는 이유로 17.2%가 사용방법의 어려움을 지목했다. 효율성을 위한 스마트폰 발전방향이 오히려 정보격차를 유도하고 있는 것이다.

지금의 스마트폰 버튼은 전원버튼과 음향조절 버튼만으로 구성되며 직관적으로 눌러 바로 상호작용하는 다른 버튼을 지원하지 않는다. 과거 고령층이 활용 가능하던 2G 휴대폰이 제공하는 통화, 문자, 인터넷 등 버튼 하나를 누르는 것만으로 원하는 동작을 수행하는 상호작용을 스마트폰은 쉽고 직관적인 활용방법으로 제시하기 어렵다. 따라서 스마트폰의 활용능력 개선에 동작을 쉽게 지시할 수 있는 추가 외장 버튼이 필요하다. 또한 스마트폰과 물리적으로 부착되어 있으면 휴대성과 편의성을 높일 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

1. 개발 목표

스마트폰의 보급이 저조하고 사용자들 중에 스마트폰 사용이 자유롭지 못한 노년층을 위해 직관적인 버튼 인터페이스를 가진 블루투스 통신 기반 스마트폰 버튼 악세사리 설계하고 시제품을 제작한다.

2. 개발 내용

2-1) 아두이노와 신호 생성

아두이노 기판에 버튼을 부착한다. 버튼을 누르면 블루투스 모듈을 통해 스마트폰으로 신호를 보낼 수 있도록 아누이도를 프로그래밍한다. 프로그래밍의 경우에 BLEKeyboard 라이브러리와 같이 아두이노를 무선 키보드와 유사한 동작을 하도록 할 수 있다.

2-2) 스마트폰 신호 수신 및 동작제어

블루투스 신호를 수신한 스마트폰에서 버튼에 맞게 정해진 동작을 하도록 설계한다.예를 들어, 셀카봉 등에서 카메라 촬영에 사용하는 볼륨 버튼과 같은 기본적인 신호를 활용할 수 있으며, 프로그래밍을 통해 통화, 앱 열기, 긴급연락 등 다른 더 복잡한 동작의 수행을 도모한다.

2-3) 악세사리 형태 케이스 제작

아두이노와 버튼 등의 부품을 담을 케이스를 악세서리 형태로 만든다. 케이스는 3D CAD를 활용해 디자인하고 3D 프린터로 출력한 뒤 이를 다듬어 제작한다. 노년층이 타겟인 제품이므로 버튼 단자 위에 버튼 케이스를 만들어 더 쉽게 누를 수 있도록 하고 무슨 버튼인지 직관적으로 알 수 있는 심볼을 배치한다. 휴대 또는 사용하는데 불편함이 없게 하기 위해 손에 잘 잡히면서 적당한 크기이며 충격에 강한 외부 케이스를 제작한다. 필요하다면 스트랩과 같은 편의성을 위한 보조적인 장치도 사용할 수 있다.

사용 편의성에는 사용하는 데 있어 직관적인 조작이 가능하도록 하는 것이 중요한 요소이다. 조작의 직관성을 위해 각 기능은 각 버튼에 일대일 대응하며 기능 하나를 위해 복수의 버튼을 조작해야 하거나 서로 다른 기능을 하나의 버튼에서 하지 않는다.

4. 버튼은 각 기능을 직관적으로 이해할 수 있는 픽토그램을 그려 넣는다.

직관적인 조작이 가능하도록 각 버튼을 식별할 수 있는 직관적인 그림인 픽토그램을 삽입해 제품을 처음 보거나 각 버튼이 어떤 기능을 하는지 모르는 사람도 쉽게 조작할 수 있게 한다.

5. 시제품 프로토타입의 동작 정확도는 90% 이상으로 한다.

본 제품을 사용함에 있어 동작에 오류가 없는 것은 사용의 편의성에 있어 매우 중요한 요소이다. 시제품 제작 시 동작 정확도를 버튼마다 100회 이상 테스트하고 양산품이 아닌 프로토타입이라는 점을 고려해 동작할 때 소프트웨어 혼선이 없고, 하드웨어에서도 치명적인 결함이 아니라는 것을 판단하기 위해 90% 이상의 동작 정확도를 달성한다.

6. 배터리 교체없이 2주 이상 사용할 수 있도록 한다.

전기를 너무 많이 소비해 배터리를 자주 교체해줘야 한다면 사용하는 데에 있어서 불편함이 크다. 따라서 기준을 2주로 두고 그 이상 배터리 교체 없이 사용 가능한 것을 목표로 둔다.

개념설계안

1. 기본적 형태

기본적인 형태는 버튼&프레임의 형태이다. 그림의 왼쪽과 같이 한개의 버튼만을 가진 형태나, 오른쪽과 같이 여러 형태의 버튼의 개수를 가진 형태를 가진다. 이러한 형태를 통해 각 버튼에 픽토그램을 이용하여 버튼의 기능을 설명할 수 있도록 한다.

2. 형태의 구분

버튼&프레임의 형태는 크게 스마트폰 “케이스형”과 “분리형” 두가지의 형태로 구분할 수 있다.

케이스형의 경우에는 왼쪽 사진과 같이 범퍼형 스마트폰 케이스와 오른쪽 사진의 슬라이드 케이스의 형태처럼 스마트폰의 케이스의 형태를 가지고 스마트폰에 장착하여 사용할 수 있는 형태를 뜻한다.

분리형의 경우에는 왼쪽의 스마트폰 스트랩의 형태나 오른쪽 그립톡(GripTok)의 형태처럼 스마트폰 케이스의 형태에서 벗어나 스마트폰 케이스 혹은 스마트폰 자체에 부착하거나 장착하여 사용할 수 있는 형태를 뜻한다.

3. 형태 아이디어

케이스형

3-1)범퍼 케이스 형태

범퍼 케이스의 기본적인 형태는 많은 스마트폰 이용자들이 이용하는 케이스의 형태로 스마트폰의 테두리를 감싸고 있는 형태의 케이스다.  볼륨 및 잠금 버튼이 스마트폰에 측면에 위치하여 익숙하게 사용해온 형태를 수용해 스마트폰 추가버튼을 스마트폰에 측면에 위치시키고, 프로세서, 통신 모듈 및 전원장치 등의 부피가 존재하는 부품을 스마트폰 후면에 위치시켜 버튼의 접근성을 높인 형태라고 할 수 있다.

장점으로 스마트폰에 큰 걸림 없이 사용할 수 있는 형태이기 때문에 사용의 불편함이 적고 공간활용성이 높다. 단점으로 여러 하드웨어 부품이 케이스 후면에 위치하여 케이스의 두께가 커질 수 있다.

3-2)다이어리 케이스 형태

다이어리 케이스의 경우 기본적으로 카드 수납을 전제로 하는 케이스의 형태로, 다이어리처럼 가죽 재질을 이용한 커버가 존재한다는 특징이 있다. 이러한 형태를 살려 커버 하단부에 버튼을 위치시키고 후면부에 하드웨어 부품들을 위치시켜 커버의 두께가 두꺼워지는 것을 방지한다.

장점으로 버튼을 직접적으로 확인하여 사용할 수 있어 직관적이다. 단점으로는 다이어리 케이스의 특성상 카드 및 영수증을 수납하게 되는 경우 범퍼 케이스보다 더욱 두꺼울 수 있다.

3-3) 슬라이드 케이스 형태

슬라이드 케이스의 경우에는 기본적인 범퍼 케이스의 형태에서 후면부가 슬라이드를 동작으로 움직이는 파트가 존재하는 케이스이다. 이 슬라이스 하는 파트 안쪽에 버튼을 부착하여 스마트폰의 정면에서 버튼을 볼 수 있는 형태를 가진다.

장점으로 스마트폰 전면에서 버튼을 함께 볼 수 있으며 익숙한 범퍼 케이스로 사용할 수 있다. 단점으로는 슬라이드 하는 부분에 의하여 하드웨어 부품을 위한 공간의 활용이 어렵다.

분리형

3-4) 스트랩 형태

스트랩의 형태는 위 그림과 같이 스마트폰 케이스의 후면에 장착하여 스마트폰의 사용에 보조적인 역할을 하는 형태이다. 여러 스트랩 형태에서 버클의 형태의 스트랩에 버튼 프레임을 연결하여 사용할 수 있도록 한다.

 장점으로 버클의 형태를 통해 버클을 풀면 스마트폰 걸이와 같은 노년층에 익숙한 액세서리 형태로 사용할 수 있고 사용에 도움이 될 수 있는 스트랩 형태를 통해 사용의 편의성이 높다. 단점으로는 스트랩에 부착될 버튼 프레임의 부피에 의한 보관의 불편함이 있을 수 있다.

3-5) 스티커 형태

스티커 형태의 경우에는 버튼&프레임의 형태를 스마트폰에 부착하여 이용하는 형태이다. 스마트폰 후면에 부착하여 사용할 수 있는 단조로운 형태를 가진다.

장점으로 형태가 단순하여 부피 활용이 편리해 크기의 소형화에 강점이 있다. 단점으로는 스마트폰 후면에 부착되기 때문에 버튼을 직접적으로 보고 사용할 수 없으며 후면부를 눌러 사용해야하기 때문에 힘에 작용방향에 의한 불편함이 존재할 수 있다.

3-6) 그립톡 형태

그립톡(Griptok) 형태의 경우에는 스트립과 같이 스마트폰의 후면에 부착되어 스마트폰을 잡기 용이하게 해주는 형태이다. 그립톡의 후면부에 버튼을 위치시켜 사용할 수 있도록 한다.

장점으로 스마트폰의 사용에 보조적인 형태에 버튼을 부착시켜 편의성을 높일 수 있다. 단점으로는 후면부에 위치한 버튼을 직접적으로 보고 사용할 수 없으며 그립톡의 후면을 눌러 사용해야하기 때문에 버튼을 누르는 힘이 다른 형태에 비에 더 필요할 수 있다.

4. 무선통신

버튼을 눌러 스마트폰에 동작을 지시하기 위해 통신 기술이 필요하다. 버튼 악세서리의 디자인 특성상 통신은 저전력, 비교적 단거리 연결을 위주로 하며 이를 위한 여러 옵션 중에서 NFC와 블루투스 두가지 기술을 비교한다.  두 기술 모두 상대적으로 배포 비용이 낮고 사용이 간편한 점에서 유리한 점을 가진다.

4-2) 통신 기술 비교

두 기술을 단순하게 비교하면 다음의 표와 같다. 블루투스 LE (BLE)는 처리량은 기존 블루투스에 비해 처리량은 상대적으로 낮지만 에너지 소비가 현저히 적고 도달 범위가 넓어 프로젝트 설계에 더 유리하다.

NFC의 경우, 스마트폰으로부터 전력을 얻을 수 있어 배터리 문제에서 자유롭고 장치의 인식이 자동으로 되어 빠른 적용에 장점을 가진다. 또한, 회로의 크기와 무게 역시 매우 작아 악세서리에 유리하나 다음과 같은 설계에 불리한 한계점을 가진다.

1.스마트폰의 적용이 가능한 연결용량이 1개로 한정되어 악세서리로 사용시 다른 NFC 기능의 활용이 불가능하다.

2.NFC 칩의 작동거리가 매우 짧고 칩의 위치에 따라서도 통신 능력이 변해 악세서리 범용적인 디자인을 가지기 어렵다.

3.NFC 통신 영역에 철이나 실제 카드가 있다면 오작동을 일으키며 케이스의 재질과 두께에 따라 영향을 크게 받는다.

저 에너지 블루투스(BLE)의 경우, NFC보다 통신 속도가 빠르며 다중 연결이 가능하여 다른 업무에 지장을 주지 않는다. 나아가 통신 범위가 넓어 설계에 넓은 선택지를 준다.

5. 최종 설계안

5-1) 디자인

디자인에 대해서 “케이스형”, “분리형”을 기준으로 비교를 한 결과, 범퍼 케이스의 형태가 선택되었다. 범퍼 케이스는 다른 아이디어와 비교하였을 때, 크게 공간 활용성, 제품의 비용 및 휴대 편의성에서 큰 강점을 가진 것으로 평가되었다. 스마트폰에 액세서리의 형태로 사용되기 때문에 부피에서 공간 활용성이 가장 높다고 평가된 범퍼 케이스가 큰 강점을 가지며 간단한 형태에 의한 품질부분에서 높은 점수를 받았고 제품 자체의 가격과 휴대 편의성에서 소비자 기준의 평가점수가 높아 채택되었다.

그립톡의 경우 범퍼케이스와 2점의 근소한 차이를 가지므로, 차선책의 형태가 될 수 있다

5-2) 무선통신

무선 통신에 대해서는 저 에너지 블루투스(BLE) 기술이 선택되었다. 기본적인 블루투스와 BLE 사이에는 BLE 기술이 기존 블루투스보다 처리량이 낮지만, 버튼을 통한 간단한 동작을 사용하기 때문에 에너지 소비와 도달 범위에서 큰 강점을 가진 BLE 기술이 선택되었다. NFC 기술의 경우에는 기기 연결용량과 작동거리 및 작동을 위한 위치제약에 의한 디자인 제약의 발생, 철 제품이나 실제 카드에 의한 오작동에서 큰 단점을 가지기 때문에 다중연결과 통신 속도에서 강점을 가진 BLE 기술이 채택되었다.

5-3) 마이크로 프로세서

마이크로 프로세서의 경우 본 과제에서 버튼 입력을 통한 간단한 정보통신을 목표로 하기 때문에, 간단한 동작과 저전력에서 강점을 가진 아두이노가 채택되었다. 또한 여러 아두이노 중에 아두이노 Nano 33 BLE가 선택되었다. 본 과제에서 가장 중요한 고려 요소 중 하나인 제품의 부피의 측면에서 이 제품은 다른 아두이노에 비해서 큰 강점을 가지며, 저전력을 위해 사용하고자 하는 BLE 기술 모듈이 내장되어 있다는 강점을 가진다는 점에서 아두이노 Nano 33 BLE 제품이 채택되었다.

5-4) 배터리

배터리의 경우 본 과제에서 큰 평가 기준인 부피의 관점에서 리튬 전지(동전형)이 선택되었다. 이 배터리의 경우에는 무게의 측면과 부피의 측면에서 다른 제품의 비해 큰 강점을 가지며 여러 개의 사용에 큰 제약이 없다는 장점에 의해 채택되었다.

6. 최종 디자인 및 시나리오

범퍼 케이스의 형태의 후면에 아두이노와 전원 장치를 포함한 형태로, 스마트폰과 블루투스를 통해 통신 연결한다. 통신 연결된 후에 사용자가 버튼을 누름으로써 동작 실행을 지시하면, 아두이노에서 버튼 신호를 스마트폰에 전달한다. 이후 스마트폰에서는 받은 신호를 앱을 사용하여 수신 받은 신호에 따른 동작을 실행하는 형태를 가진다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

1. 회로의 저항과 계산

다음 회로도는 본 프로젝트에서 구성할 아두이노 회로이다. 1.5V CR2032 배터리 2개를 직렬로 연결하여 3V의 전력을 공급하고 각 버튼에 해당하는 스위치 회로에 저항을 추가로 배치했다. 즉, 각각의 버튼의 작동에 따라 아두이노를 통해 다른 신호 값을 줄 수 있다.

다음 회로에서는 각각의 상황에서 1개의 버튼만 ON이 되는 것으로 신호를 주고받는 것을 목표로 하기 때문에 3개 스위치의 ON/OFF 조합에서 각각의 스위치가 ON 되었을 때의 상황만 옴의 법칙 V=I*R을 토대로 계산한다.

1) 1번 스위치: 전력이 공급되는 회로에서 R4 저항만 유효하므로 100Ω의 저항이 들어간:다. 따라서 옴의 법칙에 의해 회로에는 30mA의 전류가 흐른다.

2) 2번 스위치: 회로에 R4와 R2 저항이 직렬로 연결되어 있으므로 100Ω+1000Ω = 1100Ω의 저항이 회로에 유효하다. 따라서 2.727mA의 전류가 흐른다.

3) 3번 스위치: 회로에 R4, R2, R3 저항이 직렬로 연결되어 있다. 따라서 100Ω+1000Ω+1000Ω = 2100Ω의 저항이 회로에 작용한다. 따라서 1.428mA의 전류가 흐른다.

2. 프로그래밍 시뮬레이션

앱 디자인 및 프로그래밍을 진행함에 따라 매번 휴대폰에 직접 실행하기에는 업로드 속도에서 차이가 발생한다. 기존 C++이나 파이썬의 경우에는 프로그램상에서 컴파일을 하고 화면상에서 에러를 확인할 수 있지만, 앱 프로그래밍의 경우에는 이를 시뮬레이터로 대체하여 사용하게 된다.
 
시뮬레이터를 사용하여 우선적으로 앱의 동작과 기능들을 확인하고 이를 토대로 앱을 디자인하게 된다.

상세설계 내용

조립도 및 회로설계

다음 그림은 제품의 전체 모습이다. 스마트폰 범퍼케이스의 뒷면에는 마이크로 프로세서가, 옆면에는 버튼이 달려 있어서 버튼을 누르면 내부회로에 의해 마이크로 프로세스가 동작하게 된다. 따라서 하드웨어는 버튼, 마이크로 프로세서 등을 담을 범퍼케이스와 내부회로로 구성되어 있으며, 본 파트에서는 이 두가지에 대한 상세한 설계를 살펴보도록 한다.

1. 버튼 & 배터리

위의 그림에서 측정한 규격은 각각 버튼과 배터리가 들어갈 공간에 대한 것이다. 왼쪽의 그림이 케이스 내부의 모습이며 오른쪽의 그림이 케이스 외부의 모습에 해당된다. 내부에서 측정한 규격들 중에서 위의 2개 사각형이 버튼이 위치할 자리이며, 각각의 사각형에 2개씩 버튼이 들어간다. 아래 원 2개가 그려진 사각형에 배터리 2개가 위치한다.

개념설계안과 달리, 버튼의 위치를 스마트폰 측면에서 후면으로 배치하는 것으로 바꾸었다. 회로 부품으로 채택한 버튼이 예상보다 부피가 커서 설계안대로 측면에 설치할 경우, 스마트폰 휴대성과 편의성을 해쳐 본래 의도를 해치게 된다. 따라서 버튼을 후면에 배치하고 회로를 후면의 넓은 면을 따라 넓게 퍼트리는 것으로 스마트폰 액세서리의 부피로 인한 편의성 저해를 줄이고자 한다.

1-1) 버튼

케이스의 후면에 7.6mm × 7.6mm 규격의 버튼이 돌출되도록 버튼을 조립한다. 우선 케이스 내부의 구멍에 凸 형태의 버튼 스위치가 돌출되도록 위치시키고 여유공간 사이로 전선을 따로 빼낸 뒤, 고정을 위해서 여분으로 출력해둔 판넬을 고정시키는 것으로 버튼과 케이스 사이를 고정시킨다.

1-2) 배터리

앞서 살펴본 회로도에서 3V의 전력을 공급하도록 2개의 1.5V 수은 배터리를 직렬 연결하는 것으로 회로를 구현하고자 한다. 따라서, 시중에 판매하는 배터리 홀더를 분해해 케이스 내부에 장착하고 그 결과는 다음과 같다.

배터리 홀더의 위와 아래를 각각 나눠 소켓 자리에 각각 +와 -극을 설치하고 이를 덮을 판넬에 두 배터리를 직렬로 연결해줄 금속판을 부착한다. 이후 해당하는 소켓 자리에 수은 배터리를 올리고 덮개를 덮는 순서로 조립한다. 이후 고정을 위해서 글루건을 활용해 4개 모서리를 고정한다.

2. 아두이노 회로

왼쪽 그림의 케이스 내부 도면에서 위의 규격은 카메라 노출을 위한 구멍이며 아래 규격이 아두이노 NANO 33BLE를 위치시키기 위한 자리이다.

회로는 최종적으로 아두이노 보드와 스위치 3개, 직렬로 연결된 배터리로 구성된다. 아두이노에는 V out 핀이 하나, GND 핀이 2개씩 밖에 없으므로, 핀들을 최대한 활용하기 위해 버튼 회로 모듈을 제작하고 V out, GND, 아날로그 핀을 각각 하나씩 사용하도록 한다. 이에 전력 공급을 위해 배터리를 연결한 – GND(-), VIN(+) 핀을 전선과 납땜해 고정하고 3개의 스위치에 해당하는 버튼회로는 – GND, A0, 3.3V에 전선을 납땜한다.

이후 내부 케이스의 여유 20.7mm × 45mm 공간에 회로를 완성한 아두이노 NANO BLE 33을 놓고 글루건으로 케이스와 회로를 고정시킨다. 전선은 케이스 내부 여유 공간에 추가로 고정시키고 케이스에 핸드폰을 장착하는 것으로 안정적인 고정이 가능하다.

최종적으로 회로를 모두 합치면 다음과 같이 회로를 케이스 내부 빈 공간 사이사이에 배치하고 전선을 정리해 스마트폰 악세서리에 블루투스 회로를 적용하는 것으로 하드웨어 설계를 마쳤다.

소프트웨어 설계

프로세스를 간단히 표현하면 다음과 같다. 사용자가 버튼을 누르면, 마이크로프로세서를 통해 블루투스 신호가 스마트폰에 가게 되고, 이후 스마트폰에서는 자체 제작한 앱을 통해 그 버튼 신호에 맞는 특정 기능(통화, 사진 촬영 등)을 수행하게 된다. 따라서  소프트웨어는 아두이노 프로그래밍과 앱 프로그래밍으로 나눌 수 있다.

3. 아두이노 프로그래밍

아두이노에서 BLE를 사용하기 위해서 라이브러리를 선언한다.

GATT를 통해서 안드로이드 기반 스마트폰과 정보를 통신하기 위해서 UUID와 Characteristic의 UUID를 선언한다. 이때, Characterist의 경우에는 안드로이드에서도 값을 저장하고 아두이노에서 값을 읽게 되는 경우가 있는 경우도 포함하여 Read/Write 모두 가능하도록 선언한다.

아두이노에서 블루투스는 9600의 속도로 통신을 할 것임을 선언한 다음 BLE가 제대로 동작하였는지 확인한다. 이후 아두이노의 블루투스 기기 이름을 설정한 뒤에 UUID 정보들을 Service에 저장한다.

이후에 advertise()를 실행하여 다른 기기에서 아두이노를 검색하여 연결시도를 할 수 있도록 한다.

이후에 블루투스 기기 연결여부를 확인한다.

이후에 버튼 회로가 A0 단자에 연결되었으므로 아날로그 단자 A0의 value 값을 읽는다. 아무 입력도 받지 않았을 때는 핀에 1000 내외의 값이 들어온다. 저항을 3개 사용하였으므로 버튼 1을 누를 때는 670 내외, 버튼 2를 누를 때는 500 내외, 버튼 3를 누를 때는 0의 값이 들어온다.

아날로그 단자의 노이즈 값을 고려하여 여유있는 threshold를 준다. 한 루프가 0.1초로 구성되므로 버튼을 누르고 있는 0.1초마다 동작이 반복될 것이므로 전역 변수 btn_sg의 초기화 값을 ’r’로 설정해 놓고 btn_sg 값이 ’r’일 때만 버튼을 눌렀을 때 동작을 하도록 해서 동작이 불필요하게 반복되는 것을 방지한다. 각 입력이 들어오면 if-elif 문으로 판단을 한 후 각 버튼마다 할당된 btn_sg ’a’, ’b’, ’c’를 write하게 되고 앱에서 이를 읽어 각 버튼에 맞게 동작하게 된다.

3-1) 개략도

4. 앱 프로그래밍

앱 개발과 디자인은 구글의 서비스인 앱 인벤터라는 프로그램을 통하여 안드로이드 기반의 apk 앱을 개발했다.

앱 인벤터란 구글과 MIT 대학에서 개발한 “블록 기반”의 앱 제작 프로그래밍 툴로 구글 계정으로 접속하여 간단하고 쉽게 앱을 만들고 안드로이드 기반의 스마트폰에서 바로 실행해 볼 수 있는 클라우드 기반 무료 앱 개발 도구이다.  복잡한 Java 언어가 아닌, 정해져 있는 블록을 마우스로 끌어다 사용하기 때문에 쉽게 프로그래밍 할 수 있다는 장점을 가지며 기존에 널리 알려진 스크래치와 비슷한 유형이라고 볼 수 있다.

스마트폰의 미디어 장치, 센서, 전화, 문자, 공유, 등의 기능을 활용하여 앱 개발이 가능하다. 또한 사용자들이 직접 java를 통해 라이브러리를 제작한 뒤 이를 Import 함으로써 손쉽게 제작된 블록들을 사용할 수 있다는 장점이 있다.

4-1)블루투스 연결

블루투스 BLE 연결에 필요한 변수들을 선언한다.

블루투스의 경우에는 아두이노의 실제 주소 값을 통해서 연결이 진행되므로 이를 저장하기위한 변수들을 선언하였다. 이후에 아두이노와 안드로이드 스마트폰은 BLE를 통해서 데이터를 송수신한다.

이때 BLE의 경우에는, BLE 프로토콜 스택에서 Attribute protocol (ATT)은 서버 (server)와 클라이언트 (client) 사이의 데이터 교환에 대한 규칙을 통해 데이터를 주고받게 되는데, 어플리케이션 단에서의 데이터 교환은 ATT를 기반으로 이뤄지며 각각의 데이터는 구조는 Generic Attribute Profile (GATT)에 의해 정의되는 데이터 구조를 따른다.

Service는 특정 어플리케이션을 구현하기 위해 필요한 데이터의 집합이라고 할 수 있으며, 각각의 데이터는 characteristic에 의해 정의된다. 이때 송수신하고자 하는 데이터가 다수일 경우 다수의 characteristic를 포함할 수 있다.

이러한 service 와 characteristic에 대한 정보는 attribute 라는 최소 데이터 유닛에 의해 정의되고, BLE 디바이스 내의 attribute에 대한 정보는 최종적으로 attribute table 내에 저장된다.

각각의 attribute는 다음의 세 가지 정보를 포함하고 있다.

•type (UUID)

•handle

•Permission

이때 UUID를 통해서 데이터 성분을 구분하기 위한 고유 식별자를 통해서 characteristic의 UUID에 접근하여 데이터를 읽고 쓰게 되기 때문에 아두이노에서 선언한 UUID값을 전역변수로 저장한다.

이후 블루투스 기기들을 검색하고자 검색 버튼을 누르게 되면, 블루투스가 다른 기기와 연결 중이지 않다면, 주변의 블루투스 기기들을 Scan한다. 이후 기기를 찾게 된다면 이에 대한 정보를 화면에 띄우게 된다.

이후 검색된 정보들 중에 원하는 기기를 선택하게 되면, 블루투스 리스트에 기기 정보가 저장되고, 선택된 기기가 있을 경우 선택된 기기의 정보에서 기기의 주소와, 기기의 이름 정보를 String형태로 값을 저장하게 된다. 이후 이 주소 값을 통해서 BLE 기기에 연결을 시도하게 된다.

이후 연결된 기기의 주소와 이름을 앱 자체의 데이터 베이스의 저장하여 이후 앱을 실행하게 될 때, 자동으로 저장된 주소로 연결을 시도하는 것을 기대한다.

블루투스가 연결된 경우에는 연결되었음을 텍스트를 통해 화면에 표시해준다.

이후 Register For Strings 블록을 통해서 Service의 UUID와 Characteristic의 UUID를 통해서 아두이노에서 전송하고 있는 데이터의 접근하여 데이터를 읽어오게 된다.

이 때, Register For Strings와 Read String 블록 두가지의 데이터를 읽어오는 블록에서 Register For Strings은 저장된 값이 변화할 때마다, 값을 읽어오게 되고, Read Strings의 경우에는 블록이 실행될 때 값을 읽게 되는데, 버튼이 입력될 때마다 값을 읽고자 하기 때문에 Register For Strings 블록을 통해 값의 변화를 감지하고 그때의 값을 읽어오게 된다.

이후 기기해제를 누르게 되는 경우에는 연결된 기기가 있을 경우 BLE 연결을 마치고 종료되었음을 알리게 된다.

이후 동작타이머의 경우에는 지정된 delay 간격으로 블록이 실행되게 되는데, 이를 통해 앱이 실행되는 경우에 이전에 연결되었던 BLE 기기의 주소에 자동으로 1회 연결을 시도하게 된다.

4-2) 앱 동작 부분

앱이 처음 실행되는 경우에 동작되는 블록으로 저장되어 있는 기기의 주소와 이름값, 전화번호를 호출하게 된다. 이때 동작타이머를 한번 켜 줌으로써 기기가 1회 자동연결을 시도할 수 있도록 한다.

서비스 시작을 위한 전역변수들을 선언한다. 이번 프로젝트에서 사용하고자 하는 기능 중에 하나인 손전등 기능을 위해 손전등의 ON/OFF 상태를 저장하기 위해 변수를 선언하였고, 서비스가 실행되었는지 확인하는 변수를 선언한다.

그 외의 수신 받은 String 데이터들을 저장하게 될 변수들을 NULL로 선언한다

서비스 시작을 누르게 되는 경우, Start flag를 참으로 함으로써 서비스가 실행중임을 보인다. 이때 앱을 실행하였음을 Notifitation을 통해서 사용자에게 알리게 된다.

서비스 종료를 누르게 된다면 종료를 하고자 하는지 알림을 화면에 띄우게 되고 “예”를 입력하게 되면, 서비스 종료함을 Start flag에 저장하게 된다.

동작의 경우에는 아두이노에서 데이터를 수신 받는 경우에 서비스의 시작 여부를 확인한 뒤에 수신 받은 데이터를 정리하게 된다. 이때 수신 받은 데이터의 경우 NULL인 경우 수신 데이터의 길이가 2보다 작으므로 이를 고려하여 구분한다. 이후에 수신 받은 데이터에 아두이노와 같이 정한 데이터 “a”, “b”, “c”값을 확인하여 이에 맞는 동작을 수행하게 된다.

1) “a”의 경우: Flash를 실행하거나 종료한다.

2) “b”의 경우: 카메라를 켠다.

3) “c”의 경우: 긴급통화를 실행하게 된다. 이 때에 번호는 화면에서 저장한 번호로 전화를 하게 된다.

앱 화면에서 뒤로 가기 버튼을 누르는 경우에 앱을 종료하고자 하는지 알림을 나타낸 뒤에 ‘예’가 입력되는 경우 앱을 종료하게 된다.

4-2-1) 개략도

최종적으로 APP은 다음과 같은 절차로 동작을 수행한다.

자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

다음 그림은 최종적으로 제작한 시제품의 형태이다. 왼쪽은 스마트폰 악세서리 내부와 회로의 모습이며, 오른쪽은 스마트폰 악세서리에 스마트폰을 페어링한 모습이다. 그림과 같이 액세서리 내부 빈 공간 사이로 아두이노 회로를 장착했다. 또한, 악세서리와 블루투스로 연결된 스마트폰은 백그라운드로 계속 버튼 입력에 대한 동작을 수행할 준비를 하고 있다.

포스터

완료작품의 평가

향후계획

프로젝트의 1차 시제품을 완료한 상태이며 제품을 확인한 결과 추가적인 수정사항이 발생했다. 따라서 이를 보완할 2차 시제품을 기획 중이며, PLA 필라멘트 대신 더 비싼 재질의 재질로 다수 디자인의 3D 프린팅 제작이 완료된 이후 안드로이드뿐만 아니라 IOS 운영체제까지 포함해 2차 테스트 기간을 가질 예정이다. 이 테스트 기간 동안 고려할 사항은 다음과 같다.

1) 동일 운영체제에서 다른 스마트폰의 APP 호환

2) 다른 운영체제에서 APP 및 아두이노 회로의 동작

3) 외부 환경적 요인으로부터 강건성 강화

4) APP 동작 제어 유동성 강화

또한 회로 구성의 경우, 2차 시제품의 테스트 이후 더욱 효율적인 아두이노 보드의 구성을 찾아 시도해 비용 문제를 해결할 것이다.

1조-스마투스

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경

개발 과제의 목표 및 내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

시장상황에 대한 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양