5조-상자가배
MIE capstone
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 스마트 캡슐 커피 디스펜서
영문 : Smart Capsule-Coffee Dispenser
과제 팀명
상자가베
지도교수
황면중
개발기간
2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 기계정보공학과 2017430036 정*(팀장)
서울시립대학교 기계정보공학과 2018430010 김**
서울시립대학교 기계정보공학과 2018430020 김**
서울시립대학교 기계정보공학과 2018430026 박**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
본 과제를 통해 시중의 여러 커피 캡슐을 동시에 보관 가능하고, 커피 사용량을 확인할 수 있는 스마트 캡슐 커피 디스펜서(이하 디스펜서)를 제작한다. NFC기술을 이용하여, 사용자는 추가적인 조작 없이 쉽게 사용 가능하며, 디스펜서는 사용자를 인식하고 그에 따른 개인 통계를 제공한다. 개인 통계는 캡슐 커피를 통해 알 수 있는, 섭취량, 칼로리, 카페인 등을 이용한다. 클라우드 데이터 베이스를 사용하여 여러 기기의 데이터를 동시에 확인할 수 있으며, 사용자의 개인 통계는 기기, 장소에 관계없이 같은 디스펜서 제품이라면 자신의 커피 이용 통계를 기록 및 이용할 수 있다. 이는 기존의 캡슐 커피 시장에서 새로운 형태의 서드-파티 디바이스를 제시함과 동시에 쉬운 사용성, 넓은 범용성 등을 장점으로 개인 소비자만이 아닌 커피 머신을 동시에 여러 개 관리하는 기업 등의 고객을 상대로도 상품성을 갖출 수 있을 것이다. 또한 수집되는 다양한 브랜드에 대한 캡슐 커피 소비에 대한 데이터는 커피 시장의 빅데이터 산업에서 중요한 자원이 될 것이다.
개발 과제의 배경
- 배경
캡슐 커피는 일정한 분량의 원두를 캡슐에 담아 호환되는 기기에 집어넣어 커피를 추출할 수 있는 제품으로, 누구나 간편하게 원두커피를 즐길 수 있다는 장점이 있다. 커피 캡슐 시장은 코로나 이후로 홈카페와 오피스카페의 인기가 커지면서 그 규모가 급격하게 증가해 왔다. 2018년 이후 4년 만에 4배의 성장을 이루었다. 현재 캡슐 커피 시장의 상품은 23년 기준 4000억 원 규모의 시장에 비해 크게 두 가지뿐이다. 회사마다 고유한 커피 캡슐과, 그것을 이용할 수 있는 커피 머신이다. 현재 시장에서는 주도적인 파생 상품이 존재하지 않는다. 따라서 기존의 단일 브랜드 커피 캡슐을 단순 보관 및 분리 기능을 했던 기존의 캡슐 커피 디스펜서(그림 1)를 발전시켜 보다 범용적으로 만들고, 사용자 및 관리자 모두에게 유용한 편의 기능을 추가하여 경쟁력을 갖출 것이다.
- 기대효과
본 팀은 커피 캡슐이 규격화가 되어있다는 것을 이용하여 사용자가 소비하는 캡슐 커피의 개수를 이용하여 다양한 통계 및 편의 기능을 제공할 것이다. 또한 클라우드 데이터 베이스를 사용하여 장소, 기기의 제한 없는 서비스를 제공할 것이다. 이용자는 한 명의 회원이 되어 커피 머신, 사용 캡슐, 소비 장소에 제한 없이 본 팀의 디스펜서를 이용한다면 모든 서비스를 이용할 수 있을 것이다. 이용자가 아닌 관리자 또한 데이터 베이스를 통해 여러 기기를 동시에 편하게 관리할 수 있을 것이다.
개발 과제의 목표 및 내용
- 목표
NFC를 이용해 이용자를 구분하고, 무게 센서를 이용해 이용자가 사용하는 커피 캡슐의 종류와 양을 파악하고, 이를 이용해 이용자 개인의 캡슐 커피 통계를 작성하는 디스펜서와 이를 확인할 수 있는 앱, 중앙에서 모든 데이터를 관리 및 저장할 클라우드 데이터 베이스를 제작한다.
- 내용
1) 데이터베이스
- 데이터베이스는 그림2와 같은 구조로 구성되어 있다.
- 기기 데이터
- 기기 데이터는 데이터 베이스에 존재하는 디스펜서 기기에 대한 정보를 담고 있다. 서버 상 여러 개 존재할 수 있다.
- 중앙 관리 데이터
- 기기의 시리얼 넘버와 기기를 사용 중인 개인 ID, 기기가 보관 중인 캡슐 종류와 개수 등을 알 수 있다. 중앙 관리 데이터는 모든 데이터 베이스를 통틀어 단 하나만 존재한다. 모든 개인 ID와 그에 맞는 통계 데이터 그리고 시중의 캡슐 커피에 대한 정보를 저장한다. 시중의 캡슐 커피에 대한 정보란 이름, 개별 무게, 칼로리, 카페인 등 개인 ID 통계에 필요한 캡슐 커피의 정보를 의미한다.
2) 모듈형 커피 디스펜서
- 커피 디스펜서는 ‘메인 바디’, ‘종류별 캡슐 디스펜서' 두 가지 모듈로 구성되어 있다
- 메인 바디
- NFC 키, 무게 감지 센서, MCU(Micro Controller Unit), LED로 이루어져 있다. MCU를 통해 NFC, 무게감지 센서 등을 제어한다.
- 종류별 캡슈 디스펜서
- 캡슐 종류별 규격에 맞춰 커피 캡슐을 보관할 수 있는 디스펜서 파츠이다. 기계적 구조물이다.
- 메인 바디는 그림 3과 같이 여러 라인을 가진 커피 디스펜서 정면에 NFC 스티커와 LED 모듈을 부착하고, 내부에 MCU와 압력 센서를 넣어 제작할 예정이다. NFC 스티커는 사전 설정을 통해 핸드폰과 접촉할 시 기기의 시리얼 넘버 정보와 전용 App의 특정 동작을 유도한다. LED 모듈은 NFC인식이 정상적으로 이루어졌는지에 대한 여부를 사용자에게 시각적 정보로 전달한다. 디스펜서 내부의 MCU는 유도한 App의 동작으로부터 얻은 사용자 ID와 기기의 시리얼 넘버를 바탕으로 필요한 데이터를 데이터베이스로부터 받아온다. 라인 별 무게센서와 데이터 베이스에서 받아온 자신이 보관 중인 캡슐의 정보를 통해 현재 저장 중인 커피의 개수를 파악할 수 있다. 추가로 해당 값과 기존 데이터베이스에 저장된 커피 캡슐 성분 데이터를 이용하여 ID별 섭취 통계를 데이터베이스에 기록하는 역할을 한다. 이후 일정시간 동안 압력 센서에 입력되는 값 변화가 없는 경우 데이터베이스에 현재 기기를 사용 중인 ID값을 초기값으로 갱신하게 된다.
3) 앱
- 앱은 크게 3가지의 동작 모드가 존재한다.
- 자동 앱 실행 - NFC 태그
- 핸드폰과 디스펜서 정면의 NFC 스티커가 접촉할 때 백그라운드로 실행되어 데이터베이스에 현재 사용 중인 ID와 현재 디스펜서의 시리얼 넘버를 갱신한다. 디스펜서는 해당 정보를 이용하여 데이터베이스에 커피 캡슐 사용량과 ID별 섭취 통계에 대한 값을 업데이트하게 된다.
- 수동 앱 실행 - 기본 모드
- 앱을 실행하고 새로 고침 버튼을 누르면 데이터베이스의 값을 앱으로 받아와 통계 데이터를 시각화 하여 보여준다.
- 수동 앱 실행 - 재고 관리 모드
- 해당 모드를 실행하게 되면 먼저 기기의 NFC 태그를 요구한다. 성공적인 NFC 인식 후, 데이터 베이스에 존재하는 기기의 시리얼 넘버에 해당하는 커피정보 및 재고량을 업데이트할 수 있게 된다. 이 때 데이터 베이스에 존재하는 캡슐 커피의 정보를 이용할 수 있고, 없다면 새로운 캡슐 커피에 대한 정보를 데이터 베이스에 업데이트 할 수 있다.
관련 기술의 현황
산업 현황
- 가. 사회 동향
- 1) 커피 원두 소비량 증가
- 코로나 이전, 국내 커피 소비가 개인의 기호에서 머무르지 않고, 사회 문화의 현상으로 자리 잡으면서 습관적으로 커피를 소비하는 인구가 증가했다. 또한 커피가 다른 음료에 비해 독보적 위치를 차지했다.
- 2) 고급 커피에 대한 요구 수준 상승
- 그러나, 국내 가정 내 커피 소비방식에 의한 조사에 의하면 코로나 이후 홈카페에 대한 수요와 함께 소비자의 고급 커피에 대한 수요가 증가한 것을 확인할 수 있다. 코로나 이전 사회의 문화처럼 자리잡은 소비 문화에서, 코로나 이후 개인의 시간이 증가함에 따라 발생한 변화이다.
- 이에 따라, 기존의 믹스 커피 시장이 축소되고, 커피 머신을 이용한 커피 시장이 성장하고 있다.
- 3) 스마트 홈 서비스 요구 수준 증가
- 국내 스마트 홈서비스에 대한 소비자의 요구 수준과 수요가 증가하고 있다. 2017년부터 연평균 9.5% 성장률이 기대되는 산업이다.
- 4) 개인 건강 관리에 대한 관심 상승
- 아시아 국가 개인건강관리 실태 및 인식 조사 결과에 따르면, 한국인은 건강관리, 그 중에도 예방적 접근에 대한 관심이 높다. 정확한 개인 데이터를 기반으로 기술에 기반한 건강관리를 원하는 것으로 드러나고 있다.
- 나. 경제 동향
- 1) 커피 머신 시장에서의 캡슐 커피의 독보적 위치
- 커피 메이커는 분쇄된 원두에 가열한 물을 부어 커피를 추출하는 드립 방식 커피 머신을 의미한다. 반-전자동 커피머신은 원두를 분쇄 후 고압증기로 에스프레소를 추출하는 기구이며, 캡슐 커피 머신은 캡슐커피를 이용해 자동으로 커피를 추출하는 커피 머신이다. 세 가지 가운데 59.41%를 캡슐 커피 머신이 차지했다.
- 2) 빅데이터에 대한 기업 수요 증가
- 한국IDC가 최근 ‘국내 빅데이터 및 분석 시장 전망, 2021-2025’ 연구 보고서를 공개했다. 보고서에 따르면 국내 빅데이터 관련 산업은 꾸준한 성장세를 보일 예정이다. 이는 다양한 산업군에서 이전보다 더 많은 데이터를 확보하고 이를 활용하기 위한 수요가 높아지며 자체 데이터 플랫폼 구축 및 관련 시스템 도입이 적극 이뤄지는 추세이기 때문이다.
- 다. 기술 동향
- 1) 개인의 전자화-정보화 증대
- 2022년 산업 통상 자원부에서 발표한 IoT(Internet of Things) 가전부분의 핵심 두 가지 기술은 ‘스마트홈 빅데이터 플랫폼 서비스 기술’과 ‘엣지 컴퓨팅기반 지능형 유무선 인프라 통합 제어 기술’이다. 이 둘의 공통 기반 기술은 클라우드 컴퓨팅이다.
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 가. State of art
- 1) 사물 인터넷(IOT)
- 19년도에는 저장된 데이터를 기반으로 단순 통계 제시 등의 한정적인 기능만을 제공했으나 최근에는 사용자의 생활 패턴 및 에너지 소비 패턴 등을 AI를 기반으로 학습하여 사용자에게 추가적으로 유용한 정보를 제공하는 방향으로 개발이 진행되고 있다.
- 나. 기술 로드맵
- 이후, 향상된 빅데이터 수집 및 분석 기술과 이를 이용한 인공지능과 기계 학습기술이 더욱 발달할 전망이다. 이를 통해 IoT가전 제품은 더욱 정확하고 만족도가 높은, 사용자에게 최적화된 서비스를 제공하게 될 것이다. 이를 위해서 다양한 분야의 데이터 수집이 더욱 중요하게 될 것이다.
- 다. 특허조사
- 라. 특허전략
- 무게 센서를 이용한 재고 파악 관련 특허가 존재하나 자판기, 배지 무게 탐지 등 본 프로젝트와 거리가 멀며 무게 센서의 탐지는 각 특허의 기능 수행을 위한 보조적인 역할만을 수행한다. 커피 캡슐과 관련된 디스펜서 기능을 가진 디바이스에 대한 특허는 존재하지 않는다. 본 프로젝트에서는 무게 센서를 사용한 재고 파악 기능과 이를 이용한 재고 소비량을 통한 통계 자료를 모바일 애플리케이션에 제공하는 기능을 가진 커피 디스펜서를 개발함으로써 기존에 없던 기능을 가진 디스펜서를 구현할 수 있으므로 충분한 신규성과 유용성을 얻을 것으로 판단된다.
관련 시장에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
- 마케팅 전략 제시
- 시장에 첫 등장하는 제품이고, 명확한 대체제가 아직 존재하지 않는다는 점을 이용해 OS전략을 이용할 것이다. 제품 특성 상 안정적인 시장 경쟁력을 위해서는 일정 이상의 시장 점유율이 필요하다. 많은 장소에서 사용할 수 있을수록 제품의 장점이 극대화되기 때문이다. 따라서 초기에는 개인 가정에 집중하여 공격적인 광고와 마케팅을 하여 제품의 존재를 알리고 관련 시장을 선점할 것이다. 안정적인 점유율과 이를 바탕으로 개인 외 기업, 공공기관 등으로 소비자를 확대해 나간다. 이후에는 넓어진 소비층과 그로 인해 풍부한 데이터를 이용해, 추가적인 커피 산업에 진출하여, 커피 산업에서 소비자 플랫폼 기업으로서 성장할 수 있을 것이다.
개발과제의 기대효과
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
- 캡슐 커피 시장에서 파생상품이라는 새로운 분야에 대한 가능성을 제시할 수 있다. 캡슐 커피 시장의 더욱 더 가파른 시장 확대의 기회가 될 수 있을 것이다. 캡슐 브랜드에 제한받지 않는 소비자 통계 수집이 가능하기 때문에, 커피 산업 소비자에 대한 데이터를 폭 넓게 수집이 가능하다. 이를 빅데이터 관련 기술을 이용하면 다양한 서비스를 제공할 수 있다. 이를 바탕으로 커피 산업에 있어서 소비자들에게 폭 넓은 서비스를 제공하는 플랫폼 기업으로서 성장할 수 있을 것이다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
설계
설계사양
제품의 요구사항
설계 사양
- 1) 캡슐의 커피 캡슐 무게 측정 오차 5% 이내
- 본 프로젝트에서 제작하고자 하는 스마트 커피 디스펜서의 주요한 기능 중 하나는 사용자가 섭취한 캡슐 커피에 대한 통계량을 제공하는 것이다. 이를 위해서는 디스펜서에서 출입하는 캡슐 커피들의 무게를 1개 단위로 정확하게 측정할 수 있어야 한다. 그러므로 센서 측정값의 상대오차가 5% 이내가 나오는 센서를 선정하고 캘리브레이션을 진행할 것이다.
- 2) 3사 브랜드의 커피 10종류에 대한 통계 정확도 95% 이상
- 제품은 여러 종류의 캡슐을 보관할 수 있어야 하며 캡슐 종류에 따라 다른 값이 섭취 통계에 반영되어야 한다. 이를 위해 제품에 적재 가능한 3사 브랜드 커피 10종류의 데이터를 기반으로 제공하는 통계 정확도가 95% 이상이 나오도록 센서 캘리브레이션과 소프트웨어 설계를 진행할 것이다.
- 3) 사용자의 섭취 통계 기록에 필요한 요구 동작이 2가지 이내
- 사용자별 섭취 통계를 제공하기 위해 필요한 과정은 개별 사용자를 구분하는 것이다. 해당 과정에서 사용자에게 요구되는 동작이 많아질 경우 제품을 사용하는 것이 번거로워지고 구매 및 사용률이 저하될 가능성이 높다. 사용자에게 요구되는 동작의 개수를 최소화하여 제품을 설계할 것이다.
- 4) 보관되는 캡슐의 파손율이 5% 이내
- 캡슐 커피가 찌그러져 커피 머신과 정확하게 밀착되지 않을 경우 적정 압력이 생성되지 않아 제대로 커피가 추출되지 않을 수 있고 물이나 캡슐 커피 내부의 원두가 커피 머신 내부로 역류하여 고장을 일으키는 경우가 생길 수 있다. 따라서 이를 고려하여 단순히 관에 커피를 일렬로 보관하지 않고 캡슐 커피를 보관하는 방법을 따로 고안하여 캡슐 커피 파손율을 최대한 줄이려고 한다.
- 5) 캡슐을 1개 단위로 출납 가능해야 함
- 캡슐 출입구가 존재하고 캡슐 커피가 불규칙적으로 쌓여 있다고 했을 때, 캡슐을 꺼낸 이후에 내려오는 캡슐이 바닥에 부딪히면서 해당 공간으로 튀어나갈 가능성이 있다. 이러한 경우 사용자가 원하는 개수보다 캡슐 커피가 많이 나올 수 있기 때문에 커피를 꺼냈을 때 추가적인 캡슐이 나오지 않도록 제품의 출납부를 설계할 것이다.
- 6) 제품 제작 비용 20만원 미만
- 기존 디스펜서와는 다르게, 스마트 커피 캡슐 디스펜서는 재고 현황 및 사용자 섭취 통계를 제공하는 제품이다. 기존의 타워형 및 나선형 커피캡슐 보관함은 약 16000~30000원 선에서 가격이 형성되어 있다. 스마트 커피 캡슐 디스펜서는 사용자의 핸드폰을 인식해야 하므로 NFC 태그가 필요하고, 사용자의 정보를 저장할 데이터베이스 및 앱이 추가된다. 또한 기기에서 커피 캡슐의 개수를 파악하기 위한 센서 역시 추가로 필요하다. 이를 고려한다면 제품의 총 제작 비용을 20만원 미만으로 한다면, 시장에서 충분히 경쟁력을 발휘할 수 있을 것이다.
- 7) 어플리케이션 최대 대기 시간 5초 이내
- 어플리케이션은 사용법과 정보 전달이 직관적이여야 한다. 우리가 제작할 어플리케이션의 경우 메인 화면에서 사용자 통계를 제공하고, 아래에 재고 확인과 재고 관리 메뉴가 존재한다. 앱 구조가 간단하기 때문에 설계를 견고하게 한다면, 사용자의 편의성은 자동으로 확보될 것이다. 견고한 설계를 위해 유지 보수가 쉽고, 확장성이 좋은 구조로 어플리케이션을 설계할 것이다. 구체적인 성능 측정은 사용자가 편리하게 어플리케이션을 이용할 수 있는 것을 최우선으로 하여, 어플리케이션에서 사용자의 조작에 대한 결과를 표시하는 최대 대기 시간을 5초 이내로 하는 것을 목표로 한다.
개념설계안
- 1) 하드웨어 설계 구성 비교, 재료 비교
- 본 기기의 의의는 다양한 규격의 커피 캡슐을 한 디스펜서 내에서 관리 및 보관이 가능하도록 하는 것이기 때문에, 모듈화된 보관통을 사용자가 교체하기 용이하게 설계하는 것을 기본적인 설계 목표로 설정하였다. 규격에 따라 원통을 교체하기만 하면 되는 동심원 홀더 방식을 채용하여 기초적인 설계를 진행하였다.
- 기구의 골격을 이루는 프레임과 캡슐을 보관하는 원통은 아크릴 재료를 사용할 예정이다. 인체와 직접 닿고, 식품을 보관하는 부분이기 때문에 인체에 무해한 재료를 사용하였고, 내부가 투명하게 보이기 때문에 아크릴을 선택하였다. 원통을 지지하는 무게 센서판은 동심원 형태의 홈이 깊게 파여 정밀한 가공을 통해 원통을 고정시켜야 하기 때문에 CAD 모델링과 3D 프린팅을 사용하여 제작할 것이다.
- 2) 캡슐 출입 인식 방법
- 캡슐 출입을 인식하는 방법으로는 캡슐 전체의 무게에서 변화되는 무게량을 감지하여 판단하는 방법과 물체의 유무를 감지하는 방법이 있다. 그 중 물체의 유무를 감지하는 정전식 근접 센서의 경우 물체와 어느 정도 거리가 떨어져 있어도 물체 인식이 가능하다는 장점이 있지만 무게량을 감지하는 방식에 비해 가격이 매우 높다는 문제점이 있으며 무게량을 감지하는 압력센서의 경우 가격이 낮고 가볍지만 무게 최소 측정 단위가 로드셀에 비해 크다. 무게 센서의 경우 정상적으로 사용하려면 특정 구조가 강제된다는 제한사항이 있다.캡슐 출입을 인식하는 방법으로는 캡슐 전체의 무게에서 변화되는 무게량을 감지하여 판단하는 방법과 물체의 유무를 감지하는 방법이 있다. 그 중 물체의 유무를 감지하는 정전식 근접 센서의 경우 물체와 어느 정도 거리가 떨어져 있어도 물체 인식이 가능하다는 장점이 있지만 무게량을 감지하는 방식에 비해 가격이 매우 높다는 문제점이 있으며 무게량을 감지하는 압력센서의 경우 가격이 낮고 가볍지만 무게 최소 측정 단위가 로드셀에 비해 크다. 무게 센서의 경우 정상적으로 사용하려면 특정 구조가 강제된다는 제한사항이 있다. 따라서 무게 최소 측정 단위가 중요한 캡슐 무게 인식에는 로드셀, 중요하지 않은 휴대폰 인식에는 압력센서를 사용하기로 하였다.
- 3) 메인 보드
- 사용 센서의 종류가 적고, 충분히 라즈베리파이를 통해 제어할 수 있는 개수가 사용될 것이 예상된다. 또한 클라우드 DB 서버와 통신을 해야하기 때문에 네트워크 연결이 가능해야 한다. 또한 빠른 동작이 요구되는 작업이 예상되기에 어느 정도 이상의 성능이 필요하다. 따라서 아두이노 대신 라즈베리 파이를 사용할 것이다.
- 4) 전원 공급 방식
- 제품 특성상 위치를 옮기는 일이 자주 발생하지 않으므로 사용 시간이 제한되며 일정 주기마다 배터리를 교체해야 하는 배터리 방식보다는 고정된 위치에서 연속적으로 동작이 가능하도록 하는 콘센트 방식을 이용하여 전원 공급을 할 예정이다.
- 5) 사용자 인식 방법
- 사용자를 근접 거리에서 인식하는 본 제품의 특성상 거리에 따라 통신 및 인식 유무를 조절할 수 있어야 하는데 블루투스 방식의 경우 이러한 점을 구현하는 것이 어렵고 사용하기 전 페어링이 필요하다는 단점이 있다. RFID 스티커를 사용하는 경우 거리에 따른 통신 유무를 조절할 수 있으나 인식에 성공했을 때 자동으로 앱을 실행하는 기능을 구현하는 것이 어렵다. 따라서 거리에 다라 통신 유무 조절이 가능하고, 통신 성공 이후 앱을 실행시킬 수 있는 NFC 스티커를 사용자 인식 방법으로 사용한다.
- 6) 데이터 저장 및 관리 방식
- 우선, 다양한 클라우드 DB서버 중, Android App과 연동이 쉽고, 관련 자료가 많은 FireBase사의 DB서비스를 이용하기로 하였다.
- 시스템 서비스에 필요한 데이터 형태가 자유롭기 때문에 하위 폴더가 많은 데이터와 같이 복잡한 데이터를 저장하기에 적합하고 실시간 업데이트가 가능한 Cloud FireStore를 사용할 것이다,
이론적 계산 및 시뮬레이션
- 1) 로드셀 센서 정확도 테스트
- 로드셀을 사용하여 커피캡슐의 개수를 구별하기 위해서는 커피 캡슐이 하나씩 추가될 때마다 변화하는 무게의 오차 범위가 커피캡슐 1개의 무게의 10% 이내여야 한다. 이를 검증하기 위해 3D 프린터로 위 사진과 같은 로드셀 측정 구조물 프로토타입을 제작하여 원통과 결합 후, 커피 캡슐을 하나씩 떨어뜨려가며 실험을 진행하였다. 실험 결과는 다음 그림과 같다.
- 실험 결과, 커피 캡슐을 여러 개 집어넣게 되면 캡슐이 원통 구조물에 기대게 되어 무게가 정확하게 측정되지 않는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 로드셀이 원통 구조물의 무게를 합쳐 측정하도록 구조를 변경하였고, 테스트 결과는 다음 그림과 같다.
- 실험 결과, 커피 캡슐이 하나씩 추가될 때마다 변화하는 무게 차이 값이 일정하여 무게 센서만으로 캡슐의 개수 변화를 판단할 수 있을 정도의 정확도가 나오는 것을 확인하였다.
- 2) 캡슐 출납 및 낙하 시 이탈 방지 실험
- 캡슐 출납 실험 결과 한 번에 추가적인 캡슐 출납 없이, 한 개의 캡슐만 나오는 것을 확인하였다. 또한 캡슐 낙하 시 이탈 실험 결과 캡슐을 낙하시켰을 때 이탈이 일어나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 커피 캡슐이 원통 구조물에 딱 맞게 들어갈 수 있도록 커피 캡슐의 직경을 고려하여 캡슐마다 알맞은 원통 아크릴을 사용하도록 하였다. 커피 캡슐의 직경은 다음 표와 같다.
- 표에서 일리와 네스프레소는 직경 차이가 원통 아크릴 주문 시 구분되는 규격(직경) 최소치인 5mm 이내이기 때문에, 둘 다 41mm 직경을 갖는 원통 아크릴을 사용한다. 돌체 구스토의 경우 직경이 54mm이기 때문에 이를 담을 수 있는 직경이 56mm인 원통 아크릴을 사용한다.
상세설계 내용
조립도 및 부품도
- 1) 로드셀 구조물
- 로드셀은 힘이 가해지면 탄성체에서 발생하는 strain의 변형량을 측정장치가 아날로그 형태로 측정 후, ADC가 디지털 전기 신호로 변환하여 가해진 힘을 숫자로 수치화할 수 있는 센서이다. 따라서 위와 같은 특수한 형태의 구조물이 필요하다. 로드셀에는 그림과 같이 4개의 나사선이 있다. 이것을 두 개의 3d 프린터 제작 구조물과 결합하면, 아래 사진과 같은 무게 측정 구조물이 완성된다.
- 2) 본체
- 본체에는 사용자 인식 및 무게 측정 등 주요 기능을 수행하는 제어부 및 회로가 들어가게 된다. 본체 왼쪽에는 라즈베리파이, 오른쪽에는 NFC 인식부가 들어간다. 사용자가 NFC 인식부에 휴대폰을 올려놓는 것을 휴대폰 및 디스펜서가 동시에 감지할 수 있어야 하는데, 휴대폰의 경우 NFC 인식을 통해, 디스펜서는 휴대폰의 무게를 압력 센서가 감지하여 동작한다. 이를 동시에 수행하기 위해 압력 센서를 바닥에 위치하고, 그 위에 NFC 스티커를 덧대어 해당 위치에 올려놓기만 하면 감지될 수 있도록 제작할 예정이다.
- 3) 커피 캡슐 수납 구조물
- 커피 캡슐 수납 구조물의 경우 위 그림과 같이 도면을 제작한 후, 판형 아크릴을 레이저 커팅기를 이용하여 가공하여 부품을 제작한다. 부품들은 록타이트 접착제를 사용하여 결합한다. 결합을 완료한 전체 조립 형태는 다음과 같다.
- 현재는 테스트용으로 제작한 것이기 때문에 원통과 로드셀 구조물이 결합되어 있지 않지만, 최종 작품에서는 모두 고정하여 보여줄 예정이다. 또한 유색 아크릴을 사용하여 더 깔끔해 보이는 제품을 제작하고 있다.
제어부 및 회로 설계
- 회로는 위 사진과 같이 연결한다. 유선 전원과, RPI, 아두이노, 로드셀 3개, 압력센서, LED 로 구성되어 있다.
- 전원은 특정 장소에 거치해 두고 사용할 것이 예상되는 가구형 제품이기에 유선 전원을 사용했다. 빠른 제작을 위해 SMPS 같은 파워 서플라이를 사용하지 않고 각 장치별로 전원을 공급하는 케이블을 사용하여 전원 장치를 간단하게 설계하고자 하였다.
- 압력센서는 아날로그 신호를 읽어야 한다. 빠른 구현을 위해서 본 프로젝트에서는 추가 구매가 필요하지 않은 아두이노를 사용했다. 아두이노의 신호값을 시리얼 통신으로 읽어와서 사용한다. 아두이노가 아닌 아날로그 신호를 읽기 위한 별도의 칩을 추가하면 더욱 저렴하게 구성 가능하다. 로드셀은 3개의 값을 각각 이용해야 하기 때문에 각자 나누어 연결했다. LED는 사용자가 기기를 사용 중임을 나타내기 위한 용도로 설치했다.
소프트웨어 설계
- 소프트웨어의 경우 라즈베리파이에 탑재되는 임베디드 파트와 사용자 애플리케이션 파트로 나누어진다. 먼저 임베디드 파트는 무한루프를 돌다가 사용자가 인식부에 휴대폰을 올려놓음을 감지하면 동작을 시작한다. 우선은 데이터베이스에서 해당 디스펜서의 usingID를 가져와 유저와 비유저를 판단한다. 비유저의 경우 데이터베이스에 유저 정보가 없기 때문에 변화하는 커피 캡슐 개수만 파악하여 데이터베이스에 라인 별 재고 정보를 업데이트한다. 유저의 경우 라인에 해당하는 커피 종류 및 데이터를 가져온 후, 사용자가 휴대폰을 빼면 사용이 끝났음을 판단하여 변화된 수량과 커피 데이터를 사용해 통계량을 계산하고, 디스펜서 재고 정보 뿐만 아니라 각 유저의 정보도 업데이트하게 된다. 코드 기능 구현 및 수정이 자유롭도록 클래스 다이어그램을 제작하여 사용할 메소드 및 변수의 흐름을 미리 파악한 후 개발을 진행했다.
- 다음은 사용자 애플리케이션에 대해 설명한다. 그림 15는 App 모듈의 구조도이다. App 모듈은 단일 Acitivity로 구성되고, 이 Activity의 하단에는 3개의 버튼이 있는 네비게이션 바가 존재한다. 네비게이션 바의 각 버튼은 하나의 Fragment와 연결되어, 버튼을 누를 때마다 Fragment가 전환되어 사용자에게 해당되는 화면을 보여주게 된다. Home fragment는 사용자 통계 정보를 시각화하여 보여주는 막대그래프와 텍스트로 이루어져 있고, 재고 확인 및 관리 fragment는 LinearLayout으로 여러 개의 RecyclerView를 스크롤바를 통해 확인할 수 있도록 구성하였다.
- 그림 32는 App 모듈의 3가지 Fragment를 보여주는 그림이다. ‘홈’ 버튼은 메인 Fragment에 해당하며, firebase 데이터베이스의 UserStatics 컬렉션에서 해당되는 user의 최근 일주일 동안의 커피 캡슐 소비 개수, 카페인 및 칼로리 소비량을 가져온다. 해당 통계량은 막대그래프로 시각화되어 사용자에게 보여지며, 막대그래프 하단에서는 TextView가 오늘의 통계량을 보여준다. ‘재고 확인’ Fragment는 데이터베이스에서 해당되는 user의 최근 사용한 디스펜서 목록을 가져온 후, 데이터베이스의 SerialNumber 컬렉션에서 해당되는 디스펜서의 재고 정보를 가져와 보여준다.
- 그림 30은 재고 관리 Fragment의 계층 구조를 나타낸 그림이다. 네비게이션 바에서 ‘재고 관리’ 버튼을 누르면 앱은 사용자에게 NFC 태그를 요청한다. 사용자가 디스펜서의 휴대폰 인식부에 휴대폰을 올려놓으면 인식부에 위치한 NFC 정보를 가져와 해당되는 디스펜서의 재고 정보를 데이터베이스에서 가져온다. 재고 관리 Fragment는 각 라인별 커피의 종류와 수량 정보를 표시한다. 사용자가 커피 종류 버튼을 누르면 데이터베이스의 CoffeeDB 컬렉션에 존재하는 커피 목록이 표시되고, 사용자가 그 중 하나를 선택하면 해당되는 커피로 재고 정보가 업데이트된다. 사용자가 커피 수량 버튼을 누르면 수량을 입력하는 입력 Dialog가 나타나고, 변경할 수량을 입력하면 재고 정보가 업데이트된다. 아래 그림은 위에서 설명한 App 모듈의 전체적인 흐름을 나타낸 그림이다.
자재소요서
결과 및 평가
완료 작품의 소개
- 이 프로젝트는 스마트 캡슐 커피 디스펜서를 개발하여 여러 커피 캡슐을 보관하고 사용량을 확인하는 기능을 제공한다. NFC 기술을 활용하여 사용자는 간편하게 조작할 수 있으며, 디스펜서는 사용자를 인식하고 개인 통계를 제공한다. 이를 통해 섭취량, 칼로리, 카페인과 같은 정보를 추적할 수 있으며, 클라우드 데이터 베이스를 활용하여 여러 기기의 데이터를 동시에 확인할 수 있다. 사용자의 개인 통계는 장소나 기기에 관계없이 동일한 제품을 사용하는 경우에도 기록되어 편리하게 이용할 수 있다. 이 프로젝트는 기존의 캡슐 커피 시장에 새로운 서드-파티 디바이스를 제공하면서 사용성과 범용성을 강조하며, 기업과 개인 소비자 모두에게 상품성을 제공할 것으로 기대된다. 또한, 수집되는 다양한 브랜드에 대한 캡슐 커피 소비 데이터는 커피 시장의 빅데이터 산업에서 중요한 자원이 될 것으로 기대된다. 프로젝트의 배경은 캡슐 커피의 편리성과 시장의 성장, 현재의 제품 다양성 부족에 기인한다. 현재의 캡슐 커피 시장은 크게 두 가지 제품으로 이루어져 있으며, 파생 상품이 부족하다. 이에 프로젝트는 기존의 디스펜서를 발전시켜 범용성을 높이고, 사용자 및 관리자에게 편의 기능을 추가하여 경쟁력을 확보하려 한다. 최종적으로 이 프로젝트는 규격화된 커피 캡슐을 활용하여 사용자에게 다양한 통계 및 편의 기능을 제공하고, 클라우드 데이터 베이스를 통해 장소와 기기에 제한 없는 서비스를 제공하는 것을 목표로 하고 있다.
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
향후계획
- 우리의 커피 캡슐 디스펜서의 현재 문제점을 개선하고, 향후 계획을 다음과 같이 수립했다. 먼저, 사용자의 편의성을 향상시키기 위해 NFC 태그를 한 번만 찍도록 개선할 것이다. 현재는 2번의 착지가 필요한데, 이를 1번으로 줄여 사용자 경험을 개선할 것이다. 또한, 하드웨어 측면에서는 로드셀의 내구성을 강화하여 예기치 않은 강한 충격에도 캡슐 인식 정확도가 유지될 수 있도록 개선할 것이다. 이로써 디스펜서의 신뢰성을 높이고 사용자가 불편함을 느끼지 않도록 할 것이다. 기능적인 측면에서는 건강 정보와의 연동을 통해 사용자에게 더 많은 편의성을 제공하는 서드파티 디바이스로 성장시킬 예정이다. 사용자의 커피 섭취량, 칼로리, 카페인 등의 정보를 건강 앱과 연동하여 제공함으로써 더 많은 정보를 손쉽게 확인할 수 있도록 할 것이다. 마지막으로, 다양한 종류의 캡슐을 보관할 수 있는 호환성이 높은 보관통을 제작할 것이다. 이를 통해 사용자는 다양한 브랜드의 캡슐을 보관하고 사용할 수 있으며, 시장에서의 경쟁력을 높일 것이다. 이러한 계획들을 통해 우리의 커피 캡슐 디스펜서는 사용자 경험과 기능 면에서 더욱 발전된 제품으로 성장할 것으로 기대된다.
특허 출원 내용
