4조-Dys' son

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 수분 섭취량 추적 관리를 위한 텀블러 부착 모듈 및 어플리케이션 개발

영문 : Development of a tumbler attachment module and application for tracking and managing hydration

과제 팀명

Dys'son

지도교수

이수일 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20164300** 박*호(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20164300** 박*산

서울시립대학교 기계정보공학과 20164300** 백*은

서울시립대학교 기계정보공학과 20164300** 이*하

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제를 통해 다양한 규격의 텀블러에 탈 부착 가능하고 수분섭취량을 측정하여 전송할 수 있는 하드웨어 모듈(이하 텀블러 부착 모듈)을 설계한다. 또한, 텀블러 부착 모듈과 연동되는 어플리케이션을 개발하여 수분 섭취량을 추적하고 관리할 수 있는 기능을 제공하고자 한다. 제작하고자 하는 텀블러 부착 모듈은 보유하고 있는 텀블러에 장착할 수 있으므로 새로운 전용 텀블러 제작에서 발생하는 환경 오염과 낭비를 줄일 수 있고 연동 어플리케이션을 통해 경쟁력 또한 확보할 수 있다.

개발 과제의 배경

배경

2020년 발표한 보건복지부의 ‘물 충분 섭취자’의 비율을 보면, 2018년 기준 39.6%이며 3년간 감소 추세를 보이고 있다. 또한, 청소년들의 물 충분 섭취자의 비율은 WHO 권장 기준의 약 1/3 수준에 그친다. 반면에 당류가 포함된 음료를 섭취하는 비율은 점점 증가하는 추세이며, 부족한 수분을 음료로 채우게 되면 이뇨 작용을 통해 더 심한 체내 수분량 감소 및 당분 과다 섭취로 인한 당뇨 등의 문제가 발생할 수 있다. 부족한 물 섭취는 당장은 큰 문제를 일으키지 않지만, 이러한 탈수 상태가 오래 유지하는 경우 만성 탈수 상태가 되거나, 고지혈증, 암, 콩팥 결석 등 심각한 질환으로 이어질 가능성이 높아진다. 또한, 물을 일일 권장량보다 과다하게 섭취할 경우, 저나트륨증으로 인한 두통, 호흡 곤란 및 심각한 경우 호흡곤란, 폐부종 등이 발생할 가능성 또한 존재한다. 이러한 문제 때문에, 현재 한국영양섭취기준에서 제시하는 일일 권장 물 섭취량은 순수한 물 섭취를 통해 정확한 양을 보충하는 것을 권장하고 있다.

Figure 1 2020년 물 충분 섭취자 비율

IT 기술의 발달로 인해 스마트폰 어플리케이션을 통해 건강관리가 대중화되면서 이러한 일일 권장 물 섭취량에 맞는 물의 음용을 위해 스마트폰을 이용해 일일 권장 물 섭취량을 기록할 수 있는 ‘물 마시기 어플’이 여럿 등장하며, 좋은 평가를 받고 있다. 정부에서도 한국수자원공사(K-water) 산하 My Water 홈페이지를 통해 ‘물 마시기 앱’을 홍보하는 등 문제 해결을 위해 IT 기술을 접목시키는데 관심이 뜨거운 상황이다. 이에 더 나아가, 미국의 킥스타터 ‘HydrateSpark’, ‘Equa’ 및 한국의 ‘8Cups’는 IoT 기술을 접목시켜 부착된 센서를 통해 음용량을 자동으로 측정하는 전용 텀블러를 개발해 크라우드 펀딩을 성공시키며 IoT를 활용한 물 섭취 관리 서비스의 지평을 열었다.

Figure 2 HidrateSpark社의 HidrateSpark3 smart bottle

하지만, 현재까지 시중에 등장한 기술은 1세대로 평가받으며, 많은 개선점이 존재한다. 첫 번째로, 전용 텀블러를 사용하는 데 대한 단점이 존재한다. 현재까지 발표된 스마트 기기는 전용 텀블러만을 사용해서 물을 마셔야 하고, 해당 텀블러에 다른 음료를 담을 수 없으며 온전히 물을 마시는 데만 사용된다는 것이다. 이는 사용자의 불편뿐만 아니라, 이미 보유하고 있는 컵이나 텀블러를 활용하지 못하고 전용 텀블러를 따로 사야 하기 때문에 환경 오염 및 경제적인 부분에서 문제가 있다. 두 번째로, 센서를 통한 측정 문제가 있다. 해당 텀블러의 센서가 물의 양을 측정하는 방식은 텀블러 내부에 바닥에서부터 올라오는 긴 수위 센서를 통해 수심을 측정하는데, 이 센서가 텀블러에 가운데에 길게 있다 보니 오작동 사례가 많은 것으로 조사되었다. 마지막으로, 앱스토어의 사용자 평가를 기준으로 분석해 보았을 때, 어플리케이션의 사용 편의성 및 UI, 연동성 문제 등 사용자 친화적인 부분에서 개선해야할 사항들이 다수 존재함을 확인하였다.

기대효과

본 프로젝트를 통해 기존 1세대 기기에 대한 개선 사항을 적용한 수분 섭취량 측정 IoT 하드웨어 모듈 및 전용 어플리케이션을 제안한다. 제안하고자 하는 개선된 하드웨어 측정 모듈은 전용 텀블러가 필요하지 않고 기존 사용하던 텀블러나 컵에 부착 가능한 모델이다. 이 모델은 새로운 전용 텀블러 제작에서 발생하는 환경 오염을 방지할 수 있다. 또한, 가볍고 작은 크기와 기존에 사용하던 컵과 텀블러에 대한 호환성을 통해 경량성과 모듈성의 장점을 확보할 수 있다. 또한, UX를 고려한 어플리케이션 디자인을 통해 다양한 계층의 소비자들에 대한 편의성을 제공한다면, 본 프로젝트에서 제안하는 수분 섭취량 측정 모듈 및 전용 어플리케이션은 IoT를 사용한 건강 모니터링 상품으로서의 충분한 시장 경쟁성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.

개발 과제의 목표 및 내용

목표

다양한 규격의 텀블러에 탈 부착할 수 있고 수분섭취량을 측정하여 전송할 수 있는 하드웨어 모듈을 설계할 것이다. 텀블러에 안정적으로 부착할 수 있도록 경량화 하여 설계한다. 또한, 텀블러 부착 모듈과 연동하여 사용할 수 있는 어플리케이션을 개발하여 수분 섭취량을 추적하고 관리할 수 있는 기능을 제공하고자 한다.

내용

1) 텀블러에 부착 가능하며 수분 섭취량을 계산할 수 있는 모듈 제작

탈부착 메커니즘

일반적으로 텀블러의 바닥 지름은 6.5~7.5cm로 다양하다. 다양한 규격의 텀블러에 안정적으로 부착할 수 있도록 여러 메커니즘 고려하여 설계할 것이다. 또한, CAE 구조 해석을 통해 가장 안전계수가 높은 메커니즘을 선정하여 텀블러 탈 부착 모듈을 구현하고자 한다.

Figure 3 텀블러 부착 모듈

Figure 4 텀블러에 부착된 상태

용량 측정 및 데이터 전송

① 용량 측정 방법

사용자가 섭취한 수분량을 추적하기 위해 텀블러 부착 모듈에서는 주기적으로 텀블러 내의 용량을 측정해야 한다. 내용물의 용량 측정에는 수위 센서, 압력 센서, 로드셀 무게 센서 등을 이용할 수 있다. 여러 종류의 센서 중에서 크기와 가격, 정확도를 고려하여 가장 효율적인 센서로 선정하여 설계하고자 한다. 또한, 수분 섭취 중인 상황과 일반적인 상황을 판단하기 위해 3축 가속도 센서를 이용하는 것을 고려하고 있다.

② 데이터 전송 방법

텀블러 부착 모듈에서 측정한 수분 섭취량을 저장하기 위해 어플리케이션과 통신이 필요하다. 텀블러의 특성 상 잦은 배터리 충전이 어렵고 완충 시 오랜 시간동안 사용할 수 있어야 사용자의 편의성이 높아진다. 따라서 연결이 간편하고 전력 소모량이 낮은 저전력 블루투스 (Bluetooth Low Energy, 이하 BLE)를 사용할 예정이다.

Figure 5 텀블러 부착 모듈

2) 부착 모듈과 연동할 수 있는 어플리케이션 개발

사용자 수분 섭취량 추적

사용자의 일일 권장 수분 섭취량을 사용자가 직접 설정할 수 있고 일일 수분 섭취량을 모니터링할 수 있다. 수분 섭취량 추적은 자동 및 수동으로 이루어진다. 자동 수분 섭취량 추적은 텀블러 부착 모듈을 활용하여 측정된 섭취량을 기반으로 관리된다. 텀블러 부착 모듈로 측정이 되지 않은 수분 섭취에 대해서는 사용자가 직접 입력할 수 있다.

수분 섭취 알림

사용자가 원하는 주기로 수분 섭취 알림을 설정할 수 있다. 사용자에게 부족한 수분 섭취량을 알려주고 능동적으로 수분 섭취를 할 수 있도록 보조한다.

사용자 수분 섭취 통계

사용자의 주간, 월간, 연간 수분 섭취량 통계를 확인할 수 있다. 또한 사용자의 개인 목표 혹은 기본 목표를 바탕으로 목표 달성 배지 등을 표시하여 사용자에게 수분 섭취에 대한 동기 부여를 제공한다.

Figure 6, 7 수분 섭취량 통계 탭 UI 초안

개발과제의 기대효과

가. 기술적 기대효과

수분 섭취 추적 기능을 위해서는 텀블러 자체를 구매해야 했던 1세대 기기들과 달리 본 프로젝트에서는 수분 섭취 추적 기능을 모듈화하여 개발한다. 이처럼 추가적인 기능을 탑재한 모듈을 개발하거나 제품을 요소 별로 모듈로 설계하여 개발하는 개념은, 사용자의 요구와 취향이 중요한 가전 제품, 전자 기기 등 다양한 분야에서 유용하게 활용될 수 있다.

본 프로젝트의 수분 섭취 추적 기능은 iOS의 건강 앱과 연동이 가능할 뿐 아니라 데이터의 추가적인 가공을 통해 다른 헬스케어 시스템과 결합되어 사용자의 수분 섭취 상태를 제공하는 데 활용될 수 있다.

나. 경제적, 사회적 기대 및 파급효과

최근 코로나 팬데믹 이후로 사람들이 건강에 더욱 관심을 가지고 그 일환으로 하루 정해진 양의 물을 마시고 싶어한다. 그래서 수분섭취량을 자동 기록할 수 있는 스마트 텀블러가 시중에 판매된다. 하지만 시중에 나와있는 스마트 텀블러는 가격이 상당한 편에 속하기 때문에 현재 사용중인 텀블러에 부착하여 수분 자동추적 기능을 추가할 수 있는 모듈을 만들고자 하였다. 개발하고자 하는 모듈은 새로운 전용 텀블러 제작에서 발생하는 재료의 낭비를 줄일 수 있으며 디자인에 구애받지 않고 자기가 좋아하는 텀블러에 수분 자동추적 기능만을 더하여 사용할 수 있다.

초창기 헬스케어 제품인 만보기부터 현재 스마트 워치까지 많은 개인 건강 측정 및 관리 보조 제품들이 나오고 있다. 본 프로젝트에서 목표로 하는 수분섭취량 측정 모듈은 기존 스마트 텀블러 제품들보다 낮은 가격으로 수분섭취량 측정을 할 수 있기 때문에 사용자들의 진입 장벽을 낮출 수 있을 것으로 예상한다. 그리고 어플리케이션과 연동하여 다양한 소비자들에게 편의를 제공한다면, 수분섭취량 측정 모듈 및 전용 어플리케이션은 IoT를 사용한 헬스케어 상품으로서 시장 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 기대된다.

또한, 물 충분 섭취자의 비율을 높일 수 있을 것이다. 어플리케이션을 통해 꾸준히 알림을 보내고 하루 권장 물 섭취량과 현재 섭취량을 고지한다면 매일 물을 마시고자 하는 사람들에게 도움이 될 수 있을 것이라 생각한다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

■ 팀원 및 역할

Table 5 구성원의 이름 및 역할

■ 추진체계

Figure 14 과제 단계별 추진체계

설계

설계 사양

1) 수분 섭취량 측정 오차가 10 % 이내 본 프로젝트에서 제작하고자 하는 텀블러 부착 모듈은 기존 스마트 텀블러에서 사용할 수 있는 기능을 동일하게 제공할 것이다. 텀블러 부착 모듈에서 가장 중요한 기능은 사용자가 섭취한 수분량을 오차 없이 측정하고 기록하는 기능이므로 수분량을 측정하는 센서의 정확도가 높아야 한다. 따라서, 센서 측정값의 상대오차가 10% 이내가 될 수 있는 센서를 선정하고 캘리브레이션을 진행할 것이다.

2) 텀블러 부착 모듈의 무게 200g 미만 일반적인 텀블러의 용량은 250ml~600ml이고 비어 있는 텀블러의 무게는 200g~300g이다. 텀블러의 무게는 다양하지만 제품의 수가 가장 많은 500ml의 텀블러를 사용한다고 가정할 경우, 텀블러에 음료가 채워져 있을 때 전체 무게는 약 750g이다. 텀블러의 무게가 1kg보다 크다면 사용성이 떨어지므로 텀블러 부착 모듈의 무게를 200g 보다 작도록 설계하고자 한다. 따라서, 센서와 내부 부품 선정 시 무게가 가벼운 제품을 선정할 것이고 기구부 또한 경량화하여 모델링 하고자 한다.

3) 프로토타입 제작 비용 50 천원 미만 (3D 프린터 출력 비용 제외) 텀블러 부착 모듈은 기존 스마트 텀블러에 비해 가격은 싸지만 유사한 기능을 제공한다는 장점이 있다. 기존 판매중인 스마트 텀블러의 가격이 70,000원 이상이므로 가격 경쟁력을 위해서 텀블러 부착 모듈의 가격은 70,000원보다 낮아야 한다. 또한, 기존 텀블러 가격을 2~3만원으로 가정하면 텀블러 부착 모듈은 3~5만원일 때 가격 경쟁력을 가질 수 있다. 따라서, 모듈 제작에 들어가는 부품의 가격에 따라 제품을 선정할 것이다. 텀블러 부착 모듈의 기구부와 하우징은 형상이 복잡하므로 3D 프린팅이나 주문제작이 필요하다. 프로토타입 제작이므로 초기 제작 비용이 크고 대량 생산이 가능하다면 기구부와 하우징의 제작 비용은 현저히 낮아진다. 이러한 제약사양과 제품 구매에 대한 제약사양을 반영하여 프로토타입 제작 비용에서 3D 프린터 출력 비용은 제외한 제작비용이 50,000원 미만이 되도록 설계사양을 설정한다.

4) 텀블러 부착 모듈의 크기 90 x 90 x 80 mm 이내 텀블러에 텀블러 부착 모듈을 장착했을 때 안정적이기 위해서 부착 모듈의 높이는 낮아야 한다. 또한, 텀블러보다 과하게 큰 모듈이 부착될 경우 외관상 디자인에서 경쟁력을 잃을 수 있다. 따라서, 일반적인 텀블러의 지름 크기인 60~80mm 보다 크게 벗어나지 않도록 텀블러 부착 모듈의 크기를 설계사양으로 설정한다. 설계 사양을 바탕으로 부품을 선정하고 기구부를 모델링한다.

5) 텀블러 부착 모듈을 텀블러에 탈 부착할 때 편리해야 함. 텀블러 부착 모듈의 탈부착은 불편하지 않아야 많은 이용자가 구매하여 사용할 수 있을 것이다. 텀블러 부착 메커니즘으로 사용할 수 있는 다양한 메커니즘을 참고하여 모델링하고 모델을 바탕으로 탈 부착이 편리한 메커니즘을 선정하고자 한다.

6) 배터리 지속 시간 224시간 이상 배터리 부착 모듈은 수면 시간을 제외한 시간동안 사용할 수 있다. 하루 24시간 중에서 8시간을 수면시간으로 가정했을 때 1일에 16시간을 사용할 수 있고 14일동안 배터리 교체없이 사용하기 위해서는 배터리 지속시간이 224시간 이상이어야 한다. 따라서, 이러한 설계사양을 만족할 수 있는 회로를 구성하고 소프트웨어를 설계하고자 한다.

7) 방수 등급 IPX2 이상 음료를 담는 텀블러의 특성상 텀블러 부착 모듈의 내부에 액체가 들어올 수 있고 회로와 센서에 액체가 닿을 경우 고장의 원인이 될 수 있다. 텀블러 부착 모듈은 텀블러에서 분리할 수 있으므로 설거지와 같이 높은 수압의 물줄기로부터 모듈의 내부를 보호하는 기능은 요구하지 않는다. 하지만 사용자의 부주의로 인해 소량의 물방울이 모듈에 떨어질 수 있으므로 액체 유입으로 인한 고장을 방지가 필요하다. 200mm의 높이에서 수직으로부터 15도이하로 직접 분사되는 분당 3~5L의 물방울을 10분간 방수 가능할 때 IPX2 등급을 만족한다. 따라서 IPX2 이상의 등급을 만족할 수 있도록 모듈을 설계하고자 한다.

8) 어플리케이션 사용이 직관적이고 충돌률 1% 미만 어플리케이션은 사용 방법과 정보 전달이 직관적이어야 한다. 또한, 어플리케이션의 성능을 측정하기 위한 지표로 충돌률을 사용하여 어플의 성능을 평가하고자 한다. 충돌률은 (충돌 횟수)/(어플리케이션 구동 횟수)로 계산할 수 있다. 일반적으로 충돌률이 0.05%미만일 때 불편함 없이 사용할 수 있다. 하지만 1만 회를 실험하는 것은 현재 프로젝트 규모와 기간 상 현실적 제약이 있기에 충돌률 1% 미만을 어플리케이션 설계사양으로 설정하고자 한다.

개념설계안

가. 탈부착 메커니즘

Table 6 탈부착 메커니즘인 그리퍼와 스트랩의 측징 및 장단점 비교

모듈의 탈부착 메커니즘은 크게 그리퍼 형식과 스트랩 형식 두 가지 모델에 대한 설계를 제시한다.
먼저 그리퍼 탈부착 메커니즘을 이용하면 사용자가 모듈을 텀블러에 부착할 때 용수철의 복원력을 이용하여 자동으로 부착 가능하여 사용자 편의성을 높인다. 하지만 용수철의 수명에 따른 복원력의 감소는 곧 제품 자체의 수명으로 이루어질 수 있다는 단점이 있기 때문에 모듈에 사용할 용수철에 대한 상세한 분석을 통한 선택이 필요하다.
다음으로 스트랩 형식을 이용한 부착 메커니즘은 사용자가 수동으로 스트랩을 당겨 고정해야 하는 방식으로 편의성 부분에서 단점이 있을 수 있으나 스트랩의 수명이 용수철의 수명보다 길 것을 기대할 수 있다. 또한 용수철 방식은 모듈을 부착할 때 힘 조절을 할 수 없지만 스트랩 형식은 수동으로 조절할 수 있는 장점이 있다.

나. 하우징

그리퍼의 무게를 온전히 센서에 얹기 위해서는 센서 상부가 모두 센서에 붙어있어야 하는데 필연적으로 틈이 생기게 된다.

■ 1안 - 틈이 있는 하우징 설계

Figure 15 그리퍼와 모듈의 본체 사이에 틈이 있는 하우징

모듈의 측정 센서인 로드셀, 압력 센서의 측정의 정확성을 위해서 측정한 물의 무게 및 압력을 온전히 전달하기 위하여 그리퍼와 모듈 본체 사이 틈을 두고 센서를 해당 부분에 위치시켜 센서 측정의 정확도를 높인 방안이다.

▷ 장점: 그리퍼의 무게를 온전히 센서에 실을 수 있다. 무게 측정의 경우 균형이 맞지 않으면 힘이 분산되어 캘리브레이션 과정이 복잡할 수 있지만 힘을 온전히 센서로 전달하여 이러한 캘리브레이션 과정을 단순하고 정확성 높게 바꿀 수 있다.
▷ 단점: 측정 센서를 기준으로 그리퍼 및 방수 기능을 구조적으로 구현하기 위한 모듈 방수 구조 부분과 배터리 및 아두이노 보드가 위치한 본체 부분으로 나누어져 구조가 더 복잡하고 해당 구조의 틈으로 물이나 습기가 유입될 가능성이 있어 방수에 취약하다.

■ 2안 - 틈이 없는 하우징 설계

Figure 16 그리퍼와 모듈의 본체 사이에 틈이 없는 하우징

1안에서 구조를 단순화시켜 복층 구조를 없애고 구조의 균형성만 만족하도록 설계하고, 센서 데이터의 정확성 개선을 위해 센서의 소프트웨어적 캘리브레이션에 더욱 초점을 맞춘 방안이다. 해당 구조는 그리퍼 – 본체 부분으로 구조적인 방수 부분을 제거하여 간단하고 틈이 없는 구조로 설계되었다.

▷ 장점: 힘을 센서에 온전히 전달하기 위해 만들어졌던 틈이 없기 때문에 방수 성능이 뛰어나고 단순한 구조로 내구성이 높다. 
▷단점: 무게가 외벽으로 빠져나갈 수 있어 센서 데이터에 대한 소프트웨어적 캘리브레이션을 통한 가공에 더 크게 의존한다.

다. 수분량 측정 센서

Table 7 수분량 측정에 사용할 수 있는 센서

텀블러 내부에 들어있는 음료의 무게를 측정하기 위해 음료의 수위를 측정하는 방법과 음료의 무게를 측정하는 방법을 사용할 수 있다. 수위를 측정하는 방법은 텀블러 내부에 직접 설치되어야 하므로 모듈형으로 제작하는 것에 어려움이 있다. 반면에 무게와 압력을 측정하는 센서는 텀블러와 음료를 포함한 무게를 측정하면 되므로 텀블러에 직접 설치하지 않아도 된다. 로드셀 센서와 압력 센서는 가해진 힘이나 압력을 전기 신호로 변환하여 힘과 압력을 검출한다. 로드셀 센서는 압력센서에 비해 정확도가 높지만 추가적인 주변 회로 구현이 필요하다. 압력 센서는 전력 소모량이 낮고 주변 회로 없이 단독으로 사용할 수 있지만 정확도가 떨어진다는 단점이 있다.

라. 메인 보드

Table 8 메인보드로 사용 가능한 임베디드 보드

텀블러 지름은 보통 6~8cm이므로 텀블러 부착 모듈의 크기는 90x90x80mm보다 작게 제작하고자 한다. Arduino Nano 외에도 다양한 임베디드 보드를 메인보드로 사용할 수 있지만 텀블러 부착 모듈의 크기 제한이 있으므로 비교적 작은 크기의 보드를 비교하였다.
텀블러 부착 모듈에는 텀블러 상태를 파악하기 위한 센서와 데이터를 전송할 수 있는 모듈이 추가로 필요하다. Arduino Nano 33 시리즈는 보드 자체에 IMU 센서와 블루투스 모듈이 내장되어 있어 IMU 센서로 텀블러가 제대로 놓여있는 상태와 움직이는 상태를 판단할 수 있고 블루투스 모듈로 데이터를 전송할 수 있다. 따라서, 추가 모듈을 구매할 필요가 없다는 장점이 있다.

마. 전원 공급 방식

Table 9 임베디드 보드 전원 공급 방식

일회용 동전 건전지는 크기가 작고 가벼워 여러 개를 동시에 사용할 수 있다. 또한, 추가적으로 필요한 모듈이 없기 때문에 단순하게 회로를 구성할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 재사용할 수 없으므로 모듈에서 사용하는 전력량이 많을 경우 배터리 유지에 많은 비용이 들 수 있다. 충전 배터리는 재충전하여 사용할 수 있으므로 경제적 이점이 있지만 크기가 크고 무거워 텀블러 부착 모듈의 크기와 무게를 늘릴 수 있다. 또한, 충전하기 위한 추가적인 모듈이 필요하다는 단점이 있다.

■ 어플리케이션

1) 뷰 계층구조

Figure 17 텀블러 부착 모듈 연동 어플리케이션 뷰 계층 구조

2) BLE Generic Attribute

Figure 18 BLE Generic Attribute Profile(GATT)

▷ DataLength: 전송해야될 데이터 엔트리의 개수 데이터를 저장한 Characteristic
▷ NotifyReady: BLE를 통해 데이터를 전송할 때, 발생할 수 있는 데이터 손실을 방지하기 위한 Characteristic
▷ WaterIntakeData: 사용자가 섭취한 수분량 데이터를 저장하는 Characteristic
▷ MinuteInterval: 수분 섭취 시점간 시간간격 데이터를 저장하는 Characteristic

바. 개념설계안 요약

Table 10 개념설계를 통해 선택한 설계안

■ 최초에는 압력 센서를 사용하여 틈이 없는 설계를 구현하였다. 하지만 압력 센서가 정확하게 무게를 측정하지 못하는 단점이 있어서 로드셀로 바꾸었다. 로드셀로 구현했을 경우에는 텀블러의 무게를 온전히 감지해야하기 때문에 틈이 있는 하우징을 설계했다. 틈이 생기는 경우에는 방수성의 문제가 있기 때문에 틈의 끝 부분에 턱을 만들어 물이 침입하기 어렵게 만들고 물길을 파서 혹시 들어오더라도 로드셀로 들어가지 못하게 했다. 또한 아래에 배터리 부분이 방수에 가장 취약한 부분이여서 배터리를 위로 들어가게하여 적은 물이 고인경우에는 방수성을 유지하도록 하였다.

■ 모서리에 엣지를 주지않아날카로워서서 안정성을 고려하여 엣지를 주어 둥글게 만들었다. 그리고 조립성을 고려하지 않고 만들었더니 분해/조립이 어려운 면이 있어서 너트를 하우징에 결합해서 따로 너트를 조일 필요 없이 볼트만 넣어도 결합되도록 설계하였다.

■ 그리퍼의 높이를 높여서 텀블러와의 접촉면을 넓혀 마찰력을 올릴 생각이였다. 하지만 실제로는 아래부분만 접촉이 되었고 오히려 높이가 높으니까 많이 벌어져서 미관상 좋지 않았다. 그래서 그리퍼의 높이를 낮추고 아크릴 양면테이프를 부착하여 마찰력을 높였다.

■ 설정한 설계사양을 바탕으로 실현가능성이 높은 설계안을 선정하였다. 텀블러를 안정하게 파지하기위한 메커니즘으로 용수철의 탄성력을 이용한 그리퍼 메커니즘을 선정하였고 측정정확성을 고려하여 틈이 있는 하우징을 채택했다. 메인 보드는 BLE에 특화된 아두이노 나노 33 BLE 보드로 선정하였다. 회로에 전원을 공급할 배터리로는 경제성은 떨어지나 크기와 무게면에서 강점을 가진 비충전 동전 건전지를 선정하였다. 텀블러 부착 모듈에서 가장 중요한 수분 섭취량을 측정하는 센서로 로드셀를 선정했다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. 용수철 상수 계산

■ 자유물체도(FBD)

Figure 19 텀블러 부착 모듈의 자유물체도

■ 그리퍼 최소 파지력 계산

1) 텀블러가 안정적으로 고정될 조건

2) 조건 설정

3) 그리퍼 용수철 상수 조건

나. 하우징 구조 해석

상세설계에 앞서 개념설계에서 제시한 모듈 하우징 구조에 대해 CATIA v5에서 제공하는 GSA(Generative Structural Analysis)를 사용하여 구조해석을 진행하였다.
해석은 각각 모듈로 측정 가능한 권장 한계치인 1kg을 기준으로 내부의 무게 측정장치인 로드셀 구조물의 안정성과 외부 하우징의 안정성 두가지 측면에서 Von-mises stress 계산을 통해 구조해석을 진행하였다.

Table 11 하우징 구조 해석 비교표

Figure 20 내부 구조 해석 (좌), 외부 하우징 구조 해석 (우)

구조 해석 결과 비교 대상 간의 안전 계수에서 유의미한 차이가 나지 않기 때문에 새롭게 고려되었던 6mm 지름의 나사와 10mm 지름의 벽 두께 대신 기존의 4mm 지름의 볼트와 5mm 지름의 외벽을 사용하여 경량성을 지향하는 설계를 진행하는 것으로 결정되었다.

상세설계안

조립도

가. 조립도 본 프로젝트의 최종 제품 모델링은 아래 좌측 사진과 같다. 우측 사진은 텀블러에 최종 제품을 부착한 경우의 모습을 나타낸 것이다.

Figure 21 제품 최종 모델링 (좌), 텀블러에 부착 시 모습 (우)

나. 조립순서

■ 그리퍼

■ 하우징 및 회로부

■ 하우징 상단부 결합

■ 그리퍼, 하우징 조립

■ 배터리 밒 배터리 덮개

부품도

■ 그리퍼

1) 좌측 집게

Figure 27 그리퍼 좌측 집게 3D 모델링 및 도면

2) 우측 집게

Figure 28 그리퍼 우측 집게 3D 모델링 및 도면

3) 용수철 덮개 상단부

Figure 29 용수철 덮개 상단부 3D 모델링 및 도면

4) 용수철 덮개 하단부

Figure 30 용수철 덮개 하단부 3D 모델링 및 도면

■ 하우징

5) 회로부 모듈 하단부

Figure 31 회로부 모듈 하단부 3D 모델링 및 도면

6) 회로부 모듈 상단부

Figure 31 회로부 모듈 상단부 3D 모델링 및 도면

7) 로드셀 앰프 보드

Figure 31 로드셀 앰프 보드 3D 모델링 및 도면

8) 배터리 덮개

Figure 31 배터리 덮개 3D 모델링 및 도면

제어부 및 회로설계

■ 텀블러 모듈 회로도

Figure 35 아두이노 회로도

아두이노는 로드셀 센서에서 측정한 무게 값을 GPIO 입력으로 전달받아 수분 섭취량을 계산한다. 아두이노 내부에는 IMU 센서가 내장되어 있고 IMU센서의 가속도계와 자이로계를 이용하여 아두이노 보드의 움직임과 자세를 파악할 수 있다. 아두이노의 움직임 여부와 자세를 바탕으로 로드셀 센서의 측정값을 읽을 것인지를 결정한다. USB 포트를 이용해 아두이노 보드에 전원을 공급할 수 있지만 차지하는 공간이 많으므로 Vin 핀과 GND 핀을 사용하여 건전지로 전원을 공급한다. 또한, 배터리 지속시간을 최대화하기 위해서는 텀블러 부착 모듈을 사용하지 않을 경우 전원을 차단할 수 있어야 하므로 슬라이드 스위치를 전원 공급부에 연결한다.

소프트웨어 설계

가. 사용 시나리오

■ 최초 실행

Bluetooth Low Energy는 일회성 연결만을 지원하기 때문에 매번 연결할 디바이스를 선택해야 한다. 따라서 최초 어플리케이션을 실행할 때 사용자가 자신의 모듈을 1회 선택함으로써, 해당 모듈 정보를 어플리케이션이 저장하도록 하여 수분 섭취량 추적을 위한 추가적인 상호작용을 제거하도록 한다.

■ 음수 데이터 생성

사용자가 모듈이 부착된 텀블러로 음수를 하고 나면, 아두이노에 내장된 자이로 센서 및 가속도 센서의 값과 외부 로드셀 센서로부터 읽은 값을 통해 음수 여부가 판단된다. 음수로 판단이 되면 해당 음수에 대한 데이터를 생성하고 저장한다.

■ 음수 데이터 동기화

사용자가 어플리케이션을 통해 데이터 동기화를 유발하게 되면, 어플리케이션은 모듈에 음수 데이터를 요청한다. 모듈은 저장되어 있던 모든 음수 데이터를 어플리케이션으로 전송하고 어플리케이션은 해당 데이터를 받아 처리한 후 UI를 업데이트하여 사용자가 확인할 수 있도록 한다. 만약 모듈에 아무 데이터도 없다면 아무 일도 일어나지 않는다.

■ 사용자 수분 섭취 알림

사용자는 원하는 시간과 요일에 수분 섭취 알림을 설정할 수 있다. 원하는 조건으로 수분 섭취 알림을 설정한 후, 해당 조건이 만족되면 알림이 사용자에게 전달된다.

나. 아두이노 음수 데이터 생성 플로우차트

Figure 36 아두이노 플로우차트

Figure 36는 아두이노의 음수 데이터 생성 과정에 대한 플로우차트이다. 아두이노는 텀블러가 정상적으로 놓여있고 움직이지 않을 때 로드셀을 통해 텀블러의 무게 값을 읽어온다. 이후, 저장된 수분 섭취량 정보를 BLE 연결을 통해 어플리케이션에 전달한다.
최초 아두이노에서 BLE 모듈과 IMU센서, 로드셀 센서가 정상 동작하는지 확인한다. 자이로 센서 값으로 텀블러가 움직이고 있는지 판단하며 움직이지 않을 때 가속도 센서 값을 읽는다. 가속도 센서 값으로 텀블러가 기울어져 있는 지, 정상적으로 놓여있는 지 확인할 수 있고 정상적으로 놓여있을 때 로드셀 센서 값을 읽어야 신뢰도 있는 값을 측정할 수 있다. 로드셀 센서로부터 읽은 값과 기존에 저장된 무게 값을 비교하고 차이가 10g 이상일 경우 현재 시간과 무게 값을 각각 배열에 저장한다. 이후 어플리케이션과 BLE 연결을 시도하여 연결된 이후 수분 섭취량과 시간 간격 데이터를 계산하여 전송하고 BLE 연결을 해제한다.

다. BLE를 통한 데이터 전송

■ 데이터 구조 및 형식

Table 12 BLE Generic Attribute Profile(GATT)

■ 데이터 교환 시퀀스

Figure 37 어플리케이션과 모듈 간 BLE 데이터 전송 다이어그램

사용자가 데이터 동기화를 요청하면 어플리케이션은 모듈과 BLE 연결을 시도한다. 성공적으로 연결이 되면 다음과 같은 데이터 교환 시퀀스가 실행된다. 모듈은 연결 직후에 DataLength 특성에 데이터 엔트리의 개수에 해당하는 값을 쓴 후 NotifyReady 특성에 0이 아닌 값을 기다린다. 어플리케이션은 WaterIntake 특성과 MinuteInterval 특성의 Notify 옵션을 켠 후 DataLength 특성을 읽고 NotifyReady 특성에 0이 아닌 값을 쓴다. 모듈이 NotifyReady 특성의 값을 확인하면 저장되어 있던 데이터 엔트리의 값을 각각 WaterIntake 특성과 MinuteInterval 특성에 순차적으로 쓰며 값을 전달한다.

라. 텀블러 부착 모듈 연동 어플리케이션

■ 어플리케이션 데이터 모델링

Figure 38 어플리케이션 데이터 모델 클래스 다이어그램

1) DataManager

▷ 사용자 정보, 수분 섭취 기록, 사용자 알림 등 어플리케이션에서 사용되는 모든 데이터들을 관리하는 클래스
▷ Core Bluetooth  패키지의 CBCentralManagerDelegate 프로토콜을 상속받아 BLE central 장치로서의 기능을 수행한다.
▷ Core Bluetooth 패키지의 CBPeripheralDelegate 프로토콜을 상속받아 BLE를 통해 연결된 peripheral 장치와 관련한 기능을 수행한다.
▷ User Notifications  패키지의 UNUserNotificationCenterDelegate 프로토콜을 상속받아 사용자 알림과 관련한 기능을 수행한다.

2) UserData

▷ 사용자의 이름, 일일 수분 섭취 목표 등 사용자와 관련한 정보들을 저장하는 구조체
▷ UserData 내부 타입으로 Activity 구조체 정의하여 연속 목표 달성 일수, 달성 기록 등을 관리한다.

3) Hydration

▷ 음수의 양과 발생 시각을 저장하는 구조체
▷ 각 인스턴스는 하나의 음수에 대응되며, 각 인스턴스는 UUID 타입의 id 프로퍼티로 구별된다.

4) Alarm

▷ 사용자 알림 정보를 저장하는 구조체
▷ 각 인스턴스는 하나의 알림에 대응되며, 각 인스턴스는 UUID 타입의 id 프로퍼티로 구별된다.
▷ 각 알림은 여러 개의 User Notifications 패키지의 UNNotificationRequest 객체와 대응될 수 있고, 대응되는 UNNotificationRequest 객체들은 객체 자체가 아닌 각 객체의 identifier가 Alarm 객체의 requestedIdentifier 리스트에 저장되어 관리된다

■ 어플리케이션 뷰 계층 구조

Figure 39 텀블러 부착 모듈 연동 어플리케이션 뷰 계층 구조

■ 사용 예에 따른 시퀀스 다이어그램

1) 최초 실행

Figure 40 최초 실행 사용 예 시퀀스 다이어그램

사용자가 최초로 어플리케이션을 실행하면 어플리케이션은 TumblerModule 서비스를 가진 주변 BLE 장치를 스캔한다. 사용자가 모듈을 선택하면 어플리케이션은 선택된 모듈의 식별자를 저장한 후 스캔을 중지한다.

2) 수분 섭취 데이터 동기화

Figure 41 수분 섭취 데이터 동기화 시퀀스 다이어그램

사용자의 음수가 발생할 때마다 모듈은 해당 음수에 대한 데이터를 저장한다. 이후 사용자가 어플리케이션의 수분 섭취량의 동기화를 유발하면 Figure 37과 같이 데이터 교환 시퀀스가 수행된다. 데이터 교환을 마친 후 모듈은 데이터 엔트리를 모두 삭제하여 대기하고 어플리케이션은 받은 데이터를 처리한 후 UI를 업데이트한다.

3) 수분 섭취 알림

Figure 42 사용자 알림 시퀀스 다이어그램

사용자가 지정된 조건으로 알람을 설정하면 어플리케이션은 해당 알람과 관련한 알림을 시스템에 요청한다. 앱이 백그라운드 실행으로 전환된 이후 사용자가 지정한 조건이 만족되면 시스템은 알림을 사용자에게 전달한다. 사용자가 어플리케이션을 다시 포그라운드 실행으로 전환시키면 해당 알람의 활성화 여부를 판단하여 UI를 업데이트한다.

자재소요서

Table 13 자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입

■ 사진

Figure 43 최종 프로토타입 사진

■ 단면도

Figure 44 텀블러 부착 모듈 단면도 및 방수 설계

어플리케이션 사진

Figure 45 IOS 어플리케이션 사진

포스터

완료작품의 평가

Table 15 프로토타입의 평가 결과

■ 섭취량 정확도 측정 결과

Table 16 수분 섭취량 특정 정확도 테스트

사용자가 실제로 섭취한 수분량과 텀블러 부착 모듈에서 측정한 수분량을 측정하여 오차를 계산하였다. 20회 반복실험을 진행하여 오차 평균 5.22%를 얻었으므로 목표한 10%이내에 들어왔음을 확인할 수 있었다.

■ 어플리케이션 편의성 설문조사 결과(24명 응답)

1) 텀블러 부착 모듈은 사용자가 원하는 컵이나 텀블러에 탈부착이 가능합니다. 이러한 탈부착 기능이 사용자의 수분 섭취량 추적에 있어 편의성을 제공한다고 생각하십니까?

2) 사용자가 모듈이 부착된 텀블러로 음수를 하면, 모듈은 해당 사용자의 음수를 감지하여 해당 음수에 대한 정보를 생성하고, 어플리케이션은 모듈과의 동기화를 통해 사용자의 일일 수분 섭취량 정보를 업데이트합니다. 이러한 기능이 사용자의 수분 섭취량 추적에 있어 편의성을 제공한다고 생각하십니까?

3) 어플리케이션은 사용자의 수분 섭취 기록을 아래와 같이 그래프를 통해 나타냅니다. 이러한 기능이 사용자의 수분 섭취 경향을 확인하는 데에 편의성을 제공한다고 생각하십니까?

4) 사용자는 어플리케이션을 통해 원하는 시간과 반복 조건으로 수분 섭취 알림을 설정할 수 있습니다. 이러한 기능이 사용자가 일일 목표치만큼 수분을 섭취하는 데에 편의성을 제공한다고 생각하십니까?

5) 이외에 어플리케이션을 통해 제공이 되었으면 하는 기능이 있거나 개선해야 할 사항이 있다면 적어주시기 바랍니다.

- 모듈이 가벼우면 좋을 것 같습니다.
- 휴대성이 높았으면 합니다.
- 물 외에 다른 음료도 기록할 수 있으면 좋겠다.
- 일일 권장 수분 섭취량을 활동 내역이나 몸 상태에 따라 적절하게 설정하는 기능이 있으면 좋겠습니다.
- 수분섭취의 필요성이 남들보다 급한 사람을 위한 기능도 있으면 좋겠습니다

■ 경제성 평가 결과

Table 17 프로토타입 제작 비용 계산

목표했던 프로토타입의 가격은 45,000원 미만이었으나 제약사양으로 인해 실제 프로토타입 제작에 약 63,000원이 소요되었다. 프로토타입 가격에서 높은 비중을 차지하는 부품은 아두이노와 로드셀이다. 두 제품 모두 실제로 구매한 단가보다 가격이 낮은 제품이 있다. 가격이 낮은 부품을 사용하여 텀블러 부착 모듈을 제작할 수 있으므로 프로토타입 가격을 낮출 수 있을 것이다. 압축 스프링 또한 대량으로 구매한다면 더 낮은 가격으로 구매할 수 있으므로 최저가로 모듈을 제작한다면 40,000 ~ 50,000원으로 프로토타입을 제작할 수 있을 것이다.

■ 부착 모듈의 경량성

Figure 47 텀블러 부착 모듈 프로토타입 무게 측정 결과

텀블러 부착 모듈 프로토타입의 무게는 205g이다. 초기 제안 단계에서 로드셀 센서 대신 압력센서를 이용하여 구현하고자 했기 때문에 목표치를 200g 미만으로 설정하였다. 하지만, 압력센서의 정확도 문제로 로드셀을 사용하기로 결정했기 때문에 목표치보다 높은 결과를 얻었다. 또한, 3d 프린트 재료인 pla의 특성상 볼트를 직접 결합할 수 없기 때문에 예상보다 많은 너트가 사용되어 무게가 초과한 것으로 확인했다. 따라서, 모듈 기구부 자체에 나사선을 만들 수 있는 재질로 제작한다면 무게를 더욱 줄일 수 있을 것이다.

향후계획

텀블러 부착 모듈 기구부

모듈이 최대한 밀집되게 들어가고 그리퍼로 텀블러를 잡을 수 있도록 설계하였다. 구현하고자하는 대략적인 기능은 모두 구현했으나 조립성과 미세한 비틀림 등 세부적인 설계요소를 충분히 고려하고 수정하지 못했다.
아쉬운 점은 기구 자체적으로 홈을 파서 나사를 조였으면 가볍고 좋았을 것이다. 하지만 3D 프린팅 PLA의 특성 상 일정 두께 이하로 제작이 불가능하고, 가능한 가장 얇은 두께를 제작하였을 때 강도가 약해서 홈을 팔 수 없었다. 다른 재질을 고려한다면 자체적으로 홈을 만들어 조립에 있어서 더 작은 나사를 사용하여 경량성과 방수성, 조립성을 개선할 수 있다.

아두이노

메인보드로 아두이노 나노 33 BLE를 사용하여 구현하여 배터리 사용량이 비교적 높고 가격도 높은 단점이 있었다. 아두이노 나노 33 IoT에도 BLE와 IMU 센서가 내장되어 있고 전력 소모량도 낮기 때문에 아두이노 나노 33 IoT를 메인보드로 사용한다면 현재 프로토타입보다 더 좋은 성능을 보일 것이다.
충전이 가능한 배터리는 무게가 무겁고 공간을 많이 차지하여 프로토타입 제작에 사용하진 않았지만 일회용 건전지보다 경제성이 좋기 때문에 충전 배터리를 사용하는 새로운 프로토 타입을 개발할 수도 있을 것이다.
스위치를 켰을 때 정상적으로 동작하는 지 확인이 어려운 문제가 있어서 사용자 인터페이스를 추가하고자 한다.

어플리케이션

사용자가 하루 권장 수분 섭취량에 도달하거나 연속으로 목표를 달성했을 때, 배지 등을 얻을 수 있게 하여 사용자 스스로 성취감을 느끼게 하고 수분 섭취의 동기를 부여할 수 있다. 또한, 현재 어플리케이션 버전은 비교적 간단한 GUI로 구성되어 있는데, 화면 전환이나 여러 UI 업데이트에 애니메이션 등의 시각적 효과를 추가하여 어플리케이션의 전체적인 완성도를 개선할 수 있다.
현재 프로토타입 버전은 모듈 선택 시 사용자 인증 및 보안과 관련한 어떠한 기능도 수행하지 않는다. 일 예로, 서로 다른 두 사용자가 각각 다른 사람의 모듈에 어플리케이션을 연동시킬 수 있다. 이러한 상황을 방지하기 위해 어플리케이션과 텀블러 부착 모듈 사이에 특정한 사용자 인증 방식을 추가해야 할 것이다.